RU2212271C1

RU2212271C1 - Laser method for carbon isotope production

Info

Publication number: RU2212271C1
Application number: RU2002104920/12A
Authority: RU
Inventors: В.А. Кузьменко
Original assignee: Кузьменко Владимир Александрович
Priority date: 2002-02-27
Filing date: 2002-02-27
Publication date: 2003-09-20
Also published as: RU2002104920A

Abstract

FIELD: chemical and nuclear engineering. SUBSTANCE: proposed method is used for industrial-scale production of carbon dioxide enriched by C-13 isotope. Freon-and-oxygen mixture is supplied to inlet of laser reactor 1. The latter is disposed inside pulse-periodic carbon dioxide laser 2. Buffer gas (nitrogen) is supplied to connecting pipes. Gas mixture has in its composition CF₂HCl, N₂, O₂, HCl, C₂F₂, COF₂. at outlet of laser reactor 1 and is doped with iodine vapors. Mixture obtained is conveyed to photochemical reactor 3 irradiated from outside with incandescent lamps of 300 W each. Mixture incorporating CF₂HCl, N₂, O₂, HCl, COF₂, J₂, in its composition that escapes from photochemical reactor 3 is passed to adsorber wherein iodine vapors are entrapped. CF₂HCl, HCl, COF₂. are held in cryogenic condenser 5. Mixture of gases N₂ and O₂ is supplied again to inlet of laser reactor 1 from cryogenic condenser 5 by means of gas blower 6. Liquid is passed from cryogenic condenser 5 to evaporator 7 and then to absorber 8. Freon depleted by isotope C-13 is condensed upon passing drier 9 with aid of compressor 10 and fed to accumulator 11. Liquid flowing from absorber 8 is essentially carbonate. Carbon dioxide enriched by isotope C-13 is obtained by reaction between this carbonate and acid. Proposed method makes it possible to avoid cryogenic rectification stage for freon. In the process laser reactor 1 can be cooled down to temperatures as low as 50 to 100 C. EFFECT: reduced amount of chemical agents used. 1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области разделения изотопов с помощью лазерного излучения, в частности для промышленного получения изотопов С-13 путем многофотонной диссоциации молекул CF₂HCl. Для ряда медицинских применений обычно достаточно содержания С-13 в конечном продукте 40-80%. Оно может быть достигнуто в результате одностадийного процесса лазерного обогащения изотопов.The invention relates to the field of isotope separation using laser radiation, in particular for the industrial production of C-13 isotopes by multiphoton dissociation of CF ₂ HCl molecules. For a number of medical applications, a C-13 content of 40-80% in the final product is usually sufficient. It can be achieved as a result of a one-stage process of laser enrichment of isotopes.

Известны способы получения изотопов углерода, включающие диссоциацию молекул CF₂HCl излучением импульсного СО₂-лазера, выделение образовавшегося тетрафторэтилена (ТФЭ) и конвертирование его в двуокись углерода [1, 2]. Значительным недостатком этих способов является необходимость использования криогенной ректификации фреона для выделения ТФЭ из смеси.Known methods for producing carbon isotopes, including the dissociation of CF ₂ HCl molecules by radiation from a pulsed CO ₂ laser, isolating the resulting tetrafluoroethylene (TFE) and converting it to carbon dioxide [1, 2]. A significant drawback of these methods is the need to use cryogenic rectification of freon to isolate TFE from the mixture.

Известен также способ получения изотопов углерода путем диссоциации молекул CF₂HCl, где минуют стадию получения ТФЭ [3]. Для этого в лазерный реактор добавляется кислород. Проблема, однако, в том, что эффективность взаимодействия радикалов CF $\binom{••}{2}$ , образующихся при диссоциации молекул CF₂HCl под действием излучения CO₂- лазера, с кислородом мала. Поэтому даже при большом избытке кислорода образуется преимущественно ТФЭ. В то же время известно, что молекулы галогенов выполняют роль катализаторов реакции радикалов CF $\binom{••}{2}$ с кислородом [4]. Это свойство и использовано в обсуждаемом аналоге. В газовую смесь кроме кислорода добавляют некоторое количество галогенов (хлор, бром или йод). При этом под действием лазерного излучения в газовой смеси протекают следующие основные реакции:
CF₂HCl+nhv-->CF $\binom{••}{2}$ +HCl (1)
CF $\binom{••}{2}$ +Г₂_→ CF₂Г^•+Г^• (2)
CF $\binom{••}{2}$ +O₂_→ COF₂ +ГO^• (3)
Г^•+Г^•_→ Г₂ (4)
Образующийся оксифторид углерода легко гидролизуется до двуокиси углерода. Его можно отделить от фреона, например, путем абсорбции раствором щелочи.There is also a method of producing carbon isotopes by dissociation of CF ₂ HCl molecules, where the stage of TFE production is passed [3]. For this, oxygen is added to the laser reactor. The problem, however, is that the efficiency of the interaction of CF radicals $\binom{••}{2}$ formed during the dissociation of CF ₂ HCl molecules under the action of radiation from a CO ₂ laser with oxygen is small. Therefore, even with a large excess of oxygen, TFE is formed predominantly. At the same time, it is known that halogen molecules act as catalysts for the reaction of CF radicals $\binom{••}{2}$ with oxygen [4]. This property was used in the discussed analogue. In addition to oxygen, a certain amount of halogens (chlorine, bromine or iodine) is added to the gas mixture. In this case, under the action of laser radiation in the gas mixture, the following main reactions occur:
CF ₂ HCl + nhv -> CF $\binom{••}{2}$ + HCl (1)
CF $\binom{••}{2}$ + G ₂ _ → CF ₂ G ^• + G ^• (2)
CF $\binom{••}{2}$ + O ₂ _ → COF ₂ + GO ^• (3)
G ^• + G ^• _ → G ₂ (4)
The resulting carbon oxyfluoride is easily hydrolyzed to carbon dioxide. It can be separated from freon, for example, by absorption with an alkali solution.

