JP3487600B2 - 金属硫化物の製造方法 - Google Patents

金属硫化物の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は金属硫化物の製造方法に関する。
金属硫化物は種々の工業的及び科学的用途に用いられ
る。例えばいくつかの稀土類金属及び他の金属の硫化物
は、例えば光ファイバーや活性ファイバー増幅器の製造
のための光学ガラスの材料やその成分として特に重要で
ある。この用途分野においては、改善された光学的性質
を有するファイバー光学材料に有用な新しい材料の要求
が高まっている。このような材料の典型的なものとして
は、例えば硫化ランタン（La2S3）、硫化プラセオジム
（Pr2S3）、硫化ホルミウム（Ho2S3）、硫化ガリウム
（Ga2S3）及び硫化ゲルマニウム（GeS2）がある。光フ
ァイバー、特に1.3μｍファイバー光学システムの用途
に求められる主な要求条件の１つは、硫化物の純度の向
上がそのファイバー光学システムの効率の実質的向上を
もたらし得るであろうと期待されるので、それら硫化物
の超高純度化である。
種々の金属硫化物を製造するためのいくつかの方法が
知られているが、これらはその金属又は金属酸化物と硫
黄、硫化水素又は他の硫黄含有試薬との反応に基づくも
のである。稀土類金属の硫化物の製造方法についてのレ
ビューとして、Springer Verlag（1983）刊行の、“Gme
lin Handbook of Inorganic Chemistry"第８版、69−74
頁の「稀土類元素−C7」を参照する。それに報告されて
いる各方法は重大な欠点を有しており、その殆どは応用
の可能性が限定されている方法で及び効果的でない方法
であり、そして高純度の生成物をもたらさないことはあ
きらかである。
例えば、密封されたシリカチューブの中での金属と硫
黄との高温反応では、生成した硫化物が過剰の金属とそ
こで相溶解して、そして元素供給物の連続反応を許容す
るようなある限定された範囲の金属にしか有効でない。
例えばLa2S3のような不溶性硫化物が部分的に形成され
ると、その反応の停止の原因となり、そしてアンプルの
破壊と爆発とをもたらすことがある。
金属と硫化水素との高温反応は同様に不溶性の表面の
硫化物の生成によって制限され、これが反応の完全な進
行を妨げる。
酸化物と硫化水素及び／又は硫黄蒸気との高温反応は
第II a族の金属のような元素でのみ有効であるけれど
も、数％と言う高いレベルの未反応酸化物不純物を残す
ことがある。これは多くの稀土類元素の酸化物の場合に
は有効的でない。
その上に、稀土類元素の酸化物の多くはこの型の反応
において1300℃を超える温度を必要とし、これは通常の
炉のシステムにとって不便である。
二硫化炭素の蒸気がいくつかの稀土類金属の酸化物に
対して、より効果的な硫化剤であると報告されている。
液体CS2の容器を通して不活性担体ガスをバブリングさ
せ、そのガス状混合物を酸化物の含まれている反応器チ
ューブの中へ通し、そしてこれを約1000℃の温度に加熱
することによりCS2を反応系の中に供給することができ
る。これはCS2が毒性を有し、そして非常に可燃性であ
るので、不快で危険な操作法である。
反応ゾーンで硫黄と炭素とからその場でCS2を生成さ
せることも報告されている。Eastman等〔“J.Amer.Che
m.Soc.",72,2248（1950）〕は、炭素製の炉の中で高め
られた温度において二酸化セリウムの上に硫化水素の流
れを通すことによってこの二酸化物から硫化セリウムを
製造することを報告している。CS（CS2か？）が中間的
に形成されることが推測されている。
これらの方法についての実験室実験により、CS2がよ
り効果的な硫化剤であることが確認された。CS2の危険
な取り扱いを避けるために、炭素と硫化水素とからのそ
の場での生成が研究された。その実験において金属の酸
化物をグラファイト製のボートの中に入れて置いたが、
このものは昇温によりその酸化物の直接の近傍で硫化水
素により腐食された。そのようにして生じた生成物を分
析により調べたところ、各金属硫化物に炭素質不純物及
び／又はグラファイトからのバインダ物質による夾雑物
の含まれていることが示された。
従って本発明の課題は、光学ガラス材料、なかでもフ
ァイバー光学システムに指定されるものに用いるため
の、充分に純粋な種々の金属硫化物を安全で簡単にかつ
効果的な態様で製造することのできる方法を提供するこ
とである。
本発明者等は、金属酸化物をガス状のCS2の流れの中
で500℃と1500℃との間の温度において反応させるに当
り、その金属酸化物の上流において上記CS2を元素状炭
素とガス状H2Sとから、900℃と1500℃との間の温度にお
ける反応により生成させることを特徴とする方法によっ
て、上記の目的が達成できることを見出した。
従って本発明の対象は、ガス状CS2の流れの中での500
℃と1500℃との間の温度において金属酸化物を反応させ
