JP3896464B2 - Gas separation and concentration equipment - Google Patents
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Description
本発明は、気体分離濃縮装置に関するものであり、特に、ガスクロマトグラフ分析装置によって気体分子または気体同位体分子の検出及び分析を行う前段階として、試料ガス中に含まれる分析対象の気体分子等を分離及び濃縮するための気体分離濃縮装置に関するものである。 The present invention relates to a gas separation / concentration device, and in particular, as a pre-stage for detecting and analyzing gas molecules or gas isotope molecules by a gas chromatograph analysis device, gas molecules to be analyzed contained in a sample gas, etc. The present invention relates to a gas separation and concentration device for separation and concentration.
従来から、大気中に含まれる微量の気体分子(例えば、水素分子)或いは気体同位体分子(例えば、軽水素分子、重水素分子、及び三重水素分子など)を検出し、濃度分析などをすることが行われている。特に、近年では半導体産業をはじめとする種々の産業や放射性同位体の大気中の存在比をモニターする核融合関連施設等では、極微量の気体分子や気体同位体分子を検出する技術の高度化が求められている。そのため、従来の分析装置等では、要求される分析精度がppm単位であったものに対し、現在ではppb単位、さらに特殊な分野ではppt単位の精度での気体分子等の分析精度が求められることがある。 Conventionally, a trace amount of gas molecules (for example, hydrogen molecules) or gas isotope molecules (for example, light hydrogen molecules, deuterium molecules, and tritium molecules) contained in the atmosphere are detected and subjected to concentration analysis. Has been done. In particular, in recent years, in various industries including the semiconductor industry and in fusion-related facilities that monitor the abundance ratio of radioactive isotopes in the atmosphere, sophistication of technology for detecting trace amounts of gas molecules and gas isotope molecules Is required. Therefore, the analysis accuracy required for conventional analyzers, etc., is in ppm units, but now it is required to analyze gas molecules with accuracy of ppb units and in special fields in ppt units. There is.
ここで、微量の気体分子等を検出し、濃度分析や成分分析を定量的及び定性的に行う検出器(分析装置)として、ガスクロマトグラフ分析装置が知られている。このガスクロマトグラフ分析装置は、その構成として、分析対象の試料ガスを送出するためのキャリアガスを供給し、該キャリアガスのガス流量をコントロールするガス制御部と、試料ガスを導入する試料ガス導入部と、試料ガス導入部と接続し、所定温度に加熱されるカラムと、カラム内に導入された試料ガスがカラム出口から排出されるまでに必要とされる時間(保持時間:リテンションタイム)の違いによって、試料ガスがそれぞれの成分に分離されたものを検出する検出器とを主に具備して構成されている。さらに、本願発明の発明者等によって、これらのガスクロマトグラフ分析装置と、高感度の金属元素等の分析が可能な原子吸光装置とを結合し、極微量の水素分子の濃度を測定することが可能な水素分析装置が開発されている(例えば、非特許文献1参照)。
Here, gas chromatograph analyzers are known as detectors (analyzers) that detect minute amounts of gas molecules and the like and quantitatively and qualitatively perform concentration analysis and component analysis. This gas chromatograph analyzer has, as its configuration, a carrier gas for sending a sample gas to be analyzed, a gas control unit for controlling the gas flow rate of the carrier gas, and a sample gas introduction unit for introducing the sample gas The difference between the column connected to the sample gas inlet and heated to a predetermined temperature and the time required for the sample gas introduced into the column to be discharged from the column outlet (retention time: retention time) And a detector for detecting the sample gas separated into the respective components. Furthermore, the inventors of the present invention can combine these gas chromatograph analyzers with an atomic absorption device capable of analyzing highly sensitive metal elements, etc., and measure the concentration of trace amounts of hydrogen molecules. A hydrogen analyzer has been developed (see Non-Patent
微量の気体分子等を検出し、濃度分析や成分分析を行う場合、ガスクロマトグラフ分析装置で分析をする前に、予め分析精度を損なう要因となる不純物等を除去する処理を行うことがある。さらに、試料ガス中に極微量しか含まれていない気体分子等を高感度で検出可能に分析精度を高くするために、ガスクロマトグラフ分析装置で分析する試料ガスを高濃度に濃縮する処理を行うことがある。この場合、従来からの濃縮処理の手法として、既存の濃縮管を用いて濃縮するものが知られている。 When a minute amount of gas molecules or the like is detected and concentration analysis or component analysis is performed, a process for removing impurities or the like that may impair analysis accuracy in advance may be performed before analysis with a gas chromatograph analyzer. Furthermore, in order to increase the analysis accuracy so that gas molecules, etc. that are contained in the sample gas in a trace amount can be detected with high sensitivity, the sample gas to be analyzed by the gas chromatograph analyzer is concentrated to a high concentration. There is. In this case, as a conventional concentration treatment method, an existing concentration tube is used for concentration.
しかしながら、係る濃縮管を用いた濃縮処理は、一回当たりの処理量が制限され、分析に必要な量の気体分子等を濃縮するためには処理時間を多く要することがあった。さらに、濃縮した気体分子等に不純物が混在し、分析ガスが汚染される可能性も高くなっていた。その結果、濃縮処理によって精度がかえって低下することがあった。さらに、従来の分離及び濃縮処理では、軽水素分子、重水素分子、及び三重水素分子などの水素同位体分子を含む気体同位体分子を分離し、濃縮することにより、各同位体分子毎の測定を行うことが困難であった。特に、重水素分子及び三重水素分子は、大気中等に自然に存在する比率が著しく低いことが知られ、濃縮処理を行うことによって検出器で高感度の検出をできるようにする必要があった。ここで、水素分子の場合、その水素同位体分子は、水素分子を構成する二つの水素原子の組合わせによって、六種類のものが形成されることが知られ、個々の水素同位体分子の存在比等を正確に行うことが求められていた。 However, in the concentration process using such a concentration tube, the processing amount per one time is limited, and it may take a long processing time to concentrate the amount of gas molecules and the like necessary for the analysis. Furthermore, there is a high possibility that impurities are mixed in the concentrated gas molecules and the analysis gas is contaminated. As a result, the accuracy may be lowered by the concentration process. Furthermore, in conventional separation and concentration treatment, gas isotope molecules including hydrogen isotope molecules such as light hydrogen molecules, deuterium molecules, and tritium molecules are separated and concentrated to measure each isotope molecule. It was difficult to do. In particular, it is known that the ratio of deuterium molecules and tritium molecules naturally present in the atmosphere or the like is extremely low, and it has been necessary to perform high-sensitivity detection with a detector by performing a concentration treatment. Here, in the case of hydrogen molecules, it is known that six types of hydrogen isotope molecules are formed by the combination of two hydrogen atoms constituting the hydrogen molecule. It was required to accurately perform the ratio and the like.
