Durchflussregelung in einem neuartigen Verfahren zur Erzeugung von Schwerem Wasser

Was ist schweres Wasser?

Isotopologe sind Moleküle, die dieselbe chemische Formel haben und deren Atome in ähnlicher Anordnung gebunden sind, aber ein oder mehrere Atome mit einer anderen Neutronenzahl als das Ausgangsmolekül aufweisen. Deuteriumoxid, chemische Formel D₂O, gemeinhin als schweres Wasser bezeichnet, ist ein wertvolles Wasserisotopolog für Kernreaktoren, Medizin und Spektroskopie.

In Kernreaktoren wird schweres Wasser zur Abschwächung der Neutronen verwendet, um sie auf eine Geschwindigkeit abzubremsen, bei der eine Spaltung stattfinden kann. Deuteriumoxid in Kernreaktorqualität hat in der Regel eine Isotopenreinheit von über 99,98%. In der Medizin wird schweres Wasser als Radiotracer verwendet, um Veränderungen bei physiologischen Aktivitäten wie Blutfluss, chemische Adsorption, Stoffwechsel und mehr sichtbar zu machen und zu messen. In der Spektroskopie wird Deuteriumoxid anstelle von normalem Wasser als Lösungsmittel verwendet, wenn es sich bei dem interessierenden Nuklid um Wasserstoff handelt, da normales Wasser das Signal der interessierenden gelösten Wasserstoffmoleküle stört.

Im Vergleich zu normalem Wasser hat schweres Wasser eine 10,6-mal höhere Dichte und eine höhere Viskosität. Als Isotopenform des Wassers, die stets stabil und nicht radioaktiv ist, ist Deuteriumoxid außerdem ungiftig und in kleinen Mengen für den menschlichen Verzehr unbedenklich.

Aufgrund dieser einzigartigen Eigenschaften und Verwendungszwecke ist der Bedarf an schwerem Wasser hoch. Da gewöhnliches Wasser nur einen Teil schweres Wasser auf 6000 Gewichtsteile gewöhnliches Wasser enthält und schwer zu trennen ist, ist die herkömmliche Produktion von schwerem Wasser energie- und kostenintensiv. Infolgedessen kann der Preis für schweres Wasser je nach gewünschter Reinheit bis zu $0,5-$1 pro kg betragen.

Ein neues Verfahren zur Herstellung von schwerem Wasser

Traditionell wird schweres Wasser durch Elektrolyse, chemischen Austausch oder fraktionierte Destillation von normalem Wasser hergestellt. Das kostengünstigste herkömmliche Verfahren zur Herstellung von Schwerem Wasser ist das als Girdler-Sulfid-Verfahren bezeichnete Verfahren mit doppeltem Temperaturaustausch, das eine Zufuhr von Schwefelwasserstoff und Betriebstemperaturen (in einer Kolonne) von 130 C erfordert.

Kürzlich entdeckte jedoch eine Forschergruppe des Institute for Cell-Material Sciences (iCeMS) der Universität Kyoto eine wesentlich weniger energieintensive Methode zur Herstellung von Deuteriumoxid bei Raumtemperatur.

In ihrem Verfahren sorgen zwei poröse Koordinationspolymere (PCP) oder poröse kristalline Materialien mit Metallknoten und organischen Verbindungen für eine diffusionsregulierende Funktion. Bei moderaten Temperaturschwankungen werden H₂O-Dampf wird in den PCPs schneller adsorbiert als D₂O, unter Berücksichtigung von D₂O leicht von ihm zu trennen.

Schritte zur Schwerwasserproduktion

1. In der Forschungskonfiguration wird Heliumgas in das Ausgangsgemisch aus D₂O und H₂O bei 298 K mit einer Rate von 10 SCCM bei Umgebungsdruck, so dass der Wasserdampf mit einem Massendetektor analysiert werden kann, um das Anfangsverhältnis von schwerem zu normalem Wasser zu bestimmen.
2. Nach diesem Schritt werden die PCPs in einer Vakuumkammer bei 393 K 10 Stunden lang aktiviert, wodurch das restliche Wasser in den PCPs entfernt wird.
3. Im nächsten Schritt wird die Temperatur auf 298 K gesenkt, und der He-Strom spült das Wasser in den Dampf.
4. Danach hört das Blubbern auf und He fließt, um Wasserdampf zu entfernen, der zum Massendetektor geleitet wird, um die Trennung von schwerem Wasser und normalem Wasser zu bestätigen.

Durchflussregelung für ein neues Verfahren zur Herstellung von schwerem Wasser

Das oben beschriebene Verfahren erfordert ein hohes Maß an Genauigkeit und Wiederholbarkeit, um die Durchflussrate von 10 SCCM zu erreichen, die zur korrekten Bestätigung des Verhältnisses von normalem zu schwerem Wasser vor, während und nach dem Prozess verwendet wird. Darüber hinaus ist aufgrund des vorherrschenden Wasserdampfs ein korrosionsbeständiger Massendurchflussregler ideal. Daher wird ein Massedurchflussregler mit hoher Genauigkeit und Wiederholbarkeit bei geringem Durchfluss bevorzugt. Alicat's MCS-Serie und CODA KC-Serie können jeweils optimale, individuell anpassbare Lösungen anbieten, einschließlich Merkmalen und Spezifikationen wie:

MCS-Serie

• 0,5 SCCM Skalenendwert bis 5.000 SLPM Skalenendwert mit einem Turndown von 1% - 100% des Skalenendwertes
• NIST-rückführbare Genauigkeit bis zu ±0,4% vom Messwert oder ±0,2% vom Endwert
• Reproduzierbarkeit ±0,2% vom Skalenendwert
• Reaktionszeiten der Steuerung von bis zu 30 ms

CODA KC-Reihe

• 40 g/h Skalenendwert bis 100 kg/h Skalenendwert mit einer Abweichung von 2% - 100% vom Skalenendwert
• NIST-rückführbare Gasgenauigkeit bis zu ±0,5% vom Messwert oder ±0,05% vom Skalenendwert, je nachdem, welcher Wert größer ist
• Reproduzierbarkeit ±0,05% vom Messwert + 0,025% vom Endwert
• Reaktionszeiten der Steuerung von bis zu 500 ms