实验室精馏装置,氘气的制备技术

随着全球经济的快速发展,社会对能源的需求量日益增大,各国在经济发展中都面临着能源枯竭问题。这使实验室精馏装置得氘气研究成为了备受关注的焦点,氘气被称为“未来的天然燃料”。氘气可应用于半导体、太阳能电池等电子工业的烧结或退火工艺中以及核子融合反应,化学、生物化学等领域。随着科学技术的不断发展,氘气应用越来越广泛,氘气制备技术也有了研究的价值。氘气是美国科学家哈罗德?克莱顿?尤里在一九三一年,在大量液体氢蒸发后利用光谱检测方法发现的。氘气的发现轰动了整个科学界,尤里也因此获得了诺贝尔化学奖。氘气最初主要应用于军事研究,如核能工业、核武器等,随着时代发展,氘气应用逐步扩展到民用工业中,如光纤材料,特殊灯源等,研究氘气制备技术也具有重要意义。 一、氘气的性质 氘是氢的同位素,原子量比普通氢重两倍,三相点-254.4℃;比热容:(101.325kPa,21.2℃):5.987m3/kg;气液容积比:(15℃,100kPa):974L/L;临界温度:-234.8℃;气化热:ΔHv(-249.5℃):305kJ/kg[1]。氘气的化学性质与氢气相同,可以发生普通氢所有的化学反应,并能够生成相应化合物。同时氘气的高质量和低零点特征,使其在相同反应中有着不同反应速度,反应平衡点位置也有明显不同。氘气无毒无味,对生物没有任何危害,仅具有窒息性,但氘气易燃易爆,实验室精馏装置使用及生产中稍有不慎,极有可能诱发安全事故,所以对氘气安全问题必须提高重视。二、氘气制备技术随着科技的发展,越来越多的氘气制备技术被提出,不同技术应用效果有所不同,只有科学选择制备技术才能达到理想效果。当前主要氘气制备技术有:液氢精馏技术、电解重水技术、金属氢化物技术、激光技术、气相色谱技术等等。下面通过几点来详细分析氘气制备技术1、液氢精馏技术,氘是氢的同位素,天然氢中氘含量是0.013到0.015。氘沸点为23.5K,氢的沸点为20.38K,HD沸点为22.13K。所以理论上采用精馏液氢制备氘气是完全可以实现的。通常情况下低温精馏时,首先浓缩的是HD,但HD必须经催化剂转化为D2、HD、H2平衡混合物后才能继续精馏浓缩,才能进一步制备。当前液氢精馏技术中低温精馏分离技术多采用JET低温精馏系统来实现氘气制备[3]。但精馏技术回流需要消耗大量能量,能耗问题突出,所以经济性并不理想,在能耗方面有待改进。2、重水电解技术重水电解技术采用电解水装置,以碱金属的氘氧化物为电解质或固体聚合物电解重水。虽然通过该技术制备氘气纯度较高,但仍需要对已制备的氘气进一步纯化。纯化重点是去除杂质,降低氘气所含的氢同位素杂质氕,但氕去除难度较大,处理工艺十分复杂。并且电解过程中能耗问题也十分突出,应用中降低工作电压,提高能量效率的主要策略有:减小电极间距离、提高工作压力、提高工作温度、改变电极材料、使用添加剂等。3、气相色谱法气相色谱法发明于一九五二年,其应用领域十分广泛。一九五七年,气相色谱法被成功用于于氘气制备。目前氢同位素主流气相色谱分离技术有H2-顶替色谱法、迎头色谱法、冲洗色谱法、自我顶替色谱法。H2-顶替色谱法制备量大,回收率和浓缩率最高,但工艺相对复杂。迎头色谱法工艺相对简单,适合从天然氢中制备氘气。冲洗色谱法制备氘气纯度较低,不能满足需求,因此较少采用。自我顶替色谱法具有着无载气、浓缩率高、回收率适中等优点[4],是最为理想的色谱制氘技术。4、激光制备技术激光技术制备氘气最早提出于一九七八年,劳伦斯利弗莫尔实验室,成功通过激光技术制备了浓缩倍数为900的氘气。劳伦斯利弗莫尔实验室是通过紫外离子激光器照射含有重甲醛的甲醛混合物实现分离氘气。一九八年,一些研究者利用YAG激光器和高效率锁模脉冲激光器来制备氘气得到了浓缩倍数为11500的氘气。目前激光制备技术尚处于研究当中,相关技术手段并不成熟。

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