JP5763473B2 - 金属酸化物同位体の製造方法 - Google Patents
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- Compounds Of Alkaline-Earth Elements, Aluminum Or Rare-Earth Metals (AREA)
Description
本発明は、金属酸化物同位体の製造方法および金属酸化物同位体の製造装置に関する。
近年、質量数が１７または１８の酸素原子である１７Ｏまたは１８Ｏで標識される金属酸化物同位体（以下、単に「金属酸化物同位体」ということもある）について鋭意研究が進められており、様々な用途に用いられるようになっている。例えば、１７Ｏまたは１８Ｏで標識されている酸化アルミニウム同位体（Ａｌ２ １７Ｏ３またはＡｌ２ １８Ｏ３）は、未知の原子核探索や核反応の機構を解明する分野で広く利用されている。
一般に、酸化アルミニウムは、バイヤー法によって製造されている。確かに金属アルミニウムを大気などの酸素含有雰囲気中にて加熱することでも、酸化アルミニウムを得ることはできるが、工業的には、コストや効率などの問題からバイヤー法が選択されている。
バイヤー法とは、ボーキサイトを水酸化ナトリウムで処理して得られる水酸化アルミニウムを、大気中で焼成することによって、酸化アルミニウムを得る方法である。そして、この水酸化アルミニウムを加熱して酸化アルミニウムを得る際には、下記式（１）に示す反応が起きている。
なお、特許文献１には、バイヤー法の一例として、水酸化アルミニウム、または水酸化アルミニウムを仮焼きして得られる遷移アルミナを粉砕し、塩素ガス及び水蒸気雰囲気にて焼成して酸化アルミニウムを得る方法が記載されている。
ところで、一般的な水酸化ナトリウム中に含まれる酸素原子は、大部分が質量数１６の酸素原子であるから、バイヤー法によって得られる酸化アルミニウム中の酸素原子は、大部分が質量数１６となる。
したがって、バイヤー法を用いて質量数１７または１８の酸素同位体から構成される酸化アルミニウムを製造する場合には、質量数１７または１８の酸素同位体から構成される水酸化ナトリウムを用意する必要がある。
ここで、水酸化ナトリウムは、一般に下記式（２）で示すように、塩化ナトリウム水溶液を電気分解することで製造されている。
したがって、質量数１７または１８の酸素同位体から構成される酸化アルミニウム同位体（Ａｌ２ １７Ｏ３またはＡｌ２ １８Ｏ３）を得るためには、質量数１７または１８の酸素同位体から構成される水酸化ナトリウム（Ｎａ１７ＯＨまたはＮａ１８ＯＨ）、または、質量数１７または１８の酸素同位体から構成される純水（Ｈ２ １７ＯまたはＨ２ １８Ｏ）を用意する必要がある。
しかしながら、市販されている質量数１７または１８の酸素同位体から構成される水酸化ナトリウム、または、質量数１７または１８の酸素同位体から構成される純水は高価であることから、１７Ｏまたは１８Ｏで標識されている酸化アルミニウム同位体（Ａｌ２ １７Ｏ３またはＡｌ２ １８Ｏ３）の製造コストも上昇するという不都合があった。
また、上記製造方法では、中間体として水酸化アルミニウムを合成する工程を経るので、効率も悪いという不都合があった。
更に、水酸化アルミニウムを加熱処理することによって、質量数１７または１８の酸素同位体で構成される酸化アルミニウム同位体を製造する場合、中間体の合成工程においてコンタミネーションが生じ、高純度の製品を得ることができないという不都合があった。例えば、現在販売されている純度は９９．０％程度である。
なお、上記では酸化アルミニウムについて説明したが、このほかにも例えば酸化マグネシウム、酸化すず、酸化ニッケルなど他の金属酸化物においても、金属酸化物同位体を得る際に、種々の中間体を合成する必要があったり、質量数１７または１８の酸素同位体で構成される高価な材料が必要であったりと、同様な不都合が生じていた。
このような背景の下、安価で高純度な１７Ｏまたは１８Ｏで標識される金属酸化物同位体を得る方法が要望されていたが、有効適切なものが提供されていないのが実情であった。
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、酸素同位体ガスである１７Ｏ２ガス若しくは１８Ｏ２ガス、または、不活性ガスと酸素同位体ガスである１７Ｏ２ガス若しくは１８Ｏ２ガスの混合ガス中において、金属粉末を加熱することにより酸素同位体である１７Ｏまたは１８Ｏで標識される金属酸化物同位体を得る金属酸化物同位体の製造方法であって、前記金属粉末を加熱する際に、前記金属粉末に、前記金属粉末と同じ金属からなる金属酸化物同位体粉末を予め混合させて加熱することを特徴とする金属酸化物同位体の製造方法である。
請求項２に係る発明は、酸素同位体ガスである １７ Ｏ ２ ガス若しくは １８ Ｏ ２ ガス、または、不活性ガスと酸素同位体ガスである １７ Ｏ ２ ガス若しくは １８ Ｏ ２ ガスの混合ガス中において、金属粉末を加熱することにより酸素同位体である １７ Ｏまたは １８ Ｏで標識される金属酸化物同位体を得る金属酸化物同位体の製造方法であって、得られた前記金属酸化物同位体を粉砕した後に、再び酸素同位体ガスである １７ Ｏ ２ ガス若しくは １８ Ｏ ２ ガス、または、不活性ガスと酸素同位体ガスである １７ Ｏ ２ ガス若しくは １８ Ｏ ２ ガスの混合ガス中において加熱することを特徴とする金属酸化物同位体の製造方法である。
