DE102011011774A1 - Preparation of products e.g. silanol obtained by reaction with silicon monoxide, where silicon monoxide is obtained during the preparation silicon from silicon dioxide - Google Patents
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Abstract
Description
Aufgabe der Erfindung ist die Nutzung des Siliziummonoxids für chemische Folgereaktionen, welches bei der Gewinnung von Rohsilizium nach dem Stand der Technik im Lichtbogen gasförmig im Reaktionsraum vorliegt. Das vorgeschlagene Verfahren lässt sich grundsätzlich bei allen technischen Prozessen anwenden, wo Siliziummonoxid als Zwischenprodukt anfällt. Insbesondere auch bei den Verfahren, bei denen bei der Gewinnung von Rohsilizium anstelle des Lichtbogens andere Formen der Energiezufuhr eingesetzt werden, wie beispielsweise Laserstrahlen.The object of the invention is the use of silicon monoxide for chemical follow-up reactions, which is present in the extraction of raw silicon according to the prior art in the arc gas in the reaction space. The proposed method can basically be used in all technical processes where silicon monoxide is obtained as an intermediate. In particular, in the methods in which other forms of energy supply are used in the extraction of raw silicon instead of the arc, such as laser beams.
Das klassische Verfahren zur Herstellung von Silizium aus Siliziumdioxid wird an Orten angewandt, an denen elektrischer Strom ausreichend und billig zur Verfügung steht. Zwischen zwei Elektroden aus Kohlenstoff wird ein Lichtbogen erzeugt, in den das Siliziumdioxid verbracht wird. Das Siliziumdioxid ist dabei der wesentliche Bestandteil des Gesteins, das in den Reaktionsraum mit dem Lichtbogen verbracht wird, z. B. in Form von Quarzsand. Im Lichtbogen bei über 1.900°C wird das Siliziumdioxid mit dem Kohlenstoff der Elektroden teilweise reduziert und es entsteht SiO einerseits und CO andererseits.The classical method of producing silicon from silicon dioxide is used in places where electric power is available sufficiently and cheaply. Between two electrodes made of carbon, an arc is generated, in which the silicon dioxide is spent. The silicon dioxide is the essential component of the rock, which is spent in the reaction space with the arc, z. B. in the form of quartz sand. In the arc at over 1,900 ° C, the silicon dioxide with the carbon of the electrodes is partially reduced, and on the other hand SiO is formed on the one hand and CO on the other hand.
Bei einer Abkühlung auf etwa 1.900°C disproportioniert das Siliziummonoxid. Es wird weiter zu metallischem Silizium reduziert bzw. wieder zu Siliziumdioxid oxidiert. Nach der Erfindung wird die Herstellung von Rohsilizium im Lichtbogen dahingehend abgeändert, dass das Siliziummonoxid im Temperaturbereich über 1.900°C für chemische Folgereaktionen genutzt wird.When cooled to about 1,900 ° C, the silicon monoxide disproportionates. It is further reduced to metallic silicon or oxidized again to silica. According to the invention, the production of raw silicon in the arc is modified to the effect that the silicon monoxide is used in the temperature range above 1,900 ° C for subsequent chemical reactions.
