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
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)。
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)
- 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。 - 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。 - 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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