ES2644446T3

ES2644446T3 - Método de enriquecimiento electrolítico para agua pesada

Info

Publication number: ES2644446T3
Application number: ES14746988.6T
Authority: ES
Inventors: Akiyoshi Manabe; Yoshinori Nishiki; Akira Kunimatsu
Original assignee: Industrie de Nora SpA
Current assignee: Industrie de Nora SpA
Priority date: 2013-07-31
Filing date: 2014-07-24
Publication date: 2017-11-29
Anticipated expiration: 2034-07-24
Also published as: MX362154B; WO2015014716A1; CA2915763C; HK1215700A1; CA2915763A1; PH12015502813A1; RU2016106887A3; IL243382A; US9890062B2; CN105408243B; RU2656017C2; EP3027554A1; US20160368789A1; SG11201510691YA; BR112016001840A2; CN105408243A; MY175653A; KR20160037936A; MX2016001213A; JP2015029921A

Description

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DESCRIPCION

Metodo de enriquecimiento electrolltico para agua pesada Antecedentes de la invencion

1. Campo de la invencion

La presente invencion se refiere a un metodo de enriquecimiento electrolltico para agua pesada, en el que el agua pesada se enriquece por electrolisis con una celula de electrolisis de agua alcalina.

2. Descripcion de la tecnica relacionada

El agua pesada es agua que contiene muchas moleculas de agua isotopicas con numeros de masa grandes y que tiene mayor peso especlfico que el agua general. El agua pesada tiene propiedades flsicas y qulmicas ligeramente diferentes de las del agua general. El agua general se conoce como "agua ligera" en relacion con el agua pesada. El agua pesada contiene isotopos de hidrogeno tales como deuterio (D, 2H) y tritio (T, 3H), e isotopos de oxlgeno 17O y 18O.

En el campo de la determinacion de la seguridad de una planta de energla atomica, la prediccion de movimiento de la corteza, la medicion de un sistema de aguas subterraneas de aguas termales, o similar, el analisis de deuterio (D, 2H) y tritio (T, 3H) en el agua natural es cada vez mas importante. Una concentracion de tritio es un nivel muy bajo, y por lo tanto el enriquecimiento electrolltico se realiza generalmente para mejorar la precision de la medicion. Un metodo de enriquecimiento electrolltico generalmente conocido para agua pesada incluye preparar una solucion de muestra en la que se disuelve un electrolito y electrolizar la solucion usando placas planas dispuestas para enfrentarse entre si. El agua contenida en un electrolito contiene HOD y HOT ademas de H2O, y estos se descomponen en hidrogeno y oxlgeno de acuerdo con la electrolisis usual del agua, pero H2O se descompone de preferencia a la descomposicion de HOD y HOT por el efecto isotopico para aumentar las concentraciones de deuterio y tritio en el electrolito, resultando en enriquecimiento. En esta electrolisis se utiliza nlquel como anodo y como catodo se usa acero, hierro o nlquel y estos electrodos se lavan y se utilizan para la electrolisis en condiciones de transporte de corriente en un recipiente de vidrio que contiene agua de muestra preparada anadiendo hidroxido de sodio diluido como una sal de soporte a una solucion acuosa que contiene agua pesada. El agua pesada generalmente se enriquece por electrolisis continua con una densidad de corriente de 1 a 10 A/dm2 hasta que una cantidad de llquido se convierte en decimo o menos mientras que la temperatura de la solucion se mantiene a 5 °C o menos con el fin de evitar la evaporacion de agua debido al calor generado.

Es decir, el enriquecimiento electrolltico utiliza la propiedad de que el agua de tritio es menos electrolizada que el agua de hidrogeno ligera. Un metodo para la electrolisis usando electrodos metalicos insertados en una solucion acuosa alcalina ya ha sido frecuentemente estudiado y estandarizado publicamente en un manual como un metodo estandar. Este metodo incluye el enriquecimiento en una etapa de las concentraciones de tritio. Sin embargo, en la practica, un metodo general para el enriquecimiento electrolltico tiene algunos problemas. Los problemas radican en operaciones de experimentos complicadas, una tasa de enriquecimiento de tritio limitada al llmite superior de una concentracion de electrolito, un peligro de explosion debido a la aparicion de gas mezclado de hidrogeno y oxlgeno, mucho tiempo requerido para la electrolisis y falta de adaptacion para una gran capacidad tratamiento.

Puesto que una tecnica se considera en vista de la separacion de una sola etapa y la captura de una inclusion diluida, los problemas se deben a problemas con el manejo de una solucion acuosa de electrolito alcalino, dificultad en la separacion de los gases generados en ambos electrodos, dificultad en el aumento de una electrolisis debido a la generacion de burbujas sobre una superficie metalica, etc., que se producen principalmente en un metodo electrolltico general de una solucion acuosa alcalina.