請求項３に係る発明は、酸素同位体ガスである １７ Ｏ ２ ガス若しくは １８ Ｏ ２ ガス、または、不活性ガスと酸素同位体ガスである １７ Ｏ ２ ガス若しくは １８ Ｏ ２ ガスの混合ガス中において、金属粉末を加熱することにより酸素同位体である １７ Ｏまたは １８ Ｏで標識される金属酸化物同位体を得る金属酸化物同位体の製造方法であって、前記金属粉末の加熱の際に使用した前記酸素同位体ガスである １７ Ｏ ２ ガス若しくは １８ Ｏ ２ ガス、または、前記不活性ガスと酸素同位体ガスである １７ Ｏ ２ ガス若しくは １８ Ｏ ２ ガスの混合ガスを循環利用することを特徴とする金属酸化物同位体の製造方法である。
請求項４に係る発明は、前記金属粉末が、金属アルミニウム粉末であり、前記金属酸化物同位体が、Ａｌ ２ １７ Ｏ ３ またはＡｌ ２ １８ Ｏ ３ であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の金属酸化物同位体の製造方法である。
本発明では、酸素同位体ガスである１７Ｏ２ガス若しくは１８Ｏ２ガス、または、不活性ガスと酸素同位体ガスである１７Ｏ２ガス若しくは１８Ｏ２ガスの混合ガス中において、金属粉末を加熱することにより酸素同位体である１７Ｏまたは１８Ｏで標識されている金属酸化物同位体を得ている。
これにより、酸素同位体である１７Ｏまたは１８Ｏで標識される金属酸化物同位体を得る際に、中間体を合成する必要がなくなり高純度な金属酸化物同位体を得ることができる。また、質量数１７または１８の酸素同位体から構成される他の材料（例えば酸化アルミニウムの場合は、水酸化ナトリウムや純水）を用いず、酸素同位体ガスである１７Ｏ２ガス若しくは１８Ｏ２ガスのみを用いるので、安価に金属酸化物同位体を得ることができる。
これにより、酸素同位体である１７Ｏまたは１８Ｏで標識される金属酸化物同位体を得る際に、中間体を合成する必要がなくなり高純度な金属酸化物同位体を得ることができる。また、質量数１７または１８の酸素同位体から構成される他の材料（例えば酸化アルミニウムの場合は、水酸化ナトリウムや純水）を用いず、酸素同位体ガスである１７Ｏ２ガス若しくは１８Ｏ２ガスのみを用いるので、安価に金属酸化物同位体を得ることができる。
また、本発明では、金属粉末を加熱する際に、金属粉末に所望の金属酸化物同位体を予め混合させて加熱している。
一般に金属粉末を加熱する場合、金属粉末が溶融して表面積が低下するため、酸化反応を十分に行うまでに必要とされる時間が長くなる。これに対し、本発明では、原料に用いる金属粉末に、予め所望の金属酸化物同位体粉末を混合しておくことで、溶融による表面積低下を防止することができる。その結果、酸化反応に要する時間を低減することができる。
一般に金属粉末を加熱する場合、金属粉末が溶融して表面積が低下するため、酸化反応を十分に行うまでに必要とされる時間が長くなる。これに対し、本発明では、原料に用いる金属粉末に、予め所望の金属酸化物同位体粉末を混合しておくことで、溶融による表面積低下を防止することができる。その結果、酸化反応に要する時間を低減することができる。
また、本発明では、得られた前記金属酸化物同位体を粉砕した後に、再び酸素同位体ガスである１７Ｏ２ガス若しくは１８Ｏ２ガス、または、不活性ガスと酸素同位体ガスである１７Ｏ２ガス若しくは１８Ｏ２ガスの混合ガス中において加熱している。
金属粉末を加熱処理して金属酸化物を生成する場合、表面に金属酸化物被覆が生じ、内部まで反応が進みにくいが、一度加熱した後に粉砕することで、表面に形成された金属酸化物被覆を破壊し、反応面積を拡大させることができる。これにより、金属酸化物同位体の完全酸化までに必要な加熱時間および加熱エネルギーを低減させることができ、また、高純度の金属酸化物同位体を得ることができる。
金属粉末を加熱処理して金属酸化物を生成する場合、表面に金属酸化物被覆が生じ、内部まで反応が進みにくいが、一度加熱した後に粉砕することで、表面に形成された金属酸化物被覆を破壊し、反応面積を拡大させることができる。これにより、金属酸化物同位体の完全酸化までに必要な加熱時間および加熱エネルギーを低減させることができ、また、高純度の金属酸化物同位体を得ることができる。
また、本発明では、金属粉末の加熱の際に使用した酸素同位体ガスである１７Ｏ２ガス若しくは１８Ｏ２ガス、または、不活性ガスと酸素同位体ガスである１７Ｏ２ガス若しくは１８Ｏ２ガスの混合ガスを循環利用している。
これにより、１７Ｏ２ガス若しくは１８Ｏ２ガスの使用量を削減することができ、金属酸化物同位体の製造コストを低減することができる。
これにより、１７Ｏ２ガス若しくは１８Ｏ２ガスの使用量を削減することができ、金属酸化物同位体の製造コストを低減することができる。
以下、本発明の実施形態である金属酸化物同位体の製造方法について、図面を参照して説明する。
［第１の実施形態］
＜金属酸化物同位体の製造装置＞
図１は、本発明の第１の実施形態である金属酸化物同位体の製造装置１を示す系統図である。
図１に示すように、本実施形態の金属酸化物同位体の製造装置１は、酸素同位体ガス供給装置２と、バッファータンク３と、循環ポンプ４と、排気ポンプ５と、熱処理炉６と、を有した構成となっている。
＜金属酸化物同位体の製造装置＞
図１は、本発明の第１の実施形態である金属酸化物同位体の製造装置１を示す系統図である。
図１に示すように、本実施形態の金属酸化物同位体の製造装置１は、酸素同位体ガス供給装置２と、バッファータンク３と、循環ポンプ４と、排気ポンプ５と、熱処理炉６と、を有した構成となっている。
酸素同位体ガス供給装置２は、高純度の酸素同位体ガスである１７Ｏ２ガスまたは１８Ｏ２ガスを供給可能なように構成されている。また、酸素同位体ガス供給装置２は、配管７を介してバッファータンク３と接続されており、配管７には、酸素同位体ガス供給装置２側から順に、流量調整弁８と遮断弁９が設けられている。
