СИСТЕМА ОБРАБОТКИ ВОДЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ЭЛЕКТРОЛИЗА ВОДНОГО РАСТВОРА ЩЕЛОЧИ И ЩЕЛОЧНОГО ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА
WATER TREATMENT SYSTEM USING DEVICE FOR ELECTROLYSIS OF AQUEOUS SOLUTION OF ALKALI AND ALKALINE FUEL CELL

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к системе обработки воды с использованием устройства для электролиза водного раствора щелочи и щелочного топливного элемента, в которой объединены устройство для электролиза водного раствора щелочи и щелочной топливный элемент, в каждом из которых в качестве электролитического раствора используется водный раствор щелочи; водород и кислород, образующиеся в устройстве для электролиза водного раствора щелочи, применяются далее в качестве сырьевых материалов в щелочном топливном элементе для выработки электрической мощности, а электролитическую обработку осуществляют с помощью устройства для электролиза водного раствора щелочи, используя выделяющиеся электрическую энергию и воду.
Настоящее изобретение также относится к системе обработки воды с использованием устройства для электролиза водного раствора щелочи и щелочного топливного элемента, в которой устройство для электролиза водного раствора щелочи и щелочной топливный элемент, 2-ое, 3-е, … и n-ое устройства для электролиза водного раствора щелочи и 2-ой, 3-ий, … и n-ый щелочные топливные элементы соединены в каскадном режиме (т.е. последовательно), электролиз осуществляется непрерывно, а объем сырьевой воды уменьшается с помощью устройства для электролиза водного раствора щелочи.
Настоящее изобретение также относится к системе обработки воды с использованием электролиза водного раствора щелочи и щелочного топливного элемента, в которой в качестве сырьевой воды используют сырьевой водный материал, содержащий тритиевую воду (воду, насыщенную тритием), устройство для электролиза водного раствора щелочи и щелочной топливный элемент, в каждом из которых в качестве электролитического раствора используется водный раствор щелочи, объединены, водород и кислород, образующиеся в устройстве для электролиза водного раствора щелочи, используют в качестве сырьевых материалов в щелочном топливном элементе для выработки электрической мощности, электролитическую обработку осуществляют с помощью устройства для электролиза водного раствора щелочи, используя выделяющиеся электрическую энергию и воду, 2-ое, 3-е, … и n-ое устройства для электролиза водного раствора щелочи и 2-ой, 3-ий, … и n-ый щелочные топливные элементы соединены с устройством для электролиза водного раствора щелочи и щелочным топливным элементом в каскадном режиме, электролиз осуществляют непрерывно, сырьевую воду, содержащую высокую концентрацию тритиевой воды, последовательно концентрируют и накапливают небольшой объем сконцентрированной загрязненной воды.
Настоящее изобретение также относится к системе обработки воды с использованием устройства для электролиза водного раствора щелочи и щелочного топливного элемента, в которой в качестве сырьевой воды, содержащей тритиевую воду, используют сырьевую воду, содержащую значительное количество примесей, таких как хлорид-ионы, примеси удаляют, и затем проводят электролиз.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Большая часть трития, имеющегося на земле, находится в виде оксида в форме тритиевой воды, то есть в форме воды, насыщенной тритием. Считается, что концентрация тритиевой воды, циркулирующей в атмосфере, имеет приблизительно фиксированную величину во все времена и на всех территориях, включая животных и растения. Период времени, в течение которого тритиевая вода выпадает из атмосферной циркуляции, можно определить на основании уменьшения концентрации в грунтовых водах, благодаря чему может быть измерен возраст подземных вод. Такое измерение используется для практической экспертизы потока грунтовых вод в сфере общестроительных работ и сельского хозяйства. Тритий существует в воде в форме тритиевой воды, где тритий связан с кислородом. В гидросфере тритиевая вода в рассеянном виде широко распределена в парах, атмосферных осадках, грунтовых водах, воде рек, озер, морей, в питьевой воде и организмах в виде газовой фазы, жидкой фазы и твердой фазы.
Природный тритий образуется при реакции космического излучения с воздухом, количество природного трития очень мало, поскольку вероятность его образования очень мала. С другой стороны, тритий, образовавшийся при ядерных испытаниях в 1950-е г.г., в ядерных реакторах и при переработке ядерного топлива в большом количестве высвободился в окружающую среду (тритиевые радиоактивные осадки). В установке, связанной с ядерным реактором, тритий образуется во время работы и обслуживания реактора и при переработке ядерного топлива и накапливается и локализуется на более высоком уровне, по сравнению с внешней средой. Тритий систематически высвобождается в атмосферу и морскую воду, поскольку его химическая природа сопоставима с химической природой водорода.
3
Наибольшая величина, измеренная в Японии, составляет 1100 Бк/л, эта величина была зафиксирована 21 июня 2013 г. в специальном канале внутри атомной электростанции Фукусима-1, где произошла авария ядерной установки. Поскольку тритий сложно отделить от водорода химическим способом, были проведены исследования по поиску способа физического отделения трития. Однако все они остались на уровне экспериментов, и такой способ пока еще не внедрен в практическое применение. Таким образом, радиоактивность трития, попавшего в окружающую среду в результате аварии на ядерной установке и т.д., не может быть устранена с помощью существующих технологий. Количество загрязненной воды, содержащей тритий, образовавшийся на атомной электростанции Фукусима-1, согласно оценкам, в будущем достигнет масштабов 800000 м, а потому необходима своевременная разработка эффективного способа утилизации загрязненной воды.
2
2
В качестве способов накопления трития могут применяться способ дистилляции воды с использованием давления паров НO, НТО и ТO, способ обмена вода-водород, основанный на реакции обмена между атомами Н и Т, способ двойного температурного обмена, использующий сдвиг химического равновесия реакций изотопного обмена, и способ электролиза воды, основанный на разнице потенциалов газообразования. Однако эффективное отделение трития с помощью этих способов затруднено, за исключением способа, основанного на электролизе воды.
С другой стороны, в электролитическом способе коэффициент разделения достаточно высок, что позволяет эффективно отделять тритий.
2
2
2
Однако концентрация трития является очень низкой, поэтому при измерении концентрации трития для улучшения точности измерения обычно применяют электролитическое концентрирование. В настоящее время известен способ электролитического концентрирования тяжелой воды, согласно которому готовят раствор образца с растворенным в нем электролитом и проводят электролиз с ровными плоскими пластинами, обращенными друг к другу. Вода, входящая в состав электролита, помимо НO содержит HDO и НТО, и они обычно разлагаются на водород и кислород сообразно с разложением воды. Изотопный эффект обуславливает тот факт, что разложение НO происходит раньше разложения HDO и НТО, так что концентрации дейтерия и трития при концентрировании повышаются. При электролитическом концентрировании в качестве анода используют никель, а сталь, железо, никель и тому подобное используют в качестве катода. Эти электроды очищают, водный образец, приготовленный добавлением слабого раствора каустической соды (гидроксида натрия) в качестве соли-носителя в водный раствор, включающий тяжелую воду, добавляют в стеклянный контейнер, и подают электрический ток для осуществления электролиза. В это время выполняют концентрирование тяжелого водорода при плотности тока приблизительно от 1 до 10 А/дм обычно до уменьшения количества жидкости в 10 или более раз, при этом температуру жидкости поддерживают на уровне 5°С или ниже во избежание испарения воды за счет теплообразования.
Таким образом, при электролитическом концентрировании трития пользуются тем фактом, что тритиевую воду сложнее электролизовать, чем воду, содержащую легкий водород, как в случае тяжелой воды. В настоящее время широко изучается и публично признан в качестве стандартного способ, включающий в себя введение металлических электродов в водный раствор щелочи для проведения электролиза. Согласно этому способу, концентрирование трития осуществляют в одну стадию. Однако на практике стандартные методы электролитического концентрирования сталкиваются с некоторыми трудностями. Эти трудности заключаются в следующем: сложность экспериментальных работ; степень концентрации трития ограничена верхним пределом электролитической концентрации; газовая смесь кислорода и водорода может быть взрывоопасной; для электролиза требуется много времени; и значительно возрастает потребление электрической мощности, поскольку трудно обрабатывать большие количества воды.
Авторы настоящего изобретения разработали способ электролитического концентрирования тяжелой воды, разрешающий проблемы общепринятых способов и позволяющий методом электролиза водного раствора щелочи при помощи электричества концентрировать и фракционировать сырьевую воду, содержащую значительное количество тяжелой воды, а также производящий высокочистый газообразный водород и/или высокочистый газообразный кислород, в качестве способа, предназначенного для обработки сырьевой воды, содержащей значительное количество тритиевой воды, с помощью электролиза водного раствора щелочи, и подали заявку на патент (Патентный документ 1).
