JPWO2008072546A1 - １３ｃの製造方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、原料として汎用の炭化水素化合物を用い、放射性廃棄物を発生することなく、非放射性の安定同位体13Ｃを得る13Ｃの製造方法を提供することを目的とするものである。そして、その構成は、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に５００℃〜１０００℃で13Ｃを得ることを特徴とする。
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。
しかしながら、従来の技術によれば、原料の重水素や三重水素を製造するには、特殊な装置と多大な手間が掛かり、また、核融合反応の条件においても、反応温度が極めて高く、しかも装置も極めて大掛かりである。そこで、本発明は、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の製造方法の提供を課題とする。
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、前記反応触媒が、白金触媒、パラジウム触媒、白金−パラジウム合金触媒のうちの少なくとも１つ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、第２の発明に記載の13Ｃの製造方法である。
また、第４の発明は、前記水素の圧力が９．８×１０６Ｐａ〜２２．３×１０６Ｐａ(１００kg/cm2〜２５０kg/cm2）であることを特徴とする前記第１、第２の発明に記載の13Ｃの製造方法である。
また、第５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（１０１３×１０２Ｐａ）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、９．８×１０６Ｐａ〜２２．３×１０６Ｐａ(１００kg/cm2〜２５０kg/cm2）が好ましい。水素の圧力が９．８×１０６Ｐａ（１００kg/cm２）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（１０１３×１０２Ｐａ)でも温度を上げれば、１００気圧（１０１３×１０４Ｐａ)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、白金触媒、パラジウム触媒、白金−パラジウム合金触媒のうちの少なくとも１つであることが好ましい。触媒の形状は特に限定されるものではない。金網状、多孔質状、粉末、カーボンやアルミナとの複合粉末やペレット、白金ブラックでも良い。
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より、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得ることが出来る。反応で発生する過剰熱は設定温度（絶対温度）に対して指数関数的な増減の関係を示すので、反応制御が容易である。
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…白金触媒
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
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…白金触媒
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
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（Gas Chromatography−Mass Spectrometry；ガスクロマトグラフィー質量分析)、13Ｃ−ＮＭＲ（Nuclear Magnetic Resonance；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のインコネル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１２ccと、金網状の白金触媒４とを挿入した後、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（１０１３×１０４Ｐａ）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５４０℃になるまで加熱し、該加熱ヒータ３への通電を停止した。
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及び図５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、系列１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。系列２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数分後にオートクレーブ２の各部温度が急上昇する現象が見られた。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（Gas Chromatography−Mass Spectrometry；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。
ガスクロマトグラフィーによる分析の結果を図３に示す。図３の横軸は各成分の溶出時間（min)、縦軸は検出強度を示す。図３に示すように、ガス成分は、図３の(1)で示すＣＯ（一酸化炭素）、図３の(2)で示す成分は図４の質量スペクトル分析（Mass Spectrometry）の結果からC-13(13Ｃ)、図３の(3)〜(8)でそれぞれ示すＣＨ４（メタン；Methane） ，Ｃ２Ｈ６（エタン；Ethane），Ｃ３Ｈ８（プロパン；Propane），Ｃ４Ｈ10（ブタン；Butane），Ｃ６Ｈ６（ベンゼン；Benzene），Ｃ７Ｈ８（トルエン；Toluene）の炭化化合物成分であることが分かった。
