以正辛烷为介质离心分离碳同位素的方法

专利名称：：以正辛烷为介质离心分离碳同位素的方法
技术领域：
：本发明属于同位素分离生产
技术领域：
。技术背景随着科技的发展，碳同位素得到了越来越多的应用，uc作为示踪原子已广泛应用于医学、药理学、生物化学和生命科学等领域。目前，国际上丰度为99%的13<:年产量约几百公斤，国际市场出售的"c标记的化合物有上千种，13<:的应用前景非常广阔。此外，高丰度的12。合成的金刚石由于比天然产品更好的物理性质也受到关注。从调研的情况来看，目前生产碳同位素的主要方法为低温精馏法、化学交换法和热扩散法等，分离介质主要为CO、C02等小分子量的气体。美国进行大量碳同位素生产主要采用一氧化碳的低温精馏法，产量已有数百公斤。目前，离心分离技术已经用于核燃料的生产，具有很好的经济性。离心分离的分离系数主要取决于分离介质中不同质量数分子的绝对质量差，对工作介质的要求是质量数要足够大，这样才能有较高的分离效率，还要求工作介质在常温下要保持化学稳定，具有一定的饱和蒸汽压。此外，分离介质中的不同质量数的分子组成还要方便进行目标同位素的分离。由于碳元素的原子量只有12，按照传统的观念，化学交换法、精馏法等有较好的经济性，采用离心法进行碳同位素的生产具有技术上的难题，找到合适的分离介质是实现离心分离碳同位素的关键。本发明通过研究选择正辛垸作为离心分离介质，有效解决了离心法分离碳同位素的技术难题，具有潜在的应用生产前景。
发明内容本发明采用同位素离心分离技术，主要选择以正辛烷为工作介质进行碳同位素分离，采用气体质谱同位素分析方法进行正辛垸中不同质量数组分的相对百分比的分析测量，计算得到碳同位素的相对丰度，可以实现离心法碳同位素的生产。本发明的特征在于，依次含有以下步骤步骤(1)选择天然正辛烷作为常温下离心分离碳同位素的分离介质；步骤(2)用气体质谱分析步骤(1)所述正辛垸中不同质量数分子的相对百分比，在质谱分析中选择测量相对百分比的离子时，选择去掉一个氢原子的一价正离子作为测量相对含量的离子，其质量数的范围是113至121，以满足离心分离正辛烷对不同质量数组分相对百分比的分析要求；步骤(3)用离心机单机分离正辛垸实验，得到正辛垸中质量数分别为114、115、116的三种组分的变化情况。在所述步骤(3)中还包含用大量离心机组成的级联，将轻馏分中质量数为114的组分浓縮到99%，得到丰度大于99.8%的12C。将重馏分中质量数为115的组分浓縮到90%,得到丰度约12%的13C。本发明提出的碳同位素离心分离生产方法，具有如下优点1.由于正辛垸是石油化工的重要产品，是汽油的主要成分，产量巨大，相对于其它同位素的分离原料成本低廉，再加上经过分离的轻馏分可以作为普通的正辛垸使用，因此采用正辛垸分离碳同位素的生产原料成本很低；2.虽然正辛烷中分子个数很多，但通过表-3的分析，采用气体质谱法可以很方便地得到正辛烷中不同分子量的组分百分比，并由此得到13C的丰度；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离效率，降低生产成本；4.本发明可以进行高丰度的UC和丰度约12%的13C同位素的生产。随着科技的不断进步，碳同位素的应用越来越广，将推进本发明的应用和推广。具体实施方式本发明首次提出了采用正辛烷为工作介质，采用离心法进行碳同位素的生产。本发明通过实验研究实现了正辛垸的质谱分析，在此基础上，通过单机分离实验，掌握了离心分离正辛烷的规律，证实了采用离心法生产正辛垸的可行性。其核心技术及具体实施内容如下1.分离介质选择正辛垸的物理化学性质分子式为C8H18;CH3(CH2)6CH3，无色透明液体，平均分子量为114.22，19.2。C时的饱和蒸汽压为1.33kPa，闪点为12°C，熔点为-56.5°C，沸点为125.8°C。正辛垸不溶于水，溶于乙醇、乙醚、苯、丙酮等多数有机溶剂。相对密度(水=1)0.70;相对密度(空气=1)3.86，具有化学稳定性。主要用作溶剂及色谱分析标准物质，也用于有机合成。可见，正辛垸在常温下的饱和蒸汽压大于1.33kPa,可以作为离心分离的介质。天然的正辛烷(CsH,8)由碳和氢元素组成，氢元素中氘含量很小，可以忽略，可以将天然氢元素看作单一同位素的元素。表一1碳元素的天然同位素分布同位素12c13C丰度(％)98.901,10'4C由于天然含量微小，这里没有考虑。利用天然碳元素的同位素丰度分布，采用排列组合的计算方法，可以得到表-2所示的一系列结果。