(57)【要約】【課題】高価な原料を使用することなく、任意の酸素同位体比に調整可能な酸素含有化合物の製造方法を提供する。【解決手段】酸素−１６、酸素−１７及び酸素−１８を任意の成分比で含む第１原料ガスと、第１原料ガス中に不足する酸素同位体成分を第１原料ガスよりも多く含む第２原料ガスとを混合して、原料酸素ガスを調整し、原料酸素ガスからオゾンを生成した後、未反応の原料酸素ガスとオゾンガスとを分離し、オゾンガスにレーザを照射して所定の酸素同位体組成を有するオゾンを選択的に分解した後、分解により生成した酸素ガスと未反応のオゾンガスとを分離して、酸素同位体の同位体比が調整された酸素ガスを得る、酸素含有化合物の製造方法を選択する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素原子の安定同位体である酸素−１６、酸素−１７及び酸素−１８の同位体比が調整された酸素含有化合物の製造方法であって、
酸素−１６、酸素−１７及び酸素−１８を任意の成分比で含む第１原料ガスと、前記第１原料ガス中に不足する酸素同位体成分を前記第１原料ガスよりも多く含む第２原料ガスとを混合して、原料酸素ガスを調整し、
前記原料酸素ガスからオゾンを生成した後、未反応の前記原料酸素ガスとオゾンガスとを分離し、
前記オゾンガスにレーザを照射して所定の酸素同位体組成を有するオゾンを選択的に分解した後、
前記分解により生成した酸素ガスと未反応の前記オゾンガスとを分離して、酸素同位体比が調整された前記酸素ガスを得る、酸素含有化合物の製造方法。
【請求項２】
前記レーザを照射する際、目標とする酸素同位体比に近い酸素同位体組成を有するオゾンを選択的に分解する波長を選定する、請求項１に記載の酸素含有化合物の製造方法。
【請求項３】
酸素ガスとオゾンガスとを蒸留操作によって分離する、請求項１又は２に記載の酸素含有化合物の製造方法。
【請求項４】
酸素同位体の成分比が調整された酸素ガスを用いて、酸素含有化合物を生成する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の酸素含有化合物の製造方法。
【請求項５】
前記酸素含有化合物が、水、一酸化炭素及び二酸化炭素のいずれかである、請求項４に記載の酸素含有化合物の製造方法。
【請求項６】
酸素−１６、酸素−１７及び酸素−１８を任意の成分比で含む第１原料ガス供給源と、
前記第１原料ガス中に不足する酸素同位体成分を前記第１原料ガスよりも多く含む第２原料ガス供給源と、
前記第１原料ガスと前記第２原料ガスとを混合した原料酸素ガスからオゾンを生成させるオゾン発生装置と、
未反応の前記原料酸素ガスとオゾンガスとを分離する第１分離装置と、
前記オゾンガス中の、所定の酸素同位体組成を有するオゾンを選択的に分解するレーザ照射装置と、
前記分解により生成した酸素ガスと未反応の前記オゾンガスを分離する第２分離装置と、を備える、酸素含有化合物の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸素含有化合物の製造方法、及びその製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
酸素同位体濃度の調整方法としては、蒸留による方法が知られている（例えば、特許文献１）。蒸留での分離操作は、天然存在比の濃度組成を有する原料から、目標となる濃度組成となるまで蒸留塔内で濃縮していくが、蒸留分離は平衡分離であり、その組成は各成分の相対揮発度によって蒸留塔内の組成が決定する（図１は、蒸留塔内の濃度分布の一例を示す図である。）。
【０００３】
