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关于六氟化硫气体

2018-08-02 0:36:47

简介

六氟化硫气体是法国两位化学家Moissan和Lebeau于1900年合成的人造惰性气体，1940年前后，美国军方将其用于曼哈顿计划（核军事）。1947年提供商用。

SF6是强电负性气体，它的分子极易吸附自由电子而形成质量大的负离子，削弱气体中碰撞电离过程，因此其电气绝缘强度很高，在均匀电场中约为空气绝缘强度的2.5倍。SF6气体在t≈2000K时出现热分解高峰，因此在交流电弧电流过零时，SF6对弧道的冷却作用比空气强得多，其灭弧能力约为空气的100倍。

六氟化硫气体的化学式是SF6。

生产方法

1、直接合成法：

A、经净化后的氟（含HF≤0．5%）和硫反应生成六氟化硫及少量的S2F10、SF4、SF2和S2F2。经水洗、碱洗除去绝大部分杂质气体，再经热解炉分解S2F10成SF6和SF4（300～350℃），然后经碱洗进一步除去杂质，净化后的SF6气体经硅胶及分子筛干燥器干燥后，制得六氟化硫产品。

B、将硫、二氯化硫、一氯化硫、二硫化碳或硫化氢等加入到无水氟化氢中，以镍为阳极进行电解即可制得六氟化硫。或氟和硫直接反应制备六氟化硫。还可以金属氧化物为催化剂于300℃下用空气氧化四氟化硫，或者在500～2000℃使氟化硫热解。

2、以长约300mm直径25mm的镍管为反应器，将盛有硫粉的镍舟置于其中，反应管与一石英阱连接，石英阱以液态氧冷却。装置的末端与一装有新脱水的KF的铁制干燥管相连，以隔离空气中的湿气。硫在氟气流中燃烧，生成的产物凝聚在冷阱中。随后进行纯化，使产物气化并通过10%的KOH热溶液（不用NaOH）洗涤除去其中的杂质（HF，SF2，SF4，SOF2，S2F10）。然后用P4O10干燥产物气体，并在室温下通过活性炭除去S2F10。

3、使SO2在过量的F2中燃烧可生成SF6。反应温度约650℃，产物在冷阱中凝聚，其中除SF6外主要杂质是SO2F2。纯化时将其通过装有水和热的10%KOH溶液的洗涤瓶，最后用P4O10干燥。

4、元素氟和硫直接反应法。

A、直接电解法：将硫、二氯化硫、一氯化硫、二硫化碳或硫化氢等加入到无水氟化氢中，以镍为阳极进行电解即可制得六氟化硫。用硫化氢与无水氢氟酸电解时，以镍作极，铁作阴极，温度为－10～20℃，电压为7～20V。电解产物应除去杂质;

B、催化氧化法：金属氧化物为催化剂，于300℃下，用空气氧化四氟化硫，该法缺点是收率过低。

C、热解法：在500～2000℃使SF4热解，但该法的转换率及收率皆低，采用微波放电分解SF4亦可。

D、氟化钴法：将硫磺或其他硫化物在三氟化钴和二氯化钴存在下与过量氟作用以制备六氟化硫。二氧化硫与氟燃烧法。

E、联产法：氯氟代甲烷和六氟化硫联产，氟化碳（COF2）与六氟化硫联产。

物理特性

六氟化硫是一种无色、无臭、无毒、不燃的惰性气体，它的分子量为146.07，在20℃和0.1 MPa时密度为6.1kg/m3，约为空气密度的5倍。六氟化硫在常温常压下为气态，其临界温度为45.6℃，三相点温度为-50.8℃，常压下升华点温度为-63.8℃。六氟化硫分子结构呈八面体排布，键合距离小、键合能高，因此其稳定性很高，在温度不超过180℃时，它与电气结构材料的相容性和氮气相似。

化学特性

常温下是一种惰性气体。一般不会与其它材料发生反应。

电气特性

绝缘性能佳，还具有独特的热特性和电特性。SF6气体是电负性气体，其分子和原子具有很强的吸附自由电子的能力，可以大量吸附弧隙中的自由电子，生成负离子。负离子的运动比自由电子慢得多，很容易和正离子复合成中性的分子和原子，大大加快了电流过零时的弧隙介质强度的恢复。

分解特性

纯净的SF6气体一般公认是无毒的。SF6在生产过程中会有少量伴随的生成物，其中S2F10是公认的剧毒气体，但经过净化处理可以完全将它除净。纯净的SF6气体虽然无毒，但在工作场所要防止SF6气体的浓度上升到缺氧的水平。SF6气体的密度大约是空气的五倍、SF6气体如有泄漏必将沉积于低洼处，如电缆沟中。浓度过大会出现使人窒息的危险，设计户内通风装置时要考虑到这一情况。SF6气体通过对流能与空气混合，但速度很慢。气体一旦混合后就形成SF6和空气的混合气体，不会再次分离。问题严重的是，电弧作用下SF6的分解物如SF4，S2F2，SF2，SOF2，SO2F2，SOF4和HF等，它们都有强烈的腐蚀性和毒性。

1、SF4(四氟化硫)

常温下SF4为无色的气体，有类似SO2的刺鼻气味，在空气中能与水分生成烟雾，产生SOF2和HF。SF4气体可用碱液或活性氧化铝(Al2O3)吸收。SF4气体对肺有侵害作用，影响呼吸系统，其毒性与光气相当。

2、S2F2(氟化硫)

