(57)【要約】【課題】水から酸素１７同位体を分離する方法及びこれを利用した酸素１７同位体の濃縮方法を提供する。【解決手段】本発明によると、酸素１７同位体を含む水にホルムアルデヒドを混合してホルムアルデヒド水溶液を製造する段階と、上記ホルムアルデヒド水溶液を加熱して水蒸気とホルムアルデヒド蒸気を含む蒸気混合物を生成する段階と、上記蒸気混合物を光分解して、酸素１７同位体が濃縮された一酸化炭素及び水素を含む混合ガス、酸素１７同位体が除去された水、及び残存ホルムアルデヒドを得る段階と、を含む、水から酸素１７同位体を分離する方法、及び上記水から酸素１７同位体を分離する方法に後続して、混合ガスに水素を追加し、触媒メタン化反応させてからメタン化してメタン（ＣＨ４）及び酸素１７濃縮水（Ｈ２１７Ｏ）を合成する触媒メタン化を行う段階と、を含む、酸素１７濃縮水の製造方法が提供される。【選択図】図１
2020082069.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素１７同位体を含む水にホルムアルデヒドを混合してホルムアルデヒド水溶液を製造する段階と、
前記ホルムアルデヒド水溶液を加熱して水蒸気及びホルムアルデヒド蒸気を含む蒸気混合物を生成する段階と、
前記蒸気混合物を光分解して、酸素１７同位体が濃縮された一酸化炭素及び水素を含む混合ガス、酸素１７同位体が除去された水、及び残存ホルムアルデヒドを得る段階と、を含む、水から酸素１７同位体を分離する方法。
【請求項２】
前記ホルムアルデヒドは水にモル比０．０１〜０．３の含有量で混合される、請求項１に記載の水から酸素１７同位体を分離する方法。
【請求項３】
前記加熱は３２０〜４００Ｋの範囲温度で行われる、請求項１又は２に記載の水から酸素１７同位体を分離する方法。
【請求項４】
前記蒸気混合物の光分解は１〜１５トルの圧力下で行われる、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の水から酸素１７同位体を分離する方法。
【請求項５】
前記蒸気混合物を光分解するときの光分解レーザーの波数（ｗａｖｅｎｕｍｂｅｒ）は２８３７０ｃｍ−１〜２８４００ｃｍ−１である、請求項１から請求項４のいずれか一項 に記載の水から酸素１７同位体を分離する方法。
【請求項６】
前記蒸気混合物を光分解するときの光分解レーザーの波数（ｗａｖｅｎｕｍｂｅｒ）は２８３７４．６３ｃｍ−１、２８３９６．３２ｃｍ−１、２８３９７．０６ｃｍ−１又はこれらの組み合わせである、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の水から酸素１７同位体を分離する方法。
【請求項７】
前記蒸気混合物を光分解するときに用いられる光分解レーザーは光ファイバレーザーである、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の水から酸素１７同位体を分離する方法。
【請求項８】
前記酸素１７同位体を含む水は、重水、軽水又はこれらの混合である、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の水から酸素１７同位体を分離する方法。
【請求項９】
前記酸素１７同位体が濃縮された一酸化炭素及び水素を含む混合ガス、酸素１７同位体が除去された水、及び残存ホルムアルデヒドを得る段階に後続して、
酸素１７同位体が除去された水及び残存ホルムアルデヒドを冷却凝縮して残存ホルムアルデヒドを分離する段階をさらに含む、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の水から酸素１７同位体を分離する方法。
【請求項１０】
前記冷却は１８１Ｋ（−９２℃）以下の温度で行われる、請求項９に記載の水から酸素１７同位体を分離する方法。
【請求項１１】
請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の水から酸素１７同位体を分離する方法により、酸素１７同位体を含む水から、酸素１７同位体が濃縮された一酸化炭素及び水素を含む混合ガス、酸素１７同位体が除去された水、及び残存ホルムアルデヒドを得る段階と、
