Инертные газы - Фастовский В.Г.
Скачать (прямая ссылка):
Химическая инертность рассматриваемых газов исключает возможность применения химических методов разделения изотопов. Поэтому исследовались такие '.методы разделения: 1) термодиффузия и газовая диффузия; 2) фракционная дистилляция;. 3) электромагнитное разделение; 4) центрифугирование; 5) а \-сорбция и хроматография; 6) разделение в высокоскорост» й струе.
Аномальные свойства гелия привели к разработке специф i-ческих способов разделения его изотопов, которые будут рассмотрены ниже.
Разделение, достигаемое любым из перечисленных методов,, обычно выражается фактором разделения а, который для двух изотопов а и Ъ смеси определяется соотношением
сасЬ
а = ——.
Значение величин, входящих в это выражение, зависит or способа разделения. В 'общем случае с0 и Сь соответствуют концентрациям компонентов а и Ь, выраженным в молярных долях,, во фракции, обогащенной компонентом а; с'а и с'ь—во фракции, обедненной этим же компонентом. В некоторых случаях с'а и с'ь выражают концентрации изотопов перед разделением.
По определению всегда a^l, а разделение тем легче, чем больше а.
214
Легкий компонент
Диффузионные методы разделения. Термодиффузия. Газовая смесь, помещенная между горячей и холодной поверхностями, становится неоднородной: один из компонентов смеси преимущественно концентрируется около горячей поверхности, а другой—• около холодной. Наряду с термодиф-фузиен возникает противоположно направленный процесс обыкновенной диффузии, связанный с создающейся — разностью концентраций. При равенстве скоростей обоих процессов устанавливается стационарное состояние, соответствующее предельному разделению. КонкктиЬ-
Клузиус и Дикель [98] предложили веток конструкцию термодиффузионной колонки, в которой тепловая конвекция содействует разделению компонентов смеси (рис. 3.43). В некоторых случаях в качестве горячей поверхности используется проволока, натянутая по оси трубки и нагреваемая пропускаемым по ней электрическим током.
Термодиффузионные колонки всесторонне исследовались; расчет их с достаточной точностью производится на основании теоретических соображений, содержащихся в работе Джонса и Ферри [99].
Сечение трубки или кольцевого канала не может быть увеличено выше ¦известных пределов, так как это связано с ухудшением разделительного действия: обычно расстояние между горячей и холодной поверхностями не превышает 5—7 мм. Если требуется достичь высокой концентрации одного из изотопов или разделение трудно осуществимо, пользуются многоступенчатыми аппаратами; одна из таких установок описана Шуэтте и др. [100].
Термодиффузионный метод получил широкое распространение как простой « эффективный способ разделения изотопов [101]. Органическим недостатком термодиффузионных колонн является их низкая производительность, а также значительный расход энергии, достигающий 3 кет на 10 м длины. Однако при использовании колонн в
Шепаи компонент
Рис. 3.43. Схема термодиффузионной колонки с кольцевым зазором:
/ — холодная трубка; $ —горячая трубка.
215
лабораторном масштабе эти обстоятельства не имеют существенного значения.
Клузиус и Дикель [102] в приборе из трубок диаметром 8,4 мм и обшей длиной 15 л с платиновой проволокой диаметром 0,4 мм осуществили разделение изотопов неона. На первой стадии через месяц был получен 99,70/о-ный Ne22 в нижнем резервуаре и 93%-ный Ne20 —в верхнем. Вторичное концентрирование позволило через 17 дней получить 99,8%-ный Ne20. Из 70 л подвергнутого разделению неона удалось получить по 1 л Ne20 и Ne22 и 2 л промежуточной фракции с увеличенным в 8 раз содержанием третьего изотопа Ne21.
В том же приборе из 14 л криптона, содержащего 57,13% Кг84 и 17,4% Кг86 (а также другие изотопы криптона), при длине трубок 27 м в пять приемов за 28 месяцев получили 850 см3 99,5%-ного Кг86 и 500 см3 практически чистого Кг84.
Эффективность термодиффузионных колонн удается повысить добавкой газа, обладающего определенными свойствами [103, 104]. При этом происходит такое распределение изотопов в колонне, которое облегчает их разделение. Так, добавка к смеси изотопов неона метана, в котором водород замещен на дейтерий, при определенных температуре и давлении приводит" к самопроизвольному распределению компонентов смеси между верхом и низом колонны в следующем порядке: CHi, CH3D, CH2D2. Ne20, CHD3, Ne21, CD4, Ne22. Это облегчает отбор изотопа Ne2!, который сказывается отделенным слоем CHD3 от Ne20 и слоем CD4 от Ne22 [105]. Таким способом получен изотоп Ne21 чистотой 99,6%.
Изотопы Ar36 (99,9%) и Ат33 (99,6%) получены при добавке НС! н DC1 [106]. Разделение изотопов криптона и ксенона значительно облегчается с помощью смесей НВг—DBr и HI—DI соответственно [107].
В табл. 3.13 приведены данные, характеризующие эффективность разделения изотопов инертных газов термодиффузионным методом [27].
Таблица 3.13 Предельные концентрации изотопов инертных газов, достигнутые
прн термоднффузионном методе разделения
Газ Выделяемый изотоп Содержание изотопа в газе, полученном из воздуха, мол. % Наивысшая достигнутая концентрация, мол. % Газ Выделяемый изотоп Содержание изотопа в газе, полученном из воздуха, мол. % Наивысшая достигнутая концентрация, мол. %
