Published November 1963 | Version v1
Book

Studies of Radiation Mechanisms as Applied to the Potential Manufacturing Processes: Hydrazine from Ammonia, Nitrogen Fixation and Ozone from Oxygen

  • 1. William H. Johnston Laboratories, Inc., Baltimore 15, MD (United States)

Description

The slow progress of the past decade toward industrial utilization of radiation in chemical manufacturing is related, among other things, to the tendency to oversimplify or ignore the basic mechanisms and the essential complexity of the radiation chemical systems. The importance of the fundamental approach is illustrated by the radiation systems of hydrazine from ammonia, nitrogen fixation, and ozone from oxygen. Since the First Geneva Conference on the ''Peaceful Uses of Atomic Energy'', radiation production of hydrazine has been of interest because of its high traditional cost and its potential large scale use for rocketry. While considerable efforts had been made on the engineering aspects of such a system, little attention was paid to its radiation chemistry. We have examined this system theoretically and experimentally and have identified the basic mechanism by which yields of hydrazine are limited. On the basis of this mechanism we have proposed a method to increase yields, which has been confirmed by experimental studies. Coincidence mass spectrometry shows a major ionization reaction over a wide energy range forming hydrogen radicals and amino ions, NH2+. Workers.studying the photolysis of ammonia have shown that hydrogen radicals destroy hydrazine. Under radiolysis conditions that allow krypton or xenon to absorb nearly all of the radiation energy, the subsequent charge exchange reactions are unable to form hydrogen atoms directly, since the recombination energy of xenon and krypton are such that direct H formation is strongly endothermic: under these conditions we find a significant increase in the yield of hydrazine. By contrast, the charge exchange of ammonia with neon ions to form hydrogen radicals and the amino ion is strongly exothermic: under these conditions we find a large decrease in the hydrazine yield. For nitrogen fixation by irradiation, there is insufficient experimental data to allow confidence in theoretical predictions. Mass spectrometer experiments have shown that irradiation of N2 can yield the important ions N4+ and N3+ as well as N2+ and N+. There is evidence, however, that N4+ and N3+ whose reactions have hitherto been ignored, play an important role in nitrogen fixation. Finally, in the radiolysis of oxygen to form oxone, experimental results often are in apparent conflict. Our analysis of a likely mechanism leads to the conclusion that a low LET will favour ozone formation. Reported G-values for different types of radiation tend to support this conclusion. It is shown also that rare gas sensitization may be a useful technique for ozone formation in some systems. (author)

Abstract (French)

La lenteur des progres accomplis au cours de la decennie ecoulee en ce qui concerne l'application des rayonnements dans l'industrie chimique s'explique en partie par le fait que l'on avait tendance a simplifier outre mesure, voire a ignorer, les mecanismes fondamentaux et la complexite des systemes exposes aux rayonnements. L'importance des criteres de base a adopter est illustree par la production radiochimique de l'hydrazine a partir de l'ammoniac, par la fixation de l'azote et par la production de l'ozone a partir de l'oxygene. Depuis la premiere Conference de Geneve sur l'utilisation de l'energie atomique a des fins pacifiques, on a accorde une grande importance a la production radiochimique de l'hydrazine en raison du coflt eleve des procedes classiques et de la forte demande potentielle d'hydrazine pour la propulsion des fusees. Des efforts considerables ont ete deployes en vue d'etudier les aspects technologiques d une telle production, mais on s'est fort peu preoccupe de ses aspects radiochimiques. Les auteurs ont etudie ce systeme du point de vue theorique et experimental, et ils ont determine le mecanisme fondamental qui limite le rendement en hydrazine. En tenant compte de ce facteur, ils ont propose une methode permettant d'augmenter le rendement, leur theorie ayant ete confirmee par des etudes experimentales. L'emploi d'un spectrometre de masse a coincidence montre qu'une reaction d'ionisation importante se produit pour une large gamme d'energies et donne lieu a la formation de radicaux hydrogene et d'ions NH2+. Des travaux sur la photolyse de l'ammoniac ont revele que les radicaux hydrogene detruisent l'hydrazine. Dans des conditions de radiolyse permettant au krypton et au xenon d'absorber pratiquement toute l'energie de rayonnement, les reactions ulterieures d'echange de charges ne peuvent produire directement des atomes d'hydrogene, car les energies de recombinaison du xenon et du krypton sont telles que la formation directe de H est fortement endothermique: dans ce conditions, les auteurs ont observe une augmentation importante du rendement en hydrazine. Par contre, la reaction d'echange de charges entre l'ammoniac et les ions neon, qui donne lieu a la formation de radicaux hydrogene et d'ions NH2+, est fortement exothermique: dans ces conditions, les auteurs ont observe une forte diminution du rendement en hydrazine. Les donnees experimentales que l'on possede sur la fixation de l'azote au moyen de l'irradiation sont insuffisantes pour confirmer les previsions theoriques. Des experiences au moyen d'un spectrometre de masse ont montre qu l'irradiation de N2 peut donner les importants ions N4+ et N3+ aussi bien que les ions N2+ et N+. Cependant, il semble bien que N4+ et N3+, dont on ignorait jusqu'a present les reactions, jouent un role ifnportant dans la fixation de l'azote. Enfin, dans la radiolyse de l'oxygene en vue de former de l'ozone, les resultats experimentaux sont souvent contradictoires. L'analyse faite par les auteurs d'un mecanisme probable mene a la conclusion qu'un faible TLE favorise la formation de l'ozone. Les valeurs de G obtenues pour differents types de rayonnements tendent a confirmer cette conclusion. Les auteurs montrent egalement que la sensibilisation des gaz rares peut etre une methode utile pour obtenir la formation d'ozone dans certains systemes. (author)

