JPH0570112A - Nf3とcf4の混合物から精製nf3の回収法 - Google Patents

Nf3とcf4の混合物から精製nf3の回収法

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JPH0570112A
JPH0570112A JP4061104A JP6110492A JPH0570112A JP H0570112 A JPH0570112 A JP H0570112A JP 4061104 A JP4061104 A JP 4061104A JP 6110492 A JP6110492 A JP 6110492A JP H0570112 A JPH0570112 A JP H0570112A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 平衡をベースとする分離に、高純度レベルの
精製が大量に必要とされる時に、効率の不利益という先
行技術の欠点を克服することである。 【構成】 気/固クロマトグラフ分離を用いるガス混合
物の動分離法で、詳述すれば、特種の吸着剤上で有意の
量のNFをCFから動力学的に駆動する気/固クロ
マトグラフ分離により高純度、たとえば99.99%の
NFを回収する方法。 【効果】 先行技術の不利益が克服され、NFとCF
分子に極めて物理的に適合した性質の有効な分解が得
られ、高効率かつ99.99%以上という高純度のNF
の大量分離が達成できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、粗第1成分には第2成
分の不純物が含まれる前記粗第1成分を精製し、動気/
固クロマトグラフィーを用いて超高純度第1成分を生産
する方法に関する。詳述すれば、本発明は、汚染物CF
のNFを動力学で駆動される気/固クロマトグラフ
ィーを用いて連続かつ準備的方法で精製する方法に関す
る。
【0002】
【従来の技術】三弗化窒素(NF)は、高く評価され
た物質で、又主として電子装置の微小規模の結合構造物
生産に用いる腐食液として、又組立て装置の洗浄剤とし
て電子装置組立工業で価値を認められた弗素ソースであ
る。あらゆる電子材料についてもそうであるように、工
業界では、ますます高純度のNFをその生産設備で用
いるよう強いられている。いくつかの用途では、99.
999%という高い純度のNFが好ましいとされてい
る。
【0003】四弗化炭素(CF)、NF生産の数多
い合成方法で発見される典型的汚染物である。CF
NFから普通の分離方法、たとえば、蒸留及び大量吸
着による除去は、CFとNFの吸着の沸点、分子大
きさ及び熱が類似しているため、不可能である。NF
がCFで汚染されると、電子装置工業にとっては、電
子装置の微小規模の結合構造において炭素吸着の可能性
があるため、とりわけ問題となる。
【0004】NFの精製技術は、先行技術で周知であ
る。たとえば、米国特許第4,156,598号では、
をNFから、ガスを含む前記NFとN
をニッケル触媒と接触させ、その後N副生成物
をゼオライト吸着剤に吸着させて除去する技術を開示し
ている。CFの除去についての詳述はない。米国特許
第4,193,976号は、ニッケル触媒を使用してN
のNF精製の脱弗素法を開示する。CFが存
在することは、第4欄58行で確認され、又実施例3で
は、5Aゼオライト分子篩の使用が、所望のNFをお
おいに低次化させるため適当でないことを示唆してい
る。
【0005】沸点がNF(−129℃)とCF(−
128℃)で非常に接近していることを考えると、高純
度NFのCFからの大量回収の蒸留技術は実行可能
とは言えない。NFの他の化合物からの蒸留は、たと
えば米国特許第3,181,305号で、NFの亜酸
化窒素と4弗化ヒドラジンからの蒸留を立証しているよ
うに容易に認知できる。そのうえ、双極子能率と、NF
及びCFの吸着熱が有意に接近しているので、NF
の通常の大量吸着回収技術による回収は実施可能でな
い。
【0006】色々ある弗素含有化合物の中でNF測定
に用いる分析ガスクロマトグラフィーは、1968年7
月刊、「ジャーナル.オブ.ガス.クロマトグラフィ
ー」第6巻、第392乃至393頁に記載のラリーG.
スピアーズほかによる論文「アナリシス.オブ.F
HF、NF、t−N.アンド.Nミック
スチュアーズ.バイ.ガス.クロマトグラフィー(An
alysis of F HF NF t−N
and N Mixtures byGas
Chromatography)」で開示された。
【0007】米国特許第4,772,296号では、種
々の第3族及び第5族元素とそのハロゲン化物の電子装
置工業水準の純度調製の分取りガスクロマトグラフィー
技術を開示している。ハロゲン化窒素もとり上げてい
る。分離は、多孔質重合体たとえば「ポロパック(Po
ropak)を充填したクロマトグラフ塔で行われた。
【0008】詳述すれば、米国特許第3,125,42
5号は、クロマトグラフ吸着剤としてのシリカゲル上に
ペルハロゲン化重合体を塗被したガスクロマトグラフィ
ーにより分離できることを開示する。これは、気/液平
衡クロマトグラフィーを構成し、その場合のガスがCF
とNFであり、又、液体がシリカゲル支持体上に塗
被する重合体である。高速の操作を第4欄第19行乃至
21行で詳細に開示する。
【0009】これらのクロマトグラフ技術は平衡ベース
で機能する。平衡クロマトグラフ分離では、クロマトグ
ラフ層の全長を蔽う吸着剤が分解される前記様々の成分
が、その個々の蒸着特性に関して平衡する蒸留トレーも
しくは吸着部位の無限級数として作用する。クロマトグ
ラフ.プロセス.キャリヤーガスは、クロマトグラフ塔
の吸着剤の全長を蔽う供給ガスのガス種を押し流して、
ガス元素を吸着剤の各段とクロマトグラフ塔に向ける。
しかし、操作の平衡条件にあっては、クロマトグラフ分
離は、個々のガス種の吸着熱がほとんど一致する場合、
分離される大量のガス種生産は困難で、その結果、大量
の高純度分離の分解不良、純度不良、緩慢な処理時間又
は(及び)装置の大きさによるかなりの分類をもたら
す。
【0010】分取りガスクロマトグラフィーの平衡性質
は、ラルフ.T.ヤング(Ralph T.yang)
がその引用文献「ガス.セパレーション.バイ.アドソ
ープション.プロセス(Gas Separation
by Adsorption Process)」の
第213頁で述べている「吸着法と比較してクロマトグ
ラフィーの高分離効率はガスと吸着剤相の間の連続接触
と平衡が原因である。おのおのの接触が平衡段又は理論
段と同等である」という論旨が実証している。同じ文献
の第214頁では、段理論において、塔は有限数の仮定
段からなるものと考えられ、平衡が各段で達成される」
とも述べられている。
【0011】そのうえ、「プリンシプル.オブ.アドソ
ープション.アンド.アドソープション.プロセス(P
rinciples of Adsorption a
ndAdsorption Process)」と題す
るダクラス.M.ルースヴェン(Douglas M.
