專(zhuān)利名稱(chēng)：：以正辛烷為介質(zhì)離心分離碳同位素的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于同位素分離生產(chǎn)
技術(shù)領(lǐng)域：
。技術(shù)背景隨著科技的發(fā)展，碳同位素得到了越來(lái)越多的應(yīng)用，uc作為示蹤原子已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、藥理學(xué)、生物化學(xué)和生命科學(xué)等領(lǐng)域。目前，國(guó)際上豐度為99%的13<:年產(chǎn)量約幾百公斤，國(guó)際市場(chǎng)出售的"c標(biāo)記的化合物有上千種，13<:的應(yīng)用前景非常廣闊。此外，高豐度的12。合成的金剛石由于比天然產(chǎn)品更好的物理性質(zhì)也受到關(guān)注。從調(diào)研的情況來(lái)看，目前生產(chǎn)碳同位素的主要方法為低溫精餾法、化學(xué)交換法和熱擴(kuò)散法等，分離介質(zhì)主要為CO、C02等小分子量的氣體。美國(guó)進(jìn)行大量碳同位素生產(chǎn)主要采用一氧化碳的低溫精餾法，產(chǎn)量已有數(shù)百公斤。目前，離心分離技術(shù)已經(jīng)用于核燃料的生產(chǎn)，具有很好的經(jīng)濟(jì)性。離心分離的分離系數(shù)主要取決于分離介質(zhì)中不同質(zhì)量數(shù)分子的絕對(duì)質(zhì)量差，對(duì)工作介質(zhì)的要求是質(zhì)量數(shù)要足夠大，這樣才能有較高的分離效率，還要求工作介質(zhì)在常溫下要保持化學(xué)穩(wěn)定，具有一定的飽和蒸汽壓。此外，分離介質(zhì)中的不同質(zhì)量數(shù)的分子組成還要方便進(jìn)行目標(biāo)同位素的分離。由于碳元素的原子量只有12，按照傳統(tǒng)的觀念，化學(xué)交換法、精餾法等有較好的經(jīng)濟(jì)性，采用離心法進(jìn)行碳同位素的生產(chǎn)具有技術(shù)上的難題，找到合適的分離介質(zhì)是實(shí)現(xiàn)離心分離碳同位素的關(guān)鍵。本發(fā)明通過(guò)研究選擇正辛垸作為離心分離介質(zhì)，有效解決了離心法分離碳同位素的技術(shù)難題，具有潛在的應(yīng)用生產(chǎn)前景。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明采用同位素離心分離技術(shù)，主要選擇以正辛烷為工作介質(zhì)進(jìn)行碳同位素分離，采用氣體質(zhì)譜同位素分析方法進(jìn)行正辛垸中不同質(zhì)量數(shù)組分的相對(duì)百分比的分析測(cè)量，計(jì)算得到碳同位素的相對(duì)豐度，可以實(shí)現(xiàn)離心法碳同位素的生產(chǎn)。本發(fā)明的特征在于，依次含有以下步驟步驟(1)選擇天然正辛烷作為常溫下離心分離碳同位素的分離介質(zhì)；步驟(2)用氣體質(zhì)譜分析步驟(1)所述正辛垸中不同質(zhì)量數(shù)分子的相對(duì)百分比，在質(zhì)譜分析中選擇測(cè)量相對(duì)百分比的離子時(shí)，選擇去掉一個(gè)氫原子的一價(jià)正離子作為測(cè)量相對(duì)含量的離子，其質(zhì)量數(shù)的范圍是113至121，以滿足離心分離正辛烷對(duì)不同質(zhì)量數(shù)組分相對(duì)百分比的分析要求；步驟(3)用離心機(jī)單機(jī)分離正辛垸實(shí)驗(yàn)，得到正辛垸中質(zhì)量數(shù)分別為114、115、116的三種組分的變化情況。在所述步驟(3)中還包含用大量離心機(jī)組成的級(jí)聯(lián)，將輕餾分中質(zhì)量數(shù)為114的組分濃縮到99%，得到豐度大于99.8%的12C。將重餾分中質(zhì)量數(shù)為115的組分濃縮到90%,得到豐度約12%的13C。本發(fā)明提出的碳同位素離心分離生產(chǎn)方法，具有如下優(yōu)點(diǎn)1.由于正辛垸是石油化工的重要產(chǎn)品，是汽油的主要成分，產(chǎn)量巨大，相對(duì)于其它同位素的分離原料成本低廉，再加上經(jīng)過(guò)分離的輕餾分可以作為普通的正辛垸使用，因此采用正辛垸分離碳同位素的生產(chǎn)原料成本很低；2.