「危険な」塩化ビニルはなぜ禁止されないのでしょうか?

最近、米国オハイオ州で有害化学物質を積んだ列車が脱線・火災を起こし、有害化学物質である塩化ビニルが漏れ出しました。関連物質の発がん性やその他の特性により、この事件は世界的な注目を集めました。

私は化学研究に従事しているので、友人たちがこの件についての私の見解を尋ねてくるのは避けられません。ここで、残念ながら関連するテストデータが不足していることを説明しなければなりません。 「被害はどの程度深刻なのか？」など、誰もが気になる疑問に正確に答えることはできません。今日は主に他の2つの問題についてお話ししたいと思います。塩化ビニルは非常に毒性が強いのに、なぜ化学産業で使用する必要があるのでしょうか? **他のもので置き換えることはできないのでしょうか?私の国における塩化ビニルの生産と使用の現状はどうなっていますか?

現地時間2月6日の列車事故現場の写真

（写真提供：人民日報海外版）

パート1

「高リスク」警告が迫る

塩化ビニルとはいったい何でしょうか？なぜ人々はそれについて話すときそんなに怖くなるのでしょうか?構造式 C2H3Cl を見ると、エチレンの水素原子の 1 つが塩素原子に置き換えられていることがわかります。

たった 1 つの原子の違いですが、その特性は劇的に変化しました。

塩化ビニル

（写真提供：veerフォトギャラリー）

エチレンは不活性物質であり、化学原料の基礎となります。多くの高価値の化学製品はエチレンを通じて合成できます。

塩化ビニルは、ポリ塩化ビニルプラスチック (PVC) を製造するための基本的な原料です。酢酸ビニル、ブタジエンなどとの重合も可能。抽出剤、冷媒などとしても使用可能。化学・化学工業分野で幅広い用途があります。

しかし同時に、塩化ビニルは非常に危険で有毒な化学物質でもあります。これは世界保健機関の国際がん機関によってクラス1の発がん性物質としてリストされており、人間の肝臓や肺に明らかな損傷を引き起こす可能性があります。それだけでなく、塩化ビニルを燃焼すると、ホスゲンや塩化水素などのさらに有害な有毒ガスが発生します。たとえば、ホスゲンは特定の状況下では即死を引き起こす可能性があります。

パート2

塩化ビニル: 「危険な」化学物質であり、塩素アルカリ化学産業の重要な部分である

そんなに危険なのなら、なぜ塩化ビニルを作らなければならないのでしょうか?塩化ビニルの使用を全面的に禁止することは可能でしょうか？

答えは、「現段階では不可能」です。

ポリマーポリ塩化ビニルプラスチック（PVC）の膨大な応用背景に加えて、塩素アルカリ化学産業にも組み込まれているためです。我が国の国情からすると、実用化に非常に密接に関係する物質を単純に禁止することはできない。

塩素アルカリ化学工業とは、工業において塩化ナトリウムを電気分解して水酸化ナトリウムと塩素を製造するプロセスを指します。苛性ソーダ（水酸化ナトリウム）の主な工業的製造方法です。

中国は世界最大の苛性ソーダ生産国であり、世界の苛性ソーダ生産量の50％以上を占めています。既存の苛性ソーダ製造プロセスは、主に塩水を電気分解するイオン膜法です。苛性ソーダの主な用途は、産業における各種の前処理や吸収であり、その使用量は総生産量の50％以上を占めています。苛性ソーダの約25%は製紙業界で使用されています。

そのため、塩素アルカリ化学産業は極めて重要な役割を果たしています。

しかし、この調理方法は「完璧」ではありません。塩化ナトリウムを電気分解すると、目的の生成物である苛性ソーダに加えて、水素と塩素も生成されます。これら 2 つの不要な生成物は、しばしば「副産物」と呼ばれます。

全体的な反応式は次のとおりです。

中でも塩素は極めて強い酸化力を持つガスであり、腐食性が強いです。塩素が漏れると、日光の下でホスゲンなどの非常に有毒な物質が発生し、安全上の大きな危険が生じるだけでなく、産業界で大量に長期間保管することが困難になります。

塩素を適時に安価に消費または貯蔵できない場合、塩素アルカリ化学品の生産コストに重大な影響を及ぼします。苛性ソーダは化学産業において極めて基本的な工業原料であることを考慮すると、その生産コストの上昇は産業のあらゆる側面に継続的に影響を及ぼすことになります。

