ES2862823T3 - Sistema de tratamiento de agua que usa dispositivo de electrólisis de agua alcalina y celda alcalina de combustible - Google Patents

Sistema de tratamiento de agua que usa dispositivo de electrólisis de agua alcalina y celda alcalina de combustible Download PDF

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Abstract

Un uso de un sistema de tratamiento de agua que comprende un dispositivo electrolítico de agua alcalina y 2o, 3o, ... y n-ésimo dispositivos electrolíticos de agua alcalina y una celda alcalina de combustible y 2a, 3a, ... y n-ésima celdas alcalinas de combustible, para la disminución del volumen de un agua cruda, en el que (1) están conectados uno con otro el dispositivo electrolítico de agua alcalina y la celda alcalina de combustible, (2) se alimentan al dispositivo electrolítico de agua alcalina una solución electrolítica obtenida mediante mezcla de agua cruda y una solución acuosa alcalina y ajuste de la mezcla a una concentración deseada, y una cantidad de agua correspondiente al agua perdida a través de un tratamiento electrolítico, y se ejecuta un tratamiento electrolítico continuo, mientras la concentración de álcali es mantenida en una concentración inicial y la solución electrolítica es circulada para disminuir el volumen del agua cruda, se genera un gas oxígeno de una cámara de ánodo del dispositivo electrolítico de agua alcalina, y se genera un gas hidrógeno de una cámara de cátodo del dispositivo electrolítico de agua alcalina, (3) se alimentan a la celda alcalina de combustible la solución electrolítica formada de una solución acuosa alcalina ajustada a una concentración deseada, y un gas oxígeno y un gas hidrógeno generados por el dispositivo electrolítico de agua alcalina, se usa por lo menos una parte del gas oxígeno y gas hidrógeno para generar energía eléctrica mediante la celda alcalina de combustible, y se colectan la energía eléctrica y agua, y (4) la energía eléctrica colectada es alimentada al dispositivo electrolítico de agua alcalina como una fuente de energía eléctrica de la misma, y se alimenta una parte o toda el agua colectada a una línea de circulación de la solución electrolítica en el dispositivo electrolítico de agua alcalina para continuar el tratamiento electrolítico, en el que se usan efectivamente la mayoría o una parte de cada uno de energía eléctrica requerida en el dispositivo electrolítico de agua alcalina y la celda alcalina de combustible, un gas hidrógeno y un gas oxígeno que sirven como materias primas para la energía eléctrica, y una cantidad de agua correspondiente al agua perdida a través del tratamiento electrolítico, mientras son usados de manera eficiente en circulación en el sistema de tratamiento de agua, y en el que los 2o, 3o, ... y n-ésimo dispositivos electrolíticos de agua alcalina y las 2a, 3a, ... y n-ésima celdas alcalinas de combustible están conectados en un modo cascada al dispositivo electrolítico de agua alcalina y a la celda alcalina de combustible, una solución electrolítica tratada electrolíticamente y concentrada por el dispositivo electrolítico de agua alcalina es alimentada secuencialmente a los 2o, 3o, ... y n-ésimo dispositivos electrolíticos de agua alcalina, se ejecuta un tratamiento electrolítico de la misma manera que en el dispositivo electrolítico de agua alcalina, se alimentan un gas oxígeno y un gas hidrógeno generados, a por lo menos uno de la celda alcalina de combustible y las 2a, 3a, ... y n-ésima celdas alcalinas de combustible, se usa por lo menos una parte del gas oxígeno y gas hidrógeno para generar energía eléctrica mediante por lo menos uno de la celda alcalina de combustible y las 2a, 3a, ... y n-ésima celdas alcalinas de combustible, se colecta energía eléctrica, se genera agua, se alimenta la energía eléctrica colectada a por lo menos uno del dispositivo electrolítico de agua alcalina y a los 2o, 3o, ... y n-ésimo dispositivos electrolíticos de agua alcalina para continuar el tratamiento electrolítico, se descarta el agua generada en la generación de energía eléctrica mediante por lo menos una de la celda alcalina de combustible y las 2a, 3a, ... y n-ésima celdas alcalinas de combustible, o es alimentada a una línea de circulación de la solución electrolítica en por lo menos uno del dispositivo electrolítico de agua alcalina y los 2o, 3o, ... y n-ésimo dispositivos electrolíticos de agua alcalina, y el volumen del agua cruda sometido a reducción de volumen mediante el dispositivo electrolítico de agua alcalina es disminuido adicionalmente mediante los 2o, 3o, ... y n-ésimo dispositivos electrolíticos de agua alcalina.

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema de tratamiento de agua que usa dispositivo de electrólisis de agua alcalina y celda alcalina de combustible Campo técnico
La presente invención se refiere en general a un uso de un sistema de tratamiento de agua que comprende un dispositivo electrolítico de agua alcalina y una celda alcalina de combustible en el cual se combinan un dispositivo electrolítico de agua alcalina y una celda alcalina de combustible, que tienen cada uno una solución acuosa alcalina como una solución electrolítica, el hidrógeno y oxígeno generados por el dispositivo electrolítico de agua alcalina son usados como materias primas para la celda alcalina de combustible para la generación de energía eléctrica, y el dispositivo electrolítico de agua alcalina ejecuta un tratamiento electrolítico usando la energía eléctrica y agua resultantes.
Específicamente, la presente invención se refiere a un uso de un sistema de tratamiento de agua que comprende un dispositivo electrolítico de agua alcalina y una celda alcalina de combustible, en el cual a un dispositivo electrolítico de agua alcalina y una celda alcalina de combustible, se conectan en un modo de cascada 2o, 3o, ... y n-ésimo dispositivos electrolíticos de agua alcalina y 2a, 3a, ... y n-ésima celdas alcalinas de combustible, se ejecuta la electrólisis de modo continuo, y el volumen de agua cruda es disminuido por el dispositivo electrolítico de agua alcalina.
La presente invención también se refiere a un uso de un sistema de tratamiento de agua que usa electrólisis de agua alcalina y una celda alcalina de combustible, en el cual se usa como agua cruda el material de agua cruda que contiene agua tritiada, se combinan un dispositivo electrolítico de agua alcalina y una celda alcalina de combustible que tiene cada uno una solución acuosa alcalina como una solución electrolítica, el hidrógeno y el oxígeno generados por el dispositivo electrolítico de agua alcalina son usados como materias primas para la celda alcalina de combustible para la generación de energía eléctrica, el dispositivo electrolítico de agua alcalina ejecuta un tratamiento electrolítico usando la energía eléctrica y agua resultantes, al dispositivo electrolítico de agua alcalina y a la celda alcalina de combustible se conectan en modo de cascada los 2o, 3o, ... y n-ésimo dispositivos electrolíticos de agua alcalina y las 2a, 3a, ... y n-ésima celdas alcalinas de combustible, la electrólisis es ejecutada de manera continua, se concentra secuencialmente el agua cruda que contiene agua tritiada en una elevada concentración, y se recolecta una pequeña cantidad de agua contaminada concentrada.
La presente invención también se refiere a un uso de un sistema de tratamiento de agua que comprende un dispositivo electrolítico de agua alcalina y una celda alcalina de combustible, en el cual el agua cruda que contiene una gran cantidad de impurezas tales como iones cloruro es usada como agua cruda que contiene agua tritiada, se retiran las impurezas, y luego se ejecuta la electrólisis.
Técnica antecedente
La mayoría del tritio existente en el suelo está en la forma de agua de tritio como un óxido, es decir, agua tritiada. Se considera que la concentración de agua tritiada que circula en la atmósfera tiene aproximadamente un valor fijo en todas las edades y países e incluyendo animales y plantas. Puede detectarse un período durante el cual el agua tritiada sale de la circulación atmosférica, a partir de una cantidad de disminución en la concentración submarina, de modo que puede medirse la edad del agua subterránea. Esta medición es usada para el examen práctico del flujo de agua subterránea en los campos de la ingeniería civil y la agricultura. El tritio existe en el agua en forma de agua tritiada con el tritio enlazado con oxígeno. El agua tritiada está distribuida de modo disperso ampliamente en vapor, lluvia, agua subterránea, agua de río, agua de lago, agua de mar, agua potable, y organismos, como una fase gaseosa, una fase líquida y una fase sólida en la hidrosfera.
El tritio natural es generado por la reacción de un rayo cósmico con el aire, y la cantidad de tritio natural es muy pequeña porque la probabilidad de su generación es muy pequeña. Por otro lado, el tritio generado a través de pruebas nucleares en la década de 1950, reactores nucleares y reprocesamiento de combustibles nucleares es liberado al ambiente en una gran cantidad (lluvia de tritio). En una instalación asociada con un reactor nuclear, el tritio es generado durante la operación y mantenimiento del reactor y reprocesamiento de combustibles nucleares, y acumulado y localizado en un nivel elevado en comparación con el ambiente exterior. El tritio es liberado sistemáticamente a la atmósfera y el mar porque su naturaleza química es casi comparable con la del hidrógeno. El valor más elevado medido en Japón es 1,100 Bq/l, un valor detectado el 21 de junio de 2013 en un puerto dedicado dentro de la instalación de la planta nuclear número 1 de Fukushima No. 1, donde ocurrió el accidente nuclear. Dado que es difícil separar químicamente el tritio del hidrógeno, se han realizado estudios sobre un método para la separación física de tritio. Sin embargo, permanecieron sólo en un nivel experimental, y todavía no se ha puesto en práctica tal método. Por ello, la radioactividad de tritio liberada al ambiente, debida a un accidente nuclear, etc. no puede ser eliminada por las técnicas actuales. Se dice que la cantidad de agua contaminada que contiene tritio generado en la planta nuclear número 1 de Fukushima No. 1 alcanzará una escala de 800,000 m3 en el futuro, y se desea un establecimiento temprano de un método efectivo para la disposición del agua contaminada.
Son concebibles como métodos para la recolección de tritio, un método de extracción de agua que usa una presión de vapor de H2O, HTO y T2O, un método de intercambio de agua-hidrógeno que usa una reacción de intercambio de átomos de H y T, un método de intercambio de temperatura doble que usa un desplazamiento del equilibrio químico de isótopos, y un método electrolítico para agua que usa una diferencia de potencial de generación de gas. Sin embargo, la separación eficiente de tritio es difícil en los métodos, excepto por el método electrolítico de agua.
