JPS6077112A - ヒドラジン及び／又はアンモニアの直接合成法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はＮ２ガスとＮ２ガスよシ直接ヒドラジン及び／
又はアンモニアを製造する方法に関する。さらに詳しく
は、無声放電のもとて触媒表面でガス分子を活性化せし
めてＮ２分子又はＮ２分子と１４２分子からヒドラジン
及びアンモニアを直接得る製造方法に関する。

従来のヒドラジンの代表的な合成技術としてアンモニア
の液相酸化法が挙げられるが、高価なアンモニア原料を
使用することや、製造工程が複雑でエネルギーコストが
高い等の問題点が多い。これらの問題点を解決するため
に現在多くの研究がなされている。そして現在はＮ２ガ
スとＮ２ガスから、直接ヒドラジンもしくはアンモニア
を如何に造シ出すかが研究主体になっている。

分子状Ｎ２の水素化はＮ２分子配位金属錯化合物の分解
法（ＣＩ＋ｓｍ　、　Ｌｅｔｔ　、旦Ｂ　、　９８７　
）、Ｎ２ガス中での水和チタニア触媒による光化学反応
法（Ｊ。

Ａ、　Ｃ，Ｓ、工　７１８９　（＋９７７　）　）　、
液相均一系接触法１：　Ｎａｔｕｒｅ　、　２３＋　４
８０　（１９７１）　）等が最近発表されているが、Ｎ
２ガス分子とＮ２ガス分子よシ直接ヒドラジンを合成す
る技術は今なお完成されていない。

本発明の目的はＮ２ガス分子又はＮ２ガス分子とＮ２ガ
ス分子よりヒドラジン及び／又はアンモニアを高収率で
直接合成する方法を提供することにある。

本発明者はヒドラジンの合成に関し、Ｎ２ガス分子、Ｎ
２ガス分子等の活性化並びにプロトネーションの理論的
検討を続けた結果、オレフィンのメタシシス用触媒や金
属酸化物触媒等が無声放電中で良好な効果を与えること
を見出した。

本発明におけるヒドラジンの合成理論の基本的な考え方
は、Ｎ２分子の活性化及びＮ２針の活性化を行うエネル
ギーとして無声放電領域の低い放電エネルギーを用いて
、電極となっている触媒表面層に発生する無声放電部で
活性Ｎ２に、Ｎ２→２Ｈ＋　２ｅ−＋ で発生したＨがプロトネーションしＮ１−１２・ＮＮ２
もしくはＮｌ−１３が得られるのである。。ここでＮ２
の活性化は無声放電中の触媒金属原子へのＮ２分子の配
位による活性化であり、Ｎ２のＨへの活性化は無声放電
中の触媒金属原子との結合もしくは触媒中の酸素原子と
の結合によシ水素化もしくはヒドロキシ化が行われる。

無声放電によりこれら触媒中の水素化物もしくはヒドロ
キシ化物のＨは再度プロトン化し触媒金属原子へ配位し
た活性Ｎ２と水素化反応が起こる。そしてヒドラジンも
しくはアンモニアが触媒表面で生成するのである。触媒
上の不足したＨは無声放電下のＮ２分子よシ解離したＨ
＋にて補給していくことにな’）　ｓ　Ｎ２／Ｎ２モル
比が多くなるとＮｌ（３の生成量が多くなり、ヒドラジ
ンの生成量は減少する。

すなわち一般的な反応式にて表わすと、ヒドラジン合成
反応は １−Ｉ２Ｑ　、Ｈ＋　＋２ｅ− ＋１１−１　＋Ｃａｔａ　Ｍｎ−→Ｃａｔａ（Ｍ・Ｈ）
。

ｍＨ＋　Ｃａｔａ　ＭＯｒｒｌ−→Ｃａｔａ（Ｍ−０１
−１）ｍ（１）　Ｎ２　＋　Ｃａｔａ（Ｍ　４−１　）
Ｈ−→Ｃａｔａ（Ｍ　−Ｈ）ｎψＮ２−→Ｃａｔａ　（
Ｍｌ−ｎｎ−２）　・Ｎ２Ｈ２→Ｃａｔａ　（Ｍｎ、Ｈ
ｎ−４）　・Ｎ２Ｈ４−ウＣａｔａ（ＭＨ−ＨＨ−４）
＋Ｎ２Ｈ４Ｃ，Ｉｔａ　（Ｍ、−Ｈｎ４　）＋　４Ｉ−
Ｉ魁−→Ｃａｔａ　（Ｍ−Ｈ）ｎ（１１）　Ｎ２　＋　
Ｃａｔａ−（Ｍ−ＯＨ）ｍ−ｍ−→Ｃａｔａ（ＭＱＢ−
Ｈｒ＋１−２）十Ｎ２Ｈ２−−→Ｃａｔａ　（薩晶・Ｈ
ｍ−４）＋Ｎ２Ｈ４ＣａｔＮ２Ｈ４Ｃａｔａ（、）＋４
Ｈ→Ｃａｔａ（Ｍ−αＪ）ｍで表わされ（１）は触媒と
して金属を使用した場合又（Ｉ［）は金属酸化物を使用
した場合のヒドラジン合成反応式である。

