化学交换反应法分离硼同位素的数学模型
(硬)石膏矿物中硼的提取分离及硼同位素测定
(硬)石膏矿物中硼的提取分离及硼同位素测定秦占杰;张湘如;彭章旷;李庆宽;马云麒;樊启顺;都永生;王建萍;山发寿【摘要】(硬)石膏作为海湖水蒸发过程中常见的硫酸盐矿物,能很好反映原始母液的组成及相关水文地质信息.硼属于易溶元素,常赋存于各种蒸发岩矿物中,目前硼同位素在矿床学,地球化学,古环境等地球科学中已得到广泛应用.由于(硬)石膏硼含量较低且难溶于水和盐酸,所以其硼含量及硼同位素组成特征研究较少.本研究通过物相转化与树脂交换法提取纯化(硬)石膏中的硼:首先使用碳酸氢铵与石膏混合,将微溶硫酸钙转化为难溶碳酸钙,随后使用盐酸溶解,一次转化率为85%,两次转化与分解可以保证石膏的完全溶解;之后经过硼特效树脂(Amberlite IRA 743)完成硼富集及阴阳离子混合树脂(Ion ExchangeⅡ和Dowex 50W×8)对硼的纯化;最终通过He改进的正热电离质谱法测定硼同位素.测得试剂石膏中的硼含量为(3.501±0.128)μg/g(n=12,RSD=3.6%),平均加标回收率为100.5%;同时加标试剂石膏的δ11 B值为17.98‰±0.21‰(n=3,RSD=1.2%),说明整个流程的重复性良好,可以满足(硬)石膏中硼含量及其硼同位素组成的准确测定.%The anhydrite and gypsum are the main sulfate minerals during evaporation of seawater or lake.They record the information about relative hydrogeology and the composition of mother liquor.Boron is diffluent element, and often occurs in all kinds of evaporites.Presently, the boron isotope has been applied widely in mineral deposits forming, geochemistry and palaeoenvironment.However, there is little research about characteristic of boron isotope in anhydrite and gypsum minerals, because of the low content of boron and micro-solubility in water and hydrochloric acid.This study developed a method of extracting and purifying boron in anhydriteand gypsum by phase transformation and ion-exchange.Firstly, the samples were mixed with ammonium hydrogen carbonate to transform the calcium sulfate to calcium carbonate.And diluted hydrochloric acid (1 mol/L) was added to resolve calcium carbonate.The percent conversion was about 85%in the first stage, and up to complete resolution by repeating this process.Secondly, boron specific ion-exchange resin( Amberlite IRA 743 ) was used to gather the boron ions fully and further refined the samples with more than 1 μg of boron by anionic and cationic resin mixed by Ion Exchange Ⅱ and Dowex 50 W × 8.Finally, according to the modified method by He, the values of boron isotope were determined by TIMS.The boron content is analytically pure gypsum was 3.501 ± 0.128 μg/g ( n=12 , RSD=3.6%) and the average recovery was 100.47%.Besides, the δ11B value of analytically pure gypsum added with NIST SRM 951 was 17.98‰±0.21‰ (n=3, RSD=1.2%).This method has good repeatability and can meet the requirements of boron isotopic measurement of anhydrite and gypsum.【期刊名称】《分析化学》【年(卷),期】2018(046)001【总页数】7页(P48-54)【关键词】(硬)石膏;硼同位素;物相转化;离子交换法【作者】秦占杰;张湘如;彭章旷;李庆宽;马云麒;樊启顺;都永生;王建萍;山发寿【作者单位】中国科学院青海盐湖研究所,中国科学院盐湖资源综合高效利用重点实验室,西宁810008;青海省盐湖地质与环境重点实验室,西宁810008;中国科学院大学,北京100049;中国科学院青海盐湖研究所,中国科学院盐湖资源综合高效利用重点实验室,西宁810008;青海省盐湖地质与环境重点实验室,西宁810008;中国科学院大学,北京100049;中国科学院青海盐湖研究所,中国科学院盐湖资源综合高效利用重点实验室,西宁810008;青海省盐湖地质与环境重点实验室,西宁810008;中国科学院青海盐湖研究所,中国科学院盐湖资源综合高效利用重点实验室,西宁810008;青海省盐湖地质与环境重点实验室,西宁810008;中国科学院大学,北京100049;中国科学院青海盐湖研究所,中国科学院盐湖资源综合高效利用重点实验室,西宁810008;青海省盐湖地质与环境重点实验室,西宁810008;中国科学院青海盐湖研究所,中国科学院盐湖资源综合高效利用重点实验室,西宁810008;青海省盐湖地质与环境重点实验室,西宁810008;中国科学院青海盐湖研究所,中国科学院盐湖资源综合高效利用重点实验室,西宁810008;青海省盐湖地质与环境重点实验室,西宁810008;中国科学院青海盐湖研究所,中国科学院盐湖资源综合高效利用重点实验室,西宁810008;青海省盐湖地质与环境重点实验室,西宁810008;中国科学院青海盐湖研究所,中国科学院盐湖资源综合高效利用重点实验室,西宁810008;青海省盐湖地质与环境重点实验室,西宁810008【正文语种】中文石膏(CaSO4·2H2O)和硬石膏(CaSO4)作为蒸发岩的重要组成部分，形成于各个地质时代[1]，全球95%以上的蒸发岩由这两种矿物与石盐组成[2]。
