[發明專利]一種從核廢水中分離濃縮重水的膜蒸餾裝置和方法

有效

• 申請號: 202110720872.5
• 申請日: 2021-06-28
• 公開（公告）號: CN113354013B
• 公開（公告）日: 2022-09-09
• 發明（設計）人: 唐娜;馬琦璇;高一方;黃傳峰;項軍;程鵬高
• 申請（專利權）人: 天津科技大學
• 主分類號: C02F1/08
• 分類號: C02F1/08;G21F9/08
• 代理公司: 北京市領專知識產權代理有限公司 11590
• 代理人: 鐘華;任永利

本發明公開一種從核廢水中分離濃縮重水的膜蒸餾裝置，包括：上側端板(1)、下側端板(2)和膜分離濃縮組件(3)；上側端板(1)包括熱側物料入口(11)、冷側物料出口(12)、冷卻物料入口(13)、加熱物料出口(14)；下端板(2)包括熱側物料出口(21)、冷側物料入口(22)、冷卻物料出口(23)、加熱物料入口(24)；膜分離濃縮組件(3)包括多級串聯的濃縮室(31)、多級串聯的透過室(32)、輔熱室(33)和冷卻室(34)。本發明膜蒸餾裝置實現了組件內部多級膜蒸餾過程，避免外加輔助設備。同時，本發明通過調節冷卻室(32)、輔熱室(33)的厚度來平衡因料液重水比例增加而造成的滲透通量降低，提高分離效率，減少熱量損失。

技術領域

本發明屬于膜蒸餾技術領域，具體涉及一種從核廢水中分離濃縮重水的膜蒸餾裝置和方法。

背景技術

重水的主要用途是在核反應堆中做“減速劑”，減小中子速度，控制核裂變過程，同時作為冷卻劑。重水研究化學和生理變化中是一種寶貴的示蹤材料，當前的價格16元/mg，是非常昂貴的工業原料。重水雖然在尖端技術上是寶貴的資源，但對人卻是有害的。從核廢水中實現重水濃縮分離技術的重點是盡可能的回收濃縮重水與此同時減少其向自然界排放，產生污染。

采用電解法進行重水分離，因為輕水通電后會產生氫氣和氧氣而重水無法電解，這樣可以從輕水中把它分離出來。此種方法一方面對于重水含量較低的體系來說將輕水完全電離是難以實現的。另一方面過程消耗的電能巨大成本高昂。

金子克美等人發明了一種以低成本制造低氘水的工藝過程。是一種從水中將重水及半重水除去來制造低氘水的方法，具有吸附工序，在該吸附工序中，采取特殊的吸附材料，重水及半重水吸附于吸附材料而輕水難以吸附，以實現組分分離。其優點在于能夠實現較為高效的分離效果，但特殊的吸附材料造價昂貴、難以實現批量生產。

重水在天然水中的濃度約為0.014％，余國琮所帶領團隊為提取純度達99.9％的重水提供了關鍵設計，實現了重水生產的突破。但傳統的精餾方式存在設備造價高、占地面積大、耗能高等缺點。

膜蒸餾過程是利用疏水性微孔膜兩側的溫度差所產生的蒸汽壓差作為推動力，來實現溶質和溶劑分離的膜過程。膜蒸餾技術作為一種將傳統蒸發與膜技術相結合的新型膜技術，與電解、吸附、傳統蒸發等工藝相比，在重水濃縮分離方面具有較為明顯的優勢：①膜蒸餾依靠蒸汽壓差作為推動力來實現溶質和溶劑分離，其能耗和對裝置安全性的要求均顯著低于其他工藝；②由于膜具有在無靜壓力差的情況下只允許氣體透過膜，而截留液體的特點，使得其具有濃縮效率高，可以實現高品位濃縮；③與傳統蒸發相比，膜蒸餾裝置簡便、占地面積少、可以利用低品位熱源(太陽能、地熱、廢熱、余熱等)、經濟性高。因此，膜蒸餾技術為重水濃縮分離提供了一種新的思路。

現有技術對核廢水中重水的進行濃縮處理時，傳統精餾、電解設備占地面積大投入成本高。由于重水與普通水物理化學性質較為接近，如何實現有效分離提高分離效率是目前膜蒸餾技術面臨的技術難題。現有的膜蒸餾過程中汽化潛熱的存在降低了熱能的利用率，從而產生能耗成本。

美國專利3562116，用疏水微孔膜孔膜替代精餾塔板分離重水，減少了裝置的占地面積，但組件的結構復雜，分離效果較低。

中國專利申請201110428029.6，將有限數量的膜蒸餾組件通過外部串聯以獲得多級效果。但外部設備的投入限制了其膜蒸餾級數的增加，不能適應相對揮發度較低物料的分離。

中國專利申請201410458960.2，通過設置隔板開孔的不同位置使得膜組件中熱料液串聯，但其熱液室和冷液室相互接觸傳熱，降低了熱效率。

中國專利申請201910768135.5，發明了一種能量回收利用的膜蒸餾系統采用氣隙回收滲透蒸汽的能量，使得傳質阻力變大，滲透通量較低。

為了解決以上問題，提出本發明。

發明內容