Das Verfahren wird im klassischen Fall als Ergänzung des bisherigen Lichtbogenprozesses vorgeschlagen. Es nutzt die energieverbrauchende Situation der Siliziumdioxidreduktion aus, um ein nur bei hohen Temperaturen kurz anwesendes Gas – eben Siliziummonoxid – abzugreifen. Ein bis fünfzig Prozent des eingegebenen Siliziums lassen sich nach den vorgeschlagenen Verfahren aus dem Lichtbogen heraus in Verbindungen überführen, die zu späterer Zeit nur unter neuem Aufwand und entsprechend teuer hergestellt werden könnten. (Anspruch 1, 2)The method is proposed in the classic case as a supplement to the previous arc process. It uses the energy-consuming situation of silicon dioxide reduction to tap off a gas that is only briefly present at high temperatures - namely silicon monoxide. One to fifty percent of the input silicon can be converted from the arc out into connections according to the proposed methods, which could be produced at a later time only with new effort and correspondingly expensive. (Claim 1, 2)
Ziel der vorgeschlagenen technischen Änderungen am Lichtbogenprozess ist es erstens, das Siliziummonoxid mit geeigneten Partner unter speziellen Bedingungen – Druck, spezielle Abkühlung, Katalysatoren zur Reaktion bringen zu können. Zweites Ziel ist es, Luft möglichst auszuschließen. Bei den hier vorgeschlagenen chemischen Reaktionen führt zusätzlicher Sauerstoff und möglicherweise auch Luftstickstoff zum Verlust von erwünschten Reaktionsprodukten. Drittens muss zumeist – nicht immer – auch das Kohlenmonoxid der Lichtbogenelektroden ausgeschlossen werden.The aim of the proposed technical changes to the arc process is, firstly, to be able to react the silicon monoxide with suitable partners under special conditions - pressure, special cooling, catalysts. Second goal is to exclude air as possible. In the chemical reactions proposed here, additional oxygen and possibly also atmospheric nitrogen result in the loss of desired reaction products. Third, mostly - not always - the carbon monoxide of the arc electrodes must be excluded.
Dazu wird vorgeschlagen, dass eine hohle Lanze in den Bereich um den Lichtbogen geführt wird, wo die Temperatur über 1.900°C liegt. Durch die Lanzenspitze wird in diesem Temperaturbereich das Siliziummonoxid abgesaugt. Bei diesem Verfahren ließe sich die sonstige Konstruktion des Lichtbogen-Reaktionsraumes nach Stand der Technik beibehalten. Das Siliziummonoxid kann bereits neben dem Reaktionsraum – noch im Bereich großer Hitze – dann zur Reaktion gebracht. Auf dem Transportweg des Gases zum separaten Reaktionsraum können Reinigungsverfahren nach Stand der Technik durchgeführt werden. (Anspruch 3)For this purpose, it is proposed that a hollow lance be guided in the area around the arc, where the temperature is above 1,900 ° C. Due to the lance tip, the silicon monoxide is sucked off in this temperature range. In this method, the other construction of the arc reaction space according to the prior art could be maintained. The silicon monoxide can then be reacted next to the reaction space - even in the area of high heat. During the transport of the gas to the separate reaction space, cleaning methods according to the prior art can be carried out. (Claim 3)
Als zweiter Weg wird vorgeschlagen, den Reaktionsraum zu ummanteln. Zweckmäßig so, dass bis zu seinem Rand die Temperatur von etwa 1.900°C nicht unterschritten wird. Ergänzend sollte das eingebrachte Siliziumdioxid – also Quarzstein – durch eine Schleuse nach Stand der Technik, die den Luftzutritt gering hält, in den Reaktionsraum eingebracht werden. Soweit metallisches Silizium entsteht, ist es unter Vermeidung von Luftzutritt abzuführen. Bei solcher Vorarbeit lässt sich das Siliziummonoxid an den Wänden durch Düsen mit Filtern nach Stand der Technik absaugen. (Anspruch 4)As a second way, it is proposed to coat the reaction space. Suitably so that the temperature of about 1,900 ° C is not undershot to its edge. In addition, the introduced silicon dioxide - ie quartz stone - should be introduced into the reaction space through a lock according to the state of the art, which keeps air ingress low. As far as metallic silicon is produced, it must be removed while avoiding the ingress of air. In such preliminary work, the silicon monoxide can be vacuumed on the walls through nozzles with filters of the prior art. (Claim 4)
