CN102162106B - 一种有效提取重水的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种有效提取重水的方法，重水在核领域及能源领域有着很大的用途.通常提取方法需要极大的能耗.本发明巧妙地利用氢氧燃料电池和电解槽，这二个互补能量转换器的不同作用，从而，将提取重水的能耗降到很低。这样就实现了低耗，有效地提取重水的目标。

Description

一种有效提取重水的方法

本发明是关于从原水中有效提取重水的一种方法，重水在核领域及能源领域有着很大的用途。但是，通常如采用电解法来提取重水，它具有分离效率高的优点，但是其致命的缺点也是无法克服的，需要耗费极大的能量，如何降低能耗，是一项非常迫切的任务。所以，人们不得不去寻求其他的能耗低的提取方法。相继发明了几种化学交换法，能耗是降低了，但是伴随的设备庞大，工况条件苛刻，投资巨大，效率低下等缺陷。本发明通过创新，将电解法的宝贵优点保留，改进它致命的缺点，将耗电大大降低。

本发明利用重水(D₂O)不易电解的特性(相对于轻水H₂O)，在电解过程中，氢离子在阴极上，优先电解，被还原成氢气，氢氧根离子在阳极上，被氧化成氧气。在电解槽中进行的电解反应为：(0.00028D₂O+2H₂O)(原水)＝0.00028D₂O(重水)+2H₂↑+O₂↑；随着电解过程持续进行，其浓度不断增大，从而，达到从原水中浓缩和分离重水的目的。持续进行有二种的方式，一种是指对时间的持续进行，数学表达式为dC/dt＝f(t)。还有一种是指对空间(距离)的持续进行，数学表达式为dC/ds＝k，式中C为重水浓度，t为时间，s为距离，k为常数。前者是间歇式操作，后者是连续式操作。而电解过程中氢气H₂和氧气O₂从产生直至在燃料电池电极反应生成轻水H₂O，在整个过程中自始至终，应该绝缘，不应有丝毫接触。为了发挥电解槽的浓缩重水的主要功能，电解过程持续进行是必不可少的。另外，为了将电解槽能与氢氧燃料电池组合长时间稳定配合使用，又要能发挥电解槽的浓缩重水的主要功能，那么，电解过程稳定地进行也是必不可少的。本发明申请描述的一个持续而稳定的过程，这就有别于其他类似的过程。这就是最明显的不同。所以，本发明申请的电解槽的工况就选用，对空间(距离)的持续进行，这种方式是连续式操作。这样才能达到持续而稳定的过程。原水中的重水浓度，从原水进口至重水出口，流经足够长的电解区而逐渐增大。电解槽中的水流方向也不能随意改变，否则，重水浓度的分布就会混乱，严重影响电解槽的主要功能。

本发明利用电解槽是电能转换成化学能的装置，而氢氧燃料电池(下称燃料电池)则是化学能转换成电能的装置。在燃料电池中进行的电化学反应为：2H₂↑+O₂↑＝2H₂O↑(水蒸汽)；将电解槽的阴极收集氢气H₂和阳极收集氧气O₂，不能有丝毫接触，需要绝对隔离，再分别通过两个各自的热交换器，而燃料电池生成的水蒸汽，作为两个各自热交换器的热源，将氢气，氧气分别加热后，再分别送入氢氧燃料屯池发电后，作为主要的电源，再供给电解槽所需电能。将这两个互补的能量转换器巧妙地组合起来，从而，能有效地降低整个系统的能耗。电解槽的次要功能是将电能转换成氢氧燃料电池匹配的化学能，更加强了氢氧燃料电池的主要功能。这样，通过它们的组合而实现，就更有效地降低系统的能耗。经过热交换器的水蒸汽，冷凝成轻水。在热交换器中进行的相变为：2H₂O↑＝2H₂O(轻水)热交换器的主要功能是分离轻水，次要功能是回收能量，提高效率。本发明提取重水的系统，是由电解槽，氢氧燃料电池和热交换器组成的。电解槽的主要功能是浓缩重水，其次要功能是，将电能转换成氢氧燃料电池相匹配的化学能而更加强了氢氧燃料电池的主要功能。氢氧燃料电池的主要功能是降低整个系统的能耗。热交换器的主要功能是分离轻水，次要功能是回收能量，降低能耗。

