專利名稱：：氧同位素的濃縮方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及氧同位素的濃縮方法。具體地說，涉及對利用通過激光進(jìn)行的臭氧光解反應(yīng)的激光同位素分離和蒸餾分離進(jìn)行組合，從而有效地將豐度比非常小的氧穩(wěn)定同位素"o濃縮成高濃度的方法以及同時將170和180濃縮成高濃度的方法。本申請基于2005年8月17日在日本申請的日本特愿2005-236499號主張優(yōu)先權(quán)，在此援用其內(nèi)容。
背景技術(shù)：
：氧穩(wěn)定同位素160、170和180中，由于只有170具有核自旋，因此使用170標(biāo)記的化合物用于通過核磁共振進(jìn)行的結(jié)構(gòu)分析等研究中，并在化學(xué)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中用作示蹤劑。此外，作為用于腫瘤等的檢查中使用的正電子斷層造影診斷(PET)的診斷用藥，DG(用正電子釋放核素的氟18放射性同位素標(biāo)記氟脫氧葡萄糖而得到的PET用造影劑)的原料，期待在醫(yī)療領(lǐng)域中的利用。即，170和180為產(chǎn)業(yè)上有用的同位素，但是，由于天然的豐度比非常小，使用它時需要從含有氧原子的化合物中濃縮170和/或180。已知的現(xiàn)有170的濃縮方法，例如有如下方法。即，已知有將水作為原料，通過對其進(jìn)行蒸餾將"0濃縮至25atom。/0，進(jìn)一步地，通過熱擴(kuò)散濃縮至90atom。/。的方法(參照非專利文獻(xiàn)1);將一氧化氮(NO)作為原料，通過對其進(jìn)行蒸餾濃縮170，進(jìn)一步地，通過熱擴(kuò)散濃縮成高濃度(例如40atom。/。)的方法(非專利文獻(xiàn)4);將氧作為原料，通過對其進(jìn)行蒸餾將170濃縮至10atom。/。的方法(參照專利文獻(xiàn)1);通過對曱醛照射Ne離子激光使其預(yù)離解并進(jìn)行濃縮的方法(參照非專利文獻(xiàn)2、專利文獻(xiàn)5和專利文獻(xiàn)6);對臭氧照射可見光和紫外光的方法(參照非專利文獻(xiàn)3);以及使用半導(dǎo)體激光器，對含有特定170的臭氧進(jìn)行光解，在氧中濃縮170的方法(參照專利文獻(xiàn)2、3和4)等。專利文獻(xiàn)1:國際公開WO00/27509號7>報專利文獻(xiàn)2:日本特開2004-261776號公才艮專利文獻(xiàn)3:日本特開2005-040668號公才艮專利文獻(xiàn)4:國際公開WO2004/078325號公報專利文獻(xiàn)5:美國專利第4029559號說明書專利文獻(xiàn)6:美國專利第4029558號說明書非專利文獻(xiàn)1:I.Dostrovsky;"Theproductionofstableisotopesofoxygen"AnalyticalChemistrySymposiumSeriespp693-702(1982)非專利文獻(xiàn)2:JackMarling:"isotopeseparationofoxygen-17，oxygen畫18，carbon-13anddeuteriumbyionlaserinducedformaldehydephotopredissociation，，,TheJournalofChemicalPhysics,vol.66，no.9，p.4200-4225(1977)非專利文獻(xiàn)3:J.WenandMarkH.Thiemens:"Experimentalandtheoreticalstudyofisotopeeffectsonozonedecomposition",J.GeophysicalResearch,vol.96，no.D6,p.10911-10921(1991)非專利文獻(xiàn)4:Mclnteer，B.B.;Potter,RobertM.:"Nitricoxiddistillationplantforisotopeseparation",Ind.Eng.Chem.，ProcessDesignDevelop.,4(1)，pp35-42(1965)但是，非專利文獻(xiàn)1記載的方法中，若考慮收率則存在所得到的17o實(shí)用上的上限為數(shù)atom。/。程度的問題，非專利文獻(xiàn)4記載的方法中，通過該濃縮方法濃縮的170作為H20或02在市場上銷售，但是存在其濃縮量不充分的問題。此外，非專利文獻(xiàn)2、專利文獻(xiàn)5和專利文獻(xiàn)6中記載的方法也存在濃縮率不充分、還未確立工業(yè)規(guī)模下進(jìn)行的技術(shù)的問題。進(jìn)一步地，非專利文獻(xiàn)3記載的方法中，可以在剩余的臭氧中濃縮170和180，確認(rèn)臭氧分解的同位素效應(yīng)，但并不是可以利用于同位素分離程度的濃縮率。此外，也未確立工業(yè)規(guī)模下進(jìn)行的技術(shù)。另一方面，專利文獻(xiàn)2、3和4中記載的方法為有望在工業(yè)上實(shí)現(xiàn)的方法，但是由于每個臭氧同位素分子的激光吸收波長范圍存在相互重疊的部分，特別是在含有170的臭氧分子的豐度比小的時候，即使想通過激光選擇性地僅離解含有170的臭氧分子，也會同時離解1603等豐度比更大的同位素分子。因此，存在難于有效地得到高濃度170的問題。以下，從與本發(fā)明的關(guān)聯(lián)角度對專利文獻(xiàn)1記載的方法進(jìn)行詳細(xì)說明。