[发明专利]一种用于氚浓集的SPE电解系统及其实现方法

说明书

技术领域

本发明涉及化工和核技术及设备领域，具体涉及的是一种用于氚浓集的SPE电解系统及其实现方法。

背景技术

核电站运行过程会产生含氚废水，如果不能合理处置放射性含氚废水，将会造成严重的环境污染。而且自然界中氚的丰度极低，含氚水中氚的回收具有很高的经济价值。因此，开发高效、节能、环保、低成本的水去氚化技术和装备，对于回收氚元素，并使废水达到环境排放指标，都具有非常重要的意义。

固体聚合物电解质(Solid Polymer Electrolyte,SPE)电解，即SPE电解，对于含氚水氚富集过程具有明显的优势：(1)固体聚合物电解质膜具有优异的氢同位素分离性能，氚T⁺透膜能力远小于氢H⁺，使得SPE电解产生贫氚氢气的同时，将氚浓缩于液相；(2)SPE膜还具有优良的抗辐照性能，对于辐射性氚的处理具有显著的耐久性。目前已有的电解-催化交换水去氚化的工艺(CECE)，将SPE电解与氢同位素催化交换工艺耦合，具有非常高的去氚因子。

SPE电解用于氚富集过程时要求具有较高的处理量，需要开发完善高效的工艺系统，确保系统安全运行的同时，提高系统处理含氚水的能力；同时必须增大膜电极组件(Membrane Electrode Assemblies,MEA)的工作效率，双极板流场的改良对于降低接触电阻、改善传质效率、提高电解效率并降低电解成本至关重要。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种用于氚浓集的SPE电解系统及其实现方法，可以方便、准确地控制含氚水浓集过程，满足氚浓集过程的全部工艺需求，并显著提升了工艺处理效率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种用于氚浓集的SPE电解系统，包括电解池系统、含氚水供应系统、气液分离器、氚水收集系统、氢气干燥系统、氧气干燥系统、氢气收集系统、产品氧气收集储罐、冷凝系统以及检测和控制系统；其中：

所述电解池系统用于电解含氚水，获得氚浓集水相和贫氚氢气；其包括SPE电解池模块和直流电源，所述的SPE电解池模块包括依次叠加组装的阳极双极板、阳极密封圈、阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极扩散层、阴极密封圈和阴极双极板；所述阳极双极板连接阳极扩散层的表面上刻有阳极双极板流道，且该双极板流道中设有含氚水入口和水氧出口；所述阴极双极板连接阴极扩散层的表面刻有阴极双极板流道，且该双极板流道只设有氢气出口；所述的直流电源正极连接阳极双极板，负极连接阴极双极板；

所述含氚水供应系统与阳极双极板上的双极板流道中的含氚水入口连接，用于向SPE电解池模块供应含氚水，并将SPE电解后未达到氚浓缩指标的含氚水循环引入SPE电解池模块中继续处理；

所述气液分离器分别与SPE电解池模块中的水氧出口、氚水收集系统、氧气干燥系统连接，用于将SPE电解池模块流出的富氚水和氧气两相混合物进行气液分离，使氧气进入氧气干燥系统，富氚水进入氚水收集系统；

所述氚水收集系统与含氚水供应系统连接，用于检测由气液分离系统流出的富氚水浓度，收集达到浓集指标的含氚水，并将浓度未达标的含氚水循环输入含氚水供应系统；

所述氢气干燥系统用于干燥由SPE电解池模块中的氢气出口流出的贫氚氢气，并且可以实现分子筛干燥床同时干燥和活化并保证工艺连续不中断的目标；其包括均与氢气出口连接、且呈并联关系的第一分子筛干燥床和第二分子筛干燥床，设置在第一分子筛干燥床上用于对其进行加热的第一分子筛干燥床加热器，设置在第二分子筛干燥床上用于对其进行加热的第二分子筛干燥床加热器，同时与第一和第二分子筛干燥床连接的第一气体压缩机和第一气体加热器，同时与第一分子筛干燥床和第二分子筛干燥床连接、用于活化时除去分子筛干燥床中的水蒸气的第一冷凝器，以及与第一冷凝器连接的第一气体循环泵；所述第一气体压缩机与氢气收集系统连接；