В соответствии с Патентным документом 1, может быть предложен способ электролитического концентрирования тяжелой воды, при этом способ включает в себя электролитическое концентрирование тяжелой воды с использованием электролизера водного раствора щелочи, включающего в себя: анодное отделение для хранения анода; катодное отделение для хранения катода; и диафрагму для разделения анодного и катодного отделений друг от друга, где из циркуляционной емкости для хранения раствора электролита с высокой концентрацией водного раствора щелочи, добавленного в сырьевую воду, включающую тяжелую воду, содержащую тритий, раствор электролита рециркулируют и подают в обе электролитические камеры; анодное отделение, с которым соединены анодная сторона устройства для газожидкостного разделения и анодная сторона водозапорного устройства; катодное отделение, с которым соединены катодная сторона устройства для газожидкостного разделения и катодная сторона водозапорного устройства; электролиз осуществляют непрерывно, чтобы сконцентрировать тяжелую воду в растворе электролита, тогда как раствор электролита, из которого удаляют образующийся газ с помощью анодной стороны устройства для газожидкостного разделения и катодной стороны устройства для газожидкостного разделения, рециркулируют и подают в циркуляционную емкость, чтобы поддерживать постоянной концентрацию щелочи в растворе электролита, подаваемом в обе электролитические камеры; газообразный водород накапливают или сбрасывают при посредстве катодной стороны устройства для газожидкостного разделения, а газообразный кислород накаливают или сбрасывают при посредстве анодной стороны устройства для газожидкостного разделения.
Кроме того, в соответствии со способом, описанным в Патентном документе 1, с помощью электролиза радиоактивные отходы, содержащие значительное количество трития, могут быть эффективно сконцентрированы и фракционированы, а высококонцентрированные и имеющие высокую степень чистоты газообразный водород и газообразный кислород могут эффективно накапливаться.
Однако способ, описанный в Патентном документе 1, имеет недостаток, заключающийся в том, что значительно возрастает потребление электрической мощности, как было описано выше, и данный недостаток является наибольшим препятствием на пути осуществления электролитического метода.
Авторы настоящего изобретения провели исследования, направленные на уменьшение потребления электрической мощности за счет объединения способа, основанного на электролизе водного раствора щелочи, и топливного элемента в качестве способа устранения данного недостатка.
Другими словами, при электролитическом разложении воды образуются газообразный водород и газообразный кислород. До настоящего времени эти газы сбрасывали, однако газообразный водород и газообразный кислород, которые прежде отбрасывали, можно использовать в качестве сырьевого материала в топливном элементе. Исходя из этого, авторы настоящего изобретения исследовали способ, при котором в качестве источника питания в способе электролитического разложения воды используется топливный элемент, в котором в качестве сырьевых материалов могут быть использованы газообразный водород и газообразный кислород, образующиеся в способе электролитического разложения воды.
Топливные элементы в зависимости от типа электрохимической реакции и электролита классифицируют следующим образом:
(1) Щелочной топливный элемент (AFC, от англ. Alkaline Fuel Cell);
(2) Фосфорно-кислотный топливный элемент (PAFC, от англ. Phosphoric Acid Fuel Cell);
(3) Топливный элемент с расплавленным карбонатным электролитом (MCFC, от англ. Molten Carbonate Fuel Cell);
(4) Твердооксидный топливный элемент (SOFC, от англ. Solid Oxide Fuel Cell);
(5) Протонпроводящий топливный элемент (PEFC, от англ. Proton Conductive Fuel Cell);
(6) Топливный элемент с прямым использованием метанола (DMFC, от англ. Direct Methanol Fuel Cell);
(7) Биотопливный элемент (MFC, от англ. Methanol Fuel Cell);
(8) Топливный элемент с прямым использованием муравьиной кислоты (DFAFC, от англ. Direct Formic Acid Fuel Cell).
В настоящее время самыми распространенными топливными элементами являются протонпроводящие топливные элементы (PEFC). Протонпроводящий топливный элемент имеет достаточно высокие характеристики выработки электрической мощности на водородном топливе. Однако для протонпроводящего топливного элемента характерна проблема, связанная с высокой стоимостью и небольшим количеством ресурсов, относящихся к благородным металлам, поскольку топливный элемент работает в сильнокислой среде, а значит катализатор, предназначенный для использования, фактически ограничен благородным металлом на основе платины.
PEFC включает топливный электрод, кислородный электрод и слой электролита. Для электролитного слоя используют твердый полимер (катионобменную мембрану), содержащий сильнокислый водный раствор электролита. Газообразный водород вводят в топливный электрод, газообразный кислород вводят в кислородный электрод, на электродах протекают следующие реакции и суммарно в соответствии со следующей реакцией образуется вода:
2
2
2
Суммарно: 2Н+O → 2НO,
2
+
-
Топливный электрод (отрицательный электрод) Н → 2Н+2е,
+
-
2
2
Кислородный электрод (положительный электрод) 4Н+O+4е → 2НO.
+
2
2
Протоны (Н), образующиеся на топливном электроде, диффундируют через мембрану из твердого полимера (катионобменную мембрану), переходят на сторону кислородного электрода и реагируют с кислородом (O) с образованием водяной пыли (НO), которую выгружают со стороны кислородного электрода.
Следует отметить, что в качестве топливного элемента известен также топливный элемент с электролитом щелочного типа (AFC - щелочной топливный элемент). В топливном элементе с электролитом щелочного типа в качестве ионного проводника используют гидроксид-ионы, а разделитель между электродами импрегнирован (пропитан) щелочным раствором электролита с образованием топливного элемента. Известно также о типе элемента, в котором, подобно PEFC, используется полимерная мембрана. AFC представляет собой топливный элемент, обладающий высокой надежностью и нашедший практическое применение в авиации, космонавтике и т.д., поскольку AFC имеет простейшую конструкцию и применяется в щелочной среде, а значит, для него может быть использован недорогостоящий электродный катализатор, такой как оксид никеля, и, кроме того, поскольку жидкий электролит используют при нормальной температуре, такой топливный элемент может иметь упрощенную конфигурацию.
2
Следует отметить, что в случае, когда водород получают из топлива на основе углеводорода, подвергнутого риформингу, в щелочном растворе электролита образуется карбонат, который будет разрушать электролит, если в водороде присутствуют примеси углеводорода. Аналогично, при использовании в качестве окислителя воздуха, раствор электролита абсорбирует диоксид углерода, который будет разрушать электролит и, следовательно, в качестве окислителя необходимо использовать кислород высокой степени чистоты. Для улучшения чистоты водорода топливо следует пропускать через палладиевую мембрану, позволяющую улучшить чистоту водорода. Поскольку электролит представляет собой водный раствор, диапазон рабочих температур ограничен температурами, при которых раствор электролита не замерзает и не испаряется. А учитывая, что подвижность (коэффициент диффузии) ионов изменяется в зависимости от температуры, вследствие чего изменяется выработка электрической мощности, температурные условия являются достаточно жесткими. Поскольку активность катализатора на основе никеля уменьшается при взаимодействии с монооксидом углерода, углеводородами, кислородом, водяным паром и т.д., чистота водородного топлива имеет большое значение. Использование водорода риформинга, содержащего в качестве примесей описанные выше вещества, является нежелательным, и в качестве источников кислорода и водорода требуются чистые кислород- и водородсодержащие сырьевые материалы, не содержащие СO.
На электродах в AFC протекают следующие химические реакции.
2
2
2
Суммарно: 2Н+O → 2НO.
2
2
-
-
Топливный электрод (отрицательный электрод): 2Н+4OН → 4НO+4е,
2
2
-
-
Кислородный электрод (положительный электрод): O+2НO+4е → 4OН.
Таким образом, преимущество AFC заключается в том, что в качестве материала электродов нет необходимости использовать дорогостоящую платину, а может быть использован относительно недорогой металлический материал, такой как никель, кобальт или железо, поскольку электролит является щелочным. Следует отметить, что если в водороде, являющемся сырьевым материалом, присутствуют примеси газообразного диоксида углерода и т.д., в щелочном растворе электролита образуется карбонат, который будет разрушать электролит. Для достижения высокой мощности в качестве окислителя необходимо использовать высокочистый кислород.
Авторы настоящего изобретения обратили внимание на тот факт, что в качестве сырьевого газа в щелочном топливном элементе (AFC) необходимо использовать чистые водород и кислород, в частности, сырьевой материал, который не содержит углеродсодержащее вещество, а также обнаружили, что для этой цели хорошо подходят газообразный водород и газообразный кислород, образующиеся при посредстве устройства для электролиза водного раствора щелочи.
Необходимо отметить, что для работы устройства для электролиза водного раствора щелочи необходимо значительное количество электрической энергии, поэтому если вся электроэнергия будет поступать извне, потребуются значительные расходы.
С учетом изложенного выше авторы настоящего изобретения создали систему обработки воды с использованием устройства для электролиза водного раствора щелочи и щелочного топливного элемента, в которой устройство для электролиза водного раствора щелочи и щелочной топливный элемент (AFC) объединены друг с другом, благодаря чему электрическая мощность, требующаяся устройству для электролиза водного раствора щелочи и щелочному топливному элементу, газообразный водород и газообразный кислород, служащие в качестве сырьевых материалов для электрической энергии, вода для восполнения водных потерь в результате электролитической обработки, и раствор электролита, образованный из щелочного водного раствора, эффективно используются при посредстве циркуляционной системы внутри процесса, вместо подачи их заново извне.
