Способ разделения изотопов кислорода Советский патент 1982 года по МПК B01D59/28 

(54) СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ КИСЛОРОДА

1

Изобретение относится к способам .разделения изотопов кислорода, которые используются в качестве меченых атомов при проведении физико-химических и биологических исследований.

Известен способ разделения изотопов кислорода. ректификацией воды, который характеризуется для смеси величиной однократного коэффициента разделения л 1,0065 при 72°С и малыми значениями высоты эквивалентной теоретической ступени (ВЭТС) порядка 1 см 1.

Указанному выше способу присущ большой расход энергии на разделение, обусловленный высоким значением теплоты испарения воды.

Известен способ разделения изотопов кислорода ректификацией окиси азота, который характеризуется более высоким однократным коэффициентом разделения л 1,039 при 155°С и значениями ВЭТС 2 см 2.

Однако и этот процесс связан со значительными энергозатратами, обусловленными низким температурным уровнем осуществления процесса . Кроме того, для него

характерна высокая токсичность, связанная, с использованием в качестве рабочего вещества окиси азота.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является способ разделения изотопов кислорода изотопным обменом между углекислым газом и карбаматными соединениями в растворе по реакции

co;V R4Nco o ;pT coV+ R2Ncoo1p.p,

10

где RzNCOz - анионная часть карбамата RgNCO - HNRz. В качестве исходных аминов для образования карбаматов использовали моноэтаноламин, монопропаноламин, н-гексиламин, н-пропиламин, пипе15ридин, пирролидин и морфин. Величина однократного коэффициента разделения изотопов кислорода в этом процессе составляет ot 1,012 - 1,015, а ВЭТС - 5 см 3. Основным недостатком известного спо20соба является высокая токсичность лежащего в его основе процесса разделения,связанная с использованием жидких аминов. Кроме того, вязкость карбаматов делает необходимым использованием в этом процессе химически инертных к карбаматам и СО 12 растворителей. В качестве последних используются пожароопасные и токсичные соединения (бензол, метанол, метиламиноэтанол, изопропанол или их смеси). Использование растворителей также ведет к дополнительным энергозатратам, связанным с нагревом и охлаждением растворителей при проведении процессов обращения потоков на концах противоточной химобменной колонны. В качестве недостатка необходимо отметить и высокие значения ВЭТС, характерные для известного процесса. Целью изобретения является устранение токсичности и сокращение энергозатрат на разделение, а также снижение высоты эквивалентной теоретической ступени .разделения. Поставленная цель достигается тем, что разделение изотопов кислода проводят изотопным обменом между углекислым газом и продуктом его взаимодействия с обезвоженным зерненым слабоосновным анионитом, содержащим первичные и вторичные аминогруппы. Причем для снижения высоты эквивалент ной теоретической ступени разделения процесс проводят при 35-65°С. В процессе проведения разделения изотопов кислорода сухой углекислый газ пропускают через колонну, заполненную зерненым анионитом в ОН -форме, предварительно высушенном при температуре 70°С под вакуумом (i-lO мм рт. ст.). При взаимодействии СОг с ионитом в твердой фазе образуется продукт присоединения по реакцииR -СОг гггСИ.., -.l.-r(J с Н -СИ -СНг-Л Н J 1-0 где R - полимерная часть анионита. По мере подачи COj граница между зоной (имеющей протяженность 20-40 см), занимаемой COj, продуктом его присоединения к иониту и исходным ионитом, перемещается вдоль колонны. На этой границе происходит обращение потока, а в зоне, занимаемой СО - изотопный обмен между газообразным СОг и продуктом его присоединения в фазе анионита по реакции С0;+ RCo4,CoW+RCo of,.,, В результате которого газ обогащается тяжелым изотопом кислорода О. При умножении этого эффекта в динамических условиях изотоп кислорода О накапливается в головной части зоны на границе с исходным изотопом. Регенерацию анионита осуществляют по реакции R CHjjCH я сн Hji -CHrCHi.:l4. термическим разложением (при 70°С) продукта присоединения к нему СОг- Выбор температурного интервала (35-65°С) осуществления процесса обусловлен тем,- что при температуре выще 65°С продукт присоединения СОа. к иониту разлагается, а при температурах ниже 35°С высота эквивалентной теоретической ступени разделения превышает ее значения в известном способе. Пример 1. В колонну диаметром 10 мм, высотой 540 см с неподвижным слоем аннонита АН-221 зернением 0,25-0,50 мм, находящегося при температурег 35°С, подают из баллона через осушитель и реометр углекислый газ (скорость подачи СО - 0,77 ммоль/мин, удельная нагрузка по кислороду при этом составляет 2,04мг-ат/мин-см). После того, как зона COz. достигает выхода из колонны, из нее производят отбор проб газа для изотопного анализа и определения количества СО. Отбор проб газа осуществляют пропусканием его через колонки, заполненные предварительно высушенным при 70°С анионитом АН-221 в ОН -форме. Для определения изотопного состава и количества СОг в каждой отобранной пробе газ предварительно десорбируют из колонок, нагревая их до 70°С и продувая через них поток азота. Десорбированный газ вымораживают из потока азота в ампулы, охлаждаемые жидким азотом. После вакуумирования ампулы с углекислым газом размораживают, определяют по росту давления содержащееся в них количество СО; и непосредственно анализируют на массспектрометре уМИ-1201 по пикам, соответствующим массам 44 и 46 ( ). По результатам анализа с использованием описанных в литературе методов производят вычисление величины коэффициента разделения а, и ВЭТС, а также определение степени разделения q. В указанных условиях в головной фракции достигают степени разеделения q 1,056.Величина а при этом равна 1,0026 ±0,0017, а ВЭТС 1,4 см.Пример 2. В колонне, описанной в примере 1, при температуре 55°С и скорости подачи углекислого газа 0,37 ммоль/мин. (удельная нагрузка по кислороду при этом равна 0,96 мг-ат О/см мин) в головной фракции достигают степени разделения q 1,16.

Величина сс при этом составляет 1,0064± ±0,0019, а ВЭТС 1,3 см.

Пример 3. В колонне, описанной в примере 1 при температуре 65°С и скорости подачи углекислого газа 0,56 ммоль/мин (удельная нагрузка по кислороду при этом равна 1,42 мг-ат О/мингсм) в головной фракции дрстигают степени разделения q 1,14. Величина оь при этом составляет 1,0057± ±0,0021, а ВЭТС 1,1 см.

Использование предлагаемого способа позволяет устранить токсичность и сократить энергозатраты в процессе разделения изотопов кислорода, а также за счет снижения высоты эквивалентной теоретической ступени (ВЭТС) в 3-5 раз повысит эффективность разделения.

Формула изобретения

газом и продуктом его взаимодействия с соединением, содержащим аминогруппы, отличающийся тем, что, с целью устранения токсичности и сокращения энергозатрат на разделение, в качестве соединения, содержащего аминогруппы, используют обезвоженный зерненый слабоосновной анионит, включающий первичные и вторичные аминогруппы.

с целью снижения высоты эквивалентной теоретической ступении разделения, процесс проводят при температуре 35-65°С.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

3.Т. J. Taylor. Г. Спет. Rhys. 1963, 60, 154 (прототип).