¿Qué son el agua pesada, el agua dura, el agua blanda y el agua libre?
El agua pesada se parece mucho al agua corriente. Sus propiedades químicas son las mismas, pero algunas propiedades físicas son diferentes. La densidad del agua ordinaria es 1 g/cm3, mientras que la densidad del agua pesada es 1,056 g/cm3. El punto de ebullición del agua corriente es de 100°C y el punto de ebullición del agua pesada es de 101,42°C. El punto de congelación del agua corriente es 0 ℃ y el punto de congelación del agua pesada es 3,8 ℃. Además, el agua corriente puede nutrir la vida y cultivar todas las cosas, mientras que el agua pesada no puede hacer germinar semillas. También puede producirse la muerte si personas y animales beben grandes cantidades de agua. Sin embargo, el valor especial del agua pesada se refleja en la aplicación de la tecnología de energía atómica. Para crear armas nucleares poderosas, se necesita agua pesada como moderador de la reacción de fisión nuclear.
El agua pesada, como el agua ordinaria, también es un compuesto líquido formado por hidrógeno y oxidación, pero los átomos de hidrógeno de las moléculas de agua pesada son diferentes de los átomos de hidrógeno de las moléculas de agua ordinaria. Sabemos que el hidrógeno tiene tres isótopos. Uno es verdadero y contiene solo un protón. Puede combinarse con un átomo de oxígeno para formar una molécula de agua ordinaria. El otro es hidrógeno pesado: deuterio. Contiene un protón y un neutrón. Puede combinarse con un átomo de oxígeno para formar una molécula de agua pesada. También existe una forma superpesada de hidrógeno: el tritio. Contiene dos neutrones y un protón.
El agua pesada se puede producir de muchas formas. El método original era la electrólisis. Como el agua pesada no se puede electrolizar, se puede separar del agua corriente. Otro método sencillo consiste en aprovechar el hecho de que el agua pesada tiene un punto de ebullición más alto que el agua corriente mediante destilaciones repetidas. Posteriormente se desarrollaron otros métodos mejores.
Sin embargo, sólo dos métodos han demostrado ser de importancia comercial: el método de intercambio de agua-sulfuro de hidrógeno (método GS) y el método de intercambio de amoníaco-hidrógeno.
El método GS es un método basado en el intercambio de agua y sulfuro de hidrógeno por hidrógeno y deuterio en una serie de torres (operadas mediante refrigeración superior y calefacción inferior). En este proceso, el agua fluye hacia el fondo de la torre y el gas sulfuro de hidrógeno circula desde el fondo hasta la parte superior de la torre. Se utiliza una serie de placas porosas para facilitar la mezcla de gas sulfuro de hidrógeno y agua. El deuterio migra al agua a bajas temperaturas y al sulfuro de hidrógeno a altas temperaturas. Se descarga gas de sulfuro de hidrógeno o agua que contiene deuterio concentrado desde la conexión entre la sección caliente y la sección fría de la torre de la primera etapa, y el proceso se repite en la torre de la siguiente etapa. El producto de la etapa final (deuterio concentrado al 30% de agua) se envía a una unidad de destilación para preparar agua pesada (99,75% de óxido de deuterio) para la etapa del reactor.
El método de intercambio amoniaco-hidrógeno permite extraer deuterio del gas de síntesis mediante el contacto con amoniaco líquido en presencia de un catalizador. El gas de síntesis se envía a la torre de intercambio y luego a la torre de síntesis de amoniaco. En la columna de intercambio, el gas fluye de abajo hacia arriba, mientras que el amoníaco líquido fluye de arriba hacia abajo. El deuterio se lava del hidrógeno en el gas de síntesis y se concentra en amoníaco líquido. Luego, el amoníaco líquido fluye hacia el craqueador de amoníaco en la parte inferior de la torre y el gas fluye hacia la torre de síntesis de amoníaco en la parte superior de la torre. Se concentra aún más en etapas posteriores y finalmente se produce por destilación para producir agua pesada de calidad para reactor. La alimentación de gas de síntesis puede ser proporcionada por una planta de amoníaco sintético, que también puede construirse en conjunto con una planta de agua pesada con intercambio de amoníaco-hidrógeno. El método de intercambio de hidrógeno y amoníaco también puede utilizar agua corriente como fuente de suministro de deuterio.
