用于碳同位素分离的膜分离装置及方法与流程

本发明属于同位素分离
技术领域：
，具体涉及一种用于碳同位素分离的膜分离装置及方法。
背景技术：
随着人们对健康及饮食安全的注重程度的提升，稳定同位素在医疗诊断、食品安全等领域的应用越来越广泛和深入，与此同时，对国内碳同位素的分离制备技术也提出了更高的要求。碳同位素的主要应用形式为碳-13同位素标记的有机化合物，由于碳元素是有机化合物中必备元素，且碳-13同位素没有任何放射性，使其具有广阔的应用空间。以高丰度碳-13同位素(＞99％)标记的不同化合物形态的呼气试剂，已经用于幽门螺旋杆菌检测、糖尿病检测、肝硬变诊断等多项临床应用。此外，碳的多种同素异形体呈现出多样性的结构特点，对其同位素效应的实验研究已在基础科研中有所体现。碳元素有碳-12(98.9％)、碳-13(1.1％)两种天然稳定同位素。由于碳-13同位素的天然丰度很低，但在绝大多数应用中则需要高丰度碳-13同位素，因此对碳同位素的分离制备技术提出了非常高的要求。目前碳同位素的工业化生产方法为低温精馏法，但相关技术尚未国产化。另外，激光法、化学催化交换法、气体离心法用于碳同位素分离的研究各有进展，但均未实现一定规模的生产。同位素的气体扩散分离技术，主要用于早期的铀浓缩生产，其关键技术之一为膜分离装置。目前膜分离技术主要利用膜的选择透过性将大分子或某些微粒从液体中分离出来，特别是在水处理、化工、医疗等领域有大量应用。随着化工生产水平的提升，分离膜的种类和性能也趋于多样化，并且分离膜的经济性也不断提升，为膜分离技术的应用拓展奠定了基础。技术实现要素：(一)要解决的技术问题鉴于上述问题，本发明的主要目的在于提供一种用于碳同位素分离的膜分离装置及方法，以便解决上述问题的至少之一。(二)技术方案为了达到上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种用于碳同位素分离的膜分离装置，包括筒型腔体、不锈钢丝网卷筒以及多孔膜，其中：所述多孔膜缠绕裹缚在所述不锈钢丝网卷筒外壁面上，且恰好完整地包裹一周，在不锈钢丝网卷筒侧面使用液体胶进行粘连和密封；所述裹缚多孔膜的卷筒装载至所述筒型腔体内，并在两端使用液体胶进行密封；装载有卷筒的筒型腔体共有三组口，其中两组在轴向两端，另一组在侧壁；侧壁的一组口是轻组分料流出口，轴向端部的两组口中的一组是供料入口、另一组是重组分料流出口。在一些实施例中，所述多孔膜为聚醚砜树脂膜或者聚丙烯膜，其厚度为0.1±0.05mm，平均孔径在30nm～100nm之间。根据本公开的另一个方面，提供了一种采用所述的膜分离装置进行碳同位素分离的方法，包括：将净化后的气态工质通入膜分离装置，调节供料入口压强以及分流比；其中，选择乙烯/一氧化碳/甲烷作为气态工质；分别在轻、重组分料流出口使用液氮冷阱收料，并使用真空泵维持供取料系统的空气分压在2pa以内；待系统连续运行至碳同位素丰度分布稳定后，得到浓缩/贫化的碳同位素。在一些实施例中，所述供料入口压强即膜前压强，为650～3300pa，所述分流比为0.45～0.55。在一些实施例中，所述碳同位素丰度分布达到稳定的时间为10小时以上，此后取样并使用气体质谱仪进行组分分析。(三)有益效果本发明提供的一种用于碳同位素分离的膜分离装置及方法，可以实现比较显著的基于分子泄流原理的碳同位素分离，并且碳同位素在分离介质中的有效占比高，将该装置及方法用于碳同位素的分离制备，具备技术可行性。附图说明图1为依照本发明实施例的用于碳同位素分离的膜分离装置结构示意图。图2为依照本发明实施例的筒型腔体的剖视图。图3为依照本发明实施例的单个分离单元的膜分离系统原理示意图。【附图元件说明】1-供料入口；2-重组分料流出口；3-轻组分料流出口；4-用于装载分离膜管的筒型腔体；5-不锈钢丝网卷筒；6-多孔膜；10-膜分离装置；20-稳压容器；30-重组分收料料瓶；40-轻组分收料料瓶；50-液氮冷阱；60-液氮冷阱；70-真空泵；80-气体质谱仪。具体实施方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。应注意，贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在以下描述中，一些具体实施例仅用于描述目的，而不应该理解为对本发明有任何限制，而只是本发明实施例的示例。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。应注意，图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。再者，“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。在一实施例中，如图1-2所示，所述本发明提供了一种用于碳同位素分离的膜分离装置，它包括用于装载分离膜管的筒型腔体4、不锈钢丝网卷筒5以及多孔膜6(如：聚醚砜树脂膜或者聚丙烯膜)，多孔膜缠绕裹缚在不锈钢丝网卷筒外壁面上，且恰好完整地包裹一周，在卷筒侧面使用液体胶进行粘连和密封，将7根同样的裹缚多孔膜的卷筒装载至筒型腔体内，并在两端使用液体胶进行密封(密封两端处、裹缚多孔膜的卷筒与筒形腔体之间的空隙)。