عملية جيردلر للكبريتيد

تُعدّ عملية جيردلر للكبريتيد ( GS ) ، والمعروفة أيضًا باسم عملية جيب - سبيفاك ( GS ) ، ^{[ 1 ]} طريقة إنتاج صناعية لاستخلاص الماء الثقيل ( أكسيد الديوتيريوم ، _D2O ) من المياه الطبيعية. يُستخدم الماء الثقيل في أبحاث الجسيمات، وفي مطيافية الرنين النووي المغناطيسي للديوتيريوم ، والمذيبات المُدَوتَرة لمطيافية الرنين النووي المغناطيسي للبروتون، والمفاعلات النووية التي تعمل بالماء الثقيل (كمبرد ومُهدِّئ ) ، والأدوية المُدَوتَرة .

في عام 1943، اخترع كارل هيرمان غيب وجيروم إس. سبيفاك هذه العملية بشكل مستقل. ^{[ 2 ]} سُميت العملية نسبةً إلى شركة جيردلر، التي أنشأت أول مصنع أمريكي لتطبيقها.

تعتمد هذه الطريقة على عملية تبادل نظائري ، حيث يتم تبادل نظائر الهيدروجين بين كبريتيد الهيدروجين (H₂S ₎ والماء ( H₂O ₎ ، المعروف أيضاً باسم الماء "الخفيف"، مما ينتج عنه الماء الثقيل عبر عدة مراحل. وتستهلك هذه العملية كميات كبيرة من الطاقة. ^{[ 3 ]}

حتى إغلاقها عام 1997، كانت محطة بروس لإنتاج الماء الثقيل في أونتاريو (الواقعة في نفس موقع دوغلاس بوينت ومحطة بروس لتوليد الطاقة النووية ) أكبر محطة لإنتاج الماء الثقيل في العالم، بطاقة إنتاجية قصوى تبلغ 1600 طن سنويًا (800 طن سنويًا لكل محطة عاملة بكامل طاقتها، أي محطتان عاملتان بكامل طاقتهما في ذروة إنتاجهما). وكانت تستخدم عملية جيردلر الكبريتية لإنتاج الماء الثقيل، وتتطلب 340000 وحدة من مياه التغذية لإنتاج وحدة واحدة من الماء الثقيل. ^{[ 4 ]}

أول منشأة تابعة لمجلس الماء الثقيل الهندي تستخدم عملية جيردلر تقع في راواتبهاتا بالقرب من كوتا، راجستان. تبع ذلك إنشاء محطة أكبر في مانوغورو، أندرا براديش. توجد محطات أخرى في الولايات المتحدة ورومانيا ، على سبيل المثال. ^{[ 5 ]} تمتلك رومانيا والهند وكندا، المورد السابق لجزء كبير من الطلب العالمي على الماء الثقيل، مفاعلات عاملة تعمل بالماء الثقيل، حيث يوجد مفاعلان في محطة تشيرنافودا للطاقة النووية في رومانيا يشكلان أسطول البلاد بأكمله، بالإضافة إلى عدة مفاعلات في كل من الهند (معظمها من نوع IPHWR ) وكندا (حصريًا من نوع CANDU ).

تتألف كل خطوة من عدة خطوات من عمودين من الصواني المنخلية. يُحافظ على درجة حرارة أحد العمودين عند 30 درجة مئوية (86 درجة فهرنهايت) ويُسمى "البرج البارد"، بينما يُحافظ على درجة حرارة الآخر عند 130 درجة مئوية (266 درجة فهرنهايت) ويُسمى "البرج الساخن". تعتمد عملية التخصيب على الفرق في الفصل بين درجتي الحرارة 30 درجة مئوية و130 درجة مئوية.      

العملية محل الاهتمام هي تفاعل التوازن،

H₂O + HDS ⇌ HDO + H₂S

عند درجة حرارة 30  درجة مئوية، يكون ثابت التوازن K = 2.33، بينما عند درجة حرارة 130  درجة مئوية، يكون K = 1.82. ويُستغل هذا الفرق لإثراء الديوتيريوم في الماء الثقيل. ^{[ 6 ]}

يُعاد تدوير غاز كبريتيد الهيدروجين في دائرة مغلقة بين البرج البارد والبرج الساخن (مع العلم أنه يمكن أن يكونا برجين منفصلين، أو قسمين منفصلين من برج واحد، حيث يكون القسم البارد في الأعلى). يُغذى البرج البارد بماء منزوع المعادن والهواء ، حيث ينتقل الديوتيريوم بشكل تفضيلي من غاز كبريتيد الهيدروجين إلى الماء السائل. بينما يُغذى البرج الساخن بماء عادي، حيث ينتقل الديوتيريوم من الماء السائل إلى غاز كبريتيد الهيدروجين. في الأنظمة المتتالية، يُستخدم الماء نفسه لكلا المدخلين. وتكمن آلية ذلك في اختلاف ثابت التوازن؛ ففي البرج البارد، ينخفض ​​تركيز الديوتيريوم في كبريتيد الهيدروجين، بينما يرتفع تركيزه في الماء. يميل الديوتيريوم في الدائرة الساخنة إلى التواجد في كبريتيد الهيدروجين، مما يؤدي إلى زيادة تركيزه فيه مقارنةً بالبرج البارد. لكل مول من الديوتيريوم في ماء برج التسخين، يوجد n / 1.82 مول من البروتون في كبريتيد الهيدروجين . في برج التبريد، ينتقل جزء من هذا الديوتيريوم إلى ماء برج التبريد ، وفقًا لثابت الاتزان. عند مدخل برج التبريد، تكون نسبة النواتج إلى المتفاعلات في المعادلة أعلاه 1.82، نظرًا لتساوي تركيز الديوتيريوم في كلا تيارَي المدخل. يسعى الاتزان الكيميائي إلى زيادة تركيز الديوتيريوم في الماء لتصحيح هذه النسبة. في الحالة المثالية، عند تساوي كميات الماء وكبريتيد الهيدروجين، يجب أن يُخرج برج التبريد ماءً يحتوي على ديوتيريوم أكثر بنسبة 12% من تركيزه عند المدخل. يُخرج برج التبريد ماءً غنيًا بالديوتيريوم، بينما يُخرج برج التسخين ماءً فقيرًا به.

يقوم نظام الشلال المناسب بتحقيق الإثراء: يتم تغذية الماء المثري إلى وحدة فصل أخرى ويتم إثراؤه بشكل أكبر.

في هذه العملية، يتم عادةً إثراء الماء بنسبة 15-20 % من الماء الثقيل (D2O _{) .} ويتم إثراء الماء بشكل إضافي ليصبح ماءً ثقيلاً "مناسباً للمفاعلات" (أكثر من 99% من الماء الثقيل ) في عملية أخرى، مثل التقطير . ^{[ 7 ] [ 8 ]}