JP2013203575A - METHOD AND DEVICE FOR PRODUCING SiO - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、SiO2を還元してSiOを製造するSiOの製造方法及び装置に関する。 The present invention relates to a SiO manufacturing method and apparatus for manufacturing SiO by reducing SiO 2 .
SiOは下記の(1)及び(2)の還元反応、又は(3)の酸化反応を利用して製造される。 SiO is produced by using the following reduction reactions (1) and (2) or the oxidation reaction (3).
(1) SiO2+C→SiO+CO
(2) SiO2+Si→2SiO
(3) 2Si+O2→2SiO
SiOは特殊な材料であるが、その用途が広がりつつあり、量産化が望まれている。現在、SiOは、バリアフィルムの蒸着材、太陽電池バックシート材、SiC及びSiNの中間生成物に用いられている。将来的には、リチウムイオン電池の負極材にも用いられようとしている。
(1) SiO 2 + C → SiO + CO
(2) SiO 2 + Si → 2SiO
(3) 2Si + O 2 → 2SiO
Although SiO is a special material, its use is expanding and mass production is desired. At present, SiO is used for barrier film deposition materials, solar battery backsheet materials, and intermediate products of SiC and SiN. In the future, it is going to be used also for the negative electrode material of a lithium ion battery.
上記(1)及び上記(2)の還元反応を利用した具体的なSiOの製造方法として、特許文献1に記載のSiOの製造方法が知られている。図11に示すように、まず、原料1としてSiO2と還元剤である炭素及び/又は珪素との混合物を炉2に投入する。次に、0.1気圧以下に減圧した非酸化性雰囲気で加熱装置3が1300〜2000℃の温度域に加熱する。すると、SiO2が還元されてSiOが生成する。1300〜2000℃の温度域で生成したSiOは蒸発し、SiO蒸気は回収装置4によって凝固及び回収される。
As a specific method for producing SiO utilizing the reduction reactions (1) and (2), a method for producing SiO described in
上記(3)の酸化反応を利用したSiOの製造方法として、特許文献2に記載のSiOの製造方法が知られている。シリコン金属粉末をプラズマジェット中に投入して金属粉末の蒸気を得る。蒸気にしたシリコン金属粉末を酸素ガスと接触させることによりSiO蒸気を発生させる。このSiO蒸気を凝固させてSiO粉末を得る。
As a method for producing SiO using the oxidation reaction (3), a method for producing SiO described in
しかし、特許文献1に記載の発明にあっては、SiO2と還元剤との混合物が固体であるので、反応効率が低く、反応速度が遅く、このため生産性が劣るという問題がある。SiO蒸気を発生させるために、製造温度を上げたり、雰囲気を減圧するなどの必要があり、製造エネルギが大きくなるという問題がある。
However, in the invention described in
特許文献2に記載の発明にあっては、製造物がSi、SiO,SiO2の混合物になり、SiO収率が低く、分離工程を要するなどの問題がある。
In the invention described in
そこで本発明は、低い製造エネルギで高い生産性を有するSiOの製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a method for producing SiO having high productivity with low production energy.
上記課題を解決するために、本発明の一態様は、SiO2を含む原料を炉に投入し、炭素電極を用いたアーク放電によって、前記原料を加熱すると共に、前記原料に前記炭素電極から炭素蒸気を供給し、前記炭素蒸気を含む還元剤によって前記原料の前記SiO2を還元してSiO蒸気を生成し、前記SiO蒸気を凝固してSiOを回収するSiOの製造方法である。 In order to solve the above problems, according to one embodiment of the present invention, a raw material containing SiO 2 is charged into a furnace, the raw material is heated by arc discharge using a carbon electrode, and the carbon from the carbon electrode to the raw material. This is a method for producing SiO, in which steam is supplied, the raw material SiO 2 is reduced by a reducing agent containing carbon vapor to generate SiO vapor, and the SiO vapor is solidified to recover SiO.
