水同位素分离系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种水同位素分离系统，其特征在于：电解-复合单元通过液体泵与贮水槽相连，液体泵可将纯净水从贮水槽输送到电解-复合单元，电解-复合单元阳极出口由单向阀与分离柱连接，分离柱上出口与热交换器相连，分离柱上出口经热交换器与气液分离器连接，气液分离器通过管路与贮水槽相连，电解-复合单元的气体泵通过管路分别与氢氧燃烧-水回收器和复合电池连接，电解-复合单元通过管路经热交换器低氘水贮水槽相连。其结合水电解、氢氧复合及精馏装置为一体，将去离子水电解、再将氢氧进行复合，同时利用分离柱将高氘水部分分离；实现低氘水与高氘水的连续分离，能耗大幅降低，整个系统的结构也较其它电解与交换系统更为简化。
【专利说明】水同位素分离系统
【技术领域】
[0001]本实用新型是一种水同位素分离系统，涉及水的电解、氢氧的复合、以及水中氢同位素在分离柱中不同温度场中的分配，属于同位素的物理化学分离领域。
【背景技术】
[0002]轻水和重水的分离归根到底是氢同位素的分离，而其中主要是氕和氘的分离。早在1968年美国专利3411884就采用了一种双温硫化氢法来分离氢同位素，它是将水与硫化氢在催化剂作用下进行对流，利用氢同位素在汽相和液相之间的分配比随温度的变化而变化，来实现含氘水化物在液相中的富集，达到分离的效果。1977年的美国专利04035475对这种技术进行了扩充，提高了一定的能效，该技术到今天还在广泛利用。
[0003]电解法是目前国际上分离氕氘氚最为有效的方法之一，主要有碱性电解槽和固体聚合物电解质(SPE)电解槽。人们对碱性电解槽分离氢同位素进行了较多的研究[Matsushima H,Nohira T, ItoY.Electrochim Acta[J], 2004,49 (24): 4 181]。1980年美国专利04225402提出了一种复合电解-催化交换工艺来提取重水，它是将水与电解和非电解产生的氢气进行交换，将氢气中的氘富集在液相水中，再将该水进行电解产生氢气，多级循环电解与交换，得以浓缩重水。
[0004]SPE水电解技术采用质子交换膜替代传统的碱性水电解质和石棉隔膜，其电解槽较传统的碱性电解槽具有体积更小、电流密度与电解效率更高、气体纯度更高、使用寿命更长、系统工艺也更简单等优点，从而在现代电解装置中得到了越来越多的应用[CristescuI, Cristescu 1-R, D.L, GluglaM, Murdoch D, Welte S.Fus1n Eng andDesign[J]，2006,81(1-7): 839] ο
[0005]除了采用化学的方法富集氘外，在浓缩重水方面，还有一些物理的方法，例如美国专利5084181就采用了一种半透疏水膜扩散法，根据轻水和重水在膜中扩散系数的差异，在一定温度和压力下，让轻水透过半透膜，而重水的扩散速度较慢，透过的量少，这样就一定程度浓缩了重水。其它还可以利用轻水和重水的比重差异、热焓差异等来分离重水。
[0006]总的来说，轻水和重水的分离，或者主要是氕和氘的分离，就是利用它们之间的物理化学性质的差异，主要是动力学方面的差异，在适当的条件下实现的。但当前所有工艺，均存在成本高，分离系数小等问题，因此这些技术均在不断的改进中。迄今为止，也难以见到高效的技术来直接从普通的纯净水或去离子水中获得低氘水或称超轻水，并得到另一副产物，即较高浓度的含氘水。
[0007]在低氘水应用方面，现在已形成了一些专利，如低氘水豆奶(中国专利CN101589787A),低氘饼干(中国专利CN101589732A)，低氘洗发水(CN101589998A)，低氘水酒(CN101348757A)等。这是由于低氘水的特殊功效决定的，根据广泛深入的研究结果表明，水中不论氘的含量多少，对生命体都是有毒的，氘损伤DNA、修复酶乃至整个身体，高含量的氘对人体的遗传、代谢和酶系等有不良影响。而且生命机体对氘没有任何抵御能力，一旦进入生命体内就很难代谢出去。低氘水(或称“超轻水”)对生物体新陈代谢、细胞繁衍有积极作用，有益健康和长寿，因此也被称为“生命圣水”。由本实用新型制备得到的低氘水，可以应用在酒、饮料、化妆品、医用生理盐水等领域，对生命的维护有着重要的作用。
