Способ разделения изотопов кислорода
Сущность изобретения: кислородосодержащее неорганическое соединение, обогащенное по целевому изотопу кислорода, химически превращают в газообразное одноатомное неорганическое соединение кислорода с моноизотопными элементами (например, С18O2, C17O2 превращают в P18OF3 или F217O, разделяют центробежным методом. Степень обогащения приближается к 100%.3 з.п.ф-лы.
Изобретение относится к технологии разделения стабильных изотопов. Разделение изотопов химических элементов можно осуществить различными способами: физико-химическим /дистилляция, изотопный обмен и т.п./, электромагнитным, лазерным, центробежным и др.
Природный кислород состоит из трех изотопов со следующей распространенностью: кислород-16 99,758% кислород-17 0,037% кислород-18 0,203% В настоящее время для разделения изотопов кислорода в основном используют физико-химические методы, что обусловлено следующими факторами. Во-первых, в физико-химических процессах с участием кислорода легкого химического элемента, сильно проявляются изотопные эффекты. Во-вторых, содержание наиболее интересных для практики, тяжелых изотопов кислорода, невелико. Поэтому для их производства необходимо использовать большое количество исходного вещества, что проще достигается при разделении физико-химическими методами, которые в качестве рабочего вещества используют конденсированную фазу. В данном случае в качестве рабочего вещества используют различные соединения: СО2, H2O и др. Общим недостатком таких процессов разделения изотопов кислорода является использование в качестве рабочего вещества либо соединений кислорода с другими немоноизотопными химическими элементами /CO2, H2O и др./, либо неодноатомные соединения кислорода /O2, CO2 и др./, что накладывает теоретический предел на максимально достижимую концентрацию изотопов кислорода в ходе процесса обогащения. Это обусловлено тем, что молекулы таких соединений, при одинаковой молекулярной массе будут иметь различный изотопный состав. Таким образом, теоретически невозможно достичь 100%-концентрации интересующего изотопа кислорода, даже в бесконечно длинном каскаде /колонне/. Известные способы разделения изотопов кислорода путем низкотемпературной дистилляции неприемлемы в виду того, что теоретически невозможно достичь 100%-концентрации интересующего изотопа кислорода, даже в бесконечно длинном каскаде /колонне/. Для реализации способа необходимо создание насадочных колонн общей длиной до 40 метров. Время установления стационарного разделительного режима достигает многих месяцев. Применение криогенных систем делает процесс разделения очень чувствительным к внешним возмущениям. Поскольку в состав рабочего кислородосодержащего соединения входит азот-немоноизотопный элемент, то обогащение по тяжелым изотопом кислорода ограничено сверху /например, для кислорода-18 приблизительно 98%/. Далее, для практики интересен в основном тяжелый изотоп кислород-18, содержание которого в природной смеси мало, что делает процесс его выделения трудоемким и дорогостоящим. При выделении некрайних изотопов /не самого легкого и не самого тяжелого в природной смеси/, каким в случае кислорода является изотоп кислород-17, процесс обогащения становится еще более сложным и малопроизводительным. Крупномасштабное производство таких изотопов ограничивается высокой стоимостью конечного продукта, которая оказывается недоступной для потребителя. Существуют соединения кислорода с моноизотопными элементами, однако использование таких соединений в физико-химических процессах невозможно либо из-за их химической агрессивности, либо из-за малого относительного содержания кислорода в молекуле, что резко снижает изотопные эффекты. Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение максимально достижимых концентраций изотопов кислорода при их разделении. Для решения поставленной задачи в способе разделения изотопов кислорода в качестве рабочего вещества используют кислородсодержащее химическое соединение, обогащенное по целевому изотопу кислорода, которое подвергают химическому превращению в газообразное одноатомное неорганическое соединение кислорода с моноизотопными элементами и направляют на обогащение центробежным методом. В качестве кислородсодержащего химического соединения используют диоксид углерода. Диоксид углерода подвергают химическому превращению во фтороксид фосфора /POF3/. Диоксид углерода подвергают химическому превращению в дифторид кислорода /F2O/. В качестве кислородсодержащего химического соединения с предварительным обогащением по целевому изотопу кислорода может быть взято NO, CO2, H2O, SO2, O2 или другое, используемое в разделении. Хорошо технически обработанный центробежный метод обогащения для разделения изотопов кислорода сейчас неприемлем, так как для его успешного использования на рабочие вещества накладываются определенные требования. Во-первых, метод основан на использовании в качестве рабочих веществ газообразных соединений при малом давлении. Во-вторых, эффективность метода зависит от молекулярной массы рабочего вещества и становится оптимальной для соединений с молекулярной массой 100. Упомянутые газообразные соединения кислорода, CO2, H2O и др. имеют низкую молекулярную массу /<50/. Кроме того, малая концентрация интересующих изотопов кислорода в природной смеси приведет к необходимости перерабатывать огромные объемы исходного вещества. Необходимо также учитывать требования по изотопному составу других элементов, входящих в состав рабочего вещества. Таким образом, ни один из известных методов разделения не позволяет достичь высокой степени обогащения. Перевод кислорода в его одноатомное соединение с моноизотопными элементами позволяет без ограничений на многокомпонентность обогащать изотопы кислорода. Теоретическим пределом максимально