Die Ausnutzung der Hitze des Lichtbogenprozesses lässt sich durch Reaktionsräume für das Siliziummonoxid mit seinen Reaktionspartnern unmittelbar rings um die Ummantelung einrichten. (Anspruch 5) The utilization of the heat of the arc process can be established by reaction spaces for the silicon monoxide with its reactants immediately around the shell. (Claim 5)
Der dritte Weg besteht darin, Bindungspartner des Siliziummonoxids direkt in den Reaktionsraum mit dem Lichtbogen einzublasen. Der Reaktionsraum ist bei diesem Verfahrensvorschlag ummantelt. Chemisch werden sich da zwar Folgereaktionen auch mit dem Kohlenmonoxid der Lichtbogen-Elektroden, mit Elementen des Gesteins und dem Stickstoff der Restluft nicht unterbinden lassen. Physikalisch kann man aber nun bereits im Reaktionsraum mit Druckerhöhung arbeiten. Die Reaktionsprodukte – es ist ein Gemisch zu erwarten – lassen sich an den Wänden durch Düsen mit Filtern nach Stand der Technik absaugen. (Anspruch 6)The third way is to blow bonding partner of the silicon monoxide directly into the reaction space with the arc. The reaction space is encased in this method proposal. Chemically, however, subsequent reactions can not be prevented even with the carbon monoxide of the arc electrodes, with elements of the rock and the nitrogen of the residual air. Physically, however, one can already work in the reaction chamber with pressure increase. The reaction products - it is expected a mixture - can be sucked on the walls through nozzles with filters according to the prior art. (Claim 6)
Die vorgeschlagenen Verfahren sind auch zur Herstellung von Reaktionen mit Siliziummonoxid möglich, bei denen Verbindungen entstehen, die erst bei Temperaturen stabil werden, die deutlich unter der Ausgangstemperatur von mindestens 1.900°C liegen. Dazu stehen nach dem Stand der Technik verschiedene Methoden zur Verfügung:
- – es kann da mit Druck gearbeitet werden, wo die Endprodukte ein geringeres Gasvolumen einnehmen als die Ausgangsstoffe
- – Katalysatoren kommen zum Einsatz, insbesondere bei Druckreaktionen
- – es kann mit gezieltem Abkühlen gearbeitet werden, typischerweise extrem schnell.
- - It can be used as pressure, where the end products occupy a smaller gas volume than the starting materials
- - Catalysts are used, especially in pressure reactions
- - It can be worked with targeted cooling, typically extremely fast.
Stand der Technik sind hier zum Beispiel Gegenstromverfahren zu anfangs kaltem Wasser, das dabei auf hohe Temperaturen gebracht wird.State of the art here are, for example, countercurrent process to initially cold water, which is brought to high temperatures.
Das Verfahren nach der Erfindung ist besonders vorteilhaft zur chemischen Umsetzung von Siliziummonoxid mit Wasserstoffgas H2. In den ummantelten Reaktionsräumen nach den Ansprüchen 2 und 3 kann man mit Wasserstoff-Zugabe und nach Möglichkeit Luftausschluss reines Silizium und Wassergas (CO + H2) erzeugen. Ebenfalls oder sogar überwiegend entsteht das chemisch wertvolle Gasgemisch aus SiO und H2. Es wird im Sinne der Erfindung aus dem Reaktionsraum gasförmig abgesaugt. Sowohl die Abtrennung von CO als auch der Einbezug von CO lassen sich bei diesem Gasgemisch chemisch nutzen.The process according to the invention is particularly advantageous for the chemical conversion of silicon monoxide with hydrogen gas H 2 . In the jacketed reaction chambers according to claims 2 and 3 can be with hydrogen and, if possible, exclusion of air pure silicon and water gas (CO + H 2 ) produce. Likewise or even predominantly, the chemically valuable gas mixture of SiO and H 2 is formed . For the purposes of the invention, it is aspirated in gaseous form from the reaction space. Both the separation of CO and the inclusion of CO can be used chemically in this gas mixture.
