JP2015101495A - 金属アミドの製造方法および製造装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】出発原料の純度によらず、また湿式処理を行わなくても高純度の金属アミドを製造できる金属アミドの製造方法および製造装置を提供する。【解決手段】アンモニア溶液を用いて金属のアミド化を行なう金属アミドの製造方法であって、主に特定の金属からなる原料が収容された第１の圧力容器１０内に液体アンモニアを導入し、特定の金属を液体アンモニアに溶かし、アンモニア溶液を生成する工程と、アンモニア溶液をセラミック膜フィルターＦ１でろ過して第２の圧力容器２０に流入させる工程と、第２の圧力容器２０内で流入させたアンモニア溶液を加熱し、特定の金属のアミド化反応を進行させる工程とを含む。【選択図】図１
Description
本発明は、アンモニア溶液を用いて金属のアミド化を行なう金属アミドの製造方法および製造装置に関する。
従来、金属とアンモニアとを反応させて金属アミドを生成する方法が知られている。例えば、特許文献１記載の方法では、反応容器に金属を封入し、反応容器にアンモニアを導入し液化させ、反応容器内を攪拌して、封入された金属と液化されたアンモニアとを反応させている。そして、反応容器内のガスのうち、アンモニアガスをトラップし、水素ガスを排出しつつ、反応を進行させて水素ガスを排出している。このようにして、容器にかかる負担を低減している。
上記のように金属アミドの製造方法は、原料である金属とアンモニアを反応させる方法が一般的である。その場合に、生成物である金属アミドの純度は、出発原料である金属の純度に依存する。一方、酸洗浄やキレート処理といった湿式処理を行なえば高純度化できるものの、例えば、アルカリ土類金属およびそのアミドは、特性上、水分と反応し酸化物や水酸化物となるためにそのような方法をとることができない。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、出発原料の純度によらず、また湿式処理を行わなくても高純度の金属アミドを製造できる金属アミドの製造方法および製造装置を提供することを目的とする。
（１）上記の目的を達成するため、本発明の金属アミドの製造方法は、アンモニア溶液を用いて金属のアミド化を行なう金属アミドの製造方法であって、主に特定の金属からなる原料が収容された第１の圧力容器内に液体アンモニアを導入し、前記特定の金属を前記液体アンモニアに溶かし、アンモニア溶液を生成する工程と、前記アンモニア溶液をセラミック膜フィルターでろ過して第２の圧力容器に流入させる工程と、前記第２の圧力容器内で前記流入させたアンモニア溶液を加熱し、前記特定の金属のアミド化反応を進行させる工程と、を含むことを特徴としている。
このように、セラミック膜フィルターでろ過したアンモニア溶液を用いてアミド化反応を進行させるため、出発原料の純度によらず、また湿式処理を行わなくても高純度の金属アミドを製造することができる。
（２）また、本発明の金属アミドの製造方法は、前記特定の金属は、アルカリ土類金属または希土類金属であることを特徴としている。これにより、特定の金属を液体アンモニアに溶かすことができ、アンモニア溶液をセラミック膜フィルターでろ過することが可能になる。
（３）また、本発明の金属アミドの製造方法は、前記特定の金属は、Ｌｉ、Ｃａ、Ｓｒ、ＢａおよびＥｕからなる群より選ばれた一の金属であることを特徴としている。これらの金属は容易に液体アンモニアに溶かすことができるため、アンモニア溶液をセラミック膜フィルターでろ過することが可能になる。
（４）また、本発明の金属アミドの製造方法は、前記アンモニア溶液をろ過するセラミック膜フィルターの細孔径は、平均０．１μｍ以上１０μｍ以下であることを特徴としている。これより、酸化物等を含め液体アンモニアに不溶な物質をろ過して取り除くことができる。