本発明の他の態様は、SiO2を含む原料が投入される炉と、前記SiO2を還元することによって生成したSiO蒸気を凝固し、SiOを回収する生成物回収装置と、を備えるSiOの製造装置において、炭素電極を用いたアーク放電によって、前記原料を加熱すると共に、前記原料に炭素蒸気を供給し、前記炭素蒸気を含む還元剤で前記SiO2を還元して前記SiO蒸気を生成することを特徴とするSiOの製造装置である。 Another aspect of the present invention includes a furnace in which a raw material containing SiO 2 is charged, and a product recovery device that solidifies SiO vapor generated by reducing the SiO 2 and recovers SiO. In the manufacturing apparatus, the raw material is heated by arc discharge using a carbon electrode, carbon vapor is supplied to the raw material, and the SiO 2 is reduced by a reducing agent containing the carbon vapor to generate the SiO vapor. This is an apparatus for producing SiO.
炭素電極を用いたアーク放電部は局所的にかつ即座に高温になるので、効率のよい反応場を作り出せる。しかも、原料には炭素電極から化学活性度の高い炭素蒸気が安定して供給されるので、還元反応の反応速度が著しく速い。このため、低いエネルギで高い生産性を有するSiO製造方法が達成される。 Since the arc discharge part using a carbon electrode locally and immediately becomes high temperature, an efficient reaction field can be created. In addition, since carbon vapor having high chemical activity is stably supplied from the carbon electrode to the raw material, the reaction rate of the reduction reaction is remarkably high. For this reason, the SiO manufacturing method which has high productivity with low energy is achieved.
以下添付図面に基づいて、本発明の一実施形態のSiOの製造方法を説明する。図1は、本実施形態のSiOの製造方法の概要図を示す。 Hereinafter, based on an accompanying drawing, the manufacturing method of SiO of one embodiment of the present invention is explained. FIG. 1 shows a schematic diagram of a method for producing SiO of the present embodiment.
図1に示すように、まず、炉6に、原料7としてSiO2と還元剤とを混合させた混合物を投入する。SiO2には、高純度の珪砂、高純度の珪石、又は籾殻等の植物由来のシリカが用いられる。珪砂はSiO2の粒からなる砂である。珪石はSiO2を主成分とする鉱石である。珪砂及び珪石は粉末状に粉砕されている。植物シリカは例えば籾殻から製造される。籾殻にはシリカが15〜20%含まれている。籾殻を燃焼させ、灰中にシリカを濃縮し、灰を精製することによって、高純度の植物シリカを得ることができる。
As shown in FIG. 1, first, a mixture in which SiO 2 and a reducing agent are mixed as a raw material 7 is charged into a
還元剤には、炭素、珪素、又は炭素及び珪素が用いられる。炭素及び珪素はいずれも固体の粉末である。炭素には例えば黒鉛粉末が用いられ、珪素には例えば冶金グレードの金属珪素粉末が用いられる。 As the reducing agent, carbon, silicon, or carbon and silicon are used. Both carbon and silicon are solid powders. For example, graphite powder is used for carbon, and metallurgical grade metal silicon powder is used for silicon.
次に、炭素電極8を用いてアーク放電を行う。炭素電極8の下端にはアーク放電部9が局所的に形成される。炭素電極8と炉6との間には、炭素電極8を陽極にし、炉6を陰極にした直流が供給される。炭素電極8と炉6との間に電位差が生じることにより、これらの間にある気体に絶縁破壊(放電)が発生する。炭素電極8と炉6との間の気体分子は電離しイオン化が起こり、プラズマを生み出す。このプラズマ空間がアーク放電部9となり、アーク放電部9内を電流が走る。
Next, arc discharge is performed using the
図2の放電部の拡大図に示すように、炭素電極8は中空部8aを有する中空電極である。アーク放電部9には中空部8aを介してプラズマ励起ガスであるArガスが供給される。Arガスはプラズマ化してアーク放電部9を高密度のプラズマ空間にする。このため炭素電極8によるアーク放電が安定する。
As shown in the enlarged view of the discharge part in FIG. 2, the
炭素電極の下端に局所的に形成されるアーク放電部9によって原料7が局所的に加熱される。原料7の加熱によって、原料である固相のSiO2及び珪素は液化又は気化し、活発に反応する。また、原料である固相の炭素も液化又は気化したSiO2と下記の反応式(1)又は(2)に示す還元反応が進行する。この還元反応によりSiOが発生する。炭素電極8によってアーク放電部9は局所的にかつ即座に高温になるので、炉全体を高温にするエネルギが不要となり、効率のよい反応場を作り出せる。
The raw material 7 is locally heated by the
(1) SiO2+C→SiO+CO
(2) SiO2+Si→2SiO
SiO2の還元反応は不活性ガス雰囲気かつ大気圧下で行われる。炉内を真空にする必要がないので、SiOの合成プロセスの構築が容易になる、という利点もある。
(1) SiO 2 + C → SiO + CO
(2) SiO 2 + Si → 2SiO
The reduction reaction of SiO 2 is performed under an inert gas atmosphere and atmospheric pressure. Since there is no need to evacuate the inside of the furnace, there is an advantage that it is easy to construct a synthesis process of SiO.