Por otro lado, un metodo electrolltico de agua atraer la atencion recientemente es un metodo electrolltico de agua (en lo sucesivo "la electrolisis del agua SPE") utilizando un electrolito de pollmero solido (en lo sucesivo denominado "SPE"). A principios de los anos 70, US General Electric Company aplico por primera vez la tecnologla de celulas de combustible a la electrolisis de agua SPE de tal manera que una porcion de electrolisis que tiene una estructura que incluye una membrana SPE retenida entre electrodos metalicos porosos se sumerge en agua pura y la electrolisis se realiza solamente pasando una corriente, generando gas compuesto desde los electrodos porosos. La SPE es un tipo de resinas de intercambio cationico y tiene una cadena polimerica a la que se unen qulmicamente grupos de acido sulfonico que contribuyen a la conduccion ionica. Cuando se pasa una corriente entre ambos electrodos, se descompone el agua y se genera gas oxlgeno en un anodo, generando iones hidrogeno. Los iones de hidrogeno se mueven a traves de los grupos de acido sulfonico en la SPE, alcanzan el catodo y reciben electrones para generar gas hidrogeno. La SPE se mantiene aparentemente en un estado solido sin ser cambiada. Cuando se utiliza la SPE para el enriquecimiento electrolltico de tritio, se pueden esperar las ventajas que se presentan a continuacion en comparacion con los metodos habituales.

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1) El agua destilada puede descomponerse directamente. Es decir, no se requieren disolucion, neutralizacion y eliminacion de un electrolito, que son esenciales para un metodo electrolltico de una solucion acuosa alcalina, y un factor de reduccion de volumen de agua de muestra es basicamente ilimitado.

2) Una superficie de electrodo no esta cubierta con burbujas y, por lo tanto, la electrolisis se puede realizar con una gran corriente, acortando as! el tiempo de electrolisis.

3) Puesto que el gas hidrogeno y el gas oxlgeno se generan por separado en ambos lados de la membrana de SPE, los gases pueden ser tratados facilmente. Esto es mucho mas seguro que un metodo usual incluyendo el manejo de gases mezclados explosivos.

Ademas, el solicitante ha propuesto un metodo de enriquecimiento electrolltico para agua pesada por SPE electrolisis del agua en Publicaciones de solicitud de patente japonesa no examinada numeros 8-26703 (Patente n.° 3406390) y 8-323154 (Patente n.° 3977446) y Tritium Electrolytic Enrichment using Solid Polymer Electrolyte (RADIOISOTOPES, Vol. 45, n.° 5, mayo de 1996 (emitido por Japan Radioisotope Association).

A partir de la solicitud de patente internacional WO 2009/157435 A1, se describe un metodo para aumentar la concentracion de tritio en agua pesada en una celula de electrolisis constituida por un anodo, un catodo y una membrana de intercambio ionico, en la que el compartimiento del anodo esta conectado a un recipiente de agua de muestra y el compartimiento del catodo esta conectado a un deposito de agua de reserva. Se proporciona una bomba para hacer circular agua entre el recipiente de agua de reserva y el recipiente de agua de muestra dependiendo del nivel de llquido de estos recipientes.

Sin embargo, el metodo propuesto en estos documentos se puede aplicar a un aparato de analisis y el tratamiento de enriquecimiento a pequena escala, pero no es adecuado para el tratamiento a gran escala. No fluye corriente a traves del electrolito debido a que el electrolito utilizado es agua pura, y por lo tanto la membrana de pollmero solido que se utiliza como un componente debe ser fuertemente engarzado con el anodo y el catodo bajo presion superficial correspondiente a 20 a 30 Kg/cm2 Por lo tanto, se requiere que los elementos de una celula de electrolisis tengan una alta resistencia, y en vista de su economla y operatividad, no es realista asegurar una gran area de reaccion de 1 m2 o mas, incrementando de manera indeseable el coste del equipo para el enriquecimiento electrolltico y el fraccionamiento de agua de materia prima que contiene una gran cantidad de agua pesada.

Sumario de la invencion

En consecuencia, un objetivo de la presente invencion es resolver los problemas de la tecnica relacionada y proporcionar un metodo de enriquecimiento electrolltico para agua pesada capaz de enriquecimiento electrolltico y fraccionamiento de agua de materia prima que contiene una gran cantidad de agua pesada por una solucion alcalina agua, y capaz de producir gas hidrogeno de alta pureza y/o gas oxlgeno de alta pureza.

Con el fin de lograr el objetivo, los primeros medios de resolucion de la presente invencion son proporcionar un metodo de enriquecimiento electrolltico para agua pesada, incluyendo el metodo el enriquecimiento de agua pesada por electrolisis con una celula de electrolisis de agua alcalina que incluye una camara del anodo que tiene una un anodo, una camara del catodo que contiene un catodo y un diafragma que divide entre la camara del anodo y la camara del catodo. En el metodo de enriquecimiento electrolltico, se suministra circularmente a ambas camaras de electrolisis, incluyendo la camara del anodo y la camara del catodo desde un deposito de circulacion que contiene el electrolito, un electrolito preparado anadiendo agua alcalina de alta concentracion al agua de materia prima que contiene agua pesada que contiene tritio; un separador de gas-llquido del lado del anodo y un dispositivo de sellado de agua del lado del anodo estan conectados a la camara del anodo y un separador de gas-llquido del lado del catodo y un dispositivo de sellado de agua del lado del catodo estan conectados a la camara del catodo; y se continua la electrolisis mientras que la concentracion de alcali en el electrolito suministrado a ambas camaras de electrolisis se mantiene a una concentracion constante suministrando circularmente al deposito de circulacion el electrolito a partir del cual el gas generado desde cada uno de los separadores gas-llquido lado anodo y se separa el separador de gas-llquido del lado del catodo, enriqueciendo as! el agua pesada en el electrolito. Al mismo tiempo, el gas hidrogeno es recuperado o descargado del separador gas-llquido del lado del catodo, y el gas oxlgeno es recuperado o descargado del separador gas-llquido del lado del anodo.

