一、氘氣的性質(zhì) 

氘是氫的同位素，原子量比普通氫重兩倍，三相點(diǎn)-254.4℃；比熱容：（101.325kPa，21.2℃）：5.987m3/kg；氣液容積比：（15℃，100kPa）：974L/L；臨界溫度：-234.8℃；氣化熱：ΔHv（-249.5℃）：305kJ/kg[1]。氘氣的化學(xué)性質(zhì)與氫氣相同，可以發(fā)生普通氫所有的化學(xué)反應(yīng)，并能夠生成相應(yīng)化合物。同時(shí)氘氣的高質(zhì)量和低零點(diǎn)特征，使其在相同反應(yīng)中有著不同反應(yīng)速度，反應(yīng)平衡點(diǎn)位置也有明顯不同。氘氣無(wú)毒無(wú)味，對(duì)生物沒(méi)有任何危害，僅具有窒息性，但氘氣易燃易爆，使用及生產(chǎn)中稍有不慎，極有可能誘發(fā)安全事故，所以對(duì)氘氣安全問(wèn)題必須提高重視。 

　　

二、氘氣制備技術(shù) 

隨著科技的發(fā)展，越來(lái)越多的氘氣制備技術(shù)被提出，不同技術(shù)應(yīng)用效果有所不同，只有科學(xué)選擇制備技術(shù)才能達(dá)到理想效果。當(dāng)前主要氘氣制備技術(shù)有：液氫精餾技術(shù)、電解重水技術(shù)、金屬氫化物技術(shù)、激光技術(shù)、氣相色譜技術(shù)等等。下面通過(guò)幾點(diǎn)來(lái)詳細(xì)分析氘氣制備技術(shù)： 

 

1、液氫精餾技術(shù) 

氘是氫的同位素，天然氫中氘含量是0.013到0.015。氘沸點(diǎn)為23.5K，氫的沸點(diǎn)為20.38K，HD沸點(diǎn)為22.13K。所以理論上采用精餾液氫制備氘氣是完全可以實(shí)現(xiàn)的。通常情況下低溫精餾時(shí)，首先濃縮的是HD，但HD必須經(jīng)催化劑轉(zhuǎn)化為D2、HD、H2平衡混合物后才能繼續(xù)精餾濃縮，才能進(jìn)一步制備。當(dāng)前液氫精餾技術(shù)中低溫精餾分離技術(shù)多采用JET低溫精餾系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)氘氣制備[3]。但精餾技術(shù)回流需要消耗大量能量，能耗問(wèn)題突出，所以經(jīng)濟(jì)性并不理想，在能耗方面有待改進(jìn)。 

　　

2、重水電解技術(shù) 

重水電解技術(shù)采用電解水裝置，以堿金屬的氘氧化物為電解質(zhì)或固體聚合物電解重水。雖然通過(guò)該技術(shù)制備氘氣純度較高，但仍需要對(duì)已制備的氘氣進(jìn)一步純化。純化重點(diǎn)是去除雜質(zhì)，降低氘氣所含的氫同位素雜質(zhì)氕，但氕去除難度較大，處理工藝十分復(fù)雜。并且電解過(guò)程中能耗問(wèn)題也十分突出，應(yīng)用中降低工作電壓，提高能量效率的主要策略有：減小電極間距離、提高工作壓力、提高工作溫度、改變電極材料、使用添加劑等。 

　　

3、氣相色譜法 

氣相色譜法發(fā)明于一九五二年，其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。一九五七年，氣相色譜法被成功用于于氘氣制備。目前氫同位素主流氣相色譜分離技術(shù)有H2-頂替色譜法、迎頭色譜法、沖洗色譜法、自我頂替色譜法。H2-頂替色譜法制備量大，回收率和濃縮率最高，但工藝相對(duì)復(fù)雜。迎頭色譜法工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，適合從天然氫中制備氘氣。沖洗色譜法制備氘氣純度較低，不能滿足需求，因此較少采用。自我頂替色譜法具有著無(wú)載氣、濃縮率高、回收率適中等優(yōu)點(diǎn)[4]，是最為理想的色譜制氘技術(shù)。 

　　

4、激光制備技術(shù) 