表一2天然正辛烷(CsH,8)中不同质量数分子的分布及其所占的百分比<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>从表-2可以看出，天然正辛垸中有九种质量数的分子，分子量从114—122，全部由12C组成的质量数为114的正辛烷占91.5%，含有1个13C质量数为115的正辛烷的约占为8.14%,含有4个13C原子的正辛垸的含量约为百万分之一。经过离心分离可以在重馏分端得到浓縮的"C。C7H^及分子量更大的组分。由正辛烷的分子构成可知，任意一个分子量大于等于115的正辛烷分子都至少包含一个。C原子。因此在理想情况下，如果重馏分中完全没有12C8H1S组分，即重馏分仅由13C12C7H18、13C212C6H18........13C8H18等八种组分构成，则重馏分中13C的丰度要大于12%。考虑离心分离的经济性，将重馏分中分子量为115的13。120;71118浓縮到90%,贝U12(:81118将在10%以下，此时"c的丰度仍将大于ii%。对于离心分离来说，将天然正辛垸中质量数为114的最轻的组分贫化到10%以下是比较容易做到的。2.气体质谱法分析正辛烷中不同分子量组分的相对百分比用气体质谱法可以分析正辛垸(<:81118)，对于质量数范围大于130的气体质谱就可以用于正辛烷中不同质量数分子的相对百分比的分析。在分析正辛垸(C8H18)时，在质谱分析中选择测量相对百分比的离子时，我们选择去掉一个氢原子的一价正离子作为测量相对含量的离子，其质量数的范围是113—121，经过天然样品的实际分析，证明该方法是可行的，见表-3。表一3理论计算值和质谱分析天然正辛烷(C8H1S)的结果对比<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>从上表还可以看出，以天然正辛垸为样品，采用气体质谱法分析得到的实际测量值和理论计算值基本一致，分析精度可以满足离心分离正辛烷对不同质量数分子相对百分比的要求。3.采用离心法分离正辛烷离心法一次单机分离前后正辛垸中不同质量数分子的相对百分比分布情况见表-4。表一4一次单机分离正辛烷中不同质量数组分的分布情况<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>需要说明的是，正辛垸中分子量大于116的组分由于天然含量太低，在进行质谱分析时检测不到，在此略去。因此，表-4质谱分析数据只列出了114，115，116三种组分的变化情况，分离数据表明以正辛垸为介质可以有效的进行离心分离，证明离心法分离正辛烷的可行性。由于离心法单个设备分离能力有限，进行生产需要将大量单机连接成级联进行分离，这已经是成熟的技术，设计建造合理的离心级联就可以有效地进行碳同位素的生产。只要在轻馏分中将质量数为114的组分浓缩到99%，就可以得到丰度大于99.8%的12C。在重馏分中将质量数为115的组分浓縮到90%，就可以得到丰度约12%的13C。权利要求1.以正辛烷为介质离心分离碳同位素的方法，其特征在于，所述方法依次含有以下步骤步骤(1)选择天然正辛烷作为常温下离心分离碳同位素的分离介质；步骤(2)用气体质谱分析步骤(1)所述正辛烷中不同质量数分子的相对百分比，在质谱分析中选择测量相对百分比的离子时，选择去掉一个氢原子的一价正离子作为测量相对含量的离子，其质量数的范围是113至121，以满足离心分离正辛烷对不同质量数组分相对百分比的分析要求；步骤(3)用离心机单机分离正辛烷实验，得到正辛烷中质量数分别为114、115、116的三种组分的变化情况。2.根据权利要求l所述的以正辛烷为介质离心分离碳同位素的方法，其特征在于，在所述步骤(3)中还包含用大量离心机组成的级联，将轻馏分中质量数为114的组分一直浓縮到99%为止，将重馏分中质量数为115的组分一直浓縮到90%为止。全文摘要以正辛烷为介质离心分离碳同位素的方法属于同位素分离
技术领域：
，其特征在于，以正辛烷代替CO、CO₂等小分子量的气体作为分离介质；在用气体质谱法分析正辛烷时选择测量相对百分比的离子时，选择去掉一个氢原子的一价正离子作为测量相对含量的离子，其质量数的范围是113-121；经过单机分离正辛烷后得到正辛烷中质量数分别为114、115、116的三种组分的变化情况；采用大量离心机组成的级联，在轻馏分中将质量数为114的组分浓缩到99％，得到丰度大于99.8％的¹²C。在重馏分中将质量数为115的组分浓缩到90％，得到丰度约12％的¹³C。文档编号B01D59/00GK101244366SQ20081010207公开日2008年8月20日申请日期2008年3月17日优先权日2008年3月17日发明者周明胜,殷忆涛,宇高申请人:清华大学