一种富集丰度99%以上Zn-68同位素的方法与流程

一种富集丰度99％以上zn-68同位素的方法
技术领域
1.本发明涉及离心分离技术领域，特别是涉及一种富集丰度99％以上zn-68同位素的方法。


背景技术：

2.锌有5个稳定同位素，分别为
64
zn(48.63％)、
66
zn(27.90％)、
67
zn(4.10％)、
68
zn(18.75％)和
70
zn(0.62％)。在医疗应用领域，锌同位素是由加速器生产医用短半衰期放射性同位素的靶材之一。
68
zn可以用来生产
67
ga。放射性同位素镓-67用于腹部感染、软组织感染、霍奇金斯、骨髓炎和肉芽肿性疾病的成像，以及定位诊断与鉴别诊断肺和软组织的原发性和转移性肿瘤等系统性恶性肿瘤。
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zn也被用来生产治疗用同位素铜-67。目前市场的已知需求量约1kg/年。
3.贫化
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zn同位素也有着重要的应用，可应用于核电站的反应堆中。将贫化锌以氧化物或醋酸锌的形式注入到反应堆的载热体中，在防止载热体循环回路腐蚀开裂的同时，可以使核电站中伽马辐射剂量强度中来源于co的部分降低4～20倍，从而大大减低核电站工作人员所受的辐射，延长设备寿命。随着注锌技术的研发，目前国内核电站对贫化
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zn的需求量逐年上涨。在制备
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zn的同时可综合考虑副产品贫化
64
zn，以提高产品的经济性。
4.稳定同位素分离方法有电磁法、气体扩散法、热扩散法、蒸馏法、化学交换法、激光法以及气体离心法等。最有效的锌同位素分离方法为气体离心法，核工业理化工程研究院曾采用该方法，获得百公斤级贫化锌-64的醋酸锌产品。
5.将气体离心法应用于富集锌-68同位素时，遇到了新的难点。由于实现离心法分离锌同位素的首要问题是找到合适的气态分离介质，而且分离介质的物理、化学性质均需满足一定的要求。经研究分析，二乙基锌是唯一适用的介质。但二乙基锌中除目标组分zn有5种同位素外，还引入了c、h同位素。气体离心法是利用质量差分离不同分子量的物质，由于含有目标同位素zn-68的4个分子量中zn-67、zn-70的存在，锌-68的丰度存在极限值，极限为98.8％。因此必须针对丰度99％以上zn-68同位素的富集技术开展研究。


