(57)【要約】      （修正有）【課題】酸素同位体を効率的に分離する分離方法及び分離装置の提供。【解決手段】ａ）18Ｏ2と16Ｏ2とを含む酸素同位体ガスを吸着剤に吸着させる工程と、ｂ）吸着剤に吸着された酸素同位体ガスを吸着剤から脱離させ、脱離ガスを回収する工程と、ｃ）吸着剤から脱離された脱離ガス中の18Ｏ2と16Ｏ2の濃度を計測する工程とを備え、ａ工程において吸着剤を、18Ｏ2と16Ｏ2の分離係数Ｓ（18Ｏ2／16Ｏ2）＞１となる温度に制御し、ｃ工程において、脱離ガス中の18Ｏ2の濃度が所定の濃度未満のときにはａ工程とｂ工程とを繰り返し、脱離ガス中の18Ｏ2の濃度が所定の濃度以上となったときに、酸素同位体ガスを濃縮する工程を停止する、酸素同位体の分離方法。【選択図】図４
2019042644.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性炭素繊維を吸着剤として、酸素同位体を分離する酸素同位体の分離方法であって、
ａ）18Ｏ2と16Ｏ2とを含む酸素同位体ガスを前記吸着剤に吸着させる工程と、
ｂ）前記吸着剤に吸着された酸素同位体ガスを前記吸着剤から脱離させ、脱離ガスを回収する工程と、
ｃ）前記ｂ）工程により前記吸着剤から脱離された脱離ガス中の18Ｏ2と16Ｏ2の濃度を計測する工程とを備え、
前記ａ）工程においては、前記吸着剤を、18Ｏ2と16Ｏ2の分離係数Ｓ（18Ｏ2／16Ｏ2）＞１となる温度に制御し、
前記ｃ）工程においては、前記脱離ガス中の18Ｏ2の濃度が所定の濃度未満のときには前記ａ）工程とｂ）工程とをこの順に繰り返し、前記脱離ガス中の18Ｏ2の濃度が所定の濃度以上となったときに、酸素同位体ガスを濃縮する工程を停止することを特徴とする酸素同位体の分離方法。
【請求項２】
前記ａ）工程に続いて、前記吸着剤に吸着されていない未吸着ガスを排出する工程を備えることを特徴とする請求項1記載の酸素同位体の分離方法。
【請求項３】
前記ａ）工程においては、前記吸着剤の温度を、77Ｋ〜130Ｋに保持することを特徴とする請求項1または２記載の酸素同位体の分離方法。
【請求項４】
前記活性炭素繊維として、平均細孔径が0.65ｎｍ〜1.1ｎｍの活性炭素繊維を使用することを特徴とする請求項1〜３のいずれか一項記載の酸素同位体の分離方法。
【請求項５】
前記ａ）工程においては、酸素同位体ガスを前記吸着剤に接触させる時間を10分間程度に設定することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の酸素同位体の分離方法。
【請求項６】
吸着剤として活性炭素繊維が収容されたチェンバーと、
前記チェンバーに酸素同位体を含むガスを供給する機構と、
該チェンバーに前記酸素同位体を含むガスを導入した後、前記吸着剤に吸着されなかったガスを排出する排出機構と、
前記吸着剤に吸着されたガスを前記吸着剤から脱離させる脱離機構と、
前記脱離ガス中における18Ｏ2と16Ｏ2の濃度を計測する計測機構と、
前記チェンバーに収容された吸着剤の温度を制御する温度制御機構と、
前記計測機構による計測結果に基づき、前記温度制御機構により前記吸着剤の温度を制御するとともに、前記脱離ガス中の18Ｏ2の濃度が所定の濃度未満のときには、前記脱離ガスを吸着剤として活性炭素繊維が収容されたチェンバーに導入し、前記脱離ガス中の18Ｏ2の濃度が所定の濃度以上となったときには酸素同位体ガスの分離処理操作を停止する制御機構とを備えることを特徴とする酸素同位体の分離装置。
【請求項７】
前記温度制御機構は、前記吸着剤を、18Ｏ2と16Ｏ2の分離係数Ｓ（18Ｏ2／16Ｏ2）＞１となる温度に制御する手段を備えることを特徴とする請求項６記載の酸素同位体の分離装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸素１６Ｏと酸素１８Ｏとの混合ガスから、１６Ｏと１８Ｏとを分離する酸素同位体の分離方法及びこの分離方法を利用した分離装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