前記混合ガスに水素を追加し、触媒メタン化反応させてからメタン化してメタン（ＣＨ４）及び酸素１７濃縮水（Ｈ２１７Ｏ）を合成する触媒メタン化を行う段階と、を含む、酸素１７濃縮水の製造方法。
【請求項１２】
メタン化して得られた酸素１７濃縮水（Ｈ２１７Ｏ）を前記水から酸素１７同位体を分離する方法の原料として再循環して、酸素１７濃縮水の製造工程を２段階で行う、請求項１１に記載の酸素１７濃縮水の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水から酸素１７同位体を分離する方法及びこれを利用した酸素１７同位体の濃縮方法に関するものであって、より詳細には、水を原料として用いて酸素１７同位体を分離することにより、重水又は軽水に含まれる酸素１７同位体を除去することができる方法、及び水に含まれている酸素１７同位体を分離して濃縮する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自然状態において、酸素には、成分比（同位体存在度）が９９．７５８％である酸素１６、成分比（同位体存在度）が０．０３７％である酸素１７、成分比（同位体存在度）が０．２０４％である酸素１８という三種類の安定同位体が存在する。核スピン（ｎｕｃｌｅａｒ  ｓｐｉｎ）が５／２である酸素１７同位体を１０％以上濃縮した酸素１７濃縮水（１７Ｏ−ｅｎｒｉｃｈｅｄ  ｗａｔｅｒ）は、核磁気共鳴（ｎｕｃｌｅａｒ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｒｅｓｏｎａｎｃｅ：ＮＭＲ）化合物及び磁気共鳴画像（ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  ｉｍａｇｅ：ＭＲＩ）の造影剤の原料として用いられる。２０％の酸素１７濃縮水は１グラム当たり約６００ドル、９０％の酸素１７濃縮水は１グラム当たり約３，５００ドルと非常に高価である。
【０００３】
原子炉（ｎｕｃｌｅａｒ  ｒｅａｃｔｏｒ）において減速材として用いられる黒鉛（ｇｒａｐｈｉｔｅ）、軽水（ｌｉｇｈｔ  ｗａｔｅｒ、１Ｈ２Ｏ）、重水（ｈｅａｖｙ  ｗａｔｅｒ、Ｄ２Ｏ）には、酸素１７（１７Ｏ）、窒素１４（１４Ｎ）、炭素１３（１３Ｃ）などの安定同位体が含まれる。これらは、中性子（ｎｅｕｔｒｏｎ）と反応して、放射性同位体（ｒａｄｉｏａｃｔｉｖｅ  ｉｓｏｔｏｐｅ）である炭素１４を生成する。半減期が５，７３０年の炭素１４は、有機放射性核種（ｏｒｇａｎｉｃ  ｒａｄｉｏｎｕｃｌｉｄｅ）であって、人体に有害であるため、原子力発電所や放射性廃棄物処分場では非常に厳しく管理されている主要な関心核種である。ヨーロッパ、カナダ、アメリカ、日本などは、ガス冷却炉の放射黒鉛（ｉｒｒａｄｉａｔｅｄ  ｇｒａｐｈｉｔｅ）及び重水炉の重水で発生した炭素１４廃棄物の処理に大きな困難を抱えている。現在、世界的に保管されている処分前の炭素１４の量は、廃棄物処分場全体の総処分許容量（ｔｏｔａｌ  ｌｉｍｉｔ）を超えて５００，０００Ｃｉに達しており、関連規制が徐々に強化されていることから、原子炉で発生する炭素１４の量を根本的に減らすことは非常に緊急かつ重要な課題である。
【０００４】
重水型原子炉（ｈｅａｖｙ  ｗａｔｅｒ  ｎｕｃｌｅａｒ  ｒｅａｃｔｏｒ）で冷却材及び減速材として用いられる重水（Ｄ２Ｏ）には、酸素１７同位体が０．０３７〜０．０５９％含まれる。約６００トンの重水を運用する出力１ＧＷｅ／ｙｒ級の重水炉で発生する炭素１４の量は年間７００Ｃｉに達し、このうち９５％以上が重水に含まれる酸素１７同位体に起因する。したがって、重水に含まれる酸素１７同位体を１／１０以下に除去することができれば、重水炉における炭素１４の発生量を９０％以上削減することができる。
【０００５】
