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🌡️ 📆 令和6年6月17日

02. 1000気圧が生み出す肥料と食料―酸・アルカリ工業と水資源―

山形大学  理工学研究科(工学系)  化学・バイオ工学科  🔋 C1 伊藤智博 📛 立花和宏


ぼくらが生きていく上で欠かせない 空気 産業革命 の立役者、 蒸気機関 だって水がなければ動かないし、そもそも空気がなければ 石炭 が燃やせない。 日本の農業の起源である稲作だって、まさに水が命である。

19世紀の産業革命で 人口が急激に増加、食料危機に見舞われた。 20世紀までの窒素肥料は、 硝酸ナトリウム(チリ硝石)が主体だった。 しかし、「このような鉱石に依存していては急増する人口を養えない、空中窒素を固定する技術を開発する必要がある」と クルックス が主張した。

日本肥料アンモニア協会

こうしてそれまで混ぜるや温めるぐらいしかなかった化学反応に「加圧する」という 単位操作が加わりました。 液体と気体をあわせて流体と呼びます。特に臨界点を超えた状態の流体を、 超臨界流体と言います。 流体をターゲットにした高圧化学の始まりです。 ハーバーもボッシュは、その高圧化学でノーベル賞を受賞した。

キューティーハニー(©1973)永井豪,東映 第一話:0950ごろに空中元素固定装置について

圧力・温度・触媒

  1 ピカッとさいえんす圧力・温度・触媒
化学反応にも圧力と 温度ってとっても大事なんですよ。

1 ) 2 )

🔷

アンモニア は、鉄触媒を使って窒素と水素を直接反応させて製造します(ハーバー・ボッシュ法)。 水素と空気を混ぜたって何も起こらないだろうとおもいきや高温・高圧の釜に放り込む発想がすごい。 しかもちょこっと錆びた鉄の釜を使って反応効率が向上するところを発見するなんざ、ハーバーもボッシュもはんぱないアブナイおっさんではないでしょうか。

「おなかが空いちゃはじまらない。だから農業に必要な肥料を量産することは大事なことだった」
「肥料の基本は、植物の生育に欠かせない窒素、リン、カリウム」
「ところが空気の80%も占める窒素だけど、水に溶ける肥料にするとなるとまさに煮ても焼いてもどうしようもない」
「そいつをとことん高圧にしてアンモニアの合成に成功したのがハーバーさんとボッシュさんだ」
「空中窒素固定法として知られているね」
最新工業化学 のp.15にアンモニアの製造方法が書いてある。 」

「ちなみに昭和の漫画家永井豪氏は 空中元素固定装置 とやらをマンガに登場させている」
「たしかに窒素のほかに酸素や水を使えばたいていの合成繊維ができるはずだから、自在にコスプレできるはずだ」
「色気たっぷりのコメディにこんなものを登場させるなんてよく勉強してたんだね」
「キューティーハニーでは変身メカニズムの説明があったけど、セーラームーンではなかったね」

反応釜の画像を検索してみよう。 ごついよねえ・・・高圧と高温の耐えられる容器こそ化学工業の発展に必要なものだったんだ」
「もちろんその容器のルーツは産業革命で活躍した蒸気機関にも使われた ボイラー


温度

Example fillrule-evenodd - demonstrates fill-rule:evenodd 0100020003000400050006000 絶対零度 室温 ハーバーボッシュ法 高炉 鉄の融点 黒鉛化 タングステンの融点 太陽の表面温度
  2 🔥 🌡 温度 T/K
©K.Tachibana

熱エネルギーの示強因子です。

熱エネルギー=温度×エントロピー

温度を長さに変換するには、物質の体積膨張を使う。それが 液体封入ガラス温度計だ。

温度計を検索してみましょう。


レトルト釜

  3 レトルト釜
© 2014 K.Tachibana , C1 Lab.

