(57)【要約】【課題】一酸化炭素ＣＯの内部に任意の酸素同位体を任意の比率で効率的に導入でき、所望の一酸化炭素安定同位体を高純度で得ることが可能な酸素同位体置換方法及び酸素同位体置換装置を提供する。【解決手段】少なくとも、炭素同位体１２Ｃ及び１３Ｃを含む一酸化炭素ＣＯとＨ２とを第１反応器１Ａ内で反応させ、１２Ｃ、１３Ｃ又は炭化水素の何れかに変換する還元反応工程と、還元反応工程で生成された１２Ｃ、１３Ｃ又は炭化水素の何れかと、酸素同位体１６Ｏ、１７Ｏ及び１８Ｏを含むＨ２Ｏとを第２反応器１Ｂ内で反応させ、任意の酸素同位体を導入することにより、一酸化炭素安定同位体１２Ｃ１６Ｏ、１２Ｃ１７Ｏ、１２Ｃ１８Ｏ、１３Ｃ１６Ｏ、１３Ｃ１７Ｏ又は１３Ｃ１８Ｏのうちの何れかを選択的に生成させる酸化反応工程と、を含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一酸化炭素に任意の酸素同位体を導入する酸素同位体置換方法であって、
少なくとも、炭素同位体１２Ｃ及び１３Ｃを含む一酸化炭素ＣＯとＨ２とを第１反応器内で反応させ、１２Ｃ、１３Ｃ又は炭化水素の何れかに変換する還元反応工程と、
前記還元反応工程で生成された１２Ｃ、１３Ｃ又は炭化水素の何れかと、酸素同位体１６Ｏ、１７Ｏ及び１８Ｏを含むＨ２Ｏとを第２反応器内で反応させ、任意の酸素同位体を導入することにより、一酸化炭素安定同位体１２Ｃ１６Ｏ、１２Ｃ１７Ｏ、１２Ｃ１８Ｏ、１３Ｃ１６Ｏ、１３Ｃ１７Ｏ又は１３Ｃ１８Ｏのうちの何れかを選択的に生成させる酸化反応工程と、を含むことを特徴とする酸素同位体置換方法。
【請求項２】
さらに、前記酸化反応工程における反応後の酸化反応ガスを脱水処理して、副生成物であるＨ２Ｏを除去した後、吸着器を用いて副生成物であるＣＯ２を回収し、
次いで、蒸留塔を用いて、前記酸化反応工程における未反応物である炭化水素、及び、副生成物であるＨ２を回収することにより、前記酸化反応工程で生成された前記一酸化炭素安定同位体を高純度に精製する精製工程を有することを特徴とする請求項１に記載の酸素同位体置換方法。
【請求項３】
さらに、前記精製工程で回収された、前記未反応物である炭化水素、及び、前記副生成物であるＣＯ２を前記還元反応工程に返送して再反応に供する返送工程を有することを特徴とする請求項２に記載の酸素同位体置換方法。
【請求項４】
さらに、前記精製工程は、前記蒸留塔で回収されたＨ２を前記吸着器に返送し、該吸着器の再生処理を行うことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の酸素同位体置換方法。
【請求項５】
さらに、前記還元反応工程と前記酸化反応工程との間に、前記還元反応工程で生成された１２Ｃ、１３Ｃ又は炭化水素を除湿器内で除湿処理し、副生成物であるＨ２Ｏを除去する除湿工程が備えられていることを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の酸素同位体置換方法。
【請求項６】
一酸化炭素に任意の酸素同位体を導入する酸素同位体置換装置であって、
少なくとも、炭素同位体１２Ｃ及び１３Ｃを含む一酸化炭素ＣＯとＨ２とを内部で反応させ、１２Ｃ、１３Ｃ又は炭化水素の何れかに変換する第１反応器と、
前記第１反応器で生成された１２Ｃ、１３Ｃ又は炭化水素の何れかと、酸素同位体１６Ｏ、１７Ｏ及び１８Ｏを含むＨ２Ｏとを内部で反応させ、任意の酸素同位体を導入することにより、一酸化炭素安定同位体１２Ｃ１６Ｏ、１２Ｃ１７Ｏ、１２Ｃ１８Ｏ、１３Ｃ１６Ｏ、１３Ｃ１７Ｏ又は１３Ｃ１８Ｏのうちの何れかを選択的に生成させる第２反応器と、を備えることを特徴とする酸素同位体置換装置。
【請求項７】
さらに、前記第２反応器における反応後の酸化反応ガスを脱水処理し、副生成物であるＨ２Ｏを除去する脱水器と、
副生成物であるＣＯ２を吸着して回収する吸着器と、
前記第２反応器における未反応物である炭化水素、及び、副生成物であるＨ２を回収することにより、前記第２反応器で生成された前記一酸化炭素安定同位体を高純度に精製する蒸留塔と、を備えることを特徴とする請求項６に記載の酸素同位体置換装置。
【請求項８】
さらに、前記吸着器で回収された前記副生成物であるＣＯ２、及び、前記蒸留塔で回収された前記未反応物である炭化水素を、前記第１反応器に返送する返送部を備えることを特徴とする請求項７に記載の酸素同位体置換装置。
【請求項９】
さらに、前記蒸留塔で回収されたＨ２を前記吸着器に返送し、該吸着器の再生処理を行うための吸着器再生処理部を備えることを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の酸素同位体置換装置。
【請求項１０】
さらに、前記第１反応器と前記第２反応器との間に、前記第１反応器で生成された１２Ｃ、１３Ｃ又は炭化水素を除湿器内で除湿処理し、副生成物であるＨ２Ｏを除去する除湿器が備えられていることを特徴とする請求項６〜請求項９の何れか一項に記載の酸素同位体置換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一酸化炭素に酸素同位体を導入する酸素同位体置換方法及び酸素同位体置換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
炭素安定同位体（１３Ｃ）は、主に自然科学や医療の分野でトレーサ等として用いられている。炭素には、１２Ｃ及び１３Ｃの２種類の安定同位体が存在し、自然界における存在の割合は、それぞれ９８．９％と１．１％である。
一方、酸素には１６Ｏ、１７Ｏ及び１８Ｏという３種類の安定同位体が存在し、自然界における存在の割合は、それぞれ９９．７６％、０．０４％および０．２０％である。
よって、一酸化炭素には、１２Ｃ１６Ｏ、１２Ｃ１７Ｏ、１２Ｃ１８Ｏ、１３Ｃ１６Ｏ、１３Ｃ１７Ｏ及び１３Ｃ１８Ｏという６種類の安定同位体分子が存在する。
【０００３】
従来、酸素同位体標識化合物を合成する方法として、例えば、酸素同位体である１７Ｏ又は１８Ｏを含むＨ２Ｏを原料とする方法が採用されている（例えば、特許文献１、２を参照）。
また、酸素同位体を蒸留によって分離する場合には、例えば、スクランブラを有する蒸留装置が用いられている（例えば、特許文献３，４を参照）。
【０００４】
また、上記のような、自然界に極僅かしか存在しない同位体を分離濃縮する方法としては、一般に、特許文献３に開示されたような、複数の蒸留塔を直列に接続して用いる蒸留カスケードプロセスが採用されている。また、特許文献３には、酸素同位体を蒸留する方法として、１７Ｏを濃縮分離する際に、１８Ｏをレーザによって選択的に減損処理することが記載されている。
