DE3432033C2

DE3432033C2 - Verfahren und Anordnung zur Entgiftung von F-kohlenstoffhaltigen Abgasen

Info

Publication number: DE3432033C2
Application number: DE19843432033
Authority: DE
Inventors: Hans-Juergen Dipl Phys Tiller; Dorothea Dipl Chem Dr Berg; Karin Dumke; Lutz Dipl Chem Dr Fabian; Reinhard Dipl Phys Voigt
Original assignee: Individual
Current assignee: TILLER, HANS-JUERGEN, PROF. DR., 07745 JENA, DE
Priority date: 1983-09-12
Filing date: 1984-08-31
Publication date: 1994-04-14
Anticipated expiration: 2004-09-01
Also published as: DD221088A1; DE3432033A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Entgiftung von F-kohlenstoffhaltigen Gasen, insbesondere von solchen aus Plasmaprozessen, die ungesättigte F-kohlenstoffhaltige Verbindungen enthalten, unter Zuhilfenahme einer Feststoffreaktion.

Das Verfahren erlangt insbesondere Bedeutung bei der Vermeidung von Umweltbelastung durch Abgase, die mit Schadstoffen angereichert sind.

Sowohl bei der Behandlung von Teflon, wie auch bei Plasmaätzprozessen mit F-Kohlenstoffen und dabei besonders unter Bedingungen einer Bindung der F-Atome durch Sekundärreaktion, wie Ätzen oder bei Anwesenheit von Wasserstoff, treten im Abgas ungesättigte F-Kohlenstoffverbindungen auf. Von diesen besitzen C₃- und C₄-Verbindungen eine hohe Toxizität. Dabei ist die von Perfluorisobuten besonders hoch. Diese Verbindungen sind nur schwer chemisch angreifbar und stellen demzufolge ein ernsthaftes Problem beim Betreten von beispielsweise Plasmaätzanlagen dar.

Ein Ausfrieren der entsprechenden Verbindung mit N₂ -Kühlfallen ist auf Grund der niedrigen Siedetemperaturen dieser Fluor-Verbindungen wenig effektiv. Ein Einsatz von Spezialfiltern, die diese Verbindungen absorbieren, wäre denkbar, stellt aber keine Lösung dar, da damit keine Vernichtung erfolgt. Da diese Verbindungen in Mineralölen löslich sind, reichern sich auch die Öle der Vakuumpumpen mit diesen Verbindungen an und machen hier entsprechende Schutzmaßnahmen notwendig. Bisher sind wirksame technische Lösungen nicht bekannt. Die eingesetzten technischen Anlagen arbeiten ohne Abgasentgiftung und bestenfalls mit einer Verdünnung im Abgasstrom.

Bekannt ist der Umsatz des Abgases mit versprühter KOH. Abgesehen von deren Verfahrens- und Kostenaufwand ist nicht klar, ob tatsächlich eine quantitative technische Umsetzung der ungesättigten Verbindungen stattfindet oder diese teilweise nur gelöst und damit nicht vollständig vernichtet werden.

Deshalb wurde bereits vorgeschlagen, eine Feststoffreaktion mit einem geeigneten Metall oder Oxid durchzuführen (DD 2 07 157). Die dort beschriebene Vernichtung erwies sich als ungeeignet, da der Umsatz von F-Kohlenstoffen mit SiO₂ als möglicher Reaktionspartner zu langsam abläuft, um einen effektiven Umsatz der genannten Verbindungen zu ermöglichen.

Ziel der Erfindung ist die Vermeidung gefährlicher Umweltbelastungen durch F-kohlenstoffhaltige Gase.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, derartige Schadstoffe aus den Prozeßabgasen wirksam und vollständig zu beseitigen.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit einem Verfahren zur Entgiftung von F-kohlenstoffhaltigen Gasen, insbesondere solcher aus Plasmaprozessen, die ungesättigte F-kohlenstoffhaltige Verbindungen enthalten, unter Zuhilfenahme einer Feststoffreaktion, erfindungsgemäß dadurch, daß eine Reaktion mit SiO₂ als Feststoff bei Normaldruck und einer Temperatur von mindestens 500°C herbeigeführt wird. Vorteilhafterweise wird die Reaktion der Abgase mit SiO₂ bei 700°C während einer Dauer von 2 min durchgeführt. Das SiO₂ wird im Abgasstrom verwirbelt.

Zur Durchführung des Verfahrens dient erfindungsgemäß eine Anordnung, bei der als Reaktor ein Strömungsrohr mit einer Oberfläche aus SiO₂ ausgebildet ist oder bei der ein Reaktoreinsatz aus SiO₂ besteht.

Die Entgiftung von F-kohlenstoffhaltigen Abgasen, die insbesondere ungesättigte Fluor-Kohlenstoffverbindungen enthalten, erfolgt dadurch, daß eine Hoch temperaturreaktion eines Oxids - beispielsweise SiO₂ - mit dem Abgas über einen längeren Zeitraum erfolgt.

