آب سنگین بسیار شبیه آب معمولی است. در واقع از هر ۲۰میلیون مولکول آب، یک مولکول آب سنگین است. آب سنگین آبی است که حاوی هیدروژن سنگین یا دوتریوم است؛ دوتریوم یکی از ایزوتوپ‌های هیدروژن است.

آب سنگین چیست؟

آ ب سنگین (Heavy water) معمولاً به اکسید هیدروژن سنگین، D_۲O یا ^۲H_۲O گفته می‌شود. هیدروژن سنگین یا دوتریوم (Deuterium) ایزوتوپی پایدار از هیدروژن است که به نسبت یک به ۶۴۰۰ از اتم‌های هیدروژن در طبیعت وجود دارد. در آب سنگین (با فرمول D_۲O) ایزوتوپ هیدروژن به نام دوتریم

(با نماد اتمی ^۲H یا D) با اکسیژن ترکیب شده‌است. خواص فیزیکی و شیمیایی آن به نوعی مشابه با آ ب معمولی یا همان H_۲O است. از کاربردهای این آب می‌توان به استفاده از آن در رآکتورهای هسته‌ای با سوخت اورانیم، به عنوان مهارگر (Moderator) به جای گرافیت و نیز عامل انتقال گرمی رآکتور نام برد.

ساختار آ ب سنگین

مولکول آ ب سنگین همانند مولکول آب معمولی، یک مولکول قطبی است و زاویه پیوند در آن کم‌تر از زاویه چهاروجهی منتظم، یعنی کم‌تر از ۱۰۹٫۵ درجه است. این مولکول همانند آ ب معمولی به عنوان یک ماده آمفی‌پروتیک عمل می‌کند؛ یعنی می‌تواند یون هیدروژن بدهد و بگیرد (در این‌جا ایزوتوپ دوتریم است که به شکل یون مثبت، مبادله می‌گردد).به دلیل کوچک‌تر بودن ایزوتوپ دوتریم نسبت به پروتیم (هیدروژن معمولی) طول پیوند O-D در آب سنگین اندکی از طول پیوند آب معمولی (O-H) کمتر است.

فرآیند تولید اب سنگین

گیلبرت لوییس برای اولین بار در سال 1933 به روش الکترولیز (برق کافت ) به آ ب سنگین خالص دست یافتند. برای تولید آ ب سنگین خالص با روش الکترولیز به دستگاه‌های پیچیده تقطیر و الکترولیز و همچنین مقدار زیادی انرژی نیاز است، به همین دلیل بیشتر از روش‌های شیمیایی برای تهیه آب سنگین استفاده می کنند.

همچنین از آنجایی که نقطه جوش آب سنگین بالاتر از آ ب معمولی است، می‌توان برای تولید آب سنگین از روش تبخیر و تقطیر هم استفاده کرد. در طبیعت از هر ۳۲۰۰ مولکول آب یکی آب نیمه سنگین HDO (یک اتم دو تریم با یک اتم هیدروژن) است.

آ ب نیمه سنگین را می‌توان با روش‌هایی مانند تقطیر یا الکترولیز یا دیگر فرآیندهای شیمیایی از آ ب معمولی به دست آورد. هنگامی‌که مقدار HDO در آب زیاد شد، میزان آ ب سنگین نیز بیشتر می‌شود، زیرا مولکول‌های آ ب هیدروژن‌های خود را با یکدیگر عوض می کنند و احتمال دارد که از دو مولکول HDO یک مولکول آ ب معمولی (H2O) و یک مولکول آ ب سنگین (D2O) به وجود آید.

2HDO -> H2O + D2O

تفاوت جرمِ آ ب سنگین و آ ب سبک فراوان است و تفاوت در نقاط جوش این 2 نوع آ ب، امکان جداسازی آ ب سنگین و خالص‌سازی آن را فراهم می‌کند. تاسیسات تولید آب سنگین اکنون فقط در 8 کشور وجود داشته است که کشورمان نیز نهمین کشور دارای این فنّاوری است.

آب با اکسیژن سنگین

به عنوان مثال هسته ایزوتوپ معمولی هیدروژن (H) تنها دارای یک پروتون است و نوترون ندارد، در حالی که هسته دو تریم (D) دارای یک پروتون و یک نوترون است و هسته تریتیم (T) دارای یک پروتون و دو نوترون است.

