CN116555792A - 一种用质子膜电解重水生产高纯氘气的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用质子膜电解重水生产高纯氘气的装置及方法，装置包括依次连通的质子膜电解系统、气体纯化系统、氘气收集系统，质子膜电解系统包括水箱、电解槽和气水分离器，金属阳极和金属阴极压向质子膜的两侧形成电解槽，将电解槽划分为阳极室和阴极室，水箱中的重水通过输入管线与电解槽阳极室相连通，电解槽接通电源后在其阳极室产生氧气混合物，在其阴极室产生氘气混合物，氘气混合物依次通入气水分离器、气体纯化系统和氘气收集系统。本发明采用上述的一种用质子膜电解重水生产高纯氘气的装置，质子膜具有良好的化学稳定性、质子传导性和气体分离性，氘气与氧气的相互渗透率低，提高了氘气生产效率和纯度，工艺简单，安全性高。

Description

一种用质子膜电解重水生产高纯氘气的装置及方法

技术领域

本发明涉及氘气生产技术领域，特别是涉及一种用质子膜电解重水生产高纯氘气的装置及方法。

背景技术

氘是氢的稳定同位素，氘气在室温下是一种无色、无味、无毒、无害的可燃性气体，在光导纤维材料、润滑剂性能优化、核医学研究、半导体等领域都有着重要的用途。现阶段国内较为传统成熟的氘气生产方法为重水碱液电解法，为了提高重水电解效率，需要向电解池内添加碱金属的氘氧化物作为电解质，以增强电解池内液体的导电性能，称之为碱性重水电解技术。但碱性重水电解生产氘气的方法存在一些不足，一是碱金属的氘氧化物价格昂贵，获取困难；二是在电解过程中，电解液中的导电介质不断被消耗、变质，使得重水的电解效率持续下降，需要定期补充碱金属的氘氧化物电解质；三是电解出的气体中会带有碱性蒸气，需要对其进行脱碱雾处理，工艺复杂，耗能高；四是碱性电解过程中，阳极、阴极气体产物相互扩散，降低了电解氘气的纯度，为此需配套较为复杂的气体纯化装置和工艺，增大了提纯的难度和成本。

质子膜电解水技术是以固体质子交换膜为电解质的一种生产高纯气体的新技术，电解是通过阳离子作用渗透选择膜来实现的，该质子膜本质上是一种固体聚合物电解质，具有亲水、阳离子选择通过的特性，使得阳离子能够自如穿过该选择膜，并在阴极获得电子生成氢气，阴离子被阻止在阳极侧，在电场作用下失去电子生成氧气，由于膜的强选择性，电解过程中不会在生成的氘气体中引入固有杂质或其它污染，产生的氢气纯度很大程度上仅受水纯度的限制，更容易得到纯度高的氢气。但是目前将质子膜电解水技术应用于氘气的生产还具有一些困难：生产的气体纯度不够；效率较低、工艺流程较为复杂；质子膜的选择等。

发明内容

本发明的目的是提供一种用质子膜电解重水生产高纯氘气的装置及方法，以解决上述质子膜电解水技术用于生产氘气的缺点。

为实现上述目的，本发明提供了一种用质子膜电解重水生产高纯氘气的装置，装置包括依次连通的质子膜电解系统、气体纯化系统、氘气收集系统，质子膜电解系统包括水箱、电解槽和气水分离器，金属阳极和金属阴极压向质子膜的两侧形成电解槽，将电解槽划分为阳极室和阴极室，水箱中的重水通过输入管线与电解槽阳极室相连通，电解槽接通电源后在其阳极室产生氧气混合物，在其阴极室产生氘气混合物，氧气混合物通过输出管线重新通入水箱中，氘气混合物依次通入气水分离器、气体纯化系统后和氘气收集系统得到高纯氘气。

优选的，上述各个系统通过PLC控制，并通过DCS集成到工作站统一控制，形成一套可连续、自动化的生产工艺。

优选的，质子膜为全氟磺酸聚合物。全氟磺酸质子交换膜是一种固体聚合物电解质，具有化学稳定性和热稳定性好、电导率高、机械强度高等优点，较其他质子膜来说，全氟磺酸聚合物膜作为质子交换膜可以延长电解槽寿命，在不引入其他电解质的前提下能最大限度的提升电解速率，并能保证气体纯度。使用其他类型的质子膜在电解效率和纯度上无法达到与本发明相同的技术效果。

