RU2697447C1 - Boron isotope separation method - Google Patents

Boron isotope separation method Download PDF

Info

Publication number
RU2697447C1
RU2697447C1 RU2018147301A RU2018147301A RU2697447C1 RU 2697447 C1 RU2697447 C1 RU 2697447C1 RU 2018147301 A RU2018147301 A RU 2018147301A RU 2018147301 A RU2018147301 A RU 2018147301A RU 2697447 C1 RU2697447 C1 RU 2697447C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
boric acid
phase
boron
water
extraction
Prior art date
Application number
RU2018147301A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Алексей Владимирович Хорошилов
Павел Игоревич Иванов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева" (РХТУ им. Д.И. Менделеева)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева" (РХТУ им. Д.И. Менделеева) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева" (РХТУ им. Д.И. Менделеева)
Priority to RU2018147301A priority Critical patent/RU2697447C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2697447C1 publication Critical patent/RU2697447C1/en

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D59/00Separation of different isotopes of the same chemical element
    • B01D59/22Separation by extracting
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D59/00Separation of different isotopes of the same chemical element
    • B01D59/28Separation by chemical exchange
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B35/00Boron; Compounds thereof

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)

Abstract

FIELD: physics.SUBSTANCE: invention relates to production of stable boron isotopes. Method of separating boron isotopes is carried out by chemical exchange in a two-phase liquid-liquid system using an aqueous solution of boric acid as an aqueous phase and an organic phase consisting of a complex compound of boric acid with an organic substance, which is represented by tributyl phosphoric acid ester, wherein re-extraction of boric acid with water is carried out, followed by evaporation of the aqueous solution under conditions of cross-current of the organic phase and water.EFFECT: invention reduces the number of components of the organic phase, increases the single separation coefficient, reduces the number of theoretical separation steps required to achieve the required concentration of the boron isotope, high efficiency of the extraction process of boric acid, low water consumption and low power consumption.1 cl, 4 tbl, 4 ex

Description

Изобретение относится к технологии получения стабильных изотопов бора (10В и 11В).The invention relates to a technology for the production of stable boron isotopes ( 10 V and 11 V).

Известны способы разделения изотопов бора методом ректификации соединений бора общего состава ВХ3, где X - атом галогена: Cl (Севрюгова Н.Н., Уваров О.В., Жаворонков Н.М. Разделение стабильных изотопов бора // Атомная энергия, 1960, т. 9, №2, с. 110-125; Андриец С.П., Гущин А.А., Калашников А.Л., Козырев А.С. и др. Создание и испытание пилотной установки для разделения изотопов бора ректификацией BCl3 // Перспективные материалы. - Спец. выпуск (8). - февр. 2010, с. 193-198) или F (Nettley Р.Т., Cartwright D.K., Kronberger Н. The production of 10Boron by low-temperature distillation of boron trifluoride // In: Proc. of the Intern. Symp. on isotope separation. Amsterdam: North Holl. Pub. Co., 1958, p. 385-407; Амирханова И.Б., Асатиани П.Я., Борисов A.B., Гвердцители И.Г. и др. Влияние давления на разделение изотопов бора // Атомная энергия, 1967, т. 23, №4, с. 336-339).Known methods for the separation of boron isotopes by the rectification of boron compounds with a total composition of BX 3 , where X is a halogen atom: Cl (Sevryugova NN, Uvarov OV, Zhavoronkov N.M. Separation of stable boron isotopes // Atomic energy, 1960 t. 9, No. 2, pp. 110-125; Andriets S.P., Gushchin A.A., Kalashnikov A.L., Kozyrev A.S. et al. Design and testing of a pilot plant for the separation of boron isotopes by BCl distillation 3 // Promising materials. - Special issue (8). - Feb. 2010, p. 193-198) or F (Nettley R.T., Cartwright DK, Kronberger N. The production of 10 Boron by low-temperature distillation of boron trifluoride // In: Proc. of the Intern. Symp. on isotope separa tion. Amsterdam: North Holl Pub. Co., 1958, p. 385-407; Amirkhanova IB, Asatiani P.Ya., Borisov AB, Gverdtsiteli I.G. et al. Effect of pressure on the separation of boron isotopes / / Atomic Energy, 1967, vol. 23, No. 4, pp. 336-339).

Известен способ разделения изотопов бора методом химобменной ректификации комплексного соединения галогенида бора (трифторид бора) с диметиловым эфиром (CH3)2O⋅BF3 (Каминский В.А., Карамян А.Т., Гиоргадзе И.А. и др. Концентрирование изотопа В10 методом химобменной дистилляции (CH3)2O⋅BF3 при атмосферном давлении // В кн.: Производство изотопов. Сб. статей, М.: Атомиздат, 1973, с. 466-468).A known method of separating boron isotopes by the method of chemical exchange distillation of a complex compound of boron halide (boron trifluoride) with dimethyl ether (CH 3 ) 2 O⋅BF 3 (Kaminsky V.A., Karamyan A.T., Giorgadze I.A. et al. Concentration isotope B 10 by the method of chemical exchange distillation (CH 3 ) 2 O⋅BF 3 at atmospheric pressure // In the book: Production of isotopes. Collection of articles, Moscow: Atomizdat, 1973, p. 466-468).

