ES2258216T3 - Procedimiento para la fabricacion de silicio. - Google Patents

Procedimiento para la fabricacion de silicio.

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ES2258216T3 ES03704217T ES03704217T ES2258216T3 ES 2258216 T3 ES2258216 T3 ES 2258216T3 ES 03704217 T ES03704217 T ES 03704217T ES 03704217 T ES03704217 T ES 03704217T ES 2258216 T3 ES2258216 T3 ES 2258216T3
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Abstract

Procedimiento para la fabricación de silicio con las siguientes etapas: a. Hacer reaccionar SiO2 o silicatos con fluoruro de hidrógeno o un fluoruro de un metal del grupo I o II del sistema periódico para dar SiF4 con desprendimiento de H2O; b. Hacer reaccionar el SiF4 conseguido según la etapa a. con un metal del grupo I o II del sistema periódico para dar Si y un fluoruro metálico; c. Disociar el fluoruro metálico obtenido según b. con ácido sulfúrico para dar HF y un sulfato metálico; d. Usar el HF conseguido según la etapa c. en la etapa a. para la obtención de SiF4; y e. Hacer reaccionar el sulfato metálico conseguido según la etapa c. para dar metal, que se utiliza como metal en la etapa b., así como para dar ácido sulfúrico, que se utiliza en la etapa c.

Description

Procedimiento para la fabricación de silicio.
La presente invención se refiere a un procedimiento para la fabricación de silicio.
Se conoce fabricar silicio por metalotermia, es decir, por reducción de dióxido (o de halogenuros de Si) con magnesio o aluminio. En la técnica se reduce cuarzo o cuarcita con ayuda de carbón en hornos de arco eléctrico. El silicio puro se consigue después de la reducción de clorosilanos por medio de H_{2}, entre otros, mediante fusión por zonas o diferentes procedimientos de cultivo de monocristales. Además, se conoce la fabricación de silicio elemental por reducción de tetrafluoruro de silicio con potasio metálico.
En la solicitud de patente alemana 10121477.4 ya se propuso la reacción de SiO_{2} y/o silicatos, inclusive fluorosilicatos, con ácido fluorhídrico para dar SiF_{4} y de aquí la obtención de Si. En este procedimiento pueden utilizarse todas las fuentes de SiO_{2} en las que no interfieran las impurezas, ya que tiene lugar una "autodepuración" mediante condensación de SiF_{4}. Del SiF_{4} obtenido puede producirse Si, preferiblemente termolíticamente, catalíticamente o por reducción de metales.
Además, en esta publicación se propone la reducción de SiO_{2} y/o silicatos con carbono para dar Si y la reacción electrolítica de SiO_{2} y/o silicatos para la obtención de Si.
La presente invención se basa en el objetivo de indicar un procedimiento para la fabricación de silicio que represente un proceso de producción cerrado en sí, en el que se originen los menos productos secundarios posibles y en el que los participantes de la reacción necesarios para la reacción se obtengan en gran parte de los reactantes del procedimiento.
Este objetivo se alcanza según la invención mediante un procedimiento con las siguientes etapas:
a. Hacer reaccionar SiO_{2} o silicatos con fluoruro de hidrógeno o un fluoruro de un metal del grupo I o II del sistema periódico para dar SiF_{4} con desprendimiento de H_{2}O;
b. Hacer reaccionar el SiF_{4} conseguido según la etapa a. con un metal del grupo I y II del sistema periódico para dar Si y un fluoruro metálico;
c. Disociar el fluoruro metálico obtenido según la etapa b. con ácido sulfúrico para dar HF y un sulfato metálico;
d. Usar el HF conseguido según la etapa c. en la etapa a. para la obtención de SiF_{4}; y
e. Hacer reaccionar el sulfato metálico conseguido según c. para dar metal, que se utiliza como metal en la etapa b., así como para dar ácido sulfúrico, que se utiliza en la etapa c.
