DE2401119A1 - Verfahren und vorrichtung zur trennung von isotopen - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur trennung von isotopenInfo
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Description
United States Atomic Energy Commission, Washington, D.C. 20545,
U.S.A.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Trennung von Isotopen.
34 32
Die Trennung von Schwefel-34 ( S) von Schwefel-32 ( S) unter
Verwendung eines chemischen Bisulfitaustauschsystems ist allgemein bekannt. Eine für diese Reaktion repräsentative Gleichung
ist die folgende:
34SO2 (Gas) + H32SO3 (wässrig) ;=== 32
14 S0? (Gas) + H SO3 (wässrig)
Diese Trennung wurde jedoch nicht zur allgemeinen Anwendung weiter
entwickelt, und zwar wegen des Problems beim Vorsehen der Rückströmung mit geschlossener Schleife, d.h. das bekannte Verfahren
erfordert die Verwendung großer Mengen von Chemikalien verglichen mit den Mengen von getrennten Isotopen die erzeugt werden. Der
Hauptnachteil eines derartigen Systems besteht demnach darin, daß große Mengen von Chemikalien erforderlich sind, wodurch sich Abfallbeseitigung-
oder Wiedergewinnungsprobleme ergeben, da die ein offenes Ende aufweisenden. Rückströmungssysteme eine kontinuierliche
Versorgung mit Chemikalien erforderlich machen und demzufolge einen Strom von Abfallchemikalien erzeugen. Die bekannten chemischen
Austauschverfahren zur Anreicherung von Schwefelisotopen sind Systeme mit einem offenen Ende und haben daher die obenerwähnten
Probleme zur Folge.
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^ 2401719
Zur Überwindung der erwähnten Nachteile und zur Lösung der genannten Probleme sieht die Erfindung ein Rückströmungssystem
mit geschlossener Schleife vor, welches keine kontinuierliche Zuführung großer Mengen frischer Chemikalien für die Reaktion erforderlich
macht. Die Erfindung bezweckt ein Rückströmungssystem mit geschlossener Schleife anzugeben, -welches die Abfallprobleme
des Standes der Technik eliminiert oder klein hält. Die Erfindung verwendet dabei eine Kombination aus einem Elektrodialysesystem
mit einem chemischen Austauschsystem. Ferner sieht die Erfindung die Verwendung eines Elektrodialysesystems zur Umwandlung von
Na2SO. in NaOH und H2SO. vor, wobei diese Stoffe darauffolgen in
der Trennung und Konzentration eines Schwefelisotops in einem chemischen Bisulfitaustauschsystem verwendet werden.
Gemäß der Erfindung ist ein kontinuierliches mit geschlossener Schleife arbeitendes Rückströmungssystem zur Trennung und Anreicherung
verschiedener Isotope eines Elementes vorgesehen, und zwar unter Verwendung einer Elektrodialysevorrichtung zusammen mit einem
chemischen Austauschsystem. Die Erfindung sieht ferner die Anreicherung von Schwefelisotopen vor, wobei verschiedene Schwefelisotope
enthaltendes S0„ Speisegas mit NaOH reagiert wird, um NaHSO- in einer
chemischen Austauschsäule zu bilden, wobei die schwereren Schwefelisotope vorzugsweise vom NaHSO-, getragen werden, worauf dann das
NaHSO3 mit H2SO4 reagiert wird, wodurch die Trennung von mit dem
schwereren Isotop angereicherten S0? bewirkt wird, welches aus dem
chemischen Austauschsystem entfernt wird, wobei das H-SO4 und das
NaOH regeneriert und wieder in den Kreislauf gebracht werden, um einen Kreis mit geschlossener Schleife aufrechtzuerhalten.
Weitere Vorteile, Ziele und Merkmale der Erfindung ergeben sich insbesondere auch aus den Ansprüchen und der folgenden Beschreibung
eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung; die Zeichnung zeigt eine typische Reaktionssäule und ein Elektrodialysesystem zur
Durchführung der Erfindung.
Die Vorrichtung zur Durchführung der vorliegenden Erfindung kann eine Reaktionssäule 10 und eine Elektrodialyseeinheit 13 aufweisen,
wie dies in der Zeichnung dargestellt ist. Die Reaktionssäule 10 bildet ein Mittel zur Anreicherung der Isotope, während das Elektrodialysesystem
13 die Chemikalien aus den Reaktionsprodukten der
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Reaktionssäule 10 regeneriert, die zur Reaktion mit dem Speisegas
in der Reaktionssäule 10 erforderlich sind.
