JP6510155B1 - 金属原子を含む原料をプラズマで処理して原料と異なる生成物を得る製造装置、及び、製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
そして、還元剤としてメタンを使用すると、地球温暖化の原因である二酸化炭素が発生するという問題がある。
Mg + 2H2O → Mg(OH)2 + H2
Mg + H2O → MgO + H2
MgH2 + 2H2O → Mg(OH)2 + 2H2
2MgH2 + 2H2O → 2MgO + 4H2
しかも、水素化マグネシウムは低温の水との反応であっても反応速度が速い。
(1)本発明の水素化マグネシウムの製造方法は、前記水素化マグネシウムと異なるマグネシウム化合物に水素プラズマを照射する手順と、前記水素プラズマが存在する範囲内に配置した前記水素化マグネシウムを付着させる付着手段に前記水素化マグネシウムを含むマグネシウム生成物を付着させる手順と、を含み、前記付着手段の表面温度が前記水素化マグネシウムの析出する所定の温度以下に保たれている。
なお、実施形態の説明の全体を通して同じ要素には同じ番号を付している。
さらに、マグネシウム化合物は、酸素を含む不純物を含まないことが好ましい。
MgH2 + 2H2O → Mg(OH)2 + 2H2・・・(1)
なお、この式1の反応は発熱反応となるため、この反応で出る熱を利用して発電を行うことも可能である。
Mg(OH)2 + 2HCl → MgCl2 + 2H2O・・・(2)
例えば、塩化マグネシウム6水和物と塩化アンモニウムのモル比を1:8程度として加熱処理を行うことで脱水を行う(式3参照)。
MgCl2・6H2O + 6NH4Cl
→ MgCl2 + 6NH4OH + 6HCl・・・(3)
通常、塩化マグネシウムと水素との反応を式で書くと、以下の式4のように表される。
MgCl2 + H2 ⇔ MgH2 + Cl2・・・(4)
MgCl2 + 2H +H2 ⇔ MgH2 + 2HCl・・・(5)
図2は本発明に係る第1実施形態の水素化マグネシウムの製造装置1を説明するための断面図である。
なお、本実施形態では、発生するマイクロ波の周波数を2.45GHzとしているが、この周波数に限定される必要はなく、例えば、通信目的以外で使用できるISMバンドの5GHz、24.1GHz、915MHz、40.6MHz、27.1MHz及び13.56MHz等であってもよい。
具体的には、減圧手段30として、製造装置1は、途中に開閉操作又は開閉制御により排気の有無を決める第1排気バルブ31Aが設けられた第1排気管31を介して第1空間Fに接続された第1真空ポンプ32と、途中に開閉操作又は開閉制御により排気の有無を決める第2排気バルブ33Aが設けられた第2排気管33を介して第2空間Sに接続された第2真空ポンプ34と、を備えている。
例えば、第1真空ポンプ32を動作させておいて、第1圧力計32Aが計測する圧力に基づいて、第1排気バルブ31Aの動作を制御するようにすればよい。
例えば、第2真空ポンプ34を動作させておいて、第2圧力計34Aが計測する圧力に基づいて、第2排気バルブ33Aの動作を制御するようにすればよい。
例えば、水素供給手段は、水素の供給源となる図示しない水素貯蔵部(水素ボンベ又は水素貯蔵タンク)と、水素貯蔵部から反応室2に供給する水素の供給量を制御するマスフローメータ等の流量制御器(第1流量制御器MFC1及び第2流量制御器MFC2)と、を備えている。
そうすると、気化した塩化マグネシウムは反応室2の第1空間F内に向かって流れて行き、第1空間F内に供給されることになる。
このように、製造装置1が、第2加熱部61によって、余分な場所が加熱されないように熱伝導を防止するリフレクタ70のような断熱手段を備える場合、筐体10が高温にならないため、筐体10の各所に使用されているパッキン等の劣化を抑制できるだけでなく、保温効率が高くなるため、消費電力を低減することができる。
一方、冷媒に代替フロン等を用いる場合には、冷媒排出口OUTから排出された代替フロンをコンプレッサで圧縮して、その圧縮した代替フロンを再び冷媒供給口INから導入する循環冷却系(いわゆる、冷蔵庫等と同じである。)のようにすればよい。
一方、表面温度が100℃以下の状態で析出した水素化マグネシウムを含むマグネシウム生成物の場合、水滴を垂らすと水素の分離に伴う激しい発砲現象が見られることを確認しており、発砲しているガスが水素であることについては、水素検知管で確認を行っている。
しかも、窓Wの表面で発生する表面波プラズマとマイクロ波の共鳴によって範囲の広い水素プラズマにすることができる。