技术实现要素：

6.本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种利用级联浓缩丰度99％的68-zn同位素方法。
7.为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
8.一种级联富集丰度99％以上zn-68同位素的方法，包括以下步骤：
9.s1确认级联主工艺系统通料运行条件；
10.s2根据不同的分离级联长度，利用级联主工艺系统，基于所需
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zn的丰度，确定分离遍数及运行参数，通过多遍分离获取的轻组分为产品流，其中分子量为127和126的组分比例大于4.6，分离得到丰度高于99％的
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zn同位素，每一遍分离得到的轻组分和最后一遍分离的重组分合并得到非产品流，其中的
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zn丰度低于1％。
11.在上述技术方案中，其中所述s2包括以下步骤：
12.s21根据供料丰度、级联系统长度、产量作为输入条件，通过优化设计方案，确定分离遍数、运行参数；
13.s22根据优化的分离方案，供入贫化锌-64的二乙基锌原料，将级联状态调节至设计状态后，产品流中
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zn丰度为99％以上。
14.在上述技术方案中，所述s21中，运行参数包括各遍供料流量、供料级、分流比；所述s22中锌-64的丰度低于0.5％。
15.在上述技术方案中，所述级联主工艺系统包括供料系统、级联系统、轻馏分收料系统、重馏分收料系统，物料由供料系统进入级联系统，经过分离，流经级联的轻组分、重组分料端，送至轻馏分收料系统和重馏分收料系统。
16.在上述技术方案中，所述级联系统中，每级并联分离设备n个，每级串联组成级联主工艺系统，n的数量由产量决定。
17.在上述技术方案中，所述供料系统包括供料容器、缓压罐和供料干管，所述供料容器与缓压罐的进料口连接，缓压罐的出料口与供料干管连接，所述供料干管通过管路连接至每一级分离设备。
18.在上述技术方案中，供料干管上设有电动调节阀、声速孔板和薄膜压强计。
19.在上述技术方案中，所述轻馏分收料系统包括轻组分干管和轻组分收料容器，所述重馏分收料系统包括重组分干管和重组分收料容器；
20.级联的轻组分料端通过所述轻组分干管与所述轻组分收料容器入口相连通，级联的重组分料端通过所述重组分干管与所述重组分收料容器入口相连通。
21.在上述技术方案中，轻组分和重组分通过低温(-196℃)冷冻至轻组分、重组分收料容器。
22.在上述技术方案中，所述s1中，先空载运行，空载功耗＜w0；然后用液氮冷冻轻组分料容器、重组分料容器时间＞30分钟，缓慢打开供料容器向缓冲罐内充料至压强＜0.1mpa；最后关闭供料容器，打开电动调节阀开始供料。
23.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
24.1.本发明选用二乙基锌(zn(c2h5)2)作为分离的工作介质，采用贫化
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zn的产品作为供料，提高了制备
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zn同位素的经济性。
25.2.为更经济地制备
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zn同位素，采用贫化
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zn的产品作为供料，分离得到的非产品流中
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zn丰度低于1％的要求，可作为副产品，从而提高制备
68
zn同位素的经济性。
26.3.该方法突破了制备丰度99％以上68zn同位素浓缩技术难点，在国内首先实现zn-68的浓缩并实现量产，打破外国进口垄断，创造经济效益，且该专利的技术比传统离心分离方法成本降低约35％，提高了制备68-zn的经济性。
附图说明
27.图1所示为级联主工艺系统的结构示意图。
28.图2是实施例3的流程图。
29.f为供料管线；w为重组分料管线；p为轻组分料管线；n为级联长度；f为级联f级；wr为第1级重组分料回流；pr为第n级轻组分料回流；f1为级联第1级供料点；f2为级联第2级供
料点；ff为级联第f级供料点；fn为级联第n级供料点。
具体实施方式
30.以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
31.实施例1
32.一种富集丰度99％以上zn-68同位素的方法，通过级联主工艺系统进行富集，如图1中，所述级联主工艺系统包括所述级联主工艺系统包括供料系统、级联系统、轻馏分收料系统、重馏分收料系统，物料由供料系统进入级联系统，经过分离，流经级联的轻组分、重组分料端，送至轻馏分收料系统和重馏分收料系统；
33.所述级联系统中，级联每级并联分离设备n个(n由实际所需产量决定设计，台数多产量多，与运行方法无关)，每级串联组成级联主工艺系统。图1中n为级联长度；f为级联f级，n级分离单元并列，每一级分离单元由n个分离设备串联而成。