酸素１８や酸素１７などの酸素同位体を分離する商業技術としては、蒸留（ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ）法が知られている。水蒸留（ｗａｔｅｒ  ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ）は、水を３２０Ｋの温度で分離する方法であって、酸素１８同位体の選択度（ｉｓｏｔｏｐｅ  ｓｅｌｅｃｔｉｖｉｔｙ）が１．００７程度である。また、酸素極低温蒸留（ｏｘｙｇｅｎ  ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ  ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ）は、９０Ｋの温度で液体酸素を蒸留して酸素同位体を分離する方法であって、酸素１８同位体の選択度は約１．０１２である。酸素１７同位体を０．０３７％以下に除去するにあたって、現在の蒸留技術で経済性を確保するのは不可能であると評価されている。米国特許第８３３７８０２（Ｂ２）号明細書には、１６０Ｋの温度で波長が９９８ｎｍである近赤外線レーザーでオゾンを光分解して酸素１７同位体を分離する方法が提示されているが、この方法は、酸素１７同位体の選択度が２．２程度と高くないため、商業技術に発展するには限界がある。
【０００６】
したがって、水に含まれる酸素１７同位体を高い選択度で分離して濃縮する方法が提供されれば、関連分野で広く適用できることが期待される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第８３３７８０２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の一側面は、水から酸素１７同位体を分離する方法を提供することである。
【０００９】
本発明の他の側面は、上記本発明の水から酸素１７同位体を分離する方法を用いた酸素１７同位体の濃縮方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一見地によると、酸素１７同位体を含む水にホルムアルデヒドを混合してホルムアルデヒド水溶液を製造する段階と、上記ホルムアルデヒド水溶液を加熱して水蒸気及びホルムアルデヒド蒸気を含む蒸気混合物を生成する段階と、上記蒸気混合物を光分解して、酸素１７同位体が濃縮された一酸化炭素及び水素を含む混合ガス、酸素１７同位体が除去された水、及び残存ホルムアルデヒドを得る段階と、を含む、水から酸素１７同位体を分離する方法が提供される。
【００１１】
本発明の他の見地によると、上記本発明の水から酸素１７同位体を分離する方法により、酸素１７同位体を含む水から、酸素１７同位体が濃縮された一酸化炭素及び水素を含む混合ガス、酸素１７同位体が除去された水、及び残存ホルムアルデヒドを得る段階と、上記混合ガスに水素を追加し、触媒メタン化反応させてからメタン化してメタン（ＣＨ４）及び酸素１７濃縮水（Ｈ２１７Ｏ）を合成する触媒メタン化を行う段階と、を含む、酸素１７濃縮水の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の水から酸素１７同位体を分離する方法によると、酸素１７同位体の選択度が４００であって、成分比が０．０５９％である酸素１７同位体のみに集中的にエネルギーを投入して分離することができるため、エネルギー効率が非常に良く、小さい規模の設備で大量生産が可能となる。一方、本発明を適用する場合には、酸素１７同位体が除去された重水生産の経済性を確保することができることから、重水炉における炭素１４の発生量を９０％以上低減させることが期待され、酸素１７濃縮水の生産コストを大幅に減少させることで、酸素１７濃縮水の多様な活用に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明による水から酸素１７同位体を分離する工程及び酸素１７濃縮水を製造する工程を図式的に示すものである（５０１：ホルムアルデヒド水溶液（３７３Ｋ）、５０２：ホルムアルデヒド光分解装置（３７３Ｋ）、５０３：ホルムアルデヒド及び水のトラップ装置（１００Ｋ）、５０４：メタン化装置、５０５：酸素１７濃縮水のトラップ装置（２４３Ｋ）、５０６：高濃縮のための酸素１７濃縮水の再循環）。