Известны также способы разделения изотопов бора методом химического изотопного обмена между газообразным трифторидом бора и его комплексными соединениями с метилфениловым (анизол) или этилфениловым (фенетол) эфирами, то есть, в двухфазных системах «BF3, газ - BF3⋅CH3OC6H5, жидк.» или «BF3, газ - BF3⋅C2H5OC6H5, жидк.» соответственно (Волощук A.M., Джиджийшвили Ш.И., Катальников С.Г. и др. Разделение изотопов бора на опытной установке с использованием комплексных соединений BF3 с анизолом и фенетолом // В кн: Производство изотопов. Сб. статей, М.: Атомиздат, 1973, с. 443-450; Katalnikov S.G. Physico-chemical and Engineering Principles of Boron Isotopes Separation by Using BF3-Anisole⋅BF3 System // Separation Science and Technology, 2001, Vol. 36, №8&9, p. 1737-1768) или нитрометаном в системе «BF3, газ - BF3⋅CH3NO2, жидк.» (Patent US №5419887 А, опубл. 30.05.1995; Khoroshilov A.V., Lizunov A.V., Stepanov A.V., Cherednichenko S.A. Thermal dissociation of the complex BF3⋅D and boron isotope separation in the system BF3-BF3⋅CH3NO2 // Radiochemistry, 2009, Vol. 51, №4, p. 400-402; Хорошилов A.B., Степанов A.B., Лизунов A.B., Зернова Е.В. Первое разделение изотопов бора методом химического обмена при пониженной температуре в системе трифторид бора - его комплексное соединение с нитрометаном // Перспективные материалы. - Спец. выпуск (8). - февр. 2010, с. 258-262).There are also known methods for the separation of boron isotopes by chemical isotopic exchange between gaseous boron trifluoride and its complex compounds with methylphenyl (anisole) or ethyl phenyl (phenethol) ethers, that is, in two-phase systems “BF 3, gas - BF 3 ⋅CH 3 OC 6 H 5, fluid "Or" BF 3 gas - BF 3 ⋅C 2 H 5 OC 6 H 5 liquid "Respectively (Voloshchuk AM, Dzhidzhiyshvili Sh.I., Katalnikov SG, etc. Separation of boron isotopes in a pilot plant using complex compounds BF 3 with anisole and phenethol // In: Isotope production. Collection of articles, M. : Atomizdat, 1973, pp. 443-450; Katalnikov SG Physico-chemical and Engineering Principles of Boron Isotopes Separation by Using BF 3 -Anisole⋅BF 3 System // Separation Science and Technology, 2001, Vol. 36, No. 8 & 9, p . 1737-1768) or nitromethane in the system "BF 3 gas - BF 3 ⋅ CH 3 NO 2, liquid. "(Patent US No. 5419887 A, publ. 05/30/1995; Khoroshilov AV, Lizunov AV, Stepanov AV, Cherednichenko SA Thermal dissociation of the complex BF 3 ⋅ D and boron isotope separation in the system BF 3 -BF 3 ⋅CH 3 NO 2 // Radiochemistry, 2009, Vol. 51, No. 4, p. 400-402; Khoroshilov AB, Stepanov AB, Lizunov AB, Zernova EV The first separation of boron isotopes by chemical exchange at low temperature in the system of boron trifluoride - its complex compound with nitromethane // Promising materials. - Special issue (8). - Feb. 2010, p. 258-262).