したがって、酸素同位体のうち、安定同位体である１６Ｏ（酸素−１６ともいう）、１７Ｏ（酸素−１７ともいう）及び１８Ｏ（酸素−１８ともいう）の３成分を所定の濃度組成に調整するためには、蒸留塔を専用に設計する必要がある。しかしながら、蒸留塔は一度製作したら変更することは行わないため、要求に応じて適宜濃度組成を変更することは困難である。
【０００４】
また、蒸留によって酸素同位体を分離する場合、１６Ｏ、１７Ｏ及び１８Ｏのうち、特定の成分のみを蒸留によって濃縮し、目的の濃度組成とすることは困難である。たとえば、１７Ｏを１０％まで濃縮した場合、１８Ｏも蒸留操作で濃縮するので、ほぼ１６Ｏと１８Ｏが同じ濃度になる。
【０００５】
したがって、従来の酸素同位体濃度の調整方法では、目的とする濃度組成にあわせて各同位体の成分が高濃度に濃縮されたものを用意し、これを混合して目的の濃度組成としていた。このため、任意の同位体組成の混合物が必要な場合、各成分を混合することになる。また、混合には、目的とする濃度よりも高い濃度の原料が必要となる。
【０００６】
例えば、１７Ｏを含み、かつ１８Ｏが低い組成が必要な場合、１６Ｏで希釈する必要があるが、１７Ｏも希釈されてしまうため、１７Ｏについてもより高濃度に濃縮されたもので希釈する必要がある。
【０００７】
ところで、酸素原子の３種類の安定同位体のうち、１７Ｏは中間成分でありかつ天然存在比も小さく、高濃縮品は高価であり、かつ生産量も少ない。このため、酸素同位体濃度の成分調整作業のために用意する原料は、非常に高価である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第４４６７１９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、高価な原料を使用することなく、任意の酸素同位体比に調整可能な酸素含有化合物の製造方法、及びその製造装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明は以下の構成を備える。
［１］  酸素原子の安定同位体である酸素−１６、酸素−１７及び酸素−１８の同位体比が調整された酸素含有化合物の製造方法であって、
酸素−１６、酸素−１７及び酸素−１８を任意の成分比で含む第１原料ガスと、前記第１原料ガス中に不足する酸素同位体成分を前記第１原料ガスよりも多く含む第２原料ガスとを混合して、原料酸素ガスを調整し、
前記原料酸素ガスからオゾンを生成した後、未反応の前記原料酸素ガスとオゾンガスとを分離し、
前記オゾンガスにレーザを照射して所定の酸素同位体組成を有するオゾンを選択的に分解した後、
前記分解により生成した酸素ガスと未反応の前記オゾンガスとを分離して、酸素同位体比が調整された前記酸素ガスを得る、酸素含有化合物の製造方法。
［２］  前記レーザを照射する際、目標とする酸素同位体比に近い酸素同位体組成を有するオゾンを選択的に分解する波長を選定する、［１］に記載の酸素含有化合物の製造方法。
［３］  酸素ガスとオゾンガスとを蒸留操作によって分離する、［１］又は［２］に記載の酸素含有化合物の製造方法。
［４］  酸素同位体の成分比が調整された酸素ガスを用いて、酸素含有化合物を生成する、［１］乃至［３］のいずれか一項に記載の酸素含有化合物の製造方法。
［５］  前記酸素含有化合物が、水、一酸化炭素及び二酸化炭素のいずれかである、［４］に記載の酸素含有化合物の製造方法。
［６］  酸素−１６、酸素−１７及び酸素−１８を任意の成分比で含む第１原料ガス供給源と、
前記第１原料ガス中に不足する酸素同位体成分を前記第１原料ガスよりも多く含む第２原料ガス供給源と、
前記第１原料ガスと前記第２原料ガスとを混合した原料酸素ガスからオゾンを生成させるオゾン発生装置と、
未反応の前記原料酸素ガスとオゾンガスとを分離する第１分離装置と、
