СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗОТОПОВ СЕРЫ Российский патент 1999 года по МПК B01D59/20 B04B5/08 

Изобретение относится к способу получения изотопов серы и может быть использовано для получения изотопов, применяемых в медико-биологических исследованиях, а также в приборах технологического контроля.

Известен способ получения изотопа серы S-34 методом химического обмена между сернистым ангидридом и раствором бисульфита натрия. На каскаде стеклянных колонн из трех секций с общей длиной 43 м было достигнуто обогащение 27% S - 34. (Производство изотопов, Сб. статей, Москва, Атомиздат, 1973, с. 456).

Известен способ получения изотопа серы S - 34 методом масс-диффузии, максимально достигнутая этим способом концентрация серы S - 34 составляет 43 ат.% (там же, с. 461).

Известны также способы получения изотопов серы, в которых разделение изотопов серы проводят методом дистилляции сероводорода или сернистого ангидрида. Эксперименты по разделению изотопов серы проводились на колонне длиной 102 см и диаметром 12 мм. Было достигнуто максимальное обогащение 1,31 при дистилляции сероводорода и 1,20 - при дистилляции сернистого ангидрида (там же, с. 454).

Сера, обогащенная целевым изотопом, может быть получена при этом восстановлением фракции сернистого ангидрида или окислением фракции сероводорода, обогащенных целевым изотопом.

Способ получения изотопов серы с применением изотопного разделения и окисления изотопных фракций сероводорода выбран в качестве прототипа.

Недостатком прототипа и других упомянутых способов является недостаточно высокая степень обогащения получаемого изотопа серы.

Задачей изобретения является получение изотопов серы со степенью обогащения не менее 99%.

Поставленную задачу решают тем, что в способе получения изотопов серы, включающем изотопное разделение газообразного соединения серы и окисление изотопных фракций сероводорода до злементной серы, гексафторид серы природного изотопного состава подвергают изотопному разделению методом газового центрифугирования, разделенный по изотопному составу гексафторид серы пофракционно направляют на взаимодействие с элементным железом при повышенной температуре, продукты взаимодействия обрабатывают соляной кислотой, а полученный при этом сероводород направляют на стадию окисления.

Взаимодействие гексафторида серы с элементным железом осуществляют при температуре 430-630^oC и избытке железа сверх стехиометрии, равном 50-100%, а продукты взаимодействия обрабатывают 18-20%-ной соляной кислотой.

Способ осуществляют следующим образом. Гексафторид серы с массовой долей SF₆ (Элегаз повышенной чистоты, ТУ 6-02-1249-83), подвергают изотопному разделению методом центрифугирования на каскаде газовых центрифуг. В результате получают фракции гексафторида серы, каждая из которых обогащена одним из изотопов серы: S - 32, S - 33, S - 34, S - 36, степень обогащения составляет не менее 99%. Далее осуществляют пофракционную переработку гексафторида серы до элементной серы по следующей технологии.

Гексафторид серы направляют на взаимодействие с элементным железом, взаимодействие осуществляют при температуре 430-630^oC и избытке железа сверх стехиометрии 50-100%, при этом протекает следующая реакция:
4Fe + SF₆ -> FeS + 3FeF₂.

Избыток железа менее 50% приводит к снижению степени превращения гексафторида серы, а избыток более 100% нецелесообразен; температура реакции ниже 430^oC ведет к уменьшению скорости реакции вплоть до полного ее прекращения, а при превышении 630^oC вместо порошкообразной смеси образуется плав, плохо растворимый впоследствии в кислоте, что снижает выход конечного продукта. При заявляемых параметрах степень превращения гексафторида серы составляет более 99%.

Продукты реакции - сульфид железа и фторид железа, а также непрореагировавшее железо - обрабатывают разбавленной (18-20%-ной) соляной кислоты:


Fe₂ + 2HCl -> FeCl₂ + 2HF.

Выбранная концентрация соляной кислоты обеспечивает наиболее оптимальный режим растворения продуктов реакции взаимодействия железа с гексафторидом серы.

Выделяющиеся при обработке соляной кислотой сероводород и водород пропускают через раствор железосинеродистого калия с добавкой карбоната калия, при этом сероводород поглощается раствором по реакции (Авдеева А.В. Газовая сера, М. - Л., ГНТИ ХЛ, 1950, с. 76).

