等离子体合成氢氰酸研究进展

王月波 王文杰（孝义市科教文化产业园区管理委员会，孝义市教育科技局，山西 孝义032300）

0 引言

氢氰酸具有很强的毒性，在常温常压下极易扩散，其运输和使用受到了极大的限制。等离子体合成技术是上世纪70年代才迅速发展起来的，是利用等离子体的特殊性质进行化学合成的一种新技术。等离子体化学已日趋成熟，给无机合成化学、有机合成化学及高分子合成化学、电子材料等的加工处理都开辟了新的领域，等离子体合成技术为合成氢氰酸引入了一条新的研究思路。

1 等离子体技术原理

等离子体由完全或部分电离的导电气体组成。这些气体在外力的作用下发生电离，产生数量相等、电荷相反的电子和正离子以及游离基，这些电子、离子和游离基之间又复合成原子和分子，使其总体呈电中性，故称之为等离子体。产生等离子体的方法很多，自然界雷电、日冕、极光等均可产生等离子体，而地球上等离子体只能在实验条件下产生，气体放电是最常用的人工产生等离子体的方法，如无声放电、电晕放电、辉光放电、微波放电、电弧放电和射频放电等。还可以用微波加热、激光加热、高能粒子轰击方法产生等离子体。

2 氢氰酸合成技术

2.1 直流电弧放电合成氢氰酸

使用直流电弧等离子体合成氢氰酸的装置如图1 所示，反应气体在直流电弧放电下作用合成氢氰酸。在此装置中根据反应气体的不同，即C、H、N比例的不同，可发生四种不同的合成氢氰酸的等离子体反应。

2.2 高频电感耦合放电合成氢氰酸

在传统生产工艺BMA法制备氢氰酸的过程中，过量的烃气体被点燃后所产生的热量足够使氨和剩余的烃气体发生吸热反应生成氢氰酸，而在实际生产中这些能量并没有被有效利用，而且传统生产设备庞大，不宜移动。高频电感耦合放电合成氢氰酸的方法就提供了一种既可将能量精密地调节，使浪费程度达到最小，又方便灵巧的小型仪器。

2.3 微波等离子体合成氢氰酸

图1 直流电弧等离子体合成氢氰酸装置图

实验通过WB-2 型连续可调微波发生器(0-100W，2450MHz)经同轴电缆将能量馈入表面波管，用外径为12mm 的石英玻璃管做放电管(反应管)，它横穿表面波管。石英玻璃管的两端分别与供气系统，产物分析系统和真空系统相连。从石英玻璃管内流过的反应气体经表面波管激活放电，生成等离子体，从而进行等离子体化学反应。装置图如下所示（图2）。

图2 微波等离子体合成氢氰酸设备简图

2.4 电晕放电法制备氢氰酸

将甲烷和氨气按1.1：1.001混合，当混合气流通过金属电极板间隙时，利用电晕放电激发气体反应物分子，并使之电离，生成的高能粒子经碰撞后可生成氢氰酸。

在该设备中，金属电极板是主要骨架，它是发生反应的场所。通过金属电极板的电流要求密度一般维持在0.1μA/cm2和0.1mA/cm2之间，频率为500kHz，且所接输出电压为10kV-20kV的交流电。反应受电极配备和提供电压的影响，如在加大电流的同时升高了电压，导致由电晕放电而转化成自激发的电弧放电的危险；电压太低又不足以激发分子的能量，因此必须控制好电压。反应气体的流速应保持作用于每摩尔甲烷的电量为0.02—100 ℃

2.5 其它方法

2.5.1 实验室模拟海王星气氛合成氢氰酸

起初人们认为海王星的大气成分主要是分子氢和氦，另外还有少量甲烷、乙烷和乙炔，其中甲烷的含量最多，可达0.17%。后来，在海王星大气中又发现了CO 和HCN。为研究氢氰酸的由来，Conrath 等通过分析发现海王星大气中的分子氮最多有0.6%，并假设其为形成氢氰酸的氮源。

2.5.2 等离子体热解煤合成氢氰酸

1966 年R.L.Bond 和W.R.Ladner 等人对煤在等离子体中发生的反应进行研究时，也发现煤中的氮主要转化为氢氰酸，且氢氰酸的产量会随着煤挥发性的增加和等离子气氛中氮等离子或氢等离子比例的增加而增加。如：高挥发性的802号煤在纯氩等离子体中热解时，煤中的碳约0.56%转化为氢氰酸；在10%的氮气和90%的氩气组成的等离子体中热解时，大约15%的碳转化为氢氰酸；在纯氮等离子体中热解时，约35%的碳转化为氢氰酸；在10%的氢气和90%的氩气组成的等离子体中热解时，产物氢氰酸也占优势，碳有24%转化为氢氰酸。可见氮等离子体也参加了生成氢氰酸的反应，我们可以考虑使用氮等离子体热解煤来合成氢氰酸。

3 结语

在我国，目前氢氰酸的主要成品氰化钠的生产能力仅次于美国，但传统生产工艺仍旧占据着主导地位，而氢氰酸就地生产、就地消费的趋势，促使我们必须克服传统方法中生产设备庞大和污染环境这些缺点。以廉价的煤粉为原料，并结合等离子装置的特点来生产氢氰酸，是一条有希望的、值得进一步研究的工艺路线。如果能将该技术用于实际生产，将会有力推动氢氰酸的合成与其下游产业的发展。