DE2732573A1

DE2732573A1 - Verfahren zum trennen und anreichern von deuterium enthaltenden molekuelen

Info

Publication number: DE2732573A1
Application number: DE19772732573
Authority: DE
Inventors: Sidney W Benson
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-07-19
Filing date: 1977-07-19
Publication date: 1978-01-26
Also published as: US4081339A; CA1085341A; FR2358916B1; JPS5327796A; IT1077409B; GB1556331A; FR2358916A1

Description

"Verfahren zum Trennen und Anreichern von Deuterium enthaltenden Molekülen"

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen eine Deuterium-Isotopentrennung und -anreicherung und insbesondere eine Deuterium-Isotopentrennung und -anreicherung, wobei Infrarotlaserverfahren in Kombination mit chemischen Verfahren zum Behandeln und Rückführen der nicht zur Reaktion gebrachten und an Deuterium verarmten Ausgangsmaterialien angewandt werden.

Deuterium tritt in der Natur in dem Ausmaß von ungefähr 0,014% auf. Gegenwärtig werden Mehrstufen-Gleichgewichtsverteilungsverfahren angewandt, um das natürlich vorkommende Deuterium zu konzentrieren. Solche Verfahren umfassen eine massige Anordnung und große Materialhandhabungsprobleme wegen der geringeren Anreicherungsfaktoren pro Stufe. Demzufolge ergibt

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sich ein geringer Durchsatz und lange Zeitperioden, um die Endstufen-Gleichgewichtsbedingungen zu erzielen.

Bekannte Systeme, die Gegenstromextraktions- und Austauschverfahren verwenden, sind bekannt und in Kirk-Qthmer, "Encyclopedia of Chemical Technology", 2.Ausgabe, John Wiley & Sons, New York, Vol. 8 - Kapitel "Extraction", E.G. Scheibel (1965) und Vol. 13 - Kapitel "Mass Transfer", A.H.P. Skelland (1967) beschrieben.

Auch beschreiben die nachfolgenden Veröffentlichungen einige der gegenwärtig bekannten Isotopen-Trennverfahren. William Spindel, "Isotope Separation Processes", A.C.S. Symposium Series, JJ₁, "Isotope and Chemical Principles", Seite 77, Am. Chem. Soc. (1957), Washington, D.C. (einschließlich dort genannter Literatur, z.B. F. T. Barr und W.P. Drews, Chem. Eng. Progress, 56>, 49 (1960); und P.B. Lumb, Nucl. Eng. Int., Seite 64 (Juni, 1976).

Die Lasertechnologie wurde in der neueren Zeit für isotopisch selektive chemische Reaktionen und Isotopentrennung verwendet. Entwicklungen in der Lasertechnologie haben die Verwendung von abgestimmten Infrarotlaser gezeigt, um die innere Energie eines besonderen Moleküls zu dem Punkt "aufzupumpen", in welchem es verfallen kann. Beispielsweise sind verschiedene, das Trennen von Isotopen einschließende

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Laserverfahren beschrieben in "Experimental and Theoretical Studies of Laser Isotope Separation" von J.P.Aldridge et al, vorbereitet durch The Los Alamos Scientific Laboratory (LA-UR-75-2368) und "Isotopically Selective Photochemistry", von R.V. Ambartzumian und V.S. Letokhov, veröffentlicht Juli 1975, Ausgabe von Laser Focus. Jedoch umfaßt keine dieser Techniken das erfindungsgemäss vorgeschlagene Verfahren zur Deuteriumisotopen-Anreicherung unter Anwendung der Technologie stark abgestimmter Infrarotlaser, um selektiv eine besondere Klasse organischer Moleküle zu dissoziieren, welche einen hohen normalen Bestand an Deuterium aufweisen, um die mit Deuterium angereicherten molekularen Arten von den verarmten molekularen Arten zu trennen (ohne die Notwendigkeit an Restspülern) und das verarmte molekulare Material mit einem nicht teuren Material wie beispielsweise Wasser zu behandeln, um den Deuteriumgehalt zwecks Wiederumlaufens zu ergänzen.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht in einem nicht teuren wirksamen Verfahren zum Trennen von Deuterium von natürlich vorkommenden Wasserstoffquellen wie beispielsweise Wasser. Die Verfügbarkeit von Deuterium in großen Mengen ist von großer praktischer Wichtigkeit für die Technologie der Kernspaltungsreaktoren. Deuterium (in schwerem Wasser) wird als Moderator in Kernspaltungsreaktoren verwendet. Die vorliegende Erfindung macht die Herstellung von Energie aus

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einem mit schwerem Wasser moderierten Reaktor wirtschaftlicher. Fin Schwerwasserreaktor hat einen wesentlichen Vorteil, weil er mit natürlichem Uran betrieben werden kann und kein ungoreichertoü Uran erfordert. Da die Kosten für reines üchweres Wasser ein beträchtlicher Teil der Kapitalkosten und ein geringerer, jedoch wesentlicher Teil der Gesamtbetriebskosten eines Schwerwasserreaktors sind, ist die Verfügbarkeit von nicht teurem schwerem Wasser von groGer Wichtigkeit auf dem Gebiet der Kernspaltungsreaktoren.

