С момента открытия изотопии, осознания свойств и возможностей изотопов потребность в применении изотопной продукции возрастала с каждым годом. По оценкам зарубежных специалистов рынок стабильных изотопов, применяемых в биомедицинских исследованиях, ежегодно увеличивается на 10–15%. Биомедицинские потребности, например, только в 13С на 2000–2005 гг. составили сотни килограммов в год. Кроме того, по оценкам специалистов в ближайший период следует ожидать значительного повышения спроса на изотопную продукцию в микроэлектронике, лазерных технологиях и т. д. В соответствии с существующими программами развития атомной энергетики ведущих стран следует ожидать как минимум повышения потребностей в разделительных мощностях для энергетики в 2–3 раза.
По ряду причин существующие на сегодняшний день методы разделения изотопов не позволяют обеспечить потребность в изотопической продукции по значительному списку изотопов, ввиду низкого коэффициента разделения (Таблица 1).
Таблица 1 - Эффективности различных методов разделения углерода
Метод разделения | Коэффициент разделения 12C/13С |
Химическое обогащение | 1.02 |
Дистилляция | 1.01 |
Газовая диффузия | 1.03 |
Центрифугирование (250 м/с) | 1.01 |
Помимо коэффициента разделения, одной из важнейших характеристик методов и технологий разделения изотопов является удельное энергопотребление. Например, в методе газовой диффузии удельное потребление электроэнергии составляет от 2400 до 3000 кВт ч/кг ЕРР. При использовании метода газового центрифугирования эта величина составляет » 100 ¸ 150 кВт ч/кг ЕРР. Наиболее перспективно в данном отношении выглядит лазерное разделение в ИК-области. По самым грубым оценкам эффективности существующих лабораторных установок и проектов промышленных установок энергозатраты методов разделения могут составить » 100 и менее кВт ч/кг ЕРР.
Очевидно, что рост цен на энергоносители и увеличение спроса на электроэнергию в большинстве стран мира остро ставят проблему уменьшения энергозатрат, для чего необходимы создание новых способов разделения и очистки изотопических систем и модернизация уже внедренных в промышленности.
Кроме высокой себестоимости, сдерживающим фактором дальнейшего расширения использования изотопов является их трудности переориентирования «традиционных» мощностей по производству изотопов с одного продукта на другой. Например, этот процесс в центрифужной технологии или в технологии изотопного обмена может занимать месяцы. Поэтому актуальными являются иные «нетрадиционные» методы получения изотопов и изотопически модифицированных материалов, обладающие явными преимуществами. Уникальные лазерные технологии позволяют выпускать изотоп значительно быстрее и дешевле.
Исходя из сказанного, можно сформулировать три важнейшие проблемы производства изотопов:
· Наращивание разделительных мощностей.
· Снижение себестоимости продукции.
· Расширение списка производимых изотопов.
В настоящее время весьма актуальным является развитие методов разделения, способных значительно снизить затраты на разделение. В этом отношении, наиболее перспективными методами являются ионно-циклотронный резонанс и лазерные методы разделения. Наиболее близкими аналогами к лазерной технологии является лазерное разделение изотопов в атомарных парах и молекулярных парах (AVLIS и MVLIS) технологии разделения изотопов. Но эти технологии требуют высоких энергетических затрат и при их практической реализации требуется решать большое число научно-технических задач, таких как: вакуум, высокотемпературная техника, электронные пучки, плазма и другие.
Нами в сотрудничестве с учеными ФИАН для повышения скорости процесса разделения изотопов с использованием лазерных технологий была предпринята попытка разработки новой методики с применением нанодисперсных катализаторов на основе полупроводниковых соединений. Основой метода является окисление СО на поверхности нанополупроводника и селективное возбуждение молекул СО2. Анализ научно-технической и патентной литературы свидетельствует об отсутствии данных по лазерной селекции изотопов с участием полупроводниковых наночастиц.
Предложенный способ фотокаталитического разделения изотопов на полупроводниковых наночастицах обладает существенной научной и технической новизной.
Научная новизна работы:
- Впервые предложен способ селекции молекул и изотопов в условиях фотокаталитических превращений на поверхности нанополупроводниковых катализаторов.
- Проведена термодинамическая оценка процесса фотокаталитического превращения изотопических разновидностей молекул СО в условиях селективного электромагнитного воздействия.
- Экспериментально установлены технологические условия обогащения изотопов углерода в реакции окисления монооксида углерода.
Научная и практическая значимость работы: Результаты проведенных исследований вносят существенный вклад в понимание механизма процессов, протекающих в условиях селективного оптического возбуждения молекул, и могут быть полезны при решении ряда задач, таких разделов науки как: технология редких элементов, катализ, фотохимия и физика лазеров.
