183570. lajstromszámú szabadalom • Eljárás izotópok elválasztására az irányított disztribució módszerével az izotóp koncentrációshatás kihasználása mellett
1 183 570 A találmány tárgya eljárás izotópok szétválasztására kétfázisú, például szilárd fázis—folyadék fázis, folyadék fázis—folyadék fázis, szilárd fázis—gáz fázis típusú rendszerekből. Az eljárás azon a felismerésen alapszik, hogy az izotópok disztribúciója a fázisösszetétel megválasztásával szabályozható, vagyis ezek szerkezeti és anyagi összetételével, az izotópok és a ligandumok koncentrációjával, továbbá a hőmérséklettel, megvilágítással, hidrodinamikai paraméterekkel és a fázisok érintkezésének idejével. A találmány szerinti eljárás segítségével nagy hatékonysággal lehet például urán, lítium és kén izotópokat elválasztani vizes vagy nem vizes oldatból, esetleg gáz halmazállapotú keverékekből, ha azt szilárd szorbetekkel vagy folyékony extrakciós szerekkel kezeljük. Az eljárás lényegében egy kémiai elválasztási módszer. Az eddig ismert és használt kémiai izotóp elválasztási módszerek (lásd például B. N. Laskorin és mtsai. : Uspechi chimii, XLIV kötet, 5, 761—780 (1975), J. de Carman és mtsai.: Report AAEC/LIB/BIB 273 (1970)) az izotópkicserélődési reakción alapulnak, melyek egyensúlyi állandói, vagyis rendszerint az elemi elválasztási faktorok, a megfelelő izotóp tömegszámától függően 1,01 és 1,0001 között mozognak. Ennél alacsonyabb értékeket a nehézfémek izotópjai, például az urán mutatnak. Az utóbbi években nagy figyelmet szenteltek urán izotópok elválasztására szilárd szorbenseken, valamint folyékony extrakciósszereken (a 2 235 603, a 2 349 595 és a 2 623 891 számú német szövetségi köztársaságbeli közrebocsátási iratok, az 1 600 437 számú francia szabadalmi leírás, és A. Ponta, A. Calusaru: Isotopenpraxis 13, 6, 214—216 (1977) és 11, 12, 422—426 (1975)). Valamennyi ismert eljárás' közös jellemzője az A reakcióvázlat szerinti izotópkicserélődési reakció, a római számok az egyes fázisokat jelölik, körülményeinek maximális biztosítására. Az első kísérletek az U(Vl)-izotópok elválasztására azonban nem voltak eredményesek, mert az izotópkicserélődés és kromatográfiás módszerek felhasználásával nem sikerült reprodukálható módon 1,00009-nél nagyobb elválasztási faktort elérni. Ezért a figyelem olyan rendszerek felé irányult, melyekben különböző vegyértékű uránionok vannak, éspedig az U(VI—U(IV) és U(III)—U(IV) ionok. Ezekben a rendszerekben egyidejűleg egy elektronkicserélődési reakció is lejátszódik, melyeknél az urán könnyebb izotópja a magasabb vegyértékfokozathoz kapcsolódik. Továbbá a komplexképző reakciók izotópeffektusával összefüggésben megfelelő szorbens vagy adott esetben az urán egy bizonyos vegyértékű ionjára szelektív extrakciósszer felhasználásakor valóban elérhető az elválasztás hatékonyságának jelentős növekedése. Az irodalomban közölt adatokból (például M. Seko, T. Miyake, K. Inada: Nucl. Technology 50, 178—186 (1980), Report INFEC/DEP/WG 2/31 „On the technical, economical and safequard informations of the different enrichment techniques” 15.3.1979.) látható, hogy sikerült az elemi elválasztási faktor értékét az 1,001 szint fölé növelni, ami a gazdaságosság alsó határának tekinthető (például az urán izotópok nagyipari elválasztására használt gázdiffúziós eljárás elemi elválasztási faktora