Obwohl die vorliegende Erfindung bei vielen Reaktionen oder Trennungen
wie beispielsweise der Anreicherung von Stickstoff-15 ( N)
durch Austausch zwischen Ammoniak und wässrigen Lösungen von Ammoniumsulfat, Ammoniumnitrat oder Ammoniumhydroxid verwendet
werden kann, wird hier die Anreicherung von Schwefelisotopen behandelt, was aber die Vorrichtung nicht auf die Trennung von
Schwefelisotopen beschränken soll.
Bei der Trennung verschiedener Schwefelisotope gemäß der obenerwähnten
Gleichung 1 wird S0„ Speisegas^NaOH wie folgt reagiert:
SO2 + NaOH ■*· NaHSO3
Die schwereren Schwefelisotope im SO2 Speisegas gehen vorzugsweise
in das gemäß Gleichung 2 gebildete NaHSO3. Sodann wird NaHSO3 mit
H2SO4 reagiert und die Produkte dieser Reaktion sind NaHSO., Wasser-(H2O)
und SO2:'
H3SO4 + NaHSO3 —ψ NaHSO4 + H2O + SO2 k
H3SO4 + NaHSO3 —ψ NaHSO4 + H2O + SO2 k
Das in der Reaktion der Gleichung 3 gebildete SO ist hinsichtlich
des schwereren Schwefelisotops konzentrierter und kann aus der Austauschsäule entfernt werden. Das NaHSO4 wird mit NaOH reagiert und
bildet Na3SO4. Das Na3SO4 wird η in einer Elektrodialyseeinheit zur
Bildung von H3SO4 und NaOH zersetzt, wobei H3SO4 eines der Reaiccionsmittel
iri Gleichung 3 und NaOH das andere Reaktionsmittel in Gleichung 2 ist, so daß unter Verwendung dieser Reaktion ein Rückströmungssystem
mit geschlossener Schleife erzeugt werden kann.
Gemäß der Zeichnung kann SO3 Speisegas oder ein anderes geeignetes
Strömungsmittel, welches verschiedene Schwefelisotope wie beispiels-
34
weise Schwefel-34 ( S) in Mengen wie beispielsweise ungefähr 4,2 % und Schwefel-33 (33S) mit ungefähr 0,7 % und wie Schwefel-36(36S) mit ungefähr0,014 % enthält in die Leitung 16 eingespeist werden, welche mit Leitung 18 verbunden ist oder in diese einspeist. Das SO2 Speisegas tritt sodann in das Reaktionsgefäß 20 ein, welches ein geeignetes Füllmittel 22 wie beispielsweise Drahtspiralen aus rostfreiem Stahl aufweisen kann, um die Oberfläche der das SO2 berührenden Reaktionsmittel zu erhöhen und die Reaktion zu fördern. NaOH mit einer Molarität zwischen ungefähr 1 Molar und 6 Molar und vorzugsweise einer Molarität ungefähr 3 Molar kann in das Reaktions-
weise Schwefel-34 ( S) in Mengen wie beispielsweise ungefähr 4,2 % und Schwefel-33 (33S) mit ungefähr 0,7 % und wie Schwefel-36(36S) mit ungefähr0,014 % enthält in die Leitung 16 eingespeist werden, welche mit Leitung 18 verbunden ist oder in diese einspeist. Das SO2 Speisegas tritt sodann in das Reaktionsgefäß 20 ein, welches ein geeignetes Füllmittel 22 wie beispielsweise Drahtspiralen aus rostfreiem Stahl aufweisen kann, um die Oberfläche der das SO2 berührenden Reaktionsmittel zu erhöhen und die Reaktion zu fördern. NaOH mit einer Molarität zwischen ungefähr 1 Molar und 6 Molar und vorzugsweise einer Molarität ungefähr 3 Molar kann in das Reaktions-
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gefäß 20 durch Leitung 24 eingespeist werden, um so gründlich mit dem S0~ Speisegas in Berührung zu kommen und mit diesem im Reaktionsgefäß
20 unter Bildung von NaHSO3 gemäß Gleichung 2 zu reagieren.
Das gebildete NaHSO kann nach unten in eine chemische Austauschsäule
oder ein zweites Reaktionsgefäß 26 fließen, welches ebenfalls ein Füllmaterial 28 ähnlich dem Füllmaterial 22 und zum gleichen
Zweck enthält. Das in der Reaktionssäule 20 gebildete NaHSO3 läuft
durch das Reaktionsgefäß 26 in die Leitung 30 und sodann in eine Destillationsflasche oder Vorrichtung 32. Das zweite Reaktionsgefäß
26 ist zum Zwecke der Anreicherung von NaHSO3 mit dem schwereren
Isotop vorgesehen.
