RU2583808C1 - Способ концентрирования изотопов азота - Google Patents
Способ концентрирования изотопов азота Download PDFInfo
- Publication number
- RU2583808C1 RU2583808C1 RU2015105652/05A RU2015105652A RU2583808C1 RU 2583808 C1 RU2583808 C1 RU 2583808C1 RU 2015105652/05 A RU2015105652/05 A RU 2015105652/05A RU 2015105652 A RU2015105652 A RU 2015105652A RU 2583808 C1 RU2583808 C1 RU 2583808C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- nitrogen
- isotopes
- separation
- nitrogen isotopes
- molecular
- Prior art date
Links
Landscapes
- Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области технологии разделения стабильных изотопов азота 14N и 15N. Способ концентрирования изотопов азота включает проведение противоточного массообменного процесса с использованием молекулярного азота в качестве рабочего вещества, при этом газообразную смесь изотопов азота приводят в контакт с раствором нитрогенильного комплексного соединения переходного металла, способного к термическому отщеплению молекулярного азота и вступающего с ним в реакцию химического изотопного обмена с накоплением 15N в одной из фаз, a 14N - в другой. Изобретение обеспечивает повышение коэффициента разделения изотопов азота и эффективное и экологически безопасное концентрирование изотопа 15N. 2 з.п. ф-лы, 5 пр.
Description
Изобретение относится к области технологии разделения стабильных изотопов азота 14N и 15N. Изотопы азота находят широкое применение в атомной физике, биологии, химии, агрономии и других областях науки и техники. Наибольший интерес изотоп 15N представляет как перспективный компонент высокоплотного уран-плутониевого нитридного топлива АЭС на быстрых нейтронах, поскольку позволяет избежать наработки высокотоксичного радиоактивного изотопа 14С, проблема иммобилизации которого до сих пор не решена.
Известен способ разделения стабильных изотопов азота и кислорода низкотемпературной ректификацией монооксида азота на каскаде колонн [патент РФ №2309788, МПК B01D 59/00, B01D 59/04, B01D 59/28, F25J 3/02, опубл. 10.11.2007], которое обеспечивает одновременное получение изотопов 18O, 17О и 15N.
Недостатками этого способа являются необходимость проведения разделительного процесса при криогенных температурах; склонность жидкого монооксида азота к кристаллизации, нарушающей устойчивую работу каскада колонн; а также высокая токсичность и взрывоопасность оксида азота (II).
Известен способ разделения стабильных изотопов азота противоточным химическим изотопным обменом между газообразными оксидами азота и азотной кислотой, позволяющий получать высококонцентрированный изотоп азот-15 в промышленных масштабах [патент US 2923601, МПК B01D 59/32, опубл. 02.02.1960] с одновременным концентрированием тяжелых изотопов кислорода. Недостатками этого способа являются необходимость использования для обращения потоков больших количеств химических реагентов (до 600 кг диоксида серы на 1 г-ат. 15N и т.д.) с образованием большого количества отвальных продуктов (до 1000 кг некондиционной серной кислоты на 1 г-ат 15N), высокая токсичность и коррозионная активность рабочих веществ.
Известен способ разделения стабильных изотопов азота противоточным химическим изотопным обменом между газообразными оксидами азота и азотной кислотой при низких температурах. В данном способе с целью устранения химического обращения потоков проводят двухтемпературный обмен между азотной кислотой концентрацией выше 40% и оксидами азота в интервале температур от -(50-47) до +(47-50)°С [патент РФ №786102, МПК B01D 59/28, опубл. 27.01.1995]. Основным недостатком является малая эффективность двухтемпературной схемы для значения коэффициентов разделения, наблюдаемых в вышеуказанной системе.
Наиболее близким к описываемому способу по технической сущности является способ концентрирования изотопов азота ректификацией молекулярного азота [заявка US 2010206711, МПК B01D 59/04, опубл. 19.08.2010] на каскаде колонн с отбором изотопного концентрата из конечной колонны при температуре кипения (-196°С). Недостатками указанного метода являются низкие коэффициенты разделения изотопов азота (около 1,004) и необходимость использования криогенных температур для проведения процесса разделения.
Задача изобретения - организация процесса разделения изотопов азота методом химического обмена с использованием в качестве рабочего вещества нетоксичного и доступного рабочего вещества - молекулярного азота без использования криогенных температур. Задача решается за счет использования свойства молекулярного азота обратимо связываться в комплексные соединения с некоторыми переходными металлами. Техническим результатом изобретения является повышение коэффициента разделения изотопов азота при использовании в качестве рабочего вещества молекулярного азота; возможность проводить процесс разделения изотопов азота, исключая процесс глубокого охлаждения рабочей среды разделительной установки; возможность термического обращения потоков, что позволяет более эффективно и экологически безопасно концентрировать изотоп 15N, востребованный атомной энергетикой.