Wie oben beschrieben ist, wurde die Lasertechnologie entwickelt, so daß starke abgestimmte Infrarotlaser nun verwendet werden können, um zu verursachen, daß sich ein bestimmtes Molekül selektiv zersetzt.Die vorliegende Erfindung macht von diesem Verfahren Gebrauch, um besondere Klassen organischer Moleküle zu dissoziieren, die sich bevorzugt in stabile Molekularprodukte anstatt reaktive Radikale zersetzen. Wenn reaktive Radikale erzeugt werden, müssen gleichzeitig Restspüler eingesetzt werden, um ein "Verwürfein" bzw. Verschlüsseln der Identität zwischen den isotopisch gewählten bestrahlten Molekülen und den keine Isotopen tragenden Molekülen in einem Kessel oder einem Behälter zu verhindern. Stabile Molekularfragmente, die nicht leicht reagieren, verhindern derartige "Verwürfelungs"-Probleme. Mit der vorliegenden Erfindung werden die herabgesetzten Ausbeuten eliminiert, die typischerweise auftreten, wenn reaktive Radikale

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erzeugt werden, und es wird auch die Notwendigkeit ausgeschaltet, große Mengen an Restspülern zu handhaben.

Die Molekül-Klassen, die selbst leicht der selektiven Laserbestrahlung gemäss Erfindung ausgesetzt werden können, sind organische Moleküle, welche die allqemeine Formel RX haben, in welcher R aus Äthyl-, Isopropyl-, t-butyl- oder Cyclopentenylgruppen ausgewühlt ist und X eine funktioneile Gruppe wie beispielsweise F, Cl, Br oder OH ist und in dem besonderen Fall von Cyclopenten selbst H sein kann.

Gemäss Erfindung werden die ausgewählten normalen RX-Moleküle (d.h. solche Moleküle, welche einen normalen Reichtum an Wasserstoff und Deuterium enthalten) einem Strahl eines geeignet gebündelten starken Infrarotlasers ausgesetzt. Die Infrarot-Spektren der RX-Moleküle, welche Deuterium aufweisen, unterscheiden sich beträchtlich von ihren nicht deuterierten Arten. Durch zweckmässiges Abstimmen, Bündeln und Impulsgeben eines Infrarotlasers können im wesentlichen alle Deuterium enthaltenden RX-Moleküle, die dem Laser ausgesetzt sind, wahlweise dissoziieren bzw. zerfallen und dann von dem Ausgangsmaterial und anderen Reaktionsprodukten getrennt werden.

Unter geeigneten Bedingungen nach dem Aussetzen der Laserstrahlung wird ein Olefin gebildet, welches das Deuterium-

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-lo-

Atom und HX enthält. Das Olefin mit Deuterium (Olefin D) wird von dem untersetzten, an Deuterium verarmten Strom an RX und HX abgezogen. Das angereicherte Olefin (D) kann dann gebrannt werden, um Wasser mit einem angereicherten Deuteriumyehalt zu bilden oder pyrolysiert bzw. wärmebehandelt zu werden, um Wasserstoffgas mit einem angereicherten Deuteriumgehalt zu bilden.

Die nichtzersetzten oder nicht zur Reaktion gebrachten RX-Moleküle, verarmt an ihren Deuterium enthaltenden Arten, können dann in an Deuterium verarmte Olefine und HX durch Erhitzen über einem Katalysator zersetzt werden. Die letzteren Produkte können dann getrennt und mit normalem Wasser (oder H„) katalytisch ausgetauscht werden,um die normale isotopische Zusammensetzung wiederzubilden und dann notwendigenfalls katalytisch wieder kombiniert werden, um normales RX zu bilden, das wieder in Umlauf gebracht werden kann.

Die Einzelheiten des erfindungsgemassen Verfahrens und sein Ablauf ergeben sich aus den nachfolgenden Erläuterungen an bevorzugten Verfahren anhand der beigefügten Zeichnung.

In der Zeichnung ist ein Blockdiagramm gezeigt, wobei schematisch eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemassen Verfahrens zum Erzielen einer Deuteriumisotopen-Anreicherung

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dargestellt ist, wobei die Umlaufanordnung gezeigt ist, um Deuterium in einer kontinuierlichen Weise zurückzuführen bzw. zu ergänzen, wobei normales Wasser als Deuteriumquelle verwendet wird.