【发明内容】
[0008]本实用新型的目的在于提供一种水同位素分离系统，其结合水电解、氢氧复合及精馏装置为一体，采用电解-复合单元、分离柱等装置，将去离子水电解、再将氢氧进行复合，同时利用分离柱将高氘水部分分离；实现低氘水与高氘水的连续分离，由于充分利用了氢氧复合产生的电能及热能，同时也将余热进行发电，因此整体的能耗大幅降低，整个系统的结构也较其它电解与交换系统更为简化。
[0009]本实用新型的技术方案是这样实现的:水同位素分离系统，由分离柱、热交换器、气液分离器、电解-复合单元、高氘水贮水槽、补充水、低氘水贮水槽、贮水槽、计算机控制系统、余热发电机、液体泵、单向阀、电解电源、开关阀组成；其中电解-复合单元包含电解器、复合电池或氢氧燃烧-水回收器、气液分离器、气体泵，其特征在于:电解-复合单元通过液体泵与贮水槽相连，液体泵可将纯净水从贮水槽输送到电解-复合单元，电解电源与电解-复合单元电连接；电解-复合单元阳极出口由单向阀与分离柱连接，分离柱下出口与闻氣水忙槽连接，分尚柱上出口与热交换器相连，分尚柱上出口经热交换器与气液分尚器连接，气液分离器通过管路与贮水槽相连，电解-复合单元的气体泵通过管路分别与氢氧燃烧-水回收器和复合电池连接，电解-复合单元的气体泵输送气体到电解-复合单元的氢氧燃烧-水回收器或者复合电池，电解-复合单元通过管路经热交换器低氘水贮水槽相连。
[0010]本实用新型的积极效果是充分利用了氢同位素氕和氘之间的物理与化学性质方面的差异，在电解与复合过程中，由于氕同位素的重量只有氘的一半，所以在动力学上氕比氘具有更高的活性。当电解体系中采用的离子交换膜是质子交换膜时，在阳极催化剂表面，氕同位素水优先被电解，氕质子通过质子交换膜到达阴极。另外，氕在膜中移动速度也远大于氘的速度，同时到达阳极后，氕也能比氘更容易还原，总体的效果就是氘同位素水多被留在阳极，相对其初始比例更多的氕被电解还原，这就是所谓的同位素效应。电解后到达阴极的氢再与氧发生电化学反应生成目标水，即低氘水，其间产生的电能则被加以利用，也可直接将氢与氧在燃烧器进行燃烧复合得到低氘水，将燃烧热加以利用。当电解体系是碱性离子膜电极时，则水在阴极被分解，放出氢气，氢氧离子通过膜到达阳极，放出氧气，氢和氧再复合得到低氘水。本实用新型将电解、复合及精馏装置联合一起，做成水同位素分离子系统，在这样的子系统中，输入与输出均为水，只是输出的水具有较低的氘含量，另外，由于能够将氢氧复合产生的能量加以利用，所以整个过程所消耗的能量较简单的电解过程少了接近一半，从而生产成本大为下降。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为氕氘水同位素分离子系统，图中:分离柱1、热交换器2、气液分离器3、电解-复合单元4、高氘水贮水槽5、补充水6、低氘水贮水槽7、贮水槽8、计算机控制系统9、余热发电机10、液体泵11、单向阀12、电解电源13、开关阀14。
[0012]图2为多个氕氘水同位素分离子系统串联成一个较大系统示意图，其中中间子系统A为第一级子系统,其中贮水槽8用于装初始纯净水,7为该子系统低氘水贮水槽,5为该子系统高氘水贮水槽;A2为第二级子系统，其贮水槽8用于接收子系统A中低氘水贮水槽7输送过来的低氘水,子系统A2得到的更低浓度的低氘水贮于A2中的低氘水贮水槽7，而较高氘浓度的水可以返回到子系统A中贮水槽8 ;按同样方法可以在A2后再联接A3、A4等子系统，从而得到越来越低浓度的低氘水；A-2也为第二级子系统，只是其贮水槽8与A的高氘水贮水槽5相联接，A-2运行后，在其高氘水贮水槽5中得到的水的氘含量比A中高氘水贮水槽5的浓度更高，当在A-2后再按同样方法装配子系统时，可以得到更高浓度的高氘水。
【具体实施方式】