常温下为无色气体，有毒，有刺鼻气味，遇水分能完全水解形成S，SO2和HF。S2F2对呼吸系统有类似光气的破坏作用。

3、SF2(二氟化硫)

SF2的化学性能极不稳定，受热后性能更加活泼，易水解成S，SO2和HF 。SF2气体可用碱液或活性氧化铝吸收。

4、SOF2(氟化亚硫酰)

SOF2为无色气体，有臭鸡蛋味，化学性能稳定。它与水分反应缓促，并能快速地为活性氧化铝或活性炭吸附。SOF2为剧毒气体．可造成严重的肺水肿，使动物窒息死亡。

5、SO2F2 (二氟化硫酰)

SO2F2为无色无臭气体，化学性能极为稳定，加热到150 °C时也不会与水和金属反应。SO2F2不易被活性氧化铝吸收。SO2F2是一种能导致痉挛的有毒气体。它的危险性在于无刺鼻性嗅味且不会对服鼻粘膜造成刺激作用，故发现中毒后往往会迅速死亡。

6、SOF4(四氟亚硫酰)

SOF4为无色气体，有刺鼻性气味，能被碱液吸收，与水反应会生成SO2F2。SOF4是有害气体，对肺部有侵害作用。

7、HF(氢氟酸)

HF是酸中腐蚀性最强的物质。对皮肤、粘膜有强烈刺激作用，并可引起肺水肿和肺炎等。

用途

1、当前SF6气体主要用于电力工业中。SF6气体用于4种类型的电气设备作为绝缘和/或灭弧；SF6断路器及GIS（在这里指六氟化硫封闭式组合电器，国际上称为“气体绝缘开关设备”（Gas Insulated Switchgear））、SF6负荷开关设备，SF6绝缘输电管线，SF6变压器及SF6绝缘变电站。80%用于高中压电力设备。

2、SF6气体在气象、环境检测及其他部门用作示踪剂、标准气或配制标准混合气。用示踪气体来研究气体的流动踪迹已有多年的历史。早在1 9 7 4 年美国首次将六氟化硫示踪气体用于矿井, 1 9 7 6 年英国开始把六氟化硫示踪气体用于煤矿采空区漏风量的检测，1 9 7 9 年我国成功地应用六氟化硫示踪技术进行地面大气污染监测。另外在通风柜性能检测（美国ANSI/ASHRAE Standard 110-2016标准的示踪气体检测（实验室安全通风柜/实验室排烟罩性能检测））、建筑通风率研究、气体输送系统、高压贮存容器、煤矿巷道用于检测漏风技术、科学试验等作为示踪气体具有无可比拟的优势。

3、SF6气体作为氧化剂的使用。Li/ SF6化学热源系统是一种以金属液态锂为燃料，SF6气体为氧化剂的先进闭式热动力系统。Li/ SF6热源在鱼雷和UUV推进系统中的应用，大名鼎鼎的MK50鱼雷的动力装置就是采用了以锂与六氟化硫气体化学反应为能源的闭式循环热动力系统。

4、是新一代超高压绝缘介质材料。作为良好的气体绝缘体，被广泛用于电子、电气设备的气体绝缘。电子级高纯六氟化硫是一种理想的电子蚀刻剂，广泛应用于微电子技术领域，用作电脑芯片、液晶屏等大型集成电路制造中的等离子刻蚀及清洗剂。在光纤制备中用作生产掺氟玻璃的氟源，在制造低损耗优质单模光纤中用作隔离层的掺杂剂。还可用作氮准分子激光器的掺加气体。

5、也用于核粒子加速器、避雷器X射线设备、超高压蓄电器、同轴电缆和微波传输中作为气体的绝缘材料。

6、六氟化硫化学稳定性好，对设备不腐蚀，在冷冻工业中可作为冷冻剂(操作温度在-45～0℃之间)，作制冷剂替代氟利昂，对臭氧层完全没有破坏作用，符合环保和使用性能的要求，是一种很有发展潜力的制冷剂。

7、此外还作为一种反吸附剂从矿井煤尘中置换氧。

8、SF6对α-粒子有高度的停止能力，故在放射化学中也有应用。

六氟化硫检测仪器

目前SF6气体检测的仪器，国际上广泛认可的只有采用电子捕获检测器（electron capture detector）原理，简称ECD。电子捕获检测器也是一种离子化检测器，它是一个有选择性的高灵敏度的检测器，它只对具有电负性的物质，如含卤素、硫、磷、氮的物质有信号，物质的电负性越强，也就是电子吸收系数越大，检测器的灵敏度越高，而对电中性（无电负性）的物质，如烷烃等则无信号。具有超高的精度、灵敏度和稳定性。主要代表的产品有：英国d-industrial公司的便携式超高精度SF6气体定量检测仪Q200型、日本岛津的台式气相色谱仪GC2010型、美国安捷伦的台式气相色谱仪agilent7890A GC型等。

环境影响

虽然六氟化硫本身对人体无毒、无害，但它却是一种温室效应气体，其单分子的温室效应是二氧化碳的2.2万倍，是《京都议定书》中被禁止排放的6种温室气体之一。

根据IPCC提出的诸多温室气体的GWP（全球变暖潜能）指标，六氟化硫的GWP值最大，500年的GWP值为32400，且由于六氟化硫高度的化学稳定性，其在大气中存留时间可长达3200年。

当今世界六氟化硫的排放量极少，对温室效应的贡献相比于二氧化碳而言完全可以忽略；但出于长久的环保和安全考虑，如何合理、正确的回收净化六氟化硫气体，是必须解决的问题。

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