автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.01, диссертация на тему:Разделение изотопов водорода изотопным обменом водород-вода в мембранных устройствах с твердым полимерным электролитом

химико-техно.погический университет им. Д. И. Менделеева

На правах рукописи

МОРОЗОВ АЛЕКСЕЙ ВАЛЕНТИНОВИЧ

РАЗДЕЛЕНИЕ ИЗОТОПОВ ВОДОРОДА ИЗОТОПНЫМ ОБМЕНОМ ВОДОРОД-ВОДА В МЕМБРАННЫХ УСТРОЙСТВАХ С ТВЕРДЫМ ПОЛИМЕРНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ

Оо. 17.01 — Технология неорганических веществ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации ид соискание ученой степени кандидата химических наук

Москва — 1993

Работа выполнена в Российском химико-технологическом университете им. Д. И. Менделеева.

Научный руководитель — кандидат химических наук, доцент М. Б. Розенкевич.

Официальные оппоненты: доктор химических наук Н. Ф. Мясоедов; доктор химических наук, профессор Г. Д. Клинский.

Ведущее предприятие — Специализированное конструкторское технологическое бюро: электролиза (г. Москва).

Защита диссертации состоится гУ¿¿¿¿^с^с 1993 г. в в ауд._^£на заседании специа-

лизированного совета Д 053.34.10 при РХТУ имени Д. И. Менделеева (125190, Москва, А-190, Миусская пл., дом 9).

С диссертацией можно ознакомиться в научно-, информационном центре РХТУ цм. Д. И- Д1енделее^ ва.

Автореферат разослан ¥(-¿-¿¿-¿^^ 1993 г,

Ученый секретарь специализированного совета

И. Н. КАМЕПЧУК

туллъкоогь таи.

В настоящее время с связи с обострением экологической ситуа-II в результате крупномасштабного применения тепловнх энергетиче-их установок очевидной становится неизбежность дальнейшего звптия ядерной и, в перспективе, термоядерной энергетики. Такая туация порождает ряд задач, связанных с разделением изотопов дорода, как то: получение тяжелой воды ( теплоноситель для неко-рик тшюв ядерных реакторов ), выделение трития из теплоносите-й водяных ядерных реакторов н рабочих потоков на предприятиях зрно-топливного цикла с ого последующим концентрированием и хороненном. С началом крупномасштабного примонония термоядерной хнологии возникнет несколько дополнительных задач, связаштх с попечением рециркуляции дейториЯ-тритиовоЯ смсси и экологической зопасности реактора.

Для решения задач, связшпшх с выделением трития, наиболее рспективнш в нос^ояеоо время считается метод изотопного обмена системе вода - Еодород. Преимуществами этого метода по сравнеию другими метода!,и разделения изотопов водорода являются внсокка ичения однократного коэффициента разделения и тот факт, что вода лнется одш!м из рабочих веществ, что устраняет в принципе необ-пимопть в дополнительной стадии процесса разделения, связашюЯ с реводом изотопов водорода из вода в иную химическую форму. Боль-чстга разработок в области практической реализации процесса зделения в системе вода - водород ориентирован!! на применение ггаротоп колонного типа с использованием гидрофобного платинового голизатора. Однако, такой метод не лишен недостатков, связпшмх, частности, с ограничениями по линейной скорости потока газа, что ранкчивает удольпую производительность установки.

Отсюда становится очевидной актуальность и целесообразность зработки альтернативных способов организации процесса каталпти-зкого изотопного обмена в системе сода - водород.

ш рабогы.