Es ist höchst wünschenswert, die anfängliche Deuteriumkonzentration in Verfahren zu untersuchen und zu erhöhen, welche die Herstellung von schwerem Wasser einschliessen oder in Verfahren, die im wesentlichen reines Deuterium erfordern. Das erfindungsgemässe Verfahren ergibt ein Erhöhen der anfänglichen Deuteriumkonzentration um ungefähr lo-2o5S von dem normalen verfügbaren Reichtum von ο,ο14?ά in einer Stufe. Eine solche tausendfache Zunahme der Größe der anfänglichen Konzentration von Deuterium verbessert wesentlich die Wirksamkeit, so daß selbst Niedertemperatur-Destillationsverfahren wirksam angewandt werden können, um das Deuteriumisotop auf ungefähr 9o bis 99,951» Reinheit zu konzentrieren (entweder als D₂O oder D₂).

Die vorliegende Erfindung verwendet bestimmte RX-Moleküle, in denen R vorzugsweise ein organisches Radikal, ausgewählt aus den Äthyl-, Isopropyl-, t-butyl- oder 3-cyclopentenyl-Gruppen und X vorzugsweise eines der anorganischen Radikale F, Cl, Br oder OH ist. In dem besonderen Fall von Cyclo- penten ist X=H wirksam und vorteilhaft und wird nachfolgend beschrieben.

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Die nachfolgenden Strukturformeln geben die bevorzugten
R-Strukturen wieder.

CH₅-CHy-X (At'iyl-X)

(du)ρ CII-X p .'3UPrOPyI-X)

(CII₃J₃C-X (L-liUtyl-X)

	I!	"\
/	C	CHX
		/
\		CH
CH	—

(3-cyclopentenyl)

Zum Beispiel hat ein Molekül wie beispielsweise Äthyl-X
(C-H^X), das 5 Wasserstoffatome aufweist, eine 5-fach grössere Chance, ein Deuterium-Atom zu enthalten als ein Molekül mit lediglich einem Wasserstoffatom. Somit hat die Gesamtheit solcher C-H₁ X-Moleküle eine Chance von 0,07?ό ein Deuteriumatom-Molckül zu enthalten. Durch ähnliche Schlußfolgerung
wird das Isopropyl-X-Molekül (C-H₇X) ein natürliches Vorkommen von 0,OUl Deuterium-Molekül erhalten, d.h. 1 in 1000 Molekülen wird ein Deuterium-Atom enthalten usw.

Die Infrarotspektren der Moleküle wie beispielsweise C₇H.DX, C₃H₆DX, C₄H₈DX und C₅H₅DX unterscheiden sich beträchtlich
von ihren entsprechenden nichtdeuterierten Arten. Insbesondere haben sie alle eine einheitliche Streckfrequenz bei ungefähr

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2I00 cm und eine einheitliche Diegefrequenz bei ungefähr 9oo cm , welche sich deutlich von den Verformungsfrequenzen in dem gleichen Bereich unterscheiden, die nur auf Wasserstoff bezogen sind. CO-Laser können leicht in dem Frequenzbereich von 21oo cm" abgestimmt werden, während C0_- und N~0-Laser auf die zweckmässiqe Frequenz in dem Bereich von 9oo cm abgestimmt werden können. Geeignete Spektrendaten sind veröffentlicht in G. Herzberg, "Infrared and Roman Spectra of Polyatomic Molecules¹,¹ D. van Nostrand Co., New York (1945); und in A.P.I. Res. Project 44, "Selected Infrared Spectral Data", Thermodynamics Research Center, Texas A & M University, Bryant, Texas. Beispielsweise zeigen Daten der Flüssigkeitsspektren von i-Propylchlorid und 2-Deuteroisopropylchlorid, daß das Letztere stark bei 12o5 cm" , 112o cm" und 918 cm" absorbiert, während das Erstere bei jeder dieser Frequenzen durchlässig ist.

Durch Auswählen der gewünschten RX-Moleküle und durch Bestimmen ihrer Spektroskopie mit Hilfe bekannter Verfahren aus verfügbarer Literatur können starke abgestimmte Infrarot-Laser-Quellen optimaler Wellenlänge verwendet werden, um die gewünschte Trennung und die erhöhten Anfangskonzentrationen an Deuterium zu erhalten. Für jedes RX-Molekül sollte die notwendige Spektroskopie bei nichtdeuterierten und der einen oder mehreren möglichen monodeuterierten Arten vorgenommen werden, um die optimale zu verwendende

