(57)【要約】【課題】重分子全般について、電気分解とは全く異なる手法で濃縮回収や除去を行う。【解決手段】重水分子と軽水分子とが混在する被処理水と、ハイドレートのゲスト分子となる流体とを、重水分子とゲスト分子により構成されるハイドレートが安定に存在する温度及び圧力条件下で接触させて、被処理水の一部を取り込ませたハイドレートを生成する工程と、ハイドレートを回収する工程とを含むようにして、重水分子を濃縮回収するようにした。また、重水分子と軽水分子とが混在する被処理水と、ハイドレートのゲスト分子となる流体とを、重水分子とゲスト分子により構成されるハイドレートが安定に存在する温度及び圧力条件下で接触させて、被処理水の一部を取り込ませたハイドレートを生成する工程と、被処理水の残部を回収する工程とを含むようにして、重水分子を除去（低減）するようにした。【選択図】図８
2013226549.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに同位体の関係にある原子のうち天然存在比が最も高い原子よりも質量数の大きな原子である高質量数同位体を含む水分子と前記高質量数同位体を含まない水分子とが混在する被処理水と、ハイドレートのゲスト分子となる流体とを、前記高質量数同位体を含む水分子と前記ゲスト分子により構成されるハイドレートが安定に存在する温度及び圧力条件下で接触させて、前記被処理水の一部を取り込ませたハイドレートを生成する工程と、
前記ハイドレートを回収する工程と、
を含むことを特徴とする、高質量数同位体を含む水分子の濃縮回収方法。
【請求項２】
被処理水と、ハイドレートに包接され得るゲスト分子であって互いに同位体の関係にある原子のうち天然存在比が最も高い原子よりも質量数の大きな原子である高質量数同位体を含むゲスト分子とこのゲスト分子と元素構成が同一であって前記高質量数同位体を含まないゲスト分子とが混在する流体とを、前記被処理水中の水分子と前記高質量数同位体を含むゲスト分子により構成されるハイドレートが安定に存在する温度及び圧力条件下で接触させて、前記流体の一部を取り込ませたハイドレートを生成する工程と、
前記ハイドレートを回収する工程と、
を含むことを特徴とする、高質量数同位体を含むゲスト分子の濃縮回収方法。
【請求項３】
互いに同位体の関係にある原子のうち天然存在比が最も高い原子よりも質量数の大きな原子である高質量数同位体を含む水分子と前記高質量数同位体を含まない水分子とが混在する被処理水と、ハイドレートに包接され得るゲスト分子であって互いに同位体の関係にある原子のうち天然存在比が最も高い原子よりも質量数の大きな原子である高質量数同位体を含むゲスト分子とこのゲスト分子と元素構成が同一であって前記高質量数同位体を含まないゲスト分子とが混在する流体とを、前記高質量数同位体を含む水分子と前記高質量数同位体を含むゲスト分子により構成されるハイドレートが安定に存在する温度及び圧力条件下で接触させて、前記被処理水の一部と前記流体の一部を取り込ませたハイドレートを生成する工程と、
前記ハイドレートを回収する工程と、
を含むことを特徴とする、高質量数同位体を含む水分子及び高質量数同位体を含むゲスト分子の濃縮回収方法。
【請求項４】
前記ハイドレートを分解することにより生じる前記被処理水の一部を、前記ハイドレートを生成する工程の前記被処理水として供する、請求項１または３に記載の濃縮回収方法。
【請求項５】
前記ハイドレートを分解することにより生じる前記流体の一部を、前記ハイドレートを生成する工程の前記流体として供する、請求項２または３に記載の濃縮回収方法。
【請求項６】
互いに同位体の関係にある原子のうち天然存在比が最も高い原子よりも質量数の大きな原子である高質量数同位体を含む水分子と前記高質量数同位体を含まない水分子とが混在する被処理水と、ハイドレートのゲスト分子となる流体とを、前記高質量数同位体を含む水分子と前記ゲスト分子により構成されるハイドレートが安定に存在する温度及び圧力条件下で接触させて、前記被処理水の一部を取り込ませたハイドレートを生成する工程と、
前記被処理水の残部を回収する工程と、
を含むことを特徴とする、高質量数同位体を含む水分子の除去方法。
【請求項７】
被処理水と、ハイドレートに包接され得るゲスト分子であって互いに同位体の関係にある原子のうち天然存在比が最も高い原子よりも質量数の大きな原子である高質量数同位体を含むゲスト分子とこのゲスト分子と元素構成が同一であって前記高質量数同位体を含まないゲスト分子とが混在する流体とを、前記被処理水中の水分子と前記高質量数同位体を含むゲスト分子により構成されるハイドレートが安定に存在する温度及び圧力条件下で接触させて、前記流体の一部を取り込ませたハイドレートを生成する工程と、
前記流体の残部を回収する工程と、
を含むことを特徴とする、高質量数同位体を含むゲスト分子の除去方法。
【請求項８】
互いに同位体の関係にある原子のうち天然存在比が最も高い原子よりも質量数の大きな原子である高質量数同位体を含む水分子と前記高質量数同位体を含まない水分子とが混在する被処理水と、ハイドレートに包接され得るゲスト分子であって互いに同位体の関係にある原子のうち天然存在比が最も高い原子よりも質量数の大きな原子である高質量数同位体を含むゲスト分子とこのゲスト分子と元素構成が同一であって前記高質量数同位体を含まないゲスト分子とが混在する流体とを、前記高質量数同位体を含む水分子と前記高質量数同位体を含むゲスト分子により構成されるハイドレートが安定に存在する温度及び圧力条件下で接触させて、前記被処理水の一部と前記流体の一部を取り込ませたハイドレートを生成する工程と、
前記被処理水の残部及び前記流体の残部を回収する工程と、
を含むことを特徴とする、高質量数同位体を含む水分子及び高質量数同位体を含むゲスト分子の除去方法。
【請求項９】
前記被処理水の残部を、前記ハイドレートを生成する工程の前記被処理水として供する、請求項６または８に記載の除去方法。
【請求項１０】
前記流体の残部を、前記ハイドレートを生成する工程の前記流体として供する、請求項７または８に記載の除去方法。
【請求項１１】
互いに同位体の関係にある原子のうち天然存在比が最も高い原子よりも質量数の大きな原子である高質量数同位体を含む水分子と前記高質量数同位体を含まない水分子とが混在する被処理水と、ハイドレートのゲスト分子となる流体とを、前記高質量数同位体を含む水分子と前記ゲスト分子により構成されるハイドレートが安定に存在する温度及び圧力条件下で接触させて、前記被処理水の一部を取り込ませたハイドレートを生成するハイドレート生成槽と、
前記ハイドレートを回収するハイドレート回収手段と、
前記ハイドレート回収手段により回収された前記ハイドレートを分解するハイドレート分解手段と
を有し、
前記ハイドレート分解手段により前記ハイドレートが分解され、前記ハイドレートが分解されて生じた前記被処理水の一部が回収されることを特徴とする、高質量数同位体を含む水分子の濃縮回収システム。
【請求項１２】
被処理水と、ハイドレートに包接され得るゲスト分子であって互いに同位体の関係にある原子のうち天然存在比が最も高い原子よりも質量数の大きな原子である高質量数同位体を含むゲスト分子とこのゲスト分子と元素構成が同一であって前記高質量数同位体を含まないゲスト分子とが混在する流体とを、前記被処理水中の水分子と前記高質量数同位体を含むゲスト分子により構成されるハイドレートが安定に存在する温度及び圧力条件下で接触させて、前記流体の一部を取り込ませたハイドレートを生成するハイドレート生成槽と、
前記ハイドレートを回収するハイドレート回収手段と、