Указатель ссылок
Патентные документы:
Патентный документ 1: JP 2015-029921 А
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Техническая задача
С учетом вышесказанного, объектом настоящего изобретения является выполнение системы обработки воды с использованием устройства для электролиза водного раствора щелочи и щелочного топливного элемента, в которой устройство для электролиза водного раствора щелочи и щелочной топливный элемент (AFC) объединены друг с другом, благодаря чему часть каждого из: электрической мощности, необходимой устройству для электролиза водного раствора щелочи и щелочному топливному элементу, газообразного водорода и газообразного кислорода, служащих в качестве сырьевых материалов для электрической энергии, раствора электролита, приготовленного из водного раствора щелочи, количества воды, соответствующего потерям воды в результате электролитической обработки, рециркулируют и используют в системе обработки воды, при этом сырьевые компоненты и промежуточные продукты используются полностью и эффективно, в результате чего устройство для электролиза водного раствора щелочи и щелочной топливный элемент могут работать эффективно.
Решение задачи
Для достижения описанной выше цели первое решение согласно настоящему изобретению заключается в следующем:
предложена система обработки воды с использованием устройства для электролиза водного раствора щелочи и щелочного топливного элемента, где
(1) устройство для электролиза водного раствора щелочи и щелочной топливный элемент соединены друг с другом,
(2) раствор электролита, получаемый смешиванием сырьевой воды и водного раствора щелочи с приведением смеси к требуемой концентрации, и количество воды, соответствующее потерям воды в результате электролитической обработки, подают в устройство для электролиза водного раствора щелочи и осуществляют непрерывную электролитическую обработку, при этом концентрацию щелочи поддерживают на уровне исходной концентрации, и раствор электролита рециркулируют для снижения объема сырьевой воды, образования газообразного кислорода в анодном отделении устройства для электролиза водного раствора щелочи и образования газообразного водорода в катодном отделении устройства для электролиза водного раствора щелочи,
(3) раствор электролита, приготовленный из водного раствора щелочи, приведенный к требуемой концентрации, и газообразный кислород и газообразный водород, образующиеся при посредстве устройства для электролиза водного раствора щелочи, подают в щелочной топливный элемент, по меньшей мере часть газообразного кислорода и газообразного водорода используют для выработки электрической мощности при помощи щелочного топливного элемента, электрическую энергию и воду накапливают, и
(4) накопленную электрическую энергию подают в устройство для электролиза водного раствора щелочи для использования в качестве его источника электрической мощности, а часть накопленной воды или всю накопленную воду подают в циркуляционную линию раствора электролита в устройстве для электролиза водного раствора щелочи для продолжения электролитической обработки,
в результате чего почти все или часть каждого из: электрической энергии (электрической мощности), требующейся устройству, предназначенному для электролиза водного раствора щелочи, и щелочному топливному элементу, газообразного водорода и газообразного кислорода, служащих в качестве сырьевых материалов для выработки электрической энергии (электрической мощности), и количества воды, соответствующего потерям воды в результате электролитической обработки, эффективно используются, будучи при этом циркулирующими в системе обработки воды.
Для достижения описанной выше цели второе решение согласно настоящему изобретению заключается в следующем: предложена система обработки воды с использованием устройства для электролиза водного раствора щелочи и щелочного топливного элемента, где 2-ое, 3-е, … и n-ое устройства для электролиза водного раствора щелочи и 2-ой, 3-ий, … и n-ый щелочные топливные элементы соединены с устройством для электролиза водного раствора щелочи и щелочным топливным элементом в каскадном режиме, раствор электролита, электролитически обработанный и сконцентрированный с помощью устройства для электролиза водного раствора щелочи, последовательно подают во 2-ое, 3-е, … и n-ое устройства для электролиза водного раствора щелочи, где электролитическую обработку осуществляют таким же образом, как и в устройстве для электролиза водного раствора щелочи, образовавшиеся газообразный кислород и газообразный водород подают в по меньшей мере один из щелочного топливного элемента и 2-ого, 3-его … и n-ого щелочных топливных элементов, по меньшей мере часть газообразного кислорода и газообразного водорода используют для выработки электрической мощности с помощью по меньшей мере одного из щелочного топливного элемента и 2-ого, 3-его … и n-ого щелочных топливных элементов, электрическую энергию накапливают, при этом образуется вода, накопленную электрическую энергию подают в по меньшей мере одно из устройства для электролиза водного раствора щелочи и 2-го, 3-его, … и n-ого устройств для электролиза водного раствора щелочи для продолжения электролитической обработки, воду, образовавшуюся при выработке электрической мощности с помощью по меньшей мере одного из щелочного топливного элемента и 2-ого, 3-его … и n-ого щелочных топливных элементов, отбрасывают или подают в циркуляционную линию раствора электролита в по меньшей мере одном из устройства для электролиза водного раствора щелочи и 2-го, 3-его, … и n-ого устройств для электролиза водного раствора щелочи, и объем сырьевой воды, уменьшенный при помощи устройства для электролиза водного раствора щелочи, дополнительно уменьшают с помощью 2-го, 3-его, … и n-ого устройств для электролиза водного раствора щелочи.
Для достижения описанной выше цели третье решение согласно настоящему изобретению заключается в следующем: предложена система обработки воды с использованием устройства для электролиза водного раствора щелочи и щелочного топливного элемента, где в качестве сырьевой воды используют чистую воду.
Для достижения описанной выше цели четвертое решение согласно настоящему изобретению заключается в следующем: предложена система обработки воды с использованием устройства для электролиза водного раствора щелочи и щелочного топливного элемента, где в качестве сырьевой воды используют сырьевую воду, содержащую тритиевую воду.
Для достижения описанной выше цели пятое решение согласно настоящему изобретению заключается в следующем: предложена система обработки воды с использованием устройства для электролиза водного раствора щелочи и щелочного топливного элемента, где в качестве сырьевой воды используют сырьевую воду, содержащую тритиевую воду, содержащую значительное количество примесей, включая хлорид-ионы.
Для достижения описанной выше цели, шестое решение согласно настоящему изобретению представляет собой систему обработки воды с использованием устройства для электролиза водного раствора щелочи и щелочного топливного элемента, в котором устройство для электролиза водного раствора щелочи и 2-ое, 3-е, … и n-ое устройства для электролиза водного раствора щелочи представляют собой устройства диафрагменного типа для электролиза водного раствора щелочи, при этом каждое устройство включает в себя: анод и катод, каждый из которых состоит из электрода, изготовленного из материала на основе Ni или железа, или электрода, полученного покрытием поверхности материала основы никелем Ренея, металлизацией дисперсией на основе Ni или с помощью пиролитического покрытия на основе благородных металлов; и диафрагму.
Для достижения описанной выше цели, седьмое решение согласно настоящему изобретению представляет собой систему обработки воды с использованием устройства для электролиза водного раствора щелочи и щелочного топливного элемента, в котором щелочной топливный элемент и 2-ой, 3-ий … и n-ый щелочные топливные элементы представляют собой щелочные топливные элементы мембранного типа, при этом каждый щелочной топливный элемент включает в себя: положительный электрод и отрицательный электрод, каждый из которых изготовлен из электродного материала с платиновым катализатором или катализатором из сплава рутения и платины на углеродном носителе; и анионообменную мембрану.
Для достижения описанной выше цели восьмое решение согласно настоящему изобретению заключается в следующем: предложена система обработки воды с использованием устройства для электролиза водного раствора щелочи и щелочного топливного элемента, где в качестве сырьевой воды используют сырьевую воду, содержащую тритиевую воду, содержащую значительное количество примесей, включая хлорид-ионы, предусмотрен процесс дистилляции для удаления примесей в виде предварительного процесса перед электролизом водного раствора щелочи с помощью устройства для электролиза водного раствора щелочи, при этом сырьевую воду, содержащую значительное количество примесей, включая хлорид-ионы, подают на дистилляцию для удаления примесей в виде суспензии солей, и сырьевую воду, содержащую тритиевую воду, после удалений примесей подают в устройство для электролиза водного раствора щелочи.
Для достижения описанной выше цели девятое решение согласно настоящему изобретению заключается в следующем: предложена система обработки воды с использованием устройства для электролиза водного раствора щелочи и щелочного топливного элемента, где во время процесса дистилляции суспензию солей концентрируют, отделяют и накапливают в твердом виде.
Для достижения описанной выше цели десятое решение согласно настоящему изобретению заключается в следующем: предложена система обработки воды с использованием устройства для электролиза водного раствора щелочи и щелочного топливного элемента, где в качестве раствора электролита, приготовленного из водного раствора щелочи, используют водный раствор щелочи с концентрацией 5 до 60 мас. %, который используют для электролитической обработки с помощью устройства для электролиза водного раствора щелочи и 2-ого, 3-его,… и n-ого устройств для электролиза водного раствора щелочи, а также используют в щелочном топливном элементе и 2-ом, 3-ем… и n-ом щелочных топливных элементах.