Dabei läuft die Reaktion

xSiO₂ + C_xF_y → xCO₂ + nSiF₄ + Si, C

ab.

Diese Reaktion besitzt ein negatives Δ G und eine Aktivierungsenergie, die ab 700°C Umsatzgeschwindigkeiten gewährleistet, die eine sehr genau auf die Gas strömungsgeschwindigkeit abgestimmte Dimensionierung des Reaktors und damit der Aufenthaltszeit erfordern. Der Zusatz von O₂ oder Luft zum Abgas im Überschuß begünstigt den Ablauf der Reaktion und verhindert eine Abdeckung der wirksamen SiO₂-Oberfläche durch C-haltige Reaktionsprodukte. Trotzdem blockieren die Reaktionsprodukte bei zu geringen Reaktionszeiten die Oberfläche. Deshalb muß der Reaktor so gestaltet sein, daß ausreichend lange Reaktionszeiten realisiert werden. Diese können bei 700°C bei einigen Minuten liegen. Bei Zugabe von Sauerstoff wird neben der Umsetzung von C zu CO₂ auch SiF₄ partiell umgesetzt, wobei sich SiO₂ zurückgebildet und COF₂, SiOF₂ und F₂ als Folgeprodukte verstärkt entstehen können.

In geringem Umfang bilden sich diese Produkte auch in der Reaktion ohne O₂-Zugabe. Die reaktiven Endprodukte SiF₄, SiOF₂, COF₂ und F₂ sind in wäßrigen Lösungen bekanntermaßen sehr leicht hydrolysierbar, wobei neben SiO₂ und CO₂ sich HF bildet. Durch Einsatz einer Lauge läßt sich bekanntermaßen die Hydrolyse mit der Neutralisation leicht verbinden. Hierzu reicht ein Gefäß, das nach Waschflaschenprinzip arbeitet oder ein H₂O-Dampfstrom völlig aus.

Die Reaktionen laufen sehr schnell ab. Eine derartige Einrichtung ist mit dem Feststoffreaktor so zu koppeln, daß ein Umsatz in ungiftige Verbindungen erfolgt. Der Reaktionsraum muß so gestaltet werden, daß ein ausreichender Kontakt des Reaktionsgases mit der Feststoffoberfläche ermöglicht wird. Das läßt sich dadurch erreichen, daß ein Reaktionsrohr (s. Ausführungsbeispiel) eingesetzt wird, das innerhalb eines geheizten Reaktors auswechselbar (nach Verschleiß) eingesetzt werden kann. Die Länge des Rohres wird durch die notwendige Reaktionszeit bestimmt. Dies ist von der Reaktionstemperatur, dem O₂-Anteil im Gas und der Menge der umzusetzenden Abgase abhängig. Die Verkürzung der notwendigen Aufenthaltszeit des Gases im Reaktor ist durch Einbringen von dispersen Feststoffmaterial denkbar. Eine weitere mögliche Lösung stellt ein Wirbelbettreaktor dar, der sich erfindungsgemäß zur Verfahrensrealisierung einsetzen läßt. Eine Parallelschaltung mehrerer Reaktionsrohre zur Erhöhung der Reaktionszeit ist möglich.

Das Wesen der Erfindung soll am Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung, die in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert werden.

Ein Quarzrohr 1 gefüllt mit SiO₂ Rohren (2) von einem Innendurchmesser 5 mm, wird mittels einer Heizung (3) auf eine Temperatur von 800°C aufgeheizt. Es besitzt eine Länge von 30 cm und einen Innendurchmesser von 100 mm. Der Gasdurchsatz beträgt 2 l/h. Die Reduzierung des Anteils von ungesättigten C₃- und C₄-Verbindungen erfolgt zu mehr als 95%. Das Reaktorgefäß (4) besteht aus Keramik. Der Reaktionsraum wird von einem C_xF_y-haltigen Gasstrom (5) durchströmt, dem beispielsweise Luft zugemischt sein kann.

Claims

1. Verfahren zur Entgiftung von F-kohlenstoffhaltigen Gasen, insbesondere solcher aus Plasmaprozessen, die ungesättigte Verbindungen enthalten, unter Zuhilfenahme einer Feststoffreaktion, dadurch gekennzeichnet, daß eine Reaktion mit SiO₂ als Feststoff bei Normaldruck und einer Temperatur von mindestens 500°C herbeigeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktion der Abgase mit SiO₂ bei 700°C während einer Dauer von 2 min durchgeführt wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das SiO₂ im Abgasstrom verwirbelt wird.

4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Reaktor ein Strömungsrohr mit einer Oberfläche aus SiO₂ ausgebildet ist.

5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Reaktoreinsatz aus SiO₂ besteht.