Ruthven)と題する文献の第325頁、第10章
「クロマトグラフィック.セパレーション.プロセス
(Chromatographic Separati
on Processes)」で「クロマトグラフ法の
分離力は、塔を通過する道中で、吸着性種の各分子を移
動相と固定相の間で何度も平衡させるため発生するので
ある。各平衡は、1つの「平衡段」もしくは「理論段」
に同等する」と述べている。
【0012】カナダ国特許第785,747号では、熱
水処理NaAゼオライトが水をフレオンから除去するこ
とを開示している。
【0013】A型ゼオライトの熱水安定性を前記文献で
報告しているが、資料には、それが本発明の発明者、
E.G.トチロルスカヤ(Tochilolrskay
a)ほかの「Grozen.Neft.Nausch,
Issled.Inst.」第25巻第82−90頁が
再版された時には、利用価値がなかった。
【0014】4Aと5Aゼオライトの拡散研究が吸着分
子に関し行われた。すなわち:1989年刊、J.カル
ガー(Karger)ほかによる「ゼオライツ(Zeo
lites)」第9巻第267乃至281頁、1986
年刊、J.カルガーほかによる「ゼオライツ」第6巻第
146乃至150頁、又1987年刊、J.カルガーほ
かの「ゼオライツ」第7巻第90乃至107頁である。
【0015】ゼオライトの気孔閉鎖中の構造変化が4A
及び5Aゼオライトに対して、1987年刊、J.カル
ガーほかによる「ゼオライト」第7巻第282乃至28
5頁に報告の通り研究された。
【0016】ヨーロッパ特許出願第0366078号で
は、NFをNO、CO及びNから熱処理ゼ
オライトを用いて精製する方法を開示している。方法
は、平衡吸着であって、ゼオライトの気孔寸法にはなん
ら制限を加えていない。
【0017】
【発明が解決しようとする課題】先行技術では、NF
の精製の様々な技術が試みられ、又CFが平衡をベー
スにしたクロマトグラフィー、詳述すれば平衡をベース
にした気/液クロマトグラフィーにより伝統的に分解さ
せてきたNFの周知の汚染物であることを実証する。
このような平衡ベースの分離には高純度レベルの精製が
大量に必要とされる時には、効率の不利益という欠点が
ある。本発明の目的は下記にさらに詳細に述べるよう
に、これらの先行技術の欠点を克服する精製NFの回
収法を提供することである。
【0018】
【課題を解決するための手段】本発明は、精製した第1
成分を、少くとも第1成分と第2成分の混合物から回収
する方法であって、それには、不活性キャリヤーガスの
連続流れにある前記第1と第2成分の混合物の個別パル
スを、一方の成分が他方の成分よりもさらに容易に動的
に吸収されかつ、動的分離に適する質量速度での前記両
成分の動的分化に十分に有効な気孔窓が備わる多孔質吸
着剤の層を透過させることと、前記第1成分を前記第2
成分に還元した生成物第1成分として前記層から別々に
回収することからなる気/固クロマトグラフィーを用い
ることを特徴とする。
【0019】好ましくは、本発明は、NFとCF
はNFもしくはCFのいずれかをNFとCF
混合物から別々に回収する方法で、それが、NFとC
の混合物を不活性ガスに入れて、通常4A分子篩と
言われているナトリウム交換ゼオライトAの気孔窓より
も大きく、又通常5A分子篩と言われるカルシウム交換
ゼオライトAのそれよりも小さい有効気孔窓が備わる多
孔質吸着剤の層を、少くとも1時間当り、1cm当り
1.0gの質量速度と、約100℃以下の層温度で通過
させることと、おのおのが他方の成分の還元成分を有す
るNFとCF又はそのいずれかを前記層から別々に
回収することからなることである。
【0020】好ましくは、NFとCFの混合物をキ
ャリヤーガスの連続流れにある別個のパルスで前記層を
透過させることである。
【0021】好ましくは、吸着剤が水熱前処理した5A
ゼオライト分子篩であること。別の例として、吸着剤が
斜方沸石であることである。
【0022】好ましくは、分離を、吸着剤上でNF
CFの相対的吸着の動力学的機構を遂行する条件で行
われることである。
【0023】好ましくは、有効気孔窓が約4.4オング
ストローム乃至4.8オンスグストロームであること。
【0024】好ましくは、有効気孔窓が約4.6オング
ストロームであること。
【0025】好ましくは、層温度が、0℃乃至60℃の
近似範囲であること。
【0026】好ましくは、層温度が、約30℃であるこ
と。
【0027】好ましくは、質量速度が、1時間当り、1
cm当り2.5乃至8.6gの範囲であること。
【0028】好ましくは、回収NFの純度が、少くと
も99.99%NFであること。
【0029】好ましくは、回収CFの純度が、少くと
も99.99%CFであること。
【0030】好ましくは、前記5Aゼオライト分子篩を
水で飽和させることと、80℃以下の温度で表面乾燥さ
せて表面水分を除去すること、及びその後、不活性雰囲
気に入れて約30℃の温度で約16時間加熱することで
水素処理することである。
【0031】好ましくは、不活性キャリヤーガスを、ヘ
リウム、水素、アルゴン及び窒素からなる群より選ぶこ
とである。
【0032】好ましくは、回収NFを前記吸着剤の1
つ以上の付加通路を通して処理すること。
【0033】好ましくは、回収CFを前記吸着剤の1
