1.Обзор

Дистилляция воды обычно означает разделение воды (H2O), тяжелой воды (D2O) и сверхтяжелой воды (T2O). Основные применения на рынке включают низко-дегтярную воду, концентрированную дегтярную воду, концентрированную триума, удаление тяжелой воды из триума и т. д. Естественная вода обычно содержит около 150 ppm тяжелой воды, в то время как в природе практически отсутствуют следы сверхтяжелой воды и ее можно производить только искусственно.

Основное применение тяжелой воды заключается в использовании ее в ядерных реакторах в качестве замедлителя нейтронов для контроля процесса деления ядер. Однако в тяжелой воде дейтерий может подвергаться захвату нейтронов, образуя триум, который обладает радиоактивностью. Для того чтобы отходы с триумом в ядерных электростанциях соответствовали нормам выброса, необходимо удалить триум из воды.

Тяжелая и сверхтяжелая воды играют важную роль в использовании атомной энергии и являются лидерами в мире по своим возможностям. Они могут быть использованы как "взрывчатое вещество" водородных бомб, поскольку тяжелый водород и сверхтяжелый водород могут реагировать при температуре в несколько десятков миллионов градусов, выделяя при этом гораздо больше энергии, чем атомная бомба.

Кроме того, после разделения дейтерия из естественной воды можно производить низко-дейтерированную воду. Природная низко-дейтерированная вода (содержание дейтерия менее 150 ppm) присутствует в районах с высокими широтами и высокими высотами над уровнем моря. Исследования показали, что употребление низко-дейтерированной воды оказывает подавляющее воздействие на рост раковых клеток легких в организме мышей. Технология дистилляции DODGEN из Шанхая позволяет снизить содержание дейтерия в низко-дейтерированной воде до значения менее 50 ppm.

Таким образом, дистилляция воды имеет большое значение с экономической, стратегической и экологической точек зрения. Однако протон (P), дейтерий (D) и триум (T) - это три изотопа водорода, и точки кипения и относительные давления воды, тяжелой воды и сверхтяжелой воды очень близки, что затрудняет их разделение в дистилляционных системах. Для достижения требуемой степени разделения часто требуется большое количество теоретических тарелок. Поэтому выбор эффективного дистилляционного наполнителя и повышение эффективности разделения наполнителя становятся ключевыми аспектами в дистилляции воды.

Таблица 1. Температура кипения H2O, D2O и T2O при атмосферном давлении.

2.Выбор наполнителя для дистилляции

В связи с близкими кипениями, для разделения тяжелой воды требуется большое количество теоретических пластин, что обычно ведет к необходимости использования нескольких колонн для последовательной дистилляции, причем каждая колонна должна иметь более 200 теоретических пластин. Учитывая затраты на оборудование, операционные издержки и стоимость сырья (стоимость тяжелой воды относительно высока), выбор наполнителя должен учитывать характеристики высокого числа теоретических пластин, низкого давления, низкого количества удерживаемой жидкости.

Согласно опыту экспериментов по разделению изотопов в прошлом, кольцевая упаковка Диксона (также известная как θ-упаковка) обладает высокой эффективностью при применении в лаборатории, обычно достигая близко к 20 теоретическим пластинам на метр. Однако этот наполнитель обычно характеризуется следующими недостатками: 1) очень большим давлением, обычно составляющим 10-20 мбар на метр; 2) низкой пористостью, обычно составляющей 91% ~ 93%, что приводит к большему количеству удерживаемой жидкости; 3) плохой эффект увеличения масштаба, при увеличении диаметра башни гидродинамический режим менее эффективен.

Норма W700 предоставляет более низкое давление, пористость может достигать 94%, и уровень удерживаемой жидкости также может быть снижен, но эффективность заполнения составляет только 5-6 теоретических пластин на метр. Shanghai DODGEN разработало регулируемое сетчатое заполнение DG CY700 для использования в условиях высокого вакуума для разделения изотопов. Это заполнение обладает лучшей диффузией жидкости по поверхности по сравнению с традиционным сетчатым наполнителем, что позволяет достичь более высокой эффективности разделения при том же объеме жидкости, благодаря лучшему увлажнению заполнения. Стандартные сетчатые наполнители из нержавеющей стали обеспечивают более 10 теоретических пластин на метр, пористость составляет 96%, а давление составляет примерно 1-2 мбар на метр. Кроме того, эксперименты показали, что при выборе материала с лучшими свойствами увлажнения и обработкой его поверхности количество теоретических пластин данного заполнения может достигать 10-20 на метр.