Por otro lado, en el método electrolítico, el factor de separación es considerablemente elevado, de modo que el tritio puede ser separado eficientemente.
Sin embargo, la concentración de tritio es extremadamente baja, y por ello cuando se mide la concentración de tritio, generalmente se realiza concentración electrolítica para mejorar la exactitud de la medición. En este caso, para la concentración electrolítica de agua pesada, hasta ahora se ha conocido un método en el cual se prepara una solución de muestra con un electrolito disuelto en ella, y la electrólisis es ejecutada con formas planas tabulares orientadas una hacia otra. El agua contenida en una solución electrolítica incluye HDO y HTO adicionalmente a H2O, y son descompuestas usualmente en hidrógeno y oxígeno de acuerdo con la descomposición del agua. El efecto de isótopo causa que la descomposición de H2O preceda a la descomposición de HDO y HTO, de modo que las concentraciones de deuterio y tritio aumentan para ejecutar la concentración. En la concentración electrolítica, se usa níquel como un ánodo, y se usan acero, hierro, níquel y similares, como un cátodo. Se limpian estos electrodos, en un recipiente de vidrio se añade una muestra de agua preparada mediante adición de soda cáustica pobre como una sal soporte a una solución de agua que incluye agua pesada, y se suministra electricidad para ejecutar la electrólisis. En este momento, con la densidad de corriente ajustada a aproximadamente 1 a 10 A/dm2, la concentración de hidrógeno pesado es ejecutada usualmente hasta que la cantidad de líquido desciende en un factor de 10 o más, mientras se mantiene la temperatura del líquido en 5 °C o menos, para prevenir la prevenir la evaporación del agua por la generación de calor.
Esto es, la concentración electrolítica de tritio toma ventaja de la disposición en la cual el agua tritiada presenta mayor dificultad para ser sometida a electrólisis, comparada con el agua de hidrógeno liviano, como en el caso del agua pesada. El método que incluye la inserción de electrodos metálicos en una solución acuosa alcalina para ejecutar la electrólisis ha sido ya sometido a muchos estudios, y está formalizado públicamente como un método estándar. En este método, la concentración de tritio es ejecutada en una etapa individual. Sin embargo, en la práctica, los métodos convencionales de concentración electrolítica tienen algunos problemas. Estos problemas incluyen los siguientes: las operaciones experimentales son complicadas; la relación de concentración de tritio está limitada por el límite superior de la concentración de electrolito; puede generarse un gas de hidrógeno y oxígeno mixto, que causa explosión; se requiere mucho tiempo para la electrólisis; y el consumo de energía eléctrica se torna muy grande, de modo que es difícil tratar un gran volumen de agua.
Los preserntes inventores desarrollaron un método para la concentración electrolítica de agua pesada, que resuelve los problemas de las técnicas convencionales, y es capaz de concentrar y fraccionar eléctricamente un agua cruda que contiene una gran cantidad de agua pesada, mediante un método electrolítico de agua alcalina, y también de producir un gas hidrógeno de alta pureza y/o un gas oxígeno de alta pureza, como un método para el tratamiento de agua cruda que contiene una gran cantidad de agua tritiada mediante electrólisis de agua alcalina, y se aplicó a una patente del mismo (Literatura 1 de Patente).
De acuerdo con la Literatura 1 de Patente, puede suministrarse un método para la concentración electrolítica de agua pesada, en el que el método incluye la concentración electrolítica de agua pesada usando un baño electrolítico de agua alcalina, que incluye: una cámara de ánodo para el almacenamiento de un ánodo; una cámara de cátodo para el almacenamiento de un cátodo; y un diafragma para dividir una de otra la cámara del ánodo y la cámara del cátodo, en el que desde un tanque de circulación para el almacenamiento de una solución electrolítica con elevada concentración, se añade agua alcalina a agua cruda que incluye agua pesada que contiene tritio, se circula y alimenta solución electrolítica a ambas cámaras electrolíticas; la cámara del ánodo a la cual están conectados un dispositivo de separación gas-líquido en el lado del ánodo y dispositivo de sellado de agua en el lado del ánodo; la cámara del cátodo a la cual están conectados un dispositivo de separación gas-líquido en el lado del cátodo y dispositivo de sellado de agua en el lado del cátodo; se continúa la electrólisis para concentrar el agua pesada en la solución electrolítica mientras la solución electrolítica de la cual se retira un gas generado mediante el dispositivo de separación gas-líquido del lado del ánodo y el dispositivo de separación gas-líquido del lado del cátodo, es circulada y alimentada al tanque de circulación para mantener constante la concentración de álcali de la solución electrolítica alimentada dentro de ambas cámaras electrolíticas; se recolecta un gas hidrógeno o es descartado por el dispositivo de separación gas-líquido del lado del cátodo, y se recolecta un gas oxígeno o es descartado por el dispositivo de separación gas-líquido del lado del ánodo.
Además de acuerdo con el método descrito en la Literatura 1 de Patente, puede concentrarse y fraccionarse eficientemente mediante electrólisis un residuo radioactivo que contiene una gran cantidad de tritio, y puede recolectarse eficientemente un gas hidrógeno y un gas oxígeno de elevadas concentraciones y elevadas purezas.
Sin embargo, el método descrito en la Literatura 1 de Patente tiene como desventaja que el consumo de energía eléctrica se torna muy grande como se describió anteriormente, y esta desventaja es el obstáculo más grande para el empleo de un método electrolítico.
Se condujeron estudios sobre la disminución del consumo de energía eléctrica mediante la combinación de un método electrolítico de agua alcalina y una celda de combustible, como un método para solucionar la desventaja. Esto es, en el método electrolítico del agua, se generan un gas hidrógeno y un gas oxígeno. Hasta ahora, estos gases han sido descartados, pero un gas hidrógeno y un gas oxígeno que han sido descartados hasta ahora pueden ser usados como una materia prima en una celda de combustible. De acuerdo con ello, se han conducido estudios sobre un método que usa, como una fuente de energía en un método electrolítico de agua, una celda de combustible que usa como materias primas un gas hidrógeno y un gas oxígeno generados en el método electrolítico de agua. Las celdas de combustible están clasificadas en los siguientes tipos, sobre la base del tipo de reacción electroquímica y electrolito.
(1) Celda alcalina de combustible (AFC)
(2) celda de combustible de ácido fosfórico (PAFC)
(3) celda de combustible de carbonato fundido (MCFC)
(4) celda de combustible de óxido sólido (SOFC)
(5) celda de combustible conductora de protones (PEFC)
(6) celda de combustible de metanol directa (DMFC)
(7) celda de biocombustible (MFC)
(8) celda de combustible de ácido fórmico directo (DFAFC)
Las celdas de combustible predominantes actualmente son celdas de combustible conductoras de protones (PEFC). La celda de combustible conductora de protones exhibe suficiente desempeño de generación de energía eléctrica con un combustible de hidrógeno. Sin embargo, la celda de combustible conductora de protones tiene el problema de un elevado coste y pequeña cantidad de recursos asociados con metales nobles porque la celda de combustible opera bajo una atmósfera fuertemente ácida, y por ello el catalizador que va a usarse está casi ilimitado a un metal noble a base de platino.
La PEFC incluye un electrodo de combustible, un electrodo de oxígeno y una capa de electrolito. Para la capa de electrolito se usa un polímero sólido (membrana de intercambio catiónico) que contiene una solución acuosa de electrolito fuertemente ácida. Se introduce dentro del electrodo de combustible un gas hidrógeno, se introduce un gas oxígeno dentro del electrodo de oxígeno, las siguientes reacciones tienen lugar en los electrodos y, como un todo, se genera agua de acuerdo con la siguiente reacción.
Total 2 H2 O2 ^ 2 H2O
Electrodo de combustible (electrodo negativo) H2 ^ 2H+ 2e-Electrodo de oxígeno (electrodo positivo) 4H+ O2 4e- ^ 2 H2O
Los protones (H+) generados en el electrodo de combustible se difunden a través de la membrana de polímero sólido (membrana de intercambio catiónico) para moverse hacia el lado del electrodo de oxígeno, y reaccionan con oxígeno (O2) para generar una niebla (H2O), que es descargada desde el lado del electrodo de oxígeno.
Entre tanto, como la celda de combustible, se conoce una celda de combustible de tipo de electrolito alcalino (AFC: celda alcalina de combustible). En la celda de combustible de tipo de electrolito alcalino, los iones hidróxido son usados como un conductor iónico, y un separador entre los electrodos está impregnado con una solución electrolítica alcalina, para formar una celda. Como la PEFC, también se ha reportado un tipo de celda que usa una membrana de polímero. La AFC es una celda de combustible que tiene elevada confiabilidad y es usada en la práctica en aplicaciones aeroespaciales, etc., porque la AFC tiene la estructura más simple y es usada en una atmósfera alcalina, y por ello puede usarse un catalizador de electrodo no costoso, tal como óxido de níquel, y porque se usa un electrolito líquido a temperatura normal, y por ello puede simplificarse la configuración de la celda. Entre tanto, en el caso en que el hidrógeno es extraído de un combustible reformado a base de hidrocarburo, la solución electrolítica alcalina causa que un carbonato se degrade si allí está mezclado un hidrocarburo. De manera similar, cuando se usa aire como un oxidante, la solución electrolítica absorbe dióxido de carbono para ser degradado, y por ello es necesario usar oxígeno de alta pureza como un oxidante. Para mejorar la pureza del hidrógeno, se hace pasar el combustible a través de una membrana de paladio, para mejorar la pureza del hidrógeno. Dado que el electrolito es una solución acuosa, el intervalo de temperatura de operación está limitado a temperaturas a las cuales no se congela ni evapora la solución electrolítica. Dado que la movilidad (coeficiente de difusión) de los iones varía dependiendo de la temperatura, de modo que se afecta la generación de energía eléctrica, la condición de temperatura es severa. Puesto que la actividad de un catalizador a base de níquel es disminuida por la coordinación de monóxido de carbono, hidrocarburos, oxígeno, vapor de agua y similares, la pureza de un combustible de hidrógeno es importante. No se desea el uso de hidrógeno reformado que contiene las sustancias descritas anteriormente como impurezas, y como oxígeno e hidrógeno, se requieren materias primas de oxígeno e hidrógeno puros, que no contengan CO2.
Las fórmulas de la reacción química en los electrodos de la AFC son como sigue.
