Способ получения ультрадисперсного нитрида бора

 

Использование: изобретение относится к технологии неорганических веществ, а именно к способу получения ультрадисперсного порошка нитрида бора. Сущность: способ включает разложение водного раствора борной кислоты и карбамида в потоке низкотемпературной азотной плазмы в присутствии углеводорода (природного газа или пропана) и выделение целевого продукта из пылегазовой смеси. При этом на 1 моль борной кислоты берут не менее двух, предпочтительно 2-5, молей карбамида. Углеводород используют с 5-12%-ым избытком от стехиометрии разложения воды. Выход нитрида бора более 99%, содержание примесей в нем менее 1%. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к технологии неорганических веществ, а именно к способу получения ультрадисперсного порошка нитрида бора.

Известен способ получения нитрида бора взаимодействием борсодержащих соединений, в частности борной кислоты, с карбидом при повышенной температуре. Шихту из исходных компонентов спекают при температурах от 800^oc до 1600^oC в устройствах периодического действия и получают белый шлакообразный твердый продукт, который трудно измельчить. Для получения нитрида бора стехиометрического состава нередко необходима повторная обработка этого продукта карбамидом (1, с. 134-135] Известен плазмохимический способ получения нитрида бора, который заключается в следующем: порошок аморфного бора подают в струю азотной плазмы, полученный при этом продукт выделяют на закалочной поверхности, после чего осуществляют разделение полученного нитрида бора и исходного непрореагировавшего материала растворением последнего в перекиси водорода с небольшим количеством азотной кислоты [1, с. 139] Следует отметить высокую стоимость порошка аморфного бора и сложность в обеспечении его равномерной дозировки в плазмохимический реактор.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ получения ультрадисперсного нитрида бора, включающий подачу трихлорида бора и аммиака в поток низкотемпературной азотной плазмы [2] (прототип). Для повышения степени чистоты нитрида бора и увеличения его выхода перед подачей в плазму трихлорид бора и аммиак предварительно смешивают между собой в потоке газа-носителя при 12-700^oC.

Недостатком способа является присутствие в перерабатываемой в плазменном потоке реакционной смеси высокоагрессивного хлора, приводящего к коррозии оборудования.

Задачей изобретения является разработка способа получения ультрадисперсного нитрида бора, позволяющего исключить использование хлорсодержащих реагентов.

Поставленную задачу решают тем, что в способе получения ультрадисперсного нитрида бора, включающем разложение бор и азотсодержащих соединений в потоке низкотемпературной азотной плазмы и выделение целевого продукта из пылегазовой смеси, разложению подвергают водный раствор борной кислоты и карбамида, содержащий на 1 моль борной кислоты не менее чем 2 моля карбамида, при этом разложение осуществляют в присутствии углеводорода.

Борную кислоту и карбамид берут в мольном соотношении 1:(2-5).

В качестве углеводорода используют природный газ или пропан.

Углеводород берут с 5-12%-ым избытком от стехиометрии разложения воды.

При разложении водного раствора борной кислоты и карбамида в потоке азотной низкотемпературной плазмы в присутствии углеводорода образуются целевой продукт нитрид бора, а также водород и оксид углерода.

Водород и оксид углерода совместно с азотом-теплоносителем и продуктами разложения избытка карбамида, являясь восстановительной и азотирующей средой, предотвращают окисление и гидролиз образовавшегося нитрида бора и тем самым сводят к минимуму загрязнение нитрида бора борным ангидридом.

Разложение воды в присутствии углеводорода происходит по стехиометрии: H₂O + CH₄ _→ CO + 3H₂ (в присутствии природного газа, который на 94% состоит из метана CH₄), 3H₂O + C₃H₈ -L 3CO + 7H₂ (в присутствии пропана).

Способ позволяет получить нитрид бора с высоким выходом без использования хлорсодержащих реагентов.

Способ осуществляют следующим образом.

Установка для получения нитрида бора включает плазмотрон, форсунки для диспергирования раствора, реакционную камеру, пылеулавливающее устройство, систему утилизации отходов и очистки отходящих газов.

Готовят водный раствор, содержащий 60-65 г/л борной кислоты и 120-300 г/л карбамида (мольное соотношение борной кислоты и карбамида от 1:2 до 1: 5).

Раствор диспергируют в углеводороде, например природном газе или пропане, при этом углеводород берут с 5-12%-ым избытком от стехиометрии разложения воды. Диспергированный раствор направляют в реакционную камеру. Туда же подают генерируемый в плазмотроне поток азотной низкотемпературной плазмы.

Полученную после взаимодействия пылегазовую смесь направляют в пылеулавливающее устройство и далее в систему утилизации отходов и очистки сбросных газов. В пылеулавливающем устройстве (электрофильтре) происходит выделение твердой фазы нитрида бора.

Способ позволяет получить нитрид бора с выходом более 99% Нитрид бора, выделенный на электрофильтре, содержит примеси борный ангидрид и элементный углерод. Количество примесей зависит от условий проведения опытов.

Результаты опытов представлены в таблице.

Как видно из таблицы, при заявляемых количествах реагентов содержание примесей в твердой фазе не превышает 1% (опыты 2-7).

Снижение количества карбамида в растворе менее 2-х молей на моль борной кислоты ведет к увеличению содержания борного ангидрида в продукте, а увеличение свыше 5 молей нецелесообразно, т.к. приводит к непроизводительной трате реагентов.

При избытке углеводорода мене 5% увеличивается содержание борного ангидрида в твердой фазе, а при избытке более 12% увеличивается содержание другой примеси элементного углерода.

Формула изобретения

1. Способ получения ультрадисперсного нитрида бора, включающий разложение бор- и азотсодержащих соединений в потоке низкотемпературной азотной плазмы и выделение целевого продукта из пылегазовой смеси, отличающийся тем, что разложению подвергают водный раствор борной кислоты и карбамида, содержащий на 1 моль борной кислоты не менее чем 2 моль карбамида, при этом разложение осуществляют в присутствии углеводорода.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что борную кислоту и карбамид берут в молярном соотношении 1 (2 5).

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве углеводорода используют природный газ или пропан.

4. Способ по пп.1 и 3, отличающийся тем, что углеводород берут с 5 - 12% -ным избытком от стехнометрии разложения воды.

РИСУНКИ

Рисунок 1