CN108176225A - 一种用于氢氧同位素分离的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于氢氧同位素分离的方法，是将改性后的iPP‑PLA中空纤维膜按照精馏塔塔径排列成15~50cm高的圆盘膜作为填料间隔分布于精馏塔内，对自来水进行加热精馏，从而分离氢氧同位素。本发明针对传统精馏塔分离中分离困难，能耗大等问题，将传统精馏塔中的金属丝网填料替换成本发明制备的中空纤维膜作为填料，还通过对中空纤维膜膜表面进行改性，进一步提高氢氧同位素的分离能力，对同位素分离领域具有较大的推动意义。

Description

一种用于氢氧同位素分离的方法
技术领域
本发明涉及同位素分离领域，具体涉及一种用于氢氧同位素分离的方法。
背景技术
自然界中氢有两种稳定同位素：1H(氕)和2H(氘)；氧有三种稳定同位素：16O(氧十六)、17O(氧十七)、18O(氧十八)。由于两个氢原子和一个氧原子构成了一个水分子，因此，水具有九种稳定同位素分子，它们以不同的比例存在于天然水中。在这些同位素水分子中，最为人熟知的为18氧水和低氘水。18氧水主要用于正电子断层扫描技术(PET/CT)，低氘水主要用于抗辐射、抗氧化和肿瘤的辅助治疗等方面。
由于同位素分子差别极小，分离非常困难。目前国际上主要采用精馏法、电解法和化学交换法等。但上述分离方法均存在一定的问题：
采用精馏分离方式分离时，往往需要很多的理论板数方能将同位素产品纯化精制，不仅分离困难，能耗还非常大。
采用电解法进行分离时，虽然能耗低，但是在电解过程中，需要使用大量的碱液作为电解质，后续化合时，还需要大量的金属作为催化剂，会有大量的废水产生，存在着巨大的污染和后处理问题。
采用电化学交换法市，大多采用H2S和NH3等气体与水进行交换，这一过程中有H2S和NH3等有毒气体的参与，存在着较大的安全风险和污染问题。
因此需要开发设计出一种新型、绿色、高效的分离工艺。
发明内容
鉴于上述和/或现有同位素分离方法中存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明的目的是解决现有技术的不足，提供了一种用于氢氧同位素分离的方法。
本发明针对传统精馏塔分离中分离困难，能耗大等问题，将传统精馏塔中的金属丝网填料替换成本发明制备的中空纤维膜作为填料，还通过对中空纤维膜膜表面进行改性，进一步提高氢氧同位素的分离能力，对同位素分离领域具有较大的推动意义。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：
本发明提供一种用于氢氧同位素分离的方法，是将改性后的iPP-PLA中空纤维膜按照精馏塔塔径排列成15～50cm高的圆盘膜作为填料间隔分布于精馏塔内，对自来水进行加热精馏，从而分离氢氧同位素。
作为本发明所述用于氢氧同位素分离的方法的一种优选方案，其中：所述改性后的iPP-PLA中空纤维膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)首先按照30～50wt％聚丙烯(iPP)，5～10wt％聚乳酸(PLA)，5～10wt％MAH-g-PP(采用马来酸酐接枝聚丙烯)以及30～60wt％混合稀释剂(DBP与DOP的质量比例为7:3～3:7)的配比配置膜液；
(2)在氮气保护下180～260℃搅拌1～4小时脱泡，随后通过中空纤维纺丝设备挤出纺丝，经水浴淬冷固化后形成中空纤维膜，将膜浸入无水乙醇中萃取稀释剂，放室温干燥后得到iPP-PLA中空纤维膜；
(3)剪取适当长度的iPP-PLA中空纤维膜，在0.01～0.1mol/L氢氧化钠水溶液中水解，得到改性后的iPP-PLA中空纤维膜，用去离子水清洗后，室温干燥备用。