前記ハイドレート回収手段により回収された前記ハイドレートを分解するハイドレート分解手段と
を有し、
前記ハイドレート分解手段により前記ハイドレートが分解され、前記ハイドレートが分解されて生じた前記流体の一部が回収されることを特徴とする、高質量数同位体を含むゲスト分子の濃縮回収システム。
【請求項１３】
互いに同位体の関係にある原子のうち天然存在比が最も高い原子よりも質量数の大きな原子である高質量数同位体を含む水分子と前記高質量数同位体を含まない水分子とが混在する被処理水と、ハイドレートに包接され得るゲスト分子であって互いに同位体の関係にある原子のうち天然存在比が最も高い原子よりも質量数の大きな原子である高質量数同位体を含むゲスト分子とこのゲスト分子と元素構成が同一であって前記高質量数同位体を含まないゲスト分子とが混在する流体とを、前記高質量数同位体を含む水分子と前記高質量数同位体を含むゲスト分子により構成されるハイドレートが安定に存在する温度及び圧力条件下で接触させて、前記被処理水の一部と前記流体の一部を取り込ませたハイドレートを生成するハイドレート生成槽と、
前記ハイドレートを回収するハイドレート回収手段と、
前記ハイドレート回収手段により回収された前記ハイドレートを分解するハイドレート分解手段と
を有し、
前記ハイドレート分解手段により前記ハイドレートが分解され、前記ハイドレートが分解されて生じた前記被処理水の一部と前記流体の一部が回収されることを特徴とする、高質量数同位体を含む水分子及び高質量数同位体を含むゲスト分子の濃縮回収システム。
【請求項１４】
互いに同位体の関係にある原子のうち天然存在比が最も高い原子よりも質量数の大きな原子である高質量数同位体を含む水分子と前記高質量数同位体を含まない水分子とが混在する被処理水と、ハイドレートのゲスト分子となる流体とを、前記高質量数同位体を含む水分子と前記ゲスト分子により構成されるハイドレートが安定に存在する温度及び圧力条件下で接触させて、前記被処理水の一部を取り込ませたハイドレートを生成するハイドレート生成槽と、
前記被処理水の残部を回収する回収手段と、
を有することを特徴とする、高質量数同位体を含む水分子の除去システム。
【請求項１５】
被処理水と、ハイドレートに包接され得るゲスト分子であって互いに同位体の関係にある原子のうち天然存在比が最も高い原子よりも質量数の大きな原子である高質量数同位体を含むゲスト分子とこのゲスト分子と元素構成が同一であって前記高質量数同位体を含まないゲスト分子とが混在する流体とを、前記被処理水中の水分子と前記高質量数同位体を含むゲスト分子により構成されるハイドレートが安定に存在する温度及び圧力条件下で接触させて、前記流体の一部を取り込ませたハイドレートを生成するハイドレート生成槽と、
前記流体の残部を回収する回収手段と、
を有することを特徴とする、高質量数同位体を含むゲスト分子の除去システム。
【請求項１６】
互いに同位体の関係にある原子のうち天然存在比が最も高い原子よりも質量数の大きな原子である高質量数同位体を含む水分子と前記高質量数同位体を含まない水分子とが混在する被処理水と、ハイドレートに包接され得るゲスト分子であって互いに同位体の関係にある原子のうち天然存在比が最も高い原子よりも質量数の大きな原子である高質量数同位体を含むゲスト分子とこのゲスト分子と元素構成が同一であって前記高質量数同位体を含まないゲスト分子とが混在する流体とを、前記高質量数同位体を含む水分子と前記高質量数同位体を含むゲスト分子により構成されるハイドレートが安定に存在する温度及び圧力条件下で接触させて、前記被処理水の一部と前記流体の一部を取り込ませたハイドレートを生成するハイドレート生成槽と、
前記ハイドレートを回収するハイドレート回収手段と、
前記被処理水の残部と前記流体の残部を回収する回収手段と、
を有することを特徴とする、高質量数同位体を含む水分子及び高質量数同位体を含むゲスト分子の除去システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高質量数同位体を含む分子の濃縮回収方法及び除去方法に関する。さらに詳述すると、本発明は、互いに同位体の関係にある原子のうち天然存在比が最も高い原子よりも質量数の大きな原子である高質量数同位体を含む分子を濃縮回収及び除去するのに好適な方法に関する。
【０００２】
尚、以降の説明では、互いに同位体の関係にある原子のうち天然存在比が最も高い原子よりも質量数の大きな原子である高質量数同位体を含む分子を「重分子」と、重分子と元素構成が同一であって高質量数同位体を含まない分子を「軽分子」と呼ぶこともある。
【０００３】
また、互いに同位体の関係にある原子のうち天然存在比が最も高い原子よりも質量数の大きな原子である高質量数同位体を含む水分子を「重水分子」と、高質量数同位体を含まない水分子を「軽水分子」と呼ぶこともある。
【０００４】
さらに、ハイドレートに包接され得るゲスト分子であって互いに同位体の関係にある原子のうち天然存在比が最も高い原子よりも質量数の大きな原子である高質量数同位体を含むゲスト分子を「重ゲスト分子」と、重ゲスト分子と元素構成が同一であって高質量数同位体を含まないゲスト分子を「軽ゲスト分子」と呼ぶこともある。
【背景技術】
【０００５】
軽水分子（１Ｈ及び１６Ｏからなる水分子（Ｈ２Ｏ））からなる水（以下、「軽水」と呼ぶこともある。）の融点及び沸点は、それぞれ０℃及び１００℃である。これに対し、重水分子（２Ｈ、３Ｈ及び／又は１７Ｏ若しくは１８Ｏを含む水分子）からなる水（以下、「重水」と呼ぶこともある。）の融点及び沸点は、軽水よりも高温である。例えば、２Ｈと１６Ｏからなる水分子（Ｄ２Ｏ）の融点及び沸点は、それぞれ３．８１℃及び１０１．４℃である。軽水と重水において、融点及び沸点がこのように異なるのは、軽水よりも重水の方が分子間力が大きいことに起因している。
【０００６】
ところで、重水の商業生産は、軽水と重水の分子間力の大きさの違いを利用して、電気分解により行われている。具体的には、軽水の方が分子間力が小さく、電気分解されやすいので、軽水のみを電気分解して水素と酸素に分解した後、電気分解されていない水を回収することにより、重水を濃縮して回収するようにしている。例えば、特許文献１では、このような電気分解を利用した重水の回収技術に関連する発明について開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−２８６７３７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、水の電気分解を利用した重水の回収技術においては、理論的には十数Ｖ程度の電解電圧が必要であると共に、軽水中の水分子数に応じた膨大な電力が必要であることから、多大な投入エネルギーを必要とする問題があった。
【０００９】
ここで、重分子は、その分子自体が安定同位体標識化合物として、あるいは安定同位体標識化合物の合成原料として有用である。また、核分裂反応（原子力発電）により生じ得る重分子、例えば３Ｈ（トリチウム）を含む分子は、放射能汚染の要因となることから、隔離や除染を行う必要がある。
【００１０】
そこで、本発明は、重分子全般について、電気分解とは全く異なる手法で濃縮回収や除去を行うことのできる方法及びシステム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】
