本發(fā)明涉及環(huán)境放射性測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種氚水電解濃集設(shè)備和方法。

背景技術(shù)：

自然環(huán)境水中氚的活度一般低于現(xiàn)有液體閃爍計(jì)數(shù)器的最小探測限(約1Bq/L)，GB/T 12375-1990給出水中氚的探測下限為0.5Bq/L，利用液閃技術(shù)對(duì)水中氚進(jìn)行放射性測量，需要先將樣品進(jìn)行氚濃集。

電解技術(shù)是實(shí)現(xiàn)水中氫、氚分離的重要手段，分為堿式電解、固體聚合膜電解和質(zhì)子交換膜電解三大類。在低水平氚水電解濃集方面，國際原子能委員會(huì)和我國部分單位采用堿式電解法，效率低、腐蝕性強(qiáng)、體積濃縮率受限且存在安全隱患，市場上無成套設(shè)備出售，需應(yīng)用單位自行設(shè)計(jì)，不易推廣；日本于1996年首次提出固體聚合膜氚電解裝置，并在我國逐步得到了應(yīng)用，該方法對(duì)純水進(jìn)行電解，電解效率高，不存在污染和體積濃集率限制，但濃集液的死體積量較大且極不穩(wěn)定，使得測量精度變差。

低水平氚水電解濃集和水電解制氫的原理相同。在水電解制氫領(lǐng)域，質(zhì)子交換膜可以在較高的電流下工作而不降低電解效率，陰極效率可達(dá)99.999％，被認(rèn)為是目前最有前景的水電解技術(shù)。

因此，環(huán)境低水平氚水的前處理可以借鑒質(zhì)子交換膜水電解制氫技術(shù)，提出一種安全、高效和穩(wěn)定的電解濃集流程。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的在于提供一種氚水電解濃集設(shè)備和相應(yīng)濃集方法，以實(shí)現(xiàn)環(huán)境低水平氚水安全、高效和穩(wěn)定的電解濃集。

根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種氚水電解濃集設(shè)備，用于對(duì)水中的氚進(jìn)行濃集。氚水電解濃集設(shè)備包括：電解槽，用于對(duì)氚水進(jìn)行電解，其包括進(jìn)水口、氫氣出口和氧氣出口；一個(gè)樣品瓶，其包括進(jìn)樣口和出水口，進(jìn)樣口用于將樣品氚水導(dǎo)入樣品瓶，出水口用于將樣品氚水導(dǎo)出，出水口連接到電解槽的進(jìn)水口；氧氣排放裝置，其連接到電解槽的氧氣出口，用于向環(huán)境排出電解產(chǎn)生的氧氣；氫氣排放裝置，其連接到電解槽的氫氣出口，用于向環(huán)境排出電解產(chǎn)生的氫氣，氫氣排放裝置包括質(zhì)量流量計(jì)，用于測量電解產(chǎn)生的氫氣累積質(zhì)量流量。

優(yōu)選地，電解槽是質(zhì)子交換膜電解槽。質(zhì)子交換膜電解槽可以包括質(zhì)子交換膜電極、陽極板和陰極板。質(zhì)子交換膜電極優(yōu)選地是包括質(zhì)子交換膜、陽極催化劑和陰極催化劑的三合一零極距活性膜電極。

氚水電解濃集設(shè)備優(yōu)選地還包括冷卻裝置，用于對(duì)氧氣排放裝置中的氧氣和/或氫氣排放裝置中的氫氣進(jìn)行冷卻。冷卻裝置可以包括冷凝管。進(jìn)一步優(yōu)選地，氧氣排放裝置包括回流管，回流管位于冷卻裝置下方，其下端與樣品瓶連通，用于使蒸發(fā)的水蒸氣冷卻回流至樣品瓶。類似地，氫氣排放裝置包括回流管，回流管位于冷卻裝置下方，其下端與樣品瓶連通，用于使蒸發(fā)的水蒸氣冷卻回流至樣品瓶。

氚水電解濃集設(shè)備還可以包括光電開關(guān)，其位于樣品瓶的出水口和電解槽的進(jìn)水口之間的管道附近，用于在管道中無水時(shí)停止電解槽的電解。

