DE2722310C2

DE2722310C2 - Photochemisches Isotopentrennverfahren

Info

Publication number: DE2722310C2
Application number: DE2722310A
Authority: DE
Inventors: Fritz Peter Prof. Dipl.-Phys. Dr. 3400 Göttingen Schäfer; Michael Dipl.-Phys. 3406 Bovenden Stuke
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1977-05-17
Filing date: 1977-05-17
Publication date: 1986-02-06
Also published as: FR2390987B3; FR2390987A1; JPS53141900A; GB1593929A; DE2722310A1; US4233125A; JPS6135894B2

Abstract

Es betrifft ein photochemisches Isotopentrennverfahren, bei welchem relativ einfache Molekuele, welche ein bestimmtes Isotop eines Elements enthalten, durch optische Strahlung selektiv angeregt werden, welche von anderen gleichartigen Molekuelen, die ein anderes Isotop des betreffenden Elements enthalten, nicht oder jedenfalls in wesentlich geringerem Masse absorbiert wird, bei welchem ferner die angeregten Molekuele mit einem Reaktionspartner zur Reaktion gebracht werden. Aus den resultierenden Reaktionsprodukten wird dasjenige, welches das gewuenschte Isotop enthaelt, von den uebrigen Reaktionsprodukten abgetrennt. Die Molekuele und der Reaktionspartner werden so gewaehlt, dass zwischen den angeregten Molekuelen und dem Reaktionspartner eine Additions- oder Anlagerungsreaktion stattfindet, zwischen den nicht angeregten Molekuelen und dem Reaktionspartner jedoch nicht oder nur in wesentlich geringerem Masse. Bei dem Verfahren gemaess der Erfindung wird das Element, dessen Isotopen zu trennen sind, vorzugsweise in einem moeglichst kleinen Molekuel verwendet, das gute Isotopenverschiebungen in den Spektren erkennen laesst und durch 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 ausgewaehlt wird, dass im Dunkeln keine oder doch nur eine sehr langsame Reaktion stattfindet. Da eine gross...U.S.W

Description

wodurch die Additions- oder Anlagerungsreaktion frei von solchen Nebenreaktionen ist, die durch zwischenzeitlich entstehende Radikale verursacht sind.

2. Isotopentrennverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle von (A) als Halogenniolekül Jodchlorid verwendet wird.

3. Isot.opentrennverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle von (B) als Halogenniolekül ein Chlormolekül verwendet wird.

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Die vorliegende Erfindung betrifft ein photochemisches Isotopentrennverfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Obwohl sich die Spektralcharakteristik von Molekülen, die unterschiedliche Isotope eines bestimmten EIementes 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 nennnenswert 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 veschiedensl.en Reaktionen ausgenutzt, z. B. Prädissoziation und Dissoziation von Molekülen, z. B. die selektive photoinduzierte Zerlegung des Tetrazinmoleküls C₂H₂N₄ in N₂ und HCN, oder Austauschreaktionen, bei denen ein isotopenselektiv angeregtes Molekül mit einem anderen Reaktionspartner (»Scavenger«) zur Reaktion gebracht wird.

Aus der Veröffentlichung »Chemie in unserer Zeit« 2, (1977), S. 33 bis 44, sind Verfahren zur Isotopentrennung durch stufenweise Photodissoziation von Molekülen bekannt, bei denen nichtselektive Radikalreaktionen nach der Photodissoziation, die die Ausbeute am gewünschten Isotop herabsetzen, durch Zusatz einer genügend hohen Konzentration an Radikalfängern unterdrückt werden. Ferner werden in dieser Veröffentlichung Verfahren zur Isotopentrennung durch isotopenselektive photochemische Reaktionen beschrieben, wobei erwähnt wird, daß ein Problem bei der selektiven Photochemie darin liege, daß die Photochemie von kleinen Molekülen meistens mit der Bildung und Reaktion von freien Radikalen verbunden sei, die schwierig selektiv zu steuern sind. Chlorisotope ließen sich jedoch durch eine selektive bimolekulare Additionsreaktion anreichern, bei der Thiophosgen mit Olefinen photochemisch zu Thiäthan-Derivaten zur Reaktion gebracht wird.

Aus der DE-OS 25 36 940 ist ein Verfahren zur Trennung von Isotopengemischen bekannt, bei dem durch spezielle Anregung einer ein bestimmtes Isotop enthaltenden Verbindung mittels Laserstrahlung eine Komplexbildungsreaktion ausgelöst wird.