酸素の同位体である１６Ｏ、１７Ｏ、１８Ｏの自然界における存在比は、それぞれ99.759％、0.037％、0.204％である。これらの酸素同位体のうち18Ｏは、バイオメディカルの研究、腫瘍細胞の診断等への需要が近年きわめて増大している。しかしながら、従来の酸素同位体の分離方法は、処理工程が長く大きなエネルギーが必要であり、コストがかかることから、酸素同位体の医療分野等への有効利用を阻害するという問題があった。
【０００３】
酸素同位体を分離する方法として、最も一般的に利用されている方法は、水を蒸留する方法である。蒸留法ではＨ2Ｏ16とＨ2Ｏ18の蒸気圧の差を利用して１８Ｏリッチの水Ｈ2Ｏ18を得る。しかしながら、この方法によって濃縮するにはきわめて長大なカラムを必要とする。非特許文献１には、320Ｋにおける酸素同位体の濃縮ファクタ(α)は 1.007であることが記載されている。
酸素同位体を濃縮する別の方法として、低温蒸留と水の蒸留を組み合わせる方法がある（特許文献１、２）。この方法では、巨大な蒸留塔（〜500ｍ）を用い、濃縮に長時間（1〜6か月）かけることで、１８Ｏの濃度を0.2％から95％まで高めている。
また、他の工業的な方法として、一酸化窒素の低温蒸留を利用する方法がある（非特許文献２、３）。この方法は、等方的な一酸化窒素を利用することで酸素同位体の効率的な蒸留を可能にするものである。
また、重い酸素同位体を含む酸素を出発材料として低温蒸留する方法が報告されている（特許文献３）。
【０００４】
別の方法として、クロマトグラフィーを利用する方法がある（特許文献４）。また、熱拡散の原理を利用して、エネルギーが等しく分子量が異なる酸素同位体を分離する方法が報告されている（非特許文献４、５）。また、半透膜を利用して分離する方法も報告されている（特許文献５、６、７、非特許文献６、７）。これらでは天然水での18Ｏの濃縮は蒸留処理に先立って半透膜を用いて行っている。特許文献８には、圧力を印加して酸素同位体を分離するAGMD (Air Gap Membrane Distillation)システムで、半透膜を多段階で使用する方法が記載されている。
1980年代においては、フッ化アルゴン（ArF)レーザを含むレーザを利用して分離する方法が行われていた（特許文献９）。そこでは、17Ｏまたは18Ｏを核種として含む酸素ガスを光で解離する方法が利用されている。高エネルギーのレーザ光を利用する方法として光ファイバーを使用する方法が提案されている（特許文献１０、１１）。この方法は、酸素同位体を含むオゾンガスを、光解離方法を利用して酸素もしくは過酸化物に分解して酸素同位体を濃縮するものであり、処理工程が簡易であり、処理時間が短いものの、商業的方法として未だ実現されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】US Patent Nos. 6,321,565
【特許文献２】US Patent Nos. 7,493,447
【特許文献３】US Patent No.6,461,583 B1
【特許文献４】US Patent No. 2011/0139001 A1
【特許文献５】US Patent Nos. 5,057,225
【特許文献６】US Patent Nos. 5,084,181
【特許文献７】US Patent Nos. 7,638,059B2
【特許文献８】US Patent No.7,638,059 B2
【特許文献９】US Patent no. 4,437,958A
【特許文献１０】WO 2013077528 A1
【特許文献１１】US Patent No. 7,893,377B2
【特許文献１２】特開２０１３−３１８３３号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Thode et al. Canadian Journal of Research, 1944,22, 127-136
【非特許文献２】I & EC Process Design and Development, 1965, 4(1),35-42
【非特許文献３】Annals of the University of Craiova, Electrical Engi. Series, 2006, 30, 399-403
【非特許文献４】I. Lauder Trans.Faraday Soc., 1947, 43, 620-630
