Способ и устройство для концентрации изотопов кислорода - RU2388525C2

Чертежи

Описание

Область техники

Настоящее изобретение относится к способу концентрации¹⁷О или¹⁸О, которые редко существуют как устойчивые изотопы кислорода, посредством реакции фотодиссоциации. Кроме того, настоящее изобретение также относится к способу очистки¹⁶О посредством удаления¹⁷О и¹⁸О способом концентрации.

Приоритет заявлен по заявке Японии №2005-093067, поданной 28 марта 2005 г., содержание которой включено сюда посредством ссылки.

Уровень техники

Существует способ концентрации¹⁷О или¹⁸О, который представляет собой изотоп кислорода, использующий фотохимическую реакцию. Этот способ представляет собой способ, в котором озон вырабатывается из кислорода как исходного материала посредством озонатора, полученный газообразный озон отделяется посредством перегонки и отделенный газообразный озон облучается посредством полупроводникового лазера, чтобы обеспечить избирательное разложение желаемых меченых изотопологов, содержащих устойчивый изомер кислорода, как, например,¹⁷О или¹⁸О, и посредством этого¹⁷О или¹⁸О концентрируется в образованных молекулах кислорода (Патентный Документ №1).

В противоположность этому также был предложен способ, в котором для улучшения эффективности концентрации изотопов кислорода предотвращается спонтанная диссоциация молекул озона, не содержащих изотопов, посредством понижения концентрации озона посредством добавления инертного газа к озону на стадии обработки озона высокой концентрации и предотвращается понижение эффективности концентрации изотопов кислорода (Патентный Документ №2).

Патентный Документ №1: Не прошедшая экспертизу заявка на патент Японии, первая публикация №2004-261776;

Патентный Документ №2: Не прошедшая экспертизу заявка на патент Японии, первая публикация №2005-040668.

Раскрытие изобретения

Проблемы, которые должны быть решены посредством настоящего изобретения

Изобретение, раскрытое в не прошедшей экспертизу заявке на патент Японии, первая публикация №2005-040668, имеет отличительный признак - смешивание по меньшей мере одного инертного газа, выбранного из группы, состоящей из криптона, ксенона и радона, с озоном.

Однако ксенон и радон иногда реагируют с кислородом и производят неустойчивые соединения посредством тихого электрического разряда или облучения ультрафиолетовыми лучами в озонаторе.

Кроме того, когда разделяются недиссоциированный озон и кислород, ксенон и криптон затвердевают в зависимости от рабочих температур и существует возможность увеличения концентрации озона.

Поэтому, когда изотопы кислорода концентрируются с использованием инертного газа, возникает проблема, заключающаяся в том, что такой режим работы ограничивается в зависимости от свойств используемого инертного газа.

Кроме того, для того чтобы сделать длинным средний свободный проход молекул озона и предотвращать столкновение молекул в максимально возможной степени в ячейке фотореактора, рабочее давление предпочтительно является низким, таким как, например, 13 кПа (100 Торр) или менее. Однако, когда озон обрабатывается при низких давлениях, возникает проблема, заключающаяся в том, что количество газа, обработанного на последующей стадии перегонки, уменьшается.

Посредством настоящего изобретения решаются вышеуказанные проблемы и обеспечивается способ и устройство, в котором после разбавления озона газом концентрация озона сохраняется низкой в таком режиме, что инертный газ затвердевает, молекулы озона, содержащие¹⁷О или¹⁸О, которые представляют собой устойчивый изотоп кислорода, подвергаются фотодиссоциации стабильно и избирательно, чтобы получить молекулы кислорода, и посредством этого¹⁷О или¹⁸О непрерывно концентрируются в молекулах кислорода с высокой эффективностью.

Средство решения проблемы

Для того чтобы решить указанные проблемы, настоящее изобретение обеспечивает способ концентрации изотопов кислорода, содержащий: стадию фотодиссоциации озона, на которой смешанный газ, содержащий CF₄ и озон, облучают светом, чтобы избирательно диссоциировать меченые изотопологи озона, содержащие желаемый изотоп кислорода в озоне, в молекулы кислорода; стадию улавливания для улавливания смешанного газа, содержащего молекулы кислорода, образованные посредством диссоциации озона на стадии фотодиссоциации озона, недиссоциированные молекулы озона и CF₄; и стадию концентрации изотопов кислорода, на которой молекулы кислорода отделяют от недиссоциированных молекул озона и CF₄ в улавливаемом смешанном газе и изотопы кислорода концентрируют в отделенных молекулах кислорода.

В способе концентрации изотопов кислорода, предпочтительно, стадия концентрации изотопов кислорода представляет собой разделение перегонкой, которую осуществляют в сосуществовании с CF₄.

Предпочтительно, способ концентрации изотопов кислорода включает перед стадией фотодиссоциации озона стадию образования озона, на которой озон вырабатывают из исходного материала кислорода, и стадию отделения озона, на которой CF₄ добавляют к газу, содержащему озон, выработанному на стадии образования озона, и смешанный газ CF₄-озон, содержащий CF₄ и озон, отделяют от непрореагировавшего исходного материала кислорода, и смешанный газ CF₄-озон, отделенный на стадии отделения озона, подают на стадию фотодиссоциации озона.

В способе концентрации изотопов кислорода, предпочтительно, стадию образования озона осуществляют посредством добавления по меньшей мере одного инертного газа, выбранного из группы, состоящей из гелия, неона и аргона, к исходному материалу - кислороду.

Предпочтительно, способ концентрации изотопов кислорода содержит после стадии концентрации изотопов кислорода стадию диссоциации озона, на которой озон в смешанном газе, отделенный на стадии концентрации изотопов кислорода, разлагают в кислород; и стадию отделения CF₄, на которой CF₄ отделяют от кислорода, образованного на стадии диссоциации озона, и CF₄, отделенный на стадии отделения CF₄, смешивают с озоном, образованным на стадии образования озона, и посредством этого осуществляют рециркуляцию CF₄.

