轻元素稳定同位素分离
出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第357页（4120字）
在已发现的2000多种同位素中，稳定同位素约275个。
同一元素的同位素具有极相似的核外部性质，稳定同位素因无放射性危害，故作为示踪原子在医、药、农、生物、环境科学及生命科学等研究工作中起着极为重要的作用；利用同位素的核内性质差异，制造单一核素材料，在原子能工程、原子核结构研究以及制备医用放射性核素等方面都发挥了独特的作用。
稳定同位素均存在于天然物质中，所谓稳定同位素生产，实指分离操作。其方法分为：(1)利用质量差别的有电磁和离心法；(2)利用分子动力学性质差异的有扩散、热扩散、电迁移、分子蒸馏等方法；(3)利用热力学性质差别的有蒸馏、化学交换、萃取、色层、吸收、吸附、离子交换及结晶等方法；(4)利用化学反应动力学差别的有电解、光化学(包括激光分离)法；(5)利用生物的光合、氧化和发酵等效应的差异，称生物分离法。实践证明第(1)、(2)类适用于原子量在50以上的重元素同位素分离，第(3)、(4)类尤其是化学交换和蒸馏法适用于轻元素同位素分离。
1881年布特列洛夫(Буталepов)首先对元素原子量不成整数提出疑问，认为这些原子量可能是若干个整数原子量的平均值。1898年居里夫妇发现了放射性，随后人们果然发现了几十种元素相同而原子量不同的原子。1910年索地(Soddy)将它们定名为同位素，希腊文的意思是(在周期表中)占同一位置。1912年汤姆逊(Thomson)对除去CO2后的空气作低压放电，利用电磁原理发现空气中除了普通的质量数为20的氖粒子外，还有质量数相当于22的粒子，从而证实了22Ne同位素的存在。1919年阿斯顿(Aston)用上述原理制成了第1台质谱仪，又发现了氩、氪、氙、氯等元素的40多种稳定同位素，同时也为以后的电磁分离法奠定了基础。由于当时还不了解它们的用途，未进行实质性的分离研究，这段时间被称为同位素分离史的萌芽阶段。
1930年凯逊(Keeson)在－248．4℃低温下蒸馏液氖，实现了22Ne与20Ne的分离，1932年尤里(Urey)等在－252．6℃下蒸发液氢，首次发现并分离出氘，还进行了同位素热力学理论研究，为以后的蒸馏分离法提供了理论依据。从此同位素分离研究工作得到了蓬勃发展，两年内发表的论文超过了过去20年的总数，同位素分离进入了新阶段。
1933年路易斯(LewIs)利用减容电解技术从20L水中得到浓度高于99%的重水，虽只有0．1g但却是世界上第1批重水。1933～1935年尤里等又创立了同位素化学交换反应平衡常数的计算理论，两年后人们利用该法分离出6Li、13C、15N和34S等，并发现该法很适合于轻元素稳定同位素的大量分离。从1930～1941的10年中虽发明了许多物理化学分离方法，但产量少，只能供同位素本身的基础研究用，这段时间称为同位素分离史上的探索阶段。
第二次世界大战爆发后，由于军事原子能工业的发展，迫切需要大量浓缩的235U、重水和10B等，建起了大规模生产厂，促使同位素分离进入第3阶段即工业阶段。
战后美苏展开了激烈的核竞争，又大大推动了氘、氚和6Li的工业生产。苏联在1946～1949年，美国在1951～1953年相继建起H2S／H2O双温交换的重水工厂，该法又称GS过程，使重水生产成本得到了大幅度的下降。
加拿大沿着重水堆路线发展核能工业，已使核电成本降至火电的一半。主要原因之一就是对GS过程作了重大改进，可归纳为：(1)采用更合理的2～3级级联流程。
(2)利用冷塔底部的15～20块塔板作气－液直接换热的减湿段，取代体积庞大的间壁换热器，减少造价提高热回收率。(3)发明重叠式交换塔，减少滞留量缩短平衡时间；便于控制塔流量又降低塔阻力。(4)开发在线质谱分析技术，便于计算机控制，优化过程。(5)使用γ扫描技术监测塔内运转情况。
(6)加强三废治理改善操作环境，减少H2S损失，使H2S收率达到99．5%以上。1960年后加拿大建成的格拉斯湾、霍克斯布和布鲁斯3座重水厂，总生产能力为每年4000t，已成为世界重水产量最多技术先进的国家。
二次大战后许多国家致力于和平利用原子能事业，若干用途广泛的稳定同位素也得到大力开发。1946年勃立威尔(Brewer)用离子迁移法分离39K、41K及35Cl、37Cl。
