[發(fā)明專利]一種分離天然水制備貧氘水和富氘水的系統(tǒng)及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811216421.2
• 申請(qǐng)日: 2018-10-18
• 公開（公告）號(hào): CN109455669B
• 公開（公告）日: 2020-05-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 姚勇;文明;鄧立;李佩龍;陳軍;陳俊光;陳閩;陳克琳;黃國強(qiáng)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國工程物理研究院材料研究所
• 主分類號(hào): C01B5/00
• 分類號(hào): C01B5/00;C01B5/02;C02F1/02;B01D59/02
• 代理公司: 成都眾恒智合專利代理事務(wù)所(普通合伙) 51239
• 代理人: 唐健玲

本發(fā)明公開了一種分離天然水制備貧氘水和富氘水的系統(tǒng)，系統(tǒng)的核心是由多個(gè)分離柱按順序依次首尾連接形成的閉合回路，系統(tǒng)還包括原料水儲(chǔ)罐、富氘水儲(chǔ)罐、貧氘水儲(chǔ)罐、計(jì)量泵、汽化器以及連接上述器件的管道及閥門。其采用模擬移動(dòng)床原理進(jìn)行分離，通過分離柱順序加熱/冷卻及單向閥控制，原料水蒸汽在分離柱構(gòu)成的閉合回路內(nèi)循環(huán)移動(dòng)，隨著循環(huán)次數(shù)增加獲得不斷增大的氘濃度梯度，分離柱經(jīng)過一定次數(shù)的加熱冷卻循環(huán)后，從加熱回路近端的分離柱頂部提取富氘水，從加熱回路遠(yuǎn)端的分離柱底部提取貧氘水。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、填料廉價(jià)、控制方便，設(shè)備規(guī)模更小，建造成本更低，可以采用半連續(xù)模式直接對(duì)天然水進(jìn)行分離操作制得貧氘水和富氘水。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及水處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種分離天然水制備貧氘水和富氘水的系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

低氘水是指氘含量低于150ppm的水，經(jīng)過匈牙利科學(xué)家Gabor Somlyai和日本神奈川大學(xué)關(guān)邦博等的試驗(yàn)證明，低氘水有多種有益于人體的生物效應(yīng)：活化人體細(xì)胞、增強(qiáng)人體免疫力、防癌保健功能等。低氘水是目前國際上結(jié)合癌癥治療的重要輔助產(chǎn)品，世界上一些有條件的國家都在致力于低氘水的研究開發(fā)，如日本、美國、羅馬尼亞等已將產(chǎn)品投入市場(chǎng)，在癌癥治療領(lǐng)域已領(lǐng)先應(yīng)用。另一方面，氘含量很高的重水(D₂O)也有極其重要的用途。重水可以用作核反應(yīng)堆的慢化劑，減小中子速度，控制核裂變過程；重水在研究化學(xué)和生理變化中是一種寶貴的示蹤材料，如可以測(cè)定水在植物及動(dòng)物體中的新陳代謝過程；此外，核磁共振分析若研究對(duì)象是氫，也采用重水作為溶劑。

低氘水和重水生產(chǎn)的原料都是資源豐富、價(jià)格低廉的天然水，目前生產(chǎn)低氘水及重水的方法主要有高塔分層蒸餾法和水/氫雙溫交換法。蒸餾法基于天然水多種組分(如H₂O、HDO，以及極少量D₂O)的不同揮發(fā)性，在氣、液兩相共存期間可以發(fā)生氫同位素分離。在蒸汽在上升過程中，H₂O由于揮發(fā)度較高在柱頂端被逐漸富集，液體在逐級(jí)溢流到塔底的過程中，HDO(包括極少量D₂O)由于揮發(fā)度較低在柱底端被逐漸富集。水蒸餾法的優(yōu)點(diǎn)是不需要使用催化劑或化學(xué)試劑，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、成熟；但由于分離系數(shù)很小，約1.03～1.06，因此需要串聯(lián)很多分離級(jí)，故設(shè)備高大、復(fù)雜，建設(shè)投資大；此外，由于需要反復(fù)冷凝及汽化，生產(chǎn)過程中需要處理的水量非常大，能源消耗大，運(yùn)行費(fèi)用高。水/氫雙溫交換法是基于氫同位素在各反應(yīng)分子間的非等幾率平衡分布特性，交換反應(yīng)的分離系數(shù)α隨溫度變化而變化，當(dāng)溫度越高α越趨于1。在冷塔內(nèi)氘自氣相向液相中富集，在熱塔中因溫度升高α減小，所以發(fā)生相反的傳質(zhì)過程，即氘又從液相轉(zhuǎn)入氣相內(nèi)。這樣利用低溫主塔即冷塔進(jìn)行富集，用高溫輔助塔即熱塔實(shí)現(xiàn)相轉(zhuǎn)換，從而水被貧化形成低氘水。但水/氫雙溫交換法的工業(yè)化應(yīng)用存在下述問題：一方面是冷塔必須使用價(jià)格昂貴的鉑基疏水催化劑作為填料，系統(tǒng)建造成本較高；另一方面是水/氫同位素的交換反應(yīng)包括液相催化交換和蒸汽相催化交換兩個(gè)連續(xù)過程，溫度及流量等參數(shù)控制較為復(fù)雜。

日本的研究表明硅膠、活性氧化鋁和5A分子篩作為填料，在固定床載氣流通模式下對(duì)氚化水(HTO)與輕水(H₂O)具有分離效果。但目前采用上述無機(jī)填料的水分離研究均只采用小規(guī)模固定床載氣吹掃模式，床體穿透后分子篩填料內(nèi)有大量的水殘留，需要進(jìn)行復(fù)雜的再生處理才能重新使用，分離效率低，不具備實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明基于上述問題，提出了一種分離天然水制備貧氘水和富氘水的系統(tǒng)，相對(duì)于傳統(tǒng)的蒸餾法、雙溫交換法，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、填料廉價(jià)、控制方便，設(shè)備規(guī)模更小，建造成本更低，可以采用半連續(xù)模式直接對(duì)天然水進(jìn)行分離操作制得貧氘水和富氘水。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：