JPS6349225A - Separation of mixed gas - Google Patents

Separation of mixed gas

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JPS6349225A
JPS6349225A JP19273486A JP19273486A JPS6349225A JP S6349225 A JPS6349225 A JP S6349225A JP 19273486 A JP19273486 A JP 19273486A JP 19273486 A JP19273486 A JP 19273486A JP S6349225 A JPS6349225 A JP S6349225A
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JP
Japan
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gas
electrons
separation
mixed gas
molecules
Prior art date
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JP19273486A
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Japanese (ja)
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Morio Okazaki
岡崎 守男
Hajime Tamon
肇 田門
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Sumitomo Heavy Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Heavy Industries Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To enhance the separating efficiency of mixed gas by introducing the mixed gas into a chamber and imparting electrons to gaseous molecules high in sticking properties for electrons with an electron generator and generating gaseous negative ions and separating the gas by means of an electric field or a magnetic field. CONSTITUTION:The constant amount of a gaseous mixture 1 consisting of N2 and SF6 is enclosed in a cell 4, the cathode surface of a negative pole 3 is irradiated with ultraviolet rays by means of an ultraviolet lamp 5 and electrons are generated, SF6 molecules are stuck with the generated electrons and transferred to a positive pole 2 by the action of the electric field, and simultaneously neutral gas is permeated through the negative pole 3 made of 'Vycor(R)' and stored in a sample chamber 9. Electrons may be generated by glow discharge and corona discharge besides the radiation of ultraviolet rays.

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野コ 本発明は、混合気体から選択的に気体を分離する方法に
関する。特に、気体分子の電子付着性の差を利用して選
択的に気体を分離する新規な気体分離方法に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a method for selectively separating a gas from a gas mixture. In particular, the present invention relates to a novel gas separation method that selectively separates gases by utilizing differences in electron attachment properties of gas molecules.

[従来の技術] 従来の一般的なガス分離方法には、(1)冷却し。[Conventional technology] Conventional common gas separation methods include (1) cooling;

沸点差による深冷分離法、■気体分子の吸着性の差、モ
レキュラーンーブ作用を利用する吸着分離法、c3)多
孔質膜或いは高分子膜を利用し、拡散係数の差を利用す
る膜分離法、(4)気体と錯体を可逆的に形成するもの
を利用する化学吸着法がある。
Cryogenic separation method based on the difference in boiling point; ■ Adsorption separation method using the difference in adsorptivity of gas molecules and molecular nitrogen action; c3) Membrane separation method using a porous membrane or polymer membrane and using the difference in diffusion coefficient. and (4) chemical adsorption methods that utilize substances that reversibly form complexes with gases.

電子を中性の気体分子に衝突きせて負イオンのt超電流
によりガス検出する電子付着検出器(alectron
 capture 1onization detCc
tor)が従来からあるが、ガスを分離するものは未だ
具体化されていない。
Electron attachment detector (alectron) detects gas by colliding electrons with neutral gas molecules and detecting the supercurrent of negative ions.
capture 1onization detCc
tor), but one that separates gases has not yet been implemented.

[発明が解決しようとする問題点コ 本発明の混合ガス分離方法は、従来のガス分離技術とは
全く異なる原理でおこなうものである。
[Problems to be Solved by the Invention] The mixed gas separation method of the present invention is carried out on a completely different principle from conventional gas separation techniques.

従来の分離法では、達成しがたい超本純度のガスの精製
を行なおうとするものである。
The goal is to purify gas to ultra-high purity, which is difficult to achieve with conventional separation methods.

[問題点を解決するための手段] 本発明は1分離すべき混合気体を一定のチャンバー内に
導入し、その混合気体に対して電子発生装置により電子
を照射することにより1分離すべき混合気体のうち電子
付着性の高い気体分子から気体負イオンを発生せしめ、
その負イオンガスを、電場又は磁場により分離し1分離
されたガスを取り出すことを特徴とする混合気体の分離
方法である。
[Means for Solving the Problems] The present invention introduces a gas mixture to be separated into a certain chamber, and irradiates the mixed gas with electrons by an electron generator to separate the gas mixture into one separation. Among them, gaseous negative ions are generated from gaseous molecules with high electron attachment,
This is a mixed gas separation method characterized by separating the negative ion gas using an electric field or a magnetic field and taking out the separated gas.