含有160、170和180的同位素分子其蒸氣壓(沸點(diǎn))都非常接近，含有170的同位素分子是含有160的同位素分子和含有l(wèi)sO的同位素分子的中間成分(蒸氣壓或沸點(diǎn)在160和180之間)，"0的天然豐度比約為370atomppm,小于180的2000atomppm。因此，如專利文獻(xiàn)1所公開的通過蒸餾進(jìn)行的170的濃縮方法中，存在難于有效地得到高濃度(例如5atom。/。以上)的170的問題。對此，通過下述例子進(jìn)行具體的說明。圖22為用于對含有氧原子的化合物(例如H20、NO、02等)進(jìn)行蒸餾，提高170或180同位素濃度的蒸餾塔1的概略圖。實(shí)際上，多數(shù)情況下由于要求的蒸餾塔的高度(理論塔板數(shù))非常高，因此實(shí)際的裝置通常使用多個蒸餾塔串聯(lián)而成的蒸餾塔，進(jìn)行一系列的蒸餾操作，但是在此進(jìn)行簡略化，用一個蒸餾塔表示。從塔頂附近的中間部向蒸餾塔1中供給氧的同位素豐度比為如表1所示的天然豐度比的原料F(例如，H20、NO、02等)，從^荅底部收集濃縮了170或180的產(chǎn)品Pl。此外，也存在與產(chǎn)品P1—起，與原料F的供給位置相比塔底側(cè)的塔中間部收集濃縮了170或lsO的其它產(chǎn)品P2的情況。與原料F相比減少了170或180的廢氣W從塔頂部排出。[表l]<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>在該蒸餾塔1的塔底部濃縮17o、在塔底收集產(chǎn)品Pl時，蒸餾塔內(nèi)的同位素濃度分布大致如圖23所示。圖23的縱軸表示各氧同位素的濃度(atom%)，橫軸表示蒸餾塔的高度，這在以后的圖中也一樣。產(chǎn)品Pl的170的濃縮度雖然根據(jù)蒸餾塔的高度(理論塔板數(shù))不同，但是通常為0.2~5atom。/。的范圍。圖23的例子中，產(chǎn)品P1的170濃縮度約為latom%。另一方面，為了得到高濃縮度(例如5atom。/。以上)的170,需要更高(理論塔板數(shù)多)的蒸餾塔。此時，如圖24所示，由于比170沸點(diǎn)高的成分180在塔底部濃縮成高濃度，塔底部的170濃縮度降低，170的濃度形成在塔的中間部具有極大值的分布。即，可以將蒸餾塔l內(nèi)部分為從原料F供給位置到170濃縮物P2收集位置為止的170濃縮度增大的區(qū)間A，以及從170濃縮物P2收集位置到180濃縮物Pl收集位置為止的180濃縮度增大的區(qū)間B，為了使170濃縮物P2收集位置的170濃縮度更大(例如5atom。/o以上)，必須盡量增大區(qū)間A和區(qū)間B的高度，而這種濃縮方法在工業(yè)上不能實(shí)現(xiàn)。進(jìn)一步地，蒸餾工藝在其原理上裝置內(nèi)需要大量的液體塔藏量，所以存在為了將天然豐度比至多為370ppm程度的170濃縮成高濃度(例如5atom%以上)，裝置的起動時間需要數(shù)年以上長時間的問題。根據(jù)上述理由，可以說僅通過蒸餾將170濃縮成高濃度(例如8atom0/。以上)在工業(yè)上難于實(shí)現(xiàn)。
發(fā)明內(nèi)容因此，本發(fā)明的目的在于提供一種"O濃縮方法，可以在工業(yè)規(guī)模下有效且高濃度濃縮豐度比非常小的氧穩(wěn)定同位素17o。此外，提供將"o濃縮成高濃度的同時也可以濃縮180的方法。為了解決上述問題，本發(fā)明的第一方面為一種氧同位素的濃縮方法，包括濃縮氧同位素的氧的蒸餾工序和對臭氧進(jìn)行光解而濃縮氧同位素170的工序。本發(fā)明的氧同位素的濃縮方法中，優(yōu)選包括進(jìn)行同位素轉(zhuǎn)換(isotopescrambling)的工序。此外，本發(fā)明的氧同位素的濃縮方法中，優(yōu)選包括對臭氧進(jìn)行光解而減少氧同位素180的工序。此外，本發(fā)明的氧同位素的濃縮方法中，優(yōu)選對濃縮氧同位素的氧的蒸餾工序、對臭氧進(jìn)行光解而濃縮氧同位素170的工序、對臭氧進(jìn)行光解而減少氧同位素180的工序以及進(jìn)行同位素轉(zhuǎn)換的工序中的至少一種工序進(jìn)行兩次以上。此外，本發(fā)明的氧同位素的濃縮方法中，可以在進(jìn)行減少氧同位素180的工序后進(jìn)行濃縮氧同位素"O的工序，也可以在進(jìn)行濃縮氧同位素170的工序后進(jìn)行減少氧同位素180的工序。本發(fā)明的第二方面為一種重氧水的制造方法，向通過本發(fā)明的氧同位素濃縮方法得到的170濃縮氧和/或180濃縮氧添加氫，得到氧同位素170和/或氧同位素180濃縮成latom。/o以上濃度的水。通過本發(fā)明的氧同位素的濃縮方法，可以有效地得到高濃度的170。此外，進(jìn)行濃縮時，由于與現(xiàn)有4支術(shù)相比以短的起動時間來完成，可以以低成本且在工業(yè)規(guī)模下得到高濃度的170。此時，由于可以容易地進(jìn)行從臭氧向氧的轉(zhuǎn)換、或者從氧向臭氧的轉(zhuǎn)換，在進(jìn)行170的濃縮時，可以組合各種步驟，從而可以選擇符合所希望的170濃度和生產(chǎn)量的步驟。此外，從原料氧濃縮高濃度的170時，在濃縮170的工序和減少180的工序中，可以從原料氧分離、回收高濃度的180。由此，得到高濃度的170的同時也可以得到高濃度的18o。進(jìn)一步地，使用通過本發(fā)明的氧同位素的濃縮方法得到的17o濃縮氧或180濃縮氧，可以以低成本且在工業(yè)規(guī)模下得到濃縮了170或180的重氧水。圖1為表示本發(fā)明第一實(shí)施方式的概略圖。圖2為表示一例本發(fā)明中使用的激光分離裝置的概略圖。