Total 2 H2 O2 ^ 2 H2O
Electrodo de combustible (electrodo negativo) 2 H2 4OH- ^ 4 H2O 4e-Electrodo de oxígeno (electrodo positivo) O2 2 H2O 4e- ^ 4OH-Así, la AFC tiene como ventaja que como un material de electrodo no se requiere el uso del costoso platino, y puede usarse un material de metal relativamente no costoso tal como níquel, cobalto o hierro, puesto que el electrolito es alcalino. Entre tanto, si se mezcla un gas dióxido de carbono, etc., en hidrógeno que es una materia prima, la solución electrolítica alcalina forma un carbonato que va a degradarse. Es necesario usar oxígeno de alta pureza como un oxidante para lograr una potencia elevada.
Se ha puesto atención a la circunstancia según la cual como un gas materia prima, en una celda alcalina de combustible (AFC) se requieren hidrógeno y oxígeno puros, en particular una materia prima que no contenga una sustancia carbonácea, y se ha hallado que los más adecuados son un gas hidrógeno y un gas oxígeno que son generados por un dispositivo electrolítico de agua alcalina.
Entre tanto, en el dispositivo electrolítico de agua alcalina, se requiere una gran cantidad de energía eléctrica y por ello, si toda la energía eléctrica tiene que ser suministrada desde el exterior, son necesarios costes enormes.
Con la atención puesta respecto a lo anterior, se ha inventado un sistema de tratamiento de agua que usa un dispositivo electrolítico de agua alcalina y una celda alcalina de combustible, en el cual se combinan uno con otro un dispositivo electrolítico de agua alcalina y una celda alcalina de combustible (AFC), en el que se usan efectivamente la energía eléctrica requerida en el dispositivo electrolítico de agua alcalina y la celda alcalina de combustible, un gas hidrógeno y un gas oxígeno que sirven como materias primas para la energía eléctrica, agua para reponer el agua perdida a través del tratamiento electrolítico, y una solución electrolítica formada por la solución acuosa alcalina, por medio de un sistema de circulación dentro del proceso, más que alimentarlos de nuevo desde el exterior.
El documento JP S58 55799 divulga un dispositivo de separación de isótopos de hidrógeno para una planta de energía nuclear. El dispositivo comprende una celda electrolítica y una celda de combustible, en el que la electricidad obtenida en la celda de combustible es suministrada a la celda electrolítica.
Lista de citaciones
Literatura de patente
Literatura 1 de patente: JP 2015-029921 A
Resumen de la invención
Problema técnico
Con la atención puesta respecto a lo anterior, un objeto de la presente invención es suministrar un uso de un sistema de tratamiento de agua que comprende un dispositivo electrolítico de agua alcalina y una celda alcalina de combustible, en el cual se combinan uno con otro un dispositivo electrolítico de agua alcalina y una celda alcalina de combustible (AFC), en el cual una parte de cada uno de la energía eléctrica requerida en el dispositivo electrolítico de agua alcalina y la celda alcalina de combustible, un gas hidrógeno y un gas oxígeno que sirven como materias primas para la energía eléctrica, una solución electrolítica formada por la solución acuosa alcalina, se circula y se usa una cantidad de agua correspondiente al agua perdida por el tratamiento electrolítico en el sistema de tratamiento de agua, y se usan efectivamente todos los componentes de la materia prima y productos intermedios, de modo que pueden operarse eficientemente el dispositivo electrolítico de agua alcalina y la celda alcalina de combustible.
Solución al problema
Para alcanzar el objetivo descrito anteriormente, una primera solución en la presente invención es un uso como se define en la reivindicación 1.
De acuerdo con ello, para alcanzar el objetivo descrito anteriormente, una primera solución en la presente invención es un uso de un sistema de tratamiento de agua que comprende un dispositivo electrolítico de agua alcalina y una celda alcalina de combustible, en el que al dispositivo electrolítico de agua alcalina y la celda alcalina de combustible se conectan en un modo de cascada los 2o, 3o, ... y n-ésimo dispositivos electrolíticos de agua alcalina y las 2a, 3a, ... y n-ésima celdas alcalinas de combustible, al 2o, 3o, ... y n-ésimo dispositivos electrolíticos de agua alcalina se alimenta secuencialmente una solución electrolítica tratada electrolíticamente y concentrada por el dispositivo electrolítico de agua alcalina, se ejecuta un tratamiento electrolítico de la misma manera que en el dispositivo electrolítico de agua alcalina, un gas oxígeno y un gas hidrógeno generados son alimentados a por lo menos una de la celda alcalina de combustible y las 2a, 3a, ... y n-ésima celdas alcalinas de combustible, por lo menos una parte del gas oxígeno y gas hidrógeno es usada para generar energía eléctrica por al menos una de la celda alcalina de combustible y las 2a, 3a, ... y n-ésima celdas alcalinas de combustible, se colecta la energía eléctrica, se genera agua, la energía eléctrica colectada es alimentada a por lo menos uno del dispositivo electrolítico de agua alcalina y los 2o, 3o, ... y n-ésimo dispositivos electrolíticos de agua alcalina, para continuar el tratamiento electrolítico, se descarta el agua generada en la producción de energía eléctrica por al menos una de la celda alcalina de combustible y las 2a, 3a, ... y n-ésima celdas alcalinas de combustibles, o es alimentada a una línea de circulación de la solución electrolítica en por lo menos uno del dispositivo electrolítico de agua alcalina y los 2o, 3o, ... y n-ésimo dispositivos electrolíticos de agua alcalina, y el volumen de agua cruda sometida a reducción de volumen por el dispositivo electrolítico de agua alcalina es disminuido adicionalmente por el 2o, 3o, ... y n-ésimo dispositivos electrolíticos de agua alcalina.
Para alcanzar el objetivo descrito anteriormente, una segunda solución en la presente invención es un uso del sistema de tratamiento de agua que emplea un dispositivo electrolítico de agua alcalina y una celda alcalina de combustible, en el que se usa agua pura como el agua cruda.
Para alcanzar el objetivo descrito anteriormente, una tercera solución en la presente invención es un uso del sistema de tratamiento de agua que emplea un dispositivo electrolítico de agua alcalina y una celda alcalina de combustible, en el que como agua cruda se usa el agua cruda que contiene agua tritiada.
Para alcanzar el objetivo descrito anteriormente, una cuarta solución en la presente invención es un uso del sistema de tratamiento de agua que emplea un dispositivo electrolítico de agua alcalina y una celda alcalina de combustible, en el que como el agua cruda se usa agua cruda que contiene agua tritiada que contiene una gran cantidad de impurezas, incluyendo iones cloruro.
Para alcanzar el objetivo descrito anteriormente, una quinta solución en la presente invención es el sistema de tratamiento de agua que usa un dispositivo electrolítico de agua alcalina y una celda alcalina de combustible, en el que el dispositivo electrolítico de agua alcalina y los 2o, 3o, ... y n-ésimo dispositivos electrolíticos de agua alcalina son dispositivos electrolíticos de agua alcalina de tipo diafragma, en el que cada uno incluye: un ánodo y un cátodo compuestos cada uno por un electrodo formado de un material a base de Ni o hierro, o un electrodo obtenido al someter la superficie del material base a recubrimiento con níquel Raney, recubrimiento con dispersión a base de Ni o recubrimiento pirolítico a base de metal noble; y un diafragma.
Para alcanzar el objetivo descrito anteriormente, una sexta solución en la presente invención es el sistema de tratamiento de agua que usa un dispositivo electrolítico de agua alcalina y una celda alcalina de combustible, en el que la celda alcalina de combustible y las 2a, 3a, ... y n-ésima celdas alcalinas de combustible son celdas de combustible tipo membrana alcalina, en la que cada una incluye: un electrodo positivo y un electrodo negativo formado cada uno de un material de electrodo con un catalizador de platino o un catalizador de aleación de rutenioplatino soportado sobre un vehículo de negro de humo; y una membrana de intercambio aniónico.
Para alcanzar el objetivo descrito anteriormente, una séptima solución en la presente invención es un uso del sistema de tratamiento de agua que comprende un dispositivo electrolítico de agua alcalina y una celda alcalina de combustible, en la que como agua cruda se usa agua cruda que contiene tritio, que contiene una gran cantidad de impurezas incluyendo iones cloruro, se suministra un proceso de destilación para el retiro de las impurezas como un proceso previo de un proceso electrolítico de agua alcalina por el dispositivo electrolítico de agua alcalina, se suministra el agua cruda que contiene gran cantidad de impurezas incluyendo iones cloruro al proceso de destilación para retirar las impurezas como una pasta de sal, y el agua cruda que contiene agua tritiada después del retiro de las impurezas, es suministrada al dispositivo electrolítico de agua alcalina.
Para alcanzar el objetivo descrito anteriormente, una octava solución en la presente invención es un uso del sistema de tratamiento de agua que comprende un dispositivo electrolítico de agua alcalina y una celda alcalina de combustible, en la que en el proceso de destilación se concentra la pasta de sal y se la separa y colecta como un sólido.
Para alcanzar el objetivo descrito anteriormente, una novena solución en la presente invención es un uso del sistema de tratamiento de agua que comprende un dispositivo electrolítico de agua alcalina y una celda alcalina de combustible, en la que 5 a 60 % en masa de solución acuosa alcalina es usado como la solución electrolítica formada de una solución acuosa alcalina, que es usada para el tratamiento electrolítico por el dispositivo electrolítico de agua alcalina y los 2o, 3o, ... y n-ésimo dispositivos electrolíticos de agua alcalina, y es usada en la celda alcalina de combustible y las 2a, 3a, ... y n-ésima celdas alcalinas de combustible.