流量調整弁８は、適宜調整することによって、酸素同位体ガス供給装置２から供給される酸素同位体ガスの流量を制御することができるように構成されており、遮断弁９は、閉止することで、酸素同位体ガスの供給を遮断することができるように構成されている。
バッファータンク３は、熱処理炉６内の圧力を一定にするために、熱処理炉６内に過剰に供給された酸素同位体ガスを蓄積するために設けられており、配管１０または配管１１を介して、熱処理炉６と接続されている。
配管１０には、バッファータンク３側から順に遮断弁１２と循環ポンプ４が設けられており、遮断弁１２は、弁を閉じることで、バッファータンク３から熱処理炉６に供給される酸素同位体ガスを遮断することができるように構成されている。
また、循環ポンプ４は、バッファータンク３内の酸素同位体ガスを熱処理炉６内に供給することが可能なように構成されている。
また、循環ポンプ４は、バッファータンク３内の酸素同位体ガスを熱処理炉６内に供給することが可能なように構成されている。
配管１１には、熱処理炉６側から順に、ガスクーラー１３と、ダストフィルタ１４と、排気ポンプ５と、遮断弁１５と、が設けられている。
ガスクーラー１３は、配管１１を通るガスを冷却するために設けられており、ダストフィルタ１４は、配管１１を通るガスに含まれるダストを除去するために設けられている。
ガスクーラー１３は、配管１１を通るガスを冷却するために設けられており、ダストフィルタ１４は、配管１１を通るガスに含まれるダストを除去するために設けられている。
また、排気ポンプ５は、熱処理炉６内において使用された酸素同位体ガスをバッファータンク３に循環させることが可能なように構成されている。遮断弁１５は、弁を閉じることで、熱処理炉６からバッファータンク３に循環する酸素同位体ガスを遮断することができるように構成されている。
また、配管１１には、排気ポンプ５と遮断弁１５との間において、配管１６が分岐して設けられており、この配管１６には排気弁１７が設けられている。排気弁１７は、弁を開けることで、排気ポンプ５によって、熱処理炉６から酸素同位体ガスを外部へ放出することができるように構成されている。
熱処理炉６は、気密性を有しており、内部に原材料である金属粉末を充填した処理品１８を配置可能なように構成されており、例えばバッチ式熱処理炉を用いることができる。また、熱処理炉６にはリーク弁１９が設けられた配管２０が接続されており、このリーク弁１９を開くことで熱処理炉６内に大気を導入することができる。
処理品１８に充填される原材料としては、金属粉末のみを用いてもよいが、金属粉末に加えて更に所望の金属酸化物同位体が混合されたものを用いてもよい。
本実施形態の金属酸化物同位体の製造装置１は以上のような構成をしている。
本実施形態の金属酸化物同位体の製造装置１は以上のような構成をしている。
＜金属酸化物同位体の製造方法＞
次に、上述した金属酸化物同位体の製造装置１を用いた、金属酸化物同位体の製造方法について説明する。
なお、以下の説明では金属粉末としてアルミニウム粉末を用いた場合について説明するが、これに限定されない。金属粉末としては、例えばマグネシウム、すず、ニッケル、亜鉛等を用いることができる。
次に、上述した金属酸化物同位体の製造装置１を用いた、金属酸化物同位体の製造方法について説明する。
なお、以下の説明では金属粉末としてアルミニウム粉末を用いた場合について説明するが、これに限定されない。金属粉末としては、例えばマグネシウム、すず、ニッケル、亜鉛等を用いることができる。
本実施形態の金属酸化物同位体の製造方法では、まず、原材料金属アルミニウム粉末と酸化アルミニウム同位体（Ａｌ２ １７Ｏ３またはＡｌ２ １８Ｏ３）粉末を充填した処理品１８を、熱処理炉６内に配置する。
その上で、排気ポンプ５を使用して、熱処理炉６内の残存大気成分を、配管１１，１６を介して排気する。この際、排気弁１７は開いており、遮断弁９，１２，１５及びリーク弁１９は閉止している。
その後、十分に排気をしたら、排気弁１７を閉止して排気ポンプ５を停止する。
その後、十分に排気をしたら、排気弁１７を閉止して排気ポンプ５を停止する。
次に、熱処理炉６内に、酸素同位体ガスである１７Ｏ２ガスまたは１８Ｏ２ガスを処理雰囲気ガスとして導入する。具体的には、遮断弁９，１２を開き、酸素同位体ガス供給装置２から配管７を介して、バッファータンク３内に酸素同位体ガスを供給し、バッファータンク３内に供給された酸素同位体ガスを、循環ポンプ４を用いて配管１０を介して熱処理炉６内に導入する。
この際、酸素同位体ガスの流量は、流量調整弁８によって適宜調整する。
この際、酸素同位体ガスの流量は、流量調整弁８によって適宜調整する。
その後、熱処理炉６内の圧力が大気圧より１ｋＰａ程度高めの圧力になるまで酸素同位体ガスを導入したら、遮断弁９を閉止し、酸素導体ガス供給装置２からバッファータンク３への酸素同位体ガスの供給を止める。
次に、遮断弁１５を開き、循環ポンプ４および排気ポンプ５を用いて、バッファータンク３と熱処理炉６の間で酸素同位体ガスの循環を開始する。そして、熱処理炉６の昇温運転を開始することで、処理品１８内の金属アルミニウム粉末を加熱する。このようにして酸素同位体ガスである１７Ｏ２ガスまたは１８Ｏ２ガス中において、金属アルミニウム粉末を加熱することでと酸化反応させ、酸化アルミニウム同位体粉末を生成する。
この際、加熱に伴って熱処理炉６内の雰囲気ガスが膨張し、熱処理炉６内の圧力が上昇するので、それを防止するように適宜循環ポンプ４と排気ポンプ５の吐出量を調整し、熱処理炉６内の圧力を、大気圧より１ｋＰａ程度高めの圧力に保つようにする。そして、過剰な酸素同位体ガスはバッファータンク３内に蓄積するようにする。
なお、大気圧より１ｋＰａ程度高めにするのは、熱処理炉６内を陽圧にするためであり、これによって炉外からのガスの侵入を阻むことができる。