Con el fin de lograr el objetivo, los segundos medios de resolucion de la presente invencion son proporcionar un metodo de enriquecimiento electrolltico para el agua pesada en el que se continua la electrolisis, mientras que la concentracion de alcali del electrolito se mantiene a la concentracion inicial mediante el suministro de agua materia prima en una cantidad correspondiente al agua que desaparece por electrolisis al deposito de circulacion.

Con el fin de lograr el objetivo, los terceros medios de resolucion de la presente invencion son proporcionar un metodo de enriquecimiento electrolltico para agua pesada en el que la concentracion de alcali del electrolito es de 1,5 % a 40 % en masa.

Con el fin de lograr el objetivo, los cuartos medios de resolucion de la presente invencion son proporcionar un metodo de enriquecimiento electrolltico para agua pesada en el que la concentracion de alcali del electrolito es de 20 % a 30 % en masa.

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Con el fin de lograr el objetivo, los quintos medios de resolucion de la presente invencion son proporcionar un metodo de enriquecimiento electrolitico para el agua pesada en el que se continua la electrolisis, mientras que la concentracion de alcali del electrolito se mantiene a una concentracion constante suministrando el agua materia prima al deposito de circulacion de modo que la concentracion alcalina del electrolito no exceda del 40 % en masa.

Con el fin de lograr el objetivo, los sextos medios de resolucion de la presente invencion son proporcionar un metodo de enriquecimiento electrolitico para el agua pesada en el que se continua la electrolisis, mientras que la concentracion de alcali del electrolito se mantiene a una concentracion constante suministrando el agua materia prima al deposito de circulacion de modo que la concentracion alcalina del electrolito no exceda del 30 % en masa.

Con el fin de lograr el objetivo, los septimos medio de resolucion de la presente invencion son proporcionar un metodo de enriquecimiento electrolitico para el agua pesada en el que la presion en la camara del catodo y la presion en la camara del anodo se ajustan mediante el ajuste de la altura de un agua respectivamente, con el fin de controlar una relacion del gas oxigeno generado en la camara del anodo y mezclado en el gas hidrogeno generado en la camara del catodo y/o una relacion del gas hidrogeno generado en la camara del catodo y mezclado en el gas oxigeno generado en la camara del anodo.

Con el fin de lograr el objetivo, los octavos medios de resolucion de la presente invencion son proporcionar un metodo de enriquecimiento electrolitico para agua pesada en el que el diafragma es una membrana neutra.

Con el fin de lograr el objetivo, los novenos medios de resolucion de la presente invencion son proporcionar un metodo de enriquecimiento electrolitico para agua pesada en el que el diafragma es una membrana de intercambio cationico.

Segun la presente invencion, un residuo radiactivo que contiene una gran cantidad de tritio puede ser enriquecido con eficacia y se fraccionado por electrolisis alcalina de agua, y de alta concentracion y el gas hidrogeno de alta pureza y/o gas oxigeno se pueden recuperar con eficacia.

Ademas, de acuerdo con la presente invencion, la camara del anodo y la camara del catodo estan dentro en ambos lados del diafragma, y el electrolito alcalino comun se suministra circularmente a la camara del anodo y la camara del catodo a partir de un deposito de circulacion, de modo que en el sistema de operacion, las concentraciones de alcali en la camara del anodo y la camara del catodo pueden ser siempre controladas a la misma concentracion mediante el retorno y mantenimiento, hacia y en el mismo deposito de circulacion, del electrolito descargado de cada una de la camara del anodo y la camara del catodo por electrolisis del electrolito que disminuye la concentracion de alcali en la camara del anodo y aumenta la concentracion de alcali en la camara del catodo. Ademas, la concentracion de alcali en el sistema puede mantenerse siempre en una condicion inicial predeterminada suministrando el agua de materia prima en una cantidad correspondiente a la desaparicion del agua por electrolisis. En cualquier caso, un metodo para operar un proceso de circulacion de electrolisis de agua alcalina es un metodo de operacion eficaz debido a que la gestion de operacion multiproposito del funcionamiento por lotes y el funcionamiento continuo de una planta puede ser realizada de acuerdo con los propositos de operacion de la planta solamente ajustando una concentracion alcalina predeterminada en la primera etapa de la operacion. Ademas, la gestion de la operacion no es complicada y, por lo tanto, se puede realizar una operacion segura a nivel de planta. Por otra parte, cuando la concentracion de alcali no puede ser controlada bajo condiciones predeterminadas, una tension de celula cambia con cambios en la concentracion de alcali, cambiando de este modo la cantidad de calor generado con calor de Joule. Cuando aumenta la temperatura de la celula, se aumenta la cantidad de agua evaporada y, por lo tanto, se cambian tambien las condiciones de enfriamiento. Por lo tanto, la variacion en la concentracion de alcali es indeseable debido a la variacion en las condiciones de operacion con variacion en la concentracion de alcali. Sin embargo, este problema se puede resolver por electrolisis de agua alcalina de acuerdo con la presente invencion.