Muchos de los equipos clave utilizados en las plantas que producen agua pesada mediante el proceso GS o el proceso de intercambio de hidrógeno y amoníaco son los mismos que se utilizan en varios procesos de producción en las industrias química y petrolera. Esto es especialmente cierto para las pequeñas fábricas que utilizan el método GS. Sin embargo, este tipo de equipo rara vez está disponible en el mercado. El método GS y el método de intercambio de hidrógeno y amoníaco requieren el manejo de grandes cantidades de fluidos inflamables, corrosivos y tóxicos a alta presión. Por lo tanto, al desarrollar normas para el diseño y operación de plantas y equipos que utilizan estos métodos, se debe prestar cuidadosa atención a la selección de materiales y a las especificaciones de los mismos para garantizar un alto grado de seguridad y confiabilidad en el uso a largo plazo. La elección del tamaño depende principalmente de la economía y la demanda. Por lo tanto, la mayoría de los equipos se fabricarán de acuerdo con los requisitos de los usuarios.
Finalmente, cabe señalar que para el método GS y el método de intercambio de hidrógeno y amoníaco, los equipos que no están diseñados o fabricados específicamente para la producción de agua pesada pueden ensamblarse en sistemas diseñados o fabricados específicamente para la producción de agua pesada. producción de agua. Los sistemas de producción de catalizadores utilizados en el proceso de intercambio de amoníaco-hidrógeno y los sistemas de destilación de agua utilizados en los dos procesos anteriores para finalmente concentrar agua pesada al nivel del reactor son ejemplos de dichos sistemas.
Los equipos especialmente diseñados o fabricados para la producción de agua pesada por método GS o método de intercambio de hidrógeno amoniaco incluyen:
6.1 Torre de intercambio agua-sulfuro de hidrógeno
6.2. Soplador y compresor
Cabezal de baja presión de una etapa (es decir, 0,2 MPa) especialmente diseñado o fabricado para hacer circular gas de sulfuro de hidrógeno (es decir, gas que contiene más de un 70% de H2S). o 30 psi) soplador o compresor centrífugo para producción de agua pesada mediante proceso GS. Estos sopladores o compresores tienen un rendimiento de gas mayor o igual a 56 m3/s (65,438+020,000 pies cúbicos estándar/minuto), y pueden operar a una tasa de succión mayor o igual a 65,438+0.8 MPa (260 psi). bajo presión y están diseñados para sellar medios húmedos de H2S.
6.3.Torre de intercambio amoniaco-hidrógeno
Torre de intercambio amoniaco-hidrógeno especialmente diseñada o fabricada para la producción de agua pesada mediante el método de intercambio amoniaco-hidrógeno. La torre tiene una altura mayor o igual a 35 metros (114,3 pies), un diámetro de 1,5 metros (4,9 pies) a 2,5 metros (8,2 pies) y puede operar a presiones superiores a 15 MPa (2225 psi). Estas torres cuentan con al menos un orificio axial conectado por una brida cuyo diámetro es igual al diámetro del cilindro de la torre de intercambio, a través del cual se pueden instalar o desmontar los componentes internos de la torre.
6.4. Componentes internos de torre y bombas multietapa
Componentes internos de torre y bombas multietapa especialmente diseñados o fabricados para la producción de agua pesada mediante el método de intercambio amoniaco-hidrógeno. El interior de la torre incluye un dispositivo de contacto de múltiples etapas especialmente diseñado para promover un contacto adecuado entre gas y líquido. Las bombas multietapa incluyen bombas sumergibles diseñadas específicamente para hacer circular amoníaco líquido en una etapa de contacto hacia otras etapas.
6.5. Cracker de amoniaco
Cracker de amoniaco especialmente diseñado o fabricado para la producción de agua pesada mediante el método de intercambio amoniaco-hidrógeno. La unidad puede funcionar a presiones mayores o iguales a 3 MPa (450 psi).
6.6.Analizador de absorción infrarroja
Analizador de absorción infrarroja que puede analizar la relación hidrógeno/deuterio "online" cuando la concentración de deuterio es igual o superior al 90%.
