К вопросу разделения изотопов при электродиализе с применением ионитовых мембран Текст научной статьи по специальности «Физика»

известия

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

Том 215 1974

К ВОПРОСУ РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ ПРИ ЭЛЕКТРОДИАЛИЗЕ С ПРИМЕНЕНИЕМ ИОНИТОВЫХ МЕМБРАН

И. А. ТИХОМИРОВ, В. Т. ДОРОНИН, А. П. ВЕРТУН, Г. с. ТИХОНОВ, В. В. ЛАРИОНОВ

(Представлена научным семинаром физико-технического факультета)

Возможность использования ионитовых мембран для разделения изотопов показана в ряде работ [Т—ТО]. Доказано [9], что сольватация изотопических ионов в смоле ионообменной мембраны значительно меньше, чем в растворе. Это означает, что процесс разделения изотопических ионов в системе «ионитовая мем;брана— раствор» протекает более эффективно, чем в растворе.

Исследования по теме проводили с использованием противоточного многокамерного электродиализатора, эквивалентная схема которого приведена на рис. 1. Между катодом т анодом прикладывается разность ¡потенциалов, необходимая для (выполнения условий разделения. Поток легкого изотопа через мембрану (/) складывается из потока, обусловленного электрическим полем в иони-те (ГЕ) и в растворе (1Е), диффузионного потока по иониту (Гд) и (по раствору (/д) (И противотока электролита (Iр). Нами принимается, что разделение при электродиализе происходит в основном при электромиграции изотопических ионов через мембрану, а в промежутках между мембранами разделение практически отсутствует ввиду полного перемешивания раствора в них. Дополнительно принимается, что поляризацией /можно пренебречь, так как процесс разделения рассматривается при малых плотностях электрического тока. В этом случае 'концентрационный профиль и профиль напряженности электрического поля по

условно (собранному пакету мембран можно считать непрерывным. В соответствии с рассматриваемой -схемой (составлено дифференциальное уравнение переноса легкого изотопа, описывающее процесс разделения изотопов в многокамерном электродиализаторе, работающем в режиме колонки. Уравнение рассматриваемого электродиализатора-колонки, как показано в работе [110], сводится к уравнению следующего типа;

Рис.

Схема процесса разделения

dc d \ dc ,

-- —--\-c(K—с)

dt dx L dx

где с—относительная концентрация легкого изотопа ib фазе (раствора; t — ¡время, х — расстояние рассматриваемого сечения электродиализатора от точки питания, к — постоянная, определяемая через параметры исследуемой системы «ионит—раствор». Уравнение (1) отличается от аналогичных уравнений, приводимых в работах /[111, 1(2], введением постоянной к.

13 а'пиш ем гр а нич н ы е у слов ия:

dc +0(к-с) = 0, (2)

dx

= 0,

X 0 X Ъ

где Ь — Ь/1 — приведенная длина ¡разделительного устройства с учетом перехода к новым переменным при составлении уравнения (1), Ь— длина пакета мембран, / — 'постоянная величина при переходе к новым переменным. Стационарное состояние рассматриваемой системы согласно (1) и (2) описывается уравнением

йс . ч л (3)

dx

с (к—с) = 0,

откуда получаем выражение для стационарного распределения относительной -концентрации шегкого изотопа по длине электродиализатора

с —

1—th

к (х—Хо)

(4)

где постоянная х0 определяется из условия сохранения числа частиц в системе

ь

1' Сйх =Г сф. о

(5)

с0 — начальная концентрация легкого изотопа. Подставив (4) в (5) и интегрируя, получаем выражение для нахождения величины л'0.

1

Л*

>кх

1_

1(6)

Нестационарное состояние описывается уравнением (1). Следуя выводам, полученным в работе '[^2], решение уравнения ('1) представим н следующем виде:

1

sh к(х—

2 ' к

кЧ

4

сю

11=1

AnXncosXnxr

^ 2 -Int

Ch *о)

2

ch ^^ 4

oo

s

/2 = 1

A„s'm\„xe

2

-Int

(7|

где

Л

Уо

(8)

("='1,2,3...), (9)

Настоящие теоретические выводы удовлетворительно согласуются с результатами эксперимента.

Используя понятие эквивалентного электролита для рассматриваемой системы, мы получили выражение для определения коэффициента разделения при электродиализе в системе «ионитовая мембрана—раствор»:

-Щ-, (11)

\(\~С) 5Л/Г—АсУк] с '

где Ас — .изменению относительной .концентрации легкого изотопа в катодной камере с объемом Vк за время М, № — линейная скорость .противотока, 5 —течение электродиализатора. Соотношение (11) в отличие от соотношения, выведенного в работе [13] для (процесса разделения при электролизе в растворе, имеет иную структуру и определяет величину а для системы «ионитовая мембрана—раствор» при элек-тродиализе.