同位素分离理论在硼同位素分离中的应用
关键词 ： 旧化 素分 离理论 ； 硼同何素 ； 螯合树脂 ； 色谱带 ； 富集度
中 图分 类 号 ： Ｇ ３ １ ２ ； Ｎ ３ ３ ； Ｔ Ｑ １ １ ０ ． ２ 文 献标 识码 ： Ａ 文章编号 ： １ ０ ０ ５ － ９ ９ ５ ４ （ ２ ０ １ ３ ） １ ２ － ０ ０ ２ ０ — ０ ３
第４ １卷 第 １ ２期
２ ０ Ｉ ３年 １ ２门
化
学
工
程
Ｖ０ Ｉ ｜ ４ｌ Ｎｏ． １ ２
Ｄｅ ｃ． ２ ０１ ３
Ｃ Ｈ Ｅ ＭＩ Ｃ Ａ Ｌ Ｅ Ｎ Ｇ Ｉ Ｎ Ｅ Ｅ Ｒ Ｉ Ｎ Ｇ （ Ｃ ＨＩ Ｎ Ａ）
同位 素 分 离理 论 在 硼 同位 素分 离 中的应 用
王 美玲 ，付 道贵 ，王贯 春 ，刘晓珍 ，简 敏 ，邹从 沛
ｃ ｈ ｒ ｏ ｍａ ｔ ｏ ｇ ｒ ａ ｐ ｈ ｙ ｂ ａ ｎ ｄ ｅ ｆｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｌ ｙ． Ａｐ ｐ ｌ ｙ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｔ ｈ ｅ ｏ ｙ ｒ ｔ ｏ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ａ ｎｄ ｔ ｈ ｅ ｖ ｅ ｒ ｉ ｆ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎ ｔ ｓ
Ａｂｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ： Ｉ ｏ ｎ ｅ ｘ ｃ ｈ ａ ｎｇ ｅ ｃ ｈ ｒ ｏ ｍａ ｔ ｏ ｇ ｒ ａ ｐｈ ｙ ｉ ｓ ａ ｖ ｅ ｒ ｙ ｐ ｒ ｏ ｍｉ ｓ ｉ ｎ ｇ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｆ ｏ ｒ ｔ ｈｅ ｓ ｅ ｐ ａ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｂｏ ｒ ｏ ｎ ｉ ｓ ｏ ｔ ｏ ｐ ｅ ｓ ， ｂ ｕ ｔ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ
硼b10同位素制备
硼b10同位素制备硼是一种重要的元素，它在自然界中存在两种同位素：硼-10（B-10）和硼-11（B-11）。
本文将重点讨论硼-10同位素的制备方法及其应用。
硼-10是硼的一种同位素，它的原子核含有5个质子和5个中子。
相比之下，硼-11的原子核含有5个质子和6个中子。
由于硼-10具有特殊的核性质，它在一些领域有着广泛的应用，例如核能产业、医疗领域和材料科学等。
硼-10的制备方法有多种，其中最常用的是利用硼酸盐与氢气在高温条件下反应。
首先，硼酸盐溶液被蒸发至干燥，然后将干燥的硼酸盐与氢气混合，放入高温炉中进行加热。
在适当的温度和时间下，硼酸盐中的硼-10同位素会与氢气发生同位素交换反应，生成硼烷气体。
接下来，通过物理方法将硼烷气体分离出来，并进一步纯化，最终得到纯度较高的硼-10同位素。
除了上述方法，还可以利用硼-11同位素与中子的反应来制备硼-10。
在核反应堆中，将硼酸盐放置在中子源的附近，通过中子的俘获作用，硼-11同位素会转变为硼-10。
然后，通过适当的分离和纯化工艺，可以得到所需的硼-10同位素。
硼-10同位素在核能产业中有着重要的应用。
由于硼-10对中子具有较高的吸收截面，它常被用作控制反应堆中的中子流量。
通过在反应堆中引入硼-10，可以调节中子的流动，从而实现对核反应的控制和调节。
硼-10同位素还在医疗领域发挥着重要作用。
硼中子捕获治疗（Boron Neutron Capture Therapy，简称BNCT）是一种肿瘤治疗方法，利用硼-10对中子的高吸收截面，将带有硼-10的化合物引入肿瘤组织中，然后利用中子源产生中子束，使硼-10捕获中子，产生裂变反应，释放出高能α粒子和锝γ射线，从而破坏肿瘤细胞。
相比传统的放疗和化疗方法，BNCT具有更高的治疗效果和较低的副作用。
硼-10同位素还可以应用于材料科学领域。
由于硼-10在中子辐照下产生的裂变产物具有特殊的性质，例如高能α粒子和锝γ射线，可以用于材料的辐射损伤研究和辐射防护材料的开发。
化学交换精馏法分离硼同位素分解反应实验研究
化学交换精馏法分离硼同位素分解反应实验研究硼同位素是指同位素数目相同、原子序数相差1的硼原子核，而硼同位素分解反应是指在一定条件下，硼的同位素在分子中发生自然分解，产生不同同位素原子及其产物的反应。
本实验旨在探究化学交换精馏法分离硼同位素分解反应的原理和方法。
实验装置：
实验装置包括反应釜、精馏柱、冷凝器、收集瓶、配气装置等。
实验步骤：
1. 将硼同位素分解反应产生的气体混合物通入反应釜中。
2. 在反应釜中加入一定量的化学交换剂（如铁锆铝合金、硝酸铀等）。
3. 加热反应釜，使气体混合物与化学交换剂发生反应，使硼同位素分子中同位素发生交换。
4. 经过一定时间的反应，将反应产物混合物通过精馏柱逐步分离，获得不同同位素含量的产物。
5. 通过配气装置将不同同位素含量的气体收集并定量分析。
实验结果：
通过化学交换精馏法分离，可以获得不同含量的硼同位素，实验结果可以用于研究硼同位素的化学性质、物理性质、核反应等方面。
实验注意事项：
1. 实验过程中需要注意安全，避免产生气体泄漏等事故。
2. 实验中使用的化学交换剂需要选择合适的，避免对实验人员以及环境造成污染和危害。
3. 实验操作需要严格按照标准化程操作，并进行必要的安全措施和防护措施。
三氟化硼-苯甲醚络合物化学交换法制备10B和11BF3
关键词#0B和11BF3制备；塔板数计算；净化工艺
中图分类号：TL25 + 5
文献标志码:A
文章编号 1000-7512(2019))6-0411-07
doi： 10. 7538/tws. 2018. youxian. .84
开放科学(资源服务)标识码(：
Preparat i on of 10B and nBF3 by Chemical Exchange of Boron Trifluoride-Phenyl Methyl Ether Complex
Key words: 10B and 11BF3 prepared methods'plate numbercalculation'purification process