又アンモニアの合成反応式も同様に考えられ、Ｎ２／Ｎ
２のモル比が大きい程すなわちＨ＋の発生量が多い程Ｎ
Ｈ３の生成が多くなる。すなわち本発明のヒドラジンと
ＮＨ３の選択性はＮ２／Ｎ２導入原料ガスの組成比によ
シ、又ヒドラジンの合成速度は無声放電の強度によシ基
本的に決定される。

さて本発明をさらに具体的に説明する。

反応系は第２図に示すように循環ラインのシステム中に
反応器、生成ヒドラジン凝集トラップ部を設け、反応部
には触媒固相部に対電極を設け、触媒表面層よシ無声放
電が発生するようにし、又未反応Ｎ２／Ｎ２ガスの再利
用も含めて系内均一化のための循環ポンプを設置してい
る。又系内の圧力調整部には真空ゲージ、他バルブを設
け、末部に真空ポンプを連結している。又反応器以降の
生成物凝集トラップは、液体窒素もしくはドライアイス
程度で冷却する。さらに生成物の確認を行うためにライ
ンの一端より質量分析計によシ連動分析するのも好まし
い。

本発明の系内圧力はＨ２／Ｎ２の圧力で０１〜１００Ｔ
ｏｒｒで十分行えるが、好ましくは１〜５０　Ｔｏｒｒ
が良い。Ｏ，ＩＴｏｒｒ以下の場合生成ヒドラジンの収
率が低く、又１００Ｔｏｒｒ以上の場合は生成効率が低
くなる。反応温度は室温条件で十分であるが、室温から
液体窒素温度までの範囲で反応させることも可能である
。液体窒素温度以下では、反応Ｎ２ガスの凝縮が発生し
、反応系のバランスが変化しヒドラジン合成が出来なく
なる。又、室温以上の反応温度でも良いが高い温度で行
うと反応ガス圧力及び生成ヒドラジン蒸気圧等よシ圧力
バランスが変化し反応効率が悪くなる。このため反応温
度は室温から液体窒素温度までの範囲が好ましい。

本発明に使用される触媒は金属、半金属、金属の表面積
の大小及び粒径に大きな影響はない。しかし触媒中に含
有されている炭素の影響が出るため触媒中の残存炭素を
除去するのが好ましい。すなわち触媒中に炭素が残存し
ている場合、Ｎ２ガス中の無声放電によＦ）Ｃ＋〜Ｃ６
までの炭化水素化合物が合成される。又Ｎ２ガスもしく
はＨ２／Ｎ２ガス中の無声放電によりＨＣＮ合成、特に
　ヒドラジメチレン（ＣＨ４Ｎ２　）が合成される。よ
ってヒドラジンを主に合成するためには触媒中の炭素を
完全に除去するのが好ましい。その方法として約１２０
０’Ｃまで焼成し、脱炭素を行うのが良い。

本発明で使用され得る触媒の金属・半金属等の元素とし
ては周期律表に挙げられた元素はすべて使用可能である
が、代表的な元素としてＴｉ％Ｐｖｌｏ　ｓＭｇ、　Ｓ
ｉ　、　Ａ、ｄ、　Ｃｒ、　Ｃｏ、Ｖ等が挙げられる。

更にこれら元素の酸化物すなわち代表的には５ｉ０２゜
Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ等も使用できる。またこれら酸化物
上に１（、Ｖ　％Ｃｒ　、　Ｃｏ　、Ｔｉ　、Ｍｏ等の
元素をドープさせることによジヒドラジンの生成選択性
が向上する。又、金属水素化物もしくは水素吸蔵金属等
を触媒として使用することによ多安定な定常反応を行う
ことが可能となシ、ヒドラジンの効率的生産が可能とな
る。その他触媒として金属水酸化物、金属カルボン酸等
を使用することもできる。触媒の結晶構造による反応性
の差はなく、単結晶、多結晶、配向性多結晶及び非晶質
等のどの構造でも効率的に反応は進むが、連続生産プラ
ント等においては水素の吸蔵及び放出の耐久性がある非
晶質構造の触媒が良い。たとえばＰｄ−Ｚｒ％Ｐｄ　−
Ｔｉ　。

ｐａ　−Ｓｉ　、　Ｐｄ　−Ｈｆなどの水素吸蔵アモル
ファス合金等が挙げられる。

上記水素吸蔵アモルファス合金を使用した連続製造法の
概略を第１図に示す。図において（＋）は水素吸蔵アモ
ルファス合金、（２）は電極、（３）は無声放電を示す
。

本発明ではＮ２分子とＮ２分子よジヒドラジンもしくは
アンモニアを合成する上でその生成物の選択性が重要で
ある。これらの生成物選択性は触媒の効果以外にＨ２／
Ｎ２の混合比が影響する。すなわち、Ｎ２１００％で行
った場合、生成物はヒドラジンが８７〜１００％生成す
るが、触媒表面上へＨ＋が供給されないため、定常的に
は進行しなくなる。

