(57)【要約】【課題】本発明は、蒸留塔の塔頂部から抜き出された酸素同位体濃縮酸素と水素とを反応させて、酸素同位体濃縮水を生成する酸素同位体濃縮水生成部が希釈ガスである四フッ化炭素で汚染されることを抑制可能な酸素同位体濃縮方法を提供することを課題とする。【解決手段】第２の蒸留塔２７に、希釈ガスである四フッ化炭素と、アルゴンと、を供給し、第２の蒸留塔２７の塔頂部にアルゴンを濃縮させるとともに、塔底部に四フッ化炭素を濃縮させ、その後、酸素安定同位体を含む酸素である酸素同位体含有酸素、未分解のオゾン、及び四フッ化炭素を含む第１の混合ガスを第２の蒸留塔２７に導入し、その後、第２の蒸留塔２７の塔頂部に、酸素同位体含有酸素、及びアルゴンを含む第２の混合ガスを濃縮させ、その後、第２の蒸留塔２７の塔頂部から導出した第２の混合ガスを酸素同位体濃縮水生成部５０に供給する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸留塔に、希釈ガスである四フッ化炭素、及びアルゴンを供給し、前記蒸留塔の塔頂部にアルゴンを濃縮させるとともに、前記蒸留塔の塔底部に四フッ化炭素を濃縮させる第１の蒸留工程と、
前記第１の蒸留工程後、前記光反応セル内に導入された四フッ化炭素と、前記光反応セル内において、酸素安定同位体である１７Ｏ及び／または１８Ｏを含むオゾンを分解することで得られる１７Ｏ及び／または１８Ｏを含む酸素である酸素同位体含有酸素、未分解の前記オゾン、及び四フッ化炭素を含む第１の混合ガスを前記蒸留塔に導入する第１の混合ガス導入工程と、
前記第１の混合ガス導入工程後、前記蒸留塔の塔頂部に、前記酸素同位体含有酸素、及びアルゴンを含む第２の混合ガスを濃縮させるとともに、前記蒸留塔の塔底部に、前記未分解のオゾンと四フッ化炭素とを含む第３の混合ガスを濃縮させて、前記第２及び第３の混合ガスを分離させる第２の蒸留工程と、
前記蒸留塔の塔頂部から前記第２の混合ガスを導出して、酸素同位体濃縮水生成部に供給するとともに、前記酸素同位体濃縮水生成部に水素を供給することで、該酸素同位体濃縮水生成部において、前記第２の混合ガスに含まれる前記酸素同位体濃縮酸素と前記水素とを反応させて、前記酸素安定同位体を含む酸素安定同位体濃縮水を生成する工程と、
を含むことを特徴とする酸素同位体濃縮方法。
【請求項２】
前記第２の混合ガスに含まれていたアルゴンを分離させ、分離させた前記アルゴンを前記蒸留塔に導入させることを特徴とする請求項１記載の酸素同位体濃縮方法。
【請求項３】
前記アルゴンを前記蒸留塔に導入させる前に、該アルゴンに含まれる水分を除去することを特徴とする請求項２記載の酸素同位体濃縮方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、天然存在比の小さな酸素安定同位体の重成分である１７Ｏ及び／または１８Ｏを濃縮する酸素同位体濃縮方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
天然存在比の小さな酸素安定同位体（以下、単に「酸素同位体」という）の重成分である１７Ｏ及び／または１８Ｏを使用する場合、１７Ｏ及び１８Ｏを分離して、濃縮させる必要がある。１７Ｏ及び／または１８Ｏを濃縮する酸素同位体濃縮方法として、例えば、特許文献１，２に開示された技術がある。
【０００３】
特許文献１には、オゾンに特定の波長の光を照射し、分子中に１７Ｏ及び１８Ｏのうち、少なくとも一方を含むオゾンを酸素に分解後、オゾンが分解して生成される酸素と未分解のオゾンとを分離し、分離した酸素中に１７Ｏ及び１８Ｏの少なくとも一方を濃縮する酸素同位体濃縮方法が開示されている。
【０００４】
特許文献２には、四フッ化炭素（ＣＦ４）とオゾンの混合ガスに光を照射し、該オゾン中に含まれる特定の酸素同位体を含むオゾンのアイソトポマーを選択的に酸素に分解し、該オゾンが分解することで生成した酸素、未分解のオゾン、及びＣＦ４を含む混合ガスを捕集し、捕集した混合ガス中の酸素を未分解のオゾン及びＣＦ４から分離させ、分離した酸素中に酸素同位体を濃縮する酸素同位体濃縮方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４３６４５２９号公報
