Способ концентрирования изотопа кислорода

Способ концентрирования изотопа кислорода

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к способу концентрирования изотопов кислорода и, в особенности, к способу селективного концентрирования стабильных изотопов кислорода, ¹⁷О и/или ¹⁸О, которые имеют крайне низкую распространенность в природе, при использовании реакции фотодиссоциации озона или реакции фотодиссоциации пероксида.

ОПИСАНИЕ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ

Поскольку ¹⁷О и ¹⁸О, которые являются изотопами кислорода, используемыми в качестве изотопных меток в области химии и медицины, имеют крайне низкую распространенность в природе, необходимо их концентрировать. Известный способ концентрирования ¹⁸О состоит в получении продукта, который содержит ¹⁸О, селективной фотодиссоциацией простого эфира с насыщенной цепью, который содержит ¹⁸О, облучением его лазерным излучением (см. в качестве ссылки, например, Японскую рассмотренную заявку на патент, Вторая публикация № 6-102134). Другие способы включают способ селективного концентрирования ¹⁸О облучением формальдегида или монооксида углерода лазерным излучением.

Однако с таких точек зрения, как низкая скорость концентрирования, низкая эффективность использования света, который содействует реакции, низкий выход люминесценции лазерного излучения и необходимость последующей обработки для экстрагирования концентрированных химических образцов, способы предшествующей технологии не были принятыми в промышленности. Хотя также было предложено концентрирование изотопов кислорода путем использования способа перегонки, наблюдались проблемы увеличения степени концентрирования, такие как увеличение размера установки и чрезвычайно продолжительного времени запуска установки.

Поэтому задача настоящего изобретения состоит в создании способа концентрирования изотопов кислорода, который позволяет концентрировать изотоп кислорода или в виде стабильных изотопов кислорода ¹⁷О или ¹⁸О, или в виде соединения, такого как вода, имеющего простую молекулярную структуру.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Для того, чтобы решить указанную выше задачу, способ концентрирования изотопа кислорода по настоящему изобретению включает (а) стадию фотодиссоциации озона, на которой молекулы озона, содержащие изотопы кислорода ¹⁷О и/или ¹⁸О, селективно фотодиссоциируют до молекул кислорода, таким образом образуя смесь молекул кислорода и непродиссоциировавших молекул озона, с последующей (b) стадией концентрирования изотопа кислорода, на которой молекулы кислорода отделяют от смеси, таким образом концентрируя изотоп кислорода. Более точно настоящее изобретение включает (А) стадию образования озона, на которой получают озон из исходного материала кислорода, таким образом получая смесь полученного озона и исходного материала кислорода, (В) стадию отделения озона, на которой полученный озон отделяют от смеси, (С) стадию фотодиссоциации озона, на которой молекулы озона, содержащие изотопы кислорода ¹⁷О и/или ¹⁸О, селективно фотодиссоциируют до молекул кислорода, таким образом приводя к получению смеси молекул кислорода и непродиссоциировавших молекул озона, и (D) стадию концентрирования изотопа кислорода, на которой молекулы кислорода отделяют от смеси, полученной на стадии (С), таким образом концентрируя изотоп кислорода.

Различные изотопы кислорода можно также концентрировать в две стадии: проведением (Е) второй стадии фотодиссоциации, на которой непродиссоциировавшие молекулы озона, содержащие изотоп кислорода, который отличается от изотопа кислорода, отделенного на стадии (D), фотодиссоциируют до молекул кислорода, таким образом приводя к получению смеси молекул кислорода и непродиссоциировавших молекул озона, и (F) стадии концентрирования второго изотопа кислорода, на которой молекулы кислорода отделяют от смеси, полученной на стадии (Е), таким образом концентрируя изотоп кислорода, который отличается от изотопа кислорода, отделенного на стадии (D).

Способ концентрирования изотопа кислорода по настоящему изобретению может также включать стадию концентрирования изотопа кислорода, на которой озон облучают светом после добавления по меньшей мере одного из благородных газов - криптона, ксенона или радона - на стадию фотодиссоциации (а) или (B), с получением таким образом смеси молекул кислорода, непродиссоциировавших молекул озона и благородного газа; и молекулы кислорода, полученные на стадии фотодиссоциации озона, отделяют от смеси.