輸入された液体塩素コンプレッサーと小型液体塩素タンクは、塩素アルカリ工場で最も高価な設備です。

（写真提供：著者撮影）

1990年代、中国では塩素消費量の減少により苛性ソーダの供給不足と価格高騰が発生し、多くの化学会社に深刻な損失をもたらしました。さらに、関連製品の価格が上昇し、国民経済にも相応の影響を及ぼしました。

したがって、塩素アルカリ産業を安定させ、塩素の貯蔵量を減らし、企業のコストを節約するためには、塩素の利用を最適化する必要があります。塩素は化学、農業、医療、健康産業で広く使用されています。主な用途としては、塩酸、有機溶剤、農薬、消毒剤、無機塩、化学試薬などの製造が挙げられます。これらの用途では、塩素生産量の約 3 分の 2 が消費されます。

これを読んで少し焦りを感じませんか？ここまで話してきましたが、塩化ビニルとどう関係があるのでしょうか?心配しないでください。世の中のあらゆることは、表面的に見えるほど単純ではないことがよくあります。やりたくないように思えることも、実は切っても切れない関係にあるのかもしれません。特に「塩素」と「塩化ビニル」はとても関連が深いようです！次に登場したのは塩化ビニルです。

大量の塩素を貯蔵するもう一つの安価な方法は、塩化ビニルモノマーを合成し、ポリ塩化ビニルプラスチックを製造することです。

ポリ塩化ビニルは機械的性質と耐熱性に優れています。パイプやケーブルの絶縁材に加工することができ、幅広く使用されています。大量生産が可能な商品です。 2014年の全国の苛性ソーダ生産量は3,180万トン、塩素生産量は2,822万トンで、そのうちポリ塩化ビニルプラスチックに使用される塩素は約1,000万トンに達しました。

したがって、塩化ビニルを製造するために塩素を使用することは、塩素アルカリ産業の発展にとって非常に重要です。全面的に禁止するのではなく、関連する生産技術についてさらに深く研究し、その発展を促進する必要があります。

パート3

実行するだけでなく、自分なりのやり方を見つけてください

現在、塩化ビニルを製造する主な方法はエチレンオキシクロリネーション法とアセチレン塩化水素法の 2 つがあります。

エチレンオキシクロリネーション法は、高濃度エチレンと塩素を原料とし、酸素を導入することで水素原子の一部を脱離させ、塩素原子に置換する方法です。この方法は、米国などシェールガスが豊富な国や地域に適しています。

まずエチレンが塩素と反応して二塩化エチレン（式1）を生成し、次に二塩化エチレンが熱分解されて塩化ビニルと塩化水素（式2）となり、最後にエチレン、酸素、塩化水素から二塩化エチレン（式3）が得られます。全体の反応は式4に示されています。

エチレンオキシ塩素化プロセスでは塩素が完全に利用され、毒性の高い水銀ベースの触媒は使用されません。

しかし、我が国ではエチレンとエタンの価格は比較的高く、石炭資源は比較的豊富であるため、エチレンとアセチレンに代わる他の原材料を探すことができます。

石炭が豊富な地域では、石炭と酸化カルシウム（CaO）を電気炉で焼結して炭化カルシウム（CaC2）を生成します。その後、塩素アルカリ企業に輸送され、水と反応してアセチレンガスが生成され（式5）、精製されたアセチレンは塩化水素と反応して塩化ビニルが生成されます（式6）。

これにより、アセチレンの塩化水素化のコストはエチレンの塩化水素化よりも大幅に低くなり、投資額が少なく生産量が多いという利点もあります。そのため、中国の塩化ビニルモノマー製造ルートは、依然として主にアセチレン法で実現されています。

中国では、毎年約1,300万トンのポリ塩化ビニルプラスチックがアセチレン法で生産されており、ポリ塩化ビニルプラスチックの総生産量の80％以上を占めています。

では、コストと収量の問題を解決すれば、この方法は「完璧」になるのでしょうか?

