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穩(wěn)定同位素的分離

銅臭 / 2022-08-11

穩(wěn)定同位素的分離，有著重大的意義，因為有些是在原子能利用中作為原材料的，如重水、重氫、Li? ?又如U²³?雖然是一個放射性同位素，但是他的牛衰期是那末長(8億年)，它的制備原理是和穩(wěn)定同位素樣的，所以也作為穩(wěn)定同位素看待，而在本節(jié)中敘述。其次，穩(wěn)定同位素廣泛應用來作為標記原子，除重氫外，如N¹?和O¹?由于沒有壽命夠長的放射性同位素，因而非用它們本身不可。其他還用到C¹³,Cl³?等等。

分離同位素的原理有: (1)利用質(zhì)量的不同，可用電磁分離法、擴散法、離心擴散法; (2)利用同位素分子的不同熱力學性質(zhì)，可用同位素交換法、精餾法; (3)利用不同的動力學性質(zhì)，可用電解法; 等停。

1.精餾

含有不同同位素的分子，例如H?和HD, H?O和HDO(半重水)，H?O 和H?O¹?(重氧水)，有著不同的蒸氣壓，其比值列于表27-5中。

由此可見，在較低溫度時進行蒸餾比較有利。溫度過低時，蒸氣壓本身太小，而使精餾效率很低。在欲富集HDO和H?O¹?時，一般調(diào)節(jié)至60°C。但是，一次蒸餾的結(jié)果，所得富集程度是很小的。蒸氣壓比率就是分離系數(shù)。所以必須進行分級蒸佩，或稱精餾。舉例說，天然水中含HDO達0.03克分子百分數(shù)，若蒸餾100次，實際上是使用100個塔板的精餾柱，秸果可以富集到

0.0003×1.046¹??=0.0269

即制得2.69克分子百分數(shù)渡度的HDO。在重水D?O制造的方法中，用精餾法處理大量的水時，消耗能最太大，故常用來對已經(jīng)初步富集的重水作最后富集。

對富集氧同位素來說，精餾是最好的方法。天然水中含0.20克分子百分數(shù)H?O¹?,用100塔板的精餾柱，可以富集到

0.002x1.007¹??=0.004

即得0.40克分子百分數(shù)H?O¹?。這個演度，已可作為標記原子之用了。若重復精你，或使用更多的塔板(可用翱小的不銹鋼缺六棱環(huán)為增料)，可將渡度再行提高。但當?shù)岫容^高時，就不能用上列簡單式葉算(重水亦熱)。結(jié)果如下:

塔板數(shù)（蒸餾次數(shù)）	500	1000	1500
富集程度，克分子百分數(shù)	6.55	68.2	98.6

約在20°K低溫進行液氨精幅，是制造重氫的主要方法之-。雖然用此法富集重氫一般至4%D?,然應指出，在重水生產(chǎn)中，從0.015%富集到 1-2%，由于處理大量物料之故，其費用要占全部成本的90%。

2.同位素交換法

含有不同同位案的同種分子，例如H?O和HDO,有著不同的反應性能，因此有所謂“同位素平衡”，例如

H?O(氣)+HD(氣)=HD0(氣)+H?(氣)

表27-6 氫與水間同位交換的平衡常數(shù)
溫度°C	平衡常數(shù)K	溫度°C	平衡常數(shù)°C
0 25 50	4.17 3.62 3.20	75 100 125	2.88 2.62 2.42

但是這一反應的速度非常緩慢，甚至到不能察覺的地步。要用鉑或較有效的Ni-Cr?O?接觸劑(Ni:Cr原子比率=85:15)，在60-75°時進行交換。D富集在水分子中。

利用不同溫度下的不同分離系數(shù)來富集同位案，這叫做雙溫交換法。例如H?O(液)+HDS(氣)⇔HDO(液)+H?S(氣)的平衡常數(shù)，在30°為2.22;在130°為1.76。用圖27-12所示的裝置，在20大氣壓下，把硫化氬作為循環(huán)氣體，由下向上通過熱塔時不斷由水中提取D,而在通過冷塔時不斷把D送還到水中。同時，向下迎流的水在通過洽塔后，水中的重水濃度不斷增大，可在治塔底引出一小部水(富集水)作為產(chǎn)品，當水繼糠流下熱塔時，核出D后即作為威水(貧乏水)流出。使用一個合適的兩般裝置，可把天然水富集到15% D?O,然后接用精儲法提濃到99.8% D?O。本方法不受產(chǎn)量的限制，適用于大規(guī)模制造重水。

同位素交換法也用來分離鋰同位素Li?和Li?。使鋰汞齊和鋰化合物溶液間進行交換，Li?富集在汞齊中，分離系數(shù)約為1.05。

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