Abstract (Spanish)

La lentitud de los progresos realizados en la esfera de la utilizacion de las radiaciones en la industria quimica en el ultimo decenio se debe, entre otros factores, a la tendencia a simplificar excesivamente o incluso a ignorar los mecanismos fundamentales y a la complejidad de los sistemas quimicos expuestos a las radiaciones. Como ejemplo de la importancia de los criterios fundamentales, pueden citarse los procedimientos radioquimicos de obtencion de hidrazina a partir del amoniaco, de fijacion del nitrogeno y de obtencion del ozono a partir del oxigeno. Desde la primera Conferencia de Ginebra sobre la Utilizacion de la Energia Atomica con Fines Pacificos, la obtencion radioquimica de la hidrazina ha despertado interes debido al elevado costo de los procedimientos usuales y a la fuerte demanda potencial de hidrazina para la propulsion de cohetes. Por mas que se hayan estudiado empenosamente los aspectos tecnicos del problema, se ha prestado poca atencion a sus aspectos radioquimicos. Los autores han examinado este sistema desde el angulo teorico y experimental y han identificado el mecanismo basico que limita el rendimiento de hidrazina. Sobre la base d e dicho mecanismo, propusieron un metodo para incrementar les rendimientos, cuya validez ha quedado confirmada por los estudios experimentales. La espectrometria de masas por coincidencias revela que en una amplia gama energetica se produce una intensa reaccion de ionizacion que da origen a radicales hidrogeno y a iones amino (NH2+). Los estudios de las fotolisis del amoniaco han demostrado que los radicales hidrogeno destruyen la hidrazina. Si se opera en condiciones radioliticas que permitan que el cripton o el xenon absorban casi toda la energfa radiante, las subsiguientes reacciones de intercambio de cargas son incapaces de formar atomos de hidrogeno directamente, puesto que la energia de recombinacion del xenon y del cripton son tales que la formacion directa constituye un proceso fuertemente endotermico: en estas condiciones, los autores han observado un considerable aumento del rendimiento de hidrazina. Por el contrario, el intercambio de cargas del amoniaco con iones neon para formar radicales hidrogeno e iones amino es fuertemente exotermico: en estas otras condiciones, los autores han comprobado que el rendimiento de hidrazina disminuye notablemente. En lo que atane a la fijacion del nitrogeno por irradiacion, no se cuenta con datos experimentales suficientes para verificar la exactitud de las predicciones teoricas. Los experimentos de espectrometrfa de masas indican que la irradiacion del N2 puede producir los importantes iones N4+ y N3+, juntamente con los iones N2+ y N+. Con todo, hay indicios de que el N4+ y el N3+, cuyo efecto en las reacciones no se habia tenido en cuenta hasta ahora, intervienen decisivamente en la fijacion del nitrogeno. Por ultimo, en lo que respecta a la radiolisis del oxigeno para formar ozono, los resultados experimentales parecen a menudo contradictorios. El analisis del mecanismo probable, efectuado por los autores, induce a creer que los valores reducidos de la TLE facilitan la formacion del ozono. Los valores experimentales de G para los diferentes tipos de radiaciones tienden a confirmar esa conclusion. Se demuestra tambien que la sensibilizacion de los gases nobles puede constituir una tecnica util para la formacion de ozono en determinados sistemas. (author)

Abstract (Russian)