Se reconoce sin más que, en el procedimiento según la invención, las sustancias necesarias para la reacción de SiO_{2} para dar Si se obtienen por sí mismas de los productos del procedimiento fluoruro de hidrógeno (HF) y metal del grupo I o II, así como el ácido sulfúrico necesario para disociar el fluoruro metálico obtenido según la etapa b. Por tanto, existe un proceso de producción cerrado en sí (circuito) en el que no se origina ningún producto secundario (se supone una reutilización adicional de los productos secundarios formados según formas de realización especiales del procedimiento según la invención) y todos los reactantes se recuperan en el procedimiento de reciclado, cuando se suponen rendimientos cuantitativos de las reacciones por separado y no se consideran pérdidas por reutili-
zación.
El material base SiO_{2} (dióxido de silicio) necesario para la fabricación de Si puede proporcionarse de fuentes de SiO_{2} existentes en la tierra (especialmente arena de desierto, arena de mar). Esta arena, que está compuesta en gran parte por SiO_{2}, se hace reaccionar (externamente) según la 1ª alternativa directamente con fluoruro de hidrógeno (HF), expulsándose SiF_{4} (tetrafluoruro de silicio) mediante adición de ácido sulfúrico al ácido hexafluorosilícico formado (H_{2}SiF_{6}).
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1
El SiO_{2} se mezcla con HF y el H_{2}SO_{4} se instila con agitación. Dependiendo de la velocidad de adición, se forma SiF_{4} entre 0°C y temperatura ambiente. Mediante un aumento de la temperatura hasta aproximadamente 80°C se completa la expulsión de SiF_{4} de un depósito de alimentación. El SiF_{4} obtenido se origina como gas incoloro que puede purificarse adicionalmente mediante recondensación por encima de su punto de sublimación (-95,5°C). Todos los fluoruros alcalinos, alcalinotérreos, de Al, entre otros, resultantes de las impurezas de la arena (SiO_{2}) quedan como productos sólidos de la reacción de HF y/o reaccionan con el H_{2}SO_{4} añadido para dar los sulfatos y pueden separarse como sólidos (después de la reutilización pueden introducirse usos específicos de productos).
En la 2ª alternativa se mezcla arena (SiO_{2}) con un fluoruro de un metal del grupo I o II, preferiblemente un fluoruro de metal alcalino (AF), especialmente fluoruro sódico, y se gotea ácido sulfúrico (procedimiento in situ). En esto se forma el HF in situ y reacciona inmediatamente con el SiO_{2} para dar SiF_{4} y sulfato metálico, preferiblemente sulfato de metal alcalino, especialmente sulfato sódico.
En lo que se refiere a la etapa b. del procedimiento según la invención, entonces en el presente documento puede utilizarse el metal del grupo I o II del sistema periódico en forma sólida o líquida, o se trabaja en fase gaseosa. Otra alternativa prevé que reaccione en disolución según la etapa b.
En una forma de realización especial, en la etapa b. del procedimiento según la invención se hace reaccionar el SiF_{4} obtenido después de la "autodepuración" en un reactor (reactor rotatorio, evaporador de película, procedimiento en contracorriente) con metal brillante, preferiblemente metal alcalino (A), especialmente sodio, o con vapor metálico (preferiblemente vapor de metal alcalino, especialmente vapor de sodio) con exclusión de oxígeno y exclusión de agua (a veces con aparición de llama). En este sentido, dependiendo de las cantidades de la mezcla básica, se eligen las siguientes condiciones:
Para mezclas básicas más pequeñas en una reacción líquido/gas (sodio líquido, SiF_{4} gaseoso), presiones entre 350 y 760 Torr (47.285 y 101.325 Pa) a temperaturas de reacción entre 150 y 250°C. En este sentido, la temperatura de reacción aumenta hasta aproximadamente 900°C. Las plantas técnicas operan entre 500 y 1000°C (reacción vapor/vapor). En esto se forma silicio amorfo marrón grisáceo, finamente pulverizado, y fluoruro sódico. Mediante la fusión de la mezcla de reacción hasta aproximadamente 1000°C (P.f. de NaF 993°C) y prensado y/o centrifugado del fluoruro sódico fundido o lavado con agua se separan el fluoruro alcalino (fluoruro sódico, muy soluble en agua) y el polvo de Si (no soluble en agua), dado el caso también se reutiliza de manera ligeramente ácida. De la disolución se separa agua por destilación (o se separa por condensación a vacío), y queda fluoruro de metal alcalino sólido (fluoruro sódico). El polvo de Si se seca y se introduce en el uso posterior, dependiendo del fin de uso, dado el caso se purifica adicionalmente.