そこで、本発明は、上記実情に鑑み、微量の気体分子及び気体同位体分子を高感度で検出及び分析するために、該気体分子等を簡易に分離及び濃縮することが可能な気体分離濃縮装置の提供を課題とするものである。 Therefore, in view of the above circumstances, the present invention provides a gas separation and concentration apparatus capable of easily separating and concentrating gas molecules and the like in order to detect and analyze trace amounts of gas molecules and gas isotope molecules with high sensitivity. The issue is to provide
上記の課題を解決するため、本発明の気体分離濃縮装置は、「分析対象となる気体分子を含む試料ガスを予め設定した設定量ずつ導入する試料ガス導入部と、前記試料ガス導入部に接続され、設定量ずつ導入された前記試料ガスから前記気体分子を分離カラムの通過に要する保持時間の違いを利用して分離する気体分離カラム部と、前記気体分離カラム部の前記分離カラムのカラム出口に取設され、分離された前記気体分子を気体流路へ流し、前記気体分離カラム部で前記試料ガスから前記気体分子が分離された分離ガスをガス放出口に接続した分離ガス流路へそれぞれ前記分離カラムの通過に要する保持時間の違いに基づいて切換えて流す流路切換部と、前記流路切換部と前記気体流路を介して接続され、再び前記分離カラムに前記気体分子を通過させるために前記気体分子を前記試料ガス導入部まで導出する循環流路、濃度が高められた前記気体分子が流される分析流路、及び前記気体分子から分析対象の気体同位体分子を分離する処理を行うために前記気体分子を導入する気体分子導入部に接続された濃縮気体流路にそれぞれ切換えて流すことができるとともに、前記循環流路、前記分析流路、及び前記濃縮気体流路のそれぞれの流路口をいずれも閉塞することにより、設定量ずつ導入された前記試料ガスによって前記流路切換部から保持時間の違いによって切換えて流される前記気体分子を前記気体流路の空間で一時的に貯留させ、前記気体分子の濃度を高め、濃縮する濃縮部と、前記濃縮部と前記濃縮気体流路を介して接続され、前記気体分子を予め設定した設定量ずつ導入する前記気体分子導入部と、前記気体分子導入部に接続され、設定量ずつ導入された前記気体分子から前記気体同位体分子を同位体分離カラムの通過に要する保持時間の違いを利用して分離する同位体分離カラム部と、前記同位体分離カラム部の前記同位体分離カラムの第二カラム出口に取設され、分離された前記気体同位体分子を同位体流路へ流し、前記同位体分離カラム部で前記気体分子から前記気体同位体分子が分離された残ガスを前記ガス放出口に接続した残ガス流路にそれぞれ前記同位体分離カラムの通過に要する保持時間の違いに基づいて切換えて流す同位体流路切換部と、前記同位体流路切換部と前記同位体流路を介して接続され、再び前記同位体分離カラムに前記気体分子を通過させるために前記気体分子導入部まで導出する同位体循環流路、及び前記気体同位体分子が流される同位体分析流路にそれぞれ切換えて流すことができるとともに、前記同位体循環流路、及び前記同位体分析流路のそれぞれの流路口をいずれも閉塞することにより、設定量ずつ導入された前記気体分子によって前記同位体流路切換部から保持時間の違いによって切換えて流される前記気体同位体分子を前記同位体流路の空間で一時的に貯留させ、前記気体同位体分子の濃度を高め、濃縮する同位体濃縮部と」を主に具備して構成されている。 In order to solve the above-described problems, the gas separation and concentration apparatus of the present invention is connected to the sample gas introduction unit for introducing a sample gas containing gas molecules to be analyzed by a preset amount, and the sample gas introduction unit. A gas separation column unit that separates the gas molecules from the sample gas introduced by a set amount by using a difference in holding time required to pass through the separation column; and a column outlet of the separation column of the gas separation column unit The gas molecules separated and flowed to the gas flow path, and separated into the gas separation column connected to the gas discharge port the separation gas from which the gas molecules were separated from the sample gas in the gas separation column section, respectively. A flow path switching unit that switches the flow based on a difference in holding time required to pass through the separation column, and is connected to the flow path switching unit and the gas flow path, and is again connected to the separation column. Circulation flow path for deriving the gas molecules to the sample gas introduction portion for the passage of the gas molecules is flowed analysis passage density is increased, and separation of gaseous isotopes molecules to be analyzed from the gas molecules In order to perform the processing to be performed, each of the concentrated gas flow paths connected to the gas molecule introduction section for introducing the gas molecules can be switched to flow, and the circulation flow path, the analysis flow path, and the concentrated gas flow path The gas molecules that are switched and flowed from the flow path switching unit by the difference in holding time by the sample gas introduced by a set amount are temporarily stored in the space of the gas flow path. And concentrating the gas molecules, increasing the concentration of the gas molecules, and concentrating the gas molecules, and connecting the concentration unit and the concentrated gas flow path, the gas molecules being set in advance by a predetermined amount. Using the difference in retention time required to pass the gas isotope molecules from the gas molecules introduced into the gas molecule introduction unit and the gas molecule introduction unit, which are connected to the gas molecule introduction unit and set by a set amount. An isotope separation column part to be separated; and a second column outlet of the isotope separation column part of the isotope separation column part; Switching the residual gas from which the gas isotope molecules have been separated from the gas molecules in the separation column section to the residual gas flow path connected to the gas discharge port based on the difference in holding time required for passing through the isotope separation column, respectively. Isotope flow channel switching section, connected to the isotope flow channel switching section via the isotope flow channel, to the gas molecule introduction section to pass the gas molecules again through the isotope separation column Derivation Each of the isotope circulation channels and the isotope analysis channels through which the gas isotope molecules flow, and the respective isotope circulation channels and the isotope analysis channels. The gas isotope molecules that are switched by the gas molecules introduced by the set amount by the difference in holding time are temporarily flown in the space of the isotope channels. And an isotope concentrating section for increasing the concentration of the gas isotope molecules and concentrating the gas isotope molecules.
ここで、分析対象となる気体分子は、例えば、水素、窒素、及び酸素、二酸化炭素、炭化水素等の気体を挙げることができる。また、気体分離カラム部とは、試料ガスが内部を流通可能な分離カラムを有して構成されるものであり、既存のガスクロマトグラフ分析装置に利用されるカラムを流用して形成することが可能である。この気体分離カラム部の分離カラムは、試料ガスの分離のために、例えば予め所定温度に加熱され、該試料ガスが分離カラムの内部を流れることによって各成分毎に分離し、それぞれの成分がカラム出口から分離カラムの通過に要する保持時間を異にして排出されるものである。 Here, examples of gas molecules to be analyzed include gases such as hydrogen, nitrogen, oxygen, carbon dioxide, and hydrocarbons. In addition, the gas separation column section is configured with a separation column through which the sample gas can flow, and can be formed by diverting a column used in an existing gas chromatograph analyzer. It is. The separation column of the gas separation column section is, for example, heated to a predetermined temperature in advance for separation of the sample gas, and the sample gas is separated into each component by flowing inside the separation column. It is discharged at different holding times required for passing through the separation column from the outlet.
さらに、流路切換部とは、前述の分離カラムのカラム出口からそれぞれ保持時間の違いによって排出される分析対象の気体分子及び試料ガスから該気体分子が除去された分離ガスの流れる流路をそれぞれ切換えるものである。すなわち、気体分子は、その後の分析等の処理のため気体流路へ流れるように保持時間を計測することによって切換えられ、一方、分離ガスはガス放出口に接続された分離ガス流路を流れるように切換えられ、そのまま外部に放出される。ここで、一般的な傾向として、分子量の小さい水素分子等の気体分子は保持時間が短く、一方、分子量の大きい分子は保持時間が長くなることが知られている。そのため、例えば、水素分子が分離対象である場合は、試料ガス導入部から分離カラムに試料ガスを送出した直後は、カラム出口から短い保持時間で排出される水素分子が気体流路を流れるように流路切換部を切換え、所定時間の経過後は気体分子が試料ガスから分離された保持時間の長い分離ガスが分離ガス流路を流れるように切換処理を行う。これにより、水素分子のみを気体流路に選択的に流すことが可能となる。なお、流路切換部の構成は、特に言及されないが、例えば、一つまたは複数のバルブをそれぞれの流路に接続し、各々のバルブの開閉操作によって流路を切換えるものなどが例示される。なお、流路切換部の切換操作は、予め切換のタイミングを保持時間の違いに基づいて設定し、タイマー等によって自動で切換える場合、或いは操作者によって手動で切換える場合のいずれであっても構わない。 Furthermore, the flow path switching unit refers to the flow path through which the separation gas from which the gas molecules have been removed from the gas molecules to be analyzed and the sample gas discharged from the column outlet of the separation column, respectively, due to the difference in retention time. To switch. That is, the gas molecules are switched by measuring the holding time so that they flow to the gas flow path for subsequent analysis and the like, while the separation gas flows through the separation gas flow path connected to the gas discharge port. And is discharged to the outside as it is. Here, as a general tendency, it is known that a gas molecule such as a hydrogen molecule having a small molecular weight has a short retention time, while a molecule having a large molecular weight has a long retention time. Therefore, for example, when hydrogen molecules are to be separated, immediately after the sample gas is sent from the sample gas introduction section to the separation column, the hydrogen molecules discharged from the column outlet in a short holding time flow through the gas flow path. The flow path switching unit is switched, and after a predetermined time has elapsed, a switching process is performed so that a separation gas having a long retention time in which gas molecules are separated from the sample gas flows through the separation gas flow path. As a result, only hydrogen molecules can selectively flow through the gas flow path. The configuration of the flow path switching unit is not particularly mentioned, but examples include one in which one or a plurality of valves are connected to the respective flow paths and the flow paths are switched by opening and closing each valve. In addition, the switching operation of the flow path switching unit may be either when the switching timing is set in advance based on the difference in the holding time and automatically switched by a timer or the like, or manually switched by the operator. .