【非特許文献５】Sherrerd B. Welles Physical. Review, 1946,69(11&12), 586-589
【非特許文献６】Separation Science and Technology, 1997, 32(1-4), 527-539
【非特許文献７】Ind. Eng. Chem. Res., 2009, 48, 5431-5438
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本件発明者は炭素同位体である12Ｃと14Ｃについて、量子分子篩効果を利用して分離する方法を提案した(特許文献１２）。その方法は、メタン同位体混合ガス（12ＣＨ4、14ＣＨ4）に対し活性炭素繊維を吸着剤として分離する方法である。しかしながら、酸素同位体の分離に活性炭素繊維が同様に利用できるか否か予見することは困難であり、工業的な分離方法として有効に利用できるか否かも不明である。
本発明は、酸素同位体の分離に活性炭素繊維が利用できることを明らかにし、酸素同位体の分離方法として好適な酸素同位体の分離方法及び分離装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る酸素同位体の分離方法は、活性炭素繊維を吸着剤として、酸素同位体を分離する酸素同位体の分離方法であって、ａ）18Ｏ2と16Ｏ2とを含む酸素同位体ガスを前記吸着剤に吸着させる工程と、ｂ）前記吸着剤に吸着された酸素同位体ガスを前記吸着剤から脱離させ、脱離ガスを回収する工程と、ｃ）前記ｂ）工程により前記吸着剤から脱離された脱離ガス中の18Ｏ2と16Ｏ2の濃度を計測する工程とを備え、前記ａ）工程においては、前記吸着剤を、18Ｏ2と16Ｏ2の分離係数Ｓ（18Ｏ2／16Ｏ2）＞１となる温度に制御し、前記ｃ）工程においては、前記脱離ガス中の18Ｏ2の濃度が所定の濃度未満のときには前記ａ）工程とｂ）工程とをこの順に繰り返し、前記脱離ガス中の18Ｏ2の濃度が所定の濃度以上となったときに、酸素同位体ガスを濃縮する工程を停止することを特徴とする。
また、前記ａ）工程に続いて、前記吸着剤に吸着されていない未吸着ガスを排出する工程を備えることを特徴とする。
また、前記ａ）工程においては、前記吸着剤の温度を、77Ｋ〜130Ｋに保持することにより、18Ｏ2と16Ｏ2とを含むガスから効率的に、18Ｏ2を分離することができる。
また、前記活性炭素繊維として、平均細孔径が0.65ｎｍ〜1.1ｎｍの活性炭素繊維を使用することが有効である。
また、前記ａ）工程においては、酸素同位体ガスを前記吸着剤に接触させる時間を10分間程度に設定することにより効率的に18Ｏ2を分離することができる。
【０００９】
また、本発明に係る酸素同位体の分離装置は、吸着剤として活性炭素繊維が収容されたチェンバーと、前記チェンバーに酸素同位体を含むガスを供給する機構と、該チェンバーに前記酸素同位体を含むガスを導入した後、前記吸着剤に吸着されなかったガスを排出する排出機構と、前記吸着剤に吸着されたガスを前記吸着剤から脱離させる脱離機構と、前記脱離ガス中における18Ｏ2と16Ｏ2の濃度を計測する計測機構と、前記チェンバーに収容された吸着剤の温度を制御する温度制御機構と、前記計測機構による計測結果に基づき、前記温度制御機構により前記吸着剤の温度を制御するとともに、前記脱離ガス中の18Ｏ2の濃度が所定の濃度未満のときには、前記脱離ガスを吸着剤として活性炭素繊維が収容されたチェンバーに導入し、前記脱離ガス中の18Ｏ2の濃度が所定の濃度以上となったときには酸素同位体ガスの分離処理操作を停止する制御機構とを備えることを特徴とする。
また、前記温度制御機構は、前記吸着剤を、18Ｏ2と16Ｏ2の分離係数Ｓ（18Ｏ2／16Ｏ2）＞１となる温度に制御する手段を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る酸素同位体の分離方法及び分離装置によれば、１８Ｏ2と１６Ｏ2とを効率的にかつ容易に分離することができ、医療分野への１８Ｏ2の適用等を容易にし、１８Ｏ2の有効活用を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】活性炭素繊維の3種のサンプルACF1、ACF2、ACF3について得られた窒素吸着等温線である。
