JP5522125B2 - 四塩化ケイ素の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体や太陽電池、各種ケイ素化合物などの原料として、工業的に広く用いられている四塩化ケイ素を、植物等のバイオ由来原料から効率よく製造する方法に関し、省エネルギー，省資源の方法で高純度の四塩化ケイ素を得られるものである。

従来、工業的な四塩化ケイ素の製造方法としては、反応が３００℃以上の比較的低温で行えることから、金属ケイ素と塩化水素とを反応させる方法が主流となっているが、その原料となる工業用の金属ケイ素はアーク還元炉中でケイ石を炭素還元して製造されており、製造に多量の電力を消費することから、１９６０年代より、金属ケイ素の代わりにＳｉＯ₂（以下シリカと呼ぶ）をケイ素原料として四塩化ケイ素を得る方法が種々検討されてきた。一方、省エネルギー、省資源の観点から、植物原料、特にもみ殻や稲わらには多量のシリカが含まれていることが着目され、もみ殻や稲わらの炭化、燃焼といった加熱処理により得られるシリカを主成分とする加熱残分を原料として、四塩化ケイ素を製造する方法も研究されるようになってきた。

特許文献１には、もみ殻を例示するケイ酸植物の炭化物と炭素質物質の混合物を４００〜１１００℃で塩素と反応させる方法が開示されている。しかし、特許文献１と同一発明者、出願人により同時期に出願された特許文献２には、ケイ酸質物質と炭素質物質との混合物を塩素と反応させる方法は、１０００℃以下では反応速度が遅く、大型装置では熱の供給の問題があることも開示されている。その解決法として特許文献２および３には、シリカと炭素質物質の混合物にエネルギー供給体として、少量の金属ケイ素を加えて塩素と反応させる方法が開示されている。金属ケイ素を塩素化させると四塩化ケイ素が得られるとともに、大きな反応熱が生じる。この熱によって、シリカと炭素質物質の混合物と塩素との反応に必要な昇温顕熱や反応吸熱を補うことで、高温を維持するための電力コストを抑えることが可能である。

特許文献２には、ケイ酸質物質と炭素質物質を塩素と反応させて四塩化ケイ素を製造する際に金属ケイ素を併用する方法が記載されているが、固体原料としてはすべて粒径１００μｍ以下の微粒子であることが好ましいことが開示されている。そして特許文献２のすべての実施例においては、原料に粒径１００μｍ以下のミクロシリカ、金属ケイ素、コークス粉末が用いられて、反応器を外部から加熱保持しながら反応を行ったことが記載されているが、この際に金属ケイ素はいずれも１００％反応して消費されたのに対して、ミクロシリカの反応率は１２．０〜２８．０％と低いものであった。

すなわち、ケイ酸質物質と炭素質物質とに、塩素と反応させて四塩化ケイ素を製造する際に、金属ケイ素を併用して金属ケイ素の反応熱を利用する方法が知られていたが、実際には相変わらず反応器の加熱を継続しなければならなかったうえ、金属ケイ素の塩素化反応だけが優先して進行してしまい、ケイ酸質物質の反応率が低く、未反応のまま残ってしまうという問題があった。反応器中に微粒子のケイ酸質物質が残ってしまうと、その処理には手間がかかるため、大幅なコスト増となってしまう問題がある。

一方、特許文献３には、特許文献２とほぼ同じ構成でありながら、外部加熱を止めても、反応が自発的に１０５０℃で継続し、使用したシリカを基準として、９５％未満の反応率が得られた実施例が記載されている。特許文献２の実施例との違いは、１００μｍ以下のミクロシリカの代わりにもみ殻灰を用いたこと、１００μｍ以下のコークスの代わりに比表面積２０ｍ²／ｇの煤を用いたこと、１００μｍ以下の金属ケイ素の代わりに０．８ｍｍ未満の金属シリコンダストを用いたことであり、その粒径範囲で最も細かいダストが目的に対して最も好適であることの記載がある。

特許文献３の明細書には、使用される塩素がほぼ無水でなければならない（１０ｐｐｍ未満）との記載があるが、特殊な処理をしない限り、塩素の水分を２０ｐｐｍ以下にすることは難しいことが知られている。また、煤はカーボンブラックとも呼ばれ、一般的に数十ｎｍの粒径を有する超微粒子であって活性が高いことが知られているから、特許文献３の方法は、微粒子で比表面積の大きな原料や、高度に脱水した塩素を用いることによって反応率を高める方法であると考えることができる。しかしながらこのような原料や塩素は高価で入手しにくいものであり、工業的な生産には不向きであった。