【特許文献２】特許第４６９９７８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、特許文献１，２に開示された酸素同位体濃縮方法により、酸素同位体が濃縮された酸素同位体濃縮酸素は、保管や輸送する際に取扱いが容易ではないことから水の状態での流通や販売が多く行われている。
このような問題を解決するため、例えば、後述する図３に示すような酸素同位体濃縮装置を用いて、酸素同位体濃縮水を生成することが考えられる。
この場合、酸素同位体濃縮酸素と水素とを反応させて酸素同位体濃縮水を生成するために触媒が必要となるが、酸素同位体濃縮水の品位を保つ観点から、触媒との接触による反応や、水に溶解するような不純物の混入を極力排除する必要がある。
【０００７】
図３は、酸素同位体が濃縮された酸素同位体濃縮水を生成する酸素同位体濃縮装置の一例を示す系統図である。
図３を参照するに、酸素同位体濃縮装置１００は、オゾナイザ１０１と、第１乃至第３の蒸留塔１０２，１０３，１０５と、光反応セル１０４と、オゾン分解装置１０６と、上記触媒を備えた酸素同位体濃縮水生成部１０７と、を有する。
【０００８】
図４は、図３に示す酸素同位体濃縮水生成部の概略構成を示す系統図である。図４において、図３に示す構造体と同一構成部分には、同一符号を付す。
図４を参照するに、酸素同位体濃縮水生成部１０７は、酸素濃度計１１１と、圧縮機１１２と、ライン１１３と、触媒が充填された反応器１１４と、冷却器１１５と、チラー１１６と、を有した構成とされている。
【０００９】
次に、図３及び図４を参照して、酸素同位体濃縮装置１００が行う処理について説明する。
第１の蒸留塔１０２には、オゾナイザ１０１で発生したオゾン（Ｏ３）、未反応の酸素（Ｏ２）、及び第３の蒸留塔１０５の塔頂部から導出した希釈ガスである四フッ化炭素（ＣＦ４）が導入される。そして、第１の蒸留塔１０２の下端部から導出されたオゾン（Ｏ３）及び四フッ化炭素を含む混合ガスは、光反応セル１０４に導入される。
【００１０】
光反応セル１０４では、オゾン（Ｏ３）にレーザ光を照射することで、目的の酸素同位体（具体的には、１７Ｏ及び／または１８Ｏ）を含むオゾン（Ｏ３）を選択的に分解し、この分解で生じた酸素（Ｏ２）、未反応のオゾン（Ｏ３）、及び四フッ化炭素（ＣＦ４）を含む混合ガスを第２の蒸留塔１０３内に導入させる。
【００１１】
オゾナイザ１０１で未反応の酸素ガスを光反応セル１０４に入れると製品を希釈してしまうので導入することはできない。オゾンは、過度の濃縮を抑制する必要があるので希釈ガスである四フッ化炭素（ＣＦ４）が必要となる。
第２の蒸留塔１０３では、その塔頂部に目的の酸素同位体を含んだ酸素が濃縮される（以下、この濃縮された酸素を「酸素同位体濃縮酸素」という。）。
第２の蒸留塔１０３の塔頂部からは、酸素同位体濃縮酸素が抜き出され、酸素同位体濃縮水生成部１０７（具体的には、酸素濃度計１１１）に供給される。
【００１２】
酸素同位体濃縮酸素は、酸素濃度計１１１を介して、圧縮機１１２に導入され、ライン１１３を介して、触媒（図示せず）を含む反応器１１４に導入される。このとき、ライン１１３には、水素（Ｈ２）が供給されるため、反応器１１４内の触媒に水素（Ｈ２）も導入される。
反応器１１４では、触媒により、圧縮された酸素同位体濃縮酸素と水素（Ｈ２）とが反応することで、酸素同位体を含んだ蒸気である酸素安定同位体濃縮水が生成され、冷却器１１５に供給される。
そして、冷却器１１５により、反応器１１４で生成された蒸気状態の酸素安定同位体濃縮水が冷却されることで、酸素安定同位体濃縮水が液体となり、冷却器１１５から取り出される。
【００１３】
しかしながら、上記構成とされた酸素同位体濃縮装置１００を用いて、酸素同位体濃縮水を生成する場合、第２の蒸留塔１０３の塔頂部に位置する酸素同位体濃縮酸素に四フッ化炭素が含まれてしまう恐れがあった。
このため、酸素同位体濃縮水生成部１０７に、第２の蒸留塔１０３の塔頂部から抜き出され、かつ四フッ化炭素を含む酸素同位体濃縮酸素が供給されると、四フッ化炭素により、酸素同位体濃縮水生成部１０７が汚染されてしまうという問題があった。
