Способ фотохимического разделения изотопов ртути Советский патент 1991 года по МПК B01D59/34 

Изобретение относится к разделению изотопов, преимущественно к фотохимическому разделению изотопов ртути.

Целью изобретения является снижение степени разложения продукта реакции излучением ртутной лампы.

Количественной величиной, характеризующей скорость протекания обратной реакции, является сечение этой реакции Obp. Изменение со временем числа молекул, находящихся на стенках реакционной ячейки, равно

d N -Ф Obp N dt,

(1)

где Ф - световой поток ртутной лампы;

Obp - сечение обратной реакции;

N - число молекул ртутного соединения, находящихся в момент времени t на стенках реакционной ячейки.

Решив это уравнение, получим

N-No-e-00bP-t,(2)

где ()- первоначально находившееся на стенках ячейки число молекул.

При фотохимическом разделении изотопов ртути имеют место два процесса: образование изотопно обогащенного продукта в результате фотохимической реакции и его разложение под воздействием света. Если рассмотреть эти два процесса во времени, то на начальном этапе процесса разделения преобладает образование изотопно обогащенного ртутного соединения, но начиная с момента времени т 1/Ф оьр . когда на стенках накопится достаточное количество этого соединения, начинается заметное его разложение светом ртутной лампы. При t т скорость образования продукта фотохимической реакции будет равна скорости

Г

N0

Ј

его разложения. Следовательно, число молекул, находящихся на стенках ячейки, будет неизменным, несмотря на то, что процесс разделения осуществляется. При этом фотохимическая установка работает как бы вхолостую, и ее производительность будет при этом стремиться к нулю. Поэтому с точки зрения производительности установки целесообразно время проведения процесса выбирать таким, чтобы оно было много меньше 1/Ф оьр. В этом случае показатель экспоненты в (2) Ф сг0р t«1, и на стенках ячейки не накопилось еще достаточного количества продукта реакции, чтобы оно уже могло разлагаться под деист иием света.

Но суммарная производительность фотохимической установки определяется не

dN(t)N (tH)

как -dt а как ь+ъ где tn - время процесса наработки изотопа, a to - время, необходимое для извлечения продукта реакции со стенок ячейки.

Поэтому, создавая высокопроизводительную фотохимическую установку, необходимо, с одной стороны, применять на ней интенсивные источники света с большим световым потоком Ф, чтобы обеспечить ее высокую производительность, а с другой стороны, уменьшать время наработки tn, чтобы образующееся ртутное соединение не разлагалось этим световым потоком Ф и не снижало производительность установки. Но уменьшение Тн будет приводить к снижению производительности установки, так как большая часть времени будет расходоваться не на наработку изотопно обогащенного продукта, а на извлечение обогащенной ртути со стенок реакционной ячейки. Выходом из этих противоречивых требований может быть использование в ка- чесше окислителя такого вещества, чтобы образующееся в процессе разделения ртутное соединение имело малое сечение обратной реакции и в то же время обладало высоким квантовым выходом и селективностью процесса разделения. Для разрыва химической связи атомов в молекуле, как, например, в реакции с кислородом, то в этом случае сначала образуется молекулярный комплекс Hg02J в возбужденном состоянии, а уже при столкновении с молекулой бутадиена - 1,3 образуется изотопно обогащенная окись ртути. Так как энергия диссоциации HF составляет 147,5 ккал/моль при 6,41 эВ, то фотохимическая реакция с HF будет обладать высокой селективностью, но низким квантовым выходом. Кроме того, фтористый водород - очень активное вещество, которое взаимодействует даже с кварцем, из

которого изготавливается реакционная

ячейка.

Поэтому целесообразнее использовать в качестве окислителя фтористый метил

СНзР. Это вещество по своей химической активности сравнимо с фреонами, т.е. значительно менее агрессивное, чем HF. оно не разъедает кварцевые ячейки. Но основное достоинство этого соединения заключается

в том, что величина энергии диссоциации этой молекулы по каналу СНзР - СНз+F равна энергии атома ртути в возбужденном состоянии. В этом случае энергии атома ртути будет достаточно, чтобы оторвать от молекулы СНзР атом фтора и, следовательно, в первичном процессе образовать ртутное соединение. Так как молекула HgF будет образовываться в первичном процессе, то фотохимическая реакция атомов ртути с

фтористым метилом будет обладать высоким квантовым выходом.