つ以上の付加通路を通して処理することである。
【0034】詳述すれば、本発明は、精製NFをNF
とCFの混合物から回収する方法に関するもので、
そこでは、不活性キャリヤーガスの連続流れにあるNF
とCFの混合物の個々のパルスを、CFよりさら
に容易に動的にNFを吸着し、水熱前処理した5Aゼ
オライト分子篩と、斜方沸石からなる群より選ばれ、
4.4乃至4.8オングストロームの範囲の有効気孔窓
が備わる多孔質吸着剤の層を、1時間当り、1cm
り2.5乃至8.6gの質量速度と、0℃乃至60℃の
範囲の層温度で通過させることと、前記NFを、少く
とも99.99%NFの純度を有する生成物NF
して前記層から回収することからなる気/固クロマトグ
ラフィーを用いることを特徴とする。
【0035】
【作用】意外にも確められたことは、NFが、前記ガ
ス混合物の2つの種の極めて接近した特徴にもかかわら
ず、気/固クロマトグラフィープロセスを、平衡機構と
対照的に動力学的機構を用いる分離を効率よくするよう
な条件におき又、適当な吸着剤を利用して操作すること
で大量に分解できることである。クロマトグラフ分離
は、CFで汚染された大量のNFを高流量と、NF
の滞留と安定性に有利な条件での処理を可能にする一
方、大量のNFを、たとえば電子装置工業に必要な、
99.99%以上のNF純度にうまく処理するに要す
る資本的支出を最少限にできる。
【0036】詳述すれば、本発明は、CFをNF
ら除去する分取りクロマトグラフィー法の改良で、それ
により水熱処理した5Aゼオライト分子篩をクロマトグ
ラフ吸着剤として用いる。本発明による水熱処理されて
いない5Aゼオライト分子篩を用いると、NFからC
の規格に合う分離はできない。
【0037】大きいCF/NFの分離率が、意外に
も得られる別種の吸着剤は斜方沸石である。等温測定で
は、NFが吸着する同じ強さでCFが斜方沸石上で
吸着することを示すが、本発明による分取りクロマトグ
ラフィー分離工程中でも、CF吸着は妨げられ、従っ
て大量のCF/NF分離を可能にする。適当な斜方
沸石が米国特許第4,732,584号に述べられてい
るが、それ全体をこの明細書で参考として組み入れてい
る。斜方沸石は、3次元通路方式と三重対称の天然に存
在する小気孔ゼオライトである。その構造は、積重ね、
2重6環プリズム(D6R単位装置)からなり、それ
は、立方体最密構造をつくる4環によって相互連結され
ている。6環の層を傾斜4環で結合して極めて多孔質の
構造をつくっている。斜方沸石は周知の最も多孔質の天
然に存するゼオライトのうちの1つであって、その気孔
容積が0.47cc/ccである。斜方沸石には、Ca
(AlSi24)・13HOの典型的単位格
子組成が備わり、SiのAlに対する比が1.6乃至
3.0である。天然斜方沸石には通常カルシウムもしく
はストロンチウムのいずれかでの特別立体網状陽イオン
の過半数が備わるが、ナトリウム及びカリウム型も周知
である。斜方沸石は世界の多数の場所で発見される全く
普通のものである。様々の産地の完全な一覧表は198
5年ニューヨークのスプリンガー・ベルラック(Spr
inger−Berlag)出版のゴッタルディ(Go
ttardi)とガリ(Galli)のテキスト「ナチ
ュラル、ゼオライツ(Natural Zeolite
s)」とその中の引例に見つけることができる。斜方沸
石は、堆積埋蔵物もしくは火山堆積物のいずれかに発見
される。堆積斜方沸石が普通で、西アメリカ合衆国に産
する中乃至高純度鉱石に含まれる。大部分の堆積斜方沸
石には、様々な量のクリノプチロライト(Clinop
tilolite)、毛沸石とモルデン沸石が含まれて
いる。いくつかの事例では、これらの汚染物ゼオライト
相は、X線では検知されないので、実験結果の解釈を極
めて複雑にしている。この発明では、斜方沸石が、斜方
沸石の形状が備わり、又斜方沸石の一般IUPAC構造
コード(CHAB)に属する合成ゼオライトの大量が含
まれる。これらの相はその結晶構造でわずかに変化でき
る。
【0038】斜方沸石をその最適能力が発揮できるレベ
ルに脱水するには、ゼオライトの空洞から、陽イオンを
囲繞する水をも含め、ゼオライトの構造を破壊させるこ
となく除去するなんらかの方法で行うことができる。こ
れを実施可能の方法で達成するには、斜方沸石を250
乃至500℃の範囲の温度を、ゼオライトの水分を約
1.5%以下に、ゼオライトに構造上の損失をもたらさ
ないで低下させるに適したなんらかの条件で維持させる
ことができる。
【0039】通常、ゼオライトAはナトリウム型で合成
され、Na12Al12Si1248・27HOの
典型的な単位格子組成を水和状態で備える。ゼオライト
Aの構造は、前記4部分からなるプリズムにより互いに
結合されて開放立体網状構造を形成する方ソーダ石(時
には、アルキメデス14面体と呼ばれる)からなる。ゼ
オライトAはリンデ(Linde)型A(LTA)の一
般IUPAC構造コードに属して含まれている。脱水す
ると、ゼオライトAは異なる大きさの分子をその陽イオ
ンの型によって吸収する。ゼオライトAの気孔へのアク
セスは、8部分からなるリングによる制約があり、それ
には4.3オングストロームの自由開口部がある。しか
し、ナトリウム型では、ナトリウムイオンが前記8環を
