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-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。同時氘氣的高質(zhì)量和低零點特征，使其在相同反應(yīng)中有著不同反應(yīng)速度，反應(yīng)平衡點位置也有明顯不同。氘氣無毒無味，對生物沒有任何危害，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，所以對氘氣安全問題必須提高重視。 

　　

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。下面通過幾點來詳細分析氘氣制備技術(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。氘沸點為23.5K，氫的沸點為20.38K，HD沸點為22.13K。所以理論上采用精餾液氫制備氘氣是完全可以實現(xiàn)的。通常情況下低溫精餾時，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)來實現(xiàn)氘氣制備[3]。但精餾技術(shù)回流需要消耗大量能量，能耗問題突出，所以經(jīng)濟性并不理想，在能耗方面有待改進。 

　　

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。雖然通過該技術(shù)制備氘氣純度較高，但仍需要對已制備的氘氣進一步純化。純化重點是去除雜質(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。并且電解過程中能耗問題也十分突出，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，但工藝相對復(fù)雜。迎頭色譜法工藝相對簡單，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載氣、濃縮率高、回收率適中等優(yōu)點[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，勞倫斯利弗莫爾實驗室，成功通過激光技術(shù)制備了濃縮倍數(shù)為900的氘氣。勞倫斯利弗莫爾實驗室是通過紫外離子激光器照射含有重甲醛的甲醛混合物實現(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 

通過分析不難看出，每一種技術(shù)的特點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，且能耗問題突出，技術(shù)復(fù)雜，經(jīng)濟性方面有所欠缺，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)備簡單，小規(guī)模比較經(jīng)濟，但若大規(guī)模應(yīng)用，需要面臨高能耗問題，電解能耗無疑會增加成本，并且重水屬于戰(zhàn)略物資相對較為昂貴，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)前我國還沒有氘氣制備工業(yè)化裝置，大多氘氣制備技術(shù)都處于實驗研究階段。氘氣制備過程中必須合理選擇氘氣制備技術(shù)，結(jié)合實際情況科學(xué)確定。雖然重水電解技術(shù)電解過程中能耗較高，但重水電解技術(shù)相關(guān)理論和制備設(shè)備相對成熟，且制備的氘氣純度很高，后期處理成本會有所降低，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)模實驗室使用這兩種技術(shù)制備氘氣，輸出量能夠達到150～1000mL/min，且操作工藝簡單，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)用過程中最大的技術(shù)問題是氘氣純化、去雜質(zhì)問題。通過這種技術(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)制備氘氣過程中雜質(zhì)氮主要氣來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，通過加壓降低重水中的氮氣含量，達到降低氘氣中氮氣含量的目的。另一方面，想要降低氘氣制備過程中的雜質(zhì)氧氣，應(yīng)加強對管路系統(tǒng)引入氧的控制。目前脫氧技術(shù)已十分成熟，氘氣凈化過程中可使用脫氧催化劑達到去除雜質(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。在氘氣制備過程中只有有效去除雜質(zhì)，才能得到高純度的氘氣。