В способе концентрирования изотопа кислорода по настоящему изобретению стадия концентрирования изотопа кислорода (b) или (D) может быть перегонкой, в которую добавляют по меньшей мере один из благородных газов: гелий, неон или аргон для стадии концентрирования изотопа кислорода.

В настоящем изобретении по меньшей мере один из благородных газов, выбранный из гелия, неона, аргона или криптона, добавляют к исходному материалу кислорода на стадии (А).

В настоящем изобретении проводят (G) стадию устранения озона, на которой непродиссоциировавшие молекулы озона, оставшиеся после стадии (D), разлагают до молекул кислорода с получением таким образом смеси молекул кислорода и благородного газа, и (Н) стадию отделения благородного газа, на которой благородный газ отделяют от смеси, полученной на стадии (G), где благородный газ, отделенный на стадии (Н), рециркулируют для использования на стадии (А).

В настоящем изобретении (Е') вторая стадия фотодиссоциации озона, на которой молекулы изотопомера озона, отличающиеся от молекул изотопомера озона, продиссоциировавших на стадии (С), фотодиссоциируют до молекул кислорода с получением таким образом смеси молекул кислорода и непродиссоциировавших молекул озона, и (F') стадия концентрирования второго изотопа, на которой молекулы кислорода, полученные на стадии (Е'), отделяют от смеси, образованной на стадии (Е'), таким образом концентрируя второй изотоп кислорода в отделенных молекулах кислорода.

В способе концентрирования изотопа кислорода по настоящему изобретению излучение, используемое на стадии фотодиссоциации озона (а) или (С), предпочтительно представляет собой излучение в диапазоне 700-1000 нм или излучение в диапазоне 450-850 нм. В частности, длина волны излучения, используемого на стадии фотодиссоциации озона, более предпочтительно находится в диапазоне от 991,965 до 992,457 нм. Также предпочтительно регулировать длину волны поглощения озона наложением электрического поля на стадии фотодиссоциации озона (а) или (С). Также предпочтительно проводить стадию фотодиссоциации озона (а) или (С) при низкой температуре и низком давлении.

Существует 18 типов указанных выше изотопомеров озона, состоящих из ¹⁶О¹⁶О¹⁶О, ¹⁶О¹⁶О¹⁷О, ¹⁶О¹⁷О¹⁶О, ¹⁶О¹⁶О¹⁸О, ¹⁶О¹⁸О¹⁶О, ¹⁶О¹⁷О¹⁷О, ¹⁷О¹⁶О¹⁷О, ¹⁶О¹⁷О¹⁸О, ¹⁷О¹⁶О¹⁸О, ¹⁶О¹⁸О¹⁷О, ¹⁷О¹⁷О¹⁷О, ¹⁶О¹⁸О¹⁸О, ¹⁸О¹⁶О¹⁸О, ¹⁷О¹⁷О¹⁸О, ¹⁷О¹⁸О¹⁷О, ¹⁷О¹⁸О¹⁸О, ¹⁸О¹⁷О¹⁸О и ¹⁸О¹⁸О¹⁸О.

В настоящем изобретении молекулы кислорода, содержащие заданный изотоп кислорода, ¹⁷Оили ¹⁸О, можно фотодиссоциировать облучением молекул озона, содержащих смесь этих различных типов изотопомеров, светом.

Например, когда изотопомер ¹⁶О¹⁶О¹⁷О облучают светом, из двух молекул озона образуется три молекулы кислорода согласно формуле реакции, представленной ниже

¹⁶О¹⁶О¹⁷О + «облучение светом» → О₂+О (1)

О₃+О → 2·О₂ (2)

В этой реакции ¹⁷О, который содержался в озоне, который был фотодиссоциирован в формуле реакции (1), содержится или в образовавшемся «О₂», или в форме «О». Поскольку этот «О» мгновенно реагирует с другой молекулой озона с образованием двух молекул кислорода, как показано в уравнении реакции (2), это означает, что ¹⁷О присутствует в одной из трех молекул кислорода, образовавшихся по реакциям (1) и (2). Хотя существует возможность того, что ¹⁷О или ¹⁸О также содержался в озоне, который реагировал по реакции 2, эта вероятность крайне низка, так что это количество можно игнорировать.

