DE2830972A1

DE2830972A1 - Ionenaustausch- und elektrodialyse- verfahren und vorrichtung zu seiner durchfuehrung

Info

Publication number: DE2830972A1
Application number: DE19782830972
Authority: DE
Inventors: Philip J Grant
Original assignee: Babcock and Wilcox Co
Current assignee: Babcock and Wilcox Co
Priority date: 1977-07-22
Filing date: 1978-07-14
Publication date: 1979-01-25
Also published as: BE868885A; AT368400B; JPS5927204B2; JPS58101707A; IL54924A0; LU80021A1; US4148708A; DE2830972B2; IT7825512A0; FR2397861A1; NL7806439A; CA1100439A; CH625970A5; FR2397861B1; IL54924A; JPS5423082A; GB1603015A; ATA538178A; DE2830972C3; ES471599A1

Description

; -27,151

- 7 - 2830372

PATENTANMELDUNG

Anmelder; The Babcock & Wilcox Company l6l East 42nd Street,
New York, N. Y. 10017 - USA -

Titel: Ionenaustausch- und Elektrodialyse-Verfahren und Vorrichtung zu seiner Durchführung

Die Erfindung betrifft ein Flüssigkeits-Reinigungsverfahren durch eine Kombination aus Ionenaustausch- und Elektrodialyseapparaten, um Wasser aus dem Primärkühlmittelkrexslauf einer Kernreaktoranlage oder jeden anderen mit Kationen und Anionen befrachteten Flüssigkeit zu verarbeiten, die einer Reinigung und Konzentration bedarf.

Um die in einem Kernreaktor erzeugte Energie zu regeln, ist es üblich, neutroneneinfangendes Bor in dem Kühlwasser aufzulösen, das durch den Reaktorkern strömt» Die Kerne der Boratome fangen dabei einige der Neutronen ein, die bei den Spaltprozessen innerhalb des Reaktorkerns erzeugt werden; durch eine kontrollierte Verminderung des Neutronenhaushalts innerhalb des Kerns wird somit die Leistung geregelt, die der Kern erzeugt. Als eine Nebenfolge dieses Neutroneneinfangvorgangs verfallen außerdem diejenigen Borkerne, die Neutronen eingefangen haben, im allgemeinen in Lithiumkerne oder Lithiumisotope je mit einer daraus sich ergebenden Atommassenzahl sieben (Lithium 7)·

Anw.-^Ic+.e; 27 ο ±51

Uin die Reaktorkernkorrosion einzuschränken, ist es auch üblich, Lithiumhydroxyd dem Wasser in dem Reaktorkern-Primärkühlmittelkreislauf zuzusetzen«, Die für diesen Zweck gewählte Lithiumisotope ist die Isotope mit der Massenziffer 7, weil im Gegensatz zu der obengenannten Borfunktion diese bestimmte Lithiumisotope im allgemeinen weniger Neutronen einfangen und weniger gefährliche Tritiummengen erzeugt. Weiterhin besteht in dieser Beziehung eine Knappheit an dieser bestimmten Lithiumisotope in einer Form, die gegenüber den anderen Lithiumisotopen stark angereichert ist.

Um die Borkonzentration in dem Primärkühlmittel zu ändern, wodurch die Ileaktorieistung geregelt wird, und um die Lithiumhydroxydkonzentration in dem Reaktorkühlmittel zu kontrollieren, ist es bekannt, eine Anzahl ziemlich komplizierter Verfahren zu verwenden. Diese Verfahren verwenden Verdampfer, Kristallisatoren, Fällungs-/Spülapparate und dergleichen» Die Arbeitsweise dieser Verfahren ist unbefriedigend gewesen, und oft ist der Kraftwerksbetrieb eingeschränkt worden und es wurden umfangreiche Änderungen durchgeführte Die durch die Unzulänglichkeit dieser Maßnahmen verursachten Kosten und Einbußen bei der Nutzung der Einrichtungen stellen eine eindeutige Belastung dar, so daß wesentliche Verbesserungen unbedingt erforderlich sind,,

Als eine weitere Folge der Neutroneneinwirkung innerhalb des Reaktorkerns wird oft Tritium, eine schwere Wasserstoffisotope, erzeugte Dieser Stoff schafft Gesundheits- und Umweltsprobleme, und in bestehenden Kernkraftwerken werden beträchtliche Anstrengungen unternommen, um dieses "tiiriumoxydhaltige" Wasser von der Kraftwerksbaustelle zu entfernen.

Forschungsarbeiten, die darauf gerichtet waren, Ionenaustausch- und Elektrodialyseverfahren für die Behandlung von radioaktiven Abwässern anzuwenden, sind abgewickelt worden.