Целью настоящей работа является разработка нового способа гт,¡газации процесса изотопного обг.тапя в системе вода - водород, ювагоюго на нрженещти контактных устройств с тверда.) полпмер-» злоктролиточ, работающих в режиме элмпронореноса водорода,

состоящего в переноса водорода в виде солъватирораштнх протоне через твердогюлимернуго мембрану МФ-4СК иод действием приложение разности потенциалов. Конкретными задачами исследования на различ ных этапах являлись:

- Определение природа изотопного эФ!«ктя, сопровождающего процес электропереноса водорода в олектрохимнчееккх контактных устрой ствах с твердополимерным электролитам (ЭКУТЭ), измерение вели

■ чины коэффициента разделения;

Изучение основных зак'1И'1М<ч ноетей процесса влоктроперэнос водорода в ЭКУТЭ;

- Изучение кинетики и мехпнизмппроцне^а разделения изотопов водо рода в ЭКУТЭ.

НАУЧНАЯ НОЫЗНА.

Доказана возможность использования электрохимических ячеек твердым полимерным электролитом в качестве контактных устройст для проведения изотопного обмена в системе вода-водород.

Выяснены основный закономерноеги процесса элоктроперенос водорода в электроихмическом контактном ус.цюйстве о твердым поли мерным электролитом (ЭКУТЭ). показано, что изотопный эффект пр влектропереносе водорода определяется протеканием изотопного обме на между водой и водородом.на поверхности платинового электроката лизатора, причем ЭКУТЭ является эффективным устройством для провэ дения процесса каталитического изотопного обмена вода - водород.

Выяснен механизм процесса изотопного обмена меящу водой водородом при электропероиэсе водорода в ЭКУТЭ, определены лимита рущие стадии процесса. Найдено, что при высоких температурах (Т 353 К) электроперенос влияния на (эффективность .зотопного обмен практически не .оказывает. Это устраняет необходимость применена, влэктропервноса для интенсификации изотопного обмена, что сгошае вдвое аатраты платинового елоктрокатализатора.

ЦРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ.

Разработано новое контактное устройство для осуществления изотоп ного обмена вода-водород, имеот.зэ рад преимуществ по сравнению < традиционными. Полученные панные показывают перспективность даль нейших Исследований, направленных на совершенствование данноп устройства.

ИГРОБАЦИЯ РАБОТЫ.

Основные материалы работ докладывались на Московских город-жих коц||вронциях молодых учаных по химии и химической технологии :98а, 1989, 1990, 1991 гг., на 1П Всесоюзном симаозиуме по тгзер-дам электролитам (Минск, 1990), на VI Всесоюзной школа молодых и щещшлистов но проблемам водоричной энергетики и технологии (Светловой 1989) и на II Микдународном симпозиума по термоядерной 'ехнологии (Карлсруэ, Германия, 1991).

)МИ И СТРУКТУРА PA BOTH.

Диссертация состоит па ьнадвьия, шести глав, шгюдов и списка гитературц. Работа изложена на 1ЯН страницах машинописного текста, ¡одержит 15 таблиц и 28 рисунков. Описок литература включает 33 шименований.

[УВЛИКАНИИ PAH0TIJ. й

По материалам район« онуо.'.иковано 4 статьи, тазисп докладов -[а ощк.й всесоюзной конференции, одном международном и одном 1С6ШЮЗВОМ симпозиума.

ЮДЕГЖАМЕ РАБОТ».

5 ГЛам первой (введение} даьо обоснованно иктуьльности темы : сформулирована цель исследования.

й шааа ШШШ обзор.) проведено сравнение суще-

твуюлкх методов разделения изотопов водорода, показанн основные реимуиества метода каталитического изотопного обмена в системе ода - водород. Приведен обаср имсицадпя на сегодняшний день твх-ических решении в области практической реализации этого метода, писано устройство илектрохимическнх ячеек с твердополимер'нм лектролитс.м на основе мембран "Да Поп" и их аналогов. Дан обзор азлнчних областей применения устройств такого рода, в том числе и ля олоктролина води о долью оорьп.ыын потоков но пишем конце олошш изотопного обмени гона - водирод, приводами аипчеппя ко&ф-■ицичнтоь {одднлспин ньотопоп водорода н атом процессе.