Технический результат достигается тем, что способ концентрирования изотопов азота включает проведение противоточного массообменного процесса с использованием молекулярного азота в качестве рабочего вещества, причем газообразную смесь изотопов азота приводят в контакт с раствором нитрогенильного комплексного соединения переходного металла, способного к термическому отщеплению молекулярного азота и вступающего с ним в реакцию химического изотопного обмена с накоплением 15N в одной из фаз, a 14N - в другой.
В качестве соединения, обратимо связывающего молекулярный азот с образованием нитрогенильного комплексного соединения, используют вещества, выбранные из ряда: аммиакаты рутения, аммиакаты осмия, бис-[три-циклогексилфосфин]-никель; а также соединения из класса металлоценов - например, бис-[пентаметилциклопентадиенил]-титан.
В узлах обращения потоков каскада используют термическое обращение потоков газообразного азота, в сочетании с изменением давления газовой фазы.
Известно явление химического связывания молекулярного азота (диазота) в комплексные химические соединения, в которых диазот (N2) выступает в роли внутрисферного лиганда, образуя комплексы типа [Me(N2)Xn]Am. Образующийся при этом комплекс может вступать в реакцию химического изотопного обмена (1) с газообразным молекулярным азотом:
где Me - переходный металл,
N* - изотоп N-15,
X - внутрисферный лиганд,
А - внешнесферный анион.
Изотопный эффект для системы на основе комплексных соединений молекулярного азота определяли по опубликованным данным о колебательных частотах изотопозамещенных форм молекул комплексных соединений [Бородько Ю.Г., Шилов А.Е / Комплексы молекулярного азота // Успехи химии, 1969, т. XXXVIII, в. 5, с. 761-796] путем расчета отношения приведенных статистических сумм по состояниям соответствующих молекул по известным методикам [Андреев Б.М., Зельвенский Я.Д., Катальников С.Г. I Разделение стабильных изотопов физико-химическими методами. // М., Энергоатомиздат, 1982], при этом предполагали, что изотопное замещение по азоту в молекуле диазота, входящей в состав молекулярного комплексного соединения, не вносит существенного изменения в частоты нормальных колебаний молекулы, за исключением частоты колебания связи в молекуле диазота.
Пример 1.
Проводят многоступенчатый процесс химического обмена между раствором Ru[(NH3)5(N2)]I2 в воде и газообразным азотом N2 при температуре Т=273 K. Частоты нормальных колебаний изотопозамещенных форм молекулы комплексного соединения Ru[(NH3)5(14N2)]I2 и Ru[(NH3)5(14N15N)]I2 составляют 2130 см-1 и 2098 см-1 соответственно; частоты нормальных колебаний изотопозамещенных форм молекулы диазота составляют 2330 см-1 и 2290 см-1 соответственно. Рассчитанное значение коэффициента разделения изотопозамещенных форм рабочего вещества - диазота 14N2 и 14N15N составляет 1,013 (исходя из величин β-факторов - приведенных сумм по состояниям для изотопозамещенных молекулярных форм). Минимальное число теоретических ступеней разделения, требуемое для обогащения изотопом 15N от уровня его природного содержания (0,366 ат.%) до 25 ат.%, 45,5 ат.% и 49,8 ат.%, составляет в этих условиях 354, 436 и 440 соответственно. Процесс осуществляется в насадочной массообменной колонне, заполненной нерегулярной высокоэффективной насадкой, например насадкой типа СПН (спирально призматическая насадка). Обращение потоков - термическое (безреагентное): нагревание жидкого комплексного нитрогенильного соединения с его полной термической диссоциацией на исходный молекулярный азот и вещество-комплексообразователь на нижнем конце разделительного каскада, и охлаждение газообразного молекулярного азота до рабочей температуры разделительного процесса с последующим приведением молекулярного азота в контакт с комплексообразователем с образованием комплексного нитрогенильного соединения на верхнем его конце.
Пример 2.
