Электролизер для разделения ионов Советский патент 1983 года по МПК C25B9/08 C25B9/10 

Изобретение относится к химии и может быть использовано для разделения ионов с близкими свойствами, а также ионов различной природы; для. разделения ионов одинаковой природы но .разной валентности; для промышленного и лабораторного разделения и обогоццения изотопов, для отделения ценных ионов от малоценных с целью их регенерации, для качественного и количественного анализа смесей ионов, .и может быть использовано в химической, фармацевтической промышленностях, в точном приборостроении и радиоэлектронике для получения ценных и .особо чистых веществ.

Известно устройство для разделения ионов разной природы путем ионо обменной хроматографии, содержащее адсорбционную колонну, наполненную ионитом, работа которого основана на использовании различной скорости передвижения ионов. Различная скорость передвижения ионов в колонке объясняется прежде всего различной прочностью, с которой отдельные вещества связываются с адсорбентом Г.

Недостатками этого устройства являются малая скорость разделения ионов, пригодность устройства для разделения только малых количеств ионов, необходимость периодической регенерации ионитов с затратой на проведение этой операции химикатов, и,главное, неполнота раз.деления ионов с очень близкими свойствами.

Известен электролизер для разделения ионов, включающий корпус, в котором размещены графитовые электроды, заключенные в чехлы, выполненные из ионоселективного материала, поропластовые диафрагмы и токоподводы 2 .

Недостатками этого электролизера являются относительно малая скорость разделения ионов, значительное размыление фронта движения ионов, вызываемое сложной поверхностью угля, что затрудняет разделение ионов с близкими свойствами, вызывая в ряде случаев неполноту их разделения.

Целью изобретения является повышение скорости и степени разделения ионов.

. ПоставлеЦная цель достигается тем что в электролизере для разделения ионов, включающем корпус, в котором размещены графитовые анод и катод, заключенные в чехлы, в олненные из ионоселективного материала, поропластовые диафрагмы, токоподводы, корпус выполнен в форм кольца, в котором дополнительно размещены по крайней мере две пары электродов в чехлах из ионоселективного мaтepиaJ a причем катод каждой пары размещен между анодами соседних пар, при этом

электролизер снабжен дополнительной поропластовой диафрагмой и все диафрагмы находятся между парами электродов.

Благодаря такой конструкции достигается непрерывное круговое повторение циклов обогащения - разделения ионов до полного разделения их исходной смеси. ,

В необходимых случаях можно прерывать процесс, не доводя его до полного разделения, а лишь до достижения определенной степени обогащения смеси ионов или изотопов одним из . исходных компонентов (ионом или изотопом).

На чертеже представлен электролизер для разделения ионов, общий вид. -

Электролизер содержит корпус 1 с

дистиллированной водой, в который введены три графитовых цилиндрических анода 2-4, заключенных в ионитовые чехлы (ИЧ) из анионообменной мембраны марки МА-100,.и три таких

же графитовых катода 5-7. в ИЧ из

катионообменной мембраны марки МК-100; стартовую камеру 8 с водным раствором исходной разделяемой смеси ионов А и (в случае бинарной смеси ионов или изотопов), с двумя поропластовыми диафрагмами, служащую на завершающем этапе разделения прием-f НИКОМ целевого продукта; датчик 9 (электрохимический, физический или ругого типа); электронное реле 10

ля передачи команд от датчиков на автоматический переключатель 11 тока; вторую камеру - приемник 12 целевого родукта (в случае бинарных исходных смесей ионов; при И -числе раз-еляемых ионов вводятп кгииер - приемников для Целевых ионов, разделенных также поропластовыми диафрагмами) ; источник 13 постоянного тока с ручным включателем 14 тока дляпервоначального пуска устройства.

Электролизер работает следующим образом.

Корпус 1, выполненный из материала-диэлектрика, и камеру 12 заполняют дистиллированной ВОДОЙ. Все ИЧ с помещенными в них анодами и катоами также заполняют дистиллированной водой.

