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JP7808301B2 - Oxygen isotope separation method - Google Patents
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JP7808301B2 - Oxygen isotope separation method - Google Patents

Oxygen isotope separation method

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JP7808301B2 JP2022574011A JP2022574011A JP7808301B2 JP 7808301 B2 JP7808301 B2 JP 7808301B2 JP 2022574011 A JP2022574011 A JP 2022574011A JP 2022574011 A JP2022574011 A JP 2022574011A JP 7808301 B2 JP7808301 B2 JP 7808301B2
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Description

本開示は、酸素同位体の分離方法に関する。 The present disclosure relates to a method for separating oxygen isotopes.

酸素の安定同位体として、16O,17O及び18Oが知られている。このうち18Oは、癌治療薬、環境調査等に用いられるほか、放射性標識プローブとして、先端医療画像技術の陽電子放射断層撮影(PET)、脳疾患の研究及び他の有用な臨床放射性医薬品のような同位体分析方法において使用され得る。しかしながら、大気中の18の自然存在比はわずか0.204原子%である。 The stable isotopes of oxygen are known as 16O , 17O , and 18O . Of these, 18O can be used as a radioactively labeled probe in isotope analysis methods such as positron emission tomography (PET), an advanced medical imaging technique, brain disease research, and other useful clinical radiopharmaceuticals , in addition to being used in cancer treatment drugs and environmental surveys. However, the natural abundance of 18O2 in the atmosphere is only 0.204 atomic %.

そこで、酸素同位体を分離する方法が種々検討されている。例えば、特許文献1では、蒸留法を用いて18Oを分離する方法が記載されている。しかしながら、特許文献1に記載の方法は、交換効率が低く、且つ大規模な装置が必要である。一方、特許文献2,3には、吸着剤を用いて特定種の同位体を選択的に吸着する方法が開示されている。 Therefore, various methods for separating oxygen isotopes have been investigated. For example, Patent Document 1 describes a method for separating 18O using a distillation method. However, the method described in Patent Document 1 has low exchange efficiency and requires a large-scale device. On the other hand, Patent Documents 2 and 3 disclose methods for selectively adsorbing specific isotopes using an adsorbent.

特開平7-14819号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 7-14819 特開2006-7004号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-7004 特開2019-42644号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2019-42644

しかしながら、特許文献2,3に記載の手法は、分離係数の点において改善の余地があった。 However, the methods described in Patent Documents 2 and 3 left room for improvement in terms of separation coefficient.

本開示は、上記を鑑みてなされたものであり、より簡単で且つ酸素同位体の分離効率が高められた技術を提供することを目的とする。 This disclosure has been made in consideration of the above and aims to provide a technology that is simpler and has improved efficiency in separating oxygen isotopes.

本開示の一形態に係る酸素同位体の分離方法は、1816とを分離する酸素同位体の分離方法であって、18及び16を含む混合ガスを、-161.2℃以下の吸着剤を通過させることで、前記吸着剤に対して18を吸着させると共に、未吸着のガスを第1のタンクに貯蔵する吸着工程と、前記吸着剤の温度を上昇させることで、前記吸着剤に吸着したガスを脱着し、第2のタンクに貯蔵する脱着工程と、を含み、前記吸着剤は、窒素吸着測定から求められる平均細孔幅が0.35nm~0.7nmのゼオライトである。なお、この平均細孔幅の範囲のゼオライトは、吸着分子(酸素)の衝突直径~衝突直径の倍の大きさの細孔径のゼオライトに相当する。 A method for separating oxygen isotopes according to one embodiment of the present disclosure is a method for separating oxygen isotopes into 18O2 and 16O2 , and includes an adsorption step of passing a mixed gas containing 18O2 and 16O2 through an adsorbent at a temperature of -161.2 ° C or lower to adsorb 18O2 onto the adsorbent and storing unadsorbed gas in a first tank, and a desorption step of increasing the temperature of the adsorbent to desorb the gas adsorbed onto the adsorbent and store it in a second tank, wherein the adsorbent is a zeolite having an average pore width of 0.35 nm to 0.7 nm determined from nitrogen adsorption measurements. Note that zeolites in this average pore width range correspond to zeolites with pore diameters ranging from the collision diameter of the adsorbed molecule (oxygen) to twice the collision diameter.

上記の酸素同位体の分離方法によれば、平均細孔幅が上記の範囲のゼオライトを吸着剤として用い、且つ、上記の低温の条件で18及び16を含む混合ガスを通過させることで、吸着剤に対して18を選択的に吸着させることができる。さらに、吸着剤の温度を上昇させることで、吸着したガスを脱着させて第2のタンクに貯蔵することで、18の濃度が高められたガスを収集することができる。したがって、上記の酸素同位体の分離方法によれば、18を高い分離効率で分離することができる。さらに、上記の酸素同位体の分離方法は、操作も複雑ではなく、従来の手法と比べてより簡単で且つ酸素同位体の分離効率を高めることができる。 According to the above - described oxygen isotope separation method, a zeolite having an average pore width within the above - described range is used as an adsorbent, and a mixed gas containing 18O2 and 16O2 is passed through the adsorbent under the above-described low-temperature conditions, thereby selectively adsorbing 18O2 onto the adsorbent. Furthermore, by increasing the temperature of the adsorbent, the adsorbed gas is desorbed and stored in a second tank, allowing gas with an increased 18O2 concentration to be collected. Therefore, according to the above-described oxygen isotope separation method, 18O2 can be separated with high separation efficiency. Furthermore, the above-described oxygen isotope separation method requires simple operations and is simpler than conventional methods , while achieving higher oxygen isotope separation efficiency.

ここで、前記脱着工程の後に、前記第2のタンクに貯蔵されたガスを前記-161.2℃以下の前記吸着剤を通過させることで、前記吸着剤に対して18を吸着させると共に、未吸着のガスを前記第1のタンクに貯蔵する繰り返し吸着工程と、前記吸着剤の温度を上昇させることで、前記吸着剤に吸着したガスを脱着し、前記第2のタンクに貯蔵する繰り返し脱着工程と、を1回以上行うことをさらに含む態様であってもよい。上記のように、第2のタンクに貯蔵されたガスを再び吸着剤に対して通過させ、同様の操作を繰り返すことで、第2のタンクに貯蔵されたガスの18濃度をさらに高めることができる。 Here, the method may further include, after the desorption step, performing one or more of the following steps: a repeated adsorption step in which the gas stored in the second tank is passed through the adsorbent at a temperature of −161.2°C or lower to adsorb 18O2 onto the adsorbent and the unadsorbed gas is stored in the first tank; and a repeated desorption step in which the temperature of the adsorbent is increased to desorb the gas adsorbed onto the adsorbent and store it in the second tank. As described above, by passing the gas stored in the second tank again through the adsorbent and repeating the same operation, the 18O2 concentration of the gas stored in the second tank can be further increased.

前記繰り返し吸着工程と、前記繰り返し脱着工程と、との繰り返し回数は3回以上である態様であってもよい。この場合、第2のタンクに貯蔵されるガスに含まれる18の濃度を99.8体積%よりも大きくすることができ、より純度の高い18ガスを得ることができる。 The number of times the repeated adsorption step and the repeated desorption step are repeated may be three or more times, in which case the concentration of 18O2 contained in the gas stored in the second tank can be made greater than 99.8% by volume, thereby obtaining 18O2 gas with higher purity.