【図２】２８３７５ｃｍ−１の周りのホルムアルデヒドの光分解スペクトルを示すものである（１０１：酸素１７同位体存在度が０．０３７％であるホルムアルデヒドの光分解スペクトル、１０２：酸素１７同位体が３．８％である濃縮ホルムアルデヒドの光分解スペクトル）。
【図３】２８３９７ｃｍ−１の周りのホルムアルデヒドの光分解スペクトルを示すものである（２０１：酸素１７同位体存在度が０．０３７％であるホルムアルデヒドの光分解スペクトル、２０２：酸素１７同位体が３．８％である濃縮ホルムアルデヒドの光分解スペクトル）。
【図４】選択度が４００である酸素１７同位体分離工程において光分解生成物（ＣＯ）の 酸素１７同位体成分比(濃度)と放水（ｔａｉｌ  ｗａｔｅｒ）の 酸素１７同位体成分比の関係を示すものである（３０１：酸素１７同位体が０．０５９％である重水であるとき、３０２：酸素１７同位体が０．０３７％である軽水であるとき）。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付の図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を説明する。しかし、本発明の実施形態は、いくつかの他の形態に変形することができ、本発明の範囲が以下説明する実施形態に限定されるものではない。
【００１５】
本発明によると、水から酸素１７同位体を分離する方法は酸素１７同位体の選択度に優れるため、酸素１７同位体のみに集中的にエネルギーを投入して分離することができ、その結果、エネルギー効率が非常に良く、小さい規模の設備による大量生産が可能となる。
【００１６】
より詳細には、本発明による水から酸素１７同位体を分離する方法は、酸素１７同位体を含む水にホルムアルデヒドを混合してホルムアルデヒド水溶液を製造する段階と、上記ホルムアルデヒド水溶液を加熱して水蒸気及びホルムアルデヒド蒸気を含む蒸気混合物を生成する段階と、上記蒸気混合物を光分解して、酸素１７同位体が濃縮された一酸化炭素及び水素を含む混合ガス、酸素１７同位体が除去された水、及び残存ホルムアルデヒドを得る段階と、を含む。
【００１７】
本発明で分離することができる上記酸素同位体は酸素１７（１７Ｏ）である。
【００１８】
上記酸素１７同位体を含む水にホルムアルデヒドを混合してホルムアルデヒド水溶液を製造する段階において、上記ホルムアルデヒドは、モル比０．０１〜０．３の含有量、より好ましくは０．０１〜０．２５、例えば、０．０５〜０．２の含有量で水に混合されることが好ましい。ホルムアルデヒドが上記範囲未満で混合される場合には、酸素１７同位体交換反応が不十分となって生産性が低くなるという問題があり、ホルムアルデヒドが上記範囲を超えると、ホルムアルデヒドポリマーが生成されるという問題がある。
【００１９】
次に、ホルムアルデヒド水溶液を製造した後、上記ホルムアルデヒド水溶液を加熱して水蒸気及びホルムアルデヒド蒸気を含む蒸気混合物を生成するための段階を行う。このとき、上記加熱は、３２０〜４００Ｋの範囲の温度、好ましくは３５０〜３８０Ｋの温度で行われる。
【００２０】
その後、上記蒸気混合物が得られたら、これを光分解して、酸素１７同位体が濃縮された一酸化炭素及び水素を含む混合ガス、酸素１７同位体が除去された水、及び残存ホルムアルデヒドを得る。
【００２１】
このとき、上記蒸気混合物を光分解する工程は、１〜１５トル（Ｔｏｒｒ）の圧力下で行われることが好ましく、例えば、５〜１０トルの圧力下で行われることができる。上記蒸気混合物を光分解する工程が上記圧力範囲未満で行われる場合には、生産性（ｐｒｏｄｕｃｔｉｖｉｔｙ）が低くなるという問題があり、上記圧力範囲を超えて行われる場合には、光分解量子収率（ｐｈｏｔｏｄｉｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｙｉｅｌｄ）が８５％以下と低くなるという問題がある。