收稿日期20180820 '修回日期：2018-12-27 作者简介:李建平(1963-),男，山西代县人，研究员级高级工程师，主要从事轻同位素分离和生产研究 网络出版时间 2019-04-24 ；网络出版地址:http：〃kns. cnki. net/kcms/detail/11. 2566. TL. 20190424. 1126. 006. html
硼同位素分离方法[新版]
![硼同位素分离方法[新版]](https://img.taocdn.com/s3/m/b42c23b9dc3383c4bb4cf7ec4afe04a1b071b037.png)
硼同位素分离方法1.同位素概况1.1稳定同位素在元素周期表中，原子序数相同，原子质量不同，化学性质基本相同，半衰期大于1015年的元素的同位素，称为稳定同位素。
1913年J.J.汤姆孙和F.W.阿斯顿用磁分析器发现天然氖是由质量数为20和22的两种同位素所组成，第一次发现了稳定同位素。
1919年阿斯顿制成质谱仪，并在71种元素中发现了202种核素，绝大多数是稳定的；后来利用光谱等方法发现了氧、氮等元素的稳定同位素。
地球上已发现的稳定同位素共274种，原子序数在84以上的元素的同位素都是放射性同位素。
常用的有34种，已实现规模生产的稳定同位素及化合物有235U、重水、6Li、10B。
它们是重要的核工业材料或作示踪原子。
元素的同位素组成常用同位素丰度表示，同位素丰度是指一种元素的同位素混合物中，某特定同位素的原子数与该元素的总原子数之比。
1.2同位素分析方法同位素分析通常是指样品中被研究元素的同位素比例的测定。
它是同位素分离、同位素应用和研究中不可缺少的组成部分。
质谱法它是稳定同位素分析中最通用、最精确的方法。
它是先使样品中的分子或原子电离，形成各同位素的相似离子，然后在电场、磁场的作用下，使不同质量与电荷之比的离子流分开进行检测。
若用照相底板摄像检测,则称质谱仪。
将离子流收集在法拉第杯电极上,并用静电计测量电流，以能使仪器自动连续地接收不同荷质比的离子，这样的仪器称为质谱计。
这两种仪器不仅能用于气体，也可用于固体的研究。
质谱计能用于几乎所有元素的稳定同位素分析。
核磁共振法它是稳定同位素分析的另一重要方法。
由于构成有机体主要元素的稳定同位素氘、碳13、氮 15、氧17和硫33等的核自旋量子数均不为零，在外磁场的作用下,这些原子核都会象陀螺一样进动,若此时在磁场垂直方向加上一个射频电场，当其频率与这些原子核进动频率相同时，即出现共振吸收现象,核自旋取向改变,产生从低能级到高能级的跃迁；当再回到低能级时就放出一定的能量，使核磁共振能谱上出现峰值，此峰的位置是表征原子核种类的。
硼同位素分离
硼同位素分离硼（B）是一种化学元素，它具有多个同位素，其中最常见的是硼-10和硼-11。
硼同位素分离是一项重要的技术，它在核工业、医学和科学研究等领域具有广泛的应用。
本文将介绍硼同位素分离的原理、方法和应用。
让我们来了解一下硼同位素的特点。
硼-10和硼-11的质量数分别为10和11，它们的原子核中分别含有5个和6个中子。
由于中子数的差异，硼-10和硼-11在物理和化学性质上也有所不同。
硼-10具有较高的热中子截面，适用于核反应堆的中子控制材料；而硼-11则是天然硼的主要同位素，广泛应用于核工业和医学领域。
硼同位素分离的原理是利用硼同位素的物理和化学性质差异，采用不同的分离方法将硼-10和硼-11分离开来。
目前常用的硼同位素分离方法主要包括气体扩散法、离子交换法、液液萃取法和分子筛法等。
气体扩散法是一种基于硼同位素在气相中扩散速率差异的分离方法。
通过将硼化合物加热转化为气体，然后利用扩散装置中的温度梯度和压力梯度，使硼-10和硼-11分离。
这种方法操作简单，但分离效果不高，适用于对硼同位素纯度要求不高的场合。
离子交换法是一种基于硼同位素在离子交换树脂上的吸附和洗脱过程进行分离的方法。
通过调节溶液的pH值和离子强度，使硼-10和硼-11以不同的速率被吸附和洗脱，实现分离。
这种方法分离效果较好，但需要耗费大量的溶剂和时间。
液液萃取法是一种利用硼同位素在有机溶剂和水溶液中的分配系数差异进行分离的方法。
通过调节液液相体系的pH值和有机溶剂的类型和浓度等参数，使硼-10和硼-11在有机相和水相中分配不同，实现分离。
这种方法操作简单，但需要大量的有机溶剂，并且对设备和操作条件要求较高。
分子筛法是一种基于硼同位素在分子筛材料中吸附和解吸过程进行分离的方法。
通过调节分子筛的孔径和吸附温度等条件，使硼-10和硼-11以不同的速率被吸附和解吸，实现分离。
这种方法分离效果较好，但对分子筛材料的选择和调控要求较高。
硼同位素分离在核工业、医学和科学研究等领域具有广泛的应用。
硼同位素分离
硼同位素分离硼（B）是一种化学元素，其原子序数为5，位于元素周期表中的第13组。
硼有两种天然存在的同位素：硼-10和硼-11。
硼-10的质量数为10，占硼的天然同位素的约19.9%，而硼-11的质量数为11，占约80.1%。
硼同位素分离是一项重要的技术，有着广泛的应用。
其中最重要的应用之一是在核反应堆中作为控制材料，用于调节核反应的速率。
硼同位素的分离主要是为了获得更高纯度的硼-10，以满足核反应堆中的需求。
硼同位素分离的方法有多种，下面将介绍其中的两种常见方法：气体扩散法和离心法。
气体扩散法是一种基于气体分子质量差异的方法。
首先，将硼化合物与氢气在高温下反应生成三氢化硼（BH3）。
然后，将三氢化硼通过加热蒸发器加热，使其转化为气态。
接下来，将气态的三氢化硼通过一系列的扩散管，使其在气体扩散过程中分离出硼-10和硼-11。
由于硼-10和硼-11的分子质量不同，所以它们在扩散过程中会有不同的速度，从而实现分离。
离心法是一种基于离心力的分离方法。
首先，将硼化合物与溶剂混合，形成硼的溶液。
然后，将溶液放入离心机中，在高速旋转的作用下，硼-10和硼-11会在不同的位置沉淀，从而实现分离。
通过调整离心机的转速和时间，可以获得不同纯度的硼-10。
除了气体扩散法和离心法，还有其他一些方法可以用于硼同位素的分离，如电解法、溶剂萃取法等。
这些方法各有优劣，可以根据具体的需求选择合适的方法。
硼同位素分离是一项复杂的工艺，需要精密的设备和技术。
同时，硼同位素分离也面临一些挑战，如高能耗、高成本和环境污染等问题。
因此，研究人员一直在努力寻找更加高效、经济和环保的硼同位素分离方法。
硼同位素分离是一项重要的技术，具有广泛的应用。
通过气体扩散法、离心法等不同的方法，可以实现硼-10和硼-11的分离。
然而，硼同位素分离仍然面临一些挑战，需要不断研究和改进。
相信随着科学技术的发展，硼同位素分离技术将得到进一步的突破和改进，为人类的发展和进步做出更大的贡献。
硼同位素分离模型的建立
ｈ ｕ ｅ ｆｔ ｏ ｅ ｉｌ ｐ ａ ｅ ａ ｄ ｔ ｅ ｈ ｉｈ ｆｔ ｒ ｎ ｂ ａ ｎ ｈ ｇ ｕ ｔ ｔ ｅ ｎ ｍｂ ｒｏ ｅ ｒ ｔ ａ ｌ ｔ ｎ ｈ ｅ ｇ ｔｏ ｗｅ ，ａ ｄ ｏ ｔ ｉ ｉｈ ｐ ｒ ｙ ⅢＢ ｐ ｏ ｕ ｔ ｈ ｃ ｏ ｉ ｒｄ ｃ．
Ｋｅ ｒ ｓ： ｏ ｏ ｙ ｗｏ ｄ ｂ ｒ ｎ；ｉｏｏ ｅ ；ｍａｈｅ ｔｃ ｄ ｌ ｉ ｓ ｔｐ ｓ ｔ ｍａｉａ ｍｏ ｅ ；ｓｍｕｌｔ ｎ ｌ ａｉ ｏ
