СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ КИСЛОРОДА Российский патент 1997 года по МПК B01D59/20 B01D59/50 

Изобретение относится к технологии разделения стабильных изотопов. Разделение изотопов химических элементов можно осуществить различными способами: физико-химическим /дистилляция, изотопный обмен и т.п./, электромагнитным, лазерным, центробежным и др.

Природный кислород состоит из трех изотопов со следующей распространенностью:
кислород-16 99,758%
кислород-17 0,037%
кислород-18 0,203%
В настоящее время для разделения изотопов кислорода в основном используют физико-химические методы, что обусловлено следующими факторами. Во-первых, в физико-химических процессах с участием кислорода легкого химического элемента, сильно проявляются изотопные эффекты. Во-вторых, содержание наиболее интересных для практики, тяжелых изотопов кислорода, невелико. Поэтому для их производства необходимо использовать большое количество исходного вещества, что проще достигается при разделении физико-химическими методами, которые в качестве рабочего вещества используют конденсированную фазу. В данном случае в качестве рабочего вещества используют различные соединения: СО₂, H₂O и др.

Общим недостатком таких процессов разделения изотопов кислорода является использование в качестве рабочего вещества либо соединений кислорода с другими немоноизотопными химическими элементами /CO₂, H₂O и др./, либо неодноатомные соединения кислорода /O₂, CO₂ и др./, что накладывает теоретический предел на максимально достижимую концентрацию изотопов кислорода в ходе процесса обогащения. Это обусловлено тем, что молекулы таких соединений, при одинаковой молекулярной массе будут иметь различный изотопный состав. Таким образом, теоретически невозможно достичь 100%-концентрации интересующего изотопа кислорода, даже в бесконечно длинном каскаде /колонне/.

Известные способы разделения изотопов кислорода путем низкотемпературной дистилляции неприемлемы в виду того, что теоретически невозможно достичь 100%-концентрации интересующего изотопа кислорода, даже в бесконечно длинном каскаде /колонне/. Для реализации способа необходимо создание насадочных колонн общей длиной до 40 метров. Время установления стационарного разделительного режима достигает многих месяцев. Применение криогенных систем делает процесс разделения очень чувствительным к внешним возмущениям.

Поскольку в состав рабочего кислородосодержащего соединения входит азот-немоноизотопный элемент, то обогащение по тяжелым изотопом кислорода ограничено сверху /например, для кислорода-18 приблизительно 98%/.

Далее, для практики интересен в основном тяжелый изотоп кислород-18, содержание которого в природной смеси мало, что делает процесс его выделения трудоемким и дорогостоящим.

При выделении некрайних изотопов /не самого легкого и не самого тяжелого в природной смеси/, каким в случае кислорода является изотоп кислород-17, процесс обогащения становится еще более сложным и малопроизводительным. Крупномасштабное производство таких изотопов ограничивается высокой стоимостью конечного продукта, которая оказывается недоступной для потребителя.

Существуют соединения кислорода с моноизотопными элементами, однако использование таких соединений в физико-химических процессах невозможно либо из-за их химической агрессивности, либо из-за малого относительного содержания кислорода в молекуле, что резко снижает изотопные эффекты.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение максимально достижимых концентраций изотопов кислорода при их разделении.

Для решения поставленной задачи в способе разделения изотопов кислорода в качестве рабочего вещества используют кислородсодержащее химическое соединение, обогащенное по целевому изотопу кислорода, которое подвергают химическому превращению в газообразное одноатомное неорганическое соединение кислорода с моноизотопными элементами и направляют на обогащение центробежным методом.

В качестве кислородсодержащего химического соединения используют диоксид углерода.

Диоксид углерода подвергают химическому превращению во фтороксид фосфора /POF₃/.

Диоксид углерода подвергают химическому превращению в дифторид кислорода /F₂O/.

В качестве кислородсодержащего химического соединения с предварительным обогащением по целевому изотопу кислорода может быть взято NO, CO₂, H₂O, SO₂, O₂ или другое, используемое в разделении.

Хорошо технически обработанный центробежный метод обогащения для разделения изотопов кислорода сейчас неприемлем, так как для его успешного использования на рабочие вещества накладываются определенные требования. Во-первых, метод основан на использовании в качестве рабочих веществ газообразных соединений при малом давлении. Во-вторых, эффективность метода зависит от молекулярной массы рабочего вещества и становится оптимальной для соединений с молекулярной массой 100. Упомянутые газообразные соединения кислорода, CO₂, H₂O и др. имеют низкую молекулярную массу /<50/. Кроме того, малая концентрация интересующих изотопов кислорода в природной смеси приведет к необходимости перерабатывать огромные объемы исходного вещества. Необходимо также учитывать требования по изотопному составу других элементов, входящих в состав рабочего вещества. Таким образом, ни один из известных методов разделения не позволяет достичь высокой степени обогащения.

