JPH02258023A - レーザーを用いた炭素１３の濃縮法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はレーザーを用いた炭素１３の濃縮法に関し、詳
しくは赤外多光子解離を用いたレーザー同位体分離によ
る炭素１３濃縮法に関する。

〔従来技術〕

天然に存在する炭素は質量１２と１３との同位体から成
っており、一般に前者が　９８．９％、後者が１．１％
を占める。従来の炭素１３濃縮法はＣＯの低温蒸留に基
づいているが、有毒ガスを大量に使用すること、装置が
大型化すること及び製造コストも高いという欠点があっ
た。

そこで、近年のレーザー技術における大出力化、発振波
長の多様化はレーザーを光化学反応に利用しようという
研究を促進させてきた。

従来このようなレーザーを用いた炭素１３の濃縮法とし
ては、特開昭６０−１３２６２９号、同５８−１８３９
３２号、同６３−９７２１７号、ＵＳＰ４４３６１８９
号等が提案されている。

しかしながら、これらの方法では、高濃度に炭素１３を
濃縮するために数段のレーザー濃縮工程が必要となるた
め、反応器の台数に応じたレーザー発振器が必要であり
、赤外多光子解離によって炭素１３成分を選択的に反応
させるのに、１分子当たりの必要エネルギーは、あるし
きい値以上であるが、このような反応器においては反応
に寄与しないレーザーエネルギーは反応器他端から散逸
するため、必ずしも供給レーザーエネルギーが効率的に
利用されていないこと等により経済性を更に高めるため
の障害となっていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は、光学的に結合された２段以上の炭素１３濃縮
反応器に、１台の炭酸ガスレーザー発振器から発振され
たレーザービームを照射することによって、レーザーエ
ネルギーの有効利用、更には、レーザー使用台数及びレ
ーザー関係ユーティリティーを大幅に削減した炭素１３
の濃縮法を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、原料ガスが装入された複数の反応器に炭酸ガ
スレーザー光を照射して炭素１３を逐次濃縮する方法に
おいて、フッ化炭素化合物又はフッ化炭素化合物とそれ
と反応しうる化合物を含む原料ガスを前記反応器に装入
し、少なくとも１つの反応器には前段の反応器を透過し
たレーザー光を照射する炭素１３の濃縮方法である。

原料ガスはフッ化炭素化合物又はフッ化炭素化合物とそ
れと反応しうる化合物を含むガスであり、フッ化炭素化
合物としては、Ｃ，ＨｂＸｅ　（但し、Ｘはハロゲンを
示しｂ＋ｃ＝２ａ＋２又は２ａであり、ａ及びＣは１以
上の整数である。）で表わされるもので、好ましくはＣ
ＨＣＩ　Ｆ、又はＣＦ２　Ｂｒｉである。

フッ化炭素化合物と反応しうる化合物としては、酸素、
ハロゲン、ハロゲン化水素等がある。

また、前工程の反応器から得られるガスも当然、原料ガ
スとなりつるが、このガスもフッ化炭素化合物を含有し
ている。その他、原料ガスには不活性なガスが混在して
も差支えない。

反応器は少なくとも２基以上の複数用いる。本発明にお
いてはレーザー光が通過する順に第１段の反応器、第２
段の反応器、・・・・と称する。

また、本発明は逐次的に濃縮するのであるが、濃縮度が
高くなるにつれて、第１工程の反応器、第２工程の反応
器、　　・　・と称する。濃縮度が最も低い第１工程の
反応器を、レーザー光が最初に通過する第１段の反応器
としてもよいし、最もエネルギーを吸収する工程の反応
器を第１段の反応器としてもよい。反応器の数は好まし
くは２基又は３基である。

レーザー光としては炭酸ガスレーザー光を使用する。レ
ーザー発生器は複数台を並列的あるいは交互に用いても
よいが、１台であることもできる。

また、第１段の反応器、第２段の反応器を一台のレーザ
ー発生器とし、第３段以降を他のレーザー発生器として
もよい。

前段の反応器を透過したレーザー光は強度が低下してい
るばかりでなく、拡散しているので、レンズにより集光
し、次段の反応器に照射する必要がある。そして、集光
度は逐次高めることが望ましい。