Efectos ventajosos de la invención
(1) En el uso del sistema de tratamiento de agua que comprende un dispositivo electrolítico de agua alcalina y una celda alcalina de combustible de acuerdo con la presente invención, se combinan un dispositivo electrolítico de agua alcalina y una celda alcalina de combustible, y se ejecuta electrólisis alcalina utilizando la energía eléctrica generada por la celda alcalina de combustible, usando como materias primas un gas hidrógeno y un gas oxígeno que son generados mediante electrólisis en el dispositivo electrolítico de agua alcalina en sí mismo, como energía eléctrica requerida en el dispositivo electrolítico de agua alcalina. Así, después del inicio de la electrólisis, puede continuarse la electrólisis de agua alcalina usando energía eléctrica generada en el sistema como energía eléctrica para la electrólisis de agua alcalina, y la electrólisis puede ser ejecutada mientras se regenera la energía eléctrica, de modo que puedan reducirse considerablemente los costes de energía eléctrica requeridos para el tratamiento del agua. (2) En el uso del sistema de tratamiento de agua que comprende un dispositivo electrolítico de agua alcalina y una celda alcalina de combustible de acuerdo con la presente invención, un gas hidrógeno y un gas oxígeno generados por electrólisis en el dispositivo electrolítico de agua alcalina son usados como un gas hidrógeno y un gas oxígeno, como materias primas para la celda alcalina de combustible. Por ello, es innecesario el suministro externo del gas hidrógeno y gas oxígeno, y la energía eléctrica que va a ser usada como una fuente de energía eléctrica para la electrólisis de agua alcalina, puede ser circulada y usada en el sistema, de modo que puede usarse eficientemente la energía.
(3) En el uso del sistema de tratamiento de agua que comprende un dispositivo electrolítico de agua alcalina y una celda alcalina de combustible de acuerdo con la presente invención, un gas hidrógeno y un gas oxígeno generado por electrólisis en el dispositivo electrolítico de agua alcalina pueden ser usados como un gas hidrógeno y un gas oxígeno como materias primas para la celda alcalina de combustible. Así, es innecesario el suministro externo del gas hidrógeno y gas oxígeno, de modo que pueden reducirse considerablemente los costes de energía eléctrica usada para la electrólisis.
(4) En el uso del sistema de tratamiento de agua que comprende un dispositivo electrolítico de agua alcalina y una celda alcalina de combustible de acuerdo con la presente invención, un gas hidrógeno y un gas oxígeno generados por electrólisis en el dispositivo electrolítico de agua alcalina pueden ser usados como un gas hidrógeno y un gas oxígeno como materias primas para la celda alcalina de combustible. Por ello, pueden usarse como materias primas oxígeno e hidrógeno puros, libres de impurezas tales como una sustancia carbonácea y un gas dióxido de carbono, de modo que puede operarse eficientemente la celda alcalina de combustible.
(5) En el uso del sistema de tratamiento de agua que comprende un dispositivo electrolítico de agua alcalina y una celda alcalina de combustible de acuerdo con la presente invención, pueden usarse como materias primas para la celda alcalina de combustible, no sólo el gas hidrógeno y el gas oxígeno, sino también puede usarse una solución electrolítica que es usada para la electrólisis en el dispositivo electrolítico de agua alcalina, como la solución electrolítica formada de una solución acuosa alcalina. Así, para todas las materias primas para la celda alcalina de combustible, pueden circularse y usarse todos los materiales que son usados o generados por el dispositivo electrolítico de agua alcalina.
(6) En el uso del sistema de tratamiento de agua que comprende un dispositivo electrolítico de agua alcalina y una celda alcalina de combustible de acuerdo con la presente invención, la energía eléctrica que va a ser usada para electrólisis en el dispositivo electrolítico de agua alcalina es alimentada parcialmente desde la celda alcalina de combustible después del inicio de la electrólisis. El agua generada por la celda alcalina de combustible es usada como agua suplementaria para una pérdida de agua por la electrólisis en el dispositivo electrolítico alcalino. Así, todas las materias primas para el dispositivo electrolítico de agua alcalina pueden ser suministradas mediante energía eléctrica y agua, que son generadas por la celda alcalina de combustible.
(7) En el uso del sistema de tratamiento de agua que comprende un dispositivo electrolítico de agua alcalina y una celda alcalina de combustible de acuerdo con la presente invención, puede tratarse también el agua cruda que contiene agua tritiada que contiene una gran cantidad de impurezas tales como iones cloruro, para lograr los efectos descritos anteriormente, mediante el suministro de un proceso de destilación para la alimentación continua del material de agua cruda al destilado, como un proceso previo para el retiro de las impurezas en forma de una pasta de sal.
Breve descripción de los dibujos
La Fig. 1 es una vista conceptual que ilustra una realización de un sistema de tratamiento de agua que usa un dispositivo electrolítico de agua alcalina y una celda alcalina de combustible.
La Fig. 2 es un diagrama de flujo que ilustra un ejemplo de un dispositivo de tratamiento de agua alcalina para ser usado en una realización del sistema de tratamiento de agua, que comprende un dispositivo electrolítico de agua alcalina y una celda alcalina de combustible de acuerdo con la presente invención.
La Fig. 3 es un diagrama de flujo que ilustra un ejemplo de una celda alcalina de combustible que va a ser usada en una realización del sistema de tratamiento de agua, que comprende un dispositivo electrolítico de agua alcalina y una celda alcalina de combustible de acuerdo con la presente invención.
La Fig. 4 es un diagrama de flujo que ilustra un ejemplo del sistema de tratamiento de agua que comprende un dispositivo electrolítico de agua alcalina y una celda alcalina de combustible, para uso de acuerdo con la presente invención.
Descripción de realizaciones
En lo sucesivo, se describirá una realización de la presente invención haciendo referencia a los dibujos.
La Fig. 1 es una vista conceptual que ilustra una realización de un sistema de tratamiento de agua.
Como se ilustra en la Fig. 1,
(1) un dispositivo 1 electrolítico alcalino para agua y una celda 2 alcalina de combustible están conectados uno a otro;
(2) se alimentan una solución 3 electrolítica formada de una solución acuosa alcalina ajustada a una concentración deseada, agua 4 cruda, y una cantidad de agua 5 correspondiente al agua cruda perdida a través del tratamiento electrolítico, al dispositivo 1 electrolítico alcalino para agua, el volumen de agua 4 cruda es reducido mediante la ejecución de un tratamiento electrolítico mientras circula la solución 3 electrolítica, con la concentración de álcali mantenida a una concentración inicial en el dispositivo 1 electrolítico alcalino para agua, y un gas 6 oxígeno y un gas 7 hidrógeno son generados por el dispositivo 1 electrolítico alcalino para agua.
(3) El gas 6 oxígeno y el gas 7 hidrógeno generados por el dispositivo 1 electrolítico alcalino para agua, y la solución 3 electrolítica formada de una solución acuosa alcalina ajustada a una concentración deseada, son alimentados a la celda 2 alcalina de combustible, se genera energía eléctrica por la celda 2 alcalina de combustible, y se colectan energía 9 eléctrica y agua 10.
(4) la energía 9 eléctrica colectada es alimentada al dispositivo 1 electrolítico alcalino para agua, como una fuente de energía eléctrica del mismo, y se alimenta el agua 10 colectada de la celda 2 alcalina de combustible a una línea de circulación de la solución electrolítica formada por la solución acuosa alcalina, y puede ser usada como agua para el ajuste de la concentración de álcali o como agua para ser alimentada a un baño electrolítico de agua alcalina en la siguiente cascada, o puede ser descartada cuando contenga impurezas.
De esta manera, se combinan uno con otro el dispositivo 1 electrolítico alcalino para agua y la celda 2 alcalina de combustible (AFC), con lo cual se circulan la energía 9 eléctrica requerida en el dispositivo 1 electrolítico alcalino para agua y la celda 2 alcalina de combustible, el gas 7 hidrógeno y el gas 6 oxígeno que sirven como materias primas para la energía eléctrica, la solución 3 electrolítica formada de la solución acuosa alcalina, y una cantidad parcial de agua 10 correspondiente al agua cruda perdida por el tratamiento electrolítico, y son usados en el sistema de tratamiento de agua. De este modo, los componentes de materia prima y los productos intermedios son circulados y usados, de modo que pueden operarse eficientemente el dispositivo 1 electrolítico alcalino para agua y la celda 2 alcalina de combustible, pueden reducirse considerablemente los costes de energía eléctrica, puede reducirse eficientemente el volumen de agua cruda, tanto el gas hidrógeno como el gas oxígeno generados por el dispositivo 1 electrolítico alcalino para agua pueden ser usados como un combustible puro para la celda alcalina de combustible sin descartarlos, y así puede suministrarse un sistema de tratamiento de agua eficiente, sin residuos. En la presente invención, cuando se usa agua pura como agua cruda o cuando se usa agua cruda que contiene una cantidad muy pequeña impurezas, puede ejecutarse un tratamiento electrolítico usando un gas hidrógeno y un gas oxígeno que son generados por el dispositivo 1 electrolítico alcalino para agua, para la mayoría de un combustible para la celda 2 alcalina de combustible que es usado como una fuente de energía eléctrica para el dispositivo 1 electrolítico alcalino para agua. Por ello, es innecesario suministrar energía externa de gran capacidad. La electrólisis es ejecutada mientras se circula una solución electrolítica, y así el gas hidrógeno y el gas oxígeno que sirven como un combustible para la celda alcalina de combustible pueden ser generados continuamente, y alimentados continuamente a la celda alcalina de combustible para continuar la operación del dispositivo electrolítico de agua alcalina, de modo que puede ejecutarse de manera barata y eficiente un tratamiento de agua.
La tasa de utilización de un gas hidrógeno y un gas oxígeno que son generados por el dispositivo electrolítico de agua alcalina está alrededor de 60% en reacción de paso dentro de celda de una vez, dependiendo del estado de contacto del gas con un catalizador en la celda alcalina de combustible. La tasa de utilización del gas generado de los 2o, 3o ... n-ésimo dispositivos electrolíticos de agua alcalina está de modo similar alrededor de 60% en reacción de paso dentro de celda de una vez.
Además, en el dispositivo electrolítico de agua alcalina, se suministra agua cruda o agua pura desde el exterior del sistema durante la electrólisis, para mantener la concentración de álcali en una concentración inicial. De acuerdo con la presente invención, el agua 10 que es generada por la celda 2 alcalina de combustible puede ser usada como el agua que va a ser suministrada, y por ello puede reducirse la cantidad de agua introducida que va a suministrarse de nuevo desde el exterior. La tasa de utilización de agua en este caso es comparable con la tasa de utilización del gas. Cuando la tasa de utilización del gas generado es 60%, la tasa de utilización del agua es aproximadamente 60%.
Además, en el dispositivo electrolítico de agua alcalina y la celda alcalina de combustible, es necesario usar una solución electrolítica formada de una solución acuosa alcalina. De acuerdo con la presente invención, la concentración de la solución acuosa alcalina que va a ser usada es 5 a 60 % en masa en ambos dispositivos, y la solución acuosa alcalina puede ser compartida por ambos dispositivos.