【００２２】
特に本発明は、光ファイバレーザーを用いることで特定波数のレーザーを照射する。上記蒸気混合物を光分解するときの光分解レーザーの波数（ｗａｖｅｎｕｍｂｅｒ）は、２８３７０ｃｍ−１〜２８４００ｃｍ−１、好ましくは２８３７４ｃｍ−１〜２８３７５ｃｍ−１又は２８３９６ｃｍ−１〜２８３９８ｃｍ−１、より好ましくは２８３７４．６ｃｍ−１、２８３９６．３ｃｍ−１、２８３９７．１ｃｍ−１又はこれらの組み合わせ、最も好ましくは２８３７４．６３ｃｍ−１、２８３９６．３２ｃｍ−１、２８３９７．０６ｃｍ−１又はこれらの組み合わせである。
【００２３】
本発明において、上記蒸気混合物を光分解するときに用いられる光分解レーザーは、エネルギー効率が高く、維持及び管理が容易な光ファイバレーザーを用いることができるが、これに制限されるものではない。上記光ファイバレーザーとは、光ファイバ内に能動媒質を有するレーザーであって、励起媒質に低準位の希土類ハロゲン化物を添加した光ファイバレーザーのことである。このような光ファイバレーザーは、小さくて軽く、維持及び管理が便利であり、特にエネルギー効率が高く、発振波長領域が広いため、広範囲にわたって出力調節が可能となる。その結果、ホルムアルデヒドの光分解のための波数を選択的に発生させることができることから、本発明への適用に好ましい。
【００２４】
このような波数のレーザーを蒸気混合物に照射すると、酸素１７同位体が含まれるホルムアルデヒドのみを選択的に光分解することができる。光分解過程で用いられるホルムアルデヒド遷移波長における、酸素１７同位体が含まれるホルムアルデヒドの光吸収断面積は、数トルの圧力、例えば、１５トルで３．０〜３．５×１０−１９ｃｍ２／ｍｏｌｅｃｕｌｅであり、残りの同位体（ｔｈｅ  ｏｔｈｅｒ  ｉｓｏｔｏｐｏｌｏｇｕｅｓ）の背景吸収断面積は、約８×１０−２１ｃｍ２／ｍｏｌｅｃｕｌｅであって、酸素１７同位体の選択度は約４００である。
【００２５】
本発明において、上記１７Ｏを含む水は、重水、軽水、又はこれらの混合であることができる。
【００２６】
一方、本発明において、上記酸素１７同位体が濃縮された一酸化炭素及び水素を含む混合ガス、酸素１７同位体が除去された水、及び残存ホルムアルデヒドを得る段階に後続して、酸素１７同位体が除去された水及び残存ホルムアルデヒドを冷却凝縮することで残存ホルムアルデヒドを分離する段階をさらに含むことができる。
【００２７】
かかる工程により、上記光分解工程で光分解されないホルムアルデヒドを回収して排出し、光分解によって得られた光分解産物である水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）を分離回収することができる。このとき、上記光分解によって形成された生成物である水素及び一酸化炭素と光分解されずに存在するホルムアルデヒドは冷却凝縮させることにより回収することができる。光分解されないホルムアルデヒドは、氷点が−９２℃であり、上記氷点以下に冷却させることにより凝縮させることができる。したがって、上記冷却は、１８１Ｋ（−９２℃）以下の温度で行われることが好ましく、例えば、１００Ｋ〜１８１Ｋの温度で行われることができる。
【００２８】
このとき、ホルムアルデヒドの凝縮条件下においても水素及び一酸化炭素は依然としてガス状態で存在するため、光分解反応生成物である水素及び一酸化炭素をガス状態で回収してホルムアルデヒドとの分離を行うことができる。
【００２９】
このようにして排出されたホルムアルデヒドは、上記光分解工程において光分解されなかったホルムアルデヒドであり、酸素１７同位体を含むホルムアルデヒドが含まれている可能性があるため、これをホルムアルデヒド光分解工程において再循環させることができる。
【００３０】
上記のような水から酸素１７同位体を分離する方法により、酸素１７同位体を回収することができる。また、このような方法は、放射性同位体を分離除去することができるため、原子力炭素廃棄物の処理にも適切に適用されることができる。