Die Destillationsvorrichtung 32 wird beispielsweise durch einen elektrischen Widerstandsheizer 34 oder eine ähnliche Heizvorrichtung
erhitzt. Wenn die Trennung und Anreicherung des schwereren Schwefel-
34
Isotops wie beispielsweise des S-Isotops begonnen wird und aus der Destillationsflasche 32 Wasser entfernt werden, oder sie kann teilweise mit Wasser gefüllt werden, um die gewünschten Konzentrationen einzustellen. Die Lösung 36 in der Destillationsflasche 32 wird jedoch - wie im folgenden beschrieben - das Reaktionsprodukt von NaHSO3 mit H3SO4. Innerhalb eines Teils der Destillationsflasche 32 ist auch ein geeignetes Füllmaterial 38 wie beispielsweise kermaische Raschig-Ringe oder Beryl-Sattelkörper angeordnet, wobei dieses Material die Oberfläche der Reaktionsmittel vergrößern soll, um so die Reaktion zu fördern. Eine permeable Wand 39 kann zwischen dem Füllmaterial 38 und der Lösung 36 angeordnet sein, um das Füllmaterial vom Bodenteil der Flasche 32 getrennt zu halten. Das Destillationsgefäß 32 kann auf eine Temperatur von ungefähr 25°C bis ungefähr 70OC erhitzt werden und wird vorzugsweise auf eine Temperatur zwischen ungefähr 30°C und ungefähr 45°C für die Trennung und
Isotops wie beispielsweise des S-Isotops begonnen wird und aus der Destillationsflasche 32 Wasser entfernt werden, oder sie kann teilweise mit Wasser gefüllt werden, um die gewünschten Konzentrationen einzustellen. Die Lösung 36 in der Destillationsflasche 32 wird jedoch - wie im folgenden beschrieben - das Reaktionsprodukt von NaHSO3 mit H3SO4. Innerhalb eines Teils der Destillationsflasche 32 ist auch ein geeignetes Füllmaterial 38 wie beispielsweise kermaische Raschig-Ringe oder Beryl-Sattelkörper angeordnet, wobei dieses Material die Oberfläche der Reaktionsmittel vergrößern soll, um so die Reaktion zu fördern. Eine permeable Wand 39 kann zwischen dem Füllmaterial 38 und der Lösung 36 angeordnet sein, um das Füllmaterial vom Bodenteil der Flasche 32 getrennt zu halten. Das Destillationsgefäß 32 kann auf eine Temperatur von ungefähr 25°C bis ungefähr 70OC erhitzt werden und wird vorzugsweise auf eine Temperatur zwischen ungefähr 30°C und ungefähr 45°C für die Trennung und
34 32 Anreicherung von Schwefelisotopen einschließlich S von S gehalten.
Ein geeigneter Dampfkondensator 4o der einen Wasser- oder anderen
Strömungsmittel-Kühlmantel aufweisen kann ist benachbart zur oder um Leitung 30 herum angeordnet, um so die an Destillationsflasche
erzeugten Dämpfe zu kondensieren. Das Kühlströmungsmittel kann bei
Leitung 42 eintreten und bei Leitung 44 austreten.
H2SO. mit einer Molarität von ungefähr 1 Molar bis ungefähr 6 Molar
und vorzugsweise mit einer Konzentration von ungefähr 3 Molar kann durch Leitung 46 in Leitung 30 eingegeben werden. Es ist zweckmäßig
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die Konzentration innerhalb des gegebenen Bereiches zu halten, um die Anreicherung der gewünschten Isotope so zu optimieren. H0SO4
reagiert mit dem NaHSO3-Produkt des Reaktionsgefäßes 20 in der
Flasche 32 gemäß Gleichung 3. SO0 mit einer höheren Konzentration
34 als das Speisegas Δ
von S 'Dder ein anderes schweres zu trennendes Isotop ist eines der Reaktionsprodukte und kann durch Leitung 48 entfernt werden.
von S 'Dder ein anderes schweres zu trennendes Isotop ist eines der Reaktionsprodukte und kann durch Leitung 48 entfernt werden.
32 ·
Dieses Produkt, dessen S-Konzentration gering ist, könnte sodann
als Speisematerial in einer weiteren Kaskade verwendet werden, um - wenn vorhanden - S und S anzureichern. Die Reaktion der Gleichung
3 erfolgt innerhalb des oberen Teils der Destillierflasche
und im allgemeinen um das Füllmaterial 38 herum. Die anderen Produkte der Gleichung 3 nämlich H0O und NaHSO4 steigen hinab in die
Destillationsflasche 32. In der Destillationsflasche 32 wird ein
Flüssigkeitspegel aufrechterhalten, und zwar mittels eines Strömungsmittelpegeldetektors
und einer Steuervorrichtung 50, wobei diese Vorichtung 50 in geeigneter Weise mit der Flasche 32 und einer Pumpe
54 durch elektrische Verbindungen 52 und 56 verbunden ist. Die Leitung 58 kann zur Entfernung der NaHSO. und H^O-Produkte der Gleichung
3 aus Destillationsflasche 32 in einen geeigneten Behälter oder ein Mischgefäß 60 verwendet werden, und zwar-unter Benutzung einer
Pumpe 54, die durch die Vorrichtung 50. betätigt wird.