激光技術(shù)制備氘氣最早提出于一九七八年，勞倫斯利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室，成功通過(guò)激光技術(shù)制備了濃縮倍數(shù)為900的氘氣。勞倫斯利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室是通過(guò)紫外離子激光器照射含有重甲醛的甲醛混合物實(shí)現(xiàn)分離氘氣。一九八年，一些研究者利用YAG激光器和高效率鎖模脈沖激光器來(lái)制備氘氣得到了濃縮倍數(shù)為11500的氘氣。目前激光制備技術(shù)尚處于研究當(dāng)中，相關(guān)技術(shù)手段并不成熟。 

　　

三、氘氣制備技術(shù)的選擇及其應(yīng)用 

通過(guò)分析不難看出，每一種技術(shù)的特點(diǎn)和特征以及制備濃度和純度都有所不同。液氫精餾技術(shù)制備氘氣使用的精餾裝置比較昂貴，且能耗問(wèn)題突出，技術(shù)復(fù)雜，經(jīng)濟(jì)性方面有所欠缺，但如果資金充足，該技術(shù)適合大規(guī)模生產(chǎn)。電解重水技術(shù)設(shè)備簡(jiǎn)單，小規(guī)模比較經(jīng)濟(jì)，但若大規(guī)模應(yīng)用，需要面臨高能耗問(wèn)題，電解能耗無(wú)疑會(huì)增加成本，并且重水屬于戰(zhàn)略物資相對(duì)較為昂貴，所以成本控制難度較大。氣相色譜法利用了貴金屬，雖制備效果比較理想，但性價(jià)比較差。激光制備技術(shù)屬于新型氘氣制備技術(shù)仍處于研究階段，相關(guān)技術(shù)和設(shè)備尚未成熟。當(dāng)前我國(guó)還沒(méi)有氘氣制備工業(yè)化裝置，大多氘氣制備技術(shù)都處于實(shí)驗(yàn)研究階段。氘氣制備過(guò)程中必須合理選擇氘氣制備技術(shù)，結(jié)合實(shí)際情況科學(xué)確定。雖然重水電解技術(shù)電解過(guò)程中能耗較高，但重水電解技術(shù)相關(guān)理論和制備設(shè)備相對(duì)成熟，且制備的氘氣純度很高，后期處理成本會(huì)有所降低，所以當(dāng)前氘氣制備主要還是采用重水電解技術(shù)。目前市場(chǎng)上采用的重水電解技術(shù)主要分為：固體聚合物水電解、堿性水電解、固體氧化物水電解三大類。其中相對(duì)成熟的技術(shù)是堿性水電解技術(shù)和固體聚合物電解技術(shù)，大多小規(guī)模實(shí)驗(yàn)室使用這兩種技術(shù)制備氘氣，輸出量能夠達(dá)到150～1000mL/min，且操作工藝簡(jiǎn)單，應(yīng)用靈活，是當(dāng)前氘氣制備首選技術(shù)。 重水電解技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中最大的技術(shù)問(wèn)題是氘氣純化、去雜質(zhì)問(wèn)題。通過(guò)這種技術(shù)制備氘氣，其中主要包括的雜質(zhì)有：HD、O2、N2以及少量D2O雜質(zhì)等。該技術(shù)制備氘氣過(guò)程中雜質(zhì)氮主要?dú)鈦?lái)自空氣在重水中的溶解和管路滲透。要降低產(chǎn)品氘氣中的氮含量，必須做好密封處理，保障設(shè)備密封性，通過(guò)加壓降低重水中的氮?dú)夂?，達(dá)到降低氘氣中氮?dú)夂康哪康摹Ａ硪环矫?，想要降低氘氣制備過(guò)程中的雜質(zhì)氧氣，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)管路系統(tǒng)引入氧的控制。目前脫氧技術(shù)已十分成熟，氘氣凈化過(guò)程中可使用脫氧催化劑達(dá)到去除雜質(zhì)氧氣目的。主流脫氧催化劑有：活性氧化鋁鍍鈀、銅系催化劑、鈀分子篩、鈀炭纖維催化劑、鎳系催化劑等。除此之外，HD的去除也十分重要，HD是電解重水氘氣制備中最大的雜質(zhì)。去除HD通常使用熱循環(huán)吸附工藝（TCAP），工作介質(zhì)Pd-Al2O3。利用活性氧化鋁、分子篩等催化劑在低溫下的氫同位素分離也能降低HD含量。在氘氣制備過(guò)程中只有有效去除雜質(zhì)，才能得到高純度的氘氣。