7789-20-0 / 重水的過濾方法

背景及概述^[1][2]

重水化學(xué)式D₂O，又稱氧化氘。1931年H.C.尤萊在把4L液氫在-259℃下緩慢蒸發(fā)到剩余數(shù)毫升，光譜分析時(shí)發(fā)現(xiàn)了重氫“D”，稱氘。氘 (deuterium) 的意思是2，表示原子量等于2的氫同位素。由重氫和氧組成的化合物稱重水，分子量為20.028，比普通水分子量18.016高出約11%。純重水在1933年就已制得。普通水中所含重水很少，約占普通水質(zhì)量的0.02%，自然界沒有富含重水的源泉。

重水分子間氫鍵力較大，分子間締合度也較大，所以它的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)比水高。常溫下重水的蒸氣壓比水小，這是水精餾法富集重水的理論根據(jù)。在25℃時(shí)重水的粘度比水大2.3%，致使許多電解質(zhì)在重水中的電導(dǎo)率比水中小。重水的介電常數(shù)低于水，鹽類在重水中的溶解度一般小些，在25℃時(shí)1g水能溶解0.3592g氯化鈉，但1g重水只能溶解0.3056g; 在25℃時(shí)，碘在四氯化碳和水間的分配系數(shù)是85：1，而在四氯化碳和重水間的分配系數(shù)是103：1。重水表面張力、離子積([D⁺⁷][OD⁺]=2×10^-15)的數(shù)值都比水小，重水的反應(yīng)速度比水的同樣反應(yīng)要慢些。

重水有吸水的性質(zhì)，和濃硫酸相象，必須將它保存在密封的容器內(nèi)。

重水的主要用途是在核反應(yīng)堆中做“減速劑”，減小中子速度，控制核裂變過程，也是冷卻劑。重水和氘在研究化學(xué)和生理變化中是一種寶貴的示蹤材料，例如，用稀重水灌溉樹木，可以測知水在這些植物中每小時(shí)可運(yùn)行十幾米到幾十米。測定飲過大量稀重水的人尿中的氘含量，知道水分子在人體中停留時(shí)間平均為14天。用氘代替普通氫，可以研究動(dòng)植物消化和新陳代謝過程。濃的或純重水不能維持動(dòng)植物生命，重水對(duì)一般動(dòng)植物的致死濃度為60%。

生產(chǎn)重水的方法很多，曾用過電解法、水精餾法等，現(xiàn)在利用H₂S/H₂O雙溫交換法，先把重水富集約15%后，再電解富集成99.8%，該法成本低廉。

過濾方法^[2]

CN201520864653.4公開了一種用于過濾重水的凈水器，該凈水器包括不溶物過濾器、冷水罐、重水過濾器及輕水過濾器，其中：所述不溶物過濾器設(shè)置于所述冷水罐內(nèi)部，該不溶物過濾器用于過濾水中的固體雜質(zhì)，并將過濾后的水引流至冷水罐中；所述重水過濾器設(shè)置于所述冷水罐的下方，該重水過濾器用于接收所述冷水罐中的水以分離出所述水中的重水；所述輕水過濾器設(shè)置于重水過濾器的下方，該輕水過濾器用于接收經(jīng)過所述重水過濾器分離后的水，并從所述經(jīng)過所述重水過濾器分離后的水中分離出輕水。本實(shí)用新型可以將普通水中的重水進(jìn)行分離以得到干凈的輕水，避免了不干凈的水對(duì)人體的危害。通過多重過濾，不但從普通水中分離出重水， 還過濾了普通水中其它雜質(zhì)，提高了水的清潔度，避免了重水對(duì)人體的危害， 有利于人體的健康。圖1是本實(shí)用新型用于過濾重水的凈水器較佳實(shí)施例的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

學(xué)術(shù)研究^[3-4]

重水作為反應(yīng)堆的慢化材料,其濃度直接影響反應(yīng)堆的安全和性能。劉艷等人為研究其重水濃度與吸光度間的關(guān)系曲線類型,基于朗伯-比爾定律,從理論上推導(dǎo)出液態(tài)重水中某種水分子的紅外吸收峰分別與0～2種其他水分子的紅外吸收峰發(fā)生重疊時(shí)重水濃度與吸光度間的關(guān)系式,分情況對(duì)二者之間的關(guān)系曲線類型進(jìn)行討論。采用傅里葉變換紅外光譜儀,測得濃度為0.015%～99.98%(摩爾比)的重水標(biāo)準(zhǔn)樣品吸收光譜,對(duì)重水濃度和吸光度間的關(guān)系曲線類型進(jìn)行驗(yàn)證,理論推導(dǎo)與實(shí)際吻合。研究表明,一般情況下,寬濃度范圍內(nèi),重水濃度與吸光度間的關(guān)系曲線類型為二次曲線;窄濃度范圍內(nèi),關(guān)系曲線類型為線性。特殊情況下,吸光度為定值或關(guān)系曲線類型為線性。

王世霞等人應(yīng)用金剛石壓腔結(jié)合拉曼光譜技術(shù)研究了重水在291K,0.1～800MPa條件下的拉曼譜圖。結(jié)果表明:壓力增大的過程中,重水的拉曼伸縮振動(dòng)光譜向低頻方向移動(dòng),并且頻移和壓力基本呈線性相關(guān)。頻移沒有突變,沒有發(fā)生相的轉(zhuǎn)變。將重水的拉曼譜峰分解為代表分子內(nèi)O—D振動(dòng)的高頻峰和代表分子間氫鍵振動(dòng)的低頻峰。研究這兩種不同類型譜峰的性質(zhì),發(fā)現(xiàn)代表分子間氫鍵的低頻峰峰面積在不同的壓力范圍內(nèi)呈現(xiàn)出不同的變化特征,壓力對(duì)分子間氫鍵的影響并不是持續(xù)不變的。拉曼峰的峰面積反映的是產(chǎn)生這種拉曼峰的振動(dòng)的數(shù)目,峰面積的變化反映了特征振動(dòng)數(shù)目的變化。由于分子間氫鍵的強(qiáng)相互作用,水分子總是傾向于形成對(duì)稱的空間五分子四面體結(jié)構(gòu),因此最大峰面積代表了最穩(wěn)定的五分子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)。

主要參考資料

[1] 中國中學(xué)教學(xué)百科全書·化學(xué)卷

[2] [中國實(shí)用新型] CN201520864653.4 用于過濾重水的凈水器

[3] 劉艷,任英,胡石林,武超,張賓永,呂衛(wèi)星.重水濃度與吸光度關(guān)系曲線類型研究[J].同位素,2019,32(06):425-430.

[4] 王世霞,鄭海飛.高壓液態(tài)重水的拉曼光譜研究[J].光譜學(xué)與光譜分析,2009,29(04):979-981.