Si se hace reaccionar según la etapa b. en disolución, se utiliza preferiblemente un disolvente apolar.
El término "disolvente" usado en el presente documento se quiere referir a un agente que está en condiciones de fabricar una dispersión de metal en "disolvente", es decir, este término también debe comprender meros dispersantes. Un disolvente "apolar o no polar" no presenta ningún grupo polar o grupo funcional cuyas distribuciones electrónicas características concedan un momento dipolar eléctrico considerable a la molécula, de manera que tales grupos condicionan la afinidad por otros compuestos químicos polares.
Según la invención se comprobó que mediante la utilización de un disolvente apolar en el procedimiento de reducción precedentemente indicado se consigue silicio amorfo puro que posee un color negro. Este silicio amorfo no está "superficialmente ocupado" y destaca por una capacidad de reacción especialmente alta. Este está en oposición con el silicio amorfo obtenido de manera habitual que se origina como polvo marrón y, como han mostrado las investigaciones, está "superficialmente ocupado", por ejemplo está ocupado con Cl, cloruro de sililo u O_{2} o HO.
Preferiblemente se usan disolventes orgánicos, no coordinantes, como xileno, tolueno.
Como metal se usa un metal del grupo I o II del sistema periódico. Se prefiere sodio, pero también se obtuvieron buenos resultados con magnesio.
El metal se funde preferiblemente en disolvente para fabricar una dispersión del metal en el disolvente. No es indispensable una fusión de este tipo, mejor dicho, también pueden utilizarse finos metálicos, polvos metálicos, etc. Es esencial que el metal esté a disposición en un estado con superficie activada para la reacción.
Si el metal debe fundirse en el disolvente, preferiblemente se usa un disolvente apolar cuyo punto de ebullición sea superior al punto de fusión del metal usado y se trabaja con una temperatura de reacción superior a la temperatura de fusión del metal (sodio = 96°C) e inferior al punto de ebullición del disolvente apolar utilizado. También puede trabajarse a altas presiones.
De manera apropiada, el procedimiento según la invención se realiza a condiciones de reflujo para el disolvente.
En el procedimiento según la invención se origina el silicio amorfo no cubierto en mezcla con un fluoruro metálico. Esta mezcla ya posee, con respecto al silicio amorfo, una reactividad muy alta, de manera que puede utilizarse para las reacciones posteriores deseadas. Pero el silicio amorfo también puede aislarse mediante un procedimiento de separación de la mezcla, pudiéndose utilizar para esto cualquier procedimiento de separación físico o químico. Entonces pueden utilizarse, por ejemplo, procedimientos de separación físicos como fusión, prensado, centrifugado, procedimientos de sedimentación, procedimientos de flotación, etc. Como procedimiento químico puede realizarse un lavado del silicio amorfo con un disolvente o mezcla de disolventes que disuelve el halogenuro metálico, pero no reacciona de manera irreversible con el silicio. Por ejemplo, con amoniaco líquido se obtiene un silicio ocupado con amoniaco, pudiéndose preparar el silicio amorfo puro deseado de color negro mediante bombeo del amoniaco.
La temperatura de reacción por encima del punto de fusión del metal no es válida para, por ejemplo, fino de Na, que también reacciona a temperatura ambiente. La temperatura de reacción por debajo del punto de ebullición sólo debería mantenerse para silanos gaseosos para garantizar una presión parcial suficiente del silano durante la dispersión y por tanto para alcanzar tiempos de reacción justificables.
Además, en el procedimiento según la invención se disocia el fluoruro metálico obtenido según la etapa b., preferiblemente fluoruro de metal alcalino AF, especialmente NaF, con ácido sulfúrico para dar HF y un sulfato metálico, preferiblemente A_{2}SO_{4}, especialmente sulfato sódico. El HF obtenido en este procedimiento se incorpora de nuevo en el circuito y se utiliza en la etapa a. del procedimiento según la invención para la obtención de SiF_{4}.