Предпочтительно, способ концентрации изотопов кислорода содержит между стадией концентрации изотопов кислорода и стадией диссоциации озона вторую стадию фотодиссоциации озона, на которой смешанный газ, содержащий недиссоциированные молекулы озона и CF₄, отделенные на стадии концентрации изотопов кислорода, облучают посредством другого света, имеющего длину волны, отличную от длины волны света, облучающего на стадии фотодиссоциации озона, чтобы избирательно диссоциировать другие меченые изотопологи озона, содержащие другой изотоп кислорода, чем меченые изотопологи озона, диссоциированные на стадии фотодиссоциации озона; вторую стадию улавливания для улавливания смешанного газа, содержащего молекулы кислорода, образованные посредством диссоциации на второй стадии фотодиссоциации озона, недиссоциированные молекулы озона и CF₄; и вторую стадию концентрации изотопов кислорода, на которой молекулы кислорода отделяются от недиссоциированных молекул озона и CF₄ в улавливаемом смешанном газе, и изотопы кислорода концентрируют в отделенных молекулах кислорода.

В способе концентрации изотопов кислорода, предпочтительно, свет, используемый на стадии фотодиссоциации озона, представляет собой либо свет вблизи инфракрасного в диапазоне 700-1000 нм, либо видимый свет в диапазоне 450-850 нм.

В способе концентрации изотопов кислорода, предпочтительно, длина волны света, используемого для фотодиссоциации озона, находится в диапазоне 991,768-992,684 нм.

В способе концентрации изотопов кислорода, предпочтительно, длину волны поглощения озона регулируют посредством наложения электрического поля, когда производится облучение светом на стадии фотодиссоциации озона.

В способе концентрации изотопов кислорода, предпочтительно, стадию фотодиссоциации озона осуществляют при низких температурах и низких давлениях.

В способе концентрации изотопов кислорода, предпочтительно, температура, при которой улавливают смешанный газ, составляет 160 К или менее, и смешанный газ CF₄-озон непрерывно затвердевает и улавливается на стадии улавливания.

Кроме того, в способе концентрации изотопов кислорода также предпочтительно, изотоп кислорода, содержащийся в молекулах озона, подлежащих диссоциации на стадии фотодиссоциации озона, является по меньшей мере одним состоящим из¹⁷О и¹⁸О.

Кроме того, для того чтобы решить указанные проблемы, настоящее изобретение обеспечивает устройство, содержащее: средство для фотодиссоциации озона для облучения светом смешанного газа, содержащего CF₄ и озон, для того чтобы диссоциировать меченые изотопологи озона, содержащие желаемый изотоп кислорода в озоне, и средство для концентрации изотопов кислорода для отделения молекул кислорода, образованных посредством фотодиссоциации озона, от недиссоциированного озона и CF₄ и концентрации изотопов кислорода в отделенных молекулах кислорода.

Эффекты настоящего изобретения

В соответствии со способом и устройством для концентрации изотопов кислорода согласно настоящему изобретению возможно, чтобы фотодиссоциация озона осуществлялась стабильно, в то же время сохраняя концентрацию озона низкой в режиме, в котором инертный газ затвердевает и¹⁷О и¹⁸О непрерывно концентрируются с высокой эффективностью.

Когда стадия образования озона осуществляется посредством добавки по меньшей мере одного инертного газа, выбранного из группы, состоящей из гелия, неона и аргона, к исходному материалу кислороду, кислород разбавляется инертным газом. Посредством этого, когда кислород отделяется на стадии отделения озона, регулирование расхода кислорода становится проще по сравнению с регулированием расхода небольшого количества кислорода высокой чистоты и обработка улучшается.

Когда способ концентрации изотопов кислорода содержит после стадии концентрации изотопов кислорода стадию диссоциации озона, на которой молекулы озона в смешанном газе, отделенные на стадии концентрации изотопов кислорода, разлагаются, и стадию отделения CF₄, на которой CF₄ отделяется от молекул кислорода, образованных на стадии диссоциации озона, и CF₄, отделенный на стадии отделения CF₄, смешивается с озоном, образованным на стадии образования озона, CF₄, отделенный от смешанного газа, полученного на стадии концентрации изотопов кислорода, рециркулирует на стадию образования озона. Посредством этого CF₄может быть повторно использован, и эффективность может быть повышена.

Когда способ концентрации изотопов кислорода содержит между стадией концентрации изотопов кислорода и стадией диссоциации озона вторую стадию фотодиссоциации озона, на которой смешанный газ, содержащий недиссоциированные озон и CF₄, отделенные на стадии концентрации изотопов кислорода, облучается посредством света, имеющего длину волны, отличную от длины волны света, облучающего на стадии фотодиссоциации озона для того, чтобы избирательно диссоциировать меченые изотопологи озона в молекулы кислорода, которые являются отличными от меченых изотопологов озона, диссоциированных на стадии фотодиссоциации озона; вторую стадию улавливания, на которой смешанный газ, содержащий молекулы кислорода, образованные посредством диссоциации на второй стадии фотодиссоциации озона, недиссоциированные озон и CF₄; и вторую стадию концентрации изотопов кислорода, на которой молекулы кислорода отделяются от недиссоциированного озона и СF₄ в улавливаемом смешанном газе, и изотопы кислорода концентрируются в отделенных молекулах кислорода. Возможно непрерывно осуществлять фотодиссоциацию меченых изотопологов озона, содержащих различные виды изотопов кислорода, и непрерывно производить концентрацию изотопов кислорода, посредством этого изотопы кислорода эффективно концентрируются.

