DE2232382A1

DE2232382A1 - Einrichtung zum markieren von fliessfaehigen stoffen mit radioaktiven isotopen

Info

Publication number: DE2232382A1
Application number: DE19722232382
Authority: DE
Inventors: Karol Prof Akerman; Kurt Dr Sauerwein
Original assignee: SAUERWEIN KURT DR 4000 DUESSELDORF
Current assignee: SAUERWEIN KURT DR 4000 DUESSELDORF
Priority date: 1972-07-01
Filing date: 1972-07-01
Publication date: 1974-01-31
Also published as: JPS4953867A; FR2191219B1; GB1405316A; CH580323A5; DE2232382B2; SU528885A3; DE2232382C3; FR2191219A1

Description

Dipl.-lng. H. Sauenland · Dr.-lng. R. König · Dipl.-lng. K. Bergen

Patentanwälte · 4οαο Düsseldorf · Cscilienallee , TB . Telefon 432732

Unsere Akte: 27 434 29» Juni 1972 '

Herr Dr. Kurt Sauerwein, 4000 Düsseldorf, Dillenburger

Weg 3

"Einrichtung zum Markieren von fließfähigen Stoffen mit

radioaktiven Isotopen"

Die Erfindung "betrifft eine Einrichtung zum Markieren von Schüttstoffen, Flüssigkeiten oder Gasen mit radioaktiven Isotopen durch einmaliges intermittierendes, zum Beispiel nach einem Zeitprogramm gesteuertes mehrmaliges oder kontinuierliches Eingeben eines an einen Träger gebundenen Isotops in den fließfähigen Stoff»

Eine solche Kennzeichnung fließfähiger Stoffe läßt sich beispielsweise verwenden zur Bestimmung von durch ein Fördersystem bewegten Massen, zur Bestimmung von Bewegungskenngrößen wie Durchflußgeschwindigkeiten, Verweilzeiten und Ausbreitungswegen sowie zur Verfolgung von Misch- und Trennprozessen sowie des Ablaufs anderer wichtiger Verfahren.

Es ist bekannt, zum Markieren von Stoffen radioaktive Substanzen zu verwenden, die durch Bestrahlung in Kernreaktoren, in Beschleunigungsanlagen oder Isotopengeneratoren gewonnen und in abgepaßten Mengen dem zu markierenden Stoff zugegeben werden.

Auch ist es bekannt, auf diese Weise gewonnene Substanzen

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vor der Zugabe zum fließfähigen Stoff dem jeweiligen Verwendungszweck anzupassen; zum Beispiel in eine Form überzuführen in der sie sich mit dem zu markierenden Stoff gut vermischen lassen, oder in der sie an etwa in einer Flüssigkeit vorhandenen schweren Beimischungen oder an den Wänden von den fließfähigen Stoff enthaltenden Gefäßen und Leitungen nicht adsorbiert werden.

Für den Umgang mit bisher zum Markieren fließfähiger Stoffe verwendeten radioaktiven Substanzen wird geschultes Personal benötigt, das dazu besonderer behördlicher Genehmigung bedarf; ferner sind dazu mit aufwendigen Sicherheitsvorkehrungen ausgestattete, auch sonst komplizierte und teure Einrichtungen, sogenannte Isotopenlaboratorien erforderlich, an die auch die Zurichtung der aus Kernreaktoren bezogenen Substanzen für den jeweiligen Verwendungszweck gebunden ist.

Diese besonderen Umstände ließen bisher aus sachlichen und wirtschaftlichen Gründen nur an den Ort eines Laboratoriums gebundene einzelne in besonderen zeitlichen Abständen vorzunehmenden Markierungen zu, machten es aber unmöglich, fließfähige Stoffe an beliebiger Stelle mit radioaktiven Isotopen auch kontinuierlich oder rhythmisch nach einem bestimmten Zeitprogramm jederzeit wiederholbar zu markieren, wie es für die Überwachung des Ablaufs von Beförderungsvorgängen und sonstigem Verfahren wünschenswert wäre.