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In knappen Worten kann man sagen, daß diese Forschungen eine normale Elektrodialyse-Zellenanordnung betraf, bei der Salze in bestimmten Kammern gesammelt und konzentriert werden, während frisches Wasser über Ionentrasport durch gewählte durchlässige Membranen erzeugt wird«, Bei der Elektrodialyse ist festgestellt worden, daß bestimmte Materialien oder Membranen wahlweise gegenüber Kationen durchlässig sind und daß andere Membranen gegenüber Anionen durchlässig sind. Wenn unter diesen Umständen eine Kationmembrane zwischen ionenreichem Wasser und einer negativ geladenen Kathode angeordnet wird, dann werden die positiv geladenen Kationen durch die Membrane zur Kathode wandern,, Die Membrane wird jedoch in wirkungsvoller Weise den Transport von negativ geladenen Anionen durch die Membrane zur Kathode verhindern«. In weitgehend der gleichen Weise wird es eine Anionmembrane erlauben, daß negativ geladene Anionen zu einer positiv geladenen Anode wandern, während sie gleichzeitig für die Kationenwanderung in der gleichen Richtung eine Sperre darstellt. Mischbett-Ionenaustauschharze werden in den Produktwasserströmen verwendet, um die lonenentfernung und den Ionentransport zu erleichtern. Die konzentrierten Abfallströme werden gesammelt und zur Abfallbeseitigung erstarrt. Diese Anordnung besteht aus abwechselnden Konzentrat- und Produktwasserkammern, die zwischen einem Elektrodenpaar eingeschlossen sind.

Was die Chemie und die stattfindenden chemischen Vorgänge angeht, so gilt folgendes: In knappen Worten kann man sagen, daß sich viele Säuren und Basen im Wasser in Teilionen zersetzen,. So löst sich Borsäure in einer Wasserlösung in ein negativ geladenes Boration und in ein positiv geladenes Wasserstoffion auf. Bekanntlich heißen die negativ geladenen Ione "Anionen" und die positiv geladenen Ionen "Kationen".

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Es ist außerdem festgestellt worden, daß einige Harzarten eine Affinität für Anionen und daß andere Harze eine Affinität für Kationen haben. Diese Kenntnis ist ausgenutzt worden, um ionisierte Stoffe aus Wasser zu entfernen,. Somit wird das ionenreiche Wasser durch ein aus Anion- und Kationharze bestehendes Mischbett geleitet, wobei die Anionharze die Anionen und die Kationharze die Kationen aus dem Wasser entfernen,,

Elektrodialyse dagegen ist ein ganz anderes Verfahren« Gewöhnlich wird ein Paar Elektroden in ionenreiches Wasser eingetaucht und diesen Elektroden werden entgegengesetzte elektrische Ladungen verliehen, wobei die negativ geladenen Anionen dazu neigen, zu der positiv geladenen Anode zu wandern, während umgekehrt die positiv geladenen Kationen dazu neigen, zur negativ geladenen Kathode zu wandern.

Die Erfindung besteht nun darin, daß eine Kationharzschicht zwischen der Kationmembrane und der negativ geladenen Kathode angeordnet wird, und daß eine Anionharzschicht zwischen der Anionmembrane und der positiv geladenen Anode angeorndet wird. Um diesen Aufbau zu vervollständigen, werden zwei weitere Membranen der Kombination hinzugefügte Eine Kationmembrane wird z.B. zwischen der Anionharzschicht und der positiv geladenen Anode angeordnet. Umgekehrt wird eine Anionmembrane zwischen der Kationharzschicht und der negativ geladenen Kathode angeordnet. Dieser erfindungsgemäße Aufbau ermöglicht nicht nur einen kontinuierlichen Strom sehr reinen deionisierten Wassers aus dem Mischbett abzuziehen, sondern er erzeugt auch kontinuierliche Ströme konzentrierter Säure aus der Anolytkammer, die die Anionharzschicht enthält, und konzentrierter Lauge aus der Katholytkammer, die die Kationsharzschicht enthält.

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28 3Ö9"⁷'/

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Diese kontinuierliche Erzeugung von Säure und Lauge steht natürlich im scharfen Gegensatz zu früheren bekannten Bemühungen, die darauf gerichtet waren, Ionenaustauschund Elektrodialyseverfahren zu kombinieren, die Anionen und Kationen verbanden, um einen konzentrierten Salzwasserstrom zu erzeugen.

Eine auf das Problem der Reaktorkern-Kühlwasser-Reinigung angewandte typische Ausführungsform der Erfindung erzeugt nicht nur reines Wasser sowie konzentrierte Borsäure und Lithiumhydroxyd, sondern hat auch die sehr vorteilhafte

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Wirkung, das Lithium aufzufangen, das durch die Zersetzung des Bor" - Kerns nach einem Neutroneneinfang erzeugt wird, und diese seltene Isotope, die als ein Edelprodukt eingeführt wird, zurückzugewinnen. Durch die Hinzufügung eines geeigneten Materials zu diesem Zellenaufbau kann außerdem Tritium vorzugsweise aus dem Wasser durch den Stoff extrahiert werden, um anschließend in einer konzentrierten Form beseitigt zu werden»

Somit wird erfindungsgemäß ein Verfahren und ein Zellenaufbau zur Durchführung dieses Verfahrens geschaffen, das kontinuierlich ein ionenreiches AufgaTsegut zu einer deionisierten Flüssigkeit, einer konzentrierten Säure und einer konzentrierten Lauge verarbeitet. Das diese Erfindung kennzeichnende Verfahren bietet bei Verwendung in Verbindung mit einem Kernreaktor-Kern-Kühlwasser die weiteren Vorteile einer Lithium"'-Rückgewinnung und Tritiumbeseitigung.

