專利名稱：氧同位素濃縮方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及濃縮氧同位素的方法，更具體而言，涉及一種通過使用臭氧光解離反應或者過氧化物解離反應，選擇性濃縮穩(wěn)定的氧同位素17O和/或18O，這些以非常小的天然豐度存在的同位素的方法。
背景技術(shù)：
由于17O和18O這兩種在化學和醫(yī)學領域用作示蹤劑的氧同位素是以非常小的天然豐度存在的，必須將它們濃縮。已知的濃縮18O方法由以下組成通過用激光照射包含18O的飽和鏈醚而將其選擇性光解離，獲得包含18O的產(chǎn)物(例如，參考日本審查專利申請，第二次公開6-102134)。其他方法包括通過用激光照射甲醛或一氧化碳來選擇性濃縮18O的方法。
但是，出于例如濃縮率低，有助于反應的光的利用效率低，激光發(fā)光效率低以及必須進行后處理以提取濃縮的化學種類的原因，現(xiàn)有技術(shù)的方法還沒有實現(xiàn)工業(yè)化。盡管已經(jīng)提出了使用蒸餾方法來濃縮氧同位素，但是為了提高濃縮度卻遇到了例如設備體積增加和設備啟動時間非常長的問題。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種濃縮氧同位素的方法，該方法能夠濃縮處于穩(wěn)定的17O或18O氧同位素狀態(tài)的氧同位素，或者能夠濃縮存在于具有簡單分子結(jié)構(gòu)的物質(zhì)例如水中的氧同位素。

發(fā)明內(nèi)容
為了達到上述目的，本發(fā)明的氧同位素濃縮方法包括(a)臭氧光解離步驟，其中將包含氧同位素17O和/或18O的臭氧分子選擇性地光解離成氧分子；從而形成氧分子和未解離的臭氧分子的混合物，接著是(b)氧同位素濃縮步驟，其中將氧分子從混合物中分離出來，從而濃縮氧同位素。更具體而言，本發(fā)明包括(A)臭氧形成步驟，其中從原料氧制造臭氧，從而形成所制造的臭氧和原料氧的混合物，(B)臭氧分離步驟，其中將所制造的臭氧從混合物中分離出來，(C)臭氧光解離步驟，其中將包含氧同位素17O和/或18O的臭氧分子選擇性地光解離成氧分子；從而形成氧分子和未解離的臭氧分子的混合物，以及(D)氧同位素濃縮步驟，其中將氧分子從步驟(C)中獲得的混合物中分離出來，從而濃縮氧同位素。
還可以分兩階段將不同的氧同位素濃縮(E)第二臭氧光解離步驟，其中將包含與步驟(D)中分離出來的氧同位素不同的氧同位素的未解離臭氧分子光解離成氧分子，從而產(chǎn)生氧分子和未解離臭氧分子的混合物，和(F)第二氧同位素濃縮步驟，其中將氧分子從步驟(E)中獲得的混合物中分離出來，從而濃縮與步驟(D)中分離的氧同位素不同的氧同位素。
本發(fā)明的氧同位素濃縮方法還可以包含氧同位素濃縮步驟，其中在光解離步驟(a)或(B)中，在加入了氪、氙或氡中至少一種稀有氣體之后，用光照射臭氧，從而產(chǎn)生氧分子、未解離臭氧分子和稀有氣體的混合物；并且將臭氧光解離步驟中獲得的氧分子從混合物中分離出來。
在本發(fā)明的氧同位素濃縮方法中，氧同位素濃縮步驟(b)或(D)可以是蒸餾，其中加入氦、氖或氬中的至少一種稀有氣體用于氧同位素濃縮步驟。
本發(fā)明中，在步驟(A)中將選自氦、氖、氬或氪的至少一種稀有氣體加入到原料氧中。
本發(fā)明中，進行(G)臭氧消除步驟，其中將步驟(D)后殘余的未解離臭氧分子分解成氧分子，從而形成氧分子和稀有氣體的混合物，和(H)稀有氣體分離步驟，其中將稀有氣體從步驟(G)中獲得的混合物中分離出來，并且將步驟(H)中分離出來的稀有氣體再循環(huán)用于步驟(A)中。
本發(fā)明中，(E’)第二臭氧光解離步驟，其中將臭氧同位素體(isotopomer)分子，這些分子不同于步驟(C)中解離的那些臭氧同位素體分子，光解離成氧分子，從而產(chǎn)生氧分子和未解離臭氧分子的混合物，和(F’)第二氧同位素濃縮步驟，其中將步驟(E’)中獲得的氧分子從步驟(E’)中產(chǎn)生的混合物中分離出來，從而濃縮所分離出的氧分子中的第二種氧同位素。
在本發(fā)明的氧同位素濃縮步驟中，在臭氧光解離步驟(a)或(C)中使用的光優(yōu)選是700-1000nm范圍內(nèi)的光或者450-850nm范圍內(nèi)的光。特別地，更優(yōu)選用于臭氧光解離步驟中的光的波長在991.965到992.457nm的范圍之內(nèi)。還優(yōu)選通過在臭氧光解離步驟(a)或(C)中施加電場來調(diào)節(jié)臭氧的吸收波長。同樣優(yōu)選在低溫和低壓下進行臭氧光解離步驟(a)或(C)。
上述的臭氧同位素體有18種，由16O16O16O、16O16O17O、16O17O16O、16O16O18O、16O18O16O、16O17O17O、17O16O17O、16O17O18O、17O16O18O、16O18O17O、17O17O17O、16O18O18O、18O16O18O、17O17O18O、17O18O17O、17O18O18O、18O17O18O和18O18O18O組成。
本發(fā)明中，可以通過光照包含這些各種同位素體混合物的臭氧分子，將包含所需氧同位素17O或18O的氧分子光解離。
例如，當用光照射16O16O17O同位素體時，依照下面顯示的反應式，從兩分子的臭氧產(chǎn)生三分子的氧。
(1)(2)在該反應中，組成在反應式(1)中被光解離的臭氧的17O或者是以“O2”形式或者是以“O”形式包含的。由于如反應式(2)所示，“O”立即和其他臭氧反應形成兩分子的氧，這意味著17O存在于反應式(1)和(2)中形成的三分子氧其中之一中。盡管存在反應式(2)中反應的臭氧中還包含17O或18O的可能性，但是這種可能性非常小，因而其量可以忽略。