آ.ب با اکسیژن سنگین، در حالت معمول با اکسیژن 18 است که به صورت تجاری در دسترس است و بیشتر برای ردیابی به‌کاربرده می شود. برای مثال، با جانشین کردن این آب (با نوشیدن یا تزریق) در یکی از عضو های بدن می توان در طول زمان میزان تغییر در مقدار آب این عضو را بررسی کرد.

این نوع از آب به ندرت حاوی دو تریوم است و به همین علت خواص شیمیایی و بیولوژیکی خاصی ندارد برای همین، به آن آب سنگین گفته نمی شود. ممکن است اکسیژن در آن به صورت ایزوتوپ های O17 نیز موجود باشد، در هر صورت تفاوت فیزیکی این آ.ب با آب معمولی، فقط چگالی بیشتر آن است و تفاوت دیگری با آب معمولی ندارد.

کاربرد آب سنگین

بیشترین استفاده از آ ب سنگین در راکتورهای هسته‌ای است، چراکه این آ.ب توانای کند کردن سرعت نوترون‌ها را بدون نیاز به آلومینیوم غنی‌شده داشته و در نتیجه تولید انرژی با صرف هزینه کم‌تری همراه خواهد بود. نیروگاه های که از انرژی شکافت اورانیوم استفاده می‌کنند به 2 دسته نیروگاه آب سبک و آ.ب سنگین تقسیم می شوند. نیروگاه آ.ب سبک دارای راکتور آب سبک و نیروگاه آ.ب سنگین دارای راکتور آب سنگین هستند.

آ.ب سنگین در برخی از راکتور های هسته‌ای به عنوان کند کننده سرعت نوترون به کار می‌رود. نوترون‌های کند می‌توانند با اورانیوم واکنش بدهند. از آب سبک یا آب معمولی هم می‌توان به عنوان کند کننده استفاده کرد،

اما ازآنجاکه آ.ب سبک نوترون‌های حرارتی را هم جذب می کند، در راکتورهای آ ب سبک باید اورانیوم غنی‌شده (اورانیوم با خلوص زیاد) را به کاربرد، اما راکتور آب سنگین می‌تواند از اورانیوم معمولی یا غنی نشده هم استفاده کند.

اگرچه آ.ب سنگین را بیشتر به دلیل کاربرد آن در نیروگاه های هسته ای می شناسند؛ اما این ماده در پژوهش‌های علمی در رشته زیست‌شناسی، پزشکی، فیزیک، شیمی و مهندسی نیز کاربرد های فراوانی دارد. که در ادامه به چند مورد از آن اشاره می‌شود:

طیف‌سنجی تشدید مغناطیسی هسته: در طیف‌سنجی تشدید (Resonance) مغناطیسی هسته (NMR)، هنگامی‌که هسته موردنظر پژوهشگر، هیدروژن و حلال موردنظر آ ب باشد، در این حالت سیگنال‌های اتم هیدروژن موردنظر با سیگنال‌های اتم هیدروژن آ ب معمولی تداخل می کند،

برای جلوگیری از این تداخل، می‌توان به جای آ.ب معمولی از آ ب سنگین بهره گرفت، زیرا ویژگی های مغناطیسی توتریم و هیدروژن باهم تفاوت دارد و سیگنال دو تریم با سیگنال هیدروژن تداخل نمی کند.

آشکارسازی نوترینو: رصدخانه نوترینوی سادیری در انتاریوی کانادا از هزار تن آ ب سنگین استفاده می کند. این آشکار ساز نوترینو در ژرفای زمین و در دل یک معدن قدیمی کار گذاشته‌شده تا نئون های پرتوهای کیهانی به آن نرسد.

هدف اصلی این رصدخانه یافتن پاسخ این پرسش است که آیا نوترینو های الکترون که از هم‌جوشی در خورشید تولید می‌شوند، در مسیر رسیدن به زمین به دیگر انواع نوترینوها تبدیل می‌شوند یا خیر. وجود آب سنگین در این آزمایش‌ها ضروری است، زیرا دوتریم موردنیاز برای آشکار سازی انواع نوترینوها را فراهم می کند.

