JP2010042972A

JP2010042972A - １３ｃの製造方法

Info

Publication number: JP2010042972A
Application number: JP2008227603A
Authority: JP
Inventors: Shigemi Sawada; 重美澤田; Tadahiko Mizuno; 忠彦水野
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-08-10
Filing date: 2008-08-10
Publication date: 2010-02-25
Also published as: WO2010018748A1; CN102119121A

Abstract

【課題】原料として汎用の炭化水素化合物を用い、放射性廃棄物が発生しない非放射性の安定同位体^１３Ｃの製造方法を提供する。
【解決手段】炭素化合物原料と水素とイオウ化合物とを反応触媒としてニッケル焼結体又はニッケル合金の焼結体の存在下に５００℃〜１０００℃で反応させる。イオウ化合物のイオウ含有率が前記炭素化合物に対して５０ｐｐｍ〜７％であり、前記水素の圧力が９．８×１０^５Ｐａ〜２２．３×１０^６Ｐａである。
【選択図】なし

Description

本発明は、炭素化合物を原料として、^１３Ｃ（質量数１３の非放射性の炭素の安定同位体）を製造する方法に関するものであり、特に低温において非放射性の炭素の安定同位体である^１３Ｃを得るための^１３Ｃの製造方法に関するものである。

従来、重水素と三重水素を１億度以上に加熱し、核融合反応を起こしてヘリウム等を生成し非常に大きな核融合エネルギーを得る方法が行われている。この方法は原料がほぼ無尽蔵で、原理的に暴走しない、二酸化炭素の発生が無く、高レベルの放射性廃棄物が生じない等の利点がある。
また、特開平０８−２１１１９１号公報（特許文献１）には、重水素、三重水素を数千アンペアの大電流によるアーク放電によりプラズマを発生させ、数千万度で核融合反応させる技術が開示されている。
また、非特許文献１に示されたように、現在、常温核融合の研究も活発になされているが、未だ学問研究の段階で、工業化レベルの域には達していない。
また、ＰＣＴ公報ＷＯ２００８／０７２５４６（特許文献２）には、簡易装置により、反応温度を大幅に低下させ、１０００℃以下の温度とし、原料として汎用の炭化水素化合物を用いて、水素とイオウ化合物の存在下に、白金触媒、パラジウム触媒等を用いて、放射性廃棄物を発生させることがなく、非放射性の炭素の同位体である^１３Ｃを得るための^１３Ｃの製造する技術が開示されている。
特開平０８−２１１１９１号公報ＷＯ２００８／０７２５４６日本原子力学会誌Ｖｏｌ．４７，Ｎｏ．９（２００５）大阪大学高橋亮人、三菱重工株式会社岩村康弘著ｐ．６２−ｐ．６３

しかしながら、従来の技術によれば、原料として汎用の炭素化合物を用いて、水素とイオウ化合物の存在下に放射性廃棄物を発生させることがなく、非放射性の炭素の安定同位体である^１３Ｃを得るための^１３Ｃの製造方法では、反応触媒として生産量が少なく特殊な白金触媒やパラジウム触媒等を用いるために、汎用的な技術とすることが難しい問題があった。

以上の課題を解決するために、先ず第１の発明は、炭素化合物を原料として、水素とイオウ化合物と反応触媒の存在下で、５００℃〜１０００℃の反応により、非放射性の炭素の安定同位体である^１３Ｃを得る製造方法において、反応触媒がニッケル焼結体又はニッケル合金の焼結体であることを特徴とする^１３Ｃの製造方法である。
また、第２の発明は、前記イオウ化合物のイオウ含有率が前記炭素化合物に対して５０ｐｐｍ〜７％であることを特徴とする前記第１の発明に記載の^１３Ｃの製造方法である。
また、第３の発明は、前記水素の圧力が９．８×１０^５Ｐａ〜２２．３×１０^６Ｐａ（１０ｋｇ／ｃｍ^２〜２５０ｋｇ／ｃｍ^２）であることを特徴とする前記第１の発明に記載の^１３Ｃの製造方法である。
また、第４の発明は、炭素化合物を原料として、水素と不活性ガスの混合ガスとイオウ化合物と反応触媒の存在下で、５００℃〜１０００℃の反応により、非放射性の炭素の安定同位体である^１３Ｃを得ることを特徴とする前記第１の発明に記載の^１３Ｃの製造方法である。

