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Verfahren zur Konzentration von schwerem Wasser bei der Elektrolyse
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Konzentration
von schwerem Wasser bei der Wasserelektrolyse.
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Es ist bekanntgeworden, daß gewöhnliches Wasser einen ;geringen Prozentsatz
eines schweren Wassers enthält und.daß in elektrolytischen Zellen, die eine ,e-""isse
Zeit lang zur Zersetzung von Wasser durch Elektrolyse benutzt worden sind, der im
Elektrolyten vorhandene Prozentsatz an schwerem Wasser sich erheblich gesteigert
hat. Dieser Prozentsatz wächst mit fortschreitender Elektrolyse, ,aber die Menge
des mit den Gasen in Dampfform entweichenden schweren Wassers und die Ausbeute an
schwerem Wasserstoff, der durch die Elektrolyse eines Teiles des schweren Wassers
entsteht, n;",mt gleichfalls mit wachsender Konzentration des schweren Wassers in
der Zelle zu. Demnach erreicht der Prozentsatz an schwerem Wasser in der Zelle einen
Höchstwert, wenn die Menge des die Zelle als Dampf bzw. Gas verlassenden schweren
Wassers und schweren Wasserstoffes gleich der in dem zugeführten Speisewasser -enthaltenen
Menge des schweren Wassers wird.
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Bei frischem Wasser und unter normalen Arbeitsbedingungen kann die
Anreicherung des schweren Wassers in dem Elektrolyten nicht über die fünffache Konzentration
der im Ausgangswasser enthaltenen Menge gebracht werden.
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Bekanntlich ist 'bereits vorgeschlagen worden, bei der Durchführung
der Elektrolyse von einem sehr schwachen Elektrolyten auszugehen und die Zersetzung
ohne Wasserzusatz so lange vorzunehmen, bis der Elektrolyt sehr stark konzentriert
ist. Dieses Konzentrationsverfahren ist unwirtschaftlich, weil während des größten
Teiles der Zeit die Elektrolyse eine übermäßig hohe Spannung erfordert.
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Der größte Teil der Verluste an schwerem Wasser ist in einer Zelle
diejenige Menge., die mit dem Wasserdampf entweicht, welcher in den entwickelten
Gasen Sauerstoff und Wasserstoff enthalten ist. Nur ein geringer Teil der Verluste
ist auf die Zersetzung von schwerem Wasser in schweren Wasserstoff und Sauerstoff
zurückzuführen.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur in Stufen .durchgeführten
Anreicherung von schwerem Wasser und gegebenenfalls schwerem Wasserstoff durch @elektrolytische
Wasserzersetzung. Erfindungsgemäß wird unter Anwendung einer .aus. mehreren Zersetzereinheiten
bestehenden Anlage der durch die Gase abgeführte Wasserdampf vor dem Waschen der
Gase kondensiert und das so erhaltene Kondensat zur Speisung des der Reihe nach
nächsten Zersetzers benutzt. Es ist zwar bekannt, bei den üblichen Wasserzersetzern
den in den entwickelten Gasen enthaltenen Wasserdampf zu kondensieren Bind diese
Wassermenge dem Zersetzer wieder zu-zuführen. Demgegenüber wird das Kondensat, und
zwar lediglich dasjenige der Wasserstoffseite, .gemäß der Erfindung nicht in die
Einheit zurückgeführt, aus der es
stammt, sondern in die der Reihe
nach nächste Einheit.
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Bei der Ausführuiyg der Erfindung kann man. auf zweierlei an sich
bekannte Weise vorgehen. Entweder arbeitet man den Elektrolyten so weit auf, da.ß
man aus ihm @deri zur Erhöhung der Leitfähigkeit zugesetzten Stoff unter Gewinnung
von schwerem Wasser abscheidet, oder man treibt die Zersetzung weiter und bekommt
schweren Wasserstoff. Die Menge des Kondensates im. Verhältnis zur Menge des zersetzten
Wassers kann durch Regelung der Arbeitstemperatur der Zellen und der Temperatur
des Kondensators eingestellt werden. Z. B. wird bei einer Erhöhung der Temperatur
in der Zersetzungszelle auch die Menge des Kondensates beträchtlich vermehrt. Auf
diese Weise kann auch der Elektrolyt in den einzelnen Stufen auf einer gewissen
konstanten Konzentration gehalten werden, wodurch die Anreicherung des schweren
Wassers ohne Störung der normalen Arbeitsweise der Elektrolysierzellen oder Zellenreihen
in den einzelnen Stufen vor sich geht.
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Das Kondensat aus der zweiten Zelle oder Zellenreihe wird wiederum
zur Speisung einer dritten Zelle oder Zellenreihe benutzt und diese Maßnahme kann
so oft wiederholt werden, als es zur Erzeugung eines konzentrierten Kondensates
von schwerem Wasser erforderlich ist.