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Wellenlänge beim Erregen des Deuterium enthaltenden Moleküls mit dem Infrarot-Laser zu bestimmen.Die Feststellung zweckmäsijujer Spektralbänder umfaßt Annäherungs- und Fehlerverfahren. Man beginnt, indem man die Frequenzen findet, bei duIien die monodeuterierte Verbindung absorbiert, während die nichtdeuterierte durchlässig ist. Lediglich diese Frequenzen bruuchen untersucht zu werden, um zu sehen, welche zu hoch wirksamem Zerfall in dem Laserstrahl führt. Wenn dies durchgeführt ist, wird die normal vorkommende Gesamtheit der ausgewählten RX dem zweckmässig gebündelten Infrarot lasers trahl ausgesetzt.Das zweckmässige Bündeln hängt von dem Druck und dem zu verwendenden Molekül ab, wobei herkömmliche Vorversuch- und Optimierverfahren verwendet werden, die auf dem Gebiet der Infrarot laser bekannt sind. Normale Lichtrohre können gewünschtenfalls verwendet werden, um die Verwendung des Laserstrahles wirksamer zu machen.

Im Betrieb kann ein einziger Laserstrahl in pulsierender Schwingungsart mit einem ausgewählten Lichtrohr verwendet werden, so daß 5ο?ό oder mehr der auf treffenden Energie von den Deuterium enthaltenden Arten in der Weglänge absorbiert wird. Alternativ können zwei Laserstrahlen verwendet werden, von denen einer ein relativ schwach gebündelter Strahl ist, der jedoch sorgfältig abgestimmt ist, um eine hohe isotopische Selektivität zu geben und ein zweiter Strahl gebündel-

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ter ist und höherer Energiedichte ist mit geringeren Anforderungen an Strahlqualität und Abstimmung, um die notwendige Dissoziationsenergie zu schaffen, um die von dem schwachen Strahl erregten Moleküle zu dissoziieren.

Beispielsweise sind die Bedingungen bei C₂H₅X so, daß nahezu jedes Deuterium enthaltende Glied in dem Lichtrohr dissoziier wird. Unter Gestatten einer Verwürfelung und verschiedener anderer Vrluste würde eine höchst ausreichende Dissoziationsmenge 5oS sein. Dies macht ungefähr o,o4* der anfänglichen Charge aus. Nach der Dissoziation sind die Molekularprodukte C_H,D + HX. Unter Umgebungsbedingungen ist die Gegenreaktion vernachlässigbar, und die Produkte können nach der Bestrahlung leicht von dem Ausgangsmaterial getrennt werden. Wegen der Isotopen-Effekte bei solchen Reaktionen haben die C₂H,D-Produkt-Moleküle eine Wahrscheinlichkeit von 8 5%, das Deuteriumatom zu erhalten, und somit kann eine um 2ο°ί Deuterium angereicherte Zuführung erhalten werden.

Die Wahrscheinlichkeiten des Erhaltene des Deuterium-Atoms können aus der Literatur bestimmt werden. Wenn alle Wahrscheinlichkeiten gleich wären, um das D-Atom in einer Lage zu finden, würden die maximalen Mengen des erzeugten DX ungefähr 2oÄ von C₂H₅X; ungefähr 14?Ä von 1-C₃H₇X; ungefähr 11» von t-C.H-X und ungefähr 12,5% von Cyclopentenyl-X sein.

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Wo jedoch H und D in äquivalenten Lagen gefunden werden, besteht ungefähr eine 2-3 mal höhere Chance, das H-Atora zu eliminieren. Hierdurch werden die ersten 3£-Angaben (dividieren durch 2,5) auf ungefähr B%, 5,6% und 4,4?ό entsprechend reduziert. Für das Cyclopenteny1 gibt es keine Herabsetzung, weil lediglich das cis-H (oder D)-Atom an dem Ring von X mit X reagieren muss.

Referenzen für die oben beschriebenen Ergebnisse können gefunden werden in P.J. Robinson und K.A. Holbrook, "Unimolecular Reactions", Kapitel 9 (insbesondere Seite 3o3), Wiley-Interscience, London (1972); und CJ. Collins und N.S.Bowman, ed., "Isotope Effects in Chemical Reactions", Am. Chem. Soc. Monograph (197o), Washington, D.C.

Demzufolge kann die Wahrscheinlichkeit bei den Olefinprodukten, ein Deuteriumatom zu erhalten, von ungefähr 85% bis 96% variieren, wie dies oben erläutert ist und sich auf den genannten Literaturstellen stützt.

Die unzersetzten Moleküle C-H₁-X, die oben beispielsweise beschrieben sind, die an ihren Deuterium enthaltenden Arten verarmt sind, können nun durch Erwärmen auf ungefähr 200 C bis 300 C über einem Kieselerdekatalysator zersetzt oder dissoziiert werden, um HX + C„H. zu erhalten. HX und C„H. können katalytisch mit normalem Wasser oder H» ausgetauscht, um sie

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auf normalen Gehalt zu bringen, und dann bei niedrigen Temperaturen und höheren Drücken wiedervereinigt werden, um normales C₇H₁-X wiederzubilden.