Die NaHSO4~Lösung, das Produkt der Gleichung 3, wird aus der Destillationsflasche
oder dem Gefäß 32 entfernt und im Behälter 60 mit der NaOH-Lösung reagiert, die mittels einer Leitung 6 2 eingespeist
wird. In der gleichen Weise wird auch Wasser in der Destillationsflasche 32 ebenfalls in den Behälter 60 übergeführt. Geeignete
Rührmittel 63, beispielsweise eine's mit einer geeigneten Kraftquelle
wie Motor 64 verbundener Propeller kann benutzt werden, um die Lösung gründlich zu rühren und um eine gründliche Mischung und daraus
folgende Reaktion von NaOH mit dem NaHSO4 zu gewährleisten. Die
Gleichung für diese Reaktion lautet:
NaOH + NaHSO4 ^ Na3SO4 + H3O · ' .
NaOH + NaHSO4 ^ Na3SO4 + H3O · ' .
Das durch diese Gleichung erzeugte Na3SO4 wird in geeigneter Weise
aus dem Behälter 60 beispielsweise durch eine Pumpe 65 über eine
Leitung 66 entfernt und zu einer Elektrodialyseeinheit 13 gebracht.
Leitung 66 verbindet Behälter 60 mit Behälter 68 dereii Elektrodialyseeinheit
13, und zwar genauer gesagt mit der Kammer, Zelle oder Abteilung 74, die durch Wände des Behälters 68 und eine für Anionen
permeable Membran 70 und eine Kationen permeable Membran 72 gebildet
ist* ' Λ09829/0830
Das Abteil 74 enthält vom Behälter 60 gekommenes Na3SO4 und
H2O. Eine geeignete Leistungsquelle wie beispielsweise eine
Batterie 76 kann zur Erzeugung eines Dissoziationsstromes zwischen Anode 78 und Katode 80 und durch die verschiedenen Lösungen im
Behälter 68 hindurch verwendet werden. Anode 78 kann innerhalb einer Kammer, Zelle oder Abteilung 82 benachbart Kammer 74 jedoch
getrennt davon durch eine für Anionen permeable Membran 70 angeordnet sein. Katode 80 kann innerhalb, Kammer, Zelle oder Abteilung
84 angeordnet sein, wobei die Zelle 84 benachbart zur Kammer 74 angeordnet ist, jedoch von dieser durch eine für Kationen permeable
Membran 72 getrennt ist. Die Wände der Kammer 68 bilden zusammen mit den Anionen- und Kationenmembrane Abteilungen oder Kammern
bzw. 84. Die Erzeugung eines Stromes durch die Lösungen kann die Wanderung des Natriumions (Na ) (aus dem in Lösung befindlichen
Na2SO4) aus Kammer 74 zu Kammer 84 durch die für Kationen permeable
Membran 72 bewirken, und darüber hinaus auch die Wanderung des Sulfadions (SO4 ) (aus dem in Lösung befindlichen Na3SO4) durch
die für Anionen permeable Membran 70 in die Kammer 82. In der Kammer 84 wird Wasser zur Bildung von Wasserstoffgas und OH zersetzt, um
elektrische Neutralität mit Na aufrechtzuerhalten, welches zur Bildung NaOH in die Zelle transportiert wurde. Der Sauerstoff wird
als Sauerstoffgas (O3) in Kammer 82 freigegeben und die Erzeugnisse
H der Wasserzersetzung und das in die Kammer 82 transportierte SO4 bilden das H3SO4. Das NaOH wird aus der Kammer 84 mittels einer
geeigneten Leitung 24 entfernt und mittels Pumpe 86 in das Reaktionsgefäß 20 zirkuliert. Das innerhalb der Kammer 82 gebildete H3SO4
wird daraus mittels Pumpe 88 entfernt, um mit dem NaHSO^ im oberen
Teil der Destillationsflasche 32 zu reagieren.
Das an schweren Isotopen verarmte SO Speisegas kann in geeigneter Weise aus der Reaktionssäule 10 entfernt werden, beispielsweise
durch ein Ablassrohr oder eine Leitung 90 am Reaktionsgefäß 20.