Die Erfindung löst die Aufgabe, eine wenig aufwendige, leicht transportable Einrichtung zu schaffen, die es ermöglicht, fließfähige Stoffe verschiedenster Art an praktisch jedem beliebigen Ort willkürlich ein oder mehrere Male, intermittierend oder kontinuierlich mit radioaktiven Isotopen zu markieren, indem am jeweiligen Verwendungsort das in den fließfähigen Stoff einzuführende Isotop gewon-

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nen und an einen Träger gebunden wird, mit dem es unmittelbar oder nach Überführen in eine für den jeweiligen Verwendungszweck geeignete Form dem zu markierenden Stoff zugesetzt und von diesem aufgenommen werden kann.

Erreicht wird das bei einer Einrichtung zum Markieren von fließfähigen Stoffen mit radioaktiven Isotopen erfindungsgemäß in erster Linie dadurch, daß ein an sich, zum Beispiel aus der medizinischen Bestrahlungstechnik bekannter Isotopengenerator, dem willkürlich intermittierend oder kontinuierlich ein flüssiges Lösungsmittel für die in ihm ständig erzeugte relativ kurzlebige radioaktive Tochtersubstanz in vorbestimmten Mengen unter Druck zugeführt werden kann, und aus dem dabei entsprechende Mengen einer das Tochterisotop gelöst enthaltende Flüssigkeit als Isotopenträger verdrängt wird, mit einem Sammel- und Ausgleichsgefäß verbunden und diesem ein Dosierungsventil für die willkürliche, intermittierende oder kontinuierliche Abgabe abgepaßter Mengen des Isotopenträgers nachgeschaltet ist, das an einen den fließfähigen- Stoff enthaltenden Behälter anschließbar ist.

Diese einen Isotopengenerator mit einem Lösungsmittelbehälter, einem Sammel- und Ausgleichsbehälter einer Dosierung svorrichtung über feste Leitungen zu einem geschlossenen System verbindende sowie durch noch zu behandelnde Zusatzgeräte ergänzbare Einrichtung erfordert - abgesehen von einer etwaigen einmaligen generellen behördlichen Genehmigung oder Zulassung - für ihre Anwendung weder besonders geschultes Personal noch genehmigungspflichte Einrichtungen, und gestattet schon in ihrer einfachsten Form die Einführung jeweils notwendiger Mengen von im Isotopengenerator entstandenem, in eine Trägerflüssigkeit gelöstem Tochterisotop aus dem Generator in einen den zu markieren-

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den Stoff enthaltenden Behälter oder in ein diesen Stoff führendes Beförderungssystem und damit in den Stoff selbst» Dabei kann die Dosierung von an einen flüssigen Träger gebundenen Isotopen nach Menge und Zeit durch entsprechende Regelung der .Lösungsmittelzufuhr zum Isotopengenerator mit Hilfe eines Ventils oder einer Pumpe in der Verbindungsleitung zwischen dem Isotopengenerator und dem Lösungsmittelbehälter oder über das dem Sammel- und Ausgleichsbehälter nachgeschaltete Ventil erfolgen. Pumpen und Ventile können dazu in bekannter, nicht zur Erfindung gehöriger Weise so gestaltet und mit steuerbaren Antrieben verbunden sein, daß sie nach Wahl willkürlich von Hand oder automatisch durch einen Impulsgeber in beliebigem Rhythmus sowie in gegenseitiger Abhängigkeit intermittierend oder kontinuierlich betrieben und außer Betrieb gesetzt werden können. Außerdem können Vorkehrungen getroffen sein, die ein Öffnen des Abgabeventils nur zulassen, wenn es an einen den zu markierenden Stoff enthaltenden Behälter angeschlossen ist, und die die Zuführung von Lösungsmittel zum Isotopengenerator nur in diesem Falle oder nur solange ermöglichen, wie das Volumen des im Sammel- und Ausgleichsgefäß vorhandenen Isotopenträgers einen vorbestimmten Höchststand nicht erreicht hat.

