JP6933842B2 - 重水素低減水の製造方法、および重水素濃縮水の製造方法 - Google Patents

重水素低減水の製造方法、および重水素濃縮水の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、一般的な水から重水または半重水の量を低減させた重水素低減水を製造する方法に関する。
また、本発明は、一般的な水から重水や半重水を多く含む重水素濃縮水を製造する方法に関する。
一般的な水には、Ｈ２Ｏ（軽水）と、水素原子の同位体である重水素原子を含んだ水分子である、Ｄ２Ｏ（重水）やＤＨＯ（半重水）とが混在している。自然界にある水に含まれる重水および半重水の濃度は、採取される場所によって差があるが、平地では約１５０ｐｐｍ程度であり、そのほとんどは半重水である。
人体に含まれる重水および半重水の量は、例えば体重６０ｋｇの成人であれば体重の９５ｐｐｍと微量である。
しかし、重水や半重水は、物質の溶解度、電気伝導度、電離度などの物性や反応速度が軽水とは異なるため、大量に摂取すると生体内反応に失調をきたし、また、純粋な重水中では生物は死滅する。そのため、飲用水等の重水素濃度が低いほど人体の健康にとって望ましいと言われ、検証が進められている。
重水や半重水をほとんど含まない重水素低減水は、日本では厚生労働省からは認可されていないものの、ハンガリーでは動物用の抗がん剤として認可されており、ガン患者等が飲用することも多い。
一般的な水から重水素低減水を製造する方法として、従来の技術では、水素と重水素とのごくわずかな物理的性質の差を利用し、蒸留を繰り返す方法（特許文献１）や水電解法による方法（特許文献２）で重水素低減水を製造していた。
しかし、重水素低減水を製造する従来の方法では、大型の設備や複雑な作業の繰り返しが必要であり、その製造コストは高かった。そのため、ガン患者や、各種効能を期待して飲用を望む者にとって、大きな経済負担となっていた。
また、重水は放射線の減速材として、癌の放射線治療などに使用できる。そのほか、重水や半重水を原料として抗がん剤を重水素置換することで、その効果を高めることが期待される。
そのため、軽水と重水および半重水とを効率よく分離できる方法が必要とされていた。
特表２００８−５１２３３８号公報 特開２０１２−１５８４９９号公報
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、水を容易かつ低コストで重水素低減水と重水素濃縮水とに分離することを課題とする。
本発明において、上記課題が解決される手段は以下の通りである。
第１の発明は、水から重水および半重水を除去し、重水素低減水を製造する方法であって、細孔体からなる吸着材に水蒸気を所定時間供給し通過させながら吸着させた後、上記吸着材に吸着した上記水蒸気を脱離させて回収することを特徴とする。
第２の発明は、水から重水および半重水を除去し、重水素低減水を製造する方法であって、細孔体からなる吸着材を周方向に回転させるとともに、水蒸気の供給口と水蒸気を含まないフローガスの供給口とを、上記吸着材の回転の周方向に並べて配置し、上記吸着材の一部に上記水蒸気を供給して通過させ、上記吸着材に吸着せずに通過した上記水蒸気から重水素濃縮水を回収し、これと同時に上記吸着材の他の部分に上記フローガスを供給して通過させ、上記吸着材に吸着した上記水蒸気を脱離させることを特徴とする。
第３の発明は、水から軽水を除去し、重水素濃縮水を製造する方法であって、細孔体からなる吸着材に水蒸気を所定時間供給し通過させながら吸着させ、上記吸着材に吸着せずに通過した上記水蒸気を回収することを特徴とする。
第４の発明は、水から軽水を除去し、重水素濃縮水を製造する方法であって、細孔体からなる吸着材を周方向に回転させるとともに、水蒸気の供給口と水蒸気を含まないフローガスの供給口とを、上記吸着材の回転の周方向に並べて配置し、上記吸着材の一部に水蒸気を供給して通過させ、これと同時に上記吸着材の他の部分に上記フローガスを供給して通過させ、上記吸着材に吸着した上記水蒸気を脱離させて回収することを特徴とする。