1954年克莱姆(Klemm)用熔融盐离子迁移法分离6Li、7Li。而锂盐液－液离心萃取以及锂盐与冠醚或穴醚萃取被认为是富集6Li的有前途方法。
10B的分离经历了BF3低温精馏、BF3／二乙醚低压交换蒸馏以及BF3／苯甲醚化学交换等方法，后来开发的BF3／SO2·BF3低温交换被认为是最有希望的方法。
与有机生命体有关的碳、氮、氧、硫四元素稳定同位素对人类极为重要，它们的分离技术得到了不断发展，产量增加，成本下降。
1950年美国用既毒又贵的氰化物体系化学交换生产浓度达到60%的13C，以后又用耗电量大(2万度／克13C)的热扩散，成本高达每克13C3850美元，最后采用－195℃的CO低温精馏作为工业化方法。
1979年建成的工厂，生产能力约20千克13C／年，称COLA装置，全塔高200多米，大部分置于地洞中，是世界上最高的精馏塔。它的直接产品13C浓度仅达82%，经1200℃转化后再进高浓辅助塔——COLITA塔，最终浓缩至99%。它担负着世界绝大部分13C生产任务。
后来发展的CO2／二正丁胺／三乙胺(或辛烷)化学交换法，常温常压操作，被认为是直接生产高浓13C最有前途的方法，1990年杨国华等报导的年产100g13C浓度达90%～99%的研究结果，是该法实现工业规模生产的首例报导。
分离15N最有效方法是泰勒(Taylor)等于1950年开发的NO／HNO3化学交换法。
规模最大的生产装置是德国莱比锡中心研究所与比特罗菲林德化学联合企业合作建造的，生产能力为10kg15N／年，从1975年起运转至今。日、以、英、法和中国也有小型生产装置。
美国则采用NO低温精馏(－152℃)生产15N，副产17O和18O。第1套装置生产能力为4kg15N／年，浓度≥99%以及30%浓度的17O每年0．46kg，浓度99%以上的18O每年2．6kg。1976年又建成一套年产16kg15N，1．8kg17O和10kg18O的NO精馏工厂。
水精馏是生产18O历史最悠久的方法，1960年前均用上法，至今仍占优势。
以色列威尔兹曼研究所的装置，年产18O浓度达98%的D218O6kg，17O浓度为25%的H217O1．5kg，18O产量约占世界的50%。
德国的卡尔斯路埃原子核研究中心年产1kg 1 8O，浓度为99．8%，1974年开始生产99%高浓的17O。
美、苏、日、瑞士和中国也有此类生产装置。
为了获得34S，首先研究了SO2／HSO3化学交换，20年的研究表明此体系欠理想。
也研究过CS2液体热扩散法，还未取得满意结果。
对于稀有气体同位素的分离，用过热扩散和低温精馏技术，因需要量不大，故仍是热扩散占优势。
受控热核反应作为一种崭新巨大的能源，有着无穷的生命力，氘是其最重要的燃料。地球上的水其中所含的氘足以供给人类使用200亿年，因此不断改进氘分离技术仍是轻元素稳定同位素分离工作的研究重点。
作为重水生产最主要方法的GS过程，仍有不少潜力可挖，如双温双压流程，可增大总分离系数，增产10%～15%；热原料流程有可能增产6%；内部换热流程可减少管道投资并减轻腐蚀。气－液相H2O／H2双温交换过程因分离系数大，无毒不腐蚀，理论能耗低，不受氘源限制，近来又研制出效果较好的防水膜铂催化剂，可用于固定床交换塔，故仍被认为是有前途的方法，值得深入研究。
激光分离氘为大幅度降低重水成本带来了希望，初步估算表明它的投资仅为GS过程的1／5～1／10，生产成本仅为1／6。研制高功率高效率精确调频的激光器，寻找效果好的实用分离体系，开发受激同位素的分离和氘再生的好方法，以及相关的工程问题研究，都是激光法实现工业化的重大研究课题。
对于其他轻元素稳定同位素而言，不断改进化学交换及蒸馏等技术，开发激光分离研究也会有着深远的意义。
。【参考文献】：1 BaXTa^3c A B. Pa3;;e.'leMMe CTa6M;ibHblx H30TonoB, 1977 ,3-^20
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3 Matwiyoff N A. Stable isotope production - a distillation process, Los Alamos Science, 1983,8:64 - 65
4 杨国华，等．稳定同位素分离．北京：原子能出版社，1989
5 杨国华，等．同位素，1990，3(4)∶210～215
(化学工业部上海化工研究院杨国华高级工程师撰)