【００３１】
すなわち、原子炉（ｎｕｃｌｅａｒ  ｒｅａｃｔｏｒ）の冷却材及び構造材として用いられる物質には酸素１７同位体などが含まれるが、これら安定同位体は原子炉中性子（ｒｅａｃｔｏｒ  ｎｅｕｔｒｏｎ）と反応して炭素１４（１４Ｃ）の放射性同位体（ｒａｄｉｏａｃｔｉｖｅ  ｉｓｏｔｏｐｅ）を生成する。そのため、重水などに含まれる酸素１７同位体を１／１０以下に除去することができれば、重水炉における炭素１４の発生量を９０％以上減らすことができる。
【００３２】
一方、上記のようなホルムアルデヒドの光分解によって生成された上記一酸化炭素には酸素同位体である酸素１７が含まれている。したがって、このような一酸化炭素及び水素を含む上記残留光分解産物を触媒メタン化反応させることにより、酸素１７同位体を回収することができる。
【００３３】
これに関して、本発明の他の見地によると、上記本発明の水から酸素１７同位体を分離する方法により、酸素１７同位体を含む水から、酸素１７同位体が濃縮された一酸化炭素及び水素を含む混合ガス、酸素１７同位体が除去された水、及び残存ホルムアルデヒドを得る段階と、上記混合ガスに水素を追加し、触媒メタン化反応させてからメタン化してメタン（ＣＨ４）及び酸素１７濃縮水（Ｈ２１７Ｏ）を合成する触媒メタン化を行う段階と、を含む、酸素１７濃縮水の製造方法が提供される。
【００３４】
具体的には、上記光分解によって生成された水素及び一酸化炭素を分離回収した後、そこから酸素１７同位体を分離するために、触媒メタン化（ｃａｔａｌｙｔｉｃ  ｍｅｔｈａｎａｔｉｏｎ）反応（５０４）を行うことが好ましい。このような触媒メタン化反応によって水素及び一酸化炭素から水（Ｈ２Ｏ）及びメタン（ＣＨ４）を生成し（５０５）、上記得られた水を凝縮させて水を回収することにより、酸素１７同位体が濃縮された水を最終生成物として抽出することができる。
【００３５】
すなわち、上記光分解によって生成された水素及び一酸化炭素に水素を供給して触媒メタン化反応を起こすと、水及びメタンを得ることができる。
【００３６】
上記触媒メタン化反応に用いられる触媒としては、一般的に用いられるものが適用され、特に限定されないが、例えば、ラネーニッケル（Ｒａｎｅｙ  Ｎｉｃｋｅｌ）を挙げることができる。
【００３７】
さらに、メタン化して得られた酸素１７濃縮水（Ｈ２１７Ｏ）を、水から酸素１７同位体を分離する方法の原料として再循環して、酸素１７濃縮水の製造工程を２段階で行うことができる。この場合、酸素１７同位体が９０％以上濃縮された生成物を得ることができる。
【００３８】
すなわち、酸素１７同位体を分離する場合、１段階の光分解で生成された水素及び一酸化炭素から触媒メタン化反応によって酸素１７同位体を含む水を合成し（５０５）、上記合成された水に酸素１７同位体を含まない別のホルムアルデヒドを供給して上記合成された水及びホルムアルデヒドとの酸素１７同位体交換反応を誘導することにより、酸素１７同位体を含むホルムアルデヒドを生成することができる。
【００３９】
このような酸素１７同位体交換反応により、光分解過程において濃縮された水に含まれる酸素１７同位体をホルムアルデヒドに伝達することができる。これにより、酸素１７同位体が含まれたホルムアルデヒドを得ることができる。また、上記得られた酸素１７同位体を含むホルムアルデヒドを２段階の光分解工程に供給して光分解させることにより、酸素１７同位体の分離を行うことができる。
【００４０】
また、酸素１７同位体は、触媒メタン化反応により、メタン及び酸素１７同位体を含む水を生成し、生成された水を凝縮して水を回収することにより、酸素１７同位体を分離することができる。
【００４１】
上記のような方法による酸素１７同位体の２段階の分離工程を経ることにより、酸素１７同位体の濃縮係数を３０，０００まで向上させることができる。
【００４２】
したがって、本発明の水から酸素１７同位体を分離する方法によると、酸素１７同位体の選択度が４００であって、成分比が０．０３７〜０．０５９％である酸素１７同位体のみに集中的にエネルギーを投入して分離することができるため、エネルギー効率が非常に良く、小さい規模の設備で大量生産が可能となる。