雖然正辛烷中分子個(gè)數(shù)很多，但通過(guò)表-3的分析，采用氣體質(zhì)譜法可以很方便地得到正辛烷中不同分子量的組分百分比，并由此得到13C的豐度；3.正辛垸中有效元素碳的百分比非常高，大于80%，有利于提高碳同位素的分離效率，降低生產(chǎn)成本；4.本發(fā)明可以進(jìn)行高豐度的UC和豐度約12%的13C同位素的生產(chǎn)。隨著科技的不斷進(jìn)步，碳同位素的應(yīng)用越來(lái)越廣，將推進(jìn)本發(fā)明的應(yīng)用和推廣。具體實(shí)施方式本發(fā)明首次提出了采用正辛烷為工作介質(zhì)，采用離心法進(jìn)行碳同位素的生產(chǎn)。本發(fā)明通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究實(shí)現(xiàn)了正辛垸的質(zhì)譜分析，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)單機(jī)分離實(shí)驗(yàn)，掌握了離心分離正辛烷的規(guī)律，證實(shí)了采用離心法生產(chǎn)正辛垸的可行性。其核心技術(shù)及具體實(shí)施內(nèi)容如下1.分離介質(zhì)選擇正辛垸的物理化學(xué)性質(zhì)分子式為C8H18;CH3(CH2)6CH3，無(wú)色透明液體，平均分子量為114.22，19.2。C時(shí)的飽和蒸汽壓為1.33kPa，閃點(diǎn)為12°C，熔點(diǎn)為-56.5°C，沸點(diǎn)為125.8°C。正辛垸不溶于水，溶于乙醇、乙醚、苯、丙酮等多數(shù)有機(jī)溶劑。相對(duì)密度(水=1)0.70;相對(duì)密度(空氣=1)3.86，具有化學(xué)穩(wěn)定性。主要用作溶劑及色譜分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，也用于有機(jī)合成?？梢?jiàn)，正辛垸在常溫下的飽和蒸汽壓大于1.33kPa,可以作為離心分離的介質(zhì)。天然的正辛烷(CsH,8)由碳和氫元素組成，氫元素中氘含量很小，可以忽略，可以將天然氫元素看作單一同位素的元素。表一1碳元素的天然同位素分布同位素12c13C豐度(％)98.901,10'4C由于天然含量微小，這里沒(méi)有考慮。利用天然碳元素的同位素豐度分布，采用排列組合的計(jì)算方法，可以得到表-2所示的一系列結(jié)果。表一2天然正辛烷(CsH,8)中不同質(zhì)量數(shù)分子的分布及其所占的百分比<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>從表-2可以看出，天然正辛垸中有九種質(zhì)量數(shù)的分子，分子量從114—122，全部由12C組成的質(zhì)量數(shù)為114的正辛烷占91.5%，含有1個(gè)13C質(zhì)量數(shù)為115的正辛烷的約占為8.14%,含有4個(gè)13C原子的正辛垸的含量約為百萬(wàn)分之一。經(jīng)過(guò)離心分離可以在重餾分端得到濃縮的"C。C7H^及分子量更大的組分。由正辛烷的分子構(gòu)成可知，任意一個(gè)分子量大于等于115的正辛烷分子都至少包含一個(gè)。C原子。因此在理想情況下，如果重餾分中完全沒(méi)有12C8H1S組分，即重餾分僅由13C12C7H18、13C212C6H18........13C8H18等八種組分構(gòu)成，則重餾分中13C的豐度要大于12%?？紤]離心分離的經(jīng)濟(jì)性，將重餾分中分子量為115的13。120;71118濃縮到90%,貝U12(:81118將在10%以下，此時(shí)"c的豐度仍將大于ii%。對(duì)于離心分離來(lái)說(shuō)，將天然正辛垸中質(zhì)量數(shù)為114的最輕的組分貧化到10%以下是比較容易做到的。2.氣體質(zhì)譜法分析正辛烷中不同分子量組分的相對(duì)百分比用氣體質(zhì)譜法可以分析正辛垸(<:81118)，對(duì)于質(zhì)量數(shù)范圍大于130的氣體質(zhì)譜就可以用于正辛烷中不同質(zhì)量數(shù)分子的相對(duì)百分比的分析。在分析正辛垸(C8H18)時(shí)，在質(zhì)譜分析中選擇測(cè)量相對(duì)百分比的離子時(shí)，我們選擇去掉一個(gè)氫原子的一價(jià)正離子作為測(cè)量相對(duì)含量的離子，其質(zhì)量數(shù)的范圍是113—121，經(jīng)過(guò)天然樣品的實(shí)際分析，證明該方法是可行的，見(jiàn)表-3。