Medlennyj rost v primenenii izluchenij v khimicheskikh proizvodstvakh za poslednie 10 let obyasnyaetsya, naryadu s drugimi prichinami, tendentsiej slishkom bol'shogo uproshcheniya ili ignorirovaniya osnovnykh mekhanizmov i kharakteristicheskikh slozhnostej radiatsionno-khimicheskikh protsessov i sistem. Vazhnost' vyrabotki teoreticheskogo podkhoda dlya resheniya dannoj problemy illyustriruetsya radiatsionnymi sistemami polucheniya gidrazina iz ammiaka, fiksatsii azota i polucheniya ozona iz kisloroda. Posle Pervoj zhenevskoj konferentsii po mirnomu ispol'zovaniyu atomnoj ehnergii bol'shoe znachenie priobretaet radiatsionnyj metod proizvodstva gidrazina, chto obyasnyaetsya vysokoj stoimost'yu ego proizvodstva obychnym sposobom i potentsial'nym ispol'zovaniem ego v bol'shikh kolichestvakh v raketnoj tekhnike. Mnogo usilij bylo zatracheno na izuchenie tekhnicheskikh aspektov ehtoj sistemy, no malo vnimaniya bylo udeleno radiatsionnoj khimii. Avtory izuchili protsess kak teoreticheski, tak i ehksperimental'no i ustanovili osnovnoj mekhanizm protsessa, opredelyayushchij vykhod gidrazina. Na osnovanii ehtogo issledovaniya predlozhen metod uvelicheniya vykhoda gidrazina, pravil'nost' kotorogo byla podtverzhdena ehksperimental'nym putem. Issledovaniya s pomoshch'yu massspektrometra, rabotayushchego po printsipu sovpadenij, pokazali, chto bol'shaya chast' reaktsij ionizatsii v shirokom diapazone ehnergij privodit k obrazovaniyu vodorodnykh radikalov i amino-ionov NH2+. Issledovanie fotoliza ammiaka pokazalo, chto vodorodnye radikaly razrushayut molekuly gidrazina. Pri radiolize kripton ili ksenon pogloshchayut pochti vsyu ehnergiyu izlucheniya, a posleduyushchie reaktsii obmena zaryadov ne sposobny privesti k neposredstvennomu obrazovaniyu vodorodnykh atomov, poskol'ku ehnergiya rekombinatsii ksenona i kriptona takova, chto neposredstvennoe obrazovanie atomov vodoroda idet s bol'shim pogloshcheniem tepla; najdeno, chto pri ehtikh usloviyakh znachitel'no uvelichivaetsya vykhod gidrazina. Naprotiv, reaktsiya ammiaka s ionami neona, idushchaya s obrazovaniem vodorodnykh radikalov i amino-ionov, sil'no ehkzotermichna; najdeno, chto pri ehtikh usloviyakh vykhod gidrazina sil'no umen'shaetsya. V nastoyashchee vremya ne imeetsya dostatochnykh ehksperimental'nykh dannykh po fiksatsii azota, pozvolyayushchikh proverit' teoreticheskie predskazaniya. Mass-spektrometricheskie ehksperimenty pokazali, chto obluchenie mozhet, privesti k obrazovaniyu ionov N4+ i N3+, a takzhe N2+ i N+. Pri ehtom est'osnovaniya schitat', chto N4+ i N3+, reaktsii kotorykh do sikh por ignorirovalis', igrayut vazhnuyu rol' v fiksatsii azota. (author)
Part of:
Industrial Use of Large Radiation Sources. Proceedings of a Conference on the Application of Large Radiation Sources in Industry. V. I

Additional details

Additional titles

Original title (English)
Etudes sur l'application de reactions radiochimiques a des procedes industriels: production de l'hydrazine a partir de l'ammoniac, fixation de l'azote, et production de l'ozone a partir de l'oxygene; Izuchenie mekhanizma radiatsionnykh protsessov v svyazi s vozmozhnost'yu ikh primeneniya v promyshlennosti. Poluchenie gidrazina iz ammiaka, fiksatsiya azota i poluchenie ozona iz kisloroda; Aplicacion de reacciones radioinducidas a procesos industriales: obtencion de hidrazina a partir de amoniaco, fijacion del nitrogeno y obtencion del ozono a partir del oxigeno

Publishing Information

Publisher
IAEA
Imprint Place
Vienna (International Atomic Energy Agency (IAEA))
Imprint Title
Industrial Use of Large Radiation Sources. Proceedings of a Conference on the Application of Large Radiation Sources in Industry. V. I
Imprint Pagination
436 p.
Series
Proceedings Series
Journal Page Range
p. 41-55
ISSN
0074-1884

Conference

Title
Conference on the Application of Large Radiation Sources in Industry
Dates
27-31 May 1963
Place
Salzburg (Austria)

INIS

Country of Publication
International Atomic Energy Agency (IAEA)
Country of Input or Organization
International Atomic Energy Agency (IAEA)
INIS RN
44058798
Subject category
S37: INORGANIC, ORGANIC, PHYSICAL AND ANALYTICAL CHEMISTRY; S07: ISOTOPES AND RADIATION SOURCES;
Resource subtype / Literary indicator
Conference
Descriptors DEI
AMMONIA; CHARGE EXCHANGE; HYDRAZINE; HYDROGEN; IRRADIATION; KRYPTON; MANUFACTURING; MASS SPECTROSCOPY; NITROGEN FIXATION; RADIOLYSIS; XENON
Descriptors DEC
CHEMICAL RADIATION EFFECTS; CHEMICAL REACTIONS; DECOMPOSITION; ELEMENTS; FLUIDS; GASES; HYDRIDES; HYDROGEN COMPOUNDS; NITROGEN COMPOUNDS; NITROGEN HYDRIDES; NONMETALS; RADIATION EFFECTS; RARE GASES; SPECTROSCOPY

Optional Information

Notes
1 tab., 17 refs. Imprint:In two volumes
Secondary number(s)
STI/PUB--75(v.1)