JP5897512B2 - 重水の電解濃縮方法 - Google Patents

Description

本発明は、アルカリ水電解槽により重水を電解濃縮する重水の電解濃縮方法に関するものである。

重水とは、質量数の大きい同位体の水分子を多く含み、通常の水より比重の大きい水のことである。物理的・化学的性質が通常の水と若干異なる。重水に対して通常の水を軽水と呼ばれている。重水は、水素の同位体である重水素（デューテリウムＤ、２Ｈ）や三重水素（トリチウムＴ、３Ｈ）、酸素の同位体１７Ｏや１８Ｏなどを含むものである。
原子力発電所の安全性の判断、地殻変動の予測、温泉地下水系の測定等の分野において、天然水中の重水素（デューテリウムＤ、２Ｈ）や三重水素（トリチウムＴ、３Ｈ）の分析が重要になってきている。トリチウム濃度は極低レベルであるため、測定精度の向上のため電解濃縮することが一般的である。従来から重水の電解濃縮は、電解質を溶解させた試料溶液を作製し、板状の平板を向かい合わせて電解する方法が知られている。電解液中に含まれる水にはＨ₂Ｏの他にＨＯＤやＨＯＴがあり、これらは通常の水電解に従って水素と酸素に分解されるが、同位体効果によりＨ₂Ｏの分解がＨＯＤやＨＯＴの分解に対して優先し、電解液中のデューテリウムやトリチウムの濃度が上昇し濃縮が行われる。この電解に使用する陽極としてはニッケルが、又陰極としては鋼、鉄及びニッケル等が使用され、これらの電極を洗浄し希薄苛性ソーダを支持塩として重水を含む水の溶液に添加して調製した試料水をガラス容器に入れ通電して電解を行う。電流密度を１〜１０Ａ／ｄｍ²程度とし、発熱による水の蒸発を防止するために液温を５℃以下に維持しながら、通常液量が１０分の１以下になるまで電解を継続して重水素の濃縮を行う。

即ち、電解濃縮は、トリチウム水の方が軽水素水より電解されにくい性質を利用したものである。アルカリ水溶液に金属電極を挿入して電解する方法については、すでに多くの研究が行われ、標準的な手法として公にマニュアル化されている。この方法ではトリチウム濃度を１段で濃縮している。しかし、実際面となると、従来の電解濃縮法にはいくつかの間題がある。それらは、実験操作が煩雑であること、トリチウム濃縮倍率が電解質濃度の上限に制限されること、水素と酸素の混合ガスが発生し爆発の危険性があること、電解に時間がかかること、大容量の処理に適していないことである。
以上の問題は、１段で稀薄含有物の分離捕獲という観点で技術を考えるため、アルカリ電解質水溶液を扱う為の厄介さ、両極で発生するガスを分離しにくいこと、金属表面で気泡が生成し電解電流を大きくしにくいことなど主に従来のアルカリ水溶液電解法に起因している。

これに対して、近年、注目されている水の電解法としては、固体高分子型電解質、Ｓｏｌｉｄ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ（以下「ＳＰＥ」という。）を利用した水電解方法（以下「ＳＰＥ水電解」という。）がある。このＳＰＥ水電解は、米国Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ社が１９７０年代初期に燃料電池の技術を適用したのが最初であり、電解部の構造はＳＰＥ膜の両面を多孔質の金属電極で挟んだもので、これを純水に浸して電流を流すだけで電解が行われ、分解ガスが多孔質電極から出てくる。ＳＰＥは、陽イオン交換樹脂の一種で、高分子鎖にイオン伝導を担うためのスルホン酸基などを化学結合させたものである。両極間に電流を流すと、水が分解され、陽極では、酸素ガスが発生し、水素イオンが生成する。この水素イオンは、ＳＰＥ中のスルホン酸基間を移動して陰極に到達し、電子を受け取って水素ガスとなる。みかけ上、ＳＰＥ自体は変化することなく固体状に保たれる。このＳＰＥをトリチウムの電解濃縮に利用した場合、従来法と比較して、次のような利点が期待できる。
１）蒸留水を直接分解できる。つまり、アルカリ水溶液電解法では欠かすことのできない電解質の溶解、中和及び電解質の除去が不要で、試料水の滅容倍率が原理的に無制限である。
２）気泡によって電極表面がおおわれることがないので大電流で電解でき、電解時間を短縮できる。
３）水素ガスと酸素ガスがＳＰＥ膜の両側に分離されて発生するので、ガスの処理が容易である。これは爆発性混合気体を扱っていた従来法よりはるかに安全である。
また、ＳＰＥ水電解による重水の電解濃縮方法に関しては、本出願人により提案された特許文献１及び２並びに非特許文献１がある。