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Versuche und Berechnungen haben z. B. ergeben, daß es möglich ist,
das schwere Wasser bei jedem Arbeitsgang um das Fünffache zu konzentrieren. Wenn
also das normale Wasser einen Teil auf 5ooo Teile erhalten hat, so würde im ersten
Kondensat einer auf iooo Teile, im zweiten Kondensat einer auf Zoo Teile, im dritten
Kondensat einer auf ¢o Teile und im nächsten Kondensat einer auf 8 Teile enthalten
sein können. Derartige Verhältnisse lassen sich aber in der Praxis nicht erreichen,
weil mit wachsender Konzentration auch die Menge des bei. der Elektrolyse zersetzten
schweren Wassers steigt und sich ein größerer Prozentsatz von schwerem Wasserstoff
in dem entweichen-.den Gas ergibt. Es ist deshalb leichter, bei jedem Arbeitsgang
eine etwas schwächere Konzentration anzustreben und dafür die Anzahl der Behandlungsstufen
zu vermehren.
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Im vorstehenden ist das Verfahren nach der Erfindung als stufenweise
arbeitend bezeichnet worden. Man braucht keine Anlage anzuwenden, die so viel Zersetzereinheiten
aufweist, daß das Verfahren kontinuierlich durchgeführt wird, d. h. also jeweils
das Kondensat der einen Zersetzereinheit stetig der der Reihe nach nächsten Zersetzereinheit
zugeführt wird. Man kann selbstverständlich mit einer aus einer geringen Anzahl
von Zersetzereinheiten bestehenden Anlage arbeiten und die Kondensate von gleichen
Gehalten an schwerem Wasser sammeln. Auch bei kontinuierlichem Arbeiten mit konstanter
Speisung kwn in entsprechenden Vorrichtungen die gleiche Wirkung erreicht werden.
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Zur Ausführung des Verfahrens kann an sich jede beliebige Art von
elektrolytischen Zellen benutzt werden. Eine derartige Zelle soll indessen folgenden
Bedingungen @entsprechen: Sie soll Mittel ,aufweisen, die es ermöglichen, die Temperatur
zu regulieren, ferner eine :genügend große Kapazität besitzen, um :ein Abscheiden
versprühter Elektrolyttröpfchen zu gestatten, weiterhin mit Kondensatoren zum Kühlen
der Gase und Ansammeln des Kondensates vor dem Auswaschen der Gase versehen sein.
Außerdem soll sie noch eine Waschvorrichtung aufweisen, die es erlaubt, die Gase
mit dem Speisewasser zu waschen. Vorzugsweise besitzt jede einzelne Zelle einen
Kondensator, doch kann auch eine Gruppe von Zellen an einen einzigen Kondensator
angeschlossen werden. Umgekehrt ist es vorteilhafter, die Was@chvorrichtung mit
einer Gruppe von Zellen zusammen zu schalten, obschon es natürlich auch angängig
ist, jede Einzelzelle mit seiner eigenen Waschvorrichtung zu versehen.
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Vorrichtungen, .die diesen Bedingungen entsprechen, sind z. B. in
den deutschen Patentschriften ¢2i 569, 467 726, 557 569 und 528 265 .beschrieben.
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Nach einem weiteren Merkmal der vorliegenden . Erfindung sollen zur
Rück#gewiiinung eines Teils oder der Gesamtmeaige des schweren Wasserstoffes, welcher
bei der Elektrolyse mit dem leichten Wasserstoff entweicht, die zu waschenden Wasserstoffgase
in geeigneten Vorrichtungen noch in innige Berührung mit dem Speisewasser gebracht
werden. Es ist bekannt, die in Was,serzersetzern @entbundenen' Gase mit dem Speisewasser
zu waschen, um sie von dem mitgerissenen Elektrolyten zu reinigen und gleichzeitig
einen Verlust an dem dem Wasser zur Erhöhung der Leitfähigkeit zugesetzten Stoff,
z. B. Alkalibydroxyd, zu, vermeiden. Durch die Anwendung dieser bekannten Maßnahme
wird im vorliegenden Falleine besondere Wirkung erreicht. Es findet nämlich hierbei
eine Austauschreaktion zwischen dem schweren Wasserstoff und dem leichten Wasserstoff
statt, wobei der schwere Wasserstoff einige der mit den Sauerstoffatomenkombinierten
Wasserstoffmoleküle abspaltet, um schweres Wasser zu bilden und leichten Wasserstoff
frei zu machen, der als Gas abgegeben wird.
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Die in den letzten Konzentrationsstufen
abgehenden
Gase, die reich an schwerem Wasserstoff sind, können verflüssigt werden, worauf
man den schweren Wasserstoff vom leichten Wasserstoff durch fraktionierte Destillation
in üblicher Weise trennt. Dier so erhaltene hochwertige schwere Wasserstoff kann,
wie oben ,angegeben, mit dem Speise-%vasser zur Bildung schweren Wassers zusammengebracht
werden, oder man kann ihn in Luft verbrennen und die Verbrennungsprodukte kondensieren,
wobei man fast reines schweres Wasser erhält.
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Anderseits kann man das gewonnene konzentrierte schlvere Wasser elektrolytisch
zersetzen, wobei man schweren Wasserstoff und Sauerstoff erhält.