Этот способ получения изотопов углерода имеет два недостатка. Во-первых, требуется добавлять в газовую смесь значительное количество катализатора. В случае использования хлора, который трудно отделить от фреона физическими методами (дистилляцией, адсорбцией), возникает проблема его химического выделения и утилизации. При использовании брома или йода проявляется второй недостаток способа: невозможно охладить лазерный реактор и газовую смесь в нем до температуры -50÷-100^oС, так как катализатор будет конденсироваться в лазерном реакторе. В то же время такое охлаждение очень желательно, так как изотопическая селективность диссоциации молекул фреона возрастает при этом в 3-4 раза.This method of producing carbon isotopes has two drawbacks. First, a significant amount of catalyst is required to be added to the gas mixture. In the case of using chlorine, which is difficult to separate from freon by physical methods (distillation, adsorption), there is a problem of its chemical isolation and utilization. When using bromine or iodine, the second disadvantage of the method is manifested: it is impossible to cool the laser reactor and the gas mixture in it to a temperature of -50 ÷ -100 ^o C, since the catalyst will condense in the laser reactor. At the same time, such cooling is very desirable, since the isotopic selectivity of the dissociation of Freon molecules increases in this case by 3-4 times.

Цель настоящего изобретения состоит в устранении обсуждаемых недостатков аналогов. The purpose of the present invention is to eliminate the discussed disadvantages of analogues.

Цель достигается тем, что окисление ТФЭ проводят в присутствии фреона в отдельном фотохимическом реакторе, расположенном после лазерного реактора, под действием света непрерывно действующих ламп. The goal is achieved in that the TFE is oxidized in the presence of freon in a separate photochemical reactor located after the laser reactor, under the influence of light from continuously operating lamps.

Сущность изобретения состоит в том, что такие вещества, как бром или йод, вводятся в газовую смесь уже после лазерного реактора, а в фотохимическом реакторе они диссоциируют на атомы под действием света ламп и инициируют протекание каталитической радикально-цепной реакции окисления ТФЭ:
Г₂+hν _→ Г^•+Г^• (5)
Г^•+C₂F₄_→ ГC₂F $\binom{•}{4}$ (6)
ГC₂F $\binom{•}{4}$ +O₂-->2COF₂+Г^• (7)
Экспериментально установлено, что такая фотохимическая каталитическая радикально-цепная реакция окисления ТФЭ в присутствии фреона при комнатной температуре протекает мягко, без потери в продуктах изотопической селективности первичного процесса лазерной диссоциации молекул CF₂HCl. Использование фотохимического реактора позволяет также значительно понизить требуемую концентрацию катализатора в газовой смеси. Это связано, с одной стороны, с тем, что время нахождения газовой смеси в фотохимическом реакторе может в сотни раз превышать время ее нахождения в лазерном реакторе. С другой стороны, инициирование химических реакций в фотохимическом реакторе происходит непрерывно, а в лазерном реакторе время инициирования определяется длительностью лазерного импульса, которая составляет ~10^-7 с.The essence of the invention lies in the fact that substances such as bromine or iodine are introduced into the gas mixture after the laser reactor, and in the photochemical reactor they dissociate into atoms under the influence of light from the lamps and initiate the catalytic radical chain reaction of TFE oxidation:
Г ₂ + hν _ → Г ^• + Г ^• (5)
D ^• + C ₂ F ₄ _ → D ₂ F $\binom{•}{4}$ (6)
HS ₂ F $\binom{•}{4}$ + O ₂ -> 2COF ₂ + G ^• (7)
It was experimentally established that such a photochemical catalytic radical chain reaction of TFE oxidation in the presence of Freon at room temperature proceeds gently, without losing the isotopic selectivity of the primary process of laser dissociation of CF ₂ HCl molecules in the products. The use of a photochemical reactor can also significantly reduce the required concentration of catalyst in the gas mixture. This is due, on the one hand, to the fact that the residence time of the gas mixture in the photochemical reactor can be hundreds of times longer than the residence time in the laser reactor. On the other hand, the initiation of chemical reactions in a photochemical reactor occurs continuously, and in a laser reactor, the initiation time is determined by the laser pulse duration, which is ~ 10 ^-7 s.

Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором в качестве примера практической реализации предлагаемого спосооа приведена схема установки для лазерного получения изотопов углерода. The invention is illustrated in the drawing, which, as an example of the practical implementation of the proposed method, shows a setup for laser production of carbon isotopes.

Лазерный реактор 1 расположен внутри резонатора импульсно-периодического СО₂-лазера 2. Буферный газ (азот) и кислород подаются в соединительные трубы. Фреон подается непосредственно на вход лазерного реактора. В газовую смесь на выходе лазерного реактора (CF₂HCl, N₂, O₂, НСl, C₂F₄, COF₂) добавляют пары йода (~10^-2 мм рт.ст.).The laser reactor 1 is located inside the cavity of a repetitively pulsed CO ₂ laser 2. Buffer gas (nitrogen) and oxygen are supplied to the connecting pipes. Freon is fed directly to the input of the laser reactor. In the gas mixture at the outlet of the laser reactor (CF ₂ HCl, N ₂ , O ₂ , Hcl, C ₂ F ₄ , COF ₂ ) iodine vapors (~ 10 ^-2 mm Hg) are added.

Фотохимический реактор 3 представляет собой четыре стеклянные трубы диаметром 60 мм и длиной по 1,5 м, соединенных последовательно и облучаемых снаружи тремя лампами накаливания мощностью по 300 Вт. Выходящая из фотохимического реактора смесь газов (CF₂HCl, N₂, O₂, НСl, COF₂, I₂) поступает в адсорбер 4, где улавливаются пары йода. Адсорбер можно использовать также в качестве источника паров йода, если изменить направление протекания газов. После адсорбера газовая смесь поступает в криогенный конденсатор 5, где задерживаются относительно низколетучие соединения (CF₂HCl, HCl, COF₂). Прошедшие криогенный конденсатор газы (N₂, O₂) с помощью газодувки 6 подаются на вход лазерного реактора. Жидкость из криогенного конденсатора поступает в испаритель 7. После испарителя газовая смесь под давлением 1-9 атм подается в абсорбер 8. Прошедший абсорбер фреон, обедненный углеродом-13, после осушителя 9 конденсируется с помощью компрессора 10 и поступает в сборник 11. Двуокись углерода, обогащенную углеродом-13, можно получить действием кислоты на раствор соответствующего карбоната, полученного в абсорбере. Следы фтористого и хлористого водорода удаляют путем дополнительного промывания двуокиси углерода водой.Photochemical reactor 3 consists of four glass tubes with a diameter of 60 mm and a length of 1.5 m, connected in series and irradiated from the outside with three incandescent lamps with a power of 300 watts each. The mixture of gases leaving the photochemical reactor (CF ₂ HCl, N ₂ , O ₂ , Hcl, COF ₂ , I ₂ ) enters adsorber 4, where iodine vapor is trapped. The adsorber can also be used as a source of iodine vapor, if you change the direction of gas flow. After the adsorber, the gas mixture enters the cryogenic condenser 5, where relatively low volatility compounds (CF ₂ HCl, HCl, COF ₂ ) are retained. Passed cryogenic condenser gases (N ₂ , O ₂ ) using a gas blower 6 are fed to the input of the laser reactor. The liquid from the cryogenic condenser enters the evaporator 7. After the evaporator, the gas mixture at a pressure of 1-9 atm is fed to the absorber 8. The passed carbon-13 depleted absorber after the desiccant 9 is condensed by the compressor 10 and enters the collector 11. Carbon dioxide, enriched with carbon-13, can be obtained by the action of an acid on a solution of the corresponding carbonate obtained in the absorber. Traces of hydrogen fluoride and chloride are removed by additional washing of carbon dioxide with water.

Источники информации:
1. Патент США 4436709, B 01 D 59/00, от 13.03.1984.Sources of information:
1. US patent 4436709, B 01 D 59/00, 03/13/1984.

2. Российский патент 2144421, от 10.03.1998. 2. Russian patent 2144421, dated 10.03.1998.

3. Патент США 5085748, B 01 D 005/00, от 04.02 1992. 3. US patent 5085748, B 01 D 005/00, from 04.02 1992.

4. Кузьменко В.А. Журнал физической химии, т.63, 7, с.1911, 1989 г. 4. Kuzmenko V.A. Journal of Physical Chemistry, vol. 63, 7, p. 1911, 1989

Claims

A method for the laser production of the C-13 isotope, comprising irradiating a gas mixture containing freon and a buffer gas in a laser reactor using a pulsed CO ₂ laser, and then oxidizing the resulting tetrafluoroethylene, characterized in that oxygen or dried air are added to the initial gas mixture, and the gas mixture exiting the laser reactor introduces a catalyst, which is used as a halogen, and the oxidation of tetrafluoroethylene is carried out in a photochemical reactor when irradiated with lamp light, under the influence of radiation tions which catalyst molecules dissociate into free radicals, and then the remaining refrigerant depleted in the isotope C-13 is separated enriched in the isotope C-13 carbon oxyfluoride, formed as a result of photochemical catalytic oxidation of tetrafluoroethylene.