Das Markieren von fließfähigen Stoffen unmittelbar mit aus dem Isotopengenerator verdrängter Isotopenlösung wird nur in relativ seltenen Fällen möglich oder zulässig sein, zum Beispiel bei gewissen Feststoffen oder bei Flüssigkeiten, die mit keinen Feststoffen in Berührung stehen oder kommen, an denen sich das eingeführte Isotop anlagern oder mit denen das Isotop oder sein Träger chemisch reagieren könnte. Außerdem kommen nur Flüssigkeiten in Betracht, in denen sich der Isotopenträger ohne Trenn- oder Ausfallerscheinungen gut verteilen läßt.

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Im Interesse einer möglichst universellen Anwendbarkeit der Einrichtung, sieht deshalb die Erfindung weitere Maßnahmen zum Anpassen der aus dem Isotopengenerator verdrängten Isotopenlösung an den zu markierenden Stoff vor, durch die unerwünschte Begleiterscheinungen oder Verluste an eingegebenem Isotop ausgeschlossen werden,,

Dazu gehört ein Misch- und Reaktionsgefäß, das an wenigstens einen Vorratsbehälter für einen mit dem Isotopenträger reagierenden Zusatzstoff anschließbar und mit dem Isotopengenerator und dem Sammel- und Ausgleichsgefäß derart verbunden ist, daß der aus dem Isotopengenerator verdrängte Isotopenträger wahlweise dem Sammel- und Ausgleichsgefäß unmittelbar oder durch das Misch- und Reaktionsgefäß zufließt.

Als an das Misch- und Reaktionsgefäß anschließbare Vorratsbehälter sollten wenigstens solche Zusatzstoffe vorgesehen sein, durch die der ρττ-Wert des Isotopenträgers verändert werden kann, sowie für Zusätze, die mit dem Isotop Komplexe bilden und dadurch Adsorptionen des Isotops an den Wänden des den fließfähigen Stoff enthaltenden Behälters, sowie an von einer zu markierenden Flüssigkeit mitgeführte Feststoffe verhindern.

Sofern es sich um das Markieren von - insbesonderer organischen - Flüssigkeiten handelt, mit denen die Isotopenlösung - auch nach Aufbereitung im Misch- und Reaktionsgefäß - nicht mischbar ist, kann in eine Unterbrechung der Verbindungsleitung zwischen dem Sammel- und Ausgleichsgefäß und dem Isotopengenerator oder dem Misch- und Reaktionsgefäß eine Extraktionssäule zum Extrahieren des Isotops oder eines das Isotop enthaltenden Komplexes aus einer wässrigen Trägerflüssigkeit in eine organische Flüssigkeit einschaltbar sein, die der Säule aus einem Vorratsbehälter

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zugeführt wird.

Schließlich schafft die Erfindung auch die Möglichkeit, Gase mit Isotopen zu markieren. Zu diesem Zweck sieht sie vor, daß das Misch- und Reaktionsgefäß heizbar und an einen Vorratsbehälter für ein unter Druck stehendes Gas anschließbar ist, das beim Durchströmen durch die im Gefäß vorhandene erwärmte, eventuell chemische Zusätze in eine leichtflüchtige Form gebrachte Trägerflüssigkeit das Isotop extrahiert, und daß das Misch- und Reaktionsgefäß an das von der Flüssigkeit führenden Leitung getrennte Sammel- und Ausgleichsgefäß über eine das Trägergas führende Leitung anschließbar ist.

Die im Misch- und Reaktionsgefäß oder in der Extraktionssäule vom Isotop befreite wässrige Trägerflüssigkeit kann in einen Sammelbehälter entlassen oder in den dem Isotopengenerator vorgeschalteten Lösungsmittelbehälter zurückgeführt werden.

Zwei Ausführungsbeispiele für die den Gegenstand der Erfindung bildende Einrichtung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel, das im wesentlichen aus dem Isotopengenerator 1 mit dem Lösungsmittel-' behälter 1a und einer in der Verbindungsleitung zwischen beiden angeordneten Rotationspumpe 1b, einem Sammel- und Ausgleichsgefäß 2, einer Verbindungsleitung 10 sowie einem dem Gefäß 2 nachgeschalteten Dosierungs- und Abgabeventil 3 besteht, das an einen den zu markierenden Stoff enthaltenden Behälter angeschlossen werden kann.

