
Тип работы:	Предмет:	Язык работы:

Разделение изотопов углерода методом химического изотопного обмена с термическим обращением потоков в системе СО2 - карбамат ДЭА в толуоле

Работа №	7229
Тип работы	Диссертации (РГБ)
Предмет	химия
Объем работы	235стр.
Год сдачи	2002
Стоимость	470 руб.
ПУБЛИКУЕТСЯ ВПЕРВЫЕ
Просмотрено	943

Не подходит работа?

Узнай цену на написание

Содержание

Введение 5
1. Литературный обзор 10
1 ”1
1.1 Основные методы получения С 10
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
I ч
1.1.5 Диффузионные методы получения С 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 С02 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
13
1.3 Сравнение различных методов получения С 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

3
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 СО2 в безводных растворах аминов 167
4.2 Процесс обращения потоков фаз в системе СО2 - 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

4
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 226
Список использованной литературы 227

Введение

Углерод имеет два наиболее распространённых стабильных изотопа: С и 13С с атомными массами 12,000000 и 13,003355 соответственно. Всего данный элемент имеет 8 изотопов (с учётом ядерных изомеров). Диапазон изотопных масс: 9 16. Перечень основных изотопов углерода представлен.
Характеристики основных изотопов углерода
распространённость
в природе,% Т1/2 энергия распада, М эВ ядерный спин, L применение
пс 11,011430 0 20,3
мес Р - (1 >982); У 3/2 — метка
12С 12,000000 98,90 стабилен 0 +
13с 13,003355 1,10 стабилен Г 1/2- ЯМР,
медицина
,4С 14,003241 следы 5730 лет (0,15648);
нету 0 + метка
Как видно из табл. 1, природная концентрация редкого 1 ^
изотопа С
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].

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
1 “X
тяжелый изотоп углерода С 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 С. 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)2C02H Нарушение функции печени
Печень Для определения концентрации в крови фармпрепаратов, впитываемых через печень Кофеин Определение содержания цитохрома CYPIA2 в печени

8
1>
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 инфицированности пациента указанной бактерией. Простота, надежность, быстрота проведения и безопасность тестов дыхания для пациентов позволяют делать оптимистический прогноз относительно этой диагностики. Определенным ориентиром здесь могут служить США - ежегодно здесь проводится около 2 млн. тестов с использованием препаратов, меченных изотопами углерода [2].

Возникли сложности?

Нужна помощь преподавателя?

Помощь студентам в написании работ!

ДИПЛОМНЫЕ МАГИСТЕРСКИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Курсовые Статьи Диплом Рязань

Заключение

1. Определены основные физико-химические свойства (растворимость диоксида углерода; мольное отношение С02/амин; динамическая вязкость и плотность насыщенных и ненасыщенных СОг растворов) для 30 пар амин - безводный растворитель.
2. Наилучшими показателями из числа исследованных пар амин - растворитель обладает система на основе ДЭА в толуоле: значения мольного отношения находятся в интервале (0,5 + 0,75) моль СОг/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 СОг на уровне (0 + 30) -Ю-6 г С/мл раствора, и установлено, что полнота обращения потоков фаз в системе СОг — карбамат ДЭА в толуоле достаточна для получения высокообогащенного ,3С при потере производительности установки не более 2,5 % (остаточное содержание равно (9 ± 4) «Ю*6 г С/мл).
4. Исследованы гидродинамические параметры системы СОг — карбамат ДЭА в толуоле в интервале температуры (285 + 308) К, получены выражения для их расчета на основе физико-химических свойств системы.
5. Определены значения коэффициента разделения для системы СОг — карбамат ДЭА в толуоле в интервале температуры (285 308) К; значения коэффициента обогащения для данной системы превышают соответствующие значения для исследованной ранее системы СОг — карбамат н-ДБА в октане при температуре менее 303 К (примерно на 15 % при 295 К).
6. Исследована эффективность массообмена в системе СОг - карбамат 3 М ДЭА в толуоле при температуре (285 308) К и относительной нагрузке ф = (0,1
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 СОг - карбамат ДЭА в толуоле при ее практическом использовании за счет уменьшения эксплуатационных расходов.