すなわち、ケイ酸質物質と炭素質物質を塩素と反応させて四塩化ケイ素を製造する際に金属ケイ素を併用する方法は知られており、高価で特殊な原料を用いて高い反応率を得る方法が知られていたが、通常の工業原料を用いた場合、ケイ酸質物質の反応率は必ずしも良好ではなく、金属ケイ素だけが反応してしまう問題があったため、安価な工業原料を用いても高い反応率の得られる四塩化ケイ素の製造方法が求められていた。

特開昭５８−５５３３０号公報 特開昭５８−１６７４１９号公報 特表２００９−５４２５６１号公報 特開昭６２−２５２３１１号公報

本発明の課題は、シリカを含む植物を生物学的処理などをして得られる分解処理残分を原料として、安価に高純度の四塩化ケイ素を製造できる方法を提供することである。

（１）本発明者らは、シリカを含む植物の生物学的分解処理により得られる、炭素／シリカの質量比が０．２以上２．０以下である分解処理残分に、ＪＩＳ標準篩の呼び寸法で１．０ｍｍ以上４．８ｍｍ以下の金属ケイ素を、分解処理残分中のシリカ１００質量部に対して、１０〜４０質量部加えて塩素化反応を行うことにより、外部からの余分なエネルギー供給の必要がなく、高いシリカ反応率で四塩化ケイ素が製造できることを見出した。

本発明はまた、以下（２）〜（５）に記載の発明も含む。
（２）分解処理残分と金属ケイ素との混合物を、バインダーを用いて造粒し、ＪＩＳ標準篩による粒径範囲が１．０ｍｍ以上８．０ｍｍ以下の造粒物とし、
分解処理残分中のシリカの１００質量部に対して、反応触媒としてのカリウム化合物を、カリウム量として０．１〜２０質量部用いる、上記（１）に記載の四塩化ケイ素の製造方法。
（３）分解処理残分と金属ケイ素との造粒物を、反応中の反応器に供給することにより、反応を継続して行う、上記（２）に記載の四塩化ケイ素の製造方法。
（４）分解処理残分と金属ケイ素との造粒物を、縦型反応器の上部から供給し、下部から反応残渣を抜き出しながら、反応を継続して行う、上記（３）に記載の四塩化ケイ素の製造方法。
（５）造粒物が、分解処理残分及びカリウム化合物を混合した後、金属ケイ素と共に造粒したものである、上記（２）〜（４）のいずれかに記載の四塩化炭素の製造方法。

本発明の四塩化ケイ素製造方法では、従来廃棄物となっていた植物等の分解処理残分を原料にして、安価に四塩化ケイ素を製造することができる。

以下、本発明を詳しく説明する
シリカを含む植物を分解処理して得られる分解処理残分には、シリカを含む植物の炭化、燃焼、化学的、生物学的、物理的分解処理などにより得られるものがあるが、本発明では、生物学的分解処理により得られる分解処理残分を用いる。当該分解処理残分は、好ましくは、シリカ分を２０質量％以上含有する物質である。シリカを含む植物としては、稲、麦、トウモロコシ、笹、とくさなどのケイ素集積植物が挙げられ、その葉や茎、もみ殻などを用いるのが好ましく、さらに好ましくは稲、麦のもみ殻と稲わら、麦わらである。

化学的分解処理とは、例えば酸、アルカリを用いた加水分解処理が挙げられ、生物学的分解処理とは、例えばケイ素集積植物からバイオエタノールを製造する際の糖化や発酵といった処理が挙げられる。また、物理的分解処理とは、細断や破砕といった処理が挙げられる。

炭化、または、燃焼するときの方法には特に限定はないが、炭化物は、好ましくは３００℃から１２００℃の範囲で、植物等を、酸素の少ない雰囲気で加熱することにより得ることができ、一方、燃焼灰は、植物等に酸素を供給しながら燃やすことで得られる。いずれの場合も得られる分解処理残分中のシリカは非晶質で、炭素分や微量の無機塩分を含む。炭化物の場合、炭素の含有量を多くするように炭化を行えば、分解処理残分の２−４割が炭素となるようにできるので、加熱条件によって分解処理残分中の炭素量をコントロールすることができるし、焼却する場合でも供給酸素量や燃焼温度等をコントロールすることによって分解処理残分中の炭素量をコントロールすることができる。そして、本発明においては、分解処理残分中の炭素量が、分解処理残分中のシリカの含有量に対して炭素／シリカの質量比で０．２〜２．０であることが必須であり、好ましくは０．３〜１．５、さらに好ましくは０．４〜１．０である。本発明の製造方法において、原料となる分解処理残分中の炭素／シリカの質量比がこの範囲内にあるときは、シリカの反応性が高くなり、効率よく反応が進行して原料を無駄なく消費することができる。