前記吸着工程における前記吸着剤の温度は、-200℃以上である態様であってもよい。吸着工程における吸着剤の温度を上記の範囲とすることで、冷却に必要なコストを抑制しつつ高い分離効率での酸素同位体の分離を実現することができる。 The temperature of the adsorbent during the adsorption process may be -200°C or higher. By setting the temperature of the adsorbent during the adsorption process within the above range, it is possible to achieve separation of oxygen isotopes with high separation efficiency while suppressing the costs required for cooling.

前記脱着工程における前記吸着剤の温度は、-50℃以上である態様であってもよい。脱着工程における吸着剤の温度を上記の範囲とすることで、吸着剤に吸着された18を適切に脱着させて第2のタンクにおいて回収をすることが可能となる。 In an embodiment, the temperature of the adsorbent in the desorption step may be −50° C. or higher. By setting the temperature of the adsorbent in the desorption step within the above range, the 18O2 adsorbed by the adsorbent can be appropriately desorbed and recovered in the second tank.

前記着工程は、前記吸着剤の温度を200℃以上として、10分以上保持することを含む態様であってもよい。脱着工程において上記の操作を含める構成とすることで、吸着剤に吸着された18をほぼ完全に脱着させることが可能となり、18ガスの回収効率を高めることができる。 The desorption step may include maintaining the temperature of the adsorbent at 200° C. or higher for 10 minutes or longer. By including the above-described operation in the desorption step, it becomes possible to almost completely desorb the 18 O 2 adsorbed by the adsorbent, thereby increasing the recovery efficiency of the 18 O 2 gas.

前記吸着剤はカラムに充填された吸着セルとして構成されている態様であってもよい。上記の構成とすることで、吸着剤に対してガスを確実に接触させることが可能となり、18の吸着を促進することができる。 The adsorbent may be configured as an adsorption cell packed in a column. This configuration allows the gas to be reliably brought into contact with the adsorbent, thereby promoting the adsorption of 18O2 .

本開示によれば、より簡単で且つ酸素同位体の分離効率が高められた技術が提供される。 The present disclosure provides a technology that is simpler and has improved efficiency in separating oxygen isotopes.

図1(a)、図1(b)は、ゼオライトのN吸着等温線を示す図である。1(a) and 1(b) are diagrams showing N2 adsorption isotherms of zeolites. 図2は、低温吸着装置の概略構成について説明する図である。FIG. 2 is a diagram illustrating the schematic configuration of the low-temperature adsorption device. 図3は、吸着分離の結果を説明する図である。FIG. 3 is a diagram illustrating the results of adsorption separation. 図4(a)、図4(b)は、温度による吸着分離性能の違いを説明する図である。4(a) and 4(b) are diagrams illustrating the difference in adsorption and separation performance depending on the temperature. 図5は、吸着セルを複数段階並べた低温吸着装置の例を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing an example of a low-temperature adsorption apparatus in which adsorption cells are arranged in multiple stages. 図6は、ド・ブロイ波長によって記述される酸素同位体の有効サイズ差について説明する図である。FIG. 6 is a diagram illustrating the effective size difference of oxygen isotopes described by the de Broglie wavelength. 図7は、ゼオライトの細孔と同位体の吸着との関係について説明する図である。FIG. 7 is a diagram illustrating the relationship between the pores of zeolite and the adsorption of isotopes.

一実施形態に係る酸素同位体の分離方法は、酸素から同位体ガスである18を吸着剤を用いて分離する方法である。本実施形態で説明する方法は、低温において吸着による分離を行うことによって分離が促進される。さらに、本実施形態で説明する方法は、ナノ細孔を有する吸着剤を用いることにより、ド・ブロイ波長によって記述される有効サイズの小さな18が選択的にナノ細孔に入り込むことによって、分離性能が向上すると考えらえる。 One embodiment of a method for separating oxygen isotopes is a method for separating the isotope gas 18O2 from oxygen using an adsorbent. The method described in this embodiment promotes separation by performing separation by adsorption at low temperatures. Furthermore, the method described in this embodiment uses an adsorbent with nanopores, which is thought to improve separation performance by allowing 18O2 , which has a small effective size described by the de Broglie wavelength, to selectively enter the nanopores.

(吸着剤)
本実施形態で用いられる吸着剤は、ゼオライトであり、特に、LTAゼオライト、MFIゼオライト、BEAゼオライト及びFAUゼオライトが吸着剤として使用される。これらのゼオライトは、チャンネル(管状細孔)の容積が微細であり、後述のように18の吸着性能が高いと推定される。なお、ゼオライトの骨格構造は、国際ゼオライト学会により規定されている。
(Adsorbent)
The adsorbent used in this embodiment is zeolite, and in particular, LTA zeolite, MFI zeolite, BEA zeolite, and FAU zeolite are used as adsorbents. These zeolites have small channel (tubular pore) volumes and are presumed to have high 18O2 adsorption performance, as described below. The zeolite framework structure is defined by the International Zeolite Association.

ゼオライトの細孔形状は、-196.2℃におけるN吸着等温線を用いて決定される。吸着測定の前に、各試料を真空(1mPa)条件下で、200℃にて6時間前処理することにより、吸着ガス及び細孔中の水分を除去した。図1は、ゼオライトのN吸着等温線を示している。なお、図1(a)は、N吸着等温線であり、図1(b)は等温線を片対数目盛で示したものである。 The pore shape of zeolite was determined using the N2 adsorption isotherm at -196.2°C. Prior to the adsorption measurement, each sample was pretreated at 200°C for 6 hours under vacuum (1 mPa) to remove the adsorbed gas and moisture in the pores. Figure 1 shows the N2 adsorption isotherm of zeolite. Figure 1(a) shows the N2 adsorption isotherm, and Figure 1(b) shows the isotherm on a semi-logarithmic scale.

図1では、骨格コードがK-LTA、Na-LTA、Ca-LTA、MFI、BEA、FAUで示されるゼオライトについての吸着等温線を示している。 Figure 1 shows the adsorption isotherms for zeolites with framework codes K-LTA, Na-LTA, Ca-LTA, MFI, BEA, and FAU.

また、図1に示す測定結果から得られる、上記のゼオライトに係る比表面積(SBET)、比表面積(α)、細孔容積、及び平均細孔幅(w)を表1に示す。る比表面積(SBET)は、Brunauer-Emmett-Teller理論(BET)に基づく値であり比表面積(α)は、α-plot分析に基づくものである。さらに、細孔容積及び平均細孔幅(w)についても、α-plot分析に基づいて算出した。 The specific surface area (S BET ), specific surface area (α s ), pore volume, and average pore width (w) of the above zeolite obtained from the measurement results shown in Figure 1 are shown in Table 1. The specific surface area (S BET ) is a value based on the Brunauer-Emmett-Teller theory (BET), and the specific surface area (α s ) is based on α s -plot analysis. Furthermore, the pore volume and average pore width (w) were also calculated based on α s -plot analysis.

