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CN112875723B - 常温常压水相条件下合成氨的方法 - Google Patents

常温常压水相条件下合成氨的方法 Download PDF

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CN112875723B CN202110106529.1A CN202110106529A CN112875723B CN 112875723 B CN112875723 B CN 112875723B CN 202110106529 A CN202110106529 A CN 202110106529A CN 112875723 B CN112875723 B CN 112875723B
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何承溧
陈阳
邱栋
陆雨瑄
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Fudan University
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Abstract

本发明属于材料技术领域，具体为一种常温常压水相条件下合成氨的方法。本发明通过行星式球磨机进行机械球磨，在不锈钢材质的球磨罐中放入不锈钢材质磨球、纯水并通入氮气，常温常压下直接球磨，反应完成后溶液经过静置离心，通过离子色谱法验证了溶液中存在铵根离子(NH4 +)，证明常温常压下以水和氮气为原料直接机械球磨合成氨的可行性。本发明利用氮气作为氮原子的来源，利用水作为氢质子的来源，避免了现有工业合成氨方法中使用氢气作为氢质子来源，免除了制备氢气产生的环境污染。同时，利用水作为反应物，缓解了磨球与球磨罐体的磨损，延长球磨设备的使用寿命。

Description

常温常压水相条件下合成氨的方法
技术领域
本发明属于材料技术领域，具体涉及一种常温常压水相条件下氨的合成方法。
背景技术
当前氨(NH3)的工业生产主要通过Haber-Bosch工艺进行。自该工艺实施以来，使全球人口几乎翻了两番，同时在国防领域至关重要，被誉为20世纪最重要的发明。该工艺在高温和高压条件下(300-550℃，15-25 MPa)使用铁基催化剂进行。然而对设备要求高，并且能源消耗大，消耗了世界总能源的1-2％，并排放大量的CO2，造成了严重的环境污染。因此，开发绿色清洁、低能耗的合成氨工艺具有重要的社会意义。
本发明提出一种以水和氮气为原料，通过机械化学法合成氨气(NH3)的新方法。通过行星式球磨机进行机械球磨，在不锈钢材质的球磨罐中放入不锈钢材质磨球、纯水并通入氮气，常温常压下直接球磨，反应完成后溶液经过静置离心，通过离子色谱法验证了溶液中存在铵根离子(NH4 +)，证明了常温常压下以水和氮气为原料直接机械球磨合成氨的可行性。相对于Haber-Bosch工艺，该方法反应条件简单，对设备要求低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种简便、低能耗的常温常压水相条件下合成氨的方法。
本发明提供的常温常压水相条件下合成氨的方法，是通过球磨过程获得机械力，使合成氨反应势垒降低，诱发并促进常温常压下难以进行的合成氨反应。具体步骤为：
（1）将适量的纯水和不锈钢材质磨球置于不锈钢材质的真空球磨罐中，对球磨罐通入氮气一段时间排除罐体内的空气，密封球磨罐，使罐体内处于常温常压充满氮气的环境；
（2）将步骤（1）中准备好的球磨罐安装在行星式球磨机中，以300~600转/分钟的速率球磨1~12小时，完成反应后取出球磨罐；
（3）取出步骤（2）罐体中的溶液，静置，取上层清液，通过离心机离心两次，进一步去除球磨过程中产生的铁屑，每次离心12000-15000r/min，时间4-8min；
（4）将步骤（3）中的水溶液通过离子色谱法检测，测出NH4 +的浓度，验证该合成氨方法的可行性并计算出产氨性能。
本发明中，球磨罐和磨球均为不锈钢材质。
本发明中，球磨罐的容积为250mL，选用不同直径大小的磨球（2个Φ15、6个Φ12、12个Φ10、54个Φ8、206个Φ4），装球量共计300g。
本发明中，水的量至少淹没磨球。
本发明的有益效果在于：
本发明在常温常压下，以水和氮气为原料通过球磨实现了高效合成氨反应。
本发明利用氮气作为氮原子的来源，利用水作为氢质子的来源，避免了现有工业合成氨方法中使用氢气作为氢质子来源，免除了制备氢气产生的环境污染。同时，利用水作为反应物，一定程度上缓解了磨球与球磨罐体的磨损，延长球磨设备的使用寿命。