【００１４】
そこで、本発明は、蒸留塔の塔頂部から抜き出された酸素同位体濃縮酸素と水素とを反応させて、酸素同位体濃縮水を生成する酸素同位体濃縮水生成部が及び製品である酸素同位体濃縮水が希釈ガスである四フッ化炭素で汚染されることを抑制可能な酸素同位体濃縮方法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】
【００１５】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明によれば、蒸留塔に、希釈ガスである四フッ化炭素、及びアルゴンを供給し、前記蒸留塔の塔頂部にアルゴンを濃縮させるとともに、前記蒸留塔の塔底部に四フッ化炭素を濃縮させる第１の蒸留工程と、前記第１の蒸留工程後、前記光反応セル内に導入された四フッ化炭素と、前記光反応セル内において、酸素安定同位体である１７Ｏ及び／または１８Ｏを含むオゾンを分解することで得られる１７Ｏ及び／または１８Ｏを含む酸素である酸素同位体含有酸素、未分解の前記オゾン、及び四フッ化炭素を含む第１の混合ガスを前記蒸留塔に導入する第１の混合ガス導入工程と、前記第１の混合ガス導入工程後、前記蒸留塔の塔頂部に、前記酸素同位体含有酸素、及びアルゴンを含む第２の混合ガスを濃縮させるとともに、前記蒸留塔の塔底部に、前記未分解のオゾンと四フッ化炭素とを含む第３の混合ガスを濃縮させて、前記第２及び第３の混合ガスを分離させる第２の蒸留工程と、前記蒸留塔の塔頂部から前記第２の混合ガスを導出して、酸素同位体濃縮水生成部に供給するとともに、前記酸素同位体濃縮水生成部に水素を供給することで、該酸素同位体濃縮水生成部において、前記第２の混合ガスに含まれる前記酸素同位体濃縮酸素と前記水素とを反応させて、前記酸素安定同位体を含む酸素安定同位体濃縮水を生成する工程と、を含むことを特徴とする酸素同位体濃縮方法が提供される。
【００１６】
また、請求項２に係る発明によれば、前記第２の混合ガスに含まれていたアルゴンを分離させ、分離させた前記アルゴンを前記蒸留塔に導入させることを特徴とする請求項１記載の酸素同位体濃縮方法が提供される。
【００１７】
また、請求項３に係る発明によれば、前記アルゴンを前記蒸留塔に導入させる前に、該アルゴンに含まれる水分を除去することを特徴とする請求項２記載の酸素同位体濃縮方法が提供される。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、蒸留塔の塔頂部から抜き出された酸素同位体濃縮酸素と水素とを反応させて、酸素同位体濃縮水を生成する酸素同位体濃縮水生成部が及び製品である酸素同位体濃縮水が希釈ガスである四フッ化炭素で汚染されることを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態に係る酸素同位体濃縮方法を実施する際に使用可能な酸素同位体濃縮装置の概略構成を示す系統図である。
【図２】酸素同位体濃縮水生成部、及び酸素同位体濃縮水生成部以外の酸素同位体濃縮装置の構成要素の一部を示す系統図である。
【図３】酸素同位体が濃縮された酸素同位体濃縮水を生成する酸素同位体濃縮装置の一例を示す系統図である。
【図４】図３に示す酸素同位体濃縮水生成部の概略構成を示す系統図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照して本発明を適用した実施の形態について詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、本発明の実施形態の構成を説明するためのものであり、図示される各部の大きさや厚さや寸法等は、実際の酸素同位体濃縮装置の寸法関係とは異なる場合がある。
【００２１】
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る酸素同位体濃縮方法を実施する際に使用可能な酸素同位体濃縮装置の概略構成を示す系統図である。なお、図１では、酸素同位体濃縮装置１０を構成する図２に示す凝縮器循環ライン４３、凝縮器４４、及び液体窒素供給用ライン４６の図示を省略する。