В стартовую камеру 8 помещают исходный водный раствор разделяемых

ионов и В, включают первую пару элек.тродов 2 и 5.

Положительно заряженные катионы и начинают двигаться по часовой стрелке в направлении катода 5.

При этом, вследствие имеющихся небольших различий в скорости передвиения (подвижности) этих-катионов в электрическом иоле в дистиллироанной воде происходит формирование

ракций катионов и В. При до стижении головной части фронта разделяемых катионов датчиков 9, по его сигналу срабатывает электронное реле 10, от которого приходит в действие переключатель 11 электриче кого тока, включающий вторую пару электродов 3, 6 и автоматически выключающий электроды 2 и 5. Фронт катионов и B оказывается пере.хваченным электрическим полем элек тродов 3, 6 и происходит дальнейшее движение, катионов к катоду 6с. дальнейшим более четким формированием катионов в отдельные фракции. Затем аналогично при подходе головной части фронта фракций по команде датчиков выключаются электроды 3, б и включаются электроды 4, 7, и идет дальнейшее формирование отдельных фракций разделяемых катионов. При подходе головной части фронта катионов к следующему датчику 9, электроды 4, 7 выключаются и включаются снова электроды 2,.5, то есть начинается второй непрерывный цикл разделения ионов. Многократным повторением таких непрерывных циклов достигается полное разделение исходной смеси катионов и В (илИ смеси анионов: в этом случае анирйы движутся в циклическом электролизер против часовой стрелки) на отдельны фракции, которые, попав в камеры 12 и 8 через краны в дне попадают в ем кости - приемники чистых разделенны фракций катионов. Вместо ионитовых чехлов могут быть применены чехлы из полимерных мембран МГА-100, пропускающих черёэ себя только водородные и гидроксиль ные ионы. Расстояние между соседними электродами взаимоперекрывающих автономных электрических цепей составляет 10-14 см/ в зависимости от сло ности исходной смеси ионов. Оптимальное расстояние между дву мя электродами каждой автономной це пи - 50 см. Оптимальная длина электролизера составляет 93 см, диаметр - 4 см (промышленные циклические электроли зеры предлагаемой конструкции могут быть крупногабаритными - для раздел ния больших количеств ионов или изо топов) , оптимальное напряжение 60-120 В, сила тока - 0,2-0,5 А. В качестве стартовой камеры може служить любая из малых камер, предназначенных для целевого продукта. Пример. Исходная разделяемая смесь ионов, г: литий 0,100; натрий 0,100, калий 0,100. Длина циклического электролизера 93 см, диаметр 4 см, общий объем 1,15 дм ., Объем кгикдой из трех малых для целевых продуктов 16 см. Все малые камеры отделены друг от друга и от большой камеры поропластовыми мембранами. Исходную разделяемую смесь ионов в виде водного раствора помещают в первую малую камеру (по ходу часовой стрелки). Во все остальные камеры и в ионитовые чехлы заливают дистиллированную воду. Объем воды в ИЧ по 4 см, диаметр графитовых электродов - 0,3 см. Напряжение во всех трех непрерывно автоматически включаемых и выключаемых автономных электрических цепях составляет 60120 В.( Для полного разделения ионов потребовалось 8ч. В целевых камерах выделены чистые фракции ионов без примеси ионов другой природы в следующих количествах, г: литий О,09бУ натрий 0,097; калий 0,095. В первой малой камере для целевого продукта (по ходу часовой стрелки) выделена фракция ионов калия,во второй малой камере - фрак- ция ионов натрия, а в третьей фракция ионов лития. Раствор калсдой фракции спущен через донный кран камеры в отдельные приемники. Напряжение на клеммах электродов . во всех трех автономных автоматически, попеременно и последовательно включаемых и выключаемых электрических цепях изменялось в ходе ггроцесса от первоначального 120 В до крнечного 60 В. Этот интервал напряжений является оптимальным, так как ниже 60 В резко падает