СПОСОБ ЛАЗЕРНОГО ПОЛУЧЕНИЯ ИЗОТОПА С-13 Российский патент 2003 года по МПК B01D59/00 B01D59/34 

Изобретение относится к области разделения изотопов с помощью лазерного излучения, в частности для промышленного получения изотопов С-13 путем многофотонной диссоциации молекул CF₂HCl. Для ряда медицинских применений обычно достаточно содержания С-13 в конечном продукте 40-80%. Оно может быть достигнуто в результате одностадийного процесса лазерного обогащения изотопов.

Известны способы получения изотопов углерода, включающие диссоциацию молекул CF₂HCl излучением импульсного СО₂-лазера, выделение образовавшегося тетрафторэтилена (ТФЭ) и конвертирование его в двуокись углерода [1, 2]. Значительным недостатком этих способов является необходимость использования криогенной ректификации фреона для выделения ТФЭ из смеси.

Известен также способ получения изотопов углерода путем диссоциации молекул CF₂HCl, где минуют стадию получения ТФЭ [3]. Для этого в лазерный реактор добавляется кислород. Проблема, однако, в том, что эффективность взаимодействия радикалов CF••2

, образующихся при диссоциации молекул CF₂HCl под действием излучения CO₂- лазера, с кислородом мала. Поэтому даже при большом избытке кислорода образуется преимущественно ТФЭ. В то же время известно, что молекулы галогенов выполняют роль катализаторов реакции радикалов CF••2 с кислородом [4]. Это свойство и использовано в обсуждаемом аналоге. В газовую смесь кроме кислорода добавляют некоторое количество галогенов (хлор, бром или йод). При этом под действием лазерного излучения в газовой смеси протекают следующие основные реакции:
CF₂HCl+nhv-->CF••2+HCl (1)
CF••2+Г₂_→ CF₂Г^•+Г^• (2)
CF••2+O₂_→ COF₂ +ГO^• (3)
Г^•+Г^•_→ Г₂ (4)
Образующийся оксифторид углерода легко гидролизуется до двуокиси углерода. Его можно отделить от фреона, например, путем абсорбции раствором щелочи.

Этот способ получения изотопов углерода имеет два недостатка. Во-первых, требуется добавлять в газовую смесь значительное количество катализатора. В случае использования хлора, который трудно отделить от фреона физическими методами (дистилляцией, адсорбцией), возникает проблема его химического выделения и утилизации. При использовании брома или йода проявляется второй недостаток способа: невозможно охладить лазерный реактор и газовую смесь в нем до температуры -50÷-100^oС, так как катализатор будет конденсироваться в лазерном реакторе. В то же время такое охлаждение очень желательно, так как изотопическая селективность диссоциации молекул фреона возрастает при этом в 3-4 раза.

Цель настоящего изобретения состоит в устранении обсуждаемых недостатков аналогов.

Цель достигается тем, что окисление ТФЭ проводят в присутствии фреона в отдельном фотохимическом реакторе, расположенном после лазерного реактора, под действием света непрерывно действующих ламп.

Сущность изобретения состоит в том, что такие вещества, как бром или йод, вводятся в газовую смесь уже после лазерного реактора, а в фотохимическом реакторе они диссоциируют на атомы под действием света ламп и инициируют протекание каталитической радикально-цепной реакции окисления ТФЭ:
Г₂+hν _→ Г^•+Г^• (5)
Г^•+C₂F₄_→ ГC₂F•4

(6)
ГC₂F•4+O₂-->2COF₂+Г^• (7)
Экспериментально установлено, что такая фотохимическая каталитическая радикально-цепная реакция окисления ТФЭ в присутствии фреона при комнатной температуре протекает мягко, без потери в продуктах изотопической селективности первичного процесса лазерной диссоциации молекул CF₂HCl. Использование фотохимического реактора позволяет также значительно понизить требуемую концентрацию катализатора в газовой смеси. Это связано, с одной стороны, с тем, что время нахождения газовой смеси в фотохимическом реакторе может в сотни раз превышать время ее нахождения в лазерном реакторе. С другой стороны, инициирование химических реакций в фотохимическом реакторе происходит непрерывно, а в лазерном реакторе время инициирования определяется длительностью лазерного импульса, которая составляет ~10^-7 с.

Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором в качестве примера практической реализации предлагаемого спосооа приведена схема установки для лазерного получения изотопов углерода.