臭氧的鍵裂解能為1.05eV，并且臭氧在吸收波長為1.18μm或更小的光的過程中分解。已知臭氧的光吸收發(fā)生在如下所示的譜帶中Wulf譜帶 700-1000nm(1.2-1.8eV)近紅外譜帶Chappius譜帶 450-850nm(1.5-2.8eV)可見譜帶Huggins譜帶300-360nm(3.4-4.1eV)紫外譜帶Hartly譜帶 200-300nm(4.1-6.2eV)紫外譜帶即使在這些譜帶中，根據(jù)文獻(Journal of Chemical Physics，Vol.108，No.13，5449-5475頁)，在Wulf譜帶的1000nm波長(波數(shù)10000cm-1)附近也觀察到如圖1所示的尖銳吸收峰。圖1顯示了16O3(16O16O16O)和18O3(18O18O18O)的光學吸收?？梢钥闯?6O3的最大峰在10081cm-1波數(shù)(波長991.965nm)處，同時可以看出18O3的最大峰在10076cm-1波數(shù)(波長992.457nm)處。因此，可以有效解離包含17O或18O的臭氧同位素體的波長位于這兩個波長之間，并且可以看出通過在此范圍內(nèi)選擇波長，可以選擇性地解離所需的臭氧。
盡管可以使用其他的吸收峰，但是考慮到臭氧的解離效率，上述范圍是最佳的。特別是，這種處于近紅外或可見譜帶中的光，與使用紫外譜帶的光的情況相比，具有更容易掌握的優(yōu)勢。如果使用高能級的紫外光，除了目標臭氧同位素體外，其他臭氧同位素體也可能被解離而終止，從而降低了氧同位素的濃縮效率。
在因光源略微偏離所需的臭氧解離波長而使選擇性解離效率低的情況下，由于可以利用斯塔克效應，通過在光照射時向臭氧施加電場而使臭氧的吸收波長發(fā)生位移，可以使臭氧的吸收波長和光源的波長精確匹配。
可用于獲得這種波長的光的光源實例包括陽光的光譜光以及有色激光，所述的有色激光能夠用InGaAsP半導體激光器或發(fā)光二極管、AlGaInP半導體激光器或發(fā)光二極管、GaAsSb半導體激光器或發(fā)光二極管、CdZnTe半導體激光器或發(fā)光二極管、CdZnSe半導體激光器或發(fā)光二極管、汞燈、YAG激光器、Ar離子激光器或Kr離子激光器進行光泵浦。
當用光照射臭氧時，優(yōu)選在低壓下，例如在13kPa(100托)或更低壓力下進行光照射，以延長臭氧分子的平均自由行程并盡可能地抑制分子碰撞。結(jié)果，可以避免由分子碰撞造成的光吸收寬度增加。為了抑制臭氧的自發(fā)解離，優(yōu)選不僅在用光照射臭氧的過程中進行冷卻，而且將整個系統(tǒng)冷卻到低溫，例如冷卻到100-250K的范圍內(nèi)。結(jié)果，除了使吸收峰更加尖銳外，還可以抑制通過自發(fā)解離而形成氧，從而可以提高包含氧同位素的氧的濃縮率。
通過臭氧發(fā)生器對用作原料的氧進行無聲放電，或者通過用來自汞燈等的紫外光照射，可以很容易地形成臭氧。盡管優(yōu)選使用包含盡可能少的雜質(zhì)例如氬和氮的高純度氧作為原料氧，但是如果在分離臭氧和氧時可以適當?shù)胤蛛x這些雜質(zhì)，則也可以使用純度約99.5％的工業(yè)用氧作為原料氧。
用本發(fā)明濃縮方法濃縮的由17O或18O組成的氧，以及用其他方法濃縮的由17O或18O組成的氧可用作原料氧。
通過如下方法可以容易地進行臭氧和氧的分離或者氧、臭氧和稀有氣體的分離利用它們沸點的差異進行低溫蒸餾，或者利用它們對吸附劑例如硅膠的吸附差異進行低溫吸附。
例如，如圖2的系統(tǒng)框圖所示，實施本發(fā)明的最佳設備構(gòu)造擁有臭氧形成單元11，用于從原料氧GO形成臭氧；臭氧分離單元12，用于分離用臭氧發(fā)生單元形成的臭氧OZ和原料氧；臭氧光解離單元13，該單元用特定波長的光L照射由臭氧分離單元12分離出的臭氧，并且選擇性地將分子中含有特定氧同位素的臭氧降解成氧；以及氧分離單元14，該單元分離由臭氧光解離單元13中臭氧降解形成的氧OC和未解離的臭氧OZ，以濃縮氧中的所需氧同位素。
實施本發(fā)明的設備構(gòu)造還可以擁有第二臭氧光解離單元15，該單元用光L照射由氧分離單元14分離出的臭氧OZ，并且選擇性地將分子中含有與臭氧光解離單元13解離的臭氧不同的氧同位素的臭氧降解成氧；以及第二氧分離單元16，該單元分離在第二臭氧光解離單元15中臭氧解離形成的氧OC2和未解離的臭氧OZ2，以濃縮氧中的氧同位素。
通過提供管線，將臭氧分離單元12分離出的氧GO循環(huán)并輸入至臭氧形成單元11中，可以減少原料氧的消耗量。優(yōu)選臭氧光解離單元13擁有冷卻單元和減壓單元。
在使用臭氧濃縮氧同位素的情況下，盡管考慮到光的照射效率和濃縮效率，優(yōu)選使用純度盡可能高的臭氧，但是由于具有催化作用的金屬表面的催化，高純度臭氧的使用可能導致自發(fā)解離。如果由于臭氧的自發(fā)解離而大量形成不含所需氧同位素的氧，這種氧可能造成上述氧同位素濃縮步驟中濃縮率的顯著下降。
作為本發(fā)明濃縮氧同位素的另一種方法，為了預先防止由于臭氧自發(fā)解離造成的氧同位素濃縮率的任何下降，可以將合適數(shù)量的稀有氣體加入到臭氧中以降低臭氧濃度。
由于稀有氣體(氦、氖、氬、氪、氙和氡)對臭氧光解離步驟中的臭氧光化學反應幾乎沒有任何影響，即使用這些稀有氣體稀釋臭氧，仍可以選擇性地解離特定的臭氧。另外，通過用稀有氣體稀釋臭氧，該臭氧的處理與高純度臭氧相比變得更簡單。
可以用各個步驟的任意設備進行臭氧和稀有氣體的混合，并且應當加入合適數(shù)量的適合于各個步驟的稀有氣體。此時，低溫下凝固的稀有氣體、在應該是氣態(tài)的位置處冷凝的稀有氣體以及在應該是液體的位置處汽化的稀有氣體都是不合適的，并且應當根據(jù)操作壓力和操作溫度來選擇稀有氣體。在氧同位素濃縮步驟和臭氧分離步驟使用低溫蒸餾分離的情況下，盡管應當通過在臭氧側(cè)的液相中包含合適數(shù)量的稀有氣體以確保臭氧不達到高濃度，但是為了獲得蒸餾方法應當?shù)纳仙龤怏w和下降液體，可以組合使用濃縮于氣相側(cè)的稀有氣體。在收集和重新使用稀有氣體的情況下，優(yōu)選選擇在稀有氣體分離步驟中容易與氧分離的稀有氣體，但是，不優(yōu)選在臭氧形成步驟中使用氙和氡，因為它們通過和氧反應形成不穩(wěn)定的化合物，該氧是由臭氧發(fā)生器無聲放電或者來自汞燈等的紫外光照射而產(chǎn)生的。
用于實施本發(fā)明的氧同位素濃縮設備可以擁有臭氧光解離單元，該單元用光照射稀有氣體-臭氧混合氣體，所述混合氣體包含臭氧和選自氪、氙和氡的至少一種稀有氣體，并且選擇性地將分子中含有特定氧同位素的臭氧降解成氧；以及氧同位素濃縮單元，該單元將臭氧光解離單元中從臭氧分離出的氧和未解離的臭氧分離，從而濃縮存在于分離出的氧中的氧同位素。