化学的分解処理や生物学的分解処理、物理的分解処理、炭化または燃焼処理を組み合わせて行うこともでき、処理を組み合わせておこなうときは、組み合わせたすべての分解処理を行った後のものを本発明における分解処理残分と呼び、シリカ、炭素等の分量を決定するための基準とする。分解処理を組み合わせたもののうち、生物学的分解処理と炭化または燃焼処理を含むものは、エネルギー的に有利で反応性の高い分解処理残分を得ることができるので好ましい。さらに好ましいのは、生物学的分解処理をした後で炭化処理をした分解処理残分である。

分解処理残分を塩素化反応に供する前に、炭素化合物を添加して炭素／シリカの質量比を調整することもできる。添加してもよい炭素化合物としては炭素を含むものならば何でもよい。分解処理残分に添加する炭素分として好ましいものは活性炭、石油コークス、石炭などである。分解処理を行う前に炭素化合物を添加することもできる。ただし、本発明における分解処理残分とは、シリカを含む植物を分解処理して得られたものであり、それ以外に添加した分の炭素は、分解処理残分の炭素／シリカの質量比の規定には含めない。

なお、分解処理残分中のシリカ分の決定方法は、分解処理残分を湿式化学分解して、ケイ素含有量をＩＣＰ等の分光学的方法で測定する方法が確実であり、含有炭素量については、酸素中で加熱分解したときの発生二酸化炭素量から測定するＣＨＮ元素分析と呼ばれる方法なども用いることができるし、固体のまま蛍光Ｘ線分析によって定量分析することも可能である。金属ケイ素を添加した後で測定した場合にはシリカ分と金属ケイ素の区別が難しくなるから、添加しないものを同じ条件で分解処理して、含まれるシリカ分と炭素分とを測定し、後添加した金属ケイ素や炭素化合物については配合量を濃度寄与分として計算で除いても良い。ケイ素集積植物と呼ばれる植物の糖化残渣や炭化物等においては、炭素とシリカが成分の多くを占めるので、例えば空気中または窒素中で加熱して重量変化を測定するＴＧ／ＤＴＡと呼ばれる熱重量分析で、空気中と窒素中とで１０００℃まで昇温する間に減少した重量差を炭素分し、空気中で１０００℃加熱後に残留した重量をシリカ分としても大きな誤差はなく、簡便な測定法として用いることができる。

本発明において、シリカを含む植物あるいはその分解処理物を炭化または燃焼して分解処理残分とする場合の方法としては、公知の方法を用いることができ、炭化物や燃焼灰はサイクロンやバグフィルター、電気集塵機などの公知の方法で採取でき、焼却の排熱を各種用途に利用することもできる。

本発明においては、分解処理残分中のシリカと塩素との反応性を向上させるために、反応触媒を加えることができる。反応触媒として好ましいのはカリウム化合物であり、カリウム化合物としては、炭酸カリウム、塩化カリウム、炭酸水素カリウム、水酸化カリウム、硝酸カリウム、硫酸カリウム、酢酸カリウム、シュウ酸カリウム、ギ酸カリウムなどを挙げることができる。この中で特に好ましいのは塩化カリウムである。

カリウム化合物を用いる場合の添加割合は、分解処理残分中のシリカ１００質量部に対し、カリウム量として０．１〜２０質量部、好ましくは０．５〜１５質量部の範囲である。添加量が少ない場合は、効果がなく、多すぎる場合は、反応後に残渣として残る量が増えるため有利ではない。

本発明において、分解処理残分中のシリカと塩素との反応で、より高いシリカの反応率を求めるためには、ＪＩＳ標準篩の呼び寸法で１．０ｍｍ以上４．８ｍｍ以下の金属ケイ素を用いることが必須である。そして、分解処理残分の粒度については、微粒子であればあるほど反応活性が高くなるので好ましいが、あまり細かくすることは困難であるので、好ましくは０．１μ以上５００μｍ以下、さらに好ましくは０．５μ以上１００μｍ以下である。

上記の粒径を有する金属ケイ素や分解処理残分を得る方法としては、何でもよいが、微粉砕に用いる機器としては特に限定は無く、たとえば、ジェットミル、ピンミル、ボールミル、擂潰機等の粉砕装置を使用し、乾式或いは溶媒共存下の湿式条件により実施できる。

一般的に微粒子の粒径とは、例えば顕微鏡や電子顕微鏡などの装置で拡大した粒子の径を計測することによる測定する方法や、レーザー式粒度分布計、コールターカウンターなどの各種測定装置で測定することができるが、測定原理によって得られる値には差がある。また、標準篩を用いて粒度分布を定義するのも簡便な方法であるが、他の方法を用いた場合でも、標準粒子を用いて測定値を関連付けることによって定義を互換することができる。また、分解処理残分と金属ケイ素との造粒物となった後からでも、分析電顕やＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザ）などの装置を用いて、観察している粒子がいずれの成分かを分別して粒径測定をすることもできる。

