新型重水生成过程中的流量控制
什么是重水？
同位素体是具有相同化学式且原子以相似排列方式键合的分子，但具有一个或多个中子数与母体分子不同的原子。氧化氘，化学式D 2 O，通常称为重水，是核反应堆、医学和光谱学中有价值的水同位素体。
在核反应堆中，重水用于缓和中子，将其减慢至可以发生裂变的速度。核反应堆级氧化氘的同位素纯度通常超过 99.98%。在医学上，重水被用作放射性示踪剂，以可视化和测量生理活动的变化，包括血流、化学吸附、新陈代谢等。在光谱学中，如果感兴趣的核素是氢，则使用氧化氘代替普通水作为溶剂，因为普通水会干扰来自感兴趣的氢溶质分子的信号。
与普通水相比，重水的密度是普通水的10.6倍，粘度也更高。此外，作为水的同位素形式，它始终稳定且无放射性，氧化氘无毒，人类少量食用是安全的。
由于这些独特的性质和用途，重水的需求量很高。由于普通水每6000重量份普通水仅含有1份重水且难以分离，因此传统的重水生产能源密集且成本高昂。因此，根据所需的纯度，重水的价格可能高达每公斤 0.5-1 美元。
一种新型重水生产方法
传统上，重水是通过普通水的电解、化学交换或分馏来生产的。生产重水最具成本效益的传统工艺是双温交换硫化物工艺，称为 Girdler 硫化物工艺，需要供应硫化氢和 130°C 的操作温度（在一根塔中）。
然而，最近京都大学细胞材料科学研究所 (iCeMS) 的一组研究人员发现了一种能源密集程度低得多的方法，可以在室温操作条件下生产氧化氘。
在他们的过程中，两种多孔配位聚合物（PCP）或由金属节点和有机链接制成的多孔晶体材料提供了扩散调节功能。在适度的温度变化下，H 2 O蒸气以比D 2 O更快的速度吸附到PCP中，使得D 2 O很容易从中分离。
重水生产的步骤
- 在研究配置中，氦气在环境压力下以 10 SCCM 的速率在 298K 下鼓入 D 2 O 和 H 2 O 的起始混合物中，允许使用质量检测器分析水蒸气以确定水蒸气的起始比例。重至普通水。
- 此步骤之后，PCP 在 393 K 的真空室中激活 10 小时，去除 PCP 中的任何残留水。
- 在下一步中，温度降至 298 K，He 流将水喷射成蒸汽。
- 此后，鼓泡停止，He 流动以去除水蒸气，并携带至质量检测器以确认重水与普通水的分离。
新型重水生产方法的流量调节
上述过程需要高水平的准确性和可重复性，以达到所使用的 10 SCCM 流速，以便在过程之前、期间和之后正确确认正常水与重水的比例。此外，由于水蒸气的普遍存在，耐腐蚀质量流量控制器是理想的选择。因此，优选高精度、高重复性、低流量的质量流量控制器。Alicat 的MCS 系列和 CODA KC 系列均可提供优秀的可定制解决方案，包括以下功能和规格：
MCS系列
- 0.5 SCCM 至 5,000 SLPM ，量程比为满量程的 1% – 100%
- NIST 可溯源精度高达读数的 ±0.4% 或满量程的 ±0.2%
- 重复性 ±0.2% 满量程
- 控制响应时间快至 30 ms
CODA KC 系列
- 40 g/h至 100 kg/h ，量程比为满量程的 2% – 100%
- NIST 可溯源气体精度高达读数的 ±0.5% 或满量程的 ±0.05%，以较大者为准
- 重复性 ±0.05% 读数 + 0.025% 满量程
- 控制响应时间快至 500 毫秒