Гяссчотреии ядоменты тории процессов, протекающие в Naflon -ллойшг мвчЗрздяч, сумость^ммп ня гсгодняпншй ден1. модели роцессов переноса протона через мембрану в аго-ктрическоч поде. В глнпс трети.'Й снтгслпгся c.yiiiiocti. щчщепсо элг1к1рг,переноса

Рис. 1 . Схема экспериментальной установки. 1 - баллон со смесь изотопов водорода; 2 - реометр; Э - мнноотат; 4+9 - краны; 10+11 обратные 'холодильники; 12 - анодное пространство ячейки; 13 катодное пространство ячейки} 14 - термостат; 15 - вакуум-насос.

чодорода в электрохимической ячейке с тсердополимэрным електроли том (ТЛЭ) . Основу экспериментальной установки составляет элвктро хзшическая ячейка на основе мембраны МФ-4СК толщиной 250 мкм : рабочей поверхностью 6.2 см2, покрытая с двух сторон слоем элект рокатализатора. Схема экспериментальной установки представлена н рис.I. Процесс электропереноса состоит в следующем. Газообразны; водород из баллона (I) через маностат (3) подается в анодное про странство ячейки (12). Далее водород проникает чарез вноднш коллектор тока из пористого титана, сорбируется на поверхности анодного олектрокатализатора, атомизируетсся и переносится в вид1 сольватированннх протонов вдоль силовых лилий электрического пол: к катодному электрокатализатору, на поверхности которого прок см

ат процесс, обратный процессу на анодном электрокатализаторе. В ззультате молекуляр'шй водород, пройдя через катодный коллектор эка, барботируот через слой поди, залитой в катодное пространство пя обеспечения увлажнения мембраны и выделяется п катодное прос-рансгво (13). Таким образом, 1гроцесс электропереноса сводится к эреносу водорода в виде оолъватированных протонов из анодного ространства в катодное под действием электрического поля.

О 0.2 0.4 0.6 0.8 I 1.2

и. в

293 К —303 К 313 К

' 32 3 К ~.333 К .363 К

о. 2. Вольтв!.;г»врныо характеристики процесса электр-парено^а.

Получени волътампоршнэ характеристики процесс:) олектроперано-в диапазоне тсмнсрщур 2С<1 + 363 к. Полученные дшпю представил пя рис.<''. ('пк видно ка рисулкд, характерной особенностью м.тагамрних упргкт^рго'гин г;п г-гом диапазоне тг.мкоротур является

К ЛП-Ч>-!|!'!Ь!И Ь 1ЮП'10ТИ РН1,ч:'<!'Л пчогнострд тока.Такой р.чг.т>'р гольтл'-'^р1!г-]|'!."т:". т.'пге'п'л т^сги-;'^ ;! се

-б-

ного омического сопротивления. Кроме того, показано, что перенс водорода через мембрану в результате молекулярной диффузии прене брежимо мал по сравнению с электропереносом (тек, при Г = 303 К ( = 0.16 Л/см2 электроперенос водорода составляет 65 см-3/час-см2 в диффузионный перенос - О Л см3/час-смй).

¡3 главе четвертой рассмотрена природа изотопного эффекта пр влектроиврчносе водорода. Априори можно предложить три объяснени Изотопного эффекта при электропереносе: (I) кинетический изотопнк вф£ект (разная скорость ялектропереноса протия и дейтерия), (2 изотопный обмен ион гидроксония - молекула воды в теле мембран (а»1) и (3)- изотопный обмен молекулярный водород - вода на повер хности катализатора. Проведение экспериментов в условиях, когх изотопный состав исходной смеси изотопов водорода совпадает изотопным составом вода в катодном пространстве ячейки показалс что И анодный и катодный потоки водорода, выходящего из ячейки обеднены по дейтерию в сравнении с исходным газом. Отсюда сдела бывод о том, что процессы 1 и 2 заметного вклада в изотопный 9(J фект не вносят (в первом случчо один из выходящих потоков гязо у соображений материального баллянса должен быть обогащен по дейте рии, во втором случае изотопный состав газа меняться не должен).