Энергия диссоциации связи в озоне равна 1,05 эВ, и озон разрушается при поглощении излучения, имеющего длину волны 1,18 мкм или менее. Это поглощение излучения озоном известно и происходит в полосах, указанных ниже:

Полоса Вульфа 700-1000 нм (1,02-1,8 эВ) полоса ближней инфракрасной области

Полоса Чаппиуса 450-850 нм (1,5-2,8 эВ) полоса видимой области

Полоса Хаггинса 300-360 нм (3,4-4,1 эВ) полоса ультрафиолетовой области

Полоса Хартли 200-300 нм (4,1-6,2 эВ) полоса ультрафиолетовой области.

Даже в этих полосах в окрестностях длины волны 1000 нм (волновое число: 10000см^-1) полосы Вульфа согласно литературе наблюдается четкий пик поглощения, как показано на фиг. 1 (Journal of Chemical Physics, Vol. 108, No 13, p. 5449-5475). На фиг. 1 показана оптическая поглощающая способность для ¹⁶О₃ (¹⁶О¹⁶О¹⁶О) и ¹⁸О₃ (¹⁸О¹⁸О¹⁸О). Максимум пика для ¹⁶О₃ наблюдается при волновом числе 10081 см^-1 (длина волны: 991,965 нм), тогда как максимум пика для ¹⁸О₃ наблюдается при волновом числе 10076 см^-1 (длина волны: 992,457 нм). Таким образом, длина волны, при которой изотопомер озона, содержащий ¹⁷О или ¹⁸О, может быть эффективно диссоциирован, находится между этими двумя длинами волн, и можно видеть, что заданный озон может быть селективно диссоциирован выбором длины волны в этом диапазоне.

Хотя могут быть использованы другие пики поглощения, с точки зрения эффективности диссоциации озона указанный выше диапазон является оптимальным. В частности, такое излучение полосы в ближней инфракрасной или видимой области также имеет преимущество более легкой манипуляции по сравнению с использованием излучения полосы в ультрафиолетовой области. Если используют ультрафиолетовое излучение высокой энергии, дополнительно к заданному изотопомеру озона также могут разрушаться диссоциацией другие изотопомеры озона, таким образом понижая эффективность концентрирования кислородного изотопа.

В случае низкой эффективности селективной диссоциации, связанной с тем, что источник излучения имеет незначительное смещение от заданной длины волны диссоциации озона, поскольку длина волны поглощения озона может быть смещена при использовании эффекта Штарка, путем наложения на озон электрического поля при облучении светом, длина волны поглощения озона может быть сдвинута так, чтобы строго соответствовать длине волны источника излучения.

Примеры источников излучения, которые могут быть использованы для получения излучения этой длины волны, включают спектральное излучение солнечного света, так же, как и цветовое лазерное излучение, способное к оптической накачке InGaAsP полупроводниковым лазером или свето-эмитирующим диодом, AlGaInP полупроводниковым лазером или свето-эмитирующим диодом, GaAsSb полупроводниковым лазером или свето-эмитирующим диодом, CdZnTe полупроводниковым лазером или свето-эмитирующим диодом, CdZnSe полупроводниковым лазером или свето-эмитирующим диодом, ртутной лампой, лазером на алюмо-иттриевом гранате, Ar ионным лазером или Kr ионным лазером.

При облучении озона светом свет предпочтительно излучают при низком давлении, например 13 кПа (100 Торр) или менее, для увеличения длины среднего свободного пробега молекулы озона и подавления, насколько это возможно, столкновения молекул. В результате можно избежать увеличения ширины поглощения света, вызванного столкновениями молекул. Для того чтобы подавить самопроизвольную диссоциацию озона, предпочтительно охлаждать до низкой температуры в диапазоне, например 100-200К, не только в ходе облучения озона светом, но также и систему в целом. В результате дополнительно к сужению пика поглощения может подавляться образование кислорода из-за самопроизвольной диссоциации, таким образом делая возможным улучшение степени концентрирования молекулярного кислорода, содержащего изотопы кислорода.

Озон может быть легко получен бесшумным электрическим разрядом в кислороде, служащем в качестве материала в озонаторе, или облучением ультрафиолетовым светом ртутной лампы и т.д. Хотя кислород высокой чистоты, который содержит настолько мало примесей, таких как аргон и азот, насколько это возможно, предпочтительно используют в качестве исходного материала кислорода, если эти примеси могут быть удовлетворительно отделены при разделении озона и кислорода, но также можно использовать в качестве исходного материала кислорода промышленный кислород, имеющий чистоту примерно 99,5%.