かかる課題を解決するため、本願発明者は鋭意検討し、重水が軽水よりも分子間力が大きいことを利用することで、水の電気分解とは全く異なるアプローチで重水の濃縮回収や除去ができると考えた。そこで、本願発明者が種々実験を行った結果、２Ｈ及び１６Ｏからなる水分子（Ｄ２Ｏ）をホスト分子とするハイドレートの安定存在領域は、１Ｈ及び１６Ｏからなる水分子（Ｈ２Ｏ）をホスト分子とするハイドレートの安定存在領域よりも高温側まで広がっていることが明らかとなった。Ｄ２Ｏをホスト分子とするハイドレートの安定存在領域の拡大効果は、同位体効果のうちの質量効果に起因するものと考えられた。
【００１２】
このことから、本願発明者は、Ｄ２Ｏをホスト分子とするハイドレートに限らず、重水分子（つまり、２Ｈ、３Ｈ及び／又は１７Ｏ若しくは１８Ｏを含む水分子）全般をホスト分子とするハイドレート、さらには重分子全般をゲスト分子とするハイドレートについて、同位体効果のうちの質量効果に起因して、ハイドレートの安定存在領域の拡大効果が得られるものと考え、この効果を利用することによって、重分子をハイドレートに優先的に取り込ませることが可能であることを知見するに至り、種々検討を重ねて、本発明に至った。
【００１３】
即ち、本発明の高質量数同位体を含む水分子の濃縮回収方法は、互いに同位体の関係にある原子のうち天然存在比が最も高い原子よりも質量数の大きな原子である高質量数同位体を含む水分子と高質量数同位体を含まない水分子とが混在する被処理水と、ハイドレートのゲスト分子となる流体とを、高質量数同位体を含む水分子とゲスト分子により構成されるハイドレートが安定に存在する温度及び圧力条件下で接触させて、被処理水の一部を取り込ませたハイドレートを生成する工程と、ハイドレートを回収する工程とを含むようにしている。
【００１４】
また、本発明の高質量数同位体を含むゲスト分子の濃縮回収方法は、被処理水と、ハイドレートに包接され得るゲスト分子であって互いに同位体の関係にある原子のうち天然存在比が最も高い原子よりも質量数の大きな原子である高質量数同位体を含むゲスト分子とこのゲスト分子と元素構成が同一であって高質量数同位体を含まないゲスト分子とが混在する流体とを、被処理水中の水分子と高質量数同位体を含むゲスト分子により構成されるハイドレートが安定に存在する温度及び圧力条件下で接触させて、流体の一部を取り込ませたハイドレートを生成する工程と、ハイドレートを回収する工程とを含むようにしている。
【００１５】
さらに、本発明の高質量数同位体を含む水分子及び高質量数同位体を含むゲスト分子の濃縮回収方法は、互いに同位体の関係にある原子のうち天然存在比が最も高い原子よりも質量数の大きな原子である高質量数同位体を含む水分子と高質量数同位体を含まない水分子とが混在する被処理水と、ハイドレートに包接され得るゲスト分子であって互いに同位体の関係にある原子のうち天然存在比が最も高い原子よりも質量数の大きな原子である高質量数同位体を含むゲスト分子とこのゲスト分子と元素構成が同一であって高質量数同位体を含まないゲスト分子とが混在する流体とを、高質量数同位体を含む水分子と高質量数同位体を含むゲスト分子により構成されるハイドレートが安定に存在する温度及び圧力条件下で接触させて、被処理水の一部と流体の一部を取り込ませたハイドレートを生成する工程と、ハイドレートを回収する工程とを含むようにしている。
【００１６】
ここで、高質量数同位体を含む水分子を濃縮回収する場合には、ハイドレートを分解することにより生じる被処理水の一部を、ハイドレートを生成する工程の被処理水として供することが好ましい。
【００１７】
また、高質量数同位体を含むゲスト分子を濃縮回収する場合には、ハイドレートを分解することにより生じる流体の一部を、ハイドレートを生成する工程の流体として供することが好ましい。
【００１８】
次に、本発明の高質量数同位体を含む水分子の除去方法は、互いに同位体の関係にある原子のうち天然存在比が最も高い原子よりも質量数の大きな原子である高質量数同位体を含む水分子と高質量数同位体を含まない水分子とが混在する被処理水と、ハイドレートのゲスト分子となる流体とを、高質量数同位体を含む水分子とゲスト分子により構成されるハイドレートが安定に存在する温度及び圧力条件下で接触させて、被処理水の一部を取り込ませたハイドレートを生成する工程と、被処理水の残部を回収する工程とを含むようにしている。
【００１９】
また、本発明の高質量数同位体を含むゲスト分子の除去方法は、被処理水と、ハイドレートに包接され得るゲスト分子であって互いに同位体の関係にある原子のうち天然存在比が最も高い原子よりも質量数の大きな原子である高質量数同位体を含むゲスト分子とこのゲスト分子と元素構成が同一であって高質量数同位体を含まないゲスト分子とが混在する流体とを、被処理水中の水分子と高質量数同位体を含むゲスト分子により構成されるハイドレートが安定に存在する温度及び圧力条件下で接触させて、流体の一部を取り込ませたハイドレートを生成する工程と、流体の残部を回収する工程とを含むようにしている。
【００２０】
さらに、互いに同位体の関係にある原子のうち天然存在比が最も高い原子よりも質量数の大きな原子である高質量数同位体を含む水分子と高質量数同位体を含まない水分子とが混在する被処理水と、ハイドレートに包接され得るゲスト分子であって互いに同位体の関係にある原子のうち天然存在比が最も高い原子よりも質量数の大きな原子である高質量数同位体を含むゲスト分子とこのゲスト分子と元素構成が同一であって高質量数同位体を含まないゲスト分子とが混在する流体とを、高質量数同位体を含む水分子と高質量数同位体を含むゲスト分子により構成されるハイドレートが安定に存在する温度及び圧力条件下で接触させて、被処理水の一部と流体の一部を取り込ませたハイドレートを生成する工程と、被処理水の残部及び流体の残部を回収する工程とを含むようにしている。
【００２１】
ここで、高質量数同位体を含む水分子を除去する場合には、被処理水の残部を、ハイドレートを生成する工程の被処理水として供することが好ましい。
【００２２】
また、高質量数同位体を含むゲスト分子を除去する場合には、流体の残部を、ハイドレートを生成する工程の流体として供することが好ましい。
【００２３】
次に、本発明の高質量数同位体を含む水分子の濃縮回収システムは、互いに同位体の関係にある原子のうち天然存在比が最も高い原子よりも質量数の大きな原子である高質量数同位体を含む水分子と高質量数同位体を含まない水分子とが混在する被処理水と、ハイドレートのゲスト分子となる流体とを、高質量数同位体を含む水分子とゲスト分子により構成されるハイドレートが安定に存在する温度及び圧力条件下で接触させて、被処理水の一部を取り込ませたハイドレートを生成するハイドレート生成槽と、ハイドレートを回収するハイドレート回収手段と、ハイドレート回収手段により回収されたハイドレートを分解するハイドレート分解手段とを有し、ハイドレート分解手段によりハイドレートが分解され、ハイドレートが分解されて生じた被処理水の一部が回収されるものとしている。
【００２４】
また、本発明の高質量数同位体を含むゲスト分子の濃縮回収システムは、被処理水と、ハイドレートに包接され得るゲスト分子であって互いに同位体の関係にある原子のうち天然存在比が最も高い原子よりも質量数の大きな原子である高質量数同位体を含むゲスト分子とこのゲスト分子と元素構成が同一であって高質量数同位体を含まないゲスト分子とが混在する流体とを、被処理水中の水分子と高質量数同位体を含むゲスト分子により構成されるハイドレートが安定に存在する温度及び圧力条件下で接触させて、流体の一部を取り込ませたハイドレートを生成するハイドレート生成槽と、ハイドレートを回収するハイドレート回収手段と、ハイドレート回収手段により回収されたハイドレートを分解するハイドレート分解手段を有し、ハイドレート分解手段によりハイドレートが分解され、ハイドレートが分解されて生じた流体の一部が回収されるものとしている。