Недостатком вышеуказанных способов, основанных на методе ректификации, химобменной ректификации и химического изотопного обмена в системе газ-жидкость, является необходимость использования токсичных галогенидов бора, как в виде жидкости (BCl3,жидк., BF3,жидк., BF3⋅СН3ОС6Н5,жидк., BF3⋅C2H5OC6H5,жидк., BF3⋅CH3NO2,жидк.), так и в виде газа (BCl3,газ, BF3,газ), когда предельно допустимая концентрация в воздухе рабочей зоны (ПДКр.з.), например, для BCl3 и BF3 равна 1 мг/м3, класс опасности 2, а ориентировочные безопасные уровни воздействия загрязняющего атмосферу вещества (ОБУВа.в.) составляют 0,03 мг/м3 и 0,005 мг/м3 соответственно (Бора трихлорид [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http:/toxi.dyndns.org/base/nonorganic/Borum4/Trihloridboran.htm (дата обращения: 01.12.2017); Бора трифторид [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://toxi.dyndns.org/base/nonorganic/Borum4/Bora_triftorid.htm (дата обращения: 01.12.2017) и Вредные вещества в промышленности. Справочник для инженеров, химиков и врачей. В 3-х т. / Под ред. Н.В. Лазарева и Э.Н. Левиной / - Л., Химия, 1977. Т. 3. Неорганические и элементоорганические соединения, с. 312-313).The disadvantage of the above methods based on the method of distillation, chemical exchange distillation and chemical isotope exchange in a gas-liquid system is the need to use toxic boron halides, as in the form of a liquid (BCl 3, liquid , BF 3, liquid , BF 3 ⋅CH 3 OS 6 H 5, liquid , BF 3 ⋅C 2 H 5 OC 6 H 5, liquid , BF 3 ⋅ CH 3 NO 2, liquid ), and in the form of gas (BCl 3, gas , BF 3, gas ) when the maximum permissible concentration in the air of the working zone (RZ MPC), for example, BCl 3 and BF 3 is 1 mg / m 3, hazard class 2, and occupational exposure levels of pollutant tmosferu substance (TSEL ai) is 0.03 mg / m3 and 0.005 mg / m 3, respectively (boron trichloride [Electronic Resource] - Access mode:. http: /toxi.dyndns.org/base/nonorganic/Borum4 /Trihloridboran.htm (accessed: 12/01/2017); Boron trifluoride [Electronic resource]. - Access mode: http://toxi.dyndns.org/base/nonorganic/Borum4/Bora_triftorid.htm (accessed: 12/01/2017 ) and Harmful substances in industry. Handbook for engineers, chemists and doctors. In 3 t. / Ed. N.V. Lazareva and E.N. Levina / - L., Chemistry, 1977. T. 3. Inorganic and organoelement compounds, p. 312-313).

Для уменьшения токсичности рабочих систем, применяемых в способах разделения изотопов бора и основанных на использовании его галогенидов общего состава ВХ3, где X - атом галогена (Cl, F), предложен химический обмен в экстракционной жидкость-жидкостной системе «водный раствор борной кислоты - Н3ВО3 в изоамиловом спирте» или в системе «Н3ВО3/H2O//Н3ВО3/(СН3)2СНСН2СН2ОН» с однократным коэффициентом разделения изотопов бора α=1,0027 и, соответственно, коэффициентом обогащения ε=α-1=2,7⋅10-3 (Кузнецова Е.М., Панченков Г.М., Филиппова Р.С., Малахов В.Ф. О новом способе разделения изотопов бора // ЖФХ, 1960, т. 34, №10, с. 2370-2371).To reduce the toxicity of the working systems used in the separation of boron isotopes and based on the use of its halides of general composition BX 3 , where X is the halogen atom (Cl, F), a chemical exchange in the extraction liquid-liquid system “aqueous solution of boric acid - N 3 VO 3 in isoamyl alcohol "or in the system" N 3 VO 3 / H 2 O // N 3 VO 3 / (CH 3 ) 2 CHCH 2 CH 2 OH "with a single boron isotope separation coefficient α = 1,0027 and, accordingly, the enrichment coefficient ε = α-1 = 2.7⋅10 -3 (Kuznetsova E.M., Panchenkov G.M., Filippova R.S., Malakhov V.F. On a new method for the separation of boron isotopes // ZhFKh, 1960, v. 34, No. 10, pp. 2370-2371).

Основным недостатком этого способа является относительно малое значение однократного коэффициента разделения (обогащения).The main disadvantage of this method is the relatively small value of a single separation coefficient (enrichment).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению (прототип) можно считать способ разделения изотопов бора химическим обменом в экстракционной двухфазной жидкость-жидкостной системе «раствор борной кислоты H3BO3 в воде - комплексное соединение бора с азотсодержащим фенолформальдегидным резольным олигомером (марка «Яррезин Б»), полученным поликонденсацией п-трет-бутилфенола с формальдегидом в присутствии аммиака, имеющим среднюю молекулярную массу 450-500 атомных единиц и растворенным в смеси органических растворителей - октанола и тридекана» или, что более приемлемо, «водный раствор H3BO3 - Н3ВО3 с Яррезином Б в растворе октанола и тридекана» или еще более кратко «H3BO3/H2O//H3BO3⋅Яррезин Б/С8Н17ОН+C13H28». При этом обращение потоков фаз по изотопу 10В, как указано в прототипе, может быть осуществлено реэкстракцией борной кислоты водой с последующим упариванием полученного раствора (Патент РФ №2311949 от 10.12.2007, Бюл. №34) - прототип.The closest in technical essence to the claimed invention (prototype) can be considered a method for the separation of boron isotopes by chemical exchange in an extraction two-phase liquid-liquid system "a solution of boric acid H 3 BO 3 in water - a complex compound of boron with a nitrogen-containing phenol-formaldehyde resol oligomer (brand" Yarresin B ") Obtained by polycondensation of p-tert-butylphenol with formaldehyde in the presence of ammonia, having an average molecular weight of 450-500 atomic units and dissolved in a mixture of organic solvent - octanol and tridecane "or, more appropriately," aqueous solution of H 3 BO 3 - H 3 BO 3 Yarrezinom B in octanol and tridecane solution "or more briefly" H 3 BO 3 / H 2 O // H 3 BO 3 ⋅ Yarrezin B / C 8 H 17 OH + C 13 H 28 ". In this case, the reversal of phase flows according to the 10 V isotope, as indicated in the prototype, can be carried out by reextraction of boric acid with water, followed by evaporation of the resulting solution (RF Patent No. 2311949 dated 12/10/2007, Bull. No. 34) - prototype.