Таким образом:
- Разработан способ селекции молекул и изотопов;
- Экспериментально определены технологические условия обогащения изотопов углерода в процессе селективного лазерного воздействия;
- Предложен термодинамический подход к описанию молекулярно-кинетических процессов, протекающих на поверхности в условиях резонансного колебательного возбуждения.
- Подана заявка на патент РФ «Способ селекции молекул и изотопов», установлен приоритет.
- По результатам работы опубликована научная статья:
· В. И. Сачков, О. С. Андриенко, М. А. Казарян, С. Т. Кабаев, А. С. Князев, Т. Д. Малиновская, В. С. Мальков, С. В. Турубаров, «Фотокаталитическое разделение изотопов на поверхности нанополупроводников», Международный научный журнал "Альтернативная энергетика и экология", № 6, с. 37-56, 2007 г.
и сделана серия научных докладов на конференциях различного уровня:
· С. В. Турубаров, «Использование полупроводниковых наночастиц для фотокаталитического разделения изотопов углерода», «Физика и химия высокоэнергетических систем», IV всероссийская конференция молодых ученых, 22-25 апреля 2008 г. Томск.
· С. В. Турубаров, «Технология фотокаталитического разделения изотопов и очистки веществ», «XI международная научно-инновационная конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов Полярное сияние 2008» 28 января – 1 февраля, Санкт-Перербург.
· С. В. Турубаров, «Технология фотокаталитического разделения изотопов углерода на поверхности нанополупроводниковых оксидных частиц», «Международный конкурс научных работ молодых ученых», 3-6 декабря 2008 г., Москва, ЦВК "Экспоцентр".
· С. В. Турубаров, «Фотокаталитическое разделение изотопов с применением наночастиц полупроводников», «ВНКСФ 2009», 26 марта-1апреля 2009 г., Кемерово.
· С. В. Турубаров, «Фотокаталитическое разделение изотопов с применением наночастиц полупроводников», «Умник», 30 марта 2009 г., Кемерово.
· С. В. Турубаров, «Лазерно-индуцируемое фотокаталитическое разделение изотопов углерода на поверхности наночастиц ITO», «Международный конкурс научных работ молодых ученых», 5-8 октября 2009 г., Москва, ЦВК "Экспоцентр".
5. Сущность предлагаемой разработки.
1 Выбор реакции
На данный момент кинетика СО и СО2 детально изучена. Изменение электропроводности при адсорбции компонентов указывает на извлечение электронов из полупроводника кислородом и передачу их полупроводнику окисью углерода:
1. СО → СО + (адс.) + (- )s,
2. О2 + (- )s → О2- (адс.),
3. СО + О2- → СО2+(адс.) + О-(адс.),
4. СО2+(адс.) + (- )s → СО2,
5. О2- (адс.) + СО+(адс.) → СО2,
6. О2- (адс.) + СО → СО2 + (- )s.
При таких допущениях адсорбция СО и О2 происходит независимо с их последующим взаимодействием в адсорбированном слое. Химически реагируют противоположно заряженные поляризованные молекулы. Кинетические и термодинамические данные говорят в пользу образования на поверхности радикал-ионов СО3-(адс.). Это можно представить следующим образом:
7. О2- (адс.) + СО → СО3-(адс.)
с последующими процессами:
8. СО3-(адс.) → СО2 + О - (адс.),
9. СО3-(адс.) + СО → 2СО2 + (-)s.
СО3- можно получить из СО+(адс.) реакцией с газообразным кислородом.
10. СО+(адс.) + О2 + 2(-)s → СО3-(адс.)
А также можно получить из О-(адс.) и СО2.
Таким образом, и при окислении СО процесс начинают электроны и электронные дырки катализатора, и в этом случае в качестве промежуточных активных форм появляются заряженные адсорбированные частицы с нечетным числом электронов – ионо-радикалы.
2 Теоретические оценки молекулярно-кинетических процессов при сепарации изотопов углерода
Для проведения процесса разделения изотопов в условиях фотокаталитической реакции на поверхности нанополупроводников необходимо провести теоретическую оценку.
Рассмотрим возможность осуществления селекции изотопических молекул в условиях каталитического превращения на поверхности нанополупроводника при внешнем селективном электромагнитном воздействии.
Константа скорости химической реакции может быть описана уравнением Аррениуса:
, (1)
где 
число соударений; 
энергия активации; 
специфический для каждой реакции множитель.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 |
Основные порталы (построено редакторами)