【図２】室温と量子効果が生じる低温における酸素分子の揺らぎを示す説明図である。
【図３】活性炭素繊維により酸素同位体を選択的に吸着して分離する作用を示す説明図である。
【図４】１８Ｏ2と１６Ｏ2との混合ガスから１８Ｏ2を分離する実験に使用した分離装置の構成を示すブロック図である。
【図５】サンプルACF-1（ｗ＝0.65ｎｍ）、ACF-2（ｗ＝0.85ｎｍ）、ACF-3（ｗ＝1.1ｎｍ）について、112Ｋにおける分離係数Ｓ（18Ｏ2／16Ｏ2）の時間変化を測定した結果を示すグラフである。
【図６】サンプルACF-1（ｗ＝0.65ｎｍ）、ACF-2（ｗ＝0.85ｎｍ）、ACF-3（ｗ＝1.1ｎｍ）について、130Ｋにおける分離係数Ｓ（18Ｏ2／16Ｏ2）の時間変化を測定した結果を示すグラフである。
【図７】酸素同位体を含むガスから１８O2を分離する分離方法を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（酸素同位体に対する活性炭素繊維の吸着作用）
本発明に係る酸素同位体の分離方法は、活性炭素繊維（繊維状の活性炭）が備える異なる酸素同位体に対する選択的な吸着作用を利用するものである。活性炭素繊維は１ｎｍ以下といった、きわめて微細なナノ領域の細孔を備え、そのような微細領域のスケールは、量子作用の目安となる分子のドブロイ波長と同等のサイズになる。この量子的な作用により、活性炭素繊維は、異なる酸素同位体に対し吸着性に差が生じるようになる。同位体酸素に対する吸着性の差は、低温になるほどその差が大きく表れる。したがって、活性炭素繊維を用いて同位体の酸素を分離するには、より低温で分離する操作を行うことが有効である。
【００１３】
酸素の同位体である18Ｏの分子量は36g/amu、16Ｏの分子量は32g/amuであり、分子量の差は4g/amuであるが、この分子量の差は、量子作用による活性炭素繊維に対する吸着性の差の要因として本質的なものである。すなわち、活性炭素繊維に対する吸着性の差が生じる作用を量子分子篩作用とも称するが、これは、酸素同位体の混合ガスを構成する18Ｏ2は16Ｏ2よりも重いため、ドブロイ波長（分子の揺らぎ）が16Ｏ2よりも小さく、活性炭素繊維の細孔に16Ｏ2よりも吸着されやすく（入り込みやすく）、16Ｏ2は18Ｏ2よりも大きいために細孔に入りにくくなるためである。
熱的なドブロイ波長は、低温になると長くなり、質量が大きいものほど短くなる。低温で18Ｏ2と16Ｏ2の吸着性の差が大きくなる理由である。
【００１４】
なお、活性炭素繊維に対する16Ｏ2と18Ｏ2の吸着性に差が生じる理由は、量子分子篩作用によるものであるという説明が正しいか否かは、現在のところ不明である。本発明においては、酸素同位体である１８Ｏと１６Ｏとを分離する方法として、同位体の酸素ガス１８Ｏ2と１６Ｏ2を処理対象として分離する方法を提案している。このように酸素ガスを対象として分離する場合は、活性炭素繊維の細孔に酸素ガスが吸着される際に、細孔に１６Ｏが吸着される際に、対となる他の１６Ｏを引き込むようにして（１６Ｏ2）2として吸着され、１８Ｏが吸着される際には、対となる他の１８Ｏを引き込むことで（１８Ｏ2）2として吸着される。このように、酸素ガスが活性炭素繊維に吸着される際に１６Ｏ2あるいは１８Ｏ2がそれぞれ対になって吸着される理由は、細孔にＯ2が吸着される際には、対となる酸素原子の間隔が伸縮する振動の振動数が同じであると安定な（Ｏ2）2を生成するためである。この結果、１８Ｏ2と１６Ｏ2の選択的吸着作用が生じると考えられる。このような対となる酸素原子同士の振動が活性炭素繊維に対する選択的な吸着性に影響を及ぼすことについては、１６Ｏ2と１８Ｏ2の混合ガスを活性炭素繊維に吸着させたときの吸着開始からの吸着率の時間変化についての測定結果からも推定される。
【００１５】