Полезные эффекты изобретения
(1) В системе обработки воды с использованием устройства для электролиза водного раствора щелочи и щелочного топливного элемента согласно настоящему изобретению устройство для электролиза водного раствора щелочи и щелочной топливный элемент объединяют и проводят щелочной электролиз, используя электрическую мощность, вырабатываемую при посредстве щелочного топливного элемента, использующего в качестве сырьевых материалов газообразный водород и газообразный кислород, образующиеся при электролизе в устройстве для электролиза водного раствора щелочи, как таковую в качестве электрической мощности, необходимой в устройстве для электролиза водного раствора щелочи. Таким образом, после начала электролиза электролиз водного раствора щелочи может быть продолжен с использованием электрической мощности, вырабатываемой в системе, в качестве электрической мощности для электролиза водного раствора щелочи, при этом электролиз может осуществляться одновременно с регенерацией электрической мощности, благодаря чему затраты на электрическую мощность, необходимую для обработки воды, могут быть значительно снижены.
(2) В системе обработки воды с использованием устройства для электролиза водного раствора щелочи и щелочного топливного элемента согласно настоящему изобретению, газообразный водород и газообразный кислород, образовавшиеся при электролизе в устройстве для электролиза водного раствора щелочи, используются в виде газообразного водорода и газообразного кислорода в качестве сырьевых материалов для щелочного топливного элемента. Таким образом, отсутствует необходимость подавать газообразный водород и газообразный кислород извне, и электрическая энергия, необходимая для использования в качестве источника электрической мощности для электролиза водного раствора щелочи, может быть рециркулирована и использована в системе, благодаря чему энергию можно использовать эффективно.
(3) В системе обработки воды с использованием устройства для электролиза водного раствора щелочи и щелочного топливного элемента согласно настоящему изобретению газообразный водород и газообразный кислород, образовавшиеся при электролизе в устройстве для электролиза водного раствора щелочи, могут быть использованы в виде газообразного водорода и газообразного кислорода в качестве сырьевых материалов для щелочного топливного элемента. Вследствие этого отсутствует необходимость подавать газообразный водород и газообразный кислород извне, благодаря чему затраты на электрическую мощность, используемую для электролиза, могут быть значительно сокращены.
(4) В системе обработки воды с использованием устройства для электролиза водного раствора щелочи и щелочного топливного элемента согласно настоящему изобретению газообразный водород и газообразный кислород, образовавшиеся при электролизе в устройстве для электролиза водного раствора щелочи, могут быть использованы в виде газообразного водорода и газообразного кислорода в качестве сырьевых материалов для щелочного топливного элемента. Таким образом, в качестве сырьевых материалов могут использоваться чистые кислород и водород, свободные от примесей, таких как углеродсодержащее вещество и газообразный диоксид углерода, благодаря чему щелочной топливный элемент может работать эффективно.
(5) В системе обработки воды с использованием устройства для электролиза водного раствора щелочи и щелочного топливного элемента согласно настоящему изобретению в качестве сырьевых материалов для щелочного топливного элемента могут использоваться не только газообразный водород и газообразный кислород, но также и раствор электролита, используемый для электролиза в устройстве для электролиза водного раствора щелочи, может использоваться в качестве раствора электролита, приготовленного из водного раствора щелочи. Таким образом, в случае всех сырьевых материалов для щелочного топливного элемента все материалы, использующиеся или образующиеся при посредстве устройства для электролиза водного раствора щелочи, могут быть рециркулированы и использованы.
(6) В системе обработки воды с использованием устройства для электролиза водного раствора щелочи и щелочного топливного элемента согласно настоящему изобретению электрическая мощность, необходимая для использования при электролизе в устройстве для электролиза водного раствора щелочи, частично поступает из щелочного топливного элемента после начала электролиза. Воду, образующуюся при посредстве щелочного топливного элемента, используют в качестве добавочной воды для компенсации потерь воды при электролизе в устройстве для щелочного электролиза. Таким образом, все сырьевые материалы для устройства для электролиза водного раствора щелочи могут быть восполнены за счет электрической мощности и воды, образующихся при посредстве щелочного топливного элемента.
(7) В системе обработки воды с использованием устройства для электролиза водного раствора щелочи и щелочного топливного элемента согласно настоящему изобретению сырьевая вода, содержащая тритиевую воду, содержащую значительное количество примесей, таких как хлорид-ионы, может быть обработана для получения описанных выше эффектов с помощью процесса дистилляции с непрерывной подачей сырьевого материала в дистиллятор, выполненного в виде предварительного процесса для удаления примесей в виде суспензии солей.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Фиг. 1 представляет собой схему, иллюстрирующую один из вариантов осуществления системы обработки воды с использованием устройства для электролиза водного раствора щелочи и щелочного топливного элемента согласно настоящему изобретению.
Фиг. 2 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую один из примеров устройства для обработки водного раствора щелочи для использования в одном из вариантов осуществления системы обработки воды с использованием устройства для электролиза водного раствора щелочи и щелочного топливного элемента согласно настоящему изобретению.
Фиг. 3 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую один из примеров щелочного топливного элемента для использования в одном из вариантов осуществления системы обработки воды с использованием устройства для электролиза водного раствора щелочи и щелочного топливного элемента согласно настоящему изобретению.
Фиг. 4 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую, в качестве другого варианта осуществления настоящего изобретения, один из примеров системы обработки воды с использованием устройства для электролиза водного раствора щелочи и щелочного топливного элемента согласно настоящему изобретению.
СВЕДЕНИЯ. ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Описание вариантов осуществления
Далее в данном документе будет описан один из вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылкой на графические материалы.
Фиг. 1 представляет собой схему, иллюстрирующую один из вариантов осуществления системы обработки воды согласно настоящему изобретению.
Как показано на Фиг. 1, согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения,
(1) устройство 1 для электролиза водного раствора щелочи и щелочной топливный элемент 2 соединены друг с другом;
(2) раствор электролита 3, приготовленный из водного раствора щелочи, приведенный к требуемой концентрации, сырьевую воду 4 и количество воды 5, соответствующее потерям сырьевой воды при электролитической обработке, подают в устройство 1 для электролиза водного раствора щелочи, объем сырьевой воды 4 уменьшается за счет осуществления электролитической обработки при рециркуляции раствора электролита 3 с концентрацией щелочи, поддерживаемой на уровне начальной концентрации, в устройстве 1 для электролиза водного раствора щелочи, и при посредстве устройства 1 для электролиза водного раствора щелочи образуются газообразный кислород 6 и газообразный водород 7.
(3) газообразный кислород 6 и газообразный водород 7, образующиеся при посредстве устройства 1 для электролиза водного раствора щелочи, и раствор электролита 3, приготовленный из водного раствора щелочи, приведенный к требуемой концентрации, подают в щелочной топливный элемент 2, с помощью щелочного топливного элемента 2 вырабатывается электрическая мощность, и электрическую энергию 9 и воду 10 накапливают.
(4) накопленную электрическую энергию 9 подают в устройство 1 для электролиза водного раствора щелочи в качестве его источника электрической мощности, а воду 10, накопленную благодаря щелочному топливному элементу 2, подают в циркуляционную линию раствора электролита, приготовленного из водного раствора щелочи, ее также можно использовать в качестве воды для регулирования концентрации щелочи или воды, подаваемой в электролизер для водного раствора щелочи на следующем каскаде, либо отбрасывать, если содержит примеси.
Таким образом, устройство 1 для электролиза водного раствора щелочи и щелочной топливный элемент 2 (AFC) объединяют друг с другом, благодаря чему электрическая энергия 9, необходимая устройству 1 для электролиза водного раствора щелочи и щелочному топливному элементу 2, газообразный водород 7 и газообразный кислород 6, служащие в качестве сырьевых материалов для электрической мощности, раствор электролита 3, приготовленный из водного раствора щелочи, и частичное количество воды 10, соответствующее потерям сырьевой воды при электролитической обработке, рециркулируют и используют в системе обработки воды. Таким образом, сырьевые компоненты и промежуточные продукты рециркулируют и используют, благодаря чему устройство 1 для электролиза водного раствора щелочи и щелочной топливный элемент 2 могут эффективно работать, затраты на электрическую мощность могут быть значительно сокращены, объем сырьевой воды может быть эффективно уменьшен, газообразный водород и газообразный кислород, образующиеся при посредстве устройства 1 для электролиза водного раствора щелочи, могут использоваться в качестве чистого топлива для щелочного топливного элемента, не будучи выброшенными, и, соответственно, может быть предложена безотходная эффективная система обработки воды.