圖3為表示本發(fā)明第一實(shí)施方式中的蒸餾塔內(nèi)氧同位素組成分布的圖。圖4為表示本發(fā)明第二實(shí)施方式的4既略圖。圖5為表示本發(fā)明第二實(shí)施方式中的蒸餾塔內(nèi)氧同位素組成分布的圖。圖6為表示本發(fā)明第三實(shí)施方式的相無略圖。圖7為表示一例本發(fā)明第三實(shí)施方式中使用的激光分離裝置的概略圖。圖8為表示一例本發(fā)明第三實(shí)施方式中使用的激光分離裝置的概略圖。圖9為表示本發(fā)明第三實(shí)施方式中的蒸餾塔內(nèi)氧同位素組成分布的圖。圖10為表示本發(fā)明第四實(shí)施方式的概略圖。圖11為表示本發(fā)明第四實(shí)施方式中的蒸餾塔內(nèi)氧同位素組成分布的圖。圖12為表示本發(fā)明第五實(shí)施方式的概略圖。圖13為表示本發(fā)明第五實(shí)施方式中的蒸餾塔內(nèi)氧同位素組成分布的圖。圖14為表示本發(fā)明第六實(shí)施方式的概略圖。圖15為表示本發(fā)明第六實(shí)施方式中的蒸餾塔內(nèi)氧同位素組成分布的圖。圖16為表示本發(fā)明第七實(shí)施方式的概略圖。圖17為表示本發(fā)明第七實(shí)施方式中的蒸餾塔內(nèi)氧同位素組成分布的圖。圖18為表示本發(fā)明第八實(shí)施方式的概略圖。圖19為表示本發(fā)明第八實(shí)施方式中的蒸餾塔內(nèi)氧同位素組成分布的圖。圖20為表示本發(fā)明第九實(shí)施方式的概略圖。圖21為表示本發(fā)明第九實(shí)施方式中的蒸餾塔內(nèi)氧同位素組成分布的圖。圖22為表示一例現(xiàn)有氧同位素濃縮中使用的蒸餾塔的概略圖。圖23為表示一例蒸餾塔內(nèi)的同位素濃度分布的圖。圖24為表示一例理論塔板數(shù)多的蒸餾塔內(nèi)的同位素濃度分布的圖。符號說明1，6蒸餾塔2臭氧分離裝置(A型)3同位素轉(zhuǎn)換器(isotopescrambler)4,5臭氧分離裝置(B型)具體實(shí)施方式以下對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。本發(fā)明是通過設(shè)計的工藝將nO濃縮成高濃度(例如5atom。/。以上)的方法，所述設(shè)計最大限度利用使用蒸餾裝置的170濃縮方法的170濃縮效果和使用利用臭氧光解反應(yīng)的激光同位素分離裝置(以下簡稱為激光分離裝置)的170濃縮方法的170濃縮效果。具體地說，該方法為在低濃度區(qū)域(例如370atomppm~0.2atom。/。程度)通過蒸餾濃縮170,再將通過蒸餾得到的該低濃縮度170進(jìn)一步通過激光分離進(jìn)^"濃縮，^v而得到高濃度(例如5atom。/。以上)的170。此外，該方法通過與該蒸餾塔連接的激光分離裝置有效地除去在通過蒸餾濃縮170時成為阻礙的180，促進(jìn)該蒸餾塔內(nèi)的170濃縮。此外，該方法將這些方法組合，得到超高濃度，例如70%以上的170。本發(fā)明中，使用激光分離裝置的170濃縮方法存在兩種方法。即，在臭氧氣體中的含有16o、170和180的臭氧分子中，將選擇性地分解含有170的臭氧分子而得到的170濃縮氧從上述含有各同位素的臭氧氣體中分離，從而濃縮170的方法；以及將選擇性地分解含有180的臭氧分子而得到的180濃縮氧從上述含有各同位素的臭氧氣體中除去，從而減少180的方法。本發(fā)明中，通過對上述濃縮170的工序和/或減少180的工序與蒸餾氧的工序進(jìn)行組合，可以有效地進(jìn)行170的濃縮。此時，通過進(jìn)一步附加進(jìn)行同位素轉(zhuǎn)換的工序，可以更有效地進(jìn)行170的濃縮。此外，進(jìn)行濃縮17o的工序和減少18o的工序兩者時，對進(jìn)行的順序不特別限定。此外，這些工序可以在蒸餾氧的工序的前后任意進(jìn)行。進(jìn)一步地，通過對蒸餾氧的工序、濃縮170的工序、減少180的工序以及進(jìn)行同位素轉(zhuǎn)換的工序中的至少一種工序進(jìn)行兩次以上，可以更有效地進(jìn)行17o的濃縮。此外，從原料氧濃縮高濃度的170時，在濃縮170的工序和減少180的工序中，從原料氧中分離、回收高濃度的180。由此，得到高濃度的170的同時也可以得到高濃度的180(例如20atom。/。以上)。對于通過本發(fā)明得到的170濃縮氧(例如5atom。/。以上)或180濃縮氧(例如20atom。/。以上)，根據(jù)常規(guī)方法，例如，用氬稀釋之后添加對應(yīng)于該氧量的氫，在鉑催化劑中于80。C以上的溫度下進(jìn)行反應(yīng)，由此可以制造氧同位素為latom。/o以上的170濃縮水或180濃縮水。〈第一實(shí)施方式〉本發(fā)明最基本的實(shí)施方式、即第一實(shí)施方式的概略圖如圖l所示。本實(shí)施方式使用連接了用于蒸餾氧而分離氧同位素的蒸餾塔1和激光分離裝置2的裝置，其特征在于，在170的低濃度區(qū)域通過蒸餾進(jìn)行第一階段的170濃縮，例如在170達(dá)到0.2atom。/。以上之后，進(jìn)行激光分離作為第二階段的170的濃縮。由此，可以有效地濃縮170。原料F適合使用超高純度氧。作為超高純度氧，例如優(yōu)選從工業(yè)用氧中除去氬、烴等，大幅提高氧的化學(xué)純度的超高純度氧。此外，作為氧蒸餾塔，也可以使用多個蒸餾塔串聯(lián)連接而成的蒸餾塔來替代蒸餾塔1。另一方面，對于蒸餾塔內(nèi)的填料，使用規(guī)則填料和不規(guī)則填料的任意一種都可以得到相同的效果。