CN111195482A - 从水中分离o-17同位素的方法及其浓缩o-17同位素的方法 - Google Patents

从水中分离o-17同位素的方法及其浓缩o-17同位素的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了从水中分离O‑17同位素的方法及其浓缩O‑17同位素的方法。从水中分离17O的方法包括：将含17O的水与甲醛混合以制备甲醛水溶液；加热甲醛水溶液，生成含有水蒸气和甲醛蒸气的蒸汽混合物；光解离蒸汽混合物，获得含有去除17O的水、残留的甲醛和含有氢气及富含17O的一氧化碳的气体混合物。一种富含17O的水生产方法包括：在从水中分离17O之后，向气体混合物中加入氢气以引发催化甲烷化反应，通过甲烷化合成甲烷(CH4)和富含17O的水(H2 17O)。

Description

从水中分离O-17同位素的方法及其浓缩O-17同位素的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2018年11月16日提交的韩国专利申请号10-2018-0141478和2019 年1月11日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请号10-2019-0003990的优先权， 其公开内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开涉及从水中分离17O同位素的方法及其浓缩17O同位素的方法，更具体地，涉及通过使用水作为起始材料从重水或轻水中去除17O的方法，和一种从水中分离 17O并浓缩17O的方法。
背景技术
氧在天然状态存在三种稳定同位素：天然丰度为99.758％的16O，天然丰度为0.037％的17O，，天然丰度为0.204％的18O。在这里，富含有达到10％或更高的5/2 核自旋的17O的富集水，已被用作核磁共振(NMR)化合物的原料和用作磁共振成 像(MRI)的造影剂。这种富含17O的水是相当昂贵的，因为20％的富含17O的水每 克约600美元，而90％的富含17O的水每克约3,500美元。
在核反应堆中用作缓和剂的材料，即石墨，轻水(1H2O)和重水(D2O)，含 有稳定的同位素，如17O、14N、13C等，这些同位素与中子发生反应，形成放射性同 位素14C。14C的半衰期为5730年，是对人体有害的有机放射性核素，因此，是核电 厂和放射性废物处理场所严格管制的主要放射性核素。欧洲的国家、加拿大、美 国和日本在处理由气冷反应堆产生的辐照石墨和重水反应堆重水产生的14C废料 方面一直举步维艰。由于目前世界上存储的未处理14C的数量已达到500,000Ci， 超过了整个核废料处理场所允许的总限额，并且随着相关法规变得越来越严格， 从根本上减少在核反应堆中产生碳-14的数量是一个紧急而迫切的问题。
在重水核反应堆中用作冷却剂和缓和剂的重水(D2O)含有0.037-0.059％的 17O同位素。使用约600吨的重水的重水核反应堆1GWe/yr产生的14C的量，每年达到 700Ci，其中，95％或更多是由重水中的17O形成的。因此，将重水中含有的17O的 量减少至1/10或更少，可使从重水核反应堆产生的14C的量减少90％或更多。
蒸馏是用于分离氧同位素的商业技术，例如18O和17O。水蒸馏是一种在320K 下分离水的技术，其对同位素18O的选择性约为1.007。氧气低温蒸馏是一种通过 在90K下蒸馏液氧来分离氧同位素的技术，对18O的同位素选择性约为1.102。因 此，目前可用的技术无法以经济有效的方式将17O的同位素丰度降低至0.037％或 更低。在上述背景下，美国专利No.8,337,802B2提出了一种方法，该方法通过 使用波长为998nm的近红外激光在160K下通过臭氧的光解离来分离17O同位素。然 而，该方法对于17O的选择性相对低，约为2.2，因此，作为商业用的技术其潜力 可能有限。
因此，能够从具有高选择性的水中分离17O同位素并将其浓缩的方法，有望在 相关领域中找到广泛的应用。
发明内容
本公开一方面在于提供一种从水中分离17O的方法。
本公开另一方面在于提供一种利用所述从水中分离17O的方法来浓缩17O的方 法。
根据本公开的一个方面，一种从水中分离17O的方法包括：
将含17O的水与甲醛混合制备甲醛水溶液；
加热所述甲醛水溶液，制备含水蒸气和甲醛蒸气的蒸汽混合物；
光解离所述的蒸汽混合物，得到含有氢、富含17O的一氧化碳，去除17O的水和 残留的甲醛的气体混合物。