Кислород, состоящий из ¹⁷О или ¹⁸О, концентрированный способом концентрирования по настоящему изобретению, как и кислород, состоящий из ¹⁷О или ¹⁸О, концентрированный другими способами, можно использовать в качестве исходного материала кислорода.

Разделение озона и кислорода или разделение кислорода, озона и благородного газа можно легко осуществить низкотемпературной перегонкой, используя различия в их температуре кипения, или низкотемпературной адсорбцией, используя их различия в адсорбции на адсорбенте, таком как силикагель.

Как показано, например, на фиг. 2, оптимальная конфигурация устройства для проведения настоящего изобретения оснащена модулем получения озона 11, в котором получают озон из исходного материала кислорода GO, модулем отделения озона 12, который отделяет озон OZ, полученный в модуле получения озона, и исходный материал кислорода, модулем фотодиссоциации озона 13, который излучает свет L определенной длины волны на озон, отделенный модулем отделения озона 12, и селективно разрушает озон, содержащий в своей молекуле определенный изотоп кислорода, до кислорода, и модулем отделения кислорода 14, который отделяет кислород ОС, образовавшийся за счет разложения озона в модуле фотодиссоциации озона 13, и непродиссоциировавший озон OZ для концентрирования заданного кислородного изотопа в кислороде.

Конфигурация устройства для проведения настоящего изобретения может быть также оснащена вторым модулем фотодиссоциации озона 15, который излучает свет L на озон OZ, отделенный модулем отделения озона 14, и селективно разлагает озон, который содержит в своей молекуле другой изотоп кислорода, из озона, продиссоциировавшего при помощи модуля фотодиссоциации озона 13 с образованием кислорода, и вторым модулем отделения кислорода 16, который отделяет кислород ОС2, образованный диссоциацией озона во втором модуле фотодиссоциации озона 15, и непродиссоциировавший OZ2 для концентрирования изотопа кислорода в кислороде.

Количество расходуемого исходного материала кислорода может быть уменьшено за счет обеспечения производственной линии, по которой кислород GO, отделенный модулем отделения озона 12, рециркулируют и загружают в модуль образования озона 11. Модуль фотодиссоциации озона 13 предпочтительно оснащают охлаждающим модулем и модулем понижения давления.

В случае концентрирования изотопов кислорода при использовании озона, хотя предпочтительно использовать озон, обладающий настолько высокой чистотой, насколько это возможно, принимая во внимание эффективность излучения света и эффективность концентрации, использование высокочистого озона может приводить к самопроизвольной диссоциации из-за катализа на металлических поверхностях, обладающих каталитическим действием. Если из-за самопроизвольной диссоциации озона в большом количестве образуется кислород, не содержащий желаемого изотопа кислорода, этот кислород может вызвать значительное уменьшение степени концентрирования на упомянутой выше стадии концентрирования изотопа кислорода.

В качестве другого способа концентрирования изотопов кислорода по настоящему изобретению концентрация озона может быть понижена добавлением к озону подходящего количества благородного газа для заблаговременного предотвращения любого уменьшения степени концентрирования изотопов кислорода, вызываемого самопроизвольной диссоциацией озона.

Поскольку благородные газы (гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон) едва ли влияют на фотохимические реакции озона на стадии фотодиссоциации озона, определенный озон все еще может быть селективно диссоциирован, даже если озон разбавлен этими благородными газами. Дополнительно обработку озона можно облегчить по сравнению с более чистым озоном за счет его разбавления благородным газом.

Смешивание озона и благородного газа можно проводить в произвольном устройстве на каждой стадии, и благородный газ, пригодный для каждой стадии, следует добавлять в подходящем количестве. В этот момент не пригодны благородные газы, которые переходят в твердое состояние при низких температурах, благородные газы, которые конденсируются в местах, где они должны быть газообразными, и благородные газы, которые испаряются в местах, где они должны быть жидкими, и необходимо выбирать благородные газы в соответствии с рабочим давлением и рабочей температурой. В случае использования низкотемпературного разделения дистилляцией для стадии концентрирования изотопа кислорода и стадии отделения озона, хотя необходимо обеспечивать, чтобы озон не достигал высокой концентрации за счет содержания необходимого количества благородного газа в жидкой фазе со стороны озона, для получения поднимающегося газа и падающей жидкости, необходимых для процесса перегонки, благородный газ, концентрированный со стороны газовой фазы, может быть использован в комбинации. В случае сбора и повторного использования благородного газа предпочтительно выбирать благородный газ, который легко отделять от кислорода на стадии отделения благородного газа. Однако ксенон и радон не являются предпочтительными для использования на стадии образования озона, поскольку они образуют нестабильные соединения в результате реакции с кислородом, которая вызывается бесшумным разрядом в озонаторе или облучением ультрафиолетовым светом из ртутной лампы и т.д.