なお、大気圧より１ｋＰａ程度高めにするのは、熱処理炉６内を陽圧にするためであり、これによって炉外からのガスの侵入を阻むことができる。
このように、循環ポンプ４および排気ポンプ５を制御することで、熱処理炉６内の酸素同位体ガスの膨張による圧力変動を吸収するだけでなく、酸化によって消費された酸素同位体ガスの減量分を補充することもできる。
加熱温度は、金属粉末の種類によって適宜調整することができるが、金属酸化物の焼結温度以下であることが好ましい。例えば、金属粉末として金属アルミニウム粉末を用いる場合は、酸化アルミニウム同位体の焼結温度以下であることが好ましく、焼結による処理品の固化を抑制しつつ高い酸化速度を得ることができるので、１５００℃付近であることがより好ましい。
なお、本実施形態では、処理品１８に予め金属アルミニウム粉末だけでなく、所望の金属酸化物同位体粉末を混合させている。
一般に、金属粉末を加熱する場合、金属粉末が溶融して表面積が低下するため、酸化反応を十分に行うまでに必要とされる時間が長くなるが、本実施形態のように、所望の金属酸化物同位体粉末を予め混合しておくことで、溶融による表面積低下を防止することができる。例えば金属アルミニウム粉末を加熱する場合、融点である６６０℃付近において、金属アルミニウム粉末の溶融が生じ、表面積が低下することとなるが、所望のアルミニウム酸化物同位体を混合しておくことで、溶融による表面積の減少を防ぐことができる。
その結果、酸化反応に要する時間を低減することができる。
一般に、金属粉末を加熱する場合、金属粉末が溶融して表面積が低下するため、酸化反応を十分に行うまでに必要とされる時間が長くなるが、本実施形態のように、所望の金属酸化物同位体粉末を予め混合しておくことで、溶融による表面積低下を防止することができる。例えば金属アルミニウム粉末を加熱する場合、融点である６６０℃付近において、金属アルミニウム粉末の溶融が生じ、表面積が低下することとなるが、所望のアルミニウム酸化物同位体を混合しておくことで、溶融による表面積の減少を防ぐことができる。
その結果、酸化反応に要する時間を低減することができる。
十分に金属アルミニウム粉末を加熱させて、酸化アルミニウム同位体を得たら、加熱処理を終了させて、熱処理炉６内を冷却させる。
なお、冷却過程では、熱処理炉６内の雰囲気ガスの収縮に伴って圧力が低下するので、それを防止するように循環ポンプ４および排気ポンプ５を制御して、熱処理炉６内の圧力を一定に維持するようにする。これにより、冷却過程でも金属アルミニウムの酸化反応を継続させることができる。
なお、冷却過程では、熱処理炉６内の雰囲気ガスの収縮に伴って圧力が低下するので、それを防止するように循環ポンプ４および排気ポンプ５を制御して、熱処理炉６内の圧力を一定に維持するようにする。これにより、冷却過程でも金属アルミニウムの酸化反応を継続させることができる。
十分に冷却した後は、遮断弁１２を閉止し、排気ポンプ５を用いて熱処理炉６内に残存した酸素同位体ガスをバッファータンク３に回収する。このように酸素同位体ガスを十分に回収することで、金属酸化物同位体の製造コストを低減することができる。
その後、リーク弁１９を開き、熱処理炉６内に大気を導入して、炉内圧力を大気圧まで復圧させ、熱処理炉６内の処理品１８を取り出す。
その後、リーク弁１９を開き、熱処理炉６内に大気を導入して、炉内圧力を大気圧まで復圧させ、熱処理炉６内の処理品１８を取り出す。
取り出した処理品１８は、乳鉢やボールミルなどの粉砕装置を使用して粉砕することで、まだ未酸化の活性な金属表面を露出させ反応表面積を拡大させる。
この際、粉砕により露出した活性な金属表面と大気の反応による純度低下を防止するために、例えば酸素同位体ガスが充填されたグローブボックスや、酸素同位体ガスを封入した密閉型ボールミルを用いるなどして、酸素同位体ガス雰囲気下で粉砕することが好ましい。
この際、粉砕により露出した活性な金属表面と大気の反応による純度低下を防止するために、例えば酸素同位体ガスが充填されたグローブボックスや、酸素同位体ガスを封入した密閉型ボールミルを用いるなどして、酸素同位体ガス雰囲気下で粉砕することが好ましい。
粉砕後の処理品１８は、再度熱処理炉６内に配置し、上記と同様の手順で酸素同位体ガス中において加熱処理を行い、以後加熱処理と粉砕を交互に行う。
そして、酸化による重量変化が飽和するまで加熱処理と粉砕を交互に繰り返し、完全に金属アルミニウム粉末を酸化させることで、高純度の酸化アルミニウム同位体を製造することができる。
以上のようにして、酸化アルミニウム同位体（Ａｌ２ １７Ｏ３またはＡｌ２ １８Ｏ３）を得る。
そして、酸化による重量変化が飽和するまで加熱処理と粉砕を交互に繰り返し、完全に金属アルミニウム粉末を酸化させることで、高純度の酸化アルミニウム同位体を製造することができる。
以上のようにして、酸化アルミニウム同位体（Ａｌ２ １７Ｏ３またはＡｌ２ １８Ｏ３）を得る。
本実施形態の金属酸化物同位体の製造方法によれば、酸素同位体ガス中において、金属粉末を加熱することにより金属酸化物同位体を得ている。
したがって、金属酸化物同位体を得る際に、中間体を合成する必要がないので、環境負荷を低減できるとともに、高純度な金属酸化物同位体を得ることができる。また、質量数１７または１８の酸素同位体から構成される他の材料（例えば酸化アルミニウムの場合は、水酸化ナトリウムや純水）を用いず、酸素同位体ガスのみを用いるので、安価に金属酸化物同位体を得ることができる。
したがって、金属酸化物同位体を得る際に、中間体を合成する必要がないので、環境負荷を低減できるとともに、高純度な金属酸化物同位体を得ることができる。また、質量数１７または１８の酸素同位体から構成される他の材料（例えば酸化アルミニウムの場合は、水酸化ナトリウムや純水）を用いず、酸素同位体ガスのみを用いるので、安価に金属酸化物同位体を得ることができる。