對于原料、氧蒸餾塔以及蒸餾塔內(nèi)的填料，在其它實(shí)施方式中也相同。本實(shí)施方式中使用的激光分離裝置2(A型)的結(jié)構(gòu)與例如專利文獻(xiàn)2和3中公開的裝置結(jié)構(gòu)相同。其一例如圖2所示。即，在蒸餾塔l中進(jìn)行第一階段的170濃縮后，將氧氣Fm導(dǎo)入臭氧發(fā)生器21中生成臭氧，將產(chǎn)生的臭氧-氧混合氣體與稀釋氣體(Kr)和回收稀釋氣體混合后，使用臭氧分離裝置22,從該混合氣體中分離臭氧和氧。分離的氧與來自蒸餾塔1的氧氣Fus混合，再次用于臭氧的生成。另一方面，將分離的臭氧與稀釋氣體一起送入到激光分離裝置23中，照射特定波長的激光，將含有170的臭氧選擇性地分解為氧。將這里得到的濃縮170的氧、未分解的臭氧以及稀釋氣體送入到氧回收裝置24中，得到濃縮170的氧氣Pus。將剩余的未分解的臭氧以及稀釋氣體送入到臭氧分解裝置25中，將所有的臭氧分解為氧。產(chǎn)生的氧以及稀釋氣體送入到稀釋氣體回收裝置26中，分離170被減少、"0被濃縮的氧Wus,回收的稀釋氣體再次添加到臭氧發(fā)生器21中生成的臭氧和氧的混合氣體中。另外，本實(shí)施方式中使用Kr作為臭氧的稀釋氣體，但只要是可以不損害本發(fā)明的效果而稀釋臭氧，也可以為其它氣體。并且，激光分離裝置(LIS單元)只要具有利用臭氧的光解反應(yīng)將原料氧分離為同位素濃縮氧和同位素減少氧的功能，則對于LIS單元內(nèi)的詳細(xì)步驟不特別限定。以上所述在其它的實(shí)施方式中也相同。本實(shí)施方式具體如下。即，將通過蒸餾提高了"0濃度的氧Db。t(圖2中的Fus)從蒸餾塔1的塔底部抽出，送入到激光分離裝置2中，如上所述地選擇性分解含有170的臭氧，由此得到"0被濃縮的氧P(圖2中的PLIS)。蒸餾時產(chǎn)生的廢氣Wl從蒸餾塔1的塔頂部廢棄，激光分離時產(chǎn)生的廢氣W2(圖2中的Wus)從激光分離裝置2廢棄。但是，廢氣W2由于與原料F相比進(jìn)一步濃縮了170和180，因此也可以供給到其它的170濃縮步驟或180濃縮步驟中。這種廢氣W2的再利用，在下述所有的實(shí)施方式中也可以同樣地進(jìn)行。使用表3所示規(guī)格的蒸餾塔作為蒸餾塔1、使用表4所示規(guī)格的激光分離裝置作為激光分離裝置2、使用表2所示組成的超高純度氧作為原料超高純度氧F，通過計算機(jī)模擬得到的裝置各部分中的氧的流量、同位素組成表示在表5中。進(jìn)一步地，蒸餾塔1內(nèi)的氧的同位素組成分布表示在圖3中。另外，表5所示的各同位素純度(atom%)是使用通過模擬得到的含有各同位素的氧氣的量(mol%)的值，根據(jù)表5下方所示的計算式求得的值，這在其它的實(shí)施方式中也相同。此外，該模擬中使用的蒸餾計算程序詳細(xì)記載在WO00/27509號公報中。另一方面，表2的超高濃度氧F的組成由表1的天然豐度比求得。[表2]由表1的天然豐度比計算<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>[表3]<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>[表4]<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>臭氧發(fā)生器單耗[g(VkWh]220臭氧發(fā)生器03產(chǎn)生量[kg(Vh]6.78E-04臭氧發(fā)生器功耗[kW]_3.08E-03激光分離的對象160160170上述對象的分解率90%激光輸出功率[W]_0.009[表5]<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>O同位素純度=1602+160170/2+160180/2O同位素純度=1702+160170/2+170180/2;0同位素純度=1802+160180/2+170180/2〈第二實(shí)施方式〉本實(shí)施方式中，在第一實(shí)施方式中的蒸餾塔1上連接有同位素轉(zhuǎn)換器3。其扭克略圖如圖4所示。另外，同位素轉(zhuǎn)換器3是當(dāng)存在多種同位素分子時，促進(jìn)各分子隨意地改變其構(gòu)成的配對原子的現(xiàn)象、即促進(jìn)同位素轉(zhuǎn)換的裝置，其具體功能詳細(xì)記載在WO00/27509號公報中。同位素轉(zhuǎn)換器3的連接位置可以在蒸餾塔的任意部位。從蒸餾塔1中抽出部分氣體，將抽出的氣體送入到同位素轉(zhuǎn)換器3中進(jìn)行同位素轉(zhuǎn)換，返回蒸餾塔。此時，從蒸餾塔1抽出氣體優(yōu)選從接近塔底部的位置或塔底部進(jìn)行。此外，對同位素轉(zhuǎn)換后的氣體返回蒸餾塔1內(nèi)的位置不特別限定，也可以為抽出氣體的位置附近或者相同的部位。即，本實(shí)施方式的特征在于，在第一實(shí)施方式中的同位素濃縮效果基礎(chǔ)上，進(jìn)一步使用同位素轉(zhuǎn)換器3促進(jìn)蒸餾塔內(nèi)的170和180的濃縮，可以提高產(chǎn)品P的170濃縮度。使用表3所示規(guī)格的蒸餾塔作為蒸餾塔1、使用表6所示規(guī)格的激光分離裝置作為激光分離裝置2、使用表2所示組成的超高純度氧作為原料超高純度氧F,通過計算機(jī)模擬得到的裝置各部分中的氧的流量、同位素組成表示在表7和表8中。進(jìn)一步地，蒸餾塔l內(nèi)的氧的同位素組成分布表示在圖5中。而且，在該模擬中，采用蒸餾塔1內(nèi)的氣體以1.0xl(^mol/s從塔底部抽出，用同位素轉(zhuǎn)換器3處理后返回塔底部的條件。