JP4756256B2 - Energy generation method - Google Patents
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Description
本発明は、エネルギー発生のための方法に関するものである。 The present invention relates to a method for energy generation.
地殻の組成物におけるシリコン（Ｓｉ）成分は、約２５．８％であり、それゆえ、シリコンから生じる酸素シリコンは、地球上で最も広く存在するエレメントである。シリコンは、鉱物のなかでは最も重要なエレメントであって、自然界に、すなわち、例えば、粘土や砂、石などの無機の鉱物中にはほぼ全体を占める割合で存在し、更に、植物や動物などの有機物においても微量ではあるが存在する。特に、鉱物中において、シリコンは、二酸化珪素（ＳｉＯ２）もしくは、これに対応する珪酸塩（シリケート）として存在する。 The silicon (Si) component in the crustal composition is about 25.8%, so oxygen silicon originating from silicon is the most prevalent element on earth. Silicon is the most important element in minerals, and it exists in nature, that is, in inorganic minerals such as clay, sand, stones, etc. Even in a small amount of organic matter, it exists. In particular, in minerals, silicon exists as silicon dioxide (SiO 2 ) or a corresponding silicate (silicate).
本発明の目的は、地球上の膨大なシリコン源に依存でき、シリコンをエネルギーのキャリアとして利用し得る、エネルギー発生方法を提供する点にある。 An object of the present invention is to provide an energy generation method that can depend on a huge amount of silicon sources on the earth and can use silicon as an energy carrier.
本発明によれば、前記した目的は下記の各ステップから成るエネルギー発生方法により達成される。
二酸化珪素および／またはシリケートからシリコンを獲得する、そして、獲得したシリコンを水と反応させることにより、二酸化珪素を得るとともに、エネルギーと水素が放出される。
According to the present invention, the above-described object is achieved by an energy generation method comprising the following steps.
By obtaining silicon from silicon dioxide and / or silicate and reacting the obtained silicon with water, silicon dioxide is obtained and energy and hydrogen are released.
したがって、本発明の第一のステップにおいて、基本的要素のシリコンが、地球上に大量に存在する二酸化珪素（ＳｉＯ２）から、もしくは、これに対応する弗素シリケートを含む珪酸塩から調製される。但し、これは、（「出発物質がふんだんに利用可能である」という本発明方法の格別の利点は、はじめに示した方法から生じるものではあるが、） 本発明のためにシリコンが、人工的に形成される二酸化珪素もしくはこれに対応するシリケートから調製され得ることを、除外するものではない。更に、本発明の第二のステップにおいては、獲得されたシリコンが水と反応させられて、二酸化珪素が獲得され、エネルギーが放出され、水素が発生させられる。発生させたエネルギーは、例えば、じかに（タービンの操作などの）推進エネルギーとして利用することもできるし、熱エネルギーとして蓄えることも可能である。したがって、本発明方法のうち特に望ましい実施例においては、シリコンの反応がタービンチャンバー内で発生し、そこで直接に、熱エネルギーが運動エネルギーに転換される。熱エネルギーの排出を備えた通常の反応室を用いても良い。 Thus, in the first step of the present invention, the basic element silicon is prepared from silicon dioxide (SiO 2 ) present in large quantities on the earth or from a silicate containing the corresponding fluorine silicate. However, this is (although the particular advantage of the method of the present invention that "starting material is abundantly available" arises from the method shown at the outset). It is not excluded that it can be prepared from silicon dioxide or its corresponding silicate. Furthermore, in the second step of the present invention, the silicon obtained is reacted with water to obtain silicon dioxide, energy is released, and hydrogen is generated. The generated energy can be used, for example, directly as propulsion energy (such as turbine operation) or can be stored as thermal energy. Thus, in a particularly preferred embodiment of the method of the present invention, a silicon reaction occurs in the turbine chamber where heat energy is converted directly into kinetic energy. A normal reaction chamber with heat energy discharge may be used.