В способе концентрации изотопов кислорода, когда свет, используемый на стадии фотодиссоциации озона, находится в диапазоне 700-1000 нм, в частности свет вблизи инфракрасного в диапазоне 991,768-992,684 нм или видимый свет в диапазоне 450-850 нм, или когда длина волны поглощения молекулами озона регулируется посредством наложения электрического поля на стадии фотодиссоциации озона, возможно производить эффективно и избирательно диссоциацию меченых изотопологов озона, содержащих желаемый изотоп кислорода, в молекулы кислорода, и изотопы кислорода эффективно концентрируются.

Когда стадия фотодиссоциации озона осуществляется при низких температурах и низких давлениях, поскольку меченые изотопологи озона, содержащие желаемые изотопы кислорода, эффективно поглощают свет, стимулируется избирательная фотодиссоциация. Кроме того, спонтанная диссоциация в молекулы кислорода предотвращается и изотопы кислорода эффективно концентрируются.

Когда температура, при которой смешанный газ улавливается, составляет 160 K или менее, и смешанный газ CF₄-озон непрерывно затвердевает и улавливается на стадии улавливания, смешанный газ, образованный на стадии фотодиссоциации озона, эффективно улавливается и изотопы кислорода эффективно концентрируются.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 представляет собой схематическое изображение, показывающее первый вариант осуществления способа концентрации устойчивых изотопов кислорода в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.2 представляет собой схематическое изображение, показывающее второй вариант осуществления способа концентрации устойчивых изотопов кислорода в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.3 представляет собой схематическое изображение, показывающее третий вариант осуществления способа концентрации устойчивых изотопов кислорода в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.4 представляет собой график, показывающий спектр поглощения молекулами озона.

Объяснение ссылочных позиций

11: стадия образования озона

12: стадия отделения озона

13: стадия фотодиссоциации озона

14: стадия концентрации изотопов кислорода

15: первый проход

16: второй проход

17: третий проход

18: четвертый проход

19: пятый проход

21: вторая стадия фотодиссоциации озона

22: вторая стадия концентрации изотопов кислорода

23: стадия диссоциации озона

24: стадия извлечения CF₄

25: шестой проход

26: седьмой проход

31: стадия улавливания

GO: исходный материал кислород

KG: инертный газ

CF: тетрафторид углерода (CF₄)

RO: исходный материал кислород или рециркулирующий исходный материал кислород

ОС, ОС1, ОС2: кислород, содержащий желаемый изотоп кислорода

OF, OF1, OF2: смешанный газ CF₄-озон

OF3: смешанный газ CF₄-кислород

WO: кислород в смешанном газе (OF3), CF₄-кислород

L, L1, L2: свет, имеющий определенную длину волны

Наилучший способ осуществления изобретения

Ниже настоящее изобретение будет объяснено подробно.

Фиг.1 представляет собой схематическое изображение, показывающее первый вариант осуществления способа концентрации устойчивых изотопов кислорода в соответствии с настоящим изобретением, и конкретно показывает вариант осуществления способа концентрации с использованием устройства, содержащего как единое целое устройство для получения смешанного газа CF₄-озона на предшествующей ступени устройства для концентрации устойчивых изотопов кислорода.

Первый вариант осуществления настоящего изобретения объясняется подробно.

Этот вариант осуществления содержит стадию 11 образования озона, на которой озон образуется посредством тихого разряда из исходного материала кислорода GO или облучения исходного материала кислорода GO светом от ртутной лампы и так далее, стадию 12 отделения озона, на которой исходный материал кислород, содержащий озон, образованный на стадии 11 образования озона, разделяется на озон OZ и исходный материал кислород RO, стадию 13 фотодиссоциации озона, на которой озон OZ, отделенный на стадии 12 отделения озона, облучается светом L, имеющим определенную длину волны в присутствии CF₄, чтобы производить избирательную диссоциацию молекул озона, содержащих желаемый изотоп кислорода, в молекулы кислорода, стадию 31 улавливания, на которой смешанный газ, содержащий кислород ОС, выработанный на стадии 13 фотодиссоциации озона, недиссоциированный озон и CF₄, охлаждается и улавливается, и стадию 14 концентрации изотопов кислорода, на которой кислород ОС, выработанный посредством диссоциации озона, отделяется от недиссоциированного озона OZ для того, чтобы концентрировать изотопы кислорода в кислороде.

Кроме того, установка, содержащая блоки для проведения этих стадий, дополнительно содержит первый проход 15 для введения исходного материала кислорода на стадию 11 образования озона, второй проход 16 для введения кислорода, содержащего озон, образованный на стадии 11 образования озона, на стадию 12 отделения озона, третий проход 17 для введения по меньшей мере одного инертного газа KG, выбранного из группы, состоящей из гелия, неона и аргона, и четвертый проход 18 и/или пятый проход 19 для введения CF₄ (аббревиатура «CF» на фиг.1), используемого, чтобы разбавлять озон, который предусмотрен на по меньшей мере одной подходящей позиции на стадии 12 отделения озона.

Кроме того, инертный газ KG вводится из третьего прохода 17, как объяснено выше. Введенный инертный газ KG выпускается из установки вместе с исходным материалом кислородом RO после отделения озона на стадии 12 отделения озона. Кроме того, CF₄, введенный из четвертого прохода 18 и/или пятого прохода 19, как объяснено ниже, концентрируется на стороне озона OZ на стадии 12 отделения озона. Поэтому смешанный газ, содержащий CF₄ и озон OZ, подается на стадию 13 фотодиссоциации озона без подачи инертного газа KG.

На стадии 11 образования озона озон может быть образован легко посредством тихого разряда из кислорода, служащего исходным материалом, посредством озонатора или посредством облучения ультрафиолетовым светом от ртутной лампы и так далее. Хотя кислород высокой чистоты, который содержит так мало примесей как, например, азота, как только возможно, предпочтительно используется в качестве исходного материала кислорода, если эти примеси могут быть адекватно отделены, когда разделяются озон и кислород, тогда промышленный кислород, имеющий чистоту приблизительно 99,5%, может также быть использован в качестве исходного материала кислорода.