根据本公开的另一方面，一种制备富含17O的水的方法包括：采用本公开所述 的从水中分离17O的方法，从含17O的水中获得含有氢、富含17O的一氧化碳，去除17O 的水和残留的甲醛的气体混合物；向所述的气体混合物中加入氢气，诱导发生催 化甲烷化反应，通过甲烷化合成甲烷(CH4)和富含17O的水(H2 17O)。
附图说明
附图进行详细描述，以便于更清楚地理解本公开的上述内容和其他方面、 特征和优点。
图1是本公开所述的从水中分离17O的方法和富含17O的水的制备方法的流程 示意图(501：甲醛水溶液(373K)，502：甲醛光解离装置(373K)，503：甲 醛和水捕集装置(100K)，504：甲烷化装置，505：富含17O的水捕集装置(243K)， 和506：循环富含17O的水以进一步浓缩)；
图2是甲醛在28,375cm-1附近的光解离光谱(101：含天然同位素丰度 0.037％的17O的甲醛的光解离光谱，和102：含天然同位素丰度高达3.8％的17O 的甲醛的光解离光谱)；
图3是甲醛在28,397cm-1附近的光解离光谱(201：含天然同位素丰度 0.037％的17O的甲醛的光解离光谱，和202：含天然同位素丰度高达3.8％的17O 的甲醛的光解离光谱)；
图4显示了17O选择性为400的17O分离过程中，光解离产物(CO)中的 17O浓度(丰度)和尾水中的17O浓度(丰度)之间的关系(301：富含17O至0.059％ 的重水和302：富含17O至0.037％的轻水)。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本公开的实施例。然而，本公开可以以许多不 同的形式举例说明，并且不应该被解释为限于这里阐述的具体实施方案。
下面本公开将详细描述一种从水中分离一种氧同位素的方法，由于其对17O 具有优异的同位素选择性，可以将能量仅集中在17O上以分离该氧同位素，从而实 现极高的能量效率，并且可以在相对小规模的设施中实现大批量生产。
具体地，本公开所述的从水中分离氧同位素的方法包括：
将含有氧同位素的水与甲醛混合，制备甲醛水溶液；
加热甲醛水溶液，制备含有水蒸气和甲醛蒸气的蒸汽混合物；
光解离蒸汽混合物，以获得含有氢和富含氧同位素的一氧化碳，去除氧同位 素的水和残余甲醛的气体混合物。
特别地，在本公开中分离的氧同位素是17O。
在将含氧同位素的水与甲醛混合制备甲醛水溶液时，优选甲醛以相对于水0. 01-0.3摩尔比混合在水中，更优选为相对于水为0.01-0.25的摩尔比。例如，甲 醛可以相对于水0.05-0.2的摩尔比在水中混合。甲醛的混合量低于上述范围的下 限可能导致氧同位素交换反应不充分，导致生产率降低，而甲醛的混合量超过上 述范围的上限，可能会导致甲醛聚合物副产物的增加。
在制备甲醛水溶液之后，加热甲醛水溶液制备含有水蒸气和甲醛蒸汽的蒸汽 混合物。甲醛水溶液在320-400K的温度下进行加热，优选为350-380K。
获得蒸汽混合物后，进行光解离，以制备含有氢和富含氧同位素的一氧化碳， 去除氧同位素的水和残留甲醛的气体混合物。
特别地，优选在1-15托的压力下对蒸汽混合物进行光解离。例如，可以在5 -10托的压力下进行。当蒸汽混合物在低于上述范围的压力下进行光解离时，可 能导致生产率降低，而当在大于上述范围的压力下进行光解离时，光解离量子产 率可能不受期望地降低至85％或更低。
特别地，在本公开中，光纤激光器可以用于照射特定波数的激光器。特别 地，用于光解离蒸汽混合物的光解离激光的波数可以在28,370-28,400cm-1的范 围内，优选在28,374-28,375cm-1的范围内或在28396-28398cm-1的范围内。更优 选28,374.6cm-1,28,396.3cm-1,28,397.cm-1中的一种或它们的组合，更更优 选28,374.63cm-1,28,396.32cm-1,28,397.06cm-1中的一种或它们的组合。
用于在本公开的光解离蒸汽混合物的光解离激光器可以是具有高能量效率、 较简单维护和管理的光纤激光器，但不限于此。光纤激光器在光纤内部包含活 性介质，所述介质包含低水平的稀土卤化物。这种光纤激光器尺寸紧凑，重量 轻，便于维护和管理，特别是可以具有高能量效率和宽激射波长区域。因此， 这种光纤激光器可以在宽的区域上调节强度(输出)，并且可以选择性地产生用 于甲醛光解离的波数，因此可以适用于本公开。