本発明方法により発生させる高純度で調製される二酸化珪素は、（充填物、吸着剤、細流助剤などの）相応の適用範囲で用いてもよいし、再循環させてこれからふたたびシリコンを獲得しても良い。 Silicon dioxide prepared with high purity generated by the method of the present invention may be used in a suitable range (fills, adsorbents, trickle aids, etc.) or recycled to obtain silicon again. May be.
更に、本発明方法によれば、別のエネルギー源として存在する水素が発生させられる。シリコンを水素と反応させて二酸化珪素を得ることによるエネルギーの発生のほか、発生させた水素の燃焼によっても、エネルギーが発生させられる。水素は、（燃料電池など）将来における重要なエネルギーキャリアーである。 Furthermore, according to the method of the present invention, hydrogen that exists as another energy source is generated. In addition to generating energy by reacting silicon with hydrogen to obtain silicon dioxide, energy is also generated by combustion of the generated hydrogen. Hydrogen is an important energy carrier in the future (such as fuel cells).
炭素と比べた場合、シリコンは、（酸素形成の熱から判定して）ほぼ同様のエネルギー成分、ほぼ同等のエネルギー密度を有するという結果になる。しかしながら、エネルギーキャリアーとしてのシリコンは、自らの反応によって環境に対する有害な物質（二酸化炭素、一酸化炭素、炭化水素）を何ら発生させないという大きな利点を有している。 When compared to carbon, silicon results in nearly the same energy component (as judged from the heat of oxygen formation) and almost the same energy density. However, silicon as an energy carrier has a great advantage that it does not generate any harmful substances (carbon dioxide, carbon monoxide, hydrocarbons) for the environment by its reaction.
望ましくは、本発明におけるシリコンは、砂、特に、砂漠の砂から調製される。結果が示す通り、本発明にとっては、高純度の二酸化珪素は必要ではなく、砂、とくに、（分析結果が示す通り、ほぼ、８０〜８５％の二酸化珪素成分を有する）砂漠の砂を頼りにできる。砂、とくに、砂漠の砂は、大量に存在しており、それゆえに、先行するプロセス無しにエネルギーを発生させるべく、本発明方法のために、直接用いることができる。 Desirably, the silicon in the present invention is prepared from sand, particularly desert sand. As the results show, high purity silicon dioxide is not necessary for the present invention and relies on sand, especially desert sand (having approximately 80-85% silicon dioxide content, as the analysis shows). it can. Sand, especially desert sand, is present in large quantities and can therefore be used directly for the method of the present invention to generate energy without prior processes.
更に、本発明方法は、例えば、海砂、珪藻土、焼却稲、ガラス残留物、ガラス粉、シリケートなど、殆どすべての二酸化珪素源によって働く。 Furthermore, the method of the present invention works with almost all silicon dioxide sources such as sea sand, diatomaceous earth, incinerated rice, glass residue, glass powder, silicates and the like.
本発明方法の第一ステップ、即ち、ニ酸化珪素からのシリコンの調製は、概ね以下の通りに行われる。
１．二酸化珪素および／または弗化珪酸を含むシリケートを、弗化水素酸と反応させ、四弗化珪素（ＳｉＦ４）を得て、これからシリコンを調製する。もしくは、二酸化珪素及び／またはシリケートを金属弗化物と混合し、硫酸を添加し、これにより、弗化水素が現場で放出され、二酸化珪素および／またはシリケートと反応し、四弗化珪素を発生させ、これからシリコンが調整される。
２．二酸化珪素および／またはシリケートを、金属、望ましくはアルミニウムまたはマグネシウム、もしくは、金属水素化物、もしくは、炭素と還元させ、シリコンを発生させる。
３．二酸化珪素および／またはシリケートを電気分解により変換させ、シリコンを調製する。
当然ながら、本発明は、二酸化珪素からのシリコン調製のため更なる方法を用い得ることを、除外するものではない。
The first step of the method of the present invention, ie the preparation of silicon from silicon dioxide, is generally performed as follows.