【０００５】
ここで、ＣＨ４及びその他の炭化水素、炭素等の水蒸気改質方法は、燃料電池の原料水素の製造方法として広く知られている（例えば、特許文献５を参照）。
一方、水蒸気改質方法による反応では、多量の一酸化炭素ＣＯが含まれている場合が多いが、ＣＯは燃料電池に不具合を生じさせるおそれのある化合物であるため、一酸化炭素ＣＯ及び二酸化炭素ＣＯ２のメタン化反応（メタネーション）によるＣＯの除去方法について、従来から多数の提案がなされている（例えば、特許文献６を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−００８５９１号公報
【特許文献２】特開２０１１−０５７５５７号公報
【特許文献３】特許第５０２６９７４号公報
【特許文献４】特許第４４６７１９０号公報
【特許文献５】特許第５７１０９６４号公報
【特許文献６】特開２０１３−１１１４９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来、上記のような６種類の安定同位体分子が存在する一酸化炭素のうち、例えば、１３Ｃを含む安定同位体分子である１３Ｃ１６Ｏを大量に得ることを目的として、１３Ｃ１６Ｏを蒸留カスケードプロセスの末端の蒸留塔に濃縮させる方法が採用されている。しかしながら、例えば、１３Ｃ１６Ｏと１２Ｃ１８Ｏとでは、その分子量及び沸点が近く、これらの濃縮が同時に進行するため、１３Ｃ１６Ｏを効率的且つ高濃度に分離することが困難であった。
【０００８】
また、上記のような一酸化炭素の蒸留プロセスにおいては、特許文献３，４に記載のようなスクランブラを有する蒸留装置を用いるか、あるいは、酸素同位体１７Ｏ及び１８Ｏを減損処理することが必要となるが、現状、これら１７Ｏ及び１８Ｏを効率よく減損処理できる方法は確立されていない。
【０００９】
また、従来、酸素同位体標識化合物を合成する方法としては、上記のような酸素同位体１７Ｏ又は１８Ｏを含むＨ２Ｏを原料とする方法が採用されているものの、工業生産的なスケールにおいて、炭素同位体１２Ｃ又は１３Ｃを含む一酸化炭素ＣＯの内部に、任意の酸素同位体を任意の比率で効率的に導入できる方法は提案されていない。
即ち、大量の一酸化炭素ＣＯにおける効率的な酸素同位体置換を、製造ライン内で行うための方法や装置は、これまで提案されていなかった。
【００１０】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、炭素同位体１２Ｃ及び１３Ｃを含む一酸化炭素ＣＯの内部に任意の酸素同位体を任意の比率で効率的に導入でき、所望の一酸化炭素安定同位体を高純度で得ることが可能な酸素同位体置換方法及び酸素同位体置換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】
【００１１】
本発明者等は、上記問題を解決するために鋭意検討を重ねた。その結果、１２Ｃ及び１３Ｃを含む一酸化炭素安定同位体において酸素同位体置換反応を行うにあたり、まず、一酸化炭素ＣＯをＨ２によって還元反応させて１２Ｃ、１３Ｃ又は炭化水素の何れかに変換した後、これに、酸素同位体１６Ｏ、１７Ｏ及び１８Ｏを含むＨ２Ｏを反応させ、任意の酸素同位体を導入して置換することで、一酸化炭素中における酸素同位体の濃度を容易に変更でき、従来は工業生産的なスケールで実施することが困難であった化合物の合成を効率的に行うことができることを見出し、本発明を完成させた。
【００１２】
即ち、請求項１に係る発明は、一酸化炭素に任意の酸素同位体を導入する酸素同位体置換方法であって、少なくとも、炭素同位体１２Ｃ及び１３Ｃを含む一酸化炭素ＣＯとＨ２とを第１反応器内で反応させ、１２Ｃ、１３Ｃ又は炭化水素の何れかに変換する還元反応工程と、前記還元反応工程で生成された１２Ｃ、１３Ｃ又は炭化水素の何れかと、酸素同位体１６Ｏ、１７Ｏ及び１８Ｏを含むＨ２Ｏとを第２反応器内で反応させ、任意の酸素同位体を導入することにより、一酸化炭素安定同位体１２Ｃ１６Ｏ、１２Ｃ１７Ｏ、１２Ｃ１８Ｏ、１３Ｃ１６Ｏ、１３Ｃ１７Ｏ又は１３Ｃ１８Ｏのうちの何れかを選択的に生成させる酸化反応工程と、を含むことを特徴とする酸素同位体置換方法である。
【００１３】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の酸素同位体置換方法であって、さらに、前記酸化反応工程における反応後の酸化反応ガスを脱水処理して、副生成物であるＨ２Ｏを除去した後、吸着器を用いて副生成物であるＣＯ２を回収し、次いで、蒸留塔を用いて、前記酸化反応工程における未反応物である炭化水素、及び、副生成物であるＨ２を回収することにより、前記酸化反応工程で生成された前記一酸化炭素安定同位体を高純度に精製する精製工程を有することを特徴とする酸素同位体置換方法である。
【００１４】
請求項３に係る発明は、請求項２に記載の酸素同位体置換方法であって、さらに、前記精製工程で回収された、前記未反応物である炭化水素、及び、前記副生成物であるＣＯ２を前記還元反応工程に返送して再反応に供する返送工程を有することを特徴とする酸素同位体置換方法である。
【００１５】
請求項４に係る発明は、請求項２又は請求項３に記載の酸素同位体置換方法であって、  さらに、前記精製工程は、前記蒸留塔で回収されたＨ２を前記吸着器に返送し、該吸着器の再生処理を行うことを特徴とする酸素同位体置換方法である。
【００１６】
請求項５に係る発明は、請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の酸素同位体置換方法であって、さらに、前記還元反応工程と前記酸化反応工程との間に、前記還元反応工程で生成された１２Ｃ、１３Ｃ又は炭化水素を除湿器内で除湿処理し、副生成物であるＨ２Ｏを除去する除湿工程が備えられていることを特徴とする酸素同位体置換方法である。
【００１７】
請求項６に係る発明は、一酸化炭素に任意の酸素同位体を導入する酸素同位体置換装置であって、少なくとも、炭素同位体１２Ｃ及び１３Ｃを含む一酸化炭素ＣＯとＨ２とを内部で反応させ、１２Ｃ、１３Ｃ又は炭化水素の何れかに変換する第１反応器と、前記第１反応器で生成された１２Ｃ、１３Ｃ又は炭化水素の何れかと、酸素同位体１６Ｏ、１７Ｏ及び１８Ｏを含むＨ２Ｏとを内部で反応させ、任意の酸素同位体を導入することにより、一酸化炭素安定同位体１２Ｃ１６Ｏ、１２Ｃ１７Ｏ、１２Ｃ１８Ｏ、１３Ｃ１６Ｏ、１３Ｃ１７Ｏ又は１３Ｃ１８Ｏのうちの何れかを選択的に生成させる第２反応器と、を備えることを特徴とする酸素同位体置換装置である。