На рис. 2 приведена схема устройства, которое использовалось для непрерывного разделения изотопов методом электродиализа. Раствор электролита, который служит для создания противотока в многокамер-

Рис. 2. Схема устройства, используемого при обогащении смеси но наиболее подвижному ион-у. Обозначения — в тексте

ком электродиализаторе, вытекает из емкости 1 в емкость 2 с регулируемым уровнем. Из емкости 2 электролит через фильтр 3, термостатиру-ющий змеевик 4 и расходомер 5 непрерывно поступает в катодную камеру электродиализатора. Пройдя через все камеры (направление противотока по электродиализатору показано стрелкой), раствор стекает через патрубок в емкость 6. Аналогично через элементы схемы 7—'И в анодную камеру большого объема подается раствор с разделяемыми изотопами. Под действием приложенного к электродам напряжения изотопические ионы мигрируют к катоду, обогащая раствор при-катодных камер по наиболее подвижному иону. Разделение изотопических ионов осуществляется при соблюдении условия где

VI и и2 — скорости разделяемых ионов под действием электрического поля и — скорость ¡противотока. Высокая стабилизация напряжения обеспечивается введением -в систему электропитания стабилизаторов переменного и постоянного напряжений. Электродиализатор фильтр-прессного типа собирался из пластин оргстекла., между которыми зажимались ионитовые мембраны. Такая конструкция позволяет быстро изменять число камер, легко разбирать и собирать электродиализатор, а также использовать его для разделения ионны-х смесей самого разнообразного состава. Основные эксперименты проведены на электродиализаторе »из 59 камер. В качестве ионитовых мембран использовались мембраны типа <М(К-40-С и МА-40-С. Расстояние ¡между электродами анодной и катодной камер составляло 533 мм, объем одной камеры электродиализатора — 21,16 смг, температура ¡в камерах поддерживалась на уровне (10±0,1)°С. Длительность опытов доводилась до 900 часов. Процесс осуществлялся б безотборном режиме.

На рис. 3 представлено распределение относительной концентрации наиоолее подвижных изотопических ионов по длине разделительного устройства. Вид полученной экспериментальной зависимости согласуется с теоретическими выводами. На рис. 4 представлена зависимость относительной концентрации легкого изотопа в катодной камере от времени проведения процесса разделения. Обработка этой зависимости позволяет, используя соотношение (М), определить однократный коэф-

t

О ГО 20 50 40 30 {лаямд) Номер камеры

Рис. 3. Распределение относительной концентрации наиболее подвижных изотопических ионов по длине разделительного устройства

ю

0.7$ 0.5 0.25

О 10 20 30 40 Время (сутки)

Рис. 4. Зависимость относительной концентрации легкого изотопа в катодной камере от времени проведения процесса

фициент разделения изотопов при электродиализе. Зная однократный коэффициент разделения .и суммарный эффект разделения, можно определить число теоретических тарелок и ВЭТТ. Для использованного нами электродиализатора число эквивалентных теоретических тарелок равно 800, т. е. 150'0 тарелок на <1 метр длины разделительного устройства.

Отметим также, что при разделении изотопических катионов на электродиализаторах с анионитогаыми мембранами параду 1с усилением суммарного разделения наблюдается понижение переноса легкого изотопа по электродиализатору. Много экономичнее использование электродиализаторов с катионитовыми мембранами, где достаточно высокий эффект разделения сочетается с большим 'числом переноса (до 90%).

ЛИТЕРАТУРА

1. Е. Мейсон, Е. Парен. «Труды Второй международной конференции по мирному использованию атомной энергии. Женева, 1958. Избранные доклады иностранных ученых». Атом-издат, т. 7, 451 (¡1969).

2. Н. Kaki han а, М. Okamoto. „J. Chem. Sos Japan", 84. № 5, 402 (1963).

3. H. Kakihana, M. S e k о. Пат. США 3 414 500. 2. 08. 63. Offic Gazette, 1968. 857, № 1, 243.

4. H. Kakihana, Т. H o s h i n о, К. К u r i s u. „Proc. 17 Annua; Meeting of the Chem. Sos. Japan", 93 (1964).

5. H. Kakihana. „3rd U. N. Internet. Conf. Peaseiul Uses Atom Energv, 1964. (Preprint)" s. a., № 439.

6. M. Okamoto. „Bull. Tokyo Inst. Technol.", № 76, 143 (1966).

7. M. Okamoto, H. Kakihana. «J. Chem. Sos. Japan», 88, № 3, 313 (1967).

8. H. Kakihana, Т. К a u ¿ a k i, M. Okamoto, S. Yokotsuka. J. Hoshi. «J. Chem. Sos. Japan», 89, № 3, 230 (1968).

9. H. Kakihana. „Isotopenpraxis", № 6,232 (1968).

10. И. А. Тихомиров, В. Т. Доронин, А. П. Вертун, В. В. Ларионов. Тезисы докладов на Всесоюзной научно-технической конференции «20 лет производства и применения изотопов и источников ядерных излучений в народном хозяйстве СССР». Секция «Производство изотопов». Атомиздат, 6'4 (1968).

11. Б. П. Константинов, В. Б. Фикс. ЖФХ, 38, № 6, 4647—¡1631; № 8, 1904—>1908; № 9, 2-255—2267 (1964).

12 С. Е. Б-рее л ер, Г. Е. Пик ус. ЖТФ, 26, № 1, 109—/106 (1956).

■13. W. Thiemann, К. Wagener. «Z. Naturíorsch.», 18а, № 2, 228 (1963).