Как изготавливают тяжелою воду

Получение дейтерия и тяжелой воды

Дейтерий — верный спутник протия. Там, где есть природная вода или другие водородные соединения, там есть и дейтерий. Естественная смесь этих двух изотопов— водород — принадлежит к числу весьма распространенных химических элементов нашей планеты; по весу его около одного процента. В атмосфере Солнца из ста атомов на долю водорода приходится 81 атом. В межзвездном пространстве атомы водорода встречаются в несколько сот раз чаще, чем атомы всех других химических элементов, вместе взятых.

Водород находится в природе как в виде химических соединений с другими элементами, так и в свободном состоянии. Химически не связанный, свободный водород имеется в газах, выделяющихся при извержении вулканов. Он образуется при разложении некоторых органических веществ, а также выделяется в небольших количествах растениями.

Основная масса водорода, имеющаяся в природе, входит составной частью в молекулы различных химических соединений. Вместе с углеродом и другими элементами водород образует сложные молекулы живых организмов, нефти, природных газов и так далее. Но самым распространенным химическим соединением водорода является его соединение с кислородом— вода. В воде содержится повесу 11,11 процента водорода. При разложении воды его выделяется по объему в два раза больше, чем кислорода. Общее количество воды на Земле, исчисляемое в тоннах, выражается числом с пятнадцатью нулями. Примерно десятую часть от этого количества составляет протий и две стотысячных части — дейтерий. Таким образом, на нашей планете только в воде содержится несколько десятков миллиардов тонн дейтерия.

Дейтерий может быть выделен из любого вещества, который имеет в своем составе водород. Но так как в сколько-нибудь заметных количествах дейтерий нигде в природе не концентрируется, то для его получения предпочтительнее использовать самое распространенное, легко доступное и дешевое сырье. Это сырье — обычная вода. Из природной воды можно выделить сначала тяжелую воду, а из нее, например, путем разложения электрическим током получить дейтерий. Или, наоборот, сначала выделить дейтерий, а затем, сжигая его в кислороде, получить тяжелую воду.

Но выделить из огромной массы природной воды содержащиеся в ней крохотные количества тяжелой воды очень трудно. Надо переработать тысячу литров воды, чтобы получить всего с полстакана этого драгоценного вещества.

В настоящее время разработано несколько методов получения тяжелой воды и дейтерия из природной воды. Один из них — метод перегонки. Этот метод давно известен и он широко применяется в промышленности для разделения жидких смесей. Поясним его сущность. Если жидкость находится в открытом сосуде, то с поверхности ее происходит испарение. Испарение идет при всякой

Источник

Производство тяжелой воды на производстве

Производство тяжелой воды

Это электрохимический процесс, в лабораторных условиях получение тяжелой воды не возможен так как требует специального оборудования.

Тяжелая вода — соединение дейтерия с кислородом D ₂О — применяется в качестве замедлителя нейтронов в атомных реакторах, а также служит сырьем для получения газообразного дейтерия.

В воде отношение протия к дейтерию составляет примерно 6000 : 1. Радиоактивного изотопа водорода — трития — содержится совершенно ничтожные количества. Электрохимические свойства протия и дейтерия имеют различия. Так, перенапряжение выделения на катоде дейтерия больше, чем протия (примерно на 0,1 в в условиях практического электролиза), и стандартный потенциал дейтерия на 0,003 в отрицательнее, чем протия.