【００１８】
請求項７に係る発明は、請求項６に記載の酸素同位体置換装置であって、さらに、前記第２反応器における反応後の酸化反応ガスを脱水処理し、副生成物であるＨ２Ｏを除去する脱水器と、副生成物であるＣＯ２を吸着して回収する吸着器と、前記第２反応器における未反応物である炭化水素、及び、副生成物であるＨ２を回収することにより、前記第２反応器で生成された前記一酸化炭素安定同位体を高純度に精製する蒸留塔と、を備えることを特徴とする酸素同位体置換装置である。
【００１９】
請求項８に係る発明は、請求項７に記載の酸素同位体置換装置であって、さらに、前記吸着器で回収された前記副生成物であるＣＯ２、及び、前記蒸留塔で回収された前記未反応物である炭化水素を、前記第１反応器に返送する返送部を備えることを特徴とする酸素同位体置換装置である。
【００２０】
請求項９に係る発明は、請求項７又は請求項８に記載の酸素同位体置換装置であって、  さらに、前記蒸留塔で回収されたＨ２を前記吸着器に返送し、該吸着器の再生処理を行うための吸着器再生処理部を備えることを特徴とする酸素同位体置換装置である。
【００２１】
請求項１０に係る発明は、請求項６〜請求項９の何れか一項に記載の酸素同位体置換装置であって、さらに、前記第１反応器と前記第２反応器との間に、前記第１反応器で生成された１２Ｃ、１３Ｃ又は炭化水素を除湿器内で除湿処理し、副生成物であるＨ２Ｏを除去する除湿器が備えられていることを特徴とする酸素同位体置換装置である。
【発明の効果】
【００２２】
本発明に係る酸素同位体置換方法によれば、少なくとも、炭素同位体１２Ｃ及び１３Ｃを含む一酸化炭素ＣＯとＨ２とを反応させて１２Ｃ、１３Ｃ又は炭化水素の何れかに変換する還元反応工程と、１２Ｃ、１３Ｃ又は炭化水素の何れかと酸素同位体１６Ｏ、１７Ｏ及び１８Ｏを含むＨ２Ｏとを反応させ、任意の酸素同位体を導入することにより、一酸化炭素安定同位体１２Ｃ１６Ｏ、１２Ｃ１７Ｏ、１２Ｃ１８Ｏ、１３Ｃ１６Ｏ、１３Ｃ１７Ｏ又は１３Ｃ１８Ｏのうちの何れかを選択的に生成させる酸化反応工程と、を有した構成を採用している。
本発明によれば、上記のような還元反応工程と酸化反応工程とを順次備えることで、一酸化炭素ＣＯの内部に任意の酸素同位体を任意の比率で効率的に導入できる。従って、所望の酸素同位体を有する高純度の一酸化炭素安定同位体を、工業生産的なスケールで、低コストで効率的に得ることが可能になる。
【００２３】
また、本発明に係る酸素同位体置換装置によれば、少なくとも、炭素同位体１２Ｃ及び１３Ｃを含む一酸化炭素ＣＯとＨ２とを反応させて１２Ｃ、１３Ｃ又は炭化水素の何れかに変換する第１反応器と、１２Ｃ、１３Ｃ又は炭化水素の何れかと酸素同位体１６Ｏ、１７Ｏ及び１８Ｏを含むＨ２Ｏとを反応させ、任意の酸素同位体を導入することにより、一酸化炭素安定同位体１２Ｃ１６Ｏ、１２Ｃ１７Ｏ、１２Ｃ１８Ｏ、１３Ｃ１６Ｏ、１３Ｃ１７Ｏ又は１３Ｃ１８Ｏのうちの何れかを選択的に生成させる第２反応器と、を備えた構成を採用している。
本発明によれば、還元反応を行う第１反応器と、酸化反応を行う第２反応器とを順次備えた構成を採用することにより、上記同様、所望の酸素同位体を有する高純度の一酸化炭素安定同位体を、工業生産的なスケールで、低コストで効率的に得ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施形態である酸素同位体置換方法について模式的に説明する図であり、各工程間の流路を簡略化して示す概略図である。
【図２】本発明の一実施形態である酸素同位体置換方法及び酸素同位体置換装置について模式的に説明する図であり、装置構成及び各流路について詳細に示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明を適用した一実施形態である酸素同位体置換方法及び酸素同位体置換装置について、図１，２を適宜参照しながら説明する。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、便宜上、特徴となる部分を拡大あるいは簡略化して示している場合がある。また、以下の説明において例示される材料等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
【００２６】
本発明に係る酸素同位体置換方法及び酸素同位体置換装置は、一酸化炭素に任意の酸素同位体を導入する方法及び装置であり、例えば、以下に例示するような酸素同位体置換装置により、工業生産的なスケールにおいて、炭素同位体１２Ｃ及び１３Ｃを含む一酸化炭素ＣＯの内部に、任意の酸素同位体１６Ｏ、１７Ｏ又は１８Ｏを任意の比率で導入するものである。
【００２７】
本発明は、１２Ｃ及び１３Ｃを含む一酸化炭素安定同位体において酸素同位体置換反応を行う際に、まず、炭素同位体１２Ｃ及び１３Ｃを含む一酸化炭素ＣＯとＨ２とを反応させ、１２Ｃ、１３Ｃ又は炭化水素の何れかに変換する還元反応を行う。その後、還元反応で生成された１２Ｃ、１３Ｃ又は炭化水素の何れかと酸素同位体１６Ｏ、１７Ｏ及び１８Ｏを含むＨ２Ｏとを反応させ、任意の酸素同位体を導入することにより、一酸化炭素安定同位体１２Ｃ１６Ｏ、１２Ｃ１７Ｏ、１２Ｃ１８Ｏ、１３Ｃ１６Ｏ、１３Ｃ１７Ｏ又は１３Ｃ１８Ｏのうちの何れかを選択的に生成させる酸化反応を行う。本発明においては、このような方法によって一酸化炭素中に酸素同位体を導入して置換することで、酸素同位体の濃度を容易且つ効率的に変更できるものである。
【００２８】
＜酸素同位体置換装置＞
本発明において酸素同位体の置換に用いることが可能な酸素同位体置換装置の一例について、図１，２を参照しながら以下に説明する。図１は、本実施形態における各工程間の流路を簡略化して示す概略図であり、図２は、装置構成及び各流路をより詳細に説明する図である。
【００２９】
本実施形態の酸素同位体置換装置１０は、一酸化炭素に任意の酸素同位体を導入するものであり、具体的には、少なくとも、炭素同位体を含む一酸化炭素ＣＯとＨ２とを内部で反応させ、１２Ｃ、１３Ｃ又は炭化水素の何れかに変換する第１反応器１Ａと、この第１反応器１Ａで生成された１２Ｃ、１３Ｃ又は炭化水素の何れかと酸素同位体を含むＨ２Ｏとを反応させ、任意の酸素同位体を導入して置換することで、一酸化炭素安定同位体を選択的に生成させる第２反応器１Ｂとを備える。
【００３０】
