Способ двухступенчатого получения высокообогащенного изотопа углерода 13с лазерным методом

Изобретение относится к способу получения высокообогащенного изотопа углерода ¹³С методом инфракрасной многофотонной диссоциации молекул излучением импульсного СО₂-лазера. Способ включает облучение молекул хлордифторметана CF₂HCl излучением импульсного СО₂-лазера с образованиием обогащенного по изотопу ¹³С тетрафторэтилена C₂F₄ на первой ступени обогащения, конверсию тетрафторэтилена в дифтордибромметан CF₂Br₂ и облучение молекул дифтордибромметана излучением импульсного СО₂-лазера на частотах генерации 1075-1088 см^-1 на второй ступени обогащения, при этом диссоциации подвергаются молекулы ¹²CF₂Br₂, а обогащение по целевому изотопу ¹³С достигается в остаточном газе ¹³CF₂Br₂. Изобретение обеспечивает повышение производительности процесса разделения, снижение себестоимости целевого продукта и достижение концентрации изотопа ¹³C более 99%.

 

Изобретение относится к области разделения изотопов углерода методом инфракрасной многофотонной диссоциации молекул излучением импульсного СО₂-лазера и предназначено для получения изотопа ¹³С, обогащенного до концентрации более 99%.

Известен способ двухступенчатого получения высокообогащенного изотопа ¹³С, предложенный в работе В.М. Апатина, В.Б. Лаптева, Е.А. Рябова, А.Н. Петина. (Исследование возможностей одно- и двухступенчатой схем разделения для получения высокообогащенного углерода-13 лазерным методом. Химия высоких энергий, 37(2), 133, 2003). Ранее, на первой ступени обогащения в разделительном реакторе излучением импульсного СО₂-лазера облучались молекулы хлордифторметана CF₂HCl с природной концентрацией ¹³С=1.1% с образованием тетрафторэтилена C₂F₄, обогащенного по изотопу ¹³С до концентрации 31%. Затем тетрафторэтилен преобразовывался в хлордифторметан с той же концентрацией ¹³С. На второй ступени обогащения использовалась та же схема облучения. В результате в продукте диссоциации C₂F₄ была достигнута конечная концентрация ¹³С=99.5±0.5%. К недостаткам этого способа можно отнести низкую производительность процесса обогащения, поскольку необходимая конечная концентрация ¹³С=99% достигалась лишь при невысоких значениях выхода диссоциации, т.е. производительности. Второй существенный недостаток способа - высокая себестоимость продукта, поскольку требуемая концентрация ¹³С достигалась при малых степенях исчерпывания ¹³С-содержащей компоненты, т.е. значительная часть дорогостоящего исходного соединения (¹³CF₂HCl) уходила в отвал.

Известен также способ двухступенчатого лазерного обогащения, предложенный в патенте S. Arai, K. Sugita, S. Isomura, Н. Kaetsu (Патент США №4941956, от 17.07.1990. Класс МКП: B01D 59/34). На первой ступени облучался хлордифторметан в смеси с парами брома с образованием обогащенного по ¹³С дифтордибромметана CF₂Br₂. На второй ступени обогащения проводилось облучение CF₂Br₂ в смеси с кислородом, при этом излучение СО₂-лазера настраивалось так, чтобы диссоциировали молекулы ¹³CF₂Br₂, при этом обогащение по целевому изотопу достигалось в продуктах диссоциации COF₂. Экспериментально полученное изотопное обогащение составило 91%. К недостаткам этого способа можно отнести недостаточное конечное обогащение по целевому изотопу и высокую себестоимость продукта, поскольку, вследствие конечной селективности процесса, значительная часть дорогостоящего исходного соединения второй ступени (¹³CF₂Br₂) уходит в отвал.

Цель предполагаемого изобретения - повышение производительности двухступенчатого процесса разделения с одновременным снижением себестоимости целевого продукта и достижением концентрации изотопа ¹³C более 99%.

Указанная цель достигается тем, что облучение рабочего вещества на второй ступени обогащения производится на частотах генерации 1075-1088 см^-1 СО₂-лазера, при этом диссоциации подвергаются молекулы ¹²CF₂Br₂, обогащение по целевому изотопу ¹³C до 99% и выше происходит в остаточном газе ¹³CF₂Br₂, а потери ¹³C-содержащей компоненты из CF₂Br₂ не превышают 15%.

На первой ступени обогащения излучением СО₂-лазера воздействуют на помещенную в разделительный реактор смесь хлордифторметана с азотом (буферный газ). При этом диссоциируют молекулы, содержащие целевой изотоп ¹³C. В результате фотохимической реакции

CF₂HCl+nhν → CF₂+HCl

CF₂+CF₂ → C₂F₄

в реакторе образуется обогащенный до 30-50% по изотопу ¹³С тетрафторэтилен в смеси с остаточным хлордифторметаном. Тетрафторэтилен извлекается из смеси и достаточно просто, без потери изотопного обогащения, конвертируется в дифтордибромметан.

На второй ступени обогащения излучением СО₂-лазера воздействуют на помещенную в разделительный реактор смесь дифтордибромметана, обогащенного до 30-50% по изотопу ¹³C с кислородом (газ-акцептор). При этом частота лазерного излучения выбирается так, что диссоциируют молекулы, содержащие нецелевой изотоп ¹²C. В результате фотохимической реакции

^{12, 13}CF₂Br₂+O₂+mhν → ¹³CF₂Br₂+¹²COF₂

в реакторе образуется содержащий изотоп ¹²С дифторфосген в смеси с целевым продуктом - обогащенным до 99% и выше по изотопу ¹³С дифтордибромметаном. После выделения дифтордибромметана из смеси он может быть использован для синтеза различных изотопно-модифицированных соединений углерода.

В проведенных экспериментах были достигнуты высокие параметры элементарного акта разделения: выхода диссоциации нецелевой изотопной компоненты ¹²CF₂Br₂ (до 20%) и селективности по ¹²C (до 100), которые достигались при умеренной плотности излучения СО₂-лазера (2.8 Дж/см²). Данный способ позволяет всегда достигать концентрации изотопа ¹³С более 99% в указанных экспериментальных условиях.

Способ двухступенчатого получения высокообогащенного изотопа углерода ¹³С лазерным методом, включающий облучение молекул хлордифторметана CF₂HCl излучением импульсного СО₂-лазера с образованиием обогащенного по изотопу ¹³С тетрафторэтилена C₂F₄ на первой ступени обогащения, конверсию тетрафторэтилена в дифтордибромметан CF₂Br₂, облучение молекул дифтордибромметана излучением импульсного СО₂-лазера на второй ступени обогащения, отличающийся тем, что с целью повышения производительности двухступенчатого процесса и снижения себестоимости продукта облучение на второй ступени обогащения проводится на частотах генерации 1075-1088 см^-1 СО₂-лазера, диссоциации подвергаются молекулы ¹²CF₂Br₂, а обогащение по целевому изотопу ¹³С достигается в остаточном газе ¹³CF₂Br₂.