前記オゾンガス中の、所定の酸素同位体組成を有するオゾンを選択的に分解するレーザ照射装置と、
前記分解により生成した酸素ガスと未反応の前記オゾンガスを分離する第２分離装置と、を備える、酸素含有化合物の製造装置。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の酸素含有化合物の製造方法は、高価な原料を使用することなく、酸素含有化合物を任意の酸素同位体比に調整できる。
【００１２】
また、本発明の酸素含有化合物の製造装置は、高価な原料を使用することなく、任意の酸素同位体比に調整された酸素含有化合物を製造できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】従来の蒸留塔内の濃度分布の一例を示す図である。
【図２】本発明の酸素含有化合物の製造方法に適用可能な製造装置の構成を示す系統図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を適用した一実施形態である酸素含有化合物の製造方法について、それに用いる製造装置とともに図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
【００１５】
なお、本明細書中において、濃度（％）とは、特に説明のない限り原子％（ａｔｏｍ％）を示すものとする。
また、酸素ガスとは、二原子分子である酸素分子Ｏ２の気体状態である。
また、オゾン（Ｏ３）とは、３つの酸素原子からなる酸素の同素体である。
また、オゾンガスとは、三原子分子であるオゾン分子Ｏ３の気体状態である。
【００１６】
＜酸素含有化合物の製造装置＞
先ず、本発明を適用した一実施形態である酸素含有化合物の製造装置の構成について説明する。図１は、本発明を適用した一実施形態である酸素含有化合物の製造装置の構成の一例を模式的に示す系統図である。
図１に示すように、本実施形態の酸素含有化合物の製造装置（以下、単に「製造装置」という）１は、第１原料ガス供給源２、第２原料ガス供給源３、オゾナイザー（オゾン発生装置）４、第１分離装置５、レーザ照射装置６、第１分離装置７、濃度調整ガス供給源８、及び経路Ｌ１〜Ｌ８を備えて、概略構成されている。
【００１７】
本実施形態の製造装置１は、蒸留によって濃縮された酸素安定同位体の３種の組成（安定同位体比）を調整する装置である。製造装置１は、３つの酸素安定同位体のうち、天然存在比が小さい酸素−１７を含む酸素を原料とし、酸素−１７の濃度を維持しつつ、酸素−１６及び酸素−１８の安定同位体比が調整された酸素を製品として得ることができる。
【００１８】
第１原料ガス供給源２は、酸素−１６、酸素−１７及び酸素−１８を任意の成分比で含む第１原料ガスの供給源である。第１原料ガスとしては、特に限定されないが、酸素蒸留や水蒸留で得られる酸素ガスを用いることができる。また、酸素−１６、酸素−１７及び酸素−１８を任意の成分比で含む第１原料ガスとしては、図１に示すように、蒸留塔の塔頂から塔底までの任意の位置から採取した酸素を用いることができる。これらの中でも、酸素−１７を多く含む酸素を第１原料ガスとして用いることが好ましい。なお、第１原料ガスは、第１原料ガス供給源２から経路Ｌ１を介してオゾナイザー４へ供給される。
【００１９】
第２原料ガス供給源３は、第２原料ガスの供給源である。第２原料ガスは、第１原料ガス中に不足する酸素同位体成分を第１原料ガスよりも多く含むものであれば、特に限定されるものではなく、酸素蒸留や水蒸留で得られる酸素ガスを用いることができる。例えば、製品酸素が、酸素−１７の濃度を維持しつつ、酸素−１８よりも酸素−１６の成分比が大きい場合では、第１原料ガスよりも酸素−１６を多く含む第２原料ガスとして、天然組成の酸素を用いてもよい。また、第２原料ガス中の酸素−１７の濃度は、第１原料ガスよりも少なくても構わない。