Por tanto, del fluoruro metálico, preferiblemente fluoruro de metal alcalino, se recupera el fluoruro de hidrógeno mediante reacción con ácido sulfúrico:
2 AF + H_{2}SO_{4} \rightarrow A_{2}SO_{4} + 2 HF,
especialmente
2 NaF + H_{2}SO_{4} \rightarrow Na_{2}SO_{4} + 2 HF.
Además, previamente se coloca fluoruro metálico sólido (fluoruro de metal alcalino) y se gotea con agitación ácido sulfúrico concentrado. En esto emana HF gaseoso y se condensa mediante un condensador. Se queda el sulfato metálico sólido (sulfato de metal alcalino) y el HF se incorpora de nuevo en el circuito.
En la etapa e. del procedimiento según la invención, el sulfato metálico conseguido según la etapa c. se hace reaccionar para dar metal, que se utiliza como metal en la etapa b., así como para dar ácido sulfúrico, que se utiliza en la etapa c. En este sentido, preferiblemente se hace reaccionar el A_{2}SO_{4} conseguido según la etapa c. para dar ACl y sulfato de metal alcalinotérreo, ocurriendo esto preferiblemente con ayuda de un cloruro de metal alcalinotérreo. Del ACl obtenido se consigue A, preferiblemente Na, que se utiliza como metal alcalino (A) en la etapa b. del procedimiento según la invención. Además, del sulfato de metal alcalinotérreo se obtiene ácido sulfúrico que se utiliza en la etapa e. del procedimiento según la invención. Esta parte del procedimiento se explica más detalladamente más
adelante.
El sulfato de metal alcalino formado se hace reaccionar preferiblemente como disolución acuosa con disolución acuosa de cloruro cálcico. El sulfato de calcio difícilmente soluble (yeso) precipita y el cloruro sódico permanece en disolución. Especialmente tiene lugar la siguiente reacción:
Na_{2}SO_{4} + CaCl_{2} \rightarrow CaSO_{4} + 2 NaCl
El sólido y la disolución se separan el uno del otro mediante procedimientos de separación físicos, especialmente filtración.
Preferiblemente se disocia electrolíticamente el agua producida según la etapa a. del procedimiento según la invención en O_{2} y H_{2} y el H_{2} obtenido se utiliza para la fabricación de HCl (cloruro de hidrógeno), que se hace reaccionar con un óxido de metal alcalinotérreo para dar cloruro de metal alcalinotérreo, que se usa con el A_{2}SO_{4} conseguido según la etapa e. para la obtención de ACl.
El ACl conseguido, preferiblemente NaCl (disolución de cloruro sódico), se libera del agua mediante destilación/condensación y el ACl sólido, especialmente NaCl, se somete en la masa fundida a la electrólisis cloro-álcali habitual:
2 NaCl \rightarrow 2 Na + Cl_{2}
Con esto se incorpora de nuevo en el circuito el metal alcalino (sodio) para la reducción de SiF_{4} según la etapa b. del procedimiento según la invención.
El ácido sulfúrico usado según la etapa c. del procedimiento según la invención se obtiene preferiblemente mediante reacción del A_{2}SO_{4} conseguido según la etapa e. con un cloruro alcalinotérreo y el sulfato de metal alcalinotérreo se disocia en SO_{2} y O_{2} y estos dos constituyentes se hacen reaccionar con agua para dar ácido sulfúrico. Como se menciona, se usa preferiblemente calcio como metal alcalinotérreo. En este sentido se descompone sulfato de calcio a temperaturas superiores a 800°C en óxido de Ca y SO_{3} y/o SO_{2}/O_{2}:
CaSO_{4} \rightarrow CaO + SO_{3} \rightarrow CaO + SO_{2} + ^{1}/_{2} O_{2}
La mezcla SO_{2}/O_{2} se reutiliza según el procedimiento de cámaras de plomo o de contacto en tecnología habitual para dar ácido sulfúrico:
SO_{2}/O_{2} + H_{2}O \rightarrow H_{2}SO_{4}
El óxido y/o hidróxido de metal alcalinotérreo precedentemente conseguido, especialmente óxido de calcio y/o hidróxido de calcio, se hace reaccionar con disolución acuosa de ácido clorhídrico para dar cloruro de metal alcalinotérreo, especialmente cloruro cálcico. El cloruro de metal alcalinotérreo se usa entonces de nuevo en el proceso de la manera precedentemente descrita. El ácido clorhídrico necesario se produce en tecnología habitual a partir del gas cloro obtenido en la electrólisis cloro-álcali e hidrógeno.