Außerdem ist ein Misch- und Reaktionsgefäß 4 vorge-

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sehen, das in eine Unterbrechungsstelle 10a der den Generator mit dem Sammel- und Ausgleichsgefäß 2 verbindenden Leitung 10 über Umschaltventile oder Mehrwegehähne eingeschaltet werden kann. Das Misch- und Reaktionsgefäß 4 ist mit Vorratsbehältern 5 und 6 für Zusatz- oder Austauschstoffe durch Leitungen 5a, 6a mit Regel-'und Absperrventilen 5b, 6b verbunden. Das Gefäß 4 kann zur Beschleunigung oder Herbeiführung von Reaktionsvorgangen mit einer (nicht gezeichneten) Heizvorrichtung versehen sein.

Figur 1 zeigt schließlich noch gestrichelt eine Leitung 12 und einen Mehrwegehahn 12a, durch den das Sammel- und Ausgleichsgefäß 2 vom Gefäß 4 getrennt und dem Gefäß 2 ein unter Druck aus vorhandener Isotopenlösung geführtes Gas zugeleitet werden kann. Gleichfalls gestrichelt angedeutet ist eine Leimung zum Entlassen der im Gefäß 4 vom Isotop befreiten Flüssigkeit.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, das von dem nach Figur 1 insofern abweicht, als die Rotationspumpe 1b durch eine Dosierungspipette 1c ersetzt ist, die besser zum willkürlichen oder intermittierenden Zuführen von abgepaßten Lösungsmittelmengen zum Isotopengenerator 1 geeignet ist. Ist der Lö-. sungsmittelbehälter 1a höher angeordnet, als der Isotopengenerator 1 oder enthält er neben dem Lösungsmittelvorrat ein Druckgas, kann er mit dem dem Generator 1 durch eine die Pipette umgehende Leitung 1e und das Regelventil 1d mit dem Isotopengenerator 1 verbunden sein. In diesem Falle kann auch bei beiden Ausführungsbeispielen auf eine Dosierungspumpe oder -pipette verzichtet und die Lösungsmitteldosierung dementsprechend ausge-

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bildeten Ventil 1d übertragen werden„

Das Ausführungsbeispiel nach Figur 2 ist außerdem durch eine Extraktionssäule 7 ergänzt, in der das aus dem Generator 1 kommende Isotop oder der aus dem Gefäß 4 kommende Komplex aus seiner wässrigen Trägerflüssigkeit in eine organische Flüssigkeit extrahiert werden kann. Das Extraktionsmittel wird der Säule 7 aus einem Vorratsbehälter 8 mit Abstand über ihrem Boden zugeführt und fließt mit dem extrahierten Isotop aus dem oberen Teil der Säule 7 über eine Leitung 7a hinter einer Unterbrechungsstelle 10b der Leitung 10, dem Vorrats- und Ausgleichsgefäß 2 zu. Die sich über dem Boden der Säule 7 sammelnde isotopenfreie wässrige Flüssigkeit kann über ein Ventil in einen (nicht gezeichneten) Sammelbehälter entlassen oder über eine gestrichelt angedeutete Leitung 13 in den Vorratsbehälter 1a zurückgeführt werden.

Angesichts der geringen Mengen von Isotopen und Isotopenträgern, die zum Markieren selbst großer Mengen von fließfähigen Stoffen notwendig sind, kann die gesamte Einrichtung einschließlich der zum Steuern von Ventilen und Pumpen notwendigen elektrischen Mittel in einem leicht transportablen Behälter etwa von der Größe eines kleineren oder mittleren Handkoffers untergebracht werden.

Anwendunffsbeispiele: Beispiel 1.