Значения однократного коэффициента разделения изотопов бора α в прототипе (табл. 2) обозначены как Ri (изменение отношения концентрации изотопов 11В к 10В, то есть, [11В]/[10В]) и найдены какThe values of the single boron isotope separation coefficient α in the prototype (Table 2) are designated as R i (change in the ratio of the concentration of isotopes 11 V to 10 V, that is, [ 11 V] / [ 10 V]) and found as

Figure 00000001
Figure 00000001

где R0 и R - [11B]/[10B] в водной фазе до и после контактов соответственно; n - общее число контактов.where R 0 and R - [ 11 B] / [ 10 B] in the aqueous phase before and after contacts, respectively; n is the total number of contacts.

Численные значения α при соотношении объемов фаз O:В=1:1 при n=3 (пример 1) и n=4 (пример 2), как указано в табл. 2, составили 1,00274 и 1,00316 соответственно, а при O:В=2:1 и n=2 (пример 3) - 1,00856. По этим данным среднее значение однократного изотопного эффекта для серии из трех опытов равно α=1,005±0,003, a ε=(5±3)⋅10-3 и это значение почти в два раза выше ε в системе с изоамиловым спиртом: (5/2,7)⋅10-3≈1,9.The numerical values of α at a ratio of phase volumes O: B = 1: 1 for n = 3 (example 1) and n = 4 (example 2), as indicated in table. 2, amounted to 1.00274 and 1.00316, respectively, and at O: B = 2: 1 and n = 2 (example 3) - 1.00856. According to these data, the average value of a single isotope effect for a series of three experiments is α = 1.005 ± 0.003, and ε = (5 ± 3) ⋅ 10 -3 and this value is almost two times higher than ε in the system with isoamyl alcohol: (5 / 2.7) ⋅10 -3 ≈1.9.

Необходимо отметить, что реэкстракция борной кислоты из органической фазы в воду производится при уравновешивании органической фазы с существенно большим объемом воды с последующим упариванием водного раствора борной кислоты до значения ее равновесной концентрации в водной фазе.It should be noted that boric acid is re-extracted from the organic phase into water by balancing the organic phase with a significantly larger volume of water, followed by evaporation of an aqueous solution of boric acid to its equilibrium concentration in the aqueous phase.

Недостатками прототипа, как способа разделения изотопов бора, являются:The disadvantages of the prototype, as a method of separation of boron isotopes, are:

- многокомпонентность органической фазы (собственно Яррезин Б, октанол и тридекан), требующая, как минимум, четырех операций для ее приготовления: измерение массы твердого Яррезина Б; измерение объема каждого из растворителей (октанол, тридекан); образование общего раствора;- multicomponent organic phase (actually Yarrezin B, octanol and tridecane), requiring at least four operations for its preparation: measuring the mass of solid Yarresin B; measurement of the volume of each of the solvents (octanol, tridecane); formation of a common solution;

- невысокие значения однократного коэффициента разделения (обогащения) изотопов бора и, соответственно, большое число теоретических ступеней разделения, необходимое для достижения заданной концентрации изотопа 10В (или 11В);- low values of a single coefficient of separation (enrichment) of boron isotopes and, accordingly, a large number of theoretical stages of separation necessary to achieve a given concentration of the isotope 10 V (or 11 V);

- малая производительность процесса экстракции борной кислоты;- low productivity of the process of extraction of boric acid;

- большой расход воды и, соответственно, высокие энергетические затраты при обращении потоков фаз по изотопу 10В за счет реэкстракции борной кислоты водой.- high water consumption and, consequently, high energy costs during the circulation of phase flows along the 10 V isotope due to the reextraction of boric acid with water.

Задача настоящего изобретения - уменьшение числа компонентов органической фазы и, соответственно, снижение затрат на ее приготовление, увеличение однократного коэффициента разделения (обогащения) изотопов бора и, как следствие, снижение числа теоретических ступеней разделения, необходимых для достижения требуемой концентрации изотопа 10В (или 11В), увеличение производительности процесса экстракции борной кислоты, уменьшение расхода воды и энергетических затрат на обращение потоков фаз по изотопу 10В.The objective of the present invention is to reduce the number of components of the organic phase and, accordingly, reduce the cost of its preparation, increase the single separation coefficient (enrichment) of boron isotopes and, as a result, reduce the number of theoretical separation stages necessary to achieve the required concentration of 10 V isotope (or 11 C), increasing the productivity of the process of extraction of boric acid, reducing the flow of water and energy costs for the circulation of phase flows along the isotope 10 V.