34.所述供料系统包括供料容器、缓压罐和供料干管f，所述供料容器与缓压罐的进料口连接，缓压罐的出料口与供料干管f连接，供料干管f上设有电动调节阀、声速孔板和薄膜压强计，供料干管f分别通过管路与n级级联设备相连通，如图1中，f1为级联第1级供料点；f2为级联第2级供料点；ff为级联第f级供料点；fn为级联第n级供料点。
35.所述轻馏分收料系统包括轻组分干管p和轻组分收料容器，所述重馏分收料系统包括重组分干管w和重组分收料容器；
36.级联的轻组分料端通过所述轻组分干管p与所述轻组分收料容器入口相连通，级联的重组分料端通过所述重组分干管w与所述重组分收料容器入口相连通，如图1中，wr为第1级重组分料回流，wr连接至所述重组分干管w，pr为第n级轻组分料回流，pr连接至所述轻组分干管p。轻组分和重组分通过低温(-196℃)冷冻至轻组分、重组分收料容器。
37.实施例2
38.富集丰度99％以上zn-68同位素的方法包括以下步骤：
39.s1确认级联主工艺系统通料运行条件；
40.(1)空载运行时间为2h，空载功耗＜w0；(2)用液氮冷冻轻组分料容器、重组分料容器时间＞30分钟，缓慢打开供料容器向缓冲罐内充料至压强＜0.1mpa；(3)关闭供料容器，打开电动调节阀开始供料；
41.s2根据不同的分离级联长度，利用级联主工艺系统，基于所需
68
zn的丰度，确定分离遍数及运行参数，通过多遍分离获取的轻组分为产品流，其中分子量为127和126的组分比例大于4.6，分离得到丰度高于99％的
68
zn同位素，每一遍分离得到的轻组分和最后一遍分离的重组分合并得到非产品流，其中的
64
zn丰度低于1％。；
42.其中所述s2包括以下步骤：
43.s21根据供料丰度、级联系统长度、产量作为输入条件，通过优化设计方案，确定分离遍数、运行参数，运行参数包括各遍供料流量、供料级、分流比；
44.s22根据优化的分离方案，供入贫化锌-64的二乙基锌(zn(c2h5)2)原料，将级联状态调节至设计状态后，通过多遍分离获取99％以上的
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zn。
45.本发明中，选用二乙基锌(zn(c2h5)2)作为分离的工作介质原因如下：实现离心法
分离锌同位素的首要问题是找到合适的气态工作介质，而且工作介质的物理、化学性质均需满足一定的要求。目前所知，锌的无机化合物室温下皆为固态，根本无法用于离心分离，只有在二甲基锌(zn(ch3)2)和二乙基锌(zn(c2h5)2)两种有机化合物在室温下呈液态，在25℃下二甲基锌的饱和蒸气压力为4.476
×
104pa，二乙基锌的饱和蒸气压力为2.331
×
103pa。但从工质摩尔质量(二甲基锌的摩尔质量为95.478g/mol，二乙基锌的摩尔质量为123.53g/mol)上来看，二乙基锌更为适合于分离设备。另外，相较于二甲基锌，二乙基锌的毒性更小，更安全。因此，对于离心法分离锌同位素而言，工作介质可以选择为二乙基锌(zn(c2h5)2)。
46.本发明为满足所需
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zn99％的丰度要求，采用多目标富集，设计各组分富集比例，使得最终产品中
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zn丰度达到99％。离心分离是利用引力场分离不同分子量的物质，因此富集目标通常为某个分子量的组分。
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zn主要分布在zn(c2h5)2分离工质中126的分子量里，通常会以富集该组分设计级联方案。但由于
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zn在126的分子量中占比为98.8％，因此富集
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zn的丰度极限低于99％，无法满足要求。因此本发明提出同时富集126和127两个组分，保持其比例c(127)/c(126)》4.6，在这个比例下，即可保证二乙基锌含锌68的丰度超过99％，本发明依此首次采用多目标富集，提高了
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zn同位素的丰度极限，满足需求。
47.本发明提高了制备
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zn同位素的经济性，具体的：
48.(1)由于采用天然二乙基锌制备
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zn同位素成本高，根据分析分离成本和人工成本占同位素制备成本的97％，原料成本仅占3％。本专利采用贫化二乙基锌制备
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zn同位素，分离成本与人工成本降低45％。
49.(2)通过分流比、供料位置、供料流量设计，使得级联除产品流外，其他料流
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zn的丰度低于1％，可作为副产品销售。这样原料成本仅上涨8％。
50.(3)制备