Ademas, de acuerdo con la presente invencion, el agua pesada puede ser enriquecida con eficacia por la electrolisis del agua alcalina con el electrolito a la concentracion de alcali de 1,5 % a 4 % en masa. La electrolisis continua del agua permite la reduccion de volumen deseada teorica, permitiendo de este modo el enriquecimiento a un valor deseado.

Ademas, de acuerdo con la presente invencion, en el proceso de electrolisis, cuando cada uno de los gases del anodo y el gas catodo estan separados por el separador de gas-liquido, entonces sellados al agua, y se descarga, una relacion del gas oxigeno generado en la camara del anodo y transferida a la camara del catodo puede controlarse controlando la presion del gas en el lado del catodo para que sea mas alta o mas baja que la presion del gas en el lado del anodo. Por lo tanto, de acuerdo con la presente invencion, el proceso de electrolisis puede controlarse dentro de los Kmites de explosion controlando una relacion de mezcla entre el gas oxigeno y el gas hidrogeno, disminuyendo asi el peligro de explosion y produciendo gas hidrogeno de alta pureza y/o gas oxigeno de alta pureza.

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Breve descripcion del dibujo

La figura es un diagrama de flujo que ilustra un metodo de enriquecimiento electrolltico para agua pesada de acuerdo con una realizacion de la presente invencion.

Descripcion de las realizaciones preferidas

A continuacion, se describe una realizacion de la presente invencion con referencia al dibujo.

La figura es un diagrama de flujo que ilustra un metodo de enriquecimiento electrolltico para agua pesada de acuerdo con una realizacion de la presente invencion. En la figura, el numeral de referencia 1 designa una celula de electrolisis de agua alcalina y la celula de electrolisis de agua alcalina 1 incluye una camara del anodo 2 que contiene un anodo, una camara del catodo 3 que contiene un catodo y un diafragma 4 que divide entre la camara del anodo 2 y la camara del catodo 3. El numero de referencia 5 indica un deposito de circulacion; el numero de referencia 6, un deposito de agua alcalina que almacena una alta concentracion de agua alcalina 7 requerida generalmente solo para ajustar el electrolito alcalino inicial; el numero de referencia 8, una bomba de alimentacion que suministra el agua alcalina 7 en el deposito de agua alcalina 6 al deposito de circulacion 5; el numero de referencia 9, un deposito de materias primas que almacena agua de materia prima 10; y el numero de referencia 11, una bomba de alimentacion que suministra el agua de materia prima 10 en el deposito de materia prima 9 al deposito de circulacion 5. El agua alcalina 7 y el agua de materia prima 10 se mezclan en el deposito de circulacion 5 para producir un electrolito 16 ajustado a agua alcalina a una concentracion predeterminada.

El electrolito controlado a una concentracion predeterminada mediante la mezcla en el deposito de circulacion 5 se suministra a la camara del anodo 2 de la celula de electrolisis del agua alcalina 1 a traves de una bomba de circulacion 12a y un intercambiador de calor 13a y se suministra a la camara del catodo 3 de la celula de electrolisis de agua alcalina 1 a traves de una bomba de circulacion 12b y un intercambiador de calor 13b.

El electrolito controlado a una concentracion predeterminada de agua alcalina se electroliza en la camara del anodo 2 y enriquecido por electrolisis para producir un electrolito enriquecido, y se genera gas oxlgeno en la camara del anodo 2. El gas oxlgeno y el electrolito generados se separan en gas y llquido por un separador de gas-llquido 14a, y el electrolito separado se hace circular al deposito de circulacion 5. El gas oxlgeno separado por el separador de gas-llquido 14a del lado del anodo se agota a traves de un dispositivo de sellado al agua del lado del anodo 15a.

Al mismo tiempo, se genera gas hidrogeno en la camara del catodo 3. El gas hidrogeno y el electrolito generados se separan en gas y llquido por un separador de gas-llquido del lado del catodo 14b y el electrolito separado se hace circular al deposito de circulacion 5. El gas hidrogeno separado por el separador de gas-llquido del lado del anodo 14b se agota a traves de un dispositivo de sellado de agua del lado del catodo 15b. Ademas, el agua se suministra como agua de materia prima que se suministra desde el deposito de materia prima 9 suministrando el agua de materia prima en una cantidad correspondiente al agua que desaparece por electrolisis para continuar la electrolisis mientras se mantienen las condiciones de electrolisis constantes y para controlar las concentraciones alcalinas en ambas camaras de electrolisis.