Es soll eine zum Beispiel in der Papierindustrie vielfach verwendete Aluminiumsulfatlösung kontinuierlich markiert werden. In den Isotopengenerator der Einrichtung nach Figur 1 wird an eine Trägersubstanz, zum Beispiel Silikagel gebundenes radioaktives Germanium 68 eingesetzt. Die Gesamtaktivität möge 50 mCi betragen. Im Generator entsteht stän-

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dig als Tochterisotop Gallium 68 mit der für diesen Fall angemessenen Halbwertzeit von 68 Minuten, Als Lösungsmittel wird mit Hilfe der Rotationspumpe durch den Isotopengenerator eine 0,06 η HCl-Lösung mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,2 ml/h Mndurchgedrückt. Die dabei gewonnene und aus dem Generator verdrängte Gallium-68-Lösung durch das Misch- und Reaktionsgefäß 4 geleitet und darin mit einer Rhodamin-B-Lösung versetzte Die aus dem Misch- · und Reaktionsgefäß 4 verdrängte Komplex-Lösung wird über das Sammel- und Ausgleichsgefäß 2 und das diesem riachgeschaltete Dosierungsventil 3 in die die Aluminiumsulfat führende Rohrleitung eingegeben. Die Bindung des Isotops an das Rhodamin B verhindert Anlagerungen des Isotops an den Leitungswänden.

Beispiel 2,

In einer Leitung, durch die abwechselnd nacheinander unterschiedliche organische Flüssigkeiten, zum Beispiel verschiedene Sorten von Erdöl oder Erdölprodukten befördert werden, soll das jeweilige Ende einer Sorte markiert werden.

Im Isotopengenerator 1 der Einrichtung nach Figur 2 befindet sich an eine Trägersubstanz, zum Beispiel Zirkoniumoxyd gebundenes Zinn-113» Mit Hilfe der Dosierungspipette 1c wird eine zum einmaligen Markieren benötigte Menge verdünnter Salzsäure durch den Generator 1 gedrückt, die das Tochterisotop Indium-113 mit der Halbwertzeit von 100 Minuten löst. Im Misch- und Reaktionsgefäß 4 wird der Indium-113-Lösung, zum Beispiel aus dem Vorratsbehälter 5 gelöstes Natriumbenzoat in solcher Menge zugesetzt, daß es sich mit dem gesamten im Gefäß 4 vorhandenen Indiumisotop zu einem Komplex verbindet„ Aus dem Misch- und Reaktionsgefäß 4 fließt dann die diesen Komplex enthaltende Flüssig-

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keit dem oberen Ende der Extraktiohssäule 7 zu, in der eine aus dem Vorratsbehälter 8 entnommene organische Flüssigkeit, in diesem Beispiel n-Amylalkohol, von unten nach oben aufsteigt. Diese Flüssigkeit wascht aus der absinkenden wässrigen Lösung den Indium-113-Komplex aus und fließt mit ihm dem Sammel- und Ausgleichsgefäß 2 zu, aus dem es zu gegebener Zeit in abgepaßter Menge in die das Erdölprodukt führenden Leitung eingegeben werden kann.

Das sich über dem Boden der Extraktionssäule sammelnde, vom isotopenhaltigen Komplex befreite Lösungsmittel kann durch die Leitung 13 in den Vorratsbehälter 1a zurückgeführt werden.

Beispiel 3.

Es soll ein durch eine Leitung fließender Gasstrom mit einem inerten radioaktiven Gas kontinuierlich markiert werden.

Im Isotopengenerator 1 der Einrichtung nach Figur 1 befindet sich an eine Trägersubstanz gebundenes radioaktives Rubidium-83. Die Gesamtaktivität beträgt zum Beispiel 60 mCie Im Generator entsteht ständig Krypton-83 als Tochterisotop. Durch den Generator 1 wird mit Hilfe der Dosierpumpe 1b reines entionisiertes Wasser geleitet, in dem sich das Krypton-83. löst,, Die anschließend in das Misch- und Reaktionsgefäß 4 gelangte Isotopen-Lösung wird darin erwärmt und mit beispielsweise aus dem Vorratsbehälter 6 unter Druck zugeführtem Stickstoff durchblasen«, Der Stickstoff extrahiert das Krypton-Isotop und wird mit diesem durch die Leitung 12 und über den Mehrwegehahn 12a dem Sammel- und Ausgleichsbehälter 2 zugeführt, aus dem es der das zu markierende Gas führenden Rohrleitung zugeführt wird.