Экспериментально доказано, что изотопный зФ1©кт при электрс переносе обусловлен термодинамически равновесным процессом разде леяия 3. Методика определения коэффициента .разделения при электрс Переносе состоит в том, что после заполнения газового ространсть установки водородом все краны, кроме крана (5) (см. рис.1) закрь вввтся, так что водород, выделяющийся в результате электроперенос ь катодное пространство, возвращается в анодное пространство, \ такйм образом, циркулирует в установке. При этом с течением времЕ йй в системе устанавливается равновесие, характеризующееся совш Дзкивм концентраций дейтерия в водороде анодного и катодного прс странств. После установления равновесия отбираются пробы газа Воды из катодного пространства. Соответствующие эксперименталыд данные привело iM в табл.1.

Сравнение результатов экспериментов I и Z свидетельствует том, что значение а не зависит от того, с какой стороны систе» приходит к равновесию (т.е. имеет место истинное термодинамичесж райновесие), а сопоставление экспериментальных и литературш значений а при рвзличных температурах позволяет сделать вывод

эм, что изотопный эффект при электропереносе объясняется протека-нем изотопного обмена между водой и водородом на поверхности латинового электрокатализатора.

Таблица I.

веновоспи а коэффпциенга разделении в электрохимической ячейке с вердополамерным электролитом.

Л я /п Г, К У0. ук. аэксп. алит.

% мольн % мольн ъ мольн

I 303 ТЗ 75.4 46.9 3.510.3

• 2 303 67.3 35.3 3.810.3

3 303 17.2 5.08 3.9±0.2

а среднее при Т-303К 3.7Ю.2 3.7

4 333 ТЗ 75.4 52.1 2.8±0.3 3.1

5 293 52.8 22.3 3.9±0.2 3.9

Природный изотопный состав.

В ходе описанных экспериментов? показано, что исследуемая чейка является високоэфрективнш контактным устройством для про-едения изотопного обмена вода - водород. Так, уко при Т = 303 К родное аначенио общей эффективности изотопного обмена при одно-ратном прохождении водорода через мембрану, вычисляемое по форму-э

убнх _увх

К0 * ГГ—вТ~ (1)

у - у

оставляло и и.»9, что обусловила целесообразность изучения кина-юш н мзханизмч изотопного обмена в исследуемом процессе.

Пятая глпва работы посняшона рассмотрению кинетики и маханиа-1а изотопного обмена вода - водород при электропереносв водорода в чейко с ТИЭ.

Ысжно условно разбить щюцоса изотопного обмена при электро-¡ереноео на ряд стадий: (I) перопос г.одородн чнрез анодный коллок-

тор тока к поверхности анодного электрокатализоторв; (2) изотоша обмен между водородом и порами воды на поверхности анодного катг лизатора; (3) перенос водорода в виде сольватировашшх протонов воды через мембрану к катоду; (4) изотопный обмен между водой водо{к1дом на поверхности катодного катализатора; (5) перенос воде рода и воды через катодный коллектор тока.

Изучена кинетика первой стадии процесса. При этом при сохрг нении всех прочих условий равными менялась толщина анодного ко; лектора. Результаты представлены в табл.2. Из нов видно, что и гц высоких;, и при низких температурил увеличение толщины анодног коллектора приводит к ухудшению кинетики изотопного обмена (уме ньшонию величины Еп). Отсюда следует, что процесс переноса водорс да через анодный коллектор вносит существенный вклад в суммарнс гошетическсз сопротивление процесса изотопного обмена.

Таблица 2

Зависимость эффективности ячейки от толщины анодного коллектор

р

при разных температурах и расходах гпоо (£-0.07 Л/см")

толгдина коллектора, мм Т. К Удельный расход газа* л/час-см »

I 3 5

0.5 1.0 303 24.4 13.9 12.9 9.0 3.9 1.1

0.5 ' 1.0 333 39.9 31 .4 21.8 11 .2 9.9 . 6.2

0.5 .1.0 363 55.2 36.5 30.2 19.7 18.9 14.0

Под удельным расходом гоза здесь и далее понимается величин входящего потока гоза, отнесенная на единицу поверхности мембраны

По полученшм значениям общей эффективности нри различны температурах вычислены значения наблюдаемой энергии ективаци процесса изотопного обмена. Они для всех расходов газа вне зависи Мости от толщины коллектора оказались равными % 15 КДж/моль, чт позволяет сделать вывод о том, что вторая стадия процесса но вно сит заметного вклада в суммарное кинетическое сопротивление про цэсса (Для процессов изотопного обмена вода - водород, протекайте в кинетической области, энергия активации, по литературным данным

лекит б диапазона 40 65 КДж/моль, и то время как зксперкмзн-тально определенная величина характерна для процессов, протекали в диффузионной области).

Изучение кинетики третьей стадии процесса показало, что велл-чина переноса за счет молекулярной диффузии вода заметно превтзЕвт величинн переноса в реальных экспериментах по разделению изотопов. Тек, при Т=363 К и расходе гоза 5 л/чао-см2 величина переноса вода через мембрану, определенная экспериментально, составила 0.03 моль/час-см2, в то время кок при проведении изотопного обмена в тех не условиях расчетная величина переноса составляет 0.003 моль/час•см2. Таким образом, мокно сделать вывод, что перенос води через мембрану не вносит определяющего вклада в кинетическое сопротивление процесса изотопного обмена.

Аналогично анодным изучены процессы в катодном коллекторе тока (пятая стадия процесса). Результаты представлены в табл.3.

Таблица 3.

Зависимость счМюктапности ячейки от толщины катодного коллектора

р

при розных температурах и расходах газа. £=0.07 Л/см

толщина коллектора, мм Т, К Удельный расход газа, л/чао-сма

0.83 1.66 2.49

0.5 1.0 303 18.7 12.5 7.41 3.49 2.35 < I

0.5 50.2 27.7 18.5

1.0 зев 46.6 24.7 18.3

1.0(б/токо) 45.5 31 .5 20.2

Кок видно из таблицы, увеличение толэдшц катодного коллектора приводит к уменьшению эффективности ячейки лишь щ5и низких температурах, а при Т = 363 К толщина коллектора на сказывается на интенсивности изотопного обенп ни пщ наличии электроперепоса, ни :фи его отсутствии. Отсюда мокно сделать вывод о тем, что перенос воды через катодный коллектор тока вносит заметный вклад в суммарное кинетичоское сопротивление процесса изотопного об?,:эна только 1рн гатзких температурах.

Отдельным вопросом является характер и механизм влияния провеса электроперепоса на кинетику изотопного обмена. '

Изучение влиятш плотности тока электропереноса на пф'юктшз-

Рисунок 3. Зависимость анодной эффективности ячейки (I) и времени установления стационарной концентрации дейтерия в анодном потоке водорода (2) от плотности тока электронереноса.

ность изотопного обмена показало, что зависимость эффективности ячейки от плотности тока носит экстремальный характер, причем максимальное значение эффективности при температуре 303 К соответствует плотности тока 0.07 А/см2. Соответствующие данные иллюстрк-• руются кривой I на рис.3. С ростом температуры кривая зависимости эффективности от плотности тока сглаживается и при Т- 363 К подобная зависимость не наблюдается бобсй. Предположено, что процесс электропнреноса ускоряэт изотопное перемешивание поды в толе мембраны или в к&тодном коллектора тока. Данное предположение згагари-