优选的，水箱的顶部设置有用于氧气排出的排空口，水箱的底部设置有排水口，排空口安装有水汽冷凝装置。

接通直流电源后重水立刻在阳极室分解成氘氧根离子，随即释放出电子，形成氧气，从电解槽阳极室输出口排出，同时携带部分重水蒸气进入水箱内，重水滞留在水箱内循环使用，氧气则从水箱上的氧气排空口排出，排空口安装有水气冷凝装置，能将氧气排出所带走的重水冷凝后回到水箱内，重水在电解槽输入口、氧气排空口和重水冷凝回收口之间围绕电解槽阳极室不断循环电解，能够有效保证价格昂贵的重水资源不浪费，极大提升了电解的经济性；氘质子以水合离子的形式存在，在电场力的作用下，通过质子膜到达阴极吸收电子形成氘气，从阴极室排出后，进入气水分离器中，在此去除从电解槽中携带的大部分重水水分。

优选的，气水分离器的底部通过排水管线与水箱相连通，排水管线上设置有排水阀。

气水分离器中的冷凝重水在累积到一定量时，从气水分离器出水口排入水箱中循环使用，确保气水分离器中水位恒定。

优选的，气体纯化系统包括干燥器和净化管，经气水分离器处理后的氘气混合物依次通过干燥器和净化管后经排气管线与氘气收集系统相连通。

使用质子膜电解重水制备的氘气中主要杂质有氢气、氘化氢、氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、烃类等，其中氢气、氘化氢中的氢元素主要来源于重水中本身含有的氢，或由于管路系统的密封性不好带进空气中的水蒸气或其他含氢物质，在经过同位素交换反应后，最终以氢气、氘化氢等形式出现在氘气产品中；其余气体杂质主要来源于系统管路上吸附的气体以及系统因密封性不良导致的污染渗透。

基于此，在气体纯化系统中设置有干燥装置和净化装置，干燥装置中填充物为5A分子筛，采用变压吸附工艺，一套工作，一套再生。工作时，工作装置出口为关状态，当压力达到2Mpa时，完成干燥及初级纯化，工作装置出口阀自动打开，气体卸出，出口阀自动关闭，继续工作。再生时，排空需要再生的装置内气体，并加热再生装置，保持温度不高于150℃，让其内部填充物上吸附的气体分子不断解析，至少保持8小时，完成再生。从气水分离器中出来的含微量水分的氘气经过干燥吸湿和净化后，氘气中的微量水分和气体杂质被吸收净化，产品纯度可达到99.999%以上。若不对其进行纯化，则氘气的纯度上无法达到99.999%以上。纯化系统通过PLC控制联锁，一套工作、一套再生，实现净化工艺的连续操作。

优选的，排气管线上设置有超压保护器、压力表、流量控制器、放气阀。

流量控制器用来控制输出流量的大小，压力表用来检测系统内压力，压力控制器用来防止系统超压，当压力超过规定限值时，自动停止电解，防止高压损坏电解槽。

优选的，氘气收集系统包括增压装置和氘气收集装置，其中增压装置的前端设置有入口电阀，增压装置的后端设置有出口电阀，氘气收集装置的入口设置有入口阀门。

所述的装置生产高纯氘气的方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）准备工作：检查设备、排空水分、密封性测试；

（2）将重水注入水箱，静置，使电解槽阳极室充满重水，打开排空口；

（3）接通电源，电解槽阳极室开始电解重水；

（4）从电解槽阳极室析出的氧气混合物通过输出管线进入水箱中，随后氧气从排空口排出；

（5）从电解槽阴极室析出的氘气混合物，进入气水分离器中进行分离，当气水分离器中的冷凝水积累到一定量时，打开排水阀将其中的重水通过排水管线进入水箱中循环使用；

（6）经过气水分离后的氘气混合物依次进入干燥器和净化管，进行干燥纯化后进入氘气收集装置中，得到高纯氘气，在这一过程中压力表数值上升，达到一定数值后，流量控制器开始进行自动控制，使电解电流岁压力升高而减小，实现输出流量稳定可调。

优选的，检查设备包括检查质子膜电解系统、气体纯化系统及氘气收集系统中相关设备状态正常、外观良好，无明显破损痕迹。

优选的，排空水分包括工艺系统干燥处理，电解制氘气开始前，排空系统内水份，将工艺系统整体升温至60±10℃范围内，用真空泵将系统内抽空，期间用干燥氮气置换3-4次，整个干燥时间不低于48个小时。

