[发明专利]一种轻水制取超轻水的方法及设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种轻水制取超轻水的方法及设备，属于核应用技术领域。

背景技术

众所周知，自然界中存在的水一般由2个氢原子和1个氧原子组成（H₂O），但氢原子有质量不同的三个同位素，质量为1的是氢(H)：质量数2的是重氢（D）:质量数为3的是超重氢（T）。由质量数为1的氢（H）同氧化合的水称为轻水，质量数为2和3的重氢、超重氢同氧化合的水分别称为重水、超重水。自然界的水中，重氢的含量约为150ppm。

国内外研究表明，水中氘（重氢）的存在对生命体的生存发展和繁衍是有害的。水中不论氘的含量的多少对生命体都是有毒的，氘置换氢原子可以在DNA的螺旋结构中产生附加应力，造成双螺旋的相移、断裂、替换、使核糖核酸棑列混乱，甚至重新合成，出现突变。高含量的氘对人体的遗传、代谢和酶系等有不良应响。氘含量越高对生命体的毒害就越大，包括人在内的各种动植物生命体对于自然界中的150ppm的氘含量已经产生了适应性。    

超轻水是采用非常先进的高科技制造技术把自然界水中的重氢去除，降低了自然界水中的氘含量的水。其英文名称是：Deuterrium Depleted Water,简称为：DDW（超轻水）。

近年来，超轻水（氘含量≦125PPm）作为饮用水已进入欧洲、美国和日本市场。超轻水的制备目前有两种方法，一种是采用蒸馏的方法，蒸镏需要高理论塔板数的蒸镏塔，该方法设备体积庞大，设备复杂，投资高。另一种方法是电解法，2005年美国专利(US2005/0109604 AI)公开了Zlotopolskt〝以海水为原料生产超轻水的设备〞的发明，该发明对海水淡化处理，主要是利用一快黑色的微孔亲水的高分子材料制成的板面吸收太阳能和燃料电池产生的余热通过热交换器加热黑板，使黑板上海水蒸发并收集由蒸气冷凝成水的装置，冷凝水由泵经过虑器注入电解槽电解产生的氢和氧送入作为合成反应器的燃料电池，氢和氧在燃料电池内化合产生超轻水，产生的电能返回电解槽补充电力，超轻水中氘含量在50PPm左右。该发明的电解槽和合成反应器（燃料电池）是采用了现有技术，电解槽采用加拿大斯图尔特能源系统公司的工业制氢隔膜IMET电解槽，每小时电解氢能力为1-60立方米.作为反应器的燃料电池采用美国Astris能源公司或英国TeTek电利公司的碱性电池。专利没有对其结构进行说明，该发明主要特点是注重环保和能源的综和利用，能耗较低。由于工业制氢是隔膜电解槽，没有考虑电解过程中氘和氕的最佳分离系数，电解槽结构、电极以及电解槽的工作条件没有充分考虑，不利于氢同位素的分离，因采用工业制氢电解槽氕氘分离系数小所以合成的超轻水中氘含量只能在50PPm以上。合成反应器采用了燃料电池，技术虽然先进但其设备复杂，成本高，投资较大，目前还难以产业化。对电解用水采用了太阳能海水淡化技术虽然环保但增加了水的处理难度，设备投资大。

发明内容

本发明提供了一种安全可靠，工艺简单的以轻水为原料制取超轻水的方法及设备。

本发明的技术方案如下：

一种轻水制取超轻水的方法，包括如下步骤：

（1）轻水去离子处理，轻水经过阴离子交换树脂柱和阳离子交换树脂柱脱去水中的阴阳离子，以避免有害物质在电极上沉积。

（2）在6℃-18℃的温度条件下，将轻水与电解质氢氧化钾混合，混合比例为质量百分比5-8%；待氢氧化钾充分溶解后，将含有5-8%氢氧化钾的轻水（电解液）送入无隔膜减容电解槽，并产生氧气和氕气。维持较低的电解温度可以降低槽内电阻，利于槽内液体均匀混合，提高电解混合气中氕气的浓度，降低氘含量。在电解过程中不断补充轻水，使极板始终保持在电解液内，延缓电解液中氘浓度的增加，有利于气相中氘浓度的降低，从而保证电解过程的安全。

（3）催化合成超轻水：将电解槽电解生成的氧、氕(氘)混合气经阻火器、干燥器送入合成反应器，在合成反应器中先通过混和合室、阻火层、催化剂层，混合气在催化剂层内在钯催化剂的作用下形成水蒸汽通过冷凝器冷凝形成的蒸馏水即为超轻水。

低温电解为间歇操作，在填料和开车前电解槽，合成反应器均应抽真空，真空度为1×10^-1-1×10^-2帕。

合成反应器的炉体底部设有喷嘴，喷嘴上方设有气体混合区、阻火区和合成区，阻火区内装有细粒石英沙，合成区内装有钯催化剂。

合成反应所用催化剂为钯催化剂，载体为直径2-3毫米的三氧化二铝γ-Al₂lO₃球型颗粒，催化剂钯含量为0.2-0.4%。