Проводят многоступенчатый процесс химического обмена между раствором Ru[(NH3)5(N2)]I2 в воде и газообразным азотом при температуре Т=298 K. Частоты нормальных колебаний изотопозамещенных форм молекулы комплексного соединения Ru[(NH3)5(14N2)]I2 и Ru[(NH3)5(14N15N)]I2 составляют 2130 см-1 и 2098 см-1 соответственно; частоты нормальных колебаний изотопозамещенных форм молекулы диазота составляют 2330 см-1 и 2290 см-1 соответственно. Рассчитанное значение коэффициента разделения изотопозамещенных форм рабочего вещества - диазота 14N2 и 14N15N составляет 1,011. Минимальное число теоретических ступеней разделения, требуемое для обогащения изотопом 15N от уровня его природного содержания (0,366 ат.%) до 25 ат.%, 45,5 ат.% и 49,8 ат.%, составляет в этих условиях 389, 479 и 485 ступеней соответственно. Принципиальное аппаратурное оформление процесса аналогично примеру 1.
Пример 3.
Проводят многоступенчатый процесс химического обмена между раствором Os[(NH3)5(N2)]I2 в воде и газообразным азотом при температуре Т=298 K. Частоты нормальных колебаний изотопозамещенных форм молекулы комплексного соединения Os[(NH3)5(14N2)]Cl2 и Os[(NH3)5(14N15N)]Cl2 составляют 2012 см-1 и 1979 см-1 соответственно; частоты нормальных колебаний изотопозамещенных форм молекулы диазота составляют 2330 см-1 и 2290 см-1 соответственно. Рассчитанное значение коэффициента разделения изотопозамещенных форм рабочего вещества - диазота 14N2 и 14N15N составляет 1,013. Минимальное число теоретических ступеней разделения, требуемое для обогащения изотопом 15N от уровня его природного содержания (0,366 ат.%) до 25 ат.%, 45,5 ат.% и 49,8 ат.%, составляет в этих условиях 349, 430 и 435 ступеней соответственно. Принципиальное аппаратурное оформление процесса аналогично примеру 1.
Пример 4.
Проводят многоступенчатый процесс химического обмена между раствором {Ni[(N2)Р(С6Н11)3]2} в циклогексене и газообразным азотом N2. при температуре Т=298 K. Частоты нормальных колебаний изотопозамещенных форм молекулы комплексного соединения Ni14N2[Р(С6Н11)3]2 и Ni14N15N[P(C6H11)3]2 составляют 2028 см-1 и 1979 см-1 соответственно; частоты нормальных колебаний изотопозамещенных форм молекулы диазота составляют 2330 см-1 и 2290 см-1 соответственно. Рассчитанное значение коэффициента разделения изотопозамещенных форм рабочего вещества - диазота 14N2 и 14N15N составляет 1,012. Минимальное число теоретических ступеней разделения, требуемое для обогащения изотопом 15N от уровня его природного содержания (0,366 ат.%) до 25 ат.%, 45,5 ат.% и 49,8 ат.%, составляет в этих условиях 378, 465 и 470 ступеней соответственно. Принципиальное аппаратурное оформление процесса аналогично примеру 1.
Пример 5.
Проводят многоступенчатый процесс химического обмена между раствором [Ti(C5(CH3)5)2]2(N2) в ксилоле и N2 при температуре Т=298 К. Оценочная величина коэффициента разделения изотопозамещенных форм рабочего вещества - диазота 14N2 и 14N15N составляет 1,01. Минимальное число теоретических ступеней разделения, требуемое для обогащения изотопом 15N от уровня его природного содержания (0,366 ат.%) до 25 ат.%, 45,5 ат.% и 49,8 ат.%, составляет в этих условиях 454, 546 и 563 ступени соответственно. Принципиальное аппаратурное оформление процесса аналогично примеру 1, за исключением того, что в узлах обращения потоков каскада используют термическое обращение потоков газообразного азота, в сочетании с изменением давления газовой фазы, выбираемого в диапазоне (0,1÷0,9) долей от значения давления в нижнем сечении разделительного каскада.
Из приведенных примеров видно, что повышается коэффициент разделения изотопов азота; процесс разделения изотопов азота проводят, исключая процесс глубокого охлаждения рабочей среды разделительной установки; существует возможность термического обращения потоков.
Claims (3)
1. Способ концентрирования изотопов азота, включающий проведение противоточного массообменного процесса с использованием молекулярного азота в качестве рабочего вещества, отличающийся тем, что газообразную смесь изотопов азота приводят в контакт с раствором нитрогенильного комплексного соединения переходного металла, способного к термическому отщеплению молекулярного азота и вступающего с ним в реакцию химического изотопного обмена с накоплением 15N в одной из фаз, a 14N - в другой.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве соединения, обратимо связывающего молекулярный азот с образованием нитрогенильного комплексного соединения, используют вещества, выбранные из ряда: аммиакаты рутения, аммиакаты осмия, бис-[три-циклогексилфосфин]-никель; а также соединения из класса металлоценов - например, бис-[пентаметилциклопентадиенил]-титан.