[0013]下面结合附图对本实用新型做进一步的描述:如图1所示，水同位素分离系统，由分离柱1、热交换器2、气液分离器3、电解-复合单元4、高氘水贮水槽5、补充水6、低氘水贮水槽7、贮水槽8、计算机控制系统9、余热发电机10、液体泵11、单向阀12、电解电源13、开关阀14组成；其中电解-复合单元4包含电解器4-1、复合电池4-2、氢氧燃烧-水回收器4-3、气液分离器4-4、气体泵4-5，其特征在于:电解-复合单元4通过液体泵11与贮水槽8相连，液体泵11可将纯净水从贮水槽8输送到电解-复合单元4，电解电源13与电解-复合单元4电连接；电解-复合单元4阳极出口由单向阀12与分离柱I连接，分离柱I下出口与闻氣水忙槽5连接,分尚柱I上出口与热交换器3相连,分尚柱I上出口经热交换器2与气液分离器3连接，气液分离器3通过管路与贮水槽8相连，电解-复合单元4的气体泵4-5通过管路分别与氢氧燃烧-水回收器4-3或复合电池4-2连接，电解-复合单元4的气体泵4-5输送气体到电解-复合单元的氢氧燃烧-水回收器4-3或者复合电池4-2，电解-复合单元4通过管路经热交换器3与低氘水贮水槽7相连。
[0014]从分离柱I上出口输送到该热交换器2的气体和氘含量较低的水经冷却后输送到与热交换器2另一端相连的气液分离器3进行气液分离，其液体部分返回贮水槽8，而气体部分则通过电解-复合单元4的气体泵4-5输送到电解-复合单元4的氢氧燃烧-水回收器4-3或者复合电池4-2，与氢进行反应生成低氘水；电解-复合单元生成的低氘水通过与之相连的热交换器2进行热交换后进入一气液分离器4-4进行气液分离，分离后的液体部分即低氘水输送到与之相连的低氘水贮水槽7。
[0015]在系统运行过程中，由液体泵11将去离子水从贮水槽8注入电解-复合单元4，进行电解，并将生成的氢与氧复合生成低氘含量的水，即低氘水，也称超轻水。电解产生的氧气与余水进入分离柱1，氧气与氘含量较低的水由分离柱I上出口流出，进入热交换器2，冷却后的水再返回贮水槽8，循环进入电解-复合单元4，而氧气则通过另一通道进入电解-复合单元4，与氢进行复合，得到低氘水，也称超轻水；另一部分高氘含量的水经分离柱I下出口流出，从而实现低氘水与高氘水的分离。当系统由多个类似的水同位素分离系统组合使用时，各水同位素分离系统可以共用一个计算机控制系统9、余热发电机和电解电源13，进行集约式管理。
[0016]图1中的电解-复合单元4可将输送进来的水进行电解，并将生成的氢与氧进行复合获得低氘含量的水，该电解-复合单元4包含电解器4-1、复合电池4-2或氢氧燃烧-水回收器4-3、气液分离器4-4、气体泵4-5，电解器、复合电池包含有由离子交换膜，阴、阳催化电极组成的膜电极和为膜电极输送水和气体并传输电子的流场板。
[0017]图1中的贮水槽8用于存放分离前后的去离子水，它可以是陶瓷、不锈钢或塑料制造，可以具有各种形式和大小，最基本的要求是不污染输入和生产出来的水。
[0018]图1中的分离柱I将从电解-复合单元4中出来的未被电解的水再次分离，其中氘含量较低的水以液体和/或汽体形式与氧气一起从分离柱I上出口放出，经热交换器2冷却后液体部分再返回贮水槽8，气体部分通过另一通道进入电解-复合单元4，与氢进行反应复合，得到低氘水；另一部分氘含量较高的水从分离柱I下出口流出，进入高氘水贮水槽5。分离柱I内部各处的温度不同，柱中含有固体和/或液体催化剂，可进行氕、氘同位素的交换，分离柱I外壳可以由陶瓷、不锈钢或塑料制造。
[0019]图1中的气液分离器3用于将气体与液体分离。
[0020]图1中的余热发电机10用于将生产过程中产生的余热进行发电，以减少产品的单位能耗。