図2に示すように、アーク放電部9は、原料7を加熱するだけでなく、原料7に炭素蒸気を供給する。炭素蒸気は炭素電極8の炭素が昇華したものである。炭素電極8を陽極にし、炉6を陰極にすることで、アーク放電部9の熱が炭素電極8に効率的に供給される。このため炭素電極8の炭素の昇華が促進される。この炭素蒸気は化学活性度が高く、SiO2を還元する役割を持つと共に、SiO2と固相の還元剤との還元反応効率を速める役割を持つ。
As shown in FIG. 2, the
図1に示すように、SiOはアーク放電部9から供給される熱によって蒸発する。表1に示すように、SiOの沸点はSiO2、Si、Cに比較して相対的に低い。アーク放電部9から原料に供給する熱量を調整することで、SiOを選択的に蒸発させることが可能になる。上述のようにSiO2の還元反応は不活性ガス雰囲気で行われる。SiO蒸気は不安定であり、酸素雰囲気下であると、SiO2に酸化される。不活性ガス雰囲気にすることで、SiOが酸化するのを防止することができる。
As shown in FIG. 1, SiO is evaporated by the heat supplied from the
発生したSiO蒸気は図示しない回収装置で吸引される。回収装置は、吸引したSiO蒸気を凝固してSiO粉末にし、SiO粉末を回収する。回収装置は、例えば吸引ポンプと、集塵機と、を備える。集塵機には、フィルタータイプ、サイクロン、電気集塵装置等様々なものを用いることができる。なお、炉内の圧力は大気圧に設定されるが、回収装置によって炉内の気体が吸引される。不活性ガスの吹き込みと回収装置による吸引のバランスから、炉内の圧力が0.8〜1.2気圧の範囲内で変化してもよい。 The generated SiO vapor is sucked by a recovery device (not shown). The recovery device solidifies the sucked SiO vapor into SiO powder, and recovers the SiO powder. The recovery device includes, for example, a suction pump and a dust collector. As the dust collector, various types such as a filter type, a cyclone, and an electric dust collector can be used. In addition, although the pressure in a furnace is set to atmospheric pressure, the gas in a furnace is attracted | sucked by the collection | recovery apparatus. The pressure in the furnace may vary within the range of 0.8 to 1.2 atm from the balance between the blowing of the inert gas and the suction by the recovery device.
図3は、籾殻由来の植物シリカと珪砂又は珪石由来の一般的なシリカとを比較したSEM像を示す。籾殻由来の植物シリカは一般的なシリカと比較して多孔質であり、比表面積が大きい。それゆえ反応性が高く、一般的なシリカを使用した場合に比べて低い雰囲気温度で還元反応が進行する。 FIG. 3 shows SEM images comparing plant silica derived from rice husk and general silica derived from silica sand or silica. Rice husk-derived plant silica is more porous than common silica and has a large specific surface area. Therefore, the reactivity is high, and the reduction reaction proceeds at a lower atmospheric temperature than when general silica is used.