[作用] 本発明方法では、電子が気体分子に対し付着する付着反
応は、比較的低エネルギーで起こり、電子との衝突によ
る分子そのもののM離の度合いも小さい、更に、付着反
応の親和力は分子によりかなり差があると云う性質を利
用して、IE場、磁場などにより負イオンを中性分子と
分離することにより、気体を選択的に濃縮、除去するも
のである本発明による混合気体の分離方法は1次のよう
な原理を利用するものである。
[Function] In the method of the present invention, the adhesion reaction in which electrons attach to gas molecules occurs at relatively low energy, and the degree of M separation of the molecule itself due to collision with electrons is small.Furthermore, the affinity of the adhesion reaction is Separation of mixed gases according to the present invention, which selectively concentrates and removes gases by separating negative ions from neutral molecules using IE fields, magnetic fields, etc. The method utilizes the principle of first order.

電子が中性のガス分子と衝突すると、電子のもつエネル
ギーが小きい場合には、気体分子が電子を保護して気体
負イオンを形成する。この負イオン形成のし易さは、電
子親和力によって示きれる6種々のガス分子の電子親和
力は、第1表に示きれる。
When electrons collide with neutral gas molecules, if the electrons have low energy, the gas molecules protect the electrons and form gaseous negative ions. The ease with which negative ions can be formed can be expressed by the electron affinity. The electron affinities of six different gas molecules are shown in Table 1.

第1表 1子親和力の例 親和力の値[eV]が大きくなるに従って電子付着性が
増大する。これは、負イオンのt離を流を検出してガス
検出2公析のために応用きれているが、ガスを分離する
ものではない0本発明はガスの電子付着性(を子親和力
)の差を利用してガスの分離操作を行なうものである。
Table 1 Example of single-child affinity As the affinity value [eV] increases, the electron attachment property increases. This method can be applied to gas detection by detecting the flow of negative ions, but it does not separate gases. This difference is used to perform gas separation operations.

本発明による分離法を、 N、+C1,の2成分混合ガ
スを例にとり説明すると1次のようである。
The separation method according to the present invention is explained as follows by taking a two-component mixed gas of N and +C1 as an example.

この混合ガスに電子を照射すると、第1表に示される電
子親和力でCLガス分子には電子が付着し、負イオンと
なるが、他方N+ガス分子には電子付着がほとんど起こ
らず、中性分子で存在する。
When this mixed gas is irradiated with electrons, electrons attach to the CL gas molecules due to the electron affinity shown in Table 1, forming negative ions, but on the other hand, almost no electrons attach to the N+ gas molecules, making them neutral molecules. exists in

この状態のガスに電界を作用きせると、負イオンのC1
,ガスは、千振へ移動し、−極側には、C18ガスが存
在せず、N、ガスのみとなる。子種側よりガスを取り出
せば当初の2成分混合ガスよりはるかに高濃度のC1,
ガスを得ることができる。一方。
When an electric field is applied to the gas in this state, negative ions C1
, gas moves to Chifuri, and there is no C18 gas on the negative pole side, only N gas. If the gas is taken out from the offspring side, C1, which has a much higher concentration than the original two-component mixed gas, will be produced.
You can get gas. on the other hand.

−極側よりガスを取り出せば、CLを分離きせたので非
常に高純度のN、ガスを得ることができる。
- If the gas is taken out from the electrode side, very high purity N and gas can be obtained since CL has been separated.

本発明による混合気体の気体相のみでの分離法は1分離
すべき混合気体を一定のチャンバー内に導入し、その混
合気体に対して電子発生装置により7分離すべき混合気
体のうち電子付着性の高い気体分子に電子を付与し、気
体負イオンを発生せしめ、電場又は磁場により気体を分
離し1分離されたガスを取り出す混合気体の分離方法で
ある。
In the method of separating a gas mixture using only the gas phase according to the present invention, a gas mixture to be separated is introduced into a certain chamber, and an electron generating device is applied to the mixed gas to separate 7 parts. This is a method for separating mixed gases in which electrons are added to gas molecules with a high carbon content to generate gaseous negative ions, the gases are separated using an electric field or a magnetic field, and the separated gas is taken out.

