JP6659668B2 - 重水素低減水の製造方法、重水と軽水の分離方法、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、軽水から重水および半重水を分離する方法、および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。
また、本発明は、重水や半重水を多く含む重水素濃縮水を容易かつ低コストで製造することを課題とする。
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、水蒸気を吸着させた所定の吸着材の周囲の水蒸気の相対圧を低下させ、軽水の脱離速度>重水および半重水の脱離速度である時間帯の間、上記吸着材から脱離した水蒸気を回収する脱離工程を有することを特徴とする。
なお、重水または半重水を多く含有する水を回収し利用する場合にも、上記方法を用いることができる。
なお、上流側脱離工程おいて水蒸気を回収する工程と、下流側脱離工程においてこの回収した水蒸気を下流側の上記吸着材に吸着させる工程とは、同時並行して行われてもよい。
また、重水または半重水を多く含有する水を回収し利用する場合にも、上記方法を用いることができる。
なお、重水または半重水を多く含有する水を回収し利用する場合にも、上記方法を用いることができる。
また、吸着材に残留した水には、重水や半重水が濃縮されて多量に含まれているため、これを利用することもできる。
また、吸着材に残留した水には、重水や半重水が濃縮されて多量に含まれているため、これを利用することもできる。
また、吸着材に残留した水には、重水や半重水が濃縮されて多量に含まれているため、これを利用することもできる。
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および脱離速度が速いことを利用したものである。
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1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。
この中では、AQSOA(登録商標)やALPO−5などのAlPO系ゼオライトの材料が吸着性能に優れ、活性炭が低コストである。
以下では、吸着材として活性炭(株式会社アドール製活性炭素繊維「A−20」)を使用した例に基づいて説明する。
図2のグラフは、その結果を示している。
図2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。
図3のグラフは、その結果を示している。なお、図3のグラフにおいても縦軸は吸脱着速度であるため、縦軸のマイナスの値が大きいほど脱離速度が大きいことを表している。
図3に示すように、湿度40%の混合ガスの供給開始(0分)から約10分の間、軽水の脱離速度は非常に速く、かつ、重水の脱離速度を大きく上回っている。
10分から200分までの間は、軽水の脱離速度は中程度であり、重水の脱離速度を上回っているが、その差はわずかである。
200分以降は、軽水の脱離速度は急激に低下し、重水の脱離速度を下回る。
軽水はおよそ220分で平衡状態に達し、重水はおよそ250分で平衡状態に達する。
なお、半重水の脱離速度も、軽水と重水とを平均した値になると考えられる。
第一実施形態では、脱離速度の速い最初の10分を利用して、重水低減水を得ることを特徴とする。
図4に示すように、第一実施形態に用いる吸着塔5の内部には、図示しない活性炭からなる吸着材が配置されている。また、吸着塔5には、水蒸気や乾燥空気の導入口6、重水素低減水のベント口7、回収口8が形成されている。導入口6、ベント口7、回収口8には、それぞれバルブV1,V2,V3が配設されている。
次いで、吸着材4から水蒸気を脱離させる。