図4は、本発明の一実施形態のSiOの製造装置を示す。本実施形態のSiOの製造装置は、SiO2を還元してSiO蒸気を生成させる炉11と、SiO蒸気を凝固させて回収する回収装置12と、を備える。図中符号13は炉本体、14は炭素電極、15は原料供給ホッパ、16は回転皿、17a,17bは歯車、18はモータである。
FIG. 4 shows an apparatus for producing SiO according to an embodiment of the present invention. The SiO production apparatus of this embodiment includes a
炭素電極14にArガスを供給しながらアーク放電を行うと、SiO2が還元されてSiO蒸気が発生するのは、図1に示す概要図と同一である。この実施形態の製造装置では、炭素電極14のアーク放電部19に連続的に原料20を供給できるように、アーク放電部19に対して原料20を相対的に移動させる相対移動手段16〜18を備える。
When arc discharge is performed while supplying Ar gas to the
図5に示すように、回転皿上16にはリング状の溝21が形成される。リング状の溝21には原料供給ホッパ15から原料20が投入される。回転皿16は歯車17a,17bを介してモータ18に連結されており、垂直軸の回りを回転するようになっている。回転皿16が回転すると、原料供給ホッパ15から溝21上に投入された原料20が炭素電極14のアーク放電部19まで搬送される。新しい原料20が連続的にアーク放電部19に供給されるので。原料20の連続的な処理が可能になる。
As shown in FIG. 5, a ring-shaped
図4に示すように、炉本体13には不活性ガスであるN2が供給される。還元反応により生成したSiO蒸気は回収装置12に吸引され、回収装置12にて凝固及び回収される。なお、炉本体13に供給されるガスは不活性なものであればArでもかまわず、酸化性ガスが混入しない状態では、特に供給しなくとも良い。
As shown in FIG. 4, N 2 that is an inert gas is supplied to the
図6に示す黒鉛坩堝30(反応炉)内に200mgの原料31を投入した。原料31には、籾殻由来の植物シリカと炭素(カーボンブラック)の混合物を使用した。炭素電極32に通電し、放電条件:20V、200−220A、10分未満でアーク放電を行った。アーク放電中、炭素電極32にArガスを供給した。また、アーク放電中、黒鉛坩堝30にN2ガスを供給し、黒鉛坩堝30内を不活性ガス雰囲気にした。すると、原料のSiO2が還元されてSiOの蒸気が発生した。SiOの蒸気は回収蓋35で冷却され、付着物33になった。アーク放電中の黒鉛坩堝30の温度を測定したところ数百℃であった。アーク放電部34の温度は数千度〜1万度と推測されるが、黒鉛坩堝30の温度は低いものであった。
200 mg of
図7は回収蓋35に付着した付着物33の実際の画像を示す。回収蓋35には黄土色の粉体が付着した。SiOは黄土色を示すので、実際の画像からSiOが付着したものと推測された。
FIG. 7 shows an actual image of the deposit 33 attached to the
付着物33の組成を定性的に調べるために、付着物33のラマン分光分析を行った。リファレンスとして、市販されているSi、SiO、SiO2、SiCについてもラマン分光分析を行った。図8にその結果を示す。付着物33は市販されているSiOに類似したラマンスペクトルを示した。付着物33の大部分はSiOであると推測される。 In order to examine the composition of the deposit 33 qualitatively, Raman spectroscopy analysis of the deposit 33 was performed. As a reference, Raman spectroscopic analysis was also performed on commercially available Si, SiO, SiO 2 and SiC. FIG. 8 shows the result. The deposit 33 showed a Raman spectrum similar to commercially available SiO. It is estimated that most of the deposit 33 is SiO.
図9に示すように、付着物33のX線回折による同定を行った。ピーク値は回折角20〜30度の範囲内にあり、主体がSiOであることが確認された。 As shown in FIG. 9, the deposit 33 was identified by X-ray diffraction. The peak value was in the range of diffraction angles of 20 to 30 degrees, and it was confirmed that the main component was SiO.