Литература

1. Дж. Эмили. Элементы // М., “Мир”, 1993,256 с.;
2. В.Г.Гришина, В.И.Невмержицкий, Е.Б. Свирищевский. Изотопы в медицине // Изотопы: свойства, получение, применение - Сборник статей. М., ИздАТ, 2000, ч.7, с.524;
3. L. Melander. Isotope effect on Reaction Rates // Ronald, New York, 1960,586 p.;
4. M. Karpus and G.K. Fraenkel // J. Chem. Phys., 1961, v.35, p.1312;
5. G.B. Savitsky and k. Namikava // J. Phys. Chem., 1964, v.68, p.1956;
6. B. D. Walker // URCL-7676, U.S.A.E.C. Report ,1964;
7. Ю.В. Гапонов, C.B. Семенов, Л.В. Инжечик. Изотопы и фундаментальные проблемы физики // Изотопы: свойства, получение, применение - Сборник статей. М., ИздАТ, 2000, с. 472;
8. В.Ю. Баранов, А.Г. Леонов, B.C. Лисица. Свойства изотопов и изотопные эффекты // Изотопы: свойства, получение, применение. Сборник статей. М., ИздАТ, с. 28;
9. В.Г. Игнатенко Стабильные изотопы. Основные применения // Препринт ИАЭ - 4832/12. М., ЦНИИАтоминформ, 1989, 80 с.;
10. Э.С. Филатов Физико-химические и ядерно-химические способы получения меченых органических соединений и их идентификация // М., Энергоатомиздат, 1987,141 с.;
11. D. Halliday and G.N. Thompson // The use of Stable Isotopes in Medical Chemistry, in Essential Chemistry and Applications. II, 1988, p. 173;
12. D. Schoeller, J. Schneider, N. Solomons et al. // J. Of Laboratory and Clinical Medicine, 1977, v.90, p.412;
13. J. Reichen et al. // Hepatology, 1991, v. 14, p.504;
14. C. Merckel et al. // Hepatology, 1996, v.24, p.820;
15. W.W. Shreeve, J.D. Shoop, D.G. Ott and B.B. Mclnteer // Gastroenterology, 1976, v.71, p.98;

228
16. В.Т. Ивашкин, Е.И. Никитина, Е.В. Степанов, и др. // Рос. Журнал гастроэнтерологии, гепатологии и колопроктологии, 1999, № 2, с. 530;
17. D.J. Graham, P.D. Klein, D.J. Evans et al. // The Lancet. 1987, p.l 174;
18. D.A. Penda, D.J. Pambianco et al. // The American J. of Gastroenterology, 1996, v.91, p.233;
19. P.D. Klein, H.M. Malaty, R.F. Martin et al. // Gastroenterology, 1996, v.91, p.4;
20. H. Balon, C. Gold, H. Dworkin et al. // The J. of Nuclear Medicine, 1998, v.39, p. 2012;
21. D.E. Mumik, M.J. Colgan, H.P. Lie and D. Stoneback // SPIE, 1996, v.2678, p.454;
22. E.V. Stepanov, P.V. Zyrianov, V.A. Milaev et al. // SPIE, 1999, v.3829, p.684;
23. Ю.М. Логинов, Л.П. Похлебкина. Использование ЯМР-метода с применением 13С для изучения структуры органического вещества почвы. // Изотопы: свойства, получение, применение. Сборник статей. М., ИздАТ, 2000, с.695;
24. С.Н. Чуков // Вестник СПбГУ, сер.3,1997, вып.4;
25. Б.М. Андреев, Я.Д. Зельвенский, С.Г. Катальников. // Разделение стабильных изотопов физико-химическими методами. М., Энергоатомиздат, 1982,205 с.;
26.1. Roberts, H.G. Thode, Н.С. Urey // J. Chem. Phys., 1939, v.7, p. 137;
27. T.F. Jonhs, H. Kronberger and H. London. // Mass Spectrometry. Institute of Petroleum, London, 1952, p. 141;
28. M.B. Тихомиров, H.H. Туницкий // Журнал прикладной химии, 1959, т.32, с. 531;
29. А.П. Дядькин, В.А. Кузьменко и др. “Физико-химические процессы при селекции атомов и молекул” // 4-я Всеросс. конф. Докл.: Сб. докл., М, 1999, с.16;
30. T.I. Taylor /П. Chim. Phys., 1963, v.60, р.154;
31. A.A. Palko, L. Landau, and J.S. Druiy. // Ind. Eng. Chem. Process Design and Development, 1971, v.10, p.79;