加えて、濃縮部は、気体分離カラム部を経て分離され、さらに流路切換部によって選択的に分離された気体分子を、濃度等の分析を行うための検出器等に接続した分析流路、及び分析精度を向上させるために、気体分離カラム部に気体分子を再び通過させて濃縮するための循環流路にそれぞれ切換えて流すためのものである。ここで、循環流路は、試料ガスが始めに導入される試料ガス導入部に接続されている。そのため、濃縮部によって気体分子が循環流路を流れるように切換えられた場合には、該気体分子は再び試料ガス導入部に導入され、最初に導入された試料ガスと同様の分離処理を受けることとなる。一方、分析流路を流れるように切換えられた気体分子は、その後の処理を経て検出器等による分析が行われる。 In addition, the concentration section is separated through the gas separation column section, and further the gas molecules selectively separated by the flow path switching section are connected to a detector for analyzing the concentration, etc., And, in order to improve the analysis accuracy, the gas molecules are again switched to flow through circulation channels for concentrating by passing gas molecules again through the gas separation column section. Here, the circulation channel is connected to a sample gas introduction part into which the sample gas is first introduced. Therefore, when gas molecules are switched to flow through the circulation channel by the concentrating unit, the gas molecules are again introduced into the sample gas introduction unit and undergo the same separation treatment as the sample gas introduced first. It becomes. On the other hand, the gas molecules switched to flow in the analysis flow path are analyzed by a detector or the like through subsequent processing.
したがって、本発明の気体分子濃縮装置によれば、分析対象となる気体分子或いは気体同位体分子を含む試料ガスが、該試料ガスを送出するためのヘリウムガスなどのキャリアガスとともに試料ガス導入部に導入される。そして、試料ガス導入部から気体分離カラム部の分離カラムの内部を流れるように試料ガスが送出される。これにより、所定温度に加熱された分離カラムの内部を流れることによって、試料ガスは各気体分子(気体成分)毎に分離し、それぞれの保持時間によってカラム出口から排出される。このとき、カラム出口に取設された流路切換部によって、分析対象の気体分子(例えば、水素分子)と、それ以外のガス(分離ガス)とが流れる流路を、カラム出口から排出される保持時間の違いを利用してそれぞれ切換えられる。 Therefore, according to the gas molecule concentrator of the present invention, the sample gas containing the gas molecule or gas isotope molecule to be analyzed is introduced into the sample gas introduction part together with the carrier gas such as helium gas for sending the sample gas. be introduced. And sample gas is sent out so that the inside of the separation column of a gas separation column part may flow from a sample gas introduction part. Thereby, by flowing through the inside of the separation column heated to a predetermined temperature, the sample gas is separated for each gas molecule (gas component), and is discharged from the column outlet according to each holding time. At this time, the flow path switching unit installed at the column outlet discharges the flow path through which the gas molecules (for example, hydrogen molecules) to be analyzed and other gases (separation gas) flow from the column outlet. Each can be switched using the difference in holding time.
これにより、気体流路には分析対象の気体分子が選択的に流れることになり、気体流路の空間に貯留される。ここで、前述の試料ガス導入部には、試料ガスが予め定めた設定量ずつ、すなわち、”バッチ方式”によって送られている。そのため、該気体流路の空間には、試料ガスが導入される度に、分離された気体分子が送出され、徐々に蓄積して貯留される。その結果、試料ガスの導入を複数回行うことにより、濃縮部及び流路切換部の間の気体流路の空間は、気体分子の濃度(密度)が高い状態となっている。このとき、濃縮された気体分子を得るためには、前述したように複数回に亘って試料ガスの分離処理を行う必要がある。そのため、気体流路の空間に貯留される気体分子には、保持時間が気体分子と近似するその他の気体分子が混在している可能性が高くなる。その結果、後述の検出器による分析の精度が低下するおそれがある。 Thereby, the gas molecule to be analyzed selectively flows in the gas channel and is stored in the space of the gas channel . Here, the sample gas is sent to the above-described sample gas introduction unit by a predetermined amount, that is, by a “batch method”. For this reason, each time a sample gas is introduced, the separated gas molecules are delivered to the space of the gas flow path, and are gradually accumulated and stored. As a result, by introducing the sample gas a plurality of times, the gas channel space between the concentrating unit and the channel switching unit is in a state in which the concentration (density) of gas molecules is high. At this time, in order to obtain concentrated gas molecules, it is necessary to separate the sample gas multiple times as described above. Therefore, there is a high possibility that the gas molecules stored in the space of the gas channel are mixed with other gas molecules whose retention time approximates to the gas molecules. As a result, there is a possibility that the accuracy of analysis by a detector described later is lowered.
そこで、本発明の気体分離濃縮装置は、バッチ方式によって気体流路の空間に高濃度に濃縮された気体分子を、濃縮部及び試料ガス導入部の間を連通するように接続した循環流路に送出し、使用ガス導入部に到達した気体分子を再び気体分離カラム部の分離カラムを通過させることが可能となる。そして、上述のバッチ方式による気体分子の分離及び濃縮処理、及び循環流路を利用した循環処理を複数回繰り返した後に、濃縮部から検出器に接続した分析流路に送ることにより、高濃度に濃縮し、かつ不純物の混在の少ない気体分子のみを検出器で検出し、分析することが可能となる。特に、試料ガスを予め定めた設定量ずつ分離カラム内に導入し、分離を行うバッチ方式を採用することにより、試料ガスに含まれる分析対象の気体分子の濃縮を簡易に行うことが可能となる。 Therefore, the gas separation and concentration apparatus of the present invention is connected to a circulation flow path in which gas molecules concentrated at a high concentration in the space of the gas flow path by a batch method are connected so as to communicate between the concentration section and the sample gas introduction section. The gas molecules that have been sent out and have reached the use gas introduction section can pass through the separation column of the gas separation column section again. Then, after repeating the separation and concentration process of gas molecules by the batch method described above and the circulation process using the circulation channel a plurality of times, it is sent to the analysis channel connected to the detector from the concentration unit to increase the concentration. Only gas molecules that are concentrated and have few impurities can be detected and analyzed by the detector. In particular, it is possible to easily concentrate the gas molecules to be analyzed contained in the sample gas by adopting a batch method in which the sample gas is introduced into the separation column by a predetermined set amount and separated. .
ここで、気体同位体分子とは、中性子数の異なる同位体原子を含む気体分子のことであり、さらに詳しく説明すると、水素の場合、軽水素に対して、その同位体である重水素及び三重水素が存在している。そして、一分子当たり二つの水素原子から構成される水素分子は、これらの同位体の組合わせによって、”軽水素−軽水素”、”軽水素−重水素”、”軽水素−三重水素”、”重水素−重水素”、”重水素−三重水素”、”三重水素−三重水素”の六種類の水素同位体分子が存在している。 Here, the gas isotope molecule is a gas molecule containing isotope atoms having different neutron numbers. More specifically, in the case of hydrogen, the isotopes of deuterium and triple are compared with light hydrogen. Hydrogen is present. And hydrogen molecules composed of two hydrogen atoms per molecule, the combination of these isotopes, "light hydrogen-light hydrogen", "light hydrogen-deuterium", "light hydrogen-tritium", There are six types of hydrogen isotope molecules, “deuterium-deuterium”, “deuterium-tritium”, and “tritium-tritium”.
