如何在实验室制重水

如何在实验室制重水
如何在实验室制重水

如何在实验室制重水
重水可以通过多种方法生产.最初的方法是用电解法,因为重水无法电解,这样可以从普通水中把它分离出来.还有一种简单方法是利用重水沸点高于普通水通过反复蒸馏得到.后来又发展了一些其他较佳的方法.
然而只有两种方法已证明具有商业意义：水——硫化氢交换法(GS法)和氨——氢交换法.
GS法是基于在一系列塔内(通过顶部冷和底部热的方式操作)水和硫化氢之间氢与氘交换的一种方法.在此过程中,水向塔底流动,而硫化氢气体从塔底向塔顶循环.使用一系列多孔塔板促进硫化氢气体和水之间的混合.在低温下氘向水中迁移,而在高温下氘向硫化氢中迁移.氘被浓缩了的硫化氢气体或水从第一级塔的热段和冷段的接合处排出,并且在下一级塔中重复这一过程.最后一级的产品(氘浓缩至高达30%的水)送入一个蒸镏单元以制备反应堆级的重水（即99．75％的氧化氘）.
氨——氢交换法可以在催化剂存在下通过同液态氨的接触从合成气中提取氘.合成气被送进交换塔,而后送至氨转换器.在交换塔内气体从塔底向塔顶流动,而液氨从塔顶向塔底流动.氘从合成气的氢中洗涤下来并在液氨中浓集.液氨然后流入塔底部的氨裂化器,而气体流入塔顶部的氨转换器.在以后的各级中得到进一步浓缩,最后通过蒸馏生产出反应堆级重水.合成气进料可由氨厂提供,而这个氨厂也可以结合氨——氢交换法重水厂一起建造.氨——氢交换法也可以用普通水作为氘的供料源.
利用GS法或氨——氢交换法生产重水的工厂所用的许多关键设备项目是与化学工业和石油工业的若干生产工序所用设备相同的.对于利用GS法的小厂来说尤其如此.然而,这种设备项目很少有“现货”供应.GS法和氨——氢交换法要求在高压下处理大量易燃、有腐蚀性和有毒的流体.因此,在制定使用这些方法的工厂和设备所用的设计和运行标准时,要求认真注意材料的选择和材料的规格,以保证在长期服务中有高度的安全性和可靠性.规模的选择主要取决于经济性和需要.因而,大多数设备项目将按照用户的要求制造.
最后,应该指出,对GS法和氨——氢交换法而言,那些单独地看并非专门设计或制造用于重水生产的设备项目可以组装成专门设计或制造用于生产重水的系统.氨——氢交换法所用的催化剂生产系统和在上述两方法中将重水最终加浓至反应堆级所用的水蒸馏系统就是此类系统的实例.
专门设计或制造用于利用GS法或氨——氢交换法生产重水的设备项目包括如下：
1． 水——硫化氢交换塔
专门设计或制造用于利用GS法生产重水的、用优质碳钢(例如ASTM A516)制造的交换塔.该塔直径6米(20英尺)至9米(30英尺),能够在大于或等于2兆帕(300磅/平方英寸)压力下和6毫米或更大的腐蚀允量下运行.
2． 鼓风机和压缩机
专门为利用GS法生产重水而设计或制造的用于循环硫化氢气体(即含H2S 70%以上的气体)的单级、低压头(即0．2兆帕或30磅/平方英寸)离心式鼓风机或压缩机.这些鼓风机或压缩机的气体通过能力大于或等于56米3/秒(120 000 标准立方英尺/分),能在大于或等于1．8兆帕(260磅/平方英寸)的吸入压力下运行,并有对湿H2S介质的密封设计.
3．氨——氢交换塔
专门设计或制造用于利用氨——氢交换法生产重水的氨——氢交换塔.该塔高度大于或等于35米（114．3英尺）,直径1．5米（4．9英尺）至2．5米（8．2英尺）,能够在大于15兆帕(2225磅/平方英寸)压力下运行.这些塔至少都有一个用法兰联结的轴向孔,其直径与交换塔筒体部分直径相等,通过此孔可装入或拆除塔内构件.
4． 塔内构件和多级泵
专门为利用氨——氢交换法生产重水而设计或制造的塔内构件和多级泵.塔内构件包括专门设计的促进气/液充分接触的多级接触装置.多级泵包括专门设计的用来将一个接触级内的液氨向其他级塔循环的水下泵.
5． 氨裂化器
专门设计或制造的用于利用氨——氢交换法生产重水的氨裂化器.该装置能在大于或等于3兆帕(450磅/平方英寸)的压力下运行.
6． 红外吸收分析器
能在氘浓度等于或高于90%的情况下“在线”分析氢/氘比的红外吸收分析器.
7． 催化燃烧器
专门设计或制造的用于利用氨——氢交换法生产重水时将浓缩氘气转化成重水的催化燃烧器
大自然中,重水比普通水少很多,每50吨水中才含有1千克重水.制备重水有两种方法,一是蒸馏法,这种方法只能得到纯度为92%的重水；一是电解法,可得99.7%的重水,但消耗电能特别大.所以重水不光质量重,也是贵重的水.
地球上的水若有 3,200分之一是半重水 (HDO).半重水可以透过电解及蒸馏,或以化学方法从普通水中提炼出来.可以使用化学方法,是因为重氢及普通氢原子由于质量稍为不同,所以化学反应的速度有异.当水中的半重水到了相当的浓度,重水便会因为水份子之间交换氢原子而慢慢出现.要从半重水再提炼纯正的重水亦可使用电解、蒸馏及化学方法.但是电解及蒸馏所需要的能量会非常巨大,因此一般这一步只会使用化学方法.
重水(或称氘化水,化学式D2O或者2H2O)是水的一种,它的质量比一般水要重.普通的水(H2O)是由两个只有质子的氢原子和一个氧16原子所组成,但在重水分子内的氢同位素,比一般氢原子有多一个中子,因此造成重水分子的质量比一般水要重.在自然界中,重水的含量很少.由于普通水和重水都是由相同数量的氢和氧原子组成,两者的化学反应皆会相同.但在物理上,重水的溶点和沸点比普通水稍高,在一个大气压力下,重水的溶点是摄氏3.82度,沸点是摄氏101.4度.密度方面,在摄氏20度和一个大气压力的环境下,重水的密度是11.05g/cm3.由于重水比普通水不容易被电解为氢和氧,以及与普通水相比,其含量稀少的关系,人们便以电解的方式来提炼纯度更高的重水.因此,重水的价格也比较昂贵.在普通水的环境下很快便完成的核反应,其在重水下的速度会变得慢很多.因此重水可用作核反应堆的减速器.如果用重水来养金鱼,金鱼很快便会翻肚死掉.喝了重水的老鼠,也会很快死亡.因此有说法指重水含有毒性.

重水不是制得的，是提取的，每吨水里面有微量的重水，可以提取出来