その一定のチャンバー内で電子発生せしめ、気体分子を
電離せしめる方法としては、(1)紫外線照射による光
電子法、■グロー放電性、0)コロナ放電法などが考え
られる。
Possible methods for generating electrons in a certain chamber and ionizing gas molecules include (1) photoelectronic method using ultraviolet irradiation, (2) glow discharge method, and (0) corona discharge method.

分離すべき混合気体を閉じ込めるチャンバーは1回分式
のものでも、連続式のものでもよいが、連続式で連続運
転ができるものが好適である。
The chamber that confines the mixed gas to be separated may be of a single-batch type or a continuous type, but a continuous type that can be operated continuously is preferable.

上記の電子発生装置は、気体分子に付与すべき電子を発
生するものであるが、同時に、放電、スパッタリングが
発生し、電極を劣化きせることなどがあるために、その
劣化対策を考えたものであることが望ましい。
The above-mentioned electron generator generates electrons to be added to gas molecules, but at the same time, discharge and sputtering occur, which can deteriorate the electrodes. It is desirable that there be.

本発明では、負イオン形成されたガスを回収できるが、
同時に、負イオン形成されない中性ガスの方を分離回収
することが好適の場合もあるので、適宜1分離条件、ガ
スの性質を考處して2分離方法9分離手段を決めること
がよい。
In the present invention, gas in which negative ions have been formed can be recovered;
At the same time, it may be preferable to separate and recover a neutral gas in which negative ions are not formed. Therefore, it is preferable to consider the separation conditions (1) and the properties of the gas and decide on the separation method (2) and the separation means (9).

また1本発明は、混合気体の分離だけでなく。Furthermore, the present invention is not only applicable to the separation of mixed gases.

気体の純度を高めるために用いることもできる。It can also be used to increase the purity of gases.

次に本発明の混合気体分離方法の数種の実施例を述べる
が1本発明は、これにより限定されるものではない。
Next, several examples of the mixed gas separation method of the present invention will be described, but the present invention is not limited thereto.

[実施例1コ [紫外線照射による光電子法によるコ pJ r + SF hの混合気体1を、第1図に示す
装置によりガス分離を行なった。SF、は、気体絶縁体
としてよく用いられるガスであり、その親和力は。
[Example 1] A gas mixture 1 of pJ r + SF h was subjected to gas separation using the apparatus shown in FIG. SF is a gas often used as a gas insulator, and its affinity is.

3、38eVである。3.38 eV.

第1図の装置は、正に帯電している千振2と。The device shown in Figure 1 uses Chifuri 2, which is positively charged.

負の−ai3を有するセル4を備え2分離すべき混合気
体1が一定量セル4に封入される。−極3のカソード面
に紫外線を紫外線ランプ5により照射し、電子を発生許
せた1発生電子はSFa分子に付着し、電界の作用によ
りSF、ガスが千振へ移行する。
A cell 4 having a negative -ai3 is provided, and a certain amount of the mixed gas 1 to be separated is sealed in the cell 4. - The cathode surface of the electrode 3 is irradiated with ultraviolet rays by the ultraviolet lamp 5, and one generated electron is attached to the SFa molecule, and due to the action of the electric field, the SF and gas are transferred to a thousand waves.