3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что в узлах обращения потоков каскада используют термическое обращение потоков газообразного азота, в сочетании с изменением давления газовой фазы.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015105652/05A RU2583808C1 (ru) | 2015-02-18 | 2015-02-18 | Способ концентрирования изотопов азота |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015105652/05A RU2583808C1 (ru) | 2015-02-18 | 2015-02-18 | Способ концентрирования изотопов азота |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2583808C1 true RU2583808C1 (ru) | 2016-05-10 |
Family
ID=55960191
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015105652/05A RU2583808C1 (ru) | 2015-02-18 | 2015-02-18 | Способ концентрирования изотопов азота |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2583808C1 (ru) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US2923601A (en) * | 1955-11-22 | 1960-02-02 | Taylor Thomas Ivan | Method of isotope concentration |
RU2309788C2 (ru) * | 2005-11-23 | 2007-11-10 | Евгений Владимирович Левин | Способ одновременного обогащения оксида азота (ii) изотопами 18о, 17о, 15n |
US8440058B2 (en) * | 2007-09-19 | 2013-05-14 | Taiyo Nippon Sanso Corporation | Method for concentrating nitrogen isotope |
-
2015
- 2015-02-18 RU RU2015105652/05A patent/RU2583808C1/ru active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US2923601A (en) * | 1955-11-22 | 1960-02-02 | Taylor Thomas Ivan | Method of isotope concentration |
RU2309788C2 (ru) * | 2005-11-23 | 2007-11-10 | Евгений Владимирович Левин | Способ одновременного обогащения оксида азота (ii) изотопами 18о, 17о, 15n |
US8440058B2 (en) * | 2007-09-19 | 2013-05-14 | Taiyo Nippon Sanso Corporation | Method for concentrating nitrogen isotope |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Jiang et al. | Manufacturing acidities of hydrogen-bond donors in deep eutectic solvents for effective and reversible NH3 capture | |
Kim et al. | Carbon dioxide absorption using a phase transitional alkanolamine–alcohol mixture | |
Ali et al. | Analysis of operating conditions for CO2 capturing process using deep eutectic solvents | |
Kikkinides et al. | Natural gas desulfurization by adsorption: Feasibility and multiplicity of cyclic steady states | |
Rae | Selecting heavy water processes | |
Zhang et al. | NH3 solubilities and physical properties of ethylamine hydrochloride plus urea deep eutectic solvents | |
JP5122443B2 (ja) | 窒素同位体重成分の濃縮方法 | |
EP3912969A1 (en) | Method for direct conversion of carbon dioxide to dialkyl carbonates using ethylene oxide as feedstock | |
US11612853B1 (en) | Fully automated direct air capture carbon dioxide processing system | |
Jing et al. | Novel ternary absorbent: dibutylamine aqueous–organic solution for CO2 capture | |
RU2583808C1 (ru) | Способ концентрирования изотопов азота | |
CN101314109A (zh) | 一种采用化学催化交换法生产稳定同位素13c的方法 | |
Suchak et al. | Simulation and optimization of NOx absorption system in nitric acid manufacture | |
Cherif et al. | Experimental and simulation results for the removal of H2S from biogas by means of sodium hydroxide in structured packed columns | |
Chong et al. | Ionic liquid design for enhanced carbon dioxide capture–a computer aided molecular design approach | |
US7776305B2 (en) | Method for purification of nitrogen oxide and apparatus for purification of nitrogen oxide | |
CN103459019B (zh) | 含有Ni3Si基金属间化合物的制氢催化剂、活化该催化剂的方法及用该催化剂制氢的方法和装置 | |
KR102084294B1 (ko) | 질산 제조공정을 이용한 반도체용 고순도 일산화질소의 제조방법 및 제조장치 | |
RU2311949C1 (ru) | Способ разделения изотопов бора | |
US20240082786A1 (en) | Stable isotope enrichment device and stable isotope enrichment method | |
Brüggemann et al. | Theoretical investigation of the mechanism of the selective catalytic oxidation of ammonia on H-form zeolites | |
CN109813055B (zh) | 一种精馏回收烟气中no2和so2的方法和装置 | |
Khoroshilov et al. | Thermal dissociation of the complex BF 3· D and boron isotope separation in the system BF 3-BF 3· CH 3 NO 2 | |
Yuldashbaeva et al. | Sorption separation of scandium and zirconium by weakly basic anion exchangers | |
Ishida et al. | Early history of chemical exchange isotope enrichment and lessons we learn |