加圧 には、頑丈な釜が必要です。 頑丈な釜に水を入れて密封し、加熱すれば圧力も上がります。

レトルト食品 の製造には、小型のレトルト釜(オートクレーブ) * * * が使われます。


体積と圧力の関係

  4 100
🖱 体積と圧力の関係
©2021 K.Tachibana , C1 Lab.
ボイルの法則:圧力と体積は反比例:pV=一定
シャルルの法則:体積は温度に比例:V/T=一定
ボイル・シャルルの法則:pV/T=一定
p V = n R T
気体の状態方程式:pV=nRT
pV=m/MRT

熱機関は、 熱エネルギー(温度差)と運動エネルギー(動力)との エネルギー変換 をします。


  5 ボンベ

ボンベの上に、バルブ(弁)がついています。 ボンベの残量をチェックする一次側圧力計があり、その下にレギュレータがついています。

ボンベは、 業種によってタンクやシリンダーと呼ばれることもあります。 英語での呼び方シリンダーは、産業革命の蒸気機関から由来していることがわかりますね。


バルブ(弁)

  6 バルブ(弁)

高圧でも外れないようネジが切ってあります。 バルブにもいろいろな種類があります。 * 3 )


  7 コック

ブルドン圧力計

  8 ブルドン管圧力計
© 2023 K.Tachibana , C1 Lab.

圧力計。 高圧でも外れないようネジが切ってあります。


圧力計

  1 圧力計
大分類 小分類 特徴用途
液柱式 U字管マノメーター
傾斜管マノメーター
弾性式 ブルドン管圧力計
ベローズ圧力計
ダイヤフラム圧力計
電気式 抵抗線ひずみ計

圧力 は、物質の 状態や反応速度、化学平衡と関係します 4 ) オートメーションで計測されます。

p V = n R T

温度圧力 、 流量 、液位 ( 液面)、 組成 (成分、濃度) は、プロセス変量(プロセス変数)と呼ばれ、計測したり、目標値を設定して、 制御したりします。


  9 レギュレータ(圧力調整弁)

状態図

010020030040050060070080025002000150010005000 温度 T / K 圧力 p / Pa
  10 状態図
© 2023 K.Tachibana , C1 Lab.

1成分系では、相律においてn=1であるから、F=3-pで、自由度の最大値は2となります。 F=2のときに変えられるのは、温度と圧力です。 よって、1成分系では、 温度と圧力によって、物質が固体、液体、気体、超臨界流体のいずれの 状態を示した図を 状態図(Phase Diagram) と言います 5 ) 。 固体に複数の結晶系があるとき、多形(Polymopism)と言います。

2成分系では、自由度の最大値は3となります。鉄ー炭素系平衡状態図などは、よく使われます。


物質の状態

  2 物質状態
状態 密度 粘性/弾性 物質(材料)の例
超臨界流体 密度大 粘性
気体 密度小 粘性 🏞 空気
液体 密度大 粘性
固体 密度大 弾性

  3 高圧ガス容器
高圧ガスの分類 ガスの名称 性質 原料
/製法
🚂 製品
/用途
🏞 酸素ガス 酸素 🏞 空気 製鉄
🏞 水素ガス 水素 LNG
🏞 液化炭酸ガス 二酸化炭素 消火
🏞 液化アンモニアガス アンモニア 🏞 空気
🏞 液化塩素ガス 塩素 🏞 海水 電解
アセチレンガス アセチレン 溶接
可燃性ガス プロパン 🏞 石油 🚂 燃料
可燃性・毒性ガス 可燃性・毒性ガス
毒性ガス 毒性ガス
その他のガス アルゴン

事故が起きた後で調査をしてみると、「無理をした」「油断をした」「 知らなかった」「教わらなかった」など、安全に対する心構えの不備な事例が意外に多い 7 ) 📥

ボンベの や文字の は、高圧ガス保安法で定められています。 * 誤った色使いは、事故の原因になります。 *

可燃性ガスと不燃性ガスでは、ねじの切る向きが違います。 *

化学工業では、気体を圧縮して高圧ガスとして使います。 冷蔵庫やエアコンの冷媒や燃料のLPガスも高圧ガスです 8 )

🔷 高圧ガスの取り扱い

色のコンプライアンス

  4 色のコンプライアンス
分類
法令 道路交通法 信号機、止まれは赤。
高圧ガス保安法 ガスボンベ 水素ガス のボンベの塗色は赤。文字は白。
民間規格 JISC 60062 固定抵抗器
バリアフリー ユニバーサルデザイン

