proceso de sulfuro de Girdler

El proceso de sulfuro de Girdler ( GS ) , también conocido como proceso de Geib - Spevack ( GS ) , ^{[ 1 ]} es un método de producción industrial para extraer agua pesada ( óxido de deuterio , _D₂O ) del agua natural. El agua pesada se utiliza en la investigación de partículas, en la espectroscopia de RMN de deuterio , disolventes deuterados para la espectroscopia de RMN de protón, reactores nucleares de agua pesada (como refrigerante y moderador ) y fármacos deuterados .

En 1943, Karl-Hermann Geib y Jerome S. Spevack inventaron el proceso de forma independiente. ^{[ 2 ]} El proceso recibe su nombre de la empresa Girdler, que construyó la primera planta estadounidense para implementarlo.

El método es un proceso de intercambio isotópico , donde los isótopos de hidrógeno se intercambian entre el sulfuro de hidrógeno (H₂S ₎ y el agua (H₂O ₎ , también conocida como agua "ligera", lo que produce agua pesada en varias etapas. Este proceso requiere mucha energía. ^{[ 3 ]}

Hasta su cierre en 1997, la planta de agua pesada de Bruce en Ontario (ubicada en el mismo sitio que Douglas Point y la central nuclear de Bruce ) fue la planta de producción de agua pesada más grande del mundo, con una capacidad máxima de 1600 toneladas por año (800 toneladas por año por planta completa, con dos plantas en pleno funcionamiento en su momento de máxima actividad). Utilizaba el proceso de sulfuro de Girdler para producir agua pesada y requería 340 000 unidades de agua de alimentación para producir 1 unidad de agua pesada. ^{[ 4 ]}

La primera instalación de este tipo de la Junta de Agua Pesada de la India que utiliza el proceso Girdler está en Rawatbhata cerca de Kota, Rajastán. A esta le siguió una planta más grande en Manuguru, Andhra Pradesh. Existen otras plantas en los Estados Unidos y Rumania , por ejemplo. ^{[ 5 ]} Rumania, India y el antiguo proveedor de gran parte de la demanda mundial de agua pesada, Canadá, tienen reactores de agua pesada en funcionamiento con dos en la Central Nuclear de Cernavodă en Rumania que conforman toda la flota del país y varios cada uno en India (principalmente IPHWR ) y Canadá (exclusivamente CANDU ).

Cada una de las etapas del proceso consta de dos columnas de bandejas perforadas. Una columna se mantiene a 30 °C (86 °F) y se denomina «torre fría», mientras que la otra se mantiene a 130 °C (266 °F) y se denomina «torre caliente». El proceso de enriquecimiento se basa en la diferencia de separación entre 30 °C y 130 °C.      

El proceso de interés es la reacción de equilibrio,

A 30  °C, la constante de equilibrio K = 2,33, mientras que a 130  °C, K = 1,82. Esta diferencia se aprovecha para enriquecer deuterio en agua pesada. ^{[ 6 ]}

El gas sulfuro de hidrógeno circula en un circuito cerrado entre la torre fría y la torre caliente (aunque pueden ser torres separadas, también pueden ser secciones separadas de una misma torre, con la sección fría en la parte superior). Se alimenta agua desmineralizada y desaireada a la torre fría, donde la migración de deuterio se produce preferentemente desde el gas sulfuro de hidrógeno al agua líquida. Se alimenta agua normal a la torre caliente, donde la transferencia de deuterio se produce desde el agua líquida al gas sulfuro de hidrógeno. En los sistemas en cascada, se utiliza la misma agua para ambas entradas. El mecanismo para esto es la diferencia en la constante de equilibrio; en la torre fría, la concentración de deuterio en el sulfuro de hidrógeno disminuye y la concentración en el agua aumenta. El deuterio en el circuito caliente tiende ligeramente a estar en el sulfuro de hidrógeno, lo que resulta en un exceso de deuterio en el sulfuro de hidrógeno en relación con la torre fría. Para n moles de deuterio por mol de protio en el agua de entrada de la torre caliente, hay n / 1,82 moles por mol de protio en el sulfuro de hidrógeno. En la torre fría, parte de este deuterio se transfiere al agua de entrada, de acuerdo con la constante de equilibrio. En la entrada de la torre fría, la relación de productos a reactivos en la ecuación anterior es 1,82, ya que ambas corrientes de entrada tienen concentraciones iguales de deuterio. El equilibrio químico tiende a forzar más deuterio en el agua para corregir la relación. Idealmente, para cantidades iguales de agua y sulfuro de hidrógeno, la torre fría debería producir agua con un 12 % más de deuterio del que entró. El agua enriquecida sale de la torre fría, mientras que el agua empobrecida sale de la torre caliente.

Un sistema de cascada adecuado permite el enriquecimiento: el agua enriquecida se introduce en otra unidad de separación donde se enriquece aún más.

Normalmente, en este proceso, el agua se enriquece hasta un 15-20 % de D₂O _. El enriquecimiento adicional hasta agua pesada de "grado reactor" (> 99% de D₂O ₎ se realiza en otro proceso, por ejemplo, la destilación . ^{[ 7 ] [ 8 ]}