本發(fā)明再一種氧同位素濃縮方法包括用半導體激光器激光光解離過氧化物，從而提高光反應產(chǎn)物中的氧同位素濃度。
過氧化物的實例包括至少一種有機過氧化物，例如氫過氧化物如HOOH和(CH3)3COOH，(二)烷基過氧化物如CH3OOCH3、C2H5OOC2H5和(CH3)3OO(CH3)3，包括過酸的過氧酸如HCOOOH和CH3OOOH，(二)?；^氧化物如CH3OOCOOCH3和 過氧化酯如CH3OOOC(CH3)3、(CH3)2CHCOOOC(CH3)3和(CH3)3C-COOOC(CH3)3，過氧化碳酸酯如(CH3)3COOCOOCH(CH3)2，過氧化二碳酸酯如
二過氧化碳酸酯如i-PrO-COOOCOO-i-Pr(i-Pr異丙基)，過草酸酯，環(huán)狀過氧化物，臭氧化物和內(nèi)過氧化物如 或者至少一種亞硝酸酯如亞硝酸甲酯和亞硝酸乙酯，或者硝酸酯如硝酸甲酯或硝酸乙酯。
可以用選自四氯化碳、丙酮、乙酸、己烷、甲苯和含氯氟烴的至少一種溶劑，或者含有雙鍵的有機物來稀釋上述過氧化物，并且上述的解離是預解離的。
作為這種方法的更具體的實例，該方法還包括(I)汽化步驟，其中將通過用溶劑稀釋含有O-H鍵、O-O鍵、C-O鍵或C＝O鍵的過氧化物而制備的溶液在減壓條件下汽化，然后輸送到光反應室中；(II)光解離步驟，其中將光反應室中的過氧化物用半導體激光器激光照射，該激光具有足以解離過氧化物的光子能且其波長和O-H鍵、O-O鍵、C-O鍵或C＝O鍵的吸收光譜中的一個相一致，從而光解離該過氧化物；和(III)步驟(II)的光反應產(chǎn)物的凈化步驟，從而以一種分子種類形式濃縮17O或18O。


圖1是顯示臭氧吸收光譜的附圖。
圖2是顯示用于實施本發(fā)明方法的設備構(gòu)造的一個實例的系統(tǒng)框圖。
圖3是顯示本發(fā)明氧同位素濃縮設備的第一實施方案的系統(tǒng)框圖。
圖4是顯示本發(fā)明氧同位素濃縮設備的第二實施方案的系統(tǒng)框圖。
圖5是顯示本發(fā)明氧同位素濃縮設備的第三實施方案的系統(tǒng)框圖。
圖6是顯示本發(fā)明氧同位素濃縮設備的第四實施方案的系統(tǒng)框圖。
圖7是顯示本發(fā)明氧同位素濃縮設備的第五實施方案的系統(tǒng)框圖。
圖8是顯示本發(fā)明氧同位素濃縮設備的第六實施方案的系統(tǒng)框圖。
參考符號簡述11臭氧形成單元12臭氧分離單元13臭氧光解離單元14氧分離單元15第二臭氧光解離單元16第二氧分離單元21臭氧發(fā)生器22第一蒸餾塔23冷凝器24再沸器25熱交換器26緩沖罐27鼓風機31光源32光反應室33第二蒸餾塔34冷凝器35再沸器36熱交換器51-56管線57閥門
58管線59閥門61-64管線111臭氧形成單元112臭氧分離單元113臭氧光解離單元114氧同位素濃縮單元115-116管線117-119稀有氣體進料管線121第二臭氧光解離單元122第二氧同位素濃縮單元123臭氧分解單元124稀有氣體回收單元125-126管線131管線211凈化器212光反應室213冷阱214真空泵215蒸餾器221-228管線具體實施方式
圖3是顯示本發(fā)明氧同位素濃縮設備的第一實施方案的系統(tǒng)框圖。這種濃縮設備擁有臭氧發(fā)生器21，用于從原料氧獲得臭氧；第一蒸餾塔22，該蒸餾塔分離用臭氧發(fā)生器21形成的臭氧和原料氧；冷凝器23，用于提供第一蒸餾塔22中低溫蒸餾過程需要的冷量；再沸器24，用于產(chǎn)生第一蒸餾塔中的上升氣體；熱交換器25，用于將第一蒸餾塔排出氣體的冷量回收在第一蒸餾塔原料氣中；緩沖罐，用于臨時儲存第一蒸餾塔排出的氣體；以及鼓風機27，用于循環(huán)和進料緩沖罐26中的第一蒸餾塔排出氣體到臭氧發(fā)生器21中。
從臭氧濃縮包含特定同位素的氧的設備擁有光反應室32，用于通過來自光源31的光照射而將特定的臭氧同位素體分離成氧；第二蒸餾塔33，該蒸餾塔將光反應室32中形成的氧和未解離的臭氧分離，以濃縮氧中的氧同位素；冷凝器34，用于產(chǎn)生第二蒸餾塔33中低溫蒸餾過程需要的冷量；再沸器35，用于產(chǎn)生第二蒸餾塔中的上升氣體；和熱交換器36，用于將第二蒸餾塔排出氣體的冷量回收在第二蒸餾塔原料氣中。
一部分原料氧，這部分原料氧由管線51供應并且已經(jīng)和來自管線52的循環(huán)氧合并，在臭氧發(fā)生器21中通過無聲放電被臭氧化，變成臭氧-氧混合氣體，并且在熱交換器25中將該氣體冷卻后，通過管線53將其輸送到第一蒸餾塔22的中間段。通過用位于第一蒸餾塔上方的冷凝器23形成的回流液體和位于第一蒸餾塔下方的再沸器24中形成的上升氣體，對這種臭氧-氧混合氣體進行蒸餾，并且使氧氣和液化臭氧分別在第一蒸餾塔22的頂部和在第一蒸餾塔22的底部分離。從第一蒸餾塔排放到管線54中的氧有一部分分流到冷凝器23，而剩余部分在通過管線55后臨時儲存在緩沖罐26中，此后用鼓風機26壓縮這部分氧，將其循環(huán)并通過管線52輸送到臭氧發(fā)生器21中。
從第一蒸餾塔22底部排放至管線56的臭氧有一部分分流到再沸器24，而剩余部分在通過閥門57后以氣態(tài)輸送到光反應室32中。通過光源31的光照射，存在于該臭氧中的特定同位素體被解離成氧，并且由解離的氧和未解離的臭氧組成的臭氧-氧混合氣體通過閥門59從管線58引出。在光反應室32內(nèi)部，為了以穩(wěn)定狀態(tài)有效地進行臭氧的特定同位素體的解離，在將壓力降低到13kPa或更低的同時，將光反應室內(nèi)部冷卻到100-250K的溫度范圍內(nèi)?？梢愿鶕?jù)臭氧的解離狀態(tài)適當?shù)卣{(diào)整壓力和溫度，并且應當至少將光反應室32和兩側(cè)的閥門57及59之間的區(qū)域保持在不造成臭氧液化或凝固的預定壓力和預定溫度范圍內(nèi)。
將管線58的臭氧-氧混合氣體在用熱交換器36冷卻后輸送到第二蒸餾塔33的中間段，并且類似于上述第一蒸餾塔21，通過來自冷凝器34的回流液體和來自再沸器35的上升氣體進行蒸餾，使臭氧在塔的下部分離而含有特定氧同位素的氧氣在塔頂部濃縮。將含有特定同位素的氧氣從第二蒸餾塔33頂部排放到管線61中，在部分氣體分流到冷凝器34后，將其從管線62以產(chǎn)物形式回收。在從第二蒸餾塔33底部排放至管線63的臭氧的一部分分流到再沸器35后，將剩余部分在通過熱交換器36后輸送到管線64。