部分的に閉塞し、その有効直径を縮小させる。気孔大き
さのこの変化は、ゼオライトAの異なるイオン型が異な
る大きさの分子を吸着させる。純粋ナトリウム型(すな
わち4A)では、ゼオライトAは、エチレン(3.9オ
ングストローム)もしくはメタン(3.8オングストロ
ーム)より大きい分子を周囲温度で排除することで周知
である。約60%のナトリウムをカルシウムで置換する
と、5Aと呼ばれる吸着剤となって、有効直径がn−パ
ラフィン(4.3オングストローム)を同一条件にあっ
て吸着できる大きさに拡大する。気孔のこの変化は、直
鎖状炭化水素を分枝状と環状単量体から分離する素地で
あることが周知である。
【0040】本発明の方法は、分取りガスクロマトグラ
フィーの周知の方法で、CFをNFから、より高レ
ベルのNF純度でさらに有効に除去する改良である。
この改良は、動力学的機構を用いるさらに有利な分離方
法の認識と、前記動力学的機構プロセス条件でNF
強力に吸着してもCFを吸着しないように数種の吸着
剤により代表される吸着剤の種類の開発とから実現し
た。水熱処理5Aゼオライト分子篩と斜方沸石の双方と
も、本発明のクロマトグラフ条件にあって、平衡条件で
有意のCF吸着を明らかに示す等温データにかかわら
ず意外にもCFを吸着しない。分取りガスクロマトグ
ラフィーが、平衡方法として一般に注目され、又技術が
認められているため、本発明の結果は意外なものであっ
た。
【0041】含有CFからNFを精製する適切な分
離方法の開発に伴う問題を、下表1に列挙する種々の分
子の特徴別に示す。
【0042】
【表1】 ―――――――――――――――――――――――――――――――――――― 物理的性質 CF NF 注 解 ―――――――――――――――――――――――――――――――――――― 沸 点 −128℃ −129℃ 相対揮発度は1.01よ り大。 分子の大きさ 4.8 4.5 CFはNFより大、 オングストローム オングストローム 従って動分離に基く通常 の大量吸着は不可能。 磁気双極子 0.0D 0.235D CFの磁気双極子モー モーメント メントはNFのそれよ りも低い。従ってCF の吸着熱はNFのそれ と同じか低い。 これは、平衡分離に基く 通常の大量吸着を不可能 にする。 ―――――――――――――――――――――――――――――――――――― 表1で注目されるように、NFとCFの接近した沸
点は、これらの化合物を大量に又高純度で大量分離させ
る蒸留の有効使用を妨げる。そのうえ、NFとCF
の分子の接近した分子の分粒は、普通の大量吸着技術の
使用に水をさす傾向がある。詳述すれば、NFが所望
の生成物であり、動力学に基きCFを上回って優先的
に吸着するものという事実にかんがみて言えることであ
る。CF の磁気双極子モーメントがNF以下であ
り、従ってCFの吸着熱はNFと同じか低いという
事実は、平衡分離に基く普通の大量吸着を非現実的なも
のにする。計算機蒸留シュミレーションでは、NF
CF蒸留の分離係数が1.01よりも小さいことを示
している。CFには、NF分解温度以下の温度での
反応化学的性質が備わり、従って、CFをNFから
反応させ得ない。それ故に、汚染物CFからNF
精製する伝統的方法は、NF/CF検知に用いられ
る分析クロマトグラフィーの従来の経験にもかかわら
ず、高純度大量分離には実行可能であるとは考えられな
かった。実際問題として、多孔質高分子吸着剤であるポ
ラパック(Porapak)Qは、CFとNFの定
量ガスクロマトグラフィー分析に用いられる吸着剤であ
る。CFは、大きいNFのピークに至る肩として現
れ、又この分離が定量分析に適当であっても、それが高
純度での効率のよい大量ガス精製法にとって、十分な分
離とは言えない。
【0043】本発明の発明者は、気/固クロマトグラフ
分離の吸着剤と条件の選択が従来、分取りガスクロマト
グラフィーで真価を認められなかった動力学的機構によ
るNFのCFからの分離に唯一の機会を提供するこ
とを意外にも確認する結果となった。この独特の分離の
動力学的機構が、条件を気/固クロマトグラフ充填塔中
の適当な吸着剤上に維持して、種CFとNFが実質
的に動力学に基き、前記ガス種が吸着剤のクロマトグラ
フ層又は域を通って不活性キャリヤーガス例えばヘリウ
ム、アルゴン、水素、窒素により運搬されるに従って影
響を受ける。動力学的機構が影響されるようにする1つ
のパラメーターには、好ましくは約4.4乃至4.8オ
ングストロームの範囲の有効気孔窓が備わる吸着剤上で
の作業が含まれる。この発明の吸着剤として有効気孔窓
は異なる寸法の分子プローブ分子を用いる是認された方
法[1974年ジョンワイリー(John Wile
y)刊、D.W.ブレック(Breck)による「ゼオ
ライト.モールキュラー.シーヴズ(Zeolite
Molecular Sieves)参照]により、
4.4乃至4.8オングストロームの範囲であると測定
された。プラグケージ分子の使用がゼオライトの気孔大
きさを測定する最善の方法である。様々なプローブ分子
の限界直径(すなわち、最小平衡横断面直径から算出さ
れたレナードジョーンズ動直径)を用いると、十分に是
認される微孔大きさの有意義な尺度を規定できる[19
67年ニューヨークのアカデミック出版社発行、R.