Die Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Austausehers, und

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Fig. 2 ein Schema der Wirkungsweise der Erfindung₀

Gemäß der Darstellung in Figur 1 besteht der Austauscher

aus einer Reihe von vier Zellen 10, 11, 12 und 13. Die

Zellen 10 und 12 sind in ihren wesentlichen Merkmalen gleich, während die Zellen 11 und 13 zueinander ähnlich

sind, während sie in der relativen Anordnung ihrer Bauteile

von den Zellen 10 und 12 abweichen, wie nachstehend beschrieben wird.

Die Zelle 10 weist eine Anode 14 in einer Anodenkammer 15 auf. Die Anotfde 14 ist elektrisch mit einer nicht dargestellten Kraftquelle gekoppelt, um auf der Elektrodenoberfläche eine positive Ladung zu erzeugen,.

Die Anodenkammer 15 ist von einer AnoIytkammer 16 durch eine Kationenembran 17 getrennt. Wie bereits zuvor erwähnt wurde, erlauben es Kationmembranen positiv geladenen Kationen von einer Seite der Membrane zur anderen zu wandern,, Eine Kationmembrane ermöglicht es jedoch nicht einem negativ geladenen Anion von einer Membranseite durch die Membrane hindurch zur anderen Seite dieser Membrane zu wandern.

Die Anolytkammer 16 enthält eine Anionharzschicht 20, die zu einem allgemein rechteckigen Prisma ausgebildet ist, dessen eine Seite durch die Kationmembrane 17 gebildet wird. Die Anionharzschicht 20 ist im allgemeinen eine Masse aus zusammengepreßten Kugelchen, die aus einem harzigen Material bestehen, welches vorzugsweise verschmutzende Anionen absorbiert und bevorzugtere Anionen freigibt. Eine Anionmembrane 21, die von der Membrane 17 mit Abstand sowie parallel zu derselben angeordnet ist, bildet eine andere der Seiten

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der AnoIytkammer 16. Harzschichten, die nur anionische Stoffe oder nur kationische Stoffe absorbieren, werden oft mit Mono-Ionen-Austausch-Harzschichten bezeichnet. Wie zu erwarten ist, erlauben es Anionemembranen negativ geladenen Ionen, von einer Seite der Membrane zur anderen zu wandern. Anionmembranen erlauben es jedoch nicht einem positiv geladenen Kation, von einer Membraneseite durch die Membrane hindurch zur anderen Seite derselben zu wandern.

Ein Harzmischbett 22 füllt den Raum einer rechteckigen, prismaförmigen Aufgabegut-Eintrittskammer 23 aus. Auf jeden Fall hat das Mischbett 22 eine Affinität für Kationen und Anionen, so daß es beide Stoffe aus der Lösung entfernt_o Wie man der Figur 1 entnehmen kann, ist das Mischbett 22 zwischen der Anionniembrane 21 und einer Kationmembrane 2h eingeschlossen.

Die Kationmembrane 24 bildet überdies die Trennwand zwischen der Aufgabegut-Eintrittskaminer 23 und einer Katholytkaminer 25. Innerhalb der Katholytkammer 25 tauscht eine rechteckige, prismaförmige Kationsharzschicht 26 aus gepreßten Harzkügelchen oder dergleichen verschmutzende Kationen gegen bevorzugte Kationen in der Kammer 25 aus.

Eine negativ geladene Kathode 27, die elektrisch mit eine Stromzuführung verbunden ist, ist von der Katholytkammer durch eine Anionmembrane 30 getrennt und ist von der Kationmembrane 2h mittels der Kationharzschicht 26 mit Abstand angeordnet. Auf diese Weise bildet die Membrane 30 eine Trennwand für die Katholytkammer 25, wobei diese Trennwand parallel zur Kationenembrane 2h verläuft.

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_ ία _ 28309".

Da die Zelle 12 in ihrer Ausführung gleich der Zelle 10 ist, hat die Zelle 12 eine positiv geladene Anode 31» die mit Abstand von einer Anionharzschicht 32 in einer Anolytkainmer 33 mittels einer Kationmembrane 34 angeordnet ist. Die Anolytkammer 33 ist überdies von einem Mischharzbett in einer Aufgabegutkammer 36 durch eine Anionmembrane 37 getrennt,,

Die Katholytkammer 40 ist von der Aufgabegutkammer 36 durch eine Kationmembrane 41 getrennt, wodurch eine Kationsharzschicht 42 zwischen der Kationmembrane 41 und einer Anionmembrane 43 eingeschlossen wird. Die Membrane 43 ist auch zwischen der Kationharzschicht 42 und einer negativ geladenen Kathode 44 angeordnet.