6.7. Quemador catalítico
Cuando se produce agua pesada mediante el método de intercambio amoniaco-hidrógeno, se utiliza un quemador catalítico especialmente diseñado o fabricado para convertir el gas rico en deuterio en agua pesada.
Agua dura
La llamada "agua dura" significa que en el agua hay muchos componentes minerales disueltos, especialmente calcio y magnesio. El agua dura no causa daños directos a la salud, pero puede causar muchos problemas en la vida, como incrustaciones en los aparatos de agua y una menor eficiencia de lavado de jabones y detergentes.
El agua es un excelente disolvente y puede eliminar eficazmente la suciedad y las impurezas. El agua pura, incolora, insípida e inodoro, se llama el "disolvente universal". El agua se disuelve mejor cuando se combina con dióxido de carbono para producir trazas de ácido carbónico. A medida que el agua fluye a través de la tierra y las rocas, disuelve pequeñas cantidades de componentes minerales, siendo el calcio y el magnesio los dos más comunes, que es lo que endurece el agua. Cuanto más calcio, magnesio y otros componentes minerales haya en el agua, más dura será el agua.
En el Reino Unido, la dureza del agua generalmente se expresa mediante los siguientes indicadores:
Rango de dureza: blanda, ligeramente dura, medianamente dura, muy dura y ultradura.
Minerales disueltos (mg/L agua) 0-17.17.1-60 60-120 120–180 180 y más
Agua blanda
Agua blanda
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Agua blanda
Agua natural que contiene sólo pequeñas cantidades de sales solubles de calcio y magnesio, o agua dura blanda. El agua blanda natural generalmente se refiere al agua de río, río y lago (lago de agua dulce). El agua dura ablandada se refiere al agua ablandada obtenida después de que el contenido de sal de calcio y sal de magnesio se reduce a 1,0 ~ 50 mg/L. Aunque el agua dura temporal se puede convertir en agua blanda hirviéndola, es extremadamente difícil utilizar este método para tratar. Grandes cantidades de agua en la industria. Los métodos para ablandar el agua incluyen: ① Método de cal-carbonato de sodio. Primero mida la dureza del agua, luego agregue una cierta cantidad de hidróxido de calcio y carbonato de sodio para precipitar los iones de calcio y magnesio en el agua dura;
Ca(HCO3)2+Ca(OH)22CaCO3↓ +2H2O
Mg(HCO 3)2+2Ca(OH)2Mg(OH)2↓+2Ca co 3 ↓+ 2H2O
CaSO4+Na2CO3CaO3 ↓+Na2SO4 ②Método de agua blanda con fosfato . Para el agua de caldera, se puede añadir hipofosfito de sodio (NaPO3) como ablandador de agua, que forma un complejo con iones de calcio y magnesio. Cuando se hierve el agua, el calcio y el magnesio no precipitan, por lo que no se forman incrustaciones. Este método no es adecuado para ablandar el agua potable. ③Método de intercambio iónico.
Aunque las zeolitas y los intercambiadores de iones son insolubles en agua, los iones de sodio y los iones de hidrógeno que contienen pueden intercambiarse con los iones de calcio y magnesio en agua dura, de modo que los iones de calcio y magnesio son absorbidos y eliminados por las zeolitas, las zeolitas artificiales y los intercambiadores de iones. Las zeolitas y los intercambiadores de iones que han fallado después de un uso prolongado se pueden reutilizar mediante regeneración, por lo que este método es un método de ablandamiento de agua avanzado y económico.
Agua libre
Agua libre
(Agua libre) El agua en las células vegetales que no es absorbida por partículas coloidales o macromoléculas puede moverse libremente y actuar como disolvente. . El agua existe en las células en dos estados: agua libre y agua unida. Debido a los diferentes estados, sus propiedades también son diferentes. Por tanto, desempeña diferentes funciones en las células. Debido a las diferentes proporciones entre ellos, afectará las propiedades físicas del protoplasma, afectando así la intensidad del metabolismo. Cuanto mayor es la proporción de agua libre en el contenido total de agua, menor es la viscosidad del protoplasma y más vigoroso es el metabolismo.