从水中分离O-17同位素的方法及其浓缩O-17同位素的方法技术

本发明专利技术提供了从水中分离O‑17同位素的方法及其浓缩O‑17同位素的方法。从水中分离

Separation of o-17 isotopes from water and enrichment of o-17 isotopes

【技术实现步骤摘要】
从水中分离O-17同位素的方法及其浓缩O-17同位素的方法相关申请的交叉引用本申请要求2018年11月16日提交的韩国专利申请号10-2018-0141478和2019年1月11日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请号10-2019-0003990的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。
本公开涉及从水中分离17O同位素的方法及其浓缩17O同位素的方法，更具体地，涉及通过使用水作为起始材料从重水或轻水中去除17O的方法，和一种从水中分离17O并浓缩17O的方法。
技术介绍
氧在天然状态存在三种稳定同位素：天然丰度为99.758％的16O，天然丰度为0.037％的17O，，天然丰度为0.204％的18O。在这里，富含有达到10％或更高的5/2核自旋的17O的富集水，已被用作核磁共振(NMR)化合物的原料和用作磁共振成像(MRI)的造影剂。这种富含17O的水是相当昂贵的，因为20％的富含17O的水每克约600美元，而90％的富含17O的水每克约3,500美元。在核反应堆中用作缓和剂的材料，即石墨，轻水(1H2O)和重水(D2O)，含有稳定的同位素，如17O、14N、13C等，这些同位素与中子发生反应，形成放射性同位素14C。14C的半衰期为5730年，是对人体有害的有机放射性核素，因此，是核电厂和放射性废物处理场所严格管制的主要放射性核素。欧洲的国家、加拿大、美国和日本在处理由气冷反应堆产生的辐照石墨和重水反应堆重水产生的14C废料方面一直举步维艰。由于目前世界上存储的未处理14C的数量已达到500,000Ci，超过了整个核废料处理场所允许的总限额，并且随着相关法规变得越来越严格，从根本上减少在核反应堆中产生碳-14的数量是一个紧急而迫切的问题。在重水核反应堆中用作冷却剂和缓和剂的重水(D2O)含有0.037-0.059％的17O同位素。使用约600吨的重水的重水核反应堆1GWe/yr产生的14C的量，每年达到700Ci，其中，95％或更多是由重水中的17O形成的。因此，将重水中含有的17O的量减少至1/10或更少，可使从重水核反应堆产生的14C的量减少90％或更多。蒸馏是用于分离氧同位素的商业技术，例如18O和17O。水蒸馏是一种在320K下分离水的技术，其对同位素18O的选择性约为1.007。氧气低温蒸馏是一种通过在90K下蒸馏液氧来分离氧同位素的技术，对18O的同位素选择性约为1.102。因此，目前可用的技术无法以经济有效的方式将17O的同位素丰度降低至0.037％或更低。在上述背景下，美国专利No.8,337,802B2提出了一种方法，该方法通过使用波长为998nm的近红外激光在160K下通过臭氧的光解离来分离17O同位素。然而，该方法对于17O的选择性相对低，约为2.2，因此，作为商业用的技术其潜力可能有限。因此，能够从具有高选择性的水中分离17O同位素并将其浓缩的方法，有望在相关领域中找到广泛的应用。
技术实现思路
本公开一方面在于提供一种从水中分离17O的方法。本公开另一方面在于提供一种利用所述从水中分离17O的方法来浓缩17O的方法。根据本公开的一个方面，一种从水中分离17O的方法包括：将含17O的水与甲醛混合制备甲醛水溶液；加热所述甲醛水溶液，制备含水蒸气和甲醛蒸气的蒸汽混合物；光解离所述的蒸汽混合物，得到含有氢、富含17O的一氧化碳，去除17O的水和残留的甲醛的气体混合物。根据本公开的另一方面，一种制备富含17O的水的方法包括：采用本公开所述的从水中分离17O的方法，从含17O的水中获得含有氢、富含17O的一氧化碳，去除17O的水和残留的甲醛的气体混合物；向所述的气体混合物中加入氢气，诱导发生催化甲烷化反应，通过甲烷化合成甲烷(CH4)和富含17O的水(H217O)。附图说明附图进行详细描述，以便于更清楚地理解本公开的上述内容和其他方面、特征和优点。图1是本公开所述的从水中分离17O的方法和富含17O的水的制备方法的流程示意图(501：甲醛水溶液(373K)，502：甲醛光解离装置(373K)，503：甲醛和水捕集装置(100K)，504：甲烷化装置，505：富含17O的水捕集装置(243K)，和506：循环富含17O的水以进一步浓缩)；图2是甲醛在28,375cm-1附近的光解离光谱(101：含天然同位素丰度0.037％的17O的甲醛的光解离光谱，和102：含天然同位素丰度高达3.8％的17O的甲醛的光解离光谱)；图3是甲醛在28,397cm-1附近的光解离光谱(201：含天然同位素丰度0.037％的17O的甲醛的光解离光谱，和202：含天然同位素丰度高达3.8％的17O的甲醛的光解离光谱)；图4显示了17O选择性为400的17O分离过程中，光解离产物(CO)中的17O浓度(丰度)和尾水中的17O浓度(丰度)之间的关系(301：富含17O至0.059％的重水和302：富含17O至0.037％的轻水)。具体实施方式在下文中，将参考附图描述本公开的实施例。然而，本公开可以以许多不同的形式举例说明，并且不应该被解释为限于这里阐述的具体实施方案。下面本公开将详细描述一种从水中分离一种氧同位素的方法，由于其对17O具有优异的同位素选择性，可以将能量仅集中在17O上以分离该氧同位素，从而实现极高的能量效率，并且可以在相对小规模的设施中实现大批量生产。具体地，本公开所述的从水中分离氧同位素的方法包括：将含有氧同位素的水与甲醛混合，制备甲醛水溶液；加热甲醛水溶液，制备含有水蒸气和甲醛蒸气的蒸汽混合物；光解离蒸汽混合物，以获得含有氢和富含氧同位素的一氧化碳，去除氧同位素的水和残余甲醛的气体混合物。特别地，在本公开中分离的氧同位素是17O。在将含氧同位素的水与甲醛混合制备甲醛水溶液时，优选甲醛以相对于水0.01-0.3摩尔比混合在水中，更优选为相对于水为0.01-0.25的摩尔比。例如，甲醛可以相对于水0.05-0.2的摩尔比在水中混合。甲醛的混合量低于上述范围的下限可能导致氧同位素交换反应不充分，导致生产率降低，而甲醛的混合量超过上述范围的上限，可能会导致甲醛聚合物副产物的增加。在制备甲醛水溶液之后，加热甲醛水溶液制备含有水蒸气和甲醛蒸汽的蒸汽混合物。甲醛水溶液在320-400K的温度下进行加热，优选为350-380K。获得蒸汽混合物后，进行光解离，以制备含有氢和富含氧同位素的一氧化碳，去除氧同位素的水和残留甲醛的气体混合物。特别地，优选在1-15托的压力下对蒸汽混合物进行光解离。例如，可以在5-10托的压力下进行。当蒸汽混合物在低于上述范围的压力下进行光解离时，可能导致生产率降低，而当在大于上述范围的压力下进行光解离时，光解离量子产率可能不受期望地降低至85％或更低。特别地，在本公开中，光纤激光器可以用于照射特定波数的激光器。特别地，用于光解离蒸汽混合物的光解离激光的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种从水中分离