根据热力学第二定律：

电解槽中所耗费电能和转换成化学能的关系是：Q₁＝a₁E₁………………(1)

式中E₁：所耗费的电能；

a₁：为转换效率，(小于1)；

Q₁：转换成的化学能。

燃料电池中所需化学能和转换成电能的关系是：E₂＝a₂Q₂………………(2)

式中Q₂：所需的化学能；

a₂：为转换效率，(小于1)；

E₂：转换成的电能。

若系统稳定工作，两式中必须Q₁＝Q2，那末，式(1)代入式(2)得：

E₂＝a₁a₂E₁…………………(3)

令A＝a₁a₂     E₂＝AE₁…………………(4)

式中的A即为系统的效率。

系统所需额外补充电能为E₃＝E₁-E₂＝(1-A)E₁…………………(5)

式中的右边项的(1-A)E1即是提取重水所耗费的电能。

综上所述：只要另外替加一只直流电源来补充效率上损耗的电能E₃即可。根据热力学第二定律：A永远小于1，当A越接近1，额外补充电能E₃也越接近0，效率也越高。实际上，这种效率上的损耗便是系统所需的能耗。这样就实现了低能耗，有效地提取重水的愿望。另外也揭示了，提高两个互补换能装置的转换效率是降低能耗的关键因素。

本发明的工艺流程如图1：氢氧燃料电池(下称燃料电池)2输出的电能E₂，经串联一个直流电源4，输入电解槽1中，使电解槽中的原水进行电解，分别在阴极逸出氢气H₂；在阳极逸出氧气O₂，逸出的H₂和O₂，分别在两个热交换器3中，由燃料电池排出的热水蒸汽进行预热，以提高效率，热氢气和热氧气分别进入燃料电池的氢电极和氧电极，经燃料电池的电解质中的离子迁移，将化学能转换成电能E₂，再输入到电解槽1中，进行电解，随着过程不断循环，使原水中的重水浓度不断升高，从而，达到低耗有效地提取重水的目标。图1：中虚线围着的区域(除了直流电源4)，就是的整个提取重水系统5。原水进去，通过提取重水系统5，就分离出重水和轻水，所需的电能由直流电源4供给。

按理论上讲，若A等于1，那未整个提取重水系统就不需要能耗，根据热力学第二定律：A永远小于1，故不足的电能，则由直流电源4来弥补，所以，直流电源4输出的电能E₃，就是系统所需的能耗。

Claims (3)

1.一种有效提取重水的方法，包括：

一个提取重水系统，从原水中分离重水(D₂O)和轻水(H₂O)，

一个直流电源(4)，用于补充因能量转换所损耗的电能；

所述的提取重水系统，其特征是：包括

a.一个用于提取重水的电解槽(1)，其主要电源是由氢氧燃料电池(2)发出的电能直接供给的，其生成的氢气和氧气经热交换器(3)预热成热氢气，热氧气，直接供给氢氧燃料电池(2)作为燃料，经发电后，直接循环供给电解槽(1)，形成一个持续的循环过程，用于分离重水，随着上述循环过程的持续进行，电解槽(1)原水中的轻水不断电解成氢气和氧气逸出，在氢氧燃料电池(2)内经电化学合成轻水，依水蒸汽形式排出，而原水中的残存重水浓度不断提高，最后达到提取重水的目的，使电解法提取重水的能耗，得到巨大的降低，

b.若干个热交换器(3)，其热源，是由氢氧燃料电池(2)排出的水蒸汽供给的，水蒸汽经冷凝后，收集的就是分离的轻水，用于余热回收利用和轻水冷凝收集，其功能是收集轻水和提高系统的效率。

2.根据权利要求书1所述的方法，其特征是：

氢氧燃料电池(2)的氢进气管和氧进气管与电解槽(1)的两个互不相通的，阴极收集氢气的氢气出气管和阳极收集氧气的氧气出气管，经热交换器(3)串接后，分别相连接。

3.根据权利要求书1所述的方法，其特征是：

直流电源(4)用于补充因能量转换所损耗的电能，与氢氧燃料电池(2)串联后，供电给电解槽(1)，用于原水的电解。