ПАТЕНТНЫЙ ПОИСК В РФ
НОВЫЕ ПАТЕНТЫ, ЗАЯВКИ НА ПАТЕНТ
БИБЛИОТЕКА ПАТЕНТОВ НА ИЗОБРЕТЕНИЯ

способ разделения изотопов кислорода

Классы МПК:B01D59/20 центрифугированием 
B01D59/50 разделение с использованием двух и более способов, отнесенных к подгруппам  59/02, 59/10, 59/20,  59/22, 59/28, 59/34, 59/36, 59/38 и  59/44 
Автор(ы):, , , ,
Патентообладатель(и):Российский научный центр "Курчатовский институт"
Приоритеты:
подача заявки:
1994-09-28
публикация патента:

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

1. Способ разделения изотопов кислорода, заключающийся в химическом превращении кислородсодержащего неорганического соединения, обогащенного по целевому изотопу кислорода, в газообразное одноатомное неорганическое соединение кислорода с моноизотопными элементами и последующем разделении изотопов кислорода центробежным методом.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве кислородсодержащего неорганического соединения используют диоксид углерода.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что диоксид углерода подвергает химическому превращению во фтороксид фосфора.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что диоксид углерода подвергают химическому превращению в дифторид кислорода.

Патентный поиск по классам МПК-8:

Класс B01D59/20 центрифугированием 

Патенты РФ в классе B01D59/20:
центрифуга для обогащения урана -  патент 2520471 (27.06.2014)
способ изотопного восстановления регенерированного урана -  патент 2497210 (27.10.2013)
способ получения разбавителя для переработки оружейного высокообогащенного урана в низкообогащенный уран -  патент 2479489 (20.04.2013)
способ разделения и обогащения изотопного материала, многоступенчатый ротор и устройство для разделения и обогащения изотопного материала -  патент 2448763 (27.04.2012)
способ разделения изотопов германия -  патент 2412747 (27.02.2011)
способ обогащения урана на каскадной установке -  патент 2405618 (10.12.2010)
способ изотопного восстановления регенерированного урана -  патент 2399971 (20.09.2010)
газовая центрифуга -  патент 2394652 (20.07.2010)
газовая центрифуга (варианты) -  патент 2394636 (20.07.2010)
способ переработки загрязненного уранового сырья -  патент 2377674 (27.12.2009)

Класс B01D59/50 разделение с использованием двух и более способов, отнесенных к подгруппам  59/02, 59/10, 59/20,  59/22, 59/28, 59/34, 59/36, 59/38 и  59/44 

Патенты РФ в классе B01D59/50:
устройство для извлечения и сбора ионов изотопов из плазмы -  патент 2429052 (20.09.2011)
способ очистки и разделения концентрата тяжелых целевых компонентов с получением целевых компонентов концентрата и изотопов легких элементов и устройство для его осуществления -  патент 2328336 (10.07.2008)
способ обогащения газовых или изотопных смесей и устройство для его осуществления -  патент 2324528 (20.05.2008)
способ выделения изотопов таллия -  патент 2317847 (27.02.2008)
способ выделения изотопов таллия -  патент 2314863 (20.01.2008)
метод изотопного разделения таллия -  патент 2292940 (10.02.2007)
способ и устройство для глубокой очистки изотопов ксенона от газообразных примесей -  патент 2275233 (27.04.2006)
способ разделения изотопов -  патент 2220761 (10.01.2004)
способ разделения и очистки изотопов и устройство для его осуществления -  патент 2192918 (20.11.2002)


Наверх