Електроосмотичне фракціонування ізотопів водню у водних розчинах електролітів з використанням композитних протон-провідних мембран

Анотація

На основі аналізу особливостей електроосмотичних процесів, що реалізуються у протон-провідних мембранах оцінено можливість фракціонування ізотопів водню в електролітах, утворених з використанням тритійованої води (НТО). При взаємодії розчину з мембранами в їхніх каналах відбувається поляризація та часткова дисоціація молекул електроліту. У молекулах води при заміні протію на важкий ізотоп водню збільшується енергія розриву водневих зв’язків, і процес їхньої дисоціації відбувається переважно за схемою: НТО ↔ Н⁺ + ТО⁻. Частина вивільнених протонів може приєднуватися до молекул води з утворенням іона Н₃О⁺. Іони Н₃О⁺ і ТО⁻ більш рухливі, ніж інші однозарядні іони. Головною характеристикою, яка визначає придатність електроосмотичних мембран до фракціонування ізотопів водню, є їхня протонна провідність. Вивільнені протони мають аномально високу рухливість завдяки малим розмірам, тунельному та естафетному переміщенню через водневі зв’язки між сусідніми полярними групами в каналах протон-провідних мембран. Для забезпечення високої протонної провідності в порах і каналах мембран закріплюють речовини-модифікатори, що містять групи: –ОН, –NH₂, –NH, –SH, –COOH, –SO₃H, кислі солі та оксиди, які містять поверхневі протон-провідні групи. Для створення протон-провідних мембран можливо використання поверхнево-модифікованого β-глинозему (β-Al₂O₃(H₃O⁺)) та протонованого (H₃O⁺) монтморилоніту з іонною провідністю (5 × 10⁻³ – 4 × 10⁻⁴ Ом⁻¹·см⁻¹). Найбільш ефективними є поверхневі модифікатори з негативно зарядженими сульфоновими групами. Накладання зовнішнього електричного поля призводить до руху іонів в електроліті, що зумовлює перерозподіл ізотопного співвідношення в прианодному та прикатодному просторах.