DE2722310A1 - Photochemisches isotopentrennverfahren - Google Patents

Description

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein

photochemisches Isotopentrennverfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Obwohl sich die Spektralcharakteristik von Molekülen, die unterschiedliche Isotope eines bestimmten Elementes enthalten, nur hinsichtlich ihrer Feinstruktur unterscheiden, ist es bekanntlich oft möglich, Moleküle, die ein bestimmtes Isotop enthalten, selektiv durch die sehr monochromatische Strahlung eines Lasers,dessen Wellenlänge geeignet gewählt ist, selektiv anzuregen, gegebenenfalls sogar bis zur Ionisation, während die anderen Moleküle, die ein anderes Isotop enthalten, die Strahlung praktisch nicht absorbieren und daher auch nicht nennenswert angeregt werden (siehe z.B. "Scientific American", Februar 1977 S. 86 bis 98).

Die angeregten Moleküle können durch physikalische oder chemische Methoden getrennt werden, wobei letztere den Vorteil einfacherer Durchführbarkeit und potentiell höherer Ausbeute aufweisen.

Zur chemischen Trennung hat man bereits die verschiedensten Reaktionen ausgenutzt, z.B.Prädissoziation und Dissoziation von Molekülen, z.B. die selektive photoinduzierte Zerlegung des Tetrazinmoleküls C₃H₇N. in N_ und HCN, oder Austauschreaktionen, bei denen ein isotopenselektiv angeregtes Molekül mit einem anderen Reaktionspartner ("Scavenger") zur Reaktion gebracht wird.

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Die Anwendbarkeit von unimolekularen Reaktionen wird dadurch erheblich eingeschränkt, daß nur relativ kleine Moleküle verwendet werden können, die im Spektrum noch eine ausnutzbare Isotopenverschiebung zeigen. Austauschreaktionen haben den Nachteil, daß die dabei zwischenzeitlich entstehenden Radikale unerwünschte Nebenreaktionen verursachen (Radikal-Scrambling), durch die der Anreicherungsfaktor erheblich beeinträchtigt werden kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein photochemisches Isotopentrennverfahren anzugeben, bei welchem störende Nebenreaktionen vermieden werden können, eine hohe Ausbeute gewährleistet ist und die Durchführung der eigentlichen Trennung mit einfachen Mitteln bewirkt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch ein photochemisches

Isotopentrennverfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 vorausgesetzten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Moleküle und der Reaktionspartner so gewählt sind, daß zwischen den angeregten Molekülen und dem Reaktionspartner eine Additions- oder Anlagerungsreaktion stattfindet, nicht oder jedoch in wesentlich geringerem Maße zwischen den nicht angeregten Molekülen und dem Reaktionspartner.

Die Unteransprüche betreffen Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungeη dieses Verfahrens.

Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wird das Element, dessen Isotopen zu trennen sind, vorzugsweise in einem möglichst kleinen Molekül verwendet, das gute Isotopenverschiebungen in den Spektren erkennen läßt und durch

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die Laserstrahlung werden nur ein oder mehrere Banden eines vorgegebenen Isotops in einen stabilen elektronischen Anregungszustand angehoben. Dieses reagiert dann im angeregten Zustand mit einem Reaktionspartner (Scavenger), der so ausgewählt wird, daß im Dunkeln keine oder doch nur eine sehr langsame Reaktion stattfindet.

Da eine große Auswahl von selektiv anregbaren Molekülen und einer Additionsreaktion mit diesen Molekülen fähiger Reaktionspartner gewöhnlich zur Verfügung steht, läßt sich auch das Problem der Abtrennung der Produkte, in denen das gewünschte Isotop angereichert ist, im allgemeinen einfach durchführen.

Beispiel 1

Zur Anreicherung des Chlorisotops Cl wird dampfförmiges Jodmonochlorid in Acetylen mit der Strahlung eines kontinuierlich arbeitenden Rhodamin-6 G-Farbstofflasers etwa zehn Minuten bestrahlt. In der Strahlung des Farbstofflasers wurde durch eine mit Cl I gefüllte Küvette alle diejenigen Anteile unterdrückt, die von Cl Γ absorbiert werden. Das selektiv angeregte Cl I reagierte mit dem Acetylen unter Bildung von Cis-1,2-Jod-Chlor-Äthylen gemäß der folgenden Gleichung:

,₇ hv H H

I 'Cl* + HC s CH —> T-C'

Der Anreicherungsfaktor hängt relativ wenig vom Jodchlorid-Druck, jedoch relativ stark vom Azethylendruck

P,, U ab. ß nimmt nämlich etwa linear mit 1/p^ _u _„ i~2 n₂ v_2 rl j zu.

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Acetylendruck soll vorzugsweise unter 0,1 Torr liegen. Als Jodchloriddruck hat sich ein Druck von ca. 0,1 Torr bewährt.

