碳同位素分离方法及利用其的碳同位素浓缩方法技术

本发明专利技术涉及碳同位素分离方法及利用其的碳同位素浓缩方法,更具体地，涉及包括如下步骤的碳同位素分离方法及碳同位素浓缩方法,包括：将甲醛气体冷却至190K至250K的温度的冷却步骤；将冷却的甲醛气体光解以获得包括包含碳同位素的一氧化碳和氢气的混合气体以及残留甲醛的步骤。

Carbon isotope separation method and its application in carbon isotope concentration

【技术实现步骤摘要】
碳同位素分离方法及利用其的碳同位素浓缩方法相关申请的交叉引用本申请要求2018年11月27日提交的韩国专利申请号10-2018-0148969的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。
本专利技术涉及碳同位素分离方法及利用其的碳同位素浓缩方法,更具体地，涉及高选择性地分离碳-13的方法和在单一步骤中获得高浓缩碳-13的方法。
技术介绍
碳具有两种稳定同位素，其中包括天然成分比例为98.89％的碳-12和1.1％的碳-13，这种碳-12和碳-13在工业上非常有用。将1.1％的碳-13浓缩至99％的碳-13用作化学、生物化学及环境领域的示踪剂(tracer)，用碳-13标记的尿素(urea)和葡萄糖(glucose)的化合物(13C-labelledcompound)用于各种疾病的非侵入性诊断和代谢物研究。例如，呼气试验(breathtest)因诊断的准确性和便利性而逐渐扩大了其应用范围,该呼气试验通过在摄取用碳-13标记的化合物后，测量呼出的碳-13成分比来诊断各种疾病。随着碳-13尿素呼气试验(13C-UBT：ureabreathtest)和碳-13美沙西丁呼气试验(13C-MBT：methacetinbreathtest)等的常用化，预计今后对碳-13的需求将会显著增加。浓缩至99％水平的碳-13的年产量为1吨以上，每克售价约为100-150美元。另一方面，人们发现用浓缩至99.95％以上的碳-12制成的合成金刚石和石墨烯，在常温下的导热率高出普通金刚石和石墨烯的约两倍左右，因此有望用作散热体(heatspreader)材料。然而，用当前技术生产的99.95％和99.99％的碳-12的价格分别高达10美元和20美元价位，这已成为制约其广泛应用的因素。目前在工业上应用的碳-13浓缩技术唯有一氧化碳(CO)和甲烷(CH4)超低温蒸馏技术。当在零下83K的温度下蒸馏一氧化碳和甲烷时，为了在每个分离单元(separationunit)中使得碳-13的分离系数(separationfactor)分别为1.01和1.005水平,使得1.1％的碳-13浓缩至99％的水平，蒸馏塔的长度应为几百米。另外，这种超低温蒸馏需要大规模的生产设备，并且启动时间(start-uptime)，即从开始启动到获得最终产物为止的时间长达0.5年或更长，因此已被指出具有难以迅速应对市场变化等的弱点。日本专利第6082898号涉及使用活性碳纤维作为吸附剂的甲烷的碳同位素分离方法，根据该方法，在77K的温度下具有约1.01的碳-13同位素选择性，使用MOF的方法在200K的温度下的同位素选择性仅为1.1，因此在发展为商业技术方面存在局限。美国专利第8337802B2号是使用红外波长的二氧化碳激光对三氟甲烷(trifuoromethane,CF3H)进行多光子光解的碳同位素分离方法，每一光降解的分子消耗97eV的较多能量，为了获得99％水平的浓缩度的碳-13，需要两步分离工艺，此外还需要增加将光解产物CF2和HF化学转化为CF3H的工艺等，这些是将其发展为商业技术的制约因素。因此，在提供通过在单一步骤中高度浓缩碳-13的方法和与此相关的甲醛的光分解波长的情况下，预期可以广泛应用于相关领域。
技术实现思路
