[发明专利]碳的稳定同位素的分离

说明书

本发明属于碳的稳定同位素分离技术，确切地说是采用红外脉冲二氧化碳激光器，采用添加剂，从二氟卤代甲烷气体中分离碳的稳定同位素，富集并制取碳13的方法。

含碳化合物中，碳元素以稳定同位素¹²C、¹³C和放射性¹⁴C存在于自然界，其中¹³C与¹²C的天然丰度比约为1.1∶98.9。碳13在医学、生命科学和化学中得到越来越广泛的使用。目前的碳13制造法是一氧化碳低温蒸馏法。此法由于大量使用毒性气体，分离系数低，设备庞大，制造费用高等缺点，不尽令人满意。

近年来，随着红外激光引发化学反应的发展，人们试图采用红外激光分离碳同位素，这一方法的主要原理是基于分子的振动光谱中存在的同位素位移和所谓的多光子吸收和离解效应。由于分子处于不停的运动状态之中，分子运动的一种主要形式是分子的振动。分子振动的结果是分子能吸收与其振动频率相同的红外光。含有同位素的分子由于构成分子的原子质量的差别，不同同位素分子其振动频率相应表现出差别，称之为同位素位移。在强红外激光辐照下，分子能吸收很多光子，当分子吸收了达到它的离解能的光子能量后会被离解。这一现象被称为红外多光子吸收和离解效应。在一定的激光频率辐照下，同位素分子的吸收性会表现出差别，从而导致产物中同位素比的变化。红外多光子离解法分离同位素的一个重要因素就是含有同位素的分子对激光的选择性吸收和离解。

本发明以前的激光分离碳13的研究以三氟卤甲烷CF₃X（X代表Cl、Br和I）系列化合物和二氟氯甲烷CF₂HCl的红外多光子离解反应为最有代表性。从能量花费和选择性方面比较，CF₂HCl分子较有利。当以CF₂HCl分子为原料，用适当的二氧化碳激光器的辐射辐照时，最终反应产物是四氟乙烯，离解反应为：

被离解出的CF自由基彼此结合生成四氟乙烯。2CF₂→C₂F₄在最佳条件下，最终产物C₂F中¹³C₂F₄的浓度可达50%-80%。从分离系数考虑这种方法要比现行的CC低温蒸馏法优越得多。

上述方法有其固有的缺点，随着激光脉冲数的增加，反应器中氯化氢的浓度会逐渐增加。这样，就会使逆反应CF₂+HCl→CF₂HCl奏效而生成原料物CF₂HCl。因而大大地降低离解效率。还有，化学和生命科学研究中使用的¹³C化合物的浓度一般要求90%以上。因此，必须将产物四氟乙烯分离后，用化学方法转变成CF₂HCl后进行第二次红外多光子离解，制取¹³C浓度95%以上的产物。但从C₂F₄转变成CF₂HCl在化学上是一个较难的过程，并且在此过程中又会造成¹³C产物的带失。

本发明便是针对上述问题以制取90以上的碳13为目的。图1表示浓缩装置概图。二氟卤代甲烷和捕捉剂气体混合后充入反应器、激光经透镜聚焦后射入反应池。全图表示将第一次离解产物分离后用作第二次光解的原料同时添加捕捉剂气体，进行第二次激光光解，制取高浓度碳13的过程。对于某些反应体系，由于初始生成的产物可在同一反应器中同时吸收相同频率的激光辐射而发生的第二次离解从而获得含高浓度碳13的最终产物。图1中虚线内的范围即表示这一过程。

图2（a）表示在二氟氯甲烷和碘化氢反应体系中，经激光辐照后将反应产物用制备色谱分离后的产物二氟甲烷（CF₂H₂）的红外光谱图。其中¹³CF₂H₂浓度约为95%。图2（b）为天然丰度的二氟甲烷的红外吸收光谱。