Кроме того, также возможно, что смесь CF₄-озон предварительно образуется на другой стадии, и смесь CF₄-озон вводится на стадию 13 фотодиссоциации озона. Посредством этого вариант осуществления может содержать только стадию 13 фотодиссоциации озона и стадию 14 концентрации изотопов кислорода без стадии 11 образования озона и стадии 12 отделения озона.

В этом случае кислород, содержащий¹⁷О или¹⁸О, сконцентрированный посредством способа концентрации по настоящему изобретению, так же как и кислород, содержащий¹⁷О или¹⁸О, сконцентрированный другими способами, может быть использован в качестве исходного материала кислорода. Более того, разделение кислорода, озона и CF₄ легко осуществляется посредством низкотемпературной сухой перегонки или низкотемпературной адсорбции с использованием адсорбента, как, например, силикагеля.

На стадии 12 отделения озона, предпочтительно, исходный материал кислород и смешанный газ CF₄-озон разделяются посредством низкотемпературной сухой перегонки с использованием перегонной колонны. Когда используется перегонная колонна и смесь CF₄-озон - исходный материал кислород охлаждается до определенной температуры в теплообменном устройстве, кислород концентрируется в верхней части перегонной колонны, и озон OZ и CF₄ концентрируются в нижней части перегонной колонны.

Кроме того, режим работы перегонной колонны не ограничен, но предпочтительно, чтобы режим работы был установлен таким образом, чтобы не содержать кислород на стороне озона в максимально возможной степени, поскольку, когда кислород загрязняется озоном на стадии 13 фотодиссоциации озона, концентрация молекул кислорода, содержащих желаемые изотопы кислорода, уменьшается.

Кроме того, азот, аргон или кислород при соответствующей температуре могут быть использованы в качестве источника охлаждения для конденсатора или источника тепла для ребойлера, который представляет собой дополнительное устройство, необходимое для работы перегонной колонны.

На стадии 13 фотодиссоциации озона смесь CF₄-озон, содержащая озон при низкой концентрации, посредством добавки CF₄ облучается светом, имеющим определенную длину волны для того, чтобы производить избирательную фотодиссоциацию меченых изотопологов озона, содержащих желаемые изотопы кислорода в их молекулах.

В соответствии с видами изотопов кислорода и их сочетанием имеются 18 типов вышеупомянутых меченых изотопологов озона, состоящих из¹⁶О¹⁶О¹⁶О,¹⁶О¹⁶О¹⁷О,¹⁶О¹⁷О¹⁶О,¹⁶О¹⁶О¹⁸О,¹⁶О¹⁸О¹⁶О,¹⁶O¹⁷O¹⁷O,¹⁷O¹⁶O¹⁷O,¹⁶O¹⁷O¹⁸O,¹⁷O¹⁶O¹⁸O,¹⁶O¹⁸O¹⁷O,¹⁷O¹⁷O¹⁷O,¹⁶O¹⁸O¹⁸O,¹⁸O¹⁶O¹⁸O,¹⁷O¹⁷O¹⁸O,¹⁷O¹⁸O¹⁷O,¹⁷O¹⁸O¹⁸O,¹⁸O¹⁷O¹⁸O и¹⁸O¹⁸O¹⁸O.

В настоящем изобретении молекулы кислорода, содержащие желаемый изотоп кислорода, образованы благодаря фотодиссоциации посредством облучения смеси этих различных типов меченых изотопологов определенным светом.

Например, когда меченый изотополог¹⁶О¹⁶О¹⁷О облучается светом, три молекулы кислорода образуются из двух молекул озона в соответствии с формулами реакции, показанными ниже.

Как показано в формуле реакции (1),¹⁷О, который содержится в молекуле озона, которая была подвергнута фотодиссоциации, либо содержится в образованном «O₂», либо находится в форме «О». Этот «О» немедленно реагирует с другой молекулой озона, чтобы образовать две молекулы кислорода, как показано в формуле реакции (2). В связи с этим¹⁷О присутствует в одной из трех молекул кислорода, образованных по формулам реакций (1) и (2). Это означает, что¹⁷О концентрируется в молекулах кислорода, образованных посредством диссоциации молекул озона. Хотя здесь имеется возможность того, что¹⁷О или¹⁸О также содержатся в молекуле озона, которая реагирует по формуле реакции (2), вероятность этого чрезвычайно низка, так что этим количеством можно пренебречь.

Энергия диссоциации связи озона составляет 1,05 (eV), и озон диссоциирует посредством поглощения света, имеющего длину волны 1,18 мкм или менее. Известно, что это поглощение света озоном имеет место в диапазонах спектра, указанных ниже.

В этих диапазонах спектра, вблизи длины волны 1000 нм (волновое число: 10000 см^-1) спектра поглощения Wulf, острый пик поглощения, как показано на фиг.4, наблюдается в соответствии с литературой (Journal of Chemical Physics, Vol.108, №13, стр.5449-5475). На фиг.4 показана оптическая спектральная поглощательная способность для света для¹⁶O₃ (¹⁶O¹⁶O¹⁶O) и¹⁸О₃ (¹⁸О¹⁸О¹⁸О). Можно понять из фиг.4, что максимальный пик¹⁶О₃ представляет собой волновое число приблизительно 10081 см^-1(длина волны: 991,965 нм) и максимальный пик¹⁸О₃ представляет собой волновое число приблизительно 10076 см^-1 (длина волны: 992,457 нм).