また、本実施形態では、処理品として、金属粉末に予め所望の金属酸化物同位体を混合させたものを用いている。
このように原料に用いる金属粉末に、予め所望の金属酸化物同位体粉末を混合しておくことで、溶融による表面積低下を防止することができ、その結果、酸化反応に要する時間を低減することができる。
このように原料に用いる金属粉末に、予め所望の金属酸化物同位体粉末を混合しておくことで、溶融による表面積低下を防止することができ、その結果、酸化反応に要する時間を低減することができる。
また、本実施形態では、得られた金属酸化物同位体を粉砕した後に、再び酸素同位体ガス中において加熱している。
一般に、金属粉末を加熱処理して金属酸化物を生成する場合、表面に金属酸化物被覆が生じ、内部まで反応が進みにくいが、本実施形態では一度加熱した後に粉砕するので、表面に形成された金属酸化物被覆を破壊し、酸化されていない金属表面を露出でき反応面積を拡大させることができる。これにより、金属酸化物の完全酸化までに必要な加熱時間および加熱エネルギーを低減させることができるとともに、高純度の金属酸化物同位体を得ることができる。
一般に、金属粉末を加熱処理して金属酸化物を生成する場合、表面に金属酸化物被覆が生じ、内部まで反応が進みにくいが、本実施形態では一度加熱した後に粉砕するので、表面に形成された金属酸化物被覆を破壊し、酸化されていない金属表面を露出でき反応面積を拡大させることができる。これにより、金属酸化物の完全酸化までに必要な加熱時間および加熱エネルギーを低減させることができるとともに、高純度の金属酸化物同位体を得ることができる。
また、本実施形態では、金属粉末の加熱の際に使用した酸素同位体ガスを循環利用している。これにより、酸素同位体ガスの使用量を削減することができ、金属酸化物同位体の製造コストを低減することができる。
［第２の実施形態］
＜金属酸化物同位体の製造装置＞
図２は、本発明の第２の実施形態である金属酸化物同位体の製造装置２１を示す系統図である。
本実施形態は、図２に示すように、不活性ガスであるアルゴンガスを用いる点で第１の実施形態と大きく異なっている。なお、以下の説明では第１の実施形態と同様の部分については適宜説明を省略する。
＜金属酸化物同位体の製造装置＞
図２は、本発明の第２の実施形態である金属酸化物同位体の製造装置２１を示す系統図である。
本実施形態は、図２に示すように、不活性ガスであるアルゴンガスを用いる点で第１の実施形態と大きく異なっている。なお、以下の説明では第１の実施形態と同様の部分については適宜説明を省略する。
本実施形態の金属酸化物同位体の製造装置２１は、第１の実施形態と異なり、アルゴンガス供給装置２２を有している。
アルゴンガス供給装置２２は、高純度の不活性ガスであるアルゴンガスを供給可能なように構成されており、配管２３を介してバッファータンク３と接続されている。配管２３には、アルゴンガス供給装置２２側から順に、流量調整弁２４と遮断弁２５が設けられている。
アルゴンガス供給装置２２は、高純度の不活性ガスであるアルゴンガスを供給可能なように構成されており、配管２３を介してバッファータンク３と接続されている。配管２３には、アルゴンガス供給装置２２側から順に、流量調整弁２４と遮断弁２５が設けられている。
流量調整弁２４は、適宜調整することによって、アルゴンガス供給装置２２から供給されるアルゴンガスの流量を制御することができるように構成されており、遮断弁２５は、閉止することで、バッファータンク３へのアルゴンガスの供給を遮断することができるように構成されている。
また、配管２３には、流量調整弁２４と遮断弁２５との間において、配管２６が分岐して設けられており、配管２６は熱処理炉６と接続している。したがって、アルゴンガス供給装置２２から供給されるアルゴンガスは、流量調整弁２４を経た後、直接配管２６を介して熱処理炉６内に導入することが可能なように構成されている。
なお、配管２６には置換弁２７が設けられており、置換弁２７は閉止することで、配管２６を介した熱処理炉６へのアルゴンガスの供給を遮断することができるように構成されている。
なお、配管２６には置換弁２７が設けられており、置換弁２７は閉止することで、配管２６を介した熱処理炉６へのアルゴンガスの供給を遮断することができるように構成されている。
また、本実施形態の金属酸化物同位体の製造装置２１には、第１の実施形態と異なり、バッファータンク３および加熱処理炉６に、それぞれ分析計２８、２９が設けられている。分析計２８、２９は、それぞれバッファータンク３内ないし熱処理炉６内のガスを分析可能であればどのようなものであってもよいが、分析計２９は後述するように質量数１６の酸素の存在量を確認するため質量分析計であることが好ましい。
本実施形態の金属酸化物同位体の製造装置２１は、以上のような構成をしている。
本実施形態の金属酸化物同位体の製造装置２１は、以上のような構成をしている。
＜金属酸化物同位体の製造方法＞
次に、上述した金属酸化物同位体の製造装置２１を用いた、金属酸化物同位体の製造方法について説明する。なお、以下の説明においても、第１の実施形態と同様な部分については、適宜説明を省略する。
次に、上述した金属酸化物同位体の製造装置２１を用いた、金属酸化物同位体の製造方法について説明する。なお、以下の説明においても、第１の実施形態と同様な部分については、適宜説明を省略する。
まず、第１の実施形態と同様に、金属アルミニウム粉末と酸化アルミニウム同位体粉末が充填された処理品１８を熱処理炉６内に設置し、排気弁１７を開き、遮断弁９，１２，１５、置換弁２７およびリーク弁１９を閉じた状態で、熱処理炉６内から残存大気成分を排気ポンプ５を使用して配管１１，１６を介して排気する。その後、十分に排気をしたら、排気弁１７を閉止して排気ポンプ５を停止する。