しかし、これら特許文献１及び２並びに非特許文献１を用いた場合、分析機器や小規模濃縮処理には適用できても大規模処理には適していない。利用される電解液が純水であるため、電解液に電流が流れないため構成要素の固体高分子膜を２０−３０Ｋｇ／ｃｍ²相当の面圧で陽極、陰極で強くかしめる必要がある。従って、電解槽の各部材が高強度であることが求められ、１ｍ²以上の大型反応面積を確保することは経済性や操作性を考慮すると現実的ではなく、大容量の重水を含む原料水の電解濃縮や分画には、設備費も嵩み、適していない。

特開平８−２６７０３号（特許第３４０６３９０号）特許公報 特開平８−３２３１５４号（特許第３９７７４４６号）特許公報

固体高分子電解質を用いたトリチウム電解濃縮（ＲＡＤＩＯＩＳＯＴＯＰＥＳ，Ｖｏｌ．４５，Ｎｏ．５ Ｍａｙ １９９６（社団法人 日本アイソトープ協会発行）

本発明の目的は、これらの従来技術の問題点を解決し、アルカリ水電解方法により多量の重水を含有する原料水を電解濃縮、分画するとともに、高純度の水素ガス及び／又は高純度の酸素ガスを製造することのできる重水の電解濃縮方法を提供するものである。

本発明における第１の解決手段は、上記の目的を達成するため、陽極を収容する陽極室と、陰極を収容する陰極室と、前記陽極室と前記陰極室とを区画する隔膜とよりなるアルカリ水電解槽を用いて重水を電解濃縮する重水の電解濃縮方法において、トリチウムを含有する重水よりなる原料水に高濃度のアルカリ水を添加した電解液を収納する循環タンクより、前記電解液を前記陽極室と前記陰極室との両電解室に循環供給するとともに、前記陽極室及び前記陰極室にそれぞれ陽極側気液分離装置及び陽極側水封装置並びに陰極側気液分離装置及び陰極側水封装置を接続し、前記陽極側気液分離装置及び前記陰極側気液分離装置によって発生ガスを分離した前記電解液を、前記循環タンクに循環供給することにより、前記両電解室内に供給する電解液のアルカリ濃度を常に一定濃度に維持しながら電解を継続し、前記電解液中の重水を濃縮するとともに、前記陰極側気液分離装置より、水素ガスを回収又は廃棄し、前記陽極側気液分離装置より、酸素ガスを回収又は廃棄することを特徴とする重水の電解濃縮方法を提供することにある。

本発明における第２の解決手段は、上記の目的を達成するため、前記電解で消失する水に相当する原料水を前記循環タンクに供給し、前記電解液のアルカリ濃度を初期濃度に維持しながら電解を継続する重水の電解濃縮方法を提供することにある。

本発明における第３の解決手段は、上記の目的を達成するため、前記電解液のアルカリ濃度が１．５〜４０質量％である重水の電解濃縮方法を提供することにある。

本発明における第４の解決手段は、上記の目的を達成するため、前記電解液のアルカリ濃度が２０〜３０質量％である重水の電解濃縮方法を提供することにある。

本発明における第５の解決手段は、上記の目的を達成するため、前記電解液のアルカリ濃度が４０質量％を超えないように、原料水を前記循環タンクに供給し、前記電解液のアルカリ濃度を一定濃度に維持しながら電解を継続する重水の電解濃縮方法を提供することにある。

本発明における第６の解決手段は、上記の目的を達成するため、前記電解液のアルカリ濃度が３０質量％を超えないように、原料水を前記循環タンクに供給し、前記電解液のアルカリ濃度を一定濃度に維持しながら電解を継続する重水の電解濃縮方法を提供することにある。