mintegy 1,0027). Mondhatjuk tehát, hogy a megoldandó feladat mind gazdaságilag, mind technológiailag igen jelentős. Az ipari felhasználás azonban az elemi elválasztási faktor határértékei miatt nem egyértelmű, mert ez soklépcsős berendezések építésével, a dúsított urán nagymértékű retenciójával és a stancionárius állapot eléréséhez szükséges meglehetősen hosszú idővel jár együtt. Ugyanígy az urán oxidációjának és redukciójának többszöri ismétlése jelentősen leszűkíti a felhasználható oxidáló és redukáló szerek körét és növeli a folyamat energiaigényét. Ezeket a hátrányokat küszöböli ki a találmány szerinti új eljárás, mely az irányított disztribúción alapszik a két fázisú rendszerekben jelentkező izotóp koncentrációseffektus kihasználása mellett. A találmány szerinti eljárás lényege, hogy egy kétfázisú rendszer egyik fázisa az izotópkomponensek és ligandumok 10'6 M és telítettség közötti koncentrációjú vizes vagy nem vizes oldata, vagy az izotópkomponensek gázformájú elegye vagy az izotópkomponensek inert gázzal képzett gázformájú elegye és az elválasztott izotópok a kiindulási elegyben, adott esetben a kiindulási oldatban 1:10s—1:10-5 közötti mólarányban találhatók és a második fázis egy szilárd szorbens, így sztirol-divinilbenzol ioncserélő vagy bioszorbens alacsonyabb gombák micéliumából vagy cellulóz alapú szorbens, vagy egy extrahálószer, így például tributil-foszfát vagy trioktil-amin, adott esetben hordozóanyagokon, így például teflonon, kovasavon vagy cellulózon kötve. A vázolt kétfázisú rendszer a szorpció és/vagy deszorpció, adott esetben az extrakció és/vagy reextrakció során nem lineáris egyensúlyi izotermát mutat és a két fázis érintkezésekor az izotópok vándorlási sebessége az egyik fázisból a másikba különböző. Hátráltathatjuk az izotópkicserélődést, ha az izotópokat különböző ligandumokkal, így például karbonát-, szulfát-. citrát-, klorid- vagy etiléndiamin-tetraecetsavionokkal komplex formájában vagy kelátképző funkciós csoportok, így például karboxil- vagy hidroxilcsoportot, vagy foszfor-, kén vagy nitrogénatomot tartalmazó extrakciósszerekkel megkötjük és/vagy ha sötétben vagy 2,5-102—109 nm hullámhosszúságú fényben dolgozunk. Az eljárás kivitelezése során a következő paramétereket tartjuk be: a fázisok érintkezési ideje 10"2—106 sec, a hőmérséklet 102—103 °K, a keverő fordulatszáma KT2—lOVsec, kolonna elrendezés esetén az átfolyási sebesség a kolonnánál 10~6—KT1 m/sec és a szorbens részecskeátmérője KT6—10"2 m. Az izotópok deszorpciójához vagy reextrakciójához szervetlen só- vagy savoldatot, így például nátrium-karbonát, ammónium-nitrát, nátrium-klorid, nátrium-szulfát, kénsav, salétromsav vagy sósav oldatát, továbbá komplexképző ligandumokat, így például citrát-, etiléndiamin-tetraecetsav- vagy izo-vajsav-ionokat tartalmazó vegyületek oldatát használjuk önmagukban vagy keverékében, 10-3 M és telítettség közötti koncentrációban. A találmány szerinti eljárás során felhasználhatjuk például izotópkomponensek, így 23SU(VI) és 238U(VI) és ligandumok, így nitrát-, szulfát- és karbonátionok KT2—KT1 M összkoncentrációjú vizes oldatát, mely oldatban a 235U- és 238U-ionok kiindulási elegyének mólaránya: 1:500—1:100 között van. Szilárd szorbensként sztirol-divinilbenzol-kopolimer alapú ion-5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 00 65 2
