重水中浓度检测方案(密度计)

Anton Paar 安东帕DMA 5000 M测量重水(D2O)浓度 关于：核电厂，核磁共振(NMR)波谱，化学合成，科研 氧化氛(D2O)是一种液态溶剂，水分子中的氢原子被较重的同位素原子氛取代。D2O用于核反应堆中的减速剂，医疗诊断，科研以及核磁共振(NMR)波谱分析。 1 简介 氧化氛，又叫“重水”，化学式为D2O。氛原子用D表示，是氢的同位素。D2O和H2O的不同之处在于氢：H，又叫“气”，只含有一个质子；元原子D(也写作H)，含有一个质子和一个中子。，所以D2O分子比H2O分子重。氢还有另一种同位素-氣(H)，其中含有一个质子和两个中子。 D2O的摩尔质量为20.0276 g/mol， 密度大于H2O。D2O用于核磁共振(NMR)波谱，有机化学，傅里叶转换红外(FTIR)以及核反应堆减速剂。 氛的自然丰度为0.015%。换句话说，水中含有150 ppm的氛。氛的浓缩可以通过蒸馏，电解或所谓的Girdler硫化法(Girdler硫化物法)来进行。该方法是在几个温度梯度中，进行H2S和H2O之间氢原子同位素交换的过程。氛的交换取决于温度。高温促进向HzS的迁移，而低温则有利于向H2O的迁移。通过这种方法可以生产立含量超过99%的富氛水，剩下的则是贫氛水。 H2O和D2O的物理性质见Table表1. 表1：H2O和D2O的物理性质 性质 H2O D2O 摩尔质量 18.0150 20.0276 3.82°℃(38.88°F) (276.97 K) 凝固点 0.0 ℃ (32°F) (273.15K) 沸点 100°℃(212°F)(373.15 K) 101.4°℃(214.5 F)(374.55 K) 密度[g/mL]@ 293.15K(20°℃，68°F) 0.998203 1.1056 密度最大时对应温度(℃) 3.98 11.6 动力粘度 (@20°℃， mPas) 1.0016 1.2467 表面张力 (@25°C，N/m) 0.07198 0.07187 熔化热 (kJ/mol) 6.00678 6.132 蒸发热 (kJ/mol) 40.657 41.521 pH(@25℃) 7.0 7.44("pD") pKb (@25°℃) 7.0 7.44 ("pKb D2O") 折光率 (@20°℃， 589 nm) 1.333 1.328 氧也有同位素。最稳定的同位素是10，其自然丰度超过99%，其次是180(0.2%)和0(0.05%以下).180是生产18F的重要前体，用于氟脱氧葡萄糖(FDG)，这是用于断层成像监测和检测人细胞物质偏差的放射性药物。通过真空蒸馏水来生产富含1O的水，这是一个复杂且耗时的过程。 当生产D2O和含O的水时，贫水 (DDW)是副产品。对于D2O和含O水的制造商，需要检测生产过程中的浓度变化和最终产品的纯度。 有以下几种选择： (a) 用比重瓶进行密度测定是一种费时的方法，而且需要大量贵重的样品，然而获得D2O的准确度却仅为300 ppm (b) 文献提到使用LiAIH4将重水分解为H2和HD后，用气相色谱法3测定重水中的氛浓度。 (c) 数字密度计相对于上述方法，具有许多众所周知的优势：测量速度更快，结果更准确可靠，并且需要的样品量很小。 考虑到样品成本和所需的准确度，我们选择了使用数字密度计进行测量。 在本应用报告中，测量是在客户实验室中，使用数字密度计DMA 5000M进行的。其重复性为0.000001 g/cm³(=1ppm)，是客户的首选。 2 D2O的浓度测量 2.1 背景 D2O的浓度测量需要一个准确可靠的方法。 DMA 5000M可以满足这样的需求，而且所需样品量小，测量时间短，是客户的理想选择。 下面是实验步骤及结果。 2.2 实验用品 数字密度计DMA5000 M 纯的重水D2O(99.9%) 乙醇(分析纯) 去离子水 注射器 2.3 参考数据 表2是D2O溶液的密度-浓度表。 %w/w D2O [°C] 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 95 100 0 1.0046 1.0093 1.0191 1.0290 1.0391 1.0494 1.0600 1.0708 1.0820 1.0933 1.0991 1.1049 20 1.0030 1.0078 1.0177 1.0278 1.0381 1.0487 1.0595 1.0706 1.0819 1.0934 1.0994 1.1053 40 0.9971 1.0019 1.0119 1.0220 1.0322 1.0430 1.0536 1.0648 1.0762 1.0878 1.0938 1.0999 60 0.9880 0.9928 1.0027 1.0128 1.0231 1.0337 1.0445 1.0556 1.0669 1.0785 1.0846 1.0905 80 0.9765 0.9813 0.9912 1.0012 1.0114 1.0219 1.0350 1.0436 1.0549 1.0664 1.0725 1.0782 100 0.9631 0.9679 0.9776 0.9873 0.9976 1.0079 1.0185 1.0293 1.0405 1.0518 1.0576 1.0634 2.4 实验步骤 用去离子水将纯的D2O稀释成不同浓度：1.02%(D1)；8.86%(D8)；20.37%(D20)；40.55%(D40)；79.09%(D79)；99.77%(D99)。 DMA 5000 M的测量池已经过彻底清洗并干燥。在开始测量前，进行了空气检查和水检查。 测量温度设置为25℃， 每个D2O溶液的比重测两次。 2.5 结果 不同浓度的D2O水溶液测量结果见表3. 表3.不同浓度D2O水溶液的比重 溶液 SG25/25 浓度(%D2O) D1 1.001051 1.02 1.001050 1.02 D 8 1.009514 8.86 1.009518 8.86 D 20 1.022075 20.37 1.022074 20.37 D40 1.043870 40.55 1.043869 40.55 D 79 1.085458 79.09 1.085458 79.09 D 99 1.107748 99.77 1.107750 99.77 从图1中可以看出，D2O水溶液的比重是D2O浓度的线性函数。 D2O浓度的线性函数可以直接输入到DMA 5000M中，从而可以在密度计上直接进行分析。 提示：D2O浓度-比重的函数式可以输入到DMA 5000 M中，直接用于分析。 图1：D2O浓度(%w/w)-比重(25/25)关系 图2： DMA 5000M客户自定义功能示例 3 总结和结论 1.在客户实验室中使用DMA5000 M， 在各种浓度下确定的D2O的浓度-比重关系是线性的。可以说DMA 5000M数字密度计可以代替传统的比重瓶法，并提高准确度。 2.在数字密度计的帮助下，客户还可以进行其他参数的测量，从而应对一些复杂应用。 3.对于D2O的浓度测量， DMA 5000M可以提供无与伦比的精确度。 4. DMA 5000M所需样品量很小，这对于贵重样品的测量非常适用。 非常感谢安东帕中国提供的信息和测量数据! 4 参考资料 [1] https：//en.wikipedia.org/wiki/Heavy_water [2] Anton Paar China， written notification 2017 [3] Yoshikawa， Y.， Shinozaki， A.， Kimiko Arita， K.，Bunseki Kagaku Vol. 24 (1975)No.1 P 45-48 关于安东帕 安东帕公司作为密度、浓度、二氧化碳和流变测量的技术引领者，始终为全球工业和科研客户提供最合适的仪器。同时，依托仪器领域的百年经验，我们为食品饮料、石油石化、制药、高校科研、质检、商检、药检和出入境检验检疫等领域提供量身定制的检测解决方案。我们的产品及服务涵盖实验室与过程应用中的密度、浓度和温度测量技术、旋光及折光仪等高精密光学仪器、皮里仅、庭微波消解、萃取及合成等样品前处理技术、黏度计及流变仪、闪点、馏程分析等石油石化产品测试仪器、以及研究材料特性及表面力学性能的测试仪器等。 安东帕官微 EAN-B 氧化氘（D2O）是一种液态溶剂，水分子中的氢原子被较重的同位素原子氘取代。D2O用于核反应堆中的减速剂，医疗诊断，科研以及核磁共振（NMR）波谱分析。