用这种波数的激光照射蒸汽混合物，以选择性地光解离含17O的甲醛。在用 于光解离过程的甲醛转变波长下，含有17O的甲醛的吸收截面在几托的压力下，例 如在15托下，可以在3.0-3.5×10-19cm2/分子的范围内，其他同位素的背景吸收 截面可以在约8×10-21cm2/分子的范围内，而对于17O的同位素选择性约为400。
在本公开中，含有17O的水为重水、轻水或者两者的混合物。
此外，在获得含有氢和富含17O的一氧化碳，去除17O的水和残留的甲醛的气体 混合物之后，进一步冷却、冷凝去除17O的水和残留的甲醛，来分离残留的甲醛。
通过上述方法，收集并排出光解离过程未解离的甲醛，并且分离和收集通过 光解离产生的光解离产物，氢(H 2)和一氧化碳(CO)。这里，光解离过程产生 的产物，氢和一氧化碳，以及光解离过程中未离解的甲醛，可以冷却并冷凝以收 集。具有-92℃凝固点的未离解的甲醛，可以冷却至低于凝固点以冷凝。优选在 低于或等于181K(-92℃)的温度下进行冷却。例如，冷却可以在100-181K的温 度范围内进行。
特别地，由于氢和一氧化碳即使在甲醛冷凝条件下也保持气态，因此可以以 气态收集光解离产物氢和一氧化碳，然后从甲醛中分离。
由于从其中排出的甲醛可能包含光解离过程中未解离的甲醛，并且可能含有 氧同位素，因此，这种甲醛可以再循环用于甲醛光解离过程。
尽管如上所述，从水中分离氧同位素的方法可用于收集氧同位素，这种方法 也可进一步用于分离和除去放射性同位素。因此，这种方法也可以应用于放射性 碳废物的处理。
详细地，用作核反应堆的冷却剂和结构材料的材料包含诸如17O的同位素，并 且这些稳定同位素与反应堆中子反应形成放射性同位素14C。因此，如果重水等 中含有的17O的量减少到1/10或更少，则可以将重水反应器的14C排放减少90％或更 多。
然而，通过上述甲醛光解离产生的一氧化碳可能含有氧的同位素17O。因此， 通过对含有这种一氧化碳和氢的光解离产物进行催化甲烷化反应，可以回收氧的 同位素。
根据本公开的另一个方面，获得富含17O的水的方法包括：
通过本公开的从水中分离17O的方法，从含17O的水获得含有氢气和富含17O的一 氧化碳，去除17O的水和残余甲醛的气体混合物；
催化甲烷化所述气体混合物，即向气体混合物中加入氢气以诱导催化甲烷化 反应，通过甲烷化合成甲烷(CH4)和富含17O的水(H2 17O)。
具体地，分离和收集光解离产生的氢和一氧化碳后，优选进行催化甲烷化反 应504以从中分离17O。通过这种催化甲烷化反应，可以由氢气和一氧化碳505产生 水(H2O)和甲烷(CH4)，并且通过冷凝和收集由此获得的水，提取富含17O的水作 为最终产物。
换句话说，向由光解离产生的氢气和一氧化碳供应氢气，从而引起催化甲烷 化反应，产生水和甲烷。
用于催化甲烷化反应的催化剂不限于任何特定材料，并且可以是相关领域中 常用的任何一种。这种催化剂的实例包括雷尼镍。
此外，通过甲烷化获得的富含17O的水(H 2 17O)可以再循环并用作从水中分 离氧同位素的方法的起始材料，以按两个阶段进行富含17O的水生产过程。如此， 可以获得富含17O同位素至90％或更高的产物。
换句话说，为了分离氧同位素，通过第一光解离过程产生的氢气和一氧化碳 进行催化甲烷化反应合成含氧同位素的水505。向水中提供不含氧同位素的另外 的甲醛，以在合成的水和甲醛之间引发氧同位素交换反应，从而产生含有氧同位 素的甲醛。
通过这种氧同位素交换反应，光解离富集水中所含的氧同位素转移到甲醛中， 从而获得含有氧同位素的甲醛。进一步地，由此获得的含有氧同位素的甲醛供 给第二光解离过程以进行光解离，从而从中分离其中的氧同位素。
也可以，首先通过催化甲烷化反应产生含有氧同位素的甲烷和水，然后冷凝 并收集由此产生的水，来分离氧同位素。
如上所述，通过氧同位素分离过程的两个阶段，利用上述过程，氧同位素的 浓度因子可以增加至30,000。
本公开所述的从水中分离17O的方法对17O的选择性为400，并且可以仅将能量 集中在丰度范围为0.037％至0.059％的17O，以将其分离，从而实现极高的能量效 率，并且可以在相对较小的设施中进行大批量生产。
进一步地，本公开当应用于生产去除17O的重水以提高其成本效益时，可用于 将重水反应物中的14C形成减少90％或更多，并且显著降低生产富含17O的水的成本， 从而能够实现富含17O的水的各种应用。
在下文中，将通过具体示例更详细地描述本公开。以下实施例是有助于理解 本公开的实施例，并不意味着限制本公开的范围。
实施例
1.确定用于17O分离的甲醛光解离的波长
当用340-360nm紫外光照射时，甲醛气体(H2CO)被光解离成氢分子(H2) 和一氧化碳(CO)，如式1所示。