また、図示例の酸素同位体置換装置１０は、上記の第１反応器１Ａ及び第２反応器１Ｂに加え、さらに、第２反応器１Ｂにおける酸化反応後の反応ガスを脱水処理してＨ２Ｏを除去する脱水器２と、ＣＯ２を吸着して回収する吸着器３と、ＣＨ４等の炭化水素及びＨ２を回収することにより、第２反応器１Ｂで生成された一酸化炭素安定同位体を高純度に精製する蒸留塔４と、吸着器３で回収されたＣＯ２、及び、蒸留塔４で回収された炭化水素を反応器１に返送する返送部５とを備え、概略構成される。また、図示例の酸素同位体置換装置１０では、さらに、第１反応器１Ａと第２反応器１Ｂとの間に除湿器７が備えられている。
【００３１】
第１反応器１Ａは、炭素同位体１２Ｃ及び１３Ｃを含む一酸化炭素ＣＯとＨ２とを内部で反応させて１２Ｃ、１３Ｃ又は炭化水素の何れかに変換する、後述の反応式に示すような酸化反応を生じさせる。図２に示すように、第１反応器１Ａの入口側には原料供給ラインＬ１が接続され、炭素同位体１２Ｃ及び１３Ｃを含む一酸化炭素ＣＯが供給される。さらに、原料供給ラインＬ１の経路には、水素供給ラインＬ２が接続され、第１反応器１Ａに対して、原料供給ラインＬ１を介して、ＣＯとともにＨ２を供給できるように構成されている。
【００３２】
ここで、本実施形態における第１反応器１Ａで得られる炭化水素とは、ＣＨ４の他、ＣｎＨ２ｎ＋１で表される各種の炭化水素を含む。
【００３３】
なお、第１反応器１Ａ内において上記の還元反応を生じさせるにあたり、第１反応器１Ａの内部に、予め、Ｈ２を収容した状態とすることも可能である。
【００３４】
図示例の酸素同位体置換装置１０においては、第１反応器１Ａの後段側に、接続ラインＬ３を介して、除湿器７が接続されている。除湿器７は、第１反応器１Ａ内における酸化反応で得られた１２Ｃ、１３Ｃ又は炭化水素除湿処理し、副生成物であるＨ２Ｏを一定程度まで除去するものであり、例えば、温度や湿度を調整する恒湿恒温槽等、各種の除湿装置を用いることができる。
【００３５】
第２反応器１Ｂは、第１反応器１Ａ内における酸化反応で得られた１２Ｃ、１３Ｃ又は炭化水素の何れかと、酸素同位体１６Ｏ、１７Ｏ及び１８Ｏを含むＨ２Ｏとを内部で反応させる。図示例の第２反応器１Ｂは、入口側に接続ラインＬ５が接続され、上記の除湿器７を介して第１反応器１Ａと接続されている。また、接続ラインＬ５の経路には、水供給ラインＬ６が接続され、第２反応器１Ｂに対して、接続ラインＬ５を介して酸素同位体１６Ｏ、１７Ｏ及び１８Ｏを含むＨ２Ｏを供給できるように構成されている。
【００３６】
第２反応器１Ｂは、上記のような酸化反応を生じさせ、第１反応器１Ａから除湿器７を介して導入された１２Ｃ、１３Ｃ又は炭化水素に、酸素同位体１６Ｏ、１７Ｏ又は１８Ｏのうちの任意の酸素同位体を導入する（酸化反応）。これにより、第２反応器１Ｂは、一酸化炭素安定同位体１２Ｃ１６Ｏ、１２Ｃ１７Ｏ、１２Ｃ１８Ｏ、１３Ｃ１６Ｏ、１３Ｃ１７Ｏ又は１３Ｃ１８Ｏのうちの何れかを選択的に生成させ、これらに加えて各種の副生成物や未反応物も含んだ反応ガスを生成させる。
【００３７】
脱水器２は、第２反応器１Ｂにおける酸化反応後の反応ガスを脱水処理し、副生成物であるＨ２Ｏを除去する。図２に示すように、脱水器２の入口は、第２反応器１Ｂの出口側と接続ラインＬ７を介して接続され、第２反応器１Ｂから反応ガスが導入されるように構成されている。また、脱水器２には、脱水処理によって反応ガス中から除去したＨ２Ｏを外部に排出するための排水ラインＬ９が接続されている。
【００３８】
脱水器２としては、特に限定されず、例えば、従来公知のチラー（水冷式又は空冷式）を何ら制限無く用いることができる。そして、脱水器２は、その冷却作用により、反応ガスに含まれるＨ２Ｏを一定程度まで除去することができる。
【００３９】
吸着器３は、第２反応器１Ｂで生じる酸化反応において、副生成物として生成されるＣＯ２を吸着して回収する。図２に示す例の吸着器３は、脱水器２においてＨ２Ｏが一定程度まで除去された反応ガスが導入される第１吸着器３１と、その後段側に配置される第２吸着器３２とから構成されている。また、図示例の吸着器３は、第１吸着器３１の入口側が、脱水器２の出口側と接続ラインＬ８を介して接続され、脱水器２で脱水処理された反応ガスが導入されるとともに、第２吸着器３２の入口側が、第１吸着器３１の出口側と接続ラインＬ１０を介して接続されている。
【００４０】
本実施形態の吸着器３においては、まず、第１吸着器３１において、反応ガスに対してさらに十分な脱水処理を施し、第２吸着器３２において、ＣＯ２を吸着して回収できるように構成されている。
上記の第１吸着器３１及び第２吸着器３２としては、従来公知の吸着設備を何ら制限無く採用することができる。
【００４１】
蒸留塔４は、第２反応器１Ｂで生じる酸化反応において、未反応物となるＣＨ４等の炭化水素、及び、副生成物であるＨ２を回収することにより、第２反応器１Ｂで生成された一酸化炭素安定同位体を高純度に精製する。図２に示すように、蒸留塔４は、複数の蒸留塔を直列でカスケード接続した構成とされ、図示例においては、吸着器３から導入されるＨ２Ｏ及びＣＯ２が除去された反応ガスが導入される第１蒸留塔４１と、その後段側に配置される第２蒸留塔４２とから構成されている。
【００４２】
第１蒸留塔４１は、その入口側が第２吸着器３２の出口側と接続ラインＬ１１を介して接続される。そして、第１蒸留塔４１は、吸着器３から導入される、Ｈ２Ｏ及びＣＯ２が除去された反応ガスを蒸留処理することで、上述の酸化反応の副生成物であるＨ２を回収する。
【００４３】
第２蒸留塔４２は、その入口側が第１蒸留塔４１の出口側と接続ラインＬ１２を介して接続される。そして、第２蒸留塔４２は、第１蒸留塔４１においてＨ２が回収された反応ガスを蒸留処理することで、さらに、ＣＨ４等の炭化水素を回収する。
【００４４】
ここで、詳細な図示を省略するが、上記の接続ラインＬ１１は、例えば、第１蒸留塔４１の高さ方向における中部付近に接続される。また、上記の接続ラインＬ１２は、例えば、その入口側が第１蒸留塔４１の高さ方向における任意の位置に接続され、出口側が第２蒸留塔４２の高さ方向における中部付近に接続される。なお、本実施形態で説明する「蒸留塔の高さ方向における中部」とは、第１蒸留塔４１及び第２蒸留塔４２の塔頂部及び塔底部以外の位置のことをいう。
【００４５】
第１蒸留塔４１及び第２蒸留塔４２は、その詳細な図示を省略するが、反応ガス中に含まれる一酸化炭素ＣＯを低温蒸留（蒸留カスケードプロセス）することで、各々の塔頂側に、沸点の低い一酸化炭素同位体分子（１２Ｃ１６Ｏ等）を濃縮し、塔底側に沸点の高い一酸化炭素同位体分子（例えば、１３Ｃ１６Ｏ、１２Ｃ１８Ｏ及び１３Ｃ１８Ｏ）を濃縮できるように構成されている。
【００４６】