Согласно настоящему изобретению, в случае, когда в качестве сырьевой воды используют чистую воду или когда используют сырьевую воду, содержащую незначительное количество примесей, электролитическая обработка может быть осуществлена с использованием газообразного водорода и газообразного кислорода, образующихся при посредстве устройства 1 для электролиза водного раствора щелочи, в качестве большей части топлива для щелочного топливного элемента 2, который используют в качестве источника электрической мощности для устройства 1, предназначенного для электролиза водного раствора щелочи. Таким образом, отсутствует необходимость в подаче энергии большой мощности извне. Электролиз осуществляют при циркулировании раствора электролита и, таким образом, газообразный водород и газообразный кислород, служащие в качестве топлива для щелочного топливного элемента, могут образовываться непрерывно и непрерывно подаваться в щелочной топливный элемент для продолжения работы устройства для электролиза водного раствора щелочи, что позволяет осуществлять обработку воды недорого и эффективно.
Коэффициент использования газообразного водорода и газообразного кислорода, образующихся при посредстве устройства для электролиза водного раствора щелочи, составляет приблизительно 60% при однократном протекании реакции внутри элемента в зависимости от степени контакта газа с катализатором в щелочном топливном элементе. Коэффициент использования газа, образующегося при посредстве 2-го, 3-его, … n-ого устройств для электролиза водного раствора щелочи также составляет приблизительно 60% при однократном протекании реакции внутри элемента.
Кроме того, в устройство для электролиза водного раствора щелочи во время электролиза подают сырьевую воду или чистую воду извне системы для поддержания концентрации щелочи на уровне начальной концентрации. Согласно настоящему изобретению, в качестве подаваемой воды может использоваться вода 10, образующаяся при посредстве щелочного топливного элемента 2, и таким образом, может быть уменьшено количество воды, которую необходимо вновь подавать извне. Коэффициент использования воды в этом случае будет сравнимым с коэффициентом использования газа. Когда коэффициент использования образующегося газа составляет 60%, коэффициент использования воды составляет приблизительно 60%.
Кроме того, в устройстве для электролиза водного раствора щелочи и щелочном топливном элементе необходимо использовать раствор электролита, приготовленный из водного раствора щелочи. Согласно настоящему изобретению, концентрация водного раствора щелочи, предназначенного для использования, составляет от 5 до 60 мас. % в обоих устройствах, и водный раствор щелочи может быть общим для обоих устройств.
Как было описано выше, система обработки воды согласно настоящему изобретению представляет собой систему, в которой щелочной топливный элемент и устройство для электролиза водного раствора щелочи соединены друг с другом. Сначала будет описано устройство для электролиза водного раствора щелочи согласно настоящему изобретению.
Настоящее изобретение является особенно полезным в случаях, когда в качестве сырьевой воды рассматривается загрязненная вода, содержащая тритиевую воду. Далее в данном документе будет описана ситуация, когда используют сырьевую воду, включающую загрязненную воду, содержащую тритий. Это равным образом применимо к случаю, когда в качестве сырьевой воды используют чистую воду.
(1) Устройство для электролиза водного раствора щелочи
Фиг. 2 иллюстрирует один из вариантов осуществления устройства для электролиза водного раствора щелочи, предназначенного для использования в системе обработки воды настоящего изобретения, который может применяться для сырьевой воды, содержащей тритиевую воду, не содержащую примесей, таких как хлорид-ионы, или содержащую примеси в определенной степени, не затрудняющие работу электролитической системы. В этом случае электролитическую обработку водного раствора щелочи осуществляют непрерывно, при этом концентрация щелочи в сырьевой воде, содержащей тритиевую воду, сохраняется постоянной без использования предварительного процесса для удаления примесей.
Фиг. 2 иллюстрирует устройство для электролиза водного раствора щелочи. Устройство для электролиза водного раствора щелочи включает в себя резервуар 11 для хранения сырьевой воды, ванну 12 для обработки сырьевой воды, электролизер 13 с водным раствором щелочи, циркуляционную емкость 14, трубу 19 контура циркуляции раствора электролита и подающий насос 18. Электролизер 13 для водного раствора щелочи включает в себя анодное отделение 15 для хранения анода, катодное отделение 16 для хранения катода и диафрагму 17 для отделения анодного отделения 15 и катодного отделения 16 друг от друга. Диафрагма 17 предпочтительно представляет собой нейтральную диафрагму, однако также может использоваться и катионобменная мембрана.
Согласно этому варианту осуществления, нет надобности в описанном ниже процессе дистилляции для удаления примесей, таких как хлорид-ионы, содержащихся в сырьевой воде, содержащей тритиевую воду, и сырьевая вода, содержащая тритиевую воду, может подаваться непосредственно в циркуляционную емкость 14 устройства для электролиза водного раствора щелочи. При этом, например, сырьевая вода может поступать из резервуара 11 для хранения сырьевой воды в циркуляционную емкость 14 через ванну 12 для обработки сырьевой воды, в которую часть сырьевой воды направляется как объект, подлежащий обработке, как показано на Фиг. 2.
Сырьевая вода, содержащая тритиевую воду, не содержащую примесей, таких как хлорид-ионы, может быть обработана с помощью устройства для электролиза водного раствора щелочи, изображенного на Фиг. 2.
Даже в случае, когда используется сырьевая вода, содержащая тритиевую воду, содержащую примеси, такие как хлорид-ионы, сырьевая вода, содержащая тритиевую воду, может быть обработана согласно данному варианту осуществления, если обрабатываемое количество небольшое или время обработки непродолжительное; количество примесей небольшое; или система выполнена с возможностью удаления примесей во время непрерывного электролиза.
3
Далее в данном документе будет описан случай, когда в качестве сырьевой воды, содержащей тритиевую воду, с помощью системы (I) для электролиза водного раствора щелочи обрабатывают 800000 м сырьевой воды, содержащей только небольшое количество примесей, таких как хлорид-ионы.
3
3
(a) Согласно этому варианту осуществления, объект, подлежащий обработке в устройстве для электролиза водного раствора щелочи, представляет собой 800000 м сырьевой воды, содержащей тритиевую воду, которую хранят в резервуаре 11 для хранения сырьевой воды. Как часть сырьевой воды, 400 м/день сырьевой воды подают из резервуара 11 для хранения сырьевой воды через ванну 12 для обработки сырьевой воды в циркуляционную емкость 14 с помощью насоса 18. Параллельно водный раствор щелочи подают в циркуляционную емкость 14 (не показано).
Предпочтительно, когда всю сырьевую воду в резервуаре 11 для хранения сырьевой воды подают в циркуляционную емкость 14 через ванну 12 для обработки сырьевой воды и обрабатывают при помощи электричества. Однако когда количество сырьевой воды в резервуаре 11 для хранения сырьевой воды очень большое, предпочтительно, чтобы сырьевая вода подавалась частями в ванну 12 для обработки сырьевой воды для непрерывной обработки сырьевой воды в ванне 12 для обработки сырьевой воды. То же самое относится к вариантам осуществления и примерам, представленным ниже.
Аноды и катоды устройства для электролиза водного раствора щелочи и 2-ого, 3-его, … и n-ого устройств для электролиза водного раствора щелочи предпочтительно являются электродами, изготовленными из материала на основе Ni или железа, или электродами с поверхностью, покрытой никелем, или покрытыми различными видами материалов, такими как никель Ренея и благородные металлы, для снижения перенапряжения электродов.
(b) Раствор электролита, получаемый смешиванием сырьевой воды и водного раствора щелочи в циркуляционной емкости 14 и доведением смеси до требуемой концентрации щелочи в циркуляционной емкости 14, затем подают в электролизер 13 для водного раствора щелочи для осуществления электролитической обработки.
(c) Концентрация водного раствора щелочи в растворе электролита предпочтительно является высокой. Концентрация предпочтительно составляет от 5 до 60 мас. %, более предпочтительно, составляет не менее 15 мас. % и не более 60 мас. %, еще более предпочтительно, не менее 20 мас. % и не более 60 мас. %. Щелочь, предназначенная для использования, предпочтительно является KОН или NaOH.
3
3
3
Объем раствора электролита в электролизере 13 для водного раствора щелочи составляет 400 м. Объем раствора электролита в циркуляционной емкости 14, трубе и т.п. составляет 400 м. Таким образом, общий объем электролитического процесса составляет 800 м.
(d) Раствор электролита, смешанный в циркуляционной емкости 14 и отрегулированный до требуемой концентрации щелочи, подают в анодное отделение 15 электролизера 13 для водного раствора щелочи через трубу 19 контура циркуляции раствора электролита с помощью циркуляционного насоса 18, подают в катодное отделение 16 электролизера 13 для водного раствора щелочи через трубу 19 контура циркуляции раствора электролита с помощью циркуляционного насоса 18, и подвергают электролизу. Раствор электролита электролизуют через диафрагму 17. В результате электролиза в анодном отделении 15 образуется газообразный кислород, образовавшийся газообразный кислород и раствор электролита отделяют друг от друга. Отделенный раствор электролита рециркулируют в циркуляционную емкость 14 с помощью трубы 19 контура циркуляции раствора электролита.