分解処理残分とカリウム化合物を併用する場合は、混合してから用いるのが好ましく、さらに好ましくは水などの溶剤を加えて混合してから粉砕を行い、微粉化して用いることであり、加熱分解処理を行う前にあらかじめ混合することも好ましい。あらかじめ混合する好ましい理由は、分解処理残分中のシリカの塩素化反応の効率が向上するからである。混合には、リボンミキサーやヘンシェルミキサーなどのシェアのかかりにくいミキサーでも用いることができるが、さらに好ましくはボールミルや擂潰機などのように粒子にシェアのかかるミキサーであり、混合と共に粒子同士がしっかりと付着して、反応効率が上昇する効果がある。

金属ケイ素は、一般工業用途の金属ケイ素を用いることができる。金属ケイ素には、１．０〜４．８ｍｍ、好ましくは２．０〜３．４ｍｍの粒径範囲のものを用いるのが望ましい。一般的に、金属ケイ素は粉砕、分級によって粉体を採取する製造方法がとられており、分級には、気流分級や、粉砕と同時に分級を行う方法など、多くの方法が知られているが、好ましくは過大、過小の粒子をカットする篩分機能を有する分級方法によって粒度が決められたものであり、さらに好ましくは中心粒径から正規分布に近い分布を有する金属ケイ素である。各種分級方法により得られた金属ケイ素の粒度分布は、例えばＪＩＳ Ｚ８８０１−１９８２に定める標準篩によって篩分することによって、粒径範囲を規定することができ、または、光学顕微鏡などの拡大方法によって粒子の大きさを計測して確かめることができる。本発明では、ＪＩＳ標準篩の呼び寸法を粒径範囲として用いる。すなわち、呼び寸法２．０ｍｍの篩上で、なおかつ呼び寸法３．４ｍｍの篩下となる粒子を粒径２．０以上３．４ｍｍ以下の粒子と呼ぶ。なお、ＪＩＳ呼び寸法は３．３５ｍｍ、４．７５ｍｍのように小数点以下第２位まで規定されているが、本発明では簡単のために、３．４ｍｍ、４．８ｍｍ等と呼ぶ。

粒径が１ｍｍより小さい金属ケイ素は、表面積が大きく反応性が高いため、金属ケイ素がより多くの塩素を消費して、分解処理残分中のシリカが相対的に少ない塩素しか消費できず、反応率が下がってしまううえ、金属ケイ素が短期間に消費されてしまうので、その後は反応器内の温度が下降する傾向が表れる。一方、粒径が４．８ｍｍより大きい場合は、表面積が小さく反応性が低いため反応熱のみで十分な反応温度が得られず、シリカの反応率が上がらない可能性がある。

また、本発明で用いる金属ケイ素は、粒径範囲が１ｍｍ以上４．８ｍｍ以下であることを必須とするが、この数値範囲以外の粒子が少しでも含まれると実施できないわけではなく、この数値範囲以外の過大、過小の金属ケイ素粒子が、好ましくは金属ケイ素全体の１０質量％以下、さらに好ましくは５質量％以下含まれていても実施することができる。

金属ケイ素の使用量は分解処理残分中のシリカ１００質量部に対して、１０〜４０質量部の範囲、好ましくは、１５〜３５質量部の範囲である。使用量が少ない場合は、発熱量が小さく反応温度が不足するため、外部加熱が必要となってしまう。一方、多い場合は、発熱量が大きく反応温度が必要以上に高くなるし、金属ケイ素の製造にかけるエネルギーを考えると、金属ケイ素を必要以上に多く用いることは省エネルギーの目的に合致しない。

分解処理残分と金属ケイ素を含む原料を成型して造粒物にする際には、好ましくはバインダーを使用することができる。その理由は、造粒が効率的にできることと、造粒物の搬送の際の粉化を防ぐことができるためである。バインダーとしては、水、ポリエチレングリコール、でんぷん、ゼラチン、糖蜜、セルロース、水ガラス、シリカゾルなどを挙げることができる。

分解処理残分と金属ケイ素とを含む原料を混合する場合には、構成成分をそのまま混合して用いても良いが、分解処理残分とカリウム化合物を併用するときには、分解処理残分とカリウム化合物をいったんよく混合してから粉砕し、その後、金属ケイ素と共に造粒することが好ましい。

分解処理残分と金属ケイ素とを含む原料を造粒するときの、造粒粒子の粒径は、小さい方が塩素と反応しやすくなるが、金属ケイ素の粒径下限を下回ることはできない。そこで、好ましくはＪＩＳ標準篩の呼び寸法で１．０ｍｍ以上８．０ｍｍ以下、すなわち、呼び寸法１．０ｍｍのＪＩＳ標準篩の篩上であり、８．０ｍｍの篩下となる粒径範囲を有するものである。さらに好ましくは２．０ｍｍ以上４．８ｍｍ以下である。