В качестве акцептора образующихся свободных радикалов и атомов фтора можно использовать окись азота N0. которая

применяется в фотохимии для химического связывания атомарного фтора, если, конечно, бутадиен - 1,3 окажется менее зффек- гивным акцептором.

Пример. Рассмотрим использование

окислителя - фтористого метила на установке для разделения изотопов ртути Фотон (1). Технологический цикл работы установки состоит из четырех режимов. В первом режиме - режиме наработки изотопа - с помощью блока программного управления включаются ртутные лампы, в реакционные ячейки поступает смесь фтористого метила и акцептора свободных радикалов (окись азота или бутадиен - 1,3) или один фтористый метил до давления 35-40 торр, и включается компрессор, который осуществляет циркуляцию смеси в контуре установки. При прохождении смеси через испаритель она насыщается парами ртути. После испарителя смесь поступает в реакционные ячейки. Те изотопы ртути, которые возбуждаются светом резонансной линии ртутных ламп 253,7 нм. окисляются и в виде НдаРз осаждаются на стенках ячеек. Выходящие из

реакционных ячеек и обедненные по выделяемому изотопу пары ртути осаждаются в ловушке ртутного пара, охлаждаемой парами жидкого азота до температуры -70°С. Продолжительность этого режима составляет 10-12 мин.

Во втором режиме - режиме продувки водорода - выключаются ртутные лампы, останавливается компрессор, и через реакционные ячейки продувается водород при

давлении 6-10 торр. Режим продувки водорода необходим для полной очистки ячеек от оставшихся в них рабочей смеси и паров ртути, которые при этом не попадают в сборник изотопа, а откачиваются. Продолжительность этого режима 1 мин.

В третьем режиме - режиме разряда в водороде или снятия наработки - с помощью генератора снятия наработки в ячейках зажигается высокочастотный тлеющий разряд (налряжение 6 кВ и частота 20 кГц). Обогащенная по выделяемому изотопу ртуть при этом восстанавливается из Hg2Fa и потоком водорода уносится в сборник изотопа, представляющий собой U-образ- ную ловушку, охлаждаемую жидким азотом. Обогащенную ртуть извлекают из ячеек за 1 мин.

В четвертом режиме - режиме разряда в кислороде или чистки ячеек - они очищаются от органических полимеров (проводных бутадиена) высокочастотным разрядом в атмосфере кислорода при давлении 3-5 торр. За 0,5 мин полимеры бутадиена полностью удаляются из реакционных

ячеек. Затем вновь начинается режим наработки изотопа.

Поскольку фтористый метил не поглощает излучение ртутных ламп с длиной

волны 253,7 нм, эффект по сравнению с известным состоит в том, что по крайней мере при неухудшении квантового выхода реакции и селективности процесса разделения уменьшается степень разложения образующегося ртутного соединения и тем самым повышается выход целевого изотопа.

Формула изобретения

Способ фотохимического разделения изотопов ртути, заключающийся в облучении ртутной лампой смеси паров ртути с веществом-окислителем, образовании продукта фотохимической реакции и извлечении

изотопов ртути из продуктов реакции, отличающийся тем, что, с целью снижения степени разложения продукта реакции излучением ртутной лампы, в качестве вещества-окислителя используют

фтористый метил,

Изобретение относится к разделению изотопов, преимущественно к фотохимическому разделению изотопов ртути. Цель изобретения - снижение степени разложения продукта реакции излучением ртутной лампы. Для этого в качестве вещества-окислителя используют фтористый метил. Предлагаемый способ может применяться при фотохимическом разделении изотопов ртути, в т.ч. для обогащения ртути изотопом Hg-196, которая может применяться в люминесцентных лампах для повышения их световой подачи.