Die Reaktionen in den Elektrodenkammern der Elektrodialyseeinhext sind
folgende:
Kathode: 2Na+ + 2e~ + 2HOH —-»· 2Na+ + 20H~ + H3 t
Anode: ' S04 = + HOH -S^ H3SO4 + 2e~ + ^
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Das SO- Speisegas für Leitung 16 kann auf eine geeignete Temperatur
wie beispielsweise ungefähr 1OO°C vorgeheizt werden, wird aber vorzugsweise
bei Umgebungstemperatur eingegeben. Hinzufügungen von H-O oder anderen Komponenten wie beispielsweise NaOH oder H-SO.
können - wenn erforderlich - zur Aufrechterhaltung der erforderlichen Konzentration direkt über Leitungen 24 bzw. 45 vorgenommen
werden.
Die Lösungen innerhalb des Behälters 68 der Elektrodialyseeinheit 13 wird auf eine Temperatur von ungefähr 20°C bis ungefähr 100°C
gehalten, und zwar vorzugsweise auf Umgebungstemperatur. Die Lösung im Behälter 60 wird auf eine Temperatur von ungefähr 25°C bis ungefähr
TOO0C gehalten und zwar vorzugsweise ungefähr bei Umgebungstemperatur.
Die Reaktionsgefäße 20 und 26 werden auf einer Temperatur von ungefähr 20°C bis ungefähr 100°C vorzugsweise aber auf ungefähr
45oc gehalten.
Das in Leitung 16 eingegebene SO2 Speisegas kann mit einer Geschwindigkeit
eingegeben werden, die durch die Kapazität des Systems und die gewünschten Trennungsraten bestimmt ist, wobei die Eingabegeschwindigkeit
typischerweise ungefähr 3 englische Pfund pro Tag be-
34 tragen kann, wenn Trennungen von ungefähr 90 % S gewünscht sind.
Die Pumpen 54,65, 86 und 88 können von irgendeiner geeigneten Bauart sein, wobei sie durch die von ihnen transportierten Lösungen nicht
angegriffen werden sollen.
Obwohl NaOH mit einer Molarität zwischen ungefähr 1 und ungefähr' 6
im Trennverfahren verwendet wurde, können andere Reaktionslösungen, die im Reaktor verwendet werden, und zwar von ungefähr 1 Molar bis
ungefähr 6 Molar Kaliumhydroxid (KOH) und von ungefähr 1 Molar
bis ungefähr 12 Molar Ammoniumhydroxid (NH.OH). Die Temperatur dieser
Lösungen kann allgemein zwischen ungefähr 20 bis ungefähr 1000C
variieren, wobei vorzugsweise eine Temperatur von ungefähr 45°C aufrechterhalten
wird.
Da das NaOH oder dergleichen vorzugsweise mit dem schweren Schwefel-
34
isotop wie beispielsweise SQ9 reagiert um NaHSO- zu bilden, reagiert
isotop wie beispielsweise SQ9 reagiert um NaHSO- zu bilden, reagiert
34 32
ein größerer Prozentsatz von SO- mit dem NaOH als S02* Das
verarmte Speisegas kann sodann wie oben erwähnt durch-Ablassrohr
90 abgelassen werden. Das Reaktionsgefäß 26 erreicht also die An-
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34 auch « <*
reicherung von S (clurch Rückströmen eine3 Teiles des angereicher-
reicherung von S (clurch Rückströmen eine3 Teiles des angereicher-
34
en 2 Gases, welches vom Reaktionsgefäß 32 nach Zersetzung des
en 2 Gases, welches vom Reaktionsgefäß 32 nach Zersetzung des
NaHSO^ durch dieses zweite Reaktionsgefäß 26 freigegeben wird.
Die Mengen oder Konzentrationen der verwendeten Materialien hängen
hinsichtlich des Volumens von der Größe des zu verwendenden Gefäßes
ab. In einem typischen Betriebsvorgang kann das SO0 Speisegas
34 jedoch anfangs ungefähr 20 bis ungefähr 90 % S von einer 5 Einheit
oder anderen üblichen Anreicherungsverfahren angereichert werden, wenn dies erwünscht ist. Mit einem Speisegas mit ungefähr 4,2 %
Anreicherung von SO0 können Reaktionssäulen von 30 Fuß Länge zur
34 Anreicherung von SO0 auf ungefähr 90 % SO0 verwendet werden. Mit
Säulen von ungefähr 4 Zoll bis ungefähr 1 Zoll Durchmesser können
' 34
annähernd 4 Gramm'von 90 % S angereichertem SO pro Tag erzeugt werden. SO0 kan in diesen Versuchen durch das Gefäß 20 mit einer Strömungsgeschwindigkeit von ungefähr 3 Pfund pro Tag geleitet werden. Das auf diese Weise gebildete NaHSO- kann von der Destillationsflasche 32 bei einer Temperatur von ungefähr 20°C bis ungefähr 1400C zersetzt werden.
annähernd 4 Gramm'von 90 % S angereichertem SO pro Tag erzeugt werden. SO0 kan in diesen Versuchen durch das Gefäß 20 mit einer Strömungsgeschwindigkeit von ungefähr 3 Pfund pro Tag geleitet werden. Das auf diese Weise gebildete NaHSO- kann von der Destillationsflasche 32 bei einer Temperatur von ungefähr 20°C bis ungefähr 1400C zersetzt werden.
