請問如何在水里提取氫元素?

【專家解說】：氕，氘，氚 重水與普通水看起來十分相像，是無臭無味的液體，它們的化學(xué)性質(zhì)也一樣，不過某些物理性質(zhì)卻不相同。普通水的密度為1克/厘米3，而重水的密度為1.056克/厘米3;普通水的沸點為100℃，重水的沸點為101.42℃;普通水的冰點為0℃，重水的冰點為 3.8℃。此外，普通水能夠滋養(yǎng)生命，培育萬物，而重水則不能使種子發(fā)芽。人和動物若是喝了重水，還會引起死亡。不過，重水的特殊價值體現(xiàn)在原子能技術(shù)應(yīng)用中。制造威力巨大的核武器，就需要重水來作為原子核裂變反應(yīng)中的減速劑，作中子的減速劑，也可作為制重氫的材料，普通水中含量約為0.02%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。 重水和普通水一樣，也是由氫和氧化合而成的液體化合物，不過，重水分子和普通水分子的氫原子有所不同。我們知道，氫有3種同位素。一種是氕，它只含有一個質(zhì)子。它和一個氧原子化合可以生成普通的水分子。另一種是重氫 --氘。它含有一個質(zhì)子和一個中子。它和一個氧原子化合后可以生成重水分子。還有一種是超重氫--氚。它含有兩個中子和一個質(zhì)子。 重水可以通過多種方法生產(chǎn)。最初的方法是用電解法，因為重水無法電解，這樣可以從普通水中把它分離出來。還有一種簡單方法是利用重水沸點高于普通水通過反復(fù)蒸餾得到。后來又發(fā)展了一些其他較佳的方法。 然而只有兩種方法已證明具有商業(yè)意義:水--硫化氫交換法(GS法)和氨--氫交換法。 GS法是基于在一系列塔內(nèi)(通過頂部冷和底部熱的方式操作)水和硫化氫之間氫與氘交換的一種方法。在此過程中，水向塔底流動，而硫化氫氣體從塔底向塔頂循環(huán)。使用一系列多孔塔板促進(jìn)硫化氫氣體和水之間的混合。在低溫下氘向水中遷移，而在高溫下氘向硫化氫中遷移。氘被濃縮了的硫化氫氣體或水從第一級塔的熱段和冷段的接合處排出，并且在下一級塔中重復(fù)這一過程。最后一級的產(chǎn)品(氘濃縮至高達(dá)30%的水)送入一個蒸鎦單元以制備反應(yīng)堆級的重水(即99.75%的氧化氘)。 氨--氫交換法可以在催化劑存在下通過同液態(tài)氨的接觸從合成氣中提取氘。合成氣被送進(jìn)交換塔，而后送至氨轉(zhuǎn)換器。在交換塔內(nèi)氣體從塔底向塔頂流動，而液氨從塔頂向塔底流動。氘從合成氣的氫中洗滌下來并在液氨中濃集。液氨然后流入塔底部的氨裂化器，而氣體流入塔頂部的氨轉(zhuǎn)換器。在以后的各級中得到進(jìn)一步濃縮，最后通過蒸餾生產(chǎn)出反應(yīng)堆級重水。合成氣進(jìn)料可由氨廠提供，而這個氨廠也可以結(jié)合氨--氫交換法重水廠一起建造。氨--氫交換法也可以用普通水作為氘的供料源。 利用GS法或氨--氫交換法生產(chǎn)重水的工廠所用的許多關(guān)鍵設(shè)備項目是與化學(xué)工業(yè)和石油工業(yè)的若干生產(chǎn)工序所用設(shè)備相同的。對于利用GS法的小廠來說尤其如此。然而，這種設(shè)備項目很少有“現(xiàn)貨”供應(yīng)。GS法和氨--氫交換法要求在高壓下處理大量易燃、有腐蝕性和有毒的流體。因此，在制定使用這些方法的工廠和設(shè)備所用的設(shè)計和運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)時，要求認(rèn)真注意材料的選擇和材料的規(guī)格，以保證在長期服務(wù)中有高度的安全性和可靠性。規(guī)模的選擇主要取決于經(jīng)濟(jì)性和需要。因而，大多數(shù)設(shè)備項目將按照用戶的要求制造。 最后，應(yīng)該指出，對GS法和氨--氫交換法而言，那些單獨地看并非專門設(shè)計或制造用于重水生產(chǎn)的設(shè)備項目可以組裝成專門設(shè)計或制造用于生產(chǎn)重水的系統(tǒng)。氨--氫交換法所用的催化劑生產(chǎn)系統(tǒng)和在上述兩方法中將重水最終加濃至反應(yīng)堆級所用的水蒸餾系統(tǒng)就是此類系統(tǒng)的實例。 專門設(shè)計或制造用于利用GS法或氨--氫交換法生產(chǎn)重水的設(shè)備項目包括如下: 6.1. 水--硫化氫交換塔 專門設(shè)計或制造用于利用GS法生產(chǎn)重水的、用優(yōu)質(zhì)碳鋼(例如ASTM A516)制造的交換塔。該塔直徑6米(20英尺)至9米(30英尺)，能夠在大于或等于2兆帕(300磅/平方英寸)壓力下和6毫米或更大的腐蝕允量下運(yùn)行。 6.2. 鼓風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī) 專門為利用GS法生產(chǎn)重水而設(shè)計或制造的用于循環(huán)硫化氫氣體(即含H2S 70%以上的氣體)的單級、低壓頭(即0.2兆帕或30磅/平方英寸)離心式鼓風(fēng)機(jī)或壓縮機(jī)。這些鼓風(fēng)機(jī)或壓縮機(jī)的氣體通過能力大于或等于56米3/秒(120 000 標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/分)，能在大于或等于1.8兆帕(260磅/平方英寸)的吸入壓力下運(yùn)行，并有對濕H2S介質(zhì)的密封設(shè)計。 6.3.氨--氫交換塔 專門設(shè)計或制造用于利用氨--氫交換法生產(chǎn)重水的氨--氫交換塔。該塔高度大于或等于35米(114.3英尺)，直徑1.5米(4.9英尺)至2.5米(8.2英尺)，能夠在大于15兆帕(2225磅/平方英寸)壓力下運(yùn)行。這些塔至少都有一個用法蘭聯(lián)結(jié)的軸向孔，其直徑與交換塔筒體部分直徑相等，通過此孔可裝入或拆除塔內(nèi)構(gòu)件。 6.4. 塔內(nèi)構(gòu)件和多級泵 專門為利用氨--氫交換法生產(chǎn)重水而設(shè)計或制造的塔內(nèi)構(gòu)件和多級泵。塔內(nèi)構(gòu)件包括專門設(shè)計的促進(jìn)氣/液充分接觸的多級接觸裝置。多級泵包括專門設(shè)計的用來將一個接觸級內(nèi)的液氨向其他級塔循環(huán)的水下泵。 6.5. 氨裂化器 專門設(shè)計或制造的用于利用氨--氫交換法生產(chǎn)重水的氨裂化器。該裝置能在大于或等于3兆帕(450磅/平方英寸)的壓力下運(yùn)行。 6.6. 紅外吸收分析器 能在氘濃度等于或高于90%的情況下“在線”分析氫/氘比的紅外吸收分析器。 6.7. 催化燃燒器 專門設(shè)計或制造的用于利用氨--氫交換法生產(chǎn)重水時將濃縮氘氣轉(zhuǎn)化成重水的催化燃燒器。