本発明に係る酸素同位体の分離方法では、酸素同位体ガスを分離対象とし、活性炭素繊維を吸着剤として酸素同位体を分離する。酸素同位体ガスのドブロイ波長は１６Ｏ2よりも重い１８Ｏ2の方が短くなる、すなわち１８Ｏ2の揺らぎの方が小さいから、活性炭素繊維の微細孔に１８Ｏ2が吸着されやすくなる。１８Ｏ2と１６Ｏ2の揺らぎの差（大きさの差）は低温になるほど、大きくなるから、より効率的に分離するには、より低温で酸素同位体ガスを活性炭素繊維に吸着させる方がよい。実験によると液体窒素温度77Kではもちろん、112K、130Kにおいても、１８Ｏ2と１６Ｏ2についての従来の分離係数1.002を超える1.2以上の分離係数が得られている。
本発明方法は、低温で活性炭素繊維に酸素同位体ガスを吸着させる操作のみにより１８Ｏ2と１６Ｏ2とを分離するから、分離操作はきわめて簡単であり、濃縮するための操作では、吸着剤（活性炭素繊維）に繰り返して酸素同位体ガスを吸着させる処理が必須であるが、本発明方法によれば、従来の濃縮方法と比べてきわめて容易に18Ｏ2を濃縮することが可能である。
【００１６】
（活性炭素繊維）
図１は吸着剤として使用した活性炭素繊維（ACF)の3種のサンプルについて、77Kで測定した窒素吸着等温線である。３種のサンプルACF1、ACF2、ACF3の77Kにおける平均細孔径ｗはそれぞれ、ACF1：ｗ＝0.65ｎｍ、ACF2：ｗ＝0.85ｎｍ、ACF3：ｗ＝1.1ｎｍである。
なお、活性炭素繊維はピッチを原料として活性化した炭素繊維からなるもので、市販品の活性炭素繊維の細孔中の吸着水蒸気等を除くため、110℃で２時間以上真空排気処理して使用した。
図１に示す窒素吸着等温線を取得する実験は、それぞれのサンプルを、真空下（１ｍPa)、423Kで３時間プレヒートして行ったものである。
【００１７】
図１に示す窒素吸着等温線は、活性炭素繊維の細孔径が大きくなるにしたがって、活性炭素繊維への窒素の吸着量が大きくなることを示す。また、窒素の分圧が高くなるにしたがって、活性炭素繊維への吸着量が飽和していくことを示す。
表１に、３種のサンプルACF1、ACF2、ACF3について、窒素吸着等温線の平衡状態から計算で求めた構造パラメータを示す。
各サンプルの平均細孔径ｗと細孔の容積はαｓ-plot分析によって求め、比表面積については、Brunauer−Emmett−Teller 理論(BET)に基づいて決定した。
【表１】
2019042644.tif 000003
【００１８】
表１において、サンプルACF3については、比表面積が1660ｍ2ｇ-1、細孔容積が0.81ｍｌｇ-1、細孔径が1.1ｎｍである。サンプルACF2については、比表面積が760ｍ2ｇ-1、細孔容積が0.38ｍｌｇ-1、細孔径が0.85ｎｍである。サンプルACF1については、比表面積が520ｍ2ｇ-1、細孔容積が0.27ｍｌｇ-1、細孔径が0.65ｎｍである。
【００１９】
（酸素分子のドブロイ波長）
図２は室温と、室温よりも低温で量子的な作用下における酸素分子を示したものである。
図２に示すように、古典的な酸素分子は常温においては１６Ｏ2と１８Ｏ2の大きさは変わらない。ところが、低温になると、量子的なゆらぎの作用により、１６Ｏ2と１８Ｏ2のドブロイ波長（λ/nm）が相異してくる。
表２は、１６Ｏ2と１８Ｏ2について、130K、112K、77Kにおける熱ドブロイ波長を示す。
【表２】
2019042644.tif 000004
【００２０】
表２は、130Kから112K、77Kへと温度が下がるとともに、１６Ｏ2も１８Ｏ2もドブロイ波長が次第に長くなること、また、１６Ｏ2と１８Ｏ2のドブロイ波長の差が、130Kから77Kに下がることにより、0.0016ｎｍから0.002ｎｍへと拡大することを示す。すなわち、77Kでは130Kと比較して１８Ｏ2分子の大きさは１６Ｏ2よりも0.002ｎｍ小さくなる。
図２では、低温において、１６Ｏ2のゆらぎが１８Ｏ2のゆらぎよりも大きくなり、１６Ｏ2が１８Ｏ2よりも分子サイズが大きくなり、原子間の相互作用が小さくなることを示している。このように、低温において１６Ｏ2と１８Ｏ2の大きさの差が拡大することが、１６Ｏ2と１８Ｏ2の活性炭素繊維に対する吸着性の差が低温で顕著になる理由である。
【００２１】
図３は、活性炭素繊維を用いて酸素の同位体が選択的に分離される作用を示したものである。
77Ｋにおいては、酸素分子18Ｏ2（暗色）は酸素分子16Ｏ2（明色）よりも分子サイズが0.002ｎｍ小さいから、16Ｏ2と比較して活性炭素繊維の細孔内に捉えられやすく、16Ｏ2と比べて活性炭素繊維に選択的に吸着される。