根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種氚水電解濃集方法，使用前述氚水電解濃集設(shè)備進(jìn)行氚水電解濃集。氚水電解濃集方法包括步驟：將氚水樣品注入樣品瓶；用電解槽對(duì)氚水進(jìn)行電解；用質(zhì)量流量計(jì)測量陰極產(chǎn)生的氫氣量；當(dāng)氫氣量達(dá)到設(shè)定值或光電開關(guān)檢測到樣品瓶的出水口和電解槽的進(jìn)水口之間的管道無水時(shí)，結(jié)束電解濃集。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案利用質(zhì)子交換膜電解槽對(duì)低水平氚水電解濃集，通過測量陰極產(chǎn)生的氫氣量對(duì)濃集液的死體積進(jìn)行修正，解決了固體聚合膜低水平氚水電解過程中的死體積修正問題。本發(fā)明的氚水電解濃集設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單，操作方便，電解效率高，體積濃集率計(jì)算準(zhǔn)確，安全無污染。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的氚水電解濃集設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的干氚水電解濃集方法的流程示意圖；

圖3是根據(jù)本發(fā)明具體實(shí)施例的氚水電解濃集設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是根據(jù)本發(fā)明具體實(shí)施例的氣體排放系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

在這些附圖中，使用相同的參考標(biāo)號(hào)來表示相同或相似的部分。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說明。

在以下描述中，對(duì)“一個(gè)實(shí)施例”、“實(shí)施例”、“一個(gè)示例”、“示例”等等的引用表明如此描述的實(shí)施例或示例可以包括特定特征、結(jié)構(gòu)、特性、性質(zhì)、元素或限度，但并非每個(gè)實(shí)施例或示例都必然包括特定特征、結(jié)構(gòu)、特性、性質(zhì)、元素或限度。另外，重復(fù)使用短語“在一個(gè)實(shí)施例中”雖然有可能是指代相同實(shí)施例，但并非必然指代相同實(shí)施例。

為簡單起見，以下描述中省略了本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的某些技術(shù)特征。

圖1示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于對(duì)水中的氚進(jìn)行濃集的氚水電解濃集設(shè)備100。

氚水電解濃集設(shè)備100包括電解槽102、一個(gè)樣品瓶104、氧氣排放裝置106和氫氣排放裝置108。

電解槽102用于對(duì)氚水進(jìn)行電解，其包括進(jìn)水口、氫氣出口和氧氣出口。電解槽102可以是質(zhì)子交換膜電解槽。質(zhì)子交換膜電解槽一般包括質(zhì)子交換膜電極、陽極板和陰極板。質(zhì)子交換膜電極可以是包括質(zhì)子交換膜、陽極催 化劑和陰極催化劑的三合一零極距活性膜電極。

樣品瓶104包括進(jìn)樣口和出水口，進(jìn)樣口用于將樣品氚水導(dǎo)入樣品瓶104，出水口用于將樣品氚水導(dǎo)出，出水口連接到電解槽102的進(jìn)水口。

氧氣排放裝置106連接到電解槽102的氧氣出口，用于向環(huán)境排出電解產(chǎn)生的氧氣。

氫氣排放裝置108連接到電解槽102的氫氣出口，用于向環(huán)境排出電解產(chǎn)生的氫氣。氫氣排放裝置108包括質(zhì)量流量計(jì)，用于測量電解產(chǎn)生的氫氣累積質(zhì)量流量。

氚水電解濃集設(shè)備100還可以包括冷卻裝置，用于對(duì)氧氣排放裝置106中的氧氣和/或氫氣排放裝置108中的氫氣進(jìn)行冷卻。冷卻裝置可以包括適于冷卻高溫氣體的冷凝管等。進(jìn)一步，氧氣排放裝置106可以包括回流管，回流管位于冷卻裝置下方，其下端與樣品瓶104連通，用于使蒸發(fā)的水蒸氣冷卻回流至樣品瓶104。類似地，氫氣排放裝置108可以包括回流管，回流管位于冷卻裝置下方，其下端與樣品瓶104連通，用于使蒸發(fā)的水蒸氣冷卻回流至樣品瓶104。