また、例えば、一酸化炭素同位体として１３Ｃ１６Ｏを精製する場合には、蒸留塔３（第１蒸留塔４１及び第２蒸留塔４２）をより大きなサイズとすることで、塔底側に、１３Ｃ１６Ｏをより高純度で精製することが可能になる。
【００４７】
また、一般に、第１蒸留塔４１及び第２蒸留塔４２のうち、上流側である第１蒸留塔４１においては蒸留負荷が大きく、下流側の第２蒸留塔４２においては第１蒸留塔４１に比べて蒸留負荷が小さくなる。このため、第２蒸留塔４２は、第１蒸留塔４１に比べて小径に構成することも可能である。
【００４８】
なお、第１蒸留塔４１及び第２蒸留塔４２の内部には、それぞれ、図示略の精留段（棚）、規則充填材、又は不規則充填材等が備えられている。
【００４９】
さらに、図２中では図示を省略しているが、第１蒸留塔４１及び第２蒸留塔４２には、それぞれ、各蒸留塔内を下降した液体を熱交換することで気化させ、再び各蒸留塔内を上昇させるためのリボイラが備えられた構成を採用できる。さらに、第１蒸留塔４１及び第２蒸留塔４２は、それぞれ、各蒸留塔内を上昇した気体を熱交換することで液化させ、再び各蒸留塔内を下降させるためのコンデンサが備えられた構成を採用することができる。
【００５０】
本実施形態の酸素同位体置換装置１０においては、上記の脱水器２、吸着器３及び蒸留塔４が備えられることにより、第２反応器１Ｂで酸化反応した反応ガス中に含まれる副生成物及び未反応物を除去し、選択的に生成された一酸化炭素安定同位体（１２Ｃ１６Ｏ、１２Ｃ１７Ｏ、１２Ｃ１８Ｏ、１３Ｃ１６Ｏ、１３Ｃ１７Ｏ又は１３Ｃ１８Ｏのうちの少なくとも何れか）を高純度に精製することが可能になる。
【００５１】
第２蒸留塔４２において高純度に生成された一酸化炭素安定同位体は、最終ラインＬ１３から、例えば、製品用ボンベ等に向けて送出される。
なお、本発明で説明する「高純度」に生成された一酸化炭素安定同位体とは、一酸化炭素安定同位体の合計の濃度が９９．９％以上であることをいう。
【００５２】
返送部５は、吸着器３において回収された副生成物であるＣＯ２、及び、蒸留塔４で回収された未反応物である炭化水素を第１反応器１Ａに返送する。図２中に示すように、返送部５は、第２蒸留塔４２で除去された炭化水素を、後述の返送ライン５２を介して、第１反応器１Ａに連通された原料供給ラインＬ１に返送する第１返送ライン５１と、第２吸着器３２で除去されたＣＯ２を原料供給ラインＬ１に返送する第２返送ライン５２とから構成される。
【００５３】
本実施形態の酸素同位体置換装置１０では、上記の未反応物（ＣＨ４等の炭化水素）及び副生成物（Ｈ２及びＣＯ２）を、再び第１反応器１Ａに戻すことで、原料に対する、所望の一酸化炭素安定同位体の収率が向上する効果が得られる。
【００５４】
なお、本実施形態の酸素同位体置換装置１０においては、図２中に示すように、上記の各構成に加え、さらに、蒸留塔４（第１蒸留塔４１）で回収されたＨ２を吸着器３（第２吸着器３２）に返送し、このＨ２によって第２吸着器３２の再生処理を行う吸着器再生処理部６を備えることがより好ましい。この吸着器再生処理部６は、図２の模式図中に示すように、第１蒸留塔４１と第２吸着器３２とを接続し、上記の接続ラインＬ１１とは別の配管から構成されている。
【００５５】
酸素同位体置換装置１０は、上記の吸着器再生処理部６を備えることにより、第２吸着器３１の再生処理を定期的又は不定期で行うことが可能になるので、第２吸着器３１の吸着性能を常時維持することができ、ＣＯ２を効率的且つ確実に除去することが可能になる。また、吸着器再生処理部６は、反応ガス中から除去されたＨ２を再利用するものなので、低コストで第２吸着器３１の再生処理を実施でき、ひいては、酸素同位体置換装置１０で得られる一酸化炭素安定同位体の純度をより高めることが可能になる。
【００５６】
＜酸素同位体置換方法＞
本実施形態の酸素同位体置換方法は、一酸化炭素に任意の酸素同位体を導入する方法である。以下、本実施形態の酸素同位体置換方法について、図２に示すような、本実施形態の酸素同位体置換装置１０を使用して置換を行う場合を例に挙げて詳述する。
【００５７】
本実施形態の酸素同位体置換方法は、少なくとも、炭素同位体１２Ｃ及び１３Ｃを含む一酸化炭素ＣＯとＨ２とを第１反応器１Ａ内で反応させ、１２Ｃ、１３Ｃ又は炭化水素の何れかに変換する還元反応工程と、還元反応工程で生成された１２Ｃ、１３Ｃ又は炭化水素の何れかと、酸素同位体１６Ｏ、１７Ｏ及び１８Ｏを含むＨ２Ｏとを第２反応器１Ｂ内で反応させ、任意の酸素同位体を導入することにより、一酸化炭素安定同位体１２Ｃ１６Ｏ、１２Ｃ１７Ｏ、１２Ｃ１８Ｏ、１３Ｃ１６Ｏ、１３Ｃ１７Ｏ又は１３Ｃ１８Ｏのうちの何れかを選択的に生成させる酸化反応工程と、を含む方法である（図１を参照）。
【００５８】
また、本実施形態においては、上記の還元反応工程及び酸化反応工程に次いで、さらに、酸化反応後の反応ガスを脱水処理してＨ２Ｏを除去した後、ＣＯ２を回収し、次いで、ＣＨ４等の炭化水素及びＨ２を回収することにより、一酸化炭素安定同位体を高純度に精製する精製工程を有する方法を例に挙げて説明する。また、本実施形態で説明する例では、精製工程で回収された、未反応物である炭化水素、及び、副生成物であるＣＯ２を反応工程に返送して再反応に供する返送工程を有している。さらに、本実施形態では、上記の還元反応工程と酸化反応工程との間に、還元反応工程における副生成物であるＨ２Ｏを除去する除湿工程が備えられた例について説明する。
以下、各工程について説明する。
【００５９】
（１）還元反応工程
まず、還元反応工程において、炭素同位体１２Ｃ及び１３Ｃを含む一酸化炭素ＣＯとＨ２とを第１反応器１Ａ内で反応させ、１２Ｃ、１３Ｃ又は炭化水素の何れかに変換する。この際、原料供給ラインＬ１から、炭素同位体１２Ｃ及び１３Ｃを含む一酸化炭素ＣＯを供給するとともに、水素供給ラインＬ２から、原料供給ラインＬ１を介してＨ２を供給する。
【００６０】
上記のように、第１反応器１Ａに各原料を供給することで、一例として、下記（１）式及び（２）式に示すような還元反応が進行し、Ｃ（１２Ｃ又は１３Ｃ）が得られる。即ち、例えば鉄系の触媒の存在下においてＣＯとＨ２とを混合し、加熱することで１２Ｃ又は１３Ｃが得られるとともに、副生成物であるＨ２Ｏが生成する。
１２Ｃ１８Ｏ＋Ｈ２→１２Ｃ＋Ｈ２１８Ｏ          ・・・・・（１）
１３Ｃ１８Ｏ＋Ｈ２→１３Ｃ＋Ｈ２１８Ｏ          ・・・・・（２）
【００６１】
