利用草酸分解制备氧同位素标记碳氧化合物气体的装置的制作方法

1.本实用新型属于氧同位素标记的一氧化碳和二氧化碳的制备技术领域，尤其是利用草酸分解制备氧同位素标记碳氧化合物气体的装置。


背景技术：

2.自然界中，氧有
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o、
17
o、
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o三种稳定同位素，其天然丰度分别为99.759%、0.037%和0.204%，氧同位素产品中，一般要求
16
o丰度在99.9%以上，
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o在90%以上，
18
o的丰度在95%以上，由于氧同位素分离难度大，在丰度较高时，进一步提纯难度更大，因此在制备氧同位素标记物产品时，制备路线的选择至关重要。
3.氧同位素标记的一氧化碳和二氧化碳, 在科研中有着重要的用途，可用作示踪剂，中子吸收剂等，用来研究元素的来源、路径和反应机制等，例如用作标准参考气研究植物光合作用中氧元素的来源等。 由于氧同位素标记的一氧化碳和二氧化碳的制备难度较大，国内尚无厂家能自主制备，国外仅cil公司和拜耳公司等少数几家公司能够生产，一般是采用高纯碳在同位素氧气中进行燃烧的工艺进行制备，由于纯碳的燃点很高，需要控制在1000℃以上高温进行燃烧，条件苛刻，需要消耗大量的成本，另外如果温度不能达到1000℃以上，可能造成同位素氧气不完全参与燃烧，造成同位素氧气利用率低的缺点；同时由于燃烧过程中，同位素氧气和燃烧产物co2和co混在一起，后续分离过程中，由于氧气与co沸点相近，造成分离纯化困难，因此导致该类产品价格昂贵，且国内供货周期较长。
4.因此需要开发出一种工艺相对简单的氧同位素标记一氧化碳和二氧化碳的制备方法，降低生产成本，满足国内相关研究领域对该类产品的需求。


