способ лазерного получения изотопа с-13

Формула изобретения

Способ лазерного получения изотопа С-13, включающий облучение в лазерном реакторе излучением импульсного СО₂-лазера газовой смеси, содержащей фреон и буферный газ, и последующее окисление образовавшегося тетрафторэтилена, отличающийся тем, что в исходную газовую смесь добавляют кислород или осушенный воздух, а в газовую смесь, выходящую из лазерного реактора, вводят катализатор, в качестве которого используют галогены, причем окисление тетрафторэтилена проводят в фотохимическом реакторе при облучении светом ламп, под действием излучения которых молекулы катализатора диссоциируют на радикалы, и затем от оставшегося фреона, обедненного по изотопу С-13, отделяют обогащенный по изотопу С-13 оксифторид углерода, образовавшийся в результате каталитического фотохимического окисления тетрафторэтилена.

Описание изобретения к патенту

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.

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.

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^••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^••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^••₂+HCl (1)

CF^••₂+Г₂_ CF₂Г+Г (2)

CF^••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.

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.

Цель настоящего изобретения состоит в устранении обсуждаемых недостатков аналогов.

Цель достигается тем, что окисление ТФЭ проводят в присутствии фреона в отдельном фотохимическом реакторе, расположенном после лазерного реактора, под действием света непрерывно действующих ламп.

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+h _ Г+Г (5)

Г+C₂F₄_ ГC₂F^•₄ (6)

ГC₂F^•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.

Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором в качестве примера практической реализации предлагаемого спосооа приведена схема установки для лазерного получения изотопов углерода.

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.).

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.

Источники информации:

1. Патент США 4436709, B 01 D 59/00, от 13.03.1984.

2. Российский патент 2144421, от 10.03.1998.

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

4. Кузьменко В.А. Журнал физической химии, т.63, 7, с.1911, 1989 г.