آزمون‌های سوخت و ساز در بدن: از مخلوط آ ب سنگین با آبی که اکسیژن آن ایزوتوپ O18 است و نه O16، برای انجام آزمایش اندازه‌گیری سرعت سوخت و ساز بدن انسان و جانوران بهره می گیرند. این آزمون سوخت  ساز را «آزمون آب دو بار نشان‌دار» می‌نامند.

تولید تریتیم: هنگامی‌که دو تریم رآکتور آ ب سنگین یک نوترون به دست می‌آورد به تریتیم، ایزوتوپ دیگر هیدروژن تبدیل می‌شود. تولید تریتیم به این روش به فناوری چندان پیچیده‌ای نیاز ندارد و آسان‌تر از تولید تریتیم به روش تبدیل نوترونی لیتیم ۶ است. تریتیم در ساخت نیروگاه‌های گرما-هسته‌ای کاربرد دارد.

یکی از راه های زدودن سختی آ ب استفاده از سختی گیر می باشد. برای دریافت اطلاعات بیشتر در خصوص دستگاه سختی گیر می توانید به محصولات مراجعه فرمایید.

آب نرم چیست؟

آ ب نرم نوعی آب سطحی است که حاوی غلظت کمی از یون ها به ویژه یون کلسیم و منیزیم است. این آ ب به طور طبیعی در جایی وجود دارد که  آب باران و رودخانه هایی از سنگ های سخت و غیر قابل نفوذ و فقیر از نظر کلسیم در یک آبگیر جمع شود. به عنوان مثال در می توان به Snowdonia در ولز انگلیس و Highlands غربی در اسکاتلند اشاره کرد.

آ ب نرم همچنین ممکن است برای توصیف آ بی که در اثر نرم شده با تکنیک های مختلف استفاده شود ، اگرچه این آ ب اصطلاحاً  که آ ب نرم شده گفته می شود ممکن است حاوی مقادیر بالایی از یون های سدیم و بی کربنات باشد که برای رسوب کلسیم و منیزیم مورد استفاده قرار گرفته است.

از آنجا که آ ب نرم یون های کلسیم کمی دارد ، هیچ مانعی برای کف صابون ها ایجاد نمی شود و در شستشوی طبیعی هیچ پساب صابونی ایجاد نمی شود. به همین ترتیب ، آ ب نرم هیچ رسوب کلسیم در سیستم های گرمایش آب ایجاد نمی کند. آ بی که نرم نباشد به آن آب سخت گفته می شود.

تفاوت بین آ ب سخت وآب نرم چیست؟

هرچه میزان PPM آ ب بالا باشد، میزان فرسودگی شیرآلات و لوله کشی منازل مسکونی می‌شود این همه معایب آ ب سخت نیست چرا که استفاده از اب سخت در مصارف شهری منجر به افزایش مصرف مواد شوینده، ایجاد لکه در لباس‌ها هنگام شست‌وشو و افزایش زمان پخت غذا می‌شود.

هرچند آ ب نرم منجر به خوش طعم شدن غذا، تمیزی بیشتر و دوام بیشتر تجهیزات لوله کشی می‌شود اما نرمی بیش از حد آن منجر به افزایش مصرف آب و هزینه خانوار می‌شود

روش تولید آب نرم

تبدیل آ ب سخت به آ.ب نرم یکی از روش‌های متداول در صنعت آ.ب است؛ برای این کار از زئولیت(Zeolite) ، آهک زنی، سنگ نمک و رزین‌های تبادل یونی ( فیلتر سختی گیر رزینی ) استفاده می‌شود. اضافه کردن مواد منعقد کننده به آ ب سخت جهت ته نشین شدن گل و لای هم یکی دیگر از روش‌های تبدیل آ.ب سخت به آ.ب نرم است.

تفاوت آب سنگین و آب سبک

آ ب سنگین شباهت بسیاری به آ.ب معمولی دارد در صورتی که آ ب سبک در طبیعت وجود ندارد و برای تولید آن باید به روش‌های مصنوعی متوسل شد که روش‌های تقطیر، الکترولیز، لیزر و استفاده از غشا پرکاربردترین آنها به شمار می‌آیند. آ ب سنگین در انرژی هسته‌ای و آ ب سبک غالباً در روش‌های درمانی کاربرد دارد.