【００２０】
第２原料ガスは、第２原料ガス供給源３から経路Ｌ２を介して経路Ｌ１内に供給される。経路Ｌ１内において、第１原料ガスと第２原料ガスとが混合された原料酸素ガスは、オゾナイザー４へ供給される。なお、経路Ｌ２は、経路Ｌ１に接続された構成に限定されるものではなく、オゾナイザー４へ接続された構成であってもよい。この場合、オゾナイザー４へ別々に供給された第１原料ガスと第２原料ガスとを混合して原料酸素ガスとする。
【００２１】
オゾナイザー（オゾン発生装置）４は、酸素原料ガス（Ｏ２）からオゾン（Ｏ３）を生成させる装置である。オゾナイザー４は、酸素ガスからオゾンを生成させるものであれば、特に限定されない。オゾナイザー４としては、市販のオゾナイザー（例えば、東芝三菱電機産業システム社製、「ＯＰ−１２５Ｈ」等）を用いることができる。なお、オゾナイザー４で生成したオゾンと未反応の酸素原料ガス（酸素ガス）とを含む混合ガスは、経路Ｌ３を介して第１分離装置５に供給される。
【００２２】
第１分離装置５は、オゾナイザー４の後段に設けられており、オゾナイザー４で生成したオゾンと未反応の酸素原料ガス（酸素ガス）とを含む混合ガスを、酸素ガス（Ｏ２）とオゾンガス（Ｏ３）とに分離する装置である。第１分離装置５は、酸素ガスとオゾンガスとを分離できるものであれば、特に限定されない。第１分離装置５としては、蒸留装置を用いることができる。なお、第１分離装置５によって分離されたオゾンガスは、経路Ｌ４を介してレーザ照射装置６へ供給される。一方、第１分離装置５によって分離された酸素ガスは、経路Ｌ５を介して回収される。なお、回収された未反応の酸素ガスは、再度オゾナイザー４に供給してもよい。
【００２３】
レーザ照射装置６は、オゾンガスにレーザ光を照射してオゾンを分解させる装置である。レーザ照射装置６は、レーザ光の波長を選択することにより、所定の組成比を有するオゾンのみを選択的に分解することができる。レーザ照射装置６は、オゾンを分解させる波長のレーザ光を照射できるものであれば、特に限定されない。このようなレーザ照射装置６としては、市販のレーザ照射装置（例えば、ザッハー社製、「ＴＥＣ−３００」等）を用いることができる。なお、レーザ照射装置６で生成した酸素ガスと未反応のオゾンガスとを含む混合ガスは、経路Ｌ５を介して第２分離装置７に供給される。
【００２４】
第２分離装置７は、レーザ照射装置６の後段に設けられており、レーザ照射後の混合ガスを酸素ガス（Ｏ２）とオゾンガス（Ｏ３）とに分離する装置である。第２分離装置７は、酸素ガスとオゾンガスとを分離できるものであれば、特に限定されない。第２分離装置７としては、蒸留装置を用いることができる。なお、第２分離装置７によって分離された酸素ガスは、経路Ｌ６を介して製品酸素として回収される。一方、第２分離装置７によって分離されたオゾンガスは、経路Ｌ７を介して廃オゾンとして回収される。
【００２５】
濃度調整ガス供給源８は、濃度調整ガスの供給源である。濃度調整ガスは、製品酸素中の安定同位体成分の濃度組成をより正確に調整する必要がある場合に用いることができる。濃度調整ガスとしては、酸素の安定同位体成分のいずれかを高濃度に含む酸素ガスを用いることができる。なお、濃度調整ガスは、経路Ｌ８を介して経路Ｌ６中の製品ガスに供給される。
【００２６】
＜酸素含有化合物の製造方法＞
次に、本発明を適用した一実施形態である酸素含有化合物の製造方法（すなわち、上述した製造装置１の運転方法）について説明する。
本実施形態の酸素含有化合物の製造方法は、酸素原子の安定同位体である酸素−１６、酸素−１７及び酸素−１８の組成比が調整された酸素含有化合物の製造方法である。
