重水的过滤方法

背景及概述^[1][2]

重水化学式D₂O，又称氧化氘。1931年H.C.尤莱在把4L液氢在-259℃下缓慢蒸发到剩余数毫升，光谱分析时发现了重氢“D”，称氘。氘 (deuterium) 的意思是2，表示原子量等于2的氢同位素。由重氢和氧组成的化合物称重水，分子量为20.028，比普通水分子量18.016高出约11%。纯重水在1933年就已制得。普通水中所含重水很少，约占普通水质量的0.02%，自然界没有富含重水的源泉。

重水分子间氢键力较大，分子间缔合度也较大，所以它的熔点、沸点比水高。常温下重水的蒸气压比水小，这是水精馏法富集重水的理论根据。在25℃时重水的粘度比水大2.3%，致使许多电解质在重水中的电导率比水中小。重水的介电常数低于水，盐类在重水中的溶解度一般小些，在25℃时1g水能溶解0.3592g氯化钠，但1g重水只能溶解0.3056g; 在25℃时，碘在四氯化碳和水间的分配系数是85：1，而在四氯化碳和重水间的分配系数是103：1。重水表面张力、离子积([D⁺⁷][OD⁺]=2×10^-15)的数值都比水小，重水的反应速度比水的同样反应要慢些。

重水有吸水的性质，和浓硫酸相象，必须将它保存在密封的容器内。

重水的主要用途是在核反应堆中做“减速剂”，减小中子速度，控制核裂变过程，也是冷却剂。重水和氘在研究化学和生理变化中是一种宝贵的示踪材料，例如，用稀重水灌溉树木，可以测知水在这些植物中每小时可运行十几米到几十米。测定饮过大量稀重水的人尿中的氘含量，知道水分子在人体中停留时间平均为14天。用氘代替普通氢，可以研究动植物消化和新陈代谢过程。浓的或纯重水不能维持动植物生命，重水对一般动植物的致死浓度为60%。

生产重水的方法很多，曾用过电解法、水精馏法等，现在利用H₂S/H₂O双温交换法，先把重水富集约15%后，再电解富集成99.8%，该法成本低廉。

过滤方法^[2]

CN201520864653.4公开了一种用于过滤重水的净水器，该净水器包括不溶物过滤器、冷水罐、重水过滤器及轻水过滤器，其中：所述不溶物过滤器设置于所述冷水罐内部，该不溶物过滤器用于过滤水中的固体杂质，并将过滤后的水引流至冷水罐中；所述重水过滤器设置于所述冷水罐的下方，该重水过滤器用于接收所述冷水罐中的水以分离出所述水中的重水；所述轻水过滤器设置于重水过滤器的下方，该轻水过滤器用于接收经过所述重水过滤器分离后的水，并从所述经过所述重水过滤器分离后的水中分离出轻水。本实用新型可以将普通水中的重水进行分离以得到干净的轻水，避免了不干净的水对人体的危害。通过多重过滤，不但从普通水中分离出重水， 还过滤了普通水中其它杂质，提高了水的清洁度，避免了重水对人体的危害， 有利于人体的健康。图1是本实用新型用于过滤重水的净水器较佳实施例的剖面结构示意图。

学术研究^[3-4]

重水作为反应堆的慢化材料,其浓度直接影响反应堆的安全和性能。刘艳等人为研究其重水浓度与吸光度间的关系曲线类型,基于朗伯-比尔定律,从理论上推导出液态重水中某种水分子的红外吸收峰分别与0～2种其他水分子的红外吸收峰发生重叠时重水浓度与吸光度间的关系式,分情况对二者之间的关系曲线类型进行讨论。采用傅里叶变换红外光谱仪,测得浓度为0.015%～99.98%(摩尔比)的重水标准样品吸收光谱,对重水浓度和吸光度间的关系曲线类型进行验证,理论推导与实际吻合。研究表明,一般情况下,宽浓度范围内,重水浓度与吸光度间的关系曲线类型为二次曲线;窄浓度范围内,关系曲线类型为线性。特殊情况下,吸光度为定值或关系曲线类型为线性。

王世霞等人应用金刚石压腔结合拉曼光谱技术研究了重水在291K,0.1～800MPa条件下的拉曼谱图。结果表明:压力增大的过程中,重水的拉曼伸缩振动光谱向低频方向移动,并且频移和压力基本呈线性相关。频移没有突变,没有发生相的转变。将重水的拉曼谱峰分解为代表分子内O—D振动的高频峰和代表分子间氢键振动的低频峰。研究这两种不同类型谱峰的性质,发现代表分子间氢键的低频峰峰面积在不同的压力范围内呈现出不同的变化特征,压力对分子间氢键的影响并不是持续不变的。拉曼峰的峰面积反映的是产生这种拉曼峰的振动的数目,峰面积的变化反映了特征振动数目的变化。由于分子间氢键的强相互作用,水分子总是倾向于形成对称的空间五分子四面体结构,因此峰面积代表了最稳定的五分子团簇结构。

主要参考资料

[1] 中国中学教学百科全书·化学卷

[2] [中国实用新型] CN201520864653.4 用于过滤重水的净水器

[3] 刘艳,任英,胡石林,武超,张宾永,吕卫星.重水浓度与吸光度关系曲线类型研究[J].同位素,2019,32(06):425-430.

[4] 王世霞,郑海飞.高压液态重水的拉曼光谱研究[J].光谱学与光谱分析,2009,29(04):979-981.