ментяльно подтверждено изучением скорости установления стационарной концентрации дейтерия в выходящем из анодного прост- ранства ггагоко водорода при ступенчатом изменении пзотоптгаго состава воды в катодном пространства. Результаты представлены кривой 2 на рис.3. Как видно из втой кривой, ускорение изотопного перемешивания наблюдается вплоть до плотности тона 0.07 А/см2, что и соответствует максимальному значению эффективности. Поскольку, как показано выше, перенос води через мембрану не лимитирует процесс изотопного обмена, а ее первн.с в катодном коллекторе сказывается при низких температурах, следует, видимо, сделать вывод, что увеличение плотности тока при низких температурах от 0 до 0.07 А/см2 улучшает изотопное перемешивание воды в катодном коллекторе за счет выделяющихся пузнрьков водорода. Дальнейшее падение эффективности монет быть объяснено увеличением степени гвзонаполнения катодного коллектора, затрудняющим подвод вода из катодного пространства к поверхности момбра.чн, или осушкой мембраны при высоких плотностях тока, упоминавшейся выше.

При изучении влияния электропереносэ ни интенсивность изотопного обмена также отмечено, что кривые зависимости от плотности тока анодной и суммарной эффективности ячейки имеют максимум при одной плотности тока (см. рис.4) и при этом абсолютные значения эффективности в сопоставимых условиях близки между собой. Это позволило сделать вывод о том, что изотопный обмен на поверхности катодного катализатора не вносит сколь бы то ни было заметного вклада в суммарный процесс изотопного обмена. Такое явление легко объяснимо: на катоде гидрофильный по природе своей платиновый катализатор контактирует, в отличив от анодного, с жидкой водой, а не с ее парами, а в этих условиях, как известно, из литературы, активность гидрофильного платинового катализатора в процессе изотопного обмена вода - водород оказывается на несколько порядков ниже из-за блокирования активных цеетров катализатора жидкой водой .Таким образом, суммарный механизм изотопного обмена для системы протий - дейтерий можно представить следующим образом:

Ш

!Шг-аэ + Н*°пар Н>г03 + ИП0ш.Ц • (2>

'пар ' »*°ыембр. ^ !1'°ппр + "ГОмемйр. <3>

4 Н,0й_катод На0мембр> ♦ Н00й_катод (4)

НЛО,

То есть на первой стадии процесса происходит изотопный обмен между парами воды и газообразным водородом на поверхности анодного платинового катализатора по уравнению (2). Далее происходит фазоьий изотошшй обмен мезду парами воды в анодном пространстве и связанной водой в теле мембраны по уравнению (3). Последней стадией изотопного обмена является фазовый изотошшй обмен ыеаду связанной водой в теле мембраны и жидкой водой в катодном пространство ячейки по уравнению (4). Суш,¡арное уравнение процесса изотопного обмена в электрохимической ячейке с ТПЭ при этом будет выглядеть следующим образом:

' НПгаз * "А.катод ^ ШОж.катод ' "*газ <Ь>

Шестая глава посвящена рассмотрению вопроса об эффективности ыассообмзна при изотопном обмене в ячейках с ТПЭ в многоступенчатых противоточшх устройствах. Для изучения массообмэшшх характеристик процесса изотопного обмена создана протиьоточная установка из четырех ячеек, которая эксплуатировалась в реязшз с незвБИСимы-ш потокаьм. Варьировались такие параметры, как температура, удельная нагрузка по газу и по жидкости. При этом выяснилось, что эффективность ячеек не-записиг от удельной нагрузки по жидкости.' На рис. Б представлена зависимость коэффициента массопередачи К от удельной нагрузки по газу и температуры. Видно, что эта величина монотонно возрастает с рослом температуры у нагрузки. По результатам проведенных измерений проведена оценочная оптимизация режима работы установки, причем за критерий оптимальности нрини-мался минимальный удельный объем установки, а оптимизируемыми параметрами являлись температура и удельный поток газа. Принимая, что объем установки пропорщгоналин произведению количества контактных мембран на поверхность одной мембраны, для работы установки в безотборном режиме получен:) следующее уравнение для расчета объема разделительной установки:

V -А ■-------------------------------------------(6)

!п[Е(у (и--1 )И 3 - С. _

или, с использованием величины К ,,

а

■ -/--у;;, 5-¡г-- - ('•')

где А - К"нстанта, рчйП'Г-И'С".» пт рмс'.ч.'.-^1:;;'! !: :• ч-г/ кон и: ктм''!:!'