Die bekannten photochemischen Isotopentrennverfahren der eingangs genannten Art lassen hinsichtlich der Ausbeute noch sehr zu wünschen übrig, was vor allem auf unerwünschte Nebenreaktionen zurückzuführen sein dürfte, die durch zwischenzeitlich entstehende Radikale verursacht werden und den Anreichungsfaktor erheblich beeinträchtigen.

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

Diese Aufgabe wird bei einem photochemischen Isotopentrennverfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Das Verfahren gemäß der Erfindung zeichnet sich durch eine sehr hohe Ausbeute aus und ermöglicht eine Durchführung der eigentlichen Trennung mit einfachen Mitteln.

Beispiel 1

Zur Anreicherung des Chlorisotops ³⁷Cl wird dampfförmiges Jodmonochlorid in Acetylen mit der Strahlung eines kontinuierlich arbeitenden Rhodamin-6 G-Farbstofflasers etwa zehn Minuten bestrahlt. In der Strahlung des Farbstofflaser werden durch eine mit ³⁵Cl I gefüllte Küvette alle diejenigen Anteile unterdrückt, die von ³⁵Cl I absorbiert werden. Das selektiv angeregte ³⁷Cl I reagiert mit dem Acetylen unter Bildung von Cis-1,2-Jod-Chlor-Äthylen gemäß der folgenden Gleichung:

H H

I¹⁷Cl* + HC = CH ■ C = C

I ³⁷Cl

Der Anreicherungsfaktor hängt relativ wenig vom Jodchlorid-Druck, jedoch relativ stark vom Acetylendruck Pc₂H₁ ab. β nimmt nämlich etwa linear mit 1/PCjIi₂ ^zu· ^Der 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^ = 48 betrug, so daß man ausgehend vom natürlichen Isotopengemisch etwa 94% ³⁷Cl erhält

Selbstverständlich kann man die Strahlung des FarbstofFlasers auch so wählen, daß das ³⁵Cl J angeregt wird.

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 tiefgekühlte 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, dies dann mit NaOH neutralisieren und die resultierende Lösung eindampfen, so daß man schließlich das angereicherte Chlorisotop in Form von NaCl erhält.

Beispiel 2

Zur Anreicherung eines Chlorisotops wird eine Mischung aus Cl₂ und SO₂ verwendet und durch Einstrahlung in die Bande des das gewünschte Chlorisotop enthaltenden Chlormoleküls bei 4200 A die Additionsreaktion Cl₂ + SO₂ - SO₂Cl₂ ausgenützt.

B e i s ρ i e 1 3

Unter Verwendung des gleichen Reaktionsgemisches aus Cl₂ und SO₂ wie beim Beispiel 2 wird durch Einstrahlung bei 3500 bis 3800 Ä in die Banden des SO₂ dieselbe Additionsreaktion benutzt, um ³⁴S oder ³⁶S anzu- so reichern.

Beispiel 4

Unter Verwendung der gleichen Reaktionsmischung wie bei Beispiel 2 und 3 wird durch Anregung einer bestimmten Wellenlänge in den erwähnten Banden des SO₂ eines der Sauerstoffisotope ¹⁷O und ¹⁸O angeregt.

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Claims

Patentansprüche:

1. Photochemisches Isotopentrennverfahren, bei welchem relativ einfache Moleküle, welche ein bestimmtes Isotop eines vorgegebenen Elements enthalten, isotopenselektiv durch eine optische Strahlung 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, wobei die Moleküle und der Reaktionspartner so gewählt werden, daß zwischen den angeregten Molekülen und dem Reaktionspartner eine Additions- oder Anlagerungsreaktion, welche frei von störenden Nebenreaktionen ist und ein abtrennbares Produkt liefert, stattfindet, zwischen den nicht angeregten Molekülen und dem Reaktionspartner jedoch nicht oder nur in wesentlich geringerem Maße, und das Reaktionsprodukt, welches das gewünschte Isotop enthält, abgetrennt wird, dadurch gekennzeichnet, daß

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(A) als Molekül ein Halogenmolekül und als Reaktionspartner Acetylen verwendet werden oder

(B) als Molekül ein Haiogenmolekül oder Schwefeldioxid und als Reaktionspartner das jeweils andere dieser beiden Moleküle verwendet werden,