229
32. С.А. Hutchison, D.W. Stewart, H.C. Urey // J. Chem. Phys., 1940, v.8, p. 532;
33. В.Ю. Баранов, А.П. Дядькин и др. “Физико-химические процессы при селекции атомов и молекул” // 4-я Всеросс. конф. Докл.: Сб. докл., М,
1999, с.11;
34. Химия Изотопов, Сб. №1. Пер. с англ. под ред. Я.К. Сыркина.// М., Изд-во иностранной литературы, 1948,65 с.;
35. К. Cohen, J. Chem. Phys., 1940, v.3, p. 588;
36. Г.К. Боресков, С.Г. Катальников. Технология процессов химического изотопного обмена. Конспект лекций // М., МХТИ, 1974,224 с.;
37. E.W. Becker, К. Bier. // Z. Naturforsch, 1952, Bd. 7а, s. 651;
38. E.W. Becker, К. Bier, S. Scholz, W. Vogel // Z. Naturforsch, 1952, Bd.7a, s.664,;
39. D.W. Stewart // Nucleonics, 1947, v.l, p. 18;
40. C.A. Mills, H.C. Urey // J. Chem. Phys., 1940, v.9, p.403;
41. И.А. Семиохин, A.K. Лынкова, А.Г. Серенкова. // Вестник МГУ, Сер. хим., 1960, № 5, с.29;
42. А.И. Бродский. Химия изотопов // Москва, 1957, 595 с.;
43. M.J. Welch, J.F. Litton, J.A. Seek// J. Phys. Chem., 1969, v.10, p.73;
44. A.M. Розен. Теория разделения изотопов в колоннах // М., Атомиздат, 1960, 427 с.;
45. A.F. Reid, H.C. Urey // J. Chem. Phys., 1943, v.l 1, n.9, p.403;
46. И.А. Семиохин, Г.М. Панченков, Ю.А. Журов // Вестник МГУ, 1960, №5, с.6;
47. G.M. Begun // U.S. Atomic Energy Report ORNL - 2852, Oct. 1959;
48. J.F. Eichelberger, G.R. Grove, L.V. Jones // U.S. Atomic Energy Report MLM-1299, July 1966;
49. T.I. Taylor // U.S. Atomic Energy Report NYO-755-4, Sept. 1967;
50. A.A. Palko, R.M. Healy, L. Landau // J. Chem. Phys., 1958, v.28, p.214;
51. A.A. Palko // J. Chem. Phys., 1959, v.30, p.l 187;
52. A.A. Palko, Ind. Eng. Chem. Res., 1959, v.51, p.121;
53. J. Du, K. Okada, M. Nomura, Y. Fujii //J. Chem. Phys., 2000, v.2, p.3181;