通常將管線64的臭氧在通過使用催化劑等的臭氧光解離單元解離成氧后排出。還可以將管線64的臭氧輸送到第二光反應室(未顯示)中，該光反應室是在上述光反應室32之外單獨提供的，用作第二光解離單元，可以解離與光反應室32中所解離的同位素體不同的同位素體，而且可以將通過該解離反應形成的含同位素的氧從臭氧中分離出來，并使用蒸餾塔形式等的第二氧分離單元進行濃縮。
盡管各個蒸餾塔的操作條件是任意的，但是因為如果氧進入光反應室，則含所需同位素的氧氣濃度下降，優(yōu)選獲得處于盡可能不含氧的狀態(tài)的臭氧?？梢允褂煤线m溫度下的氮或氬作為供應到冷凝器的冷卻源和供應到再沸器的加熱源。還可以使用合適溫度下的氮或氬來冷卻光反應室?？梢酝ㄟ^在光反應室下游合適的管線中安裝真空泵，或者通過使用液氮等的液化而降低壓力，來降低包含光反應室的系統(tǒng)的內(nèi)部壓力。應當選擇沒有顯示出對臭氧有反應性或催化作用的材料作為裝置的材料，通常優(yōu)選使用玻璃或氟樹脂(聚四氟乙烯)等。
當通過使用具有圖3所示構(gòu)造的濃縮設備來濃縮17O，每年生產(chǎn)10kg(以H2O計)時，每條管線中工藝流速等的計算值顯示在表1中。使用其中17O和18O已經(jīng)通過蒸餾而濃縮的氧氣作為原料氧。選擇16O17O18O作為用于在光反應室中降解的同位素體。使用波長為992nm的激光作為降解該同位素體用的光。將激光器輸出設置到1.0W，將吸收橫截面積設置為3.0×10-23cm2。光反應室中的壓力為13kPa(100托)，且溫度為200K。光程長度為40m，保持時間為100秒，光利用率為0.0019，目標同位素體的產(chǎn)率為0.90，而與目標同位素體解離同時產(chǎn)生的其他同位素體非選擇性解離的量相對于目標同位素體的值為1時為3.3。此時17O的濃縮率為10.8。臭氧發(fā)生器消耗的能量為3.0kW。
表1


下面，在使用高純度氧作為原料氧每年生產(chǎn)10kg(以H2O計)的情況下，每條管線中工藝流速等的計算值顯示在表2中(日本專利申請2003-57439，表2)。選擇16O16O17O作為目標同位素體。使用波長為922nm的激光作為降解該同位素體用的光。將激光器輸出設置為2.2W，將吸收橫截面積設置為3.0×10-23cm2。光反應室中的壓力為13kPa(100托)，且溫度為150K。光程長度為40m，保持時間為100秒，光利用率為0.0003，目標同位素體的產(chǎn)率為0.90，而與目標同位素體解離同時產(chǎn)生的其他同位素體非選擇性解離的量相對于目標同位素體的值為1時為10。此時17O的濃縮率為85.4。臭氧發(fā)生器消耗的能量為6.7kW。
表2


圖4是顯示氧同位素濃縮設備的第二實施方案的系統(tǒng)框圖。該圖顯示了在濃縮設備之前的階段，提供有用于獲得稀有氣體-臭氧混合氣體的裝置的設備構(gòu)造的一個實例。
這種濃縮設備，該設備在擁有臭氧形成單元111，用于從原料氧GO形成臭氧；臭氧分離單元112，用于將含有臭氧形成單元111中形成的臭氧的原料氧分離成臭氧OZ和原料氧RO；臭氧光解離單元113，用于通過用特定波長的光L照射臭氧分離單元112中分離的臭氧OZ，將分子中含有特定氧同位素的臭氧選擇性地降解成氧；氧同位素濃縮單元114，用于將臭氧光解離單元113中臭氧解離形成的氧OC和未解離的臭氧OZ分離，以濃縮該氧中的所需氧同位素；同時還擁有管線115，用于將原料氧輸送至臭氧形成單元111中；管線116，用于將臭氧形成單元111中形成的含臭氧的氧輸送到臭氧分離單元112；或者稀有氣體進料管線117、118和119，用于將選自氦、氖、氬、氪、氙和氡的至少一種稀有氣體輸送到濃縮臭氧的臭氧分離單元112的至少一個合適的位置處，用作臭氧稀釋用的稀有氣體RG。
在上述三種稀有氣體進料管線117、118和119中的稀有氣體進料管線117中，將氙和氡以外的稀有氣體，因為氙和氡在臭氧形成單元111(臭氧形成步驟)有氧化或分解的危險，單獨或者以多個種類形式混合并加入到原料氧中。在稀有氣體進料管線118中，優(yōu)選加入可以與臭氧分離單元112中(臭氧分離步驟)分離的臭氧一起供應到臭氧光解離單元113的稀有氣體，即在蒸餾分離步驟和低溫吸附步驟中在臭氧側(cè)濃縮的稀有氣體。
考慮到臭氧分離單元112操作的容易度，還可以加入氦、氖或氬。由于稀有氣體進料管線119是用于將用來獲得稀有氣體-臭氧混合氣體的稀有氣體送到臭氧光解離單元113的管線，所以在臭氧分離單元112中臭氧側(cè)濃縮的稀有氣體(氪、氙和氡中的至少一種)是通過該管線輸送的。
如此，通過進行臭氧光解離步驟，其中將具有低臭氧濃度的稀有氣體-臭氧混合氣體供應到臭氧光解離單元113，并用特定波長的光照射，以通過光解離，將其分子中含有特定氧同位素的臭氧同位素體選擇性地降解成氧，可以抑制由自發(fā)解離造成的臭氧損失以及由與所形成的氧的碰撞造成的臭氧解離造成的臭氧損失，從而可以有效地獲得含有特定氧同位素的氧。
在氧同位素濃縮單元114中(氧同位素濃縮步驟)，由于當將在臭氧光解離單元113中從臭氧分出的氧與未解離的臭氧分離時，上述稀有氣體例如氪、氙和氡是以與臭氧分離單元112相同的方式在臭氧側(cè)濃縮的，所發(fā)在氧側(cè)幾乎沒有這些稀有氣體的任何濃縮，從而可以獲得高濃度的含有特定氧同位素的氧。
設備還可以只由臭氧光解離單元113和氧同位素濃縮單元114組成，而不提供臭氧形成單元111和臭氧分離單元112，通過制造與由氪、氙和氡組成的至少一種稀有氣體預混的臭氧，并將該稀有氣體-臭氧混合氣體輸送到臭氧光解離單元113中。
圖5是顯示本發(fā)明濃縮設備的第三實施方案的系統(tǒng)框圖。在如下解釋中，使用相同的參考符號表示和先前所述第二實施方案中所示濃縮設備中的構(gòu)成部分相同的構(gòu)成部分，而省略其詳細解釋。