Кроме того, в другом документе «Spectrochimica Acta, Part A 57 (2001), стр.561-579» выполнено определение атрибуции уровня вибрации-вращения на основе экспериментов и расчетов. В соответствии с результатами максимальный пик¹⁶О₃ представляет собой волновое число 10083 см^-1 (длина волны: 991,768 нм) и максимальный пик¹⁸О₃ представляет собой волновое число 10073,7 см^-1 (длина волны: 992,684 нм). Таким образом, длина волны, при которой меченый изотополог молекул озона, содержащих¹⁷О или¹⁸О, может быть эффективно диссоциирован, расположена между 10073,7 см^-1 и 10083 см^-1, и необходимо понять, что желаемый озон может быть избирательно диссоциирован посредством выбора длины волны в пределах этого диапазона.

Хотя другие пики поглощения могут быть использованы, с точки зрения эффективности диссоциации озона, вышеупомянутый диапазон является оптимальным. В частности, также имеется выгода от такого света в диапазоне спектра вблизи инфракрасного или видимого света, который легче обрабатывать по сравнению со случаем использования света в ультрафиолетовом диапазоне спектра. Кроме того, если используется ультрафиолетовый свет с высоким уровнем энергии, кроме меченого изотополога озона, который является целью, другие меченые изотопологи озона могут также оканчиваться, так как они диссоциируют, посредством этого понижая эффективность концентрации изотопов кислорода.

В случае недостаточной избирательной эффективности диссоциации в связи с тем, что источник света слегка смещается от желаемой длины волны диссоциации озона, поскольку длина волны поглощения озона может быть смещена с использованием эффекта Старка посредством наложения электрического поля на озон при облучении его светом, длина волны поглощения озоном может быть выполнена в точном соответствии с длиной волны источника света.

Примеры источников света, которые могут быть использованы, чтобы получить свет с этой длиной волны, включают спектр солнечного света, так же как и свет от цветного лазера, способного к оптической накачке посредством InGaAsP полупроводникового лазера или светоизлучающего диода, AlGaInP полупроводникового лазера или светоизлучающего диода, GaAsSb полупроводникового лазера или светоизлучающего диода, CdZnTe полупроводникового лазера или светоизлучающего диода, CdZnSe полупроводникового лазера или светоизлучающего диода, ртутной лампы, YAG лазера, Ar ионного лазера или Kr ионного лазера.

При облучении озона светом свет предпочтительно излучается при низком давлении, например 13 кПа (100 Торр) или менее, для того чтобы удлинять средний свободный путь молекул озона и подавлять столкновения молекул в максимально возможной степени. В результате увеличений ширины поглощения света, вызываемых столкновениями молекул, можно избежать.

Для того чтобы подавлять спонтанную диссоциацию озона, предпочтительно охлаждать не только в течение облучения озона светом, но вдобавок всю установку до низкой температуры в пределах диапазона, например, 100-250 K. В результате, в дополнение к тому, чтобы сделать пики поглощения более острыми, образование кислорода посредством спонтанной диссоциации может быть подавлено, посредством этого обеспечивая возможность улучшения скорости концентрации кислорода, содержащего изотопы кислорода.

В этом случае возможно использовать ячейку фотореактора, снабженную специальным источником света, на стадии 13 фотодиссоциации озона и использовать азот, аргон или кислород при соответствующей температуре как охлаждающий источник для охлаждения ячейки фотодиссоциации.

Давление в установке, содержащей ячейку фотореактора, может быть понижено посредством вакуумного насоса с проходом, который направлен книзу от ячейки фотореактора, или сжижения-сброса давления с использованием сжиженного азота и тому подобного. Давление и температура в установке, содержащей ячейку фотореактора, могут быть отрегулированы в зависимости от режима диссоциации озона в пределах диапазона, в котором не сжижаются или не затвердевают озон и CF₄.

В случае концентрации изотопов кислорода с использованием озона предпочтительно использовать озон, имеющий такую высокую чистоту, как только возможно, принимая во внимание эффективность облучения светом и эффективность концентрации. Однако использование озона высокой чистоты может приводить в результате к проблемам, как, например, понижению концентрации молекул кислорода, содержащих изотоп, как показано ниже.

Реакция фотодиссоциации озона представляет собой реакцию, в которой две молекулы озона производят три молекулы кислорода, как показано в формулах реакции (1) и (2), и она представляет собой экзотермическую реакцию. Поэтому молекулы кислорода, которые получаются посредством диссоциации, иногда имеют большую величину кинетической энергии. Посредством этого, когда концентрация озона является высокой, имеется возможность того, что молекулы кислорода иногда сталкиваются с молекулами озона и производят диссоциацию молекул озона в молекулы кислорода.

Поскольку такое столкновение молекул кислорода происходит не избирательно, имеется возможность того, что желаемый изотоп кислорода содержится в молекулах кислорода, образованных посредством столкновения с молекулами озона, но вероятность этого является чрезвычайно низкой. Поэтому кислород, содержащий желаемый изотоп кислорода, полученный в результате диссоциации посредством облучения светом L1, заканчивается, так как он разбавляется.

Кроме того, когда концентрация озона является высокой, увеличивается возможность контакта озона с металлической поверхностью, имеющей функции катализатора, и его спонтанной диссоциации. Когда большое количество молекул кислорода, которые не содержат желаемого изотопа кислорода, вырабатывается посредством спонтанной диссоциации, поскольку молекулы кислорода загрязняются кислородом, который должен быть отделен на стадии концентрации изотопов кислорода, процент концентрации изотопов кислорода значительно понижается.

Напротив, озон OZ, образованный посредством отделения на стадии 12 отделения озона, разбавляется посредством смешивания с CF₄. Молекулы кислорода, имеющие большую величину кинетической энергии, сталкиваются с CF₄ и рассеивают и теряют свою кинетическую энергию согласно настоящему изобретению. Поэтому необходимо понизить возможность того, что молекулы кислорода, имеющие большую величину кинетической энергии, сталкиваются с молекулами озона, чтобы диссоциировать. Поэтому также необходимо подавлять выработку молекул кислорода, которые не содержат желаемого изотопа кислорода.