3.Выбор материала наполнителя и обработка поверхности

После сравнения различных металлических материалов выяснилось, что медь обладает лучшей способностью к увлажнению поверхности, и различные материалы лучше всего распространяются и диффундируются по медной сетке. Кроме того, после обработки поверхности медной сетки окислением улучшается ее увлажняющая способность. Микрофотография процесса окисления поверхности медной сетки представлена на следующей схеме:

Поскольку вода является полярным веществом, ее поверхностное натяжение достаточно высоко (обычно более 70 мН/м) и плохо распространяется на гладкой металлической поверхности (часто образуя капли), медная сетка после поверхностного окисления образует тонкую волокнистую окисную пленку на гладкой металлической поверхности, что значительно улучшает способность поверхности к увлажнению. Соответствующие эксперименты показывают, что после окисления поверхности медной сетки в процессе дистилляции воды коэффициент общего массопереноса в газовой фазе значительно увеличивается.

3.1Технология обработки поверхности наполнителя

В процессе разделения тяжелой воды качество обработки поверхности наполнителя определяет, будет ли улучшена его производительность, и является одним из ключевых моментов всей системы дистилляции. Качественное окисление поверхностного слоя наполнителя должно соответствовать следующим требованиям: 1) образование плотного и достаточно толстого волокнистого окисного слоя; 2) окисный слой не должен легко сходить и изнашиваться; 3) после окисления меди не должно наблюдаться продолжительное осаждение кристаллов меди в атмосфере (большое количество осажденных кристаллов может привести к засорению сетчатого наполнителя).

Шанхайская компания DODGEN провела серию испытаний и самостоятельно разработала технологию общего окисления, которая позволяет создавать стабильный и равномерный окисленный слой на поверхности наполнителя. Процесс обработки поверхности включает следующие этапы: удаление масла и жира с наполнителя, нагревание поверхности наполнителя в низкоконцентрированном щелочном растворе для начального окисления, повышение концентрации раствора и его нагрев для глубокого окисления и упрочнения окисного слоя на поверхности, ультразвуковая очистка поверхности раствором, сушка наполнителя.

3.2 Влияние концентрации раствора и времени окисления

Shanghai DODGEN использует комбинированный раствор, содержащий несколько щелочных растворов и окислителей. Глубина окисления достигается при температуре 90°C, и проводятся сравнительные анализы поверхностных слоев при различной концентрации раствора и времени окисления. Проведено несколько тестов сравнения, при которых концентрация щелочного раствора варьировалась от 1,5% до 15%, а время окисления изменялось от 5 до 15 минут. Серия A на графике показывает образцы сетчатых наполнителей с разным временем окисления при содержании щелочного раствора 5% (A1~A3 - с увеличением времени), серия B представляет собой образцы сетчатых наполнителей с разным временем окисления при содержании щелочного раствора 15%.

С точки зрения внешнего вида, при содержании щелочного раствора менее 5% цвет заполнителя является кофейным, при 5% концентрации он становится темно-коричневым, а при содержании более 5% его цвет в основном становится чисто черным. На следующем графике представлены результаты микроскопического анализа.

Примечание: Номера в таблице от 1 до 3 и от 4 до 6 соответствуют двум различным точкам измерения толщины окисного слоя

Из толщины окисного слоя видно, что при увеличении концентрации щелочного раствора толщина окисного слоя при одинаковом времени увеличивается, при одинаковой концентрации раствора увеличение времени окисления приводит к увеличению толщины окисного слоя, однако при достижении определенного интервала времени окисления толщина окисного слоя достигает насыщения и больше не увеличивается.

Ниже приведены результаты анализа состава более толстого окисного слоя:

С микрофотографии под электронным микроскопом видно, что окисленная поверхность образует тонкие и плотные волокна, что свидетельствует о полном окислении поверхности. Кроме того, анализ состава окисленной поверхности показывает, что окисление произошло достаточно полно и достигнута насыщенность окислительного слоя. Кроме того, спустя два месяца хранения образцов в атмосфере не наблюдалось продолжительного осаждения кристаллов меди.

Кроме того, DODGEN провела испытания окисления для всей пластины наполнителя и после разборки провела проверку состояния окисления на всей пластине наполнителя, результаты показали, что окисление было очень равномерным.

4.Принципы проектирования наполнителя и распределителя

Помимо выбора подходящего наполнителя и правильного метода обработки поверхности в процессе дистилляции воды, необходимо строго соблюдать принципы проектирования, чтобы обеспечить высокую эффективность наполнителя. Рекомендации по проектированию эффективного регулярного наполнителя и соответствующего распределителя от DODGEN включают следующие принципы:

1)Система дистилляции воды должна обеспечивать вакуумные условия, рекомендуется ниже 100 мбар;

2)Рекомендуется, чтобы интенсивность потока жидкости в сечении дистилляционной колонны была ниже 5 м3/м2ч;

3)Максимальная высота слоя наполнителя рекомендуется быть ниже 2 метров на каждый сегмент;

4)Рекомендуется, чтобы плотность капель в распределителе была больше 330/м2;

5)При тестировании распределителя рекомендуется, чтобы максимальное отклонение уровня жидкости в каждом желобе было менее 4%.