сила протекающего тока ввиду сравнительно Высокого омического сопротивления ИЧ и процесс требует большей затраты времени, а выше 120 В резко усиливается процесс электролитического разложения воды, что неблагоприятно йлияет на стабильность работы иони1товых мембран, из которьюс изготовлены ИЧ автомарный кислород, выделяющийся при бурном электролитическом разложении воды начинает окислять мембрану, изменяя ее физикО-химические характеристики). Сила тока изменилась в пределах 0,2-0,5А. Разделение аналогичной смеси ионов в ионитовой колонке длиной 93 см, диаметром 4 см и объемом катионита КУ-2 1,15 дм (известный электролизер) и в аналогичной колонке с анионитом (базовый объект) позволило разделить ионы на отдельные фракции лишь в течение 4В ч с наличием в них примесей других ионов. П р им е р2. Исходная разделяв-, мая смесь ионов, г:, калий 0,100; тгезий 0,100; рубидий 0,100. Все условия опыта такие же, как ;В примере 1. На полное разделение ионов потребовалось 7,5 ч работы .электролизера. Все фракции ионов несодержали ионов другой природы и были выделены в следующих количествах, г; калий 0,095; цезий 0,097; рубидий Ог094. Разделение аналогичной смеси ионо в известном электролизере и базовом объекте - в ионитовых колонках, аналогичных приведенным в примере 1/ позволило разделить ионы на отдельные фракции лишь в течение 36 ч с наличием во фракциях следов примесей других ионов. 1 П р и м е р 3. Исходная разделяемая смесь анионов,, г; фтор 0,100; хлор 0,100; бром 0,100. Все условия проведения опытов такие же, как в примере 1 Отличие лишь в том, что была произведена пёреполюсовка электродов на обратный знак -и катионоойненные ЙЧ на электро дах предварительно заменены на анйонообменные, а анионообменнЫе ИЧ на катионообмениые ИЧ. Для полного разделения потребовалось чработы устройства. Все фракции анионов не содержали анионовдругой природы и были выделены в следующих количествах, г: фтор 0,095; хлор 0,097; бром 0,094. Разделение аналогичной смеси ионо в ионитовой колонке, аналогичной при Mejpy 1, но с анионитом ЭДЭ-10П, поз волило разделить анионы на отдельные фракции лишь в течение 24 ч, с наличием во фракциях следов примесей друпих ионов. За базовый объект принят жидкостной хроматограф Ду Понт 840(США), предназначенный для разделения ионов и их анализа. Базовый объект содержит колонку Пермафазе ААХ, , змеевиковую вытеснительную насосную систему с баком емкостью 1,8 л для растворителя, сборник фракций с ручным управлением, ультрафиолетовый фотометр. Габариты: ширина 35 см, глубина 37,5 см j высота 65 см. Вес 16,8 кг, Недостатком базового объекта является неполнота разделения компонентов на фракции (85-90%) и пригодность для разделения, в основном, микроколичеств ионбв По сравнению ° с базовым объектом изобретение позволяет осуществлять 100%-ное разделение Ионов и получать их чистые фракций. Не загрязненные примесями, при увеличении скорости разделения ионов в 3-5 раз. образом, предлагаемый электролизер позволяет не только увели-, чить скорость разделения ионов по сравнению с известным, но и достичь полного разделения ионов с очень близкими свойствами, в том числе и изотопов, находящихся в водных растг рорах в ионной форме.

ЭЛЕКТРОЛИЗЕР ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ИОНОВ, включающий корпус, в котором размещены графитовые анод и катод, заключенные в чехлы, выполненные ,из ионоселективного материала, поропластовые диафрагмы, токоподводы; о т л и ч а,ю щ и и с я тем, что, с целью повышения скорости и степени разделения, корпус выполнен в форме кольца, в котором дополнительно размещены по крайней мере две пары электродов в чехлах из ионоселективного материала, причем катод каждой пары размещен Между анодами соседних пар, при этом электролизер снабжен дополнительной поропластовой диафрагмой и все диафрагмы находятся между парами электродов. S . (Л 4: СС 00 СП