Перевод кислорода в его одноатомное соединение с моноизотопными элементами позволяет без ограничений на многокомпонентность обогащать изотопы кислорода. Теоретическим пределом максимально достижимой концентрации является 100% концентрация изотопа.

Предварительное обогащение предпочтительней осуществлять центробежным методом, так как одноатомные соединения кислорода, такие как POF₃, F₂O, могут применяться без ограничений в этом высокоэффективном методе.

Особенно большие преимущества могут быть получены при применении данного способа разделения для выделения центрального изотопа кислород-17. В настоящее время максимальная концентрация этого изотопа, полученная в мире, не достигает 80% Данный способ позволяет обогащать его до любой концентрации.

Примеры реализации способа.

Предварительное обогащение осуществляют физико-химическим методом с использованием в качестве рабочего соединения, например, диоксида углерода /СО₂/. В процессе предварительного разделения количество диоксида углерода может быть снижено 100 раз при повышении концентрации целевых изотопов кислорода 50 раз.

Пример 1. Для осуществления обогащения кислорода -18 берут CO₂, обогащенный предварительно физико-химическим методом по кислороду -18 -С¹⁸O₂.

Диоксид углерода переводят во фтороксид фосфора /POF₃/ в две стадии:
1. Диоксид углерода сжигают в избытке фтора:
С¹⁸O₂ + 2F₂ CF₄ + ¹⁸O₂
2. Выделяют кислород из реакционной смеси, и вводят его в реакцию получения фтороксида фосфора:
2PF₃ + ¹⁸O₂ 2P¹⁸OF₃
Полученный газ, уже обогащенный по целевому изотопу кислорода-18, используют в качестве рабочего вещества центробежного метода разделения. При этом можно достичь концентрации кислорода 99,99% и более.

По достижении необходимой степени обогащения кислород из фтороксида фосфора переводят в товарную форму дожиганием в избытке фтора:
2P¹⁸OF₃ + 2F₂ 2PF₅ + ¹⁸O₂
Пример 2. Для разделения изотопов кислорода с получением кислорода-17 берут CO₂ с увеличением содержанием кислорода-17. Затем кислород из диоксида углерода переводят в дифторид кислорода /F₂O/ в две стадии:
1. Диоксид углерода сжигают в избытке фтора:
C¹⁷O₂ + 2F₂ CF₄ + ¹⁷O₂
2. Выделяют кислород из реакционной смеси и вводят его в реакцию получения дифторида кислорода:
2PF₃ +¹⁸O₂ 2P¹⁸OF₃
Полученный газ, имеющий предварительное обогащение по целевому изотопу кислорода-17, используют в качестве рабочего вещества центробежного метода разделения. Проведя необходимое количество циклов обогащения, можно достичь теоретического предела 100%
По достижении необходимой степени обогащения кислород из дифторида кислорода переводят в товарную форму термическим разложением:
2F₂ ¹⁷O 2F₂ + ¹⁷O₂
Из представленных примеров следует, что изобретение позволяет достичь степени разделения изотопов кислорода, близко к 100% простым и дешевым способом, не требующим длительного времени, сложного и крупногабаритного оборудования, позволяющим использовать доступные реагенты.

Сущность изобретения: кислородосодержащее неорганическое соединение, обогащенное по целевому изотопу кислорода, химически превращают в газообразное одноатомное неорганическое соединение кислорода с моноизотопными элементами (например, С¹⁸O₂, C¹⁷O₂ превращают в P¹⁸OF₃ или F₂ ¹⁷O, разделяют центробежным методом. Степень обогащения приближается к 100%.3 з.п.ф-лы.

1. Способ разделения изотопов кислорода, заключающийся в химическом превращении кислородсодержащего неорганического соединения, обогащенного по целевому изотопу кислорода, в газообразное одноатомное неорганическое соединение кислорода с моноизотопными элементами и последующем разделении изотопов кислорода центробежным методом. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве кислородсодержащего неорганического соединения используют диоксид углерода. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что диоксид углерода подвергает химическому превращению во фтороксид фосфора. 4. Способ по п.2, отличающийся тем, что диоксид углерода подвергают химическому превращению в дифторид кислорода.