本発明を実施するに当たり原料中に水分が存在すると、四塩化ケイ素の加水分解で生成したシリカによる配管の閉塞や、四塩化ケイ素収率の低下などの問題がある。そのため、金属ケイ素と分解処理残分を含む原料は、塩素と反応させる前に加熱脱水処理をして使用するのが好ましい。加熱脱水処理法としては、例えば空気中や真空中、あるいはアルゴン、ヘリウム、窒素などの不活性ガス雰囲気下に、１５０〜９００℃で０．５〜２４時間程度加熱して脱水する方法が例示でき、さらに好ましくは４００〜６００℃である。

また、この加熱脱水処理は、炭化または燃焼処理を兼ねていても良い。すなわち、いったん植物に化学的分解処理や生物学的分解処理、物理的分解処理、炭化または燃焼処理などを行ったものを粉砕や混合、造粒などの各工程に供した後に本加熱脱水処理を行うようにすれば、炭化処理と加熱脱水処理を同時に行うことができるため効率的である。加熱脱水処理が炭化処理を兼ねる場合は、アルゴン、ヘリウム、窒素などの不活性ガス雰囲気下に、１５０〜９００℃で０．５〜２４時間程度加熱する方法が例示でき、さらに好ましくは４００〜６００℃である。

塩素との反応は、分解処理残分と金属ケイ素を含む混合物と、塩素とを十分に接触させることができればよく、固定床、流動床、移動床などで行うことができる。また、塩素は好ましくは純度９８質量％以上のものを、そのまま使用しても、アルゴン、ヘリウム、窒素などの不活性ガスで希釈して使用してもよい。反応器内の圧力も任意に設定できる。

塩素との反応を開始させる際の温度は、３００〜５００℃とするのが好ましい。分解処理残分と金属ケイ素を含む混合物を昇温させる方法としては、予め加熱してから反応器へ添加するのもよく、また、予め加熱した気体を反応器に流し、昇温させるのもよい。

反応が一旦開始されれば、金属ケイ素の塩素化反応により反応熱が発生し、反応器を断熱材により保温断熱しておけば、外部から反応器への熱供給を必須としないで、反応を継続させることができる。断熱材として、一般的に高温で耐熱できる保温材であれば特に限定は無く、例えば、セラミックスウールや石英ファイバーウールのようなものを利用することができる。

反応はバッチ式運転で行ってもよいが、原料の供給と反応済み残渣の排出とを間欠的に実施する連続運転で行うことが好ましい。その理由は、熱エネルギーの利用効率や、シリカの反応率が高くなるためである。

反応を終えた後には、未反応のシリカや、カリウム化合物を用いた場合はカリウム化合物などが反応残渣として反応器に残る。それらは、例えば反応器下部に設置される出口から所定時間間隔で開閉できるボール弁等の開閉機構により排出することができる。排出のためには、反応器全体、または一部に振動を加えることができる機構を反応器に備えることが好ましい。排出された反応残渣は、触媒の代わりにフレッシュな分解処理残分に混ぜて再利用することが可能である。その際は、反応器上部に設置される入口から反応器に供給されることが好ましい。

＜作用＞
本発明において、最も高い効果が得られるのは、篩分法の粒径が１ｍｍ以上４．８ｍｍ以下である金属ケイ素を、分解処理残分とカリウム化合物の混合物が被覆層となって覆い、１．０ｍｍ以上８．０ｍｍ以下の粒径となった造粒物の形態である。この場合、被覆層を通過した塩素が金属ケイ素表面で発熱反応を起こすため、金属ケイ素と被覆層の界面は高温になり、さらにカリウム化合物の触媒作用によって分解処理残分中のシリカは迅速に塩素と反応する。そして、造粒物は、ほとんど反応し尽くすまでその形態を保っているので、粒子間のガス流通も良好であるが、ほとんど反応し尽くしたときはわずかな微粉の反応残渣となって造粒物の間からこぼれ落ちる。このため、連続化のための特別な装置を用いなくても、反応器上部から新たな造粒物を追加し、反応器下部から反応残渣を抜き出すことにより容易に長時間連続の反応を実施することができる。

以下、本発明を実施例により具体的に説明する。但し、本発明は、この実施例に何ら限定されるものではない。なお、特に断りのない％は質量％である。金属ケイ素および金属ケイ素を含む造粒物については、ＪＩＳＺ８８０１−１９８２に定める標準ふるいによって篩い分けた粒子を用いた。「０．３ｍｍより小」とは呼び寸法０．３ｍｍの篩下、「４．８ｍｍより大」とは、呼び寸法４．７５ｍｍの標準篩の篩上を意味する。