附图说明
图1为本发明实施例1所制得水样的NH4 +检测离子色谱图。
具体实施方式
实施例1
（1）将50mL纯水和300g总质量的不同尺寸的不锈钢材质磨球置于不锈钢材质的真空球磨罐中，对球磨罐通入氮气30分钟，排除罐体内的空气，密封球磨罐，使罐体内处于常温常压充满氮气的环境，氮气的体积为180mL；
（2）将步骤（1）中准备好的球磨罐安装在行星式球磨机中，以600转/分钟的速率球磨10小时，完成反应后取出球磨罐；
（3）取出步骤（2）罐体中的溶液，静置，取上层清液，通过离心机离心两次，进一步去除球磨过程中产生的铁屑，每次15000r/min，5min；
（4）将步骤（3）中的水溶液通过离子色谱法检测，测出NH4 +的浓度。
对所得水样进行离子色谱表征，分析其中是否存在NH4 +，并得出NH4 +的浓度。实施例1中水样的离子色谱测试图如图1所示，说明水样中检测出NH4 +，且NH4 +的浓度为23.66mg/L；
实施例2
（1）将50mL纯水和300g总质量的不同尺寸的不锈钢材质磨球置于不锈钢材质的真空球磨罐中，对球磨罐通入氮气30分钟，排除罐体内的空气，密封球磨罐，使罐体内处于常温常压充满氮气的环境，氮气的体积为180mL；
（2）将步骤（1）中准备好的球磨罐安装在行星式球磨机中，以300转/分钟的速率球磨1小时，完成反应后取出球磨罐；
（3）取出步骤（2）罐体中的溶液，静置，取上层清液，通过离心机离心两次，进一步去除球磨过程中产生的铁屑，每次14000r/min，7min；
（4）将步骤（3）中的水溶液通过离子色谱法检测，测出NH4 +的浓度。
对所得水样进行离子色谱表征，本实施例水样中检测出NH4 +，且NH4 +的浓度为1.68mg/L。
实施例3
（1）将50mL纯水和300g总质量的不同尺寸的不锈钢材质磨球置于不锈钢材质的真空球磨罐中，对球磨罐通入氮气30分钟，排除罐体内的空气，密封球磨罐，使罐体内处于常温常压充满氮气的环境，氮气的体积为180mL；
（2）将步骤（1）中准备好的球磨罐安装在行星式球磨机中，以600转/分钟的速率球磨12小时，完成反应后取出球磨罐；
（3）取出步骤（2）罐体中的溶液，静置，取上层清液，通过离心机离心两次，进一步去除球磨过程中产生的铁屑，每次15000r/min，5min；
（4）将步骤（3）中的水溶液通过离子色谱法检测，测出NH4 +的浓度。
对所得水样进行离子色谱表征，本实施例水样中检测出NH4 +，且NH4 +的浓度为26.18mg/L。
对比实施例1
（1）将50mL纯水和300g总质量的不同尺寸的氧化锆磨球置于氧化锆材质的真空球磨罐中，对球磨罐通入氮气30分钟，排除罐体内的空气，密封球磨罐，使罐体内处于常温常压充满氮气的环境，氮气的体积为180mL；
（2）将步骤（1）中准备好的球磨罐安装在行星式球磨机中，以600转/分钟的速率球磨10小时，完成反应后取出球磨罐；
（3）取出步骤（2）罐体中的溶液，静置，取上层清液，通过离心机离心两次，进一步去除球磨过程中产生的杂质，每次15000r/min，5min；
（4）将步骤（3）中的水溶液通过离子色谱法检测，测出NH4 +的浓度。
对所得水样进行离子色谱表征，本对比实施例所制水样中未检测出NH4 +。这是由于本对比实施例中将不锈钢材质的球磨罐和磨球替换材氧化锆材质的球磨罐和磨球，表明不锈钢材质的球磨罐和磨球本身对球磨合成氨反应具有催化效果。

Claims (2)

1.一种常温常压水相条件下合成氨的方法，其特征在于，通过球磨过程获得机械力，使合成氨反应势垒降低，诱发并促进常温常压下难以进行的合成氨反应；具体步骤为：
（1）将适量的纯水和不锈钢材质磨球置于不锈钢材质的真空球磨罐中，对球磨罐通入氮气一段时间排除罐体内的空气，密封球磨罐，使罐体内处于常温常压充满氮气的环境；
（2）将步骤（1）中准备好的球磨罐安装在行星式球磨机中，以300~600转/分钟的速率球磨1~12小时，完成反应后取出球磨罐；
（3）取出步骤（2）罐体中的溶液，静置，取上层清液，通过离心机离心两次，进一步去除球磨过程中产生的铁屑，每次离心12000-15000r/min，时间4-8min；
（4）将步骤（3）中的水溶液通过离子色谱法检测，测出NH4 +的浓度，验证该合成氨方法的可行性并计算出产氨性能。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，水的量至少淹没磨球。
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