【００２５】
さらに、本発明の高質量数同位体を含む水分子及び高質量数同位体を含むゲスト分子の濃縮回収システムは、互いに同位体の関係にある原子のうち天然存在比が最も高い原子よりも質量数の大きな原子である高質量数同位体を含む水分子と高質量数同位体を含まない水分子とが混在する被処理水と、ハイドレートに包接され得るゲスト分子であって互いに同位体の関係にある原子のうち天然存在比が最も高い原子よりも質量数の大きな原子である高質量数同位体を含むゲスト分子とこのゲスト分子と元素構成が同一であって高質量数同位体を含まないゲスト分子とが混在する流体とを、高質量数同位体を含む水分子と高質量数同位体を含むゲスト分子により構成されるハイドレートが安定に存在する温度及び圧力条件下で接触させて、被処理水の一部と流体の一部を取り込ませたハイドレートを生成するハイドレート生成槽と、ハイドレートを回収するハイドレート回収手段と、ハイドレート回収手段により回収されたハイドレートを分解するハイドレート分解手段とを有し、ハイドレート分解手段によりハイドレートが分解され、ハイドレートが分解されて生じた被処理水の一部と流体の一部が回収されるものとしている。
【００２６】
次に、本発明の高質量数同位体を含む水分子の除去システムは、互いに同位体の関係にある原子のうち天然存在比が最も高い原子よりも質量数の大きな原子である高質量数同位体を含む水分子と高質量数同位体を含まない水分子とが混在する被処理水と、ハイドレートのゲスト分子となる流体とを、高質量数同位体を含む水分子とゲスト分子により構成されるハイドレートが安定に存在する温度及び圧力条件下で接触させて、被処理水の一部を取り込ませたハイドレートを生成するハイドレート生成槽と、被処理水の残部を回収する回収手段とを有するものとしている。
【００２７】
また、本発明の高質量数同位体を含むゲスト分子の除去システムは、被処理水と、ハイドレートに包接され得るゲスト分子であって互いに同位体の関係にある原子のうち天然存在比が最も高い原子よりも質量数の大きな原子である高質量数同位体を含むゲスト分子とこのゲスト分子と元素構成が同一であって高質量数同位体を含まないゲスト分子とが混在する流体とを、被処理水中の水分子と高質量数同位体を含むゲスト分子により構成されるハイドレートが安定に存在する温度及び圧力条件下で接触させて、流体の一部を取り込ませたハイドレートを生成するハイドレート生成槽と、流体の残部を回収する回収手段と有するものとしている。
【００２８】
さらに、本発明の高質量数同位体を含む水分子及び高質量数同位体を含むゲスト分子の除去システムは、互いに同位体の関係にある原子のうち天然存在比が最も高い原子よりも質量数の大きな原子である高質量数同位体を含む水分子と高質量数同位体を含まない水分子とが混在する被処理水と、ハイドレートに包接され得るゲスト分子であって互いに同位体の関係にある原子のうち天然存在比が最も高い原子よりも質量数の大きな原子である高質量数同位体を含むゲスト分子とこのゲスト分子と元素構成が同一であって高質量数同位体を含まないゲスト分子とが混在する流体とを、高質量数同位体を含む水分子と高質量数同位体を含むゲスト分子により構成されるハイドレートが安定に存在する温度及び圧力条件下で接触させて、被処理水の一部と流体の一部を取り込ませたハイドレートを生成するハイドレート生成槽と、ハイドレートを回収するハイドレート回収手段と、被処理水の残部と流体の残部を回収する回収手段とを有するものとしている。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、電気分解とは全く異なる手法であるハイドレートの生成や分解を利用して、重分子の濃縮回収や除去を行うことが可能となる。ハイドレートの生成や分解を利用する場合、電気分解を利用する場合よりも投入エネルギーを低減させやすいものとできる。したがって、投入エネルギーに要するコストを低減して、重分子の濃縮回収や除去を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の重分子の濃縮回収方法及び除去方法を実施するためのシステムの構成概略図である。
【図２】本発明の重分子の濃縮回収方法の工程フローを示す図である。
【図３】本発明の重分子の除去方法の工程フローを示す図である。
【図４】本発明の重分子の濃縮回収方法及び除去方法を実施するためのシステムの構成の詳細を示す図である。
【図５】硫化水素ハイドレートの安定領域を示す図である。
【図６】軽水分子をホスト分子とするハイドレートの安定存在領域と、重水分子をホスト分子とするハイドレートの安定存在領域の違いを示す図である。
【図７】２Ｈ及び１６Ｏからなる水分子（Ｄ２Ｏ）の相平衡図である。
【図８】図７の一部拡大図である。
【図９】ハイドレート生成と分解を繰り返したときの相平衡温度の変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明を実施するための形態について、図面に基づいて詳細に説明する。
【００３２】
重分子をホスト分子及び／又はゲスト分子とした場合のハイドレートの安定存在領域は、同位体効果のうちの質量効果に起因して、軽分子をホスト分子及びゲスト分子とした場合のハイドレートの安定存在領域よりも高温側にシフトする。したがって、重分子がハイドレート格子中にホスト分子またはゲスト分子として取り込まれる確率は、軽分子のそれよりも大きい。本発明は、重分子が軽分子よりもハイドレート格子中に取り込まれ易くなる効果を利用して実施される。
【００３３】
即ち、重水分子と軽水分子が混在する被処理水をハイドレートのゲスト分子となる流体と接触させてハイドレートを生成し、被処理水の一部をハイドレートに取り込ませた場合、ホスト分子として重水分子が優先的にハイドレートに取り込まれる。よって、当該被処理水の一部においては、当初の被処理水よりも重水分子濃度が増加する。逆に、被処理水の残部においては、当初の被処理水よりも重水分子濃度が低下する。したがって、ハイドレート生成に寄与した被処理水の一部を回収すれば重水分子を濃縮回収することができ、ハイドレート生成に寄与しなかった被処理水の残部を回収すれば重水分子を除去（低減）することができる。
【００３４】
また、重ゲスト分子と軽ゲスト分子が混在する流体を被処理水と接触させてハイドレートを生成し、流体の一部をハイドレートに取り込ませた場合、ゲスト分子として重ゲスト分子が優先的にハイドレートに取り込まれる。よって、当該流体の一部においては、当初の流体よりも重ゲスト分子濃度が増加する。逆に、流体の残部においては、当初の流体よりも重ゲスト分子濃度が低下する。したがって、ハイドレート生成に寄与した流体の一部を回収すれば重ゲスト分子を濃縮回収することができ、ハイドレート生成に寄与しなかった流体の残部を回収すれば重ゲスト分子を除去（低減）することができる。
【００３５】
さらに、重水分子と軽水分子が混在する被処理水を、重ゲスト分子と軽ゲスト分子が混在する流体と接触させてハイドレートを生成し、被処理水の一部と流体の一部をハイドレートに取り込ませた場合、ホスト分子として重水分子が、ゲスト分子として重ゲスト分子が優先的にハイドレートに取り込まれる。よって、当該被処理水の一部においては、当初の被処理水よりも重水分子濃度が増加し、当該流体の一部においては、当初の流体よりも重ゲスト分子濃度が増加する。逆に、被処理水の残部においては、当初の被処理水よりも重水分子濃度が低下し、流体の残部においては、当初の流体よりも重ゲスト分子濃度が低下する。したがって、ハイドレート生成に寄与した被処理水の一部及び流体の一部を回収すれば重水分子と重ゲスト分子を濃縮回収することができ、ハイドレート生成に寄与しなかった被処理水の残部と流体の残部を回収すれば重水分子と重ゲスト分子を除去（低減）することができる。
