Спосіб фракціонування ізотопів водню у водних розчинах електролітів

Реферат: Спосіб фракціонування ізотопів водню у водних розчинах електролітів включає застосування електродіалізу для розділення ізотопів. UA 104575 U (12) UA 104575 U UA 104575 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Корисна модель належить до галузі технологій розділення важких ізотопів водню для вирішення технологічних та екологічних проблем ядерної енергетики. За нашою оцінкою сучасний вміст техногенно утвореного тритію у біосфері понад 20 разів перевищує його природний вміст та має стійкий тренд до збільшення унаслідок розвитку ядерної енергетики [1]. Утворення тритію у сучасних ядерних реакторах переважно відбувається внаслідок низки ядерно-фізичних процесів, серед яких визначальними є наступні: у легководних реакторах - потрійний поділ ядер атомів палива; у важководних реакторах - поряд з процесом потрійного поділу, більша частина тритію утворюється унаслідок нейтронної активації дейтерію, що міститься у воді теплоносія/сповільнювача - важкої води. Технологічно проблема очищення від тритію рідких скидів АЕС, стоків заводів з перероблення відпрацьованого ядерного палива, наразі лишається невирішеною. Для очищення невеликих об'ємів високоактивних технологічних вод від тритію на АЕС використовують спосіб ізотопного обміну в системі "водень-вода" [Патенти RU 2380144, РФ № 2060801]. При цьому досягається значний ізотопний ефект, проте дані технології потребують значних енергетичних затрат для переведення тритійованої води (НТО) в паро-газовий стан [РФ № 2295493]. Забруднення теплоносія/сповільнювача (важкої води) важководних реакторів тритієм веде до необхідності його заміни зі затратами до 50 млн. доларів США на рік. Існуючі технології розділення дейтерію і тритію у теплоносії (сповільнювачі) важководних реакторів, які ґрунтуються на кріоректифікації [2], обміну ізотопів водню між рідкою водою та газоподібним воднем на каталізаторі [патент РФ № 2148426], також є енергозатратними. Наразі існує низка способів розділення і фракціонування ізотопів водню деякі з них мають технологічне застосування. Спосіб ректифікації води, в основі якого лежить неоднакова леткість Н 2О, HDO, DTO та НТО внаслідок різниці температур їх кипіння [Патенти RU 2201283, RU 2274607, RU 2400433, США 4799945, РФ 2142914]. У процесі ректифікації парова фаза збагачується більш леткою Н2О, а рідка фаза - менш леткою важкою формою водню, що обумовлює концентрування дейтерію та тритію в кубовому залишку ректифікаційної колони. Головний недолік способу - низька ефективність фракціонування. Коефіцієнт розділення ізотопів складає приблизно 1,1 [Патенти UA 57558, RU 2010772, RU 2091336]. Способи, що поєднують ректифікацію з термодифузним хімічним ізотопним обміном води та леткої речовини: аміак, алкіламіни, сірководень, меркаптани тощо. Спосіб розділення Н2О, HDO, DTO та НТО шляхом електролізу водних розчинів лужних електролітів. При цьому більш легкий протій відновлюється на катоді та відділяється у газоподібному стані, а більш важкий дейтерій або тритій накопичується в електроліті. В залежності від матеріалу катоду, його поверхні, а також складу електроліту та сили струму коефіцієнт фракціонування ізотопів водню може досягали 10. При застосуванні каскадної схеми електролізу можна досягнути будь-якої концентрації дейтерію або тритію в електролізному залишку. Головний недолік цього методу - велика енергоємність та вибухонебезпечність процесу [3]. Розроблений також парогазовий метод, де проходить ізотопний обмін між парою тритієвої води і газоподібним протієм у присутності каталізаторів [патенти RU 2380144, РФ № 2060801, РФ № 2525423, RU 2148426]. Як каталізатор використовують переважно паладій або платину. При застосуванні більш дешевого каталізатора на основі нікелю та його сплавів виникає необхідність збільшення тиску реакції для прискорення процесу обмінної взаємодії в системі водень - водяний пар. За рахунок ізотопного обміну утворюється легка протієва вода та водень, в якому акумулюється тритій. Отриманий, таким чином важкий водень, використовують для подальшого розділення ізотопів. В основу корисної моделі поставлена задача розроблення енергетично ефективного способу розділення ізотопів водню у розчинах тритійованої протієвої і дейтерієвої води. Електродіаліз НТО і DTO В основу