装载有分离膜管(分离膜管即裹缚多孔膜的卷筒)的筒型腔体共有三组口，其中两组在轴向两端，一组在侧壁，侧壁的是轻组分料流出口3，轴向端部一组是供料入口1，另一组是重组分料流出口2。当然，虽然本实施例是以7根卷筒为例进行说明，但本发明对卷筒的数量并不作限制。所述多孔膜的厚度为0.1±0.05mm，平均孔径在30nm～100nm之间。在另一实施例中，如图3所示，所述用于碳同位素分离的膜分离系统包括上述用于碳同位素分离的膜分离装置10，还包括：稳压容器20，与所述膜分离装置10的供料入口1连接，用于提供稳定的供料料流；重组分收料料瓶30，与所述膜分离装置10的重组分料流出口2连接，用于接收重组分料；轻组分收料料瓶40，与所述膜分离装置10的轻组分料流出口3连接，用于接收轻组分料；液氮冷阱50，60，所述重组分收料料瓶和轻组分收料料瓶分别位于所述液氮冷阱50，60内；真空泵70，与所述重组分收料料瓶和轻组分收料料瓶连接，用于维持系统的真空度；以及气体质谱仪80，用于对所述重组分料流出口和轻组分料流出口流出的组分进行分析。需要说明的是，所述膜分离系统可以包括一个膜分离装置，也可以包括多个膜分离装置。在又一实施例中，本发明提供了一种采用所述的膜分离装置/系统进行碳同位素分离的方法。本实施例方法可选择乙烯/一氧化碳/甲烷作为工作介质，将净化后的气态工质通入膜分离装置，调节供料入口压强(膜前压强)以及分流比，同时分别在轻、重组分料流端使用液氮冷阱收料，并使用真空泵维持供取料系统的空气分压在2pa以内；待系统连续运行至碳同位素丰度分布稳定后，得到浓缩/贫化的碳同位素。本发明可以实现比较显著的基于分子泄流原理的碳同位素分离，并且碳同位素在分离介质中的有效占比高。本发明中，膜分离法使用的多孔膜结构是相当复杂的，内部孔的管道是相互交错、宽度不均匀的。为了便于研究和设计，往往将复杂的多孔膜简化为毛细管模型，在实际应用中能够比较好的分析气体通过膜时的情况，毛细管模型中的多孔膜具有大量长度为l，直径为d的圆柱形孔。气体在通过多孔膜时与膜孔发生的作用和气体的平均自由程λ有很大的关系，当λ＞＞d且l＞＞d时，气体分子之间的碰撞远远少于气体和毛细管壁的碰撞，这时气体在通过毛细管膜的时候会形成分子泄流，在分子泄流的情况下，气体的流量主要取决于气体分子本身的质量，因此，为实现气体在通过毛细管时有分离效果，应当确保气体以分子泄流的形式过膜。在实际的生产实践中，膜的分离效果会因为膜的种类、气体的种类等而有所变化。选用多孔膜(如：聚醚砜树脂膜或者聚丙烯膜)作为碳同位素的分离膜，选择乙烯/一氧化碳/甲烷作为工作介质。结合所需工况参数，选取的多孔膜厚度为0.1±0.05mm，平均孔径在30nm～100nm之间。调节供取料系统的管道连接，使得系统的连接情况处于正常工作状态下。将净化后的工质供入上述膜分离装置，调节供料孔板使得供料入口压强(膜前压强)为650～3300pa，为保证供料流量的稳定性，在供料入口并联连接了一个体积较大的稳压容器。调节供取料系统的阀门，使得分流比在0.45～0.55范围内，同时分别在精、贫料端采用液氮冷阱进行收料，并使用真空泵将供取料系统的真空度维持在2pa以内。待各项流体参数调节完毕后，使系统连续稳定运行至少10h，在精、贫料端采用液氮冷阱取料，此时可获得碳同位素丰度稳定的取料样品。以下结合实例进一步详细介绍本发明膜分离系统。选择乙烯作为工作介质，调节供取料系统的管道连接，使得系统的连接情况处于正常工作状态下。将净化后的乙烯供入上述膜分离装置，调节供料孔板使得供料入口压强(膜前压强)为2660pa，为保证供料流量的稳定性，在供料入口并联连接了一个体积较大的稳压容器。调节供取料系统的阀门，使得分流比为0.5，同时分别在精、贫料端采用液氮冷阱进行收料，并使用真空泵将供取料系统的真空度维持在2pa以内。待各项流体参数调节完毕后，使系统连续稳定运行至少10h，在精、贫料端采用液氮冷阱取料，此时可获得碳同位素丰度稳定的取料样品。在取料分析前，首先对天然乙烯的同位素组成进行分析。天然碳元素有12c和13c两种稳定同位素，其天然丰度分别为98.9％和1.1％。天然氢元素有h和d两种稳定同位素，其天然丰度分别为99.985％和0.015％，可以近似将氢元素视为单同位素元素。乙烯分子的同位素组成及其天然丰度见表1。按上述分析假定，分离介质c2h4的同位素组分有3种，但由于相对分子质量为30的组分含量极低，可进一步将乙烯的膜分离近似为二元分离。表1天然乙烯的同位素组分分子组成分子量在天然c2h4中含量12c12ch42897.73％13c12ch4292.25％13c13ch4300.01％采用二元分离理论，对乙烯的质谱分析结果进行一定的处理，可以得到乙烯的膜分离法单级分离系数为1.010，说明了采用上述膜分离装置进行碳同位素分离的可行性。综上所述，本发明可以实现比较显著的基于分子泄流原理的碳同位素分离，并且碳同位素在分离介质中的有效占比高，将该膜分离装置用于碳同位素的分离制备，具备技术可行性。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12