<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>[表8]<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>〈第三實(shí)施方式〉本實(shí)施方式改進(jìn)了第一實(shí)施方式，實(shí)現(xiàn)了17o的進(jìn)一步濃縮和收率的提高。其概略圖如圖6所示。激光分離裝置4(B型)為分兩階段進(jìn)行激光分離的裝置。它可以是將2臺第一實(shí)施方式中使用的激光分離裝置2(A型)如圖7所示連接而成，該裝置也可以發(fā)揮同樣的功能，但是例如圖8所示結(jié)構(gòu)的裝置由于可以使臭氧發(fā)生器或稀釋氣體回收裝置成為一體而優(yōu)選。即，在蒸餾塔1中進(jìn)行第一階段的170的濃縮后，將氧氣Fus導(dǎo)入臭氧發(fā)生器41中生成臭氧，將產(chǎn)生的臭氧-氧混合氣體與稀釋氣體(Kr)和回收稀釋氣體混合后，使用臭氧分離裝置42,從該混合氣體中分離臭氧和氧。分離的氧與來自蒸餾塔1的氧氣Fus混合，再次用于生成臭氧。另一方面，將分離的臭氧與稀釋氣體一起送入到第一激光分離裝置43中，照射特定波長的激光，將含有"0的臭氧選擇性地分解為氧。將這里得到的含有170的氧、未分解的臭氧以及稀釋氣體送入到第一氧回收裝置44中，得到170濃縮氧氣Plus。剩余的未分解的臭氧以及稀釋氣體送入到第二激光分離裝置45中，照射特定波長的激光，將含有180的臭氧選擇性地分解為氧。將這里得到的含有180的氧、未分解的臭氧以及稀釋氣體送入到第二氧回收裝置46中，得到"0濃縮氧氣P2us。剩余的未分解的臭氧以及稀釋氣體送入到臭氧分解裝置47中，將所有的臭氧分解為氧。產(chǎn)生的氧和稀釋氣體送入到稀釋氣體回收裝置48中，分離170和180減少的氧WLIS，回收的稀釋氣體再次添加到臭氧發(fā)生器41中生成的臭氧和氧的混合氣體中。在第一實(shí)施方式中，從蒸餾塔1的塔底部收集的氧氣導(dǎo)入到激光分離裝置2，選擇性地分解含有170的臭氧分子160160170,由此得到濃縮了170的氧氣P，為了防止蒸餾塔1內(nèi)的180濃縮所導(dǎo)致的170濃縮度降低，剩余的170減少氧氣不返回到蒸餾塔1內(nèi)，而作為W2廢棄。這是由于若將濃縮了lsO的W2返回到蒸餾塔1中，則180在蒸餾塔1的塔底進(jìn)一步濃縮，與此同時降低蒸餾塔1的塔底的170的濃縮度。另一方面，本實(shí)施方式采用如下方式從通過第一階段激光分離減少170的臭氧中，選擇性地分解通過第二階段激光分離含有180的臭氧分子"0160180，由此除去濃縮了180的氧氣，其剩余的氧氣R(圖8中的Wus)通過鼓風(fēng)機(jī)(圖示略)等返回到蒸餾塔中間部。由此，可以防止蒸餾塔1內(nèi)的180濃縮的同時促進(jìn)170濃縮，從而可以提高170收率。使用表3所示規(guī)格的蒸餾塔作為蒸餾塔1、使用表10所示規(guī)格的激光分離裝置作為激光分離裝置4、使用表2所示組成的超高純度氧作為原料超高純度氧F，通過計算機(jī)模擬得到的裝置各部分中的氧的流量、同位素組成表示在表9中。可知P1中濃縮有170、W2中濃縮有180。進(jìn)一步地，蒸餾塔1內(nèi)的氧的同位素組成分布表示在圖9中。[表9]<table>tableseeoriginaldocumentpage19</column></row><table>臭氧發(fā)生器單耗[g(VkWh]220臭氧發(fā)生器Cb產(chǎn)生量[kg03/h]1.48E-03臭氧發(fā)生器功耗[kW]_6.74E-03激光分離(第一階段)的對象160160170上述對象的分解率90%激光輸出功率[W]_0.022激光分離(第二階段)的對象160160180上述對象的分解率卯％激光輸出功率[W]_0.195〈第四實(shí)施方式〉第三實(shí)施方式在第一階段的激光分離中濃縮17o、在第二階段的激光分離中濃縮180,但是該順序也可以相反。使用激光分離裝置5的本實(shí)施方式的概略圖如圖10所示，該激光分離裝置5設(shè)計成選擇性地分解含有180的臭氧分子后，選擇性地分解含有170的臭氧分子。本實(shí)施方式中，也可以濃縮170和180,與第一實(shí)施方式相比，可以提高170的濃縮度和收率。使用表3所示規(guī)格的蒸餾塔作為蒸餾塔1、使用表12所示規(guī)格的激光分離裝置作為激光分離裝置5、使用表2所示組成的超高純度氧作為原料超高純度氧F，通過計算機(jī)模擬得到的裝置各部分中的氧的流量、同位素組成表示在表ll中。進(jìn)一步地，蒸餾塔l內(nèi)的氧的同位素組成分布表示在圖11中?？芍狿1中濃縮有170、W2中濃縮有180。[表11]<table>tableseeoriginaldocumentpage20</column></row><table>[表12]<table>tableseeoriginaldocumentpage21</column></row><table>臭氧發(fā)生器單耗[g(VkWh]220臭氧發(fā)生器03產(chǎn)生量[kg03/h]1.48E-03臭氧發(fā)生器功耗[kW]_6.71E-03激光分離(第一階段)的對象160160180上述對象的分解率90%_激光輸出功率[W]_____0.201激光分離(第二階段)的對l160160170上述對象的分解率卯％_激光輸出功率[W〗_____0.016〈第五實(shí)施方式〉本實(shí)施方式是在第四實(shí)施方式的蒸餾塔1上進(jìn)一步連接了同位素轉(zhuǎn)換器3，通過本實(shí)施方式，可以進(jìn)一步促進(jìn)蒸餾塔l內(nèi)的170的濃縮，提高170的濃縮度和收率。