第１の発明によれば、細孔体からなる吸着材に水蒸気を所定時間供給し通過させながら吸着させた後、上記吸着材に吸着した上記水蒸気を脱離させて回収することにより、容易かつ効率的に重水素低減水を得ることができる。
第２の発明によれば、細孔体からなる吸着材を周方向に回転させるとともに、水蒸気の供給口と水蒸気を含まないフローガスの供給口とを、上記吸着材の回転の周方向に並べて配置し、上記吸着材の一部に上記水蒸気を供給して通過させ、上記吸着材に吸着せずに通過した上記水蒸気から重水素濃縮水を回収し、これと同時に上記吸着材の他の部分に上記フローガスを供給して通過させ、上記吸着材に吸着した上記水蒸気を脱離させることにより、間断なく水蒸気の吸着と離脱とを繰り返すことができて、重水素低減水を効率よく生産することができる。
第３の発明によれば、水から軽水を除去し、重水素濃縮水を製造する方法であって、細孔体からなる吸着材に水蒸気を所定時間供給し通過させながら吸着させ、上記吸着材に吸着せずに通過した上記水蒸気を回収することにより、容易かつ効率的に重水素濃縮水を得ることができる。
第４の発明によれば、水から軽水を除去し、重水素濃縮水を製造する方法であって、細孔体からなる吸着材を周方向に回転させるとともに、水蒸気の供給口と水蒸気を含まないフローガスの供給口とを、上記吸着材の回転の周方向に並べて配置し、上記吸着材の一部に水蒸気を供給して通過させ、これと同時に上記吸着材の他の部分に上記フローガスを供給して通過させ、上記吸着材に吸着した上記水蒸気を脱離させて回収することにより、間断なく水蒸気の吸着と離脱とを繰り返すことができて、重水素濃縮水を効率よく生産することができる。
重水、半重水、軽水の活性炭に対する２５℃での水蒸気吸着等温線である。 吸着材に対する軽水および重水の吸着速度および脱離速度を測定する測定装置を示す図である。 吸着材に対する軽水および重水の吸着速度を示すグラフである。 （ａ）は平坦な吸着材に対する水蒸気の吸着を示す模式図であり、（ｂ）は細孔体からなる吸着材に対する水蒸気の吸着を示す模式図である。 本発明の第一実施形態に係る分離装置を示す説明図である。 本発明の第二実施形態に係る分離装置を示す説明図であり、（ａ）は全体図、（ｂ）は吸着材の入り口から見た図、（ｃ）は吸着材の出口から見た図、（ｄ）も吸着材の出口から見た図である。 （ａ）は断面新円形状の細孔を示す説明図、（ｂ）は同細孔の断面図、（ｃ）は断面楕円形状の細孔を示す説明図、（ｄ）は同細孔の断面図、（ｅ）はスリット形状の細孔を示す説明図、（ｆ）は同細孔の断面図である。 本発明の試験を示す説明図であり、（ａ）は水蒸気の入り口側から見た図、（ｂ）は水蒸気の出口側から見た図である。 同試験で得られた位置ごとの重水素濃度を示す表である。
以下、本発明の実施形態に係る重水素低減水の製造方法について説明する。
本発明は、所定の吸着材に対して軽水が重水および半重水よりも初期の吸着速度が速いことを利用したものである。
また、本発明は、細孔体からなる吸着剤において、水分子の吸着時および吸着飽和時に拡散障害が起こることを利用したものである。
図１は、吸着材を活性炭（株式会社アドール製活性炭素繊維「Ａ−２０」）とした場合の２５℃での水蒸気吸着等温線を、重水、半重水、軽水に分けて示したグラフである。
図１に示すように、重水、半重水、軽水のいずれも、小さな圧力変化で活性炭への吸着量が大きく変化する。また、重水、半重水、軽水のいずれも活性炭への吸着時と脱離時とでヒステリシスを示す。
水蒸気圧を低圧から上昇させて水蒸気を活性炭に吸着させると、１４〜１７Ｔｏｒｒで多量の重水が活性炭に吸着し、１５〜１８Ｔｏｒｒで多量の半重水が活性炭に吸着し、１６〜１９Ｔｏｒｒで多量の軽水が活性炭に吸着する。
また、活性炭に水蒸気を十分に吸着させた後、水蒸気圧を高圧から低下させて水蒸気を活性炭から脱離させると、１４〜１３Ｔｏｒｒで多量の軽水が活性炭から脱離し、１３〜１２Ｔｏｒｒで多量の半重水が活性炭から脱離し、１２〜１１Ｔｏｒｒで多量の重水が活性炭から脱離する。
