химический каталог




ИЗОТОПОВ РАЗДЕЛЕНИЕ

Автор Химическая энциклопедия г.р. И.Л.Кнунянц

ИЗОТОПОВ РАЗДЕЛЕНИЕ, выделение одного или несколько изотопов данного элемента из их смеси или обогащение смеси отдельными изотопами. Основано на различиях в свойствах веществ, молекулы которых содержат различные изотопы одного химический элемента (см. Изотопные эффекты). Существуют две группы методов ИЗОТОПОВ РАЗДЕЛЕНИЕ р. К первой группе относят так называемой абс. методы - электромагнитный и фотохимический, позволяющие выделить в чистом виде к.-л. изотоп из смеси путем однократной операции, ко второй - методы, в которых операцию разделения многократно повторяют.
Электромагнитный метод основан на зависимости отклонения ионов в электрическом и магнитном полях от отношения m/z (т - масса иона, z - eгo заряд), т.е. на тех же принципах, что и масс-спектрометрия. В-во, содержащее изотопную смесь, переводится в пар, ионизируется, затем ионы ускоряются электрич. полем и попадают в разделит. камеру, где под действием магн. поля, перпендикулярного направлению движения ионов, смесь разделяется на отдельные пучки с одинаковыми значениями m/z; затем пучки собираются в разные приемники. Этим методом можно выделить все изотопы данного элемента. Его применяют для получения малых кол-в изотопов более 50 элементов; впервые этим методом было получено несколько кг 235U (1943-45). Недостатки метода: малая производительность, низкая степень использования сырья, сложность аппаратуры, большие энергозатраты.
Фотохимический метод (лазерное ИЗОТОПОВ РАЗДЕЛЕНИЕ р.) основан на том, что молекулы разного изотопного состава возбуждаются излучением различные длины волны. Используя монохроматич. излучение лазера, удается селективно возбуждать молекулы, содержащие определенный изотоп данного элемента. Возбужденные молекулы отделяют затем посредством химический реакций, воздействием электрич. поля или др. способом. Метод можно применять для любых элементов. Пока его используют только в лабораторная масштабах; основные затруднения связаны с необходимостью сохранения селективности на всех следующих после поглощения кванта света стадиях (см. Лазерная химия).
Методы разделения второй группы основаны на неравномерном распределении молекул разного изотопного состава между двумя фазами системы или между двумя зонами одной фазы, в которых поддерживаются различные значения температуры, давления, электрич. потенциала или др. параметра. Если изменением агрегатного состояния части смеси или воздействием поля разделить исходную смесь на две фракции с разным содержанием изотопов, то элементарный разделит. эффект такой операции характеризуют коэффициентом разделения a . Для смеси двух изотопов

где N» и N: молярные доли выделяемого изотопа в обогащенной и обедненной фракциях. Изменение изотопного состава обогащенной фракции по сравнению с поступающей смесью характеризуют коэффициентом обогащения

где N - молярная доля выделяемого изотопа в поступающей смеси. Величина b может принимать значения в пределах от 1 до a в зависимости от соотношения масс обогащенной и обедненной фракций. Для разделения изотопов всех химический элементов (кроме водорода) значение а лишь немного больше 1. Поэтому элементарный разделит. эффект умножают в каскадах или в колоннах. Каскады представляют собой последовательно соединенные элементы однократного разделит. действия (ступени). В так называемой простом каскаде обогащенную фракцию первой ступени подают на вторую ступень, повторяют операцию разделения, затем обогащенную фракцию второй ступени подают на третью спупень и т. д. В целях экономии исходного материала обедненные фракции дальних ступеней, которые по сравнению с исходной смесью обогащены целевым изотопом, не отбрасывают, а используют как дополнительной сырье на предыдущих ступенях (осуществляют рециркуляцию потоков). Чаще всего обедненную фракцию последующей ступени (молярная доля выделяемого изотопа N:i+1) возвращают на предыдущую ступень (рис. 1). В оптим. варианте состав фракции, возвращаемой на i-ю ступень, должен быть одинаковым с составом поступающей на эту ступень обогащенной фракции предыдущей (i — 1)-ступени (молярная доля N»i - 1). Если значения b для всех ступеней одинаковы, достигаемая в таком каскаде (называют идеальным) степень разделения

где Np и N0 - молярные доли изотопа в продукте и исходной смеси, n - число ступеней каскада.