図２は、酸素同位体濃縮水生成部、及び酸素同位体濃縮水生成部以外の酸素同位体濃縮装置の構成要素の一部を示す系統図である。図２において、図１に示す構造体と同一構成部分には、同一符号を付す。
【００２２】
図１及び図２を参照して、本発明の実施の形態に係る酸素同位体濃縮方法を実施する際に使用可能な酸素同位体濃縮装置１０の構成要素、及びその接続関係について簡単に説明する。
酸素同位体濃縮装置１０は、オゾナイザ１１と、原料酸素供給ライン１２と、ライン１４，１９，２２，２５，２８，３２，３５と、第１の蒸留塔１５と、光反応セル２４と、混合流体供給ライン３１と、オゾン分解装置３４と、第３の蒸留塔３７と、廃棄用ライン３８と、アルゴン供給ライン４１と、凝縮器循環ライン４３と、凝縮器４４と、液体窒素供給用ライン４６と、水素供給ライン４８と、酸素同位体濃縮水生成部５０と、制御装置（図示せず）と、を有する。
【００２３】
オゾナイザ１１は、一端が原料酸素供給源（図示せず）と接続された原料酸素供給ライン１２の他端と接続されている。ライン１４は、その一端がオゾナイザ１１と接続されており、他端が第１の蒸留塔１５の上部と接続されている。
第１の蒸留塔１５は、その下部が第３の蒸留塔３７の塔頂部と接続されたライン１７と接続されている。
【００２４】
ライン１９は、その一端が第１の蒸留塔１５の塔頂部と接続されており、他端が原料酸素供給ライン１２と接続されている。ライン２２は、その一端が第１の蒸留塔１５の塔底部と接続されており、他端が光反応セル２４と接続されている。
ライン２５は、その一端が光反応セル２４と接続されており、他端が第２の蒸留塔２７の中間部と接続されている。
【００２５】
第２の蒸留塔２７の中間部は、アルゴン供給ライン４１の他端、及び混合流体供給ライン３１の他端と接続されている。
ライン２８は、その一端が第２の蒸留塔２７の塔頂部と接続されており、他端が酸素同位体濃縮水生成部５０と接続されている。
混合流体供給ライン３１は、その一端がアルゴンと四フッ化炭素との混合流体を供給する混合流体供給源（図示せず）と接続されており、第２の蒸留塔２７に該混合流体を供給する。混合流体供給ライン３１は、酸素同位体濃縮装置１０の起動時のみに使用される。
【００２６】
ライン３２は、その一端が第２の蒸留塔２７の塔底部と接続されており、他端がオゾン分解装置３４と接続されている。オゾン分解装置３４は、ライン３５の一端と接続されている。
ライン３５は、その他端が第３の蒸留塔３７の中間部と接続されている。ライン３８は、第３の蒸留塔３７の塔底部と接続されている。ライン３８は、第３の蒸留塔３７の塔底部から導出した酸素（図１中の廃棄Ｏ２）を廃棄する。
アルゴン供給ライン４１は、その一端が酸素同位体濃縮水生成部４３と接続されており、他端が第２の蒸留塔２７の中間部と接続されている。
【００２７】
凝縮器循環ライン４３は、その一端が第２の蒸留塔２７の塔頂部と接続されており、他端が第２の蒸留塔２７の上部と接続されている。凝縮器４４は、凝縮器循環ライン４３に設けられている。凝縮器４４は、降下液を生成する。
液体窒素供給用ライン４６は、液体窒素が供給されるラインであり、その一部が凝縮器４４内に配置されている。
【００２８】
水素供給ライン４８は、その一端が水素（Ｈ２）を供給する水素供給源（図示せず）と接続されており、他端が酸素同位体濃縮水生成部５０と接続されている。水素供給ライン４８は、酸素同位体濃縮水生成部５０に水素を供給するためのラインである。
【００２９】
酸素同位体濃縮水生成部５０は、ライン５１，５２と、酸素濃度計５３と、流量計（図示せず）と、圧縮機５４と、反応器５６と、水素濃度計５７と、冷却器５９と、気液分離器６１と、水吸着器６２と、分岐ライン６３と、を有する。
【００３０】
ライン５１は、その一端がライン２８の他端と接続されており、他端が気液分離器６１の中間部と接続されている。圧縮機５４と反応器６５との間に位置するライン５１には、水素供給ライン４８の他端が接続されている。
ライン５２は、その一端が気液分離器６１の上部と接続されており、他端がアルゴン供給ライン４１と接続されている。
酸素濃度計５３は、ライン５１の一方の端部に設けられている。圧縮機５４は、酸素濃度計５３の後段に位置するライン５１に設けられている。流量計（図示せず）は、酸素濃度計５３の後段に位置するライン５１に設けられている。