Como se describió anteriormente, el sistema de tratamiento de agua de acuerdo con la presente invención es uno en el cual están conectados uno con otro una celda alcalina de combustible y un dispositivo electrolítico de agua alcalina. Primero, se describirá el dispositivo electrolítico de agua alcalina en la presente invención.
La presente invención es particularmente ventajosa cuando como el agua cruda se trata agua contaminada que contiene agua tritiada. A continuación, se describirá un caso en el que se usa agua cruda que incluye agua contaminada que contiene tritio. Lo mismo aplica a un caso donde como el agua cruda se usa agua pura.
(1) Dispositivo electrolítico de agua alcalina
La Fig. 2 ilustra una realización del dispositivo electrolítico de agua alcalina para ser usado en el sistema de tratamiento de agua de la presente invención, que puede ser aplicado a agua cruda que contiene agua tritiada que no contiene impurezas tales como iones cloruro, o contiene las impurezas en un grado que no impida la operación del sistema electrolítico. En este caso, se ejecuta continuamente un tratamiento electrolítico de agua alcalina, mientras la concentración de álcali del agua cruda que contiene agua tritiada es mantenida constante, sin el suministro de un proceso previo para el retiro de las impurezas.
La Fig. 2 ilustra el dispositivo electrolítico de agua alcalina. El dispositivo electrolítico de agua alcalina incluye un tanque 11 para almacenamiento de agua cruda, un baño 12 para tratamiento de agua cruda, un baño 13 electrolítico de agua alcalina, un tanque 14 de circulación, una tubería 19 de circulación de solución electrolítica y una bomba 18 de alimentación. El baño 13 electrolítico de agua alcalina incluye una cámara 15 de ánodo para el almacenamiento de un ánodo, una cámara 16 de cátodo para el almacenamiento de un cátodo, y un diafragma 17 para dividir una de otra la cámara 15 de ánodo y la cámara 16 de cátodo. Preferiblemente el diafragma 17 es un diafragma neutro, pero puede usarse también una membrana de intercambio catiónico.
En esta realización, no es necesario el proceso de destilación descrito posteriormente para el retiro de impurezas tales como iones cloruro presentes en el agua cruda que contiene agua tritiada, y el agua cruda que contiene agua tritiada puede ser alimentada directamente al tanque 14 de circulación del dispositivo electrolítico de agua alcalina. En este momento, por ejemplo, el agua cruda puede ser alimentada desde el tanque 11 para almacenamiento de agua cruda, para almacenamiento al tanque 14 de circulación a través del baño 12 para tratamiento de agua cruda, al cual se transfiere una parte de agua cruda, como un objeto para ser tratado como se ilustra en la Fig. 2.
El agua cruda que contiene agua tritiada que no contiene impurezas tales como iones cloruro, puede ser tratada por el dispositivo electrolítico de agua alcalina ilustrado en la Fig. 2.
Incluso en el caso en que se use agua cruda que contiene agua tritiada que contiene impurezas tales como iones cloruro, el agua cruda que contiene agua tritiada puede ser tratada en esta realización, cuando la cantidad de tratamiento es pequeña o el tiempo de tratamiento es corto; la cantidad de impurezas es pequeña; o el sistema está configurado para retirar impurezas durante la electrólisis continua.
A continuación, se describirá un caso en el que como agua cruda que contiene agua tritiada, mediante un sistema (I) electrolítico de agua alcalina se tratan 800,000 m3 de agua cruda que contiene sólo una pequeña cantidad de impurezas, tales como iones cloruro.
(a) en esta realización, el objeto para ser tratado en el dispositivo electrolítico de agua alcalina son 800,000 m3 de agua cruda que contiene agua tritiada que es almacenada en el tanque 11 para almacenamiento de agua cruda. Como una parte del agua cruda, se alimentan 400 m3/día de agua cruda desde el tanque 11 para almacenamiento de agua cruda a través del baño 12 para tratamiento de agua cruda hasta el tanque 14 de circulación mediante la bomba 18. En paralelo, se alimenta la solución acuosa alcalina al tanque 14 de circulación (no ilustrado).
Se prefiere que toda el agua cruda en el tanque 11 para almacenamiento de agua cruda sea alimentada al tanque 14 de circulación a través del baño 12 para tratamiento de agua cruda, y sea tratada con electricidad. Sin embargo, cuando la cantidad del agua cruda en el tanque 11 para almacenamiento de agua cruda es grande, se prefiere que el agua cruda sea enviada a una pluralidad de partes del baño 12 para tratamiento de agua cruda, para tratar continuamente el agua cruda en el baño 12 para tratamiento de agua cruda. Lo mismo aplica a las realizaciones y ejemplos abajo.
Los ánodos y cátodos del dispositivo electrolítico de agua alcalina y los 2o, 3o, ... y n-ésimo dispositivos electrolíticos de agua alcalina son preferiblemente electrodos formados de un material a base de Ni o hierro, o electrodos con la superficie del material base recubiertos con níquel o recubiertos con diferentes clases de materiales tales como níquel Raney y metales nobles, para disminuir el sobrevoltaje de electrodo.
(b) Una solución electrolítica obtenida mediante mezcla del agua cruda y solución acuosa alcalina en el tanque 14 de circulación y ajuste de la mezcla a una concentración deseada de álcali en el tanque 14 de circulación, es luego alimentada al baño 13 electrolítico de agua alcalina, para ejecutar un tratamiento electrolítico.
(c) La concentración de la solución acuosa alcalina en la solución electrolítica es preferiblemente elevada. Preferiblemente la concentración es de 5 a 60 % en masa, más preferiblemente no menor de 15 % en masa y no mayor de 60 % en masa, además preferiblemente no menor de 20 % en masa y no mayor de 60 % en masa. El álcali que para ser usado es preferiblemente KOH o NaOH.
El volumen de la solución electrolítica en el baño 13 electrolítico de agua alcalina es 400 m3. El volumen de la solución electrolítica en el tanque 14 de circulación, una tubería y así sucesivamente es 400 m3. Así, el volumen total del proceso electrolítico es 800 m3.
(d) Se alimenta la solución electrolítica mezclada en el tanque 14 de circulación y controlada a una concentración deseada de álcali, a la cámara 15 de ánodo del baño 13 electrolítico de agua alcalina a través de la tubería 19 de circulación de solución electrolítica mediante una bomba de 18 de circulación, es alimentada a la cámara 16 de cátodo del baño 13 electrolítico de agua alcalina a través de la tubería 19 de circulación de solución electrolítica mediante la bomba 18 de circulación, y se le somete a electrólisis. La solución electrolítica es sometida a electrólisis a través del diafragma 17. Como un resultado de la electrólisis, en la cámara 15 de ánodo, se genera un gas oxígeno, se separan uno de otro el gas oxígeno generado y la solución electrolítica. La solución electrolítica separada es circulada al tanque 14 de circulación mediante la tubería 19 de circulación de solución electrolítica. Al mismo tiempo, en la cámara 16 de cátodo, se genera un gas hidrógeno. El gas hidrógeno generado y la solución electrolítica son separados uno de otro. La solución electrolítica separada es circulada al tanque 14 de circulación mediante la tubería 19 de circulación de solución electrolítica. Cuando la densidad de corriente en este momento es una elevada densidad de corriente, puede reducirse el tiempo requerido para el tratamiento electrolítico. Mientras el intervalo de la densidad de corriente de operación depende del desempeño del baño electrolítico, particularmente de las estructuras de elementos principales del mismo que incluyen un ánodo, un cátodo, un diafragma y un baño electrolítico, etc., preferiblemente la densidad de corriente no es menor que 5 A/dm2 y no es mayor que 80 A/dm2 Además, preferiblemente la densidad de corriente no es menor que 5 A/dm2 y no es mayor que 60 A/dm2. En particular, cuando se ajusta la cantidad de formación de gas en la electrólisis del agua para que sea pequeña, inevitablemente la cantidad de proceso disminuye, y cuando se intenta electrólisis de gran volumen, generalmente aumenta la cantidad de proceso.
De acuerdo con los estudios realizados, para electrólisis de agua alcalina, incluso una solución electrolítica que tiene una concentración de álcali de 32 % en masa, puede ser sometida a electrólisis. Sin embargo, no es ventajoso que la concentración de álcali sea mayor que 32 % en masa porque aumenta la viscosidad de la solución electrolítica, el gas generado ya no es descargado rápidamente al exterior del sistema, y el voltaje de la celda se torna elevado, conduciendo a un incremento en el consumo de energía.
Cuando la cantidad de tratamiento electrolítico es 400 m3/día en el método descrito anteriormente, la totalidad de los 800,000 m3 de agua cruda que contiene agua tritiada será tratada en 5.5 años (800,000 m3 400 m3/día 365 días = 5.5 años).
Dado que la cantidad de líquido en circulación de la solución electrolítica es en este momento 800 m3, la cantidad de agua que contiene de agua tritiada será reducida de 800,000 m3 a 800 m3 en 5.5 años.
(e) En el tratamiento de largo plazo descrito anteriormente, desde el interior del tanque 11 de almacenamiento se alimenta continuamente una cantidad de agua cruda, correspondiente al agua cruda perdida por el tratamiento electrolítico, al tanque 14 de circulación, y se mantiene en una concentración inicial la concentración de álcali de la solución electrolítica. La electrólisis continúa mientras circula la solución electrolítica, de modo que se trata electrolíticamente la totalidad de una gran cantidad de agua cruda almacenada en el tanque 11 de almacenamiento. (f) Como un resultado del tratamiento en el dispositivo electrolítico de agua alcalina, el agua cruda que contiene agua tritiada (HTO) es transformada en un gas, y convertida en un gas hidrógeno que contiene gas tritio (HT) y un gas oxígeno. La concentración de tritio en el gas hidrógeno que contiene gas tritio (HT) es reducida a 1/1,244, comparada con la del agua tritiada, y el volumen del agua cruda es reducido de 800,000 m3 a 800 m3.
En el método electrolítico continuo descrito anteriormente, se alimenta al proceso continuamente agua tritiada correspondiente al agua descompuesta y perdida en la electrólisis, y siempre se mantienen inalterados los ambientes operativos físicos, incluyendo la cantidad de líquido en el baño electrolítico y la cantidad de descarga de la bomba de circulación dentro del proceso. En este momento, la cantidad de agua tritiada alimentada al proceso corresponde a la concentración en el agua cruda.