這種氧同位素濃縮設備擁有臭氧形成單元111，該單元進行無聲放電或者用汞燈等照射稀有氣體-原料氧混合氣體，該混合氣體的形式為從管線115輸送的原料氧GO、從稀有氣體進料管線117循環(huán)并輸送的氪和從管線126循環(huán)并輸送的循環(huán)原料氧RO的混合物形式；臭氧分離單元112，該單元將從臭氧形成單元111輸送到管線116的稀有氣體-臭氧-原料氧混合氣體分離成原料氧RO和稀有氣體-臭氧混合氣體OR，原料氧RO循環(huán)到管線126，而混合氣體OR被供應到臭氧光解離單元113；臭氧光解離單元113，該單元通過用特定波長的光L照射在臭氧分離單元112中分離的稀有氣體-臭氧混合氣體OR，將特定的臭氧同位素體選擇性地降解成氧；氧同位素濃縮單元114，該單元將臭氧光解離單元113中臭氧解離形成的氧OC1與由未解離臭氧和稀有氣體組成的稀有氣體-臭氧混合氣體OR1分離，以濃縮存在于分離出的氧OC1中的上述氧同位素；第二臭氧光解離單元121，該單元用波長與上述臭氧光解離單元113中使用的光L1不同的光L2照射在氧同位素濃縮單元114中分離的稀有氣體-臭氧混合氣體OR1，將與上述臭氧光解離單元113中使用的臭氧同位素體不同的同位素體降解成氧；第二氧同位素濃縮單元122，該單元將第二臭氧光解離單元121中臭氧解離形成的氧OC2與由未解離臭氧和稀有氣體組成的稀有氣體-臭氧混合氣體OR2分離，以濃縮上述氧OC2中的特定氧同位素；臭氧分解單元123，用于通過將臭氧降解成氧，分解第二氧同位素濃縮單元122中分離的稀有氣體-臭氧混合氣體OR2中包含的臭氧；稀有氣體回收單元，該單元將從臭氧分解單元123輸送的氧和稀有氣體的稀有氣體-氧混合氣體OR3分離成氧WO和稀有氣體RG，以回收分離的稀有氣體于上述稀有氣體進料管線117中；管線125，用于將稀有氣體補充到稀有氣體進料管線117；以及管線126，該管線將上述臭氧分離單元112中分離的循環(huán)原料氧RO循環(huán)并輸送到上述臭氧形成單元111。
優(yōu)選將通過低溫蒸餾分離步驟分離氧和稀有氣體-臭氧混合氣體的蒸餾塔用于上述臭氧分離單元112，氧同位素濃縮單元114和第二氧同位素濃縮單元122。盡管每個蒸餾塔的操作條件是任意的，但是應當優(yōu)選臭氧側(cè)包含盡可能少的氧。另外，可以使用合適溫度下的氮、氬或氧作為供應到冷凝器的冷卻源和供應到再沸器的加熱源。
可以將擁有特定光源的光反應室用于臭氧光解離單元113和第二臭氧光解離單元121，并且當冷卻光反應室時，可以使用合適溫度下的氮、氬或氧作為冷卻源。當降低包含光反應室的系統(tǒng)內(nèi)部壓力時，可以通過在光反應室下游的合適管線中安裝真空泵，或者通過使用液氮等液化來降低壓力，來進行減壓。
熱解離或催化解離可以在臭氧分解單元123中使用，該單元解離全部的殘余臭氧?？梢詫⑹褂玫蜏卣麴s的蒸餾塔或者使用吸附劑的吸附分離設備用作稀有氣體回收單元124。優(yōu)選使用對臭氧沒有反應性或催化作用的材料例如玻璃或氟樹脂(聚四氟乙烯)，作為該設備的材料。
將從管線115供應的原料氧GO以與從稀有氣體進料管線117供應的稀有氣體(氪)RG及從管線126供應的循環(huán)原料氧RO合并而得到的狀態(tài)輸送到臭氧形成單元111中。在臭氧發(fā)生器等形式的臭氧形成單元111中，通過無聲放電將部分原料氣體GO臭氧化，導致形成稀有氣體-臭氧-原料氧混合氣體，將該混合氣體輸送到臭氧分離單元112中。在使用蒸餾塔作為臭氧分離單元112的情況下，將混合氣體在用熱交換器冷卻到預定溫度之后輸送到蒸餾塔的中間段。在蒸餾塔中通過低溫蒸餾分離步驟蒸餾進入蒸餾塔的稀有氣體-臭氧-原料氧混合氣體，導致在塔頂部的氧的濃縮和在塔下部的臭氧和稀有氣體濃縮。濃縮在塔頂部的氧變成循環(huán)原料氧RO，然后在通過管線126之后循環(huán)到臭氧形成單元111的上游側(cè)。
將從臭氧分離單元112排出的稀有氣體-臭氧混合氣體OR以氣體形式輸送到臭氧光解離單元113中，用光L1解離臭氧中的特定同位素體，并依照上述反應式(1)和(2)形成氧。使臭氧光解離單元113的內(nèi)部處于低溫和低壓(例如，100-250K和13kPa或更低)，以確?？梢砸苑€(wěn)定狀態(tài)有效地進行特定臭氧同位素體的解離。可以對應于臭氧解離狀態(tài)，在沒有臭氧或稀有氣體液化或凝固的范圍內(nèi)適當?shù)卣{(diào)整溫度和壓力。
由于從臭氧分離單元112排出的臭氧是用稀有氣體稀釋的，從而降低由于和具有催化作用的金屬表面接觸而自發(fā)解離的可能性。根據(jù)上述反應式(1)和(2)，由于從兩分子臭氧生成三分子氧的反應是放熱反應，所以通過解離形成的氧分子在統(tǒng)計上具有大量動能，因而作為氧分子和臭氧分子碰撞的結(jié)果，能夠?qū)⒊粞醴肿臃纸獬裳酢Ｓ捎谶@種通過與氧分子碰撞而進行的臭氧分子解離是非選擇性發(fā)生的，盡管有所需氧同位素包含在臭氧分子解離得到的氧中的可能性，但是這種可能性非常小，并且通過光L1照射解離得到的含有所需氧同位素的氧通過被稀釋而終止(ends up beingdiluted)。但是，通過將稀有氣體混合到臭氧中，由于具有大量動能的氧分子通過和稀有氣體碰撞而消耗了它們的動能，可以降低氧分子和臭氧分子碰撞造成的臭氧分子被解離的可能性。因此，可以抑制不含所需氧同位素的氧的生成，從而提高所需氧同位素的濃縮率。
在氧同位素濃縮單元114中，通過例如低溫蒸餾的分離工序，將包含在臭氧光解離單元113中從臭氧解離的氧的稀有氣體-臭氧-氧混合氣體分離成氧OC1和稀有氣體-臭氧混合氣體OR1，導致其中氧OC1中包含所需氧同位素的氧被濃縮的狀態(tài)。將在氧同位素濃縮單元114中分離的稀有氣體-臭氧混合的氣體OR用光L2照射，該光具有與上述第二臭氧光解離單元121中光L1不同的波長，導致臭氧中所需同位素體解離成氧。
在第二氧同位素濃縮單元122中，通過例如低溫蒸餾的分離工序，將從第二臭氧光解離單元121輸送到第二氧同位素濃縮單元122中的稀有氣體-臭氧-氧混合氣體分離成氧OC2和稀有氣體-臭氧混合氣體OR2，而在氧OC2中含有所需氧同位素的氧是已經(jīng)被濃縮的。通過將這種稀有氣體-臭氧混合氣體OR2輸送到臭氧解毒單元123，對其進行解離和分解處理，導致形成由臭氧解離產(chǎn)生的氧和稀有氣體組成的稀有氣體-氧混合氣體OR3，然后將該混合氣體輸送到稀有氣體回收單元124中。
