Student doktorského studia, Ing. Jiří Mikeš, na Ústavu energetiky VŠCHT Praha zaměřil svůj výzkum na lithium. Lithium je nejlehčí alkalický kov, je značně reaktivní, stříbřitě lesklý a většina z vás si bude ze základní školy pamatovat, že hoří červeným plamenem. Má bohaté využití, najdete ho v bateriích mobilních telefonů, podává se jako lék manické fáze bipolární deprese, najdete jej v akumulátorech a využívá se v jaderné energetice. A protože v přírodě se vyskytují dva stabilní izotopy lithia, Jiří Mikeš provádí jejich izotopovou separaci pomocí ionexů.
Jak je známo, každý atom se skládá z jádra a obalu, obal je tvořen elektrony a jádro protony a neutrony. Jádra atomů izotopů jednoho prvku mají stejný počet protonů, ale mohou mít rozdílný počet neutronů. Liší se tedy nukleonovým číslem. Většina prvků se v přírodě vyskytuje jako směs různých izotopů. Jednotlivé izotopy mají různé vlastnosti. Konkrétně lithium se v přírodě vyskytuje ve směsi dvou izotopů 7Li a 6Li v přibližném poměru 1 : 10.
Sloučeny izotopu 7Li s malým účinným průřezem[1] se používají v jaderných reaktorech jako pomocné látky. Například hydroxidem lithným 7LiOH se snižuje kyselost chladící vody v běžných jaderných elektrárnách. Fluoridem lithným 7LiF se zase snižuje teplota tání tekutých solí ve speciálních jaderných reaktorech chlazených tekutými solemi (MSR), které se používají například v jaderných ponorkách. Kdyby tyto látky byly z přírodního lithia, kde se nachází 92,5 % 6Li, tak by pohlcovaly tepelné neutrony a zastavovaly jaderné reakce. Naproti tomu izotop 6Li s velkým účinným průřezem pohlcuje velmi dobře neutrony a je možné jej použít při jaderné fúzi – velmi perspektivního zdroje energie budoucnosti. K jaderné fúzi však musí být použito lithium, kde je prakticky jen izotop 6Li. Stejný důvod k separaci je obecně znám např. u uranu.
Cílem Ing. Jiřího Mikeše je tedy co nejvíce zdokonalit metodu iontové výměny pro co nejefektivnější využití v průmyslu. Toho by mohlo být dosaženo pomocí tzv. ionexu, což je zrnitý materiál, který je schopný měnit ionty na svém povrchu. Ionexy se dělí na dva hlavní druhy, katexy, které vyměňují kationty, a anexy, které vyměňují anionty. Silně kyselý katex vypadá jako malé gelové kuličky, které jsou vyrobeny z polymeru, a díky funkčním skupinám nesou záporný náboj. Záporně nabité skupiny přitahují a vyměňují kladně nabité kationty. Všechny kationty ale nejsou přitahovány stejně velkou silou.
„Katex si můžeme představit jako květ plný nektaru a kationty jako roj včel, které letí okolo. Květ bude jistě přitahovat všechny včely, ale ty hladové a ty co mají za úkol obstarávat potravu jistě více, než ty které hlídají vchod do úlu,“ vysvětluje Jiří Mikeš.
Když lithnou sůl, např. LiCl, rozpustíme ve vodě, vzniknou nám kationty 6Li+, 7Li+ a chloridové anionty Cl-. Silně kyselý katex o něco silněji přitahuje větší kationty 7Li+ a naopak kationty 6Li+ jím projdou rychleji. Při separaci nejprve přivedeme na vršek kolony roztok lithné soli, při jeho průtoku skrz kolonu proběhne izotopová separace a na spodku kolony začne vytékat směs izotopů, která je bohatší na lehčí (a rychlejší) izotop 6Li. Postupem času vytéká směs, která je podobná vstupnímu roztoku, a nakonec vytéká směs, ve které je naopak více těžšího izotopu 7Li.
Nejúčinněji ionexy pracují v kolonách. Kolony jsou vlastně dlouhé skleněné trubky naplněné ionexem, přes které protéká roztok lithné soli. Ve skupině Úprava vody ionexy a membránové separační techniky na Ústavu energetiky se zkoušejí různé délky a průměry kolon.
Čím je kolona delší, tím účinnější je separace, na druhou stranu tato účinnost neroste donekonečna a u velmi dlouhých kolon dochází k velkým tlakovým ztrátám. Jelikož čerpání pod tlakem je energeticky náročná záležitost, není možné v průmyslovém měřítku používat příliš dlouhé kolony. Podobné je to i se zrnitostí ionexu. Čím jsou kuličky ionexu menší, tím je účinnější separace, ale vyšší tlakové ztráty. Na separaci má dále vliv i způsob výroby ionexu, rychlost průtoku děleného lithia, teplota a další faktory.
Po jednom průtoku lithné soli přes kolonu dojde ke zvýšení obsahu jednoho izotopu asi jen o 0,09 %.
Kromě ladění parametrů izotopové separace se zároveň skupina zabývá automatizací separace. „Není možné, aby separace obou izotopů proběhla v jednom kroku. Separačních kroků je potřeba větší množství, například abychom z přírodního lithia vyrobili 99% lithium 6Li, potřebujeme 196 separačních kroků. Při separaci je nutné včas přesměrovat tok do jiné nádoby, aby se nám odseparované izotopy znova nesmíchaly,“ vysvětluje Jiří Mikeš. Do budoucna se počítá právě s automatizací a řízením celého procesu počítačem, aby celý proces byl zase o něco blíže využití v průmyslu.
[1] Účinný průřez je fyzikální veličina, která vyjadřuje pravděpodobnost, s jakou ostřelovaná částice zachytí nějakou jinou částici. Často se s touto veličinou počítá v jaderné energetice. Jako jednotka účinného průřezu se používá barn, 1 barn = 10-28 m2.