したがって、本発明の気体分離濃縮装置によれば、前述した気体分離カラム部及び濃縮部等によって行われる分離、濃縮のサイクルを経て濃縮気体流路へ流された気体分子が気体分子導入部によって、予め定めた設定量ずつ同位体分離カラム部に導入される。なお、分析対象が水素分子の場合、極低温状態に同位体分離カラムを冷却することによって同位体成分毎に分離可能なことが知られ、例えば、冷却剤として液体窒素を利用してマイナス196℃付近までの極低温に冷却されている。このように、冷却された導体分離カラムを濃縮された気体分子が通過することにより、気体分子に含まれる不純物が冷却し、上述のマイナス196℃よりも融点が高い気体分子(物質)は固化し、冷却カラムの第二カラム出口に到達することができない。すなわち、同位体分離カラム内にその他の気体成分が捕集され、不純物を除去することができる。 Therefore, according to the gas separation and concentration apparatus of the present invention, the gas molecules introduced into the concentrated gas flow path through the separation and concentration cycle performed by the gas separation column unit and the concentration unit described above, etc. by the gas molecule introduction unit, A predetermined set amount is introduced into the isotope separation column. When the analysis target is a hydrogen molecule, it is known that the isotope separation column can be separated into each isotope component by cooling to an extremely low temperature state. For example, minus 196 ° C. using liquid nitrogen as a coolant. It is cooled to a very low temperature up to the vicinity. As described above, the condensed gas molecules pass through the cooled conductor separation column, thereby cooling the impurities contained in the gas molecules, and solidifying the gas molecules (substance) having a melting point higher than the above-described minus 196 ° C. The second column outlet of the cooling column cannot be reached. That is, other gas components are collected in the isotope separation column, and impurities can be removed.
さらに、気体分子を極低温に冷却することによって、気体分子に含まれる複数の気体同位体分子が同位体分離カラムの通過に要する保持時間が異なる性質を有することが知られている。これにより、冷却カラムの第二カラム出口に取設された同位体流路切換部によって、保持時間の違いに基づいて分析対象の気体同位体分子のみを選択的に同位体流路に流し、それ以外の気体同位体分子を含む残ガスを残ガス流路に流すことができる。そして、分離され、選択的に同位体流路に流された気体同位体分子は、同位体濃縮部と接続されている。さらに、同位体濃縮部は、気体分子導入部の間を連通する同位体循環流路が接続されている。 Furthermore, it is known that a plurality of gas isotope molecules contained in the gas molecule have different retention times required for passing through the isotope separation column by cooling the gas molecule to a cryogenic temperature. Thus, only the gas isotope molecule to be analyzed is selectively passed through the isotope channel based on the difference in holding time by the isotope channel switching unit installed at the second column outlet of the cooling column. Residual gas containing gas isotope molecules other than can flow into the residual gas flow path. The gas isotope molecules separated and selectively flown into the isotope channel are connected to the isotope enrichment section. Furthermore, the isotope enrichment section is connected to an isotope circulation channel that communicates between the gas molecule introduction sections.
ここで、気体分子導入部、同位体流路切換部、同位体濃縮部は、前述の試料ガス導入部、流路切換部、濃縮部と略同一の機能を有するためここでは詳細な説明は省略する。これにより、設定量ずつ同位体分離カラム部の冷却カラム内に気体分子が導入され、分析対象の気体同位体分子のみが同位体流路切換部によって選択的に同位体流路に流され、同位体流路の空間に貯留される。さらに、”気体分子導入部→同位体分離カラム部→同位体流路切換部→同位体濃縮部”のサイクルを繰返すことにより、前述した気体分子と同様の処理によって気体同位体分子を分離及び濃縮することができる。その後、濃縮された気体同位体分子を同位体分析流路に接続された検出器に送出することによって、高感度で気体同位体分子(例えば、”三重水素−三重水素”の気体同位体分子など)を検出し、分析することができる。なお、詳細な操作は、既に述べた気体分子の分離及び濃縮処理と同一であるため、ここでは説明を省略する。なお、冷却カラムの冷却温度は、分離対象の気体同位体分子の性状に併せて適宜設定することが可能であり、その際に使用される冷却剤も液体窒素以外のものを用いても構わない。 Here, since the gas molecule introduction unit, the isotope channel switching unit, and the isotope enrichment unit have substantially the same functions as the sample gas introduction unit, the channel switching unit, and the enrichment unit, detailed description is omitted here. To do. As a result, gas molecules are introduced into the cooling column of the isotope separation column unit by a set amount, and only the gas isotope molecules to be analyzed are selectively flowed to the isotope channel by the isotope channel switching unit. It is stored in the body channel space . Furthermore, by repeating the cycle of “gas molecule introduction part → isotope separation column part → isotope flow path switching part → isotope enrichment part”, gas isotope molecules are separated and enriched by the same process as the gas molecules described above. can do. After that, the concentrated gas isotope molecules are sent to a detector connected to the isotope analysis flow path, so that the gas isotope molecules (for example, “tritium-tritium” gas isotope molecules, etc.) are highly sensitive. ) Can be detected and analyzed. The detailed operation is the same as the gas molecule separation and concentration process already described, and thus the description thereof is omitted here. The cooling temperature of the cooling column can be set as appropriate in accordance with the properties of the gas isotope molecules to be separated, and the coolant used at that time may be other than liquid nitrogen. .
さらに、本発明の気体分離濃縮装置は、上記構成に加え、「前記最終分離部は、前記濃縮部と前記分析流路を介して接続され、前記気体流路の空間で濃度が高められた前記気体分子を成分分離カラムの通過に要する保持時間の違いを利用して分離する分析前気体分離カラム部を」具備するものであっても構わない。 Furthermore, in addition to the above configuration, the gas separation and concentration apparatus according to the present invention includes the “the final separation unit is connected to the concentration unit via the analysis channel, and the concentration is increased in the space of the gas channel. It may have a pre-analytical gas separation column section that separates gas molecules using the difference in retention time required for passage through the component separation column.
したがって、本発明の気体分離濃縮装置によれば、濃縮された気体分子を、分析前に分析前気体分離カラム部で最終的な成分分離を行った後、分離された気体分子及びその他の気体分子の検出及び分析が行われる。これにより、分析直前に最終段階の成分分離を行うことにより、さらに気体分子の分析精度を高められる。ここで、分析前気体分離カラム部及び成分分離カラムは、前述の気体分子の分離及び濃縮の際に使用した同種の構成のものを利用することができる。 Therefore, according to the gas separation and concentration apparatus of the present invention, the concentrated gas molecules are subjected to final component separation in the pre-analysis gas separation column before analysis, and then separated and other gas molecules. Detection and analysis. Thereby, the analysis accuracy of gas molecules can be further improved by performing the final component separation immediately before the analysis. Here, as the pre-analysis gas separation column part and the component separation column, those of the same type used in the above-described separation and concentration of gas molecules can be used.
さらに、本発明の気体分離濃縮装置は、上記構成に加え、「前記最終分離部は、前記同位体濃縮部と前記同位体分析流路を介して接続され、前記同位体流路の空間で濃度が高められた前記気体同位体分子を同位体成分分離カラムの通過に要する保持時間の違いを利用して分離する分析前同位体分離カラム部を」さらに具備するものであっても構わない。 Further, the gas separation / concentration apparatus of the present invention has the above-described structure, in which “the final separation unit is connected to the isotope enrichment unit via the isotope analysis channel, and the concentration in the space of the isotope channel is set. It may further comprise a pre-analytical isotope separation column section that separates the gas isotope molecules having an increased valence by utilizing the difference in retention time required for passage through the isotope component separation column.
したがって、本発明の気体分離濃縮装置によれば、同位体濃縮部によって濃縮された気体同位体分子を分析前同位体分離カラム部の同位体成分分離カラムによって最終的に同位体分離を行い、分離された各気体同位体分子の分析が行われる。これにより、分析直前に最終段階の同位体分離を行うことにより、さらに気体同位体分子の分析精度を高められる。ここで、分析前同位体分離カラム部及び同位体成分分離カラムは、上述の気体同位体分子の分離及び濃縮の際に使用した同種の構成のものを利用することができる。 Therefore, according to the gas separation and concentration apparatus of the present invention, the gas isotope molecules concentrated by the isotope enrichment section are finally subjected to isotope separation by the isotope component separation column of the pre-analysis isotope separation column section and separated. Each gas isotope molecule is analyzed. Thereby, the analysis accuracy of gas isotope molecules can be further improved by performing the final isotope separation immediately before the analysis. Here, as the pre-analysis isotope separation column section and the isotope component separation column, those having the same configuration used for the separation and concentration of the above-mentioned gas isotope molecules can be used.
