Способ разделения ионов Советский патент 1988 года по МПК B01D13/02 

О2

о

О5

Изобретение относится к способу paszie- ления ионов и может быть использовано для разделения смеси катионов или анионов ня чистые фракции с целью ре1 екерации ценных ионов из отходов производства или природных смесей ионогенных химических соединений, для качественного и количественного анализа смесей ионов в приборостроении, радиоэлектронике и химической промышленности.

Цель изобретения - повышение скорости разделения ионов с сильно различающимися ионными весами.

На чертеже схематически изображен электролизер линейной фоп:лы, в котором реализуется снособ разделения ионов.

Предлагаемый способ, разделения ионов с сильно различающимися ионными весами осуществляется следующим образом.

Исходный раствор ион огенных химических соединений А X , и т.д., смесь катионов которых А, В и т.д. необходимо разделить на отдельные компоненты, помещают в стартовую камеру 1 линейного электролизера 2, а з сообщающиеся секции 3 и 4, частично разделенные экранирующей диэлектрической стенкой 5, в камеру для од ного из целевых ионов 6, в анодную камеру 7, катодную камеру 8 и в ионитовые чехлы 9 и 10 с цилиндрическими графитовыми катодом 11 и анодом 12 - дистиллированную воду. Включают постоянный электрический ток, подавая на электроды напряжение 90- - 120 В. Под действием электричес;сого поля разделяемые катионы из стартовой камеры проходят через катионитов /ю мембрану 13 марки МК-100 в секцию 3, а анионы исходных соединений Х У проходя через .иио- нитовую мембрану 14 марки МЛ-100 в анодную камеру, блокируются з ней. Двигаясь к катоду 11 в секции 3, разделяемые катионы А, попадают в сферу возл.ействия мощного пучка когерентного силового излучения (КСИ) испускаемого источником КСИ (ИКСИ), работающим в испульсном режиме и соединенным с лампой 16 накачк1;. ГЬ/чок КСИ проходит через оптически прозрачное окошко 17 в боковой стенке электролизера и падает под прямым углом к силовым линиям электрического поля электродов. В результате светового давления, оказываемого пучком КСИ на движущиеся в электрическом поле катионы А, В, последние отклоняются от своего прямолинейного пути вправо. Величина этого отклонения обратно пропорциональна величине ионного веса разделяемых катионов, поэтому катионы с наибольшим ионным весом (массой) испытывают наименьшее отклонение вправо, а катионы с относительно небольшим ионным весом отклоняются вправо на максимальное расстояние. В результате происходит быстрое разделение катионов с большим и малым ион

5

0

5

0

5

0

5

ными веса.ми на отдельные фракции компонентов. После разделения, о завершении которого подают сигналы датчики (не показаны) , секции 3 и 4 изолируют друг от друга вдвиганием диэлектрической ионнонепро- ницаемой заслонки 18 или диэлектрической шторки, движущейся по направляющей и заменяющей заслонку. В результате вдвигания заслонки 18 катионы В оказываются изолированными от катионов А в секции 4, из которой они в виде водного раствора сливаются через донное отверстие с краном в емкость-приемник целевых катионов В. Катионы А аналогичным образом в виде водного раствора сливаются из секции 3 через донное отверстие в емкость-приемник либо электрохимически переводятся в камеру- приемник 6. Последний вариант изоляци -. ка- тионоь А применяют при последовательном поточном разделении многих загрузок смесей ионов. В этом случае можно, ке выключая электрического тока, загрузить в стартовую камеру новую загрузку исходной смеси ионов и при вдвинутой заслонке 18, пока предыдущая фракция ионов А «втягивается в камеру 6, пустить в секцию 3 новую порцию ионов А, которая подойдет к пучку КСИ как раз к тому времени, когда «хвост .предыдугцей фракции катианов А полностью втянется в ка.меру 6. Тогда открывают заслонку 18, и процесс разделения новой загрузки смеси катионов повторяют аналогично описанному.

Пунктиром 19 показано положение за- слонкк во вдвинутом состоянии. Анионито- вая мембрана 20 маг;кй МА-ШО блокирует целевые катионы А в камере-приемнике 6. Секции 3 и 4 снабжены водяными рубашками, через которые во время процесса разделения протекает холодная проточная вода.

Аналогичным способо.м разделяют смеси анионов Х, У и т.д. на отдельные компоненты. При этом производят только перепо- люсор.ку электродов и заменяют анионито- вые мембраны на катионитовь е и наоборот - катиокитовые на анионитовые.

КСИ, пройдя через рабочую ка.меру с секциями 3 и 4, выходит из нее через кварцевое окошко 21 с размеро.м 4x4 см и гасится светозащитным экраном 22.

Предлагае.мый способ разделения ионов наиболее эффективен в случае разделения смесей ионов с большими различиями в их ионных весах (массах).