H_{2} + Cl_{2} \rightarrow 2 HCl
El hidrógeno necesario para esto se incorpora en el proceso del exterior y puede obtenerse por ejemplo a partir del electrolizado del agua del agua de proceso producida según la etapa a. del procedimiento según la invención:
SiO_{2} + 4 HF \rightarrow SiF_{4} + 2 H_{2}O.
Preferiblemente, el procedimiento según la invención se configura como proceso total, que se muestra en la siguiente representación A.
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(Esquema pasa a página siguiente)
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Representación A
2
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Mediante este proceso se realiza en resumen la reducción técnicamente no verificada del SiO_{2} con hidrógeno. Las electrólisis de SiO_{2}, que (todavía) no pueden realizarse desde el punto de vista de la tecnología de procesos, se reducen a la electrólisis cloro-álcali madurada a escala industrial. Mediante esto se introduce (además de la síntesis catalítica de H_{2}SO_{4}) la energía eléctrica necesaria para el proceso total. Debido a que el proceso Down (celda de Down: recipiente de acero, ánodo de grafito, cátodo de hierro, voltaje de aproximadamente 7 V, rendimiento de la corriente de aproximadamente 90%, temperaturas de reacción de aproximadamente 600 - 800°C, 10 - 11 kWh por kg de Na) transcurre a condiciones moderadas, pueden introducirse energías eléctricas y químicas, dado el caso también fotovoltaicas y/o solar térmicas, con aprovechamiento de energías renovables. Lo mismo es válido para la electrolisis del agua antes mencionada.
El proceso total también transcurre con uso de potasio en lugar de sodio (a aproximadamente de temperatura ambiente a 80°C para la reducción de SiF_{4}). Sin embargo, el potasio es más caro y debe implantarse otra etapa de reacción KCl + Na \rightarrow NaCl + K en el circuito. La ventaja aquí: de la reacción de cloruro sódico con CaCO_{3} puede producirse sosa interesante a escala industrial como producto secundario. 2 NaCl + CaCO_{3} \rightarrow Na_{2}CO_{3} + CaCl_{2}. El cloruro de Ca se recircula en el proceso.
Con este proceso se obtiene polvo de silicio amorfo, de "calidad solar" que puede usarse para la producción de nitruro de silicio y ácido silícico altamente disperso. Mediante la cristalización específica está accesible silicio semiconductor. La utilización para la síntesis de Müller-Rochow es ventajosa. Evidentemente también puede utilizarse este silicio así producido como "portador de energía y acumulador de energía".
El proceso total según la invención tiene la ventaja adicional de que en las etapas de procedimiento por separado puede recurrirse a tecnologías nucleares conocidas y acreditadas, concretamente:
Manejo de HF/SiF_{4}
Electrólisis del agua
Electrólisis cloro/álcali
Producción de H_{2}SO_{4}
Obtención de HCl
Tecnología del cemento.
Especialmente mediante la reacción de Na_{2}SO_{4} con CaCl_{2} para dar cloruro sódico se logra la acreditada electrólisis cloro/álcali.
Con el procedimiento según la invención no sólo puede fabricarse silicio amorfo, sino también silicio cristalino (silicio policristalino), cuando se aplican temperaturas correspondientemente altas que están, por ejemplo por encima de 1400°C.