Кроме того, поскольку озон разбавляется посредством смешивания с CF₄, также необходимо подавлять спонтанную диссоциацию, вызываемую контактированием озона с металлической поверхностью, имеющей функции катализатора. В связи с этими воздействиями процент концентрации изотопов кислорода может быть повышен.

Кроме того, поскольку CF₄ почти не оказывает влияния на фотохимическую реакцию озона на стадии 13 фотодиссоциации озона, когда озон разбавляется посредством CF₄, желаемые меченые изотопологи озона избирательно диссоциируют посредством фотохимической реакции.

Поскольку смешивание озона и CF₄ может быть осуществлено в любой позиции на каждой стадии, соответствующее количество CF₄ может быть смешано на каждой стадии. Когда низкотемпературная сухая перегонка выполняется на стадии 14 концентрации изотопов кислорода и стадии 12 отделения озона, соответствующее количество CF₄ добавляется в сжиженный озон так, чтобы концентрация озона не была высокой. Однако также возможно добавлять концентрированный CF₄ в газовую фазу, используемую для того, чтобы получить восходящий газ или падающую жидкость, что является необходимым для операции перегонки.

Поскольку смешанный газ, образованный на стадии 13 фотодиссоциации озона, непрерывно улавливается на последующей стадии 31 улавливания, возможно эффективно достигать концентрации изотопов кислорода на последующей стадии 14 концентрации изотопов кислорода.

Улавливание смешанного газа предпочтительно выполняется при 160 К или менее и, более предпочтительно, при от 90 до 160 K, что представляет собой диапазон температур, в котором смесь CF₄-озон представляет собой жидкость.

Как объяснено выше, потеря озона в связи со спонтанной диссоциацией или диссоциацией озона, вызванной столкновением с образованными молекулами кислорода, может быть предотвращена посредством осуществления стадии 13 фотодиссоциации озона в присутствии CF₄.

На последующей стадии 14 концентрации изотопов кислорода молекулы кислорода, содержащие¹⁷О или¹⁸О, образованные на стадии 13 фотодиссоциации озона, отделяются от недиссоциированного озона OZ. В течение отделения CF₄ обеспечивает улучшение эффективности отделения. Так как CF₄ действует на стадии 14 концентрации изотопов кислорода таким же образом, как CF₄ на стадии 12 отделения озона, молекулы кислорода, содержащие желаемый изотоп кислорода, могут быть эффективно получены со столь же высокой концентрацией, как кислород ОС.

Фиг.2 представляет собой схематическое изображение, показывающее второй вариант осуществления способа концентрации устойчивых изотопов кислорода в соответствии с настоящим изобретением.

Кроме того, компоненты на фиг.2, которые представляют собой те же компоненты, показанные на фиг.1, имеют те же номера ссылок, как показано на фиг.1. Посредством этого объяснение тех же самых элементов опущено в этом варианте осуществления.

Этот вариант осуществления содержит следующие стадии:

стадию 11 образования озона, на которой озон образуется из исходного материала кислорода GO;

стадию 12 отделения озона, на которой смешанный газ озон-исходный материал кислород, введенный со стадии 11 образования озона и CF₄ (аббревиатура «CF» на фиг.2), введенный из пятого прохода 19, разделяют нарециркулирующий исходный материал кислород RO и смешанный газ OF, CF₄-озон;

стадию 13 фотодиссоциации озона, на которой смешанный газ OF, CF₄-озон со стадии 12 отделения озона облучают светом L1, имеющим определенную длину волны, для того чтобы производить диссоциацию озона, содержащего желаемый изотоп кислорода, в кислород;

стадию 31 улавливания, на которой смешанный газ (смешанный газ, содержащий кислород, содержащий желаемый изотоп кислорода, образованный посредством диссоциации озона, недиссоциированный озон и CF₄) охлаждают и улавливают;

стадию 14 концентрации изотопов кислорода, на которой смешанный газ, уловленный на стадии 31 улавливания, разделяют на кислород OC1, содержащий желаемый изотоп кислорода, и смешанный газ OF1, CF₄-озон, содержащий недиссоциированный озон и CF₄, посредством этого желаемые изотопы кислорода концентрируются в кислороде OC1, содержащем желаемый изотоп кислорода;

вторую стадию 21 фотодиссоциации озона, на которой смешанный газ OF1, CF₄-озон, облучают светом L2, имеющим определенную длину волны, отличную от длины волны света L1;

вторую стадию 22 концентрации изотопов кислорода, на которой смешанный газ (смешанный газ, содержащий кислород, содержащий желаемый изотоп кислорода, который образуется посредством диссоциации озона, недиссоциированный озон и CF₄) из второй стадии 21 фотодиссоциации озона разделяют на кислород ОС2, содержащий другой желаемый изотоп кислорода, и смешанный газ OF2, CF₄-озон, содержащий недиссоциированный озон и CF₄, посредством этого желаемые изотопы кислорода концентрируются в кислороде ОС2, содержащем другой желаемый изотоп кислорода;

стадию 23 разложения озона, на которой озон, содержащийся в смешанном газе OF2, CF₄-озон, разлагают на кислород для того, чтобы получить смешанный газ OF3, CF₄-кислород;

стадию 24 извлечения CF₄, на которой кислород WO и CF₄, содержащийся в смешанном газе OF3, СF₄-кислород, разделяют;

пятый проход 19 для подачи CF₄ на стадию 12 отделения озона;

шестой проход 25 для подачи CF₄ в пятый проход 19; и

седьмой проход 26 для смешивания рециркулирующего исходного материала кислорода RO, отделенного на стадии 12 отделения озона, в исходный материал кислород GO.