Bei allen vorgeschlagenen Verfahren sind folgende Produkte aus der Reaktion von Siliziummonoxid mit Wasserstoffgas zu erhalten:
- 1. Reaktionsgleichgewichte bei Zugabe von Wasserstoff insbesondere unter hohem Druck:
- 1. Reaction equilibrium with addition of hydrogen, in particular under high pressure:
Siliziummonoxid plus Wasserstoff bildet SilanoleSilicon monoxide plus hydrogen forms silanols
-
SiO + 2H2 → SiH3OH, SiO + 2H 2 → SiH 3 OH,
- 2. Reaktionsgleichgewichte bei Zugabe von Wasserstoff unter niedrigerem Druck, mit Schwerpunkt auf gezieltem Abkühlen:2. Reaction equilibrium with addition of hydrogen under lower pressure, with emphasis on targeted cooling:
Siliziummonoxid plus Wasserstoff bildet Siliziumwasserstoff-Verbindungen (Wasserstoff-Silane)Silicon monoxide plus hydrogen forms silane compounds (hydrogen silanes)
-
SiO + H2 → SiH4/Si2H6 usw. + H2O SiO + H 2 → SiH 4 / Si 2 H 6 , etc. + H 2 O
Bei dieser Reaktion lässt sich mit einer Beimengung von Halogenen oder Halogenwasserstoffen die Reaktionsgeschwindigkeit und eventuell die Bildung von langkettigeren Wasserstoff-Silanen erhöhen.In this reaction can be increased with an addition of halogens or hydrogen halides, the reaction rate and possibly the formation of long-chain hydrogen-silanes.
Ein Vorteil der Erfindung ist, dass durch die Flutung des Reaktionsraumes mit Wasserstoffgas ein reineres Silizium als im Lichtbogenverfahren unter Luftgegenwart entsteht. Indem im Sinne des Verfahrens die Gase abgesaugt werden, lasst sich dieses Silizium ohne Rückreaktion mit Sauerstoff aus dem Reaktionsraum gewinnen:
- 3. Als Reaktionsprodukte bei Einbezug des Kohlenmonoxids im Reaktionsraum lassen sich bei den vorgeschlagenen Verfahren je nach Katalysator, Druck und Art der Abkühlung neben den bekannten Produkten des Synthesegases, z. B. Methanol, auch alkylierte Silanole und alkylierte Silane herstellen. (Anspruch 8)
- 3. As reaction products with the inclusion of carbon monoxide in the reaction space can be in the proposed method, depending on the catalyst, pressure and type of cooling in addition to the known products of the synthesis gas, eg. As methanol, also produce alkylated silanols and alkylated silanes. (Claim 8)
Bei allen vorgeschlagenen Verfahren werden folgende weitere Reaktionspartner des Siliziummonoxids vorgeschlagen: Halogenwasserstoffe, Halogene und Alkane, mit denen dann folgende Reaktionen ablaufen:.In all the proposed methods, the following further reactants of silicon monoxide are proposed: hydrogen halides, halogens and alkanes, with which the following reactions then take place.
Siliziummonoxid plus HalogenwasserstoffSilicon monoxide plus hydrogen halide
-
SiO + HX → SiH3X/SiH2X2 usw. + H2O SiO + HX → SiH 3 X / SiH 2 X 2 , etc. + H 2 O - Hier werden sich auch Hydroxylgruppen (OH) am Silizium finden.Here also hydroxyl groups (OH) will be found on the silicon.
Siliziummonoxid plus HalogenSilicon monoxide plus halogen
-
SiO + X2 → SiX4/SiOX2 + X2O SiO + X 2 → SiX 4 / SiOX 2 + X 2 O
Siliziummonoxid plus Alkan (Methan, Ethan, usw.)Silicon monoxide plus alkane (methane, ethane, etc.)
-
SiO + CH4/C2H6 usw. → SiH3(Alkylrest)/SiH2(Alkylrest)2 usw. + H2O SiO + CH 4 / C 2 H 6 , etc. → SiH 3 (alkyl group) / SiH 2 (alkyl group) 2 , etc. + H 2 O
Es handelt sich bei allen aufgeführten Reaktionen um Gleichgewichtsreaktionen, die sich durch die Proportionen der Gasmengen, durch Wahl von Druck und Temperatur in Richtung des gewünschten Produktes optimieren lassen. (Anspruch 9)All the reactions listed are equilibrium reactions which can be optimized by the proportions of the gas quantities, by the choice of pressure and temperature in the direction of the desired product. (Claim 9)
Claims (9)
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