Tabellelveranschaulicht die mit diesem Anreicherungsverfahren
erreichbaren Ergebnisse.
34S Produktionsfälle Sämtliche Raffinate )► 98 % S
Schwefel-34 Schwefel-33 Produk.Rate Schwefel-36 Raffinationsrate
Konz. % Konz. % Gramm pro Tag Konz. % Schwefel-32 /gr.Tag
20 | 2.2 | 22.9 | 0,08 | 135 |
30 | 2.9 | 13.9 | 0.13 | 126 |
40 | 3.6 | 10.0 | 0.17 | 111 |
50 | 4.3 | 7.8 | 0.21 | 111 |
60 | 4.9 | 6.4 | 0.26 | 111 |
70 | 5.4 | 5.4 | 0.30 | 110 |
80 | 5.8 | 4.7 | 0.34 | 110 |
90 | 6.0 | 4.1 | 0.39 | 110 |
Obwohl das hier beschriebene System in erster Linie für die Schwefelisotoptrennung
beschrieben wurde, so kann doch die neue Kombination einer chemischen Austauschreaktionssäule mit einer Elektrodiolyse-
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einheit auch dort verwendet werden, wo Ruckströmungskreise mit
geschlossener Schleife gebildet werden sollen; das System ist also nicht auf das Schwefelisotopentrennungsverfahren beschränkt.
Beispielsweise kann SO3 hinsichtlich J S angereichert werden, wie
dies in Tabelle 2 gezeigt ist.
Tabelle II
36S Produktionsfälle
36S Produktionsfälle
Schwefel-36 Konz. % Gesamtproduktionsrate Schwefel-34 Konz. %
Gramm/pro. Tag
20 0.13 80
30 . 0.088 70
40 0.066 60
50 0.053 50
Es wurde festgestellt, daß die Schwefelisotopenproduktion der oben
beschriebenen Reaktionssäule einen Trennungsfaktor von 1,007, eine
Strömungsgeschwindigkeit von 2,9 Litern pro Tag und Bisulfitkonzentrationen
von 3 M verwendet. Die Werte des iloheüäquivaxents eines
theoretischen Bodens benutzt für die Bestimmung der in Tabelle I und II im Bisulfitverfahren oder Wasserstoffsulfitverfahren angegebenen
Werte lag im Bereich zwischen 2,5 bis 9 cm.
Die Kapazität des obenbeschriebenen Reaktionsgefäßes zur Erzeugung
von 90 % Schwefel-34 wurde unter Verwendung der obigen Werte zu 4 gr
33 pro 24 Stunden bestimmt. Es sei bemerkt, daß Schwefel-33 ( S) auch
33 mit einer Anreicherung von ungefähr 6 % erzeugt werden kann. S kann von beträchtlichem Interesse bei verschiedenen Forschungsstudien
sein, die mit der magnetischen Kernresonanz zu tun haben. Die fraktionelle Grammerzeugung von Schwefel-36 ( S) kann - wie in Tabelle
II gezeigt - auch möglich sein, obwohl die Gleichgewichtszeiten langer sein könr
entfernt werden.
entfernt werden.
•3-3 Of
länger sein können. S und S können auch durch Auslassleitung 48
Die anfänglichen S, S und ■ S-Konzentrationen im S0_ Speisegas
betrugen 0,7 % bzw. 4,2 % bzw. 0,014 % in den in Tabelle I und Tabelle II angegebenen Beispielen. Die in Tabelle I angegebene
Raffinatgeschwindigkeit wird von Leitung 90 in der Zeichnung abgezogen.
Das Raffinat enthält in allen Fällen mehr als.98 %
32
Konzentration von S. -
4 0 9 8 2 9/0830
.40*
Wie in Tabelle II gezeigt, kann die S-Erzeugung durch Verwendung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung bewirkt werden. Ungefähr 0,014 %
S enthaltendes SO0 kann in die Lösung eingespeist werden und S
32
kann von S getrennt werden. Dies wird in der gleichen Weise bewirkt,
wie die Trennung von S von S bewirkt wird. Das S
hat eine Affinität zur Reaktion mit NaOH und somit zur Bildung von NaHSO , was sodann wie oben beschrieben mit H9SO. reagiert wird,
hat eine Affinität zur Reaktion mit NaOH und somit zur Bildung von NaHSO , was sodann wie oben beschrieben mit H9SO. reagiert wird,
36
um.mit S angereichertes SO^ Gas freizugeben, welches durch Leitung
48 abgezogen werden kann.