En el caso en que el agua es alimentada continuamente, las operaciones son llevadas a cabo de manera que la concentración de tritio en el proceso es mantenida en la concentración del agua cruda, de modo que no aumenta la concentración en el baño electrolítico. En esta condición continua de operación, el gas generado en la electrólisis es convertido a una relación correspondiente a la relación de concentración de agua ligera y agua tritiada.
Los ejemplos de especificaciones principales y desempeño en el dispositivo electrolítico de agua alcalina descritos anteriormente, son como sigue.
[Especificaciones]
1) Agua cruda incluyendo agua contaminada con tritio: 800,000 m3
2) volumen de tratamiento electrolítico: cantidad de tratamiento de 400 m3/día
3) álcali: soda cáustica, concentración de álcali: 20 % en masa
4) concentración de tritio descargado: 1.350 * 103 Bq/l
5) baño electrolítico de agua alcalina: 48 baños (75 elementos por baño)
6) densidad de corriente: 40 A/dm2
7) proceso electrolítico: proceso electrolítico circulante alimentación continua de agua cruda al proceso electrolítico [Desempeño]
La relación de conversión de tritio en agua cruda, dependiendo principalmente de la concentración de tritio en general, es 1.0 a 0.6 (donde el tritio es fraccionado usualmente como un gas de tritio molecular).
Donde la concentración de tritio presente en el agua cruda es 4.2 * 106 Bq/l, la concentración de tritio presente en un fluido de materia prima después del tratamiento en el sistema electrolítico es como sigue.
4.2 x 10e x 0.4/1,244 Bq/L = 1.350 * 103 Bq/L Aquí, el límite de concentración en el escape o aire es 7 * 104 Bq/l o menos, y el estándar de efluente de agua tritiada es 6 * 104 Bq/l o menos.
Cuando el agua cruda que contiene agua tritiada contiene una gran cantidad de impurezas tales como iones cloruro, es necesario retirar las impurezas antes de alimentar el agua cruda al dispositivo electrolítico de agua alcalina. Ahora se describirá una celda alcalina de combustible que colecta energía eléctrica y agua para ser alimentadas al dispositivo electrolítico de agua alcalina.
(2) Celda alcalina de combustible
Hasta ahora se han liberado al aire para ser descartados un gas hidrógeno y un gas oxígeno, generados por el dispositivo electrolítico de agua alcalina. Sin embargo, en la presente invención, los gases son enviados a la celda alcalina de combustible, y la energía eléctrica es colectada, enviada al dispositivo electrolítico de agua alcalina, y usada como una fuente de energía eléctrica para el dispositivo electrolítico de agua alcalina. La tasa de utilización del gas generado fue de aproximadamente 60 %.
La Fig. 3 ilustra una realización de la celda alcalina de combustible para uso en la presente invención. En la celda alcalina de combustible, se suministra una membrana 21 de intercambio aniónico (capa de electrolito) entre los separadores 20 y 20, se suministra una capa 22 de catalizador de electrodo positivo sobre el lado del electrodo de oxígeno de la membrana 21 de intercambio aniónico (capa de electrolito), y se suministra una capa 23 de difusión de gas en el exterior de la capa 22 de catalizador de electrodo positivo. Se suministra una capa 24 de catalizador de electrodo negativo en el lado del electrodo de combustible de la membrana 21 de intercambio aniónico (capa de electrolito), y se suministra una capa 25 de difusión de gas en el exterior de la capa 24 de catalizador de electrodo negativo.
Se impregna la membrana 21 de intercambio aniónico con una solución electrolítica formada de una solución acuosa alcalina con una concentración deseada. Para la solución electrolítica formada de una solución acuosa alcalina, se usa una solución electrolítica con una concentración casi igual a la de la solución electrolítica para ser usada en el dispositivo electrolítico de agua alcalina. La concentración de la solución acuosa alcalina de la solución electrolítica es preferiblemente elevada, específicamente 5 a 60 % en masa. El álcali para ser usado es preferiblemente KOH o NaOH.
El gas hidrógeno y el gas oxígeno generados por el dispositivo electrolítico de agua alcalina pasan a través de un tanque de amortiguación, antes de ser alimentados a la celda alcalina de combustible, de modo que el gas hidrógeno y el gas oxígeno son alimentados a la celda alcalina de combustible sin interrupción.
En la presente invención, la membrana de intercambio aniónico es impregnada con la solución electrolítica formada de una solución acuosa alcalina, el gas oxígeno generado por el dispositivo electrolítico de agua alcalina es luego alimentado dentro de la celda alcalina de combustible a través de un canal 26 suministrado sobre el lado de capa 22 de catalizador del electrodo positivo, y el gas hidrógeno generado por el dispositivo electrolítico de agua alcalina es alimentado a la celda alcalina de combustible a través de un canal 27 suministrado sobre el lado de capa de catalizador del electrodo negativo.
El gas oxígeno alimentado a la celda alcalina de combustible a través del canal 26 suministrado en el lado de capa 22 de catalizador de electrodo positivo pasa a través de la capa 23 de difusión de gas. El oxígeno reacciona con agua bajo la capa 22 de catalizador de electrodo positivo para generar iones hidroxilo (OH-), y los iones hidroxilo (OH-) se mueven al lado de capa de catalizador de electrodo negativo pasando a través de la membrana 21 de intercambio aniónico, y reacciona con el gas hidrógeno para generar agua.
Las fórmulas de reacción en la celda alcalina de combustible son como sigue.
Total 2 H2 O2 ^ 2 H2O
Electrodo de combustible (electrodo negativo) 2 H2 4OH— > 4 H2O 4e-Electrodo de oxígeno (electrodo positivo) O2 2 H2O 4e- ^ 4OH-Preferiblemente, los electrodos positivos y electrodos negativos de la celda alcalina de combustible y las 2a, 3a, ... y n-ésima celdas alcalinas de combustibles están hechos de un material de electrodo con un catalizador de platino o un catalizador de aleación de rutenio-platino, soportado sobre un vehículo de negro de humo.
Dado que se usa una celda alcalina de combustible como una celda de combustible, para la solución acuosa alcalina para ser usada en la celda de combustible, la solución acuosa alcalina usada para la solución electrolítica en el dispositivo electrolítico de agua alcalina puede ser usada también como una solución electrolítica en la celda de combustible.
Para el gas hidrógeno y el gas oxígeno que son usados en la celda alcalina de combustible para uso en la presente invención, pueden usarse hidrógeno y oxígeno puros que no contienen una sustancia carbonácea, de modo que la eficiencia mejora de modo extremo.
Cuando se usa aire como un oxidante, la solución electrolítica absorbe dióxido de carbono para ser degradado. Sin embargo, como en la presente invención, un gas oxígeno generado por electrólisis de agua alcalina es un gas oxígeno de alta pureza, de modo que no ocurre el problema de degradación de la solución electrolítica. Dado que el electrolito es una solución acuosa, el equipo no es costoso.
En contraste, por ejemplo, las celdas alcalinas de combustibles para automóvil que han sido desarrolladas y usadas previamente no pueden ser usadas eficientemente porque se usa el aire como un gas oxígeno, y así una solución electrolítica formada de una solución acuosa alcalina puede ser degradada por dióxido de carbono, etc. contenido en el aire cuando es circulada y usada.
Luego, como realización del sistema de tratamiento de agua para uso de acuerdo con la presente invención, se conectan en un modo de cascada los 2o, 3o, ... y n-ésimo dispositivos electrolíticos de agua alcalina y las 2a, 3a, ... y n-ésima celdas alcalinas de combustible a un dispositivo 1 electrolítico alcalino para agua y una celda 2 alcalina de combustible, respectivamente. Se alimenta una solución electrolítica tratada electrolíticamente mediante el dispositivo electrolítico de agua alcalina a por lo menos uno de los 2o, 3o, ... y n-ésimo dispositivos electrolíticos de agua alcalinas, y se ejecuta un tratamiento electrolítico de la misma manera que en el dispositivo 1 electrolítico alcalino para agua. Se alimentan un gas oxígeno y un gas hidrógeno generados a por lo menos una de las celdas 2 alcalinas de combustible y las 2a, 3a, ... y n-ésima celdas alcalinas de combustible. Se usa por lo menos una parte del gas oxígeno y del gas hidrógeno para generar energía eléctrica mediante por lo menos una de las celdas alcalinas de combustible y las 2a, 3a, ... y n-ésima celdas alcalinas de combustible, se recolecta la energía eléctrica y se genera agua. La energía eléctrica colectada es alimentada a por lo menos uno del dispositivo electrolítico de agua alcalina y los 2o, 3o, ... y n-ésimo dispositivos electrolíticos de agua alcalina, para continuar el tratamiento electrolítico. El agua generada en la generación de energía eléctrica por la celda alcalina de combustible y las 2a, 3a, ... y n-ésima celdas alcalinas de combustible, es usada como agua suplementaria para el agua cruda perdida a través del tratamiento electrolítico, mediante por lo menos uno del dispositivo electrolítico de agua alcalina y los 2o, 3o, ... y n-ésimo dispositivos electrolíticos de agua alcalina. El volumen del agua cruda sometido a reducción de volumen por el dispositivo electrolítico de agua alcalina es reducido adicionalmente por los 2o, 3o, ... y n-ésimo dispositivos electrolíticos de agua alcalina.
La Fig. 4 ilustra un ejemplo en el que los 2o, 3o, ... y n-ésimo dispositivos electrolíticos de agua alcalina y las 2a, 3a, ... y n-ésima celdas alcalinas de combustible están conectados en un modo de cascada al dispositivo 1 electrolítico alcalino para agua y a la celda 2 alcalina de combustible.
El agua contaminada es usada como agua cruda. Primero, el dispositivo electrolítico de agua alcalina es iniciado mediante energía eléctrica externa, y el gas hidrógeno y el gas oxígeno resultantes son enviados a la celda alcalina de combustible. La energía eléctrica y agua son colectadas por la celda alcalina de combustible. Se continúa la electrólisis usando la energía eléctrica obtenida. El agua obtenida es usada como agua suplementaria para el dispositivo electrolítico de agua alcalina, se continúa la electrólisis de agua alcalina, y se concentra el agua contaminada como agua cruda. Se envía el agua contaminada concentrada al segundo dispositivo electrolítico alcalino, el agua y energía eléctrica son colectadas por la segunda celda de combustible de la misma manera a la descrita anteriormente, y se continúa la segunda electrólisis.