Более высокое перенапряжение и более электроотрицательный стандартный потенциал, вместе со много раз меньшей концентрацией дейтерия по сравнению с протием, должны приводить к преимущественному разряду на катоде протия и накапливанию дейтерия в электролите. Однако значительного разделения изотопов водорода при электролизе не происходит. Это происходит потому, что между газовой и жидкой фазами протекает реакция изотопного обмена

Реакция изотопного обмена предопределяет способ ведения электролиза. Если вести электролиз при постоянном объеме электролита, т. е. убыль воды в результате электролиза пополнять свежей водой обычного изотопного состава, то сколько бы времени ни вели электролиз, обогащение дейтерием не будет превышать 3—8 раз. Но, если вести электролиз на «выработку воды» (сокра тительный электролиз), то по мере разложения воды электролит будет обогащаться дейтерием все больше и больше, так как обогащение жидкой фазы происходит в большей мере, чем газообразной. Так, в практических условиях при 10-кратном уменьшении первоначального объема электролита, приготовленного на обычной воде, содержащей 0,02% D₂O в газ уходит около 37% содержащегося в воде дейтерия, а 63% скапливается в оставшемся объеме электролита. Если же сократить первоначальный объем в 10 5 раз, то получится почти чистая тяжелая вода, но потери дейтерия с газовой фазой составят примерно 95%.

Для электролиза применяют обычные фильтрпрессные электролизеры. В качестве электролиза берут преимущественно растворы КОН, так как КОН обладает большей электропроводностью. Концентрация КОН в электролите составляет 26%. Температура первых ступеней концентрирования 60—70° С, а последних — около 25° С. Напряжение на ваннах, работающих при повышенной температуре, 2,1 в, а работающих при комнатной температуре — 2,6— 3,4 в.

Электролит для получения тяжелой воды с течением времени карбонизируется и его электропроводность падает. Поэтому электролит частично или полностью заменяют. При выводе электролита из цикла во избежание потерь тяжелого водорода по реакции

D ₂O + KOH ⇄ HDO + KOD

выпарку воды производят не сразу, а после полной карбонизации всей содержащейся в растворе щелочи двуокисью углерода. После полного превращения КОН в К₂СО₃ раствор выпаривают и пары конденсируют. В конденсате оказывается весь тяжелый водород раствора.

Примерная технологическая схема получения тяжелой воды комбинированным способом электролиза и каталитического изотопного обмена.

В первую ступень электролизных ванн поступает исходная питающая вода. Водород и кислород, выделяющиеся в результате электролиза, поступают в холодильники, в которых уносимые ими пары воды, обогащенные тяжелым водородом, конденсируются. Этим конденсатом питают ванны второй ступени электролиза. Водород из ванн первой ступени без дальнейшей обработки поступает потребителям. Количество питающей воды подбирают таким, чтобы компенсировать убыль из-за уноса паров и разложения током.

Вторая ступень электролиза состоит из меньшего числа ванн. Сухой водород из ванн этой ступени обычно тоже непосредственно поступает потребителю, так как извлечение из него дейтерия оказывается экономически нецелесообразным. Конденсат паров, уносимых газами из второй ступени, поступает на питание ванн третьей ступени.

Число ванн в третьей ступени еще меньше чем во второй. Водород в этом случае после осушки содержит уже значительное количество дейтерия, извлекаемого в обменных колоннах с катализатором. В колонну подают пары питающей (исходной) воды, которые в результате изотопного обмена обогащаются дейтерием и после конденсации поступают на электролиз. Водород же, обедненный дейтерием, поступает потребителю.

Операцию изотопного обмена целесообразно проводить на средних ступенях обогащения. В более близких к концу ступенях обогащения, когда выделяются незначительные количества водорода, производят сжигание водорода и сконденсированные пары подают в ванны предыдущей ступени электролиза. Тепло от сжигания водорода можно использовать для, испарения воды, поступающей в обменные колонны.

Таким образом, в результате многоступенчатого обогащения удается получить практически чистую тяжелую воду (не менее 99,7% D ₂О) с расходом электроэнергии 60—100 квт•чна1\кг D₂O.

При электролизе наряду с дейтерием вода обогащается тритием и тяжелым кислородом О 18 . Обогащение воды тритием про исходит быстрее, чем дейтерием, а обогащение воды изотопом О 18 происходит незначительно.

