为原料制备重氧水的装置和方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及到一种W &和1*^〇2为原料制备重氧水的装置和方法，具体是指一种使 和is〇2的混合气在无催化剂的条件下经等离子体自由基反应制备H2is〇(重氧水）的装置 和方法。
【背景技术】
[0002] 重氧水作为示踪剂在核医学成像、生物医药、环境监测W及化学反应机理研 究等领域具有重要的用途。例如：在核医学成像领域，重氧水主要用于制备正电子显 像药物叩-抑G，该药物是正电子发射计算机断层显像（Positron血ission Computed Tomography,阳T)技术的必需品，1中-抑G的合成过程是利用医用回旋加速器轰击重氧水中 的氧-18获得氣-18离子，再与非放射性原料经过亲核取代反应制得。
[0003] 目前，重氧水主要通过&和is〇2在贵金属催化剂的作用下发生氧化还原反应制取。 其中，is〇2是通过电解双标水值2is〇)产生，而D2is〇是由天然水精馈所得。专利CN100342955C 和CN101618857B披露了一种W天然水为原料经精馈、电解及催化反应得到重氧水，其主要 特征是使用销金丝网或钮触媒等贵金属催化剂。
【发明内容】
[0004] 本发明提供了一种使&和1S化的混合气在无催化剂的条件下经等离子体自由基反 应制备重氧水的装置和方法。
[0005] 本发明是通过下述技术方案如下：
[0006] 一种W 和1化为原料制备重氧水的装置，包括等离子体反应器、气体流量控制、 等离子体电源、冷却水循环装置和检测尾气组成的气相色谱仪，如附图2所示。
[0007] 其中，等离子体反应器由=部分组成，分别是放电反应管、冷凝管及重氧水收集 罐，如附图1所示。放电反应管为管式套筒结构，主体是由外径8-15mm的石英玻璃管加工 而成，中屯、电极采用外径为2-4mm的金属椿（如不诱钢、鹤、铜等），接地电极采用与石英玻 璃管紧贴的金属套管（如不诱钢管、鹤管、铜管等，内径比石英玻璃管的外径大0. 2mm，厚度 为1mm，长度为100mm)。冷凝管是由普通硬质玻璃加工而成，内管采用螺旋形结构W增大反 应气体与冷却循环水接触面积，螺旋管外部由玻璃套管包围，并充满冷却循环水，冷凝管下 部有冷却循环水入口，上部有冷却循环水出口。重氧水收集罐也是由普通硬质玻璃加工而 成，在收集罐下端有取样口，并由取样阀口控制，在收集罐上端有尾气出口。
[000引气体流量控制采用质量流量计分别控制和is02的流量，再经混合器混合均匀进 入等离子体反应器。
[0009] 等离子体电源采用普通的交流高压电源，高压线与反应器中屯、的金属高压电极相 连，接地线与反应器外部的金属接地极相连，可通过调节电压来控制反应器中的放电功率。
[0010] 冷却水循环装置采用普通的低温冷却循环累控制冷却水的温度和流量。
[0011] 检测尾气组成的气相色谱仪采用5A分子筛柱，W检测is〇2是否反应完全。
[0012] 采用上述反应装置制备重氧水的方法，具体步骤如下：
[0013] (1)调节低温冷却循环累的循环水温度为0-2°C，循环水流量为1-化/min。
[0014] (2)用氮气将反应系统内的空气置换干净；然后用氨气将反应系统内的氮气置换 干净；再用质量流量计控制氨气流量，W纯&流过反应管。
[0015] (3)接通交流高压电源，逐步将交流高压加载到反应器上，直到出现稳定的放电现 象。
[0016] (4)调节放电功率为60到100瓦，优选80瓦，放电频率范围为9到14千赫兹，优 选11到12曲Z。
[0017] 妨逐渐增加is〇2的量，使混合气中is〇2浓度为2-5mol %，优选4mol %。
[001引 （6)反应生成的重氧水经冷凝管冷凝成液体滴入收集罐中，反应尾气通入气相色 谱W检测18化的转化率。
[0019] (7)收集罐中的重氧水可用取样阀口随时取样。
[0020] 本发明可W实现连续生产重氧水，装置简单，易于操作，不存在催化剂失活的问 题，并且所得的重氧水不含有其它杂质，可直接利用。
【附图说明】
[0021] 图1是本发明的制备重氧水等离子体反应器结构示意图。
[0022] 图2是本发明的制备重氧水反应装置示意图。
[0023] 图中；1金属高压电极，2金属接地电极，3原料气进口，4冷凝管，5冷却循环水入 口，6冷却循环水出口，7产品收集器，8尾气出口，9取样阀口，10液样出口。
【具体实施方式】
[0024] 下面结合附图及实施例对本发明装置的功能和使用方法进行详细说明。值得注意 的是由于18〇2价格昂贵，先用16〇2代替18化得出最佳条件，最后在对比实施例中用18化和H2 合成重氧水，并说明16〇2和在等离子体条件下反应特性一致。
[00巧]实施例1
[0026] 本发明中的放电反应管为管式套筒结构，主体是由外径8mm的石英玻璃管加工而 成，中屯、电极采用外径为2的鹤金属椿，接地电极采用与石英玻璃管紧贴的鹤金属套管（其 内径比石英玻璃管的外径大0. 2mm，厚度为1mm)。