Устройство концентрирования изотопа кислорода для проведения настоящего изобретения может быть оснащено модулем фотодиссоциации озона, который излучает свет на газообразную смесь благородный газ-озон, содержащую озон и по меньшей мере один из благородных газов, выбранный из криптона, ксенона и радона, и селективно разлагает до кислорода озон, содержащий определенный изотоп кислорода в своей молекуле, и модулем концентрирования изотопа кислорода, который отделяет кислород, отделенный от озона в модуле фотодиссоциации озона от непродиссоциировавшего озона для концентрирования изотопа кислорода, присутствующего в отделенном кислороде.

Еще один способ концентрирования изотопа кислорода по настоящему изобретению включает фотодиссоциацию пероксида излучением полупроводникового лазера и, таким образом, увеличение концентрирования изотопа кислорода в продукте фотореакции.

Примеры пероксида включают по меньшей мере один из типов органического пероксида, такого как гидропероксиды, такие как НООН и (CH₃)₃COOH, (ди)алкилпероксиды, такие как СН₃ООСН₃, С₂Н₅ООС₂Н₅ и (СН₃)₃ОО(СН₃)₃, пероксикислоты, включая перкислоты, такие НСОООН и СН₃ОООН, (ди)ацилпероксиды, такие СН₃ОООСОСН₃ и

сложные пероксиэфиры, такие как СН₃ОООС(СН₃)₃, (СН₃)₂СНОООС(СН₃)₃ и (СН₃)₃С-СОООС(СН₃)₃, пероксикарбонаты, такие как (СН₃)₃СОООСООСН(СН₃)₂, пероксидикарбонаты, такие как

Дипероксикарбонаты, такие как i-PrO-COOOCOO-i-Pr (i-Pr: изопропильная группа), пероксалаты, циклические пероксиды, озониды и эндопероксиды, такие как

или по меньшей мере один тип эфира азотной кислоты, такой как метилнитрат и этилнитрат, или эфира азотистой кислоты, такие как метилнитрит или этилнитрит.

Указанные выше пероксиды могут быть разбавлены по меньшей мере одним типом растворителя, выбранного из тетрахлорида углерода, ацетона, уксусной кислоты, гексана, толуола и хлорфторуглеродов или органических соединений, имеющих двойную связь, и указанная выше диссоциация является преддиссоциацией.

В качестве более конкретного примера данного способа способ дополнительно включает:

(I) стадию испарения, на которой раствор, полученный разбавлением растворителем пероксида, имеющего О-Н связь, О-О связь, С-О связь или С=О связь, испаряют при пониженном давлении и затем загружают в ячейку фотореакции;

(II) стадию фотодиссоциации, на которой пероксид в ячейке фотореакции облучают излучением полупроводникового лазера, имеющего энергию фотонов, достаточную для диссоциации пероксида, и длину волны, которой соответствует один из спектров поглощения О-Н связи, О-О связи, С-О связи или С=О связи, таким образом приводя к фотодиссоции переоксида;

(III) стадию очистки продуктов фотореакции из стадии (II), таким образом концентрируя ¹⁷О или ¹⁸О, в одном из типов молекулярных образцов.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 представляет собой чертеж, показывающий спектр поглощения озона.

Фиг. 2 представляет собой схему системы, показывающую пример конфигурации устройства для проведения способа по настоящему изобретению.

Фиг. 3 представляет собой схему системы, показывающую первый вариант осуществления устройства для концентрирования изотопа кислорода по настоящему изобретению.

Фиг. 4 представляет собой схему системы, показывающую второй вариант осуществления устройства для концентрирования изотопа кислорода по настоящему изобретению.

Фиг. 5 представляет собой схему системы, показывающую третий вариант осуществления устройства для концентрирования изотопа кислорода по настоящему изобретению.

Фиг. 6 представляет собой схему системы, показывающую четвертый вариант осуществления устройства для концентрирования изотопа кислорода по настоящему изобретению.

Фиг. 7 представляет собой схему системы, показывающую пятый вариант осуществления устройства для концентрирования изотопа кислорода по настоящему изобретению.

