Электролизер для разделения ионов

Электролизер для разделения ионов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ЭЛЕКТРОЛИЗЕР ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ИОНОВ, включающий корпус, в котором размещены графитовые анод и катод, заключенные в чехлы, выполненные ,из ионоселективного материала, поропластовые диафрагмы, токоподводы; о т л и ч а,ю щ и и с я тем, что, с целью повышения скорости и степени разделения, корпус выполнен в форме кольца, в котором дополнительно размещены по крайней мере две пары электродов в чехлах из ионоселективного материала, причем катод каждой пары размещен Между анодами соседних пар, при этом электролизер снабжен дополнительной поропластовой диафрагмой и все диафрагмы находятся между парами электродов. S . (Л 4: СС 00 СП

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ р г

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬГГИЙ (21) 34.37720/23-26 (22) 17.05.82 (46) 23.09.83. Бюл. Р 35 (72) В.В; Крохв (53) 661.183.12(088.8) (56) 1. Гельферих Ф. Иониты. M., Издатинлит, 1962, с. 394.

2. Авторское свидетельство СССР .по заявке Р 2969223/23-26,. кл В 01 Р 15/08, 28.04.81. .(54)(57) ЭЛЕКТРОЛИЗЕР ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ

ИОНОВ, включающий корпус, в которомразмещены графитовые анод и катод, заключенные в чехлы, выполненные из . . SU«» А ч (я) С 25 9/00; D 13 02 ноноселективного материала, поропластовые диафрагмы, токоподводы, о т л и ч а,ю шийся тем, что, с целью повышения скорости и степени разделения, корпус выполнен в форме кольца, в котором дополнительно раз мещены по крайней мере две пары электродов в чехлах из ионоселективного материала, -причем катод каждой пары размещен между анодами соседних пар, при этом электролизер снаб-. жен дополнительной поропластовой диафрагмой и все диафрагмы находят- ся между парами электродов.

1043185

Изобретение относится к химии и может быть использовано для разделения ионов с близкими свойствами, а также ионов различной природы; для разделения ионов одинаковой природы, но разной валентности; для промышленного и лабораторного разделения и обогащения изотопов, для отделения ценных ионов от малоценных с целью их регенерации, для качественного и количественного анализа смесей ионов, и может быть использовано в химической, фармацевтической промышленностях, в точном приборостроении и радиоэлектронике для получения ценных и .особо чистых веществ.

Известно устройство для разделения ионов разной природы путем ионо-, обменной хроматографии, содержащее адсорбционную колонну, наполненную ионитом, работа которого основана на использовании различной скорости передвижения ионов. Различная скорость передвижения ионов в колонке объясняется прежде всего различной прочностью, с которой отдельные вещества связываются с адсорбентом (1).

Недостатками этого устройства являются малая скорость разделения ионов, пригодность устройства для разделения только малых количеств ионов, необходимость периодической регенерации ионитов с затратой на проведение этой операции химикатов, и, главное, неполнота разделения ионов с очень близкими свойствами.

Известен электролизер для разделения ионов, включающий корпус, в котором размещены графитовые электроды; заключенные в чехлы, выполненные из ионоселективного материала, поропластовые диафрагмы и токоподводы (23 .

Недостатками этого электролизера являются относительно малая скорость разделения ионов, значительное размыление фронта движения ионов, вызываемое сложной поверхностью угля, что затрудняет разделение ионов с близкими свойствами, вызывая в ряде . случаев неполноту их разделения.

Целью изобретения является повышение скорости и степени разделения ионов, Поставленная цель достнгается тем что в электролизере для разделения ионов, включающем корпус, в котором размещены графитовые анод и катод, заключенные в чехлы, в(ыполненные из ионоселективного материала, поропластовые диафрагмы, токоподводы, корпус выполнен в форме кольца, в котором дополнительно размещены по крайней мере две пары электродов в чехлах из ионоселективного материала причем катод каждой пары размещен между анодами соседних пар, при этом электролизер снабжен дополнительной поропластовой диафрагмой и все диафрагмы находятся между парами электродов.Благодаря такой конструкции достигается непрерывное круговое повторение циклов обогащения — разделения ионов до полного разделения их исходной смеси.

В необходимых случаях можно преры10 вать процесс, не доводя его до полного разделения, а лишь до достижения определенной степени обогащения смеси ионов или изотопов одним из исходных компонентов (ионом или изо15 топом).

На чертеже представлен электролизер для разделения ионов, общий вид.

