DE944848C - Verfahren zur Trennung von Isotopen - Google Patents
Verfahren zur Trennung von IsotopenInfo
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D59/00—Separation of different isotopes of the same chemical element
- B01D59/28—Separation by chemical exchange
- B01D59/32—Separation by chemical exchange by exchange between fluids
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- Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)
Description
BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
AUSGEGEBEN AM 28. JUNI 1956
DEUTSCHES PATENTAMT
M 944 848 KLASSE 12g GRUPPE 1oi
INTERNAT. KLASSE B 01 j
H 16793IV al 12 g
Dr. phil. Karl Erik Olov Holmberg, Stockholm
ist als Erfinder genannt worden
Dr. phil. Karl Erik Olov Holmberg, Stockholm
Verfahren zur Trennung von Isotopen
iPatentiert im Gebiet der Bundesrepublik Deutsdiland vom 21. Juni 1953 an
!Patentanmeldung bekanntgemacht am 15. Dezember 1955
Patenterteilung bekanntgemacht am 7. Juni 1956 Die Priorität der Anmeldung in. Schweden vom 9. Juli 1952 ist in Anspruch genommen
Zur Konzentration der Isotope von Elementen sind oft chemische Austauschprozesse verwendet worden.
Bei chemischen Reaktionen reagieren die Isotope gewöhnlich mit Geschwindigkeiten, die voneinander
leicht verschieden sind. Daher weicht bei einer Gleichgewichtsreaktion zwischen zwei chemischen
Verbindungen die Gleichgewichtskonstante ein wenig von ι ab, und somit wird das Verhältnis der Isotope
in den beiden Verbindungen ein wenig verschieden. Ein wohlbekanntes Beispiel ist das Gleichgewicht
zwischen Ammoniak und dem Ammonium-Ion
N15H3 + N14H4 + = N14H3
(Gas) (Lösung) (Gas)
(Gas) (Lösung) (Gas)
+ N15H+
(Lösung) mit der Gleichgewichtskonstante 1,031, d. h. (N14H3) (N15H4 +)
(Lösung) mit der Gleichgewichtskonstante 1,031, d. h. (N14H3) (N15H4 +)
(N15H3) (N14H1 +)
= 1,031.
Der Trennfaktor des einfachen Prozesses ·— α — ist
gegeben durch das Verhältnis zwischen den Isotopenverhältnissen in den beiden Verbindungen, in diesem
Falle also
α =
NH+-Lösung
N1
= 1,031 ·
N H,-Gas
Die NHi-Ionphase ist also ein wenig mit dem
schweren Stickstoffisotop angereichert.
Um eine nutzbare Anreicherung zu erhalten, ist es notwendig, den Trennfaktor des einfachen Prozesses
zu vervielfachen, was bisher in der Regel mittels eines Kolonnenverfahrens durchgeführt wurde. Man läßt
eine Ammoniumsalzlösung eine FüUkörperkolonne herunterrieseln und mischt sie dabei mit NaOH-Lösung.
Hierauf wird das NH3 durch Sieden völlig
ίο ausgetrieben und veranlaßt, im Gegenstrom zu der
Ammoniumsalzlösung durch die Kolonne aufwärts zu strömen, wodurch ein Austausch stattfindet, so daß
N15 zur Lösung geht und am Boden der Kolonne konzentriert wird. Das oben an der Kolonne abströmende
NH3-GaS kann entfernt werden, oder aber es kann durch Hinzufügen von Säure in Ammoniumsalzlösung
übergeführt werden, welche dann wiederum die Kolonne herabrieselt; die Zufuhr an frischer
Ammoniumsalzlösung kann entsprechend vermindert werden. Nach einiger Zeit erreicht die Kolonne ihren
Gleichgewichtszustand, nämlich wenn der Prozentsatz an N15 am Boden der Kolonne nicht länger zunimmt;
dann oder auch ein wenig früher kann das an N15 angereicherte Material abgezogen werden. DerProzentsatz
an N15 hängt von der Anzahl der theoretischen Böden (n) der Kolonne unter den vorherrschenden
Bedingungen ab. Es ist möglich, einen Gesamttrennungsfaktor R durch die folgende Gleichung zu
bestimmen:
/ 1^15 \
=T7-I Bodenteil
N15
Oberteil
Der Durchgang von N15 durch die Kolonne hindurch wird bestimmt durch den Unterschied der N15-Konzentration
der Ammoniumsalzlösung und des Ammoniakgases am Oberteil der Kolonne. Für ein Isotop mit
einer niedrigen Konzentration N, wobei N die MoI-fraktion
des besagten Isotops in dem Element ist, wird der'Nettodurchgang Γ jenes Isotops durch die
Kolonne hindurch angegeben durch die Formel
worin L der Gesamtdurchfluß des Elements durch die Kolonne ist; L und T können beide in Mol je Zeiteinheit
ausgedrückt werden. Der Gesamtdurchfluß L ist das Vielfache des Durchganges an N15 bzw. des
betreffenden Isotops, das stets nahezu gleich 1 ist, und infolgedessen werden große Mengen an Chemikalien
verbraucht.