本発明における第７の解決手段は、上記の目的を達成するため、前記陰極側水封装置の水面の高さと前記陽極側水封装置の水面の高さを調整することにより前記陰極室の室内の圧力と前記陽極室の室内の圧力を調節し、前記陽極室内に発生する酸素ガスが前記陰極室内に発生する水素ガスに混入する比率及び／又は前記陰極室内に発生する水素ガスが前記陽極室内に発生する酸素ガスに混入する比率を制御した重水の濃縮方法を提供することにある。

本発明における第８の解決手段は、上記の目的を達成するため、前記隔膜が中性隔膜である重水の電解濃縮方法を提供することにある。

本発明における第９の解決手段は、上記の目的を達成するため、前記隔膜が陽イオン交換膜である重水の電解濃縮方法を提供することにある。

本発明によれば、多量のトリチウムを含有する放射性廃棄物をアルカリ水による電解によって、効率的に濃縮、分画することができるとともに、高濃度、高純度の水素ガス及び又は酸素ガスを効率的に回収できる。
更に、本発明によれば、隔膜の両側に陽極室と陰極室を設けるとともに、陽極室と陰極室とに、共通のアルカリ電解液を一つの循環タンクより循環供給することで、電解により陽極室のアルカリ濃度が薄まり、陰極室でアルカリ濃度が高まる電解液の電解現象に対し、排出されるそれぞれの電解液を同一の循環タンクに戻し保持することで常に運転系内での陽極室と陰極室のアルカリ濃度は同じにコントロールできる。また、電解で消失する水の相当量を原料水として供給し系内のアルカリ濃度を常に初期に調整したアルカリ濃度の所定の条件に保つこともできる。いずれにしても、アルカリ水電解循環プロセスの運転手法は、運転初期に所定アルカリ濃度を調整するのみで、プラント運転の目的に合わせプラントのバッチ運転や連続運転など多目的な運転管理を行うことができる上で有効な運転方法である。また、運転管理が煩雑とならないので、プラントレベルの運転では、安定運転が可能となる。これに対して、アルカリ濃度が所定の条件でコントロール出来ない場合は、その変動に伴いセル電圧が変動し、ジュール熱に伴う発熱量が変わり、セル温度が高くなれば、蒸発する水も増え、冷却条件なども変わってくるため、アルカリ濃度の変動は、それに伴い運転上の諸条件が変動し、好ましくないものとなるが、本発明によるアルカリ水電解によれば、この欠点を解消することができる。
更に、本発明によれば、電解液のアルカリ濃度を１．５質量％〜４０質量％としてアルカリ水電解を行うことにより、重水を効率的に電解濃縮することができ、連続的に水分解を行えば、理論上任意の減量化ができ、任意の数値まで濃縮することができる。
更に、本発明によれば、陽極ガスおよび陰極ガスを気液分離装置にて分離したのち、各々のガスを水封したのち排気するとき、陰極側のガス圧を陽極側のガス圧より高く又は低くすることにより、陽極室内で発生する酸素ガスの陰極室への移行比率を制御出来るプロセスである。従って、本発明によれば、酸素ガスと水素ガスの混合比率を制御し、電解プロセスを爆発限界以内にコントロールし、爆発の危険を低減するとともに、高純度の水素ガス及び／又は高純度の酸素ガスを製造することが可能となる。