氚水電解濃集設(shè)備100還可以包括光電開關(guān)，其位于樣品瓶104的出水口和電解槽102的進(jìn)水口之間的管道附近，用于在管道中無水時(shí)停止電解槽102的電解。

圖2示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的使用圖1所示氚水電解濃集設(shè)備100的氚水電解濃集方法。

在步驟S202中，將氚水樣品注入樣品瓶104。

在步驟S204中，用電解槽102對(duì)氚水進(jìn)行電解。

在步驟S206中，用氫氣排放裝置108中的質(zhì)量流量計(jì)測量陰極產(chǎn)生的氫氣量。

在步驟S208中，當(dāng)氫氣量達(dá)到設(shè)定值或光電開關(guān)檢測到樣品瓶的出水口和電解槽的進(jìn)水口之間的管道無水時(shí)，結(jié)束電解槽102的電解濃集。

接下來詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施例的氚水電解濃集設(shè)備，如圖3所示。

一種質(zhì)子交換膜氚水電解濃集裝置，包括質(zhì)子交換膜電解槽1、樣品瓶2、冷卻系統(tǒng)3、氣體排放系統(tǒng)4、質(zhì)量流量計(jì)5、光電開關(guān)6、閥門7/8、控制裝置9和電源10。質(zhì)子交換膜電解槽1的正負(fù)極分別與電源10正負(fù)極相連，樣品瓶2的出水口15與質(zhì)子交換膜電解槽1的進(jìn)水口16相連，氣體排放系統(tǒng)4與質(zhì)子交換膜電解槽1的氫氣出口和氧氣出口相連。樣品瓶2通過回流管道19(見圖4)與氣體排放系統(tǒng)4相連。冷卻系統(tǒng)3在電解過程中對(duì)質(zhì)子交換膜電解槽1和氣體排放系統(tǒng)4進(jìn)行冷卻。氧氣經(jīng)由氧氣排放口12排出，氫氣經(jīng)由氫氣排放口13排出。質(zhì)量流量計(jì)5安裝在氣體排放系統(tǒng)4的氫氣排放口13處。光電開關(guān)6安裝在樣品瓶2的出水口15與質(zhì)子交換膜電解槽1的進(jìn)水口16之間的管道上。取樣閥8通過三通閥7與質(zhì)子交換膜電解槽1的進(jìn)水口16相連，三通閥7的另一端連接樣品瓶2的出水口15，取樣閥8的另一端連接取樣口17?？刂蒲b置9與電源10、冷卻系統(tǒng)3、質(zhì)量流量計(jì)5和光電開關(guān)6相連。樣品瓶2通常固定在電解濃縮裝置中，不常更換。樣品瓶2的進(jìn)樣口14用于每次將電解濃縮前的初始樣品氚水導(dǎo)入樣品瓶。取樣口17用于電解濃縮后的濃縮液導(dǎo)出樣品瓶2。

質(zhì)子交換膜電解槽1由質(zhì)子交換膜電極、陽極板和陰極板組成，質(zhì)子交換膜電極為由質(zhì)子交換膜、陽極催化劑和陰極催化劑組成的“三合一”零極距活性膜電極，陽極板和陰極板分別刻有流場。

冷卻系統(tǒng)3包括排出氣體冷卻單元和電解槽冷卻單元，電解過程中排出氣體冷卻單元溫度控制在2-5攝氏度，電解槽冷卻單元溫度控制在8-10攝氏度。

氣體排放系統(tǒng)4由氫氣排出單元和氧氣排出單元組成，氫氣排出單元從下至上依次為氫氣輸出管18、回流管道19、冷凝管11和氫氣排放管20，氧氣排出單元從下至上依次為氧氣輸出管18、回流管道19、冷凝管11和氧氣排放管20。圖4示出氣體排放系統(tǒng)4的結(jié)構(gòu)示意圖。

質(zhì)量流量計(jì)5安裝在氫氣排放管20上，為熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)，無須溫度和壓力補(bǔ)償，可以直接測量出電解產(chǎn)生的氫氣累積質(zhì)量流量。