способу розділення ізотопів водню покладено принцип дисоціації молекул води: 55 H2 O + H + OH (1) Під впливом прикладеного електричного поля відбувається міграція іонів, що утворилися, до електродів та їх концентрування в анодному і катодному просторі електродіалізатора. Відомо, 1 UA 104575 U що важкі ізотопи водню утворюють міцніший ковалентний зв'язок з киснем в порівнянні з протієм [4]. Тому процес дисоціації молекул Н2О, які містять змішані ізотопи водню повинен відбуватися з переважним накопиченням легкого ізотопу в катіонній, важкого - в аніонній формі: (2) (3) + HTO H + OT DTO D 5 10 15 20 + + OT При дисоціації молекул води за схемами (2) і (3) відбувається зменшення концентрації тритію в катодному просторі електродіалізної комірки та збільшення - в анодному, а також середньому (нейтральному). Приклад Для розділення ізотопів водню застосовували трикамерний електродіалізатор (фіг. 1), в якому катодна (+), анодна (-) і нейтральна (центральна) камери розділені ультрафільтраційними політетрафторетиленовими (PTFE) мембранами з діаметром пор 0,45 мкм. На 1 л розчину тритійованої води (дейтерієвої і протієвої) вносили 2,5 г безводного сульфату натрію (Na 2SO4) для одержання 0,25 % розчину електроліту. Розчини тритійованої води приміщували у всі три камери електродіалізатора таким чином, щоб рівні рідкої фази у камерах були однаковими. Електродіаліз проводили протягом 60 хвилин за напруги між електродами 4±0,1 В, та сили струму не більшою 0,01 А. Після електродіалізу визначали вміст тритію у катодній, анодній і середній (нейтральній) камерах рідинно-сцинтиляційним методом. Накопичення надважкого ізотопу в розчині протієвої води (НТО) відбувається в аноліті та нейтральній камері (фіг 2а), ступінь фракціонування (α) сягає 1,19 (табл.) У розчині дейтерієвої води (DTO) тритій накопичується у нейтральній камері діалізатора (фіг. 2б), ступінь фракціонування досягає 1,25 (табл.) Збільшення ступеня фракціонування здійснюється шляхом застосування каскадної системи електродіалізу. Таблиця Співвідношення вмісту тритію у камерах після завершення електродіалізу Тип води НТО DTO Католіт (К)Бк 111 140 Аноліт (А)Бк 128 174 Нейтральна (Ν)Βκ 132 153 α 1,19 1,25 25 30 35 40 45 Корисна модель дає змогу вирішити завдання фракціонування ізотопів водню у розчинах протієвої і дейтерієвої води шляхом використання енергозберігаючих та безпечних процесів для розбавлених водних електролітів у порівнянні з електролізом. Енергетична ефективність електродіалізного фракціонування тритію порівняно з відомим електролізним методом, у якому витрата електроенергії становить 4,94 Втгод. на 1 г. води, становить 1111,5 разів. Корисна модель містить принципово новий енергоощадний спосіб розділення ізотопів водню у водних розчинах, який полягає у використанні електродіалізу для технологічного процесу фракціонування ізотопів водню. Корисна модель може мати застосування в ядерній енергетиці при очищенні та переробці рідких радіоактивних відходів, що містять дейтерій і тритій з метою розділення а також концентрування важких ізотопів водню. Спосіб електродіалітичного фракціонування може застосовуватися для утилізації сполук, мічених ізотопами дейтерію і тритію, після їх окисної деструкції та переведення у водну форму. Джерела інформації: 1. Тритій у біосфері / за ред. Е.В. Соботовича, В.В. Доліна. - К.: Наук, думка, 2012.-224 с. 2. Алексеев И.А., Коноплев К.А., Тренин В.Д. Установка изотопной очистки (История, современное состояние и перспективы) // ПИЯФ.-1996. - Т. XXV. - С. 150-157. 3. Прикладная электрохимия/ под. ред. проф. А.П. Томилова. - 3-е изд., перераб. - М.: Химия, 1984. 520 с, ил. 4. Белл Р. Протон в химии- Изд-во: Мир М. 1977 384с. 2 UA 104575 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 1. Спосіб фракціонування ізотопів водню у водних розчинах електролітів, який відрізняється тим, що для розділення ізотопів застосовують електродіаліз, який порівняно з існуючими аналогами є енергоефективний та вибухобезпечний. 2. Спосіб розділення тритію і протію за п. 1, який відрізняється тим, що тритій накопичується в аноліті, а протій - в католіті. 3. Спосіб розділення тритію і дейтерію за п. 1, який відрізняється тим, що тритій накопичується в нейтральній камері, а дейтерій - в католіті. Комп’ютерна верстка М. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3