El electrolito en la concentracion de alcali ajustado inicialmente puede ser mantenida por el suministro continuo de agua materia prima en una cantidad correspondiente a la desaparicion de agua por electrolisis. Por otra parte, tambien se puede llevar a cabo una operacion intermitente de reduccion de volumen del electrolito (agua de materia prima a tratar) continuando la circulacion intermitente de electrolisis de agua alcalina sin suministro continuo de agua de materia prima.

(Condicion para la electrolisis del agua alcalina)

En la electrolisis del agua alcalina de acuerdo con la presente invencion, un electrolito preparado por adicion de agua alcalina de alta concentracion para el agua materia prima compuesta de agua pesada que contiene tritio de modo que una concentracion de alcali predeterminado se obtiene se utiliza como electrolito. El electrolito es preferiblemente un alcali caustico tal como potasio caustico, sodio caustico, o similares, y su concentracion es preferiblemente de 1,5 % a 40 % en masa. En particular, con vistas a suprimir el consumo de potencia, se prefiere una concentracion de 15 % a 40 % en masa dentro de una region con alta conductividad electrica. Sin embargo, teniendo en cuenta el coste de la electrolisis, la resistencia a la corrosion, la viscosidad y la operatividad, la concentracion es mas preferiblemente del 20 % al 30 % en masa.

La concentracion del agua alcalina de alta concentracion se anade al agua la materia prima es preferiblemente 10 % a 30 % en masa.

Un metodo para el funcionamiento a una concentracion de alcali constante incluye, por ejemplo, suministrar continuamente el agua de materia prima en una cantidad correspondiente a la cantidad de agua consumida despues de controlar la concentracion de alcali inicial. Cuando se desea una operacion intermitente para reducir el volumen del agua de materia prima a tratar, se puede usar un metodo para comprobar una reduccion en la cantidad del

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electrolito ajustado inicialmente. En este caso, la concentracion alcalina inicialmente ajustada se incrementa en proporcion a la cantidad de agua reducida.

Como en la region de la concentracion de alcali, una region en la que se aumenta la resistencia de llquido es no deseada. Por ejemplo, cuando la concentracion de alcali supera el 40 % en masa, los gases generados tienden a ser diflciles de separar del electrolito (debido al aumento de la viscosidad del llquido), y por lo tanto la tension de la celula aumenta, dando como resultado un aumento de la temperatura celular debida a la generacion de calor de Joule y la necesidad de un manejo de operacion excesivo tal como la necesidad de enfriar el electrolito o similar.

Por lo tanto, puesto que la concentracion de alcali se incrementa mediante el enriquecimiento del agua de materia prima, se prefiere que la concentracion de alcali se mantenga constante mediante la adicion de agua materia prima de modo que la concentracion de alcali no supere el 40 % en masa o 30 % en masa.

En la presente invencion, en vista de la economla, el agua pesada esta enriquecida aproximadamente 10 veces por la reduccion de volumen electrolltico, y cuando la concentracion inicial de agua pesada en el agua materia prima es 2,5 % en masa, la concentracion final es 25 % en masa porque el agua se libera por electrolisis.

(Sistema de sellado de agua)

Ademas, en la presente invencion, el electrolito desde el que el gas generado se separa por cada uno de los separadores de gas-llquido 14a y 14b se suministra circularmente a cada una de las camaras de electrolisis incluyendo la camara del anodo 2 y la camara del catodo 3, controlando as! las concentraciones alcalinas en ambas camaras de electrolisis. Al mismo tiempo, el agua de materia prima en una cantidad correspondiente a la cantidad de agua que desaparece por electrolisis se suministra a ambas camaras de electrolisis que incluyen la camara del anodo 2 y la camara del catodo 3 desde el deposito de materia prima 9 a traves del deposito de circulacion 5. Por lo tanto, el agua pesada en el agua de materia prima se enriquece por la electrolisis continua mientras que mantiene constantes las condiciones de la electrolisis.

Con el fin de controlar la constante de la concentracion, el agua de materia prima 10 en una cantidad correspondiente al agua consumida se suministra continuamente al deposito de circulacion 5.

Por otro lado, incluso cuando se permite que la concentracion de alcali aumente gradualmente a una alta concentracion hasta un llmite de concentracion de la electrolisis del agua alcalina de 40 % en masa, la reduccion de volumen del electrolito puede ser confirmada. Tambien, bajo estas condiciones, la concentracion final del 40 % en masa puede mantenerse entonces iniciando el suministro de agua de materia prima.

Por lo tanto, el sistema de circulacion propuesto en la presente invencion puede ser operado por cualquiera de los metodos y por lo tanto tiene flexibilidad.

Ademas, en la presente invencion, la presion en la camara del catodo 3 y la presion en la camara del anodo 2 se controlan mediante el control de la altura de la superficie del agua en el lado del sello de agua del dispositivo del catodo 15b y el dispositivo de sellado de agua del lado del anodo 15a, respectivamente, con el fin de controlar una relacion del gas oxlgeno generado en la camara del anodo 2 y mezclado con el gas hidrogeno generado en la camara del catodo 3.