本発明の重水の電解濃縮方法の１実施態様を示すフロー図。

以下、本発明の実施の態様を図面とともに説明する。

図１は、本発明の重水の電解濃縮方法の１実施態様を示すフロー図を示したものである。図１において、１は、アルカリ水電解槽であり、このアルカリ水電解槽１は、陽極を収容する陽極室２と、陰極を収容する陰極室３と、前記陽極室２と前記陰極室３とを区画する隔膜４により構成されている。５は、循環タンク、６は、高濃度のアルカリ水７（一般には、当該アルカリ水は初期のアルカリ電解液を調整する場合にのみ必要）を貯留するアルカリ水タンク、８は、供給ポンプであり、アルカリ水タンク６内のアルカリ水７は、供給ポンプ８により、循環タンク５に供給される。９は、原料水１０を貯留する原料タンク、１１は、供給ポンプであり、原料タンク９内の原料水１０は、供給ポンプ１１により、循環タンク５に供給される。アルカリ水７と原料水１０は、循環タンク５内で混合され、所定の濃度のアルカリ水に調整された電解液１６が生成される。
循環タンク５内で混合され、所定の濃度に制御された電解液は、循環ポンプ１２ａ、熱交換器１３ａを介してアルカリ水電解槽１の陽極室２に供給されるとともに、循環ポンプ１２ｂ、熱交換器１３ｂを介してアルカリ水電解槽１の陰極室３に供給される。
所定の濃度のアルカリ水に調整された電解液１６は、陽極室２及び陰極室３内において電解され、電解液は、電解濃縮され、電解濃縮液が生成されるとともに、陽極室２においては、酸素ガスが生成され、気液分離装置１４ａにより、生成した酸素ガスと電解液とに気液分離され、分離された電解液は、循環タンク５に循環される。陽極側気液分離装置１４ａにて気液分離された酸素ガスは、陽極側水封装置１５ａを経て排気される。
同時に、陰極室３内においては、水素ガスが生成され、陰極側気液分離装置１４ｂにより、生成した水素ガスと電解液とに気液分離され、分離された電解液は、循環タンク５に循環される。陰極側気液分離装置１４ｂにて気液分離された水素ガスは、陰極側水封装置１５ｂを経て排気される。尚、前記両電解室内のアルカリ濃度をコントロールすると共に電解で消失する水の相当量を原料水として供給し、電解条件を一定に維持しながら電解を継続するため、原料タンク９より供給する原料水として、水が供給される。
電解で消失する水の相当分の原料水を連続的に供給することで、初期調整したアルカリ濃度の電解液を維持することができる。一方、循環タンクの容量に依存するが、原料水の連続供給を行わず間欠型アルカリ水電解循環連続を行い、電解液（処理原料水）の間欠的減容化運転も可能である。

（アルカリ水電解の条件）
本発明におけるアルカリ水電解においては、電解液として、トリチウムを含有する重水よりなる原料水に高濃度のアルカリ水を所定のアルカリ濃度になるように添加した電解液が使用されるが、電解液としては、苛性カリ又は苛性ソーダ等の苛性アルカリが好ましく、その濃度としては、１．５〜４０質量％が好ましい。特に、電力消費量を抑えることを鑑みれば電気電導度が高い領域である１５〜４０質量％が好ましい。しかし、電解に係るコスト、腐食性、粘性、操作性を考慮すると、２０〜３０質量％とすることが更に好ましい。
また、原料水に添加する高濃度のアルカリ水の濃度は、１０〜３０質量％であることが好ましい。
アルカリ濃度一定の運転には、初期アルカリ濃度調整後、水消耗量に相当する量の原料水を連続的に供給する方法がある。また、間欠連続運転で処理原料水の減量化を求める場合には、初期に調整した電解液の減少を確認する方法がある。このとき、初期に調整したアルカリ濃度は、減少した水分量に比例して濃度は高くなる。
上記領域で好ましくないのは、液抵抗が増大する領域であり、例えば４０質量％を上回るような場合、発生ガスの電解液からの離脱がし難くなる傾向があり（液の粘稠性が高まる）、セル電圧が高まり結果的にジュール熱の発生によりセル温度が高くなり電解液の冷却が必要になる等余分な運転管理が必要になることである。
従って、原料水が濃縮されると、アルカリ濃度が向上するので、アルカリ濃度が４０質量％又は３０質量％を超えないように、原料水を添加し、アルカリ濃度を一定に維持することが好ましい。
また、本発明における重水の電解濃縮において、減量化で１０倍程度とするのが、経済的であるが、水が電気分解放出されるため、原料水中の重水の初期濃度を、２．５質量％とすると、最終点は、２５質量％となる。