分離係数Ｓ（18Ｏ2／16Ｏ2）は、吸着剤を通過する前のガス中における酸素同位体の個数ｎ18Ｏ2、ｎ16Ｏ2の比と、吸着剤に吸着された酸素同位体の個数比（ｎ18Ｏ2／ｎ16Ｏ2）の比によって定義される。
すなわち、
Ｓ（18Ｏ2／16Ｏ2）＞１    18Ｏ2が選択的に吸着されている
Ｓ（18Ｏ2／16Ｏ2）＝１    選択性はない
Ｓ（18Ｏ2／16Ｏ2）＜１    16Ｏ2が選択的に吸着されている
ことを意味する。
【００２２】
Ｓ＞１は、吸着剤に吸着された酸素同位体の個数比（ｎ18Ｏ2／ｎ16Ｏ2）が吸着前の混合ガス中の個数比（ｎ18Ｏ2／ｎ16Ｏ2）よりも大であり、18Ｏ2が16Ｏ2と比べて選択的に吸着剤に吸着されたことを意味する。したがって、分離係数Ｓが１よりも大きければ大きいほど、18Ｏ2と16Ｏ2との分離が効率的になされることになる。
酸素同位体の分離方法として従来行われてる蒸留法による場合の分離係数Ｓは1.002程度であり、この分離係数を上回る分離方法であれば、酸素同位体の分離方法として有効に利用することができる。
【００２３】
（分離実験装置）
図４は１８Ｏ2と１６Ｏ2との混合ガスから１８Ｏ2を分離する実験に使用した分離装置の構成を示す。
この分離装置は１６Ｏ2と１８Ｏ2とヘリウムガスとがそれぞれ充填されたシリンダＴ１，Ｔ２、Ｔ３と、ガスの流量を調節するためにこれらのシリンダＴ１、Ｔ２，Ｔ３に取り付けられたコントローラＣ１、Ｃ２、Ｃ３と、１６Ｏ2と１８Ｏ2の混合ガスを貯留するためのリザーバＳ１と、質量分析のためにガスを溜めるリザーバＳ２と、１８Ｏ2の濃縮ガスを溜めるリザーバＳ３と、吸着剤２０を収容したチェンバー１０とを備える。
【００２４】
シリンダＴ１、Ｔ２、Ｔ３はコントローラＣ１，Ｃ２、Ｃ３及びバルブＶ１、Ｖ３を介してリザーバＳ１に接続し、バルブＶ２を介して真空ポンプＰ１に接続する。
リザーバＳ１はバルブＶ３及びバルブＶ４を介してチェンバー１０に接続し、バルブＶ１０を介して真空ポンプＰ２に接続する。
チェンバー１０はバルブＶ５、Ｖ８を介してリザーバＳ３に接続し、バルブＶ５を介して真空ポンプＰ２に接続する。また、バルブＶ５，バルブＶ６を介してリザーバＳ２に接続する。
リザーバＳ２はバルブＶ７を介して質量分析計ＭＳに接続し、バルブＶ７，バルブＶ６を介して真空ポンプＰ３に接続する。
【００２５】
図４に示す分離装置を用いて１６Ｏ2と１８Ｏ2とを分離する実験を下記の方法で行った。
まず、チェンバー１０に充填した吸着剤（活性炭素繊維）２０に吸着されている水分やガスを除去する処理を行う（吸着剤の清浄化処理）。
吸着剤のプレヒートは、真空ポンプＰ１，Ｐ２、Ｐ３により配管部分を完全に真空吸引した後、バルブＶ４、Ｖ６、Ｖ８、Ｖ９を閉め、バルブＶ５を開け、真空ポンプＰ２により真空吸引しながら、チェンバー１０を、150℃、3時間加熱処理することで行った。
【００２６】
次に、処理用の酸素同位体の混合ガスをリザーバＳ１に導入する（混合ガスを用意する工程）。
リザーバＳ１へは、コントローラＣ１、Ｃ２により１８Ｏ2と１６Ｏ2の流量を制御しながら、１８Ｏ2と１６Ｏ2を、実験では等量ずつリザーバＳ１に導入した。リザーバＳ１への導入操作は差圧を利用して行った。リザーバＳ１で、１８Ｏ2と１６Ｏ2の混合ガスを２４時間保持し、均一にガスを混合させた。
なお、リザーバＳ１の１８Ｏ2と１６Ｏ2のモル濃度については、リザーバＳ１から分析用として所定量の混合ガスをリザーバＳ２へ送入し、質量分析計ＭＳを用いて分析した。
【００２７】
次に、リザーバＳ１からチェンバー１０に酸素同位体の混合ガスを導入し、チェンバー１０に充填されている吸着剤２０に酸素同位体の混合ガスを吸着させる（吸着剤に混合ガスを吸着させる工程）。リザーバＳ１に貯留された酸素導体ガスは、バルブＶ３、Ｖ４を開けることにより、差圧によりチェンバー１０に導入される。
なお、チェンバー１０に酸素同位体ガスを導入する際には、クライオポンプを利用して吸着剤２０を低温に温度制御した。
【００２８】
チェンバー１０に酸素同位体ガスを導入し、一定時間経過させた後、吸着剤２０に吸着されなかった酸素同位体ガスをリザーバＳ２にトラップする。リザーバＳ２にトラップされた酸素同位体ガスのモル濃度は、吸着剤に混合ガスを吸着させる操作ことに質量分析計ＭＳにより分析する。