Поставленная задача решается способом разделения изотопов бора химическим обменом в двухфазной жидкость-жидкостной системе с использованием водного раствора борной кислоты в качестве водной фазы и органической фазы, состоящей из комплексного соединения борной кислоты с органическим веществом, и с обращением потоков реэкстракцией борной кислоты водой с последующим упариванием водного раствора при этом в качестве органического вещества используют трибутиловый эфир фосфорной кислоты, а реэкстракцию проводят в условиях перекрестного тока органической фазы и воды.The problem is solved by the method of separation of boron isotopes by chemical exchange in a two-phase liquid-liquid system using an aqueous solution of boric acid as an aqueous phase and an organic phase consisting of a complex compound of boric acid with an organic substance, and reversing the streams by reextraction of boric acid with water, followed by evaporation in this case, tributyl ether of phosphoric acid is used as an organic substance, and re-extraction is carried out under conditions of cross organic phase current and water.

Пример 1.Example 1

Двухфазную жидкость-жидкостную систему готовили при комнатной температуре (295±2) К растворением борной кислоты в воде с приготовлением 0,80 М раствора и контактированием полученного раствора с трибутиловым эфиром фосфорной кислоты (трибутилфосфатом) в качестве органической фазы при соотношении объемов фаз 1:1. Сравнительные данные по составу фаз для прототипа и предлагаемого изобретения, когда рабочая система «водный раствор Н3ВО3 - комплексное соединение Н3ВО3 с ТБФ) имеет вид «Н3ВО32О//Н3ВО3⋅ТБФ/ТБФ» приведены в табл. 1.A two-phase liquid-liquid system was prepared at room temperature (295 ± 2) by dissolving boric acid in water to prepare a 0.80 M solution and contacting the resulting solution with phosphoric acid tributyl ester (tributyl phosphate) as an organic phase with a phase volume ratio of 1: 1 . Comparative data on the composition of the phases for the prototype and the present invention, when the working system "aqueous solution of N 3 VO 3 - a complex compound of N 3 VO 3 with TBP) has the form" N 3 VO 3 / N 2 O // N 3 VO 3 ⋅ TBP / TBP "are given in table. one.

Figure 00000002
Figure 00000002

Из табл. 1 следует, что решение задачи приготовления двухфазной системы существенно отличается от прототипа числом компонентов, используемых для ее образования: вместо трех компонентов по прототипу предлагается использование единственного вещества, что приводит к значительному сокращению числа технологических операций на стадии ее приготовления: вместо четырех операций по прототипу требуется лишь одна - измерение объема ТБФ, причем это сопоставление дано без учета контроля качества каждого из компонентов.From the table. 1 it follows that the solution to the problem of preparing a two-phase system differs significantly from the prototype in the number of components used for its formation: instead of the three components of the prototype, the use of a single substance is proposed, which leads to a significant reduction in the number of technological operations at the stage of its preparation: instead of four prototype operations, only one is the measurement of TBP volume, and this comparison is given without taking into account the quality control of each component.

Пример 2.Example 2

После уравновешивания водного раствора борной кислоты с исходной концентрацией С0=0,80 М с трибутилфосфатом (ТБФ) при температуре (295±2) К в течение 24 ч отобраны пробы водной фазы и методом масс-спектрометрии индуктивно связанной аргоновой плазмы выполнен их изотопный анализ, а также изотопный анализ исходного раствора Н3ВО3, с определением значений изотопного отношения по уравнению:After balancing an aqueous solution of boric acid with an initial concentration of C 0 = 0.80 M with tributyl phosphate (TBP) at a temperature of (295 ± 2) K, water samples were taken for 24 hours and isotope analysis was performed by inductively coupled argon plasma mass spectrometry , as well as an isotopic analysis of the initial solution of H 3 VO 3 , with the determination of the values of the isotopic ratio according to the equation:

Figure 00000003
Figure 00000003

Полученные значения R использованы для определения однократного коэффициента разделения изотопов бора α в системе «Н3ВО32О//Н3ВО3/ТБФ»:The obtained R values were used to determine a single boron isotope separation coefficient α in the system “N 3 VO 3 / N 2 O // N 3 VO 3 / TBP”:

Figure 00000004
Figure 00000004

где R0 и R* - значения изотопного отношения для бора борной кислоты в водной фазе до (R0) и после (R*) уравновешивания с ТБФ.where R 0 and R * are the isotope ratios for boric acid boron in the aqueous phase before (R 0 ) and after (R * ) equilibration with TBP.