在稀有氣體回收單元124中，進行分離氧和稀有氣體的操作，并將從稀有氣體-氧混合氣體OR3中分離出的廢氧WO排放到系統(tǒng)外部，而將分離出的稀有氣體回收在上述稀有氣體進料管線117中，然后循環(huán)并輸送到從上述管線115輸送的原料氧中。另外，由于在分離工序等中損失了部分稀有氣體，所以從管線125補充預定量的稀有氣體，以致于固定量的稀有氣體在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)。如此，通過循環(huán)使用稀有氣體，可以降低成本。
在從臭氧形成單元111排出的稀有氣體-臭氧-原料氧混合氣體用的管線116中，提供類似于上述圖4所示第二實施方案的稀有氣體進料管線118，并且與臭氧一起通過臭氧分離單元112供應到臭氧光解離單元113的氪、氙和氬中至少一種可以從這條稀有氣體進料管線118輸送，或者可以輸送氦、氖和氬中的至少一種，以改善臭氧分離單元112的操作。此處，由于從稀有氣體進料管線118輸送來的氦、氖或氬在臭氧分離單元112中原料氧側(cè)濃縮，然后與循環(huán)原料氧RO一起通過管線126循環(huán)，這些氣體的輸送量與在通過管線126循環(huán)的稀有氣體量達到固定量之后補充的損失量大致相等。
圖6是顯示本發(fā)明濃縮設備的第四實施方案的系統(tǒng)框圖。該第四實施方案通過將選自氪、氙和氡的至少一種稀有氣體RG從稀有氣體進料管線119輸送到臭氧分離單元112來混合臭氧。如此，通過在臭氧生成單元111的下游側(cè)輸送稀有氣體，可以防止氙或氡在臭氧形成單元111中轉(zhuǎn)化成不穩(wěn)定的氧化物。此處，設備構(gòu)造的其他方面與上述第三實施方案相同。
圖7是顯示本發(fā)明濃縮設備的第五實施方案的系統(tǒng)框圖。該實施方案將選自氦、氖和氬的至少一種稀有氣體KG在輸送到氧同位素濃縮單元114之前輸送到包含臭氧光解離單元113中形成的氧、來自管線131的未解離臭氧和稀有氣體的混合氣體中。如同在第三實施方案中，將來自稀有氣體進料管線117的氪RG再循環(huán)并輸送至其中。
因此，可以將臭氧解離產(chǎn)生的氧，未解離的臭氧，在系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)的氪RG，以及由選自氦、氖和氬的至少一種組成的稀有氣體KG以混合狀態(tài)輸送到氧同位素濃縮單元114中。在氧同位素濃縮單元114中，通過分離工序，例如低溫蒸餾，將選自氦、氖和氬的至少一種稀有氣體KG分離在高沸點的臭氧和氪中，并與低沸點的氧OC1一起排放。因此，盡管包含特定氧同位素的氧是以被稀有氣體稀釋狀態(tài)獲得的，但是由于與少量的高純度氧相比，可以更容易地調(diào)節(jié)流速，因而處理變得更容易。此處，設備構(gòu)造的其他方面和上述的第三實施方案相同。
類似地，盡管附圖中未顯示，但是可以在第二氧同位素濃縮單元122之前的階段中，提供用于輸送選自氦、氖和氬的至少一種稀有氣體的管線。這與圖6中所示的第四實施方案類似。
在本發(fā)明的第五實施方案中，用作原料的過氧化物是分子中含有“O-O”鍵的物質(zhì)，并且是如下物質(zhì)中的任何一種表3中所示化學式表示的各種有機過氧化物，亞硝酸酯例如ONOCH3，或者硝酸酯例如ON2OCH3。表3中，R和R’分別表示氫原子或烷基，且R和R’可以相同或不同。
表3 上述化合物每一種的鍵裂解能描述于The Chemical Record(第二版，Basic Chemistry Edition，The Chemical Society of Japan，1975年6月20日出版，第978頁)的表4中。表4中，鍵裂解能的數(shù)值被表示為連字符“-”表示的那些鍵的數(shù)值。
表4

表5所示的數(shù)值是基于關(guān)系式1J/mol＝0.083593462cm-1，將表4中所示物質(zhì)的鍵裂解能轉(zhuǎn)換成波數(shù)和光的波長時獲得的數(shù)值。
表5

如從表5可見，通過吸收可見光到近紅外光范圍內(nèi)的光，這些化合物能夠進行早期解離。即，可以使用發(fā)光波長在可見到近紅外譜帶中的半導體激光器作為光源，其實例包括InGaAsP、AlGaInP、GaAsSb、CdZnTe、CdZnSe、AlGaN和InGaN半導體激光器。
當關(guān)注-COO-O-鍵時，可以看出該鍵解離所需的波長為0.9-1.0μm。特別地，因為原料、反應產(chǎn)物等的低毒性，優(yōu)選在本發(fā)明中使用在其分子中含有-COO-O-鍵的過酸和過氧酸，特別優(yōu)選過乙酸(CH3COOOH)。這是因為該物質(zhì)在其分子中含有-COO-O-鍵，光學吸收譜圖包含C＝O鍵的振動模式，并且該物質(zhì)可以通過用波長與C＝17O或C＝18O振動模式匹配的激光照射來解離。由于過乙酸除了C＝O鍵振動模式外還有O-H鍵振動模式，所以用波長和17O-H或18O-H匹配的激光照射可以選擇性地降解它們。
在使用包含17O-H的氫過氧化物(ROOH)作為過氧化物的情況下，光解離反應變成如下面反應式(1a)至(1d)所示。而且，每個反應式中的黑點表示自由基。另外，盡管在如下解釋中使用17O的實例作為氧同位素，該解釋類似地適用于18O。
(1b)(1c)(1d)在反應式(1b)至(1d)中，由于形成大量的“RO·”和“ROO·”，優(yōu)選通過用加溶溶劑，例如選自四氯化碳、丙酮、乙酸、己烷、甲苯和含氯氟烴的至少一種溶劑稀釋過氧化物，來抑制這些反應。
含有17OR’的二烷基過氧化物情況下的光解離反應是用如下反應式(2)顯示的。
含有17O-OH的過氧酸情況下的光解離反應是如下面反應式(3a)和(3b)所示的。
(3b)反應式(3b)中所示的反應是放熱反應，據(jù)認為具有高反應可能性。另外，由于過酸和過氧酸在高濃度下容易被加熱而解離，而且在某些情況下爆發(fā)式地自發(fā)降解，優(yōu)選用如先前所述的溶劑進行稀釋，以抑制自由基反應。