次に、置換弁２７を開き、アルゴンガス供給装置２２を用いて、置換ガスとして高純度のアルゴンガスを配管２３，２６を介して熱処理炉６内に供給する。アルゴンガスの供給は、熱処理炉６内の圧力が大気圧と同一になるまで行う。
その後置換弁２７を閉じて排気弁１７を開き、排気ポンプ５を使用して熱処理炉６内のアルゴンガスを排気する。その後、排気弁１７を閉じて置換弁２７を開き、再びアルゴンガスを熱処理炉６内に導入する。
その後置換弁２７を閉じて排気弁１７を開き、排気ポンプ５を使用して熱処理炉６内のアルゴンガスを排気する。その後、排気弁１７を閉じて置換弁２７を開き、再びアルゴンガスを熱処理炉６内に導入する。
このアルゴンガスの導入と排気は、アルゴンガスを大気圧まで導入した状態で、分析計２９にて熱処理炉６内の残留成分を計測した際に、窒素や水、質量数１６の酸素（１６Ｏ２）などの不純物となりうる成分が排除されるまで繰り返す。
不純物成分の排除が完了したら、置換弁２７を閉じ排気弁１７を開いて、排気ポンプ５を用いて熱処理炉６内のアルゴンガスを排気し、その後排気ポンプ５を停止して排気弁１７を閉止する。
不純物成分の排除が完了したら、置換弁２７を閉じ排気弁１７を開いて、排気ポンプ５を用いて熱処理炉６内のアルゴンガスを排気し、その後排気ポンプ５を停止して排気弁１７を閉止する。
次に、熱処理炉６内に、高純度の酸素同位体ガスである１７Ｏ２または１８Ｏ２と、高純度のアルゴンガスを処理雰囲気ガスとして導入する。
具体的には、遮断弁９，１２，２５を開き、酸素同位体ガス供給装置２から配管７を介してバッファータンク３内に酸素同位体ガスを供給し、アルゴンガス供給装置２２から配管２３を介してバッファータンク３内にアルゴンガスを供給する。なお、酸素同位体ガスの流量およびアルゴンガスの流量は、それぞれ流量調整弁８，２４によって適宜調整する。
具体的には、遮断弁９，１２，２５を開き、酸素同位体ガス供給装置２から配管７を介してバッファータンク３内に酸素同位体ガスを供給し、アルゴンガス供給装置２２から配管２３を介してバッファータンク３内にアルゴンガスを供給する。なお、酸素同位体ガスの流量およびアルゴンガスの流量は、それぞれ流量調整弁８，２４によって適宜調整する。
そして、バッファータンク３に供給された酸素同位体ガスおよびアルゴンガスを、循環ポンプ４を用いて、配管１０を介して熱処理炉６内に導入する。
その後、熱処理炉６内の圧力が大気圧より１ｋＰａ程度高めの圧力になるまで、酸素同位体ガスおよびアルゴンガスを導入したら、遮断弁９，２５を閉止する。
その後、熱処理炉６内の圧力が大気圧より１ｋＰａ程度高めの圧力になるまで、酸素同位体ガスおよびアルゴンガスを導入したら、遮断弁９，２５を閉止する。
この際、高純度の酸素同位体ガスである１７Ｏ２または１８Ｏ２と高純度のアルゴンガスの混合比は任意の比率にて混合しても構わない。
もっとも、高純度の酸素同位体ガスである１７Ｏ２または１８Ｏ２の濃度を大気中の酸素濃度と同様の２０％付近にすることで、炉体やヒーター、ポンプなどを一般の大気炉と同じ安価な材質の部材にて構成することができる。
また、循環させるガス中の酸素濃度を抑えることで発火などの危険性を低減することもできる。
もっとも、高純度の酸素同位体ガスである１７Ｏ２または１８Ｏ２の濃度を大気中の酸素濃度と同様の２０％付近にすることで、炉体やヒーター、ポンプなどを一般の大気炉と同じ安価な材質の部材にて構成することができる。
また、循環させるガス中の酸素濃度を抑えることで発火などの危険性を低減することもできる。
次に、遮断弁１５を開き、循環ポンプ４および排気ポンプ５を用いて、バッファータンク３と熱処理炉６の間で酸素同位体ガスの循環を開始する。そして、熱処理炉６の昇温運転を開始し、処理品１８内の金属アルミニウム粉末を加熱する。このようにしてアルゴンガスと酸素同位体ガスである１７Ｏ２ガスまたは１８Ｏ２ガスの混合ガス中において、金属アルミニウム粉末を加熱することで酸化反応させ、酸化アルミニウム同位体粉末を生成する。
この際、加熱に伴って熱処理炉６内の雰囲気ガスが膨張し、熱処理炉６内の圧力が上昇するので、それを防止するように適宜循環ポンプ４と排気ポンプ５の吐出量を調整し、熱処理炉６内の圧力を、大気圧より１ｋＰａ程度高め圧力に保つようにする。そして、過剰な酸素同位体ガスはバッファータンク３内に蓄積するようにする。
このように、循環ポンプ４および排気ポンプ５を制御することで、熱処理炉６内の酸素同位体ガスの膨張による圧力変動を吸収するだけでなく、処理品１８に含まれる金属アルミニウムの酸化によって消費された酸素同位体ガスの減量分を補充することもできる。
また、金属アルミニウム粉末が酸化することで、酸素同位体ガスが消費されるため、バッファータンク３内の酸素同位体ガスの濃度が低下する。そこで、分析計２８によってバッファータンク３内の酸素同位体ガスの濃度をモニターし、消費分について、遮断弁９を開いて酸素同位体ガス供給装置２から、バッファータンク３内に酸素同位体ガスを補充する。これにより、処理雰囲気中の酸素同位体ガスの濃度を維持し、安定した酸化反応を継続させることができる。
なお、加熱温度は、第１の実施形態と同様に設定すればよい。
十分に金属アルミニウム粉末を加熱させて、酸化アルミニウム同位体を得たら、加熱処理を終了させて、熱処理炉６内を冷却させる。
十分に金属アルミニウム粉末を加熱させて、酸化アルミニウム同位体を得たら、加熱処理を終了させて、熱処理炉６内を冷却させる。
冷却過程では、熱処理炉６内の雰囲気ガスの収縮に伴って圧力が低下するので、それを防止するように循環ポンプ４および排気ポンプ５を制御して熱処理炉６内の圧力を一定に維持するようにする。