Das geschlossene Ruckströmungssystem, welches man durch die Kombination
dieser Reaktionssäule mit der Elektrodiolyseeinheit erhält, erfordert keine kontinuierliche externe Versorgung mit Chemikalien
mit Ausnahme der anfänglichen Charge; das geschlossene Rückströmungssystem erzeugt dabei keine chemischen Abfallösungen oder andere
Erzeugnisse, die beseitigt werden müßten. Dies wird durch chemisches Rückströmen erreicht, und durch Umwandlung des Abfallstromes in
Rückflußstromchemikalien. Das einen geschlossenen Kreis bildende
Rückströmungssystem ist für den chemischen Austauschprozeß von größter Bedeutung und erzeugt ein Bxsulfataustauschsystem (wie beschrieben) und ist dabei äußerst wirtschaftlich und umweltfreundlich.
Erzeugnisse, die beseitigt werden müßten. Dies wird durch chemisches Rückströmen erreicht, und durch Umwandlung des Abfallstromes in
Rückflußstromchemikalien. Das einen geschlossenen Kreis bildende
Rückströmungssystem ist für den chemischen Austauschprozeß von größter Bedeutung und erzeugt ein Bxsulfataustauschsystem (wie beschrieben) und ist dabei äußerst wirtschaftlich und umweltfreundlich.
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Claims (13)
1. Vorrichtung zur Trennung verschiedener Isotope des Schwefels, die in einem Speiseströmungsmittel enthalten sind, wobei die
für das Trennverfahren verwendeten Chemikalien mit dem Speiseströmungsmittel reagiert und sodann regeneriert und erneut ver·*-
wendet werden.
Gekennzeichnet durch ein Reaktionsgefäß, ein Destillationsgefäß 32 am Reaktionsgefäß angeordnete Abgabemittel zur Entnahme des
an schweren Isotopen verarmten Strömungsmittels, einer Eingangsleitung zum Transport des Strömungsmittels nach der Reaktion von
dem Reaktionsgefäß zum Destillationsgefäß, Kondensatormittel benachbart zur Eingangsleitung und zum Destillationsgefäß zum Kondensieren
des Strömungsmittels aus dem Destillationsgefäß in der Eingangsleitung, am Reaktionsgefäß angeordnete Eingabemittel um
eine der Chemikalien in das Reaktionsgefäß einzuspeisen, erste Eingabemittel an der Eingangsleitung zum Einspeisen des Speiseströmungsmittels
in die Eingangsleitung, zweite nach dem Kondensator und an der Eingangsleitung angeordnete Eingabemittel zum
Einspeisen einer weiteren der Chemikalien in die Eingangsleitung; Abgabemittel zur Entfernung des mit Isotopen angereicherten
Strömungsmittels zwischen den ersten Eingabemitteln und dem Kondensator an der Eingangsleitung;
ein Mischgefäß sowie Mittel zum Transport des Strömungsmittels, welche Destillationsgefäß und Mischgefäß verbinden;
eine Elektrodialysevorrichtung 13 mit einem Behälter, einer für Anionen durchlässigen Membran und einer für Kationen permeablen
Membran innerhalb des Behälters, wobei der Behälter mindestens in drei Abteilungen unterteilt wird, und wobei eine Kathode innerhalb
eines ersten von den mindestens drei Abteilungen und einer Anode innerhalb eines zweiten der mindestens drei Abteilungen angeordnet
ist, während eine Leistungsquelle Anode und Kathode elektrisch verbindet;
auf einer dritten der mindestens drei Abteilungen angeordnete
Leitermittel, um Materialien von dem Mischgefäß zu der dritten Abteilung zu transportieren, die benachbart zu den ersten und
zweiten Abteilungen angeordnet ist, und wobei Leitungsmittel Material von der ersten Abteilung zum Mischgefäß führen, während
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Leitermittelmaterial von der ersten Abteilung zum Reaktionsgefäß transportieren und schließlich noch Lextungsmittelmaterial
von der zweiten Abteilung zur erwähnten Anfangsabteilung bringen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch eine Pumpe an den die erste Abteilung und das Reaktionsgefäß verbindenden
Leitungsmittel, eine Pumpe an den die zweite Abteilung und die Anfangs- oder Eingabeleitung verbindenen Leitungsmittel, eine
weitere Pumpe an den das Mischgefäß und die dritte Abteilung verbindenden Leitungsmittel und schließlich eine Pumpe an den Strömüngsmitteltransportmitteln,
welche die Destinationsflasche und das Mischgefäß verbinden.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2 gekennzeichnet durch eine Pegel-Feststell-
und Steuervorrichtung 50, die elektrisch zwischen dem Destillationsgefäß und Pumpe 54 liegt, um auf diese Weise den
Strömungsmittelpegel in den Destillationsgefäß zu steuern.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß die erste
Abteilung Natriumhydroxid und die zweite Abteilung Schwefelsäure enthält, wobei in die Eingabeleitung Schwefeldioxyd eingespeist
wird und durch die Abgabemittel mit schwerem Isotop angereichertes Schwefeldioxyd abgezogen wird, wobei ferner die dritte Abteilung
Natriumsulfat enthält, welches durch den Durchgang eines elektrischen Stromes von der Leistungsquelle dissoziiert wird, die
elektrisch zwischen Anode und Kathode liegt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß ein weiteres
Reaktionsgefäß an der Eingangsleitung zwischen den ersten Eingangsmitteln an der Eingangsleitung und den Ausgangsmitteln an
der Eingangsleitung-vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch Mittel zum Rühren
des Strömungsmittels innerhalb des Mischgefäßes.