Электролизер содержит корпус 1 с

2О дистиллированной водой, в который введены три графитовых цилиндричес, ких анода 2-4, заключенных в ионитовые чехлы (ЙЧ) из анионообменной мембраны марки MA-100,,и три таких

25 же графитовых катода 5-7, в ИЧ из катионообменной мембраны марки МК-100; стартовую камеру 8 с водным раствором исходной разделяемой смеси ионов

A+ H B+ (в случае бинарной смеси ионов или изотопов), с двумя пороЗО пластовыми диафрагмами, служащую на завершающем этапе разделения прием ником целевого продукта; датчик 9 (электрохимический, физический или другого типа); электронное реле 10

35адля передачи команд от датчиков на автоматический переключатель 11 тока; вторую камеру — приемник 12 целевого продукта (в случае бинарных исходных смесей ионов; при П -числе раз-.

40 деляемых ионов вводяти камер - приемников для целевых ионов, разделенных также поропластовыми диафрагмами); источник 13 постоянного тока с ручным включателем 14 тока для пер.

45 воначального пуска устройства.

Электролизер работает следующим образом.

Корпус 1, выполненный из материала-диэлектрика, и камеру 12 запол5О няют дистиллированной водой. Все ИЧ с помещенными в них анодами и катодами также заполняют дистиллированной водой.

В стартовую камеру 8 помещают исходный водный раствор разделяемых ионов A+ и В+, включают первую пару электродов 2 и 5.

Положительно заряженные катионы

A+ и В+ начинают двигаться по часовой стрелке в направлении катода 5.

60 При этом, вследствие имеющихся небольших различий в скорости передвижения (подвижности) этих катионов в электрическом поле в дистиллированной воде происходит формирование

65 Фракций катионов A+ и В . При до1043185 стижении головной части фронта разделяемых катионов датчиков 9, по его Сигналу срабатывает электронное реле 10, от которого приходит в действие переключатель 11 электрического тока, включающий вторую пару электродов 3, 6 и автоматически выключающий электроды 2 и 5 ° Фронт катионов А и В+ оказывается пере+ .хваченным электрическим полем электродов 3, б и происходит дальнейшее движение. катионов к катоду б с. дальнейшим более четким формирова- . нием катионов в отдельные фракции.

Затем аналогично при подходе голов-. ной части фронта фракций по команде датчиков выключаются электроды 3, 6 и включаются электроды 4, 7, и идет дальнейшее формирование отдельных . фракций разделяемых катионов.

При подходе головной части фронта катионов к следующему датчику 9, электроды 4, 7 выключаются и вклю-: чаются снова электроды 2,.5, то есть начинается второй непрерывный цикл ". разделения ионов. Многократным повторением таких непрерывных циклов достигается полное разделение исходной смеси катионов A+ и В+ (или: смеси анионов: в этом случае анионы движутся в циклическом электролизере против часовой стрелки) на отдельные фракции, которые, попав в камеры 12 и 8 через краны в дне попадают в ем- кости — приемники чистых разделенных . фракций катионов.

Вместо ионитовых чехлов могут быть применены чехлы.из полимерных-: мембран МГА-100, пропускающих через себя только водородные и гидроксиль,ные ионы.

Расстояние между соседними электродами взаимоперекрывающих автономных электрических цепей состав-, ляет 10-14 см, в зависимости от сложности исходной смеси ионов.

Оптимальное расстояние между двумя электродами каждой автономной цепи — 50 см.

Оптимальная длина электролизера составляет 93 см, диаметр — 4 см (промышленные циклические электролызеры предлагаемой конструкции могут быть крупногабаритными — для разделения больших количеств ионов или изОтопов), оптимальное напряжение—

60-120 В, сила тока — 0,2-0,5 A.

В качестве стартовой камеры может служить любая иэ малых камер, предназначенных для целевого продукта.

Пример 1. Исходная разделя-: емая смесь ионов, r: литий 0,100;. натрий 0,100, калий 0,100.

Длина циклического электролизера 93 см, диаметр 4 см, общий объ- . ем 1,15 дмЗ.

Объем каждой из трех малых камер для целевых продуктов 16 см . Все малые камеры отделены друг от друга1 и от большой камеры поропластовыми мембранами.

Исходную разделяемую смесь ионов в виде водного раствора помещают в первую малую камеру (по ходу часовой стрелки). Во все остальные камеры и в ионитовые чехлы заливают.дистиллированную воду. Объем воды в ИЧпо 4 см, диаметр графитовых электро10 дов - 0,3 см. Напряжение во всех трех непрерывно автоматически зклю" чаемых и выключаемых автономных электрических цепях составляет 60120 В. Г

15 Для полного разделения ионов потребовалось 8 ч.