図1(a)及び図1(b)に示す結果から、Ca-LTAゼオライト、MFIゼオライト及びBEAゼオライトでは、非常に低い相対圧力(P/P<10-5)で細孔充填が開始することが確認された。この結果から、非常に均一な微細孔中のN分子の微細孔充填が示唆される。 The results shown in Figures 1(a) and 1(b) confirm that pore filling begins at very low relative pressures (P/P 0 <10 -5 ) in Ca-LTA zeolite, MFI zeolite, and BEA zeolite. This result suggests very uniform micropore filling with N 2 molecules.

また、表1に示すように、K-LTAゼオライト、Na-LTAゼオライト、Ca-LTAゼオライト、MFIゼオライト、BEAゼオライト及びFAUゼオライトの平均細孔幅(開口)は、それぞれ0.3nm、0.4nm、0.5nm、0.55nm、0.66nm及び0.74nmであった。K-LTAゼオライト及びNa-LTAゼオライトは、他のゼオライトと比較して非常に小さい吸着量を示し、0.4nm未満の狭い細孔の非接近性が示唆された。 Furthermore, as shown in Table 1, the average pore widths (openings) of K-LTA zeolite, Na-LTA zeolite, Ca-LTA zeolite, MFI zeolite, BEA zeolite, and FAU zeolite were 0.3 nm, 0.4 nm, 0.5 nm, 0.55 nm, 0.66 nm, and 0.74 nm, respectively. K-LTA zeolite and Na-LTA zeolite showed very small adsorption amounts compared to other zeolites, suggesting the inaccessibility of narrow pores less than 0.4 nm.

一方、FAUゼオライトは、細孔容積0.36ml/g-1で最高の比表面積(α)854m-1を示す。さらに、他のゼオライトは、FAUゼオライトと比較してより小さい比表面積を有するが、酸素の動的直径に近い寸法を有する細孔幅を有し、動的拡散障壁を提供している。このことから、より小さい酸素同位体が優先して吸着される可能性が考えられる。 On the other hand, FAU zeolite exhibits the highest specific surface area (α s ) of 854 m 2 g -1 with a pore volume of 0.36 ml/g -1 . Furthermore, the other zeolites have smaller specific surface areas compared to FAU zeolite, but have pore widths close to the kinetic diameter of oxygen, providing a kinetic diffusion barrier. This may lead to preferential adsorption of smaller oxygen isotopes.

(低温吸着装置)
次に、図2を参照しながら、上記の吸着剤を用いて酸素同位体の分離を行う低温吸着装置について説明する。低温吸着装置1は、1618との混合ガスが充填されたタンクT1、Heガスが充填されたタンクT2を有する。タンクT1,T2にはそれぞれマスフローコントローラ(MFC)が取り付けられている。
(Low temperature adsorption device)
Next, a cryogenic adsorption apparatus for separating oxygen isotopes using the above-mentioned adsorbent will be described with reference to Figure 2. The cryogenic adsorption apparatus 1 has a tank T1 filled with a mixed gas of 16O2 and 18O2 , and a tank T2 filled with He gas. A mass flow controller (MFC) is attached to each of the tanks T1 and T2.

リザーバS1(第2のタンク)及びリザーバS2(第1のタンク)は、ガスを貯蔵するタンクである。リザーバS1,S2においてガスを貯蔵しながら、吸着剤への同位体の吸着・脱着工程の繰り返しと、四重極質量分析計(MS)による分析と、が行われる。なお、リザーバS1は、同位体の濃縮ガスを貯留するタンクであり、リザーバS2は、未吸着の混合ガスを貯留するタンクである。 Reservoir S1 (second tank) and reservoir S2 (first tank) are tanks for storing gas. While gas is stored in reservoirs S1 and S2, the process of adsorption and desorption of isotopes onto the adsorbent is repeated, and analysis is performed using a quadrupole mass spectrometer (MS). Reservoir S1 is a tank for storing isotope-enriched gas, and reservoir S2 is a tank for storing unadsorbed mixed gas.

また、混合ガスの流路上には、圧力計G、バルブV1~V11、真空ポンプP1~P3が設けられる。流路は、配管(直径:1/4インチ)によって構成され、配管内をガスが移動する。 In addition, a pressure gauge G, valves V1 to V11, and vacuum pumps P1 to P3 are installed on the mixed gas flow path. The flow path is made up of piping (diameter: 1/4 inch), and the gas moves through the piping.

さらに、内径が1/4インチであって長さ2インチのカラム(スウェージロック(Swagelok)社製:SS-4-WVCR-6-DF,316ステンレス鋼溶接VCRフェースシール継手、多孔質金属ガスケット付き)に対して、50mgのゼオライト試料を充填した吸着セルとした。吸着セル内に充填される吸着剤は、上述のゼオライトの含有率が80%以上とされる。なお、吸着剤には、ゼオライト以外の副成分として、アルミナまたはシリカのような無機バインダが含まれていてもよい。また、吸着セル内でのゼオライトの密度は、例えば、0.15g/mL以上となるように調整される。ゼオライトの密度(充填度)を上記の範囲とすることで、ゼオライトによる酸素同位体の分離性能を所望の条件に保つことができる。 Furthermore, an adsorption cell was prepared by filling 50 mg of zeolite sample into a column (Swagelok: SS-4-WVCR-6-DF, 316 stainless steel welded VCR face seal fitting, with porous metal gasket) with an inner diameter of 1/4 inch and a length of 2 inches. The adsorbent filled in the adsorption cell contains the above-mentioned zeolite at a content of 80% or more. The adsorbent may also contain inorganic binders such as alumina or silica as secondary components in addition to zeolite. The density of the zeolite in the adsorption cell is adjusted to, for example, 0.15 g/mL or more. By keeping the zeolite density (filling degree) within the above range, the oxygen isotope separation performance of the zeolite can be maintained within the desired conditions.

酸素同位体の分離性能をより高くするためには、吸着セルの大きさ(容積)は、0.15mL以上とされる。一方、混合ガスの通過速度等を考慮すると、吸着セルの大きさ(容積)は、10mL以下とされる。To improve the separation performance of oxygen isotopes, the size (volume) of the adsorption cell should be 0.15 mL or more. On the other hand, taking into account the passage speed of the mixed gas, the size (volume) of the adsorption cell should be 10 mL or less.

上記の低温吸着装置1では、タンクT1は、バルブV1,V4を介して吸着セルの上流側(図示左側)と接続される。また、タンクT2は、バルブV3,V4を介して吸着セルの上流側(図示左側)と接続される。吸着セルを通過したガスは、バルブV5,V8を介してリザーバS1へ移動可能とされ、バルブV5,V6を介してリザーバS2へ移動可能とされる。さらに、リザーバS1は、バルブV9,V10,V4を介して、吸着セルの上流側(図示左側)と接続される。流路内のガスの移動は、バルブV2によって接続された真空ポンプP1と、真空ポンプP2によって制御される。さらに、バルブV11,V7の間に四重極質量分析計(MS)が設けられ、これらのバルブと真空ポンプP3とを用いることで、四重極質量分析計(MS)によるガスの分析を行うことができる。In the above-described cryogenic adsorption device 1, tank T1 is connected to the upstream side (left side in the figure) of the adsorption cell via valves V1 and V4. Tank T2 is connected to the upstream side (left side in the figure) of the adsorption cell via valves V3 and V4. Gas passing through the adsorption cell can be transferred to reservoir S1 via valves V5 and V8, and to reservoir S2 via valves V5 and V6. Reservoir S1 is further connected to the upstream side (left side in the figure) of the adsorption cell via valves V9, V10, and V4. Gas movement within the flow path is controlled by vacuum pumps P1 and P2, connected via valve V2. Furthermore, a quadrupole mass spectrometer (MS) is installed between valves V11 and V7. Gas analysis can be performed using these valves and vacuum pump P3.