以下、蒸留塔によって酸素−１６（１６Ｏ）が４０％、酸素−１７（１７Ｏ）が２０％、酸素−１８（１８Ｏ）が４０％に濃縮された原料酸素を用いて、酸素−１７の濃度を維持しつつ、酸素−１８の濃度を２０％以下に低減した製品酸素を得る場合を一例として説明する。
【００２７】
先ず、酸素−１６、酸素−１７及び酸素−１８を任意の成分比で含む第１原料ガスと、第１原料ガス中に不足する酸素同位体成分を第１原料ガスよりも多く含む第２原料ガスとを混合して、原料酸素ガスを調整する。
【００２８】
具体的には、蒸留塔によって酸素−１６（１６Ｏ）が４０％、酸素−１７（１７Ｏ）が２０％、酸素−１８（１８Ｏ）が４０％に濃縮された原料酸素を第１原料ガスとし、酸素−１６（１６Ｏ）を多く含む酸素として天然組成の酸素を第２原料ガスとして用いる。そして、第１及び第２原料ガス供給源２，３からそれぞれ第１及び第２原料ガスを供給する際、第２原料ガスが第１原料ガスの２倍となるように混合して原料酸素ガスを調整し、これをオゾナイザー４へ供給する。
【００２９】
次に、調整した原料酸素ガスからオゾンを生成して、酸素ガスとオゾンガスとの混合ガスを得る。具体的には、オゾナイザー４において、高周波電源装置から適切な高周波・高電圧を発光体に印加し、放電を発生させ、ここに原料酸素ガスを供給することにより、高濃度のオゾン（１０％程度）を生成する。なお、発生するオゾンの組成は、原料酸素ガス中の各安定同位体の濃度に依存するため、酸素−１６を多く含むオゾンが生成する。これにより、オゾナイザー４で生成したオゾンガスと未反応の酸素原料ガス（酸素ガス）とを含む混合ガスが得られる。
【００３０】
次に、オゾナイザー４で得られた混合ガスを第１分離装置５に導入して、未反応の酸素ガス（Ｏ２）とオゾンガス（Ｏ３）とに分離し、オゾンガスのみをレーザ照射装置６へ供給する。なお、本実施形態では、オゾンのみをレーザ照射装置６に供給しているが、通常は安全上、オゾンガスを不活性ガスで希釈して用いる。
【００３１】
次に、オゾンガスにレーザを照射して所定の同位体組成比を有するオゾンを選択的に分解する。具体的には、レーザ照射装置６を用い、レーザを照射する際、目標とする同位体組成比に近いオゾンを選択的に分解する波長を選定する。本実施形態では、目標濃度組成に近い１６Ｏ１６Ｏ１７Ｏをターゲットとしてレーザ照射波長を選定し、これを選択的に分解する。レーザ照射後の混合ガス中には、オゾンの分解によって生成した酸素ガス（Ｏ２）と未反応のオゾンガス（Ｏ３）とが含まれる。
【００３２】
次に、酸素ガスとオゾンガスとを分離する。具体的には、第２分離装置７を用いた蒸留操作によって、酸素ガス（Ｏ２）とオゾンガス（Ｏ３）とを分離する。
【００３３】
なお、蒸留操作によって分離した酸素ガスに、濃度調整ガスを供給してもよい。具体的には、濃度調整ガスは、経路Ｌ６を介して経路Ｌ４中の製品ガスに供給する。これにより、製品酸素中の安定同位体成分の濃度組成をより正確に調整することができる。
【００３４】
以上の運転操作により、酸素同位体の同位体比が調整された製品酸素（酸素ガス）が得られる。具体的には、製品酸素の同位体組成比は、酸素−１６（１６Ｏ）が７３％、酸素−１７（１７Ｏ）が２０％、酸素−１８（１８Ｏ）が６％となる。
【００３５】
また、本実施形態の酸素含有化合物の製造方法では、酸素の安定同位体である酸素−１６、酸素−１７及び酸素−１８の同位体組成比が調整された酸素を原料として用い、水（Ｈ２Ｏ）、一酸化炭素（ＣＯ）及び二酸化炭素（ＣＯ２）といった酸素含有化合物を生成することができる。酸素同位体の同位体組成比が調整された酸素ガスを用いて、これらの酸素含有化合物を生成することにより、酸素同位体の同位体組成比が調整された酸素含有化合物が得られる。