Die Moleküle an angereichertem Olefin (D), die in dem Produkt erhalten sind, können gebrannt wurden, um Cü_ + Deuterium angereichertes H₇O (2o Mo IS» Deuterium) zu erhalten, das alü Material bei weiterer Anreicherung verwendet wird.

Die Gleichgewichte für RX^c=Js Olefin + HX sind alle studiert worden, und die optimalen Bedingungen für Temperatur und Druck, die für jedes R und für jedes X zweckmässig sind, können aus den veröffentlichten thermochemischen Daten abgeleitet werden (siehe z.B. S.W. Benson und A.N. Böse, J.Chem. Phys., 3j?f 3463 (1963); oder D. Stull, D. Westrum und G. Sinke, The Chemical Thermodynamics of Organic Compounds, John Wiley & Sons, Inc., New York (1969).)

Verschiedene RX-Moleküle können theoretisch bei dem erfindungsgemässen Verfahren verwendet werden. Jedoch steht der Vorteil der Verwendung grösserer gegenüber kleinerer Moleküle (z.B. C₄H₉X oder C₃H₇X gegenüber C₂H₅X) in Verbindung mit den relativen anfänglichen Zersetzungsgeschwindigkeiten und den Eigenschaften des Druckes und der Energie als auch mit der üpektroskopischen Selektivitat. Kleine

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Moleküle zersetzen sich schneller mit geringerer Energieabsorption aus dem Laserstrahl, und somit sind weniger Nebenreaktionen eingeschlossen. Grössere Moleküle sind näher an ihren Hochdruck-Grenzgeschwindigkeiten, ergeben höhere Isotopeneffekte in Reaktion und werden zu grösseren Ausmausen /ersetzt. Die optimalen Bedingungen, die Wirtschaftlichkeit und die Praxis sollte für ein Ausgangsmaterial betrachtet werden, bevor ein solches Material ausgewiihlt wird. Moleküle wie t-C.H„X haben ungefähr doppelt soviele Deuterium enthaltende Glieder wie C₇H₁-X. Jedoch wird die in den Produkten i-C.H« erhaltene Konzentration halb so gross wie bei dem Produkt C„H. aus C₇H₁-X sein. Die Gesamtspektroskopie und Abstimmerfordernisse können auch beträchtlich von Molekül zu Molekül variieren. Jedoch umfaßt die Bestimmung solcher Anforderungen Annäherungsversuche, die bekannt sind und keinen Teil der Erfindung bilden .

Es sei hervorgehoben, daO groOe Moleküle (d.h. solche mit vielen Atomen) viele Innenschwingungen relativ geringer Frequenz aufweisen. Somit werden einige von ihnen bei Raumtemperatur Vibrationsenergiequanten besitzen. Wenn sie genug Quanten aufweisen, kann ihre spektrale Absorption komplexer als bei nicht erregten Molekülen sein und die Frequenzen der Deuterium enthaltenden Moleküle überlappen. Da letztere lediglich ungefähr 1 Teil in 1000 der Gesamt-

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menge ausmachen, gibt es nicht viele durch Vibration erregte Moleküle, die konkurrenzfähig stören (oder reagieren ).

Auf Grund dieses Problems ist es wesentlich zu versuchen, die Spektrallinien auszuwählen, welche nicht durch Absorptionen der erregten Moleküle überlappt werden.

Das obenbeschriebene erfindungsgemässe Verfahren wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert, in welcher ein schematisches FluOdiagramm nach einer bevorzugten Ausführungsform gezeigt ist. Es sei hervorgehoben, daß alle RX-Moleküle, die oben erläutert und diskutiert sind, sich im wesentlichen in der gleichen Weise verhalten und funktionieren, wenn dies nicht anders erwähnt ist.

Wie ee oben erläutert ist, ergeben die verschiedenen RX-Moleküle leicht selbst eine selektive Bestrahlung von Deuterium enthaltenden Molekülen, wenn sie stark abgestimmten Infrarotlasern wie beispielsweise CO-, C0„- oder N-O-Lasern ausgesetzt sind. Wie in der Zeichnung gezeigt ist, werden normale RX-Moleküle Io (d.h. solche Moleküle, die einen normalen Gehalt an Wasserstoff und Deuterium enthalten) einem geeignet gebündelten Infrarotlaserstrahl ausgesetzt, der in dem Laserreaktor A pulsmoduliert ist. Solche RX-Moleküle (ungefähr 1 Teil pro 1000), welche ein Deuterium-Atom enthalten, werden die Strahlung absorbieren und werden

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vorzugsweise zersetzt, und führen unter geeigneten Bedingungen zu der Ausbildung eines Olefins R (-H), welches das Deuterium-Atom (Olefin (D)) und HX enthält. Beispielsweise nach Durchlaufen durch den Laserreaktor A bildet das nichtbehandelte RX (d.h. RX/ «») typischerweise ungefähr 99,9?i des Ausganges 12, und das Olefin (D) und HX zusammen bilden ungefähr ο,ΙΤο des Ausganges 12.

Gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren ergibt sich, daß die RX-Moleküle vorzugsweise in stabile molekulare Fragmente und nicht in reaktive Radikale zersetzt werden. Demzufolge werden keine Restspüler benötigt, um das "Merwürfeln" der Identität zwischen den isotopisch ausgewählten, bestrahlten Molekülen und den RX-Molekülen, die keine Isotopen tragen, zu verhindern.

Der Ausgang LZ aus dem Laserreaktor A wird dann in einen Separator B geführt, wo das an Deuterium angereicherte Olefin (D) von dem nicht zur Reaktion gebrachten RX/ _Q» und HX abgestreift wird. Die angereicherten Olefin (D)- Moleküle haben einen Deuteriumgehalt von ungefähr 1ο-2ο?ό. Die Trennung kann leicht im Separator B mit Hilfe bekannter Absorptionsverfahren (beispielsweise mit Ammoniak), durch Destillation oder durch andere einfache chemische Trennungsverfahren durchgeführt werden, indem beispielsweise Silbersalze wie Silbernitrat verwendet wird, um komplexe Salze

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zu bilden, welche die Olefine binden und sich nach weiterem Erhitzen trennen. Auch können Übergangsmetalle wie beispielsweise Palladium und Ruthenium in dem Trennverfahren verwendet werden.

Das angereicherte Olefin (D)-Produkt 14 aus dem Separator B kann dann in 0_? in einer Brenneinheit F gebrannt werden, um H₂O und CO₂ zu bilden. Der H₂0-Strom 15, der so gebildet wird, enthält ungefähr 1ο-2ο?ό Deuterium. Die abschliessende Deuteriumzusammensetzung wird durch die Formel C H- .X bestimmt. Sie wird l//o ■> \ geringer sein, welche Nebenreaktionen oder ungewollte Effekte auch ein Verdünnen erzeugen. Gewünschtenfalls kann das angereicherte H₂O 15 als Ausgangsmaterial für ein weiteres Anreichern verwendet werden, und dies wird normalerweise auch gemacht. Das angereicherte Olefin (D)-Produkt kann wahlweise über Graphit bei hohen Temperaturen (beispielsweise ungefähr 1000 bis 1200⁰C) in einem Ofen F¹ wärmebehandelt oder pyrolisiert werden, um direkt Wasserstoffgas und Kohlenstoff zu bilden. Das Wasserstoffgas 15', das so gebildet ist, weist typischerweise einen Deuteriumgehalt von lo-2o% auf und kann wirtschaftlich durch Tiefsttemperatur-Destillation konzentriert werden, um im wesentlichen reines Deuterium zu erhalten (d.h. 90-99,9% Reinheit).

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Die nicht zur Reaktion gebrachten, an Deuterium verarmten Moleküle (d.h. RX/ _Qx) und HX verlassen den Separator B als Strom 16, der zu dem katalytischen Stripper C geführt wird, in welchem RX/ _nx in ein Olefin R(-H), das an Deuterium verarmt ist und in HX durch Erhitzen der Einheit auf ungefähr 200 - 300⁰C über einem geeigneten Katalysator wie beispielsweise Kieselerdegel zersetzt wird. Die letzteren Olefin- und HX-Arten von dem Stripper C werden dann als Ströme 18 bzw. 2o getrennt und zu einem katalytischen Austauscher D geleitet, in den herkömmliches oder normales Wasser 26 eingebracht und mit (i) dem an Deuterium verarmten Olefinstrom 18, um ein normales Olefin mit einem natürlichen Reichtum an Deuterium zu erzeugen, und (ii) mit dem an Deuterium verarmten HX-Strom 2o katalytisch ausgetauscht wird, um seinen Deuteriumgehalt auf normal HX wiederherzustellen. Bei solchen katalytischen Austauschverfahren wird es vorgeschlagen, daß bekannte Gegenstromaustauschverfahren zwecks Wirksamkeit angewandt werden. Bekannte Katalysatoren für diesen Zweck sind gesäuertes Kieselsäuregel, Kieselsäure-Tonerdegel, Schwefelsäure und Übergangsmetallionen in sauren wässrigen Medien. Das an Deuterium verarmte Wasser verlässt den katalytischen Austauscher D als Strom 28 und wird nicht wieder in dem Verfahren verwendet .