本實(shí)施方式的概略圖如圖12所示。使用表3所示規(guī)格的蒸餾塔作為蒸餾塔1、使用表15所示規(guī)格的激光分離裝置作為激光分離裝置5、使用表2所示組成的超高純度氧作為原料超高純度氧F,通過計算機(jī)模擬得到的裝置各部分中的氧的流量、同位素組成<table>tableseeoriginaldocumentpage22</column></row><table>[表15]<table>tableseeoriginaldocumentpage23</column></row><table>〈第六實(shí)施方式〉本實(shí)施方式中，在蒸餾塔6上連接了同位素轉(zhuǎn)換器3和激光分離裝置2。其中，蒸餾塔6與蒸餾塔1相比僅僅增大了高度。此外，激光分離裝置2向蒸餾塔6的連接是在塔中間部進(jìn)行的。另一方面，與第二實(shí)施方式同樣地，同位素轉(zhuǎn)換器3的連接位置可以在蒸餾塔6的任意部位，但是優(yōu)選為接近塔底部的位置或塔底部。此外，對將氣體返回蒸餾塔6內(nèi)的位置不特別限定，可以為抽出氣體的位置附近或者相同的部位。本實(shí)施方式的概略圖表示在圖14中。本實(shí)施方式中，在蒸餾塔6的塔底部濃縮180成為氧P18。另一方面，中間成分170主要以160170或170180的形式，在蒸餾塔6的塔中間部的濃度最大。從該塔中間部附近抽出氧氣Dcut。然后，將氧氣Dcut供給到激光分離裝置2中，通過選擇性地分解含有170的臭氧分子160160170，得到濃縮"O的氧Pn，剩余的氧氣R返回到蒸餾塔6中。本實(shí)施方式的特征在于，通過從170濃度最大的蒸餾塔6的中間部抽出氧氣Dcut，可以有效地分離170，將"0向氧Pn的混入抑制為最小限度，因此可以防止氧P,s的180收率降^[氐。而且，氧氣D加的"0濃縮度依賴于蒸餾塔6的高度。例如，P^的180濃縮度相同時，蒸餾塔6的高度越高，氧氣Dw的170濃縮度越大。由此，優(yōu)選蒸餾塔6的高度至少為150m以上。但是，從實(shí)用性的觀點(diǎn)考慮，優(yōu)選為600m以下。使用表16所示規(guī)格的蒸餾塔作為蒸餾塔6、使用表19所示規(guī)格的激光分離裝置作為激光分離裝置2、使用表2所示組成的超高純度氧作為原料超高純度氧F，通過計算機(jī)模擬得到的裝置各部分中的氧的流量、同位素組成表示在表17和表18中。進(jìn)一步地，蒸餾塔6內(nèi)的氧的同位素組成分布表示在圖15中。而且，本條件下的氧氣Dcut的170濃度為0.54atom%。[表16]<table>tableseeoriginaldocumentpage24</column></row><table>[表17]<table>tableseeoriginaldocumentpage25</column></row><table>[表18]<table>tableseeoriginaldocumentpage25</column></row><table>[表19]<table>tableseeoriginaldocumentpage26</column></row><table>臭氧發(fā)生器單耗[g03/kWh]220臭氧發(fā)生器03產(chǎn)生量[kg(Vh]3.81E-03臭氧發(fā)生器功耗[kW]_1.73E-02激光分離的對象上述對象的分解率_激光輸出功率[W]〈第七實(shí)施方式〉本實(shí)施方式如圖16所示，是在第六實(shí)施方式中分兩階段進(jìn)行激光分離的實(shí)施方式，激光分離裝置4(B型)與第三實(shí)施方式相同，可以使用2臺激光分離裝置2(A型)連接而成的圖7所示結(jié)構(gòu)的裝置或圖8所示結(jié)構(gòu)的裝置中的任意一種。例如，在第一階段的臭氧分解中，通過選擇性地分解16o16o18o，將提高了180濃度的氧Rl返回到蒸餾塔6中，進(jìn)一步在第二階段的臭氧分解中，通過選擇性分解160160170，可以進(jìn)一步提高170濃度和收率。使用表16所示規(guī)格的蒸餾塔作為蒸餾塔6、使用圖7所示結(jié)構(gòu)、表22所示規(guī)格的激光分離裝置作為激光分離裝置4、使用表2所示組成的超高純度氧作為原料超高純度氧F，通過計算機(jī)模擬得到的裝置各部分中的氧的流160160170卯％0.040量、同位素組成表示在表20和表21中。進(jìn)一步地，蒸餾塔6內(nèi)的氧的同位素組成分布表示在圖17中。[表20]<table>tableseeoriginaldocumentpage27</column></row><table>[表21]<table>tableseeoriginaldocumentpage27</column></row><table>[表22]<table>tableseeoriginaldocumentpage28</column></row><table>臭氧發(fā)生器單耗[g(VkWh]220臭氧發(fā)生器03產(chǎn)生量[kg(Vh]5.33E-03臭氧發(fā)生器功耗[kW]_2.42E-02激光分離(第一階段)的對象16o16o18o上述對象的分解率90%_激光輸出功率[W]_0.733激光分離(第二階段)的對象16o16o17o上述對象的分解率90%激光輸出功率[W]_0.040〈第八實(shí)施方式〉本實(shí)施方式將與天然豐度比相比170濃縮成高濃度的氧作為原料，使用激光分離裝置和蒸餾塔，將170濃縮成超高濃縮度(例如40atom。/o以上)。本實(shí)施方式的概略圖表示在圖18中。