更に、詳しく説明すると、−極3は、バイコールガラス
(vycor glass)に金を蒸着した面をカソー
ド面としていて、紫外線を照射すると、カソード面が励
起されて電子が発生する。電子はカソード、アノード(
千振)間にかけられた電界によりエネルギーを得てアノ
ード側にドリフトする0発生した電子の一部は、被付着
気体分子SF、との衝突により1次のように負イオンを
生成する;SF I + e−+SF + − 生成諮れた負イオンSF、−は、を界エネルギーにより
アノード側に進む、同時に、千振のバイフールを中性気
体分子が透過し、試料室9に貯えられるe Xt料室に
貯えられた多孔性の一極3を通過してくる気体は一部一
定時間毎に質量分析計7に導かれ分析された。
More specifically, the negative electrode 3 has a cathode surface made of Vycor glass with gold vapor deposited thereon, and when irradiated with ultraviolet rays, the cathode surface is excited and electrons are generated. Electrons are placed at the cathode and anode (
A part of the generated electrons, which gain energy from the electric field applied between them and drift toward the anode, generate negative ions in a first-order manner by colliding with attached gas molecules SF; SF I + e−+SF + − Negative ions SF and − that have been generated advance toward the anode side due to field energy, and at the same time, neutral gas molecules pass through the bifuru of the chisel and are stored in the sample chamber 9. A portion of the gas passing through the stored porous one pole 3 was guided to a mass spectrometer 7 at regular intervals and analyzed.

分析結果による分離結果、成績を第2図に示す。The separation results and results based on the analysis results are shown in Figure 2.

分離係数(SF、の出力比)ηと時間tとの関係を示す
ものである。ここで、η−I 、/ I Pである。但
し、Ipは紫外線を照射しない時の質量分析計の出力i
流であり、Isは紫外線を照射し。
It shows the relationship between separation coefficient (SF, output ratio) η and time t. Here, η-I, /IP. However, Ip is the output i of the mass spectrometer when not irradiated with ultraviolet rays.
Is irradiates ultraviolet light.

電界をかけ分離を行なった時の質量分析言1の出力rl
l流である。η(分離係数)は1分離なしのとき1であ
り、全部分離芒れたとき0であると定義される。
Output rl of mass spectrometer 1 when electric field is applied and separation is performed
It's the l style. η (separation coefficient) is defined as 1 when there is no separation, and 0 when there is all separation.

第2図より、圧力、!圧が等しい場合、SF、9度が低
い方がηは小さく分離が良好に行なわれたことを示す、
a度に対して電子数が不足するものと思われ、a度増加
でカソード表面の励起状態が劣化するものと思われる。
From Figure 2, pressure! When the pressures are equal, the lower the SF and 9 degrees, the smaller η indicates better separation.
It is thought that the number of electrons is insufficient for the a degree, and the excited state of the cathode surface is thought to deteriorate as the a degree increases.

電界/圧力比が0.7付近でηが最小に、即ち、電子の
SF、への付着確率が最大となり、この付近での分離が
好適であることがわかった。
It was found that when the electric field/pressure ratio is around 0.7, η becomes minimum, that is, the probability of electron attachment to SF becomes maximum, and separation in this vicinity is suitable.

[実施例2] [グロー放電によるコ 第3図に示す装置によりNI+SFlの混合気体を分離
試験を行なった。
[Example 2] [A test was conducted to separate a mixed gas of NI+SFl using the apparatus shown in FIG. 3 using glow discharge.

前記実施例1の光電子法では発生電子数が不足の場合が
あることを考え2発生電子数が多いと考えられるグロー
放電による気体分子分離法を行なった。
Considering that the number of generated electrons may be insufficient in the photoelectron method of Example 1, a gas molecule separation method using glow discharge, which is thought to generate a large number of electrons, was performed.

第3図の装置は、ガイスラー管10であり、その中に2
つの電極11.12を有する。先ず、ガイスラー管10
にNI+SFsの混合気体を封入した。その後電極間に
電圧を印加すると Nl−りNl’+ e 、 SFl
+ e−>5FI−によりSFIの負イオンを生成する
。生成された負イオンは2つの電極11.12間を流れ
る電流によって生じる磁界により常に内側方向に力を受
は電極間の電場に對と込められ、中性気体分子(はとん
どN、)からの分離が行なわれる。
The apparatus of FIG. 3 is a Geissler tube 10, in which two
It has two electrodes 11.12. First, Geisler tube 10
A mixed gas of NI+SFs was sealed in the chamber. After that, when a voltage is applied between the electrodes, Nl-riNl'+ e, SFl
+e−>5FI− generates negative ions of SFI. The generated negative ions are constantly forced inward by the magnetic field generated by the current flowing between the two electrodes 11 and 12, and are trapped in the electric field between the electrodes, causing neutral gas molecules (mostly N,) Separation from the

グロー放電では、同時に電極表面でスパッタリングが生
じ、電極が変質する。この実施例では。
In the glow discharge, sputtering also occurs on the electrode surface, resulting in deterioration of the electrode. In this example.