1. Silicates containing silicon dioxide and / or fluorosilicic acid are reacted with hydrofluoric acid to obtain silicon tetrafluoride (SiF 4 ), from which silicon is prepared. Alternatively, silicon dioxide and / or silicate is mixed with metal fluoride and sulfuric acid is added so that hydrogen fluoride is released in situ and reacts with silicon dioxide and / or silicate to generate silicon tetrafluoride. From now on, the silicon will be adjusted.
2. Silicon dioxide and / or silicate is reduced with a metal, preferably aluminum or magnesium, or a metal hydride, or carbon to generate silicon.
3. Silicon dioxide is prepared by converting silicon dioxide and / or silicate by electrolysis.
Of course, the present invention does not exclude that additional methods can be used for silicon preparation from silicon dioxide.
望ましくは、二酸化珪素および／または弗化珪酸を含むシリケートは、直接にもしくは間接的に、弗化水素酸と反応させて、上記の１に示したように、四フッ化珪素を発生させる。この方法によれば、あらゆる二酸化珪素源が利用可能であり、この場合、四弗化珪素の凝縮による「自己清浄作用」が発生するので、不純物は何ら問題を起こさない。望ましくは、シリコンは、調製された四弗化珪素から、熱分解的に、もしくは、触媒作用により、もしくは、金属還元により、シリコンが得られるよう反応させる。熱分解は、約１５００〜２０００℃の間で行われる。触媒作用手順による場合、望ましくは、酸化の第ＩＶステージの、マンガン錯体と、ニッケル錯体などの遷移金属触媒を用いる。
当然ながら、ＳｉＦ４からシリコンを調製するための更なる方法を用いることができる。
Desirably, the silicate containing silicon dioxide and / or fluorosilicic acid reacts with hydrofluoric acid directly or indirectly to generate silicon tetrafluoride as shown in 1 above. According to this method, any source of silicon dioxide can be used, in which case the “self-cleaning action” due to the condensation of silicon tetrafluoride occurs, so that the impurities do not cause any problems. Desirably, the silicon is reacted from the prepared silicon tetrafluoride to yield silicon, either pyrolytically, catalytically, or by metal reduction. Pyrolysis is performed between about 1500-2000 ° C. In the case of a catalysis procedure, it is desirable to use a manganese complex and a transition metal catalyst such as a nickel complex in the stage IV of oxidation.
Of course, further methods for preparing silicon from SiF 4 can be used.
前記のうち２の方法、即ち、ＳｉＯ２および／またはシリケートの、炭素による還元に関しては、バイオマスや、これと同様の環境学的に保護する生成物を用いて実施することができ、環境に対しての大きな負荷を避けることができる。 Two of the methods mentioned above, namely the reduction of SiO 2 and / or silicates by carbon, can be carried out using biomass and similar environmentally protective products, Can be avoided.
本発明方法の主要なステップ、即ち、シリコンを水と反応させてＳｉＯ２を得るステップは、望ましくは、（タービンチャンバーなどの）反応室にきめ細かく分散させたシリコン粉末へ、化学用水を散布することにより行う。又、望ましくは、大量に存在する海水を、化学用水として用いる。また、すでに述べたように、放出される水素は、燃やして、更なるエネルギー発生のための水が得られるし、また、反応により有用な水素キャリアーとして用い、アンモニアを得ることもできる。従って、この方法は、水や化学肥料がこの手順で調製し得るという（砂漠や荒地の国々にとって特に大きな利点となる）更なる利点を特徴としている。 The main step of the method of the present invention, ie the step of reacting silicon with water to obtain SiO 2 , is preferably to spray chemical water onto finely dispersed silicon powder in a reaction chamber (such as a turbine chamber). To do. Desirably, a large amount of seawater is used as chemical water. Moreover, as already stated, the released hydrogen can be burned to obtain water for further energy generation, and can also be used as a useful hydrogen carrier by the reaction to obtain ammonia. This method is therefore characterized by the further advantage that water and chemical fertilizers can be prepared by this procedure (particularly a great advantage for desert and wasteland countries).