Рис. 1. Схема каскада с рециркуляцией потока смеси (N - молярная доля выделяемого изотопа; N0 - в исходной смеси; N»i и N:i - соответственно в обогащенной и обедненной фракциях i-ступени; Np - в продукте (Np=N»n); Nw в отходах (Nw - N:1).

Для снижения затрат энергии на перемещение потоков, уменьшения объема аппаратуры и периода первонач. накопления изотопа (см. ниже) обычно сокращают потоки при переходе от низких ступеней к более высоким, т. е. ведут процесс так, чтобы обогащенная фракция данной ступени была по массе меньше обогащенной фракции предыдущей ступени. В ряде случаев используют каскады без сокращения потоков (так называемой прямоугольные каскады). Аналогами прямоугольного каскада являются противоточные разделит. колонны, например, ректификационные. В каскадах перемещение потоков между ступенями осуществляют с помощью насосов или др. устройств, в колоннах за счет конвекц. потоков, возникающих из-за различия плотностей, избыточного давления, электрич. потенциала или др. При этом в каждом поперечном сечении колонны изотопы перераспределяются между перемещающимися в противоположных направлениях потоками (в соответствии с элементарным разделит эффектом). Для достижения в прямоугольном каскаде (или в противоточной колонне) степеней разделения больших, чем в единичной операции (q > b ), часть выходящего с последней ступени обогащенного потока возвращают в каскад или колонну (рис. 2) проводят обращение потока (например, испарение жидкости или конденсация пара при ректификации). Накопление целевого изотопа начинается на конце каскада (или колонны), где вследствие обращения потока контактирующие фракции или потоки выводятся из состояния равновесия. В результате в контакт с обогащенной фракцией данной ступени приходит фракция, имеющая несколько более высокое содержание целевого изотопа, чем обедненная фракция, уведенная с этой ступени. Последующей перераспределение изотопов приводит к увеличению концентрации изотопа по сравнению с исходной в обеих покидающих эту ступень фракциях. По мере протекания процесса обогащение на конце каскада увеличивается, из состояния равновесия выводятся все более удаленные от места обращения потока ступени и протяженность обогащенной части каскада растет. После достижения на конце каскада требуемой степени разделения начинают отбирать продукт. Далее каскад (или колонна) работает в стационарном режиме.

Рис. 2. Схема противоточной колонны с обращением потока.

Вследствие малых отличий a от 1, а также из-за низких для многие элементов исходных концентраций целевого изотопа период накопления изотопа (пусковой период установки) составляет сотни и тысячи часов. Для характеристики эффективности колонн используют понятие высоты, эквивалентной теоретич. ступени (ВЭТС), - высоты участка колонны, на котором при стационарном режиме составы выходящих потоков связаны таким же соотношением, как в однократной разделит. операции. Для колонны или прямоугольного каскада макс. степень разделения достигается при работе без отбора продукта. В этих условиях q = a n, где п - число ступеней каскада или число эквивалентных ступеней разделения колонны. При работе с отбором продукта степень разделения снижается. Осн. характеристики процесса ИЗОТОПОВ РАЗДЕЛЕНИЕ р. зависят от a : производительность (количество продукта, получаемого в единицу времени) и lnq пропорциональны ( a - 1), количество перерабатываемого в каскаде вещества и энергетич. затраты обратно пропорциональны ( a — 1)2, пусковой период сокращается при увеличении a . Как правило, для достижения нужного обогащения требуется большое число ступеней, переработка больших материальных потоков и большие затраты энергии. Поэтому очень важен выбор условий, при которых отличия a от 1 были бы максимальными. Для каждого метода характерна своя зависимость a от свойств разделяемых молекул и от условий разделения. В грубом приближении для большинства методов величина ( a — 1) пропорциональна (М1 - М2)/М1, где M1 и М2 - массы изотопно различающихся молекул. Рассмотрим основные методы, используемые для разделения изотопов.
Дистилляция. ИЗОТОПОВ РАЗДЕЛЕНИЕ р. основано на различиях в равновесном составе жидкости и пара. Обычно соединение, содержащее легкий изотоп, концентрируется в паре. Значение а равно отношению давлений насыщ. пара (летучестей) изотопно различающихся соединение, оно уменьшается с повышением молекулярной массы и температуры. Осуществляют ИЗОТОПОВ РАЗДЕЛЕНИЕ р. в противоточных колоннах. Применяется для пром. разделения изотопов водорода и, в меньших масштабах, В, С, N, О.
Изотопный обмен. ИЗОТОПОВ РАЗДЕЛЕНИЕ р. обусловлено отличием от единицы константы равновесия обмена изотопами данного элемента между двумя соединение, находящимися в контактирующих фазах (чаще всего жидкость и газ, но используются также системы жидкость жидкость, жидкость твердая фаза и газ - твердая фаза). Осуществляется в противоточных колоннах. Для обращения потоков применяют термодинамически или электрохимический разложение либо реакции со вспомогат. веществами. Например, при концентрировании изотопа 10В обменом между BF3 и его соединением с анизолом последнее разлагают при нагревании и BF3 возвращают в колонну. При разделении изотопов лития обменом между амальгамой и растворами солей литий переводят в амальгаму электролизом раствора соли на текущем ртутном электроде. При концентрировании изотопа 15N обменом между HNO3 и NO азотную кислоту восстанавливают диоксидом серы. В случае разделения изотопов водорода процессы изотопного обмена с обращением потока не применяют, так как более экономичной оказывается двухтемпературная схема (рис. 3), в которой вместо перевода всей обогащенной смеси в др. фазу путем превращаются одного соединения в другое используют изотопный обмен между теми же соединение (например, Н2О и H2S) при более высокой температуре (меньшем a ). В результате из покидающей холодную колонну фазы (Н2О) в поступающую фазу (H2S) переводится избыточное по сравнению с исходным количество накапливаемого изотопа. Обогащенная дейтерием вода выводится на границе холодной и горячей колонн. Изотопный обмен применяется для пром. разделения изотопов легких элементов: водорода, Li, В, N, С.