圖8是顯示本發(fā)明用于實施氧同位素濃縮方法的設備構(gòu)造的一個實例的系統(tǒng)框圖。這種氧同位素濃縮設備配備有凈化器211，該凈化器通過凈化原料蒸氣來除去雜質(zhì)，原料蒸氣中的過氧化物是用溶劑稀釋的；光反應室212，該光反應室將特定波長的光照射經(jīng)過凈化的原料蒸氣；冷阱213，該冷阱通過在冷卻到低溫的金屬表面上冷凝或凝固而捕獲已經(jīng)完成在光反應室212中的光解離反應的蒸氣；真空泵214，用于將上述光反應室212內(nèi)部的壓力降低到例如13kPa或更低的壓力；以及蒸餾器215，用于分離上述冷阱213中捕獲的各種組分。
用溶劑將充當原料的過氧化物稀釋到合適的濃度，接著進行汽化并從管線221輸送到凈化器211中。在凈化器211中，將在此凈化器211中的原料過氧化物，例如已經(jīng)除去了雜質(zhì)和水的原料過氧化物，通過管線222輸送到光反應室212中。作為在光反應室212中用特定波長的激光hv照射的結(jié)果，伴隨著過氧化物分子中特定鍵的解離，該過氧化物經(jīng)歷反應式(1b)至(1d)的反應，特定的鍵例如在上述反應式(1a)中所示的包含17O-H的氫過氧化物(ROOH)中的RO-OH鍵。在該反應中，17O是以水分子形式濃縮的。
將包含其中17O被濃縮了的水分子的蒸氣從光反應室212通過管線223輸送到冷阱213中。用激冷器單元等將該冷阱213冷卻到能夠使金屬表面捕獲上述水分子的溫度(例如-20到-5℃)。由于在此溫度下冷凝或凝固的各種組分被激冷器單元的金屬表面所捕獲，沒有冷凝或凝固的氣體例如氧通過該冷阱213并在通過管線224后從真空泵214排放。
在該階段，用閥門等將冷阱213和蒸餾器215之間的路徑225封閉。
在合適數(shù)量的原料過氧化物被允許通過后，除了停止真空泵214外，用閥門等關(guān)閉冷阱213前后的管線223和224，并在打開管線225的閥門等之后，在大氣壓下將常溫氮氣從管線226輸送到冷阱213中，并且除了將冷阱213內(nèi)部的壓力恢復到大氣壓以外，將其溫度升高到常溫，導致在金屬表面上捕獲的各種組分汽化，然后將它們從管線225輸送到蒸餾器215中。在蒸餾器215中，對應于進入的蒸氣組分而進行蒸餾工序，并且連同從管線227之一移走其中17O被濃縮了的水，將不必要的組分從其他管線排放出去。結(jié)果，獲得其中17O被濃縮了的水作為最終產(chǎn)物。
即使在17O或18O濃縮在水分子以外的分子中的情況下，通過適當設置冷阱213的溫度和蒸餾器215的操作條件，可以容易地將所需物質(zhì)作為最終產(chǎn)物提取出來。另外，可以采用與其組成相對應的合適的凈化單元用于凈化方法，并且可以采用類似氣相色譜的凈化方法。
更具體而言，如下顯示了這樣的情況對于包含17O的過氧化物，使用(CH3)3COOH(過氧化氫叔丁基)這種典型的氫過氧化物ROOH，通過解離分子中的(CH3)3CO-17OH鍵而將17O在水分子中濃縮。從上述表5可見，照射激光的波長為0.731μm或更小。由于該波長譜帶是可以使用InGaAsP半導體激光器的波長范圍，通過精確匹配到能夠解離17O的波長，可以依照上述反應式(1a)中所示的光解離反應解離包含17O的特定(CH3)3COOH。
在C2H5OOC2H5(過氧化二乙基)的情況下，過氧化二乙基是典型的二烷基過氧化物ROOR’，其中R和R’都是乙基，通過使用例如InGaAsP或InGaAs半導體激光器，照射波長短于0.905μm的激光，該激光與O-17O鍵或C-17O的振動模式匹配，可以如反應式(2-1a)所示地解離該化合物，同時指定包含氧同位素17O的C2H5OOC2H5。此處形成的自由基通過如下反應式(2-1b)至(2-1d)中所示的反應過程形成C2H5OH和CH3CHO，而且17O被濃縮在C2H5OH中。反應式(2-1b)至(2-1d)中的C2H5O也包括包含17O的自由基。
(2-1d)在CH3OOCH3(過氧化二甲基)，其中二烷基過氧化物的R和R’都是甲基的情況下，依照如下反應式(2-2a)至(2-2c)可以將17O濃縮在CH3OH中。
在(CH3)3COOC(CH3)3(dtBP過氧化二叔丁基)，其中二烷基過氧化物的R和R’都是叔丁基的情況下，通過使用短于0.772μm的波長的激光，該波長范圍是InGaAsP半導體激光器的波長范圍，該波長與O-17O鍵或C-17O的振動模式精確匹配，可以如反應式(2-3a)所示地解離該化合物，同時指定包含氧同位素17O的dtBP。
列出所有反應而忽略中間反應，得到如下反應式(2-3b-1)、(2-3b-2-1)和(2-3b-2-2)，并且將17O濃縮于丙酮中。此處，(2-3b-1)占產(chǎn)物的約90％。
如下面反應式(2-4a)和(2-4b)所示，在叔戊基乙基過氧化物的氣相光解離中形成的叔戊氧基自由基以兩條途徑解離。此處形成的甲基自由基CH3·和乙基自由基C2H5·通過相互結(jié)合而穩(wěn)定化。因此，17O被濃縮在丙酮或甲基乙基酮中。
在過乙酸，其中過氧酸RCOOOH(并且包括過酸)中的R是甲基的情況下，通過使用處于0.545-0.660μm可見光譜帶的波長，該譜帶是可以使用AlGaInP半導體激光器的波長范圍，而該波長與17O-H鍵的振動模式精確匹配，可以將包含氧同位素17O的過乙酸依照上述反應式(3a)中所示的反應式選擇性地解離。
此處，列出使用甲苯作為溶劑時的關(guān)于那些反應的所有反應，得到下反應式(3c)，并且氧同位素17O被濃縮于水分子中。但是，盡管由于與溶劑的元反應而形成H217O，但是在反應式(3c)中忽略了與該溶劑有關(guān)的產(chǎn)物。
在上述反應式(3c)中，y1、y2、y3和y4分別為約0.5、0.4、0.1和0.05，而y5和y6是痕量。除了上述甲苯外，可以使用含有雙鍵的那些物質(zhì)例如乙烯作為自由基捕獲劑。
如上面所解釋的，依照本發(fā)明，通過選擇臭氧或過氧化物的光解離反應作為分離和濃縮氧同位素的手段，可以有效地濃縮17O和18O形式的穩(wěn)定氧同位素。
用本發(fā)明方法濃縮的氧同位素17O和18O可用作化學和醫(yī)學領域中的示蹤劑。
權(quán)利要求
1.一種氧同位素濃縮方法，該方法包括(a)臭氧光解離步驟，其中將包含氧同位素17O和/或18O的臭氧分子選擇性地光解離成氧分子，從而形成氧分子和未解離的臭氧分子的混合物；和(b)氧同位素濃縮步驟，其中將氧分子從混合物中分離出來，從而濃縮氧同位素。