作为本发明所述用于氢氧同位素分离的方法的一种优选方案，其中：所述圆盘膜是将所述的iPP-PLA中空纤维膜按照精馏塔塔径直接捆扎成圆盘的形式，圆盘的高度可以通过修剪中空纤维管的长度来确定。
作为本发明所述用于氢氧同位素分离的方法的一种优选方案，其中：精馏塔内相邻圆盘膜之间间隔5-10cm。
作为本发明所述用于氢氧同位素分离的方法的一种优选方案，其中：整个加热精馏过程是在-0.06Mpa真空度条件下，加热到65℃进行精馏级联分离。
作为本发明所述用于氢氧同位素分离的方法的一种优选方案，其中：所述精馏塔包括五个串联连接的精馏塔。
作为本发明所述用于氢氧同位素分离的方法的一种优选方案，其中：进料口设在第一精馏塔的中下部，在第一精馏塔中，轻组分在塔顶富集，重组分在塔底富集，随后将第一精馏塔塔底的重组分输送到第二精馏塔塔顶，重组分在第二精馏塔的下落过程中不断和上升的蒸汽进行物质交换，此外，还和中空纤维膜表面的羧基和羟基进行同位素交换，进一步对重组分进行提浓，最终在第一精馏塔塔顶处得到1H纯度大于99.999％、16O纯度大于99.98％的1H2 16O产品，在第五精馏塔塔底得到2H纯度大于99.9％、18O纯度大于98％的2H2 18O产品。
需要强调的是本发明创新性在于在精馏塔中，采用空纤维膜来作为填料，一能够起到自身净化过滤的作用，对自来水的杂质进行过滤，使水质纯化。二空纤维膜的结构决定了其内部能够进行气液的接触，气体向上流动，液体向下流动，接触时会进行气相与液相的传质，从而能够一级一级形成分离。三由于本发明还对中空纤维膜表面进行了改性，使其产生很多羧基和羟基官能团，氢和氧能够与水中的氢和氧进行交换达到平衡，所以每个地方中空纤维膜表面的官能团的氢氧同位素丰度是不一样的，形成一个向上提高的阶梯，促使体系达到稳定时，氢氧同位素的分离效率进一步提升。
原理解释：
在精馏塔内氢和氧元素的轻物质首先被蒸出，重组分留在塔底底部通入下一精馏塔中继续富集。氢氧同位素在中空纤维膜的内腔和膜外壁通过时，还会和纤维膜上的亲水性官能团(如羧基、羟基等)进行交换，分离装置经过一定时间的运行，纤维膜上官能团的同位素浓度不断累计，从而不仅能够通过精馏方法对同位素进行富集，还能通过膜上的官能团的同位素交换进一步提浓，有效的提高同位素的分离效率。传统精馏塔分离方式一般需要至少八个精馏塔，且能耗巨大，分离纯度不高，本发明所述的分离方法只需要五个精馏塔即可达到高效的分离纯度。
对比现有技术，本发明有益的效果为：
1.新型简单、绿色的同位素分离工艺，避免了普通水精馏法进行分离前，需要进行反渗透、纯化等操作；
2.通过在对中空纤维膜进行改性，能在膜表面生成羧基和羟基等亲水性官能团，能够与水中的同位素进行交换，从而对同位素浓度进一步富集，提高同位素的分离效率；
3.通过精馏和膜分离法结合进行同位素分离，大大降低了同位素分离过程中的能耗。
4.中空纤维膜可重复利用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1是本发明氢氧同位素分离装置结构示意图。
图2是本发明精馏塔的横剖面图(内填充有中空纤维膜)。
图3是本发明制备的中空纤维膜照片图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例1
(1)首先按照40wt％聚丙烯(iPP)，10wt％聚乳酸(PLA)，5wt％MAH-g-PP(采用马来酸酐接枝聚丙烯)以及45wt％混合稀释剂(DBP与DOP的比例为5:5)的配比配置膜液，在氮气保护下250℃搅拌4小时脱泡，随后通过中空纤维纺丝设备挤出纺丝；
