一种离心分离硼同位素的方法与流程

文档序号:11100602阅读:1341来源:国知局
本发明属于同位素分离生产
技术领域
,特别涉及一种离心分离硼同位素的方法。
背景技术
:稳定同位素已经广泛应用于医疗卫生、农业生态、生物制药、基础物理研究等方面,相应地,对稳定同位素产品的制备方法也提出了更高要求。自然界中的硼元素有10B和11B两种稳定同位素。由于10B很容易与热中子产生(n,α)反应,对热中子的吸收截面高达3837barn,是良好的中子吸收剂,因而在核工业中有重要应用,比如高硼钢和碳化硼可用于反应堆的控制棒制造,气态的三氟化硼、固态的氧化硼或碳化硼可用于制造中子探测器等。另外,10B可以用于硼中子俘获治疗(BoronNeutronCaptureTherapy,BNCT)技术从而治疗癌症。11B由于中子吸收截面极小,仅为5×10-3barn,因而可以用作半导体器件的掺杂剂,有效提升特定环境下电子设备的抗辐射抗干扰能力。目前硼同位素的工业化生产方法只有三氟化硼化学交换精馏法,其他方法比如低温蒸馏法、低温交换法、离子交换法等都未实现工业生产。但三氟化硼化学交换精馏法存在设备投资大、能量消耗高、防护要求严等缺点,经济性有待提高。技术实现要素:为了克服目前硼同位素工业生产中能耗高、成本高的问题,本发明提出了一种离心分离硼同位素的方法,具体技术方案如下。一种离心分离硼同位素的方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:(1)分离介质的选择和净化:采用三氯化硼(分子式BCl3)作为分离介质,通过分馏法对其进行净化,以提高其化学纯度,满足同位素分离的需要;净化的具体方式为:以液氮和“液氮-无水乙醇”混合物为冷却剂,利用轻杂质与三氯化硼饱和蒸气压的差异进行净化。(2)使用气体离心法进行同位素分离,建立离心分离级联装置:在常温下,将净化后的三氯化硼以气态的形式通入级联装置,进行同位素分离,在轻组分料流端取高丰度10B同位素产品,重组分料流端取高丰度11B同位素产品,或是进行物料回收利用。如果分离介质使用同位素纯的35Cl制成的三氯化硼,可以大大提升硼同位素的分离效率。(3)使用气体质谱仪进行丰度分析:对三氯化硼的轻、重组分料流端取样,使用气体质谱仪的离子源装置打掉样品BCl3中的一个电子,使之成为(BCl3)+离子,进行三氯化硼不同分子量组分的丰度分析。本发明的有益效果为:1.使用三氯化硼作为分离介质:三氯化硼作为P型掺杂剂和等离子体刻蚀气体,广泛应用于半导体行业,原料易获取,生产成本较低;三氯化硼具有热稳定性,能够满足气体离心法对分离介质的要求;三氯化硼不同分子量的组分中,分子量最小的组分10B35Cl35Cl35Cl只含有10B,便于在轻组分料流端浓缩,分子量最大的组分11B37Cl37Cl37Cl只含有11B,便于在重组分料流端浓缩。2.使用工业化很成熟的气体离心法进行分离,气体离心法具有能耗低、经济性好、生产规模灵活等特点,能满足对同位素产品的多样化需求。3.如果分离介质使用同位素纯的35Cl制成的三氯化硼,可以大大提升硼同位素的分离效率,从而减小级联规模,进一步降低生产成本。4.气体质谱仪丰度分析,能够提供很高的丰度测量精度。上述几个特征,使得本发明提出的离心分离硼同位素的方法具有明显的经济性和技术可行性。附图说明图1为本发明的分离原理示意图。图2为具体实施方式中单机分离三氯化硼的质谱分析结果。具体实施方式(1)选择三氯化硼作为分离介质,并对其进行净化三氯化硼的分子式为BCl3,分子量为117.17g/mol,在常温常压下为具有干草味和强烈臭味的无色有毒气体。遇水能直接水解生成硼酸和盐酸,所以湿性气体腐蚀性很强。气体密度为5.326g/L,液体密度为1.35g/cm3(11℃),沸点为12.5℃(1atm),熔点为-107.3℃(1atm)。其饱和蒸气压如表1,室温下的饱和蒸气压约为1.3个大气压,能够满足气体离心法的需要。表1三氯化硼(BCl3)的饱和蒸气压天然硼元素含有10B和11B两种稳定同位素,其天然丰度分别为19.9%,80.1%。天然氯元素含有35Cl和37Cl两种稳定同位素,其天然丰度分别为75.76%,24.24%。三氯化硼分子的同位素组成及其天然丰度见表2。由于氯同位素的存在,使得分离介质BCl3的同位素组分有8种,属于同位素分离中的多元分离。在浓缩硼同位素的同时,35Cl和37Cl也分别在轻、重组分料流端被富集,因此在农业生态中有重要应用的氯同位素可以作为副产品被获取。表2三氯化硼分子的同位素组成及其天然丰度分子组成分子量在天然BCl3中丰度/%10B35Cl35Cl35Cl1158.5211B35Cl35Cl35Cl11634.5710B35Cl35Cl37Cl1178.2811B35Cl35Cl37Cl11833.6010B35Cl37Cl37Cl1192.6811B35Cl37Cl37Cl12010.8810B37Cl37Cl37Cl1210.2911B37Cl37Cl37Cl1221.18(2)使用气体离心法进行同位素分离建立离心分离级联装置,在常温下,将净化后的三氯化硼以气态的形式通入级联装置,进行同位素分离,在轻组分料流端取高丰度10B同位素产品,重组分料流端取高丰度11B同位素产品,或是进行三氯化硼物料回收利用,仍不影响其在半导体行业中的应用,反而因为离心分离的作用,使其化学纯度有所提高。分离原理示意图见图1。(3)使用气体质谱仪进行丰度分析对轻、重组分料流端取样,使用气体质谱仪的离子源装置打掉样品BCl3分子中的一个电子,使之成为(BCl3)+离子,测量三氯化硼不同分子量组分的摩尔百分数变化情况。气体离心法单机分离实验的质谱分析结果如图2所示。对于同位素分离中的多元分离,通常使用基本全分离系数衡量分离效果,由图2中数据,根据离心分离多元分离理论,可计算出单级基本全分离系数为1.08。通过将分子量为115、117、119、121四种组分的摩尔百分数相加,即可得到同位素产品中10B的丰度。搭建离心分离级联装置,可实现硼同位素的工业化生产,充分证明了本发明所述方法的可行性。当前第1页1 2 3 
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