以上述べたように、本発明の効果として、気体分子または気体同位体分子を検出し、分析する前段階の処理として、ガスクロマトグラフ分析装置の分析原理を利用し、保持時間の違いによってカラムから排出される気体を流路切換部等で流路を切換えることにより、分析対象の気体分子または気体同位体分子を選択的に分離することができる。さらに、流路切換部または同位体流路切換部の下流に設けられた濃縮部及び流路切換部の間の気体流路の空間または同位体濃縮部及び同位体流路切換部の間の同位体流路の空間によって、選択的に分離された気体分子等を一時的に貯留することができる。このとき、成分分離部に導入される試料ガスまたは同位体分離部に導入される気体分子は、予め定めた設定量ずつバッチ方式によって各カラムに導入されるため、係る気体流路の空間等には分離された水素分子等が徐々に蓄積し、貯留することになる。これにより、所望の気体分子または気体同位体分子のみを高濃度に濃縮することが可能となり、さらに下流側に接続された検出器によって検出及び分析を行うことができる。また、濃縮された気体分子を濃縮部に接続された循環流路を介して試料ガス導入部に再導入し、或いは気体同位体分子を同位体濃縮部に接続された同位体循環流路を介して濃縮気体導入部に再導入することができる。これにより、気体流路の空間等で貯留されている間に混在する酸素分子等の他の気体分子を、各カラムによって再分離することができる。その結果、検出器等に送出される気体分子の純度をさらに向上させ、分析を阻害する要因を排除することができる。 As described above, as an effect of the present invention, gas molecules or gas isotope molecules are detected and analyzed from the column according to the difference in retention time using the analysis principle of the gas chromatograph analyzer as a pre-stage treatment. The gas molecules or gas isotope molecules to be analyzed can be selectively separated by switching the gas flow by the flow channel switching unit or the like. Further, the gas channel space between the concentration unit and the channel switching unit provided downstream of the channel switching unit or the isotope channel switching unit or the isotope between the isotope concentration unit and the isotope channel switching unit. Gas molecules and the like selectively separated can be temporarily stored in the body channel space . At this time, the gas molecules introduced into the sample gas or isotope separation unit is introduced into the component separating unit, for introduction into the column by batchwise by setting the amount determined in advance, the space or the like of the gas flow path according Will gradually accumulate and store the separated hydrogen molecules. Thereby, it becomes possible to concentrate only a desired gas molecule or gas isotope molecule to a high concentration, and further, detection and analysis can be performed by a detector connected downstream. In addition, the concentrated gas molecules are reintroduced into the sample gas introduction part via the circulation channel connected to the concentration part, or the gas isotope molecules are passed through the isotope circulation channel connected to the isotope enrichment part. And can be reintroduced into the concentrated gas introduction part. Thereby, other gas molecules such as oxygen molecules mixed while being stored in the space of the gas flow path can be re-separated by each column. As a result, it is possible to further improve the purity of the gas molecules delivered to the detector or the like and eliminate the factors that hinder the analysis.
以下、本発明の一実施形態である気体分離濃縮装置1について、図1乃至図6に基づいて説明する。ここで、図1は本実施形態の気体分離濃縮装置1の概略構成を模式的に示す説明図であり、図2は気体分離濃縮装置1の成分分離部2による水素分子3の分離濃縮処理を模式的に示す説明図であり、図3は気体分離濃縮装置1の同位体分離部4による水素同位体分子5の分離濃縮処理を模式的に示す説明図であり、図4は気体分離濃縮装置1の最終分離部6による分析前の最終分離処理を模式的に示す説明図であり、図5乃至図6は気体分離濃縮装置1における水素分子3及び水素同位体分子5の分離濃縮処理の流れを示すフローチャートである。ここで、水素分子3が本発明における気体分子に相当し、水素同位体分子5が本発明における気体同位体分子に相当する。また、本実施形態の気体分離濃縮装置1の同位体分離部4では、試料ガス7に含まれる”三重水素−三重水素”の水素同位体分子5を分離するものについて例示している。
Hereinafter, a gas separation and
本実施形態の気体分離濃縮装置1は、図1乃至図4に主に示されるように、導入された試料ガス7から水素分子3を分離し、濃縮する成分分離部2と、分離された水素分子3から分析対象となる水素同位体分子5をさらに分離し、濃縮する同位体分離部4と、成分分離部2及び/または同位体分離部4によってそれぞれ分離し、濃縮された水素分子3または水素同位体分子5を分析する前に、最終的な成分分離処理を行う最終分離部6とを具備して主に構成されている。そして、最終分離部6は、水素分子3等の検出が可能な既存の検出器8に直接接続されている。
As shown mainly in FIGS. 1 to 4, the gas separation /
さらに、詳細に説明すると、成分分離部2は、図2に主に示されるように、試料ガス供給源(図示しない)から供給される試料ガス7(水素分子3及び水素同位体分子5を含む)を、予め設定した設定量(設定体積)ずつ分離カラム11の内部に導入する試料ガス導入部12と、試料ガス導入部12に接続され、コイル状に巻装して形成された分離カラム11を所定温度に加熱し、該分離カラム11の通過に要する保持時間の違いを利用して試料ガス7に含まれる各ガス成分を分離する気体分離カラム部13と、気体分離カラム部13の分離カラム11のカラム出口14に取設され、分離された水素分子3を気体流路15に流すとともに、試料ガス7から水素分子3が分離された後の分離ガス16をガス放出口17に接続して分離ガス流路18へそれぞれ切換えて流す流路切換部19と、流路切換部19と気体流路15を介して接続され、水素分子3を試料ガス導入部12に再び導いて分離カラム11に循環させる循環流路20、濃度が高められた水素分子3を最終分離部6に流す分析流路21、及び濃縮された水素分子3から分析対象の水素同位体分子5をさらに分離する同位体分離部4に流すための濃縮気体流路22にそれぞれ切換えて流すことができるとともに、循環流路20、分析流路21、及び濃縮気体流路22のそれぞれの流路口20a,20b,20cをいずれも閉塞することにより、設定量ずつ導入された試料ガス7によって流路切換部19から保持時間の違いによって切換えて流される水素分子3を気体流路15の空間で一時的に貯留させ、水素分子3の濃度を高め、濃縮する濃縮部23とを具備して主に構成されている。なお、試料ガス7を導入するためのキャリアガス(図示しない)として、本実施形態ではネオンガスが用いられている。
More specifically, the
