DD260091A1 - Metallbehaelter-elektrolysezelle zur anreicherung von tritium in waessern - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf Metallbehaelter-Elektrolysezellen, die insbesondere als Bestandteil mehrstufiger Apparaturen zur schnellen Anreicherung des Umweltnuklides Tritium in Waessern aus untertaegigen Zufluessen im Kali- und Steinsalzbergbau eingesetzt werden. Die Innenseite des Zellenbodens der Metallbehaelter-Elektrolysezellen ist trichterfoermig ausgebildet und mit einer Bodenauslassoeffnung versehen, die an ihrer Unterseite eine kegelige Dichtflaeche aufweist, in die ein Ventilkegel eingelassen ist, in dessen Innerem sich eine durch eine Querbohrung und eine Laengsbohrung gebildete Abflussleitung befindet, so dass eine leichte Handhabung bei gleichzeitiger Vermeidung von Kontaminationen ermoeglicht wird. Fig. 1

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf Metallbehälterelektroiysezellen, die insbesondere als Bestandteil von mehrstufigen Apparaturen zur schnellen Anreicherung des Umweltnuklids Tritium (H³) in Wässern aus untertägigen Zuflüssen im Kali- und Steinsalzbergbau eingesetzt werden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Im Salzbergbau auftretende untertägige Zuflüsse mineralisierter Wässer müssen hinsichtlich möglicher von ihnen ausgehender Gefahren für den Produktionsablauf einer raschen und umfassenden Bewertung unterzogen werden. Die Art und der Umfang der von einem Zufluß ausgehenden Gefahrenmomente bestimmen die Strategie für dessen Bekämpfung. Von einem untertägigen Zufluß geht neben anderen Faktoren besonders dann eine Gefahr für die Produktion einer Salzgrube aus, wenn an der Zuflußbildung rezente Wässer beteiligt sind. Als ein natürlicher Indikatorfür die Beteiligung rezenter Wässer an der Zuflußbildung hat sich das radioaktive Umweltisotop Tritium (H³) erwiesen.

Aufgrund der im allgemeinen sehr geringen Konzentration des Umweltnuklides Tritium im Wasser untertägiger Zuflüsse ist zu dessen meßtechnischer Erfassung und zur Erzielung ausreichend kleiner Nachweisgrenzen im allgemeinen eine vorherige elektrolytische Anreicherung erforderlich, die auf dem bekannten Effekt beruht, daß bei der elektrolytischen Zersetzung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff eine Anreicherung des Tritiums in dem verbleibenden Restwasser erfolgt. Zur Tritiumanreicherung der in Salzgruben auftretenden untertägigen Zuflußwässer werden üblicherweise Metallbehälter-Elektrolysezellen eingesetzt.

Die eingesetzten Metallbehälter-Elektrolysezellen bestehen in der Regel aus zwei konzentrisch angeordneten senkrecht stehenden Elektroden, von denen die Außenelektrode gleichzeitig als Zellenwandung dient. Durch feste Verbindung der Unterkante der als Zellenwandung fungierenden Außenelektrode mit einer kreisförmigen Bodenplatte entsteht das nach unten geschlossene Elektrolysegefäß, in das das vorgereinigte mit einem Elektrolyten versetzte anzureichernde Wasser gefüllt wird und in das die perforierte Innenelektrode taucht. Das Gefäß ist oben mit einem Zellendeckel aus einem Isoliermaterial gasdicht verschließbar. Die Spannungszuführung zur Innenelektrode ist durch den Zellendeckel geführt, in den außerdem noch das Gasauslaßrohr für das bei der Elektrolyse entstehende Knallgas eingebracht ist. Der Zellendeckel dient gleichzeitig der Halterung der Innenelektrode und ermöglicht zusammen mit einem am Zellenboden befindlichen Distanzstück aus einem Isoliermaterial die Zentrierung der Innenelektrode. Durch die Form des Distanzstückes beziehungsweise des Zellenbodens wird erreicht, daß der Elektrolyt gegen Ende des Elektrolysevorganges eine genügend große Fläche der Innen- und Außenelektrode benetzt, wodurch ein zu hohes Ansteigen der Stromdichte gegen Ende des Elektrolysevorganges vermieden wird. Bei dem Auftreten von Zuflüssen in Salzgruben besteht ein hohes Interesse an einer möglichst kurzfristigen Durchführung von Tritiummessungen zur Erkennung möglicher rezenter Wasseranteile. Das setzt eine rasche Durchführung der Tritiumanreicherung voraus. Zur kurzfristigen Erzielung hoher Anreicherungsfaktoren ist neben dem kompliziert zu handhabenden Hochstrombetrieb mit einer einzelnen Elektrolysezelle eine Verwendung mehrstufiger Elektrolyseapparaturen bekannt. Dabei werden zum Beispiel im einfachsten Fall einer zweistufigen Elektrolyse in der ersten Stufe gleichzeitig mehrere Zellen unter gleichen Bedingungen betrieben. Das nach Abschluß der ersten Elektrolysestufe in den einzelnen Zellen verbliebene angereicherte Wasser wird anschließend vereinigt und nach gegebenenfalls erforderlichen Zwischenprozeduren (Abtrennen des Elektrolyten, Neuzugabe des Elektrolyten) in einer Metallbehälter-Elektrolysezelle einer zweiten Elektrolyseprozedur bis zur Erreichung der gewünschten Endanreicherung unterzogen.