Se continúa de la misma manera la electrólisis por el tercer y cuarto dispositivos electrolíticos de agua alcalina, de modo que se concentra adicionalmente el agua contaminada concentrada.
Pese a que la combinación del dispositivo electrolítico de agua alcalina y la celda alcalina de combustible puede ser cambiada de acuerdo con la cantidad de tratamiento, usualmente el tratamiento es hecho de manera adecuada en cuatro etapas, como se ilustra en la Fig. 4.
Pueden suministrarse una de la celda alcalina de combustible y las 2a, 3a, ... n-ésima celdas alcalinas de combustible para uno del dispositivo electrolítico de agua alcalina y las 2a, 3a, ... n-ésima celdas alcalinas de combustible, o pueden suministrarse para dos o más de los dispositivos electrolíticos de agua alcalina.
Además, el agua colectada de la celda alcalina de combustible y las 2a, 3a, ... n-ésima celdas alcalinas de combustible pueden ser suministradas para hacer reposición del agua perdida a través de la electrólisis en el dispositivo electrolítico de agua alcalina, o puede ser alimentada al agua cruda para ser concentrada.
Ejemplos
Ahora se describirán los ejemplos de la presente invención, pero la presente invención no está limitada a estos ejemplos.
<Ejemplo 1 de referencia>
Se usó un líquido simulado de agua cruda que contiene agua tritiada que no contiene impurezas (denominado en lo sucesivo también como un "líquido simulado"), un líquido simulado con los siguientes componentes. Líquido simulado: 180 litros.
Concentración inicial de tritio en líquido simulado: 4.2 * 106 Bq/l
Como se ilustra en la Fig. 2, se suministró un tanque 11 para almacenamiento de agua cruda que contenía 180 litros del líquido simulado. En esta prueba, se alimentó el líquido simulado desde el tanque 11 de almacenamiento de materia prima a un tanque 14 de circulación a través del baño 12 de tratamiento. Específicamente, se alimentaron 9.67 l/día del líquido simulado desde el tanque 11 de almacenamiento de materia prima al tanque 14 de circulación a través del baño 12 de tratamiento, mediante una bomba 18. En esta prueba, el líquido simulado fue alimentado continuamente en un dispositivo electrolítico de agua alcalina.
Mediante la bomba 18 se alimentan al tanque 14 de circulación, 9.60 l/día del líquido simulado, y también se alimenta solución acuosa alcalina. En el tanque 14 de circulación, se mezclan el líquido simulado y la solución acuosa alcalina, y se ajusta a una solución electrolítica que tiene una concentración de álcali de 20 % en masa. La electrólisis continua es ejecutada mientras se circulan 9.67 l/día de la solución electrolítica.
El volumen de la solución electrolítica en un baño 13 electrolítico de agua alcalina es 30 litros (dos celdas de 15 dm3 (cada una de 15 litros)), el volumen de la solución electrolítica en el tanque 14 de circulación, una tubería y así sucesivamente es de 12 litros. Así, el total de volumen de proceso electrolítico es 42 litros. Se alimentó la solución electrolítica obtenida mediante mezcla con el álcali en el tanque 14 de circulación y controlada a una concentración de álcali de 20 % en masa, a una cámara 15 de ánodo de un baño 13 electrolítico de agua alcalina a través de la tubería 19 de circulación de solución electrolítica mediante una bomba 18 de circulación, y se alimentó a una cámara 16 de cátodo del baño 13 electrolítico de agua alcalina a través de la tubería 19 de circulación de solución electrolítica mediante la bomba 18 de circulación. En la cámara 15 de ánodo, se generó un gas oxígeno, y se separaron uno de otro el gas oxígeno generado y la solución electrolítica. Se circuló la solución electrolítica separada al tanque 14 de circulación a través de la tubería 19 de circulación de solución electrolítica. Al mismo tiempo, en la cámara 16 de cátodo, se generó un gas hidrógeno, ocurrió la separación gas-líquido para separar uno de otro el gas hidrógeno generado y la solución electrolítica. Se circuló la solución electrolítica separada, al tanque 14 de circulación a través de la tubería 19 de circulación de solución electrolítica.
Como se describió anteriormente, en esta realización se sometió a electrólisis la solución electrolítica formada de líquido simulado (agua cruda) y solución acuosa alcalina mediante un método electrolítico de agua alcalina, como se ilustra en la Fig. 2, para descomponer el agua cruda en oxígeno e hidrógeno. El tritio existente como moléculas de agua en el agua cruda, fue fraccionado del agua cruda como moléculas de tritio. Mediante electrólisis se descompuso el agua únicamente en gases hidrógeno y oxígeno. Por ello, después del ajuste de la concentración inicial de álcali, se ejecutó la electrólisis mientras se alimentaba a la solución electrolítica circulada, una cantidad de agua cruda (líquido simulado) correspondiente al agua perdida a través de la electrólisis. Si fuese necesario, pueden alimentarse adicionalmente agua destilada o agua pura, aparte del agua cruda (líquido simulado), para mantener la concentración de álcali en una concentración inicial.
En este ejemplo, se realizó electrólisis alcalina continua en el dispositivo electrolítico de agua alcalina, bajo las siguientes condiciones.
Celda electrolítica: se usaron dos celdas de 15 dm3 (cada una de 15 l, total 30 l).
Densidad de corriente de operación: 40 A/dm2
Concentración de soda cáustica: NaOH, 20 % en masa. Membrana: diafragma.
Ánodo/cátodo: material base de Ni recubrimiento activo.
Circulación: sistema de circulación externa.
Sello de agua: sistema de sello de agua para controlar la presión de gas.
50 a 100 mm de H2O de presión de cátodo.
Volumen de solución electrolítica: 42 l (celda electrolítica: 30 l, tubería de circulación, etc.: 12 l).
La corriente electrolítica fue de 600 A (15 dm2 * 40 A/dm2) .
En el método electrolítico continuo, se alimenta continuamente al proceso como se describió anteriormente una cantidad de líquido simulado (agua cruda) correspondiente al agua descompuesta y perdida en la electrólisis, se mantienen siempre sin modificación los ambientes físicos de operación incluyendo la cantidad de líquido en el baño electrolítico y la cantidad de descarga de la bomba de circulación dentro del proceso. En el caso en que se alimentó continuamente líquido simulado (agua cruda), las operaciones fueron llevadas a cabo de manera que se mantenía la concentración de tritio en el proceso, a la concentración del líquido simulado, de modo que no aumentó la concentración en el baño electrolítico. Por ello, en esta condición continua de operación, el gas generado en la electrólisis es convertido a una relación que corresponde a la relación de concentración de agua liviana y agua tritiada.
La cantidad de circulación de líquido de la solución electrolítica en este momento era 42 litros, y así la cantidad de agua que contenía agua tritiada disminuyó de 180 l a 42 l en 15.2 días (365 horas).
El dispositivo electrolítico de agua alcalina inició la electrólisis por medio de una fuente operadora usual de energía eléctrica, al inicio de la electrólisis. Cuando la cantidad del gas oxígeno generada por la electrólisis alcanzó 1.044 litros y la cantidad del gas hidrógeno generado por la electrólisis alcanzó 2.088 litros, se alimentaron los gases a la celda alcalina de combustible ilustrada en la Fig. 3. En la celda alcalina de combustible, se impregna una membrana de intercambio aniónico que incluye un grupo amonio cuaternario, con la solución electrolítica formada de una solución acuosa alcalina con un 20 % en masa de NaOH, el gas oxígeno generado por el dispositivo electrolítico de agua alcalina es luego alimentado dentro de la celda alcalina de combustible a través de un canal 26 suministrado sobre el lado de capa 22 de catalizador de electrodo positivo, y el gas hidrógeno generado por el dispositivo electrolítico de agua alcalina es alimentado a la celda alcalina de combustible a través de un canal 27 suministrado sobre el lado de capa de catalizador de electrodo negativo.
El gas oxígeno alimentado a la celda alcalina de combustible a través del canal 26 suministrado sobre el lado de la capa 22 de catalizador de electrodo positivo pasa a través de la capa 23 de difusión de gas, y reacciona con agua bajo la capa 22 de catalizador de electrodo positivo para generar iones hidroxilo (OH-). Los iones hidroxilo (OH-) se mueven hacia el lado de la capa de catalizador de electrodo negativo pasando a través de la membrana 21 de intercambio aniónico, y reacciona con el gas hidrógeno para generar agua. El 60% del gas hidrógeno y el gas oxígeno enviados a la celda alcalina de combustible contribuyen a la reacción para obtener energía eléctrica y agua. El gas hidrógeno y gas oxígeno que no contribuyen a la reacción fueron liberados al exterior.
Las fórmulas de reacción en la celda alcalina de combustible son como sigue.
Total 2 H2 O2 ^ 2 H2O
Electrodo de combustible (electrodo negativo) 2 H2 4OH- ^ 4 H2O 4e-Electrodo de oxígeno (electrodo positivo) O2 2 H2O 4e- ^ 4OH-Como un material de electrodo positivo y un material de electrodo negativo, se usaron un material de electrodo con un catalizador de platino o un catalizador de aleación de rutenio-platino soportado sobre un vehículo de negro de humo.
La energía eléctrica obtenida fue enviada al dispositivo electrolítico de agua alcalina, y usada como una fuente de energía eléctrica de la misma. El agua fue enviada al dispositivo electrolítico de agua alcalina como agua suplementaria para el dispositivo electrolítico de agua alcalina.
Termodinámicamente, el 60% del gas introducido fue recuperado como energía eléctrica.
<Ejemplo 2 de referencia>
Excepto que el agua cruda usada en el Ejemplo 1 fue reemplazada por agua pura, se llevó a cabo exactamente el mismo procedimiento del Ejemplo 1 para obtener los mismos resultados que en el Ejemplo 1.
<Ejemplo 3>
Como se ilustra en la Fig. 4, se conectaron en un modo de cascada los 2o, 3o y 4o dispositivos electrolíticos de agua alcalina y las 2a y 3a celdas alcalinas de combustible al dispositivo 1 electrolítico alcalino para agua y la celda 2 alcalina de combustible, respectivamente.