Рис. 3. Схема двухтемпературного концентрирования дейтерия (Т2 > T1).

Центрифугирование. ИЗОТОПОВ РАЗДЕЛЕНИЕ р. основано на распределении компонентов газовой смеси в центробежном поле. Осуществляется в противоточной газовой центрифуге, которая представляет собой узкий вертикальный цилиндр, вращающийся вокруг своей оси с большой скоростью. Тяжелый изотоп концентрируется на периферии цилиндра, легкий -вблизи его оси. Из-за различий плотности смесь перемещается вдоль оси вверх, а по периферии - вниз. В отличие от др. методов, а определяется абс. разностью масс разделяемых изотопов М1 и М2, а не относительной (М1 — M2)/M1, поэтому метод применяется как для легких, так и для тяжелых элементов (С, Кr, Хе, U).
Эффузия газов. Метод основан на том, что при мол. истечении (эффузии) смеси изотопно замещенных молекул через пористую перегородку с отверстиями, диаметр которых меньше длины свободного пробега молекул газа, легкие молекулы проникают через перегородку быстрее, чем тяжелые. Макс. значение . ИЗОТОПОВ РАЗДЕЛЕНИЕ р. осуществляют в каскаде ступеней. Каждая ступень представляет собой камеру, разделенную пористой перегородкой, по одну сторону которой насосом нагнетается газообразная разделяемая смесь. Проходящая через перегородку смесь оказывается обогащенной легким изотопом. Метод применяется для разделения изотопов Н, Не, С, а также для пром. концентрирования 235U (в виде UF6).
Macc-диффузия. ИЗОТОПОВ РАЗДЕЛЕНИЕ р. основано на различии в скоростях диффузии изотопнозамещенных молекул газа в потоке вспомогат. разделительного пара. Вспомогат. пар должен обладать высоким коэффициент диффузии в разделяемой смеси и легко отделяться от нее. Часто в качестве вспомогат. пара используют пары ртути. ИЗОТОПОВ РАЗДЕЛЕНИЕ р. осуществляется либо в каскаде ступеней (называют насосами), либо в противоточной колонне. Ступень однократного действия представляет собой цилиндр, внутри которого соосно размещена цилиндрич. диафрагма с отверстиями диаметром около 10 мк (рис. 4). По центральное каналу движется вспомогат. пар, по кольцевому зазору между каналом и стенкой цилиндра в противоположном направлении разделяемая смесь. Молекулы смеси диффундируют в отверстиях диафрагмы через встречный поток вспомогат. пара. Выходящая из центральное канала часть смеси, увлекаемая вспомогат. паром, обогащена легким изотопом, выходящая из кольцевого канала тяжелым. В противоточной колонне вспомогат. пар подается равномерно по всей высоте колонны через трубку с отверстиями, помещенную вдоль оси, диффундирует сквозь отверстия к стенкам колонны и конденсируется. Элементарный разделит. эффект возникает в каждом поперечном сечении из-за диффузии изотопно замещенных молекул газообразной смеси к оси колонны. В результате у оси повышается концентрация легкого изотопа, у стенок - тяжелого. Различия в плотности, а также движение вниз по стенке пленки конденсата приводят к возникновению конвекц. потоков, направленных около оси вверх, а у стенок - вниз. Метод применяется для разделения изотопов Ne, Аr, С.