硼有 ２种 稳 定 的 同位 素 Ｂ和 “ ｍ ｏ Ｂ， Ｂ在 自然 界 中的丰度 较小 ， 占 １ ． ％ 。 ｓ对 中 子 的 吸收 截 面 只 ９３ ０ 较大， “ 而 Ｂ则 很小 。由于 ｕ Ｂ的这 种 优 良特 性 ， 在现
ＷＡ ＮＧ ｕ ， ＨＡ Ｈ ｉ Ｚ ＮＧ ｕ ・ ｉ Ｙ Ｊｎ －ａ ｇ ＨＡＮ Ｗｅ－ａ ｇ ＡＮ Ｇｕ ・ ｎ Ｘ ｅｍｅ， Ｕ ｉｇｙ ｎ ，Ｚ Ｇ ｉ ｉｎ ，Ｔ ｏｆ ｇ ｊ ｅ
（ ｃ ｏｌ ｆ ｈ ｍ ｃｌ ｎ ｉｅｒ ｇａ ｄＴ ｃ ｎ ｌ ｙ Ｔａｊ ｎ ｅｓ ｙ Ｔａｊ ０ ０ ２， ｈｎ ） Ｓｈ ｏ ｏ ｅ ｉａ Ｅ ｇ ｅ ｎ ｎ ｅｈ ｏ ｇ ， ｉ ｉ Ｕ ｉ ｒ ｔ， ｉ ｉ ３０ ７ Ｃ ｉａ Ｃ ｎ ｉ ｏ ｎｎ ｖ ｉ ｎｎ
王 辉 ，张 雪梅 ， 于景 阳，张卫 江 ，谭 国锋
（ 天津大学 化工学 院 ，天津 ３０７ ） ０ ０ ２
摘要 ： 针对三氟化硼一 苯甲醚化学交换反应精馏体系 ， 建立了稳态 数学模型 ， 求解 了平衡常数 与温度 的关系 ， 得到 了 硼 同位素分离过程的分离规律 。考察 了温度和 回流 比对富集段和稀释段 的分离结果和最 小理论板数的影响 ， 并对 工艺设计 进行模拟计算 ， 结果表明采用较低 的温度与较 大的回流 比可以有效地减少 理论板 数 ， 降低 塔高 ， 到高 纯 得
岩石中硼的提取分离及同位素组成的测定
岩石中硼的提取分离及同位素组成的测定摘要:介绍了一种用Na2CO3 + K2CO3 混合熔剂对岩石样品进行分解,用硼特效树脂和阴、阳混合离子交换树脂相结合进行岩石样品中硼的纯化分离的方法。
采用该方法从岩石样品中提取、分离出来的硼能满足硼同位素质谱法测定的需要,不产生硼同位素分馏,硼同位素测定精度大多优于0. 05 %。
Abstract : A method for isotopic determination of boron in rock samples was developed in this study. The rocksamples were decomposed with the mixture of Na2CO3 and K2CO3 . Boron in sample was then purified by ionexchange with Amberlite IRA 743 resin and the mixture of cation2exchange resin (H+form) and anion2ex2change resin (ion2exchanger Ⅱ, HCO-3 form) . The sample pret reatment method can meet the requirement ofboron isotopic determination by thermal ionization mass spect romet ry without any isotopic f ractionation ofboron. The precision for boron isotopic determination is bet ter than 0. 05 % RSD.关键词:硼;岩石分解;离子交换;同位素测定Key words : boron ;alkali fusion ;ion2exchange ;isotope determination ;rock中图分类号：P62 文献标识码：A 文章编号：硼有两种稳定同位素: 11B和10B ,其丰度分别为80.22 %和19.78%。
化学交换反应法分离硼同位素的数学模型
化学交换反应法分离硼同位素的数学模型硼同位素是指硼原子所具有的不同质量数终端，它们具有相同的化学性质但具有不同的核物理性质。
硼同位素可以以数学模型的形式来分离，这称之为化学交换反应法。
1. 化学交换反应法的原理化学交换反应法是通过一种复杂的化学交换反应来分离硼同位素的一种分离方法。
该反应需要混合一种包含源硼同位素（硼-10）和另一种源硼同位素（硼-11）的溶液，然后将它们分别添加到不同的反应槽中，并将两个溶液彼此分离。
然后，在每个反应槽中，以源硼同位素为溶液的滴定溶液被添加，以强制某一或某几种硼同位素被化学交换反应释放到流动溶液中，而其它仍被留在原来的反应槽中。
2. 化学交换反应法的物理模型在化学交换反应法中，进行分离的催化剂具有特殊的形式，它包含交换离子，并在固体复合材料（如硅酸溶液中）中经过硼氢化反应形成。
决定化学交换反应的现象是复杂的，这个物理模型捕获了它。
在溶液中，分离的硼同位素是由硼氢化反应和键合+分解反应所引起，考虑到了pH值、温度、交换离子浓度等因素影响的结果，以及移动的时间效应。
3.化学交换反应法的数学模型通过建立硼化学交换反应的数学模型，可以用来模拟和描述硼同位素的分离过程。
该模型要考虑的要素有：（1）反应溶液的pH值和温度；（2）溶质的浓度分布；（3）特定的交换离子水平；（4）键合/分解反应。
计算机模拟这些反应步骤，可以分析硼同位素的分离效率，以及如何最大限度地利用化学交换反应原理进行分离：预测分离过程中不同部位的硼同位素转移、浓度和滞留时间的变化。
4. 应用硼同位素的分离是构建燃料电池、改性硼基材料、太阳能电池电解液等科学技术领域的研究关键。
它也为硼相关加工技术提供了基础。
例如，硼氢化可以用于改性硼基材料；硼氮化反应可以用于生产硼氮复合材料；以及硼在薄膜绝缘中提供了抗氧化能力。
通过化学交换反应法的数学模型，可以准确地分离硼同位素，以及更有效地利用它们，从而改善科技发展的表现。
离子交换色谱中硼同位素交换反应平衡常数的理论预测
２１ ０ １年 ５月
同 位 素
Ｊ ｒ ａｌｏ ｓ ｏ ｓ ｏｕ ｎ ｆＩ ｏｔ ｐｅ
Ｖｏ． ４ Ｎｏ ２ １２ ．
Ｍ ａ ０１１ ｙ ２
离 子 交 换 色 谱 中硼 同位 素 交 换 反 应 平 衡 常 数 的 理 论 预 测
王贯春 ， 从沛 ， 邹 简 敏 ， 李 刚 ， 美 玲 ， 晓珍 ， 道 贵 王 刘 付
精 确 测 定 。本 研 究 利 用 密 度 泛 函 理 论 （ Ｆ 在 Ｂ Ｉ ／ — ３ Ｇ 理 论 水 平 上 计 算 了 气 态 下 Ｂ（ Ｄ Ｔ） ３ ＹＰ ６ １ ＯＨ） 、 。Ｂ
（） 等 的 振 动 频 率 ， 计 算 得 到 的 频 率 ， 于 Ｕｒｙ模 型 求 得 Ｂ（ （Ｈ） 一 用 基 ｅ ＯＨ） 、 （ 。 Ｂ ＯＨ） 、 。 ＯＨ） 、 。 。 ＢＯ （ ｓ Ｂ ０
Ｔｈ ｏ ｅ ｉ ａ ｔｍ ａ ｉ ｎ ｏ ｅ ｒ ｔｃ ｌＥｓ ｉ ｔｏ ｆ Ｅｑｕ ｌｂ ｉ ｍ ｎｓ ａ ｔ ｏ ｒ ｎ Ｉ ｏ ｏ ｉ ｉｉ ｒ ｕ Ｃｏ ｔ ｎ ｓ ｆ ｒ Ｂｏ ｏ ｓ ｔ ｐ ｃ Ｅｘ ｈ ｎ ｅ Ｒｅ ｃ ｉ ｎｓ ｉ ｏ ｅ ｃ ｎｇ ｒ ｍ ａ ｏ ｒ ｐ ｃ ａ ｇ ａ ｔｏ ｎ Ｉ ｎ‘ ｘ ｈａ ｅ Ｃｈ ｏ ｔ ｇ ａ ｈｙ