危険物

  5 危険物
類別/性質 小分類
第一類
酸化性固体
塩素酸塩類 🚂 マッチ頭薬 *
過塩素酸塩類
無機過酸化物
亜塩素酸塩類
臭素酸塩類
硝酸塩類
ヨウ素酸塩類
過マンガン酸塩類
重クロム酸塩類
第二類
可燃性固体
硫化リン
赤リン 🚂 マッチ側薬 *
硫黄
鉄粉
金属粉
マグネシウム
その他のもので政令で定めるもの
前各号に掲げるもののいずれかを含有す るもの
引火性固体
第三類
自然発火性物質及び禁水性物質
第四類
引火性液体
特殊引火物
第一石油類 アセトン、ガソリン
アルコール類
第二石油類 灯油、軽油
第三石油類 重油
第四石油類
動植物油類
第五類
自己反応性物質
第六類
酸化性液体
過塩素酸
過酸化水素
硝酸

可燃性、引火性、爆発性の物質の使い方を誤れば、火災や爆発とそれに伴う火傷や負傷が起こる可能性がある 9 )


危険物屋内貯蔵所

  11 危険物屋内貯蔵所
© 2024 K.Tachibana , C1 Lab.

米沢キャンパスには、 危険物屋内貯蔵所が二か所あります。 消防法 に定められた危険物は、安全 のため コンプライアンスに従って、貯蔵し、定期的に点検 (定期保全) しなければなりません。


ハインリッヒの1:29:300の法則

1件 重い傷害 29件の軽い傷害 300件の傷害のない事故 5000件の危険な行動・危険な状態
  12 ハインリッヒの1:29:300の法則

アメリカの損害保険会社のハインリッヒが1929年に発表した法則 10 )

「同じ種類の 事故が330件起きたとすると、300件は無傷ですむが、29件は軽い傷害(災害)を伴い、1件は重い傷害(災害)を伴う確率となる」 11 ) 12 ) 13 )


安全の手引き,p.25
安全 第一

高温 で溶かす、劇薬で化学反応を起こす……、そんな工場のイメージはとても事故が多そうな感じがしますが、実はそうでもありません 16 )

研究開発現場、製造現場、輸送時、 製品廃棄物、食……と安全は多岐にわたる 17 )

各工場では、安全第一の標語をかかげ、生産能率より安全を優先させ、労働災害の防止につとめながら生産活動にあたたっている 18 )

ヒヤリハット活動、KY活動、指さし呼称、やりきり厳守 19 )

安全の基本 20 )

緊急時の対応

火災 爆発 漏洩 地震 事故(けが、急病)

実験廃棄物の処理

  6 米沢キャンパス から排出される 実験廃棄物
分類 対象物
有害ゴミ 蛍光管 水銀 を含む電池 など
実験廃棄物 放射性物質 PCB 石綿(アスベスト) 発火性引火性物質 アルカリ金属 爆発性物質 健康障害を引き起こす化学物質
廃液 (a)無機系廃液 (b)写真廃液(現像液、定着液) (c)有機系廃液 (d)難燃性有機廃液(含ハロゲン) (e)廃油(機械油、植物油など) (f)シリコンオイル
固形廃棄物 溶剤に溶けるものは、無機・有機廃液とする。
産業廃棄物 試薬瓶・缶 廃プラスティック類 シリカゲル・アルミナ ガラス器具(一斗缶) 金属片・ワイヤー 電線 など 病原性徴生物による汚染物質 ガラス器具は、一斗缶に入れる ほかは透明ビニールの袋で研究室を記名 4号館北東玄関脇、月末金曜日
「安全マニュアル」
https://www.yz.yamagata-u.ac.jp/jimu/kikaku/inside/dl5.html
https://www.yz.yamagata-u.ac.jp/current/attention/
「実験廃棄物の適切な処理および廃棄のためのマニュアル」

スケールアッププロセスプロセス

  7 スケールアッププロセス
段階 標本数 容積 質量 アクション 備考
構想 シミュレーション
ラボスケール 3~5 5~500mL 1g~100g フラスコ C1ラボ 共同研究
ベンチスケール 10~100 5~50L 1kg~10kg ポリタンク 共同研究
パイロットスケール 100~1000 50~250L(ドラム缶レベル) 機械
量産 100000~ 500~数千L(工場レベル) 機械 ばらつきがあるので サンプリング 検査が必要。

