在不少领域都需要超高纯度的重水,绝大多数都是通过吸附法与精馏法来进行制备,二者在工艺、效率、能耗、成本方面都各有优劣,那么怎么才能确定哪种方式才能让我们收益最大化呢?
一、核心工艺原理:两种分离逻辑的本质差异
两种方法都是依照“同位素选择性”这一底层逻辑,但工艺的不同也让他们有所区别。
1.吸附法:靠“吸附剂”精准“抓杂质”
吸附法主要是通过特殊吸附剂对普通水和重水的吸附亲和力的差异来实现分离,而针对5N级纯度,就需要多段吸附-再生循环才可以慢慢得到,通常需要2-3级串联吸附。
2.精馏法:靠“沸点差”分层“提重水”
而精馏法是利用二者之间的沸点差异,经过精馏塔内的“多次汽化-冷凝”来实现同位素富集;针对5N级需要采用多塔串联径流,通常需要3-5级,且末端塔需要不小于100块塔板数。
二、关键性能指标对比:从效率到成本的全面权衡
而针对5N级高纯度重水的制备,二者无论是能耗、提纯效率、成本结构和操作灵活性等方面均有不同;
从提纯效率来看,吸附法效率较低,大概要1-3天生产一批;而精馏法的效率更高,几小时即可生产一批;
当然效率低也意味着能耗低、设备成本低,但是吸附法的运营成本会更高一些;而反观精馏法,虽然能耗高、成本高,设备成本高、运营成本也不便宜,但没有耗材的损耗;
所以从上面就能看出,吸附法更适合每年不超过5吨的小批量批次式的提纯;而精馏法更适合不小于10吨每年的大批量提纯,且连续性生产。

三、工艺选择建议:结合场景定方案
5N级重水大多应用于半导体、高端生物医药、核物理试验等高端场景,一般根据原料纯度和产能需求来进行匹配;
如果粗重水的纯度在99.9%,那么优选吸附法,用量不多并且价格成本低,一般在制备氘代硅烷、氘代药物经常见到;
如果粗重水的纯度不高于95%,精馏法更加适合一些,这类粗重水更多适合大批量、连续化的提纯,一般核反应堆、规模化供应使用较多;
现在不少机构经常为了节约成本并且提高产能,经常二者结合使用,更快更有效的制备5N级重水,当然也会有一些缺点。
四、行业应用现状:精馏法为主,吸附法补位
目前全球在5N级重水的生产中,精馏法与吸附法适应占比约7:3,而且近年来随着MOFs新型吸附剂的研发,吸附法的吸附容量提升了2-3倍,再生能耗降低15%,未来在中小批量场景的应用占比可能进一步提升。
而随着技术的不断发展,相信会有更多高效、降本的工艺让我们不断获得更高品质的产品,不仅仅是重水,这些也会让我们在能源、生活、学习等方面获得更大的便利。