（ ＯＨ） 的 简 约 配 分 函 数 比 （ ＦＲ） 进 而 得 到 同位 素交 换 反 应 平 衡 常 数 。结 果 表 明 ， ＯＨ） ＲＰ ， Ｂ（ ３和 Ｂ（ ０Ｈ） ・
间 的 同位 素 效 应 显 著 ， 平 衡 常数 Ｋ 在 ２ 其 ５℃ 时 为 １０ ５７Ｂ ＯＨ） 与 Ｂ Ｏ ＯＨ） 和 Ｂ Ｏ。ＯＨ）一反 应 ． ２ ， （ 。 ｛ ＿ （ ｓ （
精馏与化学交换法分离硼同位素中液相络合剂的研究
Ｋｅ ｒ ｓ ｄ ｓ ｌ ｔ ｎ ａ ｄ ｃ ｅ ｃ ｘ ｈ ｇ ｅ ｃｉ ｎ；ｂ ｒ ｎ ｉｏ ｏ ｅ ；ｂ ｒ ｎ ｆ ｏ ｄ ；ｃ ｍｐ ｅ ｙ ｗｏ ｄ ： ｉｔ ｌ ｉ ｎ ｈ ｍｉａ ｅ ｃ ａ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ａｏ ｌ ｎ ｏ ｏ ｓ ｔｐ ｓ ｏ ｕ ｒ ｅ ｏ ｌｘ ｏ ｏ ｌ ｉ
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硼有 ２ 种稳定 的同位素： Ｂ和“ ， ｍ Ｂ 由于ｍ Ｂ具 有对中子的吸收特性 ， 因而在现代工业及军事装备 上得到广泛应用… ， 另外在医学方面， Ｂ在治疗癌 ｍ 症上也有所应用－ 。富集同位素加 ２ Ｊ Ｂ的方法有许 多种 ， 三氟化硼化学交换精馏法 ， 氟化硼低 如： Ｊ三
化 学 工 程 Ｃ Ｅ Ｃ ＬＥ Ｇ Ｎ Ｅ Ｉ Ｇ（ Ｈ Ｎ Ｈ ＭＩＡ Ｎ Ｉ Ｅ ＲＮ Ｃ Ｉ Ａ）
三氟化硼同位素分离
三氟化硼同位素分离一、引言三氟化硼同位素分离是当前化学和核科学领域研究的热点问题之一。
三氟化硼（BF3）是一种重要的无机氟化物，由于其独特的化学性质，广泛应用于化工、电子、新能源等领域。
而同位素分离是获取特定同位素的过程，对于核能、核医学、核物理等领域具有重要意义。
因此，三氟化硼同位素分离技术的开发和应用备受关注。
二、三氟化硼同位素三氟化硼同位素是指BF3分子中的硼原子具有不同质子数（B）和不同中子数（F）的同位素。
由于硼原子具有3个价电子，其可以与3个氟原子形成稳定的BF3分子。
而不同硼原子的同位素具有不同的质子数和中子数，从而形成不同的三氟化硼同位素。
常见的三氟化硼同位素包括：B10F18、B11F18、B12F18等。
三、三氟化硼同位素分离方法三氟化硼同位素分离的方法有多种，目前常见的有化学交换法、精馏法、吸附法等。
1.化学交换法：化学交换法是一种利用不同同位素在化学反应中交换位置的过程来实现同位素分离的方法。
这种方法通常涉及到多个化学反应和中间步骤，需要精确控制反应条件和操作过程。
2.精馏法：精馏法是一种利用不同同位素在液相或气相中的蒸汽压和沸点差异来进行分离的方法。
这种方法需要在高温和高压条件下进行，需要精密的设备和操作技术。
3.吸附法：吸附法是一种利用不同同位素在固体吸附剂上的吸附力差异来进行分离的方法。
这种方法通常涉及到吸附剂的选择和制备，以及吸附和解吸过程的控制。
除了以上三种方法外，还有电解法、色谱法等其他方法可用于三氟化硼同位素的分离。
在实际应用中，根据不同的需求和条件，可以选择不同的分离方法。
四、结论三氟化硼同位素分离是获取特定同位素的重要手段之一，具有重要的应用价值和发展前景。
目前，虽然已经开发出多种三氟化硼同位素分离方法，但仍存在一些技术和工程方面的挑战，如设备成本、操作条件、分离效率等。
因此，进一步研究和开发高效、低成本的三氟化硼同位素分离技术是未来发展的重要方向。
同时，随着科技的进步和应用的拓展，三氟化硼同位素分离技术将不断取得新的突破和创新，为相关领域的发展提供更加全面和高效的技术支持。
一种吸附硼和分离硼同位素的吸附分离材料及制备方法[发明专利]
![一种吸附硼和分离硼同位素的吸附分离材料及制备方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/10213ece0875f46527d3240c844769eae009a386.png)
专利名称：一种吸附硼和分离硼同位素的吸附分离材料及制备方法
专利类型：发明专利
发明人：王晓玲,庞楠炯,廖学品,石碧,郭俊凌
申请号：CN202210365409.8
申请日：20220407
公开号：CN114522675A
公开日：
20220524
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种吸附硼和分离硼同位素的吸附分离材料的制备方法，包括以下步骤：步骤1：将聚乙烯亚胺溶于溶剂中，加入胶原纤维反应一段时间；升温至反应温度，升温过程中滴加交联剂溶液，滴加完毕后充分反应、过滤、洗涤、干燥得到聚乙烯亚胺修饰的胶原纤维；步骤2：将步骤1得到的聚乙烯亚胺修饰的胶原纤维和植物单宁充分混合，加入交联剂溶液，充分反应后，洗涤、干燥即可得到所需分离材料；本发明制备方法工艺简单、操作条件温和，采用的化学试剂低毒或无毒，易于操作和控制。
申请人：四川大学
地址：610000 四川省成都市一环路南一段24号
国籍：CN
代理机构：成都其知创新专利代理事务所(普通合伙)
代理人：房立普
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硼的同位素和同素异形体
第28卷第6期2013年12月 大学化学UNIVERSITY CHEMISTRY Vol.28No.6Dec.2013 硼的同位素和同素异形体聂永* 王亚峰 苗金玲(济南大学化学化工学院 山东济南250022) 摘要 简要介绍硼的同位素及其应用和硼的同素异形体的结构及性质㊂已知的硼同位素有14种,其中10B和11B属于天然稳定同位素㊂硼的同素异形体包括无定形硼和多种晶形硼㊂目前报道的晶形硼至少有16种,但纯相只有α⁃菱形硼㊁β⁃菱形硼㊁四方相硼(T⁃192)和最近确定的正交相γ⁃B28㊂ 关键词 元素 硼 同位素 同素异形体 硼(B)是元素周期表中第5号元素,属于ⅢA族(13族),是一种复杂的元素㊂1808年,法国化学家盖⁃吕萨克(J.L.Gay⁃Lussac)㊁泰纳(L.J.Thénard)和英国化学家戴维(H.Davy)获得了单质硼,但当时合成出来的是硼含量约60%~70%的混合物㊂1892年,法国化学家莫瓦桑(H.Moissan)用镁还原B2O3得到纯度为95%~98%的硼[1⁃2]㊂1909年,人们合成了纯度达99%的硼,此后又陆续制得了不同纯度的多种晶形硼[2⁃3]㊂ 关于硼的同位素,多数资料一般只介绍稳定的10B和11B(对其应用的介绍也比较分散),对放射性同位素则很少提及㊂硼的同素异形体情况比较复杂,不少教材和资料中的说法也不一致(关于 同素异形体”与 多晶形体”㊁ 变体”等术语的区别,见文献[4])㊂除了已知的无定形硼和α⁃菱形硼㊁β⁃菱形硼及四方相硼(T⁃192)等晶形硼之外,最近又发现了新成员正交相γ⁃B28㊂本文对硼的同位素及其应用和硼的同素异形体的结构和性质进行简要介绍㊂1 硼的同位素及其应用 