2
2
2
2
В это же время в катодном отделении 16 образуется газообразный водород. Образовавшийся газообразный водород и раствор электролита отделяют друг от друга. Отделенный раствор электролита рециркулируют в циркуляционную емкость 14 с помощью трубы 19 контура циркуляции раствора электролита. Если плотность тока на данном этапе является высокой, время, необходимое для электролитической обработки, может быть уменьшено. Учитывая, что диапазон рабочей плотности тока зависит от параметров электролизера, в частности, от структуры основных его элементов, включая анод, катод, диафрагму и электролитическую ванну и т.д., плотность тока предпочтительно составляет не менее 5 А/дм и не более 80 А/дм. Еще более предпочтительно, плотность тока составляет не менее 5 А/дм и не более 60 А/дм. В частности, если предполагается, что количество образующегося газа при электролизе воды будет небольшим, технологический объем неизбежно снижается, а когда предпринимаются попытки крупнообъемного электролиза, технологический объем обычно увеличивается.
Согласно исследованиям, проведенным авторами настоящего изобретения для электролиза водного раствора щелочи, может быть электролизован даже раствор электролита имеющий концентрацию щелочи 32 мас. %. Однако нежелательно, чтобы концентрация щелочи превышала 32 мас. %, поскольку при этом увеличивается вязкость раствора электролита, образующийся газ уже не выводится быстро за пределы системы, и напряжение на электролизере становится высоким, что приводит к увеличению потребления электрической энергии.
3
3
3
3
Если в описанном выше способе объем электролитической обработки составляет 400 м/день, в общей сложности 800000 м сырьевой воды, содержащей тритиевую воду, будет обработано в течение 5,5 лет (800000 м : 400 м/день : 365 дней = 5,5 лет).
3
3
3
Поскольку количество циркулирующей жидкости раствора электролита при этом составляет 800 м, количество воды, содержащей тритиевую воду, будет уменьшено с 800000 м до 800 м за 5,5 лет.
(e) При описанной выше длительной обработке объем воды, соответствующий потерям сырьевой воды при электролитической обработке, непрерывно подают из резервуара 11 для хранения воды в циркуляционную емкость 14 и поддерживают концентрацию щелочи в растворе электролита на уровне начальной концентрации. Электролиз продолжается до тех пор, пока циркулирует раствор электролита, благодаря чему весь большой объем сырьевой воды, хранящийся в резервуаре 11 для хранения воды, подвергается электролитической обработке.
3
3
(f) В результате обработки в устройстве для электролиза водного раствора щелочи сырьевая вода, содержащая тритиевую воду (НТО), имеет форму газа и превращается в газообразный водород, содержащий тритий (НТ), и газообразный кислород. Концентрация трития в газообразном водороде, содержащем тритий (НТ), снижается до 1/1,244 по сравнению с концентрацией в тритиевой воде, а объем сырьевой воды сокращается с 800000 м до 800 м.
В описанном выше непрерывном электролитическом способе в процесс непрерывно подается тритиевая вода, соответствующая воде, подвергшейся разложению, и потерям при электролизе, в результате физическая рабочая среда, включающая массу жидкости в электролизере и производительность циркуляционного насоса в рамках процесса, всегда остается неизменной. При этом количество тритиевой воды, подаваемой в процесс, соответствует концентрации в сырьевой воде.
В случае, когда вода поступает непрерывно, операции осуществляют таким образом, чтобы поддерживать концентрацию трития в процессе на уровне его концентрации в сырьевой воде, так что концентрация в электролизере не увеличивается. В таких условиях непрерывной работы газ, образующийся при электролизе, преобразуется в степени, соответствующей степени концентрации легкой воды и тритиевой воды.
Далее приведены примеры основных характеристик и рабочих параметров в описанном выше устройстве для электролиза водного раствора щелочи.
Характеристики
3
1) Сырьевая вода, включающая загрязненную тритием воду: 800000 м,
3
2) Объем электролитической обработки: обрабатываемое количество 400 м/день,
3) Щелочь: каустическая сода (гидроксид натрия), концентрация щелочи: 20 мас. %,
3
4) Концентрация отводимого трития: 1,350×10 Бк/л,
5) Электролизер для водного раствора щелочи: 48 ванн (по 75 элементов на ванну),
2
6) Плотность тока: 40 А/дм,
7) Электролитический процесс: циркуляционный электролитический процесс + непрерывная подача сырьевой воды в электролитический процесс.
Рабочие параметры
Коэффициент конверсии трития в сырьевой воде, зависящий главным образом от концентрации трития в целом, составляет от 1,0 до 0,6 (где тритий обычно фракционирован в виде молекулярного газообразного трития).
6
В случае когда концентрация трития, содержащегося в сырьевой воде, составляет 4,2×10 Бк/л, концентрация трития, содержащегося в сырьевой жидкости после обработки в электролитической системе, имеет следующий вид.
6
3
4,2×10×0,4/1,244 Бк/л = 1,350×10 Бк/л
4
4
Здесь предельная концентрация в выбросах или воздухе составляет 7×10Бк/л или меньше, а норма сброса тритиевой воды составляет 6×10 Бк/л или меньше.
Когда сырьевая вода, содержащая тритиевую воду, содержит значительное количество примесей, таких как хлорид-ионы, примеси необходимо удалять до того, как сырьевую воду подают в устройство для электролиза водного раствора щелочи.
Далее будет описан щелочной топливный элемент, накапливающий электрическую мощность (электрическую энергию) и воду, для последующей подачи в устройство для электролиза водного раствора щелочи.
(2) Щелочной топливный элемент
Газообразный водород и газообразный кислород, образующиеся при посредстве устройства для электролиза водного раствора щелочи, прежде сбрасывали в атмосферу, чтобы избавиться от них. Однако согласно настоящему изобретению, газы направляют в щелочной топливный элемент, накапливают электрическую мощность (электрическую энергию), направляют в устройство для электролиза водного раствора щелочи и используют в качестве источника электрической мощности для устройства, предназначенного для электролиза водного раствора щелочи. Коэффициент использования образовавшегося газа составлял приблизительно 60%.
Фиг. 3 иллюстрирует один из вариантов осуществления щелочного топливного элемента для применения согласно настоящему изобретению. В щелочном топливном элементе используют анионообменную мембрану (слой электролита) 21 между сепараторами 20 и 20, слой 22 катализатора положительного электрода используют на стороне кислородного электрода анионообменной мембраны (слоя электролита) 21, а газодиффузионный слой 23 используют с внешней стороны слоя 22 катализатора положительного электрода. Слой 24 катализатора отрицательного электрода используют на стороне топливного электрода анионообменной мембраны (слоя электролита) 21, а газодиффузионный слой 25 используют с внешней стороны слоя 24 катализатора отрицательного электрода.
Анионообменную мембрану 21 импрегнируют (пропитывают) раствором электролита, приготовленным из водного раствора щелочи требуемой концентрации. В качестве раствора электролита, приготовленного из водного раствора щелочи, используют раствор электролита с концентрацией, практически равной концентрации раствора электролита, предназначенного для использования в устройстве для электролиза водного раствора щелочи. Концентрация водного раствора щелочи раствора электролита предпочтительно является высокой, в частности, составляет от 5 до 60 мас. %. Щелочь, предназначенная для использования, предпочтительно представляет собой KОН или NaOH.
Газообразный водород и газообразный кислород, образующиеся при посредстве устройства для электролиза водного раствора щелочи, перед подачей в щелочной топливный элемент пропускают через буферную емкость, благодаря чему газообразный водород и газообразный кислород поступает в щелочной топливный элемент без застоя.
Согласно настоящему изобретению, анионообменную мембрану импрегнируют раствором электролита, приготовленным из водного раствора щелочи, газообразный кислород, образующийся с помощью устройства для электролиза водного раствора щелочи, далее подают в щелочной топливный элемент через канал 26, выполненный на стороне слоя 22 катализатора положительного электрода, а газообразный водород, образующийся при посредстве устройства для электролиза водного раствора щелочи, подают в щелочной топливный элемент через канал 27, выполненный на стороне слоя катализатора отрицательного электрода.
-
-
Газообразный кислород, подаваемый в щелочной топливный элемент через канал 26, выполненный на стороне слоя 22 катализатора положительного электрода, проходит через газодиффузионный слой 23. Кислород реагирует с водой под слоем 22 катализатора положительного электрода с образованием гидроксильных ионов (ОН), а гидроксильные ионы (ОН) переходят на сторону слоя катализатора отрицательного электрода, проходя через анионообменную мембрану 21, и реагируют с газообразным водородом с образованием воды.
Уравнения реакций, протекающих в щелочном топливном элементе, имеют следующий вид.
2
2
2
Суммарно: 2Н+O → 2НO,
2
2
-
-
Топливный электрод (отрицательный электрод): 2Н+4OН → 4НO+4е,
2
2
-
-
Кислородный электрод (положительный электрод): O+2НO+4е → 4OН.