Andere wohlbekannte Austauschreaktionen sind die folgenden:
Zwischen HCN und CN zur Konzentration von C13
a = 1,012, zwischen CO2 und HCO3 zur Konzentration von C13
a — 1,012,
zwischen SO2 und HSO3 zur Konzentration von S34
α = 1,019,
zwischen H2O und CO2 zur Konzentration von O18
α = i,O39.
Eine ausführlichere Beschreibung von Austauschreaktionen
findet sich in dem Werk »Preparation and Measurements of Isotopic Tracers« (»Herstellung und
Messungen von isotopischen Spürelementen cc) von D. Wright Wilson, A. O.C. Nier und Stanley P. Reimann,
J. W. Edwards, Ann Arbour, Michigan 1946, S. ι bis 10, sowie in dem darin auf S. 10 angegebenen
Literaturnachweis.
Ein weiteres Verfahren der Isotopentrennung ist die fraktionierte Destillation, welche in günstigen
Fällen zur Anwendung kommen kann. Sie ist einfach durchzuführen und erfordert keine großen Mengen an
Chemikalien, sondern in der Hauptsache Wärmeenergie. Ein Nachteil ist, daß die Gleichgewichtsfaktoren
des einfachen Prozesses sehr klein sind und selten über mehr als 1,005 hinausgehen, so daß sehr
große Kolonnen erforderlich sind, um eine beträchtlichere Anreicherung und einen größeren Isotopendurchgäng
herbeizuführen. Bekannte Beispiele sind die Destillation von Wasser zwecks Konzentration von
O18 (α = 1,004 bei ioo° C und α = 1,007 bei 50° C)
sowie die Destillation von Kohlenmonoxyd zwecks Konzentration von C13 (α = ι,οιι bei — 2020 C).
Die Erfindung bezieht sich auf ein neues Verfahren der Isotopentrennung, welches zweckmäßigerweise mit
dem Namen »Austauschdestillation« belegt werden kann, da es als eine Kombination des Austauschverfahrens
mit der fraktionierten Destillation angesehen, werden kann, Das Verfahren weist den Vor- go
teil guter Trennfaktoren auf wie beim Austauschprozeß, jedoch ohne den hohen Verbrauch dieses Verfahrens
an Chemikalien, vereint mit der einfachen Apparatur und Verfahrensweise des Destillationsprozesses.
Um diese Ergebnisse zu erzielen, wird erfindungsgemäß eine flüssige, schmelzbare oder lösliche dissoziierbare
Verbindung A B aus einer die abzutrennenden Isotope enthaltenden Verbindung A und einer anderen
Verbindung B hergestellt, welche, falls sie nicht flüssig sein sollte, geschmolzen oder gelöst und danach erhitzt
wird, so daß eine Gasphase gebildet wird, in welcher das Verhältnis des Gehalts an gebundenen Verbindungen
A zu dem Gesamtgehalt der gleichen Verbindung A verschieden ist von dem entsprechenden
Verhältnis in der flüssigen Phase, worauf in einer Kaskade eine Gegenströmung zwischen der Gasphase
und der flüssigen Phase geschaffen wird. Während dieser entgegengesetzt gerichteten Strömung findet
ein Isotopenaustausch zwischen der Gasphase und der no
flüssigen Phase statt, so daß leichtere Isotope an einem Ende der Kaskade, schwere Isotope am anderen
Ende der Kaskade angereichert bzw. konzentriert werden.