なお、低温吸着装置1のうち吸着セルは、後述の条件(-196.2℃~-161.2℃)で行われる吸着分離実験の前に、真空下で吸着剤の前処理を可能にするクライオスタットユニットに設置されていてもよい。 In addition, the adsorption cell of the low-temperature adsorption device 1 may be installed in a cryostat unit that enables pretreatment of the adsorbent under vacuum before adsorption separation experiments conducted under the conditions described below (-196.2°C to -161.2°C).

上記の低温吸着装置1を用いて、1618とを分離することができる。以下、手順の一例について説明する。 16 O 2 and 18 O 2 can be separated using the above-described low-temperature adsorption device 1. An example of the procedure will be described below.

まず、組成比が1:1となるように、1618との同位体混合ガスをタンクT1に貯蔵する。このとき、事前にこの混合ガスを用いてMSにおいて分析を行うことで、その結果に基づいてMSを較正することができる。また、吸着セルを通る混合ガス120Pa(1618=1:1)の流量は、約1ml分-1となるように、MFCによって調節する。1618=1:1の酸素混合ガスを等モル供給ガスと呼ぶ。吸着セルの出口での混合ガス流の組成変化をMSで分析することとする。さらに、予備処理として、吸着セルを真空中で200℃で6時間加熱する。この処理は吸着セルの清浄化に相当する。 First, an isotopic mixed gas of 16 O 2 and 18 O 2 is stored in tank T1 so that the composition ratio is 1:1. At this time, this mixed gas is analyzed in advance using an MS, and the MS can be calibrated based on the results. The flow rate of the mixed gas (120 Pa, 16 O 2 + 18 O 2 = 1:1) passing through the adsorption cell is adjusted by an MFC to approximately 1 ml min −1 . The oxygen mixed gas with 16 O 2 + 18 O 2 = 1:1 is called the equimolar feed gas. The composition change of the mixed gas flow at the outlet of the adsorption cell is analyzed by MS. Furthermore, as a preliminary treatment, the adsorption cell is heated in vacuum at 200°C for 6 hours. This treatment corresponds to cleaning the adsorption cell.

1618との混合ガスから18を分離するための具体的な手順は以下のとおりである。
(1)(予備処理)ゼオライト試料(50mg~100mg)を吸着セルに充填した後、真空中、200℃で6時間熱処理することによって吸着した水分等のガスを除去する(上述の処理)。
(2)混合ガスを導入する前に、全てのバルブV1~V11を開き、真空ポンプP1、P2及びP3を動作させて予備排気を行う。全てのバルブは、一旦排気した後に閉じる。
The specific procedure for separating 18 O 2 from a mixed gas of 16 O 2 and 18 O 2 is as follows.
(1) (Preliminary treatment) A zeolite sample (50 mg to 100 mg) is filled into an adsorption cell, and then heat-treated in vacuum at 200° C. for 6 hours to remove adsorbed gases such as moisture (the treatment described above).
(2) Before introducing the mixed gas, all valves V1 to V11 are opened and the vacuum pumps P1, P2, and P3 are operated to perform preliminary evacuation. All valves are closed once evacuation is complete.

(3:吸着工程)-143℃以下の低温に維持された吸着セルに対して、タンクT1からMFCを通して一定量の混合ガスを導入する。このとき、タンクT2のHeをキャリアガスとして作用させる。低温に保たれた吸着剤を混合ガスが通過することで、より小さいサイズの18同位体が微孔性の吸着剤の細孔により多く吸着する。未吸着の混合ガスは、リザーバS2に捕集されるようにバルブの開閉を制御する。なお、混合ガス内の同位体のモル濃度はMSにより吸着-脱着のサイクルごとに監視する。なお、後述の測定データを取得する条件としては、-196.2℃,-173℃,-161.2℃の3条件を設定した。 (3: Adsorption Step) A certain amount of mixed gas is introduced from tank T1 through an MFC into an adsorption cell maintained at a low temperature of -143 ° C or lower. At this time, He from tank T2 acts as a carrier gas. As the mixed gas passes through the adsorbent maintained at a low temperature, the smaller 18O2 isotope is adsorbed in greater amounts into the pores of the microporous adsorbent. The valve is controlled to open and close so that unadsorbed mixed gas is collected in reservoir S2. The molar concentration of the isotope in the mixed gas is monitored by MS for each adsorption-desorption cycle. Three conditions were set for acquiring the measurement data described below: -196.2°C, -173°C, and -161.2°C.

(4:脱着工程)吸着セルに混合ガスを通過させた後、バルブV4、V6、V9を閉じ、バルブV5、V8を開く。吸着セルの温度は、液体Nを除去することによって上昇する。この結果、セル内の吸着剤(ゼオライト)吸着された18が、セルの昇温で脱着される。このとき、吸着セルから脱着されたガス、すなわち18は、リザーバS1に貯蔵される。吸着剤であるゼオライトの温度が上昇するにつれて、徐々にゼオライトから吸着したガスの脱着が進行する。-161.2℃で吸着した酸素分子は-140℃とすることで50%以上が脱離し、-100℃では80%以上の酸素分子が脱離する。さらに、-50℃ではほとんどの酸素分子が脱離する。したがって-50℃以上の温度に上昇させることで、吸着ガスの脱離が十分に進行する。なお、酸素の臨界温度(これより高温では酸素は液化しない温度)である-120℃以上であると、吸着された18を脱着をスムーズに進行させることができる。 (4: Desorption Step) After passing the mixed gas through the adsorption cell, valves V4, V6, and V9 are closed, and valves V5 and V8 are opened. The temperature of the adsorption cell is increased by removing the liquid N2 . As a result, the 18O2 adsorbed on the adsorbent (zeolite) in the cell is desorbed as the cell temperature increases. At this time, the gas desorbed from the adsorption cell, i.e., 18O2 , is stored in reservoir S1. As the temperature of the zeolite adsorbent increases, desorption of the adsorbed gas from the zeolite gradually progresses. More than 50% of the oxygen molecules adsorbed at -161.2°C are desorbed by lowering the temperature to -140°C, and more than 80% are desorbed at -100°C. Furthermore, most of the oxygen molecules are desorbed at -50°C. Therefore, by raising the temperature to -50°C or higher, desorption of the adsorbed gas proceeds sufficiently. In addition, when the temperature is −120° C. or higher, which is the critical temperature of oxygen (the temperature above which oxygen does not liquefy), the adsorbed 18 O 2 can be desorbed smoothly.