例えば、先に述べたＳｉＦ４からのシリコンの調製は、乾燥したＳｉＦ４（四弗化珪素）を、電気的な方法で白熱状態にしたプラチナ線を用いて分解し、これからシリコンを調製するという手順によっても行える。 For example, in the preparation of silicon from SiF 4 described above, dry SiF 4 (silicon tetrafluoride) is decomposed using a platinum wire that is incandescent by an electric method, and silicon is prepared therefrom. It can also be done by a procedure.
ＳｉＯ２またはシリケートからのシリコンの調製のための別の方法は、ＳｉＯ２またはシリケートに、炭を混合し、これを、高温で四塩化珪素（ＳｉＣｌ４）もしくはＳｉＦ４と反応させることから成る。温度を上げると、Ｓｉ＋ＳｉＸ４（Ｘ＝ＣｌまたはＦ）において分解が生じる。 Another method for the preparation of silicon from SiO 2 or silicates consists of mixing SiO 2 or silicate with charcoal and reacting it with silicon tetrachloride (SiCl 4 ) or SiF 4 at an elevated temperature. When the temperature is raised, decomposition occurs in Si + SiX 4 (X = Cl or F).
更にまた別の方法によれば、弗化珪酸またはＳｉＦ４と、ナトリウムまたはカリウムとの混合物を、無酸素雰囲気もしくは真空において５０〜５００℃まで加熱する。ナトリウムを用いる場合は、２５０〜６５０℃が好ましく、カリウムの場合は、室温と１００℃の間である。この手順において、シリコンも調製される。ＳｉＦ４調製のための別の可能性は、二弗化カルシウム（ＣａＦ２）、ＳｉＯ２、硫酸（Ｈ２ＳＯ４）の反応に基づく。 According to yet another method, a mixture of fluorosilicic acid or SiF 4 and sodium or potassium is heated to 50-500 ° C. in an oxygen-free atmosphere or vacuum. When using sodium, 250-650 degreeC is preferable, and in the case of potassium, it is between room temperature and 100 degreeC. In this procedure, silicon is also prepared. Another possibility for the preparation of SiF 4 is based on the reaction of calcium difluoride (CaF 2 ), SiO 2 , sulfuric acid (H 2 SO 4 ).
全般的には、二酸化珪素（砂）からシリコンを調製するために本発明方法を用いる場合エネルギーが必要とされるといえる。然しながら、ひきつづく二酸化珪素を得るためのシリコンの反応によって、エネルギーが放出され、これを利用できる。更に、水素が発生させられ、この水素の燃焼により、更にエネルギーが得られる。したがって、シリコンが、エネルギーキャリアーとして用いられ、シリコンの転換が、大量に存在する源を利用して環境と協調するかたちで行える。 In general, it can be said that energy is required when using the method of the present invention to prepare silicon from silicon dioxide (sand). However, energy is released and can be utilized by the reaction of the silicon to obtain the subsequent silicon dioxide. Furthermore, hydrogen is generated, and further energy is obtained by the combustion of this hydrogen. Therefore, silicon can be used as an energy carrier, and silicon conversion can be performed in cooperation with the environment using abundant sources.
水素の燃焼を含む本発明方法により、９１１キロジュール／モルのエネルギーが発生させられる。 The method of the present invention involving the combustion of hydrogen generates 911 kilojoules / mole of energy.
本発明における反応に用いられる水は、例えば、海水等の外部の水でもよいし、また、（四弗化珪素獲得水を発生させるための本来の反応からの）化学用水でもよい。 The water used for the reaction in the present invention may be, for example, external water such as seawater, or chemical water (from the original reaction for generating silicon tetrafluoride-acquisition water).
本発明方法により発生させられた水素は、放出された弗素と反応させて弗化水素を得て、これを再循環させてもよい。更に、本発明方法による水素を、従来通り窒素とともに用いてアンモニアを調製してもよい。 Hydrogen generated by the method of the present invention may be reacted with the released fluorine to obtain hydrogen fluoride, which may be recycled. Furthermore, ammonia may be prepared using hydrogen according to the process of the present invention together with nitrogen as usual.