Den Unterschied in dem Verhältnis zwischen gebundenem A 'und Gesamt-^ in der Gasphase bzw.
der flüssigen Phase erhält man in der Weise, daß entweder die zusammengesetzte Verbindung in der Gasphase
mehr dissoziiert ist (AB ===== A -\- B) als in der
flüssigen Phase (oder umgekehrt) oder daß die Verbindung AB beim Erhitzen zersetzt wird, so daß die
flüchtigere Verbindung A als Gas von der weniger
flüchtigen Verbindung B abgetrieben wird. In dem Kaskadenverfahren, welches vorzugsweise als
Kolonnendestillation ausgeführt wird, wird eine Gegenströmung geschaffen, und zwar im ersten Falle von
(A + B) aas zu A BfiasHg und im zweiten Falle von
AgoS ZU AB flüssig.
Wenn ein Gleichgewicht A -f- B = X -\- Y bei verschiedenen
Gleichgewichtskonstanten in der Gas- und in der flüssigen Phase besteht, dann ist es ebenfalls
möglich, in der gleichen Weise vorzugehen, vorausgesetzt, daß es technisch möglich ist, das Gegenstromverfahren
durchzuführen.
Das neue Verfahren bietet die gleichen Vorteile
Das neue Verfahren bietet die gleichen Vorteile
ίο wie die Destillationsmethode, nämlich einen niedrigen
Verbrauch an Chemikalien und Einfachheit des Betriebes; überdies ergibt es einen besseren
Trennfaktor, vergleichbar dem bekannter Austauschreaktionen.
Ganz allgemein können mehrere Verbindungen B1,
S8 usw. hinzugesetzt werden, um die zusammengesetzte
Verbindung zu ergeben; ebenso können eine oder mehrere Substanzen C1, C2 usw. als Lösungsmittel
hinzugesetzt werden.
Nachstehend sind einige Beispiele von erfindungsgemäßen
Austauschdestillationen angeführt:
1. Der Hauptfall: A und B ergeben eine Verbindung
AB, welche bei geeignetem Druck und bei konstanter Zusammensetzung destilliert werden kann,
wobei der Dampf der Verbindung mehr (oder weniger) dissoziiert wird als die Flüssigkeit. Dieser Fall ist der
allereinfachste, und die Trennung kann als gewöhnliche fraktionierte Destillation durchgeführt werden. Beispiel:
A = BF3; B = ein Äther, z. B. Methyl- oder
Äthyläther.
2. AB wird durch Erhitzen zersetzt, und die flüchtigere Verbindung A trennt sich als Gas von der
weniger flüchtigen Verbindung B. Am Boden der Kolonne kann die Komponente jB abgezogen und
wieder nach oben gefördert werden, von wo sie im Gegenstrom zu dem Gas oder Dampf A die Kolonne
herabfließt. Beispiel: A = BF3; B= Anisol.
1 3. Falls im Falle 1 die Verbindung AB fest ist und daher nicht durch die Kolonne fließen kann, fügt man eine Verbindung C hinzu, welche mit AB eine Lösung oder eine flüssige Verbindung ergibt und welche weniger flüchtig als AB sein kann oder zusammen mit AB übergeht. Im ersten Falle wird C in der gleichen Weise wie die Verbindung B im Falle 2 wieder durch die Kolonne hindurch in Umlauf versetzt. Beispiel: A = NH3; B = CO2; C = H2O.
1 3. Falls im Falle 1 die Verbindung AB fest ist und daher nicht durch die Kolonne fließen kann, fügt man eine Verbindung C hinzu, welche mit AB eine Lösung oder eine flüssige Verbindung ergibt und welche weniger flüchtig als AB sein kann oder zusammen mit AB übergeht. Im ersten Falle wird C in der gleichen Weise wie die Verbindung B im Falle 2 wieder durch die Kolonne hindurch in Umlauf versetzt. Beispiel: A = NH3; B = CO2; C = H2O.
4. Wenn in dem Falle 2 B oder AB fest ist, dann setzt man eine Verbindung C als Lösungsmittel hinzu.
Insbesondere kann B + C eine Pufferlösung sein, aus welcher A durch Erhitzen ausgetrieben werden kann.