【００３６】
以下、本発明の濃縮回収・除去方法について、重水分子の濃縮回収・除去方法を例に挙げて詳細に説明する。
【００３７】
本発明の重水分子の濃縮回収・除去方法は、例えば図１に示す濃縮回収システム及び除去システムにて実施される。
【００３８】
図１に示すシステム１は、被処理水が導入されるハイドレートスラリー生成槽１０と、ハイドレートスラリー生成槽１０にゲスト分子の流体を導入するためのゲスト分子流体供給源２０と、ハイドレートスラリー生成槽１０にて生成されたハイドレートスラリーが導入される固液分離槽３０を有している。  
【００３９】
ハイドレートスラリー生成槽１０では、重水分子と軽水分子とが混在している被処理水とハイドレートのゲスト分子となる流体とを、重水分子とゲスト分子により構成されるハイドレートが安定に存在する温度及び圧力条件下で接触させて、被処理水の一部を取り込ませたハイドレートが生成される。したがって、ハイドレートスラリー生成槽１０はハイドレート生成槽とも表現できる。尚、ハイドレートスラリー生成槽１０では、被処理水の一部を取り込ませたハイドレートが被処理水の残部に混在した状態、つまりハイドレートスラリーとして存在している。
【００４０】
固液分離槽３０では、ハイドレートスラリーを固液分離することで生じる被処理水の残部を液体排出部３０ａから最初に排出させて回収する。この被処理水の残部は、当初の被処理水よりも重水分子濃度が低下している。したがって、被処理水の残部を回収することで、システム１は、重水分子の除去（低減）システムとして機能する。また、この場合、固液分離槽３０及び液体排出部３０ａを含めて、被処理水の残部を回収する手段として機能していることになる。
【００４１】
また、固液分離槽３０の液体排出部３０ａから被処理水の残部を排出させた後、固液分離槽３０ａ内のハイドレートをヒーター（不図示）等で加熱及び／又は減圧して分解処理し、液体排出部３０ａから被処理液の一部を排出させて回収する。この被処理液の一部は、当初の被処理水よりも重水分子濃度が増加している。したがって、被処理水の一部を回収することで、システム１は、重水分子の濃縮回収システムとして機能する。また、この場合、固液分離槽３０、及び被処理水の残部を排出するための液体排出部３０ａを含めて、ハイドレート回収手段として機能し、ヒーター（加熱手段）や減圧手段がハイドレート分解手段として機能していることになる。
【００４２】
尚、被処理液の残部と一部の双方をそれぞれ回収することで、システム１は、重水分子の濃縮回収・除去システムとして機能する。
【００４３】
以下、本発明の重水分子の濃縮回収方法及び除去方法を実施するための一例についてさらに詳細に説明する。
【００４４】
本発明の重水分子の濃縮回収方法は、ハイドレート生成工程、ハイドレート回収工程、及びハイドレート分解工程を含むようにしている。詳細には、図２に示すように、ハイドレートスラリー生成工程（Ｓ１１）、ハイドレート分離回収工程（Ｓ１２）、及びハイドレート分解工程（Ｓ１３）を含むようにしている。
【００４５】
また、本発明の重水分子の除去方法は、ハイドレート生成工程、及び被処理水の残部を回収する工程を含むようにしている。詳細には、図３に示すように、ハイドレートスラリー生成工程（Ｓ２１）、及びハイドレート分離除去工程（Ｓ２２）を含むものとしている。
【００４６】
＜ハイドレートスラリー生成工程＞
本発明の重水分子の濃縮回収方法及び除去方法は、ハイドレートスラリー生成工程（Ｓ１１とＳ２１）は共通している。
【００４７】
ハイドレートスラリー生成工程では、重水分子と軽水分子とが混在している被処理水と、ハイドレートのゲスト分子となる流体とを、重水分子とゲスト分子により構成されるハイドレートが安定に存在する温度及び圧力条件下で接触させて、被処理水の一部を取り込ませたハイドレートを含むハイドレートスラリーを生成する。
【００４８】
重水分子は、２Ｈ、３Ｈ及び／又は１７Ｏ若しくは１８Ｏを含む水分子であり、１Ｈ及び／又は１６Ｏを含んでいてもよい。例えば、２Ｈ（重水素（Ｄ））を含む重水分子として、Ｄ２ＯだけでなくＨＤＯも含まれる。また、３Ｈ（トリチウム（Ｔ））を含む重水分子として、Ｔ２ＯだけでなくＨＴＯも含まれる。つまり、本発明では、高質量数の安定同位体及び／又は放射性同位体を含む重水分子の濃縮回収、除去が可能となる。
【００４９】
ハイドレートのゲスト分子となる流体としては、ハイドレートのゲスト分子となり得る分子の流体、例えば、メタン、エタン、プロパン、ブタン、イソブタン（２−メチルプロパン）等の炭化水素、硫化水素及び二酸化炭素等の気体、あるいは加圧冷却等により液化した液体を一種または二種以上組み合わせて用いることができる。
【００５０】
ここで、本発明においては、ゲスト分子として、硫化水素を用いることが好適である。硫化水素をゲスト分子とするハイドレートは、図５に示すのグレーの領域で安定に存在する。具体的には、硫化水素ハイドレートは、２７２．８Ｋの温度条件下においては、９３ＫＰａ以上の圧力条件下であれば安定に存在する。また、３０２．７Ｋの温度条件下においては、２２３９ＫＰａ以上の圧力条件下であれば安定に存在する。したがって、常温・常圧に近い環境でハイドレートの生成と分解を行うことができ、温度調整や圧力調整に必要なエネルギーを最小限に抑えながら、重水分子の濃縮回収や除去を実施することが可能になる。
【００５１】
また、硫化水素は、金属イオンと反応して難溶性の金属硫化物を生成する機能を有している。したがって、被処理水中にトリチウムを含む重水分子以外の放射性物質、例えば放射性セシウムが含まれている場合に、これを難溶性の硫化セシウムとして、被処理水中から除去することが可能となる。
【００５２】
被処理水とゲスト分子の流体とを接触させる方法については、被処理水の一部を取り込ませたハイドレートを含むハイドレートスラリーを効率的に生成できる方法であれば特に限定されるものではないが、ゲスト分子の気体の微細気泡あるいは液体の微粒子（液滴）を被処理水に供給する形態とすることが好ましい。これにより、被処理水とゲスト分子の流体との接触面積を拡大して、ハイドレート生成を促進させることができる。
【００５３】
ゲスト分子の気体の微細気泡あるいは液体の微粒子を被処理水に供給する方法としては、ポアサイズがｎｍ〜μｍオーダーの多孔質フィルタ（アルミナ等の多孔質セラミックス、多孔質金属、シラス多孔質ガラス）等を介してゲスト分子の流体を被処理水に供給する方法などが挙げられる。より具体的には、例えば一端が閉塞した管状部材の少なくとも一部を多孔質フィルタで構成して多孔質フィルタ部分を被処理水と接触させ、管状部材の内部にゲスト分子の流体を流通させることによって、多孔質フィルタからゲスト分子の流体の微粒子または微細気泡（マイクロバブル、ナノバブル）を被処理水に供給する方法が挙げられる。特に、シラス多孔質ガラスは、微細孔の直径が０．０５μｍ〜２５０μｍであり、所望の微粒子または微細気泡を供給し易い。但し、このような方法に必ずしも限定されるものではなく、例えば、ゲスト分子の液体をノズル等を用いて被処理水中に噴射させることによって微粒化し、被処理水とゲスト分子の液体微粒子のエマルジョンとしてもよい。
【００５４】