このＮ２１００！１６の場合のＨの供給源は触媒表面の
吸着水あるいは金属酸化物に含まれているヒドロキシル
基等を例示することができる。

又、Ｈ２／Ｎ２＝３／１付近ではＨｌの供給量が過剰な
ためＮＨ３の生成量が非常に多くなる。Ｈ２／Ｎ２−３
／１以上になるとＨ２の過剰な状態が保持されるだけで
ＮＨ８の生成量に変化はない。すなわちＩ（２／Ｎ２の
モル比が０／１〜３／１の範囲においてとドラジン１０
０％〜ＮＨ３１００％　の合成が可能となる。

このように本発明はＮ２ガス分子及びＨ２ガス分子が触
媒表面上で発生する無声放電により活性化され、■＋と
じて触媒中へ供給されたＨが、活性化しているＮ２と反
応し水素化が起シ、Ｎ２　／Ｎ２の混合比及び触媒種に
よりヒドラジン及びアンモニアが選択的に合成できる。

本発明で更にもう１つ大切な要因として無声放電の電力
量がある。この電力量は合成速度に大きく影響を与える
。本発明においては無声放電の発生する最低電力量以上
あれば十分円滑に反応を進行でき、このために通常無声
放電の電力量は約数ＷＨ以上が好ましい。電力量を増加
することによシ、また放電面積を広くすることによシ、
反応速度が犬きく向上する。

以下に本発明を実施例にて更に具体的に説明する。たた
し本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

尚、実施例においては第２図に示すＮ２　／　Ｎ２無声
放電反応システムにてヒドラジンの合成を行なった。反
応管として６酊φ内径の石英管を使用し、コック類のシ
ールはグリースタイプのコックでは生成ヒドラジンのグ
リースへの吸収が発生するためノングリースタイプのコ
ックを使用した。又、テスラーコイルから発生する無声
放電電力は反応圧力を一定（２０Ｔｏｒｒ　）　として
１（ｊＷＨで行った。反応時間は１０〜１５分間無声放
電を行い、その後、液体窒素（ＬＮ２）ｌ−ラップに生
成物を凝縮させた。凝縮物を再蒸発させ質量分析計にて
分析を行った。ここで分析を容易にするため、′Ｎ２原
料として１５Ｎ重窒素を使用した。

本発明に使用した質量分析計（ＮＡＧ−５１５）〔日型
アネルバー社製〕にて本発明の方法で得られたヒドラジ
ン、アンモニア、ヒドラジメチレンの生成物のマススペ
クトルを第１表に示す。

第１表 実施例１−１３及び比較例１ 第２表に記載の各種の触媒を使用した場合の生成物の選
択性を同様第２表に示す。尚、比較例１として無触媒の
結果も併記した。

実施例１４〜２６ 第３表に石英粉（５ｉ０２　）及びＭｇＯ結晶の１０〜
１６メツシユ粉を１２００℃にて焼成して脱戻素を行っ
たもの、及びこれらのそれぞれに各種の金属をドーピン
グさせたものを触媒として使用した場合の生成物の選択
性を示す。各種金属のドーピング量は約５　Ｘ　１０　
ｆ／ｃ／ｌ　である。

第２表 第３表

【図面の簡単な説明】

第１図は水素吸蔵アモルファス合金を使用した連続製造
法の概略を示し、第２図は実施例で使用したＨ２／Ｎ２
無声放電システムを示す。（１）水素吸蔵アモルファス
合金、（２）電極、（３）無声放電、（４）反応管、（
５）テスラーコイル、（６）液体窒素トラップ、（７）
質量分析計、（８）真空ポンプ、（９）　Ｈ２ガスボン
ベ、０ＯＮ２ガスボンベ、０υ圧力制御器、（イ）循環
ポンプ、α椴ピラニゲージ。 （以上） 特許出願人　大塚化学薬品株式会社 代理人　弁理士口材　巌

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）固体触媒を対電極側とした無声放電によシ、触媒
   表面でＮ２分子又はＮ２分子とＮ２分子を活性化せしめ
   、該活性化分子の結合によりヒドラジン及び／又はアン
   モニアを直接合成することを特徴とするヒドラジン及び
   ／又はアンモニアの製造法。 ルボン酸及びそれらの複合触媒である特許請求の範囲＠
   １項記載の製造法。 （３）触媒の構造が結晶もしくは非晶質である特許請求
   の範囲第２項記載の製造法。 （４）触媒中に他元素をドープした特許請求の範囲第１
   項又は第２項記載の製造法。 （５）触媒中にドープされる元素がアルカリ金属又は遷
   移金属である特許請求の範囲第４項記載の製造法。 （６）導入ガスのＮ２とＮ２のモル比が０／１〜３／１
   である特許請求の範囲第１項記載の製造法。 （７）無声放電中の反応ガス圧力が１〜５　Ｑ　Ｔｏｒ
   ｒである特許請求の範囲第１項記載の製造法。 （８）無声放電中の反応温度が液体窒素温度以上の温度
   である特許請求の範囲第１項記載の製造法。 （９）未反応Ｎ２及びＮ２ガスをクローズド系の内で再
   循環せしめる特許請求の範囲第１項記載の製造法。