B + C werden dann wiederum wie B im Falle 2 durch die Kolonne hindurchgeschickt. Beispiel: A =NH3;
B = NaH2PO4 + Na2HPO4; C = H2O.
Praktische Beispiele
1. (C2Hg)2O · BF3 wurde in einer Kolonne mit
etwa 30 theoretischen Böden bei einem Druck von mm Hg auf nahezu Gleichgewicht destilliert. Dadurch
wurde am Boden der Kolonne B10 mit dem Trennfaktor R =2,33 konzentriert.
2. Trimethylamin (etwa 2o°/0) + Essigsäure (etwa
80%) wurden in einer Kolonne mit etwa 30 theoretischen Böden bei 40 mm Hg auf nahezu Gleichgewicht
destilliert. Am Boden der Kolonne wurde N15 mit dem Trennfaktor 22 = 1,48 konzentriert.
Claims (3)
1. Verfahren zur Trennung von Isotopen in einem Kaskadenverfahren, z. B. durch Kolonnendestillation,
dadurch gekennzeichnet, daß eine flüssige, schmelzbare oder lösliche dissoziierbare
Verbindung [AB), bestehend aus einer die abzutrennenden Isotope enthaltenden Verbindung (A)
und einer anderen Verbindung (B), als Ausgangsstoff hergestellt wird, welche, falls sie nicht flüssig sein
sollte, geschmolzen oder gelöst und danach erhitzt wird, so daß eine Gasphase gebildet wird, in welcher
das Verhältnis des Gehaltes der gebundenen Verbindung (A) zu dem Gesamtgehalt der gleichen Verbindung
(A) verschieden ist von dem entsprechenden Verhältnis in der flüssigen Phase, worauf in einer
Kaskade mit entgegengesetzt gerichteter Strömung der Gasphase und der flüssigen Phase ein Isotopenaustausch
zwischen Gasphase und flüssiger Phase hervorgerufen wird, so daß leichtere Isotope an
dem einen Ende der Kaskade und schwere Isotope am anderen Ende der Kaskade angereichert
werden.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 zur Isotopentrennung von Bor, dadurch, gekennzeichnet, daß
Borfluorid — BF3 — mit einem Äther, zweck- go
mäßigerweise Äthyläther, zu einer komplexen Verbindung (C2Hg)2O -BF3 umgesetzt und diese komplexe
Verbindung einer fraktionierten Destillation unterworfen wird.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 zur Isotopentrennung von Stickstoff, dadurch gekennzeichnet,
daß ein tertiäres Arnin, z. B. Trimethylamin, mit einer Säure, zweckmäßigerweise einer organischen
Säure, z. B. Essigsäure, umgesetzt und danach einer fraktionierten Destillation unterworfen wird.
Angezogene Druckschriften:
Journal of the American Chemical Society, VoI 87,
Journal of the American Chemical Society, VoI 87,
1935, S. 326;
Auszüge der deutschen Patentanmeldungen, VoI 7,
Auszüge der deutschen Patentanmeldungen, VoI 7,
C 58 874 IV b/12 g, Ausgabetag 1.11. 1948.
© 609 540 6.56
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SE736459X | 1952-07-09 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE944848C true DE944848C (de) | 1956-06-28 |
Family
ID=20319703
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DEH16793A Expired DE944848C (de) | 1952-07-09 | 1953-06-21 | Verfahren zur Trennung von Isotopen |
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Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE944848C (de) |
FR (1) | FR1081016A (de) |
GB (1) | GB736459A (de) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3101256A (en) * | 1958-08-28 | 1963-08-20 | Quartz & Silice S A | Separation of hydrogen isotopes |
US7976708B2 (en) | 2008-05-12 | 2011-07-12 | Secretary, Department of Atormic Energy | Innovative cut-and-feed operation for enhancing the performance of ion-exchange chromatographic separation |
-
1953
- 1953-06-16 GB GB16570/53A patent/GB736459A/en not_active Expired
- 1953-06-21 DE DEH16793A patent/DE944848C/de not_active Expired
- 1953-07-08 FR FR1081016D patent/FR1081016A/fr not_active Expired
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
None * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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FR1081016A (fr) | 1954-12-15 |
GB736459A (en) | 1955-09-07 |
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