単位操作

  8 単位操作
単位操作の分類 背景 特徴
溶解 溶かす
分離・抽出 濾す
加熱 🔥 温度 茹でる、煮る、蒸す
🏞 製鉄
1500℃
冷却 💪 第一次産業革命 冷ます 酸素
加圧 💪 第一次産業革命 つぶす、圧力釜 🏞 アンモニア
撹拌・混合 混ぜる
解砕・分散 23 ) 砕く、マヨネーズ、チョコレート
乾燥 干す
蒸留・分留 🏞 ナフサ ウイスキー
ろ過・再結晶・塩析
電解・電析 第二次産業革命 🏞 アルミニウム q.64 めっき

化学反応を起こさせる操作すなわち反応操作(unit process)のほかに、いろいろな物理的な操作を必要とする。この物理的な操作を単位操作(unit operation)という 24 ) 25 )

✍ 平常演習
高圧化学を支える技術について調べよう

化学プラントの機械

  9 化学プラントの 機械 machine
名称 機能 図記号
ポンプ 渦巻ポンプ ダイヤフラムポンプ
圧縮機 送風機 気体の圧縮・輸送 ( 圧縮空気 )
乾燥器 dryer 26 ) トンネル乾燥機、噴霧乾燥機
混合機 mixer 撹拌器 agitator 固体の粉末の 混合 液体の撹拌
粉砕機 固体の粉砕

化学工場では、 機械装置が使われます。 それらは、プラント記号として表現されます。

27 )


化学プラントの装置

  10 化学プラントの 装置 machine
名称 機能 図記号
電解槽 発酵槽
熱交換器
加熱炉 furnance 燃焼による物質の 加熱 コークス炉 28 )
配管設備 流体の輸送(管、管継手)と遮断( バルブ

化学工場では、 機械装置が使われます。 それらは、プラント記号として表現されます。

29 )


化学プラント配管図面記号

  11 化学プラント配管図面記号
名称 図記号
バルブ 30 ) 31 )
垂直容器(タンク)
サイクロン

化学工場では、 機械装置が使われます。 それらは、プラント記号として表現されます。

* *
✍ 平常演習
プラント記号を憶えよう

食べるためのアルカリ- 灰汁は人類最初のpH調整剤?-

酸と塩基(アルカリ)

  12 酸と塩基(アルカリ)
材料例 原料/ 製法 用途
塩基(アルカリ) 灰汁(あく) 灰汁抜き、釉
苛性ソーダ(水酸化ナトリウム) 食塩/ 電解 製紙( パルプ蒸解)、 繊維 (紡糸)、中和、二酸化炭素の吸収除去
ソーダ灰(炭酸ナトリウム) 食塩、アンモニア、二酸化炭素/ ソルベー法、安塩ソーダ法 ガラス工業
アンモニア 空気、水素/バーバー・ボッシュ法(空中窒素固定法) 肥料 、硝酸、樹脂、 繊維
酸敗ミルク ミルク/発酵 繊維
硫酸 硫黄/接触法 肥料 (硫安)、染料、洗浄剤、中和剤
硝酸(揮発性) アンモニア/アンモニア酸化法(オストワルト法) 肥料 、火薬(硝酸カリウム)
塩酸(揮発性) 食塩/ 電解 食品、 鉄鋼、紙、織物染料
リン酸 リン鉱石/湿式法、乾式法 肥料 、食品

農業革命の前に食べていたものはドングリの実などでした。でもそのままでは渋くて食べられません。 灰汁(あく)抜きをしない。 じゃあ、灰汁ってなんですか? 植物の灰を水に溶かしたものです。 主成分は 炭酸カリウム 。 植物に含まれるシュウ酸などの有害なをアルカリで中和したんです。 ポット(鍋)でアッシュ(灰)を使って調理するからポタージュ。 今では 重曹 などが pH調整剤 として 食品 に使われるけどね。 ワラビの灰汁抜きのレシピをネットで検索してノートに書きなさい。 身近な酸と塩基についてそのpHと成分の化合物を化学式でノートに書きなさい。 pH調整剤について調べてノートに書きなさい。 濃度と電離度の関係をネットで検索してノートに書きなさい。 書き終わったら、近くの人から署名と日付をもらおう。