また、還元反応工程においては、下記（３）式及び（４）式に示すような還元反応が進行し、ＣＨ４（１２ＣＨ４又は１３ＣＨ４）が得られる。即ち、水素製造プロセスにおいて微量に発生したＣＯを取り除くために行われる触媒反応として知られる、所謂メタネーション反応により、１２ＣＨ４又は１３ＣＨ４が得られる。
１２Ｃ１８Ｏ＋３Ｈ２→１２ＣＨ４＋Ｈ２１８Ｏ          ・・・・・（３）
１３Ｃ１８Ｏ＋３Ｈ２→１３ＣＨ４＋Ｈ２１８Ｏ          ・・・・・（４）
【００６２】
さらに、還元反応工程においては、詳細な反応式は省略するが、鉄やコバルト等の触媒の存在下においてＣＯとＨ２とを反応させる、所謂フィッシャートロプッシュ法（ＦＴ法）により、ＣＨ４以外の炭化水素が得られる。
【００６３】
還元反応工程においては、第１反応器１Ａ内の温度を２００〜１２００℃の範囲として還元反応を生じさせることが好ましい。第１反応器１Ａ内の温度を上記範囲とすることで、上記の還元反応がより効果的に進行し、１２Ｃ、１３Ｃ又は炭化水素の何れかを効率的に生成させることが可能になる。また、上記の観点から、第１反応器１１Ａ内の温度は、７００〜９００℃がより好ましい。
【００６４】
第１反応器１Ａ内の温度が上記範囲の下限未満だと、効果的に還元反応を生じさせるのが難しくなる場合がある。一方、第１反応器１Ａ内の温度が上記範囲の上限を超えても、上述した効果は飽和し、第１反応器１Ａの加熱に用いるエネルギーが無駄になる場合がある。
【００６５】
なお、還元反応工程においては、第１反応器１Ａ内において上記の還元反応を生じさせるにあたり、上述したように、第１反応器１Ａの内部に、予めＨ２を収容した状態とすることも可能である。
【００６６】
（２）除湿工程
次に、除湿工程においては、還元反応工程で生成された１２Ｃ、１３Ｃ又は炭化水素を除湿器７内で除湿処理し、水分（Ｈ２Ｏ）を一定程度まで除去する。そして、除去したＨ２Ｏは、除湿器７に接続された排水ラインＬ４から外部に送出する。
【００６７】
（３）酸化反応工程
次に、酸化反応工程においては、還元反応工程で生成された１２Ｃ、１３Ｃ又は炭化水素の何れかと、酸素同位体１６Ｏ、１７Ｏ及び１８Ｏを含むＨ２Ｏとを第２反応器１Ｂ内で反応させ、酸化反応を生じさせる。この際、接続ラインＬ５から、除湿された１２Ｃ、１３Ｃ又は炭化水素を第２反応器１Ｂに供給するとともに、水供給ラインＬ６から、接続ラインＬ５を介して、酸素同位体１６Ｏ、１７Ｏ及び１８Ｏを含むＨ２Ｏを供給する。ここで、Ｈ２Ｏに含まれる酸素同位体を一酸化炭素ＣＯに効果的に導入するためには、このＨ２Ｏを大量に供給することが好ましい。このように、大量に供給するＨ２Ｏ量の目安としては、例えば、一酸化炭素ＣＯの供給量に対する体積比で、１０〜３０倍程度の範囲とすればよく、特に、一酸化炭素ＣＯに酸素同位体１７Ｏ又は１８Ｏを導入する場合には、Ｈ２Ｏを可能な限り大量に供給することがより好ましい。
【００６８】
上記のように、第２反応器１Ｂ内で酸化反応を生じさせ、１２Ｃ、１３Ｃ又は炭化水素の何れかに任意の酸素同位体を導入することにより、一酸化炭素安定同位体１２Ｃ１６Ｏ、１２Ｃ１７Ｏ、１２Ｃ１８Ｏ、１３Ｃ１６Ｏ、１３Ｃ１７Ｏ又は１３Ｃ１８Ｏのうちの何れかを選択的に生成させる。
【００６９】
一例として、１２Ｃ又は１３Ｃに酸素同位体１６Ｏを導入する場合、第２反応器１Ｂ内においては、まず、下記（５）式及び（６）式に示すような反応が進行してＣＯが生成される。
１２Ｃ＋Ｈ２１６Ｏ→１２Ｃ１６Ｏ＋Ｈ２    ・・・・・（５）
１３Ｃ＋Ｈ２１６Ｏ→１３Ｃ１６Ｏ＋Ｈ２    ・・・・・（６）
【００７０】
また、炭化水素、例えばＣＨ４（１２ＣＨ４又は１３ＣＨ４）に酸素同位体１６Ｏを導入する場合、第２反応器１Ｂ内においては、下記（７）式及び（８）式に示すような酸化反応が発生する。
１２ＣＨ４＋Ｈ２１６Ｏ→１２Ｃ１６Ｏ＋３Ｈ２      ・・・・・（７）
１３ＣＨ４＋Ｈ２１６Ｏ→１３Ｃ１６Ｏ＋３Ｈ２      ・・・・・（８）
【００７１】
上記のような、ＣＨ４等の炭化水素とＨ２Ｏとの反応は、触媒の存在下において高温の水蒸気（Ｈ２Ｏ）と炭化物類とを反応させる水蒸気改質法によるものであり、コークス、天然ガス又は石油等から水素を得る際に、一般的に用いられている方法である。
【００７２】
上記（５）〜（８）式に示すような酸化反応が生じることで、Ｈ２Ｏ中の酸素と１２Ｃ又は１３Ｃとの反応、あるいは、Ｈ２Ｏ中の酸素とＣＨ４等の炭化水素中の水素との交換反応により、任意の酸素同位体（上記各式で表される例では１６Ｏ）を導入できる。このような酸化反応により、１２Ｃ及び１３Ｃを含む一酸化炭素安定同位体における酸素同位体の濃度を容易且つ効率的に変更でき、一酸化炭素安定同位体（上記各反応式の例では１３Ｃ１６Ｏ）を選択的に生成させることが可能になる。また、上記（５）〜（８）式に示すように、特に、酸素同位体１６Ｏの天然存在割合が高いＨ２Ｏを供給することで、１６Ｏを含む一酸化炭素安定同位体１３Ｃ１６Ｏ等をより効率的且つ選択的に生成させることが可能となる。
【００７３】
酸化反応工程においては、第２反応器１Ｂ内の温度を２００〜１２００℃の範囲として酸化反応を生じさせることが好ましい。第２反応器１Ｂ内の温度を上記の範囲とすることにより、一酸化炭素中に任意の酸素同位体を導入するのが容易になり、所望の一酸化炭素安定同位体をさらに効率的に得ることが可能になる。
また、上記の観点から、第２反応器１Ｂ内の温度は、８００〜１０００℃がより好ましい。
【００７４】
第２反応器１Ｂ内の温度が上記範囲の下限未満だと、効果的に酸化反応を生じさせるのが難しくなる場合がある。一方、第２反応器１Ｂ内の温度が上記範囲の上限を超えても、上述した効果は飽和し、第２反応器１Ｂの加熱に用いるエネルギーが無駄になる場合がある。
【００７５】
また、酸化反応工程においては、上記（５）〜（８）式に示した反応式の場合と同様にして、例えば、１２Ｃ、１３Ｃ又は炭化水素の何れかに酸素同位体１７Ｏ又は１８Ｏを導入することで、１２Ｃ１７Ｏ又は１３Ｃ１７Ｏ、あるいは、１２Ｃ１８Ｏ又は１３Ｃ１８Ｏのうちの何れかを選択的に生成させることができる。
即ち、本実施形態の酸素同位体置換方法における反応工程では、一酸化炭素安定同位体１２Ｃ１６Ｏ、１２Ｃ１７Ｏ、１２Ｃ１８Ｏ、１３Ｃ１６Ｏ、１３Ｃ１７Ｏ又は１３Ｃ１８Ｏのうちの何れかを選択的に生成させることが可能である。
【００７６】
（４）精製工程
次に、精製工程においては、上記の酸化反応工程における酸化反応後の反応ガス、即ち、一酸化炭素安定同位体１２Ｃ１６Ｏ、１２Ｃ１７Ｏ、１２Ｃ１８Ｏ、１３Ｃ１６Ｏ、１３Ｃ１７Ｏ又は１３Ｃ１８Ｏのうちの何れかを含む反応ガスを脱水器２で脱水処理し、酸化反応工程で発生した副生成物であるＨ２Ｏを一定程度まで除去する。