ることにより、対応する金属硫化物を製造する方法にお
いて、そのCS2を元素状炭素とガス状H2Sとから、金属酸
化物の上流で900℃と1500℃との間の温度における反応
により形成させることを特徴とする方法である。
本発明における方法は、ガス状H2Sの流れの中で元素
状炭素とから適当な温度においてCS2をその場で形成さ
せる原理に基づき、引き続いて、そのようにして生成し
たガス状CS2を金属酸化物との反応によって対応する金
属硫化物をもたらすものである。ここでは従来の公知の
同じ原理を用いる各方法と異なって、CS2は酸化物の直
接の近傍において形成されるのではなくて、適切に設計
された反応装置の中で酸化物の上流側の離れた位置にお
いて形成されるのである。
この方法の主な利点は、得られた金属硫化物が不純物
や炭素に由来する夾雑物を含まず、そして0.5重量％を
超えない残留酸化物含有量を示すと言うことである。一
般に、本発明の方法で得られる硫化物の残留酸化物含有
量は0.01ないし0.1重量％の範囲内である。すなわち、
この方法は極めて純粋な金属硫化物をもたらし、それに
よりこれらは光学ガラス材料、なかでも光ファイバー用
途に用いる材料として高度に適している。
更に別な利点は、実際の操作が容易で安全であるこ
と、及びこの方法の適用範囲が広くて実際上いかなる金
属硫化物も対応する酸化物から得ることができることで
ある。
この方法は従来公知の方法が効果的でないとか、又は
実施できない場合に特に有用である。
本発明の方法は好ましくは元素の周期律表の第II a族
の金属、中でもMg、Ca、Sr及びBaの硫化物、第III a族
の金属、中でもAl及びGaの硫化物、第IV a族の金属、中
でもSi、Ge及びSnの硫化物、遷移金属類及び稀土類金属
の硫化物の製造に適用することができる。最も好ましい
のはLa、Pr及びHoの硫化物、すなわちLa2S3、Pr2S3及び
Ho2S3の製造である。
この方法は、元素状炭素と金属酸化物とを隔てて装入
すること、それら両者の存在する各位置を適当な反応温
度まで加熱すること、及び最初にその炭素と接触するに
至るようにガス状H2Sを連続的に供給することを許容す
るような、適切に設計されたいかなる反応装置の中でで
も実施することができる。
好ましい実施態様の１つにおいてこの反応は、水平に
配置された管状反応器の中で行なわれ、この中の第１反
応ゾーンには粉末化された元素状炭素の満たされた容器
が置かれ、そして第２反応ゾーンには適当な量の金属酸
化物で満たされた容器が置かれていて、その際ガス状H2
Sの流れがこの反応器の中に供給され、そしてそれぞれ
の反応ゾーンが必要な反応温度に加熱される。
第１反応ゾーンにおいては、その装入された炭素の上
に適当な温度においてガス状H2Sが供給されたときにそ
の元素状炭素のガス状CS2への転化が起こる。この温度
は少なくとも900℃に保たれるべきであり、その際実用
上の理由から上限は1500℃程度であると考えられる。好
ましくはこの転化温度は950−1000℃の範囲に保たれる
のがよい。
第２反応ゾーンにおいては第１反応ゾーンの中で生じ
たガス状CS2がその装入された金属酸化物と反応して所
望の金属硫化物が生ずる。好ましい反応温度はその金属
酸化物の性質及び個々の要求条件に依存して500℃と150
0℃との間で選ぶことができる。殆どの場合に900℃と10
00℃との間の反応温度が適当である。個々の系及び酸化
物や装入物の反応性に依存して、１つの反応操作は連続
的なH2Sの供給及び最終硫化物への完全な転化のために
加熱下６ないし48時間、好ましくは12ないし24時間の反
応時間を必要とする。
反応設備、例えば反応器チューブや各容器は充分な温
度安定性を有し、かつ用いた反応条件のもとでその酸化
物や炭素、或いは硫化剤と反応を起こさないようないか
なる材料から作られてもよい。高温度に安定なガラス製
品、シリカ又はセラミック材料でできた反応システムが
好適である。好ましくは反応器チューブがシリカででき
ており、そして各容器が適当な寸法のシリカ又はアルミ
ナ質磁器で作られたボートであるのがよい。理想的には
その反応器チューブはこの反応器の中の２つの各温度ゾ
ーンを独立に設定し、かつ制御することを許容するよう
な管炉の中に置かれるのがよい。或いはまた、別個に運
転される２つの炉の中に適当な長さのチューブ反応器を
置いてそれにより必要な２つの反応ゾーンを設定するこ
ともできる。このチューブの一端にH2S及び不活性担体
ガスとしてのN2のための入口が設けられており、そして
他方の端に好ましくは過剰のH2S及びCS2を排除するため
の手段を設けた排出口が連結されている。
粉末化した元素状炭素で満たされたボートをそのチュ
ーブ反応器の第１反応ゾーンの中に置く。グラファイト
又は木炭の形の元素状炭素を使用することができる。金
属酸化物の装入物は第２反応ゾーン内のもう一つのボー
トの中に入れる。転化を容易にするためにその酸化物も