灰汁を検索してみよう。 大森貝塚 三内丸山遺跡
💯 課外報告書 Web Class

設問ID=52
山菜の灰汁抜きの料理、あるいは山菜に限らず酢や重曹を使ってpHを制御している料理を作っておいしく食べてレシピや写真をHPやSNSに公表しよう。


洗うためのアルカリ-歴史をゆさぶった キャラコ

食べることができたら、着るもの。文明は衣服からはじまります。 繊維の洗浄のためのアルカリです。 キャラコを洗浄した灰汁が パワージェルボールに変わり、キャラコを中和した酸敗ミルクは 柔軟仕上げ剤へと変わった。

ウールやコットンは極性官能基がついているので、吸水してあたたかですが、水で洗うと縮んでしまう。 だからヘキサンで洗うドライクリーニングをする。 レーヨンやキュポラももとはセルロースなので水には弱い。 ポリエステルとキュポラを組みあわせたウォッシャブルなスーツがはやっている。 ウォッシャブルなスーツ、就活などでも活躍しそうだ。

✍ 平常演習

シャンプー、リンス、洗濯洗剤、柔軟仕上げ剤、キッチンの食器洗い、住まいの洗剤、お風呂の洗剤・・・。 それらの洗剤から具体的商品をひとつ選んで、アニオン界面活性剤、カチオン界面活性剤、両性界面活性剤、非イオン界面活性剤、に分類し、 酸性かアルカリ性かpHを調査し、なぜそのような商品設計になっているのか論じなさい。

回答

野村正勝・鈴鹿輝男 最新工業化学 ―持続的社会に向けて― 第7章 有機ファインケミカルズ、界面活性剤 講談社サイエンティフィク

肥料と火薬のためのアルカリ-山を爆破し鉄道をひいたダイナマイト

アンモニア製造におけるハーバー・ボッシュ法、硫酸製造における接触法や、硝酸製造におけるアンモニア酸化法などではいくら触媒を工夫しても収量は変わらない。

植物 は二酸化炭素は気孔から、水は根毛から、そしてその他の元素はイオンのかたちで根毛から吸収する。 したがって窒素、リン、カリウムと言った肥料はイオンの形で水に溶解させねばならない。 18世紀 の産業革命による人口爆発で食糧危機に陥った都市の住民は、 天然肥料にたよっていた肥料を科学技術でなんとかしようと工夫した。 20世紀初頭に確立された空中窒素固定法における アンモニア 合成では、1000 気圧 の窒素と水素を触媒下 600 °C で接触反応させる。

このような高圧・高温での反応は、丈夫な反応釜はもちろん、バルブやパイプも高圧に耐えうる必要がある。 化学プラントのパイプや反応釜の接続は プラント記号で図面に表現される。

窒素と水素を原料にした アンモニア 合成は、ルシャトリエの原理を化学工業に応用した例です。 圧力を温度を変えたときのアンモニアの体積百分率をグラフをノートに描きなさい。

N2 + 3H2=2NH3 + 92.2kJ ( * )


肥料

  13 肥料の三要素と単肥の例
含有成分 元素 単肥の例 原料 特徴
🏞 窒素 硫安(硫酸アンモニウム)・尿素・硝安(硝酸アンモニウム)・塩安(塩化アンモニウム)・石灰窒素 🏞 アンモニア 葉肥 *
リン リン酸カルシウム・過リン酸石灰・ リン酸 果肥
カリウム 硫酸カリウム、塩化カリウム 鉱石 根肥

肥料には、肥料の三要素を一成分含む単肥と、二要素以上含む複合肥料に分けられます。また複合肥料は、配合肥料と化成肥料に分けられます。化成肥料は、肥料の三要素のうち、二要素以上を化学合成で作ったものです 32 )