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Claims

Herr Dr. Kurt Sauerwein, 4000 Düsseldorf, Dillenburger

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ι Patentansprüche i

1· Einrichtung zum Markieren von fließfähigen Stoffen mit relativ kurzlebigen radioaktiven Isotopen, dadurch gekennzeichnet , daß ein an sich bekannter, mit einer radioaktiven Substanz beschickter Isotopengenerator (1), dem aus einem Vorratsbehälter (1a) ein Lösungsmittel für die darin ständig entstehende relativ kurzlebige radioaktive Tochtersubstanz in abgepaßten Mengen unter Druck zugeführt werden kann und aus dem dabei entsprechende Mengen einer Lösung des Tochterisotops gelöst enthaltende Flüssigkeit als Isotopenträger verdrängt werden, durch eine feste Leitung (10) mit einem Sammel- und Ausgleichsgefäß (2) für den Isotopenträger verbunden und diesem Gefäß ('2) ein Dosierungsventil (3) für die willkürliche, intermittierende oder kontinuierliche Abgabe abgepaßter Mengen des Isotopenträgers nachgeschaltet ist, das an einen den fließfähigen Stoff enthaltenden Behälter anschließbar ist«
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß ein an wenigstens einen Vorratsbehälter (5, 6) für einen mit dem Isotopenträger reagierenden Zusatzstoff anschließbares Misch- und Reaktionsgefäß (4) derart mit dem Isotopengenerator (1) und dem Sammel- und Ausgleichsgefäß (2) verbunden ist, daß der aus dem Generator (1) verdrängte Isotopenträger dem Sammel- und Ausgleichsgefäß (2) wahlweise unmittelbar oder durch das Misch- und Reaktionsgefäß (4) zufließt.

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3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet , daß das Misch- und Reaktionsgefäß (4) an einen Vorratsbehälter (5) für einen den p_H-Wert des Isotopenträgers verändernden Zusatz anschließbar ist.
4β Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet', daß das Misch- und Reaktionsgefäß (4) an einen Vorratsbehälter (6) für einen Komplexbildner anschließbar ist, der Adsorptionen des Isotops an die Wände des den fließfähigen Stoff enthaltenden Behälters ausschließt.
5. Einrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß das Misch- und Reaktionsgefäß (4) an einen Vorratsbehälter für einen Komplexbildner anschließbar ist, der Adsorptionen des Isotops an von einer zu markierenden Flüssigkeit mitgeführte Feststoffe verhindert.
6. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5_t dadurch gekennzeichnet , daß in eine Unterbrechung (10b) des das Sammel- und Ausgleichsgefäß (2) mit dem Misch- und Reaktionsgefäß (4) verbindenden Teils der Verbindung s leitung (10) eine Extraktionssäule (7) zum Extrahieren des Isotops aus einer wässrigen Trägerflüssigkeit in eine der Säule (7) aus einem Vorratsbehälter (8) zuführbare organische Flüssigkeit wahlweise einschaltbar ist.
7. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Misch- und Reaktionsgefäß (4) heizbar und an einen Vorratsbehälter für ein unter Druck stehendes Gas anschließbar ist, das beim Durchströmen durch die im Gefäß (4) vorhandene erwärmte

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Trägerflüssigkeit das Isotop extrahiert, und das Gefäß (4) an das von der Leitung (10) getrennte Sammel- und Ausgleichsgefäß (2) über eine das Trägergas führende Leitung (12) anschließbar ist.

8β Einrichtung nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet , daß aus dem Gefäß (4) und der Säule (7) abfließende isotopenfreie Flüssigkeit als Lösungsmittel dem Vorratsbehälter (1a) über eine Leitung (13) zuführbar ist.

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