技术实现要素：

5.实用新型目的：提供利用草酸分解制备氧同位素标记碳氧化合物气体的装置，以解决现有技术存在的上述问题。
6.技术方案：利用草酸分解制备氧同位素标记碳氧化合物气体的装置，其中该处的碳氧化合物气体为一氧化碳和二氧化碳气体，具体包括第一收集瓶；
7.所述第一收集瓶通过管道一与反应釜连接，所述反应釜用于盛装草酸，所述第一收集瓶通过三通一与第二收集瓶连接，所述第二收集瓶通过三通二与第三收集瓶连接，所述第三收集瓶通过三通三与第四收集瓶连接，所述第四收集瓶通过三通四与co产品气袋连接，所述三通三的另外一端通过三通五连接有真空泵，所述三通五的另外一端连接有co2产品气袋，所述三通一、三通二和三通四的另外一端均与所述真空泵连接，另外，所述第一收集瓶放置在第一级冷冻装置内，所述第二收集瓶放置在第二级冷冻装置内，所述第三收集瓶放置在第三级冷冻装置内，所述第四收集瓶放置在第四级冷冻装置内；
8.所述管道一上设有开关阀一，所述三通一、三通二、三通四和三通五与所述真空泵之间的管道上均设有开关阀二，所述第四收集瓶和三通四之间的管道上设有开关阀三，所述第三收集瓶和三通二之间的管道上设有开关阀四。
9.进一步的：还包括缓冲气袋，所述三通一的另外一端和所述真空泵之间的管路上设有三通六，所述三通六的另外一端与所述缓冲气袋连接，所述三通六和所述真空泵之间的管路上设有开关阀五。
10.进一步的：所述反应釜设置在磁力搅拌器上。
11.进一步的：所述缓冲气袋和三通六的另外一端之间的管路上设有开关阀六，所述三通五的另外一端和co2产品气袋之间的管路上设有开关阀七。
12.本实用新型公开了利用草酸分解制备氧同位素标记碳氧化合物气体的装置，具有如下有益效果：
13.本实用新型制备的co2和co中的氧同位素丰度较高，制得的氧同位素标记的co2和co中
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o丰度大于99.95%，
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o丰度大于90%，
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o丰度大于95%；
14.本实用新型通过加热的方式将草酸分解，同时得到氧同位素标记的co2和co和h2o，通过不同的温度使得co2和co和h2o被分别收集起来，在得到产品的同时，回收了氧同位素h2o；
15.本实用新型的制备工艺简洁，产品分离过程简单，氧同位素利用率高，无其他杂质产生，具有环境友好的优点。
附图说明
16.图1是本实用新型的利用草酸分解制备氧同位素标记碳氧化合物气体的装置的结构示意图；
17.附图标记为：反应釜1、第一收集瓶2、第二收集瓶3、第三收集瓶4、第四收集瓶5、真空泵6、开关阀三7、co产品气袋8、开关阀一9、缓冲气袋10、开关阀五11、开关阀二12、co2产品气袋13、开关阀四14、开关阀六15、开关阀七16。
具体实施方式
18.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
19.如图1所示，利用草酸分解制备氧同位素标记碳氧化合物气体的装置，该处的碳氧化合物气体为一氧化碳气体和二氧化碳气体，具体的反应式为：
20.h2c2o4=h2o+co2↑
+co
↑
；
21.该装置具体包括第一收集瓶2、第二收集瓶3、第三收集瓶4和第四收集瓶5；
22.所述第一收集瓶2通过管道一连接有反应釜1，所述第一收集瓶2通过三通一连接有第二收集瓶3，所述第二收集瓶3通过三通二与第三收集瓶4连接，所述第三收集瓶4通过三通三与第四收集瓶5连接，所述第四收集瓶5通过三通四连接有co产品气袋8，通过上述的连接方式，三通一、三通二、三通三和三通四都只剩余一端，因此剩余的三通三的第三端通过三通五连接有真空泵6，同样三通五剩余一端，三通五的剩余一端与co2产品气袋13连接，所述三通一、三通二和三通四的剩余一端均与所述真空泵6连接，第一收集瓶2和反应釜1之间的管道一上设有开关阀一9，所述三通一、三通二、三通四和三通五与所述真空泵6之间的
管道上均设有开关阀二12，所述第四收集瓶5和三通四之间的管道上设有开关阀三7，所述第三收集瓶4和三通二之间的管道上设有开关阀四14；所述第一收集瓶2放置在第一级冷冻装置内，通过第一级冷冻装置实现对第一收集瓶2的冷冻，所述第二收集瓶3放置在第二级冷冻装置内，通过第二级冷冻装置实现对第二收集瓶3的冷冻，所述第三收集瓶4放置在第三级冷冻装置内，通过第三级冷冻装置实现对第三收集瓶4的冷冻，所述第四收集瓶5放置在第四级冷冻装置内，通过第四级冷冻装置实现对第四收集瓶5的冷冻。
23.在上面的实施例中，反应釜1用于盛装草酸，反应釜1内的草酸在受热后分解为co2↑
、co
↑
和h2o，当反应釜1内的温度高于水的沸点后，液态h2o变为水蒸气，从而在反应釜1内形成co2↑
、co
↑
和h2o
↑
的混合气体，当打开开关阀一9、开关阀三7和开关阀四14，另外开关阀二12和开关阀五11、开关阀六15和开关阀七16处于关闭状态时，反应釜1内的混合气体依次通过第一收集瓶2和第二收集瓶3，第一级冷冻装置用于对第一收集瓶进行冷冻处理，第二级冷冻装置用于对第二收集瓶进行冷冻处理，由于混合气体中水的凝固点最高、co2次之，co最低，因此，将第一收集瓶2和第二收集瓶3的温度降低至水的凝固点和co2的凝固点之间时，气态水在第一收集瓶2和第二收集瓶3变为固态水被留在第一收集瓶2和第二收集瓶3内，剩余的co2↑
、co
↑