このように肥料は、工業製品であり、その要素は、材料でもあります。


飢餓をゼロに

  13 飢餓をゼロに

飢餓を終わらせ、食料安全保障および栄養改善を実現し、持続可能な農業を促進する。

もし人間を中心とした農村開発を適切に行い、環境を保護するならば、農業や林業、漁業が栄養ある食料をすべての人々に提供し、人並みの収入を生み出すことができる。

* 🔷 足立区都市農業公園@ 東京都足立区 🔷 小石川植物園@東京都

  14 栽培研究センター(アグリベスト)@徳島県阿波市
© K.Tachibana
💯 課外報告書 Web Class
肥料で花を咲かせて楽しもう
圧力と温度、触媒 JIS K10 酸とアルカリの材料 水 空気 酸とアルカリの物理量
インフラ

高圧容器と蒸気機関
肥料・火薬と空中窒素の固定
アルカリと山菜の灰汁ぬき

水資源

工場のユーティリティ

  14   工場のユーティリティ
大分類 小分類 資源 用途
用水 海水 🏞 海水 火力発電所の冷却
淡水 🏞 河川水や 🏞 地下水 冷却、洗浄
純水 河川水や地下水 ボイラー
超純水 河川水や地下水 ボイラー、半導体洗浄
燃料 重油、天然ガス 加熱炉、ボイラー、自家発電、非常動力
蒸気 河川水や地下水 加熱、蒸気タービン駆動
電力 商用電力、太陽光 動力 照明、自動制御、 コンピュータ 通信
圧縮空気 🏞 空気 自動制御、調節弁

工場では、原料や材料のほか、触媒や溶剤、補助的な薬品なども使われます。 またプラントを運転するために、用水、燃料、蒸気、電力、圧縮空気のような用役(ようえき)も必要です 33 )


  15 SDGs since 2015
  1. 貧困をなくそう
  2. 飢餓をゼロに
  3. 全ての人に健康と福祉を
  4. 質の高い教育をみんなに
  5. ジェンダー平等を実現しよう
  6. 安全な水とトイレを世界中に
  7. エネルギーをみんなに、そしてクリーンに
  8. 働きがいも経済成長も
  9. 産業と技術革新の基盤を作ろう
  10. 人や国の不平等をなくそう
  11. 住みつづけられる街づくりを
  12. つくる責任 つかう責任
  13. 気候変動に具体的な対策を
  14. 海の豊かさを守ろう
  15. 陸の豊かさも守ろう
  16. 平和と公正をすべての人に
  17. パートナーシップで目標を達成しよう
*

安全な水とトイレを世界中に

  16 安全な水とトイレを世界中に

すべての人々の水と衛生の利用可能性と持続可能な管理を確保する。

SDG 6は飲料水や衛生施設、衛生上の範囲を超えて、水質や水資源の持続可能性の問題も取り上げている。そのため国際協力を拡大し、水と衛生の管理向上について地域コミュニティの支援を強化する。


  15 住宅の構成
区分 部品 材料
建物 躯体 🏞 木材、鉄骨、RC
屋根 ソーラーパネル、ガルバリウム鋼板、瓦、萱
樹脂サッシ、アルミサッシ
住宅設備 給湯器 、エアコン、 トイレ電池(ESS)、 パワコン(PCS)、 HEMS *
基礎 鉄筋コンクリート
外構 カーポート、緑地
ライフライン 水道電気電池 )、 ガス通信(ネット)

水道

  17 東京都水道歴史館@東京都文京区
© K.Tachibana

もし、せっぱつまって入った水洗 トイレが溢れていたら。 縄文から平安時代のトイレは、川に直接用便したので、川屋と言われた。

トイレの歴史

シャワートイレをスマートフォンで操作する
出典: LIXIL
高純水の製造と下水高度処理による窒素とリンの除去
浄水器
出典: カセッティ
ライフラインとインターネット 野村正勝・鈴鹿輝男 最新工業化学 ―持続的社会に向けて― 第6章 機能性高分子 講談社サイエンティフィク
<a href="https://edu.yz.yamagata-u.ac.jp/Public/53202/53202.asp"> 無機工業化学 </a>:
<a href="https://edu.yz.yamagata-u.ac.jp/Public/53202/53202_02.asp"> 1000気圧が生み出す肥料と食料―酸・アルカリ工業と水資源― </a>

参考文献

False
無機工業化学


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名称: 教育用公開ウェブサービス
URL: 🔗 https://edu.yz.yamagata-u.ac.jp/
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