230
54. L.L. Brown and J.S. Drury // J. Inorg. Nucl. Chem., 1973, v.35, p.2897;
55. A.R. Larson and C.S. Teitsworth //J. Am. Chem. Soc., 1922, v.44, p.2878;
56. D.W.V. Krevelen and C.M.E. BaansHI. Chem. Phys., 1950, v.54, p.370;
57. R. Sriram and J.B. Joshi // Curr. Sci., 1985, v.54(15), p.715;
58. R.V. Gholap and R.V. Chauhari // Ind. Eng. Chem. Res., 1988, v.27, p.2105;
59. M.A. Bush and T.C. Franklin // Inorg. Chem., 1979, v.l8(2), p.251;
60. D.J. Roberts, R.L. Hoglund // U.S. Atomic Energy Rep. K-OA-1678, Feb. 1969;
61. DJ. Roberts // U.S. Atomic Energy Rep. K-OA-1726, May 1969;
62. K. Klusius, F. Endtinger, K. Schleich // Helv. Chim. Acta, 1960, v.43, p.1267;
63. Haga K., Soh H // 5-th Int. Symp. On the Synthesis and Applications of Isotopes and isotopically labelled compounds. Strasbourg, France, June 20th - 24*, 1994. PA 026, p. 144;
64. Зельвенский Я.Д., Торопов Н.И., Хорошилов А.В. “Физико-химические процессы при селекции атомов и молекул” // Сборник докладов под ред. В.Ю. Баранова. М., ЦНИИатоминформ, 2000. с. 160;
65. P. Baertschi, W. Kuhn, and Н. Kuhn // Nature, 1953, v.l71, p.1018;
66. T. Johns // In: Proceed, of the Intern. Sympos. of Isotope Separation. Amsterdam, North-Holland Publ. Co., 1958, p.74;
67. E. Ancona, G. Boato, H. Casanova // Nuovo cimento, 1962, v.24, p. 111;
68. D. Staschewski // Chem. Techn., 1975, Bd.4, s.269;
69. N.A. Matwiyoff, G.A. Cowan, D.C. Ott, B.B. Mclnteer // Proceed, of Sympos. “Isotope Ratios as Pollutant Source and Behaviour Indicators”, Vienna, Nov. 1974, p. 259;
70. D. Armstrong // U.S.Atomic Energy Rep. LA-4391,1970;
71. A. Edmunds, G. Lockhart // Proceed, of Sympos. “Isotope Ratios as Pollutant Source and Behaviour Indicators”, Vienna, Nov. 1974, p.239;
72. W. Daniels, A. Edmunds, G. Lockhart // In: Stable Isotop in the Life sciences. Proceed, of a technical Committee Meeting, Leipzig, 1977, Vienna 1977, Rep. TC-90/2;

231
73. П.Я. Астиани // Автореф. дисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук, МХТИ им. Менделеева, 1981;
74. И.П. Гнидой, Г.Ю. Григорьев и др. “Физико-химические процессы при селекции атомов и молекул”// Тез. докл., VII -я Всеросс. конф., Звенигород, 2002, с.68;
75.3ельвенский Я.Д., Хорошилов А.В. // Хим. Пром., 1999, № 4, с. 25;
76. Озиашвили Е.Д., Егиазаров А.С // Успехи химии, 1989, т. LVHI, вып. 4, с. 545;
77. D.E. Wooldridge, F.A. Venkins // Phys. Rewiev, 1936, v.49, p.404;
78. D.E. Wooldridge, W.R. Smith // Ibid., 1936, v.50, p.233;
79. G.L. Hertz // Z. Phys., 1934, Bd.91, s.810;
80. P. Capron, J.M. Delfosse, M.I. de Hemtine, H.C. Taylor // J. Chem. Phys., 1938, v.6, p.656;
81. И.Г. Гвердцители, B.K. Цхакая // Получение изотопов. М., Изд-во АН СССР, 1958, с.113;
82. И.Г. Гвердцители, В.К. Цхакая // Атомная энергия, 1959, т.6, с.329;
83. Г.Ф. Барвих, Р.Я. Кучеров // Получение изотопов. М., Изд-во АН СССР, 1958, с. 120;