＜吸着速度および脱離速度の測定＞
吸着材に対する軽水、重水および半重水の吸着速度および脱離速度を、図２に示す測定装置を用いて測定した。
この測定装置１では、ヘリウムガスを水蒸気のキャリアーとして用いる。なお、本実施形態ではヘリウムガスを用いているが、水蒸気のキャリアーとして用いることが可能な気体であれば、キャリアーの種類は限定されない。
まず、ヘリウムガスを水２中に放出して浮き上がってきたガスを回収する。次いで、このヘリウムガスに空の試験管３を通過させて、余分な水滴を落とし、再度ガスを回収する。
これにより、水蒸気を含んだヘリウムガスを得ることができる。
このヘリウムガスに、別系統から供給される乾燥窒素ガスを混合することにより、混合ガスの湿度（水蒸気の相対圧）をコントロールすることができる。
３５．５ｍｇの吸着材４が配置された管に、この混合ガスを通して、混合ガスの湿度を変更することにより、吸着材に対する軽水および重水の吸着速度および脱離速度を測定する。混合ガスの供給速度は、水蒸気を含んだヘリウムガスと乾燥窒素ガスとの合計が５０ｍｌ／ｍｉｎとなるようにする。また、測定装置１の全体を１５℃に保つようにする。
以下では、吸着材として活性炭（株式会社アドール製活性炭素繊維「Ａ−２０」）を使用した例に基づいて説明する。
まず、吸着速度を測定するには、混合ガスの混合割合を調整して、湿度４０％の混合ガスを吸着材４へ一定時間供給する。次いで、湿度９０％の混合ガスを吸着材４へ供給して、吸着材の下流で回収される混合ガスにおける軽水および重水の量の変化から、それぞれの吸着速度を測定した。
図３のグラフは、その結果を示している。
図３に示すように、湿度９０％の混合ガスの供給開始（０分）から約１０分の間、軽水の吸着速度は非常に速く、かつ、重水の吸着速度を大きく上回っている。
４０分から２２０分までの間は、軽水の吸着速度は中程度であり、重水の吸着速度を上回っている。
２２０分以降は、軽水の吸着速度は急激に低下し、重水の吸着速度を下回る。
軽水はおよそ２３０分で平衡状態に達し、重水はおよそ２９０分で平衡状態に達する。
なお、半重水の吸着速度は、軽水と重水とを平均した値になると考えられる。
本発明は、軽水の吸着材への初期の吸着速度が重水および半重水の初期の吸着速度を大きく上回っていることを利用し、かつ、細孔体からなる吸着材を使用することを特徴とする。
ここで、細孔体とは、表面に多数の細孔を有している材料をいう。また、細孔とはアスペクト比が５を越えるもの、すなわち開口部の細孔径Ｄよりも底までの長さが５倍以上長いものをいう。細孔径Ｄとは、図７（ａ）（ｂ）に示すようにゼオライトに代表されるような新円に近いチューブ形状の細孔の場合はその断面の直径、図７（ｃ）（ｄ）に示すように断面が楕円形状の場合は短径をいう。また、図７（ｅ）（ｆ）に示すように活性炭に代表されるスリット形状の細孔のばあい、細孔径Ｄはその断面に入る最大の円の直径をいう。
また、吸着材の表面において、細孔でない比較的平坦な部分の表面積を外表面積と呼ぶが、この外表面積と細孔の内側の表面積の比は、活性炭を代表とする炭素材の場合１：１０を超えるものを細孔体と呼び、シリカやゼオライトに代表される酸化物の場合１：５を超えるものを細孔体という。
また、吸着等温線に立ち上がりがあり、所定の圧力以上で水蒸気を供給したときに急激に吸着する必要がある。ＩＵＰＡＣの吸着等温線の分類においてI型、II型、IV型またはV型に分類される材料を用いることが好ましい。
また、吸着した水蒸気を容易に脱離させることができない不可逆吸着が少ない材料であることが好ましい。
このような吸着材の例としては、活性炭素繊維（株式会社アドール製活性炭素繊維：Ａ２０）、シリカゲル（富士シリシア化学株式会社製，フジシリカゲルＢ形）、アルミノホスフェート系ゼオライト（東ソー株式会社製、ＡＬＰＯ−５）が挙げられる。