【００３１】
反応器５６は、水素供給ライン４８の接続位置の後段に位置するライン５１に設けられている。水素濃度計５７は、反応器５６の後段に位置するライン５１に設けられている。冷却器５９は、水素濃度計５７の後段に位置するライン５１に設けられている。
水吸着器６２は、ライン５２の他方の端部に設けられている。分岐ライン６３は、気液分離器６１と水吸着器６２との間に位置するライン５２から分岐されており、酸素濃度計５３と圧縮機５４との間に位置するライン５１と接続されている。
【００３２】
制御装置（図示せず）は、酸素同位体濃縮装置１０の制御全般を行う。制御装置（図示せず）は、酸素濃度計５３、水素供給ライン４８と接続された図示していない水素供給源、水素濃度計５７等と電気的に接続されている。
【００３３】
次に、図１を参照して、酸素同位体濃縮装置１０を用いた本実施の形態の酸素同位体濃縮方法について説明する。
初めに、ライン１２を介して、オゾナイザ１１に原料酸素を供給する。オゾナイザ１１では、オゾン（Ｏ３）を生成させる。そして、オゾン、及びオゾンの生成に寄与しなかった酸素を含む混合ガスが、ライン１４を介して、第１の蒸留塔１５に導入される。
【００３４】
第１の蒸留塔１５では、オゾン（Ｏ３）と酸素（Ｏ２）との沸点の差を利用した低温蒸留により、第１の蒸留塔１５の塔頂部に酸素を濃縮させ、第１の蒸留塔１５の塔底部にオゾン（Ｏ３）を濃縮させる。このとき、第１の蒸留塔１５には、ライン３７を介して、希釈ガスである四フッ化炭素（ＣＦ４）を導入させて、上記混合ガスと混合させる。これにより、オゾンが高濃度で濃縮されるのを抑制することができる。
【００３５】
次いで、ライン２２を介して、第１の蒸留塔１５の塔底部から導出されたオゾン、及び四フッ化炭素を含む混合ガスを光反応セル２４内に導入させる。
光反応セル２４では、オゾンに対して特定波長の光を照射することで、酸素安定同位体である１７Ｏ及び／または１８Ｏを含むオゾンを選択的に分解することで、１７Ｏ及び／または１８Ｏを含む酸素（以下、「酸素同位体含有酸素」という）を生成する。特定波長の光としては、例えば、波長が１０００ｎｍの波長とされたレーザ光を用いることができる。
光反応セル２４からは、酸素同位体含有酸素、未分解のオゾン、及び四フッ化炭素を含む第１の混合ガスＡがライン２５に導出される。
【００３６】
次いで、アルゴン供給ライン４１を介して、第２の蒸留塔２７にアルゴンを供給する。このとき、第２の蒸留塔２７に導入するアルゴンの量は、第２の蒸留塔２７の塔頂部における四フッ化炭素の濃度が検出下限以下になる量（言い換えれば、アルゴンが濃縮されるのに必要な量）とする。
そして、第２の蒸留塔２７内において、第２の蒸留塔２７の塔頂部にアルゴンが濃縮され、第２の蒸留塔２７の塔底部に四フッ化炭素が濃縮され、第２の蒸留塔２７内に安定した濃度分布が形成する（第１の蒸留工程）。
安定した濃度分布が形成された段階で、光反応セル２４から導出した第１の混合ガスＡを第２の蒸留塔２７の中間部に導入させる（第１の混合ガス導入工程）。
【００３７】
第２の蒸留塔２７は、第２の蒸留塔２７の塔頂部に、酸素同位体含有酸素、及びアルゴンを含む第２の混合ガスＢを濃縮させるとともに、第２の蒸留塔２７の塔底部に、未分解のオゾンと四フッ化炭素とを含む第３の混合ガスＣを濃縮させる（第２の蒸留工程）。
【００３８】
次いで、ライン２８を介して、第２の蒸留塔２７の塔頂部から第２の混合ガスＢを導出させ、第２の混合ガスＢを酸素同位体濃縮水生成部５０に導入させるとともに、酸素同位体濃縮水生成部５０に水素を供給して、酸素同位体濃縮水生成部５０を構成する触媒により、第２の混合ガスＢに含まれる濃縮された酸素同位体含有酸素と水素とを反応させることで、酸素安定同位体を含む酸素安定同位体濃縮水を生成する（酸素安定同位体を含む酸素安定同位体濃縮水を生成する工程）。
その後、酸素同位体濃縮水生成部５０から酸素安定同位体濃縮水を回収する。
【００３９】
酸素同位体濃縮水生成部５０に導入する第３の混合ガスＣは、酸素同位体含有酸素と水素とが反応することで、ガスとしては略アルゴンとなるので、混合流体供給ライン３１を介して、第２の蒸留塔２７に戻して、アルゴンを再利用するとよい。