本発明において、炭素化合物としては、大きく分類すると、気体、液体、固体が選ばれる。気体の代表例としては、メタン、エタン、プロパン、ブタン等の炭化水素があり、液体の代表例としては、ベンゼン、トルエン、ナフタレン、アントラセン、ガソリン、軽油、灯油、重油、クレソート油、コールタール等がある。更に固体の代表例としては、活性炭素、カーボンブラック、石炭、コークス等がある。これらは、単独で使用することも出来るし、上記の気体、液体、固体の炭素化合物をそれぞれ任意に混合して使用することも可能である。
また、本発明において、水素は原子核に陽子１個のもの（Ｈ）以外に原子核に陽子１個と中性子１からなる重水素（Ｄ）や陽子１つと中性子２からなる三重水素（Ｔ：トリチウム）等の水素の同位体も原料として可能であるが、工業的に汎用ガスとして使用される水素が最も好ましい。
また、本発明において、不活性ガスと水素を併用しても本発明の反応が進行する。不活性ガスの代表例としては、ヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスが挙げられる。例えば水素をＨｅで１００倍ほど希釈し、水素ガス圧力が１気圧（１０１３×１０^２Ｐａ）のレベルでも、反応温度を高めてやれば、同等な反応速度を得ることができる。安全性の面から、ほとんどの物質と反応しない不活性ガスとの併用が可能であり好ましい。

また、本発明のイオウ（硫黄）化合物は、本発明の反応で含イオウラジカルが生じるものであれば可能で、代表例としては、硫化水素、二酸化イオウ等の無機イオウ化合物、およびメチルメルカブタン、硫化メチル、二硫化メチル、ベンゾチオフェン等の有機イオウ化合物、およびイオウ単体から選ばれる。これらは単独あるいは混合して使用することができる。
反応時のイオウ添加量（イオウ純分）としては、原料の炭素化合物に対して５０ｐｐｍ以上であれば良い。５０ｐｐｍ以下では反応進行速度が遅い場合があり、実用的でない。通常、コールタール、クレオソート油、重油等のイオウ含有率は５０ｐｐｍから７％以下の範囲であり追添の必要はない。イオウ含有率が７％を超えた場合、反応を阻害することはないが、常温でイオウが固体として析出する場合があり、その時、容器、配管内にイオウが付着して支障をきたすので、好ましくない。

反応温度と圧力については、温度と圧力が高い程、反応はより促進する。しかし、閉鎖型の反応装置では材料の制約から圧力、温度とも上限が決められる。反応における水素の圧力は、９．８×１０^５Ｐａ〜２２．３×１０^６Ｐａ（１０ｋｇ／ｃｍ^２〜２５０ｋｇ／ｃｍ^２）が好ましい。水素の圧力が９．８×１０^５Ｐａ（１０ｋｇ／ｃｍ^２）未満でも温度が十分高い場合は反応を進行させることができる。例えば、１気圧（１０１３×１０^２Ｐａ）でも温度を上げれば、１００気圧（１０１３×１０^４Ｐａ）の水素単独の場合と同等な速度で反応が進行する。
反応温度としては、５００℃〜１０００℃が好ましい。更に６００℃〜９００℃がより好ましい。６００℃よりも低い温度では水素ガスの圧力が十分高くないと反応が起こり難く、９００℃を超えると発電や化学工業プラント用の高温装置部材の適用が難しく好ましくない。
反応触媒としては工業的に製造が容易で反応性の高いニッケル焼結体又はニッケル合金触媒の焼結体が好ましい。ニッケル合金としては用いられる合金用金属としては、鉄、クロム、コバルト、モリブデン、マンガン、アルミニウム、マグネシウム、ランタン等が上げられる。

本発明によって得られる^１３Ｃの生成とエネルギー発生の原因のメカニズムは、定かでないが、１９３９年ドイツの物理学者のベーテとワイツゼッカーの提唱した下記のようなＣ−Ｎ−Ｏ循環反応の結果、下記の（１），（２），（３）式で示される部分反応の発生であると推定される。

本発明によれば、汎用の炭素化合物を原料として水素とイオウ化合物の存在下に、反応触媒として汎用の工業材料としてニッケル焼結体又はニッケル合金の焼結体を用いることが出来る。また、非放射性の炭素の安定同位体である^１３Ｃとエネルギー発生を同時に得ることが出来る。反応装置も簡易なものでよく、反応制御も温度と圧力を制御することによって容易に行われる。

