Těžká voda a její výroba

13. září 2009 | 06.00 |

heavy waterV pohádkách se často setkáváme s živou a mrtvou vodou. Fyzikové by mohli s nadsázkou rozlišovat obyčejnou vodu a těžkou vodu. Těžká voda je označení pro oxid deuteria. Její chemický vzorec je tedy D2O.  Vodík v ní obsažený se skládá z atomů dvakrát těžších, než jsou atomy vodíku obyčejného; je to izotop vodíku zvaný deuterium a označovaný písmenem D. Molekuly  těžké vody jsou složeny ze dvou atomů deuteria. Jádro deuteria je totiž na rozdíl od běžného lehkého vodíku tvořeno jedním protonem a  navíc jedním neutronem. Těžká voda je v nepatrném množství obsažena i ve vodě obyčejné; ve 12 litrech pitné vody je jí asi 8 gramů. Proti běžné vodě (H2O) má D2O trochu odlišné fyzikální vlastnosti.

Těžká voda má větší hustotu (1100 kg/m3), vyšší teplotu tání (3,82 °C) i teplotu varu (101,42°C) než obyčejná voda. Těžká voda je méně reaktivní než běžná voda a má horší rozpustné vlastnosti. Proto je pro většinu organismů mírně jedovatá, neboť narušuje fyzikální rovnováhu v těle. Potlačuje buněčné dělení, jak bylo zjištěno pokusy na myších. To se projevuje na rychle se obnovujících tkáních (např. žaludeční stěně) při jejím opakovaném působení. Měla by dokonce zpomalovat rakovinná onemocnění, ale má  nepříznivé vedlejší účinky. Není radioaktivní, jak  se spousta lidí domnívá z důvodu jejího použití v jaderné energetice a ve vojenství.

Těžká voda se využívá jako moderátor v některých těžkovodních jaderných reaktorech. Moderátor zde zpomaluje rychlé neutrony, aby mohly správně trefit jádra uranu a vyvolat jaderné štěpení. Pohlcuje při stejně silném moderačním účinku méně neutronů než obyčejná voda. Proto je možné upustit od obohacování uranu, které je nutné u lehkovodních typů jaderných reaktorů.

V spektroskopii pomocí nukleární magnetické resonance se těžká voda využívá pro stabilizaci magnetického pole a jako rozpouštědlo pro měření protonových  nukleárních magnetických spekter.

Navíc se těžká voda používá k syntéze dalších sloučenin obsahujících deuterium. další využití je v biotechnologiích kde se H nahradí D a sleduje se jeho další stopa.

Těžká voda se vyrábí tzv. obohacováním. Obohacování je založené na tom, že těžká voda obsahuje deuterium místo obyčejného vodíku a tak je její relativní molekulová hmotnost 20 místo 18. Tento rozdíl při jinak stejných chemických vlastnostech umožňuje separaci resp. obohacování elektrolýzou či destilací. Obohacení je však podstatně méně efektivní než např. pálení slivovice, je potřeba mnohastupňový proces, což např. v případě elektrolýzy znamená značnou spotřebu energie.

Na výrobu těžké vody je několik postupů, ekonomicky se využívají pouze dva,destilace obyčejné vody kdy rozdíl teplot je 1°C a poměr objemů je průměrně 1:6000 je naprosto nereálná. Další metoda která se používala před 2. světovou válkou a to destilací obohacené vody po elektrolýze je naprosto neekonomická. Například z 6000 litrů vody by bylo nutno elektrolýzou odstranit 5900 litrů, a pak dostaneme zhruba jednoprocentní roztok těžké vody ve 100 litrech.

V současné době se výrobě D2O používají pouze dvě metody a to :
1) výměnná reakce voda - sirovodík (GS proces)
2) výměnné reakce amoniak - vodík.

GS proces je založen na výměně vodíku a deuteria mezi vodou a sirovodíkem v řadě kolon, které jsou provozovány tak, že jejich horní sekce je studená a spodní sekce je horká. Voda protéká kolonami shora dolů, zatímco plynný sirovodík proudí ode dna kolon k jejich horní části. K lepšímu promíchání plynu a vody slouží řada perforovaných pater. Deuterium přechází do vody při nízkých teplotách a do sirovodíku při vysokých. Plyn nebo voda obohacené deuteriem jsou odváděny z prvního stupně kolon na kontaktu horké a studené sekce a tento proces se opakuje i v kolonách následujících stupňů. Produkt z posledního stupně, voda obohacená deuteriem do koncentrace 30 % deuteria, je dopravován do destilační jednotky, kde je vyráběna těžká voda reaktorové kvality, tj. 99,75 % oxid deuteria.