【００７７】
次いで、精製工程では、第１吸着器３１を用いて、反応ガスに対してさらに十分な脱水処理を施し、Ｈ２Ｏを可能な限り除去する。
次いで、第２吸着器３２を用いて、副生成物であるＣＯ２を回収する。
【００７８】
次いで、精製工程では、第１蒸留塔４１を用いて、Ｈ２Ｏ及びＣＯ２が除去された反応ガスを蒸留処理することで、副生成物であるＨ２を回収する。
次いで、第２蒸留塔４２を用いて、第１蒸留塔４１においてＨ２が回収された反応ガスを蒸留処理することで、さらに、未反応物であるＣＨ４等の炭化水素を回収する。
ここで、本実施形態の精製工程においては、第１蒸留塔４１及び第２蒸留塔で、第２反応器１Ｂで生成された一酸化炭素安定同位体を高純度に精製する。この際、例えば、精製工程の開始直後（第１蒸留塔４１及び第２蒸留塔４２の起動直後）においては、各一酸化炭素安定同位体の濃度は、各蒸留塔において、ほぼ一様である。その後、工程時間が経過するにつれて、比較的沸点の高い一酸化炭素安定同位体、特に１３Ｃ１６Ｏ、１２Ｃ１８Ｏ及び１３Ｃ１８Ｏが第１蒸留塔４１及び第２蒸留塔４２の塔底側に濃縮される。従って、第２蒸留塔４２の塔底側から、高純度に精製された１３Ｃ１６Ｏ、１２Ｃ１８Ｏ又は１３Ｃ１８Ｏを取り出すことができる一方、第２蒸留塔４２の塔頂側からは、比較的沸点の低い１２Ｃ１６Ｏ等を高純度で精製された状態で取り出すことができる。
【００７９】
そして、精製工程においては、高純度に精製された一酸化炭素安定同位体を第２蒸留塔４２に接続された最終ラインＬ１３から、例えば、製品用ボンベ等に向けて送出される。
【００８０】
なお、精製工程においては、上記の各処理に加え、さらに、第１蒸留塔４１で回収されたＨ２を、吸着器３、具体的には第２吸着器３２に返送し、このＨ２によって第２吸着器３２の再生処理を行ってもよい。
【００８１】
（５）返送工程
次に、返送工程においては、精製工程において回収された、未反応物である炭化水素、及び、副生成物であるＣＯ２を還元反応工程に返送して再反応に供する。
このように、本実施形態の酸素同位体置換方法においては、反応工程における未反応物（ＣＨ４等の炭化水素）及び副生成物（Ｈ２及びＣＯ２）を、再び還元反応工程（第１反応器１Ａ）に戻すことで、原料に対する、所望の一酸化炭素安定同位体の収率が向上する。
【００８２】
本実施形態の酸素同位体置換方法によれば、一酸化炭素安定同位体を含有する製品として、ＣＯ内における酸素同位体１６Ｏ、１７Ｏ及び１８Ｏの各々が任意の同位体濃度になった化合物を提供することが可能になる。これにより、従来の方法では合成が困難であった同位体標識化合物を、例えば、アルコールやアルデヒド、エステル結合に対して、選択的且つ効率的な酸素同位体の導入することで得ることが可能となる。
【００８３】
上述したように、１３Ｃを含むＣＯ分離する蒸留（精製工程）を行うにあたっては、Ｃには１２Ｃ及び１３Ｃの炭素同位体が存在し、また、Ｏには酸素同位体１６Ｏ、１７Ｏ及び１８Ｏが存在し、天然存在比率より、１３Ｃを含むＣＯのうちのほとんどが１３Ｃ１６Ｏ（分子量：２９）である。一方、従来の方法では、蒸留による濃縮が進むにつれて、１２Ｃ１７Ｏ（分子量：２９）、１２Ｃ１８Ｏ（分子量：３０）、１３Ｃ１７Ｏ（分子量：３０）及び１３Ｃ１８Ｏ（分子量：３１）の濃縮が同時に進行するため、１３Ｃの濃縮を十分な高濃度で行うことが出来なかった。これに対し、本実施形態では、Ｏを単一の酸素同位体に置換するように調整することで、１３Ｃを含むＣＯを効率よく濃縮することが可能になる。
【００８４】
＜その他の形態＞
以上、実施形態により本発明に係る酸素同位体置換方法及び酸素同位体置換装置の一例を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上記の実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。
例えば、本実施形態では、蒸留塔３を第１蒸留塔４１及び第２蒸留塔４２の２基が設けられた例を説明しているが、これには限定されず、任意の基数に設定することが可能である。
【００８５】
＜作用効果＞
以上説明したように、本実施形態の酸素同位体置換方法によれば、少なくとも、炭素同位体１２Ｃ及び１３Ｃを含む一酸化炭素ＣＯとＨ２とを反応させて１２Ｃ、１３Ｃ又は炭化水素の何れかに変換する還元反応工程と、１２Ｃ、１３Ｃ又は炭化水素の何れかと酸素同位体１６Ｏ、１７Ｏ及び１８Ｏを含むＨ２Ｏとを反応させ、任意の酸素同位体を導入することにより、一酸化炭素安定同位体１２Ｃ１６Ｏ、１２Ｃ１７Ｏ、１２Ｃ１８Ｏ、１３Ｃ１６Ｏ、１３Ｃ１７Ｏ又は１３Ｃ１８Ｏのうちの何れかを選択的に生成させる酸化反応工程と、を有した構成を採用している。このような、還元反応工程と酸化反応工程とを順次備えた構成を採用することで、一酸化炭素ＣＯの内部に任意の酸素同位体を任意の比率で効率的に導入できる。従って、所望の酸素同位体を有する高純度の一酸化炭素安定同位体を、工業生産的なスケールで、低コストで効率的に得ることが可能になる。
【００８６】
また、本実施形態の酸素同位体置換方法においては、さらに、上述した精製工程を備えることで、一酸化炭素安定同位体を含む混合ガスを効率的に分離精製し、所望の一酸化炭素安定同位体を高純度で得ることが可能になる。
さらに、上記の返送工程を備えることで、原料を無駄にすることなく効率的な平衡反応を生じさせることができ、高純度の一酸化炭素安定同位体が安価に得られる。
【００８７】
次に、本実施形態の酸素同位体置換装置１０によれば、少なくとも、炭素同位体１２Ｃ及び１３Ｃを含む一酸化炭素ＣＯとＨ２とを反応させて１２Ｃ、１３Ｃ又は炭化水素の何れかに変換する第１反応器１Ａと、１２Ｃ、１３Ｃ又は炭化水素の何れかと酸素同位体１６Ｏ、１７Ｏ及び１８Ｏを含むＨ２Ｏとを反応させ、任意の酸素同位体を導入することにより、一酸化炭素安定同位体１２Ｃ１６Ｏ、１２Ｃ１７Ｏ、１２Ｃ１８Ｏ、１３Ｃ１６Ｏ、１３Ｃ１７Ｏ又は１３Ｃ１８Ｏのうちの何れかを選択的に生成させる第２反応器１Ｂと、を備えた構成を採用している。このように、還元反応を行う第１反応器１Ａと、酸化反応を行う第２反応器１Ｂとを順次備えた構成を採用することにより、上記同様、所望の酸素同位体を有する高純度の一酸化炭素安定同位体を、工業生産的なスケールで、低コストで効率的に得ることが可能になる。
【００８８】
また、本実施形態の酸素同位体置換装置１０においては、さらに、上述した脱水器２、吸着器３、蒸留塔４、返送部５及び除湿器７を備えた構成を採用することにより、所望の酸素同位体を有する高純度の一酸化炭素安定同位体を、工業生産的なスケールで、さらに低コストで効率的に得ることが可能になる。