优选的，密封性测试包括真空密封性测量，系统降至室温后，继续抽真空，压力抽至≯26Pa，停止抽空，压力半小时不变化，真空密封性合格。

因此，本发明采用上述结构的一种用质子膜电解重水生产高纯氘气的装置及方法，具有以下有益效果：

（1）电解槽内无需加入氘氧化物的电解质，经济性更好，且不会产生碱液流失，电解槽、管路、设备腐蚀，电解液短路等问题；

（2）重水电解效率高，氘气产品纯度易于达到99.999%及以上，有利于抽取更高纯的氘气产品；

（3）质子膜电解槽结构紧凑、对电能质量要求不高、适应性强、能耗低，电解过程中氘气和氧气相互渗透率低，安全性更加良好；

（4）质子膜电解重水制取高纯氘气技术的应用，对氘气供应的国产化率、氘气产品在民用市场的推广发展具有重要意义。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1是本发明一种用质子膜电解重水生产高纯氘气的装置的结构示意图。

图中：1、排空口；2、水箱；3、重水；4、排水口；5、排水管线；6、输出管线；7、输入管线；8、电解槽；9、电源；10、阳极室；11、阴极室；12、质子膜；13、气水分离器；14、排水阀；15、干燥器（1）；16、干燥器（2）；17、净化管；18、压力表；19、超压保护器；20、流量控制器；21、放气阀；22、入口电阀；23、增压装置；24、出口电阀；25、入口阀门；26、氘气收集装置。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

实施例1

一种用质子膜电解重水生产高纯氘气的装置，装置包括依次连通的质子膜电解系统、气体纯化系统、氘气收集系统，质子膜电解系统包括水箱2、电解槽8和气水分离器13，金属阳极和金属阴极压向质子膜12的两侧形成电解槽8，将电解槽8划分为阳极室10和阴极室11，质子膜12为全氟磺酸聚合物，水箱2中的重水3通过输入管线7与电解槽8阳极室10相连通，电解槽8接通电源9后在其阳极室10产生氧气混合物，在其阴极室11产生氘气混合物，氧气混合物通过输出管线6重新通入水箱2中，水箱2的顶部设置有用于氧气排出的排空口1，水箱2的底部设置有排水口4，排空口1安装有水汽冷凝装置，氘气混合物依次通入气水分离器13、气体纯化系统后和氘气收集系统得到高纯氘气，气水分离器13的底部通过排水管线5与水箱2相连通，排水管线5上设置有排水阀14。重水3在电解槽8输入口、氧气排空口1和重水3冷凝回收口之间围绕电解槽8阳极室10不断循环电解，能够有效保证价格昂贵的重水3资源不浪费，极大提升了电解的经济性。

气体纯化系统包括干燥器（1）15、干燥器（2）16和净化管17，干燥器（1）15和干燥器（2）16一个工作一个再生，经气水分离器13处理后的氘气混合物依次通过干燥器（1）15或干燥器（2）16和净化管17后经排气管线与氘气收集系统相连通。气水分离器13中的冷凝重水3在累积到一定量时，从气水分离器13出水口排入水箱2中循环使用，确保气水分离器13中水位恒定。排气管线上设置有超压保护器19、压力表18、流量控制器20、放气阀21。流量控制器20用来控制输出流量的大小，压力表18用来检测系统内压力，压力控制器用来防止系统超压，当压力超过规定限值时，自动停止电解，防止高压损坏电解槽8。

氘气收集系统包括增压装置23和氘气收集装置26，其中增压装置23的前端设置有入口电阀22，增压装置23的后端设置有出口电阀24，氘气收集装置26的入口设置有入口阀门25。

实施例2

所述的装置生产高纯氘气的方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）准备工作：检查设备、排空水分、密封性测试；

其中检查设备包括检查质子膜电解系统、气体纯化系统及氘气收集系统中相关设备状态正常、外观良好，无明显破损痕迹。

其中排空水分包括工艺系统干燥处理，电解制氘气开始前，排空系统内水份，将工艺系统整体升温至60±10℃范围内，用真空泵将系统内抽空，期间用干燥氮气置换3-4次，整个干燥时间不低于48个小时。

其中密封性测试包括真空密封性测量，系统降至室温后，继续抽真空，压力抽至≯26Pa，停止抽空，压力半小时不变化，真空密封性合格。

（2）将重水注入水箱，静置，使电解槽阳极室充满重水，打开排空口；

（3）接通电源，电解槽阳极室开始电解重水，重水在阳极室分解成氘氧根离子，随即释放出电子，形成氧气，氘质子以水合离子的形式存在，在电场力的作用下，通过质子膜到达阴极吸收电子形成氘气；