достижимой концентрации является 100% концентрация изотопа. Предварительное обогащение предпочтительней осуществлять центробежным методом, так как одноатомные соединения кислорода, такие как POF3, F2O, могут применяться без ограничений в этом высокоэффективном методе. Особенно большие преимущества могут быть получены при применении данного способа разделения для выделения центрального изотопа кислород-17. В настоящее время максимальная концентрация этого изотопа, полученная в мире, не достигает 80% Данный способ позволяет обогащать его до любой концентрации. Примеры реализации способа. Предварительное обогащение осуществляют физико-химическим методом с использованием в качестве рабочего соединения, например, диоксида углерода /СО2/. В процессе предварительного разделения количество диоксида углерода может быть снижено 100 раз при повышении концентрации целевых изотопов кислорода 50 раз. Пример 1. Для осуществления обогащения кислорода -18 берут CO2, обогащенный предварительно физико-химическим методом по кислороду -18 -С18O2. Диоксид углерода переводят во фтороксид фосфора /POF3/ в две стадии: 1. Диоксид углерода сжигают в избытке фтора: С18O2 + 2F2 CF4 + 18O2 2. Выделяют кислород из реакционной смеси, и вводят его в реакцию получения фтороксида фосфора: 2PF3 + 18O2 2P18OF3 Полученный газ, уже обогащенный по целевому изотопу кислорода-18, используют в качестве рабочего вещества центробежного метода разделения. При этом можно достичь концентрации кислорода 99,99% и более. По достижении необходимой степени обогащения кислород из фтороксида фосфора переводят в товарную форму дожиганием в избытке фтора:2P18OF3 + 2F2 2PF5 + 18O2
Пример 2. Для разделения изотопов кислорода с получением кислорода-17 берут CO2 с увеличением содержанием кислорода-17. Затем кислород из диоксида углерода переводят в дифторид кислорода /F2O/ в две стадии:
1. Диоксид углерода сжигают в избытке фтора:
C17O2 + 2F2 CF4 + 17O2
2. Выделяют кислород из реакционной смеси и вводят его в реакцию получения дифторида кислорода:
2PF3 +18O2 2P18OF3
Полученный газ, имеющий предварительное обогащение по целевому изотопу кислорода-17, используют в качестве рабочего вещества центробежного метода разделения. Проведя необходимое количество циклов обогащения, можно достичь теоретического предела 100%
По достижении необходимой степени обогащения кислород из дифторида кислорода переводят в товарную форму термическим разложением:
2F217O 2F2 + 17O2
Из представленных примеров следует, что изобретение позволяет достичь степени разделения изотопов кислорода, близко к 100% простым и дешевым способом, не требующим длительного времени, сложного и крупногабаритного оборудования, позволяющим использовать доступные реагенты.
Формула изобретения
Похожие патенты:
Агрегат газовых центрифуг // 2077392
Ротор газовой центрифуги // 2072887
Изобретение относится к газовым центрифугам для разделения газовых смесей и изотопов
Агрегат газовых центрифуг // 2060800
Газовая центрифуга // 2059446
Изобретение относится к устройствам для непрерывного разделения смесей газов в поле центробежных сил и касается конструкции высокооборотной газовой центрифуги, у которой для отбора разделенных газовых фракций внутри ротора размещены неподвижные трубки с входными отверстиями на концевых участках, расположенных в сверхзвуковом потоке газа
Газовая центрифуга // 2036702
Изобретение относится к центрифугам для разделения газовых смесей в поле центробежных сил и касается устройств ввода исходного газа в роторы противоточных центрифуг, предназначенных преимущественно для разделения изотопов уран-235 и уран-238 в состоянии шестифтористого урана
Ультрацентрифуга для разделения смесей // 406579
Пдт?нтйоч?хйн^{ес^{м! // 372774
Роторно-пульсационный аппарат // 295313
Сепаратор радиогенного гелия // 2109554
Изобретение относится к ядерной, термоядерной и космической технике и может быть использовано в высокотемпературных ядерно-энергетических устройствах с литиевым теплоносителем преимущественно космического назначения
Газовая центрифуга // 2114702
Газовая центрифуга // 2115481
Изобретение относится к газовым ультрацентрифугам и касается верхней магнитной опоры высокооборотного ротора, посредством которой ротор удерживается в вертикальном положении и осуществляется осевая нагрузка нижнего подшипника
Газовая центрифуга // 2115482
Изобретение относится к машиностроению, а именно к оборудованию для разделения смесей газов, в частности смесей изотопов газов
Газовая центрифуга // 2123378
Изобретение относится к газовым центрифугам для разделения газов и изотопных смесей и, в частности, к приводам ультрацентрифуг, используемым для разделения изотопов урана
Способ получения изотопов серы // 2124390
Изобретение относится к технологии получения высокообогащенного изотопа углерода-13 в форме углеродсодержащих стойких соединений и, в частности, к способу получения изотопа углерод-13 на центробежных каскадах
Газовая центрифуга // 2161538
Изобретение относится к оборудованию для непрерывного разделения смесей газов в поле центробежных сил и касается конструкции высокооборотной газовой центрифуги
Способ разделения изотопов кремния // 2172642
Изобретение относится к способам получения изотопов теллура и устройствам для его осуществления
Изобретение относится к способам разделения и очистки изотопов и устройствам для осуществления этого процесса
Способ разделения изотопов // 2220761
Изобретение относится к электрофизике, в частности к системам, служащим для разделения изотопов, например для разделения тяжелых изотопов (атомная масса А>>1)
Изобретение относится к технологии разделения стабильных изотопов, в частности к очистке изотопов ксенона, полученных на каскаде центрифуг с заданным изотопным составом и используемых в ядерной физике для определения массы нейтрино