已知的硼同位素有14种,其质量数为6到19[5]㊂其中,自然界稳定存在的只有两种,即10B和11B (其性质对比见表1)㊂不同地质来源的样品,其天然丰度是可变的㊂硼的相对原子质量现在定为10.811(7)[2]㊂6B,7B,8B,9B,12B,13B,14B,15B,16B,17B,18B,19B等12种同位素都是放射性核素,半衰期都很短,其中半衰期最长的是8B(770ms),其次是12B(20.2ms),最不稳定的是7B,其半衰期为1.5×10-22s㊂质量数小于10的硼同位素的衰变产物为氦,质量数大于11的硼同位素捕获中子后主要衰变为碳㊂表1 硼的稳定同位素的性质[2]B同位素相对原子质量天然丰度/%核自旋(宇称性)磁矩/A㊃m2四极矩/m2中子吸收截面/m2 10B10.01293919.055~20.3163(+)+9.0941×10-27+7.4×10-30 3.835×10-2511B11.00930580.945~79.6843/2(-)+1.3579×10-26+3.6×10-305×10-31 硼的稳定同位素在生物㊁医学㊁地质等领域和实际生产中有广泛的应用㊂硼在植物和动物体内含量虽很少,却对其生长发育有重要的作用㊂在地质学上,10B和11B比率的变化可以反映地形的变化,所以,测定硼的含量具有重要意义㊂测定方法主要有质谱法㊁原子光谱法㊁分光光度法㊁电化学法等[6]㊂*通讯联系人,E⁃mail:chm_niey@值得一提的是,由于10B 具有大的热中子吸收截面这一特性[1⁃2],在核工业中,10B 可用于制造中子计数管㊁反应堆的控制棒和热中子屏蔽材料㊂原子能发电站的反应堆对10B 的丰度要求是80%~85%,其他用途为90%~95%或更高㊂目前,10B 同位素的分离已经达到工业化规模㊂富集同位素10B 有许多方法,主要是化学交换精馏法(基本反应实例见式(1))[7]㊂10B 和11B 都具有核磁共振活性,但11B 具有较高的天然丰度和较小的核四极矩,因而具有更高的灵敏度,所以在含硼化合物的核磁共振检测中以11B 核的应用为主[1⁃2]㊂ PhOCH 3㊃11BF 3(l)+10BF 3(g ⥫⥬‗)PhOCH 3㊃10BF 3(l)+11BF 3(g)(1) 在医学领域,最引人注目的是肿瘤的硼中子捕获(BNCT)疗法[8⁃9]及风湿性关节炎的硼中子捕获滑膜切除术(BNCS)[9],这两种疗法都基于10B 具有捕获热中子的能力㊂早在1936年,美国的劳克尔(G.L.Locher)教授就提出用硼中子捕获方法治疗癌症㊂BNCT 的基本原理是将富含10B 的药物富集在病灶部位,用热中子流照射时,10B 与热中子发生核反应生成11B,11B 裂解成细胞毒性的7Li 与α粒子(图1),使肿瘤细胞失活㊂由于这些高能粒子的飞行距离约为5~9微米,相当于一个细胞的直径,因此可以准确杀死肿瘤细胞,同时减少对正常细胞的损伤㊂BNCT 疗法对于其他治疗方法无效的一些恶性肿瘤如神经胶质瘤等有很好的疗效,在欧美和日本等国已处于临床研究阶段㊂图1 BNCT 疗法中的核反应2 硼的同素异形体 由于硼的熔点很高(高于2000℃),在高温时能迅速与杂质反应,极难得到高纯度的单质[1⁃3]㊂硼有较高的电阻,但其导电率却随温度升高而增大(半导体性质)㊂硼的同素异形体包括无定形硼和结晶形硼,前者是暗棕色粉末,而后者是有光泽的灰黑色晶体,硬度与金刚石相近㊂由于制备方法㊁设备和条件不同,单质硼的收率㊁纯度以及结晶度差别较大㊂金属热还原法和电解法只能制得纯度不高的无定形硼,热丝法和热解法则可以制备高纯度的晶态硼㊂单质硼的化学性质取决于纯度㊁结晶度㊁粉细度和反应条件㊂高纯晶形硼较为惰性,一般纯度的无定形硼则比较活泼㊂ 目前报道的晶形硼至少有16种[10],但纯相一般认为只有α⁃菱形硼㊁β⁃菱形硼㊁四方相硼(T ⁃192)及最近确定的正交相γ⁃B 284种(晶形硼的一些性质见表2)㊂表2 硼的主要晶形单质的性质硼相晶系晶胞中原子数密度/g㊃cm 3维氏硬度/GPa 体积弹性模量/GPa 带隙/eV α三方12 2.46422242β三方106a 2.3545184 1.6γ正交28 2.5250~58227 2.1T 四方192 2.36 a 也有文献为 约105”或 105”或 108”㊂ 硼的多种复杂的晶体结构以B 12二十面体结构单元(图2(a))或B 12二十面体及其扩展结构为基本组成单位以不同方式堆积而成㊂B 12二十面体由12个角顶(每个角顶有一个B 原子)和20个正三角形面组成,呈几何对称,硼原子的配位数为5,各原子之间以共价键相连,且键合较强㊂由于硼原子是只有12 第6期聂永等:硼的同位素和同素异形体3个价电子的缺电子原子,B 12二十面体中的键为非经典的三中心键㊂所以,在B 12二十面体中的硼硼连接不能看成是简单的二中心二电子(2c2e)键㊂图2摇几种硼的结构(a)B 12二十面体单元;(b)α⁃B 12;(c)β⁃B 1062.1 无定形硼 在无定形硼的结构中也有规则的B 12二十面体,但这些二十面体之间无规则的成键且长程无序㊂在不同条件下,无定形硼可以转变成不同的晶形硼㊂如在低于1000℃条件下,乙硼烷B 2H 6分解成纯的无定形硼,而在1000℃下退火,无定形硼转变成β⁃菱形硼㊂2.2 α⁃菱形硼 α⁃菱形硼有时标记为α⁃B 12,是结构最简单的晶形硼,晶胞参数为a =505.7pm,α=58.06°㊂每个晶胞有12个硼原子,结构由基本上规则的B 12二十面体(内部的硼硼间距为173~179pm)形成稍变形的立方密堆积(图2(b))㊂B 12二十面体之间存在着强的共价键作用,其中既有2c2e 键,又有三中心键㊂2.3 β⁃菱形硼 β⁃菱形硼的结构比α⁃菱形硼复杂得多,一般认为是热力学最稳定的单质硼,与α⁃菱形硼属于同一空间群,但晶胞参数不同(a =1014.5pm,α=65.28°)㊂每个晶胞有106个硼原子(也有文献值为105或108),具有复杂的排列(图2(c))㊂其中的许多硼原子形成B 12二十面体,也有大量的非二十面体硼原子存在㊂2.4 四方相硼 已知的四方相硼一般认为有两种,分别是晶胞中含有50个硼原子的T ⁃50(α⁃四方硼)和含有192个硼原子的T ⁃192(β⁃四方硼)㊂1943年人们获得了晶体T ⁃50,认为其晶胞中含有50个硼原子㊂但后来的研究表明,T ⁃50晶胞中除了有硼原子,还有氮原子或碳原子,因此应将其归为氮化物或碳化物㊂1960年,人们用H 2还原BBr 3(化学气相沉积法)合成了T ⁃192㊂T ⁃192晶胞中有192个硼原子,晶胞参数为a =1012pm,c =1414pm,结构更为复杂(图3(a)),目前并不完全清楚㊂2.5 正交相γ⁃B 28 1965年,Wentorf [11]报道了一个新的硼单质,但并未确定其组成和结构㊂2009年,Oganov [10]㊁Zarechnaya 等[12]确认了高压相γ⁃B 28的存在㊂γ⁃B 28结晶为正交晶系,空间群Pnnm ,晶胞参数为a =505.76pm,b =562.45pm,c =698.84pm㊂将硼的其他同素异形体加压到12~20GPa,加热到1500~1800℃,淬火到室温可得γ⁃B 28㊂在γ⁃B 28的结构中,每个晶胞有28个硼原子,包含B 12二十面体和哑铃形的B 2簇单元(图3(b)),它们堆积致密,使得γ⁃B 28成为已知的密度和硬度(在单质中仅次于金刚石)最大的硼的同素异形体㊂不同的是,Oganov [10,13]等根据理论计算等结果认为,B 12和B 2在结构中可以分别看作 阴离子”和 阳离子”,按NaCl 型结构排列,相当于硼的硼化物(boron boride,(B 2)δ+(B 12)δ-),是22大学化学第28卷 图3 T ⁃192(a )和γ⁃B 28(b )的结构首次发现在纯元素(包括硼)结构中存在(部分)离子型成键㊂而Zarechnaya 等[12,14⁃15]根据单晶X 射线衍射和理论计算结果认为,在B 12和B 2内部以及它们之间的成键均为共价键㊂虽然详细的成键情况有待进一步确认,但新同素异形体γ⁃B 28的发现,无疑对完善硼的相图和深入研究该类新材料的应用具有重要意义㊂参 考 文 献[1] 格林伍德N N,厄恩肖A.元素化学(上册).曹庭礼,王致勇译.北京:高等教育出版社,1997[2] Greenwood N N,Earnshaw A.Chemistry of the Elements.2nd ed.Oxford:Butterworth⁃Heinemann,1997[3] 龚毅生.无机化学丛书(第二卷).北京:科学出版社,1990[4] 祝心德,冯美健,阮德水.化学教育,1989(6):39[5] Audi G,Bersillon O,Blachot J,et al.Nuclear Phys A ,2003,729:3[6] 白鹏,朱良伟,李晓峰,等.河北工业科技,2006,23(3):185[7] 白鹏,李晓峰,李鑫钢,等.化工进展,2005,24(5):471[8] 罗全勇,朱瑞森.同位素,2004,17(3):174[9] Valliant J F,Guenther K J,King A S,et al.Coord Chem Rev ,2002,232:173[10] Organov A,Chen J,Gatti C,et al.Nature ,2009,457:863[11] Wentorf Jr R H.Science ,1965,147(3653):49[12] Zarechnaya E Yu,Dubrovinsky L,Dubrovinskaia N,et al.Phys Rev Lett ,2009,102(18):185501[13] Organov A R.Boron under Presurre:Phase Diagram and Novel High⁃pressure Phase∥Orlovskaya N,Lugovy M.Boron Rich Solids:Sensors,Ultra High Temperature Ceramics,Thermoelectrics,herlands:Springer Science,2011:207⁃225[14] Haussermann U,Mikhaylushkin A S.Inorg Chem ,2010,49(24):11270[15] Mondal S,van Smaalen S,Schönleber A,et al.Phys Rev Lett ,2011,106(21):21550232 第6期聂永等:硼的同位素和同素异形体。
精馏与化学交换法分离硼同位素的数学模型及优化
精馏与化学交换法分离硼同位素的数学模型及优化
韩莉果;于景阳;张卫江
【期刊名称】《天津大学学报》
【年(卷),期】2006(39)12
【摘要】采用精馏与化学交换法,针对三氟化硼-苯甲醚分离体系,研究了硼同位素分离生产过程的特点,建立了分离过程的稳态数学模型,并利用Matlab程序进行模型求解,同时对操作参量进行优化,得到了不同分离要求的优化参量和操作条件对化学交换过程中理论塔板数的影响以及丰度的分布,该数学模型可以指导工艺设备的改进和优化,为下一步的放大和操作过程提供了理论依据.
【总页数】5页(P1490-1494)
【作者】韩莉果;于景阳;张卫江
【作者单位】天津大学化工学院,天津,300072;核工业理化工程研究院,天
津,300180;天津大学化工学院,天津,300072
【正文语种】中文
【中图分类】TL25+5
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化学交换反应法分离硼同位素的数学模型摘要:采用化学交换反应法,针对三氟化硼2苯甲醚分离体系,研究了硼同位素分离生产过程的特点,建立了交换精馏塔的稳态数学模型,并利用Matlab程序进行模型求解,得到了不同分离要求和操作条件对交换精馏塔理论塔板数的影响。
当增大所需同位素丰度或改变分离温度以及回流比时,都会使得理论塔板数增加或减少。
该数学模型可以指导工艺设备的改进和优化,为下一步的放大和操作过程提供了理论依据。
关键词:硼同位素;分离;化学交换反应法;三氟化硼2苯甲醚络合物;数学模型第二次世界大战爆发后,由于军事原子能工业发展的需要,同位素分离进入工业规模生产阶段,特别是重氢同位素和10B同位素发展较快。
硼有两种稳定同位素:10B和11B,10B在自然界中的丰度为19.8%,大量的为11B,占80.2%。
由于10B具有对中子的吸收特性,因而在现代工业及军事装备上得到广泛应用[1],另外在医学方面,10B在癌症治疗上也得到了很好的应用[2,3]。
富集10B 同位素的方法从分离提纯技术上看,主要分为以下5种[4～6]:①三氟化硼化学交换精馏法;②三氟化硼低温蒸馏法;③离子交换树脂法;④激光分离法;⑤电磁法。
其中只有化学交换精馏法实现了工业化生产,而三氟化硼化学交换体系经历了乙醚法、甲醚法及苯甲醚法。
目前对硼同位素分离生产过程都采用传统的精密精馏中的Smoker公式进行近似计算,但是硼同位素在分离过程中有其自身的特点,因此本工作拟针对三氟化硼2苯甲醚络合物与三氟化硼化学交换体系分离生产10B的过程特点建立交换精馏塔的稳态数学模型。
1分离系数α与平衡常数K化学交换精馏塔的每块理论板上都可以进行轻重同位素的一次分离,虽然一次分离效应很小,但用塔的形式把各块塔板串联起来,就可以获得多次分离,使塔顶与塔底的同位素丰度相差数倍。
理论塔板的分离单元示于图1。
图1中L,V分别为单位时间内通过分离单元的液相和气相中同位素混合物的量(mol);xi,yi为第i块理论塔板中反应平衡时气相和液相中10B的摩尔百分数。
分离系数αi 是硼同位素分离中最重要的特征参数,它直接反应了分离效果的好坏,αi越大,分离能力越强,所以αi是选择分离方法和采用物系的主要依据。
αi可由一个单元分离过程定义,可由公式(1)表示:图1分离单元图αi=x i(1-y i)/y i(1-x i)(1)(1)式中xi/(1-xi)为在液相中的10B同位素相对丰度,yi/(1-yi)为在气相中的10B同位素相对丰度。