Предпочтительно, положительные электроды и отрицательные электроды щелочного топливного элемента и 2-ого, 3-его … и n-ого щелочных топливных элементов изготовлены из электродного материала с платиновым катализатором или катализатором из сплава рутения и платины на углеродном носителе.
Поскольку в качестве топливного элемента применяют щелочной топливный элемент, в качестве электролитического раствора в топливном элементе может использоваться водный раствор щелочи, использующийся для раствора электролита в устройстве для электролиза водного раствора щелочи.
В качестве газообразного водорода и газообразного кислорода, используемых в щелочном топливном элементе для применения согласно настоящему изобретению, могут использоваться чистые водород и кислород, не содержащие углеродсодержащих веществ, благодаря чему значительно повышается эффективность.
Когда в качестве окислителя используют воздух, раствор электролита абсорбирует диоксид углерода, который будет разрушать электролит. Однако, как в случае настоящего изобретения, газообразный кислород, образующийся при электролизе водного раствора щелочи, является высокочистым газообразным кислородом, благодаря чему проблемы ухудшения раствора электролита не возникает. Поскольку электролит представляет собой водный раствор, оборудование является недорогостоящим.
Напротив, например, автомобильные щелочные топливные элементы, которые разрабатывались и использовались прежде, не могут эффективно применяться из-за того, что в качестве газообразного кислорода в них используют воздух, вследствие чего раствор электролита, приготовленный из водного раствора щелочи, может разрушаться под действием диоксида углерода и прочих примесей, содержащихся в воздухе, в процессе циркуляции и использования.
Далее, согласно другому варианту осуществления системы обработки воды по настоящему изобретению, 2-ое, 3-е, … и n-ое устройства для электролиза водного раствора щелочи и 2-ой, 3-ий, … и n-ый щелочные топливные элементы соединены с устройством для электролиза водного раствора щелочи 1 и щелочным топливным элементом 2 в каскадном режиме, соответственно. Раствор электролита, электролитически обработанный с помощью устройства для электролиза водного раствора щелочи, подают в по меньшей мере одно из 2-го, 3-его, … и n-ого устройств для электролиза водного раствора щелочи, и осуществляют электролитическую обработку таким же образом, как и в устройстве 1 для электролиза водного раствора щелочи. Образовавшиеся газообразный кислород и газообразный водород подают в по меньшей мере один из щелочного топливного элемента 2 и 2-ого, 3-его … и n-ого щелочных топливных элементов. По меньшей мере часть газообразного кислорода и газообразного водорода используют для выработки электрической мощности с помощью по меньшей мере одного из щелочного топливного элемента и 2-ого, 3-его… и n-ого щелочных топливных элементов, электрическую энергию накапливают, и образуется вода. Накопленную электрическую энергию подают в по меньшей мере одно из устройства для электролиза водного раствора щелочи и 2-го, 3-его, … и n-ого устройств для электролиза водного раствора щелочи для продолжения электролитической обработки. Воду, образующуюся при выработке электрической мощности с помощью щелочного топливного элемента и 2-ого, 3-его … и n-ого щелочных топливных элементов, используют в качестве добавочной воды для возмещения потери сырьевой воды при электролитической обработке при посредстве по меньшей мере одного из устройства для электролиза водного раствора щелочи и 2-го, 3-его, … и n-ого устройств для электролиза водного раствора щелочи. Объем сырьевой воды, уменьшенный при помощи устройства для электролиза водного раствора щелочи, дополнительно уменьшают с помощью 2-го, 3-его, … и n-ого устройств для электролиза водного раствора щелочи.
Фиг. 4 иллюстрирует один из примеров, где 2-ое, 3-е, … и n-ое устройства для электролиза водного раствора щелочи и 2-ой, 3-ий, … и n-ый щелочные топливные элементы соединены с устройством для электролиза водного раствора щелочи 1 и щелочным топливным элементом 2 в каскадном режиме.
В качестве сырьевой воды используют загрязненную воду. Сначала устройство для электролиза водного раствора щелочи запускают с помощью внешнего источника электрической мощности, и образующиеся газообразный водород и газообразный кислород направляют в щелочной топливный элемент. Электрическую энергию и воду накапливают с помощью щелочного топливного элемента. Электролиз осуществляют при помощи полученной электрической энергии. Образовавшуюся воду используют в качестве добавочной воды для устройства для электролиза водного раствора щелочи, электролиз водного раствора щелочи продолжают, и загрязненную воду, используемую в качестве сырьевой воды, концентрируют. Сконцентрированную загрязненную воду направляют во второе устройство для электролиза щелочного раствора, электрическую энергию и воду накапливают с помощью второго топливного элемента таким же образом, как было описано выше, и продолжают второй электролиз водного раствора щелочи.
Электролиз продолжают с помощью третьего и четвертого устройств для электролиза водного раствора щелочи таким же образом, благодаря чему дополнительно концентрируют сконцентрированную загрязненную воду.
При этом комбинация устройства для электролиза водного раствора щелочи и щелочного топливного элемента может быть изменена в соответствии с обрабатываемым количеством. Обычно обработку приемлемо осуществляют в четыре стадии, как показано на Фиг. 4.
Один из щелочного топливного элемента и 2-го, 3-его, … n-ого щелочных топливных элементов может использоваться для одного из устройств для электролиза водного раствора щелочи и 2-ого, 3-его, … n-ого устройств для электролиза водного раствора щелочи, или может использоваться для двух или более из устройств для электролиза водного раствора щелочи.
Кроме того, воду, накопленную со щелочного топливного элемента и 2-ого, 3-его, … n-ого щелочных топливных элементов, можно подавать, чтобы восполнить потери воды при электролизе в устройстве для электролиза водного раствора щелочи, или можно подавать в сырьевую воду, подлежащую концентрированию.
ОПИСАНИЕ ПРИМЕРОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Далее будут описаны примеры настоящего изобретения, однако настоящее изобретение не ограничивается представленными примерами.
Пример 1
Использовали жидкость, имитирующую сырьевую воду, содержащую тритиевую воду, не содержащую примесей (далее в данном документе также называемую "имитированная жидкость"); использовали имитированную жидкость со следующими компонентами.
Имитированная жидкость: 180 л,
6
Начальная концентрация трития в имитированной жидкости: 4,2×10 Бк/л.
Как видно на Фиг. 2, использовали резервуар 11 для хранения сырьевой воды, содержащий 180 л имитированной жидкости. В этом испытании имитированную жидкость подавали из резервуара 11 для хранения сырья в циркуляционную емкость 14 через ванну 12 для обработки. В частности, 9,67 л/день имитированной жидкости подавали с помощью насоса 18 из резервуара 11 для хранения сырья в циркуляционную емкость 14 через ванну 12 для обработки. В этом испытании имитированную жидкость непрерывно подавали в устройство для электролиза водного раствора щелочи.
В циркуляционную емкость 14 подают 9,60 л/день имитированной жидкости с помощью насоса 18 и подают водный раствор щелочи. В циркуляционной емкости 14 имитированная жидкость и водный раствор щелочи смешивают и доводят электролитический раствор до концентрации щелочи, составляющей 20 мас. %. Непрерывный электролиз проводят при циркуляции 9,67 л/день раствора электролита.
2
Объем раствора электролита в электролизере 13, содержащем водный раствор щелочи, составляет 30 л (два элемента объемом по 15 дм (каждый по 15 л)), объем раствора электролита в циркуляционной емкости 14, трубе и т.п. составляет 12 л. Таким образом, общий объем электролита электролитического процесса составляет 42 л. Раствор электролита, полученный смешиванием со щелочью в циркуляционной емкости 14 и отрегулированный до концентрации щелочи 20 мас. %, подавали в анодное отделение 15 электролизера 13, содержащего водный раствор щелочи, через трубу 19 контура циркуляции раствора электролита с помощью циркуляционного насоса 18, и подавали в катодное отделение 16 электролизера 13 для водного раствора щелочи через трубу 19 контура циркуляции раствора электролита с помощью циркуляционного насоса 18. В анодном отделении 15 образуется газообразный кислород, образующийся газообразный кислород и раствор электролита отделяют друг от друга. Отделенный раствор электролита рециркулировали в циркуляционную емкость 14 через трубу 19 контура циркуляции раствора электролита. В это же время в катодном отделении 16 происходило образование газообразного водорода, газ и жидкость разделяли, чтобы отделить друг от друга образовавшийся газообразный водород и раствор электролита. Отделенный раствор электролита рециркулировали в циркуляционную емкость 14 через трубу 19 контура циркуляции раствора электролита.
Как было описано выше, согласно этому варианту осуществления, раствор электролита, приготовленный из имитированной жидкости (сырьевой воды) и водного раствора щелочи, подвергали электролизу с помощью способа электролиза водного раствора щелочи, как показано на Фиг. 2, для разложения сырьевой воды на кислород и водород. Тритий, присутствующий в сырьевой воде в виде молекул воды, фракционировали из сырьевой воды в виде молекул трития. С помощью электролиза воду разлагали только на газообразные водород и кислород. Таким образом, после регулирования начальной концентрации щелочи проводили электролиз, при этом в рециркулированный раствор электролита подавали количество сырьевой воды (имитированной жидкости), соответствующее потерям воды при электролизе. При необходимости в сырьевую воду (имитированную жидкость) можно дополнительно добавлять дистиллированную воду или чистую воду для поддержания концентрации щелочи на уровне начальной концентрации.