7. Das Verfahren zur Trennung verschiedener Isotope eines in einem
Speiseströmungsmittel enthaltenen Elementes, wobei die für das
Trennverfahren verwendeten Chemikalien mit dem Speiseströmungsmittel reagiert werden gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
In Berührung bringen und reagieren des Speisestromungsmittels mit einer der Chemikalien zur Bildung eines ersten Reaktionsproduktes
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welches mit den schwereren Isotopen des Elementes angereichert ist; Entfernung des an den schwereren Isotopen verarmten der
Reaktion unterzogenen Speisegases; Inkontaktbringen des ersten Reaktionsproduktes mit einem weiteren der Chemikalien zur Bildung
eines darauf folgenden Strömungsmittels, welches mit den schwereren Isotopen des Elementes angereichert ist und mit einem weiteren
Reaktionsprodukt. Entfernung des darauffolgenden Strömungsmittels angereichert mit schwereren Isotopen; Inberührungbringen des
weiteren Reaktionsproduktes mit einem der Chemikalien zur Bildung eines gesonderten Reaktionsproduktes, durch welches ein elektrischer
Strom geleitet wird, um das gesonderte Reaktionsprodukt in Anionen und Kationen zu dissoziieren, wobei die Wanderung der
Kationen durch eine für Kationen permeable Membran zur Bildung eines der Chemikalien bewirkt wird, wobei die Wanderung der
Anionen durch eine für Anionen durchlässige Membran bewirkt wird, um die andere der Chemikalien zu bilden, worauf dann schließlich
die eine und die andere der Chemikalien zum Inberührungbringen und Reagieren mit weiteren Mengen des Spex'sestromungsmittels wieder
in den Kreislauf gebracht werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, daß die Isotope
verschiedene Isotope des Schwefels und das Element Schwefel ist, wobei das Speiseströmungsmittel Schwefeldioxyd ist, und eine der
Chemikalien eine Lösung von Natriumhydroxid oder Kaliumhydroxid oder Ammoniumhydroxid ist, während die andere Chemikalie Schwefelsäure
ist und das darauffolgende Strömungsmittel mit schwerem Schwefelisotop angereichertes Schwefeldioxyd ist, wobei schließlich
das gesonderte Reaktionsprodukt Natriumsulfat ist.'
9. Verfahren nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, daß das Schwefel-36
Isotop vom Schefel-34 Isotop abgesondert und angereichert wird«
10. Verfahren nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, daß das Schwefel-34
Isotop vom Schefel-32 Isotop abgetrennt und angereichert wird.
11. Verfahren nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, daß die Natriumhydroxidmolarität
zwischen 1 und ungefähr 6 Molar, die Kaliumhydroxidmolarität zwischen ungefähr 1 und 6 Molar, die Ammoniumhydroxidmolarität
ungefähr 1 und 12 Molar und die Schwefelsäure-
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molarität zwischen ungefähr 1 und ungefähr 6 Molar liegt.
12. Verfahren nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, daß das Inkontaktbringen
des ersten Reaktionsproduktes mit der erwähnten weiteren Chemikalie bei ungefähr 2O°C und ungefähr 7O°C erfolgt.
13. Verfahren nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, daß das mit
schwerem Isotop angereicherte erste Reaktionsprodukt mit dem darauf folgenden Strömungsmittel zur Rückströmung gebracht wird,
. um die Anreicherung des schweren Isotops weiter zu erhöhen.
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