表面が平坦な吸着材５を用いて一般的な水蒸気を供給すると、図４（ａ）に示すように軽水７は速やかに吸着して飽和し、重水および半重水８はゆっくりと吸着して飽和する。
その後は吸着材に吸着した水蒸気と空中の水蒸気との間で分子の交換が起こることによって平衡状態となる。
これに対して、細孔体からなる吸着材に一般的な水蒸気を供給すると、図４（ｂ）に示すように初期の吸着速度が大きい軽水７がまず細孔６内に進入して細孔６の内面に吸着する。
次いで、軽水７が飽和し、その後重水および半重水８も飽和する。定常状態になると、細孔６の入り口付近でのみ分子の交換が起こり、細孔６の内部では細長い形状ゆえに、細孔６を満たした軽水７の分子によって外部の分子の進入が阻害され、拡散障害が生じてほとんど分子の交換が起こらない。したがって、細孔内部では、本来の平衡状態よりも軽水濃度が高い状態に保たれる。
そのため、細孔体からなる吸着材では、細孔６の内面に吸着した水蒸気のほとんどは軽水７であり、重水および半重水８はほとんど含まれていない。
＜第一実施形態＞
図５に示すように、第一実施形態の分離装置９は、フローガス（窒素ガス、ヘリウムガス）を各別に供給することができる供給装置１０と、ヘリウムガスに水２および空の試験管３を通過させて水蒸気を供給する水蒸気発生装置１９と、水蒸気またはフローガスが通過するように配置された細孔体からなる吸着材を内蔵する吸着槽１１と、重水素濃縮水出口１２と、重水素低減水出口１３と、窒素ガスの配管およびヘリウムガスの配管のそれぞれに設けられたマスフローコントローラー１７，１８と、バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３とを有する。
第一実施形態では、まず、バルブＶ１とバルブＶ２とを解放し、バルブＶ３を操作して重水素濃縮水出口１２を解放し、供給装置１０から吸着槽１１にマスフローコントローラー１７，１８を用いて５０ｍＬ／ｍｉｎの流量で水蒸気およびフローガスを供給すると、吸着材には軽水が速やかに吸着し、吸着材を通過した水蒸気中の重水素濃度（重水および半重水の濃度）が高くなる。そのため、重水素を多く含む重水素濃縮水を重水素濃縮水出口１２から回収することができる。
次いで、バルブＶ２を閉じ、バルブＶ３を操作して重水素低減水出口１３を解放し、供給装置１０から吸着槽１１にフローガス（窒素ガス）を供給すると、吸着材に吸着していた重水素濃度の低い水蒸気が離脱し、フローガスによって運ばれる。そのため、重水素をほとんど含まない重水素低減水を重水素低減水出口１３から回収することができる。
このように、吸着材に水蒸気を供給して吸着させる工程と、フローガスを供給して水蒸気を脱離させる工程とを交互に繰り返す。
吸着槽１１に供給する一般的な水蒸気の重水素濃度は１５０ｐｐｍであるが、第一実施形態では、重水素濃度が１６０ｐｐｍの重水素濃縮水と、重水素濃度が１３０ｐｐｍの重水素低減水を回収することができた。
第一実施形態によれば、吸着ヒステリシスを示す吸着材を用いなくても、重水素低減水と重水素濃縮水とを容易に分離することができる。
また、吸着材に水蒸気を吸着させると温度が上昇し、その後フローガスを供給したときに水蒸気が脱離しやすくなる。さらに、吸着材から水蒸気を脱離させると温度が低下し、その後水蒸気を供給したときに水蒸気が吸着しやすくなる。
このように、吸着材に水蒸気を吸着させる工程と、水蒸気を脱離させる工程とを交互に繰り返すことで、連続して効率的に重水素濃縮水と重水素低減水とを得ることができる。
＜第二実施形態＞
第二実施形態は、図６に示すように、回転式の吸着材１４を用いたことを特徴とする。
この分離装置９は、水蒸気およびフローガス（窒素ガス等）を供給することができる供給装置１０と、水蒸気またはフローガスが通過するように配置された細孔体からなる吸着材１４と、重水素濃縮水出口１２と、重水素低減水出口１３とを有する。
吸着材１４は円板状または円柱状に形成され、平面を上流方向および下流方向に向けて配置されている。