また、原料を異ならせて同様のアーク放電も行った。原料として植物シリカのみで還元剤を混合しない場合、植物シリカに珪素を混合した場合についても、同様にアーク放電を行った。植物シリカのみの場合でも、回収蓋35にSiOが付着した。還元剤を混合しなくても、炭素電極から発生する炭素蒸気が還元剤として機能することが確認できた。ただし、発生するSiOの量は少ないものとなった。また、還元剤として珪素を混合した場合は、炭素を混合した場合よりも多量のSiOが発生した。
Moreover, the same arc discharge was also performed using different raw materials. In the case where only the plant silica was used as the raw material and the reducing agent was not mixed, the arc discharge was performed in the same manner when the plant silica was mixed with silicon. Even when only plant silica was used, SiO adhered to the
図10はSiOの生成能率を示すグラフである。図10の横軸は放電時間を表し、縦軸は生成能率(時間当たりの回収量)を表す。放電時間が1分以内の短い時間で生成能率がピーク的に高くなり、放電時間を長くするほど生成能率が減少した。このことから、アークに放電によるSiOの反応時間は短く、アーク放電を行った直後にSiOが製造されることがわかった。図10中ひし形で示す籾殻由来の植物シリカは一般的なシリカに比べ、生成能率が2〜3割高かった。また、還元剤として珪素を用いた場合、炭素を用いた場合よりも生成能率が高くなることがわかった。 FIG. 10 is a graph showing the generation efficiency of SiO. The horizontal axis in FIG. 10 represents the discharge time, and the vertical axis represents the production efficiency (recovered amount per hour). The generation efficiency peaked at a short discharge time within 1 minute, and the generation efficiency decreased as the discharge time was increased. From this, it was found that the reaction time of SiO by discharge to the arc was short, and SiO was produced immediately after the arc discharge. In FIG. 10, rice husk-derived plant silica indicated by rhombuses was 20 to 30% higher in production efficiency than general silica. It was also found that when silicon is used as the reducing agent, the production efficiency is higher than when carbon is used.
6…炉
7…原料
8…炭素電極
8a…中空部
9…アーク放電部
11…炉
12…回収装置
14…炭素電極
16…回転皿
17a,17b…歯車
18…モータ
16-18…相対移動手段
19…アーク放電部
20…原料
30…黒鉛坩堝
31…原料
32…炭素電極
33…付着物
34…アーク放電部
35…回収蓋
6 ... furnace 7 ...
Claims (7)
炭素電極を用いたアーク放電によって、前記原料を加熱すると共に、前記原料に前記炭素電極から炭素蒸気を供給し、
前記炭素蒸気を含む還元剤によって前記原料の前記SiO2を還元してSiO蒸気を生成し、
前記SiO蒸気を凝固してSiOを回収するSiOの製造方法。 A raw material containing SiO 2 is put into a furnace,
While heating the raw material by arc discharge using a carbon electrode, supplying carbon vapor from the carbon electrode to the raw material,
The raw material SiO 2 is reduced by the reducing agent containing the carbon vapor to generate SiO vapor,
A method for producing SiO, wherein the SiO vapor is solidified to recover SiO.
前記炭素電極のアーク放電部に前記中空部を介してプラズマ励起ガスを供給することを特徴とする請求項1に記載のSiOの製造方法。 Using a hollow electrode having a hollow portion in the carbon electrode,
The method for producing SiO according to claim 1, wherein a plasma excitation gas is supplied to the arc discharge part of the carbon electrode through the hollow part.
前記SiO2を還元することによって生成したSiO蒸気を凝固し、SiOを回収する生成物回収装置と、
を備えるSiOの製造装置において、
炭素電極を用いたアーク放電によって、前記原料を加熱すると共に、前記原料に炭素蒸気を供給し、
前記炭素蒸気を含む還元剤で前記SiO2を還元して前記SiO蒸気を生成することを特徴とするSiOの製造装置。 A furnace in which a raw material containing SiO 2 is charged;
A product recovery device for solidifying the SiO vapor generated by reducing the SiO 2 and recovering the SiO;
In a SiO manufacturing apparatus comprising:
While heating the raw material by arc discharge using a carbon electrode, supplying carbon vapor to the raw material,
The apparatus for producing SiO, wherein the SiO 2 is generated by reducing the SiO 2 with a reducing agent containing the carbon vapor.
前記炭素電極のアーク放電部に前記原料を連続的に供給できるように、前記炭素電極のアーク放電部に対して前記原料を相対的に移動させる相対移動手段を備えることを特徴とする請求項6に記載のSiOの製造装置。
The SiO production apparatus further includes:
7. The apparatus according to claim 6, further comprising a relative moving means for moving the raw material relative to the arc discharge portion of the carbon electrode so that the raw material can be continuously supplied to the arc discharge portion of the carbon electrode. An apparatus for producing SiO described in 1.
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