Методы получения особо чистых неорганических веществ - Степин Б.Д.
Скачать (прямая ссылка):
Представляется перспективным для создания узкой расплавленной зоны применять лазерное излучение, характеризующееся четкой фокусировкой и значительной энергетической плотностью.
Преимуществом рассмотренных вариантов нагревания с применением лучистой энергии является отсутствие опасности внесения загрязнений, что случается при использовании нагреваемых до высоких температур элементов сопротивления.
Наряду с созданием расплавленной зоны очень желательно принудительное охлаждение твердых участков образца, о благотворном влиянии которого на эффективность очистки упоминалось выше. Для этой цели обычно применяются чередующиеся с нагревателями кольцевые или змеевиковые холодильники, через которые пропускается хладагент (чаще всего проточная вода). Иногда принудительное охлаждение осуществляется путем обдува твердых участков образца воздухом.
Наиболее ответственную роль играет конструкция охладителей при проведении зонной плавки объектов, плавящихся при
350
температуре ниже комнатной. Низкотемпературная зонная плавка имеет преимущество перед другими способами ультраочистки, если, например, очищаемое вещество термически неустойчиво или в жидком (тем более, парообразном) состоянии настолько агрессивно, что в полной мере избежать опасности взаимодействия его с материалом аппаратуры или с очищающим агентом (комплексообразователь, сорбент, экстрагент) не удается. В приложении к неорганическим солям низкотемпературная зонная плавка может успешно применяться при очистке эвтектик лед+соль (криогидратов) [85, 86].
При осуществлении процесса низкотемпературной зонной плавки появляется необходимость контроля и регулирования температуры не только нагревателей, но и холодильников, причем от последних требуется: 1) длительное поддержание участков обрабатываемого образца, расположенных между зонами, в твердом состоянии (во избежание изменения длины этих участков при проведении процесса колебания температуры не должны превышать 1—2 град); 2) отвод тепла, выделяющегося при кристаллизации; 3) создание достаточно значительного градиента температуры на фронте кристаллизации.
Один из первых аппаратов для низкотемпературной зонной плавки был предложен Рокком [87]. Последний представляет собой вертикальный цилиндрический контейнер / с кольцевым сечением, заполненный очищаемым объектом (рис. 66). По внутренней трубке передвигается нагреватель сопротивления 2; контейнер помещен в сосуд 3 с промежуточным теплоносителем, который, в свою очередь, погружается в сосуд Дьюара 4 с хладагентом. Подобная аппаратура неоднократно применялась А. Г. Аникиным с сотрудниками, причем промежуточным теплоносителем служил инертный газ, а хладагентом — жидкий азот [88—90]. Недостатком такой конструкции является то обстоятельство, что добиться расплавленной зоны с плоскими границами весьма затруднительно, так как с внутренней стороны конвективные потоки воздуха от нагревателя расширяют границы зоны, а внешнее охлаждение может создать непроплав.
А. П. Изергин [63] проводил зонную плавку воды и этилового спирта в лодочке из фторопласта, погруженной в жидкий
Рис. 66. Аппарат для низкотемпературной зонной плавки жидкостей [87]:
/ — контейнер; 2 — нагреватель; 3 — сосуд с промежуточным теплоносителем; 4 — сосуд Дыоара,
351
азот, с созданием расплавленной зоны нагревателем, который расположен непосредственно над поверхностью образца. Аналогичную аппаратуру применяли при очистке метилметакрилата и стирола [91]. Такой аппарат прост по конструкции, но применим лишь к весьма ограниченному кругу объектов, так как не гарантирует от внесения загрязнений, воздействия влаги и т. п.
В работах [2, 3, 92—94] описано применение бытовой или специально изготовленной [94] холодильной камеры для поддержания объекта очистки в твердом состоянии, причем Циф, Рач и Шрамм [93] обеспечивали создание четкого фронта кристаллизации дополнительным змеевиковым холодильником, через который прокачивали хладагент. Естественно, что такой тип установок отличается громоздкостью, повышенным расходом энергии и не дает возможности поддерживать в твердом состоянии вещества с достаточно низкой температурой плавления.
Известны аппараты для низкотемпературной зонной плавки, состоящие из чередующихся кольцевых нагревателей и холодильников [9, 64, 85, 86, 95—98]. В холодильниках используется либо принудительная циркуляция охлаждающей жидкости, либо они представляют собой металлические хладоводы, выходящие из емкости с хладагентом.
В многозонных аппаратах первого типа обычно применяется последовательное соединение холодильников, что, естественно, приводит к последовательному повышению температуры в твердых участках вещества. Однако даже при параллельном соединении холодильников в сочетании с регулировкой температуры нагревателей трудно добиться одинаковой длины твердых участков, а следовательно, и расплавленных зон. Нижний предел по температуре плавления объекта очистки здесь ограничен температурой затвердевания хладагента.
Применение хладоводов позволяет значительно снизить температуру твердых участков слитка и избавляет от осложнений, связанных с применением проточных холодильников. Недостаток такого способа охлаждения — малый отвод тепла, ограниченный не столько температурой хладагента, сколько длиной и поперечным сечением хладоводов.