さらに、酸素含有化合物を製造する際、水素の安定同位体である水素（１Ｈ）、重水素（２Ｈ）及び三重水素（３Ｈ）や、炭素の安定同位体である炭素−１２（１２Ｃ）及び炭素−１３（１３Ｃ）と組み合わせることができるため、分子設計の自由度が高まる。
【００３６】
ところで、従来の酸素同位体組成比の調整方法では、各同位体の成分が高濃度に濃縮されたものを用意し、これを混合して目標の濃度とする方法しかなかった。このため、非常に高価な高濃縮品を用意する必要があった。例えば、上述した実施形態と同様に、酸素−１６（１６Ｏ）が４０％、酸素−１７（１７Ｏ）が２０％、酸素−１８（１８Ｏ）が４０％に濃縮された原料酸素を用いて、酸素−１７の濃度を維持しつつ、酸素−１８の濃度を半分の２０％以下とするには、酸素−１６で倍に希釈することになる。しかしながら、酸素−１７も希釈されて、１０％になってしまう。したがって、従来の希釈による濃度調整では、酸素−１７の濃度が高い原料を用意する必要がある。たとえば、酸素−１７が４０％、酸素−１８が３０％の原料酸素を用意することで、希釈により酸素−１７が２０％、酸素−１８が１５％の製品酸素を得ることができるが、非常に高コストになってしまう。
【００３７】
これに対して、本実施形態の酸素含有化合物の製造方法によれば、要求される濃度に合わせて原料を追加し、成分が調整された酸素（Ｏ２）からオゾン（Ｏ３）を生成した後、濃度に合わせた組成のオゾンを選択的にレーザで分解して酸素（Ｏ２）にすることで、目的の同位体組成の酸素（Ｏ２）をえることができる。これにより、比較的高価な成分について高濃縮品を用意する必要がない。
【００３８】
以上説明したように、本実施形態の酸素含有化合物の製造方法、及び製造装置１は、高価な原料を使用することなく、酸素含有化合物を任意の酸素同位体比に調整できる。
【００３９】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、上述した実施形態の酸素含有化合物の製造方法では、酸素−１６（１６Ｏ）が４０％、酸素−１７（１７Ｏ）が２０％、酸素−１８（１８Ｏ）が４０％に濃縮された原料酸素を用いて、酸素−１７の濃度を維持しつつ、酸素−１８の濃度を２０％以下に低減した製品酸素を得る場合を一例として説明したが、これに限定されるものではない。
【００４０】
たとえば、酸素−１７の濃度を維持しつつ、酸素−１６の濃度を２０％以下に低減した製品酸素を得る場合には、第２原料ガスとして酸素−１８を用い、これを第１原料ガスに混合するとともに、レーザを照射する際、目標の酸素同位体比に近いオゾン（１７Ｏ１８Ｏ１８Ｏ）をターゲットとしてレーザ照射波長を選定し、これを選択的に分解することで、酸素−１６（１６Ｏ）が６％、酸素−１７（１７Ｏ）が２０％、酸素−１８（１８Ｏ）が７３％の製品酸素が得られる。このように、任意の安定同位体について、濃度を調整することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明の酸素含有化合物の製造方法は、蒸留によって濃縮された酸素安定同位体の３種の酸素同位体比を調整する方法や、酸素同位体比が調整された酸素を含む化合物の製造方法に対して利用可能性を有する。
【符号の説明】
【００４２】
１…酸素含有化合物の製造装置（製造装置）、２…第１原料ガス供給源、３…第２原料ガス供給源、４…オゾナイザー（オゾン発生装置）、５…第１分離装置、６…レーザ照射装置、７…第２分離装置、８…濃度調整ガス供給源、Ｌ１〜Ｌ８…経路
【図１】
2020089865.tif 000002
【図２】
2020089865.tif 000003