Способ разделения ионов Советский патент 1986 года по МПК B01D13/02 

Изобретение относится к химии и может быть использовано для разделения смесей ионов с близкими свойствами, для промышленного и лабораторного обогащения и разделения изотопов, для отделения ценных ионов от малоценных с целью регенерации, для качественного и количественного анализа смесей ионов, может быть применено в приборостроении, химической,радио- и радиоэлектронной промышленности для получения особо чистых веществ.

Цель изобретения - обеспечение одновременного разделения катионов и анионов, а также повышение скорости разделения.

На чертеже представлено устройство для реализации предлагаемого способа.

Устройство содержит электролизер 1 в форме кольца, в котором размещены катоды 2-7 и аноды 8-13, а также регуляторы 14-20 напряжения, выключатели 21 - 23, источник 24 постоянного тока, стартовую камеру 25, содержащую датчик 26 и UJTOK 27 для введения разделяемой смеси, диафрагмы 28 и 29, датчики 30-36, с помопдью которых включаются необходимые нары электродов, анодные камеры 37, камеры-приемники 38-40 разделенных фракций ионов.

Разделение ионов осуществляют следующим образом.

Помещают в электролизер I, во все иони- товые чехлы (ИЧ) и камеры 38---40 дистил- . мровапную воду, диафрагму 28 вдЕ игают в каппу до полного перекрытия ею поперечного сечения электролизера 1, диафрагму 29 чр:,п;одят из ванны. В выдвинутую из ванны стартовую камеру 25 помещают исходный раствор разделяемой смеси ионов, 1риготов- лсиный на дистиллированной воде. Включают сначала только первую пару элерстро- дов 2 и 9 и вводят из стартовой калтерь раствор с разделяемой смесью ионов. При этом происходит движение катионов по часовой стрелке, а анионов - в обратном направлении, благодаря чему происходит быстрое и четкое отделение фракции анионов от фракции катионов. Затем включают все электроды 3-13 с непрерывно и последовательно возрастающим напряжением от 100 до 280 В, благодаря чему начинается движение катионов и анионов самостоятельными фракциями в одном направлении - по часовой стрелке.

Регулирование напряжения производят с помощью регуляторов напряжения, иовыпгая его в средне.м при движении по часовой стрелке от катода 2 к следуюпаему катоду и далее каждый раз на 25--30 В . Таким образом, непрерывное движение катионов и анионов по окружности обеспечивается непрерывно возрастающим напряжением на электродах (от 100 В на катоде 2 до 280 В на катоде 7), аналогично на анодах возрастает напряжение (регуляторы напряжения на анодах не показаны).

Вследствие имеющихся у разделяемых ионов различий в скоростях их движения они

начинают постепенно, но .мере движения по окружности ванны, разделяться на фракции.

После завершения первого полного цикла движения разделяемых ионов по окруж- ности ванны от катода 2 до катода 7 и соответствующих анодов по команде датчика 35 диафрагма 28 открывается, давая дальнекп1ий свободный проход ионов по часовой стрелке, а диафрагма 29 перекрывао ет поперечное сечение ванны, исключая те.м самым движение ионов одновременно в двух противоположных направлени5 Х, при этом с помощью регулятора . 20 1 ааряжения и выключателей тока ка электрод 2 и соответствующий соседний анод подается напря5 жение 300 В. После перевода «хвоста фракции ра.зделяемых ионок за датчик 36 диаф- рагг,:а 28 С)екрьзвает ciiOFii , а диафрагма 29 выдвигается из нее и на анод 2 и соседи; ;; анод снова iio,-u( напряжение 100 В, начинается BTOpoii цикл раз.ае0 ления ионов , 5 электрическом поле с непре- рь1вно повьицаюгцимся 1 апр жение.м от 100 до 280 В с последующим переводом ионов на третий цикл раздел чгия при напряжении 300 В и т. д. до iKMHOi o рггзделенкя смеси

j. катионов и анионов на отдс/1;;Я1ле компоненты.

Разде.1ениь е из фрак1:.|и попы затем, после вь;ключепия осиойных Жбочих элекч - родов, перевод;-пся с no:vOiiib/o вспомогательных элект)одо к Комерь:-прие иики 38

Q и 39, из которых через краны Б их дне сливаются в емкости-|;р 1смпикя.

В зависимости от скоростей (ио.авпжпос- тей) разде.ляемь х катионов и анионов для приема целевых продуктов н камеры-приемники применяют либо о.тни ; le же ка5 меры-приемники д. ;я приема катионо и ащюноБ (тогда для приема rinnonoB производят только переполюсовку вспомогательных электродов), либо соответственно увеличивают числи допил 11И1е,лы;ых камер-при- емпиков (на чертеже показаны только две

0 камеры-приемника).