Nachteilig beim Betrieb mehrstufiger Elektrolyseapparaturen mit Metallbehälter-Elektrolysezellen ist der durch den Zellenaufbau bedingte hohe Manipulationsaufwand zur Zellenentleerung. Sie erfolgt in bekannter Weise durch Abnehmen des Zellendeckels mit der daran befestigten Innenelektrode und Ausschütten des angereicherten Restwassers durch Kippen des durch die Außenelektrode und den Zellenboden gebildeten Elektrolysegefäßes. Zur Vermeidung unnötiger Abtropfverluste muß die Abnahme des Zellendeckels mit der daran befestigten Innenelektrode langsam und sorgfältig erfolgen und von der Innenelektrode abtropfendes Restwasser aufgefangen werden.

Nachteilig ist weiterhin, daß mit dem mit wachsender Zellenanzahl steigenden Manipulationsaufwandsich die Gefahr einer zufälligen Probenkontamination (Verunreinigung des Probenwassers mit Fremdtritium aus Luftfeuchte und Leitungswasser) erhöht. Dies kann zu schwerwiegenden Fehleinschätzungen führen, indem in einem an sich tritiumfreien Zufluß durch die Kontamination rezente Wasseranteile vorgetäuscht werden.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, den Manipulationsaufwand zur Entleerung von Metallbehälter-Elektrolysezellen zu senken und die Gefahr einer zufälligen Probenkontamination mit Umgebungstritium während des Entleerungsvorganges sicher auszuschließen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, eine Metallbehälter-Elektrolysezelle mit einem Entleerungssystem zu schaffen, durch das der Manipulationsaufwand bei der Entleerung der Elektrolysezelle ohne Einschränkung der Zellenbetriebsbedingungen gesenkt werden kann und die Gefahr einer zufälligen Probenkontamination während des Entleerungsvorganges sicher ausgeschlossen werden kann

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe folgendermaßen gelöst:

Der Zellenboden einer Metallbehälter-Elektrolysezelle, die aus zwei konzentrisch angeordneten, senkrecht stehenden Metallelektroden besteht, von denen die Außenelektrode gleichzeitig als Zellenwandung und Zellenboden dient und am . Zellenboden zwischen Außen- und Innenelektrode ein Distanzstück aus Isoliermaterial eingesetzt ist, wird an seiner Innenseite trichterförmig ausgebildet und mit einer Bodenauslaßöffnung versehen, die an ihrer Unterseite eine kegelige Dichtfläche aufweist, in die ein Ventilkegel eingelassen ist, der mittels eines Gewindestutzens gegenüber der Bodenauslaßöffnung mit zugehöriger Dichtfläche in Längsrichtung verschiebbar ist.

Der mit zwei Rundringdichtungen ausgestattete Ventilkegel weist in seinem Inneren eine Querbohrung auf, die mit einer Längsbohrung in Verbindung steht und als Abflußleitung dient.

Das Distanzstück wird an seinem unteren Ende im Raum zwischen Außen- und Innenelektrode mit Ablaufkanälen versehen. Die Unterseite des Distanzstückes ist entweder eben ausgebildet oder der Trichterform der Zellenbodeninnenseite angepaßt, wobei im letzteren Falle zwischen Zellenbodeninnenseite und der Unterseite des Distanzstückes ein Abflußspalt verbleibt. Während des Elektrolysevorganges ist über die Ablaufkanäle im Distanzstück eine homogene Vermischung des gesamten anzureichernden Wassers gewährleistet. Als auslösende Effekte für eine homogene Vermischung der Wasser sirtd sowohl durch das Aufsteigen der entstehenden Wasserstoff- und Sauerstoffgase verursachte mechanische Bewegungseffekte als auch Dichteunterschiede infolge der Aufkonzentrierung des Elektrolyten während des Anreicherungsprozesses anzusehen. Aufgrund der durch die oben genannten Effekte bewirkten homogenen Vermischung des gesamten anzureichernden Wassers sind die Betriebsbedingungen während des Elektrolysevorganges mit denen herkömmlicher Metallbehälterelektrolysezelle vergleichbar. Nach Abschluß des Elektrolysevorganges erfolgt eine Zellenentleerung, indem durch Drehen des Gewindestutzens der Ventilkegel von der kegeligen Dichtfläche an der Unterseite der Bodenauslaßöffnung entfernt wird. Das angereicherte Wasser kann dann über die Ablaufkanäle im Distanzstück in die Bodenauslauföffnung eintreten und nach Durchströmen der Abflußleitung im Ventilkegel in einem Sammelgefäß aufgefangen werden. Durch eine Schlauchverbindung zwischen Sammelgefäß und Abflußleitung wird jeglicher Umgebungskontakt vermeidbar und somit eine Probenkontamination während des Entleerens von einer oder mehreren Zellen sicher ausgeschlossen. Besonders beim Betrieb mehrstufiger Elektrolyseapparaturen mit Metallbehälter-Elektrolysezellen verringert sich der Manipulationsaufwand für die Zellenentleerung erheblich, und Abtropfverluste werden vermieden.