【００４３】
一方、本発明を適用する場合には、酸素１７同位体が除去された重水生産の経済性を確保することができることから、重水炉における炭素１４の発生量を９０％以上低減させることが期待され、酸素１７濃縮水の生産コストを大幅に減少させることで、酸素１７濃縮水の多様な活用に寄与することができる。
【実施例】
【００４４】
以下、具体的な実施例を通じて本発明をより具体的に説明する。下記実施例は、本発明の理解を助けるための例示に過ぎず、本発明の範囲がこれに限定されるものではない。
【００４５】
１．酸素１７同位体の分離に有用なホルムアルデヒドの光分解波長を確認
ホルムアルデヒド（ｆｏｒｍａｌｄｅｈｙｄｅ、Ｈ２ＣＯ）ガスに３４０〜３６０ｎｍの波長領域の紫外線光を照射すると、下記式（１）のように、水素分子（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）に光分解される。
2020082069.tif 000003
【００４６】
図２及び図３は線幅が６０ＭＨｚの狭い線幅の単一モード（ｓｉｎｇｌｅ  ｍｏｄｅ）レーザーを用いて、３４３Ｋの温度で測定したホルムアルデヒド光分解スペクトルを示すものである。
【００４７】
図２及び図３において、１０１及び２０１は酸素１７同位体存在度が０．０３７％であるホルムアルデヒドスペクトルであり、１０２及び２０２は酸素１７同位体の成分比が３．８％である濃縮ホルムアルデヒドの光分解スペクトルである。このとき、用いたホルムアルデヒド水溶液は、ホルムアルデヒドのモル比（ｍｏｌａｒ  ｒａｔｉｏ）が０．２であり、水溶液蒸気の総圧力は１５トル、圧力線幅拡大（ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｂｒｏａｄｅｎｉｎｇ）は約５００ＭＨｚである。
【００４８】
図２（ａ）と図３（ｂ）及び（ｃ）は、酸素１７同位体の分離に有用な光分解波長であり、光分解レーザーの波数（ｗａｖｅｎｕｍｂｅｒ）はそれぞれ２８３７４．６３ｃｍ−１、２８３９６．３２ｃｍ−１、２８３９７．０６ｃｍ−１である。（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）において酸素１７同位体のホルムアルデヒドの吸収断面積は３．０〜３．５×１０−１９ｃｍ２／ｍｏｌｅｃｕｌｅであり、残りの同位体（ｔｈｅ  ｏｔｈｅｒ  ｉｓｏｔｏｐｏｌｏｇｕｅｓ）の背景吸収断面積は約８×１０−２１ｃｍ２／ｍｏｌｅｃｕｌｅであり、酸素１７同位体の選択度は約４００である。
【００４９】
ここで、同位体の選択度Ｓは次の式（２）のように定義される。ＣＦは原料である酸素１７同位体存在比であり、ＣＰは生成物である酸素１７同位体存在度(成分比)である。
2020082069.tif 000004
【００５０】
２．光分解生成物の濃縮度と放水（ｔａｉｌ  ｗａｔｅｒ）の成分比の関係を確認
図４は酸素１７同位体の選択度が４００である分離工程における、光分解生成物（ｐｈｏｔｏｄｉｓｓｏｃｉａｔｅｄ  ｐｒｏｄｕｃｔ）の濃縮度と放水（ｔａｉｌ  ｗａｔｅｒ）の成分比の関係を示すものである。
【００５１】
図４において、３０１は酸素１７同位体が０．０５９％である重水の場合であり、３０２は酸素１７同位体が０．０３７％である軽水の場合である。重水に含まれる酸素１７同位体を０．００５％に除去する工程において、光分解生成物である一酸化炭素の酸素１７同位体の成分比は１１％となる。軽水を原料として酸素１７同位体を濃縮する工程の場合、テールの成分比が０．０２％であると濃縮度が１０％である酸素１７同位体生成物を得ることができ、分離工程を一段階追加して２段階で構成すると、酸素１７同位体が９０％以上濃縮された生成物を得ることができる点が確認された。
【００５２】
実施例１：水から酸素１７同位体の分離