以下、図面を参照しながら本発明に係る^１３Ｃの製造方法の一実施形態を具体的に説明する。尚、本発明はこれらの実施形態によって何ら限定されるものではない。また、本発明に係る^１３Ｃの製造方法によって得られた^１３Ｃの分析は、ＧＣ−ＭＳ（ＧａｓＣｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ−ＭａｓｓＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ；ガスクロマトグラフィー質量分析）、^１３Ｃ−ＮＭＲ（ＮｕｃｌｅａｒＭａｇｎｅｔｉｃＲｅｓｏｎａｎｃｅ；核磁気共鳴）法により行うことが出来る。

図１に示すリアクタ１は、胴体部外径５６ｍｍ、内径２６ｍｍで内容積が８８ｃｃのＳＵＳ製の円筒型オートクレーブ２を電源３ａに接続された電熱式の加熱ヒータ３内に設置し、オートクレーブ本体２ａ内に炭素化合物１１を原料としてイオウ化合物を含むクレオソート油（イオウ含有率０．０７％）を１ｃｃと、空隙率（面積率）５％の１００％純度のニッケル焼結体を挿入した後、金属製のガスケット１０を介してオートクレーブ蓋２ｂの凸部２ｂ１をオートクレーブ本体２ａの凹部２ａ１に嵌合させ、オートクレーブ本体２ａ及びオートクレーブ蓋２ｂのそれぞれの周縁部の６箇所に設けられた貫通孔２ａ２，２ｂ２に６本のボルト５を挿通し、該ボルト５にナット１２を螺合締結してオートクレーブ蓋２ｂをオートクレーブ本体２ａに固定する。
その後、水素供給バルブ７を開放してオートクレーブ２内に水素ガスを供給しながら排気バルブ６を数分間開いたままにして該オートクレーブ２内に残留した空気を水素ガスに置換する。その後、排気バルブ６を閉めてオートクレーブ２内の水素ガスの圧力を１００気圧（１０１３×１０^４Ｐａ）まで上昇させてオートクレーブ２内に水素を充填した後、水素供給バルブ７を閉じる。このようにして、水素ガスを封入したオートクレーブ２が設置された加熱ヒータ３に電源３ａから通電してオートクレーブ２の内部温度が６４０℃になるまで加熱し、該加熱ヒータ３への通電を停止した。その後反応炉の温度はオートクレーブの外壁面の温度より１０〜２０℃高く推移した。
尚、図１において、８ａ，８ｂは熱電対温度計であり、熱電対温度計８ａはオートクレーブ２内部に設置されて該オートクレーブ２内部の温度を測定し、熱電対温度計８ｂはオートクレーブ２の外壁面に設置されて該オートクレーブ２の外壁面の温度を測定し得るものである。熱電対温度計８ａ，８ｂにより測定された温度データ情報はパーソナルコンピュータ９に送られて図２に示されるように記録される。

熱電対温度計８ａ，８ｂにより測定されたオートクレーブ２内外の温度測定結果を図２に示す。図２において、Ｃｅｌｌｔｅｍｐは熱電対温度計８ａにより測定されたオートクレーブ２の内部温度を示す。Ｈｅａｔｅｒｔｅｍｐは熱電対温度計８ｂにより測定されたオートクレーブ２の外壁面の温度を示す。図２に示すように、加熱ヒータ３による加熱を停止して後にオートクレーブ２の各部温度が上昇する現象が見られたが、オートクレーブ２の温度を室温に戻して該オートクレーブ２内の残留ガスを採取してから３日後にＧＣ−ＭＳ（ＧａｓＣｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ−ＭａｓｓＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ；ガスクロマトグラフィー質量分析）によりガス成分分析を行った。
その結果、ガス成分は、ＣＯ（一酸化炭素）、ＣＨ_４（メタン；Ｍｅｔｈａｎｅ），Ｃ_２Ｈ_６（エタン；Ｅｔｈａｎｅ），Ｃ_３Ｈ_８（プロパン；Ｐｒｏｐａｎｅ），Ｃ_４Ｈ_１０（ブタン；Ｂｕｔａｎｅ），Ｃ_６Ｈ_６（ベンゼン；Ｂｅｎｚｅｎｅ），Ｃ_７Ｈ_８（トルエン；Ｔｏｌｕｅｎｅ）の炭化化合物成分であることが分かった。
また、マススペクトル（ＭａｓｓＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）の分析の結果より、ガス成分中に質量数１３の非放射性の炭素の安定同位体^１３Ｃが確認された。
また、オートクレーブ２内部から回収された固形カーボン状の塊（かたまり）と微量の液体の合計重量は、ほほ充填したクレオソート油と同等であった。
図２において、Ｃｅｌｌｔｅｍｐで示す熱電対温度計８ａにより測定されたオートクレーブ２の内部温度が、Ｈｅａｔｅｒｔｅｍｐで示す熱電対温度計８ｂにより測定されたオートクレーブ２の外壁面の温度よりも高いことから、オートクレーブ２内部で核融合による発熱反応が起こっていることが分かる。

