JP7070067B2 - テトラヒドロほう酸塩の製造方法 - Google Patents
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Description
E=1/2m1v2・t/m2 (A)
式(A)中、Eは被処理物の単位重量当たりの粉砕エネルギーの時間積(kJ・s/kg)、m1は粉砕メディアの総重量(kg)、vは粉砕メディアの速度(m/s)、m2は被処理物の重量(kg)、tは処理時間(s)、をそれぞれ示す。
本実施形態に係るテトラヒドロほう酸塩の製造方法は、ほう酸塩及び炭素系還元剤を含む被処理物に対し、水素(H)を構成元素として含有するガス雰囲気中で、粉砕メディアを用いてメカノケミカル処理を施すメカノケミカル処理工程を備えるものである。
発明者らが先行文献の知見に基づき、コストを低減するべく、単にアルミニウムを炭素系材料に置き換えて検討をしたところ、メタほう酸ナトリウムを水素化して水素化ほう素ナトリウムを製造することができないことが判明した。この理由は定かではないが、発明者らは次のように推察している。以下、水素(H)を構成元素として含有するガスとして水素ガスを、ほう酸塩としてメタほう酸ナトリウム(NaBO2)を、炭素系還元剤として黒鉛をそれぞれ用いた場合を例にとり説明する。
NaBO2+2C+2H2→NaBH4+2CO (1)
NaBO2+2CO+2H2→NaBH4+2CO2 (2)
E=1/2m1v2・t/m2 (A)
E:被処理物の単位重量当たりの粉砕エネルギーの時間積(kJ・s/kg)
m1:粉砕メディアの総重量(kg)
v:粉砕メディアの速度(m/s)
m2:被処理物の重量(kg)
t:処理時間(s)
本実施形態に係る製造方法は、メカノケミカル処理工程前に、ほう酸塩を加熱する予備加熱工程をさらに備えていてもよい。本工程により、ほう酸塩水和物が結晶水として含んでいる水を予め除去することができる。そのため、メカノケミカル処理工程において無用の水分が存在せず、メカノケミカル処理効率を向上でき、テトラヒドロほう酸塩を製造する速度を速めることができる。
本実施形態に係る製造方法は、メカノケミカル処理工程前に(かつ予備加熱工程を設ける場合は当該予備加熱工程前に)、テトラヒドロほう酸塩と水とを反応させてほう酸塩を得る工程をさらに備えていてもよい。テトラヒドロほう酸塩を水素キャリアとして用い、水素の需要場にてテトラヒドロほう酸塩に水を加えることにより水素を取出して使用した後、その化学反応において生じた残渣であるほう酸塩を水素供給場に戻して再度水素化することで、テトラヒドロほう酸塩を再生することができる。脱水素と再水素化を繰り返し生じさせて水素を輸送貯蔵できるので、安価に水素を輸送貯蔵することが可能になる。例えば、テトラヒドロほう酸塩としてテトラヒドロほう酸ナトリウムを用いた場合、本工程にて以下の反応(4)が生じると考えられる。
NaBH4+2H2O→NaBO2+4H2 (4)
(ほう酸塩)
ほう酸塩としては、例えばメタほう酸塩、四ほう酸塩、五ほう酸塩等のほう酸塩が挙げられる。メタほう酸塩としては、例えばNaBO2、KBO2、LiBO2、Ca(BO2)2、Mg(BO2)2等が挙げられる。四ほう酸塩としては、例えばNa2B4O7、Na2O・2BO3、K2O・B2O3、Li2B4O7、Mg3B4O9等が挙げられる。五ほう酸塩としては、例えばNaB5O8、Na2O・5B2O3、KB5O8、K2O・5B2O9、LiB5O8等が挙げられる。また、天然のほう酸塩鉱物であるNa2B4O7・10H2O、Na2B4O7・4H2O、Ca2B6O11・5H2O、CaNaB5O9・6H2O、Mg7Cl2B17O30等を用いることもできる。入手容易性、入手コスト、化学的安定性、水素脱着容易性、水素貯蔵密度等の観点からは、ほう酸塩としてメタほう酸ナトリウムを用いてもよい。
テトラヒドロほう酸塩としては、上記に例示したほう酸塩に対応する水素化物が挙げられる。例えば、ほう酸塩としてメタほう酸塩を用いた場合、NaBH4、KBH4、LiBH4、Ca(BH4)2、Mg(BH4)2等が挙げられる。
図1は、テトラヒドロほう酸塩の製造装置の一例を示す模式図である。図1に示す装置100は、円筒状の反応容器10、反応容器10の両端面のそれぞれの中心部に連結された第一シャフト(ボールミルシャフト)11、各第一シャフト11を回転可能な状態に支持する軸受12、及び軸受12を支持する架台13を備えるミル機構と、駆動モーター20、及び駆動モーター20の駆動力により回転する第二シャフト(モーターシャフト)21を備えるモーター機構と、を備える。また、駆動ベルトBが、第一シャフト及び第二シャフトがそれぞれ備えるプーリー(図では駆動ベルトB裏部にあるため点線にて表記)の外周に掛けられている。第二シャフト21の回転力は、駆動ベルトBを介して第一シャフト11の一方に伝えられる。これにより、第一シャフト11に連結されている反応容器10が回転する。
Claims (9)
- ほう酸塩を加熱して結晶水を除去する予備加熱工程と、
結晶水を除去した前記ほう酸塩及び炭素系還元剤を含む被処理物に対し、水素を構成元素として含有するガス雰囲気中で、粉砕メディアを用いてメカノケミカル処理を施すメカノケミカル処理工程と、を備える、テトラヒドロほう酸塩の製造方法。 - 前記メカノケミカル処理工程が、下記式(A)で表されるEが150kJ・s/kg超となるようにして実施される、請求項1に記載の製造方法。
E=1/2m1v2・t/m2 (A)
[式(A)中、Eは被処理物の単位重量当たりの粉砕エネルギーの時間積(kJ・s/kg)、m1は粉砕メディアの総重量(kg)、vは粉砕メディアの速度(m/s)、m2は被処理物の重量(kg)、tは処理時間(s)、をそれぞれ示す。] - 前記処理時間が1500~36000(s)である、請求項2に記載の製造方法。
- 前記メカノケミカル処理工程が、高温反応場を生じさせる第一の処理工程と、低温反応場を生じさせる第二の処理工程とを備え、前記高温反応場及び前記低温反応場の温度差が200℃以上である、請求項1~3のいずれか一項に記載の製造方法。
- 前記第一の処理工程が800℃以上の反応場を生じさせる工程である、請求項4に記載の製造方法。
- 前記第二の処理工程が600℃以下の反応場を生じさせる工程である、請求項4又は5に記載の製造方法。
- 前記ほう酸塩の平均粒子径が1mm以下である、請求項1~6のいずれか一項に記載の製造方法。
- 前記ほう酸塩がメタほう酸ナトリウムである、請求項1~7のいずれか一項に記載の製造方法。
- 前記予備加熱工程前に、テトラヒドロほう酸塩と水とを反応させてほう酸塩を得るほう酸塩調製工程をさらに備える、請求項1~8のいずれか一項に記載の製造方法。
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