如前所述，蒸餾中，最高沸點(diǎn)成分且存在最豐富的180容易在蒸餾塔的塔底部濃縮。因此，為了有效地將170濃縮成超高濃度，例如，優(yōu)選盡可能地從蒸餾塔中除去180。因此，本實(shí)施方式中，作為第一階段使用激光分離裝置4從原料F中的氧中分離"0濃縮氧W1，然后作為第二階段將170濃縮氧Dfted送到蒸餾塔1中。由此，可以抑制蒸餾塔1內(nèi)的180濃縮。此外，在蒸餾中，若170濃度接近超高濃度(例如40atom。/。以上)，則相對蒸餾塔高度而變化的蒸餾塔內(nèi)的170濃度變化率小，因此難于更進(jìn)一步地進(jìn)行170濃縮。因此，本實(shí)施方式中，蒸餾塔1的塔底部的170濃度剛超過40atom。/。時，將氧氣Db。t供給到激光分離裝置2中，選擇性地分解1703,得到"0濃縮氧P。由此，可以非常有效地得到濃縮成高濃度的170。使用表3所示規(guī)格的蒸餾塔作為蒸餾塔1、使用圖7所示結(jié)構(gòu)、表25所示規(guī)格的激光分離裝置作為激光分離裝置4、使用表26所示規(guī)格的激光分離裝置作為激光分離裝置2、使用表2所示組成的超高純度氧作為原料超高純度氧F,通過計算機(jī)模擬得到的裝置各部分中的氧的流量、同位素組成表示在表23和表24中?？芍狿中濃縮有170、Wl中濃縮有180。進(jìn)一步地，蒸餾塔l內(nèi)的氧的同位素組成分布表示在圖19中。[表23〗<table>tableseeoriginaldocumentpage29</column></row><table>[表24]<table>tableseeoriginaldocumentpage30</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage30</column></row><table>[表26]<table>tableseeoriginaldocumentpage31</column></row><table>〈第九實(shí)施方式〉本實(shí)施方式如圖20所示，進(jìn)一步改進(jìn)了第八實(shí)施方式，實(shí)現(xiàn)了170的濃縮和收率的提高，與第八實(shí)施方式的不同點(diǎn)在于，使用連接在蒸餾塔l的塔底部的激光分離裝置2a得到卩0濃縮氧P時，將來自激光分離裝置2a的廢氣R2返回到蒸餾塔1中，進(jìn)一步使用連接在蒸餾塔1的中間部的激光分離裝置2b，選擇性地分離180濃縮氧W4。由此，可以抑制蒸餾塔1的塔底部的180濃縮，所以可以得到更高濃度的170。使用表3所示規(guī)格的蒸餾塔作為蒸餾塔1、使用表25所示規(guī)格的激光分離裝置作為激光分離裝置4、使用表30所示規(guī)格的激光分離裝置作為激光分離裝置2a、使用表31所示規(guī)格的激光分離裝置作為激光分離裝置2b、使用表2所示組成的超高純度氧作為原料超高純度氧F,通過計算機(jī)模擬得到的裝置各部分中的氧的流量、同位素組成表示在表27~表29中?？芍狿中濃縮有170、Wl中濃縮有180。進(jìn)一步地，蒸餾塔1內(nèi)的氧的同位素組成分布表示在圖21中。<table>tableseeoriginaldocumentpage32</column></row><table>[表28]<table>tableseeoriginaldocumentpage32</column></row><table>[表29]<table>tableseeoriginaldocumentpage32</column></row><table>[表30]<table>tableseeoriginaldocumentpage33</column></row><table>臭氧發(fā)生器單耗[g(VkWh]220臭氧發(fā)生器03產(chǎn)生量[kg03/h]9.46E-01臭氧發(fā)生器功耗[kW]_4.30E+00激光分離的對^160160180上述對象的分解率卯％激光輸出功率[W]_5.79[表31]<table>tableseeoriginaldocumentpage34</column></row><table>臭氧發(fā)生器單耗[g(VkWh]220臭氧發(fā)生器03產(chǎn)生量[kgCVh]1.48E-03臭氧發(fā)生器功耗[kW]_6.72E-03激光分離的對象170170170上迷對象的分解率90%激光輸出功率[W]__0.275實(shí)施例(實(shí)施例1)在第一實(shí)施方式的條件下，進(jìn)行濃縮170和180的模擬，結(jié)果可知，得到含有9.1atom。/。"0的氧氣和含有25.2atom%180的氧氣。170的收率為5.8%,180的收率為69.8%。例如，實(shí)施例1中的170的收率使用表5的數(shù)值通過下式求得。收率[%]=(流量pX同位素純度口Op)/(流量fX同位素純度"Of)xlOO18o的收率也使用相同的計算式求得。(實(shí)施例2)在第二實(shí)施方式的條件下，進(jìn)行濃縮"O和180的模擬，結(jié)果可知，得到含有10.3atom%17O的氧氣和含有25.2atom%180的氧氣。170的收率為7.8%，180的收率為73.1%,與實(shí)施例l相比有所上升。(實(shí)施例3)在第三實(shí)施方式的條件下，進(jìn)行濃縮170和180的模擬，結(jié)果可知，得到含有9.7atom%170的氧氣。170的收率為14.1%，與實(shí)施例l相比有所上升。lsO的收率為69.8%，與實(shí)施例1相同，但是180的同位素純度為29.2atom%,得到與實(shí)施例1相比含有高純度lsO的氧氣。