H2CO+hv→H2+CO 式1
图2和图3显示了在343K下使用线宽为60MHz的窄线宽单模激光器测量的甲醛 的光解离光谱。
在图2和图3中，101和201是17O天然同位素丰度为0.037％的甲醛的光谱，10 2和202是17O的同位素丰度为3.8％的甲醛的光解离光谱。在此，所用的甲醛水溶 液中甲醛与水的摩尔比为0.2，水溶液的总蒸气压为15托，压力增宽约为500MHz。
图2中示出的(a)，图3中示出的(b)和(c)，是用于17O分离的光解离波长， 其中，各个光解离激光器的波数分别为28,374.63cm-1、28,396.32cm-1和28,39 7.06cm-1。在图2中所示的(a)、图3中示出了的(b)和(c)中，17O甲醛的吸 收截面为3.0-3.5×10-19cm2/分子，其他同位素的背景吸收截面为约8×10-21cm2 /分子，17O的选择性约为400。
特别地，同位素选择性S由下面的等式2定义，其中，CF是起始材料的17O同位 素丰度，并且CP是产物的17O同位素丰度。
Figure BDA0002006876780000071
2.光解离产物中17O丰度与尾水中17O丰度之间的关系
图4显示了在17O选择性为400的分离过程中，光解离产物的浓度与尾水中的组 分比例之间的关系。
图形301是170的丰度为0.059％的重水的情况，其中，图形302是170的丰度为0.037％的轻水的情况。在从重水中去除17O同位素至0.005％的过程中，光解离产物 一氧化碳的17O的同位素丰度变为11％。在浓缩17O的过程中，使用轻水作为起始材 料，当尾水中的17O同位素丰度为0.02％时，可以获得同位素丰度高达10％的17O 产物，而如果添加另外的分离过程，进行两个阶段的该过程，就可以获得同位素 丰度高达90％或更高的17O产物。
实施例1：从水中分离氧同位素
将甲醛以相对于水0.2或更低的摩尔比溶解于重水中，制备甲醛水溶液501， 加热至343K，将由此产生的重水和甲醛的蒸气注入到光解离装置502中，压力约 为5-15托。在光解离装置502内部，在343K下加热，17O甲醛被光解离，同时，在 残留的甲醛和重水之间发生如式3所示的氧同位素交换反应。
Figure BDA0002006876780000081
尽管氧-同位素交换反应在几分钟内发生，但氢-氘交换反应极其缓慢，反应 时间长达几百小时，因此，在17O分离过程中，氢同位素不交换。因此，在17O去除 过程中，作为起始材料的重水没有损失。
特别地，17O已经耗尽至0.005％或更少的去除17O重水(D2O)被捕集在水阱装 置503中，作为最终产物。残留的甲醛被捕集在保持100K的液氮阱中，从而与光 解离产物的合成气(H2+C17O)分离。如果需要，可以将合成气转移到甲烷化装 置504，并向其中另外供应氢气，以产生富含17O高达约10％的水505，作为副产物。
通过上述方法，将重水中所含的17O耗尽，以产生不含17O的重水(D2O)。
实施例2：制备富含17O的水
将甲醛以约0.1-0.2的摩尔比溶解在水中，制备水溶液501，加热至373-393 K，并将由此产生的甲醛水溶液的蒸汽注入光解离装置502中，压力大约为5托。 在被加热至373K的光解离装置502内，17O甲醛被光解离，同时，在甲醛和水之间 发生氧-同位素交换反应。
在光解离后剩余的残余甲醛和水被捕集在保持100K的液氮阱中，从而与合成 气分离，合成气是光解离产物。将合成气转移到甲烷化装置504，向其另外供应 氢气，以转化成富含17O至约10％的水505。
可为第二阶段过程提供再循环线506。在第二阶段中，将甲醛以摩尔比约0. 1-0.2溶解于富含10％17O的水中，制备得到甲醛的水溶液501。包括两个阶段的 分离过程可以产生富含17O高达90％或更高的水。
通过如上所述的方法，可以使用水作为起始材料来生产富含17O的水。
如上所述，根据实施例，对17O的选择性为400的从水中分离17O的方法，可以 仅将能量集中在丰度为0.059％的17O上，以将其分离，从而实现极高的能源效率， 可以在相对小规模的设施中实现大批量生产。
此外，本公开可以应用于生产去除17O的重水以提高其成本效益，可以将重水 反应堆中生成的14C减少90％或更多，并且可以显著降低生产富含17O水的成本，从 而实现富含17O水的各种应用。
虽然已经在上面示出和描述了示例性实施例，但是对于本领域技术人员来 说显而易见的是，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可 以进行修改和变化。