В целевых камерах выделены чистые фракции ионов без примеси ионов другой природы в следующих количест». вах, г: литий 0,096; натрий 0,097; калий 0,.095.. В первой малой камере для целевого продукта (по ходу часовой стрелки) выделена фракция HoHQB калия,во второй малой камере - фрак-

25 ция ионов натрия, .а в третьейфракция ионов лития. Раствор каждой фракции спущен через донный кран камеры в отдельные приемники.

Напряжение на клеммах электродов во всех трех автономных автоматически, попеременно и последовательно включаемых и выключаемых электрических цепях изменялось в ходе процесса от первоначального 120 В до ко. нечного 60 В. Этот интервал напряжений является оптимальным, так как ниже 60 В. резко падает сила протекающего тока ввиду сравнительно высокого омического сопротивления ИЧ и процесс требует большей затраты вре40 мени, а выше 120 В резко усиливается процесс электролитического разложения воды, что неблагоприятно влияет на стабильность работы иони товых мембран, из которых изготовле45 ны ИЧ (автомарный кислород, выделяющийся при бурном электролитическом разложении воды начинает окислять мембрану, изменяя ее физикО-химические характеристики). Сила тока изменилась в пределах 0,2-0,5А.

Разделение аналогичной смеси ионов в ионитовой колонке длиной 93 см, диаметром 4 см и объемом катионита

Ку-2 1,15 дм (известный электролизер) и в аналогичной колонке с анионитом ЭДЭ-10П (базовый объект) позволило разделить ионы на отдельные фракции лишь в течение 48 ч с наличием в них примесей других ионов.

Пример 2. Исходная разделяе-.

60 мая смесь ионов, r:. калий 0,100; цезий 0,100) рубидий 0,100.

Все условия опыта такие же, как

;в примере 1. На полное разделение ионов потребовалось 7,5 ч работы

65 .электролизера. Все фракции ионов не

1043185, Составитель В. Банников

Редактор О. Половка Техред M.Kîñòèê КорРектор М Демчик

Эаказ 7281/29 Тираж 643 Подписное

I ВНИИПИ Государственного комитета СССР по.делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

"филиал ППП Патен ", r. Ужгород,. ул. Проектная, 4

/ содержали ионов другой природы и были выделены в следующих количествах, г: калий 0,095; цезий 0,097; рубидий 0 094.

Разделение аналогичной смеси ионов в известном электролизере и базовом объекте - в ионитовых колонках, аналогичных приведенным в примере 1, позволило разделить ионы на отдельные Фракции лишь в течение 36 ч с .наличием во фракциях следов примесей 10 других ионов.

Пример 3. Исходная разделяемая смесь анионов,, г: Фтор 0,100; хлор 0 100; бром 0 100.

Все условия проведения опытов та- )5 кие же, как в .примере 1. Отличие лишь в том, что была произведена переполюсовка электродов на обратный знак .и катионообменные ИЧ на электродах предварительно заменены на ани-. .онообменные, а анионообменные ИЧна катионообменные ИЧ. Для полного разделения потребовалось. 7,5 ч работы устройства.

Все фракции авионов не содержали анионов другой природы и были выде- лены в следующих количествах, г: фтор 0,095t хлор 0,о97; бром 0,094.

Разделение аналогичной смеси ионоз в ионитовой колонке, аналогичной при-; меру 1, но.с анионитом ЭДЭ-10II позволило разделить анионы на отдельные фракции лишь в течение 24 ч, с нали-: чием во фракциях следов примесей других ионов.

3а базовый объект принят жидкостной хроматограф Ду Понт 840 (США), предназначенный для разделения ионов и их анализа. Базовый объект содержит колонку Пермафазе ААХ, змеевиковую вытеснительную насосную систему с баком емкостью 1,8 л для растворителя, сборник фракций с ручным управлением, ультрафиолетовый фотометр. Габариты: ширина 35 см, глубина 37,5 см, высота 65 см. Вес

16,8 кг.

Недостатком базового объекта является неполнота. разделения компонентов на фракции (85-90%) и пригодность для разделения, в основном, микроколичеств ионов. По сравнению с базовым объектом изобретение позволяет осуществлять 100%-ное разделение ионов и получать их чистые фракции, не загрязненные примесями, при увеличении скорости разделения. ионов в 3-5 раз.

Таким образом, предлагаемый электролизер позволяет не только увели-, чить скорость разделения ионов по сравнению с известным, .но и достичь полного разделения ионов с очень . близкими свойствами, в .том числе и язотопов, находящихся в водных раст-, ворах в ионной Форме.