L.ボンド(Bond)編、D.H.T.スペンサー
(Spencer)著「ポーラス.カーボン.ソリッズ
(Porous Carbon Solids)]参
照)。この動力学的機構に影響を及ぼし得る別のパラメ
ーターには、不活性ガス中のCFとNFが吸着剤の
クロマトグラフ層もしくは域を通って塔に入る入口での
質量速度を、1時間当り、1cm当り約2.5乃至
8.6gに管理することが含まれる。動力学的クロマト
グラフ分離温度を約0℃乃至60℃の範囲にすることが
望ましい。好ましくは、有効気孔窓が約4.6オングス
トロームであること。作業の好ましい温度が約30℃で
あることである。好ましい質量速度は1時間当り、1c
当り約8.6gであること。経験からすると、これ
らの条件では、この発明の方法で、供給材料に存在する
CFの98%が除去されることがわかっている。NF
中のCFの初期濃度により、多段式又多通路式工程
を使用して所定の純度を達成する必要がある。下記実施
例でさらに詳細に説明しているように、本発明では、5
Aゼオライト分子篩の特定の前処理で所定の動力学的に
作用する吸着剤のみならず、本発明の方法で同様の動力
学に基く機構作用を付与する様々の斜方沸石も提供する
ことが確認された。
【0044】本発明で選ばれた吸着剤を、クロマトグラ
フ分離の動力学的機構で上に詳述した条件にして使用す
ると、本発明の方法は、図1を参照して具体的に示すこ
とができる。CFで汚染されたNF源は、前記ガス
を管路12に送り、管路16で投与されるヘリウム14
のような不活性キャリヤーガスと混合される。管路12
のNFとCF及び管路16のヘリウムキャリヤーガ
スは、供給管路18で混合されて、本発明の適当な動力
学的に作用する吸着剤で充填されたクロマトグラフィ層
もしくは域20に送られる。前記ヘリウムキャリヤーガ
スは前記層20を通って間断なく流れる一方、前記NF
/CF混合物10は個々の噴射のパルスにしてキャ
リヤーガスの連続流れに時系列で送り、前記NFとC
が前記層吸着剤上で供給ガスの個々のパルスとの干
渉なしに分解させる。分解したCFとNFは塔20
を出て管路22の、分離の動力学的機構の下で作用する
前記パルスと前記層20の分解力に基き、又、管路を通
って流れるキャリヤーガス中のCFとNFを伝熱式
検知器30による検知に基き個々の部分に入る。NF
は、それが層20を離れると適当な弁切換と、管路24
を通る通路と、極低温収集装置26での凝縮により分離
収集されて、99.99%のNFとなる。キャリヤー
ガスを除去して管路28に入り、CFの検出部分を分
離除去でき管路34に入る。管路36にあるキャリヤー
ガスの副流が前記伝熱検知器30を通過して、管路38
で排気する。
【0045】通常の5A分子篩よりも小さい有効気孔大
きさの5A分子篩を水熱処理して新しい吸着剤を調製し
た。普通の5A分子篩を使用すると、CFとNF
は、ポラパックQを用いて観測されたものと酷似した同
様の保持時間が備わる。水熱処理した5A分子篩を用い
ると、有効気孔大きさを、CFが、本発明の方法でC
がもはやゼオライト結晶に吸着されなくなるほどに
縮小させるが、それでもCFより小さい分子大きさの
NFを吸着するだけの大きさがある。最終的な結果
は、CFが非常に早く溶出し、NFは大いに保持さ
れて分取り気/固クロマトグラフ精製が実行可能な分離
方法であるものとなっている。前記水熱処理は2つの方
法で達成できる。流動法は、5A分子篩を湿潤させて、
それが12乃至26%(好ましくは16乃至21%)の
水が重量比で含まれるようにすることである。湿潤吸着
剤をその後、塔に充填する。ヘリウムの1時間当り、1
cm当り0.04gという低い質量速度で前記塔を通
過させながら、塔を急速温度傾斜速度(約15℃/分)
で300℃の温度に加熱する。温度を300℃に数時間
の間、全量の水が塔から除去されるまで保持する。固定
法は、5A分子篩を湿潤させて、それが重量比で6乃至
11%の水を含むように行うことである。湿潤篩の圧力
を下げて0.1トルまで排気されたステンレス鋼ボンベ
に取り付ける。ボンベを密封して、都合のよい温度傾斜
速度で温度を300℃に加熱する。温度を6乃至18時
間の間維持して、その後、試料ボンベを開放、減圧して
水を除去して篩を乾燥する。もちろん、5Aの源、その
カルシウム交換レベル、バインダーの種類、及び以前の
水熱歴は、本発明の5A吸着剤生成に必要な水熱処理の
厳密な条件を変化できる。しかし、これは過度の実験な
しに確認できる。
【0046】様々の形態の斜方沸石上のCFとNF
の等温測定では、平衡にあって、CFのみならずNF
も吸着し、これは、斜方沸石が平衡をベースにするC
とNFの分取り気/固クロマトグラフィー分離の
実行可能な吸着剤にはならないとの結論に繋がることを
明らかに示している。同じことが気孔閉鎖5A分子篩に
も言えることを注意すべきである。しかしこれらの吸着
剤上のCF吸着は、それを本発明の方法で用いられる
動力学的分取り気/固クロマトグラフィー吸着剤として
使用する時、妨げられ、CFとNFの間の大量分離
が意外にも得られる。
【0047】
【実施例】
実施例1 未処理5A分子篩 分取り気/固クロマトグラフィー(PrepGCと略)
の略図を図1に示す。塔上を3乃至5l/分の流量で間
断なく流れるヘリウムガスで、CFとNFの1対1
の混合物であるガス試料の15gを塔の上に流す。前記
ガスの成分には塔充填材料との相互反応の程度により塔
上での異なる滞留時間が備わる。塔からの流出液を伝熱
検知器(TCD)で監視する。CFとNFが時間を
異にして溶出する場合、PrepGC分離が、ガス流れ
を極低温凝縮器に案内することで達成できる。その時、
NFが溶出し、前記ガス流れをそれ以外の時間は常に
排気する。2″(約5.07cm)OD×40″(約1
01.59cm)塔を、1kgの未処理5A分子篩で充
填する。観測されたTCDからの産出量を図2に示す。
明らかにCFがNFから分離されなかったので、P
repGC分離は、未処理5A分子篩を用いては遂行で
きない。 実施例2 5A分子篩の水熱処理−固定法 75gの完全乾燥5A分子篩を、篩が重量比で6%の水
を吸収するまで、水蒸気に曝した。その後、圧力を0.