ここで、成分分離部2の気体分離カラム部13は、既存のガスクロマトグラフ分析装置において使用されるカラム及びカラムを所定温度に加熱し保持するためのオーブン等の加熱機構と略同一の構成を有している。なお、分離カラム11の通過に要する保持時間は、既に述べたように、加熱によって分離された化合物(気体)の中で、分子量の小さいものが保持時間が短く、一方、分子量の大きいものが保持時間が長くなる傾向が強く、分離カラム11に応じて個々に保持時間が決定されている。そのため、本実施形態において分離される水素分子3は、試料ガス導入部12によって分離カラム11に試料ガス7が導入された導入開始直後から、比較的短い保持時間でカラム出口14に到達し、分離カラム11から排出されることが想定され、一方、水素分子3以外の気体分子(例えば、大気中に含まれる窒素分子や酸素分子等)は、水素分子3よりも遅れてカラム出口14から排出される。そのため、この水素分子3と、水素分子3以外の気体分子(分離ガス16に相当)との保持時間の違いを利用して、流路切換部19を適宜切換える処理を行い、水素分子3のみを気体流路15に選択的に流し、一方、それ以外の分離ガス16をガス放出口17に接続した分離ガス流路18に流し、外部に放出することが行われる。これにより、ガスクロマトグラフ分析装置のカラムによる分離原理を利用して、試料ガス7から水素分子3のみを選択的に分離することができる。
Here, the gas
また、成分分離部2の濃縮部23は、図1及び図2に示すように、気体流路15を流れ、該濃縮部23に到達した水素分子3を三つの流路20,21,22にそれぞれ切換えて流すことができる。ここで、試料ガス導入部12からは前述したように予め定められた設定量ずつの試料ガス7が分離カラム11に導入され、その度毎に分離された水素分子3が濃縮部23に送られる。このとき、濃縮部23に接続された各々三つの流路20等の流路口20a,21a,22aをいずれも閉塞することにより、濃縮部23及び流路切換部19の間の気体流路15の空間に水素分子3が濃縮された状態となる。
Further, as shown in FIGS. 1 and 2, the concentrating
さらに、濃縮部23に接続された循環流路20の流路口20aを開放することにより、濃縮された水素分子3が試料ガス導入部12に送出され、該水素分子3が再び気体分離カラム部13によって成分分離される。これにより、気体流路15の空間に貯留される過程で混在した水素分子3以外の気体分子(酸素分子等)を分離カラム11で再度分離し、流路切換部19で分離ガス16として外部に放出することができる。その結果、気体流路15の空間に貯留された水素分子3は、高濃度に濃縮され、かつ分析を阻害するような不純物が混在することがない。一方、分析流路21に通じる流路口21aを開放状態とすることにより、水素分子3を最終分離部6に導き、分析前の最終分離処理を行うことができる(詳細は後述する)。さらに、濃縮気体流路22に通じる流路口22aを開放状態とすることにより、同位体分離部4に水素分子3を導き、分析対象の水素同位体分子5のみを選択的に分離することができる(詳細は後述する)。なお、前述の流路切換部19及び濃縮部23におけるそれぞれの流路への切換処理及び切換操作のタイミングは、本実施形態の気体分離濃縮装置1を操作する操作者(使用者)によって手動で行われるものであっても、或いは予め設定した条件に基づいて自動化して切換を行うものであっても構わない。
Further, by opening the
一方、本実施形態の同位体分離部4は、図1及び図3に示すように、成分分離部2と濃縮気体流路22を介して接続され、該濃縮気体流路22を流れる濃縮された水素分子3を、予め設定した設定量ずつ冷却カラム24の内部に導入する水素分子導入部25と、水素分子導入部25に接続された冷却カラム24を極低温状態になるように冷却し、該冷却カラム24の通過に要する保持時間の違いを利用して水素分子3に含まれる複数の水素同位体分子の中から分析対象の水素同位体分子5のみを選択的に分離する同位体分離カラム部26と、同位体分離カラム部26の冷却カラム24の第二カラム出口27に取設され、分離された水素同位体分子5を同位体流路28へ流し、一方、水素分子3から該水素同位体分子5が分離された後の残ガス29をガス放出口17に接続した残ガス流路30へそれぞれ切換えて流す同位体流路切換部31と、同位体流路切換部31に接続され、複数回に亘って導入される水素分子3に応じて分離される水素同位体分子5を一時的に貯留し、水素同位体分子5の濃縮を行うとともに、該水素同位体分子5を水素分子導入部25に再び導いて循環させる同位体循環流路32、及び水素同位体分子5を最終分離部6に流す同位体分析流路33にそれぞれ接続された同位体濃縮部34とを主に具備して構成されている。ここで、水素分子導入部25が本発明における気体分子導入部に相当し、冷却カラム24が本発明における同位体分離カラムに相当する。
On the other hand, as shown in FIGS. 1 and 3, the
さらに、説明すると、同位体分離カラム部26の冷却カラム24は、液体窒素35で満たされた冷却容器36の中に浸漬した状態で設置されている。これにより、冷却カラム24の内部が、液体窒素35の沸点(マイナス196℃)に近い極低温状態になるように冷却されている。さらに、本実施形態では、水素分子3を冷却カラム24の内部に導入させる際のキャリアガスとして、成分分離部2において使用されているネオンガスがここでも用いられている。このネオンガスは、沸点が液体窒素35の沸点よりもさらに低い物性を有するため、冷却カラム24内でネオンガスが液化することがなく、キャリアガスとしての機能を十分に果たすことができるものである。
More specifically, the
さらに、本実施形態の気体分離濃縮装置1は、成分分離部2において分離濃縮され、濃縮部23から分析流路21を介して送出された水素分子3、または同位体分離部4において分離濃縮され、同位体濃縮部34から同位体分析流路33を介して送出された水素同位体分子5を、それぞれ分析前に最終分離を行う最終分離部6を有して構成されている。ここで、最終分離部6は、成分分離部2から延設された分析流路21に接続され、送出された水素分子3を所定温度に加熱された成分分離カラム37の内部に導入し、該カラム37の通過に要する保持時間の違いを利用して水素分子3に混在する各成分を分離する分析前気体分離カラム部38と、同位体分離部4から延設された同位体分析流路33に接続され、水素同位体分子5を所定の極低温状態に冷却した同位体分離冷却カラム39に導入し、該カラム39の通過に要する保持時間の違いを利用して水素同位体分子5に混在するその他の水素同位体分子5a等を分離する分析前同位体分離カラム部40とを具備して主に構成されている。ここで、分析前気体分離カラム部38の成分分離カラム37は、成分分離部2の分離カラム11と同一の構成のものが使用され、一方、分析前同位体分離カラム部40の同位体分離冷却カラム39は同位体分離部4の冷却カラム24と同一の構成のものが使用され、冷却カラム24と同様に液体窒素35が満たされた冷却容器41の中に浸漬されている。そして、分析前気体分離カラム部38及び分析前同位体分離カラム部40は、係る処理によって各成分毎に分離された成分を検出し、分析するための検出器8に接続されている。ここで、同位体分離冷却カラム39が本発明における同位体成分分離カラムに相当する。
Further, the gas separation /
次に、本実施形態の気体分離濃縮装置1の使用の一例について、図1乃至図4の各説明図、及び図5及び図6のフローチャートに基づいて説明する。まず、試料ガス供給源(図示しない)から気体分離濃縮装置1の成分分離部2に試料ガス7が供給される。このとき、試料ガス7を搬送するために使用されるキャリアガスは、前述したように極低温状態で液化若しくは固化するおそれのない不活性のネオンガスが用いられている。なお、試料ガス7の導入前に、ネオンガスのみを気体分離濃縮装置1に予め送出し、試料ガス導入部12、分離カラム11、流路切換部19、及び濃縮部23、さらに各流路20等に通すことにより、大気中に存在する窒素分子や酸素分子などを置換する前処理が行われる(ステップS0)。それから、試料ガス導入部12から予め設定した設定量の試料ガス7がバッチ方式によって気体分離カラム部13の分離カラム11の内部に導入される(ステップS1)。
Next, an example of use of the gas separation /
このとき、試料ガス7が導入された分離カラム11は、オーブン等の加熱機構によって水素分子3を試料ガス7から分離するために所定の加熱温度に加熱された状態にある。そして、導入された試料ガス7が分離カラム11内を通過し、カラム出口14に到達するまでの間で、試料ガス7を構成する各々の成分(大気の構成成分を含む)に分離する(ステップS2)。そして、試料ガス7の導入開始直後から、カラム出口14に到達するまでに要する時間(保持時間:リテンションタイム)の各成分毎の違いを利用してカラム出口14に取設された流路切換部19による切換操作が行われる(ステップS3)。
At this time, the
ここで、低分子量の水素分子3は、試料ガス7の分離カラム11に対する導入開始直後から、比較的短い時間でカラム出口14に到達することが知られている。そのため、試料ガス7の導入開始直後から所定時間を経過していない場合(ステップS3においてYES)、カラム出口14から排出される気体(主に、水素分子3に相当)が気体流路15を流れるように切換処理が流路切換部19で行われる(ステップS4)。一方、試料ガス7の導入開始から所定時間を経過している場合(ステップS3においてNO)、カラム出口14から排出される気体(主に、分離ガス16に相当)を分離ガス流路18に流れるように切換処理が流路切換部19において行われ(ステップS5)、ガス放出口17を介して分離ガス16が外部に放出される(ステップS6)。なお、本実施形態では、流路切換部19の切換操作は、操作者が時計等によって切換のタイミングを決定し、手動で行うことによって達成されている。
