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.

شاخص آب یکی از اصلی‌ ترین نیازهای بشر است و به همین دلیل سالم بودن آن، اهمیت زیادی دارد. برای اینکه آب سالم و تصفیه شده به دست افراد برسد، ابتدا در تصفیه خانه‌ها تصفیه شده و شاخص‌ های مختلف آن اندازه‌گیری می‌شود.

می‌توان گفت اولین گام برای فرایند تصفیه آب، اطلاع از شاخص‌ های مهم و مورد نیاز آب است.

 

شاخص های مهم آنالیز آب

• الف) شاخص های املاح محلول آب
• ب) شاخص های مواد معلق آب
• ج) شاخص های ناخالصی های آلی آب
• د) شاخص بهداشتی بودن آب

جهت ارائه روش مناسب تصفیه برای نمونه آب مورد نظر، داشتن آنالیز آب خام که شامل شاخص های ذکر شده بالا باشد ضروری است.

 

 الف) شاخص های محلول آب

فاکتورهای املاح محلول در آب شامل TDS, EC, TH, PH, P&M می باشد.

 

1. شاخص TDS یا TOTAL DISSOLVED SOLIDS

منظور از TDS کل مواد جامد محلول در آب می باشد که برابر مجموع غلظت همه یون های موجود در آب می باشد. TDS معمولا بر حسب ppm یا میلی گرم در لیتر بیان می شود. TDS یکی از مهمترین فاکتورها در بررسی نتایج آزمایش آب خام برای تصفیه آب می باشد.

 

2. شاخص EC یا ELECTRICAL CONDUCTIVITY

هدایت الکتریکی یا کنداکتیویته آب، معرف قدرت یونی یک محلول برای انتقال جریان برق است. در آنالیز آب، EC آب معمولا بر حسب µs/cm یا میکرو زیمنس بر سانتی متر بیان می شود.

4. شاخص PH یا POWER OF HYDROGEN

منظور از pH در آنالیز آب، غلظت یون هیدروژن است. بخاطر اهمیت آن در رفتار آب می توان ادعا کرد که هیچ آنالیز آبی بدون تعیین pH کامل نخواهد بود. pH آب های طبیعی عموما در محدوده 8-6 قرار دارد. باید توجه داشت که کنترل درست pH رمز موفقیت بسیاری از فرایندهای تصفیه آب صنعتی است.

3. شاخص TH یا TOTAL HARDNESS

از نظر علمی سختی کل آب به مجموع غلظت کاتیون های دو ظرفیتی موجود در آب گفته می شود. ولی چون غلظت کلسیم و منیزیم در آب های طبیعی بیشتر از یون های دیگر است، در ادبیات تصفیه آب، منظور از سختی کل مجموع غلظت این دو یون می باشد. واحد رایج TH نیز ppm یا میلی گرم در لیتر است.

 

5. شاخص P&M یا شاخص قلیائیت آب

قلیائیت آب برابر با مجموع غلظت یونهای کربنات، بی کربنات و هیدروکسیل موجود در آب است. غلظت سایر آنیونها در مقایسه با غلظت این سه یون قابل صرفنظر کردن است. قلیائیت آب معیاری از ظرفیت آن در خنثی سازی اسیدها است.

 

انواع قلیائیت آب
• قلیائیت ساده یا قلیائیت نسبت به فنل فتالئین (P Alkalinity)
• قلیائیت کل یا قلیائیت نسبت به متیل اورانژ (M Alkalinity)

رابطه EC با TDS

چون در محلول ها، یون ها جریان برق را منتقل می کنند، EC با TDS رابطه دارد. این ارتباط برای هر نمونه آب فرق دارد و به غلظت و نوع ناخالصی های موجود در آب بستگی دارد.
1. در محلول های رقیق ارتباط بین این دو پارامتر به این صورت است : TDS = 0.5 EC
2. برای آب هایی با pH بین 5 تا 9 و دمای بین oC 40-10 تأثیر دما به صورت زیر است.
TDS(mg/l) = 0.5(1.02)(T-25) EC (µmho/cm)
3. برای بسیاری از آبهای شهری و طبیعی داریم : TDS = 0.55 EC

نکته : وقتی غلظت ناخالصی ها زیاد می شود، یون ها روی یکدیگر اثر منفی گذاشته و هدایت الکتریکی محلول مانند محلول رقیق متناسب با تعداد یون ها نمی باشد.

اهمیت TDS و EC

اهمیت این دو پارامتر در این است که سرعت خورندگی آب در شرایط یکسان با افزایشEC افزایش می یابد. افزایش هدایت الکتریکی نیز باعث کاهش درجه یونیزاسیون نمک های آب می شود. توجه به سرعت خورندگی آب در دستگاه آب شیرین کن دریایی و آب شیرین کن صنعتی برای آبهای شور اهمیت زیادی دارد. در طراحی این دستگاهها باید از تجهیزاتی استفاده کرد که در برابر خوردگی مقاوم باشند.

انواع سختی آب

1. سختی کل : مجموع سختی موقت و سختی دایم را سختی کل می نامند.
2. سختی موقت یا بی کربناتی : قسمتی از سختی آب که در اثر حرارت دادن از بین می رود. از نظر علمی بخشی از سختی آب است که به صورت املاح بی کربنات می باشد. املاح بی کربنات کلسیم و منیزیم در اثر حرارت از حالت محلول به حالت غیرمحلول در می آیند و به شکل کربنات کلسیم و منیزیم رسوب می کنند. سختی موقت آب مضرات بیشتری برای سیستم های حرارتی و برودتی دارد. زیرا با افزایش دما در این سیستم ها باعث رسوب در لوله ها و تجهیزات می گردد و عملکرد آنها را مختل می کند.
3. سختی دائم یا سختی غیرکربناتی : قسمتی از سختی آب که با حرارت تجزیه نمی شود. از نظر علمی سختی دایم آب در اثر وجود نمک های غیرکربناتی مثل سولفات، کلراید و نیترات می باشد.

از بین بردن سختی آب برای صنایع بسیار با اهمیت است. زیرا رسوبات حاصل از املاح موجود در آب صدمات فراوانی به سیستم ها میزند. گاه این صدمات باعث از کار افتادن و نیاز به تعویض قطعات دستگاهها می گردد. همچنین در تصفیه آب شرب نیز توجه به سختی آب برای سلامتی انسان ضروری است. برای از بین بردن سختی آب از دستگاه تصفیه آب صنعتی RO و یا دستگاه سختی گیر استفاده می شود.

 

رابطه قلیائیت و PH

1. هر چه قلیائیت ساده کمتر و قلیائیت کل بیشتر باشد، pH آب کمتر است.
2. هر چه قلیائیت ساده بیشتر شود، pH آب بیشتر می شود.
3. pH آب های طبیعی به هر دو قلیائیت ساده و کل بستگی دارد.
4. در تصفیه آب pH های مهم عبارتند از pH حدود 3/8 و 5/4 .
5. در pH کمتر از 3/8 قلیائیت ساده وجود ندارد و در pH کمتر از 5/4 قلیائیت کل، صفر است.