1トルに低下するまで排気した150cc試料筒に前記
篩を取り付けて、密封した。前記試料筒を300℃の温
度に18時間加熱した。水を篩から、筒を開放して真空
にして除去する一方、なお温度を前記300℃に16時
間の間維持した。もちろん、5Aの源、そのカルシウム
交換レベル、バインダーの種類、及び先の水熱歴が、本
発明の5A吸着剤生成の厳密な条件を変化できる。しか
し、これは過度の実験なしに確認できる。 実施例3 5A分子篩の水熱処理−流動法 1kgの5A分子篩を水で浸軟させて、50℃の温度で
十分に乾燥できるようにして表面水分を除去し、それに
よって吸着剤を容易に移動させた。湿潤篩を2インチ
(約5.07cm)OD×40インチ(約101.59
cm)塔に取り付けた。ヘリウムを50sec/分の流
量で塔に流入した。塔をその後、温度傾斜15℃/分の
速度で300℃に加熱した。前記300℃の温度を16
時間維持した。 実施例4 水熱処理5A分子篩 実施例3で略説した方法に従って調製した水処理5A分
子篩の1kgを塔に充填する点を除き、実施例1に記述
通りの実験を反復実施した。TCDの観測された産出量
を図3に示す。CFをここで、NFから十分に分離
して、精製NF生成物を単離した。 実施例5 カルシウム付着が5A分子篩の水熱処理に与える影響 100gの5A分子篩をカルシウムと1l1MCacl
中で16時間還流して交換した。交換溶液をデカント
し、1lの1MCaclを追加添加して再度16時間
還流した。先の経験では、この手順が90%以上のカル
シウム交換量を発生させるに十分である。この篩をその
後、篩には当初重量比で8%の水が含まれていたことを
除き、実施例2に略説した同じ方法で水熱処理した。1
00gの篩を、2分の1インチ(約1.27cm)OD
×40インチ(約101.59cm)塔に取り付け、1
対1のCF/NFガス混合物の2gを前記塔に流入
した。TCD産出量で測定されたクロマトグラフィーは
実施例4で観測されたものから本質的な変化はなかっ
た。 実施例6 水熱処理5A分子篩上のCFの等温線 斜方沸石上のCFとNFの吸着等温線を、温度0℃
と30℃で、斜方沸石の1g当りの吸着ガス量を、圧力
0乃至1気圧の数段階で計量することで測定した。30
℃の温度でのCFとNFの結果をそれぞれ図5と6
に示す。NFの吸着は図6で明らかでCFをこの温
度でNFとほぼ等量を吸着している。 実施例7 水熱処理5A分子篩吸着剤使用の分取りガスクロマトグ
ラフィー 塔から溶離中のNFが検出された時に、ガス流れを極
低温収集装置に案内する点を除き、実施例4に説明した
通りの実験を反復実施した。供給ガスは、1,200p
pmのCFが含まれるNFであった。25gのNF
を15回以上にわたって注入した。収集されたNF
の23gには20ppmのCFが含まれ、99.99
%の全NF純度に等しい。 実施例8 斜方沸石上のCFとNFの等圧線 斜方沸石全面にわたるCFとNFの吸着等圧線を、
温度0℃と30℃で、斜方沸石の1g当り吸着ガス量
を、圧力0乃至1気圧の数段階に分けて計量することで
測定した。温度30℃で、NFとCFの結果をそれ
ぞれ図5と6に示す。NFの吸着は図6で明らかで、
CFをこの温度でNFとほぼ等量を吸着している
(図5)。 実施例9 斜方沸石 1kgの斜方沸石(リンデAW−500)を塔に充填す
る点を除き、実施例1に記述する方法を反復実施した。
TCDから観測された産出量を図7に示す。平衡におい
て、この温度でCFをNFと同程度に斜方沸石上に
吸着するとは言え、CFはNFから十分に分離され
て、精製NF生成物を単離する。 実施例10 斜方沸石吸着剤使用の分取りガスクロマトグラフィー 溶離中の塔からNFを検出する時、ガス流れを極低温
収集装置に案内する点を除き実施例10に記述の実験を
反復実施した。供給ガスは1,200ppmのCF
含むNFであった。30gのNFを20回以上に分
けて注入した。収集されたNFの27gには25pp
mのCFが含まれ、99.95%の全NF純度に等
しい。 99.999%NFの調製 使用された塔が6インチ(約15.24cm)1D×6
0インチ(約152.39cm)塔で50ポンド(約2
2.68kg)の斜方沸石(リンデAW−500)で充
填されている点を除き、実施例10に記述の実験を反復
実施した。供給ガスには、400ppmのCFが含ま
れていた。回収された8.9ポンド(約4.04kg)
のNFには、12ppmのCFが含まれていた。
6.9ポンド(約3.15kg)の精製NFをその
後、塔に28回以上にわけて再注入した。ここで2回精
製の4.6ポンド(約2.09kg)の回収NFには
1ppm以下のCFが含まれ、99.999%の全N
純度に等しい。 実施例12 70%CFと30%NFの混合物からのNFの単離 供給ガスが70%CFと30%NFの混合物である
点を除き、実施例10に記述された実験を反復実施し
た。185gの前記混合物を10回以上に分けて注入し
た。収集された40gのNFには2%のCFが含ま
れ、従って、CFの減少率(約97%)は、実施例7
と10で観察されたものとほぼ同じであった。この材料
を実施例11に説明の通りに更に精製して高純度NF
にできた。収集されたCFの110gには1%以下の
NFが含まれていた。 実施例13 流量と組成がCFのNFからの分離に及ぼす影響 ヘリウムの流量を1.5l/分に設定する点を除き実施