Here, it is known that the low molecular
そして、流路切換部19の切換えによって気体流路15へ流された水素分子3は、この空間に一時的に貯留される(ステップS7)。その後、該空間に貯留された水素分子3が流される以降の流路が決定される(ステップS8)。すなわち、気体流路15の空間に到達し、一時的に貯留された水素分子3が高濃度に濃縮され、後述する検出器8等によって高感度に検出することが可能な程度まで濃縮状態が進行し、かつ不純物の混在がほとんどないと判断される場合(ステップS8においてYES)、換言すると濃縮が完了している場合、該水素分子3を検出器8に接続した最終分離部6に送出するための分析流路21に流すか、或いは濃縮された水素分子3の中から特定の水素同位体分子5のみをさらに分離し、濃縮するかの決定を行うステップを実施する(ステップS9)。一方、水素分子3の濃縮が未完了の状態であり、或いは不純物が混在している可能性が高い場合(ステップS8においてNO)、換言すると、濃縮が未完の場合、気体流路15の空間に一時的に貯留された水素分子3を試料ガス導入部12に導入し、再び気体分離カラム部13による不純物等の分離処理を行うか、或いは新たな試料ガス7を試料ガス導入部12によって気体分離カラム部13の分離カラム11に再度導入し、気体流路15の空間に新たな水素分子3が蓄積して貯留されるようにするか否かの判断をするステップを実施する(ステップS10)。
Then, the
ここで、試料ガス導入部12によって新たな試料ガス7の気体分離カラム部13への再導入を実施する場合(ステップS10においてYES)、新たな試料ガス7の導入を行う(ステップS11)。そして、ステップS2の処理に戻り、気体分離カラム部13及び流路切換部19によって水素分子3のみを選択的に分離し、気体流路15の空間に送出する繰返処理を行う。一方、試料ガス7の再導入を実施せず、濃縮部23を切換え循環流路20を通じて気体流路15の空間に貯留された水素分子3を試料ガス導入部12に送出する処理を行う場合(ステップS10においてNO)、濃縮部23に接続された循環流路20の流路口20aを開放し、水素分子3を試料ガス導入部12に導く(ステップS12)。そして、試料ガス導入部12に到達した水素分子3は、再びステップS3の処理に戻り、濃縮された水素分子3に含まれ、検出器8等による検出精度を低下させる要因となる不純物(図示しない)を気体分離カラム部13によって分離し、除去することができる。これにより、高純度に精製され、かつ濃縮された水素分子3が再び気体流路15の空間に貯留される。
Here, when the sample
一方、上述した水素分子3の濃縮及び濃縮された水素分子3からの不純物を除去する精製のステップが繰返し行われ、高純度に精製され、かつ濃縮された水素分子3が濃縮部23に貯留している場合(ステップS8においてYES)、すなわち、濃縮が完了している場合、前述のように、水素分子3を送出する流路を分析流路21または濃縮気体流路22のいずれかに決定するステップが実施される(ステップS9)。ここで、分離及び濃縮された水素分子3を検出器8によって検出し、分析する場合(ステップS9においてYES)、すなわち、水素同位体分子5の分離をしない場合、最終分離部6に接続した分析流路21に通じる流路口21aを開放状態にして水素分子3を送出する(ステップS13)。一方、分離及び濃縮された水素分子3から特定の水素同位体分子5のみを選択的に分離する場合(ステップS9においてNO)、同位体分離部4の水素分子導入部25に接続した濃縮気体流路22に水素分子3が流れるように流路口22aを開放し、送出する(ステップS14)。
On the other hand, the above-described steps of concentration of the
そして、同位体分離部4の水素分子導入部25に送出された水素分子3から特定の水素同位体分子5が分離及び濃縮される(ステップS15)。ここで、同位体分離部4における各構成は、前述の成分分離部2の構成と略同一を示し、水素同位体分子5の分離及び濃縮処理についても前述した水素分子3の分離濃縮処理のフローチャートによる流れと略同一であるため、詳細な説明は省略するものとする。すなわち、水素分子導入部25が試料ガス導入部12、同位体分離カラム部26が気体分離カラム部13、同位体流路切換部31が流路切換部19、及び同位体濃縮部34が濃縮部23と略同一の機能を有している。
Then, the specific
ここで、水素同位体分子5は、既に述べたように、軽水素、重水素、及び三重水素の組合わせによって六種類が存在していることが知られている。そして、これらの組合わせの中で、極低温状態に保たれたカラム(冷却カラム24)からは、”軽水素−軽水素”の組合わせからなる水素同位体分子5bが最も保持時間が短く、一方、”三重水素−三重水素”の組合わせからなる水素同位体分子5cが最も保持時間が長くなる傾向が知られている。そこで、ステップS15における水素同位体分子5の分離及び濃縮処理においては、それぞれの水素同位体分子5a等の中から分析対象に選ばれた水素同位体分子5(本実施形態では、”三重水素−三重水素”の組み合わせからなるものに相当)に応じて設定された保持時間を参考にして同位体流路切換部31の切換処理が行われる。一方、分析対象以外の水素同位体分子5a等を含む残ガス29は、残ガス流路30にガス放出口17から放出される。なお、液体窒素35によって極低温の状態に冷却された冷却カラム24の内部を通過する水素分子3には、僅かな不純物が混在している場合がある。ここで、マイナス196℃に冷却された冷却カラム24内を通過する際に、係る不純物は一般にマイナス196℃よりも高い沸点若しくは融点を備えるため、冷却カラム24内で液化若しくは固化する。その結果、第二カラム出口27に到達することができず、冷却カラム24内に不純物が捕集される。そのため、同位体分離カラム部26は、水素分子3から不純物を除去する機能も併せて有している。
Here, as described above, it is known that six types of
そして、前述の成分分離部2における分離及び濃縮の工程と略同一の流れによって、水素分子3から特定の水素同位体分子5のみが分離濃縮された該水素同位体分子5が最終分離部6に同位体分析流路33を介して送出される(ステップS16)。そして、ステップS13またはステップS16によってそれぞれ送出された水素分子3または水素同位体分子5の再分離処理が行われる。ここで、水素分子3は、分析前気体分離カラム部38の加熱された成分分離カラム37へ導入され、再び成分分離処理が行われ(ステップS17)、一方、水素同位体分子5は、分析前同位体分離カラム部40の極低温に冷却された同位体分離冷却カラム39へ導入され、再び同位体分離処理が行われる(ステップS18)。これにより、検出器8に送出される直前の段階で、水素分子3及び水素同位体分子5の最終的な成分分離処理が行われ、検出器8における各成分(水素分子3または水素同位体分子5)の検出及び分析が高感度で行われる。そして、最終分離部6における最終的な分離処理の後、検出器8においてそれぞれ分析が行われる(ステップS19及びステップS20)。
The
以上述べたように、本実施形態の気体分離濃縮装置1によれば、分析対象の水素分子3及び水素同位体分子5を含んだ試料ガス7から成分分離部2によって水素分子3を選択的に分離及び濃縮することができ、一方、同位体分離部4によって特定の水素同位体分子5を選択的に分離及び濃縮することができる。特に、各カラム11等の通過に要する保持時間の違いを利用して水素分子3等を分離し、さらに試料ガス7または水素分子3を予め定めた設定量ずつカラム11等の内部に導入し、”バッチ方式”によって気体流路15の空間等に濃縮することができるため、簡易に分析対象の水素分子3等を濃縮することができる。加えて、一端、気体流路15の空間等に貯留された水素分子3等を濃縮部23等によって流路を切換え、循環流路20等を通じて再びカラム11等を通過させ、貯留時に混在した不純物を水素分子3から除去した後に、次の処理(同位体分離処理、または最終分離処理)に送ることができる。そして、最終分離部6によって、分析前の最終段階として各成分の分離を行い、検出器8によって検出及び分析を行うことができる。これにより、検出器8に至るまでに試料ガス7は、カラム11等を複数に亘って繰返し通過させられるため、それぞれ分離処理によって極微量に存在し、検出精度を低下させる不純物を排除し、高感度で分析を行うことができる。加えて、最終分離部6によって分析前に最終的な成分分離を行うことにより、分析の精度をさらに向上させることができる。さらに、従来の濃縮管を用いた分離に比べ、濃縮の処理時間を大幅に短縮し、かつ比較的簡易な操作で高濃度に濃縮することができる。さらに、濃縮管では困難であった特定の気体同位体分子の濃縮処理を行うことが本実施形態の気体分離濃縮装置によって可能となる。
As described above, according to the gas separation and
以上、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、以下に示すように、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計の変更が可能である。 The present invention has been described with reference to preferred embodiments. However, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention as described below. And design changes are possible.
すなわち、本実施形態の気体分離濃縮装置1において、水素分子3及びその同位体である水素同位体分子5を分析対象となる気体分子としたものを例示したが、これに限定されるものではなく、その他の気体分子に対しても本発明の気体分離濃縮装置1による分離及び濃縮処理を施すものであってもよい。係る場合には、流路切換部19または同位体流路切換部31によるそれぞれの流路の切換処理を、分析対象となる気体分子に応じて保持時間の違いによって適宜切換える必要がある。さらに、係る気体同位体分子の分離において、液体窒素等の冷却剤を用い、極低温状態にした冷却カラム24による分離を行うものを示したが、これに限定されるものではなく、冷却温度の異なるその他の冷却剤を使用するもの、或いは別の手法によって気体同位体分子毎の分離を行うものであっても構わない。
That is, in the gas separation and
1 気体分離濃縮装置
2 成分分離部
3 水素分子(気体分子)
4 同位体分離部
5,5a,5b,5c 水素同位体分子(気体同位体分子)
6 最終分離部
7 試料ガス
8 検出器
11 分離カラム
12 試料ガス導入部
13 気体分離カラム部
14 カラム出口
15 気体流路
16 分離ガス
17 ガス放出口
18 分離ガス流路
19 流路切換部
20 循環流路
21 分析流路
22 濃縮気体流路
23 濃縮部
24 冷却カラム(同位体分離カラム)
25 水素分子導入部(気体分子導入部)
26 同位体分離カラム部
27 第二カラム出口
28 同位体流路
29 残ガス
30 残ガス流路
31 同位体流路切換部
32 同位体循環流路
33 同位体分析流路
34 同位体濃縮部
37 成分分離カラム
38 分析前気体分離カラム部
39 同位体分離冷却カラム(同位体成分分離カラム)
40 分析前同位体分離カラム部
DESCRIPTION OF
4
6
25 Hydrogen molecule introduction part (gas molecule introduction part)
26 Isotope
40 Pre-analytical isotope separation column
Claims (3)
前記試料ガス導入部に接続され、設定量ずつ導入された前記試料ガスから前記気体分子を分離カラムの通過に要する保持時間の違いを利用して分離する気体分離カラム部と、
前記気体分離カラム部の前記分離カラムのカラム出口に取設され、分離された前記気体分子を気体流路へ流し、前記気体分離カラム部で前記試料ガスから前記気体分子が分離された分離ガスをガス放出口に接続した分離ガス流路へそれぞれ前記分離カラムの通過に要する保持時間の違いに基づいて切換えて流す流路切換部と、
前記流路切換部と前記気体流路を介して接続され、再び前記分離カラムに前記気体分子を通過させるために前記気体分子を前記試料ガス導入部まで導出する循環流路、濃度が高められた前記気体分子を最終分離部に導く分析流路、及び前記気体分子から分析対象の気体同位体分子を分離する処理を行うために前記気体分子を導入する気体分子導入部に接続された濃縮気体流路にそれぞれ切換えて流すことができるとともに、前記循環流路、前記分析流路、及び前記濃縮気体流路のそれぞれの流路口をいずれも閉塞することにより、設定量ずつ導入された前記試料ガスによって前記流路切換部から保持時間の違いによって切換えて流される前記気体分子を前記気体流路の空間で一時的に貯留させ、前記気体分子の濃度を高め、濃縮する濃縮部と、
前記濃縮部と前記濃縮気体流路を介して接続され、前記気体分子を予め設定した設定量ずつ導入する前記気体分子導入部と、
前記気体分子導入部に接続され、設定量ずつ導入された前記気体分子から前記気体同位体分子を同位体分離カラムの通過に要する保持時間の違いを利用して分離する同位体分離カラム部と、
前記同位体分離カラム部の前記同位体分離カラムの第二カラム出口に取設され、分離された前記気体同位体分子を同位体流路へ流し、前記同位体分離カラム部で前記気体分子から前記気体同位体分子が分離された残ガスを前記ガス放出口に接続した残ガス流路にそれぞれ前記同位体分離カラムの通過に要する保持時間の違いに基づいて切換えて流す同位体流路切換部と、
前記同位体流路切換部と前記同位体流路を介して接続され、再び前記同位体分離カラムに前記気体分子を通過させるために前記気体分子導入部まで導出する同位体循環流路、及び前記気体同位体分子を前記最終分離部に流す同位体分析流路にそれぞれ切換えて流すことができるとともに、前記同位体循環流路、及び前記同位体分析流路のそれぞれの流路口をいずれも閉塞することにより、設定量ずつ導入された前記気体分子によって前記同位体流路切換部から保持時間の違いによって切換えて流される前記気体同位体分子を前記同位体流路の空間で一時的に貯留させ、前記気体同位体分子の濃度を高め、濃縮する同位体濃縮部と
を具備することを特徴とする気体分離濃縮装置。 A sample gas introduction part for introducing a sample gas containing gas molecules to be analyzed by a preset amount;
A gas separation column unit that is connected to the sample gas introduction unit and separates the gas molecules from the sample gas introduced by a set amount by using a difference in retention time required to pass through the separation column;
The separated gas molecules, which are installed at the column outlet of the separation column of the gas separation column section and flow into the gas flow path, are separated from the sample gas by the gas separation column section. A flow path switching unit for switching to flow to the separation gas flow path connected to the gas discharge port based on the difference in holding time required to pass through the separation column, and
A circulation channel that is connected to the channel switching unit via the gas channel and leads the gas molecule to the sample gas introduction unit in order to pass the gas molecule again through the separation column, and the concentration is increased. An analysis flow path for guiding the gas molecules to a final separation unit , and a concentrated gas flow connected to the gas molecule introduction unit for introducing the gas molecules to perform a process of separating the gas isotope molecules to be analyzed from the gas molecules Each of the circulation channels, the analysis channel, and the concentrated gas channel can be closed by closing each channel port, so that the sample gas introduced by a set amount can be used. A concentration unit that temporarily stores the gas molecules that are switched and flowed from the channel switching unit according to a difference in holding time in the space of the gas channel, and increases and concentrates the concentration of the gas molecules;
The gas molecule introduction unit that is connected to the concentration unit via the concentrated gas flow path and introduces the gas molecules by a preset amount;
An isotope separation column section that is connected to the gas molecule introduction section and separates the gas isotope molecules from the gas molecules introduced by a set amount by using a difference in retention time required for passage through the isotope separation column;
The isotope separation column unit is installed at the second column outlet of the isotope separation column, and the separated gas isotope molecules are flowed to the isotope flow path, and the isotope separation column unit from the gas molecules An isotope channel switching unit that switches the residual gas from which gas isotope molecules have been separated to a residual gas channel connected to the gas discharge port based on a difference in holding time required to pass through the isotope separation column; ,
An isotope circulation channel connected to the isotope channel switching unit through the isotope channel and leading to the gas molecule introduction unit to pass the gas molecule again through the isotope separation column; and The gas isotope molecules can be switched to the isotope analysis flow path for flowing to the final separation unit , and the flow path ports of the isotope circulation flow path and the isotope analysis flow path are both closed. By this, the gas isotope molecules that are switched and flowed by the difference in retention time from the isotope channel switching unit by the gas molecules introduced by a set amount are temporarily stored in the space of the isotope channel, A gas separating and concentrating apparatus comprising: an isotope concentrating unit that increases and concentrates the concentration of the gas isotope molecule.
前記濃縮部と前記分析流路を介して接続され、前記気体流路の空間で濃度が高められた前記気体分子を成分分離カラムの通過に要する保持時間の違いを利用して分離する分析前気体分離カラム部をさらに具備することを特徴とする請求項1に記載の気体分離濃縮装置。 The final separation part is
A pre-analysis gas that is connected to the concentrating unit via the analysis flow path and separates the gas molecules whose concentration is increased in the space of the gas flow path using the difference in retention time required to pass through the component separation column The gas separation / concentration apparatus according to claim 1, further comprising a separation column unit.
前記同位体濃縮部と前記同位体分析流路を介して接続され、前記同位体流路の空間で濃度が高められた前記気体同位体分子を同位体成分分離カラムの通過に要する保持時間の違いを利用して分離する分析前同位体分離カラム部をさらに具備することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の気体分離濃縮装置。 The final separation part is
The difference in retention time required for the gas isotope molecule connected to the isotope enrichment section through the isotope analysis flow channel and having the concentration increased in the space of the isotope flow channel to pass through the isotope component separation column The gas separation / concentration apparatus according to claim 1 or 2, further comprising a pre-analyte isotope separation column section for separation using a gas.
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