添付の図面は、本発明方法にもとづく様々なエネルギーレベルを正反対な方向で示している。 The accompanying drawings show the various energy levels according to the method of the invention in opposite directions.
金属もしくは金属水素化物によるＳｉＦ４の還元については、望ましくは、アルカリ金属、アルカリ土類金属、それらの水素化物（例えば、Ｃａ、ＣａＨ２、 Ｋ、Ｎａ、ＮａＨ、Ｍｇ、Ａｌ）を用いる。特に望ましいのは、Ｎａ、Ｋ、Ｃａ、ＣａＨ２であり、ＣａＨ２との反応の場合、下記の方程式が成り立つ。
２ＣａＨ２ ＋ ＳｉＦ４ → Ｓｉ ＋ ２ＣａＦ２ ＋ ２Ｈ２
これにより、水素分子も発生させられる。
For the reduction of SiF 4 with a metal or metal hydride, an alkali metal, an alkaline earth metal, or a hydride thereof (for example, Ca, CaH 2 , K, Na, NaH, Mg, Al) is preferably used. Particularly desirable are Na, K, Ca, and CaH 2. In the case of reaction with CaH 2 , the following equation holds.
2CaH 2 + SiF 4 → Si + 2CaF 2 + 2H 2
Thereby, hydrogen molecules are also generated.
ＣａＦ２は電気分解によりカルシウムと弗素に転換され、また、Ｈ２ＳＯ４の場合は、ＨＦ ＋ ＣａＳＯ４が得られる。その後、Ｃａを再度ＳｉＦ４還元のために用い、また、ＨＦをＳｉＯ２からのＳｉＦ４調製のために用いることができる。
２Ｃａ ＋ ＳｉＦ４ → ２ＣａＦ２ ＋ Ｓｉ もしくは
Ｃａ ＋ Ｈ２ → ＣａＨ２
前記の還元は、高めの温度（６００〜１０００℃）で発生することが望ましい。
CaF 2 is converted into calcium and fluorine by electrolysis, and in the case of H 2 SO 4 , HF + CaSO 4 is obtained. Thereafter, Ca can be used again for SiF 4 reduction and HF can be used for the preparation of SiF 4 from SiO 2 .
2Ca + SiF 4 → 2CaF 2 + Si or Ca + H 2 → CaH 2
The reduction is preferably generated at a higher temperature (600 to 1000 ° C.).
ＳｉＦ４を金属水素化物とともにＳｉＨ４へ移送する際には、ＣａＨ２を用いることが望ましい。
ＳｉＦ４ ＋ ２ＣａＨ２ （２５０℃） → ＳｉＨ４ ＋ ２ＣａＦ２
好ましくは、得られたモノシラン（ＳｉＨ４）は７００〜１０００℃で熱分解させる。
ＳｉＨ４ → Ｓｉ ＋ ２Ｈ２
ＳｉＦ４をジフルオロシラン（Ｈ２ＳｉＦ２）に変換する場合、２００〜５００℃の温度レンジにおいて、あらかじめ室温とした腐食しない金属触媒（Ｐｔ、Ｐｄ）により、Ｓｉ、ＳｉＦ４、Ｈ２への分解が発生する。
２Ｈ２ＳｉＦ２ → Ｓｉ ＋ ＳｉＦ４ ＋ ２Ｈ２
Ｆ２ＳｉＦ２の調製は、下記のとおりに為される。
２［Ｈ］
ＳｉＦ４ ＋ Ｓｉ → ２Ｆ２Ｓｉ ―――→ Ｈ２ＳｉＦ２
Ｆ２Ｓｉは、（ＰｄまたはＰｔ触媒のもとで水素Ｈ２からの）水素原子と反応し、Ｈ２ＳｉＦ２を得る。
Ｆ２Ｓｉからは、下記の方程式にもとづき、弗化水素酸により、トリフルオロシランも調製できる。
Ｆ２Ｓｉ ＋ ＨＦ → Ｆ３ＳｉＨ
そして、トリフルオロシランを１０００〜１４００℃で熱分解により水素と反応させ、Ｓｉ ＋ ３ＨＦを獲得する。
熱分解
Ｆ３ＳｉＨ ＋ Ｈ２ ―――――――――――→ Ｓｉ ＋ ３ＨＦ
１０００〜１４００℃
When transferring SiF 4 to SiH 4 together with a metal hydride, it is desirable to use CaH 2 .
