Тема: РАЗДЕЛЕНИЕ ИЗОТОПОВ УГЛЕРОДА МЕТОДОМ ХИМИЧЕСКОГО ИЗОТОПНОГО ОБМЕНА С ТЕРМИЧЕСКИМ ОБРАЩЕНИЕМ ПОТОКОВ В СИСТЕМЕ СО2 - КАРБАМАТ ДЭА В ТОЛУОЛЕ
Характеристики работы
Закажите новую по вашим требованиям
Представленный материал является образцом учебного исследования, примером структуры и содержания учебного исследования по заявленной теме. Размещён исключительно в информационных и ознакомительных целях.
Workspay.ru оказывает информационные услуги по сбору, обработке и структурированию материалов в соответствии с требованиями заказчика.
Размещение материала не означает публикацию произведения впервые и не предполагает передачу исключительных авторских прав третьим лицам.
Материал не предназначен для дословной сдачи в образовательные организации и требует самостоятельной переработки с соблюдением законодательства Российской Федерации об авторском праве и принципов академической добросовестности.
Авторские права на исходные материалы принадлежат их законным правообладателям. В случае возникновения вопросов, связанных с размещённым материалом, просим направить обращение через форму обратной связи.
📋 Содержание
1. Литературный обзор 10
1.1 Основные методы получения
1.1.1 Цианидный способ 10
1.1.2 Бикарбонатный способ 14
1.1.3. Разделение изотопов углерода методом химобмена между окисью углерода и её комплексом с водным раствором однохлористой меди и
хлористого аммония 19
1.1.4 Разделение изотопов углерода методом ректификации 24
1.1.5 Диффузионные методы получения 13С 31
1.1.6 Оптические методы получения 13С 36
1.1.6.1. Принципы оптических методов разделения изотопов
применительно к разделению изотопов углерода 36
1.1.6.2. Лазерный разделительный комплекс “Углерод” 41
. 1.2 Карбаматный способ разделения изотопов углерода 44
1.2.1. Основы карбаматного способа 44
1.2.2. Химическое равновесие при абсорбции СОг безводными
растворами аминов 46
1.2.3 Коэффициент разделения изотопов углерода в системах состава
СОг - аминокомплекс 55
1.2.4. Массообмен при разделении изотопов углерода в системах состава СО2 - аминокомплекс 63
1.3 Сравнение различных методов получения ,3С 90
1.4. Выводы из литературного обзора 93
2. Исследование основных физико-химических свойств растворов карбаматов аминов. Выбор оптимальной пары амин-растворитель 95
2.1. Исследование основных физико-химических свойств растворов карбаматов аминов 96
2.1.1 Подготовка исходных реагентов и приготовление
растворов аминов 96
2.1.2 Определение основных физико-химических свойств растворов
карбаматов аминов 100
2.2. Выбор оптимальной пары амин-растворитель 131
2.3. Выводы из главы 2 139
3. Исследование гидродинамических характеристик системы СОг — карбамат
ДЭА в толуоле 140
3.1. Лабораторная установка для изучения процесса разделения изотопов методом химического изотопного обмена с термическим обращением потоков
фаз 141
3.1.1 Схема лабораторной установки 141
3.1.2 Описание работы лабораторной установки 144
3.1.3 Порядок пуска и остановки лабораторной установки 146
3.1.4 Методика измерения и контроля концентрации ДЭА в рабочем
растворе 148
3.2 Исследование гидравлического сопротивления насадочного слоя и
пропускной способности насадок СПН 151
3.3 Исследование удерживающей способности насадок СПН 161
3.4. Выводы из главы 3 165
4. Исследование процесса обращения потоков фаз в системе СОг -
аминокомплекс ДЭА в толуоле 166
4.1 Методика анализа микороконцентраций СОг в безводных растворах
аминов 167
4.2 Процесс обращения потоков фаз в системе СОг - карбамат ДЭА в
толуоле 176
4.3. Выводы из главы 4 180
5. Разделение изотопов углерода в системе СОг - карбамат ЗМ ДЭА в толуоле 181
5.1 Анализ изотопного состава газа. Принципы и
методики обработки экспериментальных данных 181
5.1.1. Состав газовой фазы 181
5.1.2 Изотопный анализ газа 184
5.1.2.1 Назначение и устройство масс-спектрометра МИ-1309 184
5.1.2.2 Методика отбора проб на изотопный анализ, обработка масс-
спектров 186
5.1.2.3 Частота отбора проб на изотопный анализ 188
5.1.2.4 Особенности изотопного анализа 191
5.1.3 Методики обработки экспериментальных данных 194
5.1.3.1. Методика определения эффективности массообмена в
системе СОг - карбамат ДЭА в толуоле 196
5.1.3.2. Методика определения коэффициента разделения в системе
СОг - карбамат ДЭА в толуоле 197
5.1.3.3 Методика определения удерживающей способности нижнего узла обращения потоков фаз 198
5.2 Исследование процесса разделения изотопов в системе СОг -
карбамат ДЭА в толуоле 199
5.2.1 Определение эффективного коэффициента разделения в системе
СОг ~ карбамат ЗМ ДЭА в толуоле 203
5.2.2. Исследование эффективности массообмена в системе СОг — карбамат ЗМДЭАв толуоле 210
5.3 Сравнение различных систем при реализации карбаматного процесса.... 221
5.4. Выводы из главы 5 225
Выводы
Список использованной литературы
📖 Введение
Таблица 1.