直流電源よりも電極の変質を小きく押拵えるために交流
を源を使用した。
An alternating current source was used to reduce the deterioration of the electrodes compared to a direct current source.

中性気体分子は、バイフール14を透過し、試料室15
に貯えられ、その貯えられたガスは実施例1と同様に質
量分析計にかけ分析した。
Neutral gas molecules pass through the bifur 14 and enter the sample chamber 15.
The stored gas was analyzed using a mass spectrometer in the same manner as in Example 1.

その結果を第4図に示す。The results are shown in FIG.

ガイスラー管内の圧力P [Torr]と、 SF、の
濃度Cs□[ppm]に対してのη[前記の実施例1の
ときと同し定義;即ちSF、の出力比コを反応時間tに
対してプロットしたものである。Run18.19.2
0では、η−0で、光電子法よりもかなり厳しい条件で
も100%の分離が行なわれていた。 SF、a度が、
igIa度の場合でもRun21.22の結果のように
分離成績は良好であった。
η for the pressure P [Torr] in the Geissler tube and the concentration Cs□ [ppm] of SF [same definition as in Example 1 above; that is, the output ratio of SF for the reaction time t This is the plot. Run18.19.2
At 0, 100% separation was achieved at η-0 even under much harsher conditions than the photoelectron method. SF, a degree,
Even in the case of igIa degree, the separation results were good as shown in the results of Run 21.22.

SF、のかなりの高い、a度2 X 10 ’ppm(
=20%)においても、ηく01の高い分離性が達成さ
れている。
SF, quite high at a degree 2 x 10' ppm (
= 20%), a high separability of η×01 was achieved.

[実施例3] [コロナ放電による] 第5図のコロナ放電を利用した気体の電界分離装置によ
り、Nl+5Flの混合気体を分離した。
[Example 3] [By corona discharge] A gas mixture of Nl+5Fl was separated by a gas electric field separation device using corona discharge shown in FIG.

グロー放電でもスパッタリングによる電極劣化が生じる
恐れがあるため、また、長時間の連続運転を可能ならし
めるために第5図の如きコロナ放電による連続運転可能
な気体分離装置を考えた。
Since even glow discharge may cause electrode deterioration due to sputtering, and in order to enable continuous operation for a long time, we devised a gas separation apparatus capable of continuous operation using corona discharge as shown in FIG. 5.

第5図の装置は、全体が円筒状のもので、頂部に高圧t
fi21から負の高圧にかけられた線が接llf、諮れ
、絶縁碍子22を通り、放電極24(−極)を高圧の負
にする。子種は、多孔性の電極23であり、−の電極の
回りに円筒状に取り囲んである。−放電極24は先端に
ウェイト25を有し、その形状を直線に保持されるよう
にきれる。
The device shown in Figure 5 has a cylindrical shape as a whole, and has a high pressure t at the top.
A line applied to a high negative voltage from the fi 21 connects to the insulator 22, and makes the discharge electrode 24 (-pole) a negative high voltage. The child seed is a porous electrode 23, which is cylindrically surrounded around the negative electrode. - The discharge electrode 24 has a weight 25 at its tip and is cut so that its shape is maintained in a straight line.

混合ガス(例、Nl+5Fl)は、入口26から導入さ
れ1分離された中性のガスは底部にある出口28から、
そして負イオンガスを多く含む気体は、出口27から排
出される。
The mixed gas (for example, Nl+5Fl) is introduced from the inlet 26, and the separated neutral gas is introduced from the outlet 28 at the bottom.
The gas containing a large amount of negative ion gas is then exhausted from the outlet 27.