【技术特征摘要】
20181116 KR 10-2018-0141478;20190111 KR 10-2019-001.一种从水中分离17O的方法，包括：
将含17O的水与甲醛混合，制备甲醛水溶液；
加热所述的甲醛水溶液，制备含有水蒸气和甲醛蒸气的蒸汽混合物；
光解离所述蒸汽混合物，获得含有去除17O的水，残留的甲醛和含有氢气及富含17O的一氧化碳的气体混合物。


2.根据权利要求1所述的从水中分离17O的方法，其特征在于，甲醛与水混合时，甲醛与水的摩尔比范围为0.01-0.3。


3.根据权利要求1所述的从水中分离17O的方法，其特征在于，在320-400K的温度范围内进行加热。


4.根据权利要求1所述的从水中分离17O的方法，其特征在于，在1-15Torr的压力范围下进行蒸汽混合物的光解离。


5.根据权利要求1所述的从水中分离17O的方法，其特征在于，用于光解离所述蒸汽混合物的光解离激光的波数在28,370-28,400cm-1的范围内。


6.根据权利要求5所述的从水中分离17O的方法，其特征在于，用于光解离所述蒸汽混合物的光解离激光的波数为28,374.63cm-1、28,396.32cm-1,或28...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑度泳，李林，金容熙，朴炫敏，车龙镐，金泽洙，
申请(专利权)人：韩国原子力研究院，
类型：发明
国别省市：韩国;KR