Fractionation of hydrogen isotopes in a hydrogel during dehydration

脱水中のヒドロゲルにおける水素同位体の分画

渡邉 哲平*; 関根 由莉奈   ; 深澤 倫子*

Watanabe, Teppei*; Sekine, Yurina; Ikeda-Fukazawa, Tomoko*

ハイドロゲル中での水素同位体の挙動を調べるために、重水素化水を含むポリ-N,N-ジメチルアクリルアミド(PDMAA)ハイドロゲルの脱水過程におけるラマンスペクトルを分析した。結果は、脱水過程において軽水素が優位に蒸発することを示した。ゲル中の重水素モル比は、水分含有量が90.5wt%から5wt%に脱水されると、0.056から0.2に増加した。軽水素と重水素の水素結合の強さの違いにより、重水はハイドロゲル内のポリマーの親水基と優先的に水素結合を形成する。その結果、軽水素は脱水の初期段階で優先的に蒸発し、乾燥ハイドロゲルには重水素化された水が残る。

To investigate the ability of hydrogels to separate hydrogen isotopes in water, we analyzed the Raman spectra of poly-N,N-dimethylacrylamide (PDMAA) hydrogels containing deuterated water during dehydration. The results show a significant fractionation of hydrogen isotopes during dehydration. The D molar ratio of the hydrogel increases from 0.056 to 0.2 during dehydration from 90.5 wt% to 5 wt% in water content. Deuterated water preferentially forms hydrogen bonds with hydrophilic groups of the polymer in hydrogels because of the difference in strengths of hydrogen bonds between protium and deuterium. As a result, normal water preferentially evaporates in the initial stage of dehydration, leaving deuterated water in the drying hydrogel. The results suggest that hydrogels are an efficient material for isotope fractionation with evaporation.