(實(shí)施例4)在笫四實(shí)施方式的條件下，進(jìn)行濃縮170和180的模擬，結(jié)果可知，得到含有10.8atom%17O的氧氣和含有29.0atom%18O的氧氣。170的收率為11.8%，與實(shí)施例l相比有所提高。180的收率為70.9%，。(實(shí)施例5)在第五實(shí)施方式的條件下，進(jìn)行濃縮170和180的模擬，結(jié)果可知，得到含有11.5atom%170的氧氣和含有28.9atom%180的氧氣。此外，170的收率為14.0%，180的收率為72.8%。(實(shí)施例6)在第八實(shí)施方式的條件下，進(jìn)行濃縮170和180的模擬，結(jié)果可知，得到含有77.7atom%170的氧氣和含有22.2atom%180的氧氣。(實(shí)施例7)在第九實(shí)施方式的條件下，進(jìn)行濃縮170和180的模擬，結(jié)果可知，得到含有87.4atom%170的氧氣和含有22.2atom%180的氧氣。通過本發(fā)明的氧同位素的濃縮方法，確認(rèn)了可以將豐度比非常小的氧的穩(wěn)定同位素170和180有效地濃縮成高濃度。此外，確認(rèn)了在進(jìn)行濃縮時，與現(xiàn)有技術(shù)相比以短的起動時間來完成，因此能夠以低成本且在工業(yè)規(guī)模下得到高濃度的170和180。進(jìn)一步地，使用通過本發(fā)明的氧同位素的濃縮方法得到的170或180濃縮氧，可以以低成本且在工業(yè)規(guī)模下得到濃縮了170或180的重氧水。產(chǎn)業(yè)上的可利用性通過本發(fā)明，可以在工業(yè)規(guī)模下廉價地提供170或180濃縮氧，因此本發(fā)明在將17o或18o標(biāo)記化合物用作示蹤劑的化學(xué)或醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中是有用的。權(quán)利要求1、一種氧同位素的濃縮方法，其中，包括濃縮氧同位素的氧的蒸餾工序和對臭氧進(jìn)行光解而濃縮氧同位素17O的工序。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧同位素的濃縮方法，其中，包括進(jìn)行同位素轉(zhuǎn)換的工序。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧同位素的濃縮方法，其中，包括對臭氧進(jìn)行光解而減少氧同位素180的工序。4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的氧同位素的濃縮方法，其中，包括進(jìn)行同位素轉(zhuǎn)換的工序。5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧同位素的濃縮方法，其中，對濃縮氧同位素的氧的蒸餾工序、對臭氧進(jìn)行光解而濃縮氧同位素170的工序中的至少一種工序進(jìn)行兩次以上。6、根據(jù)權(quán)利要求2所述的氧同位素的濃縮方法，其中，對濃縮氧同位素的氧的蒸餾工序、對臭氧進(jìn)行光解而濃縮氧同位素170的工序以及進(jìn)行同位素轉(zhuǎn)換的工序中的至少一種工序進(jìn)行兩次以上。7、根據(jù)權(quán)利要求3所述的氧同位素的濃縮方法，其中，對濃縮氧同位素的氧的蒸餾工序、對臭氧進(jìn)行光解而濃縮氧同位素170的工序以及對臭氧進(jìn)行光解而減少氧同位素180的工序中的至少一種工序進(jìn)行兩次以上。8、根據(jù)權(quán)利要求4所述的氧同位素的濃縮方法，其中，對濃縮氧同位素的氧的蒸餾工序、對臭氧進(jìn)行光解而濃縮氧同位素"O的工序、對臭氧進(jìn)行光解而減少氧同位素180的工序以及進(jìn)行同位素轉(zhuǎn)換的工序中的至少一種工序進(jìn)行兩;欠以上。9、根據(jù)權(quán)利要求3所述的氧同位素的濃縮方法，其中，在進(jìn)行減少氧同位素180的工序后進(jìn)行濃縮氧同位素170的工序。10、根據(jù)權(quán)利要求3所述的氧同位素的濃縮方法，其中，在進(jìn)行濃縮氧同位素170的工序后進(jìn)行減少氧同位素180的工序。11、一種重氧水的制造方法，其中，向通過權(quán)利要求1~9中任意一項所述的氧同位素的濃縮方法得到的17o濃縮氧和/或18o濃縮氧添加氫，得到氧同位素170和/或氧同位素180濃縮成latom。/o以上濃度的水。全文摘要本發(fā)明的氧同位素的濃縮方法將¹⁷O濃縮工序和/或¹⁸O減少工序與濃縮氧同位素的氧蒸餾工序相組合而進(jìn)行，其中，¹⁷O濃縮工序和/或¹⁸O減少工序利用了通過激光所實(shí)現(xiàn)的臭氧光解反應(yīng)。此時，優(yōu)選進(jìn)一步進(jìn)行同位素轉(zhuǎn)換工序。此外，進(jìn)行¹⁷O濃縮工序和¹⁸O減少工序兩者時，先進(jìn)行任意一個都可以，這些工序也可以任意在氧蒸餾工序的前后進(jìn)行。進(jìn)一步地，優(yōu)選對上述氧蒸餾工序、¹⁷O濃縮工序、¹⁸O減少工序以及同位素轉(zhuǎn)換工序中的至少一種工序進(jìn)行兩次以上。根據(jù)本發(fā)明，可以在工業(yè)規(guī)模下將豐度比非常小的氧穩(wěn)定同位素¹⁷O和¹⁸O有效地濃縮成高濃度。文檔編號B01D59/04GK101242888SQ20068002970公開日2008年8月13日申請日期2006年8月16日優(yōu)先權(quán)日2005年8月17日發(fā)明者川上浩,木原均,林田茂,神邊貴史,荒井重義申請人:大陽日酸株式會社