Результаты троекратных измерений в виде средних значений приведены в табл. 2, откуда следует, что однократный коэффициент разделения изотопов бора в экстракционной системе «Н3ВО3/H2O//Н3ВО3⋅ТБФ/ТБФ» при комнатной температуре составляет α=1,0067±0,0034 или α=1,007±0,003. Сравнение измеренного значения коэффициента разделения со средним α по прототипу (α=1,005±0,003) показывает, что однократный изотопный эффект, выраженный коэффициентом обогащения ε, в заявляемом способе в 1,4 раза выше по сравнению с прототипом (7⋅10-3/5⋅10-3=1,4).The results of three measurements in the form of average values are given in table. 2, whence it follows that the single coefficient of boron isotope separation in the extraction system “N 3 VO 3 / H 2 O // N 3 VO 3 ⋅ TBP / TBP” at room temperature is α = 1.006 7 ± 0.003 4 or α = 1.007 ± 0.003. Comparison of the measured value of the separation coefficient with the average α of the prototype (α = 1.005 ± 0.003) shows that a single isotopic effect, expressed by the enrichment coefficient ε, in the present method is 1.4 times higher compared to the prototype (7⋅10 -3 / 5 ⋅10 -3 = 1.4).

Figure 00000005
Figure 00000005

Это означает, что, например, минимальное число теоретических ступеней разделения для изменения концентрации изотопа 10В (или 11В) от природного уровня до заданного значения будет в 1,4 раза меньше. Дополнительно можно отметить, что по сравнению с системой на основе изоамилового спирта значение коэффициента обогащения более, чем в два с половиной раза больше: 7⋅10-3/2,7⋅10-3≈2,6 со всеми вытекающими из этого последствиями.This means that, for example, the minimum number of theoretical stages of separation for changing the concentration of the 10 V (or 11 V) isotope from the natural level to a given value will be 1.4 times less. In addition, it can be noted that, in comparison with the system based on isoamyl alcohol, the value of the enrichment coefficient is more than two and a half times greater: 7⋅10 -3 / 2.7⋅10 -3 ≈2.6 with all the ensuing consequences.

Пример 3.Example 3

В условиях, аналогичных указанным в прототипе (исходная концентрация H3BO3, два значения соотношения объемов фаз O:В = 1 и 2; разное число контактов фаз или уравновешиваний n) выполнены опыты по экстракции борной кислоты из ее водного раствора трибутилфосфатом. При этом время однократного контакта в экспериментах с ТБФ принято равным τ=5 мин, так как равновесие в системе «H3BO3/H2O//H3BO3⋅ТБФ/ТБФ» достигается, как показали исследования, менее чем за 5 мин. По окончании n уравновешиваний определяли равновесную концентрацию борной кислоты в водной фазе С*, рассчитывали количество экстрагированной трибутилфосфатом H3BO3 Under conditions similar to those indicated in the prototype (initial concentration of H 3 BO 3 , two phase volume ratios O: B = 1 and 2; different number of phase contacts or equilibria n), experiments were performed on the extraction of boric acid from its aqueous solution with tributyl phosphate. In this case, the time of a single contact in experiments with TBP is taken equal to τ = 5 min, since the equilibrium in the system “H 3 BO 3 / H 2 O // H 3 BO 3 ⋅ TBP / TBP” is achieved, as studies have shown, in less than 5 minutes. At the end of n equilibrations, the equilibrium concentration of boric acid in the aqueous phase C * was determined, and the amount of H 3 BO 3 extracted with tributyl phosphate was calculated

Figure 00000006
Figure 00000006

где Vв - объем водной фазы,where V in - the volume of the aqueous phase,

и производительность процесса экстракции борной кислоты, как изменение концентрации H3BO3 в единицу времени, то есть, какand the productivity of the boric acid extraction process as a change in the concentration of H 3 BO 3 per unit time, that is, as

Figure 00000007
Figure 00000007

Полученные результаты в сравнении с данными прототипа приведены в табл. 3.The results obtained in comparison with the data of the prototype are given in table. 3.

Figure 00000008
Figure 00000008

Figure 00000009
Figure 00000009

Примечания к таблице:Notes to the table:

С0 - концентрация Н3ВО3 в исходном водном растворе;C 0 is the concentration of H 3 BO 3 in the initial aqueous solution;

O:В - соотношение объемов фаз в органической (О) и водной фазе (В);O: B is the ratio of the volumes of phases in the organic (O) and aqueous phase (B);

τ - время одного контакта фаз (время однократного уравновешивания);τ is the time of one phase contact (time of a single balancing);

n - число контактов (уравновешиваний);n is the number of contacts (balances);

τΣ - общее время n контактов (уравновешиваний);τ Σ is the total time n of contacts (balances);

С* - концентрация H3BO3 в водной фазе после n контактов (уравновешиваний);C * is the concentration of H 3 BO 3 in the aqueous phase after n contacts (equilibrations);

ΔС - количество экстрагированной Н3ВО3, причем ΔС=(С0*)×Vв, где Vв - объем водной фазы;ΔС is the amount of extracted H 3 VO 3 , and ΔС = (С 0* ) × V c , where V c is the volume of the aqueous phase;

Р - производительность процесса экстракции борной кислоты (бора), причем P=ΔС/τΣ.P is the productivity of the process of extraction of boric acid (boron), and P = ΔC / τ Σ .