Исходный материал кислород GO, подаваемый из первого прохода 15, подвергается тихому разряду в озонаторе, и часть его озонируется, и смешанный газ озон-исходный материал кислород получается на стадии 11 образования озона, и полученная смесь вводится на стадию 12 отделения озона.

На стадии 12 отделения озона предпочтительно, чтобы кислород и смешанный газ CF₄-озон разделялись посредством низкотемпературной сухой перегонки с использованием перегонной колонны подобно первому варианту осуществления. Когда используется перегонная колонна, предпочтительно, режим работы перегонной колонны представляет собой такой режим, при котором кислород не загрязняется на стороне озона в максимально возможной степени.

Кроме того, кислород, отделенный в верхней части перегонной колонны, становится рециркулирующим исходным материалом кислородом RO, проходит через седьмой проход 26, соединяется со стороной выше по потоку на стадии 11 образования озона и вводится на стадии 11 образования озона снова из первого прохода 15 вместе с исходным материалом кислородом GO.

Как объяснено выше, CF₄ концентрируется на стороне озона OZ на стадии 12 отделения озона. Поэтому CF₄ не загрязняется на стороне рециркулирующего исходного материала кислорода RO, и здесь нет опасения, что CF₄ диссоциирует на стадии 11 образования озона.

На стадии 13 фотодиссоциации озона желаемые меченые изотопологи озона, содержащиеся в озоне, избирательно диссоциируют посредством света L1, как показано в формулах химических реакций (1) и (2), и производят молекулы кислорода. Для отделения эффективно и стабильно желаемый меченый изотополог озона, предпочтительно ячейка фотореактора, снабженная определенным источником света, охлаждается, причем температура и давление в установке, содержащей ячейку фотореактора, регулируются на 100-250 К и 13 кПа или менее подобно первому варианту осуществления. Давление и температура могут регулироваться в зависимости от режима диссоциации озона в пределах диапазона, в котором не сжижаются или не затвердевают озон и CF₄. Это также является подобным второй стадии 21 фотодиссоциации озона.

Смешанный газ, образованный на стадии 13 фотодиссоциации озона, непрерывно улавливается на следующей стадии 31 улавливания подобно первому варианту осуществления и предпочтительно при 160 K или менее и более предпочтительно, при от 90 до 160 K.

Смешанный газ, содержащий кислород, образованный посредством диссоциации озона на стадии 13 фотодиссоциации озона, CF₄ и недиссоциированный озон разделяются посредством операции разделения на стадии 14 концентрации изотопов кислорода, например, низкотемпературной сухой перегонки в кислород ОС1, смешанный газ OF1, CF₄-озон, содержащий недиссоциированный озон и CF₄. Таким образом, кислород, содержащий желаемый изотоп кислорода, концентрируется в кислороде ОС1.

На стадии 14 концентрации изотопов кислорода может быть принят тот же самый способ, как на стадии 12 отделения озона. Конкретно, предпочтительно, кислород и смешанный газ CF₄-озон разделяются посредством низкотемпературной сухой перегонки с использованием перегонной колонны, и режим работы перегонной колонны регулируется так, чтобы не содержать кислорода на второй стадии 21 фотодиссоциации озона.

На второй стадии 21 фотодиссоциации смешанный газ OF1, CF₄-озон, отделенный на стадии 14 концентрации изотопов кислорода, облучается светом L2, имеющим длину волны, отличную от длины волны света L1, для того чтобы избирательно диссоциировать меченые изотопологи озона, отличные от меченых изотопологов озона, диссоциированных на стадии 13 фотодиссоциации озона. Режим работы в это время подобен режиму на стадии 13 фотодиссоциации озона.

Смешанный газ CF₄-озон-кислород, образованный на второй стадии 21 фотодиссоциации озона, разделяется посредством операции разделения на второй стадии 22 концентрации изотопов кислорода, например посредством низкотемпературной сухой перегонки, на концентрированный кислород ОС2, в котором концентрируется кислород, содержащий желаемый изотоп кислорода, и смешанный газ OF2, CF₄-озон, содержащий недиссоциированный озон и CF₄.

Режим разделения на второй стадии 22 концентрации изотопов кислорода является тем же самым режимом, что и на стадии 12 отделения озона и на стадии 14 концентрации изотопов кислорода, поэтому подробное объяснение опущено.

Более того, поскольку нет необходимости строго предотвращать загрязнение кислорода на последующей стадии 23 разложения озона, когда принята низкотемпературная сухая перегонка с использованием перегонной колонны, число вариантов режимов работы перегонной колонны может быть увеличено.

Смешанный газ OF2, CF₄-озон, полученный на второй стадии 22 концентрации изотопов кислорода, вводится на стадию 23 разложения озона, где разлагается озон и получается кислород. Посредством этого получается смешанный газ OF3, CF₄-кислород, содержащий кислород, полученный посредством разложения озона, и

CF₄. Для того чтобы произвести разложение всего количества оставшегося озона, могут быть приняты термическое разложение или каталитическое разложение и т.п.

Смешанный газ OF3, CF₄-кислород, полученный на стадии 23 разложения озона, вводится на стадию 24 извлечения CF₄. На стадии 24 извлечения CF₄ могут быть приняты низкотемпературная сухая перегонка с использованием перегонной колонны или отделение посредством адсорбции.

Кроме того, предпочтительно, материалы, образующие устройства, являются материалами, не имеющими реакционной способности или каталитических функций для озона, и стекло, тефлон (политетрафторэтилен) или тому подобные являются предпочтительными.