З.в

),в

1.5

Е£

О=0.2!0 л/чао »см2 I \

/ 1 ! '

0=0.40 л/чао *омй

1

0.! 0.2 ' , Л/си2

0,3

Коу, моль/чос'м2

0 5 1 1,5 О , л/ппо*см2

УН

т=зоа к * т^.чаз к

т=э4э к ° т=353 к

Ркс.4. Зависимость Е^. от плотности тока при Т = 303 К. У/А* 1б* (чпс«м2/мрпь)

5 0,4 0,0 1.2 1,0

С ■ л/чяс*см^ УД

Т = 303 К * Т = 323 К Т = 343 К ° Т = 303 К

Рис.5. Зависимость К , от темлэ-

оу

ротурц и расхода газа. К™ мипь/час*и^

Ю00 --1---_

Я00

ООО

40 О

200

О 1

4 2 6 б ^ п/чае+см

Рис.6. Зависимость удельного объема установки от температуры и расхода газа.

Рис.7. Зависимость 1Соу от расхода гоза при Т = 363 Н.

мнмбрвнами, степени разделения а установке л величины потока газа по установке.

Результаты расчетов по уравнении (6) представлены на рис.6. Ход зависимостей, полученных с применением уравнения (7), повторяет зависимости, приведенные на рис.6. Видно, что в исследованном диапазоне удельных нагрузок ш газу оптимум не достигается, и чтс искать оптимум следует в области высоких температур и большая расходов г&за. В этой связи проьедины дополнительные испытания установки при Т = 363 К и удельных расходах газа 2+6 д/час/сы*. В результате* определено, что оптимальным релшом работы установок такого типа является работа при 'Г = 363 К и о =3 + 5 л/час-см3 (см. рис.7), т.к. дальнейшее увеличение удельной нагрузки не приводит к зышуиому снижению объема аппаратура, но усложняет конструкцию установки.

Поскольку, как было показано выше, при Ч1 - :ШЗ К электрический ток но влияет на скорость изо тонного с/ЛПина, а оптимальное температурой работы установки является именно эта температура, можно очкиоатьел от применения электропернпооа для уволичени; вффекгиьнооти ячейки, что вдвое снижает затраты шштшш.

На основании совокупности полученных дашых проведено сопоставление рассматриваемого метода и метода с использованием гранулированного гидрофобного катализатора. Для оопостав.-зшш взан задача, состоящая в извлечении I г трития в год из тяжоловодногс теплоносителя при его исходной концентрации 1 Пи/л с концентрированием до 1000 Кл/л. Результат расчетов для соответствующих установок, работающих в оптимальных режимах, представлены ниже.

1. Установка с гидрофобным катализатором: колонна диаметром 0.13 ^ высотой 6.1 м. Затраты платины - 40 г.

2. Установка с ЭКУТЭ: 45 контактных мембран диаметром 0.37 м Затраты платит* - 93 г.

Из приведенного сопоставления видно, что размеры разделитель ной аппаратур« и затрата шттипн сопоставимо для дкух типов установок .

шющ

1. Рэдрзботап новый способ организации процесса изотопного обмет вода-водо|юл, основания ни применении в качестве контактных уст ройстп электрохимических ячеек о щордпм полимерном эляктролшом.

2. Игучою закономерности процесса олегарснерлиоса водорода .

электрохнмических контактных устройствах с.ТПЗ, используицих платину в качество элечтрокатялизатора, полученч всльтанпернне характеристики процесса и дано их объяснение.

3. Показано, что изотопный эффект при электропереносе водорода определяется изотопным обменом между водой и водородом на платиновом электрокатализаторе.

4. Изучен механизм процесса изотопного обмена вода-водород при электропереносе водорода, показано, что катодный электрокатализатор не вносит заметного вкладг в процесс изотопного обмена.