吸着材4から水蒸気を脱離させるためには、吸着材の周囲の水蒸気の相対圧(吸着平衡圧/飽和水蒸気圧)を低下させる。相対圧を低下させる方法としては、減圧する、乾燥した気体を流す、または気温を上昇させるなどの方法が考えられる。例えば、図1に示される実施形態においては、乾燥窒素ガスのみを供給すること等が考えられるが、水蒸気の相対圧を低下させる方法はそれに限られない。
次いで、バルブV2を閉じるとともにバルブV1,V3を開放して、導入口6から湿度0%の乾燥空気を10分間供給して、回収口8から水蒸気を回収する。
なお、本実施形態では、吸着工程で吸着塔に供給される水蒸気の相対圧(吸着平衡圧/飽和水蒸気圧)は0.9、脱離工程で供給される乾燥空気の相対圧は0.4であった。ただし、各工程での相対圧の数値等の条件は上記実施形態に限られるものではなく、例えば、吸着材の種類などのその他条件によって変動しうるものである。
脱離開始から10分間では、軽水の平均脱離速度が0.53mmol/min、半重水の平均脱離速度が計算値で0.47mmol/min、重水の平均脱離速度が0.42mmol/minとなる。
第一実施形態では、吸着材に吸着させた水蒸気1gあたり、74mgの水蒸気を回収口8から回収することができる。また、吸着塔に供給する一般的な水蒸気の重水素濃度(重水および半重水の濃度)は150ppmであるが、回収口8から回収された水蒸気の重水素濃度は135ppmに低下した。
その後、バルブV3を閉じるとともにバルブV1,V2を開放して、乾燥空気を供給することで、吸着塔内に残った水蒸気をベント口7から除去することができる。
第二実施形態は、第一実施形態を1サイクルとし、複数回繰り返すことを特徴とする。
まず、第一実施形態の工程を行い、回収口8から水蒸気を回収し、吸着塔5内に残った水蒸気をベント口7から除去する(1サイクル目)。
次いで、この回収した水蒸気を導入口6から再度導入して飽和するまで吸着材に吸着させ、その後乾燥空気を10分間供給して回収口8から水蒸気を回収する。その後、吸着塔5に残った水蒸気をベント口7から除去する(2サイクル目)。
これらの工程を、5サイクル目まで繰り返す。
5サイクル目では、回収口8から回収される水蒸気の重水素濃度は88ppmになった。また、5サイクル目では、1サイクル目において供給する水蒸気1gあたり、2.2μgの水蒸気を回収口8から回収することができる。
第三実施形態では、吸着材を内蔵した吸着塔を、直列に5つ接続した装置を用いる。
図6に示すように、この装置は、第1塔11から第5塔15までの5つの吸着塔を接続管で直列に接続してなる。
第1塔11には導入口16とベント口17が形成されている。また、第5塔15には回収口18が形成されている。
導入口16、ベント口17、それぞれの吸着塔を接続する接続管、および回収口18には、バルブV4,V5,V6,V7,V8,V9,V10が設けられている。
必要に応じて、各吸着塔に、それぞれ導入口およびベント口を設けてもよい。
次いで、バルブV9を開放して第4塔14の相対圧を0.4に減圧して、吸着材から脱離した水蒸気を第5塔15へ10分間移動させ、バルブV9を閉じる。
その後、バルブV8を開放して第3塔13の相対圧を0.4に減圧して、吸着材から脱離した水蒸気を第4塔14へ10分間移動させ、バルブV8を閉じる。
次いで、バルブV7を開放して第2塔12の相対圧を0.4に減圧して、吸着材から脱離した水蒸気を第3塔13へ10分間移動させ、バルブV7を閉じる。
その後、バルブV6を開放して第1塔11の相対圧を0.4に減圧して、吸着材から脱離した水蒸気を第2塔12へ10分間移動させ、バルブV6を閉じる。
次いで、バルブV5を開放し、第1塔11の内部の残った水蒸気をベント口17から除去した後、バルブV4を開放して導入口16から150ppmの水蒸気を導入して相対圧0.9で吸着材に飽和吸着させ、バルブV4,V5を閉じる。
図7の表には、1サイクル目、2サイクル目、3サイクル目、15サイクル目において、各吸着塔の吸着材から脱離した水蒸気の重水素濃度を示している。また、12サイクル目において、各吸着塔の吸着材に残った水蒸気の重水素濃度も示している。