(5:脱着工程)吸着セルを200℃で6時間加熱することによって、吸着剤(ゼオライト)に吸着していたガスをすべて脱着させる、吸着剤の状態を元に戻す(清浄化処理)。この間に脱着したガスについてもリザーバS1に貯蔵する。その後、リザーバS1内のガスを再び低温に維持された吸着セルに導入する。この吸着セルへの18の吸着と、昇温による吸着セルから18の脱着とを繰り返すことで、リザーバS1に貯蔵されるガスの同位体濃度を高めることができる。
(6)なお、別のアプローチでは、混合ガスの吸着及び濃縮は、低温に保たれた一連の吸着セルに混合ガスを流すことによっても行うことができる。
(7:繰り返し吸着工程、繰り返し脱着工程)MSによる濃度測定の結果、18の濃度が99.8体積%に達するまで、上記の吸着及び脱着サイクルによる18ガスの濃縮工程を繰り返す。
(5: Desorption step) The adsorption cell is heated at 200°C for 6 hours to desorb all gases adsorbed on the adsorbent (zeolite), returning the adsorbent to its original state (purification process). The gas desorbed during this process is also stored in reservoir S1. The gas in reservoir S1 is then introduced back into the adsorption cell , which is maintained at a low temperature. By repeating the adsorption of 18O2 into the adsorption cell and desorption of 18O2 from the adsorption cell by increasing the temperature, the isotope concentration of the gas stored in reservoir S1 can be increased.
(6) In another approach, adsorption and concentration of the gas mixture can also be achieved by flowing the gas mixture through a series of adsorption cells maintained at low temperatures.
(7: Repeated adsorption step, repeated desorption step) The above-described adsorption and desorption cycles for concentrating 18 O 2 gas are repeated until the concentration of 18 O 2 reaches 99.8% by volume as a result of concentration measurement by MS.

上記の手順によって、リザーバS1内に高濃縮18ガスを収集することができ、これは、オープンバルブOを用いることで、シリンダに充填することもできる。 By the above procedure, highly enriched 18 O 2 gas can be collected in the reservoir S1, which can also be filled into a cylinder by using the open valve O.

18及び16の吸着比は、事前に較正されたMSを用いて観察された質量強度の変化から決定される。16に対する18の吸着選択性または分離係数S(1816)は、下記の数式(1)を用いてそれらの吸着比から決定される。The adsorption ratio of 18O2 and 16O2 is determined from the observed change in mass intensity using a pre-calibrated MS. The adsorption selectivity or separation factor S ( 18O2 / 16O2 ) of 18O2 over 16O2 is determined from their adsorption ratio using the following mathematical formula:

ここで、(1816adsは吸着相における18及び16のモル分率であり、(1816はバルク気相における18及び16のモル分率である。 where ( 18 O 2 / 16 O 2 ) a ds is the mole fraction of 18 O 2 and 16 O 2 in the adsorbed phase, and ( 18 O 2 / 16 O 2 ) g is the mole fraction of 18 O 2 and 16 O 2 in the bulk gas phase.

吸着分離測定は、-161.2°Cの低温環境条件で少数のゼオライトに対して1618の混合ガスでは、18が優先的に吸着することを示した。しかし、時間の増加に伴う1618との吸着量の差はゼオライトの細孔径に大きく依存する。 Adsorption and separation measurements showed that in a mixture of 16 O 2 and 18 O 2 gases, 18 O 2 was preferentially adsorbed onto a few zeolites at a low temperature of −161.2°C. However, the difference in the adsorption amounts of 16 O 2 and 18 O 2 with increasing time was highly dependent on the pore size of the zeolite.

上記の分離の結果を図3に示す。図3では、Na-LTAゼオライト、Ca-LTAゼオライト、MFIゼオライト及びBEAゼオライトのそれぞれについて、-161.2°Cの条件での分離係数S(1816)の60分間の経時変化を示している。なお、K-LTAゼオライトは、窒素吸着測定から求められる平均細孔径が酸素分子の直径(0.35nm)よりも小さくほとんどの酸素分子は細孔に侵入することができず吸着できないため分離選択性を示さない。また、窒素吸着測定から求められる平均細孔径が酸素分子の直径の1.5倍を超えると吸着性能や選択性が低下し、酸素分子の直径の2倍を超えると分離選択性をほとんど示さない。したがって、平均細孔径が0.74nmであるFAUは、酸素同位体の分離性を示さない。 The results of the above separation are shown in Figure 3. Figure 3 shows the change in separation factor S( 18 O 2 / 16 O 2 ) over 60 minutes at -161.2°C for each of Na-LTA zeolite, Ca-LTA zeolite, MFI zeolite, and BEA zeolite. Note that K-LTA zeolite exhibits no separation selectivity because its average pore diameter, determined from nitrogen adsorption measurements, is smaller than the diameter of an oxygen molecule (0.35 nm), meaning that most oxygen molecules cannot penetrate the pores and are not adsorbed. Furthermore, adsorption performance and selectivity decrease when the average pore diameter, determined from nitrogen adsorption measurements, exceeds 1.5 times the diameter of an oxygen molecule, and almost no separation selectivity is observed when the average pore diameter exceeds twice the diameter of an oxygen molecule. Therefore, FAU, with an average pore diameter of 0.74 nm, does not exhibit oxygen isotope separation.

また、表2では、-161.2°Cの条件での初期の分離係数と、5分後及び10分後の分離係数を示している。 Table 2 also shows the initial separation factor at -161.2°C and the separation factor after 5 and 10 minutes.

図3及び表2によれば、最初の10分間と、10分以降とでは、16に対する18の選択性に大きな差があることが観察できる。Ca-LTAゼオライトの分離係数S(1816)は初期段階で37±5.6であり、5分後にS(1816)=2.3±0.2であり、10分後に1.5±0.1を維持した。 From Figure 3 and Table 2, it can be observed that there is a large difference in the selectivity of 18 O 2 over 16 O 2 between the first 10 minutes and those after 10 minutes. The separation factor S( 18 O 2 / 16 O 2 ) of Ca-LTA zeolite was 37±5.6 at the initial stage, S( 18 O 2 / 16 O 2 )=2.3±0.2 after 5 minutes, and maintained at 1.5±0.1 after 10 minutes.

一方、MFIゼオライトは初期段階で高い分離係数S(1816)=38±3.4を示し、5分後も分離係数S(1816)=1.8±0.2を維持した。他のゼオライトはわずかに劣った選択性を示した。 On the other hand , the MFI zeolite showed a high separation factor S( 18O2 / 16O2 ) = 38 ± 3.4 at the initial stage and maintained a separation factor S( 18O2 / 16O2 ) = 1.8 ± 0.2 after 5 min. The other zeolites showed slightly inferior selectivity.