以下、本発明を一例である第１段の反応器と第１工程の
反応器が同じ場合について、添付の図面を参照して詳細
に説明する。

第１図に示すように、図中１は第１段の反応器、２は第
２段の反応器、３はレーザー発振器、４．５は集光レン
ズ、６．７は分離装置、８はサージタンク、９．１０は
原料気体装入口である。

そして、この各反応器１．２は光学的に結合されている
。

第１段の反応器１に供給する原料ガスとしては、フッ化
炭素化合物だけでもよいが、フッ化炭素化合物とそれと
反応しうる化合物を添加したガスを使用することが好ま
しい。

第２段の反応器２には、既に第１段の反応器１で得られ
た炭素１３が濃縮されたフッ化炭素化合物を使用するこ
とが好ましいが、第１段の反応器で濃縮されたフッ化炭
素化合物に新たにハロゲン化水素、ハロゲン、酸素等を
添加した混合ガスを装入することがより好ましい。

この光学的に結合された反応系の第１段目にレーザー発
振器３から発振されたレーザー光を集光レンズ４で集光
し、第１段の反応器１の照射側に設けられたＮａＣ１窓
部材を介して照射する。このレーザー発振器３としては
内部に回折格子を組み込んだパルスＴ　Ｅ　Ａ　ＣＯ２
レーザーを使用することが好ましい。

また、集光レンズ４としては、減反対によるレーザーの
出力の低下を防止するために、両面に減反対コーティン
グを施したＮａＣ１からなる長焦点の集光レンズを使用
することが好ましい。

ＮａＣ１窓部材としては、反射によるレーザー光の損失
を防止するために、両面に減反対コーティングを施すこ
とが好ましい。

第１段の反応器１内の原料ガスはレーザー光の照射によ
って光化学反応を受け、炭素１３が濃縮されたフッ化炭
素化合物を生成し、第１段の反応器１の反対側から排出
され、第２段の反応器２の原料気体装入口１０へ供給さ
れる。

第１段の反応器１の出口と第２段の反応器２の原料気体
装入口１０とは、単に導管で接続するだけでもよいが、
装入量の調節が可能なようにサージタンク８を経由して
接続することが好ましい。

第１段の反応器１に照射されたレーザー光は、第１段の
反応器１内で光化学反応するが、光化学反応に供するレ
ーザー光は照射されたレーザー光の一部であり、反応に
供しなかった大半のレーザー光は第１段の反応器１内で
焦点を結んだ後、反対側からＮａＣ１窓邪材を介して射
出される。

そこで、第１段の反応器ｌ内で吸収されずに透過してき
たレーザー光を更に、集光レンズ５で集光し第２段の反
応器２にＮａＣ１窓部、材を介して照射する。ここで使
用する集光レンズ５も前記した集光レンズ４と同様のも
のを使用することが好ましい。

第２段の反応器２においても第１段の反応器１と同様の
光化学反応を受け、炭素１３が濃縮されたフッ化炭素化
合物を生成し、第２段の反応器２の反対側からＮａＣ１
窓部材を介して排出される。