Auch das Material der Wände des Reaktionsgefäßes ist von Bedeutung: Quarzglas verschlechtert den Anreicherungsfaktor erheblich, während bei Verwendung von Borosilikat-Geräteglas (Wz "Pyrex") praktisch keine störenden Nebenreaktionen eintraten.

Durch massenspektrometrische Untersuchung

wurde festgestellt, daß der Anreicherungsfaktor unter diesen Bedingungen ß = 48 betrug, so daß man ausgehend vom natürlichen

etwa 94% ³⁷Cl erhält.

Selbstverständlich hätte man auch die Strahbst
geregt wird.

Isotopengemisch etwa 94% Cl erhält.

tte man auch di lung des Farbstofflasers so wählen können, daß das Cl J an-

Die Abtrennung des gewünschten Isotops ist bei diesem Beispiel besonders einfach durchzuführen, z.B. indem man das Reaktionsgemisch in einer Durchflußküvette bestrahlt und dann nach der Reaktion durch verschieden tief gekühlte Kühlfallen leitet, deren Temperaturen so gewählt sind, daß in einer das 1,2-Chlorjodäthylen ausfriert. Dieses kann dann nach Bedarf weiter verarbeitet werden, z.B. kann man es durch Verbrennen in HCl überführen und diese dann mit NaOH neutralisieren, und die resultierende Lösung eindampfen, so daß man schließlich das angereicherte Chlorisotop in Form von NaCl erhält.

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Beispiel 2

Zur Anreicherung eines Chlorisotops kann eine

Mischung aus Cl- und SO- verwendet werden und durch Einstrahlung in die Bande des das gewünschte Chlorisotop enthaltenden Chlormoleküls bei 4200 Ä die Additionsreaktion C1-+SO- —y SO-Cl ausgenützt werden.

Beispiel 3

Unter Verwendung des gleichen Reaktionsgemisches aus Cl~ und S0_ wie beim Beispiel 2 kann durch Einstrahlung bei 3500 bis 3800 Ä in die Banden des SO₉ dieselbe Additionsreaktion benutzt werden, um S oder S anzureichern.

Beispiel 4

Unter Verwendung der gleichen Reaktionsmischung wie bei Beispiel 2 und 3 wird durch Anregung einer bestimmten Wellenlänge in den erwähnten Banden des S0_ eines der Sauer-

17 IR stoffisotope 0 und 0 angeregt.

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Claims (7)

patentanwXi/γε DR. DIETER V. BEZOLD DIPL. ING. PETER SCHÜTZ Z / £ £ J I U DIPL. ING. WOLFGANG HEUSLER MARIA-THBRBSIA-STRASSB SS POSTFACH ββΟβββ D-SOOO MUENCHEN 8β TBLBFOIf <»·/«Τ··Ο· TBLBX BStMS TBLBORAMM SOM 17. Mai 1977 1ΟΟ83 Dr.ν.Β/Ε Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. 3400 Göttingen, Bunsenstraße 10 Photochemisches Isotopentrennverfahren Patentansprüche

1. Photochemisches Isotopentrennverfahren,

bei welchem relativ einfache Moleküle,- welche ein bestimmtes Isotop eines Elements enthalten, durch optische Strahlung sftektiv angeregt werden, welche von anderen gleichartigen Molekülen, die ein anderes Isotop des betreffenden Elements enthalten, nicht oder jedenfalls in wesentlich geringerem Maße absorbiert wird, bei welchem ferner die angeregten Moleküle mit einem Reaktionspartner zur Reaktion gebracht werden und schließlich aus den resultierenden Reaktionsprodukten dasjenige, welches das gewünschte Isotop enthält, von den übrigen Reaktionsprodukten abgetrennt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Moleküle und der Reaktionspartner so gewählt werden, daß zwischen den angeregten Molekülen und dem Reaktionspartner eine Additions-

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oder Anlagerungsreaktion stattfindet, zwischen den nicht angeregten Molekülen und dem Reaktionspartner jedoch nicht oder nur in wesentlich geringerem Maße.

2. Isotopentrennverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Reaktionspartner eine ungesättigte Kohlenstoffverbindung, wie ein Olefin oder Alkin, verwendet wird.

3. Isotopentrennverfahren nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß als Molekül ein Halogenmolekül und als Reaktionspartner Acetylen verwendet werden.

4. Isotopentrennverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Haloqenmolekül Jodchlorid verwendet wird.

5. Isotopentrennverfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß als Moleküle Halogen- oder Halogenidmoleküle, insbesondere Chlor- bzw. Chloridmoleküle einerseits, oder Schwefeldioxid-Moleküle andererseits verwendet werden und daß als Reaktionspartner die andere dieser beiden Molekülsorten verwendet wird.

6. Isotopentrennverfahren nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, daß es zur Anreicherung eines Halogen-, Schwefel- oder SauerstoffIsotops verwendet wird.

7. Isotopentrennverfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß als Reaktionspartner Halogenmoleküle, insbesondere Chlormoleküle und als isotopenselektiv angeregte Moleküle Schwefeldioxid-Moleküle verwendet werden.

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