Pomocí procesu výměny mezi amoniakem a vodíkem lze extrahovat deuterium ze syntézního plynu při jeho kontaktu s kapalným amoniakem za přítomnosti katalyzátoru. Syntézní plyn je přiváděn do výměnných kolon a do konvertoru amoniaku. V kolonách plyn proudí ode dna k horní části, zatímco kapalný amoniak stéká shora dolů. Deuterium přechází z vodíku obsaženého v syntézním plynu do amoniaku, kde se koncentruje. Amoniak se potom přivádí do krakovacího zařízení na dno kolony, zatímco plyn proudí do horní části konvertoru amoniaku. Další obohacování probíhá v následujících stupních a těžká voda vhodná pro použití v reaktoru se vyrábí v konečné fázi destilací. Výchozí syntézní plyn může být poskytován závodem na výrobu amoniaku, který může být postaven jako součást závodu na výrobu těžké vody využívající výměny amoniak - vodík. Zdrojem pro získávání deuteria při výměnném procesu amoniak - vodík může být rovněž obyčejná voda.

Mnohá klíčová zařízení pro závody na výrobu těžké vody, využívajících GS procesu nebo procesu výměny mezi amoniakem a vodíkem, jsou stejná jako v některých provozech chemického průmyslu a průmyslu zpracování ropy. To platí především pro malé závody, využívající GS proces. Nicméně jen málo položek bývá "běžně ke koupi". GS proces i výměnný proces amoniak - vodík vyžadují manipulaci s velkým množstvím hořlavých, korozívních a toxických kapalin při zvýšených tlacích. V souvislosti s tím je vyžadován velmi pečlivý výběr a specifikace materiálů při stanovení projekčních a provozních norem pro závody a zařízení, využívající výše uvedené procesy, s cílem zajištění jejich dlouhodobé životnosti, vysoké bezpečnosti a spolehlivosti. Volba velikosti závodu závisí především na ekonomické stránce a potřebách.

V obou výměnných procesech (GS proces a proces založený na výměnné reakci amoniak - vodík) mohou být části zařízení, které nejsou jednotlivě speciálně konstruovány nebo upraveny pro výrobu těžké vody, smontovány do systémů, které jsou speciálně konstruovány nebo upraveny pro tuto výrobu. Příkladem takových systémů je výroba katalyzátoru používaném ve výměnném procesu amoniak - vodík a destilace vody, používaná ke konečnému koncentrování těžké vody do úrovně reaktorové kvality.

Zařízení, která jsou speciálně konstruovaná nebo upravená pro výrobu těžké vody, využívající buď výměnný proces voda - sirovodík nebo amoniak - vodík, zahrnují následující:

Kolony pro výměnu voda - sirovodík
Výměnné kolony vyrobené z měkké nelegované oceli (o průměru 6 - 9 m) schopné pracovat při tlacích 2 MPa  a více a s přípustnou tolerancí 6 mm a více na možný korozní úbytek. Jednostupňová nízkotlaká odstředivá dmychadla nebo kompresory (tj. 0,2 MPa) speciálně konstruované nebo upravené pro cirkulaci sirovodíkového plynu (tj. plynu obsahujícího více než 70 % H2S). Tato dmychadla nebo kompresory mají minimální výkon 56 m3/s, pracují při tlacích 1,8 MPa a více a jsou opatřené těsněním vhodným pro práci v prostředí vlhkého H2S.

Kolony pro výměnu amoniak - vodík
Výměnné kolony o minimální výšce 35 m a průměru 1,5 m - 2,5 m pracují při tlacích vyšších než 15 MPa. Tyto kolony mají v axiálním směru alespoň jeden přírubový otvor o stejném průměru jako vnitřní válcová část, přes který může být vkládáno nebo vyjímáno vnitřní zařízení kolony.Vnitřní zařízení kolon tvoří speciálně konstruovaná patra reaktorů, která zajišťují co nejlepší kontakt mezi plynem a kapalinou. Patrová čerpadla jsou speciálně konstruovaná ponorná čerpadla určená pro cirkulaci kapalného amoniaku uvnitř kontaktního patra a pro dopravu amoniaku do pater kolon. Krakovací zařízení pracují s minimálním pracovním tlakem 3 MPa Infračervené absorpční analyzátory jsou schopné provádět "on-line" analýzu poměru vodík/deuterium při koncentracích deuteria 90 % a výše. Zařízení pro katalytické spalování, tj. převod plynného obohaceného deuteria na těžkou vodu,  jsou speciálně konstruovaná nebo upravená pro výrobu těžké vody založené na výměnném procesu amoniak - vodík.

Další informace je možné získat například zde: http://en2.wikipedia.org/wiki/Heavy_water,
O výrobě se zmiňuje článek:
http://www.cns-snc.ca/Bulletin/A_Miller_Heavy_Water.pdf

Existuje i polotěžká voda, HDO, tedy voda, kde je jeden atom běžného vodíku a jeden atom deuteria. Ta se v malých koncentracích vyskytuje zcela běžně v přírodě. Ve velmi malém množství se vyskytuje i radioaktivní tritiová voda (T2O), která obsahuje dva atomy tritia.

Zpět na hlavní stranu blogu

Hodnocení

1 · 2 · 3 · 4 · 5
známka: 1.93 (30x)
známkování jako ve škole: 1 = nejlepší, 5 = nejhorší

Související články

žádné články nebyly nenalezeny

Komentáře

RE: Těžká voda a její výroba wu 13. 09. 2009 - 08:56
RE(2x): Těžká voda a její výroba fyzmatik 16. 09. 2009 - 21:08
RE: Těžká voda a její výroba fore 17. 02. 2013 - 18:11