SiF 4 + 2CaH 2 (250 ° C.) → SiH 4 + 2CaF 2
Preferably, the obtained monosilane (SiH4) is pyrolyzed at 700 to 1000 ° C.
SiH 4 → Si + 2H 2
When converting SiF 4 to difluorosilane (H 2 SiF 2 ), decomposition into Si, SiF 4 , H 2 by a non-corrosive metal catalyst (Pt, Pd) previously set at room temperature in a temperature range of 200 to 500 ° C. Will occur.
2H 2 SiF 2 → Si + SiF 4 + 2H 2
Preparation of F 2 SiF 2 is done as follows.
2 [H]
SiF 4 + Si → 2F 2 Si ――― → H 2 SiF 2
F 2 Si reacts with hydrogen atoms (from hydrogen H 2 under Pd or Pt catalyst) to give H 2 SiF 2 .
From F 2 Si, trifluorosilane can also be prepared by hydrofluoric acid based on the following equation.
F 2 Si + HF → F 3 SiH
Then, trifluorosilane is reacted with hydrogen by thermal decomposition at 1000 to 1400 ° C. to obtain Si + 3HF.
Thermal decomposition F 3 SiH + H 2 ――――――――――― → Si + 3HF
1000-1400 ° C
Claims (6)
ａ ＳｉＯ2及び／又は砂中に存在するシリケートからＳｉを得る工程、
ｂ 粉体として得られたＳｉをタービンチャンバーに導き、そのタービンチャンバーに水を散布する工程、
ｃ 熱エネルギーの放出及びＳｉＯ2と水素の発生を伴い、Ｓｉが散布された水と反応する工程、
ｄ タービンを駆動することによって、熱エネルギーを運動エネルギーに変換する工程。A method for generating kinetic energy, characterized by comprising the following steps:
a obtaining Si from SiO 2 and / or silicate present in sand;
b Step of introducing Si obtained as powder into a turbine chamber and spraying water into the turbine chamber;
c a process of reacting with water sprinkled with Si, accompanied by release of thermal energy and generation of SiO 2 and hydrogen;
d Converting thermal energy into kinetic energy by driving the turbine.
ａ ＳｉＯ2及び／又は砂中に存在するシリケートと弗化水素酸を反応させるか、又はＳｉＯ2及び／又は砂中に存在するシリケートと金属弗化物及び硫酸を反応させ、弗化水素を放出し、ＳｉＦ4を得る工程、
ｂ ＳｉＦ4を還元しＳｉを得る工程、
ｃ 粉体として得られたＳｉをタービンチャンバーに導き、そのタービンチャンバーに水を散布する工程、
ｄ 熱エネルギーの放出及びＳｉＯ 2 と水素の発生を伴い、Ｓｉが散布された水と反応する工程、
ｅ タービンを駆動することによって、熱エネルギーを運動エネルギーに変換する工程。A method for generating kinetic energy, characterized by comprising the following steps:
a. React silicate present in SiO 2 and / or sand with hydrofluoric acid, or react silicate present in SiO 2 and / or sand with metal fluoride and sulfuric acid to release hydrogen fluoride. Obtaining SiF 4 ;
b reducing SiF 4 to obtain Si;
c Step of introducing Si obtained as powder into a turbine chamber and spraying water into the turbine chamber,
d reacting with water sprinkled with Si, accompanied by the release of thermal energy and generation of SiO 2 and hydrogen ;
e Converting thermal energy into kinetic energy by driving a turbine.
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2002
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