答えは依然としてノーです。

苛性ソーダの製造と異なるのは、今回のトラブルは「副産物」からではなく、有名な「触媒」から来るという点です。

現在、工業的なアセチレン塩化水素法では塩化水銀触媒の使用が必要であり、毎年数万トンの水銀が使用されています。厳重に管理しても、微量は外部環境に流出してしまいます。ご存知のとおり、水銀は環境や生態系に深刻なダメージを与える可能性があります。したがって、水銀に代わる新しい触媒と新しい触媒プロセスを開発することが緊急に必要です。

現在、アセチレンの塩化水素化プロセスに適した水銀フリー触媒には、主に貴金属触媒、非貴金属触媒、および金属フリー触媒が含まれます。貴金属触媒は主に金（Au）を触媒として使用しており、優れた性能と安定性を備えています。企業内では、8000 時間を超える産業実証プロジェクトが実施され、安定した運用が実現しました。しかし、貴金属は高価であり、塩素アルカリ産業自体の利益も低いため、大規模な産業用途は限られています。銅ベースの触媒などの典型的な非貴金属触媒は、安定性の点でさらに最適化する必要があります。

金属なしでもできるでしょうか？

答えはイエスです。

アセチレン塩化水素化のためのさまざまな触媒タイプ

（画像出典：著者作成）

パート4

安くて使いやすい触媒、本当に良いです！

中国科学院大連化学物理研究所の鮑新和院士と潘秀蓮研究員が率いる研究チームは、アセチレンの塩化水素化反応を触媒して塩化ビニルを生産できる炭化ケイ素（SiC）由来の窒素炭素材料をベースにした新しいタイプの無金属触媒を開発した。

この方法は、塩素含有ガスとアンモニアを高温で SiC に作用させ、Si 原子が SiCl4 ガスを生成し、残りの C 原子がその場でアンモニアと反応して窒素含有炭素層を形成します。プロセス全体を通じて、SiC の優れた熱伝導性と成形のしやすさが巧みに活用され、窒素炭素材料がサポートされました。

この触媒は、工業用宇宙速度に近い速度で約 80% のアセチレン変換率と 98% の選択性を達成し、その安定性は数百時間持続します。

SiC@NC材料調製の概略図

（画像出典：Nat. Commun., 2014, 5, 3688.）

研究チームは、上記の研究結果に基づいて、新しい多孔質窒化ホウ素材料を開発し、それがアセチレンの塩化水素化反応を触媒する優れた能力を持つことを発見しました。

多孔質窒化ホウ素材料は、比表面積が大きく、細孔構造（マイクロポアとメソポア）が豊富で、欠陥と境界が豊富です。

驚くべきことに、最適な条件下では、活性は 99%、選択性は 99% に達し、連続反応時間は約 1,000 時間です。それだけでなく、この材料は長期間その活性を維持し、その活性の喪失は比較的遅く、全体的な性能は炭素窒素材料よりも優れています。これにより、金属を使用しない触媒システムにも新たな機会が生まれます。

多孔質窒化ホウ素触媒によるアセチレンの塩化水素化

(画像出典: Acs Catal., 2017, 7, 8572-8577.)

上述の炭素窒素材料や窒化ホウ素材料などの金属を含まない触媒は、収率の点では貴金属触媒に匹敵することはできませんが、その触媒材料は炭素、窒素、ホウ素などの従来の元素のみを使用すればよいことになります。理論的にはコストを非常に低いレベルまで削減できるため、アセチレン塩化水素化による水銀フリー生産の新たな道が開かれ、さらに開発が進められ、産業用途への展開が進むことが期待されます。

このシステムは国内外の同業者からも高く評価されており、大きな可能性を秘めた革新的な成果であると考えられています。

分野の専門家によるレビュー

（画像出典：ACS Sustainable Chem. Eng. 2019, 7, 17979）

パート5

テクノロジーによって引き起こされる問題は、より優れたテクノロジーによって解決できると信じています。

近年、有害化学物質による同様の事故が発生すると、比較的大きな影響を与えるケースが多くなっています。こうしたことが起こるたびに、私たちの心の中に疑問が浮かぶかもしれません。安全の観点から、危険な化学物質の調製を禁止する必要があるのでしょうか?

この点、化学産業は国民経済において重要な位置を占めており、我々の生活は化学製品と切り離せないものであるということを申し上げたいと思います。それらを禁止することは問題の解決策ではありません。化学製品の生産は一連のリンクで構成されており、重要なリンクに何らかの変化があれば、国家経済全体の発展に影響を及ぼす可能性があります。テクノロジーによってもたらされる問題は、最終的にはテクノロジーによって解決できます。効率的な保護対策を採用し、代替戦略を開発して最適化することで、より高い価値を生み出しながら、より安全で効率的な目標を達成できます。これが科学者が目指す方向であり、生活をより良くするテクノロジーの重要性です。

制作：中国科学普及協会

著者: 方光宗、李雪洋 (中国科学院大連化学物理研究所)

プロデューサー: 中国科学博覧会

この記事は著者の見解のみを表しており、中国科学博覧会の立場を代表するものではありません。

この記事は中国科学博覧会（kepubolan）に最初に掲載されました。

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