（５）また、本発明の金属アミドの製造装置は、アンモニア溶液を用いて金属のアミド化を行なう金属アミドの製造装置であって、アンモニア導入ラインに接続された第１の圧力容器と、前記第１の圧力容器と接続されたセラミック膜フィルターと、前記セラミック膜フィルターに接続され、内部の加熱機能を有する第２の圧力容器と、を備えることを特徴としている。
このような構成により、第１の圧力容器からアンモニア溶液をセラミック膜フィルターでろ過させて第２の圧力容器に送り出しその溶液を加熱してアミド化反応を進行させることができる。その結果、出発原料の純度によらず、また湿式処理を行わなくても高純度の金属アミドを製造することができる。
本発明によれば、出発原料の純度によらず、また湿式処理を行わなくても高純度の金属アミドを製造できる。
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（金属アミドの製造装置）
図１は、金属アミドの製造装置１の構成を示す断面図である。製造装置１は、アンモニア溶液を用いて金属のアミド化を行なうための装置である。製造装置１は、上から圧力容器１０、セラミック膜フィルターＦ１、圧力容器２０で主に構成されている。
図１は、金属アミドの製造装置１の構成を示す断面図である。製造装置１は、アンモニア溶液を用いて金属のアミド化を行なうための装置である。製造装置１は、上から圧力容器１０、セラミック膜フィルターＦ１、圧力容器２０で主に構成されている。
圧力容器１０（第１の圧力容器）は、厚い金属壁で円筒形に形成され、数ＭＰａの圧力に耐久できる。圧力容器１０は、容器側面をジャケット１８で覆われており、容器側面にチラー流入口１１ａおよびチラー流出口１１ｂを備えている。
圧力容器１０は、原料Ｍを入れてボルトナットのような締め付け具１２ａで蓋１２を閉め、密閉することができる。圧力容器１０は不活性ガスライン１３および真空ライン１４に接続されており、不活性ガスの供給および真空引きが可能である。圧力容器１０は、アンモニア導入ライン１５にも接続されている。圧力容器１０は、圧力計１６を備えており、内部の圧力をモニタできるようになっている。
セラミック膜フィルターＦ１は、圧力容器１０と接続されており、接続部分にはボールバルブＶ１が設けられている。セラミック膜フィルターＦ１は、アンモニア溶液をろ過する。セラミック膜フィルターＦ１の材料は、アンモニアに溶けずある程度の圧力に耐えられる材料であれば良く、アルミナ製の多孔質材料であることが好ましい。セラミック膜フィルターＦ１は、例えば、内部に複数の流動路が設けられ、その壁がフィルターになっている円柱が複数設けられたものであり、アンモニア溶液は、流動路内部から円柱の外側面や外端面にしみ出すことでろ過される。
セラミック膜フィルターＦ１の細孔径は、平均０．１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。例えば、平均０．１μｍ、０．２μｍ、０．５μｍ、１μｍ、２μｍ、５μｍ、１０μｍのいずれかのものを用いることができる。これより、酸化物等を含め液体アンモニアに不溶な物質をろ過して取り除くことができる。
例えば、アルカリ土類金属は液体アンモニアに溶解するが、酸化物や特定の金属（例えば、蛍光体の忌避成分とされるＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ等）は液体アンモニアに不溶であることを利用し、セラミック膜フィルターＦ１によりアンモニアに不溶な物質をろ過し取り除くことができる。
圧力容器２０（第２の圧力容器）は、セラミック膜フィルターＦ１に接続され、接続部分にはボールバルブＶ２が設けられている。圧力容器２０は、厚い金属壁で円筒形に形成され、数ＭＰａの圧力に耐久できる。圧力容器２０は、容器側面をジャケット２８で覆われており、容器側面にチラー流入口２１ａおよびチラー流出口２１ｂを備えている。
圧力容器２０は、ボルトナットのような締め付け具２２ａで蓋２２を閉め、生成物を取り出すとき以外は密閉することができる。圧力容器２０は、不活性ガスライン２３および真空ライン２４に接続されており、不活性ガスの供給および真空引きが可能である。圧力容器２０は、圧力計２６を備えており、内部の圧力をモニタできるようになっている。
