等離子體合成氫氰酸研究進(jìn)展

王月波 王文杰（孝義市科教文化產(chǎn)業(yè)園區(qū)管理委員會(huì)，孝義市教育科技局，山西 孝義032300）

0 引言

氫氰酸具有很強(qiáng)的毒性，在常溫常壓下極易擴(kuò)散，其運(yùn)輸和使用受到了極大的限制。等離子體合成技術(shù)是上世紀(jì)70年代才迅速發(fā)展起來(lái)的，是利用等離子體的特殊性質(zhì)進(jìn)行化學(xué)合成的一種新技術(shù)。等離子體化學(xué)已日趨成熟，給無(wú)機(jī)合成化學(xué)、有機(jī)合成化學(xué)及高分子合成化學(xué)、電子材料等的加工處理都開(kāi)辟了新的領(lǐng)域，等離子體合成技術(shù)為合成氫氰酸引入了一條新的研究思路。

1 等離子體技術(shù)原理

等離子體由完全或部分電離的導(dǎo)電氣體組成。這些氣體在外力的作用下發(fā)生電離，產(chǎn)生數(shù)量相等、電荷相反的電子和正離子以及游離基，這些電子、離子和游離基之間又復(fù)合成原子和分子，使其總體呈電中性，故稱(chēng)之為等離子體。產(chǎn)生等離子體的方法很多，自然界雷電、日冕、極光等均可產(chǎn)生等離子體，而地球上等離子體只能在實(shí)驗(yàn)條件下產(chǎn)生，氣體放電是最常用的人工產(chǎn)生等離子體的方法，如無(wú)聲放電、電暈放電、輝光放電、微波放電、電弧放電和射頻放電等。還可以用微波加熱、激光加熱、高能粒子轟擊方法產(chǎn)生等離子體。

2 氫氰酸合成技術(shù)

2.1 直流電弧放電合成氫氰酸

使用直流電弧等離子體合成氫氰酸的裝置如圖1 所示，反應(yīng)氣體在直流電弧放電下作用合成氫氰酸。在此裝置中根據(jù)反應(yīng)氣體的不同，即C、H、N比例的不同，可發(fā)生四種不同的合成氫氰酸的等離子體反應(yīng)。

2.2 高頻電感耦合放電合成氫氰酸

在傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝BMA法制備氫氰酸的過(guò)程中，過(guò)量的烴氣體被點(diǎn)燃后所產(chǎn)生的熱量足夠使氨和剩余的烴氣體發(fā)生吸熱反應(yīng)生成氫氰酸，而在實(shí)際生產(chǎn)中這些能量并沒(méi)有被有效利用，而且傳統(tǒng)生產(chǎn)設(shè)備龐大，不宜移動(dòng)。高頻電感耦合放電合成氫氰酸的方法就提供了一種既可將能量精密地調(diào)節(jié)，使浪費(fèi)程度達(dá)到最小，又方便靈巧的小型儀器。

2.3 微波等離子體合成氫氰酸

圖1 直流電弧等離子體合成氫氰酸裝置圖

實(shí)驗(yàn)通過(guò)WB-2 型連續(xù)可調(diào)微波發(fā)生器(0-100W，2450MHz)經(jīng)同軸電纜將能量饋入表面波管，用外徑為12mm 的石英玻璃管做放電管(反應(yīng)管)，它橫穿表面波管。石英玻璃管的兩端分別與供氣系統(tǒng)，產(chǎn)物分析系統(tǒng)和真空系統(tǒng)相連。從石英玻璃管內(nèi)流過(guò)的反應(yīng)氣體經(jīng)表面波管激活放電，生成等離子體，從而進(jìn)行等離子體化學(xué)反應(yīng)。裝置圖如下所示（圖2）。

圖2 微波等離子體合成氫氰酸設(shè)備簡(jiǎn)圖

2.4 電暈放電法制備氫氰酸

將甲烷和氨氣按1.1：1.001混合，當(dāng)混合氣流通過(guò)金屬電極板間隙時(shí)，利用電暈放電激發(fā)氣體反應(yīng)物分子，并使之電離，生成的高能粒子經(jīng)碰撞后可生成氫氰酸。

在該設(shè)備中，金屬電極板是主要骨架，它是發(fā)生反應(yīng)的場(chǎng)所。通過(guò)金屬電極板的電流要求密度一般維持在0.1μA/cm2和0.1mA/cm2之間，頻率為500kHz，且所接輸出電壓為10kV-20kV的交流電。反應(yīng)受電極配備和提供電壓的影響，如在加大電流的同時(shí)升高了電壓，導(dǎo)致由電暈放電而轉(zhuǎn)化成自激發(fā)的電弧放電的危險(xiǎn)；電壓太低又不足以激發(fā)分子的能量，因此必須控制好電壓。反應(yīng)氣體的流速應(yīng)保持作用于每摩爾甲烷的電量為0.02—100 ℃

2.5 其它方法

2.5.1 實(shí)驗(yàn)室模擬海王星氣氛合成氫氰酸

起初人們認(rèn)為海王星的大氣成分主要是分子氫和氦，另外還有少量甲烷、乙烷和乙炔，其中甲烷的含量最多，可達(dá)0.17%。后來(lái)，在海王星大氣中又發(fā)現(xiàn)了CO 和HCN。為研究氫氰酸的由來(lái)，Conrath 等通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)海王星大氣中的分子氮最多有0.6%，并假設(shè)其為形成氫氰酸的氮源。

2.5.2 等離子體熱解煤合成氫氰酸

1966 年R.L.Bond 和W.R.Ladner 等人對(duì)煤在等離子體中發(fā)生的反應(yīng)進(jìn)行研究時(shí)，也發(fā)現(xiàn)煤中的氮主要轉(zhuǎn)化為氫氰酸，且氫氰酸的產(chǎn)量會(huì)隨著煤揮發(fā)性的增加和等離子氣氛中氮等離子或氫等離子比例的增加而增加。如：高揮發(fā)性的802號(hào)煤在純氬等離子體中熱解時(shí)，煤中的碳約0.56%轉(zhuǎn)化為氫氰酸；在10%的氮?dú)夂?0%的氬氣組成的等離子體中熱解時(shí)，大約15%的碳轉(zhuǎn)化為氫氰酸；在純氮等離子體中熱解時(shí)，約35%的碳轉(zhuǎn)化為氫氰酸；在10%的氫氣和90%的氬氣組成的等離子體中熱解時(shí)，產(chǎn)物氫氰酸也占優(yōu)勢(shì)，碳有24%轉(zhuǎn)化為氫氰酸?？梢?jiàn)氮等離子體也參加了生成氫氰酸的反應(yīng)，我們可以考慮使用氮等離子體熱解煤來(lái)合成氫氰酸。

3 結(jié)語(yǔ)

在我國(guó)，目前氫氰酸的主要成品氰化鈉的生產(chǎn)能力僅次于美國(guó)，但傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝仍舊占據(jù)著主導(dǎo)地位，而氫氰酸就地生產(chǎn)、就地消費(fèi)的趨勢(shì)，促使我們必須克服傳統(tǒng)方法中生產(chǎn)設(shè)備龐大和污染環(huán)境這些缺點(diǎn)。以廉價(jià)的煤粉為原料，并結(jié)合等離子裝置的特點(diǎn)來(lái)生產(chǎn)氫氰酸，是一條有希望的、值得進(jìn)一步研究的工藝路線。如果能將該技術(shù)用于實(shí)際生產(chǎn)，將會(huì)有力推動(dòng)氫氰酸的合成與其下游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。