【００２９】
次に、吸着剤２０に吸着された酸素同位体ガスを吸着剤２０から脱離させる（脱離処理工程）。吸着剤２０に吸着された酸素同位体ガスを吸着剤２０から脱離させる操作は、クライオポンプにより、チェンバー１０の温度を上昇させることによってなされる。バルブＶ４，Ｖ６を閉め、バルブ５、バルブ８を開くことにより、吸着剤２０に吸着されていた酸素同位体ガスが吸着剤２０から脱離され、リザーバＳ３に導入される。
【００３０】
リザーバＳ３に吸着剤２０から脱離した酸素同位体の混合ガスを導入した後、チェンバー１０を、150℃に加熱し、３時間真空吸引し、吸着剤２０を清浄化処理する（吸着剤の清浄化処理）。
次に、チェンバー１０を再度低温に冷却した状態で、リザーバＳ３からチェンバー１０に酸素同位体の混合ガスを導入する（吸着剤に酸素同位体ガスを再吸着させる工程）。この操作は、バルブＶ８、Ｖ５を開け、差圧によりリザーバＳ３からチェンバー１０に酸素同位体ガスを導入することで行う。
リザーバＳ３からチェンバー１０に酸素同位体ガスを導入することにより、酸素同位体ガスは再度、吸着剤２０に吸着され、これによって酸素同位体混合ガス中の１８Ｏ2濃度が上昇する。
【００３１】
このように、リザーバＳ３とチェンバー１０との間で酸素同位体ガスを相互に導入する操作を繰り返してい行うとともに、低温に冷却した状態で吸着剤２０に吸着されなかった酸素同位体ガスをチェンバー１０から回収する（排出する）操作を行うことにより、リザーバＳ３における１８Ｏ2ガス濃度を徐々に上昇させることができる（濃縮処理）。
質量分析計ＭＳにより、リザーバＳ３に貯留されている酸素同位体ガス１８Ｏ2のモル濃度をモニターし、１８Ｏ2濃度が所定濃度に達したことを確認し、濃縮処理を完了する。
【００３２】
（酸素導体の分離係数）
図５は３種のサンプルACF-1（ｗ＝0.65ｎｍ）、ACF-2（ｗ＝0.85ｎｍ）、ACF-3（ｗ＝1.1ｎｍ）について、112Ｋにおける分離係数Ｓの時間変化を測定した結果を示す。
ACF-1は、20分経過後から100分経過時点においても分離係数Ｓ（18Ｏ2／16Ｏ2）＞1.2を維持している。
ACF-2は、18分経過時まで分離係数Ｓ（18Ｏ2／16Ｏ2）＞1.2を保持し、2時間以上にわたって、Ｓ（18Ｏ2／16Ｏ2）＞1を保持した。
ACF-3は、13分経過時まで分離係数Ｓ（18Ｏ2／16Ｏ2）＞1.2を保持し、2時間以上にわたって、Ｓ（18Ｏ2／16Ｏ2）＞1を保持した。
【００３３】
図６は３種のサンプルACF-1、ACF-2、ACF-3について、130Ｋにおける分離係数Ｓの時間変化を測定した結果を示す。
ACF-1は、吸着開始から40分経過後まで分離係数Ｓ（18Ｏ2／16Ｏ2）＞1.2を維持し、90分間にわたり分離係数Ｓ（18Ｏ2／16Ｏ2）＞1.1を維持した。
ACF-2、ACF-3については、12分経過時まで分離係数Ｓ（18Ｏ2／16Ｏ2）＞1.1を保持し、80分以上にわたって分離係数Ｓ（18Ｏ2／16Ｏ2）＞1を保持した。
上述した実験結果は、活性炭素繊維が酸素同位体18Ｏ2、16Ｏ2の混合ガスから18Ｏ2を選択的に分離する分離材として好適に利用することができることを示す。また、77Ｋにおいても同様に分離係数が1.2以上となる実験結果が得られており、77〜130Ｋといった低温で効果的に18Ｏ2と16Ｏ2とを分離することができる。
【００３４】
なお、実験結果を見ると、活性炭素繊維を吸着剤として酸素同位体18Ｏ2と16Ｏ2とを分離する分離効率は、吸着剤に酸素同位体ガスを接触開始してから10分程度経過する時点までできわめて高くなっている。したがって、酸素同位体の混合ガスを長時間にわたって活性炭素繊維に接触させるよりは、活性炭素繊維に酸素同位体の混合ガスを接触させる時間を短時間（10分間程度）に設定し、活性炭素繊維に酸素同位体ガスを接触させる回数を多くする方が効率的な分離操作ができると考えられる。
【００３５】
（酸素同位体ガスの処理フロー）
図７は、酸素同位体の分離装置を用いて酸素同位体を含むガスから18Ｏ2と16Ｏ2とを分離する処理工程の要部を処理フローとして示したものである。