Статья на тему Производство тяжелой воды

Похожие страницы:

Понравилась статья поделись ей

Источник

Тяжёлая вода — ее свойства, жизнь и энергия будущего

Тяжелая вода была открыта в 1932 году известным ученым Гарольдом Юри. Тяжёлая вода — кратко о главном …

Тяжёлая вода — оксид дейтерия …

Тяжёлая вода имеет ещё одно название — оксид дейтерия.

Многие из нас слышали про существование «тяжёлой воды», но мало кто знает, почему она называется тяжелой.

«Тяжелая вода» действительно является «тяжелой» по отношению к обычной воде, поскольку содержит вместо «легкого водорода» 1 H тяжелый изотоп 2 H или дейтерий (D), вследствие чего ее удельная масса на 10% больше чем у обычной. Химическая формула тяжелой воды — D₂O или 2 H₂O (2H2O).

«Тяжёлую воду» содержат практически все природные источники воды. Обычная вода, как правило, содержит приблизительно один атом дейтерия на каждые 6 760 обычных атомов водорода.

Тяжёлая вода — это …

Предлагаем обратиться к первоисточникам и ознакомиться с точными формулировками «тяжелой воды», данными в словарях и справочниках.

Термины атомной энергетики

Тяжелая вода (Heavy water) оксид дейтерия, D₂О — по сравнению с обычной имеет значительно лучшие ядерно-физические свойства. Она почти не поглощает тепловых нейтронов, поэтому является лучшим замедлителем. Применение тяжелой воды в качестве замедлителя позволяет использовать в качестве топлива природный уран; уменьшается первоначальная загрузка топлива и ежегодное его потребление. Однако стоимость тяжелой воды очень высока.

Термины атомной энергетики. — Концерн Росэнергоатом, 2010

Большой Энциклопедический словарь

ТЯЖЕЛАЯ вода — D₂О, изотопная разновидность воды, в молекулах которой атомы водорода заменены атомами дейтерия. Плотность 1,104 г/см³ (3,98 .С), tпл 3,813 .С, tкип 101,43 .С. Соотношение в природных водах Н:D в среднем 6900:1. На организмы действует угнетающе, в больших дозах вызывает их гибель. Замедлитель нейтронов и теплоноситель в ядерных реакторах, изотопный индикатор, растворитель; используется для получения дейтерия. Существуют также сверхтяжелая вода Т₂О (Т — тритий) и тяжелокислородная вода, молекулы которой вместо атомов 16О содержат атомы 17О и 18О.

Большой Энциклопедический словарь. 2000

Научно-технический энциклопедический словарь

ТЯЖЕЛАЯ ВОДА (оксид дейтерия, D₂O), вода, в которой атомы водорода замещены ДЕЙТЕРИЕМ (изотоп ВОДОРОДА с ОТНОСИТЕЛЬНОЙ АТОМНОЙ МАССОЙ, примерно равной 2, в то время как у обычного водорода относительная атомная масса равна примерно 1. Встречается в малых концентрациях в воде, из которой ее получают ЭЛЕКТРОЛИЗОМ. Тяжелая вода используется как ЗАМЕДЛИТЕЛЬ в некоторых АТОМНЫХ РЕАКТОРАХ.

Научно-технический энциклопедический словарь

Свойства тяжёлой воды

Свойства «тяжелой воды» во многом отличаются от свойств обычной H₂O.

Формула тяжелой воды — D₂O .

Молярная масса — 20,02 г / моль .

Плотность тяжёлой воды — 1,107 г / мл .

Дипольный момент — 1,87 D .

Температура плавления — 3,82 о С .

Точка кипения тяжёлой воды — 101,4 о С .

Цвет тяжёлой воды — бесцветная.

Запах тяжелой воды — не имеет ни запаха.

Плотность тяжёлой воды — плотность D₂O примерно на 11% больше, чем плотность H₂O.

Вязкость тяжелой воды — на 20% выше вязкости обычной воды;

Растворимость D₂O — мало растворима в диэтиловом эфире, смешивается с этанолом.

