Электролизер для разделения ионов

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНРЕСПУБЛИК 9 БО (г БРЕ СТВУ ноноселек пластовые о т л и ч РНИЯом.РизГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬГГИ ОПИСАНИЕ ИЗ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТ(56) 1. Гельферих ф. Иониты. М.,Издатинлит, 1962, с, 394.2. Авторское свидетельство СССпо заявке В 2969223/23-26,.кл, В 01 Р 15/08, 28.04.81..(54)(57) ЗЛЕКТРОЛИЗЕР ДЛЯ РАЗДЕЛЕИОНОВ, включающий корпус, в которразмещены графитовые анод и катодзаключенные в чехлы, выполненные(Я) С 25 В 9/001 В 01 П 1 тивного материала, породиафрагмы, токоподводы,а,ю щ и й 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 снаб-. жен дополнительной поропластовой диафрагмой и все диафрагмы находят- ся между парами электродов.Изобретение относится к химии и может быть использовано для разделения ионов с близкими свойствами, а также ионов различной природы; дляразделения 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 анализасмесей 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 устройстваявляются 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 токо- подводы 2 .Недостатками этого электролизераявляются относительно малая скоростьразделения ионов, значительное размыление фронта движения ионов, вызываемое сложной поверхностью угля,что затрудняет разделение ионов сблизкими свойствами, вызывая в ряде. случаев неполноту их разделения.Целью изобретения является повышение скорости и степени разделенияионов,Поставленная цель достнгается темчто 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 вчехлах из ионоселективного материадапричем катод каждой пары размещенмежду анодами соседних пар, при этом электролизер снабжен дополнительнойпоропластовой диафрагмой и все диафрагмы находятся между парами электродовБлагодаря такой конструкции до стигается непрерывное круговое повторение циклов обогащения - разделения ионов до полного разделения ихисходной смеси.В необходимых случаях можно преры вать процесс, не доводя его до полного разделения, а лишь до достижения определенной степени обогащениясмеси ионов или изотопов одним изисходных компонентов (ионом или изо топом).На чертеже представлен электролизер для разделения ионов, общийвид.Электролизер содержит корпус 1 с 20 дистиллированной водой, в которыйвведены три графитовых цилиндричес, ких анода 2-4, заключенных в ионитовые чехлы (ЙЧ) из анионообменноймембраны марки МАи три таких 25 же графитовых катода 5-7, в ИЧ изкатионообменной мембраны марки МК;стартовую камеру 8 с водным раствором исходной разделяемой смеси ионовА+ и В+ (в случае бинарной смесиионов или изотопов), с двумя пороЗ 0 пластовыми диафрагмами, служащую назавершающем этапе разделения приемником целевого продукта; датчик 9(электрохимический, физический илидругого типа); электронное реле 10 35 адля передачи команд от датчиков наавтоматический переключатель 11 тока;вторую камеру - приемник 12 целевогопродукта (в случае бинарных исходных смесей ионов; при П -числе раз деляемых ионов вводятп камер - приемников для целевых ионов, разделенных также поропластовыми диафрагмами); источник 13 постоянного токас ручным включателем 14 тока дляпер 45 воначального пуска устройства.Электролизер работает следующимобразом.Корпус 1, выполненный из материала-диэлектрика, и камеру 12 запол няют дистиллированной водой. Все ИЧс помещенными в них анодами и катодами также заполняют дистиллированной водой.В стартовую камеру 8 помещаютисходный водный раствор разделяемыхионов Аф и В+, включают первую пару электродов 2 и 5.Положительно заряженные катионыА+ и В+ начинают двигаться по часовой стрелке в направлении катода 5.60 При этом, вследствие имеющихся небольших различий в скорости передвижения (подвижности) этихкатионовв электрическом поле в дистиллированной воде происходит формирование 65 Фракций катионов А+ и В . При достижении 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, б и автоматически выключающий электроды 2 и 5Фронт 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 головной части фронта фракций по команде датчиков выключаются электроды 3, б и включаются электроды 4, 7, и идетдальнейшее формирование отдельных . фракций разделяемых катионов.