(2)经水浴淬冷固化后形成中空纤维膜，将膜浸入无水乙醇中萃取稀释剂，放室温干燥。剪取适当长度的iPP-PLA中空纤维膜，在0.05mol/L氢氧化钠水溶液中水解，得到改性后的iPP-PLA中空纤维膜，实物图如图3所示，用去离子水清洗后，室温干燥备用。
(3)将所述的iPP-PLA中空纤维膜按照精馏塔塔径直接捆扎成圆盘的形式，如图2所示，圆盘的高度可以通过修剪中空纤维管的长度来确定。
(4)按照图1所示，整个分离过程在五个串联连接的精馏塔内进行，每座精馏塔中放入50块由中空纤维膜堆积而成圆盘分离介质，每块圆盘膜高25cm，相邻圆盘之间间隔5-10cm，在-0.06Mpa真空度条件下，加热到65℃进行精馏级联分离。进料口设在1塔的中下部，在1塔中，轻组分在塔顶富集，重组分在塔底富集。随后将1塔塔底的重组分输送到2塔塔顶，重组分在2塔的下落过程中不断和上升的蒸汽进行物质交换，此外，还和中空纤维膜表面的羧基和羟基进行同位素交换，进一步对重组分进行提浓。
(5)经过5座20多米高的精馏塔级联分离操作后，在1塔塔顶处得到1H纯度大于99.999％、16O纯度大于99.98％的1H2 16O产品。在5塔塔底得到2H纯度大于99.9％、18O纯度大于98％的2H2 18O产品。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种用于氢氧同位素分离的方法，其特征在于，是将改性后的iPP-PLA中空纤维膜按照精馏塔塔径排列成15～50cm高的圆盘膜作为填料间隔分布于精馏塔内，对自来水进行加热精馏，从而分离氢氧同位素。
2.权利要求1所述的用于氢氧同位素分离的方法，其特征在于，所述改性后的iPP-PLA中空纤维膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)首先按照30～50wt％聚丙烯，5～10wt％聚乳酸，5～10wt％MAH-g-PP以及30～60wt％混合稀释剂的配比配置膜液；
(2)在氮气保护下180～260℃搅拌1～4小时脱泡，随后通过中空纤维纺丝设备挤出纺丝，经水浴淬冷固化后形成中空纤维膜，将膜浸入无水乙醇中萃取稀释剂，放室温干燥后得到iPP-PLA中空纤维膜；
(3)剪取适当长度的iPP-PLA中空纤维膜，在0.01～0.1mol/L氢氧化钠水溶液中水解，得到改性后的iPP-PLA中空纤维膜，用去离子水清洗后，室温干燥备用。
3.权利要求1所述的用于氢氧同位素分离的方法，其特征在于，所述圆盘膜是将所述的iPP-PLA中空纤维膜按照精馏塔塔径直接捆扎成圆盘的形式，圆盘的高度可以通过修剪中空纤维管的长度来确定。
4.权利要求1所述的用于氢氧同位素分离的方法，其特征在于，精馏塔内相邻圆盘膜之间间隔5-10cm。
5.权利要求1所述的用于氢氧同位素分离的方法，其特征在于，整个加热精馏过程是在-0.06Mpa真空度条件下，加热到65℃进行精馏级联分离。
6.权利要求1～5任一所述的用于氢氧同位素分离的方法，其特征在于，所述精馏塔包括五个串联连接的精馏塔。
7.权利要求6所述的用于氢氧同位素分离的方法，其特征在于，进料口设在第一精馏塔的中下部，在第一精馏塔中，轻组分在塔顶富集，重组分在塔底富集，随后将第一精馏塔塔底的重组分输送到第二精馏塔塔顶，重组分在第二精馏塔的下落过程中不断和上升的蒸汽进行物质交换，此外，还和中空纤维膜表面的羧基和羟基进行同位素交换，进一步对重组分进行提浓，最终在第一精馏塔塔顶处得到1H纯度大于99.999％、16O纯度大于99.98％的1H2 16O产品，在第五精馏塔塔底得到2H纯度大于99.9％、18O纯度大于98％的2H2 18O产品。
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