図４（ａ）は図３のガスクロマトグラフィーのピーク（２）近傍の結果、図４（ｂ）はピーク（２）のマススペクトルの分析の結果を示す。図４（ｂ）の横軸は質量数／荷電数（ｍ／ｚ）、縦軸は検出イオンの相対強度を示す。図４に示すように、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、系列１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、系列２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。
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、クレオソート油の代わりに、オートクレーブ２内に炭素化合物11を原料としてイオウ化合物を含むコールタール（イオウ含有率３％)を１２cc挿入する他は、前記実施例１と同じ操作で水素ガスを１００気圧（１０１３×１０４Ｐａ)で封入し、同じ白金触媒４を用いて同様の操作を行い、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６００℃まで加熱した。オートクレーブ２の内部温度は図５に示すように最高６６０℃まで上昇した。
反応終了後、オートクレーブ２内には１０ccの固形カーボン状の塊（かたまり）と微量の液体が残存していた。前記実施例１と同様にＧＣ−ＭＳ（Gas Chromatography−Mass Spectrometry；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結果、質量数１３の非放射性の炭素の安定同位体13Ｃが検出された。
図５においても、系列１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、系列２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。
上記のように、炭素化合物11を原料として、水素とイオウ化合物と反応触媒となる白金触媒４の存在下に５００℃〜１０００℃で13Ｃを得ることができ、イオウ化合物のイオウ含有率は炭素化合物11に対して５０ｐｐｍ〜７％であれば良く、水素の圧力は９．８×１０６Ｐａ〜２２．３×１０６Ｐａ(１００kg/cm2〜２５０kg/cm2）であれば良い。
前記実施例１と同様のリアクタ１のオートクレーブ２内にクレオソート油１cc及び白金触媒４を入れ、前記実施例１と同じ操作で、水素ガスを１気圧（１０１３×１０２Ｐａ)、ヘリウムガスを７０気圧（７０９１×１０３Ｐａ)にして加熱ヒータ３の入力を調整してオートクレーブ２の内部温度を６６０℃に設定した。図６（ａ），（ｂ）に示すように、オートクレーブ２の内部温度が６６０℃に到達した後も該オートクレーブ２の内部温度は上昇し、加熱ヒータ３の入力後、約４時間で６９０℃となり、３０℃の温度上昇（過剰熱）があった。
［実施例４〜実施例３１］
前記実施例３と同様のリアクタ１、クレオソート油を用いて、水素ガス単独（３５気圧（３５５×１０４Ｐａ））の１２種類の温度条件で、過剰熱と、その持続時間から過剰熱のワット（Watt）数を求めた。ここで、ワット(Watt)数とは単位時間当たりに発生するジュール(Joule)数を言う。その結果、図７に示すように、加熱ヒータ３により加えた該加熱ヒータ３の絶対温度（Ｔ）に対して、過剰熱のワット（Watt）数は指数関数的に増加した。この結果により、この反応においてはアレニウスの式が成立することが認められる。ここで、アレニウスの式とは通常の化学反応において、反応速度（過剰熱）と絶対温度との関係が図７のように絶対温度の逆数と過剰熱の対数が直線の関係になり、この直線で表される一次式をアレニウスの式と言う。
前記実施例３と同様のリアクタ１、クレオソート油を用いて、水素ガス単独（３５気圧（３５５×１０４Ｐａ））の１２種類の温度条件で、過剰熱と、その持続時間から過剰熱のワット（Watt）数を求めた。ここで、ワット(Watt)数とは単位時間当たりに発生するジュール(Joule)数を言う。その結果、図７に示すように、加熱ヒータ３により加えた該加熱ヒータ３の絶対温度（Ｔ）に対して、過剰熱のワット（Watt）数は指数関数的に増加した。この結果により、この反応においてはアレニウスの式が成立することが認められる。ここで、アレニウスの式とは通常の化学反応において、反応速度（過剰熱）と絶対温度との関係が図７のように絶対温度の逆数と過剰熱の対数が直線の関係になり、この直線で表される一次式をアレニウスの式と言う。
尚、図７の横軸に示すＴは絶対温度（Ｋ）で、０℃は２７３Ｋである。１０００／Ｔは絶対温度の逆数を１０００倍した値で表わされ、例えば６００℃では１／Ｔが0.001145.…で、１０００倍すると1.145…と表わされたものである。
［実施例３２〜実施例６８］
前記実施例３と同様にリアクタ１、クレオソート油を用いて２５０℃〜６６５℃の温度範囲で水素単独の３５種類の圧力条件で、過剰熱と、その持続時間から過剰熱のワット（Watt）数を求めた。その結果、図８に示すように、過剰熱はガスの圧力に比例して増加した。
前記実施例３と同様にリアクタ１、クレオソート油を用いて２５０℃〜６６５℃の温度範囲で水素単独の３５種類の圧力条件で、過剰熱と、その持続時間から過剰熱のワット（Watt）数を求めた。その結果、図８に示すように、過剰熱はガスの圧力に比例して増加した。
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。
Claims (5)
- 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を得ることを特徴とする13Ｃの製造方法。
- 前記反応触媒が、白金触媒、パラジウム触媒、白金−パラジウム合金触媒のうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項１に記載の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請求項１または請求項２に記載の13Ｃの製造方法。
- 前記水素の圧力が９．８×１０６Ｐａ〜２２．３×１０６Ｐａ(１００kg/cm2〜２５０kg/cm2)であることを特徴とする請求項１または請求項２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13Ｃの製造方法。
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