2017 Fiscal Year Research-status Report
8員環ゼオライトとリン酸アルミニウム類縁化合物の水素同位体分離特性の評価
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16K06935
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| Research Institution | University of Toyama |
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Principal Investigator |
田口 明 富山大学, 研究推進機構 水素同位体科学研究センター, 講師 (40401799)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | トリチウム / 吸着，分離 / ゼオライト |
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| Outline of Annual Research Achievements |
重水素，トリチウムの分離は，核融合炉燃料サイクルにおけるトリチウムの分離，精製や，廉価な重水素製造など，重要かつ付加価値の高いプロセスである。同位体分離は低温ほど有利であるが，最近，ゼオライトの分子篩い能を利用して，170～190 Kにおける分離も報告されている。本研究では8員環を持つCHA型ゼオライトに着目し，その合成と物性評価，水素同位体の吸着・分離特性の評価を目指す。
昨年度まで，Na+，K+，Ca2+を対カチオンとするCHA型ゼオライトの合成と，N2吸着法およびAr吸着法によって，CHA型ゼオライトの細孔構造を評価した。本年度はこれらCHA型ゼオライトについて，77 K，201 K，250 Kにおける軽水素（H2）ならびに重水素（D2）吸着特性を検討した。その結果，Ca-CHAでは77 Kにおいても有意なH2，D2吸着が認められた。これに対し，Na-CHA，K-CHAでは，細孔内への吸着が観察されなかった。さらに，201 K，250 Kにおける吸着等温線を測定した。その結果，吸着量は減少するもののCa-CHA，Na-CHA，K-CHAともH2，D2の吸着が認められた。このことから，Na-CHA，K-CHA型ゼオライトは，温度によって細孔径が変化し，H2とD2の吸着挙動に変化が生じると考えられる。この結果は，CHA型ゼオライトについて，温度による分子篩い能の発現を示唆するものである。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
合成したNa，K，Ca-CHAについて，77 K，201 K（エタノール/ドライアイス温度），250 KにおけるH2，D2吸着等温線を測定した。77KにおけるCa-CHAのH2，D2吸着では，I型の吸着等温線が見られた。96 kPaにおけるH2，D2の吸着量は，それぞれ3.8181，4.3964 mmol/gに相当した。これらの値から，D2/H2の吸着量の比は1.229が得られた。一方，Na-CHA，K-CHAのH2，D2吸着量はCa-CHAと比較して低い値であった。すなわち，Na-CHAの96 kPaにおけるH2，D2吸着量はそれぞれ0.4516，0.5091 mmol/g，K-CHAではそれぞれ0.6158，0.5364 mmol/gであった。これら結果は，昨年度までにN2吸着，Ar吸着で得られたCHA型ゼオライトの細孔径の大きさ（Ca-CHA > Na-，K-CHA）と矛盾しない。なお，D2/H2吸着量比はNa-CHA，K-CHAそれぞれ1.245，1.197と見積もられた。
続いて，これらCHA型ゼオライトについて，201 K，250 KにおけるH2，D2吸着等温線を測定した。77 Kから吸着温度を高くすると，H2，D2吸着量は大きく減少した。興味深いことに，201 KにおけるCa-，Na-，K-CHAのH2吸着量はそれぞれ0.1266，0.1383，0.1683 mmol/gと，対カチオンによらずほぼ同じ値を示した。また，250 Kにおいてはそれぞれ0.0513，0.0565，0.0571 mmol/gが得られた。これらの結果から，Na-CHAとK-CHAは，77～201 Kの範囲において，H2吸着が可能になったことが伺える。なお，D2吸着量も同様の傾向を示した。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度に整備した吸脱着装置装置によるH2，D2吸脱着等温線の測定，ならびに吸脱着速度の測定を行う。ここでは初めにCa-CHAについて，77，201ならびに250 KにおけるH2とD2の吸脱着速度と脱着等温線の測定を行う。また，各平衡圧におけるD2/H2吸着量比，ならびに脱着量比を求めることにより，特に脱離過程に有利な平衡圧を決定する。続いてNa-CHA，K-CHAについても脱着等温線を測定する。これらの吸脱着速度の結果から水素同位体分離に有効なCHA構造とその圧力を決定する。
これらの結果をもとに，H2/D2混合ガスを用いた吸脱着実験を行う。実験は定容積法で行い，77，201，250 Kにおける同位体成分の吸着速度，ならびに脱着速度からH-D分離係数を決定する。ここでは，既に同位体分離能が報告されているLTA型，MOR型ゼオライトの分離係数も測定し，CHA型ゼオライトの効果を明らかにする。
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| Causes of Carryover |
申請者が合成した試料は，77 KにおいてH2，D2吸着量が低く，D2消費量が当初の予測よりも少なかったことから，これら特殊ガスの購入費用が減少した。また，当初導入予定であった実験装置は別途使用可能となり，購入を変更した。
本年度は研究を遂行するにあたり，新たに重水素（300千円），ならびに水素/重水素混合ガス（200千円）の購入，ならびに脱着装置の排気系の配管等を購入予定である。
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