Claims (12)

1.一种从水中分离17O的方法，包括：
将含17O的水与甲醛混合，制备甲醛水溶液；
加热所述的甲醛水溶液，制备含有水蒸气和甲醛蒸气的蒸汽混合物；
光解离所述蒸汽混合物，获得含有去除17O的水，残留的甲醛和含有氢气及富含17O的一氧化碳的气体混合物。
2.根据权利要求1所述的从水中分离17O的方法，其特征在于，甲醛与水混合时，甲醛与水的摩尔比范围为0.01-0.3。
3.根据权利要求1所述的从水中分离17O的方法，其特征在于，在320-400K的温度范围内进行加热。
4.根据权利要求1所述的从水中分离17O的方法，其特征在于，在1-15Torr的压力范围下进行蒸汽混合物的光解离。
5.根据权利要求1所述的从水中分离17O的方法，其特征在于，用于光解离所述蒸汽混合物的光解离激光的波数在28,370-28,400cm-1的范围内。
6.根据权利要求5所述的从水中分离17O的方法，其特征在于，用于光解离所述蒸汽混合物的光解离激光的波数为28,374.63cm-1、28,396.32cm-1,或28,397.06cm-1，或者其组合。
7.根据权利要求1所述的从水中分离17O的方法，其特征在于，用于光解离所述蒸汽混合物的光解离激光器是光纤激光器。
8.根据权利要求1所述的从水中分离17O的方法，其特征在于，含有17O的水为重水或轻水，或其混合物。
9.根据权利要求1所述的从水中分离17O的方法，其特征在于，进一步包括：在获得去除17O的水、残留的甲醛和含有氢气及富含17O的一氧化碳的气体混合物之后，冷却并冷凝去除17O的水和残留的甲醛以从中分离残留的甲醛。
10.根据权利要求9所述的从水中分离17O的方法，其特征在于，在小于或等于181K(-92℃)的温度下进行冷却。
11.一种生产富含17O的水的方法，包括：
通过权利要求1所述的从水中分离17O的方法，从含17O的水中获得含有去除17O的水、残留的甲醛和含有富含17O的一氧化碳及氢气的气体混合物的过程；和
催化甲烷化过程：向气体混合物中加入氢气以引发催化甲烷化反应，通过甲烷化合成甲烷(CH4)和富含17O的水(H2 17O)。
12.根据权利要求11的生产富含17O的水的方法，其特征在于，将通过甲烷化获得的富含17O的水(H2 17O)再循环作为从水中分离17O的方法的原料，进行两个阶段的富含17O的水的生产过程。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102572816B1 (ko) * 2022-07-15 2023-08-31 (주)한빛레이저 산소 동위원소 농축수 제조용 촉매 및 상기 촉매를 이용한 산소 동위원소 농축수의 제조방법