[0021]如图1所示，将去离子水由液体泵11从贮水槽8输入到电解-复合单元4，同时将氧气由气体泵4-5输入到电解-复合单元4，进行电解与复合。电解时阳极未被电解的水与生成的氧气一起通过单向阀12进入分离柱I。进入分离柱I的水在分离柱中催化剂的作用下，将在分离柱I中不同的温度场中发生同位素的分离，其中氘含量较高的水和氧18含量高的水由分离柱I下出口输出到高氘水贮水槽5，而氘含量较低的水和氧16含量较高的水上升，从分离柱I上出口输出到热交换器2，冷却后进入气液分离器3，分离后的液体水返回贮水槽8，再次由液体泵11输入到电解-复合单元4，实现液体的循环；分离后的氧气与补充进来的氧一起由气体泵4-5输送到电解-复合单元4，与氢进行复合得到低氘水，实现气体的循环。由氢氧复合生成的水则输出到低氘水贮水槽7，进入下一道工艺。在生产过程中，由计算机控制中心9监测控制系统的运行状态，而系统产生的热量将由余热发电机10进行发电。若设初始水的氘含量为150ppm，则在一次这样的分离后，在低氘水贮水槽7中的液体水的氘含量将达到10ppm以下，好的催化分离能力可将氘含量下降到50ppm以下，更好的分离能力可将氘含量下降到30ppm以下；同时，在高氘水贮水槽5中得到的水的氘含量将增加到200ppm以上，好的催化分离能力可将氘含量提高到400ppm以上，更好的分离能力可将氣含量提高到600ppm以上。
[0022]将多个水同位素分离系统进行串联，如图2所示，下一级水同位素分离系统的贮水槽8入口接上一级水同位素分离系统的高氘水贮水槽5，这样可以实现氘的富集，每次富集的倍率为2?10倍。经过6?12次富集后，氘水或称重水的含量将达60%以上。
[0023]也可以将多个水同位素分离系统进行串联，如图2所示，下一级水同位素分离系统的贮水槽8入口接上一级水同位素分离系统的低氘水贮水槽7，这样可以实现低氘水的更进一步纯化，每次纯化的倍率为1.5到5倍。经过2飞次纯化后，其水中的氘含量可降低到1ppm以下。
[0024]在系统运行过程中，为了保持稳定，需要对各部件的温度、压力、液位、电压和电流等进行监测和控制，当出现异常时，能及时的报警、切断运行、保护系统。这样就需引入相关的设备，如电脑控制系统，当采用合适的控制软件并配置恰当的硬件时，可以对整个系统的运行进行可视化操作。
[0025]当低氘水生产出来后，可以与粮食酒进行勾兑酿造，制得低氘水酒，如专利低氘水酒(CN101348757A)中所描述的，该酒的氘氧化物含量低于125ppm ;也可以按照葡萄酒酿造工艺酿造葡萄酒，制得低氘水葡萄酒，该酒的氘氧化物含量低于120ppm ;也可将低氘水与各种精油进行混合，制得不同香型的低氘水化妆品，该化妆品的氘氧化物含量低于120ppm，精油含量大于lppm，小于99.5% ;或者将此低氘水按照医用生理盐水的制造工艺制得低氘水生理盐水，所得生理盐水的氘氧化物含量低于120ppm ;还可将此低氘水按照饮料生产工艺与各种水果配合制作相应的饮料，该饮料的氘氧化物含量低于120ppm。总的来说，当今所有涉及到水的产品，如各种饮料、护肤品、化妆品、膏药、医用注射剂、普通的饮用水、酒等等，均可用低氘水替代，替代后的产品均能产生对人体更有益的效果。
【权利要求】
1.水同位素分离系统，由分离柱、热交换器、气液分离器、电解-复合单元、高氘水贮水槽、补充水、低氘水贮水槽、贮水槽、计算机控制系统、余热发电机、液体泵、单向阀、电解电源、开关阀组成；其中电解-复合单元包含电解器、复合电池或氢氧燃烧-水回收器、气液分离器、气体泵，其特征在于:电解-复合单元通过液体泵与贮水槽相连，液体泵可将纯净水从贮水槽输送到电解-复合单元，电解电源与电解-复合单元电连接；电解-复合单元阳极出口由单向阀与分尚柱连接，分尚柱下出口与闻氣水忙槽连接，分尚柱上出口与热交换器相连，分离柱上出口经热交换器与气液分离器连接，气液分离器通过管路与贮水槽相连，电解-复合单元的气体泵通过管路分别与氢氧燃烧-水回收器和复合电池连接，电解-复合单元的气体泵输送气体到电解-复合单元的氢氧燃烧-水回收器或者复合电池，电解-复合单元通过管路经热交换器低氘水贮水槽相连。
【文档编号】B01D59/50GK204170624SQ201420619838
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年10月24日 优先权日:2014年10月24日
【发明者】廖建辉, 廖文加 申请人:长春陶莱科技有限公司