CC BY
14
Успехи в хцмии и химической технологии. ТОМ XXXIII. 2019. № 1
УДК 621.039
Растунова И.Л., Розенкевич М.Б., Чеботов А.Ю.
РАЗДЕЛЕНИЕ ИЗОТОПОВ КИСЛОРОДА МЕТОДОМ ХИМИЧЕСКОГО ИЗОТОПНОГО ОБМЕНА УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА С ВОДОЙ В МЕМБРАННЫХ КОНТАКТНЫХ УСТРОЙСТВАХ
Растунова Ирина Леонидовна, к.т.н., доцент кафедры технологии изотопов и водородной энергетики e-mail: rastunov@rctu.ru;
Розенкевич Михаил Борисович, д.х.н., заведующий кафедрой технологии изотопов и водородной энергетики e-mail: rozenkev@muctr.ru;
Чеботов Александр Юрьевич, ведущий инженер кафедры технологии изотопов и водородной энергетики e-mail: a.u.chobotov@gmail.com;
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская площадь, д. 9
Представлена противоточная разделительная установка с мембранными контактными устройствами, с использованием которой впервые реализован процесс изотопного обмена между углекислым газом и водой на гетерогенных катализаторах.
Ключевые слова: контактное устройство мембранного типа, Nafion, разделение изотопов кислорода, система углекислый газ-вода, гетерогенный катализатор
OXYGEN ISOTOPES SEPARATION BY THE METHOD OF THE CHEMICAL ISOTOPE EXCHANGE OF CARBON GAS WITH WATER IN MEMBRANE CONTACT DEVICES
Rastunova I.L., Rozenkevich M.B., Chebotov A.Yu.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
A countercurrent separation setup with membrane contact devices is presented, using which the process of isotope exchange between carbon dioxide and water on heterogeneous catalysts was first implemented
Key words: membrane contact device, Nafion, oxygen isotopes separation, carbon dioxide-water system, heterogeneous catalyst
Тяжелые изотопы кислорода находят широкое применение в различных областях
исследовательской химии, биохимии и медицине. В настоящее время основными промышленными способами разделения изотопов кислорода являются низкотемпературная ректификация монооксида азота N0 (а = 1,037 при Т = 120К) и ректификация воды под вакуумом. (а = 1,0063 при Т = 343К и Р = 31 кПа). Хорошей альтернативой является метод химического изотопного обмена (ХИО) между углекислым газом и водой (а = 1,042 при Т = 298К), который по величине однократного эффекта разделения не только значительно выигрывает по сравнению с процессом ректификации воды, но и не уступает ректификации N0 [1]. Попытки реализации процесса в жидкой фазе при высоком давлении с использованием гомогенных добавок, вследствие технологических сложностей с организацией рецикла активаторов на богатом и бедном концах разделительной колонны, не нашли практического применения [1-2]. Отсутствие гидрофобного гетерогенного катализатора для изотопного обмена между Н20 и С02 не позволяет осуществить процесс на насадочных контактных устройствах по аналогии с разделением изотопов водорода в системе вода-водород.