Die Zelle 11 hat jedoch eine etwas andere relative Anordnung der Bauteile. So ist die negativ geladene Kathode 27 von einer Kationharzschicht 45 durch eine Anionmembrane 46 getrennt. Eine Kationmembrane 47 bewirkt eine weitere Trennung zwischen der Kationsharzschicht 45 in einer Katholytkammer 50 und Mischbett 51 in einer Aufgabegutkammer 52„ Eine Anolytkammer 53 ist neben der Aufgabegutkammer 52 mittels einer Anionmembrane 54 ausgebildet, die als eine Trennwand zwischen der Aufgabegutkammer 52 und der Anolytkammer 53 wirkt, wodurch die Anionharzschicht 53A eingeschlossen wird. Die positiv geladene Anode 31 ist überdies von der Anolytkammer 53 durch die Kationmembrane 55 getrennt.

Die Zelle 13 ist in einer ähnlichen Weise wie Zelle 11 angeordnete Erläuternd sei darauf hingewiesen, daß die Zelle 13 eine Katholytkammer 56 aufweist, die eine Kationharzschicht 57 enthält, welche von der negativ geladenen Kathode 44

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durch eine Anionmembrane 6O getrennt ist«, Eine Aufgabegutkammer 6l ist zwischen der Katholytkammer 56 und einer Anolytkammer 62 errichtet. Die Aufgabegutkammer 6l enthält ein Mischbett 63, welches von der Katholytkammer 56 durch eine Kationmembrane 64 und von der Anolytkammer 62 durch eine Anionmembrane 65 getrennt ist. Weiterhin ist in der Anolytkammer 62 eine Harzschicht 66 zwischen der Anionmembrane 65 und einer Kationmembrane 67 eingeschlossen. Die Kationmembrane 67 trennt die Anionharzschicht 66 von einer positiv geladenen Anode 70.

Normalerweise werden die Elektrodenkammern durch die Verwendung eines verdünnten Elektrolyten, wie z.B_o Salpetersäure, gereinigt. Bei dieser Apparatur hat es sich jedoch als möglich erwiesen, diese Spülung dadurch zu bewirken, daß ein Mischbett in jeder der Elektrodenkammern vorgesehen wird und die Spülung mit dem ZellenwDeionat-Ablaufstrom durchgeführt wird. Eine Elektrodenspülleitung 71 stellt eine strömungstechnische Verbindung zwischen einem Spüleintritt 72, den Anoden 14, 31, 70» den Kathoden 27, 44 und dem Spülabzug 73 her, um Schmutzstoffe, Gase und dergleichen, aus den Anoden- und Kathodengebilden herauszuspülen und dadurch beizutragen, den Wirkungsgrad der Einrichtung aufrechtzuerhalten.

Die Flüssigkeit wird der Apparatur durch einen Aufgabeguteintritt 74 zugeführt, um in der Richtung zu strömen, die durch einen Pfeil neben dem Eintritt 74 angedeutet ist; der Strömungsweg schließt dabei die Aufgabeguteintrittskammer 23, eine Leitung 75, die Aufgabegutkammer 52, eine Leitung 76, die Aufgabegutkammer 36, eine Leitung 77, die Aufgabegutkammer 6l und eine Aufgabegutabzugsleitung 80 ein.

In dem in Figur 1 dargestellten erläuternden Beispiel der Erfindung tritt das Anolytmedium in die Apparatur über eine

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Anolyteintrittsleitung 81 ein und strömt in Richtung des Pfeils neben der Leitung 81 durch die Anolytkammer 62, eine Leitung 82, die Anolytkammer 33, eine Leitung 83, die Anolytkammer 53, eine Leitung 84, die Anolytkammer 16 und über eine AnoIytabzugsieitung 85 aus der Apparatur heraus.

Der Strömungsweg für den Katholyten beginnt an der Katholyteintrittsleitung 86 und setzt sich in Richtung des Pfeils neben der Leitung 86 fort durch die Katholytkammer 56, eine Leitung 87, die Katholytkammer 40, eine Leitung 90, die Katholytkammer 50, eine Leitung 91, die Katholytkammer 25 und über eine KathoIytabzugsieitung 92 aus der Apparatur heraus_o

Die Strömungsschaltung in Reihe mit mehreren Zellen kann in Abhängigkeit von dem Grad der chemischen Konzentrationsfaktoren gestaltet werden, die in den Anolyt- und Katholytströmen gewünscht werden. In gleicher Weise wird der Reinheitsgrad, der für den Ablauf aus der Mischbettkammer gewünscht wird, die Anzahl der erforderlichen Kammerreihenschaltungen bestimmen,, Umgekehrt kann eine Parallelströmungsschaltung entsprechend den Anforderungen an die Leistung des Verfahrens ausgebildet werden.