＜実施例１＞
国産米の稲わらからのバイオエタノール製造の際に排出された、スラリー状の糖化・発酵残渣を、遠心分離により固液分離した後、固形分に同量の脱イオン水を加えて再度遠心分離して固形分を水洗し、固形分を１４０℃で乾燥して乾燥固形分を得た。乾燥固形分の１１０ｇに塩化カリウムを５．９ｇ（カリウム量としては３．１ｇ）となるように加え、固形分重量に対して２．０倍の脱イオン水を加え、ジルコニアボールを入れてボールミルで６０時間粉砕した。粉砕後のスラリーを１４０℃で２時間乾燥して得られた乾燥物を再度粉砕した。乾燥粉砕後の粉末１１６ｇに対し、粒径２．０〜３．４ｍｍの金属ケイ素を１０．５ｇとなるように加え、バインダーとして１．２質量％デンプン水／メタノール混合溶液（水：メタノール＝５０質量％：５０質量％）を１０g加えて、転動造粒機で造粒物とし、ＪＩＳ標準篩の呼び寸法２．０ｍｍの篩上で、なおかつ４．８ｍｍの篩下を採取して粒径２．０〜４．８ｍｍの造粒物とした。過大、過小の造粒物は破砕して再度転動造粒機で造粒物とし、過大、過小の造粒物がほとんどなくなるまでこの操作を繰り返した。仕込みに対する収率は９９質量％以上だった。これを窒素流通下５００℃で６時間乾燥して炭化及び加熱脱水処理させて造粒された分解処理残分７５．８ｇを得た。ＴＧ／ＤＴＡ分析により、空気中と窒素中で１０００℃まで加熱した結果から、造粒物中の炭素量を１９．２gと算出し、空気中１０００℃の加熱残分から金属ケイ素の添加分１０．５gを除いてシリカ量を４０．１gと算出し、炭素／シリカの質量比を０．４８と決定した。また、シリカ１００質量部に対する塩化カリウムの添加量はカリウムとして７．６質量部と算出された。なお、実施例１における、分解処理残分中のシリカ１００質量部に対する金属ケイ素の添加量は２６．２質量部と算出された。

造粒された分解処理残分７５．８gを２００ｍｌの石英製反応器に充填し、反応器に断熱材として厚さ１．０ｃｍとなるように石英ファイバーウールを巻いた。それを断熱性のよい下部開口のルツボ型ヒーター内に挿入し、ヒーターとの隙間には石英ファイバーウールを詰めた。反応器下部の開口部から窒素を流通させながら、反応器を外部から加熱し、反応器内温を４２０℃まで昇温させた。昇温後、外部加熱と窒素を止め、塩素を４００ｍｌ／分で流通させて反応を行った。内温は１１４０℃まで上昇した後、徐々に低下した。内温が８００℃を下回った時点で塩素の流通を止めた。その際の塩素の流通時間は、１．０時間であった。

反応器上部からの生成ガスを、冷媒により冷却して捕集し１３９ｇの四塩化ケイ素を得た。また、反応器中の反応済み残渣を水中に入れて撹拌し、比重差によって先に沈降する固形分を金属ケイ素として回収し、それを乾燥して残存金属ケイ素量として重量を測定し、そこから金属ケイ素の反応率を求めた。一方、シリカの反応率は、全四塩化ケイ素量から金属ケイ素由来の四塩化ケイ素の量を差し引き、その差分をシリカ由来の四塩化ケイ素量としてそこから算出した。金属ケイ素の反応率は９６．４％で、シリカの反応率は６７．９％であった。

＜実施例２＞
乾燥固形分の１１０ｇに対して石油生コークスを１２．１ｇ添加した以外は、実施例１と同様にしてボールミルで６０時間粉砕した。粉砕乾燥後の粉末１２８ｇに対し、実施例１と同様に造粒、炭化及び加熱脱水処理を行い、造粒された分解処理残分８７．４ｇを得た。造粒物中の炭素／シリカの質量比は０．７７であった。
造粒された分解処理残分を２００ｍｌの石英製反応器に充填し、実施例１と同じ条件で反応させた。その際の内温は、１０６０℃まで上昇した。また、四塩化ケイ素の収量は１３４ｇであり、塩素流通時間は１．３時間であった。金属ケイ素の反応率は９７．４％で、シリカの反応率は６３．６％であった。

＜実施例３＞
粉砕後のスラリーを１４０℃で乾燥して得られた乾燥物を粉砕するところまでは実施例１と同様にして、得られた乾燥物を窒素流通下５００℃で６時間加熱し、炭化及び加熱脱水処理して得た分解処理残分６５．３ｇに対し、粒径２．０〜３．４ｍｍの金属ケイ素を１０．５ｇ（シリカ１００質量部に対し２６．２質量部）となるようにし、卓上ミキサー（オスターブレンダー）で物理的によく混合し、造粒はしないで粉のまま２００ｍｌの石英製反応器に充填し、実施例１と同じ条件で反応させた。その際の内温は、１０１０℃まで上昇した。塩素流通時間は１．０時間であった。金属ケイ素の反応率は８７．０％で、シリカ分の反応率は５４．６％であった。