このように不活性ガスをいくらか混合しておくことでプラズマが点灯しやすくなるため、マイクロ波表面波水素プラズマの点灯状態を安定させることができる。
まず、前段取りとして、減圧手段30(第1真空ポンプ32及び第2真空ポンプ34)を駆動させ、反応室2内の圧力が所定の圧力(例えば、約10Pa)になるように減圧を行う手順を実施する。
なお、加熱手段60による第1空間F内の温度上昇は、比較的短時間で可能であるため、反応室2内の圧力が所定の圧力に近づいたタイミングで行うようにすればよい。
なお、水素プラズマが発生しているかは、発光スペクトル強度を測定する測定器で確認するようにしてもよい。
なお、マグネシウムを含むガスとは、水素プラズマ中であるため、マグネシウム原子、塩化マグネシウム、水素化マグネシウム等の存在する複合ガスを意味する。
なお、先に式1で説明したように、マグネシウム生成物から水素を発生させる手順での反応は、発熱反応となるため、マグネシウム生成物から水素を発生させる手順で発生する熱をさらに発電に利用する手順を含むものとすることでより一層発電の効率化が図れる。
次に、図3を参照しながら、本発明に係る第2実施形態の水素化マグネシウムの製造装置1を説明する。
図3は、本発明に係る第2実施形態の水素化マグネシウムの製造装置1を説明するための断面図である。
しかし、本発明は、さらに多岐にわたる生成物の生成に有用であり、以下で生成物が水素化マグネシウム以外の場合の例(変形例1、変形例2)について説明する。
なお、以下で説明する変形例1及び変形例2でも既に説明した製造装置1と同様の構成の製造装置を用いることが可能である。
例えば、一般に、チタンは、800〜850℃の温度で塩化チタンに金属マグネシウムを反応させて塩化マグネシウムとチタンを生成させ(式6参照)、生成した多孔質なスポンジチタンを砕いてプレスした後、真空アーク炉で加熱して、チタンの地金として製造されている。
TiCl4 + 2Mg → Ti + 2MgCl2・・・(6)
TiCl4 + 2H2 → Ti + 4HCl・・・・・(7)
ただし、本例の場合、原料貯蔵部51内には、金属原子(チタン)を含む原料としての塩化チタンが貯蔵されることになる。
塩化チタンは、蒸気圧が低いため、原料貯蔵部51内に貯蔵しておくだけで、反応室2(第1空間F)が減圧手段30で減圧されるのに伴って気化される。
このため、先に説明したように、十分に減圧された状態とする場合にあっては加熱する必要はないが、先に説明した原料供給手段50のように加熱できるようになっている方が効率よく、気化させることができる。
なお、このように金属原子(例えば、チタン)を含む原料(例えば、塩化チタン)には、加熱しなくても気化が可能なものがあるので、原料供給手段50や反応室2(第1空間F)が必ずしも加熱手段を有している必要がない場合がある。
また、別の例について説明すると、原料に塩化マグネシウムを用い気化させた塩化マグネシウムを、酸素原子を実質的に含まない窒素を反応性ガスとした反応性ガスのプラズマ(マイクロ波表面波窒素プラズマ)中に供給すれば、以下の反応式(式8参照)で示すように、原料と異なる生成物として窒化マグネシウムを得ることができる。
3MgCl2 + N2 → Mg3N2 + 3Cl2・・・・・(8)
具体的には、先に説明した水素供給手段の水素の供給源となる図示しない水素貯蔵部(水素ボンベ又は水素貯蔵タンク)を窒素の供給源となる(窒素ボンベ又は窒素貯蔵タンク)に変更し、先に説明したマスフローメータ等の流量制御器(第1流量制御器MFC1及び第2流量制御器MFC2)を水素用のものから窒素用のものに変更すればよい。
このため、一般的な製法では、窒化マグネシウムを生成するために、まず、塩化マグネシウムを原料として金属マグネシウムを生成する工程が必要であるが、本発明の方法であれば、金属マグネシウムを生成する工程を省略して、直接、塩化マグネシウムを原料として窒化マグネシウムを生成することが可能である。
なお、この場合には、反応性ガスを供給するガス供給手段として、先に説明した水素供給手段に加え、窒素供給手段を設けるようにすればよい。
つまり、酸素原子を実質的に含まない反応性ガスとは、プラズマとの反応を阻害しない程度に反応性ガス中の酸素のコンタミが少なく、また、プラズマとの反応を阻害しない程度に反応性ガス中の水分のコンタミが十分に低い、露点が低い純度の高い反応性ガスを意味する。
図4は、本発明に係る第3実施形態のシンプルな構成で原料の気化に高温が必要である場合に対応できる、金属原子を含む原料をプラズマで処理して原料と異なる生成物を得る製造装置1を説明するための図である。