Фиг. 8 представляет собой схему системы, показывающую шестой вариант осуществления устройства для концентрирования изотопа кислорода по настоящему изобретению.

Краткое описание обозначений

11: Модуль образования озона

12: Модуль отделения озона

13: Модуль фотодиссоциации озона

14: Модуль отделения кислорода

15: Второй модуль фотодиссоциации озона

16: Второй модуль отделения озона

21: Озонатор

22: Первая дистилляционная колонна

23: Конденсатор

24: Ребойлер

25: Теплообменник

26: Буферный резервуар

27: Нагнетательный вентилятор

31: Источник излучения

32: Ячейка фотореакции

33: Вторая дистилляционная колонна

34: Конденсатор

35: Ребойлер

36: Теплообменник

51-56: Технологические линии

57: Клапан

58: Технологическая линия

59: Клапан

61-64: Технологические линии

111: Модуль образования озона

112: Модуль отделения озона

113: Модуль фотодиссоциации озона

114: Модуль концентрирования изотопа кислорода

115-116: Технологические линии

117-119: Технологические линии загрузки благородного газа

121: Второй модуль фотодиссоциации озона

122: Второй модуль концентрирования изотопа кислорода

123: Модуль разложения озона

124: Модуль восстановления благородного газа

125-126: Технологические линии

131: Технологическая линия

211: Очистная колонна

212: Модуль фотореакции

213: Охлаждаемая ловушка

214: Вакуумный насос

215: Дистиллятор

221-228: Технологические линии

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Фиг. 3 представляет собой схему системы, показывающую первый вариант осуществления устройства для концентрирования изотопа кислорода по настоящему изобретению. Это устройство для концентрирования оснащено озонатором 21 для получения озона из исходного материала кислорода, первой дистилляционной колонной 22, которая разделяет озон, образованный в указанном озонаторе 21, и исходный материал кислорода, конденсатором 23 для осуществления охлаждения, необходимого для процесса низкотемпературной перегонки в указанной первой дистилляционной колонне 22, ребойлером 24 для генерации поднимающегося газа в указанной первой дистилляционной колонне, теплообменником 25 для регенерации холода газа, вытекающего из первой дистилляционной колонны, в газ, загружаемый в первую дистилляционную колонну, буферным резервуаром для временного хранения газа, вытекающего из первой дистилляционной колонны, и нагнетательным вентилятором 27 для циркулирования и подачи газа, вытекающего из первой дистилляционной колонны, в буферный резервуар 26 и в озонатор 21.

Оборудование для концентрирования кислорода, содержащего определенный изотоп, из озона оснащено ячейкой фотореакции 32 для отделения определенного изотопомера озона в кислород при помощи излучения, излучаемого из источника излучения 31, второй дистилляционной колонной 33, которая отделяет кислород, образованный в ячейке фотореакции 32, от непродиссоциировавшего озона для концентрирования изотопа кислорода в кислороде, конденсатором 34 для осуществления охлаждения, необходимого для процесса низкотемпературной перегонки во второй дистилляционной колонне 33, ребойлером 35 для генерации поднимающегося газа во второй дистилляционной колонне, и теплообменником 36 для регенерации холода газа, вытекающего из второй дистилляционной колонны, в газ, загружаемый во вторую дистилляционную колонну.

Часть исходного материала кислорода, которую подавали по технологической линии 51 и смешивали с циркулирующим кислородом из технологической линии 52, озонируют бесшумным разрядом в озонаторе 21 с получением смешанного газа озон-кислород, после этого этот газ охлаждают в теплообменнике 25, его загружают в промежуточную стадию первой дистилляционной колонны 22 по технологической линии 53. Этот смешанный газ озон-кислород перегоняют дефлегмацией жидкости, образованной конденсатором 23, расположенным выше первой дистилляционной колонны, и поднимающийся газ, образованный в ребойлере 24, расположенном ниже первой дистилляционной колонны, и сжиженный озон кислородного газа верхней части первой дистилляционной колонны 22, соответственно, отделяют на дне первой дистилляционной колонны 22. Часть кислорода, которую загружали по технологической линии 54 из первой дистилляционной колонны, отводят в конденсатор 23, тогда как оставшуюся часть временно хранят в буферном резервуаре 26 после прохождения через технологическую линию 55, после чего его сжимают нагнетательным вентилятором 27, циркулируют и загружают в озонатор 21 по технологической линии 52.