＜実施例４＞
塩化カリウムを添加しなかったほかは実施例１と同じことを実施して、造粒された分解処理残分を２００ｍｌの石英製反応器に充填し、実施例１と同じ条件で反応させた。その際の内温は、１０５０℃まで上昇した。塩素流通時間は０．９時間で、金属ケイ素の反応率は８３．４％で、シリカの反応率は５４．１％であった。

＜実施例５＞
実施例１と同様にして調整した造粒された分解処理残分１１４ｇを２００ｍｌの石英製反応器に充填し、実施例１と同様の条件と方法で反応を開始させた。開始から１．０時間後以降に２６５ｇ分の造粒物を３０分間に２６．５ｇの供給速度で反応器上部から供給し、それに伴い開始から２．０時間後以降に反応済みの残渣を、３０分間に６．５ｇの排出速度で反応器下部から排出した。内温が８００℃を下回った時点で塩素の流通を止めた。塩素流通時間は６．０時間で、金属ケイ素の反応率は９９．０％で、分解処理残分中のシリカの反応率は７１．６％であった。造粒物を供給しながら行う連続反応では、バッチ反応よりも優れたシリカの反応率が得られた。

＜比較例１＞
金属ケイ素の粒径を０．３ｍｍより小とした以外は、実施例４と同様の条件で反応を行った。その際の内温は、１０９０℃まで上昇した。塩素の流通時間は０．９時間であり、計算により得られた金属ケイ素の反応率は９５．９％で、シリカの反応率は３０．７％であった。

＜比較例２＞
金属ケイ素の粒径を０．３ｍｍより小とした以外は、実施例１と同様の条件で反応を行った。その際の内温は、１１００℃まで上昇した。反応時間は０．９時間であり、金属ケイ素の反応率は９６．３％で、シリカの反応率は３１．４％であった。

＜比較例３＞
金属ケイ素の粒径を４．８ｍｍより大とし、造粒物の粒径を４．８〜８．０ｍｍとした以外は、実施例１と同様の条件で反応を行った。その際の内温は、８６０℃まで上昇した。反応時間は０．７時間であり、金属ケイ素の反応率は８３．８％で、シリカの反応率は３３．９％であった。

＜比較例４＞
粉砕後のスラリーを１４０℃で乾燥して得られた乾燥物を粉砕するところまでは実施例１と同様にして、乾燥粉砕後の粉末１１６ｇに対し、粒径２．０〜３．４ｍｍの金属ケイ素を１．２ｇとなるように加えた他は実施例１と同じようにして反応を行った。反応器内温を４２０℃まで昇温させて、反応を始めたが、反応器内温は８３０℃までしか上昇せず、０．１時間で８００℃を下回ったので反応を終了した。金属ケイ素の反応率は３４．０％で、分解処理残分中のシリカの反応率は４．３％であった。なお、造粒された分解処理残分中のシリカ１００質量部に対する金属ケイ素の添加量は３．０質量部と算出された。

＜比較例５＞
粉砕後のスラリーを１４０℃で乾燥して得られた乾燥物を粉砕するところまでは実施例１と同様にして、乾燥粉砕後の粉末１１６ｇに対し、粒径２．０〜３．４ｍｍの金属ケイ素を２０．１ｇとなるように加えた他は実施例１と同じようにして反応を行った。反応器内温を４２０℃まで昇温させて反応を始めたが、反応器内温は急上昇していき、１２５０℃を超えても上昇が見られたため、塩素の供給を中止して反応を停止した。金属ケイ素と、分解処理残分中のシリカの反応率は測定しなかった。なお、造粒された分解処理残分中のシリカ１００質量部に対する金属ケイ素の添加量は５０．０質量部と算出された。