继续向第三收集瓶4和第四收集瓶5移动，第三级冷冻装置用于对第三收集瓶4降温，第四级冷冻装置用于对第四收集瓶5降温，当第三收集瓶4和第四收集瓶5的温度降低至co2的凝固点和co的凝固点之间时，气态的co2在第三收集瓶4和第四收集瓶5内变为固态并被留在第三收集瓶4和第四收集瓶5内，剩余的气体只有co，co通过开关阀三7进入co产品气袋8内，通过co产品气袋8实现了对co的收集；通过收集第一收集瓶2和第二收集瓶3内的水，可以实现对氧同位素标记的水的收集，另外移除第三级冷冻装置和第四级冷冻装置后，第三收集瓶4和第四收集瓶5逐渐升温至室温，固态co2重新变为气态co2，因此，在移除第三级冷冻装置和第四级冷冻装置之前需要关闭开关阀三7和开关阀四14，避免气态co2进入co产品气袋8内或者进入反应釜1内，气态co2通过开关阀七16进入co2产品气袋13被收集，真空泵6用于在对反应釜1进行加热前对系统进行抽真空处理，避免系统中的空气影响收集的co2和co的纯度。
24.当需要制备的是含有
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o的co2和co时，采用
18
o同位素标记的草酸即可，当需要制备的是含有
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o的co2和co时，采用
17
o同位素标记的草酸即可，当需要制备的是含有
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o的co2和co时，采用
16
o同位素标记的草酸即可。
25.第一收集瓶和第二收集瓶用于收集水蒸汽，第三收集瓶和第四收集瓶用于收集气态co2，因此，通过第一级冷冻装置对第一收集瓶进行降温，使第一收集瓶内温度处于-4℃~0℃之间，从而可以使气态水蒸汽变为固态的冰块，通过第二级冷冻装置对第二收集瓶进行降温，使第二收集瓶内温度处于-20℃~
ꢀ‑
10℃之间，通过第二收集瓶再次使剩余的水蒸汽或者水珠凝固，通过第三级冷冻装置对第三收集瓶进行降温，使第三收集瓶内温度处于-85℃~
ꢀ‑
78.5℃，从而可以将气态co2变为固态的干冰，通过第四级冷冻装置对第四收集瓶进行降温，使第四收集瓶内温度处于-120℃~
ꢀ‑
100℃之间，通过第四收集瓶再次将剩余的少量气态co2变为固态的干冰，从而可以避免收集的气态co中混入co2
↑
或者h2o
↑
的情况。
26.在一个具体实施例中：所述三通一的第三端和所述真空泵6之间的管路上设有三通六，此时三通六尚余一端没有连接，因此三通六的剩余一端与缓冲气袋10连接，所述缓冲气袋10和所述真空泵6之间的管路上设有开关阀五11，所述缓冲气袋10和三通六的第三端
之间的管路上设有开关阀六。缓冲气袋10用于为系统起到缓冲作用，当co2和co使系统的气压变大时，为了避免爆炸，可以打开开关阀六15，使得混合气体进入缓冲气袋10内，从而降低系统的气体压力。
27.在一个具体实施例中：所述反应釜1设置在磁力搅拌器上。通过磁力搅拌器能够方便对反应釜1进行搅拌和加热，通过搅拌和加热能够使反应釜1内的草酸充分分解。
28.为了方便理解本实用新型的上述技术方案，以下对本实用新型的上述技术方案进行详细说明。
29.实施例一：
30.取
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o标记草酸9.8g，置于反应釜1中；
31.启动真空泵6，将装置内空气抽出，使装置内绝压小于5pa；
32.对第一收集瓶2、第二收集瓶3、第三收集瓶4和第四收集瓶5进行降温处理，使第一冷装置内温度达到0℃，第二级冷冻装置内温度达到-10℃，第三级冷冻装置内温度达到-80℃；第四装置内温度达到-100℃；
33.通过磁力搅拌器对反应釜1进行搅拌及加热，使反应釜1的温度升高至200℃以上，草酸开始分解产生气体，产生的气体依次通过第一收集瓶2、第二收集瓶3、第三收集瓶4和第四收集瓶5，从第四收集瓶5排出的气体，收集到co产品气袋8中，得到2.99gc
18
o，收率99.7%；
34.反应釜1内草酸分解完成后，停止加热；并将将第一级冷冻装置和第二级冷冻装置移除，将第一收集瓶2和第二收集瓶3中的液体收集起来，得到1.99gh
218
o产品，收率99.5%；
35.将第三级冷冻装置和第四级冷冻装置移除，使第三收集瓶4和第四收集瓶5缓慢复温至常温，产生的气体收集到co
2 产品气袋13中，得到4.79gc
18
o2,收率99.8%。
36.实施例二：
37.取
16
o标记草酸9.0g，置于反应釜1中；
38.启动真空泵6，将装置内空气抽出，使装置内绝压小于5pa；
39.对第一收集瓶2、第二收集瓶3、第三收集瓶4和第四收集瓶5进行降温处理，使第一冷装置内温度达到0℃，第二级冷冻装置内温度达到-10℃，第三级冷冻装置内温度达到-80℃；第四装置内温度达到-100℃；
40.通过磁力搅拌器对反应釜1进行搅拌及加热，使反应釜1的温度升高至190℃，草酸开始分解产生气体，产生的气体依次通过第一收集瓶2、第二收集瓶3、第三收集瓶4和第四收集瓶5，从第四收集瓶5排出的气体，收集到co产品气袋8中，得到2.79gc
16
o，收率99.6%；
41.反应釜1内草酸分解完成后，停止加热；并将将第一级冷冻装置和第二级冷冻装置移除，将第一收集瓶2和第二收集瓶3中的液体收集起来，得到1.79gh
216
o产品，收率99.4%；
42.将第三级冷冻装置和第四级冷冻装置移除，使第三收集瓶4和第四收集瓶5缓慢复温至常温，产生的气体收集到co
2 产品气袋13中，得到4.39gc
16
o2，收率99.8%。
43.以上结合附图详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本实用新型的保护范围。