Часть озона, которую отводили со дна первой дистилляционной колонны 22 по технологической линии 56, отводят в ребойлер 24, тогда как оставшуюся часть загружают в ячейку фотореакции 32 в газообразном состоянии после прохода через клапан 57. Конкретный изотопомер, присутствующий в этом озоне, диссоциируют до кислорода излучением, излучаемым источником излучения 31, и смешанный газ озон-кислород, состоящий из диссоциированного кислорода и непродиссоциировавшего озона, выводят по технологической линии 58 через клапан 59. Внутри ячейки фотореакции 32 для того, чтобы эффективно провести диссоциацию определенного изотопомера озона в стабильном состоянии, одновременно с понижением давления до 13 кПа или менее внутреннюю часть ячейки фотореакции охлаждают до температуры в диапазоне 100-250К. Давление и температуру можно устанавливать подходящим образом в соответствии со степенью диссоциации озона, и по меньшей мере площадь между ячейкой фотореакции 32 и клапанами 57 и 59 на обоих концах необходимо поддерживать при заранее заданном давлении и заранее заданной температуре в таких пределах, чтобы не вызвать сжижения или отверждения озона.

Смешанный газ озон-кислород из технологической линии 58 загружают в промежуточную стадию второй дистилляционной колонны 33 после его охлаждения в теплообменнике 36, и способом, сходным с описанной выше дистилляционной колонной 21, его перегоняют дефлегмацией жидкости из конденсатора 34 и поднимающегося газа из ребойлера 35, заставляя озон отделяться в нижней части колонны, и кислородный газ, содержащий определенный изотоп кислорода, концентрироваться в верхней части колонны. Концентрированный кислородный газ, содержащий определенный изотоп, выгружают из верхней части второй дистилляционной колонны 33 в технологическую линию 61 и затем часть газа, отведенную в конденсатор 34, выделяют в форме продукта по технологической линии 62. После того как часть озона, которую вывели со дна второй дистилляционной колонны 33 через технологическую линию 63, отвели в ребойлер 35, оставшуюся часть удаляют по технологической линии 64 после прохождения через теплообменник 36.

Озон из технологической линии 64 обычно выводят после диссоциации до кислорода при помощи модуля фотодиссоциации озона при использовании катализатора и т.п. Озон из указанной технологической линии 64 также может быть загружен во вторую ячейку фотореакции (не показана), служащую в качестве второго модуля фотодиссоциации, предусмотренную отдельно от указанной выше ячейки фотореакции 32, изотопомер, который может быть диссоциирован, отличается от изотопомера, который может быть диссоциирован в ячейке фотореакции 32, и кислород, содержащий изотоп, образованный этой диссоциацией, может быть отделен от озона и концентрирован при использовании второго модуля отделения кислорода в виде дистилляционной колонны и т.п.

Хотя рабочие условия в каждой дистилляционной колонне являются произвольными, поскольку концентрирование кислородного газа, содержащего заданный изотоп, уменьшается, если кислород попадает в ячейку фотореакции, предпочтительно получать озон в таком виде, чтобы он, насколько это возможно, не содержал кислорода. Азот или аргон при приемлемой температуре может быть использован в качестве источника охлаждения, подаваемого в конденсатор, и источника тепла, подаваемого в ребойлер. Азот или аргон при приемлемой температуре также может быть использован для охлаждения ячейки фотореакции. Понижение давления внутри системы, которая включает ячейку фотореакции, можно проводить путем установки вакуумного насоса в подходящей технологической линии после ячейки фотореакции или за счет уменьшения давления за счет сжижения при использовании жидкого азота и т.п. В качестве материалов для оборудования предпочтительно используют материал, который не обладает реакционной активностью или каталитическим действием по отношению к озону, такой как стекло или фторполимеры (политетрафторэтилен).