Плотность (ρ) оксида дейтерия — 1,1042 г/см3 при температуре 25°C.

Давление паров — 10 мм.рт.ст при температуре 13.1°C, и 100 мм.рт.ст. при температуре 54°C.

Показатель преломления (σ) — 1,32844 при температуре 20°C.

Стандартная энтальпия образования ΔH — 294,6 кДж/моль (ж) (при 298 К).

Стандартная энергия Гиббса G — 243,48 кДж/моль (ж) (при 298 К);

Стандартная энтропия образования S — 75,9 Дж/моль•K (ж) (при 298 К);

Стандартная мольная теплоёмкость Cp — 84,3 Дж/моль•K (жг) (при 298 К);

Энтальпия плавления ΔHпл — 5,301 кДж/моль;

Энтальпия кипения ΔHкип — 45,4 кДж/моль;

Критическое давление — 31,86 Мпа;

Критическая плотность — 0,363 г/см 3 . [1]

Где применяется оксид дейтерия

Интересным является тот факт, что ученые, открывшие тяжелую воду, отнеслись к ней как к научному казусу и не увидели больших возможностей в ее применении, впрочем, следует заметить, что такая ситуация, с научными открытиями, не является одиночной. И лишь спустя некоторое время, совершенно другими исследователями, был открыт ее научный и промышленный потенциал.

«Тяжелая вода» применяется:

• В ядерных технологиях;
• В ядерных реакторах, для торможения нейтронов и в качестве теплоносителя;
• В качестве изотопного индикатора в химии, физике, биологии и гидрологии;
• Как детектор некоторых элементарных частиц;
• Вполне вероятно, что в ближайшем будущем «тяжелая вода» станет новым источником Энергии — изучается возможность использования дейтерия (D или 2H) как топлива для управляемого термоядерного синтеза.

В продолжение темы, важно отметить, что существуют также и другие виды тяжелой воды — Полутяжелая вода, Сверхтяжелая и Тяжёлокислородные изотопные модификации воды, с которыми вы можете ознакомиться самостоятельно или в следующих наших публикациях.

Тяжёлая вода и наша жизнь

Тяжёлая, в отличие от H₂O, угнетает все живое. Поэтому её часто называют – Мертвой водой. Она, как минимум, замедляет все биологические процессы. В том числе, замедляется или прекращается вообще размножение микробов и бактерий.

Как мы уже отмечали выше, «тяжелая вода» содержится во всех обычных водах – в реках, морях, озерах, в грунтовых водах, атмосферных осадках … Т. е. человек вольно или невольно постоянно соприкасается с D₂O. Интересно отметить, что например, дождь содержит тяжелой воды заметно больше чем снег.

Некоторые исследователи полагают, что употребление избыточного количества «тяжелой воды» способствует старению, а регулярное превышение нормы приводит к тяжелым заболеваниям. Поэтому контроль уровня «тяжелых вод» является жизненно важным. Необходимо знать, что механические фильтры не очищают воду от «тяжелой воды».

Это особо важно учитывать при использовании фильтров обратного осмоса и в первую очередь при опреснении морской воды. Поскольку уровень «тяжелой воды» в морской воде, как правило, превышает норму. Известны случаи, когда целые регионы стали жертвами «незнания» этого факта. Люди, проживавшие в этих регионах, регулярно использовали опресненную методом обратного осмоса морскую воду, вследствие чего многие из них заболели тяжелыми болезнями.

Один из методов уменьшения концентрации тяжелой воды в питьевой воде, мы рассматривали в статье Талая вода, приготовление в домашних условиях.

Выводы

Понимая, что в природе нет ничего лишнего, можем утверждать, что тяжелая вода требует от нас особого адекватного отношения, внимания и дальнейшего изучения. Ее потенциал, как говорится, «налицо» и вероятно будет реализован в будущем и возможно в ближайшем.

Источники

[1] По материалам — О. В. Мосин «Все о дейтерии и тяжелой воде».

Источник