重水にホルムアルデヒドをモル比０．２以下で溶かしたホルムアルデヒド水溶液５０１を３４３Ｋで加熱して発生させた、重水とホルムアルデヒドの蒸気を、圧力が５〜１５トル程度となるように光分解装置５０２に注入した。３４３Ｋで加熱された光分解装置５０２では、酸素１７同位体、ホルムアルデヒドが光分解され、同時に残存ホルムアルデヒドと重水の間に下記式（３）のような酸素同位体交換（ｏｘｙｇｅｎ−ｉｓｏｔｏｐｅ  ｅｘｃｈａｎｇｅ）反応が起こる。
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【００５３】
水とホルムアルデヒドの間の酸素１７同位体交換反応は数分以内に起こるが、水素同位体交換（ｈｙｄｒｏｇｅｎ−ｄｅｕｔｅｒｉｕｍ  ｅｘｃｈａｎｇｅ）は反応時間が数百時間と非常に遅いため、酸素１７同位体の分離過程で水素同位体は交換されない。そのため、酸素１７同位体の除去工程で原料である重水の損失はない。
【００５４】
酸素１７同位体が０．００５％以下に除去された重水（１７Ｏ−ｄｅｐｌｅｔｅｄ  Ｄ２Ｏ）は、約２４３Ｋの温度で維持される水トラップ（ｗａｔｅｒ−ｔｒａｐ）にトラップ（５０３）されて最終生成物となる。残存ホルムアルデヒドは、１００Ｋで維持される液体窒素（ｌｉｑｕｉｄ  ｎｉｔｒｏｇｅｎ−ｔｒａｐ）にトラップされて、光分解生成物である合成ガス（ｓｙｎｇａｓ、Ｈ２＋Ｃ１７Ｏ）から分離される。必要な場合、合成ガスは、水素が追加供給されるメタン化装置５０４に移送されて、約１０％の酸素１７濃縮水５０５を副産物として得る。
【００５５】
このような工程により、重水に含まれる酸素１７同位体を除去して、酸素１７同位体がない重水（１７Ｏ−ｆｒｅｅ  Ｄ２Ｏ）を生成した。
【００５６】
実施例２：酸素１７濃縮水の製造
水にホルムアルデヒドをモル比０．１〜０．２程度で溶かした水溶液５０１を３７３〜３９３Ｋで加熱して発生させたホルムアルデヒド水溶液の蒸気を、圧力が約５トル程度となるように光分解装置５０２に注入した。３７３Ｋで加熱された光分解装置５０２では、酸素１７同位体、ホルムアルデヒドが光分解され、同時にホルムアルデヒドと水の間に酸素同位体交換（ｏｘｙｇｅｎ−ｉｓｏｔｏｐｅ  ｅｘｃｈａｎｇｅ）反応が起こる。
【００５７】
光分解されて残った残存ホルムアルデヒド及び水は１００Ｋで維持される液体窒素（ｌｉｑｕｉｄ−ｎｉｔｒｏｇｅｎ  ｔｒａｐ）にトラップされて、光分解生成物である合成ガスから分離される。合成ガスは、水素が追加供給されるメタン化装置５０４に移送されて、濃縮度が約１０％である酸素１７濃縮水５０５に変換される。
【００５８】
５０６は２段階の工程のための再循環ラインである。２段階では、１０％の酸素１７濃縮水にホルムアルデヒドをモル比０．１〜０．２程度で溶かした水溶液５０１を用いる。２段階で構成された分離工程では、濃縮度が９０％以上である酸素１７濃縮水を生成することができる。
【００５９】
上記のような工程により、水を原料として用いて酸素１７濃縮水を生成した。
【００６０】
以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内で様々な修正及び変形が可能であることは、当技術分野における通常の知識を有する者には自明である。
【符号の説明】
【００６１】
１０１、２０１  酸素１７同位体の同位体存在度が０．０３７％であるホルムアルデヒドの光分解スペクトル
１０２、２０２  酸素１７同位体が３．８％である濃縮ホルムアルデヒドの光分解スペクトル
３０１  酸素１７同位体が０．０５９％の重水であるとき
３０２  酸素１７同位体が０．０３７％の軽水であるとき
５０１  ホルムアルデヒド水溶液
５０２  ホルムアルデヒド光分解装置
５０３  ホルムアルデヒド及び水のトラップ装置
５０４  メタン化装置
５０５  酸素１７濃縮水のトラップ装置
５０６  高濃縮のための酸素１７濃縮水の再循環
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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