Пример 1. Исходная р;-1з;:е.. |немая смесь ионов, г: литий О, i 00; патрий О, i 00; хлор 0,1 00; фтор 0,100. Длина пикличес .чого э.лектроли- зера 93 см, диаметр 1 см, обп.1ий объем L4 ДМ . В Наину и ИЧ на.1ивают дистил5 лировапную воду, i-lcxo.aiiy 1 азделяемую смесь иопов в виде 5JO,iHoro fiacTsopa помещают в выдвижную стартовую камеру при вклрочеппой первой паре э, ектродов.

Объем воды и И по 4 см , диаметр графитовых элоктродоь 0,3 см. Для приема целевых иоиои служат четыре камеры-при- . 1апря: ; е| 1-;е ыа элеитро.аах в тече- нис каждого iii;K, ;3 разделения повыгпает- ся в последовательности 100. 35, 165, 195 225, 280, 300 В.

5 ,/|ля r ojuior o рззде,. 1еп:1Я ионов требуется 4 ч. В целевых камер х выделены чистые фракци ионов бс -; : рил;с:си иопов дру- f oi i I , сло.ауюгцих количествах, г:

литий 0,096; натрий 0.096; хлор 0,096; фтор 0,097.

Раствор каждой фракции спущен через донный кран камеры в отдельные приемники. Величина тока меняется в пределах 0,,5 А.

Разделение аналогичной- смеси ионов согласно известному способу в электролизере длиной 93 см позволяет разделить ионы на отдельные фракции лишь за 16 ч с таким же выходом ионов по веществу, как и в предлагаемом способе. При этом одновременно катионы и анионы разделить согласно известному способу невозможно, поэтому разделение катионов и анионов проводится по отдельности на двух разных порциях одинакового качественного и количественного состава.

Пример 2. Исходная разделяемая смесь ионов, г: калий 0,100; цезий 0,100; рубидий 0,100; фтор 0,100; хлор 0,100; бром 0,100. Условия опыта аналогичны примеру 1. На полное разделение ионов требуется 5 ч работы электролизера. Все фракции ионов не содержат ионов другой природы и выде.тены в количестве, г: калий 0,095; цезий 0,097; рубидий 0,094; фгор 0.095: хлор 0,097; бром 0,096.

Разделение аналогичной смеси ионов (как в примере 1) на двух пленочных ионов согласно известному способу в условиях, аналогичных примеру 1, позволяет разделить ионы на отдельные фракции .лишь за 25 ч с такими же выходами по вен;ест- ву, как и в предлагаемом способе. При это.м одновременно разделение катиоиов и апио- )юв на компоненты согласно известному способу осуществить нельзя.

Пример 3. Исходная разделяемая смесь, г; литий 0,100; калий 0,100; натрий 0,100; рубидий 0,100; фтор 0,100; хлор 0.100; бром 0,100; йод 0,100.

Условия проведения опытов аналогичны примеру 1. Для полного разделения требуется 5 ч работы электролизера.

Все фракции н-е содержат ионов другой природы и выделены в количествах, г; литий 0,096; калий 0,097; натрий 0,098; руби

0

5

5

о

0

5

дий 0,098; фтор 0,097; хлор 0,098; бром 0,097; йод 0,097.

На разделение аналогичной с.меси ионов согласно известному способу в условиях, аналогичных примеру 1, требуется 25 ч.

Интервал рабочих напряжений 100-ЗООВ является оптимальным, так как ниже 100 В через ванну идут слишком малые по величине токи, что снижает производительность способа, а выше 300 В начинает идти интенсивное электролитическое разложение воды с выделением газообразных кислорода и водорода, что снижает выход целевого продукта по току.

Для катодов применены ИЧ из анионо- обменной мембраны МА-100, а на анодах - ИЧ из катионообменной мембраны МК-ЮО.

Вместе с ИЧ могут быть применены чехлы из полимерных мембран МГА-100, пропускающих через себя только водородные и гидроксильные ионы.

Расстояние между соседними электродами составляет 5-7 см в зависимости от сложности исходной смеси ионов. Оптимальная длипа электролизера 93 см, диаметр 4 с.м (промышленные циклические электролизеры предлагаемой конструкции могут быть крупногабаритными - для разделения больших количеств ионов или изотопов). Оптимальное, последовательно повышаю- п|ееся напряжепие 100-300 В, величина тока 0.1-0,5 А (у промышленных электролизеров величина тока может быть значительно больше).

Таким образом, предлагаемый способ позволяет увеличить скорость разделения ионов по сравнению с известным в 4-5 раз, достичь полного разделения ионов с очень близки.ми свойствами, в том числе и изотопов, находящихся в водных растворах в ионной форме, с обеспечением одновременного разделения смесей катионов с анионами па отдельные компоненты, что согласно известному способу одновременно сделать невозможно вследствие более низких и одинаковых на всех электродах напряжений.