Puede fabricarse silicio de alta pureza, determinándose el grado de pureza por la pureza del metal utilizado para la reducción y del tetrafluoruro de silicio (SiF_{4}) obtenido. En la obtención de silicio de alta pureza pueden suprimirse los procedimientos de purificación correspondientes para procesos sucesivos correspondientes (fusión y conversión en Si para aplicaciones solares o fotovoltaicas, silicio semiconductor).
Otro metal de reducción preferido para la etapa a. es magnesio.

Claims (16)

1. Procedimiento para la fabricación de silicio con las siguientes etapas:
a. Hacer reaccionar SiO_{2} o silicatos con fluoruro de hidrógeno o un fluoruro de un metal del grupo I o II del sistema periódico para dar SiF_{4} con desprendimiento de H_{2}O;
b. Hacer reaccionar el SiF_{4} conseguido según la etapa a. con un metal del grupo I o II del sistema periódico para dar Si y un fluoruro metálico;
c. Disociar el fluoruro metálico obtenido según b. con ácido sulfúrico para dar HF y un sulfato metálico;
d. Usar el HF conseguido según la etapa c. en la etapa a. para la obtención de SiF_{4}; y
e. Hacer reaccionar el sulfato metálico conseguido según la etapa c. para dar metal, que se utiliza como metal en la etapa b., así como para dar ácido sulfúrico, que se utiliza en la etapa c.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque según la etapa a. se hace reaccionar SiO_{2} o silicatos con ácido sulfúrico.
3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el SiF_{4} conseguido según la etapa a. se hace reaccionar con un metal alcalino (A) para dar Si y AF.
4. Procedimiento según la reivindicación 3, caracterizado porque el A_{2}SO_{4} conseguido según la etapa c. se hace reaccionar para dar ACl y sulfato de metal alcalinotérreo y se obtiene A de ACl, que se utiliza como metal alcalino (A) en la etapa b., así como ácido sulfúrico del sulfato de metal alcalinotérreo, que se utiliza en la etapa c.
5. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque según la etapa b. se trabaja en fase gaseosa.
6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque según la etapa b. se hace reaccionar en disolución.
7. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado porque como disolvente se utiliza un disolvente apolar.
8. Procedimiento según la reivindicación 6 ó 7, caracterizado porque el metal se funde en el disolvente.
9. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el agua producida según la etapa a. se disocia electrolíticamente en O_{2} y H_{2}.
10. Procedimiento según la reivindicación 9, caracterizado porque se utiliza el H_{2} obtenido para la fabricación de HCl (cloruro de hidrógeno), que se hace reaccionar con un óxido de metal alcalinotérreo para dar cloruro de metal alcalinotérreo, que se usa con el sulfato metálico conseguido según la etapa e. para la obtención de cloruro metálico.
11. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el ácido sulfúrico usado según la etapa c. se fabrica mediante reacción del sulfato metálico conseguido según la etapa e. con un cloruro de metal alcalinotérreo para dar un sulfato de metal alcalinotérreo y disociación del sulfato de metal alcalinotérreo en un óxido de metal alcalinotérreo y SO_{2} y O_{2}, así como reacción de SO_{2} y O_{2} con agua.
12. Procedimiento según la reivindicación 11, caracterizado porque el metal alcalinotérreo es calcio.
13. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el sulfato metálico conseguido según la etapa e. se hace reaccionar con un cloruro de metal alcalinotérreo para dar un sulfato de metal alcalinotérreo y porque el cloruro metálico formado en esta reacción se somete a una electrólisis de cloro-metal para conseguir el metal, especialmente metal alcalino (A), y cloro.
14. Procedimiento según una de las reivindicaciones 3 a 13, caracterizado porque como metal alcalino (A) se utiliza sodio.
15. Procedimiento según la reivindicación 13, caracterizado porque el sulfato de metal alcalinotérreo conseguido se hace reaccionar para dar óxido de metal alcalinotérreo y el óxido de metal alcalinotérreo conseguido puede reaccionar con HCl con desprendimiento de H_{2}O para dar cloruro alcalinotérreo, que se hace reaccionar con el sulfato metálico conseguido según la etapa e.
16. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque se utiliza para fabricar silicio amorfo.
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