なお、冷却過程でも酸化反応によって、酸素同位体ガスの濃度が低下するので、適宜分析計２８によってバッファータンク３内の酸素同位体ガスの濃度を測定し、一定になるように適宜遮断弁９を開いて酸素同位体ガス供給装置２から、酸素同位体ガスをバッファータンク３内に導入するようにする。
これにより、冷却過程でも金属アルミニウムの酸化反応を安定して継続させることができる。
これにより、冷却過程でも金属アルミニウムの酸化反応を安定して継続させることができる。
十分に冷却した後は、遮断弁１２を閉止し、排気ポンプ５を用いて熱処理炉６内に残存した酸素同位体ガスを、配管１１を介してバッファータンク３に回収する。このように酸素同位体ガスを十分に回収することで、金属酸化物同位体の製造コストを低減することができる。
その後、遮断弁１５を閉じてリーク弁１９を開き、熱処理炉６内に大気を導入して、炉内圧力を大気圧まで復圧させ、熱処理炉６内の処理品１８を取り出す。
その後、遮断弁１５を閉じてリーク弁１９を開き、熱処理炉６内に大気を導入して、炉内圧力を大気圧まで復圧させ、熱処理炉６内の処理品１８を取り出す。
取り出した処理品１８は、乳鉢やボールミルなどの粉砕装置を使用して粉砕することで、酸化されていない活性な金属表面を露出でき表面積を拡大させる。
この際、粉砕により露出した活性な金属表面と大気の反応による純度低下を防止するために、例えば酸素同位体ガスが充填されたグローブボックスや、酸素同位体ガスを封入した密閉型ボールミルを用いるなどして、酸素同位体ガス雰囲気下で粉砕することが好ましい。
この際、粉砕により露出した活性な金属表面と大気の反応による純度低下を防止するために、例えば酸素同位体ガスが充填されたグローブボックスや、酸素同位体ガスを封入した密閉型ボールミルを用いるなどして、酸素同位体ガス雰囲気下で粉砕することが好ましい。
粉砕後の処理品１８は、再度熱処理炉６内に配置し、上記と同様の手順でアルゴンガスと酸素同位体ガスの混合ガス中において加熱処理を行い、以後加熱処理と粉砕を交互に行う。
そして、酸化による重量変化が飽和するまで加熱処理と粉砕を交互に繰り返し、完全に金属アルミニウム粉末を酸化させることで、高純度の酸化アルミニウム同位体を製造することができる。
以上のようにして、酸化アルミニウム同位体（Ａｌ２ １７Ｏ３またはＡｌ２ １８Ｏ３）を得る。
そして、酸化による重量変化が飽和するまで加熱処理と粉砕を交互に繰り返し、完全に金属アルミニウム粉末を酸化させることで、高純度の酸化アルミニウム同位体を製造することができる。
以上のようにして、酸化アルミニウム同位体（Ａｌ２ １７Ｏ３またはＡｌ２ １８Ｏ３）を得る。
本実施形態の金属酸化物導体の製造方法によれば、第１の実施形態と同様に、中間体を合成する必要がないので、高純度な金属酸化物同位体を得ることができる。また、質量数１７または１８の酸素同位体から構成される他の材料を用いず、酸素同位体ガスのみを用いるので、安価に金属酸化物同位体を得ることができる。
また、第１の実施形態と同様に、処理品として、金属粉末に予め所望の金属酸化物同位体を混合させたものを用いているので、溶融による表面積低下を防止することができ、その結果、酸化反応に要する時間を低減することができる。
また、第１の実施形態と同様に、一度加熱した後に粉砕するので、表面に形成された金属酸化物被覆を破壊し、反応面積を拡大させることができ、金属酸化物の完全酸化までに必要な加熱時間および加熱エネルギーを低減させることができ、また、高純度の金属酸化物同位体を得ることができる。
また、第１の実施形態と同様に、酸素同位体ガスを循環利用しているので、製造コストを低減することができる。
以上、本発明を実施形態に基づき説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。例えば、上記実施形態では、不活性ガスとしてアルゴンガスを用いた場合について説明したが、これに限定されない。
以下、実施例により、本発明を更に詳しく説明するが、本発明は下記実施例に何ら制限されるものではない。
（実施例１）
実施例１では、第１の実施形態に示した金属酸化物同位体の製造方法と同様な方法によって、酸化アルミニウム同位体（Ａｌ２ １７Ｏ３）を得た。具体的には、金属アルミニウム粉末と純度１０ｗｔ％の酸化アルミニウム同位体（Ａｌ２ １７Ｏ３）粉末を混合比１０：１で混合させた処理品を、加熱温度を１５００℃とし、熱処理炉内で加熱した。また、加熱処理と粉砕を交互に行い、酸化アルミニウムを得た。
なお、処理品の粉砕は、１７Ｏ２酸素同位体ガスが充填されたグローブボックスで行った。もっとも、本実施例では１７Ｏ２酸素同位体ガスを用いたが、１６Ｏによるコンタミ防止が目的なので、グローブボックス内はアルゴンガスで充填されていても構わない。
実施例１では、第１の実施形態に示した金属酸化物同位体の製造方法と同様な方法によって、酸化アルミニウム同位体（Ａｌ２ １７Ｏ３）を得た。具体的には、金属アルミニウム粉末と純度１０ｗｔ％の酸化アルミニウム同位体（Ａｌ２ １７Ｏ３）粉末を混合比１０：１で混合させた処理品を、加熱温度を１５００℃とし、熱処理炉内で加熱した。また、加熱処理と粉砕を交互に行い、酸化アルミニウムを得た。
なお、処理品の粉砕は、１７Ｏ２酸素同位体ガスが充填されたグローブボックスで行った。もっとも、本実施例では１７Ｏ２酸素同位体ガスを用いたが、１６Ｏによるコンタミ防止が目的なので、グローブボックス内はアルゴンガスで充填されていても構わない。
得られた酸化アルミニウムについて、ＤＣＡ電源を用いた光電測光式発光分光分析法によって、Ｓｉ，Ｆｅ，Ｎａ，Ｔｇ及びＣａ成分を定量し、Ａｌメタルメタノール及び臭素溶液で溶解の後、ＩＣＰ発光装置によりＡｌメタル成分を定量した。
その結果、得られた酸化アルミニウムに占める１７Ｏで標識されている酸化アルミニウム同位体Ａｌ２ １７Ｏ３の純度は、９９．５９７ｗｔ％であった。