ところで、第２の蒸留塔２７では極めて低い温度（例えば、−１８６〜−１８３℃）で蒸留を行うため、水分が混入すると、固化してライン（配管）を詰まらせる等の問題が生じる恐れがある。
したがって、第２の蒸留塔２７にアルゴンを戻す場合、アルゴンと酸素安定同位体濃縮水とを分離させた後に、更に乾燥させる工程を設けるとよい。このような工程を設けることで、上記問題が発生することを抑制できる。
【００４０】
第２の蒸留塔２７の塔頂部において、酸素同位体含有酸素の濃縮が始まった段階で、塔頂から第２の混合ガスＢを導出し、予めアルゴンを充填しておいた酸素同位体濃縮水生成部５０に第２の混合ガスＢを導入する際には、第２の蒸留塔２７の塔頂部における酸素同位体含有酸素の濃度、或いは第２の混合ガスＢに含まれる酸素同位体含有酸素の濃度を測定するとよい。
このように、酸素同位体含有酸素の濃度を測定することで、酸素同位体含有酸素の量論比に見合った水素を酸素同位体濃縮水生成部５０に導入させることができる。
【００４１】
なお、蒸留においては、下降液を形成させるために第２の蒸留塔２７の塔頂部に、図２に示す凝縮器４４（コンデンサ）を設け、第２の蒸留塔２７内を上昇してきたガスを液化する操作が必要となるが、アルゴンの沸点が酸素の沸点に近いため、アルゴンと四フッ化炭素との混合流体を用いて、予め第２の蒸留塔２７において蒸留を行なった後、第１の混合ガスＡを第２の蒸留塔２７内に導入しても、該混合流体の蒸留と略同じ条件を用いて蒸留操作を続けることができる。
【００４２】
また、万が一、光反応セル２４でのオゾン分解が意図せず減少した場合でも、第２の蒸留塔２７の塔頂部にアルゴンが高濃度で存在していれば、第２の蒸留塔２７の塔頂部付近でオゾンの濃度や四フッ化炭素の濃度が上昇することを抑制することが可能となるため、四フッ化炭素により酸素同位体濃縮水生成部５０が汚染されることを抑制できる。
【００４３】
ここで、図２を参照して、もう少し詳しく、本実施の形態の酸素同位体濃縮方法について説明する。
酸素同位体濃縮装置１０を起動させた段階では、第２の蒸留塔２７には、酸素が存在しない。この状態で、第２の蒸留塔２７に、アルゴンと四フッ化炭素とを含む混合流体を導入して、第２の蒸留塔２７の塔頂部にアルゴンを濃縮させ、第２の蒸留塔２７の塔底部に四フッ化炭素を濃縮させる。
このとき、凝縮器４４には、最終的な運転状態（具体的には、安定した酸素濃度（具体的には、例えば、１％程度）を保つ状態）と同じく、液体窒素供給用ライン４６を介して、液化窒素を供給し、液体窒素供給用ライン４６内を循環させる。
【００４４】
第２の蒸留塔２７に光反応セル２４から供給された第１の混合ガスＡは、第２の蒸留塔２７の塔頂部で濃縮された第２の混合ガスＢと、第２の蒸留塔２７の塔底部で濃縮された第３の混合ガスＣと、に分離される。
このとき、第２の蒸留塔２７の高さは、アルゴンと第２の混合ガスＢに含まれる酸素同位体含有酸素とが完全に分かれない程度の理論段数となるような高さにしておくとよい。
本実施の形態の第２の蒸留塔２７では、酸素とアルゴンとの分離は考慮する必要がなく、むしろ第２の蒸留塔２７の塔頂部にアルゴンが１００％となるような濃度分布をつくることは好ましくない。つまり、本実施の形態では、四フッ化炭素を分離し、アルゴンと酸素とを混合ガスとして使用する。したがって、上述した条件を満たすように、第２の蒸留塔２７の高さを設定することが好ましい。
【００４５】
第２の蒸留塔２７の塔頂部から導出された第２の混合ガスＢは、ライン２８を介して、酸素濃度計５３に供給される。酸素濃度計５３では、第２の混合ガスＢに含まれる酸素同位体含有酸素の濃度を測定し、測定した濃度に関するデータを制御装置（図示せず）に送信する。
また、その後段に配置された流量計（図示せず）は、第２の混合ガスＢの流量を測定し、測定した流量に関するデータを制御装置（図示せず）に送信する。
制御装置（図示せず）では、上記酸素同位体含有酸素の濃度に関するデータと、第２の混合ガスＢの流量に関するデータと、に基づいて、水素供給源（図示せず）が水素供給ライン４８に供給する水素の量を決定し、最適な量の水素を反応器５６内の触媒６５に供給させる。
【００４６】