El gas del anodo (gas oxlgeno) y el gas del catodo (gas hidrogeno) estan separados por el separador de gas-llquido del lado del anodo 14a y el separador de gas-llquido del lado del catodo 14b, en el agua del lado del dispositivo de sellado de agua del lado del anodo 15a y el dispositivo de sellado de agua del lado del catodo 15b, respectivamente, y luego se agota. En este caso, la altura de la superficie del agua en el dispositivo de sellado de agua del lado del catodo 15b se controla para ser mas alta que la del dispositivo de sellado de agua del lado del anodo 15a de manera que la presion del gas en el lado del catodo sea mayor que la presion del gas en el lado del anodo. Esto puede disminuir la transferencia del gas oxlgeno generado en la camara del anodo 2 a la camara del catodo 3, mejorando as! la pureza del gas hidrogeno. A la inversa, cuando se desea mejorar la pureza del gas oxlgeno, la altura de la superficie del agua en el dispositivo de sellado de agua del lado del anodo 15a se controla para ser mayor que en el dispositivo de sellado de agua del lado del catodo 15b, de manera que la presion del gas en el lado del anodo es mayor que la presion del gas en el lado del catodo. Esto puede disminuir la transferencia del gas hidrogeno generado en la camara del catodo 3 a la camara del anodo 2, mejorando as! la pureza del gas oxlgeno.

(Celula de electrolisis de agua alcalina)

Una celula de electrolisis de dos camaras que incluye un anodo y un catodo provisto en ambos lados del diafragma 4 se utiliza como la celula de electrolisis de agua alcalina 1. Ademas, una celula de electrolisis de intervalo cero que incluye un anodo y un catodo que se adhieren al diafragma 4, una celula de electrolisis finita que incluye un anodo y un catodo que estan proporcionados ligeramente aparte del diafragma 4, o una celula de electrolisis de tipo espaciado que incluye un anodo y un catodo que se proporcionan aparte del diafragma 4. Con el fin de evitar la variacion de posicion y oscilacion de la membrana y evitar danos al diafragma de membrana 4 durante la operacion,

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se proporciona preferiblemente una presion diferencial de funcionamiento entre la camara del anodo y la camara del catodo, dependiendo de la densidad de corriente electrica de funcionamiento. Por ejemplo, puede proporcionarse una presion diferencial de 50 a 500 mm H2O y esta presion diferencial permite un control adicional de la relacion del gas oxlgeno generado en la camara del anodo 2 y mezclado en el gas hidrogeno generado en la camara del catodo

3.

Ademas, cuando un diafragma neutral se utiliza como el diafragma, el tamano de los poros de la membrana utilizada se reduce o se utiliza el diafragma con una superficie tratada especialmente para que la transferencia del gas oxlgeno generado en la camara del anodo a la camara del catodo o transferencia del gas hidrogeno generado en la camara del catodo a la camara del anodo pueda disminuir.

(Diafragma)

Un diafragma neutral, una de tipo fluor o membrana de intercambio cationico de tipo hidrocarburo para la electrolisis de salmuera, y una membrana de intercambio cationico para celulas de combustible puede ser utilizado como el diafragma 4. Cuando se usa una membrana de intercambio cationico, una concentracion de hidrogeno en oxlgeno es aproximadamente 0,13 % a una concentracion de oxlgeno en hidrogeno de 0,07 %.

Por otro lado, cuando un diafragma neutral especialmente tratado se utiliza como el diafragma 4, una concentracion de hidrogeno en oxlgeno es 0,05 % a 0,08 %, a una concentracion de oxlgeno en hidrogeno de 0,06 % a 0,09 %.

(Anodo y catodo)

El anodo y el catodo se seleccionan para ser hechos de un material que puede resistir la electrolisis del agua alcalina y a tener sobretension del anodo y sobretension de catodo bajas, respectivamente. En general, se utiliza el anodo compuesto de hierro o hierro niquelado, y se utiliza el catodo compuesto por un material de base de Ni o un material de base de Ni recubierto con un material del catodo activo. Se puede usar una malla expandida de nlquel, una malla expandida de nlquel poroso, un electrodo metalico que incluye una base de hierro que tiene una superficie recubierta con un metal noble o un oxido del mismo, o similar, como cada uno del anodo y el catodo.

Ejemplos

A continuation, se describen ejemplos de la presente invention, pero la presente invention no se limita a estos ejemplos.

Ejemplo 1

Se llevo a cabo una prueba con una celula de electrolisis que tiene un area de electrolisis de 1,0 dm2. Tanto una camara del anodo (volumen 400 ml) como una camara del catodo (volumen 400 ml) estaban compuestas de Ni y el anodo inclula una malla expandida (grosor 0,8 mm x ancho corto (SW) 3,7 mm x ancho largo (LW) 8,0 mm) con un recubrimiento del anodo activo. El catodo incluye una malla fina (grosor 0,15 mm x SW 2,0 mm x LW 1,0 mm) con un recubrimiento del catodo activo a base de metal noble.

Una pellcula basada en polipropileno de 100 pm se utilizo como un diafragma, que tuvo lugar entre los dos electrodos, y montados con una separation de cero.