Рис. 4. Схема масс-диффузионной ступени: 1 - испаритель; 2 - диафрагма; 3 - конденсац. поверхность; 4 - конденсатор.

Термодиффузия. Осуществляется в газовой или жидкой фазах в противоточной колонне, вдоль оси которой расположена нагретая металлич. нить (или трубка), а наружная стенка охлаждается. Перепад температур вызывает диффузионный поток, что приводит к появлению разности концентраций изотопов в радиальном направлении. Нагреваемая вблизи оси колонны смесь, обогащенная легким изотопом, перемещается кверху, а охлаждаемая у стенок более тяжелая смесь - вниз. Метод ранее применялся при пром. концентрировании 235U, сейчас используется для лабораторная разделения изотопов многие элементов.
Электролиз. ИЗОТОПОВ РАЗДЕЛЕНИЕ р. основано на различиях в скоростях электролитич. разложения изотопнозамещенных молекул. При электролизе воды или водных растворов электролитов выделяющийся на катоде водород содержит меньшее количество дейтерия, чем исходная вода. В результате в электролизере растет концентрация дейтерия. В зависимости от материала и поверхности катода 5 < a < 15. Процесс проводят в каскаде ступеней - электролизеров. Метод применяется для пром. получения тяжелой воды (D2O), а также лабораторная обогащения воды тритием.
Электромиграция ионов. В электрич. поле изотопные ионы в растворе или расплаве перемещаются с разными скоростями и более подвижные концентрируются у соответствующего электрода. Для увеличения эффекта разделения создают постоянный противоток ионов противоположного знака. Например, при разделении изотопных катионов в катодное пространство добавляют кислоту, содержащую тот же анион, что и исходная соль. Кол-во кислоты эквивалентно кол-ву разрядившихся на аноде анионов. Метод применяют для лабораторная разделения изотопов щелочных, щел.-зем. элементов, Ag, Cl, Вr.

Выбор метода ИЗОТОПОВ РАЗДЕЛЕНИЕ р. зависит от свойств разделяемого вещества, требуемой степени разделения, необходимого кол-ва продукта, экономичности процесса. Для элементов с атомными массами до 40 экономически более выгодны дистилляция, изотопный обмен и электролиз, для разделения тяжелых элементов - диффузионные методы, центрифугирование, электромагн. разделение. Однако возможности первых двух из них ограничены тем, что не все элементы образуют удобные для разделения газообразные соединения. В перспективе универсальным пром. методом ИЗОТОПОВ РАЗДЕЛЕНИЕ р., особенно для тяжелых элементов, может стать лазерный, позволяющий выделять целевой изотоп, не затрагивая всех остальных, и обладающий высокой селективностью, малым пусковым периодом, сравнительно малыми энергозатратами. Для обеспечения научных работ и потребностей практики в СССР создан Государств. фонд стабильных изотопов. В значительной кол-вах получают 2D, 10B, 13C, 15N, 18O, 22Ne и др. Выпускают различные соединение, модифицир. стабильными изотопами.

Химическая энциклопедия. Том 2 >> К списку статей


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]    [обратная связь]

 

 

Реклама
смесь м200 цена
знак на аптечку скачать
VPL-EX295
обучение на ремонт холодильного оборудования

Рекомендуемые книги

Введение в химию окружающей среды.

Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности. Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах. Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга читателей.

Химия и технология редких и рассеянных элементов.

Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во второй части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана, лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия, тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по 1972 год включительно.

 

 



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Copyright © 2001-2012
(18.08.2017)