3.2. Разделение изотопов электроионитными методами

В данном разделе излагаются результаты теоретических и экспериментальных исследований по разделению стабильных изотопов легких элементов электроионитными методами.

Первый основан на сочетании ионного обмена с электромиграцией ионов и осуществляется на противоточных ионообменных колонках с наложением электрического поля.

В рассматриваемом методе разделения перенос ионов осуществляется как по фазе раствора, так и по фазе ионита. При этом разработан новый метод разделения в условиях, когда противоточная электромиграция разделяемых изотопов осуществляется как в фазе раствора, так и в фазе ионита путем встречного движения ионов и системы ионит – раствор.

Эффективность электроионитных методов разделения при этом существенно возрастает. Так в сопоставимых условиях степень разделения в предложенном методе в 1,3 раза выше, чем в колоннах с неподвижным ионитом.

В основе второго метода разделения изотопов лежит электродиализ с использованием ионообменных мембран. Метод основан на различии в подвижностях ионов разных изотопов в фазе ионитовой мембраны и раствора. Применение противотока в камерах электродиализатора позволяет, при непрерывности процесса, обеспечить высокую степень разделения ионов. Схема потоков при электродиализном разделении изотопов приведена на рис. 23.

Суммарный поток выделяемого изотопа в электродиализаторе обусловлен потоками, происходящими под действием электрического поля в ионите ( ) и растворе ( ), диффузионными потоками по иониту ( ) и раствору ( ), а также противотоком электролита ( ).

Полученное дифференциальное уравнение разделения изотопов имеет следующий вид:

,

где С – относительная концентрация выделяемого изотопа; x – координата рассматриваемого сечения электродиализатора при отсчете от точки питания аппарата; К – постоянная, определяемая через параметры системы мембрана – раствор.

Из приведенного уравнения получаем выражение для стационарного распределения концентрации выделяемого изотопа “С” по длине электродиализатора:

.

Уравнение позволяет оценить изотопное распределение по камерам электродиализатора, время установления стационарного состояния и ВЭТТ для разделительной установки.

Экспериментальные исследования по разделению изотопов проводились в электродиализаторах фильтр-прессного и ступенчатого типа с использованием катионитовых (МК-40), анионитовых (МА-40) и биполярных мембран. Напряженность электрического поля достигала в процессах разделения величины 40 В/см. При этом степень изотопного разделения была порядка 25–30, а ВЭТТ находилась в интервале 1,0 – 1,5 мм.

Проводя сравнительную оценку эффективности использования катионитовых и анионитовых мембран в процессах разделения изотопов можно сказать, что анионитовые мембраны позволяют достигать более высоких эффектов разделения. При использовании катионитовых мембран достаточно высокая степень разделения сочетается с существенно большими значениями чисел переноса, чем для анионитовых мембран.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований показали, что повышение величины однократного коэффициента разделения при электродиализе можно достичь в условиях комплексообразования.

Для рассматриваемой системы получено выражение, позволяющее оценивать однократный коэффициент разделения при электродиализе с ионообменными мембранами:

,

где С – изменение относительной концентрации выделяемого изотопа в катодной камере с объемом V_K за время t , W – линейная скорость противотока, S – сечение электродиализатора.

Определение оптимальных условий для процесса разделения при электродиализе проводилось методом планирования экстремальных экспериментов. В качестве факторов использовались: ток в аппарате; концентрация исходного раствора; время проведения эксперимента. Опыты по разделению проводились в области, близкой к оптимальной в соответствии с трехфакторным ортогональным планом второго порядка. В качестве функции отклика использовались значения однократного коэффициента разделения. Указанная величина определялась при проведении электродиализа на исчерпание и рассчитывалась по формуле:

,

где ₀ – начальное изотопное отношение;  – значение изотопного отношения после опыта.

Для монополярной мембраны получены следующие значения коэффициентов уравнения регрессии:

b₀ = 1,02; b₂ = 1,6·10^–3; b₃ = 8,8·10^–3;

b₁₁ = 1,4·10^–2; b₂₂ = –1,3·10^–2; b₃₃ = 1,8·10^–2.

При этом обогащенная и обедненная по выделяемому изотопу фракции в растворе находятся в гамогенной фазе, но имеют различные знаки заряда. В электродиализаторе указанные ионы разделяются так, что свободные ионы выделяемого изотопа накапливаются в катодном отделении установки, а закомплексованные – в анодном. Указанный принцип был использован для организации непрерывного процесса разделения изотопов. На рис. 24 представлена схема экспериментальной установки. В установке осуществляется противоточная электромиграция катионов через катионитовые мембраны к катоду, а анионов – к аноду. В обоих случаях происходит обогащение по более подвижному изотопу.

Рис. 24. Схема экспериментальной установки. 1 – питание электродиализатора, 2,3 – катионитовые и анитовые мембраны, 4 – отбор обогащенной фракции, 5,6 – катод и анод установки.

Многокамерный электродиализатор указанного вида позволяет организовать непрерывный процесс разделения изотопов с отбором из катодной и анодной частей аппарата. Число камер в экспериментах в катодной части составляло 30, а в анодной – 20.

ВЭТТ была определена равной 0,08 см (катодная часть) и 0,24 см (анодная часть). Непрерывное обогащение проводилось в условиях градиента концентрации (рН). В процессе электромиграции происходит процесс разрушения комплексов таким образом, что приэлектродные камеры обогащаются выделяемым изотопом.

В процессе электромиграции ионов имеет место также изотопный обмен между свободными и закомплексованными ионами выделяемого изотопа.

Третий метод разделения изотопов основан на оригинальном совмещении электродиализа и ионного обмена на установке, состоящей из противоточной ионообменной колонки с наложением электрического поля и электродиализатора, присоединенного к ее катодной части. Схема установки приведена на рис. 25.

Рис. 25. 1 – электрохроматографическая колонна, 2 – точка питания установки, 3 – катионитовые мембраны, 4,5 – катод и анод установки.

При разделении изотопов на рассматриваемой установке существенно повышается число переноса и степень изотопного разделения по сравнению с обычной электрохроматографической колонкой.

Более эффективно осуществляется и каскадирование ступеней типа электродиализатор-колонка, чем одних только электрохроматографических колонн.

Применительно к тонкой очистке веществ предложены методы расчета основных параметров электродиализаторов: плотности тока, скорости протекания рассола и диализата, числа камер и ступеней аппарата, условий электропитания.

Разработаны конструкции электродиализаторов различных типов (фильтр-прессного, трубчатого с межмембранной засыпкой ионитами), предложены схемы электропитания электродиализных аппаратов с учетом поляризационных явлений.