一方、細孔幅0.3nmのK-LTAゼオライト及び細孔幅0.74nmのFAUゼオライトは、上記と同様の実験条件下では酸素同位体を選択的に吸着することができなかった。ただし、FAUゼオライトでは-183℃以下の条件では選択性を有することが確認された。なお、メタンの沸点である-161.2℃は、液化天然ガス産業の低温エネルギーを利用して容易に達成できるため、酸素同位体の分離に使用するエネルギーを節約することが可能となる。 On the other hand, K-LTA zeolite with a pore width of 0.3 nm and FAU zeolite with a pore width of 0.74 nm were unable to selectively adsorb oxygen isotopes under the same experimental conditions as above. However, FAU zeolite was confirmed to be selective at temperatures below -183°C. Furthermore, the boiling point of methane, -161.2°C, can be easily achieved using low-temperature energy from the liquefied natural gas industry, making it possible to save energy used in separating oxygen isotopes.

次に温度依存性の選択性について説明する。図4(a)及び図4(b)は、Ca-LTAゼオライトに対する温度依存性選択性を評価した結果を示している。図4(a)は、60分間のCa-LTAゼオライトに対するS(1816)の温度依存性の経時変化を示す図であり、図4(b)はそのうちの初期段階を抜粋したものである。図4に示すように、Ca-LTAゼオライトは、-161.2℃よりも低温の2つの条件、すなわち、-196.2℃及び-173℃でも初期において優れた18の分離性能を示す。 Next, temperature-dependent selectivity will be explained. Figures 4(a) and 4(b) show the results of evaluating the temperature-dependent selectivity for Ca-LTA zeolite. Figure 4(a) shows the time-dependent change in the temperature dependence of S( 18 O 2 / 16 O 2 ) for Ca-LTA zeolite over 60 minutes, and Figure 4(b) shows an excerpt from the initial stage. As shown in Figure 4, Ca-LTA zeolite exhibits excellent 18 O 2 separation performance even at two temperatures lower than -161.2°C, namely, -196.2°C and -173°C.

なお、上記で説明したように、低温吸着分離の手法は高い選択性能を有する手法である。また、図5に示すように、ゼオライトを吸着剤とした吸着セルに対して混合ガスを通過させると吸着剤によって決まる選択比したがって、18を優先的に吸着する。その後、吸着されたガスを回収すると、18の濃度が高められたガスが得られる。さらに、この18の濃度が高められたガスを再び吸着セルに対して通過させると、セルに吸着する18の割合が高くなる。この処理を繰り返すことで、図5に示すように、99.8体積%以上の濃度の18ガスを得ることができる。吸着剤として用いられ得るゼオライトはいずれも高い分離係数を持っているため、99.8体積%より高い濃度の18を得るための吸着-脱着の工程の回数は4回であると推定される。 As explained above, the cryogenic adsorption separation technique has high selectivity. Furthermore, as shown in Figure 5, when a mixed gas is passed through an adsorption cell using zeolite as an adsorbent, 18 O 2 is preferentially adsorbed according to the selectivity determined by the adsorbent. The adsorbed gas is then recovered, yielding a gas with an increased 18 O 2 concentration. Furthermore, when this gas with an increased 18 O 2 concentration is passed through the adsorption cell again, the proportion of 18 O 2 adsorbed by the cell increases. By repeating this process, as shown in Figure 5, 18 O 2 gas with a concentration of 99.8% or more by volume can be obtained. Because all zeolites that can be used as adsorbents have high separation factors, it is estimated that the number of adsorption-desorption steps required to obtain 18 O 2 with a concentration of greater than 99.8% by volume is four.

上記の結果をふまえると、-161.2℃から-196.2℃の範囲の温度に維持された、一連の、すなわち複数のゼオライト充填吸着セルが連結された分離装置を設計することができる。また、この装置において、吸着-脱着による濃縮工程を4サイクル繰り返すことによって、18の濃度を2000ppmから99.8体積%超まで高めることができる。この手法は、工業的用途を確認している他の活性炭を用いた18の吸着分離手法と比べて、はるかに単純、迅速、エネルギー効率が高く、コンパクトな装置として実現することができる。 Based on these results, we can design a separation device consisting of a series of connected zeolite-filled adsorption cells maintained at temperatures ranging from -161.2°C to -196.2°C. Furthermore, by repeating four cycles of adsorption-desorption concentration in this device, the 18O2 concentration can be increased from 2000 ppm to over 99.8% by volume. This method is much simpler, faster, more energy-efficient, and more compact than other 18O2 adsorptive separation methods using activated carbon that have been confirmed for industrial use.

なお、本実施形態で説明した手法は、迅低温吸着法のための高効率吸着剤を提供し、速な吸着-脱着プロセスによってより短時間に18を濃縮することが可能である。また、本実施形態における分離方法が得られる理由として、全く新しい原理を適用しなければならない。 The method described in this embodiment provides a highly efficient adsorbent for rapid low -temperature adsorption, enabling the rapid adsorption-desorption process to concentrate 18O2 in a shorter time. Furthermore, a completely new principle must be applied to achieve the separation method in this embodiment.

近年、ド・ブロイ(de Broglie)波長(λ=(h/2πmkT)1/2)によって記述される有効サイズ差に基づく不確実性が、低温で顕著な量子分子ふるい効果(QMS)によりナノ細孔内に生成し、水素,ヘリウムなどの軽い同位体ガスの迅速な分離をもたらしている。図6は、低温で酸素同位体の分子サイズを変化させる量子ゆらぎを示す分子を模式的に示している。ただし、以下の表3に示すように、温度が-196.2℃から-161.2℃に上昇すると、ド・ブロイ波長からの18及び16のサイズ差は、0.002nmから0.0017nmに変化する。 Recently, it has been shown that the uncertainty due to the effective size difference described by the de Broglie wavelength (λ T = (h 2 /2πmkT) 1/2 ) is generated in nanopores due to the quantum molecular sieving effect (QMS), which is pronounced at low temperatures, resulting in the rapid separation of light gas isotopes such as hydrogen and helium. Figure 6 shows a schematic diagram of a molecule exhibiting quantum fluctuations that change the molecular size of oxygen isotopes at low temperatures. However, as shown in Table 3 below, the size difference between 18 O 2 and 16 O 2 from the de Broglie wavelength changes from 0.002 nm to 0.0017 nm as the temperature increases from -196.2 °C to -161.2 °C.

上記のわずかな差は、2種類の同位体の間のQMSの違いを目立たなくする。その結果、現在の並進運動に基づくQMSのメカニズムだけでは、18及び16のような大きな同位体ガス分子を、ナノ多孔質材料で効率的に分離することは期待できない。 These subtle differences mask the difference in QMS between the two isotopes, and as a result, the current translational QMS mechanism alone cannot be expected to efficiently separate large isotopic gas molecules such as 18O2 and 16O2 in nanoporous materials.

分子は、並進運動以外にも、他の振動自由度及び回転自由度を有し、その大きさは分子量に依存し得る。しかし、吸着されたO分子が相互に孤立している場合、振動状態は本質的には気体及び吸着相で無傷のままである。ただし、これとは対照的に、ナノ細孔に閉じ込められた回転自由度は、-143℃以下では非常に制限される。 In addition to translational motion, O2 molecules possess other vibrational and rotational degrees of freedom, the magnitude of which may depend on molecular weight. However, when adsorbed O2 molecules are isolated from one another, the vibrational states remain essentially intact in the gas and adsorbed phases. In contrast, however, the rotational degrees of freedom confined to nanopores are severely restricted below −143 °C.