Un proceso de prueba es tal como se ilustra en la figura, en el que una temperatura de electrolisis se controla con un calentador provisto en la parte inferior de una celula de electrolisis. Un electrolito se hace circular por un metodo en el que el electrolito se suministra con las bombas de circulation 12a y 12b a un caudal de 40 a 60 ml/min a la camara del anodo 2 y a la camara del catodo 3 a traves de toberas de suministro de electrolito desde el deposito 5 de circulacion (volumen electrolltico: 2,5 L) proporcionada por debajo de la celula de electrolisis de agua alcalina 1. Los llquidos en los fluidos de gas-llquido descargados desde las toberas superiores de la celula de electrolisis 1 son devueltos al deposito de circulacion 5 a traves de los separadores de gas-llquido 14a y 14b, y los gases son descargados al exterior. Las condiciones de operation incluyen 40 A/dm2, 10 % en masa de KOH, una temperatura de electrolisis de 75 °C a 85 °C y presion en el sistema celular que se determina sellando con agua el gas oxlgeno y el gas hidrogeno descargados de la camara del anodo y la camara del catodo, respectivamente. Con el fin de evitar la vibration del diafragma durante la operacion, una presion diferencial entre la camara del anodo y la camara del catodo se mantiene a de 50 a 100 mm H2O.

Por otro lado, la altura del llquido en cada uno de los sistemas de cierre hidraulico puede ser controlado en funcion de la del gas hidrogeno producido y se espera que el gas oxlgeno tenga la pureza deseada. En este ejemplo, con el fin de aumentar la pureza del hidrogeno, una presion diferencial fue de 50 mm H2O con presion aplicada al catodo.

En un proceso real, una gran cantidad de agua materia prima es simplemente tratados suministrando continuamente el agua materia prima en una cantidad correspondiente a la cantidad de agua hidrolizada. Sin embargo, en este ejemplo, se examino la eficacia midiendo la tasa de enriquecimiento de agua de muestra que contenla tritio, tension

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celular y pureza de hidrogeno sin anadir agua de materia prima en una cantidad correspondiente a la cantidad de agua hidrolizada al electrolito preparado inicialmente en el sistema de circulacion.

Cuando se continuo la operacion hasta un valor de corriente integrado era de 4800 Ah (operacion continua durante 5 dlas), la cantidad total del electrolito se disminuyo a 1,7 L a partir del volumen preparado inicial de 3,3 L. En vista de leve evaporacion y la cantidad de agua no recuperada en las tuberlas de electrolisis a pesar de la recuperacion del sistema, la cantidad de agua reducida es un valor sustancialmente equivalente a un valor teorico.

Como resultado, el electrolito en un volumen de 4,125 veces el volumen de la celula de electrolisis se enriquecio 1,96 veces. Esto representa que el agua de materia prima en un volumen de 4 veces o mas el volumen de la celula de electrolisis puede ser tratada sin problemas y el enriquecimiento continuo puede ser realizado suministrando continuamente agua de materia prima. Es decir, desde el punto de vista de la reduccion de volumen de agua de materia prima, el volumen de agua de materia prima puede reducirse en proporcion al valor de corriente integrado aplicado al sistema.

El 10 % en masa del electrolito KOH preparado inicialmente fue finalmente 19,6 % en masa de KOH despues de suministro de corriente de 4800 Ah. Esto representa que la concentracion se incremento por un valor correspondiente a la desaparicion del agua. Es decir, esto indica que el alcali preparado inicialmente (aqul, alcali caustico KOH) se queda en el sistema sin ser consumido. Lo mismo se aplica al caso en el que se usa sosa caustica NaOH como alcali, y el alcali no se limita a potasio caustico KOH.

Por otro lado, la concentracion de alcali ajustada inicial se puede mantener en el valor inicial suministrando continuamente el agua materia prima en una cantidad correspondiente a la cantidad de agua hidrolizada.

Cuando la corriente integrada era de 4800 Ah, la tension, la pureza del hidrogeno, y la tasa de recuperacion de tritio fueron como sigue.

Resultados de la prueba: 1,7 V, pureza de hidrogeno 99,9 %, velocidad de recuperacion de tritio 0,6 Todos de la pureza del gas, la tasa de recuperacion de tritio, y la tension de operacion eran buenos.

Ejemplo 2

Se realizo un ensayo mediante el mismo metodo que en el Ejemplo 1, excepto que una pellcula de PTFE tiene un espesor de 70 a 90 pm y un tamano medio de poro de 1 pm o menos se usa como un diafragma. Los resultados de la prueba fueron los siguientes.

Resultados de la prueba: 1,95 V, pureza de hidrogeno 98,9 %, velocidad de recuperacion de tritio 0,6 Todos los de la pureza del gas, la tasa de recuperacion de tritio, y la tension de operacion eran buenos.

Ejemplo 3

Se realizo un ensayo mediante el mismo metodo que en el Ejemplo 1 excepto que se utilizo una membrana de intercambio de iones para la electrolisis de salmuera como un diafragma. Los resultados de la prueba fueron los siguientes.

Membrana de intercambio de cationes utilizada: Flemion (nombre comercial de Asahi Glass Co., Ltd.) F8020SP Resultados de la prueba: 2,1 a 2,4 V, pureza de hidrogeno 99,93 %, velocidad de recuperacion de tritio 0,6

Se obtuvieron la mas alta pureza del gas y buena tasa de recuperacion de tritio, pero la tension de operacion era alta, dando como resultado la tendencia a aumentar el consumo de energla.