Das normale Olefin verlässt den katalytischen Austauscher D als 22, und das normale HX verlässt den Austauscher D als

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Das normale Olefin 22 und das normale HX 24 werden dann zu einer katalytischen Wiedervereinigungseinheit E geführt, um isotopisch normales RX wiederzubilden, das als Eingang 10' in den Laserreaktor A zwecks Wieder-in-Umlauf-bringens verfügbar ist, und der gesamte genannte Zyklus wird wiederholt, um die gewünschte Deuteriumtrennung und -anreicherung zu erhalten. Die katalytische Wiedervereinigung in der Einheit E kann an einer katalytischen Oberfläche unter Verwendung homogener Katalysatoren der gleichen allgemeinen Beschreibung durchgeführt werden, wie dies oben für den katalytischen Austauscher D genannt ist. Auch können H„- oder Platin-Katalysatoren oder Supersäuren (beispielsweise Chlorschwefelsäure und H„ bei etwas geringeren Temperaturen verwendet werden.

Es sei hervorgehoben, daQ das oben beschriebene Verfahren im allgemeinen für die verschiedenen RX-Moleküle anwendbar ist, die oben erläutert sind. Jedoch sind in dem besonderen Fall von Cyclopenten (wobei X=H ist) die Produkte nach dem Bestrahlen mit dem Laserreaktor A H„ und Cyclopentadien, wobei letzteres ungefähr 85% des angereicherten Deuteriums (d.h. 81% Deuterium-Absolutzusammensetzung) und das H. ungefähr 155» (d.h. ungefähr 2% absolut) enthält. Beide letztere Produkte können leicht von dem ursprünglichen Cyclopenten getrennt und behandelt werden, um Kohlenstoff und H2 zu bilden, das ungefähr 10% Deuterium enthält. Das nicht zur Reaktion gebrachte oder nicht dissoziierte Cyclopenten kann dann

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direkt mit normalem Wasser ausgetauscht werden unter Verwendung saurer Katalysatoren, um den normalen Deuteriumgehalt wieder zu bilden, und es kann dann ohne Dissoziation und Wiedervereinigung wieder in Umlauf gebracht werden. Cyclopenten kann wesentliche Vorteile gegenüber den anderen RX-Materialien aufweisen. Beispielsweise können der Katalysatorstripper C und die katalytische Wiedervereinigungseinheit E in dem Wiederumlaufbetrieb fortgelassen werden.

Aus dem Gesichtspunkt der Kosten ist die billigste funktioneile Gruppe X Cl. Es scheint ebenfalls die einfachste in Bezug auf Spektren und Spektral reinheit bezüglich des isotopischen Abstimmens zu sein und weist eine sehr geringe Fraktion von Hitzebändern bzw. radioaktiv verseuchten Bändern auf. H = Br ist weniger wünschenswert als Cl sowohl auf Grund des Kostenfaktors und wegen des Spektralreinheitsgrades. X = OH ist nicht teuer, aber die Reaktionen scheinen komplexer als X = Cl wegen möglicher konkurrierender Radikalherstellung zu sein. X=F ist teurer als X = Cl; und ähnlich kann X = OH weitere Komplikationen auf Grund der Radikalausbildung einschliessen.

Während Wasser in der bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens als Quelle .zum Ergänzen des verarmten Deuteriums beschrieben ist, sei hervorgehoben, daß andere verfügbare

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Quellen (beispielsweise H^) ebenfalls verwendet werden können, die wenigstens einen normalen oder natürlichen Überfluß an Deuterium aufweisen.Die verschiedenen verwendeten ?ä-Ahgaben beziehen sich auf Mol-ίο, wenn nicht anders angegeben.

Die vorliegende Erfindung schafft ein höchst wirksames und wirtschaftliches Verfahren zum Trennen des Deuteriumisotopen und zum Schaffen einer angereicherten Deuteriumzufuhr für Anwendungen wie beispielsweise die Herstellung von schwerem Wasser, welches als Moderator für Kernspaltreaktoren eine grosse Nachfrage aufweist. Auch wird das Deuteriumisotop häufig als Leitisotopen-Element verwendet.

Das in der Zeichnung gezeigte und oben beschriebene bevorzugte Verfahren dient den Zwecken der Illustration und soll die Erfindung nicht beschränken. Es lassen sich bestimmte Modifikationen durchführen, ohne sich jedoch dabei vom Kern der Erfindung zu entfernen.Beispieisweise können andere geeignete und bekannte Katalysatoren und herkömmliche Trennungsverfahren anstatt derer verwendet werden, die bei der bevorzugten Ausführungsform beschrieben sind.Es sei hervorgehoben, daß ein Weg, mit der Erfindung zu arbeiten, in Verbindung mit einer Einrichtung liegt, welche Produkte wie beispielsweise Äthylen (beispielsweise eine Polyäthylen- oder PVC-Anlage) oder Propylen erzeugt. Wirksamer können jedoch die verschiedenen Olefine (beispielsweise C„H., C₃H, usw.)