2.一種氧同位素濃縮方法，該方法包括(A)臭氧形成步驟，其中從原料氧制造臭氧，從而形成所制造的臭氧和原料氧的混合物；(B)臭氧分離步驟，其中將所制造的臭氧從混合物中分離出來；(C)臭氧光解離步驟，其中將包含氧同位素17O和/或18O的臭氧分子選擇性地光解離成氧分子；從而形成氧分子和未解離的臭氧分子的混合物；和(D)氧同位素濃縮步驟，其中將氧分子從步驟(C)中獲得的混合物中分離出來，從而濃縮氧同位素。
3.依照權(quán)利要求2的氧同位素濃縮方法，該方法還包括(E)第二臭氧光解離步驟，其中將包含與步驟(D)中分離出來的氧同位素不同的氧同位素的未解離臭氧分子光解離成氧分子，從而產(chǎn)生氧分子和未解離臭氧分子的混合物；和(F)第二氧同位素濃縮步驟，其中將氧分子從步驟(E)中獲得的混合物中分離出來，從而濃縮與步驟(D)中分離的氧同位素不同的氧同位素。
4.依照權(quán)利要求1的氧同位素濃縮方法，其中在步驟(a)中加入選自氪、氙和氡的至少一種稀有氣體。
5.依照權(quán)利要求2的氧同位素濃縮方法，其中在步驟(B)中加入選自氪、氙和氡的至少一種稀有氣體。
6.依照權(quán)利要求1或2的氧同位素濃縮方法，其中氧同位素濃縮步驟(b)或(D)是通過加入選自氦、氖和氬的至少一種稀有氣體而進行的蒸餾。
7.依照權(quán)利要求2的氧同位素濃縮方法，其中在步驟(A)中將選自氦、氖、氬和氪的至少一種稀有氣體加入到原料氧中。
8.依照權(quán)利要求7的氧同位素濃縮方法，該方法還包括(G)臭氧消除步驟，其中將步驟(D)后殘余的未解離臭氧分子分解成氧分子，從而形成氧分子和稀有氣體的混合物；和(H)稀有氣體分離步驟，其中將稀有氣體從步驟(G)中獲得的混合物中分離出來；其中將步驟(H)中分離出來的稀有氣體再循環(huán)用于步驟(A)中。
9.依照權(quán)利要求8的氧同位素濃縮方法，該方法在步驟(D)和(G)之間還包括如下步驟(E’)第二臭氧光解離步驟，其中將與步驟(C)中解離的臭氧同位素體分子不同的臭氧同位素體分子光解離成氧分子，從而產(chǎn)生氧分子和未解離臭氧分子的混合物；和(F’)第二氧同位素濃縮步驟，其中將步驟(E’)中獲得的氧分子從步驟(E’)中產(chǎn)生的混合物中分離出來，從而濃縮所分離出的氧分子中的第二種氧同位素。
10.依照權(quán)利要求1至9任何一項的氧同位素濃縮方法，其中在臭氧光解離步驟(a)或(C)中使用的光是700-1000nm范圍內(nèi)的近紅外光或者450-850nm范圍內(nèi)的可見光。
11.依照權(quán)利要求10的氧同位素濃縮方法，其中臭氧光解離步驟(a)或(C)中使用的光在991.965-992.457nm范圍內(nèi)。
12.依照權(quán)利要求1至11任何一項的氧同位素濃縮方法，其中通過在臭氧光解離步驟(a)或(C)中施加電場來調(diào)節(jié)臭氧的吸收波長。
13.依照權(quán)利要求1至12任何一項的氧同位素濃縮方法，其中在低溫和低壓下進行臭氧光解離步驟(a)或(C)。
14.一種氧同位素濃縮方法，其中將包含氧同位素17O和/或18O的過氧化物分子光解離；從而提高光反應產(chǎn)物中的氧同位素的濃度。
15.依照權(quán)利要求14的氧同位素濃縮方法，其中使用選自InGaAsP半導體激光器、AlGaInP半導體激光器、GaAsSb半導體激光器、CdZnTe半導體激光器、CdZnSe半導體激光器、AlGaN半導體激光器和InGaN半導體激光器的至少一種半導體激光器。
16.依照權(quán)利要求14的氧同位素濃縮方法，其中過氧化物是選自氫過氧化物、(二)烷基過氧化物、包括過酸的過氧酸、(二)?；^氧化物、過氧化酯、過氧化碳酸酯、過氧化二碳酸酯、二過氧化碳酸酯、過草酸酯、環(huán)狀過氧化物、臭氧化物和內(nèi)過氧化物的至少一種有機過氧化物。
17.依照權(quán)利要求14的氧同位素濃縮方法，其中過氧化物是選自亞硝酸酯和硝酸酯的至少一種化合物。
18.依照權(quán)利要求14的氧同位素濃縮方法，其中用選自四氯化碳、丙酮、乙酸、己烷、甲苯和含氯氟烴的至少一種溶劑稀釋過氧化物。
19.依照權(quán)利要求14的氧同位素濃縮方法，其中用含有雙鍵的有機物來稀釋過氧化物。
20.依照權(quán)利要求14的氧同位素濃縮方法，其中光解離是預光解離。
21.依照權(quán)利要求14的氧同位素濃縮方法，該方法還包括(I)汽化步驟，其中將通過用溶劑稀釋含有O-H鍵、O-O鍵、C-O鍵或C＝O鍵的過氧化物而制備的溶液在減壓條件下汽化，然后輸送到光反應室中；(II)光解離步驟，其中將光反應室中的過氧化物用半導體激光器激光照射，該激光具有足以解離過氧化物的光子能，并且其波長和O-H鍵、O-O鍵、C-O鍵或C＝O鍵的吸收光譜中的一個相一致，從而光解離該過氧化物；和(III)步驟(II)的光反應產(chǎn)物的凈化步驟，從而以一種分子種類形式濃縮17O或18O。
全文摘要
一種濃縮氧同位素方法，該方法包括用特定的光照射臭氧，從而選擇性地分解包含氧同位素的臭氧，并且將通過臭氧分解形成的氧和未分解的臭氧分離，以濃縮所分離出的氧中的氧同位素。一種濃縮氧同位素的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括設備(11)，用于從原料氧形成臭氧；臭氧分離設備(12)，用于分離臭氧形成設備中形成的臭氧和原料氧；臭氧光解離設備(13)，用于用特定波長的光照射臭氧分離設備(12)分離出的臭氧，以選擇性地分解分子中包含氧同位素的臭氧；以及氧分離設備，用于通過臭氧分解將臭氧光解離設備(13)中形成的氧和未分解的臭氧分離，從而濃縮氧中的氧同位素。這種方法可以用簡單和便利的設備系統(tǒng)來實行穩(wěn)定的氧同位素
文檔編號B01J19/12GK1756586SQ20048000572
公開日2006年4月5日 申請日期2004年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月4日
發(fā)明者林田茂 申請人:大陽日酸株式會社