Процесс в электролизере может полностью авто.матизирован при этом выдвижные заслонки заменяют диэлектрическими иононепроницаемыми раздвижными шторками, движущимися по направляющим с помощью шаговых электромоторов по командам датчиков (электрохимических, радиационных и т.д.).

Оптимальные параметры электролизера, в котором реализуют предлагаемый способ разделения ионов.

Габариты основной рабочей камеры с секциями 3 и 4 составляют 12x12x6 см, причем габариты каждой из секций 3, 4 одинаковы и равны 12x6x6 см; дистиллированная вода заливается в секции 3 и 4 на высоту 4,0 см, выдвижная заслонка 18 во вдвинутом состоянии разделяет рабочую камеру на две равные по объему секции по середине.

В боковую стенку секции 3 с кварцевым окошком в ней размером 4x4 см упирается торец ИКСИ 15, из которого КСИ попадает . внутрь секций 3 и 4 под прямым углом к силовым линиям электрического поля.

ИКСИ представляет собой искусственный рубиновый монокристалл размером ЗОх х4х4 см, работающий в импульсном режиме от лампы 16 подкачки с частотой импульсов 5-6 имп/мин при плотности мощности на выходе 50-60 Вт/см 2 и длине волны 0,7 мкм.

Размеры стартовой камеры 1 2x4x6 см, объем раствора с исходной смесью ионов 32 см.

Габариты камеры-приемника 6 и электродной камеры 8 одинаковы и равны 5 х 6 см, объем воды в ионитовых чехлах 9 и 10 - по 8 смЭ.

Объем электродной камеры 7 42 см, ее размеры 2x4x6 см.

Диаметр цилиндрических графитовых электродов 0,5 см.

Напряжение на электродах в процессе разделения 90-120 В, величина тока 0,2- 0,5 А.

Промыщленные электролизеры могут иметь значительно больщие размеры, величины применяемых токов и большие количественные загрузки разделяемых ионов.

Пример 1. Разделяемая смесь ионов: катионы тетрабутиламмония (100 г) и калия (100 г). Процесс ведут ,в электролизере с оптимальными параметрами: длина электролизера 75 см, поперечное сечение 4x4 см, вес гранулированного активированного угля 0,45 кг, напряжение на электродах 50 В, на угле - 1,0 В.

По прототипу на разделение катионов требуется 4 ч при выходе целевых ионов 92% по предлагаемому, способу на разделение тех же катионов - 40 мин при выходе целевых катионов 98%.

Таким образом, за счет применения КСИ, направленного под прямым углом к силовым линиям электрического поля, скорость раз

деления катионов по предлагаемому способу повышается в 6 раз по сравнению с прототипом.

Пример 2. Разделяемая смесь: анионы PtCte комплексного соединения платины K2 PtCEe и се (по 0,100 г каждого). Остальные условия проведения опытов аналогичны примеру 1. Отличие от примера 1 состоит в переплюсовке электродов перед началом разделения.

На разделение анионов по прототипу требуется 4 ч 20 мин при выходе по веществу 92°/о, а по предлагаемому способу - 40 мин при выходе целевых ионинов 98°/о, т.е. скорость разделения увеличилась в 6,5 раз. Пример 3. Разделяемая смесь: катионы

тетраэтиламмония и линия (по 0,100 г каждого). Остальные условия проведения опытов аналогичны примеру 1.

На разделение катионов по прототипу тре- буется 4 ч 10 мин при выходе по ве1цеству 93%, а по предлагаемому способу - 50 мин, при выходе целевых катионов 98°/о, т.е. скорость разделения увеличивается в 5 раз.

Пример 4. Разделяемая смесь: катионы триэтилбензила.ммония и натрия (по 0.100 г каждого). Остальные условия проведения опытов аналогичны примеру 1.

На разделение катионов по прототипх требуется 4 ч при вы.чоде целевых катионов 92%, а по предлагае.мому способу - 40 М1;Н при выходе целевых катионов 98%, т.е. скорость разделения увеличивается в 6 раз выше по сравнению с нрототипо:.

Таким образом, увеличение скорости разделения ионов в 5-6 раз достигается за счет различий в дополнительно сообщаемых им скоростях движения под воздействикм KCli, направленного под пря.мым углом к силовым линиям электрического поля, в котором движутся разделяемые ионы.

Использование предлагаемого способа позволяет значительно ускорить процесс разделения ионов при одновременном повы- щении выхода целевых продуктов.

Формула изобретения

Способ разделения ионов включающий обработку водного раствора разделяемых ионов электрическим полем постоянного тока, отличающийся тем, что, с целью noBbiuie- ния производительности процесса, обработку водного раствора разделяе.мых ионов ведут

при одновременно.м воздействии на него когерентного светового излучения в направлении, перпендикулярном силовым линиям электрического поля.