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

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)對水中氚進行放射性測量，需要先將樣品進行氚濃集。

電解技術(shù)是實現(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，國際原子能委員會和我國部分單位采用堿式電解法，效率低、腐蝕性強、體積濃縮率受限且存在安全隱患，市場上無成套設備出售，需應用單位自行設計，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用，該方法對純水進行電解，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99.999％，被認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備和相應濃集方法，以實現(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備，用于對水中的氚進行濃集。氚水電解濃集設備包括：電解槽，用于對氚水進行電解，其包括進水口、氫氣出口和氧氣出口；一個樣品瓶，其包括進樣口和出水口，進樣口用于將樣品氚水導入樣品瓶，出水口用于將樣品氚水導出，出水口連接到電解槽的進水口；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，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。

氚水電解濃集設備優(yōu)選地還包括冷卻裝置，用于對氧氣排放裝置中的氧氣和/或氫氣排放裝置中的氫氣進行冷卻。冷卻裝置可以包括冷凝管。進一步優(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水口之間的管道附近，用于在管道中無水時停止電解槽的電解。

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備進行氚水電解濃集。氚水電解濃集方法包括步驟：將氚水樣品注入樣品瓶；用電解槽對氚水進行電解；用質(zhì)量流量計測量陰極產(chǎn)生的氫氣量；當氫氣量達到設定值或光電開關(guān)檢測到樣品瓶的出水口和電解槽的進水口之間的管道無水時，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)子交換膜電解槽對低水平氚水電解濃集，通過測量陰極產(chǎn)生的氫氣量對濃集液的死體積進行修正，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備結(jié)構(gòu)設計簡單，操作方便，電解效率高，體積濃集率計算準確，安全無污染。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當限定。在附圖中：

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

圖2是根據(jù)本發(fā)明實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)明具體實施例的氚水電解濃集設備的結(jié)構(gòu)示意圖；

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

在這些附圖中，使用相同的參考標號來表示相同或相似的部分。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，以下結(jié)合附圖及具體實施例，對本發(fā)明作進一步地詳細說明。

在以下描述中，對“一個實施例”、“實施例”、“一個示例”、“示例”等等的引用表明如此描述的實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，但并非每個實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，重復使用短語“在一個實施例中”雖然有可能是指代相同實施例，但并非必然指代相同實施例。

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

圖1示出根據(jù)本發(fā)明實施例的用于對水中的氚進行濃集的氚水電解濃集設備100。

氚水電解濃集設備100包括電解槽102、一個樣品瓶104、氧氣排放裝置106和氫氣排放裝置108。

電解槽102用于對氚水進行電解，其包括進水口、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包括進樣口和出水口，進樣口用于將樣品氚水導入樣品瓶104，出水口用于將樣品氚水導出，出水口連接到電解槽102的進水口。

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，用于測量電解產(chǎn)生的氫氣累積質(zhì)量流量。

氚水電解濃集設備100還可以包括冷卻裝置，用于對氧氣排放裝置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的進水口之間的管道附近，用于在管道中無水時停止電解槽102的電解。

圖2示出根據(jù)本發(fā)明實施例的使用圖1所示氚水電解濃集設備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對氚水進行電解。

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

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

接下來詳細描述根據(jù)本發(fā)明一個具體實施例的氚水電解濃集設備，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的正負極分別與電源10正負極相連，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在電解過程中對質(zhì)子交換膜電解槽1和氣體排放系統(tǒng)4進行冷卻。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的進樣口14用于每次將電解濃縮前的初始樣品氚水導入樣品瓶。取樣口17用于電解濃縮后的濃縮液導出樣品瓶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5安裝在氫氣排放管20上，為熱式氣體質(zhì)量流量計，無須溫度和壓力補償，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)，利用空氣和水對光線效果的不同，對管道中是否有液體進行判斷，當檢測到管道中無液體時，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)樣品進行電解，同時測量陰極產(chǎn)生的氫氣量；

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

(5)記錄氫氣累積質(zhì)量M，同時將氚水濃集液收集并稱量V₂；

(6)計算濃集液死體積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)明實施例的氚水電解濃集設備：

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)明實施例的氚水電解濃集設備：

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)，且死體積的變化大，各裝置之間甚至同一臺裝置每次實驗之間，死體積偏差很大，下表給出了中國地質(zhì)科學研究院8臺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)子交換膜電解槽對低水平氚水電解濃集，通過測量陰極產(chǎn)生的氫氣量對濃集液的死體積進行修正，具備固體聚合膜的全部優(yōu)點，同時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99.999％，通過熱式氣體質(zhì)量流量計測量電解產(chǎn)生的氫氣累積質(zhì)量，可以對每次電解過程中的死體積精確計算，提高測量精度。

B、傳統(tǒng)固體聚合膜電解槽設有2個樣品瓶，利用透明玻璃管將2個樣品瓶的底部相連，構(gòu)成連通器，氫氣和氧氣排氣管分別從底側(cè)進入樣品瓶然后鼓泡而出，結(jié)構(gòu)復雜；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)還必須對樣品瓶進行冷卻。本發(fā)明僅設置一個樣品瓶，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)的巧妙設計使得裝置得以簡化。

以上所述僅為本發(fā)明的實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領域的技術(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、改進等，均應包含在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍之內(nèi)。