圧力容器２０は、ボイラー流入口２７ａおよびボイラー流出口２７ｂを有し、これらにより内部の加熱を制御できる。このような構成により、圧力容器１０からセラミック膜フィルターＦ１でろ過したアンモニア溶液を圧力容器２０に送り出して、その溶液をアミド化反応を進行させることができる。その結果、出発原料の純度によらず、また湿式処理を行わなくても高純度の金属アミドを製造することができる。
（金属アミドの製造方法）
次に、上記のように構成された金属アミドの製造装置の動作の詳細を説明する。まず、圧力容器１０、２０にチラー水を循環させ、それぞれ容器温度を５℃にする（ステップＳ１）。冷却することで事前の金属アミドの生成を抑制し、圧力容器２０での高純度アミドの回収率を向上できる。圧力容器１０に、主に特定の金属からなる原料を入れる（ステップＳ２）。
次に、上記のように構成された金属アミドの製造装置の動作の詳細を説明する。まず、圧力容器１０、２０にチラー水を循環させ、それぞれ容器温度を５℃にする（ステップＳ１）。冷却することで事前の金属アミドの生成を抑制し、圧力容器２０での高純度アミドの回収率を向上できる。圧力容器１０に、主に特定の金属からなる原料を入れる（ステップＳ２）。
特定の金属は、液体アンモニアに溶けるものであればよいが、アルカリ土類金属または希土類金属であることが好ましい。これにより、特定の金属を液体アンモニアに溶かすことができ、アンモニア溶液をセラミック膜フィルターでろ過することが可能になる。具体的には、Ｌｉ、Ｃａ、Ｓｒ、ＢａおよびＥｕからなる群より選ばれた一の金属であることが好ましい。これらの金属は容易に液体アンモニアに溶かすことができるため、アンモニア溶液をセラミック膜フィルターでろ過することが可能になる。
不活性ガスライン１３および真空ライン１４にて圧力容器１０内をガス置換後、真空引きを行う（ステップＳ３）。これにより、原料の金属が空気と接触することで空気中の水分や酸素と反応し不純物である水酸化物となるのを防止できる。
次に、ボールバルブＶ２を開く（ステップＳ４）。不活性ガスライン２３および真空ライン２４にて圧力容器２０内をガス置換後、真空引きを行う（ステップＳ５）。これにより、生成物の金属アミドが空気と接触することで空気中の水分や酸素と反応し不純物である水酸化物となるのを防止できる。アンモニア導入ライン１５にて圧力容器１０に液体アンモニアを導入する（ステップＳ６）。
圧力容器１０に、例えば、原料としてアルカリ土類金属を入れた後、冷却（２０℃以下）しながらアンモニア導入ラインより液体アンモニアを導入すると、アルカリ土類金属は液体アンモニアに溶解し、アンモニア溶液が生成される。
不活性ガスライン１３にて圧力容器１０内を１ＭＰａにする（ステップＳ７）。不活性ガスの圧力によりアンモニア溶液を押し込むことで、セラミック膜フィルターＦ１をアンモニア溶液が通過する速度を増すことができる。なお、圧力容器１０が上、圧力容器２０が下にることから、溶液にはろ過の方向に重力がかかる。重力だけでろ過速度が十分である場合には、必ずしも圧力を上げる必要はない。圧力の上限は、セラミック膜フィルターＦ１の耐圧限界であり、３ＭＰａ以下が好ましい。
次に、ボールバルブＶ１を開き、溶液をろ過しつつ第２の圧力容器２０に移す（ステップＳ８）。このとき、圧力計１６を見ながら不活性ガスライン１３を調整し、１ＭＰａに保持する。アンモニア溶液を生成する工程では、圧力容器１０内の圧力を１ＭＰａ以上に保持することが好ましい。これにより、効率よく圧力容器１０内のアンモニア溶液を圧力容器２０に送り出すことができる。セラミック膜フィルターＦ１を通ったアンモニア溶液は、水酸化物および酸化物などの異物が除去され、高純度溶液となり、圧力容器２０に移る。
「ゴゴゴ」という流入音とともに圧力容器２０の圧力計２６が上昇すれば、ボールバルブＶ２を閉じる（ステップＳ９）。圧力容器２０のチラーを切り、ボイラーに切換え、流入されたアンモニア溶液を加熱し、アミド化反応を進行させる（ステップＳ１０）。