ここで、被処理水とゲスト分子の流体とを接触させる方法について、図４に基づいて詳細に説明する。図４に示すシステム１では、タンク２からの一次処理水（被処理水）を、ハイドレートスラリー生成槽１０としての断熱性の耐圧容器内に供給し、被処理水が満たされたハイドレートスラリー生成槽１０内にタンク２０からのゲスト分子の流体を多孔質フィルタを介して供給するようにしている。ハイドレートスラリー生成槽１０内の圧力は、プランジャーポンプ（Ｐｕ１とＰｕ２）により被処理水とゲスト分子の流体とを加圧しながら供給することで制御され、ハイドレートスラリー生成槽１０内の温度は、熱交換器２ａと２０ａにより制御される。例えばゲスト分子として硫化水素を用いる場合には、被処理水を供給する配管とゲスト分子の流体を供給する配管をそれぞれ螺旋状とし、これを温度調整された水槽内に沈めることで、配管内の被処理水とゲスト分子の流体の温度を調整するようにすればよい。また、ハイドレートスラリー生成槽１０内への被処理水とゲスト分子の流体の供給を、ハイドレートスラリー生成槽１０の下方から行うことによって、ハイドレートスラリー生成槽１０内に上昇流を発生させて、生成したハイドレートによりハイドレートスラリー生成槽１０内を閉塞させることなく、ハイドレートスラリーをハイドレートスラリー生成槽１０の上部から排出させることができる。
【００５５】
ここで、ハイドレートの生成には、通常、ランダムなリードタイムが存在することから、ハイドレートの生成タイミングにばらつきが生じることが多い。そこで、図４に示すシステム１では、種ハイドレート供給源１１から、ハイドレートスラリー生成槽１０の下方に向けて種ハイドレートを供給するようにしている。これにより、ハイドレート生成タイミングのばらつきを抑えることができる。図４に示すシステム１では、タンク１２に貯留された重水を種ハイドレート供給源１１としての断熱性の耐圧容器内に重水を供給し、被処理水が満たされた種ハイドレート供給源１１内にタンク２０からのゲスト分子の流体を多孔質フィルタを介して供給するようにしている。種ハイドレート供給源１１内の圧力は、プランジャーポンプ（Ｐｕ６とＰｕ２）により重水とゲスト分子の流体とを加圧しながら供給することで制御され、種ハイドレート供給源１１内の温度は、熱交換器２０ａとタンク１２から種ハイドレート供給源１１への重水流路に設けられた熱交換器等（図示省略）により制御される。そして、ハイドレートスラリー生成槽１０でハイドレートスラリーを生成し始める前に、予め種ハイドレート供給源１１で種ハイドレートのスラリーを生成しておき、ハイドレートスラリー生成槽１０でハイドレートスラリーを生成し始めると同時に種ハイドレート供給源１１から種ハイドレートのスラリーを供給する。また、種ハイドレート供給源１１内への重水とゲスト分子の流体の供給を、種ハイドレート供給源１１の下方から行うことによって、種ハイドレート供給源１１内に上昇流を発生させて、生成した種ハイドレートにより種ハイドレート供給源１１内を閉塞させることなく、種ハイドレートのスラリーを種ハイドレート供給源１１の上部から排出させることができる。このように、重水分子をホスト分子とする種ハイドレートをハイドレートスラリー生成槽１０に供給することによって、ハイドレートスラリー生成槽１０で生成されるハイドレート中のホスト分子として重水分子が取り込まれやすくなり、重水分子の濃縮確率を高めて、重水分子の（被処理水の一部における）濃縮効率と（被処理水の残部における）除去効率を向上させることができる。但し、ハイドレートの生成タイミングを制御する上では、重水の代わりに一次処理水（被処理水）を利用して、予め種ハイドレートを生成し、これをハイドレートスラリー生成槽１０に供給するようにしても構わない。
【００５６】
また、ハイドレートスラリー生成槽１０においてハイドレートスラリーの生成が安定した際には、種ハイドレート供給源１１からの種ハイドレートの供給を止めて、ハイドレートスラリー生成槽１０の上部から排出されるハイドレートスラリーの一部を、ハイドレートスラリー生成槽１０の下方に供給するようにしてもよい。これにより、重水の使用をシステム起動初期段階のみに留めて、コストダウンを図ることができる。
【００５７】
ここで、ハイドレートスラリー生成槽１０の温度及び圧力条件は、軽水分子をホスト分子とするハイドレートは安定に存在できず、重水分子をホスト分子とするハイドレートは安定に存在できる温度及び圧力条件とすることが好ましい。図６に示すように、重水分子をホスト分子とするハイドレートの安定領域は、軽水分子をホスト分子とするハイドレートの安定領域よりも、高温側まで広がっている。また、同じ温度であればより低圧側までハイドレートの安定領域が広がっている。そこで、ハイドレートスラリー生成槽１０の温度及び圧力条件を図６に示すグレーの領域（但し、軽水分子をホスト分子とするハイドレートの安定領域である相平衡線Ｂは含まない）、特に図６に示すグレーの領域のうち、重水分子をホスト分子とするハイドレートの相平衡線Ａ上またはその近傍に調整してハイドレートスラリーの生成を行うことによって、重水分子がハイドレート中にホスト分子として取り込まれる確率がさらに高まり、重水分子の（被処理水の一部における）濃縮効率と（被処理水の残部における）除去効率をさらに向上させることが可能となる。
【００５８】
＜ハイドレート分離回収工程、ハイドレート分解工程、ハイドレート分離除去工程＞
本発明の重水分子の濃縮回収方法におけるハイドレート分離回収工程（Ｓ１２）及びハイドレート分解工程（Ｓ１３）、本発明の重水分子の除去方法におけるハイドレート分離除去工程（Ｓ２２）は、固液分離槽３０で実施される。
【００５９】
ハイドレート分離回収工程（Ｓ１２）では、ハイドレートスラリーからハイドレートを分離して回収するようにしている。そして、ハイドレート分解工程（Ｓ１３）では、ハイドレート分離回収工程において回収されたハイドレートを分解するようにしている。また、ハイドレート分離除去工程（Ｓ２２）では、ハイドレートスラリーからハイドレートを分離して除去するようにしている。つまり、これらの工程では、ハイドレートスラリーをハイドレートと水（被処理水の残部）とに固液分離する点において共通している。そして、重水分子の濃縮回収を行う場合には、ハイドレートを分解して被処理水の一部を回収する。但し、ハイドレートを分解することなく、輸送や貯蔵等を行い易いハイドレートの形態のまま回収し、必要に応じて分解して利用するようにしても構わない。また、重水分子の除去を行う場合には、被処理水の残部を回収する。
【００６０】
図４に示すシステム１では、固液分離槽を２つ（符号３０と３１）備えて、一方で固液分離している間、他方ではハイドレート分解を行うようにしている。但し、固液分離槽を一つとして、固液分離とハイドレート分解を順次行うようにしても構わない。
【００６１】
固液分離槽３０、３１は断熱性の耐圧容器とし、回転モーター／ローラー（Ｍ１とＭ２）を備えるものとしている。そして、ガス供給源４１からプランジャーポンプ（Ｐｕ４）を介して加圧ガスが導入され、固液分離槽３０、３１内をハイドレートが分解されることなく維持される温度及び圧力条件とする。この状態で、回転モーター／ローラー（Ｍ１とＭ２）を回転させてハイドレートスラリーを遠心分離する。遠心分離を行うことにより、遠心力によってハイドレートが固液分離槽３０、３１の内壁側に移動して、ハイドレートと水（被処理水の残部）に固液分離される。固液分離の後、排出部（Ｖ１２とＶ２２）から水が排出される。排出された水は、セパレータ５０を介して、二次処理水（被処理水の残部）として回収される。二次処理水（被処理水の残部）は、一次処理水（被処理水）と比較して、重水分子濃度が低減されている。
【００６２】