また、供給装置１０から吸着材１４へ水蒸気およびフローガスを供給するルートと乾燥したフローガスのみを供給するルートとが分かれており、両者は吸着材１４の周方向に並べて配置されている。混合ガスおよびフローガスの供給口は不動である。
第二実施形態では、吸着材１４を周方向に回転させながら、水蒸気およびフローガスの混合ガスと、フローガスとを同時に供給する。
混合ガスの流速は、５０ｍｌ／ｍｉｎ、湿度は９０％になるようにする。
吸着材１４の回転速度は３ｒｐｈに設定する。
吸着材１４に水蒸気が供給されると、軽水が速やかに吸着し、吸着材を通過した水蒸気中の重水素濃度が高くなる。この通過した水蒸気が放出される位置に重水素濃縮水出口１２を設け、重水素濃縮水を回収する。
その後、吸着材１４の回転により、水蒸気を吸着させた部分にフローガスが供給されることになり、吸着材１４に吸着していた重水素濃度の低い水蒸気が離脱し、フローガスによって運ばれる。この水蒸気が放出される位置に重水素低減水出口１３を設け、重水素低減水を回収する。
その後も、吸着材１４の回転により、吸着材１４の所定の部位では、水蒸気の吸着と脱離とが繰り返される。
フローガスのみを供給するルートでは、吸着材からの水蒸気の脱離を促進するため、および気化熱による吸着材の温度低下を緩和するため、高温のフローガスを供給することが好ましい。
ただし、吸着材の回転方向に沿って、フローガスのみを供給するルートから水蒸気を含む混合ガスを供給するルートへ切り替わる付近では、低温のフローガスを流して吸着材を冷却し、水蒸気が吸着しやすくなるようにするのが好ましい。
すなわち、吸着材の任意の箇所では、回転にしたがって、水蒸気を含む混合ガス、高温のフローガス、低温のフローガスが順番に繰り返して供給される。
図６（ｄ）に示すように、重水素濃縮水出口１２から重水素低減水出口１３までの間には、水蒸気を回収せずに排出する中間ゾーン１５を設けることが好ましい。
また、重水素低減水出口１３から重水素濃縮水出口１２までの間には、ほぼ水蒸気を含まないフローガスを排出する中間ゾーン１６を設けることが好ましい。
吸着材１４に供給する一般的な水蒸気の重水素濃度は１５０ｐｐｍであるが、第二実施形態では、重水素濃度が１６０ｐｐｍの重水素濃縮水と、重水素濃度が１３０ｐｐｍの重水素低減水を回収することができた。
第二実施形態でも、吸着ヒステリシスを示す吸着材を用いなくても、重水素低減水と重水素濃縮水とを容易に分離することができる。
また、吸着材１４に水蒸気を吸着させると温度が上昇し、その後フローガスを供給したときに水蒸気が脱離しやすくなる。吸着材１４から水蒸気を脱離させると温度が低下し、その後水蒸気を供給したときに水蒸気が吸着しやすくなる。
このように、吸着材１４に水蒸気を吸着させる工程と、水蒸気を脱離させる工程とを交互に繰り返すことで、連続して重水素濃縮水と重水素低減水とを得ることができる。
さらに、回転する吸着材１４の別々の部分に、水蒸気を含む混合ガスとフローガスとを同時に供給することにより、間断なく水蒸気の吸着と離脱とを繰り返すことができて、重水素濃縮水と重水素低減水とを効率よく生産することができる。
必要に応じて、重水素低減水出口１３から回収された重水素低減水を繰り返し同一または別個の吸着材へ供給し、さらに重水素濃度の低い重水素低減水を得ることができる。
また、重水素濃縮水出口１２から回収された重水素濃縮水を繰り返し同一または別個の吸着材へ供給し、さらに重水素濃度の高い重水素濃縮水を得ることができる。
また、図６に示す第二実施形態の分離装置を内部に備え、重水素低減水出口１３から回収される水蒸気をそのまま拡散放出する加湿器を製造することもできる。
この加湿器は、重水素濃度の低い水蒸気を供給することができる。
なお、この加湿器において、重水素濃縮水出口１２から回収される水蒸気は、凝縮して所定の容器に貯留し、廃棄または利用できるようにしておく。
＜変形例＞
また、第二実施形態の変形例として、水蒸気を供給する代わりに液体の水を供給することもできる。