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102205241B1 (ko) 2018-11-27 2021-01-20 한국원자력연구원 탄소 동위원소를 분리하는 방법 및 이를 이용한 탄소 동위원소 농축 방법

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5586524A (en) * 1978-12-25 1980-06-30 Rikagaku Kenkyusho Method and apparatus for enrichment of hydrogen isotope
US20030024805A1 (en) * 2001-06-18 2003-02-06 Austin Gary N. Systems and methods for affecting the ultra-fast photodissociation of water molecules
TW200420338A (en) * 2003-03-04 2004-10-16 Nippon Oxygen Co Ltd Oxygen isotope concentration method
CN101242888A (zh) * 2005-08-17 2008-08-13 大阳日酸株式会社 氧同位素的浓缩方法
CN101516476A (zh) * 2006-09-26 2009-08-26 大阳日酸株式会社 重氧同位素成分的浓缩方法及浓缩装置
CN103055697A (zh) * 2013-01-16 2013-04-24 伍昭化 一种浓缩富集稳定同位素2h、18o、13c的方法和装置
CN103945921A (zh) * 2011-11-25 2014-07-23 韩国原子力研究院 使用光纤激光器分离碳和氧同位素的方法和装置

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4029559A (en) 1976-06-17 1977-06-14 The United States Of America As Represented By The United States Energy Research And Development Administration Ion laser isotope enrichment by photo-predissociation of formaldehyde
JPH01194932A (ja) 1988-01-29 1989-08-04 Hitachi Ltd 水素同位体分離方法
JPH06102134B2 (ja) 1989-08-30 1994-12-14 理化学研究所 レーザーによる酸素１８の濃縮法
JP3874502B2 (ja) 1997-09-19 2007-01-31 株式会社日立製作所 パルスドプラ計測装置および位相差検出方法
US7125480B2 (en) * 2001-06-18 2006-10-24 Austin & Neff, Llc Methods for affecting the ultra-fast photodissociation of water molecules
DE102016209957A1 (de) 2016-06-07 2017-12-07 Volkswagen Aktiengesellschaft Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine und Brennkraftmaschine

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5586524A (en) * 1978-12-25 1980-06-30 Rikagaku Kenkyusho Method and apparatus for enrichment of hydrogen isotope
US20030024805A1 (en) * 2001-06-18 2003-02-06 Austin Gary N. Systems and methods for affecting the ultra-fast photodissociation of water molecules
TW200420338A (en) * 2003-03-04 2004-10-16 Nippon Oxygen Co Ltd Oxygen isotope concentration method
CN101242888A (zh) * 2005-08-17 2008-08-13 大阳日酸株式会社 氧同位素的浓缩方法
CN101516476A (zh) * 2006-09-26 2009-08-26 大阳日酸株式会社 重氧同位素成分的浓缩方法及浓缩装置
CN103945921A (zh) * 2011-11-25 2014-07-23 韩国原子力研究院 使用光纤激光器分离碳和氧同位素的方法和装置
CN103055697A (zh) * 2013-01-16 2013-04-24 伍昭化 一种浓缩富集稳定同位素2h、18o、13c的方法和装置

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102572816B1 (ko) * 2022-07-15 2023-08-31 (주)한빛레이저 산소 동위원소 농축수 제조용 촉매 및 상기 촉매를 이용한 산소 동위원소 농축수의 제조방법

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