（水封システム）
更に、本発明においては、前記各気液分離装置１４ａ、１４ｂによって、発生ガスを分離した前記電解液を、前記陽極室２と前記陰極室３との両電解室に循環供給することにより、前記両電解室内のアルカリ濃度をコントロールすると共に、電解で消失する水の相当量を原料水として、原料タンク９より、循環タンク５を経由して、前記陽極室２と前記陰極室３との両電解室に供給し、電解条件を一定に維持しながら電解を継続し、前記原料水中の重水を濃縮するものである。
濃度一定にコントロールする為には、循環タンク５に原料水１０を連続的に水消耗した相当量を供給することである。
一方、アルカリ濃度を放置し、漸次高濃度になるがままとし、アルカリ水電解濃度の限界４０質量％まで維持し、電解液の減容化を確認することができる。また、斯かる状態に対し、原料水を供給開始し最終濃度４０質量％をその後維持することも可能である。
いずれにしても、本発明で提案する循環システムでは、いずれの手法も運転可能であり、融通性のあるものとなっている。
更に、本発明においては、前記陰極側水封装置１５ｂの水面の高さと前記陽極側水封装置１５ａの水面の高さを調整することにより、前記陰極室３の室内の圧力と前記陽極室２の室内の圧力を調節し、前記陽極室２内に発生する酸素ガスが前記陰極室３内に発生する水素ガスに混入する比率を制御している。
陽極ガス（酸素ガス）および陰極ガス（水素ガス）を陽極側気液分離装置１４ａ、陰極側気液分離装置１４ｂにて分離したのち、各々のガスを陽極側水封装置１５ａ、陰極側水封装置１５ｂにて水封したのち排気するとき、陰極側水封装置１５ｂの水面の高さを陽極側水封装置１５ａの水面の高さより高くすると、陰極側のガス圧が陽極側のガス圧より高くなり、陽極室２内で発生する酸素ガスの陰極室３への移行を低減することができ、水素ガスの純度を向上することができる。一方、逆に、酸素ガスの純度を向上したい場合には、陽極側水封装置１５ａの水面の高さを陰極側水封装置１５ｂの水面の高さより高くすると、陽極側のガス圧が陰極側のガス圧より高くなり、陰極室２内で発生する水素ガスの陽極室３への移行を低減することができ、酸素ガスの純度を向上することができる。

（アルカリ水電解槽）
アルカリ水電解槽１としては、隔膜４の両側に陽極及び陰極を設けた２室型電解槽が用いられるが、陽極及び陰極は、隔膜４に密着したゼロギャップ型電解槽、隔膜４から若干だけ離して設けたファイナイト型電解槽、又は、隔膜４とは離間して設けた離間型電解槽を用いることができる。運転電密にも拠るが運転中の膜の位置変動や振幅防止のため並びに膜隔膜４を損傷させないために、陽極室、陰極室の運転差圧を付けることが好ましく、５０−５００ｍｍＨ₂Ｏの差圧を設けることができ、この差圧により、更に前記陽極室２内に発生する酸素ガスが前記陰極室３内に発生する水素ガスに混入する比率を制御することができる。
また、隔膜として中性隔膜を使用する場合、使用する隔膜の孔径を小さくするか、表面を特殊加工した隔膜を使用することにより、陽極室内で発生する酸素ガスの陰極室への移行を、又は陰極室内で発生する水素ガスの陽極室への移行を低減することも可能となる。

（隔膜）
前記隔膜４としては、中性隔膜並びにフッ素型若しくは炭化水素型の食塩電解用陽イオン交換膜及び燃料電池用陽イオン交換膜を使用することができる。陽イオン交換膜を使用した場合、水素中酸素濃度が、０．０７％のとき、酸素中水素濃度は、０．１３％程度となる。
一方、前記隔膜４としては、特殊加工した中性隔膜を使用した場合、水素中酸素濃度が０．０６−０．０９％のとき、酸素中水素濃度は、０．０５−０．０８％となる。

（陽極及び陰極）
陽極及び陰極としては、アルカリ水電解に耐えうる材料で且つ陽極過電圧、陰極過電圧が小さいものを選択する必要がある。従来では、陽極は鉄又は鉄にＮｉメッキを施したものが用いられている。また、陰極では、Ｎｉ基材そのままかＮｉ基材に活性陰極をコーティングしたものが用いられている。ここでも陽極、陰極共にニッケルエクスパンドメッシュ、多孔質ニッケルエクスパンドメッシュ、鉄よりなる基体の表面に貴金属又はその酸化物被覆を有する金属電極等を使用できる。