Характеристики основных изотопов углерода [1]
нук¬
лид атомная
масса распрост- тип и энергия распада,М эВ ядерный
ранённость
в
природе,% Т1/2
спин, L применение
20,3 Р“(1,982);
"с 11,011430 0 3/2- метка
мес Y
12С 12,000000 98,90 стабилен 0 +
ЯМР,
13с 13,003355 1,10 стабилен 1/2-
медицина
Р'
,4С 14,003241 следы 5730 лет (0,15648); 0 + метка
нету
Как видно из табл. 1, природная концентрация редкого изотопа 13С
составляет 1,10 %. Стандарт природной изотопной концентрации - PDB (США, известняк штата Южная Каролина).
На сегодняшний день редкий стабильный изотоп 13С нашёл достаточно широкое применение. Он используется для изучения механизма химических реакций и биохимических реакций в медицине, там, где невозможно использование радиоактивного изотопа 14С [2, 3-6].
у В физике стабильные изотопы углерода используют при
изучении ядерных реакций, определении ядерных констант, исследовании неупругого рассеяния поляризованных протонов и т. д. [7-10] Особое значение тяжелый изотоп углерода ,3С имеет для выяснения механизмов процессов, происходящих в живых организмах [2, 11-12].
Создание ЯМР-спектрометров и методов, позволяющих определить положение метки ,3С в сложных органических соединениях и даже в биологических объектах без их разрушения, послужили мощным стимулом для разработки эффективных методов разделения стабильных изотопов углерода, синтеза широкого спектра изотопомодифицированных соединений и различных вариантов спектроскопии ЯМР 13С. С ее помощью можно быстро получать ценную информацию о строении и динамике структурных компонентов, природе внутриклеточной среды, первичных и вторичных путях обмена в культуральной среде и т. д [11].
Перспективной сферой применения стабильных изотопов углерода является диагностика различных функциональных нарушений в организме: почечной недостаточности, нарушения обменных процессов печени, диабета, кислородного голодания сердечной мышцы, легочной недостаточности и др. [13-15] Имеется большое число публикаций по диагностике ряда метаболических нарушений, обусловленных дисфункцией эндокринных и других органов с применением соединений, модифицированных углеродом-13 [13-17].
Разработан уникальный метод диагностики заболеваний с применением меченных ,3С соединений. Это так называемые тесты дыхания. Препарат, принимаемый пациентом, претерпевает в организме изменения, связанные с протеканием биохимических реакций в разных органах. Через некоторое время препарат частично или полностью разлагается и выводится из организма. Содержащийся в препарате углерод в процессе реакций обмена окисляется и выводится в виде углекислого газа через легкие в выдыхаемом воздухе [18 - 20]. Если изотопный состав содержащегося в препарате углерода отличен от природного, то появление в выдохе углекислоты, содержащей углерод препарата, приводит к отличию от природного изотопного состава углерода углекислоты, что может быть зарегистрировано с помощью соответствующей аппаратуры [11, 21, 22]. Имея информацию о путях и скоростях метаболических превращений препарата в исследуемом органе и вводя в него изотопную углеродную метку, можно сделать вывод о состоянии органа по содержанию введенного в препарат изотопа в выдыхаемом воздухе. Исследования такого рода, проводимые ранее в основном для решения научных биомедицинских задач, начали с недавнего времени использоваться в повседневной клинической практике. Краткий перечень приложений теста дыхания представлен в табл. 2.
Наибольшее распространение получил так называемый уреазный тест, призванный определять наличие в желудочно-кишечном тракте helicobacter pilory - бактерии, ответственной за возникновение подавляющего числа наиболее распространенных заболеваний желудочно-кишечного тракта - язвенных болезней и Таблица 2.
Тесты с использованием веществ, меченных 13С [2]
Диагности-руемый Заболевание Вещество для теста Результат теста
Желудок Язва, гастрит, лимфома Мочевина (NH2)2CO Наличие H-pilory
Кишечник Диарея D-ксилоза
СН2ОН(СНОН)3СНО Нарушение бактериального
Печень Гепатит, цирроз L-
аминофенолпропионовая кислота СбН5СН2СН (NH)2CO2H Нарушение функции печени
Печень Для определения концентрации в крови фармпрепаратов, впитываемых через печень Кофеин Определение содержания цитохрома CYPIA2 в печени
гастритов. Более того, есть предварительные указания на то, что устранение этой бактерии в 70% случаев приводит к регрессии ранних стадий лимфомы желудка [18,19]. Тест основан на способности выделяемого бактерией фермента - уреазы быстро разлагать мочевину на аммиак и углекислоту. Таким образом, присутствие в выдыхаемом воздухе (вскоре после приема препарата с изотопно меченной мочевиной) углекислоты с увеличенным содержанием изотопа углерода свидетельствует об инфицированное™ пациента указанной бактерией. Простота, надежность, быстрота проведения и безопасность тестов дыхания для пациентов позволяют делать оптамистический прогноз относительно этой диагностики. Определенным ориентаром здесь могут служить США - ежегодно здесь проводится около 2 млн. тестов с использованием препаратов, меченных изотопами углерода [2].