同様に粉末化された形で提供されるべきである。
装置のレイアウトはもちろん所望の製造容量に依存す
る。約20−200gの金属硫化物を製造できる構成に対して
は長さ約1mで直径約50ないし70mmのチューブ反応器が充
分であることが見出されている。
第１図は以下にあげる実施例において用いた反応装置
を示す。
（１）は長さ1m及び直径50mmのシリカ製のチューブ反
応器である。（２）は第１反応ゾーンであり、この中に
粉末化した元素状炭素の入ったボート（Ａ）が置かれて
いる。（３）は第２反応ゾーンであり、この中に粉末化
された金属酸化物の入ったボート（Ｂ）が置かれてい
る。（４）は個別に制御される２つの温度帯域T1及びT2
を備えた炉である。この反応器の中にN2及び／又はH2S
が（５）のところから供給される。過剰のガスはスクラ
バー及び排出口（６）に導かれる。
例１ A :13.5gの活性炭を入れたアルミナ質磁器製ボート T1:950℃ B :41gのHo2O3を入れたシリカ製ボート T2:990℃ この反応器をN2の流れ（0.5リットル／分）のもとに
運転温度にした。次にH2Sを注入（0.2リットル／分）
し、そしてN2の流れを止めた。それぞれの温度とガスの
流れとを48時間保ち、次いで炉をスイッチオフして反応
器をH2Sを流したままで１夜冷却した。H2Sを止めた後で
この反応器をN2でパージし、そして開放した。
ボートＡは49gの硫化ホルミウムを含んでいた。
Ho含有量＝77.5％（理論値＝77.4％）。０含有量＝0.1
％。
ボートＢは僅かな残留木炭を含んでいた。
例２ A :20gの活性炭を入れたアルミナ質磁器製ボート T1:950℃ B :149gのLa203を入れたシリカ製ボート T2:1000℃ 反応器をN2の流れ（0.4リットル／分）のもとに運転
温度にした。次にH2Sを導入した（0.2リットル／分）。
各温度及びガスの流れを24時間保ち、次いで炉をスイッ
チオフし、そしてH2Sを止めた。残りをN2を流したまま
でその反応器を１夜冷却した。反応器を開放した。
ボートＡは158gの硫化ランタンを含んでいた。
La含有量＝74.0％（理論値＝74.3％）。Ｓ含有量＝25.5
％（理論値25.7％）。０含有量＝0.27％。
ボートＢは2.6gの残留木炭を含んでいた。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ハネイ、リチャード イギリス国 ディーティー11 ７ビーキ ュー ドーセット ブランドフォード フォーラム ホワイト クリフ ミル ストリート 29 (56)参考文献 特開 平４−357112（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−192420（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−40295（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C01B 17/20 C01F 7/70 C01F 17/00 C01G 1/00 - 57/00

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】金属酸化物をガス状CS2の流れの中で500℃
    と1500℃との間の温度において反応させることにより対
    応する金属硫化物を製造するに当り、そのCS2を上記金
    属酸化物の上流において元素状炭素とガス状H2Sとから9
    00℃と1500℃との間の温度において反応させることによ
    り作り出すことを特徴とする製造方法。
  2. 【請求項２】反応を水平に置かれた管状反応器の中で実
    施し、この中で、粉末化された元素状炭素の満たされた
    容器を第１反応帯域に、そして適当な量の金属酸化物の
    満たされた容器を第２反応帯域に置き、その際ガス状H2
    Sの流れをこの反応器の中へ供給することを特徴とす
    る、請求の範囲１に従う製造方法。
  3. 【請求項３】グラファイト又は木炭を使用することを特
    徴とする、請求の範囲２に従う製造方法。
  4. 【請求項４】前記金属硫化物がMg、Ca、Sr、Ba、Al、G
    a、Si、Ge、Sn、遷移金属類及び稀土類金属の各硫化物
    のなかのいずれか１種類の硫化物である、請求の範囲１
    ないし３のいずれか１つに従う製造方法。
  5. 【請求項５】前記金属硫化物がLa、Pr及びHoの各硫化物
    のなかのいずれか１種類の硫化物である、請求の範囲１
    ないし３のいずれか１つに従う製造方法。
  6. 【請求項６】前記金属硫化物が0.5重量％を超えない残
    留酸化物含有量を含む金属硫化物である請求の範囲１な
    いし３のいずれか１つに従う製造方法。
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