Изучение кинетики изотопного обмена в системе жидкий ионит—раствор Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА им. С. М. КИРОВА

ИЗУЧЕНИЕ КИНЕТИКИ ИЗОТОПНОГО ОБМЕНА В СИСТЕМЕ ЖИДКИЙ ИОНИТ—РАСТВОР

И. А. ТИХОМИРОВ, А. П. ВЕРГУИ, В. В. ЛАРИОНОВ, В. Т. ДОРОНИН

(Представлена объединенным научным семинаром кафедр 21 и 23 физико-технического факультета)

Реакцию изотопного обмена в системе жидкий ионит-раствор можно записать в следующем виде:

где А и В — обменивающиеся ионы, #— фаза ионита, 5 — фаза раствора. Концентрационная константа равновесия указанной реакции

[Ад], [Вв], [—концентрации ионов Л и В, соответственно»

в ионите и растворе.

Можно выделить три вида кинетики изотопного обмена в системе жидкий ионит-раствор;

а) определяющим является (процесс установления равновесия на границе фаз, т. е. скорость диффузии обменивающихся ионов в фазах велика;

б) скорость диффузии ионов в фазах мала, а установление равновесия на границе фаз протекает быстро;

в) наиболее медленным является непосредственно процесс химической реакции.

Рассмотрим каждый процесс отдельно.

а. Скорость обменного процесса между фазами будет определяться изменением содержания выделяемого изотопического иона в жидком ионите или растворе. Изотопная концентрация изменяется в результате переноса выделяемого изотопа из раствора в ионит или наоборот.

Пусть имеем фазы ионита и раствора, приведенные в 'соприкосновение. Ы —общая концентрация ионов; и С2— концентрации выделяемого изотопического иона в фазе ионита и раствора, соответственно. Количество выделяемых изотопических ионов, переносимое из раствора в жидкий ионит, будет пропорционально количеству легкого изотопа в растворе А^Сг и количеству тяжелого изотопа в ионите ЛГ!(1—СУ). Следовательно,

Лл + В3 - В я,

К=[Аз][Вв] /[ДлНД5]

(1)

Общий поток выделяемого изотопического йона будет определяться разностью зтух двух потоков, т. е.

Ф = Фг-1 —'(3)

Подставим выражения для и Ф^ в уравнение (3):

к!

(1—С1)С2—С1(1—С2)

(4)

Величина к^кз равняется константе равновесия обменного взаимодействия или же равна в стационарном случае коэффициенту разделения а.

Обозначив \i2N\N2~K, получим из уравнения (4), с учетом вышесказанного,

Ф = К[аС2(1-С1)-С1(1-С2)]. (5)

б. Кинетика изотопного обмена определяется главным образом Диффузией изотопических ионов в фазе ионита и раствора. Величину потока (Ф) выделяемого изотопа можно оценить по закону Фика [1]:

ф = —ЯМ

6х

21\2 '

АС, 6х

(6)

где и — ¡коэффициенты диффузии в фазе ионита и раствора.

Пусть имеем слой ионита толщиной и слой раствора й2. Концентрации на границе раздела фаз обозначим, соответственно, С° и С\ в фазе ионита и раствора.

Тогда изменение концентрации запишется:

6 С,

6х

ас2

¿X

с,—с?

С 2—

(7)

С учетом ранее приведенных выражений уравнение (7) перепишется в виде:

ф ф

ОМ

о2А/2

— —С\

(8)

Сложим эти уравнения

Ф + = (с°х —с2) -(с2~с{).

\DiNi 02Ы21 ' } х и

Приведем выражение для-коэффициента разделения

С? ("1-С?) „ 0

11 2) лриС?.С5=0.

а

(1 -с°)-с2°

(а—1)С2(1—С[) ^АС,

(9)

(10)

где АС — максимальная разность изотопических концентраций между фазами.

В конечном итоге после подстановки выражений (10) в (9) и проведения преобразования получим

ф = ^.^аСзО-СО-С.О-ед (И)

с1| с12

D,N^ DoN

21\2

8 Заказ 3720

13

Сравнивая выражения (5) и (И), заключаем, что они отличаются только значениями констант. В общем случае, когда присутствуют оба вида кинетики, выражение можно записать в виде

ф = уо[вС2 (1—Сх) — (С!—С2), (12)

где — плотность обменного потока выделяемого изотопического иона.

в. Определяющей стадией является химическая реакция. В этом случае, как показано в работе [1], перенос выделяемого изотопического иона может быть определен выражением

Ф = /С1еС2(1—СО + (Сх—С2)]. (13)

Как видно, оно несколько отличается от выражения (11).

В зависимости от условий эксперимента один из рассмотренных процессов при изотопном обмене в системе жидкий ионит — раствор будет наиболее медленным по сравнению с другими процессами. Кинетика изотопного обмена в рассматриваемых условиях и будет характеризоваться этим видом процесса.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ф. Г е л ь ф е р и х. Иониты. М., ИЛ, 1962.

2. А. М. Розен. Теория разделения изотопов в колонках. Атомиздат, 1960.