その結果、得られた酸化アルミニウムに占める１７Ｏで標識されている酸化アルミニウム同位体Ａｌ２ １７Ｏ３の純度は、９９．５９７ｗｔ％であった。
（実施例２）
実施例２では、第２の実施形態に示した金属酸化物同位体の製造方法と同様な方法によって、酸化アルミニウム同位体（Ａｌ２ １８Ｏ３）を得た。具体的には、金属アルミニウム粉末と純度１０ｗｔ％の酸化アルミニウム同位体（Ａｌ２ １８Ｏ３）粉末を混合比１０：１で混合させた処理品を、加熱温度を１５００℃とし、熱処理炉内で加熱した。また、加熱処理と粉砕を交互に行い、酸化アルミニウムを得た。
なお、処理品の粉砕は、酸素同位体ガスが充填されたグローブボックスで行った。
実施例２では、第２の実施形態に示した金属酸化物同位体の製造方法と同様な方法によって、酸化アルミニウム同位体（Ａｌ２ １８Ｏ３）を得た。具体的には、金属アルミニウム粉末と純度１０ｗｔ％の酸化アルミニウム同位体（Ａｌ２ １８Ｏ３）粉末を混合比１０：１で混合させた処理品を、加熱温度を１５００℃とし、熱処理炉内で加熱した。また、加熱処理と粉砕を交互に行い、酸化アルミニウムを得た。
なお、処理品の粉砕は、酸素同位体ガスが充填されたグローブボックスで行った。
得られた酸化アルミニウムについて、ＤＣＡ電源を用いた光電測光式発光分光分析法によって、Ｓｉ，Ｆｅ，Ｎａ，Ｔｇ及びＣａ成分を定量し、Ａｌメタルメタノール及び臭素溶液で溶解の後、ＩＣＰ発光装置によりＡｌメタル成分を定量した。
その結果、得られた酸化アルミニウムに占める１８Ｏで標識されている酸化アルミニウム同位体（Ａｌ２ １８Ｏ３）の純度は、９９．５９７ｗｔ％であった。
その結果、得られた酸化アルミニウムに占める１８Ｏで標識されている酸化アルミニウム同位体（Ａｌ２ １８Ｏ３）の純度は、９９．５９７ｗｔ％であった。
（比較例）
比較例では、質量数１７で標識される酸素同位体１７Ｏから構成される水酸化ナトリウム（Ｎａ１７ＯＨ）を準備し、バイヤー法によって酸化アルミニウムを得た。
得られた酸化アルミニウムについて、ＤＣＡ電源を用いた光電測光式発光分光分析法によって、Ｓｉ，Ｆｅ，Ｎａ，Ｔｇ及びＣａ成分を定量し、Ａｌメタルメタノール及び臭素溶液で溶解の後、ＩＣＰ発光装置によりＡｌメタル成分を定量した。
その結果、得られた酸化アルミニウムに占める１７Ｏで標識されている酸化アルミニウム同位体（Ａｌ２ １７Ｏ３）の純度は、９９．０ｗｔ％であった。
比較例では、質量数１７で標識される酸素同位体１７Ｏから構成される水酸化ナトリウム（Ｎａ１７ＯＨ）を準備し、バイヤー法によって酸化アルミニウムを得た。
得られた酸化アルミニウムについて、ＤＣＡ電源を用いた光電測光式発光分光分析法によって、Ｓｉ，Ｆｅ，Ｎａ，Ｔｇ及びＣａ成分を定量し、Ａｌメタルメタノール及び臭素溶液で溶解の後、ＩＣＰ発光装置によりＡｌメタル成分を定量した。
その結果、得られた酸化アルミニウムに占める１７Ｏで標識されている酸化アルミニウム同位体（Ａｌ２ １７Ｏ３）の純度は、９９．０ｗｔ％であった。
１，２１・・・金属酸化物同位体の製造装置、２・・・酸素同位体ガス供給装置、３・・・バッファータンク、４・・・循環ポンプ、５・・・排気ポンプ、６・・・熱処理炉、７，１０，１１，１６，２０，２３，２６・・・配管、８，２４・・・流量調整弁、９，１２，１５，２５・・・遮断弁、１８・・・処理品、１９・・・リーク弁、２２・・・アルゴンガス供給装置、２７・・・置換弁、２８，２９・・・分析計
Claims (4)
- 酸素同位体ガスである１７Ｏ２ガス若しくは１８Ｏ２ガス、または、不活性ガスと酸素同位体ガスである１７Ｏ２ガス若しくは１８Ｏ２ガスの混合ガス中において、
金属粉末を加熱することにより酸素同位体である１７Ｏまたは１８Ｏで標識される金属酸化物同位体を得る金属酸化物同位体の製造方法であって、
前記金属粉末を加熱する際に、前記金属粉末に、前記金属粉末と同じ金属からなる金属酸化物同位体粉末を予め混合させて加熱することを特徴とする金属酸化物同位体の製造方法。 - 酸素同位体ガスである１７Ｏ２ガス若しくは１８Ｏ２ガス、または、不活性ガスと酸素同位体ガスである１７Ｏ２ガス若しくは１８Ｏ２ガスの混合ガス中において、
金属粉末を加熱することにより酸素同位体である１７Ｏまたは１８Ｏで標識される金属酸化物同位体を得る金属酸化物同位体の製造方法であって、
得られた前記金属酸化物同位体を粉砕した後に、再び酸素同位体ガスである １７ Ｏ ２ ガス若しくは １８ Ｏ ２ ガス、または、不活性ガスと酸素同位体ガスである １７ Ｏ ２ ガス若しくは １８ Ｏ ２ ガスの混合ガス中において加熱することを特徴とする金属酸化物同位体の製造方法。 - 酸素同位体ガスである１７Ｏ２ガス若しくは１８Ｏ２ガス、または、不活性ガスと酸素同位体ガスである１７Ｏ２ガス若しくは１８Ｏ２ガスの混合ガス中において、
金属粉末を加熱することにより酸素同位体である１７Ｏまたは１８Ｏで標識される金属酸化物同位体を得る金属酸化物同位体の製造方法であって、
前記金属粉末の加熱の際に使用した前記酸素同位体ガスである １７ Ｏ ２ ガス若しくは １８ Ｏ ２ ガス、または、前記不活性ガスと酸素同位体ガスである １７ Ｏ ２ ガス若しくは １８ Ｏ ２ ガスの混合ガスを循環利用することを特徴とする金属酸化物同位体の製造方法。 - 前記金属粉末が、金属アルミニウム粉末であり、
前記金属酸化物同位体が、Ａｌ ２ １７ Ｏ ３ またはＡｌ ２ １８ Ｏ ３ であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の金属酸化物同位体の製造方法。
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