また、第5塔15から水蒸気を回収する工程と、第3塔13から第4塔14に水蒸気を移動させる工程と、第1塔11から第2塔12に水蒸気を移動させる工程とを同時に行い、次いで、第4塔14から第5塔15に水蒸気を移動させる工程と、第2塔12から第3塔13に水蒸気を移動させる工程と、第1塔11の水蒸気を入れ換える工程とを同時に行うことにより、1サイクルにかかる時間を2工程分に短縮することもできる。
したがって、1サイクル目から12サイクル目までを効率的に繰り返すことができる。
また、第1塔11に導入した水蒸気とほぼ同量の重水素低減水(水蒸気)を第5塔15から得ることができるので、生産性を向上させることができる。
さらに、各吸着塔に残った水蒸気を再利用して、サイクルを繰り返すことができるので、生産性をさらに向上させることができる。
第四実施形態では、吸着材を内蔵した吸着塔を、直列かつ環状に5つ接続した装置を用いる。
図8に示すように、この装置は、吸着塔Aから吸着塔Eまでの5つの吸着塔を接続管で直列かつ環状に接続してなる。
また、吸着塔A,B,C,D,Eには、導入口(図示せず)、ベント口(図示せず)および回収口(図示せず)がそれぞれ形成されている。
導入口、ベント口、それぞれの吸着塔を接続する接続管、および回収口には、それぞれバルブが設けられている。
次いで、第1塔11にあたる吸着塔Aの内部に残った水蒸気をベント口から除去し、98ppmの水蒸気を導入口から供給して吸着材に飽和吸着させる。
その後、吸着塔Bを第三実施形態の第1塔11、吸着塔Cを同第2塔12、吸着塔Dを同第3塔13、吸着塔Eを同第4塔14、吸着塔Aを同第5塔15として、第三実施形態の1サイクル目から12サイクル目までを行う。
このように、吸着塔Aの役割を第1塔11、第5塔15、第4塔14、第3塔13、第2塔12、第1塔11…となるように12サイクルごとに順番に変更し、他の吸着塔B〜Eの役割もこれに対応させる。
第五実施形態は、図3のグラフにおいて、脱離開始10分後から200分までの、軽水の脱離速度が中程度であり、重水の脱離速度を上回っている時間帯も利用することを特徴とする。
すなわち、第一実施形態において、回収口8から水蒸気を回収する時間を、乾燥空気を導入し吸着材から水蒸気を脱離させ始めてから100分間に変更したことを特徴とする。
次いで、バルブV2を閉じるとともにバルブV1,V3を開放して、導入口6から湿度0%の乾燥空気を100分間供給して、回収口8から水蒸気を回収する。
なお、吸着塔5に供給される水蒸気の相対圧および乾燥空気の相対圧は第一実施形態と同様であった。
脱離開始から100分間では、軽水の平均脱離速度が0.21mmol/min、半重水の平均脱離速度は計算値で0.19mmol/min、重水の平均脱離速度が0.17mmol/minとなる。
第五実施形態では、吸着塔5に吸着させた水蒸気1gあたり、333mgの水蒸気を回収口8から回収することができる。また、吸着塔5に供給する一般的な水蒸気の重水素濃度(重水および半重水の濃度)は150ppmであるが、回収口8から回収された水蒸気の重水素濃度は136ppmに低下した。
その後、バルブV3を閉じるとともにバルブV1,V2を開放して、乾燥空気を供給することで、吸着塔5の内部に残った水蒸気を除去することができる。
第六実施形態は、第二実施形態において、回収口8から水蒸気を回収する時間を、乾燥空気を導入し吸着材から水蒸気を脱離させ始めてから100分間に変更したことを特徴とする。
まず、第五実施形態の工程を行い、回収口8から水蒸気を回収し、吸着塔5内に残った水蒸気をベント口から除去する(1サイクル目)。
次いで、この回収した水蒸気を導入口6から導入して飽和するまで吸着材に吸着させ、その後乾燥空気を100分間供給して回収口8から水蒸気を回収する。その後、吸着塔5に残った水蒸気をベント口7から除去する(2サイクル目)。
これらの工程を、5サイクル目まで繰り返す。