この場合、水の供給口は吸着材１４の下部に、乾燥フローガスの供給口は吸着材１４の上部に配置する。回転に伴い吸着材１４の一部が所定時間水に浸漬して、その後水から引き上げられ、乾燥フローガスを通過させることによって、まず吸着材の間隙にある液体の水を除去し、次いで吸着材に吸着している水蒸気を脱離させる。
吸着材１４を水に浸漬させると吸着材１４の細孔には軽水の水蒸気が速やかに吸着するため、乾燥フローガスを通過させると、最初に、吸着材の間隙にある吸着に関係ない液体の水が除去され、次に吸着材の平面に付着している水蒸気が脱離し、次いで吸着材の細孔に付着している重水素濃度の低い水蒸気が脱離する。
したがって、吸着材の間隙や平面の水および水蒸気が排出される位置に排出口を形成し、重水素濃度の低い水蒸気が排出される位置に重水素低減水出口１３を形成する。
なお、吸着材の間隙にある水や、外表面（平面）に付着している水蒸気の重水素濃度は、１５０ｐｐｍからほとんど変化していない。
＜試験＞
本発明の効果を測定するため、試験を行った。
吸着材には、円柱状に形成した活性炭Ａ２０を用いた。
図８（ａ）に示すように、吸着材の入り口側の表面のうち、２４０度の範囲に水蒸気を含む混合ガスが供給され、残りの１２０度の範囲に乾燥したフローガスが供給される。混合ガスおよびフローガスの供給口は不動である。
吸着材の周上の位置に、ほぼ６０度ごとに符号Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇを付して区別する。ＡとＧとはほぼ隣接している。ＡからＧは固定された位置であるため、吸着材が回転しても動かないものとする。
吸着材は、周方向に３ｒｐｈの回転速度で回転させられる。
図８に示すように、吸着材の回転の方向は、吸着材の一部がＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ａの順番で循環するようにする。
ＡからＥには湿度９０％の水蒸気とフローガスとの混合ガスが供給され、Ｆには高温の乾燥フローガスが供給され、Ｇには低温の乾燥フローガスが供給される。
位置ＡからＧにおいて吸着材に流入した水蒸気またはフローガスは、吸着材の回転に伴い、ちょうど流入したのと同じ位置にさしかかったときに排出される。
図９は、試験を開始してからの時間経過と、各箇所での重水素濃度との関係を示す表である。
Ａ，Ｂのように、乾燥した吸着材に水蒸気を流してから４０分くらいまでは、供給された水蒸気は全て吸着材に吸着されるため、吸着材の出口から排出されるガスの湿度は０％であった。
Ｃ，Ｄ，Ｅでは、吸着しきれなかった水蒸気が出口から排出される。吸着材には軽水が選択的に吸着するため、排出される水蒸気の重水素濃度が１５５〜１６５ｐｐｍとなり、重水素濃縮水を得ることができた（重水素濃縮水出口）。
Ｆでは、吸着材に吸着していた水蒸気が乾燥フローガスによって脱離させられるため、排出される水蒸気の重水素濃度が１２５ｐｐｍとなり、重水素低減水を得ることができた（重水素低減水出口）。
１ 測定装置
２ 水
３ 試験管
４ 吸着材
５ 吸着材
６ 細孔
７ 軽水
８ 重水および半重水
９ 分離装置
１０ 供給装置
１１ 吸着槽
１２ 重水素濃縮水出口
１３ 重水素低減水出口
１４ 吸着材
１５，１６ 中間ゾーン
１７，１８ マスフローコントローラー
１９ 水蒸気発生装置
Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３ バルブ
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ 位置

Claims (3)

  1. 水から重水および半重水を除去し、重水素低減水を製造する方法であって、
    開口部の細孔径よりも底までの長さが５倍以上長い細孔を有するとともに、上記細孔でない部分の外表面積と上記細孔の内側の表面積との比が１：１０を超える炭素材または上記細孔でない部分の外表面積と上記細孔の内側の表面積との比が１：５を超える酸化物からなる細孔体からなる吸着材に水蒸気を所定時間供給し通過させながら軽水を多く吸着させた後、
