等離子體合成氫氰酸研究進展

王月波 王文杰（孝義市科教文化產業園區管理委員會，孝義市教育科技局，山西 孝義032300）

0 引言

氫氰酸具有很強的毒性，在常溫常壓下極易擴散，其運輸和使用受到了極大的限制。等離子體合成技術是上世紀70年代才迅速發展起來的，是利用等離子體的特殊性質進行化學合成的一種新技術。等離子體化學已日趨成熟，給無機合成化學、有機合成化學及高分子合成化學、電子材料等的加工處理都開辟了新的領域，等離子體合成技術為合成氫氰酸引入了一條新的研究思路。

1 等離子體技術原理

等離子體由完全或部分電離的導電氣體組成。這些氣體在外力的作用下發生電離，產生數量相等、電荷相反的電子和正離子以及游離基，這些電子、離子和游離基之間又復合成原子和分子，使其總體呈電中性，故稱之為等離子體。產生等離子體的方法很多，自然界雷電、日冕、極光等均可產生等離子體，而地球上等離子體只能在實驗條件下產生，氣體放電是最常用的人工產生等離子體的方法，如無聲放電、電暈放電、輝光放電、微波放電、電弧放電和射頻放電等。還可以用微波加熱、激光加熱、高能粒子轟擊方法產生等離子體。

2 氫氰酸合成技術

2.1 直流電弧放電合成氫氰酸

使用直流電弧等離子體合成氫氰酸的裝置如圖1 所示，反應氣體在直流電弧放電下作用合成氫氰酸。在此裝置中根據反應氣體的不同，即C、H、N比例的不同，可發生四種不同的合成氫氰酸的等離子體反應。

2.2 高頻電感耦合放電合成氫氰酸

在傳統生產工藝BMA法制備氫氰酸的過程中，過量的烴氣體被點燃后所產生的熱量足夠使氨和剩余的烴氣體發生吸熱反應生成氫氰酸，而在實際生產中這些能量并沒有被有效利用，而且傳統生產設備龐大，不宜移動。高頻電感耦合放電合成氫氰酸的方法就提供了一種既可將能量精密地調節，使浪費程度達到最小，又方便靈巧的小型儀器。

2.3 微波等離子體合成氫氰酸

圖1 直流電弧等離子體合成氫氰酸裝置圖

實驗通過WB-2 型連續可調微波發生器(0-100W，2450MHz)經同軸電纜將能量饋入表面波管，用外徑為12mm 的石英玻璃管做放電管(反應管)，它橫穿表面波管。石英玻璃管的兩端分別與供氣系統，產物分析系統和真空系統相連。從石英玻璃管內流過的反應氣體經表面波管激活放電，生成等離子體，從而進行等離子體化學反應。裝置圖如下所示（圖2）。

圖2 微波等離子體合成氫氰酸設備簡圖

2.4 電暈放電法制備氫氰酸

將甲烷和氨氣按1.1：1.001混合，當混合氣流通過金屬電極板間隙時，利用電暈放電激發氣體反應物分子，并使之電離，生成的高能粒子經碰撞后可生成氫氰酸。

在該設備中，金屬電極板是主要骨架，它是發生反應的場所。通過金屬電極板的電流要求密度一般維持在0.1μA/cm2和0.1mA/cm2之間，頻率為500kHz，且所接輸出電壓為10kV-20kV的交流電。反應受電極配備和提供電壓的影響，如在加大電流的同時升高了電壓，導致由電暈放電而轉化成自激發的電弧放電的危險；電壓太低又不足以激發分子的能量，因此必須控制好電壓。反應氣體的流速應保持作用于每摩爾甲烷的電量為0.02—100 ℃

2.5 其它方法

2.5.1 實驗室模擬海王星氣氛合成氫氰酸

起初人們認為海王星的大氣成分主要是分子氫和氦，另外還有少量甲烷、乙烷和乙炔，其中甲烷的含量最多，可達0.17%。后來，在海王星大氣中又發現了CO 和HCN。為研究氫氰酸的由來，Conrath 等通過分析發現海王星大氣中的分子氮最多有0.6%，并假設其為形成氫氰酸的氮源。

2.5.2 等離子體熱解煤合成氫氰酸

1966 年R.L.Bond 和W.R.Ladner 等人對煤在等離子體中發生的反應進行研究時，也發現煤中的氮主要轉化為氫氰酸，且氫氰酸的產量會隨著煤揮發性的增加和等離子氣氛中氮等離子或氫等離子比例的增加而增加。如：高揮發性的802號煤在純氬等離子體中熱解時，煤中的碳約0.56%轉化為氫氰酸；在10%的氮氣和90%的氬氣組成的等離子體中熱解時，大約15%的碳轉化為氫氰酸；在純氮等離子體中熱解時，約35%的碳轉化為氫氰酸；在10%的氫氣和90%的氬氣組成的等離子體中熱解時，產物氫氰酸也占優勢，碳有24%轉化為氫氰酸。可見氮等離子體也參加了生成氫氰酸的反應，我們可以考慮使用氮等離子體熱解煤來合成氫氰酸。

3 結語

在我國，目前氫氰酸的主要成品氰化鈉的生產能力僅次于美國，但傳統生產工藝仍舊占據著主導地位，而氫氰酸就地生產、就地消費的趨勢，促使我們必須克服傳統方法中生產設備龐大和污染環境這些缺點。以廉價的煤粉為原料，并結合等離子裝置的特點來生產氫氰酸，是一條有希望的、值得進一步研究的工藝路線。如果能將該技術用于實際生產，將會有力推動氫氰酸的合成與其下游產業的發展。