Como agua cruda (agua contaminada) se usan 180 litros del agua simulada usada en el ejemplo 1 de referencia, y se usa la solución electrolítica (concentración de álcali de 20 % en masa) formada del agua contaminada y la solución acuosa alcalina. Primero, mediante energía eléctrica externa se inicia el dispositivo electrolítico de agua alcalina, y el gas hidrógeno y el gas oxígeno obtenidos mediante la electrólisis alcalina son enviados a la celda alcalina de combustible. Mediante la celda alcalina de combustible se colectan energía eléctrica y agua. Se continúa la electrólisis usando la energía eléctrica obtenida, el agua obtenida es usada como agua suplementaria para el dispositivo electrolítico de agua alcalina, se continúa la electrólisis de agua alcalina, y se concentra el agua contaminada. El agua contaminada concentrada es enviada al segundo dispositivo electrolítico alcalino. Mediante la segunda celda de combustible se colectan energía eléctrica y agua, de la misma manera que la descrita anteriormente, y se continúa la segunda electrólisis de agua alcalina.
Se continúa la electrólisis mediante el tercero y cuarto dispositivos electrolíticos de agua alcalina, de la misma manera de modo que se concentra adicionalmente el agua contaminada concentrada.
Como un resultado, mediante el tratamiento electrolítico que usa el dispositivo electrolítico de agua alcalina, en un tratamiento de una cascada se concentró en 3.2 veces el agua contaminada, y se concentró en no menos de 100 más que la concentración en el agua cruda ejecutando un tratamiento en cascada de cuarta etapa. El uso de la función de concentración de agua pesada y la energía eléctrica generada de la celda de combustible hizo posible concentrar agua contaminada y reducir considerablemente la energía de tratamiento.
Aplicabilidad industrial
De acuerdo con la presente invención, se combinan uno con otro un dispositivo electrolítico de agua alcalina y una celda alcalina de combustible (AFC), en la que se circulan cada uno de la energía eléctrica requerida en el dispositivo electrolítico de agua alcalina y la celda alcalina de combustible, un gas hidrógeno y un gas oxígeno que sirven como materias primas para la energía eléctrica, una solución electrolítica formada de la solución acuosa alcalina, y una cantidad de agua correspondiente al agua cruda perdida a través del tratamiento electrolítico, y se usan en el sistema de tratamiento de agua. De este modo, los componentes de materia prima y productos intermedios son usados todos efectivamente, de modo que el dispositivo electrolítico de agua alcalina y la celda alcalina de combustible pueden ser operados eficientemente. Así, pueden reducirse considerablemente los costes de energía eléctrica, y el gas oxígeno generado por la electrólisis de agua alcalina es un gas oxígeno de alta pureza, de modo que no ocurre el problema de degradación de la solución electrolítica. Dado que el electrolito es una solución acuosa, el equipo no es costoso y el sistema de tratamiento de agua puede ser aplicado a un amplio espectro de propósitos de uso.
Lista de signos de referencia
1: Dispositivo electrolítico de agua alcalina
2: Celda alcalina de combustible
3: Solución electrolítica
4: Agua cruda
5: Agua
6: Gas oxígeno
7: Gas hidrógeno
9: Energía eléctrica
10: Agua
11: Tanque de almacenamiento de agua cruda
12: Baño de tratamiento de agua cruda
: Baño electrolítico de agua alcalina
: Tanque de circulación
: Cámara de ánodo
: Cámara de cátodo
: Diafragma
: Bomba
: Tubería de circulación de solución electrolítica : Separador
: Membrana de intercambio aniónico
: Capa de catalizador de electrodo positivo : Capa de difusión de gas
: Capa de catalizador de electrodo negativo : Capa de difusión de gas
: Canal para gas oxígeno
: Canal para gas hidrógeno

Claims (9)

REIVINDICACIONES
1. Un uso de un sistema de tratamiento de agua que comprende un dispositivo electrolítico de agua alcalina y 2o, 3o, ... y n-ésimo dispositivos electrolíticos de agua alcalina y una celda alcalina de combustible y 2a, 3a, ... y n-ésima celdas alcalinas de combustible, para la disminución del volumen de un agua cruda, en el que
(1) están conectados uno con otro el dispositivo electrolítico de agua alcalina y la celda alcalina de combustible, (2) se alimentan al dispositivo electrolítico de agua alcalina una solución electrolítica obtenida mediante mezcla de agua cruda y una solución acuosa alcalina y ajuste de la mezcla a una concentración deseada, y una cantidad de agua correspondiente al agua perdida a través de un tratamiento electrolítico, y se ejecuta un tratamiento electrolítico continuo, mientras la concentración de álcali es mantenida en una concentración inicial y la solución electrolítica es circulada para disminuir el volumen del agua cruda, se genera un gas oxígeno de una cámara de ánodo del dispositivo electrolítico de agua alcalina, y se genera un gas hidrógeno de una cámara de cátodo del dispositivo electrolítico de agua alcalina,
(3) se alimentan a la celda alcalina de combustible la solución electrolítica formada de una solución acuosa alcalina ajustada a una concentración deseada, y un gas oxígeno y un gas hidrógeno generados por el dispositivo electrolítico de agua alcalina, se usa por lo menos una parte del gas oxígeno y gas hidrógeno para generar energía eléctrica mediante la celda alcalina de combustible, y se colectan la energía eléctrica y agua, y
(4) la energía eléctrica colectada es alimentada al dispositivo electrolítico de agua alcalina como una fuente de energía eléctrica de la misma, y se alimenta una parte o toda el agua colectada a una línea de circulación de la solución electrolítica en el dispositivo electrolítico de agua alcalina para continuar el tratamiento electrolítico, en el que se usan efectivamente la mayoría o una parte de cada uno de energía eléctrica requerida en el dispositivo electrolítico de agua alcalina y la celda alcalina de combustible, un gas hidrógeno y un gas oxígeno que sirven como materias primas para la energía eléctrica, y una cantidad de agua correspondiente al agua perdida a través del tratamiento electrolítico, mientras son usados de manera eficiente en circulación en el sistema de tratamiento de agua, y
en el que los 2o, 3o, ... y n-ésimo dispositivos electrolíticos de agua alcalina y las 2a, 3a, ... y n-ésima celdas alcalinas de combustible están conectados en un modo cascada al dispositivo electrolítico de agua alcalina y a la celda alcalina de combustible,
una solución electrolítica tratada electrolíticamente y concentrada por el dispositivo electrolítico de agua alcalina es alimentada secuencialmente a los 2o, 3o, ... y n-ésimo dispositivos electrolíticos de agua alcalina,
se ejecuta un tratamiento electrolítico de la misma manera que en el dispositivo electrolítico de agua alcalina, se alimentan un gas oxígeno y un gas hidrógeno generados, a por lo menos uno de la celda alcalina de combustible y las 2a, 3a, ... y n-ésima celdas alcalinas de combustible,
se usa por lo menos una parte del gas oxígeno y gas hidrógeno para generar energía eléctrica mediante por lo menos uno de la celda alcalina de combustible y las 2a, 3a, ... y n-ésima celdas alcalinas de combustible, se colecta energía eléctrica, se genera agua, se alimenta la energía eléctrica colectada a por lo menos uno del dispositivo electrolítico de agua alcalina y a los 2o, 3o, ... y n-ésimo dispositivos electrolíticos de agua alcalina para continuar el tratamiento electrolítico, se descarta el agua generada en la generación de energía eléctrica mediante por lo menos una de la celda alcalina de combustible y las 2a, 3a, ... y n-ésima celdas alcalinas de combustible, o es alimentada a una línea de circulación de la solución electrolítica en por lo menos uno del dispositivo electrolítico de agua alcalina y los 2o, 3o, ... y n-ésimo dispositivos electrolíticos de agua alcalina, y el volumen del agua cruda sometido a reducción de volumen mediante el dispositivo electrolítico de agua alcalina es disminuido adicionalmente mediante los 2o, 3o, ... y n-ésimo dispositivos electrolíticos de agua alcalina.
2. El uso de acuerdo con la reivindicación 1, en el que se usa agua pura como el agua cruda.
3. El uso de acuerdo con la reivindicación 1, en el que se usa agua cruda que contiene agua tritiada como el agua cruda.
4. El uso de acuerdo con la reivindicación 1, en el que se usa agua cruda que contiene agua tritiada que contiene una cantidad de impurezas incluyendo iones cloruro, como el agua cruda.
5. El uso de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el dispositivo electrolítico de agua alcalina y los 2o, 3o, ... y nésimo dispositivos electrolíticos de agua alcalina son dispositivos electrolíticos de agua alcalina de tipo diafragma, en el que cada uno incluye: un ánodo y un cátodo compuesto cada uno de un electrodo formado de un material base de Ni o hierro, o un electrodo obtenido al someter la superficie del material base a recubrimiento de níquel Raney, recubrimiento con dispersión a base de Ni o recubrimiento pirolítico a base de metal noble; y un diafragma.
6. El uso de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la celda alcalina de combustible y las 2a, 3a, ... y n-ésima celdas alcalinas de combustibles son celdas de combustible de tipo membrana alcalina que incluyen cada una: un electrodo positivo y un electrodo negativo formado cada uno de un material de electrodo con un catalizador de platino o un catalizador de aleación de rutenio-platino, soportado sobre un vehículo de negro de humo; y una membrana de intercambio aniónico.
7. El uso de acuerdo con la reivindicación 1, en el que cuando como el agua cruda se usa agua cruda que contiene agua tritiada que contiene una gran cantidad de impurezas incluyendo iones cloruro, se suministra un proceso de destilación para retirar las impurezas, como un proceso previo de un proceso electrolítico de agua alcalina por el dispositivo electrolítico de agua alcalina, en el que el agua cruda que contiene grandes cantidades de impurezas incluyendo iones cloruro es suministrada al proceso de destilación para retirar como una pasta de sal las impurezas, y se suministra el agua cruda que contiene agua tritiada después del retiro de las impurezas, al dispositivo electrolítico de agua alcalina.
8. El uso de acuerdo con la reivindicación 7, en el que en el proceso de destilación, se concentra la pasta de sal, y es separada y colectada como un sólido.
9. El uso de acuerdo con la reivindicación 1, en el que se usa 5 a 60 % en masa de solución acuosa alcalina como la solución electrolítica formada de una solución acuosa alcalina, que es usada para el tratamiento electrolítico por el dispositivo electrolítico de agua alcalina y los 2o, 3o, ... y n-ésimo dispositivos electrolíticos de agua alcalina y usada en la celda alcalina de combustible y las 2a, 3a, ... y n-ésima celdas alcalinas de combustible.
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