その結果、18及び16の回転エネルギーの差と並進運動とがかさなりあって、ゼオライトのナノ細孔における18の選択的吸着を引き起こす可能性がある。O分子が低温でナノ細孔内に部分的な秩序構造を形成している場合、振動モードと回転モードに関連した集団的な量子運動は、18及び16の間に明示的なエネルギー差を生じさせる可能性がある。したがって、分子量に依存する吸着した酸素の集合体のこのような集団的核量子効果(NQE)により、ナノ多孔質材料上で16から18を選択的に吸着させることができる。 As a result, the rotational energy difference between 18O2 and 16O2 , combined with translational motion, may lead to the selective adsorption of 18O2 in zeolite nanopores. When O2 molecules form a partially ordered structure in nanopores at low temperatures, the collective quantum motions associated with vibrational and rotational modes may result in an explicit energy difference between 18O2 and 16O2 . Therefore, this collective nuclear quantum effect (NQE) of the molecular weight - dependent adsorbed oxygen ensemble can enable the selective adsorption of 18O2 from 16O2 on nanoporous materials.

細孔幅が同位体ガスの分子径の2倍(2×σ(O))であるナノ細孔を有するゼオライトでは、相互に連結した円筒形の細孔は、BEAゼオライトまたはFAUゼオライトにおける大きなナノ細孔よりも高い閉じ込め性能を持つと推定される。そのため、これらのゼオライトでは秩序立ったO吸着相が形成される可能性が高いため、高い選択性をもたらし、18の高選択的吸着を実現すると推定される。図7は、チャンネル(管状細孔)とケージを持つゼオライトを吸着剤とした場合に酸素同位体である1816とがどのように選択して吸着されるかを模式的に示したものである。図7に示すように、ゼオライトの小さな細孔は、より小さな18分子のみを優先的に細孔に進入させ、より大きな16を拒絶するため、結果的に18が優先的に吸着した状態が実現されると推測される。 In zeolites with nanopores whose pore width is twice the molecular diameter of the isotope gas (2 × σ(O 2 )), the interconnected cylindrical pores are presumed to have higher confinement capacity than the large nanopores in BEA or FAU zeolites. Therefore, these zeolites are likely to form an ordered O 2 adsorption phase, resulting in high selectivity and achieving highly selective adsorption of 18 O 2. Figure 7 shows a schematic diagram of how the oxygen isotopes 18 O 2 and 16 O 2 are selectively adsorbed when a zeolite with channels (tubular pores) and cages is used as an adsorbent. As shown in Figure 7, the small pores of zeolites presumably allow only the smaller 18 O 2 molecules to enter the pores and reject the larger 16 O 2 , resulting in the preferential adsorption of 18 O 2 .

(実施形態の作用効果)
上記実施形態で説明した酸素同位体の分離方法は、1816とを分離する酸素同位体の分離方法であって、吸着工程と脱着工程とを含む。吸着工程では18及び16を含む混合ガスを、-143℃以下の吸着剤を通過させることで、吸着剤に対して18を吸着させると共に、未吸着のガスを第1のタンク(リザーバS2)に貯蔵する。また、脱着工程では、吸着剤の温度を上昇させることで、吸着剤に吸着したガスを脱着し、第2のタンク(リザーバS1)に貯蔵する。また、吸着剤は、窒素吸着測定による平均細孔幅が0.35nm~0.7nmのゼオライトとされている。
(Effects of the embodiment)
The oxygen isotope separation method described in the above embodiment is a method for separating oxygen isotopes into 18O2 and 16O2 , and includes an adsorption process and a desorption process. In the adsorption process , a mixed gas containing 18O2 and 16O2 is passed through an adsorbent at -143° C or lower, thereby adsorbing 18O2 to the adsorbent, and the unadsorbed gas is stored in a first tank (reservoir S2). In the desorption process, the temperature of the adsorbent is increased, thereby desorbing the gas adsorbed by the adsorbent and storing it in a second tank (reservoir S1). In addition, the adsorbent is a zeolite with an average pore width of 0.35 nm to 0.7 nm as measured by nitrogen adsorption.

上記の方法によれば、平均細孔幅が上記の範囲のゼオライトを吸着剤として用い、且つ、上記の低温の条件で18及び16を含む混合ガスを通過させることで、吸着剤に対して18を選択的に吸着させることができる。さらに、吸着剤の温度を上昇させることで、吸着したガスを脱着させて第2のタンクに貯蔵することで、18の濃度が高められたガスを収集することができる。したがって、上記の酸素同位体の分離方法によれば、18を高い分離効率で分離することができる。さらに、上記の酸素同位体の分離方法は、操作も複雑ではなく、従来の手法と比べてより簡単で且つ酸素同位体の分離効率を高めることができる。 According to the above method, zeolite having an average pore width within the above range is used as an adsorbent, and a mixed gas containing 18O2 and 16O2 is passed through the adsorbent under the above low-temperature conditions, thereby selectively adsorbing 18O2 onto the adsorbent. Furthermore, by increasing the temperature of the adsorbent, the adsorbed gas is desorbed and stored in a second tank, and gas with an increased 18O2 concentration can be collected. Therefore, according to the above oxygen isotope separation method, 18O2 can be separated with high separation efficiency. Furthermore, the above oxygen isotope separation method does not require complicated operations, is simpler than conventional methods , and can increase the separation efficiency of oxygen isotopes.

脱着工程の後に、第2のタンク(リザーバS1)に貯蔵されたガスを-161.2℃以下の前記吸着剤を通過させることで、前記吸着剤に対して18を吸着させると共に、未吸着のガスを第1のタンク(リザーバS2)に貯蔵する繰り返し吸着工程と、吸着剤の温度を上昇させることで、吸着剤に吸着したガスを脱着し、第2のタンク(リザーバS1)に貯蔵する繰り返し脱着工程と、を1回以上行うことをさらに含む態様であってもよい。上記のように、第2のタンクに貯蔵されたガスを再び吸着剤に対して通過させる操作を繰り返すことで、第2のタンクに貯蔵されたガスの18濃度をさらに高めることができる。 The method may further include performing one or more of the following steps after the desorption step: a repeated adsorption step in which the gas stored in the second tank (reservoir S1) is passed through the adsorbent at a temperature of -161.2°C or lower to adsorb 18O2 onto the adsorbent, and the unadsorbed gas is stored in the first tank (reservoir S2); and a repeated desorption step in which the temperature of the adsorbent is increased to desorb the gas adsorbed on the adsorbent and store it in the second tank (reservoir S1). As described above, by repeating the process of passing the gas stored in the second tank through the adsorbent again, the 18O2 concentration of the gas stored in the second tank can be further increased.

繰り返し吸着工程と、繰り返し脱着工程と、との繰り返し回数は3回以上である態様であってもよい。この場合、吸着-脱着のプロセスを4回以上実施すrことになる。したがって、第2のタンクに貯蔵されるガスに含まれる18の濃度を99.8体積%よりも大きくすることができ、より純度の高い18ガスを得ることができる。 The number of times the repeated adsorption step and the repeated desorption step may be three or more. In this case, the adsorption-desorption process is performed four or more times. Therefore, the concentration of 18O2 contained in the gas stored in the second tank can be made greater than 99.8% by volume, and 18O2 gas with higher purity can be obtained.