光電開關(guān)6為反射式光電開關(guān)，利用空氣和水對(duì)光線效果的不同，對(duì)管道中是否有液體進(jìn)行判斷，當(dāng)檢測到管道中無液體時(shí)，為防止質(zhì)子交換膜電 解槽1燒干，結(jié)束電解過程。

利用上述質(zhì)子交換膜氚水電解濃集裝置實(shí)現(xiàn)的質(zhì)子交換膜氚水電解濃集方法包括以下步驟：

(1)電解裝置利用去離子水電解清洗后備用；

(2)將初步蒸餾的水樣量取一定體積V₁注入樣品瓶；

(3)樣品進(jìn)行電解，同時(shí)測量陰極產(chǎn)生的氫氣量；

(4)當(dāng)氫氣產(chǎn)生量達(dá)到設(shè)定值或光電開關(guān)檢測到樣品瓶的出水口和電解槽的進(jìn)水口之間的管道無水時(shí)，樣品的電解濃集結(jié)束；

(5)記錄氫氣累積質(zhì)量M，同時(shí)將氚水濃集液收集并稱量V₂；

(6)計(jì)算濃集液死體積V_S和氚水體積濃集率ε，

其中，分別為氫氣和水分子的摩爾質(zhì)量。

與傳統(tǒng)堿式電解濃集裝置相比，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的氚水電解濃集設(shè)備：

A、便于加工且成本低。

B、電解質(zhì)不用任何試劑，不存在任何溶質(zhì)殘留物，因而操作簡單且無污染，同時(shí)水的體積濃集率不存在極限。

C、采用零極距活性膜電極技術(shù)，電解效率高，大大縮短了電解時(shí)間(以500mL水樣為例，從原來的5-7d縮短至24h)。

D、電解產(chǎn)生的氫氣和氧氣被陰極和陽極的半滲透膜隔離，然后分別排出系統(tǒng)，不會(huì)產(chǎn)生爆鳴氣體，安全性提高。

與傳統(tǒng)固體聚合膜電解濃集裝置相比，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的氚水電解濃集設(shè)備：

A、解決了電解濃集過程中的死體積問題。傳統(tǒng)固體聚合膜電解濃集裝 置的死體積量大(與電解濃集液的量幾乎相當(dāng))，且死體積的變化大，各裝置之間甚至同一臺(tái)裝置每次實(shí)驗(yàn)之間，死體積偏差很大，下表給出了中國地質(zhì)科學(xué)研究院8臺(tái)固體聚合膜電解濃集裝置的刻度結(jié)果：

本發(fā)明利用質(zhì)子交換膜電解槽對(duì)低水平氚水電解濃集，通過測量陰極產(chǎn)生的氫氣量對(duì)濃集液的死體積進(jìn)行修正，具備固體聚合膜的全部優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)解決了固體聚合膜低水平氚水電解濃集過程中的死體積修正問題。本發(fā)明的質(zhì)子交換膜電解槽陰極效率可達(dá)99.999％，通過熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)測量電解產(chǎn)生的氫氣累積質(zhì)量，可以對(duì)每次電解過程中的死體積精確計(jì)算，提高測量精度。

B、傳統(tǒng)固體聚合膜電解槽設(shè)有2個(gè)樣品瓶，利用透明玻璃管將2個(gè)樣品瓶的底部相連，構(gòu)成連通器，氫氣和氧氣排氣管分別從底側(cè)進(jìn)入樣品瓶然后鼓泡而出，結(jié)構(gòu)復(fù)雜；另一方面，氫氣和氧氣攜帶的熱量造成樣品的蒸發(fā)量增加，使得氚損失率增加，冷卻系統(tǒng)還必須對(duì)樣品瓶進(jìn)行冷卻。本發(fā)明僅設(shè)置一個(gè)樣品瓶，電解產(chǎn)生的氫氣和氧氣通過氣體排出單元排出，攜帶的水蒸氣被冷卻后通過回流管返回樣品瓶，通過氣體排放系統(tǒng)的巧妙設(shè)計(jì)使得裝置得以簡化。

以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍之內(nèi)。