これによって、各反応器において赤外多光子解離による
炭素１３成分選択反応が行われ、第１段から第２段の反
応器へと炭素１３の濃縮が達成される。

各反応器で生成された化合物、未反応物は分離装置６又
は７によって分離する。

分離装置６．７としては、蒸留、吸着、吸収、ガスクロ
マド法等によって行うことが好ましい。

本発明はバッチ式及び連続フロー法によっても行うこと
ができる。更に濃縮が必要なときは第２役の反応器２の
後に第３段、第４段と反応器を結合させることもできる
。

〔実施例〕

直径２−．５ｃｍ、長さは第１段、第２段の反応器それ
ぞれ４００ｃｍ、　４０ｃｍの石英製ガラス管の両端に
ＮａＣｌ窓部材が取りつけた反応器を使用し、第１段の
反応器にＣＨＣＩＦ、とＢ　ｒ　２を混合比１：２で１
５０　ｔｏｒｒで導入し、第２段の反応器には、第１段
の反応器の排出口と第２段の反応器の原料気体装入口を
サージタンクを経由して接続し、第１段の反応器におい
て既にレーザー法によって炭素１３が３０％に濃縮され
たＣＦ、Ｏと０、を混合比１：１で１０ｔｏｒｒ導入し
た。レーザー発振器はＴ　Ｅ　Ａ　ＣＯｘレーザーを調
節し９Ｐ（２８）線（１０３９，３７ｃｍ−’）　８　
Ｊ／ｐｕ　１　ｓｅの出力を発振させ、レーザー光を長
焦点赤外レンズＢａＦ２で集光し第１段の反応器に照射
し、更に第１段の反応器レーザー光出口より透過してき
たレーザー光を、前出と同様なレンズで再度集光し、第
２段の反応器に照射した。第１段及び第２段の反応器に
おける生成物と未反応物との分離はそれぞれ分取ガスク
ロマトグラフ法によって行った。又、それぞれの反応器
における生成物及び炭素１３濃度はＧＣ−ＭＡＳＳ法に
て分析した。

第１段の反応器では ■　ＣＨＣｌＦ２　＋　　Ｂｒｚ　＋ｎｈｖ　　→ＣＦ
２　Ｂ　ｒ　２　＋　　ＨＣ１ ■　２ＣＨＣＩＦｚ　＋　　Ｂｒａ　＋ｎｈｖ　　−４
Ｃ２Ｆ４　Ｂｒｚ　＋　　２ＨＣ１ なる反応が起きており、各生成物・未反応生成物の収率
及び炭素１３濃度を以下に示す。

化学種　　　　　収率　　　　　炭素１３濃度ＣＨＣｌ
Ｆ２　　９８．６１％　　　０．５９％ＣＦ、Ｂｒ２　
　１．２３％　　３７．２　％Ｃ２Ｆ４　Ｂｒ２　０．
１６％　　４３．９　％第２段の反応器では ■　ＣＦ２Ｂｒｚ　　＋　　０２　＋ｎｈｖ　　−ｅＣ
Ｆ２０　　　＋　　２ＢｒＯ なる反応が起きており、各生成物・未反応生成物の収率
及び炭素１３ｆｉ度を以下に示す。

但し、ＣＦ２０の分析はこれを加水分解して以下の反応
を経てＣＯ７とじた。

ＣＦ２Ｏ＋　　Ｈ２Ｏ→　ＣＯａ　＋　　２ＨＦ化学種
　　　　　　収率　　　　炭素１３濃度ＣＦ、Ｏ（ＣＯ
２）１４．９　　％　８５．８　％ＣＦ２Ｂｒ２　　８
５．１　　％　　３．０１％又、反応終了後第２段反応
器レーザー先出口側のレーザーパワーは２　Ｊ　／　ｐ
　ｕ　１　ｓ　ｅと未だ充分有効活用出来る量であるこ
とが確認された。

〔発明の効果〕

本発明によれば、反応器を光学的に結合したため、レー
ザーパワーを有効に利用することができ、従来のレーザ
ー法炭素１３濃縮必要レーザー台数を削減することがで
きることから、設備費等の固定費、電力費等の変動費を
削減を可能とする経済効果だけでなく、同一生産能力で
設備縮小化、保守操業管理省力化も可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を模式的１）：示す工程図であ
る。 １−・　第１反応器、２　°゛・第２反応器、３−−　
レーザー発振器、

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）原料ガスが装入された複数の反応器に炭酸ガスレ
   ーザー光を照射して炭素１３を逐次濃縮する方法におい
   て、フッ化炭素化合物又はフッ化炭素化合物とそれと反
   応しうる化合物を含む原料ガスを前記反応器に装入し、
   少なくとも１つの反応器には前段の反応器を透過したレ
   ーザー光を照射することを特徴とする炭素１３の濃縮法
   。
2. （２）反応器を２基用い、第１段の反応器を透過したレ
   ーザー光を第２段反応器に照射する請求項１記載の炭素
   １３の濃縮方法。
3. （３）反応器を３基以上用い、前段の反応器を透過した
   レーザー光を順次後段の反応器に照射する請求項１記載
   の炭素１３の濃縮方法。
4. （４）第１段反応器に未濃縮のＣＨＣｌＦ＿２と臭素の
   混合ガスを第２段の反応器に第１段の反応器から抜き出
   された炭素１３が濃縮されたＣＦ＿２Ｂｒ＿２と酸素の
   混合ガスを装入する請求項１記載の炭素１３の濃縮方法
   。