同位素分離係數是指混合物經分離單元分離後分為兩部分，這兩部分中兩種同位素濃度比比值稱為分離係數。單級分離係數是描述某一分離方法進行一次分離操作的分離效果。
基本介紹
- 中文名：同位素分離係數
- 外文名：Isotope separation factor
- 舉例：235U和238U的分離
- 分類：電磁分離，離心分離
- 學科：化學
概念,SPE水電解進行氫同位素分離,電極對氫同位素分離係數的影響,電流密度對氫同位素分離係數的影響,溫度對氫同位素分離係數的影響,質子在Nation膜中傳輸的氫同位素效應,
概念
同位素分離的效率用分離係數或濃縮係數來表示。設分離前後鈾235的豐度分別為CF和CP，則分離係數α定義公式為
，濃縮係數則定義為α-1。理論上，級分離係數的最大值（α0）等於兩種組分的分子量比值的平方根。實際的分離係數遠低於理論值，具體數值決定於設備結構、膜的特性及其它工藝條件。由於單級分離效果不大，為了得到5%的濃縮鈾，便需要把近千個擴散級串聯起來。
SPE水電解進行氫同位素分離
電解法是國外正在套用的處理含氚廢水較為有效的方法之一。主要有鹼性電解槽和固體聚合物電解質(SPE)電解槽。人們對鹼性電解槽分離氫同位素進行了較多的研究。而SPE水電解槽較傳統的鹼性電解槽具有體積更小、電流密度與電解效率更高、氣體純度更高、使用壽命更長、系統工藝也更簡單等優點，已用於氫同位素分離的電解裝置中。Masaaki等研製了SPE自動停機氚濃集裝置，達到12倍氚濃縮的時間由鹼性電解池的8d縮短到3d。溫雪蓮等根據前人工作開展了SPE氚自動電解濃集裝置的研製工作，將SPE電解技術用於氚水的濃集和監測，得到較好的結果。Cristescu等認為，CECE(Combined Electrolysis Catalytic Exchange，CECE)工藝是ITER除氚系統的最合適方式，他們在CECE氚回收系統中選用SPE電解池，體積較KOH電解池縮小3倍。Ivanchuk等研究了Nation膜兩側均沉積Pt載量為2.0×10-3g/cm2的膜電極電解技術。
電極對氫同位素分離係數的影響
電解法氫同位素分離是在直流電的作用下，利用氫同位素在氣、液兩相中的分布不同，首先將水中氕(H)和氘(D)分離出來，當氚(T)達到一定濃度時，開始電解出氚氣，分離效果通常用兩相中(liquid和gaseous)同位素的分配比率來表征。相關研究中，H、D分布在氣相、Nation膜和電極材料中，這裡電化學平衡包括Nation膜與電極材料、電極材料與氣相間的H、D分配平衡，電解時它們的電解電位不同。電位較低的被優先析出進入氣相，最後達到溶液電解濃集的分離效果。不同的電極材料H、D平衡常數不同，故而具有不同的分離係數。因此，對電解法分離氫同位素而言，在選擇電催化劑時，要兼顧催化活性和分離效應。
電流密度對氫同位素分離係數的影響
不同溫度下PbAg陰極的2條關係曲線均表明，H/D同位素分離係數隨電流密度的升高而增大。這可能是因為電流密度的增大減小了電極的極化情況，使得電極的同位素效應增強，如右圖所示。
流密度i對IrRu/Nafionl17/PbAg 電極H/D分離係數a的影響
流密度i對IrRu/Nafionl17/PbAg 電極H/D分離係數a的影響溫度對氫同位素分離係數的影響
理論上，溫度對分離係數呈負面影響。在40一70℃範圍內反應的活化能約為6778 J/mol。IrRu/Nafion117/PbAg電極的H/D同位素分離係數隨溫度的升高而減小，在40、60、70℃時分離係數分別約為4.49、3.76、3.53。因此，在進行電解分離時，應將溫度控制在適當範圍內。
質子在Nation膜中傳輸的氫同位素效應
SPE電解法進行氫同位素分離很好的利用了質子在Nation膜中傳輸的同位素效應。由於H+在Nation膜中的電遷移速率比D+更快，更容易傳輸到陰極。提高陰極區H+的相對濃度，這將有助於加快H+在這裡的得電子反應，進而加快H析出。而相對來說，D+遷移擴散的速度較慢，到達陰極區的量相對較少。這樣在陰極區D+的百分含量相對於陽極側體相的比例會更小，故而，Nation膜的同位素效應在電極本身的同位素效應基礎上再次減緩D+的得電子反應，降低了D2的析出速率。因此，相對於傳統的鹼性電解槽的鹼性電解質溶液，SPE電解槽的固體聚合物電解質(Nation)更有利於電解液氘和氚的濃集。