По данным табл. 3 при одинаковых условиях экстракции H3BO3 (серия опытов 4-6 в сравнении с опытами 1-3 по прототипу) использование ТБФ в качестве экстрагента позволяет увеличить производительность процесса экстракции борной кислоты в (22,6/5,6)×10-3=4,0; (20,6/4,6)×10-3=4,5 и (39,3/5,6)×10-3=7,0 раз соответственно, то есть, в 4-7 раз.According to the table. 3 under the same conditions for the extraction of H 3 BO 3 (series of experiments 4-6 in comparison with experiments 1-3 of the prototype) using TBP as an extractant can increase the productivity of the process of extraction of boric acid in (22.6 / 5.6) × 10 - 3 = 4.0; (20.6 / 4.6) × 10 -3 = 4.5 and (39.3 / 5.6) × 10 -3 = 7.0 times, respectively, that is, 4-7 times.

Пример 4.Example 4

Из находящейся в состоянии равновесия при комнатной температуре двухфазной системы «водный раствор H3BO3 - комплексное соединение H3BO3 с ТБФ или «Н3ВО3/H2O//H3BO3⋅ТБФ/ТБФ» отбирали 20 мл органической фазы, то есть, содержащего борную кислоту трибутилфосфата. В первой серии опытов («1» в табл. 4) этот объем уравновешивали в течение примерно 10 мин с разным объемом дистиллированной воды (прямая реэкстрация), варьируя соотношение O:В от 1:1 до 1:3 и определяя значения концентраций H3BO3 в каждой из фаз (С* вод и С* орг), а также рассчитывая степень извлечения (Гр) борной кислоты:20 ml of 20% aqueous solution of H 3 BO 3 - complex compound H 3 BO 3 with TBP or “H 3 BO 3 / H 2 O // H 3 BO 3 ⋅ TBP / TBP” were taken from an equilibrium state at room temperature organic phase, that is, containing boric acid tributyl phosphate. In the first series of experiments (“1” in Table 4), this volume was balanced for approximately 10 min with different volumes of distilled water (direct back extraction), varying the O: B ratio from 1: 1 to 1: 3 and determining the values of H 3 concentrations BO 3 in each of the phases (C * water and C * org ), as well as calculating the degree of extraction (G p ) of boric acid:

Figure 00000010
Figure 00000010

Во второй серии («2» в табл. 4) тот же объем органической фазы первоначально так же в течение 10 мин уравновешивали с таким же объемом воды (O:В=1;1), но после расслоения фаз не только определяли концентрации С* вод, С* орг и Гр, а и декантировали органическую фазу и вновь уравновешивали ее с исходной водой, проводя в целом операцию уравновешивания трижды и расходуя суммарно тот же объем воды (перекрестная реэкстракция).In the second series (“2” in Table 4), the same volume of the organic phase was initially balanced for 10 minutes with the same volume of water (O: B = 1; 1), but after phase separation, C * concentrations were not only determined water, C * org and T p, and the organic phase is decanted and re-equilibrated with its original water conducting overall balancing operation three times and a total consuming the same amount of water (cross reextraction).

Figure 00000011
Figure 00000011

Сопоставление полученных результатов, представленное в табл. 4, показывает, что при равном объеме воды, расходуемой на реэкстракцию борной кислоты из трибутилфосфата, когда отношение объемов O:В=1:3, в случае перекрестной реэкстракции степень извлечения борной кислоты составила 98,30% против 95,47% для прямой реэкстракции, что при заданных значениях остаточной концентрации борной кислоты в ТБФ (С* орг) и степени извлечения Гр приведет к снижению расхода воды, как минимум, на 3% отн.A comparison of the results presented in the table. 4 shows that with an equal volume of water spent on the re-extraction of boric acid from tributyl phosphate, when the ratio of volumes is O: B = 1: 3, in the case of cross-extraction, the degree of extraction of boric acid was 98.30% against 95.47% for direct re-extraction that at given values of the residual concentration of boric acid in TBP (C * org ) and the degree of extraction of G p will lead to a decrease in water consumption by at least 3% rel.