例7に説明の実験を反復実施した。TCDの産出量を図
8に示す。供給ガスは1,200ppmのCFが含ま
れるNFであった。40gのNFを28回以上に分
けて注入した。収集されたNFの36gには107p
pmのCFが含まれていた。CFとNFのクロマ
トグラフ分離が、還元キャリヤーガス流量を用いるより
も大(図8を図3と比較)であるとは言え、収集された
NFには、ヘリウムキャリヤーガス流量が実施例7に
示されるように大きい時と比較してさらに大量のCF
が含まれていた。 実施例14 温度がNFの精製に及ぼす影響 塔温度を60℃に維持する点を除き実施例10に述べた
実験を反復実施した。収集されたNFには406pp
mの窒素と、495ppmの亜酸化窒素が含まれてい
た。おそらく、前記窒素と亜酸化窒素はNFの吸着剤
との反応からもたらされたものであろう。
【0048】5A分子篩の水熱気孔縮小の正確な機構
が、いかなるものかを決定されていない。しかし、未処
理であるが、水熱処理を施された5A分子篩の有効気孔
の大きさの採寸の実験を行ったが、それによると、水熱
処理が5A分子篩の有効気孔直径を少くとも0.3オン
グストロームだけ縮小することを示す。この縮小は、本
発明の方法に基く、CFがゼオライト結晶へ進入する
余地を全く与えていないことを十分に示している。
【0049】気孔の大きさをNFの排除に十分なほど
縮小させない。従って、NFがなお吸着されるという状
態は、すなわちこれがCFとNFの間の意外にも大
きい動力学的機構クロマトグラフ分離を生じさせること
になる。
【0050】CFの等温線は、平衡において、CF
が斜方沸石上に吸着することを明らかに示している。吸
着の程度はNFに対するものとほぼ同じである。Pr
epGCが、平衡で作用する吸着プロセスと考えられて
いるので、CFとNFは分離されることはない。そ
れでも斜方沸石をPrepGC吸着剤に使用すると、C
は吸着されないで、強力に吸着されるNFから有
効に分離される。明らかに、CFの斜方沸石上への吸
着は、PrepGCの時間の尺度には現れないほど非常
に緩慢である。
【0051】
【発明の効果】気/固クロマトグラフ法に対する本発明
に引用された作用の動力学機構で水熱処理5Aゼオライ
ト分子篩もしくは斜方沸石を使用すると、先行技術の不
利益が克服され、意外なことに、NFとCF分子に
極めて物理的に適合した性質の有効な分解が得られて、
高効率かつ99.99%以上という高純度のNFの大
量分離が達成される。
【0052】本発明の全方法は、関心のある他のガス分
離にも領域を広げることができ、又大量分離と精製用途
の両方にすぐ利用できる。本発明の方法を用いてCF
をNFから有効に分離する方法を立証したので、関心
のある分離に適当な吸着剤を用いて他のガスの分離に本
方法を適用できる。不活性キャリヤーガスを用いる本動
力学気/固クロマトグラフ法と、分離される分子の大き
さに適当な大きさの吸着剤との組合せは、ガスの分離と
精製の独特の方法を提供できる。本方法は、特殊ガスた
とえばCからのSF、又CFからのC
の単離に特に利用価値がある。しかし、適当な工学技術
と不活性キャリヤーガスの再循環が伴うと、この分離法
を伝統的工業ガス処理、たとえばメタンからの窒素、ア
ルゴンからの酸素、キセノンからの酸化窒素、及びオレ
フィンからのパラフィンの除去にまで領域を広げること
が可能である。この分離の方法は、所定の条件の組合せ
のもと、特殊吸着剤上で異なる動吸収速度を有するガス
又は蒸気のどのような混合物にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の好ましい実施例に有用なNF精製装
置の略図である。
【図2】平衡ベース分離を用いるCFからのNF
企画されたクロマトグラフ分離による生成物産出量の伝
熱検知器測定を示す図である。
【図3】CFからNFを分解する本発明の実施例の
生成物の伝熱検知器記録の産出量を示す図である。
【図4】水熱処理5A分子篩上温度30℃でのCF
吸着等温線を示す図である。
【図5】斜方沸石(リンデAW−500)上温度30℃
でのCFの吸着等温線を示す図である。
【図6】斜方沸石(リンデAW−500)上温度30℃
でのNFの吸着等温線を示す図である。
【図7】斜方沸石上でCFからNFを分離する本発
明の方法の伝熱検知器産出量のグラフ図である。
【図8】動力学機構作用以下の流量でのNF−CF
の還元分解を示す伝熱検知器産出量グラフ図である。
【符号の説明】
10 CFで汚染されたNF源 12 管路(上記ガス) 14 ヘリウム 16 管路(ヘリウムの投与) 18 クロマトグラフィーへの供給材料 20 クロマトグラフィー層又は域 22 管路(分解CFとNF) 24 管路(NF) 26 極低温収集装置 28 管路(キャリヤーガス) 30 伝熱検知器 32 管路(キャリヤーガス) 34 管路(CF) 36 管路(キャリヤーガスの副流) 38 管路(上記の排気)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フイリツプ.ブルース.ハンダーソン アメリカ合衆国.18106.ペンシルバニア 州.ウエスコスヴイレ.フエアウエイ.レ ーン.6140 (72)発明者 チヤールズ.ガードナー.クー アメリカ合衆国.18062.ペンシルバニア 州.マツカンギー.ウオルナツト.レー ン.1381 (72)発明者 ドナルド.エルソン.フオウラー アメリカ合衆国.18103.ペンシルバニア 州.アレンタウン.セント.ジヨン.スト リート.630 (72)発明者 モントフオード.ストツクレイ.ベンソン アメリカ合衆国.18106.ペンシルバニア 州.ウエスコスヴイレ.デイボツト.ドラ イブ.1192