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kontinuierlich wieder in Umlauf gebracht werden, indem sie mit normalem H„0 ausgetauscht werden, um ihren Überfluß an Deuteriumisotopen wiederherzustellen, wie das in der beigefügten Zeichnung erläutert ist.

Es wird auch hervorgehoben und erhofft, dnG das Grundverfahren zum Trennen der isotopischen Arten, wie dies oben beschrieben ist, für Moleküle angewandt werden könnte, die ähnlich denRX-Molekülen sind,welche oben diskutiert worden sind. Beispielsweise R = Cl zum Trennen von Cl und Cl; R-Br zum Tennen von Br und Br; und R-OH zum Trennen von

18_n . 17 _n . 16 _n
0 und 0 und 0.

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Claims

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l'ii t cn I ;insp rürln·

L. Verfahren /um [rennen und Arueiche πι von Deuterium enthaltenden Mnlekülen, ilnilurch ijekerm/e Lehne t , «l;iil eine (Juelle an orijan i sehen Mol(^%k;ilen iieüchn f f"en wird, welche IU ut er i um-Atome enthalten, dafl diese οπμιΐι i sehen Mnlekiile eine '■ I rtik I υ ν \ u rriie 1 HX niilweii;en, in welcher R ein or ιμιιι i ;eli<· ι· KiT.t ml , der aus der Gruppe ausgewählt wird, die nur; Äthyl, Isopropyl, t-hutyl und i-cyelopenteny 1 besteht untl X aus der (Iruppe f»us()ewidi 11 wird, die aus Fl₁Cl, Or und 011 besteht, daM diese Muleküle der Strahlunq wen iqs tens einer Infra rot I aserque I Ie auscjeset/t werden, welche besonders nhrjest imm t und .jebiindelt worden ist, um sele.ktiv Deuterium enthaltende llX-Moleküle /u zersetzen, um eine; ancjere i ehe r te Olef'in-Art /u h i I den , die Deuterium und HX enthalt, und daß die mit Deuter ium angereicherte Olef'in-Art von den nicht/erse I/ ten an Deuterium verarmten KX -Mo I ekü leri

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um) HX i|ct rennt wird.
2. Vi¹ r ί ;ihri!M ιι.πΐι Aiisp inch I₁ diidiirch gekenn/e i chne t , dal) die mit Dru I c ι· i ιιιιι ;mi|i· ic ι chi; r I e (llefinart in Wasser mil·. einem unijere i rhi· r I um Den t η r iuiiM|eha I t umgewandelt wird.
ί. Verfahren riiirh Anspruch I, dadurch ijckennze ichne t , daO die in ι t Deuterium ringe re i ctie r t e Olefinnrt hitzebehandelt wird, um UicüiiTül [il'fijii:; mit einem iinije re iefier t en Deu te riurmjeha 11 zu b i lden.
4. l/erfahren nach Anr.pruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das η icht/err.e t/ t e , an Deuterium verarmte RX und die HX-Moleküle nachfolgend mit einer Deuterium enthaltenden Quelle behandelt werden, um in den letzteren ar» Deuterium verarmten Molekülen eine /uf'ührumj von Deuterium-Atomen wieder zu ergänzen.
5. V/erfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daO das ηichtzeiautzte an Deuterium verarmte RX und die HX-Moleküle katalytisch behandelt und in ein an Deuterium verarmtes Olefin und UX getrennt werden, dann individuell mit Wasser oder (l„ ausgetauscht werden,um darin einen normalen Reichtum an Deuterium wiederherzustellen, und daß dann das ausgetauschte Olefin und HX wieder kombiniert werden, um eine Zuführung von RX zu bilden, die dem infrarotlaser zwecks weiterer selektiver Zersetzung und I rennung der Deuterium-Art auszusetzen ist.

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6. Verfahren nach Anspruch ], dadurch gekcnnzc i chnet , dad

der laser besonders nhijest iinnil wird, um i mpuJ sf ö'rtiii ge I re-

quenzen in dem Herejch von ungefähr 90Π cm Ii i s 2 Jon cm zu schaffen.
7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzei chnet , daß das mit Deuterium angereicherte Uasser unijefähr lo"» hifi 2ο!'ό Deuterium enthäll.
8. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das mit Deuterium angereicherte Wasserst of fijas uiujcfiihr 1ο?ί bis 2o5o Deuterium enthält.
9. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Deuterium ergänzten Moleküle als Quelle von RX-HoIekülen wieder in Umlauf gebracht werden, um der Infrarot1aserstrahlung zwecks weiterer Zersetzung und 1 rennung der Deuterium enthaltenden Moleküle ausgesetzt ?u worden.
10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Infrarotlaser ein C0„ - oder N„0 -Laser ist.
11. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Infrarotlaser ein CO-Laser ist.

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12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß R 3-cyclopentenyl und X aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus F, Cl, Br, OH und H besteht.

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