ステップ１は処理対象である酸素同位体を含むガスを用意する工程である。上述した実験では、酸素同位体として１８Ｏ2と１６Ｏ2を別個に用意したが、実際の装置では、天然に酸素同位体１８Ｏ2を含む、天然大気を利用すればよい。
【００３６】
ステップＳ２は吸着剤である活性炭素繊維に酸素同位体を含むガスを吸着させる工程である。真空チェンバーに活性炭素繊維を充填しておき、チェンバーを液体窒素温度等の低温に冷却した状態で酸素同位体を含むガスを吸着剤に接触させる。吸着剤は低温に冷却することで酸素同位体（１８Ｏ2）の分離係数が大きくなるから、吸着剤をより低温に保持して吸着させる方法が有効である。
吸着剤を冷却する温度は18Ｏ2と16Ｏ2の分離係数Ｓ（18Ｏ2／16Ｏ2）＞１となる温度であればよい。細孔径サイズが平均0.65ｎｍ〜1.1nmの活性炭素繊維を吸着剤として使用した場合では、活性炭素繊維の温度を77K〜130Kとすることにより、18Ｏ2と16Ｏ2とを効果的に分離することができる。
【００３７】
ステップ３は、吸着剤に酸素同位体を含むガスを一定時間吸着させた後、吸着剤に吸着されなかったガスをチェンバーから排出する工程である。この排出操作は吸着剤を低温に保持した状態で行う。
【００３８】
ステップ４は、吸着剤に吸着された酸素同位体を含むガスを吸着剤から脱離させる脱離工程である。吸着剤から酸素同位体を含むガスを脱離させる操作は、吸着剤を加熱することで行う。吸着剤には１８Ｏ2が１６Ｏ2よりも選択的に吸着されるから、吸着剤から脱離されたガス（脱離ガス）における１８Ｏ2の濃度の上昇率は１６Ｏ2と比べて高くなる。
吸着剤に吸着された酸素同位体を含むガスを吸着剤から脱離した後、吸着剤を加熱して真空吸引し、吸着剤に吸着された水分やガスを排出する清浄化処理を行う。
【００３９】
ステップＳ５は吸着剤から脱離した脱離ガス中の１８Ｏ2濃度を計測し、１８Ｏ2濃度が所定の濃度に達していない場合は、再度、脱離ガスを吸着剤に吸着させ、１８Ｏ2濃度が所要の濃度に達した場合には濃縮工程を停止させる判断するステップである。
ステップＳ５に基づき、脱離ガスを再度、吸着剤に吸着させる処理（Ｓ２）とステップＳ３、ステップＳ４を繰り返すことにより、吸着剤から脱離したガス中における１８Ｏ2濃度を増大させていくことができる。
実際の濃縮工程としては、吸着処理を行ったチェンバーに脱離ガスを戻し、脱離ガスを吸着剤に再度、吸着させる処理方法も可能であるし、吸着剤を収容したチェンバーを多段に設置し、前段のチェンバーから後段のチェンバーに次々と脱離ガスを導入して、酸素同位体の１８Ｏ2ガスを濃縮する方法も可能である。
【００４０】
本発明に係る酸素同位体の分離方法は、活性炭素繊維を吸着剤として使用し、低温における１６Ｏ2と１８Ｏ2の量子的な作用を利用して分離するものである。本発明方法は、従来の蒸留法のように水分子を分離する方法ではなく、酸素ガスを直接分離する方法であり分離処理操作が容易であること、活性炭素繊維を吸着剤とすることにより１８Ｏ2と１６Ｏ2の分離係数が従来方法の１０倍程度と高く、きわめて効率的に酸素同位体の１８Ｏ2ガスを得ることができるという利点がある。また、吸着剤として活性炭素繊維を使うことにより装置のメンテナンスが容易であり、吸着剤を再利用することができるという利点がある。また、活性炭素繊維を使うことにより、大型の設備が不要となり、製造コスト面でもきわめて有利になる等の利点を有する。また、低温化のエネルギーとして既存の天然ガスの低温施設の排熱を利用することができれば経済的負担とならず、この点でも有望な分離技術として提供することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１０  チェンバー
２０  吸着剤
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３  リザーバ
【図１】
2019042644.tif 000005
【図２】
2019042644.tif 000006
【図３】
2019042644.tif 000007
【図４】
2019042644.tif 000008
【図５】
2019042644.tif 000009
【図６】
2019042644.tif 000010
【図７】
2019042644.tif 000011