Рассчитанные значения скоростей потока способа и т.п. для каждой технологической линии при получении 10 кг (в виде Н₂О) ежегодно концентрированием ¹⁷О при использовании устройства концентрирования, имеющего конфигурацию, как на фиг. 3, представлены в таблице 1. Кислородный газ, в котором ¹⁷О и ¹⁸О концентрировали перегонкой, использовали в качестве исходного материала кислорода. ¹⁶О¹⁷О¹⁸О выбирали в качестве изотопомера, используемого для разложения в ячейке фотореакции. В качестве излучения для разложения этого изотопомера использовали лазерное излучение, имеющее длину волны 992 нм. Выходную мощность лазера устанавливали на 1,0 Вт и устанавливали площадь поперечного сечения поглощения, равной 3,0×10^-23 см². Давление в ячейке фотореакции составляло 13 кПа (100 Торр) и температура составляла 200К. Оптическая длина пути составляла 40 м, время удержания составляло 100 с, коэффициент использования излучения был равен 0,0019, выход заданного изотопомера составлял 0,90 и количество не селективно продиссоциировавших других изотопомеров, генерированных одновременно с диссоциацией заданного изотопомера, составило 3,3 по отношению к значению 1 для заданного изотопомера. Степень концентрирования ¹⁷О в этот момент составила 10,8. Количество электричества, расходуемого озонатором, составило 3,0 кВт.

Далее рассчитанные значения скоростей потока способа и т.п. для каждой технологической линии при получении 10 кг (в виде Н₂О) ежегодно при использовании кислорода высокой чистоты в качестве исходного материала кислорода представлены в таблице 2 (Японская заявка на патент № 203-57439, Таблица 2). ¹⁶О¹⁶О¹⁷О выбирали в качестве целевого изотопомера. В качестве излучения для разрушения этого изотопомера использовали лазерное излучение, имеющее длину волны 922 нм. Выходную мощность лазера устанавливали на 2,2 Вт и устанавливали площадь поперечного сечения поглощения, равной 3,0×10^-23 см². Давление в ячейке фотореакции составляло 13 кПа (100 Торр) и температура составляла 150К. Оптическая длина пути составляла 40 м, время удержания составляло 100 с, коэффициент использования излучения был равен 0,0003, выход заданного изотопомера составлял 0,90, и количество не селективно продиссоциировавших других изотопомеров, генерированных одновременно с диссоциацией заданного изотопомера, составило 10 по отношению к значению 1 для заданного изотопомера. Степень концентрирования ¹⁷О в этот момент составила 85,4. Количество электричества, расходуемого озонатором, составило 6,7 кВт.

Фиг. 4 представляет собой схему системы, показывающую второй вариант осуществления устройства для концентрирования изотопа кислорода по настоящему изобретению. Она показывает пример конфигурации устройства, оснащенного оборудованием для получения газовой смеси благородный газ-озон на стадии перед устройством концентрирования.

Это устройство концентрирования одновременно с тем, что оно оснащено модулем образования озона 111, который образует озон из исходного материала кислорода GO, модулем отделения озона 112, который отделяет исходный материал кислорода, содержащий озон, образованный в указанном модуле образования озона 111, от озона OZ и исходного материала кислорода RO, модулем для фотодиссоциации озона 113, который селективно разлагает озон, содержащий определенный изотоп кислорода в его молекуле до кислорода путем облучения озона OZ, отделенного в указанном модуле отделения озона 112, излучением L определенной длины волны, модулем концентрирования изотопа кислорода 114, который отделяет кислород ОС, образованный диссоциацией озона в указанном модуле фотодиссоциации озона 113, от непродиссоциировавшего озона OZ для концентрирования заданного изотопа кислорода в указанном кислороде, также оснащено технологической линией 115, по которой исходный материал кислорода загружают в модуль образования озона 111, технологической линией 116, по которой кислород, содержащий озон, образованный в модуле образования озона 111, загружают в модуль отделения озона 112, или технологическими линиями для подачи благородного газа 117, 118 и 119, для загрузки по меньшей мере одного типа благородного газа, выбранного из гелия, неона, аргона, криптона, ксенона и радона, к по меньшей мере одному месту модуля отделения озона 112, который концентрирует озон для использования в качестве благородного газа RG для разбавления озона.

В технологической линии загрузки благородного газа 117 среди указанных выше трех технологических линий загрузки благородного газа 117, 118 и 119 благородный газ, отличающийся от ксенона и радона, для которого есть риск окисления или расщепления в модуле образования озона 111 (стадия образования озона), смешивают сам по себе или в виде нескольких газов и добавляют к исходному материалу кислорода. В технологической линии загрузки благородного газа 118 предпочтителен благородный газ, который подается в модуль фотодиссоциации озона 113 одновременно с озоном, отделенным в модуле отделения озона 112 (стадия отделения озона), а именно благородный газ, который концентрируют в озоновой части на стадии