5. Незначительный вклад катодного электрокотплизатора в процесс изотопного обмена позволяет заменить платину в качестве катодного катализатора на катализатор, не содержаний благородных металлов, п таким образом вдвое снизить расход драгоценного металла.

5. Показано, что лимитирующей стадией процесса изотопного обмена три низких температурах является перенос реагентов через анодный и {атодннй коллекторы тока, а при высоких температурах - перенос юдорода через анодный коллектор.

\ Получены масеооСменные характеристики процесса изотопного обме-10 для различиях рекимоп работы многоступенчатой разделительной гстановки на основе УКУТЛ. покапано/ что опттольной, с точки фения минимизации объема разделительной аппаратуры, является )абочая температура ЗВЗ К и удельный расход газа 3 ^ 5 л/час-сма, > то время как удельный расход жидкости и плотность тока электро-[еряноса в указанных условиях на эффективность процесса разделения шияния не оказнвпщ.

I. Проведено сопоставление предлагаемого способа организация изотопного обмена со способом, основашшм на применена идрофобного атализатора в контактных устройствах посадочного типа; показано, то размеры аппаратуры н затраты платины сопоставим!. . Отсутствие ограничений удельной производительности, связанных с екимом "подписания", в устройствах,} предлагаемого типа и более ирокий интервал рабочих температур по сравнению с традиционными буелвявливают перспективность дальнейших работ по соверщенствова-ии предлагаемых устройств. ПКГОК УСЛОВШХ 0БИЗНАтИМ-.

- плотность тока;

- напряжение;

- коэффициент рапделеття;

У0 - концентрация дейтерия в водороде на входе в установку;

хк - концентрация дейтерия в воде катодного пространства;

Ук - концентрация дейтерия в водороде на выходе из катодного

пространства; у* - равновесная концентрация дейтерия в водороде; Е0 - обцая эффективность ячейки: Е - для анодного процесса, Е^ -

сухарная эффективность; Коу- ковффицвднт массопередачи; - удельный расход газа;

■ По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Морозов A.B., Порембский В.И., Розенкевич М.Б., Фатеев В.Н.Зле-ктропереноо водорода в ячейке с твердошлимернт; электролитом// К. Физ. Химии - 1990 - 64, И II - с. 3075 - 3080

2. Морозов A.B., Розенкевич М.Б.Изотопные эффекты при влектропе-реносе водорода в электрохимической ячейка с твердополимерпым электролитом//Ж.Физ.Хиши - 1990 - 64, N 8 - с.2153 -2156

3. Морозов A.B., Розенкевич М.Б. Кинетика и механизм изотопного обмена вода - водород при электропереносо водорода в ячейке с твердополишршм электролигом//Ж.Физ.Химии - 1990 - 64, II 10 -С.2761 - 2766

4. Порембский В.И., Морозов A.B. Получение и очистка водорода в электрохимических системах с ТПЭ//Высокочистый водород - процессы получения и использования. Информационные материалы/ АН ССОР УрО и др. - Свердловск, 1989 - с.29 - 30

5. Морозов A.B., Розенкевич М.Б. Электрохимическая очистка подоро-. да в системах с твердополимерпым электролитом// Высокочистке вещества - 1990 -II 4 - с. 87-89

6. Порембский В.И., Морозов A.B., Пахомов В.П. и др. Электроперенос ' водорода в ячейке с твердым полимерным электролитом//Тоз. докл. III Всесоюзн. симпозиума "Твердые электролиты и их аналитическое применение". 6-8 февр. 1990 г., Минск, с. 81

7. Michail V. KarpoY, Alexander й. Marchenko, Alexey V. Morosos et al. On the Possibility of Application ofElectrochemlcal cellc with Solid Polymer Electrolytes In Processes of Detrltizatlon of Aqueous and Grfrous Streams.// Abut, of II Int. Symp. on FupIom Nuclear Technology, .June 2-7, 1991, Karlsruhe, Genr,ur;y, p. .m.