Um die Arbeitsweise und den Ionentransportvorgang eines die Grundsätze der Erfindung beinhaltenden typischen System im einzelnen besser verstehen zu können, wird auf die Figur 2 verwiesen, die einen Teil der Aufgabeguteintrittskammer 23, die Katholytkammer 25, die Anolytkammer 16, die Kathode 27 und die Anode 14 zeigt. Das Mischbett 22, das zwischen der Anionmembrane 21 und der Kationmembrane 24 eingeschlossen ist, besteht aus einer Gruppe allgemein kugelförmiger Kationharzperlen 93 und den in gleicher Weise geformten Anionharz-

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perlen 94_β Außerdem ist innerhalb der Anolytkammer in Übereinstimmung mit einem Merkmal der Erfindung die Anionharzschicht 20, die aus einer Masse Anionharzkugeln 95 besteht, zwischen der Anionmembrane 21 und der Kationmembrane 17 eingeschlossen»

Die Katholytkammer 25 schließt auch eine Schar Kationharzkugeln 96 ein, die die Kationharzschicht 26 für diese Kammer bilden. Wie bereits zuvor erwähnt, ist die Kationharzschicht 26 zwischen der Kationmembrane 24 und der Anionmembrane eingeschlossen, die die Katholytkammer 25 von der negativ geladenen Kathode 27 trennt.

Auf der Grundlage einer bestimmten erläuternden Darstellung der vorliegenden Erfindung fließt im Betrieb ein Aufgabegut,

_7 welches ionisierte Borsäure H,B0_ und Ionisiertes Lithium

7
Hydroxyd Li'OH enthält, in die Aufgabegut-Eintrittskammer in Richtung des Pfeiles 97. In diesem ionisierten Zustand enthält das Aufgabegut positiv geladene Wasserstoff-(H⁺ ) und Lithium-(Li ) Kationen sowie negativ geladene Borat-(BO", BO ~ und B₃O₃") und Hydroxyd-(0H~) Anionen.

Es ergibt sich, daß die Borationen aus der Lösung durch Verdrängen der Hydroxydionen auf den Anionkugeln 94 entfernt werden. In gleicher Weise verdrängt das ionisierte Lithium H* -Ionen auf den Kationkugeln 93. An der Verbindung 100 zwischen den Kationharzkugeln 93 und der Anionmembrane 21 sowie an der Verbindung 103 zwischen den Anionharzkugeln 94 und der Kationmembrane 24 werden die Wassermolekiile zersetzt, wodurch OH^- - und Hf" - Ionen erzeugt werden. Unter diesen Umständen wandern die 0H~ - Ionen zu der positiv geladenen Anode 14. Die H"*" -Ionen dagegen wandern zur negativ geladenen Kathode 27.

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Während dieser Wanderung verdrängen diese Ionen ihre Lithium- und Borationen-Partner von den Harzkugeln 93 bzw. 94·, wodurch die betreffenden Harze elektrolytisch regeneriert werden_o Das verdrängte Lithiumkation transportiert einen Teil des elektrischen Stroms durch die Harzkugelkette und durch die Kationmembrane 24, um sich in der Katholytkainmer 25 zu konzentrieren. Hydroxydionen, die in der kathodischen Reaktion zwischen Wasser und der Kathode 27 erzeugt werden, wandern außerdem durch die Anionmembrane 30 aus einem Spiilmedium, das die Kathode 27 überspült. Diese Hydroxydionen konzentrieren sich in der Katholytkammer 25, die, wie man sich erinnern wird, die Kationharzschicht 26 enthält. Wasserstoffionen wandern auch durch die Kationmembrane 24 und sammeln sich in der Katholytkammer 25, wodurch sie sich wieder mit Hydroxydionen verbinden und Wasser bilden. Das Ergebnis der kathodischen Reaktion an der Kathode 27 ist die Entwicklung von Wasserstoffgas und die Bildung des Ilydroxydions. Das gemeinsame Ergebnis der Lithiumwanderung durch die Kationmenbrane 24 und der Hydroxydionenwanderung durch die Kationmembrane 24 ist die Bildung von Lithiumhydroxyd. Die Kationharzschicht 26 wird sich anfänglich mit den Lithiumionen sättigen und ein Lösungs-Zllarz-Gleichgewicht erreichen. Alle zusätzlichen verschmutzenden Kationen, die durch die Kationemembrane 24 wandern, werden an der Kationharzschicht 26 absorbiert, wodurch eine kationgereinigte Lithiumhydroxydlösung in der Katholytkammer 25 gebildet wird. Man wird sich daran erinnern, daß Lithium eines der Produkte der Neutronen-Bor-Reaktion im Reaktorkern ist und daß diese Lithiumisotope in konzentrierter Form eine Mangelware ist. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die der anfänglichen Wasserfüllung für das Reaktorkernkühlmittel hinzugefügte Lithium ' -Isotope aufbewahrt und es wird auch

das zusätzliche Lithium ' gesammelt, welches durch die

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Neutronen-Bor-Reaktion erzeugt wird. Unter diesen Umständen bietet das erfindungsgemäße Verfahren die langfristige Mo glichkeit, nicht nur eine Lithium- Autarkie herzustellen,

—7 "■· sondern auch vielleicht einen gewissen Lithium -Überschuß zu erzeugen_o

In einer etwas ähnlichen Weise wandern die Borat- und Hydroxydanionen durch die Anionharzkugeln 9h und durch die Anionmembrane 21. An der Verbindung 103 zwischen den Anionharzkugeln 9h und der Kationmembrane 2h werden die Wassermoleküle auch zersetzt und erzeugen OH- und H~ -Ionen. Unter diesen Umständen wandert das Hydroxydion durch die Anionharzkugeln 9h und verengt die Borationen. Das verdrängte Boration transportiert einen Teil des elektrischen Stroms durch die Harzkugelkette und durch die Anionmembrane 21, wodurch die Borationen sich in der Anionkammer konzentrieren. Bei der anodischen Reaktion zwischen Wasser und der Anode lh erzeugte Wasserstoffione wandern gleichzeitig durch die Kationmembrane 17 in die Anolytkammer 16, wodurch ein konzentrierter Borsäurestrom (H-BO,,) gebildet wird«, Die anodische Reaktion zwischen Wasser und der Anode lh (Elektrolyse) erzeugt auch Sauerstoffgas, welches durch einän kontinuierlichen Spülbetrieb herausgespült wird.

Das gemeinsame Ergebnis der Boratwanderung durch die Anionmembrane 21 und der H - Ionenwanderung durch die Kationmembrane 17 ist die Bildung von Borsäure in der Anolytkammer 16, die, wie man sich erinnern wird, die Anionharzschicht 20 enthält. Das Anionharz wird sich anfänglich mit den Borationen sättigen und ein Lösungs-/Harz-Grleichgewicht erreichen. Alle zusätzlichen verschmutzenden Anionen, die durch die Anionmembrane 21 wandern, werden von der Anionharzschicht 20 absorbiert, wodurch eine aniongereinigte Borsäurelösung in der Anolytkammer 16 gebildet wird₀

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Wenn die Anion- und Kation-Schniutzstoffe eine Sättigungshöhe auf der Anionharzschicht 20 bzw«, der Kationharzschicht 26 erreichen, dann werden sich diese Ione in den Lösungsströmen sowohl in der Anolytkammer 16 als auch in der Katholytkammer 25 sammeln. Wenn dies durch analytische Verfahren festgestellt wird, dann wird die Polyrität des Zellenapparates umgesteuert, wodurch die Elektrode Ik in eine Kathode verwandelt wird und die Elektrode 27 in eine Anode ο Dieser Prozeß mit umgekehrter Polarität wird die Anionharzkugeln 95 regenerieren, und gleichzeitig werden die ausgewaschenen, verschmutzenden Anionen einen Teil des elektrischen Stroms von der Anolytkammer 16 durch die Anionmembrane 21 in die Aufgabegutkammer 23 transportieren, wodurch diese ausgewaschenen Anionen aus dem System mit Aufgabelösungsstrom gespült werden.

Ebenfalls während des Betriebs mit umgekehrter Polarität werden die Kationharzkugeln 96, die sich in der Katholytkammer 25 befinden, regeneriert, und die ausgewaschenen, verschmutzenden Kationen werden einen Teil des elektrischen Stroms aus der Katholytkammer 25 durch die Kationmembrane 2k in die Aufgabegutkammer 23 transportieren, wodurch die Verschmutzenden Kationen aus dem System mit Aufgabelösungsstrom, gemäß Richtung des Pfeils 97, gespült werden.

Während des normalen Betriebs, d. h. nicht bei der Betriebsart mit umgekehrter Polarität, ist der Ablauf aus der Aufgabeguteintrittskammer 23 im -wesentlichen deionisiertes Wasser.

Infolgedessen wird in Übereinstimmung mit der bestimmten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein typischer

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Zellenströmungsweg ein kontinuierliches Verfahren für die Erzeugung von Endprodukten darstellen, die aus getrennten und gereinigten Strömen konzentrierter Borsäure, deionisierten Wassers und konzentrierten Lithiumhydroxyds aus den jeweiligen Kammern 16, 23 und 25 bestehen,,

Natürlich werden, wie bereits oben erwähnt, die Anoden und Kathoden kontinuierlich gespült, um Verunreinigungen zu entfernen, und die bei den Elektrodenreaktionen erzeugten Gase werden auch kontinuierlich herausgespült. In typischer Weise werden 3 bis 5 Gew„-% Borsäure in dem Medium aufrechterhalten, das aus den Anolytkammern strömt, und es werden 1000 bis 5000 ppm Lithium"^ -Hydr
KathoIytkammern aufrechterhalten.

-7
1000 bis 5000 ppm Lithium ' -Hydroxyd in dem Strom aus den

Es sei daran erinnert, daß Tritium beim Spaltverfahren sowie bei Neutronenreaktionen mit löslichen Chemikalien innerhalb des Reaktorkern^" erzeugt wird und daß diese Wasserstoffisotope gewisse Probleme für die Gesundheit und die Umwelt schafft.

Ein bevorzugter Austausch von "tritiumoxydhaltigem Wasser" (d. h. Wassermoleküle, in denen die Tritiumisotope des Elements Wasserstoff eine chemische Verbindung mit Sauerstoff eingegangen ist) mit gewissen Mineralarten ist festgestellt worden. Diese seltsame Erscheinung ist besonders in Verbindung mit Ton bekannt geworden. Der genaue Vorgang ist noch nicht völlig klar, jedoch scheint eine Theorie zu besagen, daß in Kaolinittonen z„ B. das Tritium Aluminium aus den festen Gitterplätzen verdrängt, wodurch die Aluminiumatome in dem Tongefüge von festen zu Austauschpositionen wandern. Eine Verstärkung des bevorzugten Tritiumabscheideverfahrens kann durch Ionisierung und den Ionentransportprozeß angeregt werden.

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Außerdem ist die Elektrodialyse ein Verfahren, das benutzt werden kann, um den Ionenaustausch zu verstärken. Der oben in Verbindung mit den Figuren 1 und 2 beschriebene Zellenaufbau bildet eine Einrichtung, die für Elektrodialyse geeignet ist_o Wenn man Kugeln aus Kaolinitton oder aus einem anderen geeigneten Material, das vorzugsweise Tritium absorbiert, an Stelle des in Figur 2 gezeigten Mischbettes 22 verwendet, dann kann man unter diesen Umständen ein verbessertes Verfahren schaffen, um kontinuierlich Tritium aus dem Reaktorkern-Kühlmittel in einer Weise abzuziehen, die das Tritiumbeseitigungsproblem vereinfacht oder das Tritium zur Extraktion und Weiterverwendung leichter zur Verfugung stellte

Je nach dem angestrebten Reinigungsgrad können natürlich weitere Zellen der Reihe hinzugefügt werden, die in Figur dargestellt ist. In Abhängigkeit von dem beabsichtigten

Verwendungszweck kann außerdem bzw. können außerdem eine oder mehrere der Anion- und Kationsharzschichten, die das obige bestimmte Beispiel kennzeichnen, aus dem Zellenaufbau herausgenommen oder, je nach den Umständen, wechselseitig ausgetauscht werden.

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L e e f s e ί ί e

Claims

\0α> (ZoeaUaiaL i/CaeaieiLt PATENTANWALT <fc Q 3 O 3 7 Anw.-Akte: 27 ο 12o Juli 1978 PATENTANSPRÜCHE :

1. Zellenaufbau zum Trennen einer ionisierten Lösung in Ströme konzentrierter Säure, konzentrierter Lauge und deionisierten Mediums, gekennzeichnet durch ein Mischbett aus Anion- und Kationharz, eine Anionmembrane, die eine Trennwand für eine Seite des Mischbettes bildet, eine Kationmembrane, die eine Trennwand für die andere Seite des Mischbettes bildet, eine Anionharzschicht neben der Anionmembrane, eine Kationmembrane, die eine Trennwand für eine andere Seite der Anionharzschicht bildet, eine Anode, die mit Abstand von der Anionharzschicht und der Kationmembrane angeordnet ist, eine Kationsharzschicht, die neben der Kationmembrane angeordnet ist, welche eine Trennwand für die andere Seite des Mischbettes bildet, eine Anionmembrane, die eine Trennwand für eine andere Seite der Kationharzschicht bildet, und eine Kathode, die mit Abstand von der Kationharzschicht und der Anionmembrane angeordnet ist, welche eine Trennwand für die Kationharzschicht bildet,

2, Zellenaufbau nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Aufgabegut-Eintrittsleitung (7²O > um eine strömungstechnische Verbindung mit dem Anion- und Kation-Mischbett herzustellen, und eine Aufgabegut-Abzugsleitung, um eine strömungstechnische Verbindung von dem Anion- und Kation-Mischbett für das deionisierte Medium herzustellen.

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ORIGINAL INSPECTED

Anw.-Akte: 27.151

3. Zellenaufbau nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Anolyt-Eintrittsleitung, um eine strömungstechnische Verbindung mit der Anionharzschicht herzustellen, und eine Anolyt-Abzugsleitung, um eine strömungstechnische Verbindung von der Anionharzschicht für die konzentrierte Säure herzustellen,,

h. Zellenaufbau nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Katholyt-Eintrittsleitung, um eine strömungstechnische Verbindung mit der Kationharzschicht herzustellen, und eine KathoIyt-Abzugsleitung, um eine strömungstechnische Verbindung von der Kationharzschicht für die konzentrierte Lauge herzustellen.

5. Zellenaufbau zum Trennen einer Lösung, die Anionen und Kationen enthält, in Ströme konzentrierter Säure, konzentrierter Lauge und deionisierten Mediums, g e k e η η zeichnet durch eine Aufgabegut-Eintrittskammer, um die ionisierte Lösung zu behandeln, eine Anolytkammer, um den Strom konzentrierter Säure zu erzeugen, eine KathoIytkammer, um den Strom konzentrierter Lauge zu erzeugen, eine Anionmembrane, die zwischen der Anolytkammer und der Aufgabegut-Eintrittskammer angeordnet ist, um es den Anionen zu erlauben, hindurch und zu der Anolytkammer zu wandern sowie die Wanderung der Kationen zu verhindern, eine Kationmembrane, die zwischen der Aufgabegut-Eintrittskammer und der KathoIytkammer angeordnet ist, um es den Kationen zu erlauben, hindurch und zu der KathoIytkammer zu wandern sowie die Wanderung der Anionen zu verhindern, eine Anode, die mit Abstand von der Anolytkammer angeordnet ist, eine weitere Kationmembrane, die zwischen der Anode und der Anolytkammer

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ei 27.151

angeordnet ist, um es den Kationen zu erlauben, hindurch und zu der AnoIytkammer zu wandern, eine Kathode, die mit Abstand von der Katholytkammer angeordnet ist, und eine weitere Anionmembrane, die zwischen der Kathode und der Katholytkammer angeordnet ist, um es den Anionen zu erlauben, hindurch und zur Katholytkammer zu wandern, wodurch die Anionen und Kationen, die in die AnoIytkammer wandern, die konzentrierte Säure erzeugen, und die Anionen sowie Kationen, die in die Katholytkammer wandern, die konzentrierte Lauge erzeugen«,

6. Zellenaufbau zur Entfernung von Tritium aus Wasser, ge kenn ζ e ichne t durch eine Aufgabegut-Eintrittskammer, eine Anionmembrane, die eine Seite der Kammer bildet, eine Katioxraembrane, die eine andere Seite der Kammer bildet, und Material innerhalb der Kammer, um vorzugsweise Tritium aus Wasser zu entfernen.

7. Zellenaufbau nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Material weiterhin Ton umfaßt.

8. Zellenaufbau nach Anspruch 6, dadurch g e k e η η ze i ohne t , daß das Material weiterhin Kaolinitton umfaßte

9. Zellenaufbau nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ton weiterhin eine kristalline Struktur umfaßt, die Aluminium enthält.

10. Verfahren mit einem Zellenaufbau nach Anspruch 1 und/oder einem der folgenden, zur Trennung einer ionisierten Lösung, die Anionen und Kationen enthält, in Ströme

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Anw.-Alcte: 27.151

konzentrierter Säure, konzentrierter Lauge und deionisierten Mediums gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

a. einer Anode eine positive elektrische Ladung verleihen,

t>. einer Kathode eine negative elektrische Ladung verleihen,

c. die ionisierte Lösung durch ein Mischbett-Ionenaustauschharz zwischen der Anode und Kathode strömen lassen,

d. die Anionen durch eine Anionraeobrane zur Anode und in eine Anolytkammer wandern lassen,

e₀ die Kationen durch eine Kationmembrane zur Kathode und in eine Katholytkammer wandern lassen,

f. die Kationen durch eine andere Kationmembrane von der Anode in die Anolytkammer wandern lassen, um den Strom konzentrierter Säure zu erzeugen, sowie

g. Anionen durch eine andere Anionmemfcrane von der Kathode in die Katholytkammer wandern lassen, um den Strom konzentrierter Lauge zu erzeugen.

11. Verfahren nach Anspruch 1O₉ um die Anion- und Kationharzschichten wieder zu trennen, die angesammelte Schmutzstoffe in einem Ionenaustausch-Zellenaufbau hinterlassen, gekennzeichnet durch die folgendem Verfahrenseclirittei

a. einer Anode eine negative elektrische Ladung ver-

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4r>w.-Akte: 27ol5l

bo einer Kathode eine positive elektrische Ladung verleihen,

c. eine ionisierte Lösung durch ein Ionenaustausch-Mischbett zwischen der negativ geladenen Anode und der positiv geladenen Kathode strömen lassen,

d. die verschmutzenden Kationen durch eine Kationmembrane in das Ionenaustausch-Mischbett wandern lassen,

e. die verschmutzenden Anionen durch eine Anionmembrane in das Ionenaustausch-Mischbett wandern lassen, wodurch die ionisierte Lösung die verschmutzenden Anionen und Kationen aus dem Zellenaufbau spult.

12. Verfahren zum Abscheiden von Tritium aus einem Medium, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

a. einer Anode eine positive elektrische Ladung verleihen,

b. einer Kathode eine negative elektrische Ladung verleihen und

c. das das Tritium enthaltende Medium in eine Materialschicht strömen lassen, die vorzugsweise das Tritium aus dem Medium sorbiert_o

13. Zellenaufbau zum Trennen einer ionisierten Lösung in Ströme aus ionogen konzentrierten Säure- und Laugenedien, gekennzeichnet durch ein Anion- und Katxon-Mischbett, eine Anionmembrane, die eine Trennwand für

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.-Aktie: 27„i51

eine Seite des MischTbettes bildet, eine nichtanionische Austauschharzschicht neben der Anionmeebrane, eine Kationmembrane, die eine Trennwand für
eine andere Seite der Mono-Ion-Austauschharzschicht bildet, eine Anode, die mit Abstand von der Kationuienibrane angeordnet ist, und eine Kathode neben
der gewählten durchlässigen Membrane.

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