[0027] 冷凝管是由普通硬质玻璃加工而成，内管采用螺旋形结构W增大反应气体与冷却 循环水接触面积，螺旋管外部由玻璃套管包围，并充满冷却循环水，冷凝管下部有冷却循环 水入口，上部有冷却循环水出口。
[002引重氧水收集罐也是由普通硬质玻璃加工而成，在收集罐下端有取样口，并由取样 阀口控制，在收集罐上端有尾气出口。
[0029] 气体流量控制采用质量流量计分别控制氨气和氧气的流量，再经混合器混合均匀 进入等离子体反应器。等离子体电源采用普通的交流高压电源，高压线与反应器中屯、的金 属高压电极相连，接地线与反应器外部的金属接地极相连，可通过调节电压来控制反应器 中的放电功率。冷却水循环装置采用普通的低温冷却循环累控制冷却水的温度和流量。检 测尾气的气相色谱仪采用5A分子筛柱，W检测氧气的转化率。
[0030] 用上述反应装置制备重氧水，包括W下步骤：
[003U 1.调节低温冷却循环累的循环水温度为2°C，循环水流量为化/min。
[0032] 2.用氮气将反应系统内的空气置换干净；然后用氨气将反应系统内的氮气置换 干净；再用质量流量计控制氨气流量为1800ml/min，W纯&流过反应管。
[0033] 3.接通交流高压电源，逐步将交流高压加载到反应器上，直到出现稳定的放电现 象。
[0034] 4.调节放电功率为60w，放电频率为9曲Z。
[00巧]5.逐渐增加le化的量至80ml/min，使混合气中1化浓度为4. 25mol %。
[0036] 6.反应生成的重氧水经冷凝管冷凝成液体滴入收集罐中，反应尾气通入气相色谱 W检测转化率。
[0037] 做放电时间为2小时的实验。结果如下；
[00測放电2小时，收集水的质量为9. 3g，ie02转化率为61 %，H 20选择性99. 9%
[0039] 实施例2
[0040] 重复实施例1，W外径12mm的石英玻璃管加工反应器，中屯、电极采用外径为3的鹤 金属椿，做放电时间为2小时的实验。结果如下：
[0041] 放电2小时，收集水的质量为10.0 g，ie〇2转化率为65%，H20选择性99. 9%
[0042] 实施例3
[0043] 重复实施例2, W外径15mm的石英玻璃管加工反应器，中屯、电极采用外径为4的鹤 金属椿，做放电时间为2小时的实验。结果如下：
[0044] 放电2小时，收集水的质量为9. lg，ie〇2转化率为59%，H20选择性99. 9%
[0045] 上述实施例1、2和3说明实施例2中W外径12mm的石英玻璃管加工反应器，中屯、 电极采用外径为3的鹤金属椿可得到较好的结果。
[0046] 实施例4
[0047] 重复实施例2,中屯、电极采用外径为3mm的铜金属椿，接地电极采用与石英玻璃管 紧贴的铜金属套管（其内径比石英玻璃管的外径大0. 2mm，厚度为1mm)，做放电时间为2小 时的实验。结果如下：
[0048] 放电2小时，收集水的质量为10. 4g，ie〇2转化率为68%，H20选择性99. 9%
[0049] 实施例5
[0化0] 重复实施例4,中屯、电极采用外径为3mm的不诱钢椿，接地电极采用与石英玻璃管 紧贴的不诱钢金属套管（其内径比石英玻璃管的外径大0. 2mm，厚度为1mm)，做放电时间为 2小时的实验。结果如下：
[0化^ 放电2小时，收集水的质量为11. 5g，i602转化率为75%，H20选择性99. 9%
[0052] 上述实施例2、4、和5说明实施例5中W外径为3mm的不诱钢椿作为中屯、电极，W 内径为12. 2mm、厚度为1mm的不诱钢管作为接地电极具有较好的实验结果。
[0053] W下实施例将说明W外径为3mm的不诱钢椿作为中屯、电极，W内径为12. 2mm、厚 度为1mm的不诱钢管作为接地电极时的最佳放电频率和放电功率。
[0054] 实施例6
[005引重复实施例5,将放电频率调节为10曲Z，做放电时间为2小时的实验。结果如下； 放电2小时，收集水的质量为12. 6g，1602转化率为82%，H 20选择性99. 9%
[0056] 实施例7
[0057] 重复实施例6,将放电频率调节为11曲z，做放电时间为2小时的实验。结果如下： 放电2小时，收集水的质量为13. 8g，16〇2转化率为90%，H 2〇选择性99. 9%
[0化引 实施例8
[0059] 重复实施例7,将放电频率调节为12曲Z，做放电时间为2小时的实验。结果如下； 放电2小时，收集水的质量为13. 9g，16〇2转化率为91 %，H 2〇选择性99. 9%
[0060] 实施例9
[0061] 重复实施例8,将放电频率调节为13曲Z，做放电时间为2小时的实验。结果如下： [00创放电2小时，收集水的质量为13. 6g，ie02转化率为89%，H20选择性99. 9%
[0063] 实