Способ получения дейтероводорода

 

Использование: в способах получения дейтероводорода, который используется как в исследовательских, так и практических целях. Сущность: проводят реакцию дейтерида лития с водой. Реакция протекает с добавкой к воде 20-25% этилового спирта, который берут в избытке не менее чем 0,7 л на 1 М дейтерида лития.

Изобретение относится к химическим способам получения дейтероводорода (НД), используемого, в частности, в исследованиях процессов мю-катализа ядерных реакций.

Известен способ получения дейтероводорода с использованием реакции путем добавления D₂O к суспензии LiAlH₄ в n-бутиловом эфире, осушенном в щелочи (1).

Наиболее близким к заявляемому является способ получения дейтероводорода, описанный в работе (2).

Дейтероводород согласно этому способу получают также по реакции: В отличие от рассмотренного выше способа LiAlH₄ суспензируется в обезвоженнном тетрагидрофуране CH₂(CH₂)₂CH₂O, затем смесь замораживается в сосуде с жидким N₂. При температуре около 0^oC D₂O медленно добавляется в замороженную смесь. В результате протекания высокоэкзотермической реакции выделяется НД.

Согласно приведенным в статье данным количество НД было (93±2)%, а остальное приходится на H₂ и D₂. Концентрация другой примеси меньше 10^-5.

Рассмотренные способы, основанные на приведенной реакции, не позволяют получать дейтероводород с содержанием примесей дейтерия менее 2,5%. Дейтерий же является основной помехой при исследовании процессов мюонного катализа ядерных реакций в НД. Более половины ценного дейтерия, участвующего в реакции, уходит в отходы в виде гидроокиси лития и алюминия.

Кроме того, применение в качестве второго компонента реакции суспензии LiAlH₄ в тетрагидрофуране или n-бутиловом эфире приводит к усложнению технологии и образованию отходов, которые требуют специальной переработки перед их утилизацией.

Предлагаемый способ прежде всего направлен на то, чтобы обеспечить получение дейтероводорода большей концентрации и очень высокой чистоты.

Это достигается тем, что способ получения дейтероводорода основан на реакции LiD+H₂O=LiOH+HD с добавкой в воду 20-25% этилового спирта.

Водно-спиртовая смесь берется в количестве не менее, чем 0,7 л на 1 M дейтерида лития, причем водно-спиртовую смесь максимально охлаждают.

Предлагаемая для получения дейтероводорода реакция является также сильно экзотермической, а образующийся дейтероводород разрушается при повышенной температуре. Все это затрудняет проведение реакции и получение целевого продукта высокого качества. Экспериментальным путем было установлено, что этиловый спирт позволяет замедлить процесс, снизить температуру среды, в которой протекает реакции. Концентрация водно-спиртовой смеси, установленная экспериментально, обеспечивает образование дейтероводорода при температуре, когда он не разрушается. Кроме того, необходимо полное растворение образующейся в результате реакции LiOH. Поэтому требуется избыточное количество водно-спиртового раствора.

Все эти условия в совокупности обеспечивают проведение реакции до конца и получение высококачественного целевого продукта.

Способ получения дейтероводорода заключается в следующем. Исходный препарат дейтерида лития высокой чистоты помещают в реактор установки, выполненной из нержавеющей стали. Реактор вакуумируется. Приготавливают 20-25 об.% раствор этилового спирта в воде. Раствор охлаждают до температуры -5^oC (пока он еще не замерзает).

Затем водно-спиртовый раствор подается в реактор. Образующийся в результате реакции дейтерида лития с водой - дейтероводород, проходя через холодильник, который служит для удаления из газа сопутствующей воды, собирается в емкость-приемник. После очистки газа на цеолитовых адсорбентах получается дейтероводород высокой чистоты.

Пример 1. 11,5 г LiD помещают в реактор установки. Реактор с LiD вакуумируют форвакуумным насосом до 10^-2 мм Hg (в течение 6-8 часов) для удаления свободного дейтерия, который присутствует в дейтериде лития. Приготавливают 0,8 л 25%-ного раствора этилового спирта в воде (на 1 M LiD 0,7 л водно-спиртового раствора). Раствор охлаждают до -5^oC и подают в реактор с LiD. Образующийся в результате реакции дейтерида лития с водой газообразный дейтероводород, после прохождения через холодильник, охлаждаемый жидким азотом (для вымораживания воды) поступает в емкость-сборник. Реакция протекает в течение 50-60 минут . Выход HD близок к теоретическому и составляет 28,5 л.

Газохроматографический анализ на молекулярно-изотопный состав полученного газа показал следующие результаты: HД=98,1%, H₂=1,5%, Д₂=0,4%. После дополнительной очистки газа на цеолитовых адсорбентах получается дейтероводород высокой степени чистоты с содержанием примесей (объемные доли) O₂≅10^-8; N₂≅10^-7; H₂O 5·10^-6.

Пример 2. 16,8 г LiD помещают в реактор установки. Реактор с LiD откачивают до вакуума -5·10^-3 мм рт.ст. Затем 0,7 л 20%-ного раствора этилового спирта, охлажденного до ≈-5^oC, заливают в реактор на LiD. Образующийся в результате прохождения реакции газ HД собирается в емкость-приемник. Количество собранного газа составляет около 39 л. После очистки на цеолитовых ловушках получено 36,5 л HД состава: HД - 97,4%, H₂ - 1,9%, Д₂ - 0,7%. Содержание примесей кислорода, азота и воды в полученном HД составляет: O₂ - 6·10^-8, N₂ - 4·10^-7, H₂O - 2·10^-6.

Преимущества предлагаемого способа: 1. Повышение концентрации дейтероводорода до более 98% при получении его в препаративных количествах.

2. Полное использование дейтерия из LiD на целевой продукт и тем самым увеличение выхода HД по дейтерию в два раза.

3. Увеличение чистоты продукта. Содержание примесей O₂≅10^-8, N₂≅10^-7, Y₂O≅5·10^-6.

4. Упрощение процесса.

5. Образование в качестве отходов гидроокиси лития в спиртовом растворе, которая может быть легко переведена в порошок и использоваться как побочный ценный продукт.

Дейтероводород, полученный заявляемым способом в количестве более 300 л, был использован в исследованиях мюонкаталитических процессов на ускорителе в институте Пауля-Шеррера в Швейцарии.

Формула изобретения

Способ получения дейтероводорода, отличающийся тем, что проводят реакцию между дейтерид литием и водой с добавкой в воду 20 25%-ного этилового спирта, причем водно-спиртовой раствор применяют в максимально охлажденном виде в количестве не менее, чем 0,7 л спиртового раствора на 1 М LiD.