Второй по количеству используемого изотопа 13С областью является агрохимия, где препараты, меченные тяжелым изотопом углерода 13С, применяются для изучения структуры органических веществ почвы, процессов их взаимодействия между собой, с минеральными частицами и низкомолекулярными ксенобиотиками типа пестицидов и гербицидов [23]. В конце 80-х годов произошел качественный скачок в применении метода ЯМР для биохимических исследований — наряду с расширением возможностей ЯМР в изучении ядер Н, С, М, Р и др. был разработан так называемый CPMAS-метод твердофазной регастрации спектров, включающий в себя кросс- поляризационную спектроскопию с вращением образца под определенным углом, названным позднее "магическим". Это позволило получать в импульсном режиме достаточно удовлетворительные по разрешению спектры ЯМР твердофазных препаратов. Серьезный прогресс в параметрической интерпретации таких спектров был достигнут с применением специальной математической обработки спектров на основе рядов Фурье (так называемая фурье-трансформация спектров), позволяющей выделить и количественно
оценить синглетные линии ЯМР при их наложении друг на друга или при высоком уровне шумов. Это позволило к настоящему времени разработать доста¬точно надежную методику изучения состояния и структурного окружения атомов 2Н, |3С, |5К 23Na, 27Al,29Si,3lP и в препаратах гумусовых веществ [24].
Широкое использование изотопов углерода, в свою очередь, стиму-лирует дальнейшее развитие методов и технологии их разделения. Накоплен обширный материал по разделению изотопов углерода такими традиционными методами, как химический изотопный обмен, ректификация и диффузия газообразных соединений углерода и др.[25] Первым в промышленных масштабах был реализован цианидный способ [26]. В настоящее время основные количества 13С получаются путём низкотемпературной ректификации окиси углерода [27-28]. Также имеются сообщения в печати о промышленной реализации лазерного метода разделения изотопов углерода [29]. Перспективными являются два метода, основанные на реакциях химического изотопного обмена: карбаматный способ и система оксид углерода - комплекс СО с водным раствором однохлористой меди и хлористого аммония [30, 31]. Интересным, но имеющим существенный недостаток, можно назвать бикарбонатный способ [32]. Далее в разд. 1 будут подробно описаны все вышеперечисленные методы.
Мировое производство изотопа 13С на сегодняшний день находится на уровне 300 кг/год. Практически весь получаемый 13С производится методом низкотемпературной ректификации.
✅ Заключение
2. Наилучшими показателями из числа исследованных пар амин - растворитель обладает система на основе ДЭА в толуоле: значения мольного отношения находятся в интервале (0,5 -г- 0,75) моль СО2/моль ДЭА, а вязкость раствора карбамата ДЭА в толуоле равна (1,2 -г- 0,8)-10'3 Па-с при температуре (285 + 308) К.
3. Разработана методика определения микроконцентраций диоксида углерода в безводных растворах аминов, позволяющая измерять остаточное содержание СО2 на уровне (0 -г- 30) 4О'6 г С/мл раствора, и установлено, что полнота обращения потоков фаз в системе СО2 — карбамат ДЭА в толуоле достаточна для получения высокообогащенного ,3С при потере производительности установки не более 2,5 % (остаточное содержание равно (9 ± 4) 4 О'6 г С/мл).
Г 4. Исследованы гидродинамические параметры системы СО2 — карбамат ДЭА в
толуоле в интервале температуры (285 ч- 308) К, получены выражения для их расчета на основе физико-химических свойств системы.
5. Определены значения коэффициента разделения для системы СО2 — карбамат ДЭА в толуоле в интервале температуры (285 ч- 308) К; значения коэффициента обогащения для данной системы превышают соответствующие значения для исследованной ранее системы СО2 — карбамат н-ДБА в октане при температуре менее 303 К (примерно на 15 % при 295 К).
6. Исследована эффективность массообмена в системе СО2 - карбамат 3 М ДЭА в толуоле при температуре (285 ч- 308) К и относительной нагрузке ф = (0,1 ч- 0,6); определены энергия активации реакции химического изотопного обмена и энергия активации процесса диффузии, составляющие (22 ± 2) кДж/моль и (10 ± 2) кДж/моль соответственно.
7. Показана конкурентоспособность системы СО2 - карбамат ДЭА в толуоле при ее практическом использовании за счет уменьшения эксплуатационных расходов.