セパレータ５０は、水（被処理水の残部）に存在する、ハイドレート生成に関与しなかったゲスト分子を回収し、これを再びハイドレートスラリー生成槽１０または種ハイドレート供給源１１に供給するためのものである。ゲスト分子が水に溶け込んでいる場合には、例えばセパレータ５０内を加熱したり減圧したりすることによって、セパレータ５０のヘッドスペースにゲスト分子のガスを滞留させて回収する。ゲスト分子が水に溶け込んでいない場合には、相分離させて回収する。
【００６３】
尚、二次処理水は、プランジャーポンプ（Ｐｕ３）により加圧しながら再びハイドレートスラリー生成槽１０に、あるいは図４に示すシステム１の後段に同一または類似のシステムを備えて、そのシステムのハイドレートスラリー生成槽１０に供給して、重水分子の除去処理を繰り返し、重水分子濃度をさらに低減するようにしてもよい。
【００６４】
排出部（Ｖ１２とＶ２２）から水を排出した後、排出部（Ｖ１２とＶ２２）を閉じ、固液分離槽３０、３１内のハイドレートを分解する。ハイドレートの分解は、固液分離槽３０、３１内をハイドレートが安定に存在できない温度及び圧力条件に調整することで行われる。図４に示すシステム１では、バルブ（Ｖ１４とＶ２４）を開放して、固液分離槽３０、３１内をハイドレートが安定に存在できない圧力条件（Ｐ０）に調整するようにしている。ハイドレートが分解して生じた水（被処理水の一部）は、排出部（Ｖ１３とＶ２３）から排出される。排出された水は、タンク５１を介してプランジャーポンプ（Ｐｕ５）により一次濃集水（被処理水の一部）として回収される。図４中、Ｄは水位計であり、タンク５１の水位に応じてプランジャーポンプ（Ｐｕ５）を作動させるようにしている。一次濃集水（被処理水の一部）は、一次処理水（被処理水）と比較して、重水分子が濃縮されている。
【００６５】
尚、一次濃集水は、再びハイドレートスラリー生成槽１０に、あるいは図４に示すシステム１の後段に同一または類似のシステムを備えて、そのシステムのハイドレートスラリー生成槽１０に供給して、重水分子の濃縮処理を繰り返し、重水分子をさらに濃縮するようにしてもよい。
【００６６】
また、ハイドレートの分解によって固液分離槽３０、３１内にハイドレートに取り込まれていたゲスト分子が存在するので、これを排出部から取り出して、セパレータ５０を介して再びハイドレートスラリー生成槽１０または種ハイドレート供給源１１に供給するようにしてもよい。あるいはタンク５１を介してガス供給源４１にゲスト分子を供給し、固液分離槽３０、３１内の加圧ガスとして利用してもよい。
【００６７】
本発明によれば、被処理水中の重水分子（２Ｈ、３Ｈ及び／又は１７Ｏ若しくは１８Ｏを含む水分子）を濃縮（重水濃度を濃縮）することや、被処理水から重水分子を除去することが可能である。したがって、本発明により、安定同位体標識化合物の合成原料として有用な安定同位体（２Ｈ及び／又は１７Ｏ若しくは１８Ｏを含む水分子）を効率よく製造することが可能になる。尚、２Ｈ及び／又は１７Ｏ若しくは１８Ｏを含む水分子自体を安定同位体標識化合物として用いることもできる。
【００６８】
また、本発明により、核分裂反応（原子力発電）により生成する、３Ｈ（トリチウム（Ｔ））を含む水分子（ＨＴＯ、Ｔ２Ｏ、ＤＴＯ）に汚染された水の除染に利用することができる。また、３Ｈ（トリチウム（Ｔ））を含む水分子が濃縮して回収されたハイドレートは固体であることから、液体と比較して貯蔵や輸送が容易であり、放射性物質の処理までの待機や処理場への輸送なども行い易いものとできる。
【００６９】
また、ＨＤＯ、Ｄ２Ｏ、ＨＴＯ及び／又はＴ２Ｏにより実質的に構成されている水は、核融合燃料として利用されている。例えば、国際的な核融合実験研究（ＩＴＥＲ）が行われており、本発明の濃縮回収方法及びシステムは、このような研究において使用することができる水（つまり、水素原子が２Ｈや３Ｈに置換された水）の提供に貢献することができる。
【００７０】
上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、上述の実施形態では、ハイドレートスラリー生成槽１０、種ハイドレート供給源１１、固液分離槽３０、３１を断熱性の耐圧容器としているが、システム１の設置箇所の温度がハイドレートが安定に存在する温度条件であれば、断熱性ではない耐圧容器としても構わない。あるいは、断熱性ではない耐圧容器を用いて、耐圧容器自体を冷却・加熱することにより、ハイドレートが安定に存在する温度条件やハイドレートが分解する温度条件に調整しても構わない。
【００７１】
また、上述の実施形態では、加圧手段として、プランジャーポンプを用いるようにしているが、これを別の加圧手段に変更しても構わない。
【００７２】
また、上述の実施形態では、主に重水分子の濃縮回収・除去を例に挙げて説明したが、重ゲスト分子の濃縮回収・除去を行うようにしてもよい。例えば、図１に示すシステム１を用いて、ハイドレートスラリー生成槽１０で軽ゲスト分子と重ゲスト分子とが混在している流体（液体）の一部を取り込ませたハイドレートを生成して、ハイドレートと流体の残部の混在物を生成し、この混在物を固液分離槽３０に導入し、流体の残部を液体排出部３０ａから排出する。流体の残部においては、当初の流体よりも重ゲスト分子濃度が低減していることから、流体の残部を回収することで、重ゲスト分子を除去することができる。また、流体の残部を液体排出部３０ａから排出した後、ハイドレートを分解して、流体の一部を液体排出部３０ａから排出する。流体の一部においては、当初の流体よりも重ゲスト分子濃度が増加していることから、流体の一部を回収することで、重ゲスト分子を濃縮することができる。
【００７３】
軽ゲスト分子と重ゲスト分子とが混在している流体の一部を取り込ませたハイドレートを生成する場合には、軽ゲスト分子をゲスト分子とするハイドレートは安定に存在できず、重ゲスト分子をゲスト分子とするハイドレートは安定に存在できる温度及び圧力条件とすることが好ましく、重ゲスト分子をゲスト分子とするハイドレートは安定に存在できる温度及び圧力条件で且つ重ゲスト分子をゲスト分子とするハイドレートが生成され始める境界条件（相平衡条件）あるいはその近傍の条件とすることがより好ましい。
【００７４】
重ゲスト分子としては、例えば、１３Ｃ、１４Ｃ、２Ｈ及び／又は３Ｈを含む、メタン、エタン、プロパン、ブタン、イソブタン（２−メチルプロパン）等の炭化水素、２Ｈ、３Ｈ及び／又は３３Ｓ、３４Ｓ、３５Ｓ若しくは３６Ｓを含む硫化水素、１７Ｏ、１８Ｏ及び／又は１３Ｃ若しくは１４Ｃを含む二酸化炭素等が挙げられる。但し、重ゲスト分子は、これらに限定されるものではなく、ハイドレートのゲスト分子として包接され得る重分子を、濃縮回収や除去を必要とする同位体に応じて、選択することができる。つまり、本発明では、高質量数の安定同位体及び／又は放射性同位体を含む重ゲスト分子の濃縮回収、除去が可能となる。
【００７５】
尚、流体の残部及び流体の一部の回収方法は、液体排出部３０ａから排出する方法には限定されず、気化等により固液分離槽３０の上方から排出するようにしてもよい。
【００７６】
また、軽ゲスト分子と重ゲスト分子とが混在している流体は、液体には限定されず、気体であってもよい。この場合には、ハイドレートを生成した段階で、ハイドレートと流体の残部を容易に分離することができ、固液分離処理を省略することができる。
【００７７】