Отработавший кислород WO, отделенный от смешанного газа OF3, CF₄-кислород, выпускается из установки. Оставшийся CF₄ вводится в пятый проход 19 и затем циркулирует и вводится на стадию 12 отделения озона. Кроме того, поскольку часть

CF₄ теряется в операции отделения и тому подобных для того, чтобы сохранить фиксированное количество CF₄, рециркулирующего в установке, требуемое количество CF₄ подается из шестого прохода 25. Таким образом, поскольку CF₄ циркулирует и повторно используется, возможно уменьшить количество использованного CF₄.

В настоящем варианте осуществления предусмотрен четвертый проход 18, проходящий во второй проход 16, через который смешанный газ CF₄-озон-исходный материал кислород проходит из стадии 11 образования озона, подобно первому варианту осуществления, показанному на фиг.1. В этом варианте осуществления возможно добавлять CF₄ из пятого прохода 19 и вводить CF₄ вместе с озоном, отделенным на стадии 12 отделения озона, на стадию 13 фотодиссоциации озона и добавлять по меньшей мере один инертный газ, выбранный из группы, состоящей из гелия, неона и аргона, из пятого прохода 19 для того, чтобы улучшить работоспособность. Однако четвертый проход 18 может также быть сокращен.

Поскольку гелий, неон и/или аргон, добавляемые из четвертого прохода 18, удаляются из стадии 12 отделения озона вместе с рециркулирующим исходным материалом кислородом RO и циркулируют в седьмой проход 26 после того, как количество инертного газа, циркулирующего через седьмой проход 26, представляет собой заданное количество или более, количество инертного газа, вводимого из четвертого прохода 18, может быть таким количеством, чтобы компенсировать дефицит.

Фиг.3 представляет собой схематическое изображение, показывающее третий вариант осуществления способа концентрации устойчивых изотопов кислорода в соответствии с настоящим изобретением.

В этом варианте осуществления по меньшей мере один инертный газ KG, выбранный из группы, состоящей из гелия, неона и аргона, вводится в смешанный газ, содержащий кислород, полученный посредством диссоциации озона на стадии 13 фотодиссоциации озона, недиссоциированный озон и CF₄ из восьмого прохода 35 перед улавливанием смешанного газа. Кроме того, CF₄ рециркулирует и подается из пятого прохода 19 подобно второму варианту осуществления.

Поэтому кислород, образованный посредством диссоциации озона, недиссоциированный озон, CF₄, рециркулирующий в установке, и по меньшей мере один инертный газ KG, выбранный из группы, состоящей из гелия, неона и аргона, вводятся на стадию 14 концентрации изотопов кислорода в то время, когда они смешиваются. Инертный газ KG отделяется посредством операции на стадии 14 концентрации изотопов кислорода, например низкотемпературной сухой перегонки, из озона, имеющего высокую точку кипения, и CF₄, и удаляется совместно с кислородом ОС1, имеющим точку кипения ниже, чем точка кипения этих компонентов. В результате этого кислород ОС1, содержащий желаемый изотоп, получается при разбавлении по меньшей мере одним инертным газом KG, выбранным из группы, состоящей из гелия, неона и аргона. Расход кислорода ОС1, разбавленного инертным газом, регулируется более легко по сравнению с небольшим количеством кислорода высокой чистоты, и его обработка улучшается.

Кроме того, другие компоненты в этом варианте осуществления представляют собой те же самые компоненты, что и во втором варианте осуществления.

Кроме того, для того чтобы улучшить обработку кислорода на второй стадии 22 концентрации изотопов кислорода, может предусматриваться проход на предшествующей ступени второй стадии 22 концентрации изотопов кислорода, и по меньшей мере один инертный газ, выбранный из группы, состоящей из гелия, неона и аргона, может вводиться на вторую стадию 22 концентрации изотопов кислорода, подобно стадии 14 концентрации изотопов кислорода.

Как объяснено выше, в соответствии с настоящим изобретением¹⁷О или¹⁸О непрерывно и эффективно отделяются и концентрируются из смешанного газа, полученного посредством фотодиссоциации, поскольку CF₄ используется как газ, разбавляющий озон, и посредством этого концентрация озона сохраняется на низком уровне, и озон стабильно подвергается фотодиссоциации. Кроме того, в соответствии с настоящим изобретением¹⁶О также может быть очищен посредством отделения и концентрации этих изотопов.

Применимость в промышленности

Изотопы кислорода¹⁷О или¹⁸О широко используются как изотопный индикатор в химической и медицинской отраслях. Потребность в¹⁷О или¹⁸О в этих отраслях велика, но распространенность изотопов в природе чрезвычайно мала и их необходимо отделять и концентрировать.

Настоящее изобретение обеспечивает способ и устройство для отделения и концентрации этих редких изотопов кислорода¹⁷О или¹⁸О эффективно, чтобы улучшать чистоту. Способ и устройство могут понизить стоимость.

Реферат

Изобретение может быть использовано в химической промышленности и медицине. После разбавления озона газом концентрация озона сохраняется на низком уровне в режиме, в котором инертный газ затвердевает. Молекулы озона, содержащие 17О или 18О, который представляет собой устойчивый изотоп кислорода, подвергаются фотодиссоциации стабильно и избирательно, чтобы получить молекулы кислорода. Посредством этого 17O или 18О непрерывно концентрируется в молекулах кислорода с высокой эффективностью. На стадии фотодиссоциации озона смешанный газ, содержащий CF4 и озон, облучается светом, чтобы избирательно диссоциировать меченые изотопологи озона, содержащие желаемый изотоп кислорода в озоне, в молекулы кислорода. После улавливания полученного смешанного газа на стадии улавливания молекулы кислорода отделяются от недиссоциированных молекул озона и CF4 в улавливаемом смешанном газе посредством низкотемпературной сухой перегонки. Изотопы кислорода концентрируются в отделенных молекулах кислорода на стадии концентрации изотопов кислорода. Обеспечивается высокая эффективность непрерывного концентрирования изотопов в молекулах кислорода. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула