DE3118431A1

DE3118431A1 - Verfahren und vorrichtung zur isotopentrennung zur anreicherung von deuterium und zur herstellung von schwerem wasser

Info

Publication number: DE3118431A1
Application number: DE19813118431
Authority: DE
Inventors: Martin Dr. 3000 Hannover Schoell
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-05-09
Filing date: 1981-05-09
Publication date: 1982-12-09

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Γ isotopentrennung zur Anreicherung von Deuterium und zur Herstellung von schwerem Wasser

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Isotopentrennung zur Anreicherung von Deuterium und zur Herstellung von schwerem Wasser.

Deuteriumreiche Substanzen und Materialien finden in der Industrie in vielen Formen Verwendung. Insbesondere wird reines Deuteriumoxid (D₃O) in Atomkraftwerken als Neutronenmoderator und Wärmeübertragungsmedium in großen Mengen benötigt. Allein in Kanada werden beispielsweise jcihrlich 1.600 to D₂O benötigt.

Natürliches Wasser (H₂O) hat eine Deuteriumkonzentration von nur ca. 154 ppm, d.h. 154 Moleküle D₂O sind in einer Million Wassermolekülen vorhanden. Zur Herstellung von reinem D₂O sind daher aufwendige Anreicherungsverfahren, sogenannte Isotopen-Trennverfahren,notwendig.

Eine Reihe solcher Isotopentrennverfahren i st inzwischen bekannt geworden.

Dr„K/N

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Beim sogenannten Zentrifugenveriahren werden hochtouriije Zentrifugen eingesetzt, in denen sich aus schwere Isotop am Rand, das leichtere in Achsennähe anreichert. Nachteilig sind die hohen Investitionskosten und die geringe Trennwirkung nur einer Stufe, so daß eine große Zahl von Trennstufen vorgesehen werden muß.

Ferner sind zwei Diffusionsverfahren bekannt geworden. Beim Porendiffusionsverfahren wird ein feinporiges Filter eingesetzt; das leichte Isotop diffundiert schneller durch die Poren als üüm schwere Isotop. Beim ThormodilEusionsver-.fahren diffundieren in einem Gebiet mit Temperaturgefälle die leichteren Moleküle in Richtung höherer Temperatur, während sich die schwereren Isotope in den Zonen geringerer Temperatur anreichern. Nachteilig bei den Diffusionsverfahren ist der geringe Massendurchsatz. Diese Verfahren sind für große Mengen nicht wirtschaftlich.

Beim sogenannten Verdampfurxjsverfahren reichern sich die leichteren Isotope bei Verdampfung einer Flüssigkeit in der Dampfphase an, da die leichteren Isotope in einer Flüssigkeit einen höheren Dampfdruck haben. Die Verdampfungsverfahren sind die heute am meisten eingesetzten Verfahren. Sie haben jedoch den Nachteil, daß sehr hohe Energiekosten anfallen.

Es sind noch die sogenannten Austauschverfahren bekannt. Hierunter versteht man Verfahren, bei denen chemische Reaktionen stattfinden. Diese Verfahren erfordern sehr hohe Investitionskosten und einen hohen Energiebedarf. Sie zeigen nur eine geringe Effizienz,und es entstehen umwelt-

schädliche Reaktionsprodukte.

nie Aufgabt» der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein Isotopentrennverfahren und eine Isotopentrennvorrichtung anzugeben, mit dem bzw. mit der eine Voranreicherung von Deuterium bis etwa zu 1 "i % mit verringertem Aufwand möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch das im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebene Verfahren gelöst. Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen dieses Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 und 3 gekennzeichnet.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist im Anspruch 4 gekennzeichnet. Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen dieser Vorrichtung sind in den Ansprüchen 5 bis 9 angegeben.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren sowie bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens wird der kürzlich aufqefundene Tsotopen-Trenneffekt bei der bakteriellen Oxidation von Methan ausgenützt. Es konnte nachgewiesen werden, daß bezüglich des Wasserstoff-Isotops bei der bakteriellen Oxidation ein Isotoperi-Trenneffekt auftritt. Methanoxidierende Bakterien sind in der Natur verbreitet; sie treten überall dort auf, wo Methan an der Erdoberfläche austritt. Methanoxidierende Baktieren können in Kulturen angereichert: werden. Hei der bakteriellen Oxidation wird Methan zu Wasser und Kohlendioxid oxidiert:

CH₄ + 2 O₂ = CO₂ + 2 H₂O

Hierbei tritt ein Isotopentrenne Ifekt auf, da Bakterien bevorzugt mit den leichteren Isotopen oxidieren.

Das erfindungsgeinäße Verfahren ist hinsichtlich des Trennfaktors mit den besten herkömmlichen Verfahren vergleichbar, wie die folgende Aufstellung zeigt:

Wasserstoff destillation *= 1.53 Wasserdestillation <*·= 1.05

H₂S/H₂O Austausch «.= 1.26

Methanoxidation Qt= 1.30

Methan kann in Form von Erdgas als Ausgangssubstrat herangezogen werden, wie oben bereits erwähnt. Dieses Methan wird dann in Oxidationsräumen durch Bakterienkulturen oxidiert. Das nicht oxidierte Methan kann in eine weitere Kaskade eingeleitet werden bis schließlich eine Anreicherung von Deuterium in der gewünschten Menge, beispielsweise von 15 %, erreicht ist. Die Endkonzentration des Deuteriums kann dann mit herkömmlichen Verfahren stattfinden.

Das erfindungsgemäße Verfahren als solches ist vorzugsweise als Voranreicherungsstufe für herkömmliche Verfahren der Wasserdestillationsanreicherung von Deuterium geeignet. In herkömmlichen Verfahren werden ca. 90 % des Energieaufwandes dazu benötigt, eine Anreicherung von der Ausgangszusammensetzung (154 ppm) auf 15 % Deuterium zu erreichen.

Das Verfahren zur Deuteriumanreicherung durch bakterielle Oxidation gemäß der vorliegenden Erfindung hat den entscheidenden Vorteil, daß der Prozeß mit einem ungefährlichen Gas (Methan aus Erdgas) in der Gasphase ablaufen kann. Zur Oxidation wird das Methan in Oxidationstürme eingeleitet, in denen auf vielen Zwischenboden die in wäßriger Lösung

sich befindenden methanoxidierenden BakterienkulIuren in möglichst großer Fläche angeordnet sind. Das eingeleitete Methan überstreicht dabei langsam die Me t.hankul türen, wobei Methan zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert wird. Deuterium reichert sich im nichtoxidierten Methan an. Das am Ende eines Oxidationsturmes ausströmende Methan ist bei 80 %iger Oxidation des Methans um ca. 200 °/_oo an Deuterium reicher als das eingeleitete Methan. Die Effizienz der Bakterienkulturen kann durch Temperaturoptimierung maximiert werden.

Der Prozeß genici ß vor.l 1 oqendem Verfahren eiqnet sj ch hervorragend für das sogenannte Kaskadenverfahren. Das im Deuterium angereicherte Methan wird daher in einen weiteren der ersten Kaskade identischen Oxidationsturm eingeleitet usw., bis nach Durchlaufen der Kaskade eine Deuteriumkonzentration des Methans von 15 % erreicht ist. Am Ende der Kaskade wird das Methan endgültig zu Wasser oxidiert, das in herkömmlichen Verdampfungsanlagun auf seine Endkonzentration von beispielsweise 99,8 7. D₂O-GehaIt angereichert werden kann.

In den Zwischenstufen der Kaskade entsteht ebenfalls schon deuteriumreiches Wasser, das einer konventionellen Deuteriuitianreicherungsanlage ebenfalls zugeführt werden kann.

Heim erfindungsgemäßen Verfahren entstehen keine umweltgefährdenden Produkte. Die Investitionen, dei Aufwand, insbesondere der Energieaufwand, für das Verfahren sind minima I, da weder hoho Tomperaluren noch hohe. Drucke not-

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wendig sind. Durch das erfindungsgemäße Verfahren entstehen überraschenderweise verwertbare Proteine (Bakterienkörpersubstanz). Energie kann bei dem vorliegenden Prozeß dadurch zurückgewonnen werden, daß das durch die wachsenden Kulturen entstehende Eiweiß weiterverwendet wird oder Wärmeenergie durch Verbrennung der organischen Substanz gewonnen wird.

Die Erfindung soll nun anhand der beigefügten Zeichnung, in der schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung des erf in dun C) s gemäße η Verfahrens dargestellt ist, näher beschrieben werden.

Die Zeichnung zeigt zwei Oxidationstürme 2 und 4 in Kaskadenanordnung. Es können selbstverständlich mehr als zwei Oxidationstürme hintereinander angeordnet sein. Jeder Oxidationsturm weist einen unteren Einlaß 6 und einen oberen Auslaß 8 für Methan auf. Im Oxidati ons turm sind Tj-äger 10 für methanoxidierende Bakterienkulturen 12 nach Art von einander weit überlappenden Umlenkblechen angeordnet, so daß ein möglichst inniger Kontakt mit den Kulturen und eine lange Verweil-bzw. Reaktionszeit erzielt wird. Der Auslaß des Oxidationsturmes 2 ist über eine Leitung 14 mit dem Einlaß des Oxidationsturmes 4 verbunden.

Ober den Einlaß des ersten Oxidationsturmes wird beispielsweise aus Erdgas gewonnenes deuteriumarmes Methan (ca. 120 ppm D) eingegeben. Das am Auslaß 8 des Oxidationsturmes 2 ausströmende Methan ist bei 80 'Äiger Oxidation um ca. 200 °/oo an Deuterium reicher als das einströmende Methan.

— 9 —

Dieses angereicherte Methan wird dann in den nächsten Oxidationsturm geleitet. Dieser Vorgang wiederholt sich, bis nach Durchlaufen der Gesamtkaskade eine Deuteriumkonzentration des Methans in der gewünschten Höhe, beispielsweise von 15 %, erreicht ist.

, -40-.

Leerseite

Claims

LEINE & KÖNIG PAiLN [ANWAI. IL l)i|)l -Ing Sigurd Leim Dipl -l'hyr. Dr Norbert König Oiircklmidlsliii'lo I Tuliifon (Oi 11) H? 30(Xj Dr. Martin Schoe 11 u -.mm namiuv.» ι Uiiiior 2t!ichun Dalu'n 604/1 5. Mai 1981 Ansprüche

1. Verfahren zur Isotopentrennung zur Anreicheruiig von Deuterium und zur Herstellung von schwerem Wassei, dadurch gekennzeichnet, daß gasförmiges Methan über methanoxidierende Bakterienkulturen geleitet und partiell zn Wasser und Kohlendioxid oxidiert wird/ wobei sich Deuterium im nichtoxidierten Methan anreichert.

2. Verfahren nacli Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daf3 die Oxidation mehrstufig durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die BakLerienkultiiren temperiert werden.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens n^ch einem de;r Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeic hn e t , daß mehrere uiethanoxidiereruk.· Bakterien^ ulturcn (12)

Dr."Κ/Ν' - 2 -

BAD

in wenigstens einem von Methan durchströmten Oxidationsraum (2, 4)· angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bakterienkultüren (12) auf mehreren Kulturträgern (10) aufgebracht sind, die nach Art von einander überlappenden Umlenkblechen hinter- oder überein-

bzw.Oxidationsraum
ander im Oxidationsturm/(2, 4) angeordnet sind, so daß das Methan im Oxidationsturm einen mehrfach umgelenkten Strömungsweg beschreibt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet , daß die BakterienkuH uren in wäßriger Lösung vorliegen.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzei chnet , daß eine Kaskade von Oxidationstürmen vorgesehen ist, wobei jeder Oxidationsturm einen unteren Einlaß (6) und oberen Auslaß (8) für das Methan aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzei chnet, daß das Methan mit leichtem Überdruck in die Oxidationstürme eingeleitet wird.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzei chnet , daß das Methan kontinuierlich mit geringer Strömungsgeschwindigkeit in die Oxidationstürme oder die Kaskade von Oxidationstürmen eingeleitet wird.