При подходе головной части фронта катионов к следующему датчику 9, электроды 4, 7 выключаются и включаются снова электроды 2,.5, то есть начинается второй непрерывный цикл разделения ионов. Многократным повторением таких непрерывных циклов достигается полное разделение исходной смеси катионов А и Вф (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, 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 смвОптимальная длина электролизера составляет 93 см, диаметр - 4 см (промышленные циклические электролызеры предлагаемой конструкции могут быть крупногабаритными - для разделения больших количеств ионов или изО" топов), оптимальное напряжение - 60-120 В, сила тока - 0,2-0,5 А.В качестве стартовой камеры может служить любая иэ малых камер, предназначенных для целевого продукта.П р и м. е р 1. Исходная разделя-: емая смесь ионов, г: 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 сии. Все малые камеры отделены друг от друга 1 и от большой камеры поропластовымимембранами.Исходную разделяемую смесь ионовв виде водного раствора помещают впервую малую камеру (по ходу часовойстрелки). Во все остальные камеры ив ионитовые чехлы заливают.дистиллированную воду. Объем воды в ИЧпо 4 см, диаметр графитовых электро дов - 0,3 см. Напряжение во всехтрех непрерывно автоматически зклю"чаемых и выключаемых автономныхэлектрических цепях составляет 60120 В. Г 15 Для полного разделения ионов потребовалось 8 ч.В целевых камерах выделены чистыефракции ионов без примеси ионов другой природы в следующих количествах, г: литий 0,096; натрнй 0,097 1калий 0,.095 В первой малой камередля целевого продукта (по ходу часовой стрелки) выделена Фракция ионовкалия,во второй малой камере - фрак ция ионов натрия, .а в третьей -фракция ионов лития. Раствор каждойфракции спущен через донный кран камеры в отдельные приемники.Напряжение на клеммах электродовво всех трех автономных автоматически, попеременно и последовательновключаемых и выключаемых электрических цепях изменялось в ходе процесса от первоначального 120 В до конечного 60 В. Этот интервал напряжений является оптимальным, так какниже 60 В. резко падает сила протекающего тока ввиду сравнительно высокого омического сопротивления ИЧ ипроцесс требует большей затраты вре мени, а выше 120 В резко усиливается процесс электролитического разложения воды, что неблагоприятновлияет на стабильность работы ионитовых мембран, из которых изготовле ны ИЧ (автомарный кислород, выделяющийся при бурном электролитическомразложении воды начинает окислятьмембрану, изменяя ее физико-химические характеристики), Сила токаизменилась в пределах 0,2-0,5 А.Разделение аналогичной смеси ионов в ионитовой колонке длиной 93 см,диаметром 4 см и объемом катионитаКУ1,15 дм (известный электролизер) и в аналогичной колонке с анионитом ЭДЭП (базовый объект) позволило разделить ионы на отдельныефракции лишь в течение 48 ч с наличием в них примесей других ионов.П р и м е р 2. Исходная разделяе.60 мая смесь ионов, г:. 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 .Эаказ 7281/29 Тираж 643 . ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССР по.делам изобретений и открытий 113035, Москва, 3-35, Раушская наб., д. 4/5"Филиал ППП Патенф, г. 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, ана- логичных приведенным в примере 1, позволило разделить ионы на отдельные Фракции лишь в течение 36 ч с .наличием во фракциях следов примесей 10 других ионов.П р и м е р 3, Исходная разделяемая смесь анионов г: Фтор 0,1001 хлор 0,100 у бром 0,100.Все условия проведения опытов та 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 ИЧ- на катионообменные ИЧ. Для полного разделения потребовалось, 7,5 ч работы устройства.Все Фракции анионов не содержали анионовдругой природы и были выде- леныв следующих количествах, г: фтор 0,095; хлор 0,097; бром 0,094.Разделение аналогичной смеси ионоз в ионитовой колонке, аналогичной при-;меру 1, но с анионитом ЭДЭП, поз- З 0 волило разделить анионы на отдельные фракции лишь в течение 24 ч, с наличием во фракциях следов примесей других ионов.За базовый объект принят жидкостной хроматограф Ду Понт 840(США), предназначенный для разделения ионов и их анализа, Базовый объект содержит колонку Пермафазе ААХ 1, змеевиковую вытеснительную насосную систему с баком емкостью 1,8 л длярастворителя, сборник Фракций с ручным управлением, ультрафиолетовый фото- метр. Габариты: ширина 35 см, глу" бина 37,5 см, высота 65 см. Вес 16,8 кгНедостатком 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 разделенияионов с очень . Рлизкими свойствами, в .том числе и язотопов, находящихся в водных раст-, ворах в ионной Форме.