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zn成本整体下降35％，提高了
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zn的经济性。
51.实施例3
52.由于实际级联长度不同，分离zn-68所需遍数、工况也不同。本实施例分离设备组成级联长度为40级矩形级联为例，优化后的具体分离方案是：
53.如图2所示，采用贫化锌-64的二乙基锌作为供料，通过两遍分离，制备丰度99％以上的zn-68，原料丰度如表1下：
54.表1供料丰度
[0055][0056]
第一遍运行工况参数：供料为贫化锌-64的二乙基锌，供料量f＝n g/h，分流比θ＝0.7，供料点nf＝35，经过第一遍分离，得到的重组分中
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zn含量为88.943％，轻组分中
64
zn含量为0.430％；
[0057]
第二遍运行工况参数：供料为第一遍分离得到的重组分，供料量f＝n g/h，分流比θ＝0.7，供料点nf＝4，经过第二遍分离，得到的重组分中
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zn含量为0.000％，其与第一遍分离得到的轻组分合并，得到非产品流，即贫化轻组分
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zn产品，经过第二遍分离，得到的轻组分中
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zn含量为99.130％，得到产品流，即
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zn产品；
[0058]
步骤三、每一遍待级联额定工况稳定运行10小时后，取一对轻组分、重组分料样，
稳定24小时后再取一对轻组分、重组分料样。
[0059]
步骤四、用质谱仪分析步骤三所取轻组分、重组分料样品中二乙基锌中锌各组分的丰度。
[0060]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种级联富集丰度99％以上zn-68同位素的方法，其特征在于，包括以下步骤：s1确认级联主工艺系统通料运行条件；s2根据不同的分离级联长度，利用级联主工艺系统，基于所需
68
zn的丰度，确定分离遍数及运行参数，通过多遍分离获取的轻组分为产品流，其中分子量为127和126的组分比例大于4.6，分离得到丰度高于99％的
68
zn同位素，每一遍分离得到的轻组分和最后一遍分离的重组分合并得到非产品流，其中的
64
zn丰度低于1％。2.如权利要求1所述级联富集丰度99％以上zn-68同位素的方法，其特征在于，所述s2包括以下步骤：s21根据供料丰度、级联系统长度、产量作为输入条件，通过优化设计方案，确定分离遍数、运行参数；s22根据优化的分离方案，供入贫化锌-64的二乙基锌原料，将级联状态调节至设计状态后，产品流中
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zn丰度为99％以上。3.如权利要求2所述级联富集丰度99％以上zn-68同位素的方法，其特征在于，所述s21中，运行参数包括各遍供料流量、供料级、分流比；所述s22中锌-64的丰度低于0.5％。4.如权利要求1所述级联富集丰度99％以上zn-68同位素的方法，其特征在于，所述级联主工艺系统包括供料系统、级联系统、轻馏分收料系统、重馏分收料系统，物料由供料系统进入级联系统，经过分离，流经级联的轻组分、重组分料端，送至轻馏分收料系统和重馏分收料系统。5.如权利要求4所述级联富集丰度99％以上zn-68同位素的方法，其特征在于，所述级联系统中，每一级并联分离设备n个，级和级之间串联组成级联主工艺系统，n的数量由产量决定。6.如权利要求4所述级联富集丰度99％以上zn-68同位素的方法，其特征在于，所述供料系统包括供料容器、缓压罐和供料干管，所述供料容器与缓压罐的进料口连接，缓压罐的出料口与供料干管连接，所述供料干管通过管路连接至每一级分离设备。7.如权利要求4所述级联富集丰度99％以上zn-68同位素的方法，其特征在于，供料干管上设有电动调节阀、声速孔板和薄膜压强计。8.如权利要求4所述级联富集丰度99％以上zn-68同位素的方法，其特征在于，所述轻馏分收料系统包括轻组分干管和轻组分收料容器，所述重馏分收料系统包括重组分干管和重组分收料容器；级联的轻组分料端通过所述轻组分干管与所述轻组分收料容器入口相连通，级联的重组分料端通过所述重组分干管与所述重组分收料容器入口相连通。9.如权利要求8所述级联富集丰度99％以上zn-68同位素的方法，其特征在于，轻组分和重组分通过低温冷冻至轻组分、重组分收料容器。10.如权利要求1所述级联富集丰度99％以上zn-68同位素的方法，其特征在于，所述s1中，先空载运行，空载功耗＜w0；然后用液氮冷冻轻组分料容器、重组分料容器时间＞30分钟，缓慢打开供料容器向缓冲罐内充料至压强＜0.1mpa；最后关闭供料容器，打开电动调节阀开始供料。

技术总结
本发明公开了一种富集丰度99％以上Zn-68同位素的方法，包括以下步骤：S1确认级联主工艺系统通料运行条件；S2根据不同的分离级联长度，利用级联主工艺系统，基于所需


技术研发人员：豆丹丹 解金鹏 丛艺坤 耿冰霜 肖初
受保护的技术使用者：核工业理化工程研究院
技术研发日：2023.03.22
技术公布日：2023/7/22