ガス入口26から導入きれた混合ガス(Nl+5Fl)
は、多孔質電極(子種)と放電極(−極)の間に形成さ
れるコロナ放電場に流入する。ここで、電子付着により
負イオンを形成したガス(SF+)は、電極間の電界作
用により子種の多孔質電極へ高速(数10m/秒以上)
で移動する。この移動した負イオンガスを多孔質電極を
通して外側に取り出す、このガスは負イオンガス(SF
、)の濃度が増加したものとなっている。一方1円筒状
部の内側の底部にガス出口28を設け、そこから外部に
排出されるガスは負イオン(SF、)の濃度が減少し、
中性ガスの純度が高くなった状態のものである。
Mixed gas (Nl+5Fl) completely introduced from the gas inlet 26
flows into the corona discharge field formed between the porous electrode (child) and the discharge electrode (-pole). Here, the gas (SF+) that has formed negative ions due to electron attachment is transferred to the porous electrode of the child species at high speed (several tens of meters/second or more) due to the action of the electric field between the electrodes.
Move with. This moved negative ion gas is taken out to the outside through a porous electrode, and this gas is a negative ion gas (SF
, ) has increased in concentration. On the other hand, a gas outlet 28 is provided at the inner bottom of the cylindrical part, and the gas discharged to the outside from there has a reduced concentration of negative ions (SF).
This is a state in which the purity of the neutral gas is increased.

このことより、負イオン形成イオンを選択的に分離でき
るとともに、中性のガスを、精製し、純度を向上できる
ことが分かった。
From this, it was found that negative ion-forming ions can be selectively separated, and neutral gas can be purified to improve its purity.

[発明の効果] 本発明の混合気体の分離方法は、第1に、従来のガス分
離法とは全く異なる原理によるガス分離方法を提供する
こと、第2に、従来の分離法では達成しがたい超高純度
のガス精製が可能になること、即ち、空気中からのN、
と022分離、吸着分離法で行なった場合99.7%〜
99.9%のN、を得ることは可能であるが、これ以上
の純度にすることは困難であるが、しかるに本発明の分
離法では、これが達成可能となること、第3に1本発明
分離法を常圧、連続処理で行なえば、大容量のガス分離
がり。
[Effects of the Invention] First, the method for separating a mixed gas of the present invention provides a gas separation method based on a completely different principle from conventional gas separation methods. It is possible to purify ultra-high purity gas, i.e. N from the air,
and 022 separation, 99.7% ~ when performed by adsorption separation method
Although it is possible to obtain 99.9% N, it is difficult to achieve higher purity, but with the separation method of the present invention, this can be achieved.Thirdly, the present invention If the separation method is carried out under normal pressure and continuous processing, a large amount of gas can be separated.

能となることなどの技術的効果が得られた。Technical effects such as improved performance were obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は1本発明の1実施例を行なう装置を示す説明図
である。 第2図は、第1図の装置による本発明の分離法を行なっ
た結果を示すグラフである。 第3図は1本発明の他の1実施例を行なう装置を示す説
明図である。 第4図は、第3図の装置による本発明の分離法を行なっ
た結果を示すグラフである。 第5区は9本発明の他の実施例を行なう装置を示す説明
図である。
FIG. 1 is an explanatory diagram showing an apparatus for implementing one embodiment of the present invention. FIG. 2 is a graph showing the results of performing the separation method of the present invention using the apparatus shown in FIG. FIG. 3 is an explanatory diagram showing an apparatus for carrying out another embodiment of the present invention. FIG. 4 is a graph showing the results of performing the separation method of the present invention using the apparatus shown in FIG. Section 5 is an explanatory diagram showing an apparatus for carrying out nine other embodiments of the present invention.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 分離すべき混合気体を一定のチャンバー内に導入し、そ
の混合気体に対して電子発生装置により、分離すべき混
合気体のうち電子付着性の高い気体分子に電子を付与し
、気体負イオンを発生せしめ、電場又は磁場により気体
を分離し、分離されたガスを取り出すことを特徴とする
混合気体の分離方法。
A gas mixture to be separated is introduced into a certain chamber, and an electron generator gives electrons to the gas molecules with high electron adhesion properties in the gas mixture to be separated, generating gaseous negative ions. 1. A method for separating a mixed gas, which comprises separating the gases using an electric field or a magnetic field, and taking out the separated gases.
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