流量計（図示せず）を通過した第２の混合ガスＢは、圧縮機５４により圧縮され、ライン５１を介して、反応器５６内の触媒６５に供給される。
反応器５６内の触媒６５に、水素と圧縮された第２の混合ガスＢとが供給されると、第２の混合ガスＢに含まれる酸素同位体含有酸素と水素とが反応して、酸素安定同位体を含む酸素安定同位体濃縮水が生成される（酸素安定同位体濃縮水を生成する工程）。
この段階では、酸素安定同位体濃縮水は、蒸気とされている。蒸気状態の酸素安定同位体濃縮水、並びに反応に寄与しなかった水素及びアルゴンを含む混合ガスは、ライン５１に導出され、水素濃度計５７に向かう方向に供給される。
なお、触媒６５としては、例えば、白金触媒を用いることができる。また、触媒６５に替えて、燃料電池を用いて、酸素安定同位体濃縮水を生成してもよい。
【００４７】
水素濃度計５７では、反応に寄与しなかった水素及びアルゴンを含む混合ガスに含まれる水素濃度が測定され、測定した濃度に関するデータが制御装置（図示せず）に送信され、この結果に基づいて、水素供給源（図示せず）が制御される。水素濃度計５７を通過した蒸気状態の酸素安定同位体濃縮水、並びに反応に寄与しなかった酸素及びアルゴンを含む混合ガスは、冷却器５９に供給される。
【００４８】
冷却器５９では、蒸気状態の酸素安定同位体濃縮水が冷却されることで、液体状態となる。その後、液体状態とされた酸素安定同位体濃縮水、並びに水素及びアルゴンを含む混合ガスは、ライン５１を介して、気液分離器６１に供給される。
気液分離器６１では、酸素安定同位体濃縮水が溜まる。つまり、第２の混合ガスＢに含まれていたアルゴンを分離させる。
そして、気液分離器６１の塔底部から酸素安定同位体濃縮水を抜き出すことで、酸素安定同位体濃縮水を得ることができる。
【００４９】
気液分離器６１の塔頂部に濃縮されたアルゴンは、ライン５２を介して、水分を除去可能な触媒６６が充填された水吸着器６６に供給される。水吸着器６６では、アルゴンに含まれる水分が除去される。触媒６６としては、例えば、シリカゲルを用いることができる。触媒６６は、一定期間運転後、再生操作により吸着した水を回収し、再利用するとよい。
【００５０】
水分が除去されたアルゴンは、アルゴン供給ライン４１に導出され、アルゴン供給ライン４１を介して、第２の蒸留塔２７の中間部に導入される。
このように、アルゴンを第２の蒸留塔２７に導入させる前に、アルゴンに含まれる水分を除去することで、冷却器５９で凝縮しきれなかった水分が第２の蒸留塔２７に導入されることを抑制可能となる。これにより、第２の蒸留塔２７内で、水分が固化することを抑制できる。
【００５１】
本実施の形態の酸素同位体濃縮方法によれば、第２の蒸留塔２７に、希釈ガスである四フッ化炭素及びアルゴンよりなる混合流体を供給し、第２の蒸留塔２７の塔頂部にアルゴンを濃縮させるとともに、第２の蒸留塔２７の塔底部に四フッ化炭素を濃縮させる第１の蒸留工程を行なった後、酸素同位体含有酸素、未分解のオゾン、及び四フッ化炭素を含む第１の混合ガスを第２の蒸留塔２７に導入し、その後、第２の蒸留塔２７の塔頂部に、酸素同位体含有酸素、及びアルゴンを含む第２の混合ガスＢを濃縮させるため、第２の混合ガスに四フッ化炭素が含まれることを抑制可能となる。
その後、第２の蒸留塔２７の塔頂部から第２の混合ガスＢを導出して、酸素同位体濃縮水生成部５０に供給するため、酸素同位体濃縮水生成部５０が四フッ化炭素で汚染されることを抑制できる。
【００５２】
なお、酸素同位体濃縮装置１０の運転を継続し、第２の蒸留塔２７に酸素同位体含有酸素が十分に存在し、第２の蒸留塔２７の塔頂部の酸素同位体含有酸素の濃度が１００％になった場合は、酸素同位体濃縮水生成部５０に供給されるガスが酸素同位体含有酸素のみとなるので、アルゴンを第２の蒸留塔２７には戻さず、酸素同位体濃縮水生成部５０内を循環するようラインを変更して運転してもよい。
また、第２の蒸留塔２７の塔頂部の酸素同位体含有酸素の濃度を監視しながら運転することで，光反応セル２４の反応量に合わせて酸素安定同位体濃縮水の生産量を制御することができる。
【００５３】
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【００５４】
例えば、本実施の形態では、第１の蒸留工程において、第２の蒸留塔２７に四フッ化炭素とアルゴンとを混合させた混合流体を供給する場合を例に挙げて説明したが、第１の蒸留工程において、第２の蒸留塔２７に、四フッ化炭素と、アルゴンと、を別々に供給してもよい。この場合も、本実施の形態と同様な効果を得ることができる。
【００５５】
（実施例１）
実施例１では、図１に示す酸素同位体濃縮装置１０を用いて、酸素安定同位体として１７Ｏを濃縮し、年間１０ｋｇの酸素安定同位体濃縮水を製造する場合のプロセスを手計算した。
光反応セル２４で２０ｃｃ／ｍｉｎの流量の酸素同位体含有酸素（この場合、１７Ｏを含む酸素）を発生させるために、予め、第２の蒸留塔２７に、２００Ｌのアルゴンと、２０００Ｌの四フッ化炭素と、を供給した。
【００５６】
その後、第２の蒸留塔２７の塔頂部の酸素同位体含有酸素の濃度が１％になるまで、水素供給ライン４８を２Ｌ／ｍｉｎのアルゴンで循環させた。酸素同位体含有酸素の濃度が１％になるまでに、約２時間の時間を要した。なお、第２の蒸留塔２７へのアルゴンの供給が無い場合には、約１６０時間以上の時間を要した。
よって、本発明の酸素同位体濃縮方法を用いることで、大幅に起動の待ち時間を短縮できることが確認できた。
【００５７】
その後、酸素同位体含有酸素の濃度が１％に到達した段階で、水素供給ライン４８に４０ｃｃ／ｍｉｎの水素ガスを供給し、その後、反応器５６で蒸気状態の酸素安定同位体濃縮水を生成した。
その後、冷却器５９により、蒸気状態の酸素安定同位体濃縮水を冷却することで、１０ｋｇ／年の酸素安定同位体濃縮水を生産することが可能となった。
【００５８】
（実施例２）
実施例２では、図１に示す酸素同位体濃縮装置１０を用いて、酸素安定同位体として１７Ｏを濃縮し、実施例１とは異なる手法で、年間１０ｋｇの酸素安定同位体濃縮水を製造する場合のプロセスを計算した。
実施例２では、第２の蒸留塔２７の塔頂部における酸素同位体含有酸素の濃度が１％に到達した段階で、水素供給ライン４８に、光反応セル２４で生成された酸素同位体含有酸素から計算される水素量よりも少ない量である２０ｃｃ／ｍｉｎの水素を供給した。
【００５９】
これにより、徐々に第２の蒸留塔２７の塔頂部の酸素同位体含有酸素の濃度が増加していったので、酸素同位体含有酸素の濃度に応じて、ライン６３のアルゴン流量を調整して水素供給ライン４８における酸素同位体含有酸素の濃度を１％に維持した。
その後、第２の蒸留塔２７への出入りガス量が減少していったため，分岐ライン６３を用いてアルゴンの流量を一定にした。
【００６０】
最終的には、塔頂部における酸素同位体含有酸素の濃度は１００％となり、アルゴン供給ライン４１に設けられたバルブ（図示せず）を閉止し、全量酸素同位体濃縮水生成部５０内のライン５１，５２を循環するようにした。
実施例２では、生産を早期に開始することが可能となり、塔頂部における酸素同位体含有酸素の濃度は１００％になれば、１０ｋｇ／年での生産が継続して可能となることが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、天然存在比の小さな酸素安定同位体の重成分である１７Ｏ及び／または１８Ｏを濃縮する酸素同位体濃縮方法に適用可能である。
【符号の説明】
【００６２】
１０…酸素同位体濃縮装置、１１…オゾナイザ、１２…原料酸素供給ライン、１４，１９，２２，２５，２８，３２，３５，５１，５２…ライン、１５…第１の蒸留塔、２４…光反応セル、３１…混合流体供給ライン、３４…オゾン分解装置、３７…第３の蒸留塔、３８…廃棄用ライン、４１…アルゴン供給ライン、４３…凝縮器循環ライン、４４…凝縮器、４６…液体窒素供給用ライン、４８…水素供給ライン、５０…酸素同位体濃縮水生成部、５３…酸素濃度計、５４…圧縮機、５６…反応器、５７…水素濃度計、５９…冷却器、６１…気液分離器、６２…水吸着器、６３…分岐ライン、６５，６６…触媒
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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