Создание контактного устройства мембранного типа (КУМТ), позволяющего использовать
негифрофобные гетерогенные катализаторы для изотопного обмена между газом и водой, открыло перспективы осуществления изотопного обмена между жидкой водой и водородом [3-4]. Реакция ХИО в данной системе на гетерогенном катализаторе проходит в две стадии: каталитический изотопный обмен (КИО) между углекислым газом и парами воды на активных центрах катализатора и фазовый изотопный обмен воды (ФИО):
Cat
И2180(п) + C16O16O(r) ~ И2160(п) + C16O18O(r) (КИО) (1)
И2160(п) + H218Ow ~ H216OW + Ш80(п) (ФИО) (2)
H218Ow + С160160(Г) <-> И2160(ж) + С160180(Г) (ХИО) (3)
В КУМТ гетерогенный катализатор и жидкая вода разделены между собой мембраной, проницаемой для молекул воды и служащей границей раздела фаз. Таким образом, изотопный обмен между газом и парами воды происходит на катализаторе, а фазовый изотопный обмен воды - на поверхности мембраны. Для осуществления реакции был выбран промышленный оксидный катализатор НТК-10-2ФМ (Cu0 - 48,8 % ZnO - 22,9 %, A2O3 -20,7 %, CaO - 6,3 %; активная поверхность - 60 м2/г). Поскольку тяжелый изотоп кислорода по
Успехи в хцмии и химической технологии. ТОМ XXXIII. 2019. № 1
реакции (1) концентрируется в газовой фазе, то при проведении многоступенчатого разделительного процесса необходимо осуществлять обращение потоков на верхнем (богатом конце) установки. Для количественного превращения обогащенного 18О углекислого газа в воду была предложена реакция Сабатье для получения метана [1]:
СО2 + 4Н2 ^ СН4 + 2Н2О . (4)
При создании верхнего узла обращения потоков для реакции (4) был выбран никель-хромовый
катализатор, а также разработан узел глубокой осушки для количественного выделение воды из смеси продуктов реакции и ее возврата в разделительную колонну [5]. На рисунке представлены элементы созданной опытной установки на основе КУМТ в сочетании с верхним узлом обращения потоков для разделения изотопов кислорода методом ХИО между СО2 и водой [6].
Рис. 1. Элементы опытной установки: а - колонна с КУМТ; б - верхний узел обращения потоков; 1 -КУМТ; 2 - узел
конверсии СО2; 3 - узел осушки
Разделительная колонна установки состоит из 18 КУМТ, каждый из которых содержит мембрану МФ-4СК площадью 42,5 см2 и 8 см3 катализатора НТК-10-2ФМ. По результатам испытаний были получены удовлетворительные значения массообменных характеристик процесса разделения (при Т=343 К и Р=0,1 МПа коэффициент массопередачи составил (1,3+0,1)10-4 м/с, что соответствует 0,1 теоретической ступени разделения на 1 КУМТ). Установка продемонстрировала согласованную работу колонны и узла обращения потоков и устойчивую работу в течение длительного времени. Дальнейшие работы посвящены интенсификации процесса за счет поиска эффективных катализаторов и совершенствования конструкции КУМТ [7]. Таким образом, можно с уверенностью заявить о создании впервые в мире установки для разделения изотопов кислорода методом химического изотопного обмена в системе углекислый газ - вода.
Список литературы
1. Андреев Б.М., Магомедбеков Э.П., Розенкевич М.Б., Райтман А.А., Сахаровский Ю.А., Хорошилов А.В. Разделение изотопов биогенных элементов в двухфазных системах. М.: ИздАТ, 2003. 376 с..
2. Кац М.Я., Лаптева Ф.С. Изотопный обмен между водой и двуокисью углерода // Журнал физической химии. 1958. Т. XXXII. № 4. С. 864-868.
3. Розенкевич М.Б., Растунова И.Л. Контактное устройство для изотопного обмена водорода или углекислого газа с водой. Пат. № 2375107 Рос. Федерация. № 2008117569/12; заявл. 06.05.2008; опубл.10.12.2009. Бюл. № 3. 7 с.
4. Розенкевич М.Б., Растунова И.Л., Прокунин С.В. Способ очистки воды от трития каталитическим изотопным обменом между водой и водородом. Пат. РФ. № 2380144, опубл. 27.01.2010. Бюлл. № 3. МПК B01D 59/28. Рег. номер заявки: 2008117570/15 от 06.05.2008. 7 с.
5. Третьякова С.Г., Растунова И.Л., Розенкевич М.Б. Создание верхнего узла обращения потоков для установки разделения изотопов кислорода методом химического изотопного обмена между углекислым газом и водой // Перспективные материалы. 2010. № 8 (спец. выпуск). С. 247-251.
6. Третьякова С.Г. Разделение изотопов кислорода методом каталитического изотопного обмена в системе вода - углекислый газ. Дисс. ... канд. техн. наук. М. 2012. 131 с.
7. Чеботов А.Ю., Иванов В.Ю., Гизатуллин Т.Т., Растунова И.Л. Изучение процесса массообмена в системе вода-углекислый газ в контактных устройствах мембранного типа // Успехи в химии и химической технологии. 2017. Т. 31. № 10. С. 88-90