【００８９】
本実施形態の酸素同位体置換方法及び酸素同位体置換装置１０で得られる一酸化炭素安定同位体、特に、炭素同位体１３Ｃを高濃度に含む一酸化炭素安定同位体１３Ｃ１６Ｏは、例えば、医療分野等のトレーサとして極めて有用である。
【実施例】
【００９０】
以下、本発明の酸素同位体置換方法及び酸素同位体置換装置について、実施例を示してより詳細に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。
【００９１】
本実施例においては、図２に示すような酸素同位体置換装置１０を用いて、以下に示す条件及び手順で一酸化炭素同位体１３Ｃ１６Ｏの合成（反応）〜精製を行った。また、この際の、図２中に示す酸素同位体置換装置１０中の各流路（Ａ）〜（Ｒ）におけるガスの流量、濃度、濃度比について、下記表１に示した。
【００９２】
まず、酸素同位体置換装置１０を起動させ、別途準備した１３Ｃ濃縮用蒸留塔から、第１反応器１Ａに向けて、原料供給ラインＬ１を介して炭素同位体１３Ｃを含む一酸化炭素ＣＯ（１Ｎｍ３／ｈ、１６Ｏ：８５．８％、１７Ｏ：０．６４５％、１８Ｏ：１３．５％）を供給した（図２及び下記表１中に示す（Ａ）を参照）。これとともに、水素供給ラインＬ２から原料供給ラインＬ１を介してＨ２（５．０Ｎｍ３／ｈ）を混合した。さらに、第２蒸留塔４２で予め処理された再生ガス（５．４４Ｎｍ３／ｈ、ＣＯ：０．２８％、Ｈ２：９１．８６％、ＣＨ４：２．５３％、Ｈ２Ｏ：０．００％、ＣＯ２：５．３３％）を、原料供給ラインＬ１を介して混合し、８００℃、５ａｔｍとなる条件で第１反応器１Ａ中に導入した（図２及び下記表１中に示す（Ｑ）、（Ｂ）を参照）。なお、第２蒸留塔４２で予め処理された再生ガス中の水素の流量が５．０Ｎｍ３／ｈになった時点で、水素供給ラインＬ２からの水素の供給を停止した。
【００９３】
また、この際、第１反応器１Ａ内には、予め、Ｎｉを主成分とする触媒を充填した状態とし、第１反応器１Ａ内において、下記（２）式及び（４）式に示すような還元反応を生じさせ、１３Ｃ及びＣＨ４（炭化水素）を含むガスを得た。
１３Ｃ１８Ｏ＋Ｈ２→１３Ｃ＋Ｈ２１８Ｏ          ・・・・・（２）
１３Ｃ１８Ｏ＋３Ｈ２→１３ＣＨ４＋Ｈ２１８Ｏ      ・・・・・（４）
【００９４】
次いで、第１反応器１Ａにおける反応後の還元反応ガス（３．９６Ｎｍ３/ｈ、ＣＯ：１．２８％、Ｈ２:２５．３４％、ＣＨ４:３４．７７％、Ｈ２Ｏ：３８．２５％、ＣＯ２:０．３７％）を１０℃まで冷却した後、除湿器７に導入して除湿処理を行い、Ｈ２Ｏを除去した。
【００９５】
次いで、除湿器７で除湿した還元反応ガスに、接続ラインＬ５において水供給ラインＬ６から水蒸気（Ｈ２Ｏ、３０Ｎｍ３／ｈ、１６Ｏ：９９．８％、１７Ｏ：０．０３８％、１８Ｏ：０．２３％）を混合し、第２反応器１Ｂ中に、１０００℃、５ａｔｍとなる条件で導入した（図２及び下記表１中に示す（Ｇ）を参照）。この際、第２反応器１Ｂ内の雰囲気を、予め、Ｎｉを主成分とする触媒を充填した状態とし、下記（６）式及び（８）式に示すような酸化反応を生じさせた。
１３Ｃ＋Ｈ２１６Ｏ→１３Ｃ１６Ｏ＋Ｈ２    ・・・・・（６）
１３ＣＨ４＋Ｈ２１６Ｏ→１３Ｃ１６Ｏ＋３Ｈ２      ・・・・・（８）
【００９６】
次いで、第２反応器１Ｂ内において酸化反応した酸化反応ガス（３４．９６Ｎｍ３／ｈ、ＣＯ：２．９０％、Ｈ２：１４．３０％、ＣＨ４：０．３９％、Ｈ２Ｏ：８１．５７％、ＣＯ２：０．８３％；図２及び下記表１中に示す（Ｈ）を参照）を脱水処理するため、チラーからなる脱水器２で冷却した。
次いで、脱水処理後の反応ガスを第１吸着器３１に導入して、より十分な脱水処理を実施した後、第２吸着器３２に導入して、ＣＯ２を除去した（図２及び下記表１中に示す（Ｊ）、（Ｋ）を参照）。
【００９７】
次いで、第２吸着器でＣＯ２が除去された反応ガスを第１蒸留塔４１に導入してＨ２を除去し、さらに、第２蒸留塔４２でＣＨ４を除去することにより、最終ラインＬ１３を通じて一酸化炭素同位体ＣＯ（１６Ｏ：９９．７％、１７Ｏ：０．０３９％、１８Ｏ：０．２１％）を得た（図２及び下記表１中に示す（Ｍ）、（Ｒ）を参照）。この際、第１蒸留塔４１で除去されたＨ２は、吸着器再生処理部６により、第２吸着器３２に回送して再生処理に供した後（流量：５．０Ｎｍ３／ｈ）、この第２吸着器３２で除去したＣＯ２とともに、第２返送ライン５２により、第１返送ライン５１及び原料供給ラインＬ１を介して第１反応器１Ａに戻し、再反応に供した（図２及び下記表１中に示す（Ｌ）、（Ｑ）を参照）。また、第２蒸留塔４２で除去されたＣＨ４についても、第１返送ライン５１、第２返送ライン５２及び原料供給ラインＬ１を介して第１反応器１Ａに戻し、再反応に供した（図２及び下記表１中に示す（Ｎ）、（Ｑ）を参照）。
【００９８】
下記表１中の（Ｒ）に示すように、得られた一酸化炭素同位体ＣＯは、１６Ｏが選択的に濃縮されており、高純度なＣ１６Ｏが得られた。
【００９９】
【表１】
2019059650.tif 000003
【０１００】
以上説明したような実施例の結果より、本発明に係る酸素同位体置換方法及び酸素同位体置換装置が、一酸化炭素ＣＯの内部に任意の酸素同位体を任意の比率で効率的に導入でき、所望の一酸化炭素安定同位体を高純度で得ることが可能であることが明らかである。
【産業上の利用可能性】
【０１０１】
本発明の酸素同位体置換方法及び酸素同位体置換装置によれば、炭素同位体１２Ｃ及び１３Ｃを含む一酸化炭素安定同位体を選択的に得ることができ、特に、炭素同位体１３Ｃを高濃度に含む１３Ｃ１６Ｏを高濃度に含む製品を製造することが可能なので、例えば、医療分野等のトレーサの製造に好適である。
【符号の説明】
【０１０２】
１Ａ…第１反応器
１Ｂ…第２反応器
２…脱水器
３…吸着器
３１…第１吸着器
３２…第２吸着器
４…蒸留塔
４１…第１蒸留塔
４２…第２蒸留塔
５…返送部
５１…第１返送ライン
５２…第２返送ライン
６…吸着器再生処理部
７…除湿器
１０…酸素同位体置換装置
Ｌ１…原料供給ライン
Ｌ２…水素供給ライン
Ｌ３…接続ライン
Ｌ４…排水ライン
Ｌ５…接続ライン
Ｌ６…水供給ライン
Ｌ７…接続ライン
Ｌ８…接続ライン
Ｌ９…排水ライン
Ｌ１０…接続ライン
Ｌ１１…接続ライン
Ｌ１２…接続ライン
Ｌ１３…最終ライン
【図１】
2019059650.tif 000004
【図２】
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