（4）从电解槽阳极室析出的氧气混合物通过输出管线进入水箱中，电解槽阳极室产生的氧气混合物中含有重水水蒸气，排空口的水汽冷凝装置将氧气混合物中的水蒸气冷凝为重水与水箱中的重水混合，氧气通过排空口排出；

（5）从电解槽阴极室析出的氘气混合物，进入气水分离器中进行分离，氘气中主要杂质有氢气、氘化氢、氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、烃类等，其中氢气、氘化氢中的氢元素主要来源于重水中本身含有的氢，或由于管路系统的密封性不好带进空气中的水蒸气或其他含氢物质，在经过同位素交换反应后，最终以氢气、氘化氢等形式出现在氘气产品中；其余气体杂质主要来源于系统管路上吸附的气体以及系统因密封性不良导致的污染渗透；气水分离器主要将氘气混合物中的水除去，当气水分离器中的冷凝水积累到一定量时，打开排水阀将其中的重水通过排水管线进入水箱中循环使用；

（6）经过气水分离后的氘气混合物依次进入干燥器和净化管，两级干燥装置和净化管主要用于将氘气混合物中除水以外的杂质去除，进行干燥纯化后进入氘气收集装置中，得到高纯氘气，产品纯度可达到99.999%以上，在这一过程中压力表数值上升，达到一定数值后，流量控制器开始进行自动控制，使电解电流岁压力升高而减小，实现输出流量稳定可调。

因此，本发明采用上述结构的一种用质子膜电解重水生产高纯氘气的装置及方法，质子膜具有良好的化学稳定性、质子传导性和气体分离性，氘气与氧气的相互渗透率低，提高了氘气生产效率和纯度，工艺简单，安全性高。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种用质子膜电解重水生产高纯氘气的装置，其特征在于：装置包括依次连通的质子膜电解系统、气体纯化系统、氘气收集系统，质子膜电解系统包括水箱、电解槽和气水分离器，金属阳极和金属阴极压向质子膜的两侧形成电解槽，将电解槽划分为阳极室和阴极室，水箱中的重水通过输入管线与电解槽阳极室相连通，电解槽接通电源后在其阳极室产生氧气混合物，在其阴极室产生氘气混合物，氧气混合物通过输出管线重新通入水箱中，氘气混合物依次通入气水分离器、气体纯化系统和氘气收集系统得到高纯氘气。

2.根据权利要求1所述的一种用质子膜电解重水生产高纯氘气的装置，其特征在于：质子膜为全氟磺酸聚合物。

3.根据权利要求1所述的一种用质子膜电解重水生产高纯氘气的装置，其特征在于：水箱的顶部设置有用于氧气排出的排空口，水箱的底部设置有排水口，排空口安装有水汽冷凝装置。

4.根据权利要求1所述的一种用质子膜电解重水生产高纯氘气的装置，其特征在于：气水分离器的底部通过排水管线与水箱相连通，排水管线上设置有排水阀。

5.根据权利要求1所述的一种用质子膜电解重水生产高纯氘气的装置，其特征在于：气体纯化系统包括干燥器和净化管，经气水分离器处理后的氘气混合物依次通过干燥器和净化管后经排气管线与氘气收集系统相连通。

6.根据权利要求5所述的一种用质子膜电解重水生产高纯氘气的装置，其特征在于：排气管线上设置有超压保护器、压力表、流量控制器、放气阀。

7.根据权利要求6所述的一种用质子膜电解重水生产高纯氘气的装置，其特征在于：氘气收集系统包括增压装置和氘气收集装置，其中增压装置的前端设置有入口电阀，增压装置的后端设置有出口电阀，氘气收集装置的入口设置有入口阀门。

8.根据权利要求1-7任一项所述的装置生产高纯氘气的方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）准备工作：检查设备、排空水分、密封性测试；

（2）将重水注入水箱，静置，使电解槽阳极室充满重水，打开排空口；

（3）接通电源，电解槽阳极室开始电解重水；

（4）从电解槽阳极室析出的氧气混合物通过输出管线进入水箱中，随后氧气从排空口排出；

（5）从电解槽阴极室析出的氘气混合物，进入气水分离器中进行分离，当气水分离器中的冷凝水积累到一定量时，打开排水阀将其中的重水通过排水管线进入水箱中循环使用；

（6）经过气水分离后的氘气混合物依次进入干燥器和净化管，进行干燥纯化后进入氘气收集装置中，得到高纯氘气，在这一过程中压力表数值上升，达到一定数值后，流量控制器开始进行自动控制，使电解电流岁压力升高而减小，实现输出流量稳定可调。