次に、本発明の実施例を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

＜実施例１＞
電解面積１．０ｄｍ²の電解槽で試験を実施した。陽極室（容量４００ｍｌ）、陰極室（容量４００ｍｌ）共にＮｉ製で、陽極はエクスパンドメッシュ、（厚さ０．８×ＳＷ３．７×ＬＷ８．０）に活性陽極コーティングを施している。陰極は、ファインメッシュ、（厚さ０．１５×ＳＷ２．０×ＬＷ１．０）を使用し、貴金属系の活性陰極コーティングを施してある。
隔膜として、ポリプロピレン系１００μｍフィルムを使用し、これを両極間に挟み、ゼロギャップの状態で組み立てている。
試験プロセスは、図１に示す通りであるが、電解温度は電解セル底部に設置されたヒーターでコントロールしている。電解液の循環方法は、アルカリ水電解槽１の下部に設置してある循環タンク５（電解液容量２．５Ｌ）から循環ポンプ１２ａ、１２ｂで電解液を陽極室２及び陰極室３に流量４０−６０ｍｌ／分で電解液供給ノズルより供給している。電解槽１の上部のノズルから排出されるそれぞれの気液流体は、気液分離器１４ａ、１４ｂを介し、液体は循環タンク５に戻され、ガス体は系外に放出される。運転条件としては、４０Ａ／ｄｍ²、１０質量％ＫＯＨ、電解温度、７５−８５℃。セル系内の圧力は、陽極室、陰極室それぞれ排出される酸素ガス並びに水素ガスを水封することで所定の条件を定めている。運転時に隔膜の振動を防止するために、陽極室、陰極室間の差圧は５０−１００ｍｍＨ₂Ｏに保持した。
一方、製造される水素ガス純度又は酸素ガス純度のどちらを期待するかで、それぞれの水封システムの液高さをコントロールすることが出来るが、本実施例では、水素純度を高めることを目的とし陰極加圧の状態で差圧５０ｍｍＨ₂Ｏとした。
水が分解した相当量の原料水を連続的に循環タンクに原料水を供給し単純に多量の原料水の処理量を重ねることが実機のプロセスでは行われるが、ここでは初期に準備した循環系の電解液に分解した水相当量の原料水は添加せず、トリチウムを含有する試料水の濃縮倍率、セル電圧、水素ガス純度を調べその有効性を調べた。
積算電流値が４８００Ａｈ（５日間連続運転）になるまで連続運転を行ったところ、総電解液は初期に準備した３．３Ｌから１．７Ｌに減少した。系内で回収は施されているものの若干の蒸発量、電解配管内未収容量を考慮すれば、この水の減少量は理論値にほぼ匹敵する値である。
この結果は、自セル電解セル容量の４．１２５倍の電解液を１．９６倍に濃縮したことになる。このことは、電解セル容量の４倍以上の原料水を全く支障なく処理できることを示しており、連続的に原料水を供給すれば連続的に濃縮が可能であることを示すものである。即ち、原料水の減容化という観点に立てば、系内に投じる積算電流値に比例して原料水は減容処理できるものである。
初期準備した１０質量％ＫＯＨ電解液は、４８００Ａｈ通電後の最終的には１９．６質量％ＫＯＨであった。水分の消失相当分濃度が高くなったことになる。即ち、初期に用意したアルカリ（ここでは苛性カリＫＯＨ）が消耗することはなく系内に留まることが分かる。使用するアルカリは、苛性ソーダＮａＯＨを用いても全く同じことであり、苛性カリＫＯＨに限定するものではない。
一方、水が分解した相当量の原水を連続的に供給すれば、初期調整したアルカリ濃度は初期のまま維持できることになる。
積算電流値が４８００Ａｈになった時点での電圧、水素純度、トリチウム回収率は以下のとおりであった。
試験結果：１．７Ｖ，水素純度９９．９％，トリチウム回収率０．６
ガス純度、トリチウム回収率、運転電圧ともに良好であった。

＜実施例２＞
隔膜として、ＰＴＦＥフィルム厚さ７０−９０μｍ、平均孔径１μｍ以下を使用した以外は、実施例１と同じ方法により実施した。試験結果は、以下の通りであった。
試験結果：１．９５Ｖ、水素純度９８．９％、トリチウム回収率０．６
ガス純度、トリチウム回収率、運転電圧ともに良好であった。

＜実施例３＞
隔膜として、下記食塩電解用イオン交換膜を使用した以外は、実施例１と同じ方法により実施した。試験結果は、以下の通りであった。
使用した陽イオン交換膜：フレミオン（旭硝子株式会社の登録商標）Ｆ８０２０ＳＰ
試験結果：２．１−２．４Ｖ，水素純度９９．９３％，トリチウム回収率０．６
ガス純度は、最も高く、トリチウム回収率は良好だが、運転電圧が高く電力消費量としては高くなる傾向がある。