Ejemplo 4

Se realizo un ensayo mediante el mismo metodo que en el Ejemplo 1 excepto que se utilizo una membrana de intercambio de iones para celulas de combustible se describen a continuacion como un diafragma. Los resultados de la prueba fueron los siguientes.

Membrana de intercambio de cationes utilizada: Nafion (nombre comercial de DuPont Company) N117 Resultados de la prueba: 2,3 a 2,6 V, pureza de hidrogeno 99,92 %, velocidad de recuperacion de tritio 0,6

Se obtuvieron buena pureza del gas y buena tasa de recuperacion de tritio, pero la tension de operacion era muy alta, resultando en la tendencia a aumentar el consumo de energla.

Segun la presente invencion, los residuos radiactivos que contiene una gran cantidad de tritio pueden ser enriquecido de manera eficiente y se fracciono por electrolisis con agua alcalina de alta concentracion y alta concentracion, se puede recuperar eficientemente gas hidrogeno de alta pureza. Ademas, la concentracion de alcali en el sistema puede mantenerse siempre constante proporcionando una camara del anodo y una camara del catodo 5 en ambos lados de un diafragma y suministrando circularmente un electrolito alcalino comun tanto a la camara del anodo como a la camara del catodo desde un deposito de circulacion. Por lo tanto, una operacion a nivel de planta puede realizarse de manera segura, con lo que se espera una amplia utilizacion.

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REIVINDICACIONES

1. Un metodo de enriquecimiento electrolltico para agua pesada, comprendiendo el metodo:

enriquecer agua pesada por electrolisis usando una celula de electrolisis de agua alcalina que consiste en una camara de anodo que contiene un anodo, una camara de catodo que contiene un catodo y un diafragma que divide entre la camara del anodo y la camara del catodo,

en el que se suministra circularmente un electrolito preparado anadiendo agua alcalina de alta concentracion al agua de materia prima que consiste en agua pesada que contiene tritio a ambas camaras de electrolisis, que incluyen la camara del anodo y la camara del catodo, desde un deposito de circulacion que contiene el electrolito; un separador de gas-llquido del lado del anodo y un dispositivo de sellado de agua del lado del anodo estan conectados a la camara del anodo y un separador de gas-llquido del lado del catodo y un dispositivo de sellado de agua del lado del catodo estan conectados a la camara del catodo; y

la electrolisis se continua mientras que la concentracion alcalina en el electrolito suministrado a las dos camaras de electrolisis se mantiene a una concentracion constante suministrando circularmente al deposito de circulacion el electrolito, a partir del cual se separa el gas generado por cada uno del separadores de gas-llquido del lado del anodo y el separador de gas-llquido del lado del catodo, de manera que el agua pesada en el electrolito se enriquece y, al mismo tiempo, se recupera o descarga el gas hidrogeno del separador de gas-llquido del lado del catodo y se recupera o descarga el gas oxlgeno del separador de gas-llquido del lado del anodo.
2. El metodo de enriquecimiento electrolltico para agua pesada de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que se continua la electrolisis mientras se mantiene la concentracion alcalina del electrolito en la concentracion inicial suministrando al deposito de circulacion agua de materia prima en la cantidad correspondiente al agua que desaparece por la electrolisis.
3. El metodo de enriquecimiento electrolltico para agua pesada de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que la concentracion alcalina del electrolito es del 1,5 % al 40 % en masa.
4. El metodo de enriquecimiento electrolltico para agua pesada de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que la concentracion alcalina del electrolito es del 20 % al 30 % en masa.
5. El metodo de enriquecimiento electrolltico para agua pesada de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que se continua la electrolisis mientras la concentracion alcalina del electrolito se mantiene a una concentracion constante suministrando el agua de materia prima al deposito de circulacion de modo que la concentracion alcalina del electrolito no exceda del 40 % en masa.
6. El metodo de enriquecimiento electrolltico para agua pesada de acuerdo con la reivindicacion 5, en el que se continua la electrolisis mientras la concentracion alcalina del electrolito se mantiene a una concentracion constante suministrando el agua de materia prima al deposito de circulacion de modo que la concentracion alcalina del electrolito no exceda del 30 % en masa.
7. El metodo de enriquecimiento electrolltico para agua pesada de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que la presion en la camara del catodo y la presion en la camara del anodo se ajustan ajustando la altura de una superficie de agua en el dispositivo de sellado de agua del lado del catodo y la altura de la superficie de agua en el dispositivo de sellado de agua del lado del anodo respectivamente, con el fin de controlar la relacion del gas oxlgeno generado en la camara del anodo mezclado en el gas hidrogeno generado en la camara del catodo y/o la relacion del gas hidrogeno generado en la camara del catodo mezclado en el gas oxlgeno generado en la camara del anodo.
8. El metodo de enriquecimiento electrolltico para agua pesada de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que el diafragma es un diafragma neutro.
9. El metodo de enriquecimiento electrolltico para agua pesada de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que el diafragma es una membrana de intercambio de cationes.