В этом примере непрерывный щелочной электролиз в устройстве для электролиза водного раствора щелочи осуществляли в следующих условиях.
2
Электролитический элемент: использовали два элемента емкостью 15 дм (каждый по 15 л, всего 30 л).
2
Рабочая плотность тока: 40 А/дм.
Концентрация каустической соды (гидроксида натрия): NaOH, 20 мас. %.
Мембрана: диафрагма.
Анод/катод: материал на основе Ni + активное покрытие.
Циркуляция: внешняя циркуляционная система.
Водозапор: водозапорная система для регулирования давления газа.
2
Давление на катоде от 50 до 100 мм НO.
Объем раствора электролита: 42 л (электролитический элемент: 30 л, циркуляционная труба и т.д.: 12 л).
2
2
Электролитический ток составлял 600 А (15 дм × 40 А/дм).
При непрерывном электролитическом способе в процесс непрерывно подают количество имитированной жидкости (сырьевой воды), соответствующее разложившейся воде и потерям при электролизе, как было описано выше, так что физическая рабочая среда, включающая объем жидкости в электролизере и производительность циркуляционного насоса, в рамках процесса всегда остается неизменной. В том случае, когда имитированную жидкость (сырьевую воду) подавали непрерывно, операции осуществляли таким образом, чтобы поддерживать концентрацию трития в процессе на уровне концентрации в имитированной жидкости, благодаря чему концентрация в электролизере не повышалась. Таким образом, в таких условиях непрерывной работы газ, образующийся при электролизе, преобразуется в степени, соответствующей степени концентрации легкой воды и тритиевой воды.
Количество циркулирующего жидкого раствора электролита при этом составляло 42 л и, таким образом, объем воды, содержащей тритиевую воду, уменьшался со 180 л до 42 л в течение 15,2 дней (365 часов).
В устройстве для электролиза водного раствора щелочи электролиз начинали с помощью обычного источника возбуждения электрической мощности в начале электролиза. Когда количество газообразного кислорода, образующегося при электролизе, достигало 1,044 л, а количество газообразного водорода, образующегося при электролизе, достигало 2,088 л, газы подавали в щелочной топливный элемент, изображенный на Фиг. 3. В щелочном топливном элементе анионообменную мембрану, содержащую четвертичную аммониевую группу, импрегнировали раствором электролита, приготовленным из водного раствора щелочи, содержащего 20 мас. % NaOH, после чего в щелочной топливный элемент подавали газообразный кислород, образующийся при посредстве устройства для электролиза водного раствора щелочи, через канал 26, выполненный на стороне слоя 22 катализатора положительного электрода, а газообразный водород, образующийся при посредстве устройства для электролиза водного раствора щелочи, подавали в щелочной топливный элемент через канал 27, выполненный на стороне слоя катализатора отрицательного электрода.
Газообразный кислород, подаваемый в щелочной топливный элемент через канал 26, выполненный на стороне слоя 22 катализатора положительного электрода, проходит через газодиффузионный слой 23 и реагирует с водой под слоем 22 катализатора положительного электрода с образованием гидроксильных ионов (ОН). Гидроксильные ионы (ОН) перемещаются на сторону слоя катализатора отрицательного электрода, проходя через анионообменную мембрану 21, и реагируют с газообразным водородом с образованием воды. 60% газообразного водорода и газообразного кислорода, направленного в щелочной топливный элемент, участвовали в реакции получения электрической энергии и воды. Газообразный водород и газообразный кислород, не участвовавшие в реакции, сбрасывали в атмосферу.
Уравнения реакций, протекающих в щелочном топливном элементе, имеют следующий вид.
2
2
2
Суммарно: 2Н+O → 2НO,
2
2
-
-
Топливный электрод (отрицательный электрод): 2Н+4OН → 4НO+4е,
2
2
-
-
Кислородный электрод (положительный электрод): O+2НO+4е → 4OН.
В качестве материала положительного электрода и материала отрицательного электрода использовали электродный материал с платиновым катализатором или катализатором из сплава рутения и платины на углеродном носителе.
Полученную электрическую энергию направляли в устройство для электролиза водного раствора щелочи и использовали в качестве его источника электрической мощности. Воду направляли в устройство для электролиза водного раствора щелочи в качестве добавочной воды в устройстве для электролиза водного раствора щелочи.
Термодинамически 60% подаваемого газа возвращали в виде электрической энергии.
Пример 2
Использовали такую же методику, как описана в Примере 1, за исключением того, что сырьевую воду, использовавшуюся в Примере 1, заменяли чистой водой, и получали такие же результаты, как в Примере1.
Пример 3
Как показано на Фиг. 4, 2-ое, 3-е и 4-ое устройства для электролиза водного раствора щелочи и 2-ой и 3-ий щелочные топливные элементы соединяли с устройством 1 для электролиза водного раствора щелочи и щелочным топливным элементом 2 в каскадном режиме (т.е. последовательно), соответственно.
В качестве сырьевой воды (загрязненной воды) использовали 180 л имитированной воды, использовавшейся в Примере 1, и использовали раствор электролита (с концентрацией щелочи, составляющей 20 мас. %), приготовленный из загрязненной воды и водного раствора щелочи. Сначала устройство для электролиза водного раствора щелочи запускали с помощью внешней электрической мощности, и газообразный водород и газообразный кислород, полученные в результате электролиза щелочи, направляли в щелочной топливный элемент. Электрическую энергию и воду накапливали с помощью щелочного топливного элемента. Электролиз осуществляли при помощи полученной электрической энергии, образующуюся воду использовали в качестве добавочной воды в устройстве для электролиза водного раствора щелочи, электролиз водного раствора щелочи продолжали, и концентрировали загрязненную воду. Сконцентрированную загрязненную воду направляли во второе щелочное электролитическое устройство. Электрическую энергию и воду накапливали с помощью второго топливного элемента таким же образом, как было описано выше, и продолжали второй электролиз водного раствора щелочи.
Электролиз продолжали с помощью третьего и четвертого устройств для электролиза водного раствора щелочи таким же образом, благодаря чему сконцентрированную загрязненную воду еще более концентрировали.
В результате с помощью электролитической обработки с использованием устройства для электролиза водного раствора щелочи загрязненная вода была сконцентрирована в 3,2 раза при однокаскадной обработке и сконцентрирована не менее, чем в 100 раз от концентрации в сырьевой воде при осуществлении четырехстадийной каскадной обработки. Применение операции концентрирования тяжелой воды и выработанной электрической мощности топливного элемента позволяет сконцентрировать загрязненную воду и значительно уменьшить энергию, необходимую для обработки.
Промышленная применимость
Согласно настоящему изобретению, устройство для электролиза водного раствора щелочи и щелочной топливный элемент (AFC) объединяют друг с другом, благодаря чему каждую из электрической мощности, требующейся устройству, предназначенному для электролиза водного раствора щелочи, и щелочному топливному элементу, газообразного водорода и газообразного кислорода, служащих сырьем для электрической мощности, раствора электролита, приготовленного из водного раствора щелочи, и количества воды, соответствующего потерям сырьевой воды при электролитической обработке, рециркулируют и используют в системе обработки воды. Посредством этого сырьевые компоненты и промежуточные продукты полностью эффективно используются, благодаря чему устройство для электролиза водного раствора щелочи и щелочной топливный элемент могут работать эффективно. Как следствие, затраты на электрическую мощность могут быть значительно уменьшены, а газообразный кислород, образующийся при электролизе водного раствора щелочи, является высокочистым газообразным кислородом, благодаря чему не возникает проблема ухудшения раствора электролита. Поскольку электролит представляет собой водный раствор, оборудование является недорогостоящим, а система обработки воды может применяться для разнообразных целей.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
1: Устройство для электролиза водного раствора щелочи
2: Щелочной топливный элемент
3: Раствор электролита
4: Сырьевая вода
5: Вода
6: Газообразный кислород
7: Газообразный водород
9: Электрическая энергия (электрическая мощность)
10: Вода
11: Резервуар для хранения сырьевой воды
12: Ванна для обработки сырьевой воды
13: Электролизер для водного раствора щелочи
14: Циркуляционная емкость
15: Анодное отделение
16: Катодное отделение
17: Диафрагма
18: Насос
19: Труба контура циркуляции раствора электролита
20: Сепаратор
21: Анионообменная мембрана
22: Слой катализатора положительного электрода
23: Газодиффузионный слой
24: Слой катализатора отрицательного электрода
25: Газодиффузионный слой
26: Канал для газообразного кислорода
27: Канал для газообразного водорода.