5サイクル目では、回収口8から回収される水蒸気の重水素濃度は91ppmになった。また、5サイクル目では、1サイクル目において供給する水蒸気1gあたり、4.1mgの水蒸気を回収口8から回収することができる。
第七実施形態は、第三実施形態において、回収口18から水蒸気を回収する時間を、乾燥空気を導入し吸着材から水蒸気を脱離させ始めてから100分間に変更したことを特徴とする。
第七実施形態では、図6の装置において、予め、重水素濃度150ppmの水蒸気を第1塔11の吸着材に、同136ppmの水蒸気を第2塔12の吸着材に、同123ppmの水蒸気を第3塔13の吸着材に、同111ppmの水蒸気を第4塔14の吸着材に、同101ppmの水蒸気を第5塔15の吸着材に、それぞれ相対圧0.9で飽和するまで吸着させておく。
次いで、バルブV9を開放して第4塔14の相対圧を0.4に減圧して、吸着材から脱離した水蒸気を第5塔15へ100分間移動させ、バルブV9を閉じる。
その後、バルブV8を開放して第3塔13の相対圧を0.4に減圧して、吸着材から脱離した水蒸気を第4塔14へ100分間移動させ、バルブV8を閉じる。
次いで、バルブV7を開放して第2塔12の相対圧を0.4に減圧して、吸着材から脱離した水蒸気を第3塔13へ100分間移動させ、バルブV7を閉じる。
その後、バルブV6を開放して第1塔11の相対圧を0.4に減圧して、吸着材から脱離した水蒸気を第2塔12へ100分間移動させ、バルブV6を閉じる。
次いで、バルブV5を開放し、第1塔11の内部の残った水蒸気をベント口17から除去した後、バルブV4を開放して導入口16から150ppmの水蒸気を導入して相対圧0.9で吸着材に飽和吸着させ、バルブV4,V5を閉じる。
図10の表には、1サイクル目、2サイクル目、3サイクル目において、各吸着塔の吸着材から脱離した水蒸気の重水素濃度を示している。また、3サイクル目において、各吸着塔の吸着材に残った水蒸気の重水素濃度も示している。
また、第5塔15から水蒸気を回収する工程と、第3塔13から第4塔14に水蒸気を移動させる工程と、第1塔11から第2塔12に水蒸気を移動させる工程とを同時に行い、次いで、第4塔14から第5塔15に水蒸気を移動させる工程と、第2塔12から第3塔13に水蒸気を移動させる工程と、第1塔11の水蒸気を入れ換える工程とを同時に行うことにより、1サイクルにかかる時間を2工程分に短縮することもできる。
したがって、1サイクル目から2サイクル目までを効率的に繰り返すことができる。
また、第1塔に導入した水蒸気とほぼ同量の重水素低減水(水蒸気)を第5塔から得ることができるので、生産性を向上させることができる。
さらに、各吸着塔に残った水蒸気を再利用して、サイクルを繰り返すことができるので、生産性をさらに向上させることができる。
第八実施形態は、第四実施形態において、回収口から水蒸気を回収する時間を、乾燥空気を導入し吸着材から水蒸気を脱離させ始めてから100分間に変更したことを特徴とする。
次いで、第1塔11にあたる吸着塔Aの内部に残った水蒸気をベント口から除去し、101ppmの水蒸気を導入口から供給して吸着材に付着させる。
その後、吸着塔Bを第七実施形態の第1塔11、吸着塔Cを同第2塔12、吸着塔Dを同第3塔13、吸着塔Eを同第4塔14、吸着塔Aを同第5塔15として、第七実施形態の1サイクル目から3サイクル目までを行う。
このように、吸着塔Aの役割を第1塔11、第5塔15、第4塔14、第3塔13、第2塔12、第1塔11…となるように3サイクルごとに順番に変更し、他の吸着塔B〜Eの役割もこれに対応させる。
第九実施形態は、吸着速度の速い最初の10分を利用して、重水低減水を得ることを特徴とする。
第九実施形態でも、第一実施形態に用いた吸着塔5を使用する。
次いで、導入口6から相対圧0.9の水蒸気を吸着塔5に流して、10分間、吸着材に水蒸気を吸着させる。
その後、吸着材の表面をカバー等で覆うなどして、吸着材に吸着した水蒸気と空気中の水蒸気とを遮断した後、ベント口7から空気中の水蒸気を除去する。