比較例１

前記実施例１で使用したリアクタ１からなるオートクレーブ・加熱装置を使用して、触媒としてニッケル焼結体に変えて１００％純度の密実で表面が平滑なニッケルの薄板をオートクレーブ本体内に挿入する他は、前記実施例１と同じ条件・操作で水素ガスを１００気圧（１０１３×１０^４Ｐａ）で封入し、加熱ヒータ３によりオートクレーブ２を加熱して該オートクレーブ２内部の温度を室温から６４０℃まで加熱した。オートクレーブ２の内部温度は上昇せず、発熱がほとんど見られなかった。

前記実施例１で使用したリアクタ１からなるオートクレーブ・加熱装置を使用して、オートクレーブ内に触媒としてニッケル焼結体とクレオソート油１ｃｃを入れて。前記実施例１と同様な操作で水素ガスを１気圧（１０．１３×１０^４Ｐａ）さらにヘリウム７０気圧（７０９１×１０^３Ｐａ）にしてＨｅａｔｅｒｔｅｍｐを６４０℃に設定した。４２時間後、Ｃｅｌｌｔｅｍｐは設定温度より約３０度高くなり、発熱反応が確認された。反応後にオートクレーブ内に残った固形物を分析した結果、炭素の５０％以上が炭素の安定同位体^１３Ｃであることが確認された。

本発明は、原料として汎用の炭素化合物を用い、水素とイオウ化合物の存在下に放射性廃棄物を発生させることが無く、非放射性の炭素の安定同位体^１３Ｃを得る^１３Ｃの製造方法を提供するものである。

実験装置としてのリアクタの概略図である。実施例１におけるリアクタの温度変化を示した図であり、Ｃｅｌｌｔｅｍｐはオートクレーブ内部温度を示し、Ｈｅａｔｅｒｔｅｍｐはオートクレーブ外壁面の温度を示したものである。

符号の説明

１…リアクタ
２…オートクレーブ
２ａ…オートクレーブ本体
２ａ１…凹部
２ａ２…貫通孔
２ｂ…オートクレーブ蓋
２ｂ１…凸部
２ｂ２…貫通孔
３…加熱ヒータ
３ａ…電源
４…ニッケル焼結体
５…ボルト
６…排気バルブ
７…水素供給バルブ
８ａ，８ｂ…熱電対温度計
９…パーソナルコンピュータ
１０…ガスケット
１１…炭素化合物

Claims

炭素化合物を原料として、水素とイオウ化合物と反応触媒の存在下で、５００℃〜１０００℃の反応により、非放射性の炭素の安定同位体である^１３Ｃを得る製造方法において、反応触媒がニッケル焼結体又はニッケル合金の焼結体であることを特徴とする^１３Ｃの製造方法。
前記イオウ化合物のイオウ含有率が前記炭素化合物に対して５０ｐｐｍ〜７％であることを特徴とする前記請求項１記載の^１３Ｃの製造方法。
前記水素の圧力が９．８×１０^５Ｐａ〜２２．３×１０^６Ｐａ（１０ｋｇ／ｃｍ^２〜２５０ｋｇ／ｃｍ^２）であることを特徴とする前記請求項１に記載の^１３Ｃの製造方法。
炭素化合物を原料として、水素と不活性ガスの混合ガスとイオウ化合物と反応触媒の存在下で、５００℃〜１０００℃の反応により、非放射性の炭素の安定同位体である^１３Ｃを得ることを特徴とする前記請求項１の発明に記載の^１３Ｃの製造方法である。