吸着工程における吸着剤の温度は、-200℃以上である態様であってもよい。吸着工程における吸着剤の温度を上記の範囲とすることで、冷却に必要なコストを抑制しつつ高い分離効率での酸素同位体の分離を実現することができる。なお、繰り返し吸着工程においても、同様の温度が設定され得る。特に、吸着剤の温度の一例としては、-196.15℃~-161.15℃(77K~112K)が想定され、この場合同位体の分離性能が向上し得る。 The temperature of the adsorbent during the adsorption process may be -200°C or higher. By setting the adsorbent temperature during the adsorption process within this range, it is possible to achieve high separation efficiency of oxygen isotopes while suppressing the cost required for cooling. A similar temperature may also be set during repeated adsorption processes. In particular, an example of the adsorbent temperature is -196.15°C to -161.15°C (77K to 112K), which may improve isotope separation performance.

脱着工程における前記吸着剤の温度は、-50℃以上である態様であってもよい。脱着工程における吸着剤の温度を上記の範囲とすることで、吸着剤に吸着された18を適切に脱着させて第2のタンクにおいて回収をすることが可能となる。 In an embodiment, the temperature of the adsorbent in the desorption step may be −50° C. or higher. By setting the temperature of the adsorbent in the desorption step within the above range, the 18O2 adsorbed by the adsorbent can be appropriately desorbed and recovered in the second tank.

着工程は、吸着剤の温度を200℃以上として、10分以上保持することを含む態様であってもよい。脱着工程において上記の操作を含める構成とすることで、吸着剤に吸着された18をほぼ完全に脱着させることが可能となり、18ガスの回収効率を高めることができる。なお、プロセスの最初の脱着工程ではゼオライトに吸着している水分などを取り除くため、脱着工程としてある程度長時間(例えば、6時間)確保することが求められる場合がある。ただし、プロセスを繰り返す間、吸着剤が大気解放されることはないため、18の脱着はごく短時間で終了することになり、上記のように10分以上の設定としても18の脱着を適切に行うことができる。
The desorption step may include maintaining the temperature of the adsorbent at 200°C or higher for 10 minutes or longer. By including the above-described operation in the desorption step, it is possible to almost completely desorb the 18O2 adsorbed on the adsorbent, thereby improving the recovery efficiency of 18O2 gas . In the initial desorption step of the process, a relatively long desorption time (e.g., 6 hours) may be required to remove moisture and other substances adsorbed on the zeolite. However, since the adsorbent is not exposed to the atmosphere during repetition of the process, desorption of 18O2 is completed in a very short time, and even if the time is set to 10 minutes or longer as described above, 18O2 can be appropriately desorbed.

吸着剤はカラムに充填された吸着セルとして構成されている態様であってもよい。上記の構成とすることで、吸着剤に対してガスを確実に接触させることが可能となり、18の吸着を促進することができる。 The adsorbent may be configured as an adsorption cell packed in a column. This configuration allows the gas to be reliably brought into contact with the adsorbent, thereby promoting the adsorption of 18O2 .

以上、幾つかの実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に何ら限定されるものではない。また、上述した実施形態についての説明内容は、互いに適用することができる。 Although several embodiments have been described above, the present disclosure is in no way limited to the above-described embodiments. Furthermore, the descriptions of the above-described embodiments can be applied to each other.

1…低温吸着装置、S1,S2…リザーバ、T1,T2…タンク、V1~V11…バルブ。 1...low-temperature adsorption device, S1, S2...reservoirs, T1, T2...tanks, V1 to V11...valves.

Claims (7)

1816とを分離する酸素同位体の分離方法であって、
18及び16を含む混合ガスを、-143℃以下の吸着剤を通過させることで、前記吸着剤に対して18を吸着させると共に、未吸着のガスを第1のタンクに貯蔵する吸着工程と、
前記吸着剤の温度を上昇させることで、前記吸着剤に吸着したガスを脱着し、第2のタンクに貯蔵する脱着工程と、を含み、
前記吸着剤は、窒素吸着測定から求められる平均細孔幅が0.35nm~0.7nmのゼオライトである、酸素同位体の分離方法。
A method for separating oxygen isotopes, which separates 18O2 and 16O2 , comprising:
an adsorption step of passing a mixed gas containing 18 O 2 and 16 O 2 through an adsorbent at a temperature of −143° C. or lower to adsorb 18 O 2 onto the adsorbent, and storing unadsorbed gas in a first tank;
a desorption step of increasing the temperature of the adsorbent to desorb the gas adsorbed by the adsorbent and storing the gas in a second tank;
The method for separating oxygen isotopes, wherein the adsorbent is a zeolite having an average pore width of 0.35 nm to 0.7 nm as determined by nitrogen adsorption measurement.
前記脱着工程の後に、
前記第2のタンクに貯蔵されたガスを前記-143℃以下の前記吸着剤を通過させることで、前記吸着剤に対して18を吸着させると共に、未吸着のガスを前記第1のタンクに貯蔵する繰り返し吸着工程と、前記吸着剤の温度を上昇させることで、前記吸着剤に吸着したガスを脱着し、前記第2のタンクに貯蔵する繰り返し脱着工程と、を1回以上行うことをさらに含む、請求項1記載の酸素同位体の分離方法。
After the desorption step,
2. The oxygen isotope separation method according to claim 1, further comprising : a repeated adsorption step of passing the gas stored in the second tank through the adsorbent at −143° C. or lower to adsorb 18O2 onto the adsorbent and storing unadsorbed gas in the first tank; and a repeated desorption step of increasing the temperature of the adsorbent to desorb the gas adsorbed by the adsorbent and store it in the second tank, one or more times.
前記繰り返し吸着工程と、前記繰り返し脱着工程と、との繰り返し回数は3回以上である、請求項2に記載の酸素同位体の分離方法。 The oxygen isotope separation method described in claim 2, wherein the repeated adsorption process and the repeated desorption process are repeated three or more times. 前記吸着工程における前記吸着剤の温度は、-200℃以上である、請求項1~3のいずれか一項に記載の酸素同位体の分離方法。 The oxygen isotope separation method according to any one of claims 1 to 3, wherein the temperature of the adsorbent during the adsorption step is -200°C or higher. 前記脱着工程における前記吸着剤の温度は、-50℃以上である、請求項1~4のいずれか一項に記載の酸素同位体の分離方法。 The oxygen isotope separation method according to any one of claims 1 to 4, wherein the temperature of the adsorbent during the desorption step is -50°C or higher. 前記着工程は、前記吸着剤の温度を200℃以上として、10分以上保持することを含む、請求項1~4のいずれか一項に記載の酸素同位体の分離方法。 5. The method for separating oxygen isotopes according to claim 1 , wherein the desorption step comprises maintaining the temperature of the adsorbent at 200° C. or higher for 10 minutes or longer. 前記吸着剤はカラムに充填された吸着セルとして構成されている、請求項1~6のいずれか一項に記載の酸素同位体の分離方法。 The oxygen isotope separation method described in any one of claims 1 to 6, wherein the adsorbent is configured as an adsorption cell packed in a column.
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