原料がＬｉ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｅｕのいずれかである場合、それぞれ金属アミドとして、リチウムアミド（ＬｉＮＨ2）、カルシウムアミド（Ｃａ（ＮＨ2）2）、ストロンチウムアミド（Ｓｒ（ＮＨ2）2）、バリウムアミド（Ｂａ（ＮＨ2）2）、ユーロピウムアミド（Ｅｕ（ＮＨ2）2）が得られる。例えば、Ｃａのアミド化反応は、Ｃａ＋２ＮＨ3→Ｃａ（ＮＨ2）2＋Ｈ2で表される。
得られた生成物は、圧力容器２０をグローブボックスへ移動し、容器内部の生成物をかき出すことで取り出すことができる。なお、反応容器２０の上下を反転させてかき出してもよい。このように製造装置１を用いることで大量かつ容易に高純度アルカリ土類金属アミドを合成することができる。
１ 製造装置
１０ 第１の圧力容器
１１ａ チラー流入口
１１ｂ チラー流出口
１２ 蓋
１２ａ 締め付け具
１３ 不活性ガスライン
１４ 真空ライン
１５ アンモニア導入ライン
１６ 圧力計
１８ ジャケット
Ｖ１、Ｖ２ ボールバルブ
Ｆ１ セラミック膜フィルター
２０ 第２の圧力容器
２１ａ チラー流入口
２１ｂ チラー流出口
２２ 蓋
２２ａ 締め付け具
２３ 不活性ガスライン
２４ 真空ライン
２６ 圧力計
２７ａ ボイラー流入口
２７ｂ ボイラー流出口
２８ ジャケット
Ｍ 原料
１０ 第１の圧力容器
１１ａ チラー流入口
１１ｂ チラー流出口
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１４ 真空ライン
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２７ａ ボイラー流入口
２７ｂ ボイラー流出口
２８ ジャケット
Ｍ 原料
Claims (5)
- アンモニア溶液を用いて金属のアミド化を行なう金属アミドの製造方法であって、
主に特定の金属からなる原料が収容された第１の圧力容器内に液体アンモニアを導入し、前記特定の金属を前記液体アンモニアに溶かし、アンモニア溶液を生成する工程と、
前記アンモニア溶液をセラミック膜フィルターでろ過して第２の圧力容器に流入させる工程と、
前記第２の圧力容器内で、前記流入させたアンモニア溶液を加熱し、前記特定の金属のアミド化反応を進行させる工程と、を含むことを特徴とする金属アミドの製造方法。 - 前記特定の金属は、アルカリ土類金属または希土類金属であることを特徴とする請求項１記載の金属アミドの製造方法。
- 前記特定の金属は、Ｌｉ、Ｃａ、Ｓｒ、ＢａおよびＥｕからなる群より選ばれた一の金属であることを特徴とする請求項１記載の金属アミドの製造方法。
- 前記アンモニア溶液をろ過するセラミック膜フィルターの細孔径は、平均０．１μｍ以上１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の金属アミドの製造方法。
- アンモニア溶液を用いて金属のアミド化を行なう金属アミドの製造装置であって、
アンモニア導入ラインに接続された第１の圧力容器と、
前記第１の圧力容器と接続されたセラミック膜フィルターと、
前記セラミック膜フィルターに接続され、内部の加熱機能を有する第２の圧力容器と、を備えることを特徴とする金属アミドの製造装置。
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Citations (5)
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|---|---|---|---|---|
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2013
- 2013-11-22 JP JP2013241890A patent/JP6253366B2/ja active Active
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