离开分离单元的相必须处在同位素平衡和相平衡状态。
在化学交换反应过程中存在着4种分子:10BF3、C6H5OCH3·10BF3、11BF3、C6H5OCH3·11BF3。
天然物质中同一种同位素的丰度基本相同,所以它们在接触前存在(2)式的关系:c(C6H5OCH3·10BF3)/c(C6H5OCH3·11BF3)=c(10BF3)/c(11BF3)(2)(2)式中c为摩尔浓度。
但是随着交换反应的进行,(3)式所示的反应使得(2)式不再成立。
C6H5OCH3·11BF3(1)+10BF3(g)=C6H5OCH3·10BF3(1)+11BF3(g)(3)(3)式所示的反应为同位素化学交换反应,这一反应的结果是10B在液相中富集,11B在气相中富集。
实际上只是发生了同位素位置的交换,并无化学变化,可认为是真正的可逆反应。
但该反应中有能量的变化,因为在该化学交换反应过程中:-△F°=75.429J/mol,-△H°=201.1J/mol,-△S°=0.419J/K·mol[7]。
当反应系统达到化学平衡状态后,c(C6H5OCH3·10BF3)/c(C6H5OCH3·11BF3)=Kθc(11BF3)/c(10BF3)(4)(4)式中Kθ为化学交换反应的反应平衡常数,用(5)式表示:Kθ=c(C6H5OCH3·10BF3)/c(C6H5OCH3·11BF3)=c(11BF3)/c(10BF3)(5)由热力学可知,K与交换反应前后的标准状态的摩尔吉布斯函数变化ΔrGmθ的关系为:Δr G mθ=-R T ln Kθ(6)Δr G mθ=Δr H mθ-TΔr S mθ(7)将△H°、△S°代入式(7),则有:Δr G mθ=-2011.1-T×(-0.419)=-201.1+0.419T反应温度为298.15K时,ΔrGmθ=-76.175J/mol,由式(6)可得:Kθ298.15=exp(-Δr G mθ/RT)=exp(76.175/(8.3145×298.15))=1.0312由热力学推导可得:ln Kθ2/Kθ1=201.1/R(1/T2-1/T1)令Kθ1=Kθ298.15=1.0312,则:ln Kθ2=ln1.0312+201.1/8.3145(1/T2-1/298.15)=24.1867T-0.0504(8)当(3)式达到平衡后,存在(9)式x=c(C6H5OCH3·10BF3)/c(C6H5OCH3·10BF+C6H5OCH3·11BF)(9)1-x=c(C6H5OCH3·11BF3)/c(C6H5OCH3·11BF+C6H5OCH3·10BF)(10)y=c(10BF3)/c(10BF3+11BF3)(11)1-y=c(11BF3)/c(11BF3+10BF3)(12)由(1)、(5)、(9)、(10)、(11)和(12)式得:α=(x/(1-x))/(y/(1-y))=(c(C6H5OCH3·10BF3)/c(C6H5OCH3·11BF3))·(c(11BF3)/c(10BF3))=Kθ(13) 2模型的建立及求解上升的气相BF3与下降的液相C6H5OCH3·BF3络合物在交换塔内形成逆流,在填料表面发生化学交换反应,10B逐渐在液相中富集,11B在气相中富集,达到分离的目的。
分离过程示于图2。
图2化学交换精馏塔物理模型在图2中,F是进料量(mol/h);W是塔顶产品出料量(mol/h);L是液相流量(mol/h);P是塔底产品出料量(mol/h);V是气相流量(mol/h);N是理论塔板数。
在交换精馏塔中,由进料点到产品端的一段叫做富集段(或浓缩段),由进料点到废料段叫做剥淡段(或抽提段)。
分别对富集段、剥淡段以及全塔做物料衡算: Fy F=W y W+Py P(14)L x N=V y N+1+Py P(15)V′y M+1=L′x M+W y W(16)V=R P(17)L=P+V=(R+1)P(18)2.1基本假设假设:①各理论板上汽、液相丰度均一;②理论板上液相处于化学平衡;③反应仅发生在液相;④过程处于稳态;⑤绝热操作。
2.2建立理论板模型2.2.1富集段理论板模型富集段中第j块理论板i组分的模型示于图3。
图3富集段理论塔板jj板的物料衡算方程用(19)式表示:V y i,j+L x i,j-V y i,j-1-L x i,j+1=0(19)由(1)式可得分离系数方程:α=(x i,j·(1-y i,j))/(y i,j·(1-x i,j))(20)由(8)式得化学交换反应平衡方程:ln K=24.1867/T-0.0504(21)归一方程:Σi=1x i,j=1,Σi=1y i,j=1(22)2.2.2剥淡段理论板模型剥淡段第j块理论板的模型示于图4。
j板的物料衡算方程23式表示:(V+F)y i,j+L x i,j-(V+F)y i,j-1-L x i,j+1=0(23)2.3模型简化由(17)和(18)式可以得到:V/P=R(24)图4剥淡段理论塔板jV/L=PR/P(R+1)=R/R+1(25)将(24)和(25)式代入富集段、剥淡段理论板模型中,模型可以得到相应的简化。
又因本实验中,无论气相还是液相都只有两个组分,且考察的是10B的浓度,故而模型中的x和y的下标i可以去掉,归一方程也可省略。
所以富集段理论板模型可简化为(26)式:x j+1=(R/R+1)(y j-y j-1)+x j(26)同理,剥淡段理论板模型可简化为(27)式:x j+1=((R/R+1)+(F/P(R+1)))(y j-y j-1)+x j(27)结合(20)、(21)式,利用Matlab编写计算程序进行计算求解出理论级数和同位素丰度分布。
2.4计算结果与分析对于给定不同的分离要求,不同的操作条件,通过程序计算可以得到不同的理论塔板数和同位素丰度分布。
本工作计算了不同条件下达到不同分离要求所需的理论塔板数,并与文献值[8]进行了比较,结果列于表1。
由表1可知,根据本工作所得数学模型模拟计算的理论塔板与文献值基本一致。
数学模型是针对硼同位素分离生产过程的特点推导而出,更接近于实际生产过程,可以取代传统的Smoker 公式,因此可以说通过建立模型、编写程序逐板计算的方法,完全可以实现在不同分离要求和操作条件下,交换精馏塔理论塔板数和同位素丰度分布的计算,并且得到的结果比较可信。
3结论本工作建立了硼同位素分离过程中化学交换的数学模型,利用Matlab程序对模型进行计算求解,得到了不同分离要求和操作条件下化学交换精馏塔的理论塔板数,可以指导工艺设备的改进和优化,为下一步的放大和操作过程提供理论依据。
4结束语由于实现了计算机远程控制,可使一线操作人员远离辐射现场。
采用计算机控制使单瓶分装误差<10mg,单瓶注装时间比原来缩短20s,提高了放射性同位素溶液分装精度、质量和生产效率。
但从整个操作流程上看,本分装系统还有很大的改进空间,如可设计远程控制搬运机械手给转盘装上空瓶和灌装后取瓶,还可以设计在线剂量自动检测系统,进一步提高该系统的自动化程度。
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