なお、金属原子を含む原料は、陽極部56の鉛直方向上側を向く表面56A上に配置される。
なお、図4には記載していないが、原料の減少に合わせて陽極部56上に原料を送る手段を設けるようにしてもよい。
なお、陽極部56が大きくなりすぎると、電子が衝突する箇所が分散され、発熱し難くなるため、陽極部56は、原料の気化に必要な温度に発熱する表面積の大きさや厚み等を有するものとし、一方、陰極部55は、発熱の必要はなく、また、効率よく電子とプラスイオンの均衡を保つように、プラスイオンが接触できる表面積が十分に広く取られたものとするのがよい。
例えば、反応性ガスとしては、希ガス以外で酸素原子を含まないガス、例えば、メタン、フッ化物ガス等であってもよい。
一般的には、付着手段80は、所定の温度範囲よりも高い温度となる場合が多いと考えられるため、所定の温度範囲に保つ手段は、冷却手段となると考えられる。
したがって、製造装置1は、付着手段80の生成物を付着させる表面の表面温度を生成物の析出に適した所定の温度範囲内に保つための温度制御手段を備えることになる。
2 反応室
3 縁切扉
4 取出扉
5 剥離手段
10 筐体
11 仕切部
11A 開口部
20 マイクロ波発生手段
21 導波管
30 減圧手段
31 第1排気管
31A 第1排気バルブ
31B 排気バルブ
32 第1真空ポンプ
32A 第1圧力計
33 第2排気管
33A 第2排気バルブ
34 第2真空ポンプ
34A 第2圧力計
35 分岐排気管
41 第1供給管
41A 第1供給バルブ
42 第2供給管
42A 第2供給バルブ
50 原料供給手段
51 原料貯蔵部
52 原料供給管
53 第1加熱部
53A 第1電源
54 第1温度計
55 陰極部
55A 表面
56 陽極部
56A 表面
57 電圧印加手段
58 原料供給手段
60 加熱手段
61 第2加熱部
61A 第2電源
62 第2温度計
70 リフレクタ
71 冷却管
72 挿入管
80 付着手段
81 表面
82 容器
83 ベルト
90 大気開放管
91 リークバルブ
F 第1空間
IN 冷媒供給口
MFC1 第1流量制御器
MFC2 第2流量制御器
OUT 冷媒排出口
PIN パージ気体供給口
R1 駆動プーリ
R2 従動プーリ
S 第2空間
T 第3空間
W 窓
Claims (5)
- 金属原子を含む原料をプラズマで処理して前記原料と異なる生成物を得る製造装置であって、
反応室内に供給されるマイクロ波を発生させるマイクロ波発生手段と、
前記反応室内に酸素原子を実質的に含まない反応性ガスを供給するガス供給手段と、
前記反応室内に前記原料を供給する原料供給手段と、
前記反応室内を減圧する減圧手段と、
発生する前記プラズマの存在する範囲内に配置され、前記生成物を付着させる付着手段と、
前記付着手段の前記生成物を付着させる表面の表面温度を前記生成物の析出に適した所定の温度範囲内に保つ温度制御手段と、を備え、
前記原料供給手段は、
前記原料を貯蔵する原料貯蔵部と、
気化した前記原料貯蔵部内の前記原料を前記反応室内に供給するための原料供給管と、を備えていることを特徴とする製造装置。 - 前記原料供給手段は、前記原料貯蔵部、及び、前記原料供給管を加熱する第1加熱部を備えていることを特徴とする請求項1に記載の製造装置。
- 前記製造装置は、前記反応室内に前記マイクロ波を入射させる部分に設けられた誘電体材料の窓を備えていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の製造装置。
- 前記製造装置は、反応室内を加熱する加熱手段を備えていることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の製造装置。
- 金属原子を含む原料をプラズマで処理して前記原料と異なる生成物を得る生成物の製造方法であって、
前記原料を気化させて酸素原子を実質的に含まない反応性ガスの前記プラズマ中に供給する手順と、
前記プラズマが存在する範囲内に配置した前記生成物を付着させる付着手段に前記生成物を付着させる手順と、を含み、
前記付着手段の表面温度が前記生成物の析出に適した所定の温度範囲内の温度に保たれ、
前記原料が塩化マグネシウムであり、
前記反応性ガスが窒素又は窒素及び水素を混合したガスであり、
前記生成物が窒化マグネシウムであることを特徴とする製造方法。
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