Ausführungsbeispiei

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Figur 1: zeigt einen Schnitt durch eine Metallbehälter-Elektrolysezelle.

Am unteren Ende einer Außenelektrode 1 aus Cr-Ni-Stahl, die gleichzeitig als Zellwandung dient, und einer perforierten Innenelektrode 2 aus phosphatiertem Weicheisen befindet sich ein an sich bekanntes Distanzstück 3 aus PTFE (Teflon). Im Raum zwischen Außenelektrode 1 und Innenelektrode 2 ist das Distanzstück 3 mit Ablaufkanälen 4 versehen. Die Innenseite des Zellenbodens 5 aus Cr-Ni-Stahl ist trichterförmig ausgebildet und mit einer Bodenauslaßöffnung 6 versehen, die an ihrer Unterseite eine kegelige Dichtfläche 7 aufweist. Ein in den Zellenboden 5 eingelassener Ventilkegel 8 aus Cr-Ni-Stahl ist mittels eines Gewindestutzens 9 gegenüber der Bodenauslaßöffnung 6 mit zugehöriger Dichtfläche 7 in Längsrichtung verschiebbar. Der mit zwei Rundringdichtungen 10,11 ausgestattete Ventilkegel 8 weist in seinem Inneren eine Querbohrung 12 auf, die mit einer Längsbohrung 13 verbunden ist und mit dieser als Abflußleitung fungiert. Die Unterseite des Distanzstückes 3 ist der Trichterform der Zellenbodeninnenseite angepaßt, wobei zwischen der Unterseite des Distanzstückes 3 und der Zellenbodeninnenseite ein Abflußspalt 14 verbleibt. Auf die Vorrichtung ist während des Elektrolysevorganges eine

Schutzkappe 15 aus Cr-Ni-Stahl aufgesteckt, um während des Zellenbetriebes eine Verunreinigung der Auslaßvorrichtung mit dem zur Zellkühlung verwendeten Glyzerin zu vermeiden. Während des Elektrolysevorganges ist über die Ablaufkanäle 4 eine homogene Vermischung des gesamten anzureichernden Wassers gewährleistet.

Nach Abschluß des Elektrolysevorganges erfolgt eine Zellenentleerung nach Abnahme der Schutzkappe 15 durch Drehen des Gewindestutzens 9, wodurch der Ventilkegel 8 von der kegeligen Dichtfläche? an der Unterseite der Bodenauslaßöffnung 6 entfernt wird und das im Zelleninneren befindliche angereicherte Wasser über die Ablaufkanäle 4 im Distanzstuck 3 und den Abflußspalt 9 in die Bodenauslauföffnung 6 eintreten kann und nach Durchströmen der als Abflußleitung fungierenden Quer- und Längsbohrungen 12 und 13 im Inneren des Ventilkegels 8 aus der Vorrichtung austritt. Durch eine Schlauchverbindung zwischen der Olive 16 an der Abflußleitung im Ventilkegel 8 und einem nicht dargestellten Sammelgefäß ist eine Entleerung ohne Umgebungskontakt möglich und somit eine Probenkontamination sicher ausgeschlossen.

Claims (3)

1. Metallbehälter-Elektrolysezelle zur Anreicherung von Tritium in Wässern, bestehend aus zwei konzentrisch angeordneten, senkrecht stehenden Metallelektroden, von denen die Außenelektrode gleichzeitig als Zellenwandung und Zellenboden dient, wobei am Zellenboden zwischen Außen- und Innenelektrode ein Distanzstück aus Isoliermaterial eingesetzt ist, gekennzeichnet dadurch, daß das Distanzstück an seinem unteren Ende im Raum zwischen Außen- und Innenelektrode mit Ablaufkanälen versehen ist und daß die Innenseite des Zellenbodens (5) trichterförmig ausgebildet und mit einer Bodenauslaßöffnung (6) versehen ist, die an ihrer Unterseite eine kegelige Dichtfläche (7) aufweist, in die ein Ventilkegel (8) eingelassen ist, in dessen Innerem sich eine durch eine Querbohrung (12) und eine Längsbohrung (13) gebildete Abflußleitung befindet.

2. Metallbehälter-Elekrolysezelle nach Anspruch !,gekennzeichnet dadurch, daß der Ventilkegel (8) zwei Rundringdichtungen (TO) und (11) und einen Gewindestutzen (9) aufweist.

3. Metallbehälter-Elektrolysezelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Unterseite des Distanzstückes (3) eben ausgebildet ist oder der trichterförmigen Innenseite des Zellenbodens (5) angepaßt ist, wobei zwischen der Unterseite des Distanzstückes (3) und der Innenseite des Zellenbodens (5) im letzteren Fall ein Abflußspalt (14) verbleibt.