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 少くとも第1成分と第2成分の混合物か
    ら、気/固クロマトグラフィーを用いて精製第1成分を
    回収する方法であって、前記第1成分と第2成分の混合
    物の個々のパルスを不活性キャリヤーガスの連続流れ
    で、片方の成分を他方の成分に比較してより容易に動力
    学的に吸着し、かつ前記両成分の動力学的分離に適当な
    質量速度で動力学的分化に十分に効果のある気孔窓を備
    える多孔質吸着剤の層を透過させる工程と、前記第1成
    分を前記層から第2成分の減少した生成物第1成分とし
    て別々に回収する工程とからなる方法。
  2. 【請求項2】 NFとCFの混合物からNFとC
    又はそのいずれかを別々に回収する方法であって、
    NFとCFの混合物を不活性キャリヤーガスに入れ
    て、NFをCFから分化して吸着、分離し、かつ4
    Aと5Aの分子篩の窓の間の有効気孔窓が備わる多孔質
    吸着剤の層を1時間当り、1cm当り少くとも1gの
    質量速度と、約100℃以下の層温とで透過させる工程
    と、前記層から、おのおのに他方の成分より減少した成
    分が備わるNFとCF又はそのいずれかを別々に回
    収する工程とからなる方法。
  3. 【請求項3】 前記NFとCFの混合物を個々のパ
    ルスで、キャリヤーガスの連続流として前記層に透過さ
    せることを特徴とする請求項2の方法。
  4. 【請求項4】 前記吸着剤が、水熱前処理した5Aゼオ
    ライト分子篩であることを特徴とする請求項2の方法。
  5. 【請求項5】 前記吸着剤が斜方沸石であることを特徴
    とする請求項2の方法。
  6. 【請求項6】 前記分離を、吸着剤上のNFとCF
    の相対吸着の動力学的機構を実施する条件で行うことを
    特徴とする請求項2の方法。
  7. 【請求項7】 前記有効気孔窓が約4.4オングストロ
    ーム乃至4.8オングストロームであることを特徴とす
    る請求項2の方法。
  8. 【請求項8】 前記有効気孔窓が約4.6オングストロ
    ームであることを特徴とする請求項2の方法。
  9. 【請求項9】 前記層の温度が約0℃乃至60℃の範囲
    であることを特徴とする請求項2の方法。
  10. 【請求項10】 前記層の温度が約30℃であることを
    特徴とする請求項2の方法。
  11. 【請求項11】 前記質量速度が1時間当り、1cm
    当り2.5乃至8.6gの範囲であることを特徴とする
    請求項2の方法。
  12. 【請求項12】 前記回収NFの純度が少くとも9
    9.99%NFであることを特徴とする請求項2の方
    法。
  13. 【請求項13】 前記回収CFの純度が少くとも9
    9.99%CFであることを特徴とする請求項2の方
    法。
  14. 【請求項14】 前記5Aゼオライト分子篩を、水に入
    れて浸軟させることと、その後、不活性雰囲気に入れ、
    約300℃の温度で約6乃至18時間加熱して水素処理
    することを特徴とする請求項4の方法。
  15. 【請求項15】 前記不活性キャリヤーガスを、ヘリウ
    ム、アルゴン、窒素及び水素からなる群から選ぶことを
    特徴とする請求項2の方法。
  16. 【請求項16】 前記回収NFを前記吸着剤を付加透
    過させ処理することを特徴とする請求項2の方法。
  17. 【請求項17】 前記回収CFを前記吸着剤を付加透
    過させて処理することを特徴とする請求項2の方法。
  18. 【請求項18】 NFとCFの混合物から、気・固
    クロマトグラフィーを用いてNFを回収する方法であ
    って、不活性キャリヤーガスの連続流れでNFとCF
    の混合物の個々のパルスを、水熱前処理した5Aゼオ
    ライト篩と斜方沸石からなる群より選ばれ、CFに比
    較してより容易にNFを動力学的に吸着し、4.4乃
    至4.8オングストロームの範囲の有効気孔窓が備わる
    多孔質吸着の層を、1時間当り、1cm当り2.5乃
    至8.6gの質量速度と、0乃至60℃の範囲の層温度
    で透過させる工程と、前記NFを前記層から、少くと
    も99.99%NFの純度の生成物NFとして別々
    に回収する工程とからなる方法。
JP4061104A 1991-02-21 1992-02-17 Nf3とcf4の混合物から精製nf3の回収法 Expired - Lifetime JPH0813683B2 (ja)

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