2018 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 – 2020-03-31
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| Keywords | ゼオライト / 吸着 / 分離 / トリチウム |
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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。
これまで，Na+，K+，Ca2+を対カチオンとするCHA型ゼオライトの合成と，N2およびAr吸着法によるCHA型ゼオライトの細孔構造を評価した。K-CHA，Na-CHAでは明瞭な等温線が得られず，両者の細孔径が0.336nm（Ar分子径）よりも小さいことが明らかになった。さらに，H2，D2単成分ガスを用いて，77，201，250Kにおける吸着等温線を測定した。その結果，Ca-CHAは77KにおいてもH2，D2吸着が認められるのに対し，K-CHA，Na-CHAではほとんど吸着されないことが明らかとなった。しかしながら，201，250Kでは，K-CHA，Na-CHAでもH2，D2吸着が認められた。これらの結果をふまえ，本年度は77，201，250Kで吸着したH2，D2吸着量の定量，ならびにH2-D2混合ガスを用いたD2/H2選択率の評価を行った。
吸着量の定量は，脱着ガスの質量分析スペクトルから行った。その結果，吸着量と脱着量がよく一致することを確認した。この結果をふまえ，H2-D2混合ガスを用いた吸脱着実験と同位体分離能の評価を行った。H2-D2混合ガスを用いた201KにおけるD2/H2選択率はNa-CHA，K-CHA，Ca-CHAおよび比較で用いたLTA(3A)において，それぞれ1.15，1.11，1.06および1.08が得られた。このことから，Na-CHAが水素同位体分離に有望であることが示唆された。
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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
あらかじめ400℃で脱水処理を行った試料に，77，201，250KにおいてH2あるいはD2単成分ガスを10kPa導入した。30分間吸着後，77Kではそのまま，201，250Kでは試料を77Kに急冷すると同時に，未吸着の気相ガスをターボ分子ポンプで排気した。およそ30分間排気後，試料を77Kから室温まで穏やかに昇温し，このとき脱着したH2，D2ガスを質量分析計で定量した。その結果，Na，K，Ca-CHAならびにLTA(3A)試料において，201，250Kの吸着から放出されるH2，D2脱着量は，吸着等温線から得られた平衡吸着量とよく一致した。この結果は，Na-CHA，K-CHAは吸着温度が高くなると，水素吸着が可能になることを示している。また，脱離量から算出したD2/H2比は1.0より大きく，D2選択性が高いことが示唆された。
これらの知見を踏まえ，H2-D2混合ガスを用いた吸脱着実験を行った。77KにおけるNa-CHA，K-CHA，Ca-CHAおよび比較試料であるLTA(3A)のD2/H2選択率は，それぞれ0.96，0.98，0.97および1.08と見積もられ，LTA(3A)において高いD2選択率が得られた。ここで選択率は，脱着ガスにおけるD2/H2モル分率と吸着ガスにおけるD2/H2モル分率の比と定義される。一方，201Kでは，選択率はそれぞれ1.15，1.11，1.06および1.08が得られ，Na-CHAにおいてLTA(3A)よりも高い値が得られた。さらに，250Kではそれぞれ1.00，1.03，1.05および1.00が得られ，Ca-CHAにおいて高い選択率が得られた。これらの結果から，CHA型ゼオライトが，LTA型よりも高い温度において，H2，D2分離能を有することが明らかとなった。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究結果から，CHA型ゼオライトが水素同位体分離に有望であることが示唆された。今後，昇温脱着スペクトルの測定による，分離発現温度を明らかにする。また，分離特性の向上に向けたCHA型ゼオライトの膜化を試みる。
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| Causes of Carryover |
これまでの研究において，一部で当初予測を上回る結果が得られており，実験結果の再現性を慎重に確認する必要が生じた。そこで，研究計画を延長し，追加の実験を予定する。今後，昇温脱着スペクトルの測定におけるドライアイス等の寒剤購入と，物性評価のための機器分析センター使用料を予定している。
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