Установка для электродиализа (разделение изотопов). Device for electrodialysis (isotope separation)

Электродиализ - метод очистки водных растворов от электролитов с использованием электрического тока и двух типов ионообменных мембран, один из которых пропускает только катионы, другой - только анионы. В частности, электродиализ используется для опреснения воды.

Принцип следующий. Пространство проточной электрохимической ячейки разделено на несколько продольных зон мембранами, расположенными поочередно: катионообменная мембрана (пропускают катионы) - анионообменная мембрана (пропускают анионы) и т.д. По бокам - электроды, ток - постоянный.

В результате между одними парами мембран раствор обедняется ионами (катионами и анионами) - происходит обессоливание (опреснение) воды, а между другими парами мембран ионы концентрируются (тут собирается рассол). Опресненную воду отбирают и используют, рассол отбрасывают.

Установка для электродиализа. Device for electrodialysis

Коллега соорудил электрохимическую установку, которая показана на фотографиях ниже (точнее, там несколько однотипных установок). Она тоже работает по принципу электродиализа, но назначение и конструкция ее немного отличается от установок обессоливания. Она предназначена для разделения изотопов водорода. Точнее - для концентрирования трития, он же - сверхтяжелый водород.

В "старые-добрые" времена в "исконно-природной" воде было очень мало трития. Он образуется при действии космического излучения на ядра легких элементов. С открытием атомной энергии содержание трития в природной воде и атмосфере значительно увеличилось. В прошлом - это "бомбовый" тритий, который выбрасывался при испытаниях атомного и термоядерного оружия, причем неважно: испытания проводились в военных или в "мирных" целях (не шутка: была и такая официальная формулировка). Но даже после прекращения ядерных испытаний тритий продолжает образовываться на АЭС, а также - специально производится в ядерных реакторах для коммерческих или военных потребностей. Также - для научных целей. В результате образуются тритиевые отходы. Тритий имеет недолгий период полураспада - 12.3 лет и невысокую энергию бета-излучения (оно полностью поглощается кожей), в результате от проблемы тритиевых отходов можно было бы отмахнуться (как делали долгие годы), если бы не одно "но". Попадая в организм человека, тритий замещает легкий водород в биологических молекулах, в частности - в нуклеиновых кислотах, что приводит к печальным последствиям, когда такой тритий распадается.

Поэтому поиск путей концентрирования (отделения) трития из разбавленных отходов - актуальная, хотя и очень сложная задача. Разумеется, решить ее нужно не "любой ценой", а так, чтобы это было рентабельно. Коллега решил попробовать электродиализ.

Конструкция ячейки, пожалуй, еще более простая, чем у установок опреснения воды. Две камеры - катодная и анодная, между ними - мембрана из различных глинистых минералов в виде влажного теста. В мембрану сверху подается вода, но не совсем обычная, а с добавкой сверхтяжелой воды (т.е., она содержит тритий). По обе стороны от мембраны - электроды (по памяти - углеродная ткань). В воде - добавка электролита (сульфат натрия). Трития там - "кот наплакал": есть, конечно, но его концентрация мизерная. Если бы не его радиоактивность, такая примесь сверхтяжелого водорода мало бы кого интересовала.

Хотя активность трития там небольшая - всего в несколько раз выше, чем норматив для питьевой воды (у нас в Украине - это 30000 Бк/л, что гораздо выше, чем во многих других странах), но ее можно четко измерить с помощью специального прибора. Прибор фиксирует свечение жидкого сцинтиллятора.

В чем принцип установки? Дело в том, что химические свойства изотопов водорода: протия, дейтерия и трития заметно отличается. В частности, прочность химической связи увеличивается в ряду: О-Н, О-D, O-T. Поэтому вода с тритием, НТО диссоциирует преимущественно по схеме:

НТО <=> H⁺ + OT^-,

а не по схеме:

НТО <=> T⁺ + OH^-,

Т.е., тритий должен быть преимущественно в анионной форме, протий - в катионной. За счет этого возможно частичное концентрирование трития (теоретически - в анодной камере).

Как на практике? Иногда эффект был, иногда - нет. Тут многое зависит от аппаратурного оформления. Например, глинистая мембрана не редко теряла целостность - в ней образовывались полости, заполненные окрашенным в коричневый цвет электролитом (из глины, видимо, вымывалось железо). Из этих полостей исходная вода могла попадать напрямую в катодную или анодную камеру. Не следует также забывать, что диссоциация воды происходит слабо. Поскольку коллега не захотел защищаться, его работа пошла в чужую докторскую. Сейчас он занимается другими исследованиями.