さらに、上述の実施形態では、主に重水分子の濃縮回収・除去を例に挙げて説明したが、軽水分子と重水分子とが混在している被処理水の一部と、軽ゲスト分子と重ゲスト分子とが混在している流体の一部とをハイドレートに取り込んで、被処理水の一部の重水分子の濃縮と流体の一部の重ゲスト分子の濃縮とを同時に行い、被処理水の残部の重水分子の濃度の低減と流体の残部の重ゲスト分子の濃度の低減を同時に行うようにしてもよい。ここで、軽水分子と重水分子とが混在している被処理水の一部と軽ゲスト分子と重ゲスト分子とが混在している流体の一部を取り込ませたハイドレートを生成する場合には、軽水分子をホスト分子とし軽ゲスト分子をゲスト分子とするハイドレートは安定に存在できず、重水分子をホスト分子とし重ゲスト分子をゲスト分子とするハイドレートは安定に存在できる温度及び圧力条件とすることが好ましく、重水分子をホスト分子とし重ゲスト分子をゲスト分子とするハイドレートは安定に存在できる温度及び圧力条件で且つ重水分子をホスト分子とし重ゲスト分子をゲスト分子とするハイドレートが生成され始める境界条件（相平衡条件）あるいはその近傍の条件とすることがより好ましい。
【００７８】
具体的には、軽水分子と重水分子とが混在する被処理水と、軽ゲスト分子と重ゲスト分子とが混在している流体とを、重水分子と重ゲスト分子により構成されるハイドレートが安定に存在する温度及び圧力条件下で接触させて、被処理水の一部と流体の一部を取り込ませたハイドレートを生成する工程と、ハイドレートを回収する工程とを含むようにすればよい。これにより、重水分子と重ゲスト分子の濃縮回収が可能である。
【００７９】
また、軽水分子と重水分子とが混在する被処理水と、軽ゲスト分子と重ゲスト分子とが混在している流体とを、重水分子と重ゲスト分子により構成されるハイドレートが安定に存在する温度及び圧力条件下で接触させて、被処理水の一部と流体の一部を取り込ませたハイドレートを生成する工程と、被処理水の残部及び流体の残部を回収する工程とを含むようにすればよい。これにより、重水分子と重ゲスト分子の除去（低減）が可能である。
【実施例】
【００８０】
以下に本発明の実施例を説明するが、本発明はこれら実施例に限られるものではない。
【００８１】
尚、以降の説明における「％」とは、「重量％」のことである。
【００８２】
［実施例１］
重水素（Ｄ）を含む水分子をホスト分子とし、二酸化炭素をゲスト分子とした場合のハイドレート生成条件について検討した。
【００８３】
１．実験方法
Ｄ２Ｏを各種濃度で含む水を二酸化炭素ガスとともに圧力容器に封入し、自動制御のポンプにて圧力容器内の圧力を制御し、熱量計の機能で徐々に温度を上昇させ、相平衡温度（ハイドレート分解開始温度）を測定した。相平衡温度の測定は、ハイドレート分解反応が吸熱反応であることを利用し、熱量計（製品名：SETARAM microDSC）を利用して実施した。
【００８４】
Ｄ２Ｏを含む水のＤ２Ｏ濃度条件は、以下の通りとした。 尚、Ｄ２Ｏを含む水のＤ２Ｏ以外の成分は、実質的に軽水（Ｈ２Ｏ）からなる。
（Ａ）９９．９％Ｄ２Ｏ
（Ｂ）７．９６％Ｄ２Ｏ
（Ｃ）１．４５％Ｄ２Ｏ
【００８５】
圧力容器内の圧力条件は、以下の通りとした。
（ａ）２１５００ｋＰａ（９９．９％Ｄ２Ｏのみ）
（ｂ）１７０００ｋＰａ
（ｃ）１３５００ｋＰａ
（ｄ）１００００ｋＰａ
（ｅ）６５００ｋＰａ
【００８６】
２．実験結果
実験の結果得られた相平衡図を図７に示す。尚、図７中の０．０１５％Ｄ２Ｏの結果は、Ｄ２Ｏを天然存在比である０．０１５％含む水、即ち天然に存在する一般的な水を用いた場合の相平衡状態を示している。圧力５０００ｋＰａ以下のプロットは文献（Sloan, E..D. jr. Clathrate hydrates of natural gases, Second Edition, Marcel Dekker Inc., 1998.）から引用したものである。また、図８は、図７を一部拡大した図である。
【００８７】
図７及び図８に示す結果から、Ｄ２Ｏ濃度の増加に伴って、相平衡温度が高温側にシフトすることが明らかとなった。また、９９．９％Ｄ２Ｏの相平衡温度は、０．０１５％Ｄ２Ｏのそれと比較すると、３．５℃上昇した。以上のことから、Ｄ２Ｏ濃度の増加に伴って、ハイドレートの安定領域が拡大することが明らかとなった。
【００８８】
この結果は、同位体効果のうちの質量効果（質量数の違いにより、物理的・化学的な性質が異なる効果）に起因しているものと考えられる。即ち、Ｈ２Ｏの沸点は１００℃、Ｄ２Ｏの沸点は１０１．４℃で、その差は１．４℃である。また、Ｈ２Ｏの融点は０℃、Ｄ２Ｏの融点は３．８２℃で、その差は３．８２℃である。このように、Ｈ２ＯとＤ２Ｏとの間で沸点と融点に温度差が生じるのは、同位体効果のうちの質量効果によるものである。ハイドレート生成についても、質量効果によって、Ｈ２ＯよりもＤ２Ｏの方が相平衡温度が高くなっていると考えられる。また、質量効果は、原子番号が小さい同位体ほど顕著になることから、Ｄ２Ｏと同様、ＤＨＯ、ＤＴＯ、ＴＨＯ、Ｔ２Ｏについても、Ｈ２Ｏよりも相平衡温度が高くなると考えられる。特に、ＤＴＯ、Ｔ２Ｏについては、Ｄ２Ｏよりも相平衡温度が高くなると考えられる。また、質量数１６の酸素原子で構成される水分子よりも、質量数１７又は１８の酸素原子で構成される水分子の方が、相平衡温度が高くなると考えられる。
【００８９】
また、このことは、ゲスト分子に対しても適用できる。即ち、質量数１２の炭素原子を含むゲスト分子よりも、質量数１３又は１４の炭素原子を含むゲスト分子の方が、相平衡温度が高くなると考えられる。また、質量数３２の硫黄原子を含むゲスト分子よりも、質量数３３、３４、３５又は３６の硫黄原子を含むゲスト分子の方が、相平衡温度が高くなると考えられる。
【００９０】
［実施例２］
ハイドレート生成による重水分子の濃縮について検討した。
【００９１】
１．実験方法
７．３０％Ｄ２Ｏを二酸化炭素ガスとともに圧力容器に封入し、自動制御のポンプにて圧力容器内の圧力を６５００ｋＰａに制御し、熱量計の機能で２℃（２７５．１５Ｋ）に冷却、１２．６℃に加熱、２℃に冷却、１２．７℃に加熱、２℃に冷却、１２．８℃に加温の３回を繰り返し、分解が生じると予測された温度を十分含む範囲で、温度上昇を０．０２℃／分として熱量を計測した。そして、３回のハイドレート生成時に相平衡温度（ハイドレート分解開始温度）をそれぞれ熱量計（製品名：SETARAM microDSC）で測定した。
【００９２】
実験結果を図９に示す。図９に示される結果から、ハイドレートの生成を繰り返す毎に、相平衡温度が高温側にシフトすることが明らかとなった。実施例１では、Ｄ２Ｏ濃度が増加する程、相平衡温度が高温側にシフトすることが確認された。したがって、実施例２における実験においても、ハイドレート生成を繰り返す毎に、ハイドレートに取り込まれるＤ２Ｏの量が多くなり、このことに起因して相平衡温度が高温側にシフトしているものと考えられた。
【００９３】
尚、実施例１及び２においては、圧力容器内の撹拌を行わなかったことから、実施例２のように、ハイドレートの生成と分解を繰り返すことで、ハイドレートの生成と分解が生じた箇所において局所的にＤ２Ｏ濃度が上昇していると考えられる。ハイドレートの生成が圧力容器内全体ではなく一部に生じていたことも、このことを裏付けていると考えられる。
【符号の説明】
【００９４】
１      重分子の濃縮回収及び除去システム
１０    ハイドレートスラリー生成槽
３０    固液分離槽
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図４】
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【図５】
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