    上記吸着材に吸着した重水および半重水の濃度が低い上記水蒸気を脱離させて重水素低減水を回収することを特徴とする重水素低減水の製造方法。
  2. 水から軽水を除去し、重水素濃縮水を製造する方法であって、
    開口部の細孔径よりも底までの長さが５倍以上長い細孔を有するとともに、上記細孔でない部分の外表面積と上記細孔の内側の表面積との比が１：１０を超える炭素材または上記細孔でない部分の外表面積と上記細孔の内側の表面積との比が１：５を超える酸化物からなる細孔体からなる吸着材に水蒸気を所定時間供給し通過させながら上記吸着材に軽水を多く吸着させ、上記吸着材に吸着せずに通過した重水および半重水の濃度が高い上記水蒸気から重水素濃縮水を回収することを特徴とする重水素濃縮水の製造方法。
  3. 水から軽水を除去し、重水素濃縮水を製造する方法であって、
    開口部の細孔径よりも底までの長さが５倍以上長い細孔を有するとともに、上記細孔でない部分の外表面積と上記細孔の内側の表面積との比が１：１０を超える炭素材または上記細孔でない部分の外表面積と上記細孔の内側の表面積との比が１：５を超える酸化物からなる細孔体からなる吸着材を周方向に回転させるとともに、水蒸気の供給口と水蒸気を含まないフローガスの供給口とを、上記吸着材の回転の周方向に並べて配置し、
    上記吸着材の一部に上記水蒸気を供給して通過させて軽水を多く吸着させ、上記吸着材に吸着せずに通過した重水および半重水の濃度が高い上記水蒸気から重水素濃縮水を回収し、
    これと同時に上記吸着材の他の部分に上記フローガスを供給して通過させ、上記吸着材に吸着した上記水蒸気を脱離させることを特徴とする重水素濃縮水の製造方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS53110800A (en) * 1977-03-08 1978-09-27 Toshiba Corp Separation method of hydrogen isotope
CN1198977C (zh) * 2003-05-29 2005-04-27 中国科学院山西煤炭化学研究所 一种控制酚醛基活性炭纤维孔径分布的方法
DE102004044592A1 (de) 2004-09-13 2006-03-30 Basf Ag Verfahren zur Trennung von Chlorwasserstoff und Phosgen
JP4102400B2 (ja) * 2005-09-30 2008-06-18 独立行政法人 日本原子力研究開発機構 機器の除染方法及び機器の除染装置
CN100532297C (zh) * 2008-01-17 2009-08-26 上海上善若水生物工程有限公司 一种饮用超轻水的生产装置和方法
JP2011214740A (ja) * 2010-03-31 2011-10-27 Yamatake Corp 吸脱着装置および吸着質交換状態監視方法
JP2012158499A (ja) 2011-02-01 2012-08-23 Fc Kaihatsu Kk 重水素低減水製造方法および装置
CA2930518C (en) * 2013-11-13 2021-01-05 Savannah River Nuclear Solutions, Llc Decontamination of tritiated water
TWI653086B (zh) * 2014-08-29 2019-03-11 國立大學法人信州大學 重氫低減之水的製造方法、重水與輕水的分離方法以及重氫濃縮水的製造方法
TWI682902B (zh) * 2015-03-31 2020-01-21 國立大學法人信州大學 氘耗乏水之製造方法、重水與輕水之分離方法及氘濃縮水之製造方法

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