Лазерный реактор 1 расположен внутри резонатора импульсно-периодического СО₂-лазера 2. Буферный газ (азот) и кислород подаются в соединительные трубы. Фреон подается непосредственно на вход лазерного реактора. В газовую смесь на выходе лазерного реактора (CF₂HCl, N₂, O₂, НСl, C₂F₄, COF₂) добавляют пары йода (~10^-2 мм рт.ст.).

Фотохимический реактор 3 представляет собой четыре стеклянные трубы диаметром 60 мм и длиной по 1,5 м, соединенных последовательно и облучаемых снаружи тремя лампами накаливания мощностью по 300 Вт. Выходящая из фотохимического реактора смесь газов (CF₂HCl, N₂, O₂, НСl, COF₂, I₂) поступает в адсорбер 4, где улавливаются пары йода. Адсорбер можно использовать также в качестве источника паров йода, если изменить направление протекания газов. После адсорбера газовая смесь поступает в криогенный конденсатор 5, где задерживаются относительно низколетучие соединения (CF₂HCl, HCl, COF₂). Прошедшие криогенный конденсатор газы (N₂, O₂) с помощью газодувки 6 подаются на вход лазерного реактора. Жидкость из криогенного конденсатора поступает в испаритель 7. После испарителя газовая смесь под давлением 1-9 атм подается в абсорбер 8. Прошедший абсорбер фреон, обедненный углеродом-13, после осушителя 9 конденсируется с помощью компрессора 10 и поступает в сборник 11. Двуокись углерода, обогащенную углеродом-13, можно получить действием кислоты на раствор соответствующего карбоната, полученного в абсорбере. Следы фтористого и хлористого водорода удаляют путем дополнительного промывания двуокиси углерода водой.

Источники информации:
1. Патент США 4436709, B 01 D 59/00, от 13.03.1984.

2. Российский патент 2144421, от 10.03.1998.

3. Патент США 5085748, B 01 D 005/00, от 04.02 1992.

4. Кузьменко В.А. Журнал физической химии, т.63, 7, с.1911, 1989 г.

Изобретение предназначено для химической промышленности и ядерной техники и может быть использовано при получении диоксида углерода, обогащенного изотопом С-13, в промышленном масштабе. На вход лазерного реактора 1 подают смесь фреона и кислорода. Лазерный реактор 1 размещают внутри импульсно-периодического СО₂-лазера 2. Буферный газ - азот - подают в соединительные трубы. Газовая смесь на выходе лазерного реактора 1 содержит CF₂НСl, N₂, O₂, HCl, C₂F₄, COF₂. В нее добавляют пары йода. Полученную смесь направляют в фотохимический реактор 3, облучаемый снаружи лампами накаливания мощностью по 300 Вт. Смесь, содержащая CF₂HCl, N₂, O₂, HCl, COF₂, I₂, выходящая из фотохимического реактора 3, поступает в адсорбер, где улавливаются пары йода. В криогенном конденсаторе 5 задерживаются CF₂НСl, HCl, COF₂. Газовую смесь N₂ и О₂ из криогенного конденсатора 5 при помощи газодувки 6 подают снова на вход лазерного реактора 1. Жидкость из криогенного конденсатора 5 подают в испаритель 7, затем - в абсорбер 8. Фреон, обедненный изотопом С-13, после осушителя 9 конденсируют с помощью компрессора 10 и подают в сборник 11. Жидкость из абсорбера 8 представляет собой карбонат. СО₂, обогащенный изотопом С-13, получают действием кислоты на этот карбонат. Изобретение позволяет исключить стадию криогенной ректификации фреона, уменьшить количество реагентов, охлаждать лазерный реактор 1 до низких температур - порядка -50÷-100^oС. 1 ил.

Способ лазерного получения изотопа С-13, включающий облучение в лазерном реакторе излучением импульсного СО₂-лазера газовой смеси, содержащей фреон и буферный газ, и последующее окисление образовавшегося тетрафторэтилена, отличающийся тем, что в исходную газовую смесь добавляют кислород или осушенный воздух, а в газовую смесь, выходящую из лазерного реактора, вводят катализатор, в качестве которого используют галогены, причем окисление тетрафторэтилена проводят в фотохимическом реакторе при облучении светом ламп, под действием излучения которых молекулы катализатора диссоциируют на радикалы, и затем от оставшегося фреона, обедненного по изотопу С-13, отделяют обогащенный по изотопу С-13 оксифторид углерода, образовавшийся в результате каталитического фотохимического окисления тетрафторэтилена.