Claims (1)

Способ разделения изотопов бора химическим обменом в двухфазной жидкость-жидкостной системе с использованием водного раствора борной кислоты в качестве водной фазы и органической фазы, состоящей из комплексного соединения борной кислоты с органическим веществом, и с обращением потоков реэкстракцией борной кислоты водой с последующим упариванием водного раствора, отличающийся тем, что в качестве органического вещества используют трибутиловый эфир фосфорной кислоты, а реэкстракцию проводят в условиях перекрестного тока органической фазы и воды.A method for separating boron isotopes by chemical exchange in a two-phase liquid-liquid system using an aqueous solution of boric acid as an aqueous phase and an organic phase consisting of a complex compound of boric acid with an organic substance, and reversing the streams by reextraction of boric acid with water, followed by evaporation of the aqueous solution, characterized in that as an organic substance, tributyl ether of phosphoric acid is used, and re-extraction is carried out under conditions of a cross flow of organic phase and water.
RU2018147301A 2018-12-28 2018-12-28 Boron isotope separation method RU2697447C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018147301A RU2697447C1 (en) 2018-12-28 2018-12-28 Boron isotope separation method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018147301A RU2697447C1 (en) 2018-12-28 2018-12-28 Boron isotope separation method

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2697447C1 true RU2697447C1 (en) 2019-08-14

Family

ID=67640449

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018147301A RU2697447C1 (en) 2018-12-28 2018-12-28 Boron isotope separation method

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2697447C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2777556C1 (en) * 2021-07-29 2022-08-08 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева" (РХТУ им. Д.И. Менделеева) Boron isotope separation method

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU375088A1 (en) * 1971-06-21 1973-03-23 1st: SNIA
US5419887A (en) * 1994-01-25 1995-05-30 Research & Development Institute, Inc. Separation of the isotopes of boron by chemical exchange reactions
RU2311949C1 (en) * 2006-02-20 2007-12-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Сибирский химический комбинат" Boron isotopes separation method

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU375088A1 (en) * 1971-06-21 1973-03-23 1st: SNIA
US5419887A (en) * 1994-01-25 1995-05-30 Research & Development Institute, Inc. Separation of the isotopes of boron by chemical exchange reactions
RU2311949C1 (en) * 2006-02-20 2007-12-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Сибирский химический комбинат" Boron isotopes separation method

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
СЕВРЮГОВА Н.Н., УВАРОВ О.В., ЖАВОРОНКОВ О.М., журнал Атомная энергния, 1960 г., том 9, вып. 2, с. 112. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2777556C1 (en) * 2021-07-29 2022-08-08 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева" (РХТУ им. Д.И. Менделеева) Boron isotope separation method
RU2815423C1 (en) * 2023-09-12 2024-03-14 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева" (РХТУ им. Д.И. Менделеева) Method of concentrating stable isotope of boron 10b

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Jean-Baptiste et al. Design and performance of a mass spectrometric facility for measuring helium isotopes in natural waters and for low-level tritium determination by the 3He ingrowth method
Panagiotopoulos et al. Phase diagrams of nonideal fluid mixtures from Monte Carlo simulation
CN103048394B (en) System and method for detecting trace hydrogen isotopes in natural gas
Demin et al. Lithium and boron isotope effects in extraction systems
Shi et al. Tri-n-butyl phosphate–ionic liquid mixtures for Li+ extraction from Mg 2+-containing brines at 303–343 K
RU2697447C1 (en) Boron isotope separation method
Dollimore et al. Mass spectrometric evolved gas analysis—An overview
Maslan et al. Acetonitrile–water liquid–vapor equilibrium
Brahmmananda Rao et al. Studies on the extraction of actinides by diamylamyl phosphonate
Healy et al. Separation of boron isotopes. I. Boron trihalide addition compounds
Wei et al. Effective elimination of isobaric ions interference and precise thermal ionization mass spectrometer analysis for boron isotope
Khoroshilov et al. Boron isotope separation by extraction method: features of the phase composition and flow reflux
RU2638858C2 (en) Method of producing isotopes of neodymium
Palko Separation of Boron Isotopes. III. The n‐Butyl Sulfide‐BF3 System
Simensen Gas-chromatographische Analyse von Carbiden in Aluminium und Magnesium
Apelblat et al. Gas-chromatographic studies of the system uranyl nitrate+ TBP+ diluent+ water
CN116413328A (en) Method for measuring abundance of boron-10 in zirconium diboride
Volpicelli Vapor-liquid and liquid-liquid equilibria of the system acrylonitrile-acetonitrile-water
Dee et al. Gas chromatographic separation of hydrazine mixtures and water using a stationary phase that is chemically similar to hydrazine
Rolston et al. Deuterium-protium isotopic fractionation between liquid water and gaseous hydrogen
CN111208036B (en) Test method for measuring desorption characteristics of strong-hygroscopicity soil on heavy metal ions
Palko Chemical separation of boron isotopes
Ishimori The nitrogen isotopic equilibrium between ammonia and ammonium ion
Fieguth et al. Distillation column for the XENON1T experiment
US11740220B2 (en) Device and method for continuous analysis of the concentration of dissolved inorganic carbon (DIC) and of the isotopic carbon and oxygen compositions thereof