对此，本专利技术的一个方面提供一种碳同位素分离方法。本专利技术的另一方面提供一种利用所述本专利技术的碳同位素分离方法的碳同位素浓缩方法。根据本专利技术的一个方面，提供一种碳同位素分离方法，所述碳同位素分离方法包括：将甲醛气体冷却至190K至250K的温度的冷却步骤；光解冷却的甲醛气体以获得包括包含碳同位素的一氧化碳和氢气的混合气体以及残留甲醛的步骤。根据本专利技术的另一方面，提供一种碳同位素的浓缩方法，所述碳同位素的浓缩方法包括：利用根据所述本专利技术的碳同位素分离方法，从甲醛中获得包括包含碳同位素的一氧化碳和氢气的混合气体的步骤。根据本专利技术，可以在单一步骤(singlestage)中使碳-13以高产量高度浓缩至98％以上，并且由于本专利技术提供的碳-13同位素选择性为4000至10000，可以将能量集中投入到成分比为1.1％的碳-13而进行分离，因此能源效率高且可以使用小规模设备实现批量生产。当应用本专利技术时，通过大幅降低浓缩碳-13的生产成本，可以为碳-13的各种应用做出贡献。附图说明通过以下结合附图的详细描述，将更清楚地理解本专利技术的上述方案和其他方面，特征和其他优点，其中：图1示出了28401.3cm-1区域的甲醛光解光谱(101：天然成分比例甲醛的常温(300K)光解光谱，102：243K温度下的光解光谱，103：203K温度下的光解光谱)。图2示出了28396.1cm-1区域的甲醛光解光谱(201：天然成分比例甲醛的常温(300K)光解光谱，202：203K温度下的光解光谱)。图3示出了激光波数为28401.3cm-1时光解甲醛而生成的一氧化碳的碳-13成分比的检测结果(301：低温(243K)光解产物的碳-13成分比(98.6％)，302：常温光解产物的碳-13成分比(97.8％)，303：天然成分比例的一氧化碳(1.1％))。图4示出了通过低温光解的碳-13的分离工艺(401：甲醛气体供应(220-250K)，402：甲醛气体的冷却槽(200-250K)，403：甲醛的低温光解装置(200-250K)，404：甲醛捕集装置(100K)，405：一氧化碳氧化装置，406：碳-13一氧化碳捕集装置)。附图标记说明101：天然成分比例甲醛的常温(300K)光解光谱102：243K温度下的光解光谱103：203K温度下的光解光谱201：天然成分比例甲醛的常温(300K)光解光谱202：203K温度下的光解光谱301：低温(243K)光解产物的碳-13成分比(98.6％)302：常温光解产物的碳-13成分比(97.8％)303：天然成分比例的一氧化碳(1.1％)401：甲醛气体供应(220-250K)402：甲醛气体的冷却槽(200-250K)403：甲醛的低温光解装置(200-250K)404：甲醛捕集装置(100K)405：一氧化碳氧化装置406：碳-13一氧化碳捕集装置具体实施方式以下将参考附图说明本专利技术的优选实施方式。然而，本专利技术的实施方式可以以多种其他形式来变型，且本专利技术的范围不限于下面描述的实施方式。本专利技术涉及在单一步骤(singlestage)中分离碳-13同位素，并且将其高度浓缩至98％以上的技术。更具体地，本专利技术的分离碳同位素的方法包括将甲醛气体冷却至190K至250K的温度的步骤；将冷却的甲醛气体光解以获得包括包含碳同位素的一氧化碳和氢气的混合气体以及残留甲醛的步骤。本专利技术中能够分离的所述碳同位素是碳-13(13C)。用于分离碳同位素而所使用的原料是甲醛，其以气体(蒸气)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳同位素分离方法，其中，所述碳同位素分离方法包括：/n将甲醛气体冷却至190K至250K的温度的冷却步骤；/n将冷却的甲醛气体光解以获得包括包含碳同位素的一氧化碳和氢气的混合气体以及残留甲醛的步骤。/n

【技术特征摘要】
20181127 KR 10-2018-01489691.一种碳同位素分离方法，其中，所述碳同位素分离方法包括：
将甲醛气体冷却至190K至250K的温度的冷却步骤；
将冷却的甲醛气体光解以获得包括包含碳同位素的一氧化碳和氢气的混合气体以及残留甲醛的步骤。


2.根据权利要求1所述的碳同位素分离方法，其中，所述碳同位素是碳-13。


3.根据权利要求1所述的碳同位素分离方法，其中，所述冷却步骤通过利用包含乙醇和干冰的混合物的冷却槽或冷却器来执行。


4.根据权利要求1所述的碳同位素分离方法，其中，所述光解在0.01Torr至5Torr的压力下执行。


5.根据权利要求1所述的碳同位素分离方法，其中，在所述光解时光解激光器的波数为28396.1cm-1至28401.3cm-1；
优选的，在所...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑度泳，李林，金容熙，朴炫敏，高光薰，金泽洙，吴承勇，
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