次いで、吸着材からカバー等を外し、バルブV2を閉じるとともにバルブV1,V3を開放して、導入口6から乾燥空気を流し、吸着材に吸着した水蒸気を回収口8から回収する。
また、第九実施形態の工程を複数回繰り返して、水蒸気の重水素濃度をさらに低下させてもよい。
さらに、第三実施形態のように吸着塔を直列に接続した装置や、第四実施形態のように直列かつ環状に接続した装置を用いて、重水素低減水を製造してもよい。
バルブを用いると水蒸気や乾燥空気の逆流を防止することができ、ポンプを用いると水蒸気や乾燥空気の移動を速めることができるため、バルブおよびポンプを併用するのが最も好ましい。
また、第九実施形態においては、軽水の吸着速度>重水および半重水の吸着速度である時間帯の間のみ、吸着材に水蒸気を吸着させて回収しているが、吸着開始からの合計が軽水の吸着速度>重水および半重水の吸着速度となるのであれば、吸着工程の一部に軽水の吸着速度≦重水および半重水の吸着速度となる時間帯を含んでいてもよい。
これらの変形例でも、一般的な水よりも重水素の濃度を低減させた水を製造することができる。
2 水
3 試験管
4 吸着材
5,A,B,C,D,E 吸着塔
6,16 導入口
7,17 ベント口
8,18 回収口
11 第1塔
12 第2塔
13 第3塔
14 第4塔
15 第5塔
V1,V2,…,V10 バルブ
Claims (5)
- 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、
水蒸気を吸着させた所定の吸着材の周囲の水蒸気の相対圧を低下させ、軽水の脱離速度>重水および半重水の脱離速度である時間帯の間、上記吸着材から脱離した、上記吸着材に吸着させた水蒸気よりも重水素濃度が低い水蒸気を回収する脱離工程を有することを特徴とする重水素低減水の製造方法。 - 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、
水蒸気を吸着させた所定の吸着材の周囲の水蒸気の相対圧を低下させ、軽水の脱離速度>重水および半重水の脱離速度である時間帯の間のみ、上記吸着材から脱離した、上記吸着材に吸着させた水蒸気よりも重水素濃度が低い水蒸気を回収する脱離工程を有することを特徴とする重水素低減水の製造方法。 - 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、
予め2つ以上の所定の吸着材を直列に並べ、
水蒸気を吸着させた上流側の上記吸着材の周囲の水蒸気の相対圧を低下させ、軽水の脱離速度>重水および半重水の脱離速度である時間帯の間、上流側の上記吸着材から脱離した水蒸気を回収する上流側脱離工程と、
この回収した水蒸気を下流側の上記吸着材に吸着させた後、下流側の上記吸着材の周囲の水蒸気の相対圧を低下させ、軽水の脱離速度>重水および半重水の脱離速度である時間帯の間、下流側の上記吸着材から脱離した水蒸気を回収する下流側脱離工程とを有することを特徴とする請求項1に記載の重水素低減水の製造方法。 - 水を、軽水と重水および半重水とに分離する方法であって、
水蒸気を吸着させた所定の吸着材の周囲の水蒸気の相対圧を低下させ、軽水の脱離速度>重水および半重水の脱離速度である時間帯の間、上記吸着材に吸着させた水蒸気よりも重水素濃度が低い水蒸気を上記吸着材から脱離させることを特徴とする重水と軽水の分離方法。 - 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、
水蒸気を吸着させた所定の吸着材の周囲の水蒸気の相対圧を低下させ、軽水の脱離速度>重水および半重水の脱離速度である時間帯の間、上記吸着材に吸着させた水蒸気よりも重水素濃度が低い水蒸気を上記吸着材から脱離させる脱離工程の後、上記吸着材に残存する、上記吸着材に吸着させた水蒸気よりも重水素濃度が高い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。
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