＜実施例４＞
隔膜として、下記燃料電池用陽イオン交換膜を使用した以外は、実施例１と同じ方法により実施した。試験結果は、以下の通りであった。
使用した陽イオン交換膜：ナフィオン（デユポン社の登録商標）Ｎ１１７
試験結果：２．３−２．６Ｖ，水素純度９９．９２％，トリチウム回収率０．６
ガス純度は良好、トリチウム回収率も良好だが、運転電圧は大変高く電力消費量が高い傾向がある。

本発明によれば、多量のトリチウムを含有する放射性廃棄物を高濃度のアルカリ水による電解によって、効率的に濃縮、分画することができるとともに、高濃度、高純度の水素ガスを効率的に回収できるとともに、隔膜の両側に陽極室と陰極室を設けるとともに、陽極室と陰極室とに、共通のアルカリ電解液を一つの循環タンクより循環供給し、系内のアルカリ濃度を常に一定に保つことができるので、プラントレベルの運転では、安定運転が可能となるため、その広範な利用が期待される。

１：アルカリ水電解槽
２：陽極室
３：陰極室
４：隔膜
５：循環タンク
６：アルカリ水タンク
７：アルカリ水
８：供給ポンプ
９：原料タンク
１０：原料水
１１：供給ポンプ
１２ａ：循環ポンプ
１２ｂ：循環ポンプ
１３ａ：熱交換器
１３ｂ：熱交換器
１４ａ：陽極側気液分離装置
１４ｂ：陰極側気液分離装置
１５ａ：陽極側水封装置
１５ｂ：陰極側水封装置
１６：電解液

Claims (8)

1. 陽極を収容する陽極室と、陰極を収容する陰極室と、前記陽極室と前記陰極室とを区画
   する隔膜とよりなるアルカリ水電解槽を用いて重水を電解濃縮する重水の電解濃縮方法において、
   トリチウムを含有する重水よりなる原料水に高濃度のアルカリ水を添加した電解液を収納する循環タンクより、前記電解液を前記陽極室と前記陰極室との両電解室に循環供給するとともに、前記陽極室及び前記陰極室にそれぞれ陽極側気液分離装置及び陽極側水封装置並びに陰極側気液分離装置及び陰極側水封装置を接続し、前記陽極側気液分離装置及び前記陰極側気液分離装置によって発生ガスを分離した前記電解液を、前記循環タンクに循環供給するとともに、前記電解で消失する水に相当する原料水を前記循環タンクに供給することにより、前記両電解室内に供給する電解液のアルカリ濃度を常に一定濃度に維持しながら電解を継続し、前記電解液中の重水を濃縮するとともに、前記陰極側気液分離装置より、水素ガスを回収又は廃棄し、前記陽極側気液分離装置より、酸素ガスを回収又は廃棄することを特徴とする重水の電解濃縮方法。
2. 前記電解液のアルカリ濃度が１．５〜４０質量％である請求項１に記載の重水の電解濃縮方法。
3. 前記電解液のアルカリ濃度が２０〜３０質量％である請求項１に記載の重水の電解濃縮方法。
4. 前記電解液のアルカリ濃度が４０質量％を超えないように、原料水を前記循環タンクに供給し、前記電解液のアルカリ濃度を一定濃度に維持しながら電解を継続する請求項１に記載の重水の電解濃縮方法。
5. 前記電解液のアルカリ濃度が３０質量％を超えないように、原料水を前記循環タンクに供給し、前記電解液のアルカリ濃度を一定濃度に維持しながら電解を継続する請求項１に記載の重水の電解濃縮方法。
6. 前記陰極側水封装置の水面の高さと前記陽極側水封装置の水面の高さを調整することにより前記陰極室の室内の圧力と前記陽極室の室内の圧力を調節し、前記陽極室内に発生する酸素ガスが前記陰極室内に発生する水素ガスに混入する比率及び／又は前記陰極室内に発生する水素ガスが前記陽極室内に発生する酸素ガスに混入する比率を制御した請求項１に記載の重水の電解濃縮方法。
7. 前記隔膜が中性隔膜である請求項１に記載の重水の電解濃縮方法。
8. 前記隔膜が陽イオン交換膜である請求項１に記載の重水の電解濃縮方法。

Images