表一3理論計(jì)算值和質(zhì)譜分析天然正辛烷(C8H1S)的結(jié)果對(duì)比<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>從上表還可以看出，以天然正辛垸為樣品，采用氣體質(zhì)譜法分析得到的實(shí)際測(cè)量值和理論計(jì)算值基本一致，分析精度可以滿足離心分離正辛烷對(duì)不同質(zhì)量數(shù)分子相對(duì)百分比的要求。3.采用離心法分離正辛烷離心法一次單機(jī)分離前后正辛垸中不同質(zhì)量數(shù)分子的相對(duì)百分比分布情況見(jiàn)表-4。表一4一次單機(jī)分離正辛烷中不同質(zhì)量數(shù)組分的分布情況<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>需要說(shuō)明的是，正辛垸中分子量大于116的組分由于天然含量太低，在進(jìn)行質(zhì)譜分析時(shí)檢測(cè)不到，在此略去。因此，表-4質(zhì)譜分析數(shù)據(jù)只列出了114，115，116三種組分的變化情況，分離數(shù)據(jù)表明以正辛垸為介質(zhì)可以有效的進(jìn)行離心分離，證明離心法分離正辛烷的可行性。由于離心法單個(gè)設(shè)備分離能力有限，進(jìn)行生產(chǎn)需要將大量單機(jī)連接成級(jí)聯(lián)進(jìn)行分離，這已經(jīng)是成熟的技術(shù)，設(shè)計(jì)建造合理的離心級(jí)聯(lián)就可以有效地進(jìn)行碳同位素的生產(chǎn)。只要在輕餾分中將質(zhì)量數(shù)為114的組分濃縮到99%，就可以得到豐度大于99.8%的12C。在重餾分中將質(zhì)量數(shù)為115的組分濃縮到90%，就可以得到豐度約12%的13C。權(quán)利要求1.以正辛烷為介質(zhì)離心分離碳同位素的方法，其特征在于，所述方法依次含有以下步驟步驟(1)選擇天然正辛烷作為常溫下離心分離碳同位素的分離介質(zhì)；步驟(2)用氣體質(zhì)譜分析步驟(1)所述正辛烷中不同質(zhì)量數(shù)分子的相對(duì)百分比，在質(zhì)譜分析中選擇測(cè)量相對(duì)百分比的離子時(shí)，選擇去掉一個(gè)氫原子的一價(jià)正離子作為測(cè)量相對(duì)含量的離子，其質(zhì)量數(shù)的范圍是113至121，以滿足離心分離正辛烷對(duì)不同質(zhì)量數(shù)組分相對(duì)百分比的分析要求；步驟(3)用離心機(jī)單機(jī)分離正辛烷實(shí)驗(yàn)，得到正辛烷中質(zhì)量數(shù)分別為114、115、116的三種組分的變化情況。2.根據(jù)權(quán)利要求l所述的以正辛烷為介質(zhì)離心分離碳同位素的方法，其特征在于，在所述步驟(3)中還包含用大量離心機(jī)組成的級(jí)聯(lián)，將輕餾分中質(zhì)量數(shù)為114的組分一直濃縮到99%為止，將重餾分中質(zhì)量數(shù)為115的組分一直濃縮到90%為止。全文摘要以正辛烷為介質(zhì)離心分離碳同位素的方法屬于同位素分離
技術(shù)領(lǐng)域：
，其特征在于，以正辛烷代替CO、CO₂等小分子量的氣體作為分離介質(zhì)；在用氣體質(zhì)譜法分析正辛烷時(shí)選擇測(cè)量相對(duì)百分比的離子時(shí)，選擇去掉一個(gè)氫原子的一價(jià)正離子作為測(cè)量相對(duì)含量的離子，其質(zhì)量數(shù)的范圍是113-121；經(jīng)過(guò)單機(jī)分離正辛烷后得到正辛烷中質(zhì)量數(shù)分別為114、115、116的三種組分的變化情況；采用大量離心機(jī)組成的級(jí)聯(lián)，在輕餾分中將質(zhì)量數(shù)為114的組分濃縮到99％，得到豐度大于99.8％的¹²C。在重餾分中將質(zhì)量數(shù)為115的組分濃縮到90％，得到豐度約12％的¹³C。文檔編號(hào)B01D59/00GK101244366SQ20081010207公開(kāi)日2008年8月20日申請(qǐng)日期2008年3月17日優(yōu)先權(quán)日2008年3月17日發(fā)明者周明勝,殷憶濤,宇高申請(qǐng)人:清華大學(xué)