а не вступающий в реакцию взаимодействия с раствором водород направляют в систему утилизации.

Осадок серы отфильтровывают, промывают горячей водой и сушат при 80^oC в течение 3-х часов. Полученная сера представляет собой мелкодисперсный порошок желтого цвета, содержание целевого изотопа в ней не менее 99%.

Пример. Получение изотопа серы S - 33.

Фракцию гексафторида серы, содержащую 99,3% изотопа серы S - 33, полученную методом центрифугирования на каскаде газовых центрифуг, направляют на взаимодействие с элементным железом. Для этого в реактор из лейкосапфира объемом 0,5 л, подсоединенный при помощи вентиля к кварцевой ампуле с 13,1 г газообразного гексафторида серы - 33, загружают 30 г порошкообразного железа (избыток железа 50%), после чего реактор вакуумируют до остаточного давления не более 1•10^-2 мм. рт.ст. (1,33 Па) и подают в него порциями гексафторид серы - 33, поддерживая при этом температуру в реакторе в пределах 430-630^oC. По окончании реакции остатки гексафторида серы вымораживают в кварцевую ампулу и отсоединяют от нее реактор. Масса непрореагировавшего гексафторида серы - 0,10 г. Доля прореагировавшего гексафторида серы 99,3%.

В реактор, содержащий смесь порошков железа, сульфида железа и фторида железа, добавляют порциями (в течение 3-4 часов) 350 мл 20%-ной соляной кислоты, выделяющиеся при этом водород и сероводород направляют в сосуд объемом 2 л, содержащий 625 мл раствора из 155 г железосинеродистого калия и 65 г карбоната калия. При поглощении указанным раствором сероводорода происходит выделение элементной серы. Накапливающийся в сосуде не реагирующий с поглотительным раствором водород периодически сбрасывают в систему утилизации.

После добавления всего количества соляной кислоты в реактор, содержащий сульфид, фторид железа и железо, реактор выдерживают при температуре кипения солянокислого раствора в течение 1 - 2 часов до практически полного разложения сульфида железа и выделения сероводорода.

Осадок серы, выпавший в сосуде с раствором железосинеродистого калия, отфильтровывают, промывают горячей водой, сушат в вакуумном сушильном шкафу при температуре 80^oC в течение 3-х часов. Получают 2,80 г мелкодисперсного порошка желтого цвета, содержание изотопа S - 33 в порошке элементной серы 99,3%.

Для получения изотопов серы S - 32, S - 34, S - 36 на взаимодействие с элементным железом с последующей обработкой продуктов реакции как в примере направляют фракции гексафторида серы, полученные методом центрифугирования и содержащие соответственно изотопы серы S - 32, S - 34 и S - 36.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет получить изотопы серы со степенью обогащения не менее 99%.

Изобретение может быть использовано в медико-биологических исследованиях и приборах технического контроля. Гексафторид серы природного изотопного состава подвергают разделению методом газового центрифугирования. Фракцию SF₆ (содержание ³³S - 99,3%) направляют на взаимодействие с элементным железом при 430-630^oС, избытке Fe сверх стехиометрии 50-100%. Остаток SF₆ вымораживают. Продукты взаимодействия обрабатывают 18-20%-ной HCl. Выделяющиеся H₂ и H₂S обрабатывают раствором, содержащим K₃Fe(CN)₆ и K₂CO₃. Водород утилизируют. Осадок серы отфильтровывают, промывают, сушат. Содержание ³³S в порошке серы - 99,3%. Для получения ³²S,³⁴S, ³⁶S на взаимодействие с железом направляют соответствующие фракции SF₆ после центрифугирования. Степень обогащения не менее 99%. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ получения изотопов серы, включающий изотопное разделение газообразного соединения серы и окисление изотопных фракций сероводорода до элементной серы, отличающийся тем, что гексафторид серы природного изотопного состава подвергают изотопному разделению методом газового центрифугирования, разделенный по изотопному составу гексафторид серы пофракционно направляют на взаимодействие с элементным железом при повышенной температуре, продукты взаимодействия обрабатывают соляной кислотой, а полученный при этом сероводород направляют на стадию окисления. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что взаимодействие гексафторида серы с элементным железом осуществляют при 430 - 630^oС и избытке железа сверх стехиометрии, равном 50 - 100%, а продукты взаимодействия обрабатывают соляной кислотой с концентрацией 18 - 20%.