＜比較例６＞
国産米のもみ殻を強制エアー供給式焼却装置で燃焼させた際の灰を分解処理残分として用いた。ＴＧ／ＤＴＡ分析により、エアー中と窒素中で１０００℃まで加熱して減量を調べた結果、もみ殻灰中のシリカは９６．０質量％、炭素は４．０質量ｗｔ％であったので、分解処理残分中の炭素／シリカの質量比は０．０４であった。そこで、もみ殻灰４１．８ｇに対して１７．６ｇの生コークスと、塩化カリウム５．９ｇ（カリウム量としては３．１ｇ）を加え、固形分重量に対して２．０倍の脱イオン水を加え、ジルコニアボールを入れてボールミルで６０時間粉砕した。粉砕後のスラリーを１４０℃で２時間乾燥して得られた乾燥物を再度粉砕した。乾燥粉砕後の粉末６５．３ｇに対し、粒径２．０〜３．４ｍｍの金属ケイ素を１０．５ｇとなるように加え、バインダーとして１．２質量％デンプン水／メタノール混合溶液（水：メタノール＝５０質量％：５０質量％）を１０g加えて、転動造粒機で造粒物とし、ＪＩＳ標準篩の呼び寸法２．０ｍｍの篩上で、なおかつ４．８ｍｍの篩下を採取して造粒物とした。過大、過小の造粒物は破砕して再度転動造粒機で造粒物とし、過大、過小の造粒物がほとんどなくなるまでこの操作を繰り返した。仕込みに対する収率は９９ｗｔ％以上だった。これを窒素流通下１４０℃で２時間乾燥した。造粒された分解処理残分の炭素／シリカの質量比は０．４８であった。
造粒された分解処理残分７５．８ｇを２００ｍｌの石英製反応器に充填し、実施例１と同じ条件で反応させた。１０１０℃まで上昇した。塩素流通時間は１．０時間であった。金属ケイ素の反応率は８７．３％で、シリカ分の反応率は４９．７％であった。
実施例１〜５及び比較例１〜６の反応結果を表１に示す。なお、表１において、実施例２と比較例６の炭素／シリカ比は、後添加の炭素を含む数字である。

実施例１と比較例６とを比較すると、炭素／シリカの質量比が０．２以上２．０以下の範囲から外れる、炭素分の少ない分解処理残分に、後添加によって分量としては同じになる炭素を加えた比較例６では、実施例１よりも劣るシリカ反応率しか得られないことわかった。この理由は、分解処理では元の植物の細胞分子レベルで共存していた炭素／シリカとの高い分散度が保持されているため、後添加で同量の炭素を後添加したものよりも高いシリカ反応率を与えることができるものとして理解できる。そうしてみると実施例１の分解処理残分に、さらに炭素を後添加した実施例２において、シリカ反応率がむしろ低下していることもこの理屈を裏付けていると考えることができる。

実施例１と実施例３は添加した金属ケイ素の粒径範囲が同じであるが、造粒しない実施例３と比べて、造粒を行った実施例１の方が、金属ケイ素の反応率もシリカの反応率も高いという結果となった。これは、造粒された粒子間では塩素ガスの偏流が生じ難く、金属ケイ素と塩素との接触効率が良くなって、金属ケイ素の反応率が高くなったものと思われる。そして、同時に、金属ケイ素表面で発生する反応熱が大きくなり、反応時間も長くなったために、シリカも長時間高温で塩素化され、シリカの反応率が高くなったものと思われる。

比較例４および５の結果は、金属ケイ素が多すぎればコントロールできないほど暴走し、また、少なすぎれば金属ケイ素のみが反応するだけでシリカ分の反応率は予想外に低いという結果をもたらすことを示した。このことから、本願発明の金属ケイ素の使用量には重要な意味があり、適切な範囲で用いれば反応は自律的に進行し、分解処理残分中のシリカの反応率が高くなるという、予想し得ない効果をもたらすことを示していると思われる。

本発明の四塩化ケイ素の製造方法は、工業的に実施可能であり、シリカの反応率も高いことから、より安価な四塩化ケイ素を市場に供給することができる。

Claims (5)

1. シリカを含む植物の生物学的分解処理により得られる、炭素／シリカの質量比が０．２以上２．０以下である分解処理残分に、ＪＩＳ標準篩の呼び寸法で１．０ｍｍ以上４．８ｍｍ以下の金属ケイ素を、分解処理残分中のシリカ１００質量部に対して、１０〜４０質量部加えて塩素化反応を行う、四塩化ケイ素の製造方法。
2. 分解処理残分と金属ケイ素との混合物を、バインダーを用いて造粒してＪＩＳ標準篩による粒径範囲が１．０ｍｍ以上８．０ｍｍ以下の造粒物とし、
   分解処理残分中のシリカの１００質量部に対して、反応触媒としてのカリウム化合物を、カリウム量として０．１〜２０質量部用いる請求項１に記載の四塩化ケイ素の製造方法。
3. 分解処理残分と金属ケイ素との造粒物を、反応中の反応器に供給することにより、反応を継続して行う、請求項２に記載の四塩化ケイ素の製造方法。
4. 分解処理残分と金属ケイ素との造粒物を、縦型反応器の上部から供給し、下部から反応残渣を抜き出しながら、反応を継続して行う、請求項３に記載の四塩化ケイ素の製造方法。
5. 造粒物が、分解処理残分及びカリウム化合物を混合した後、金属ケイ素と共に造粒したものである、請求項２〜４のいずれかに記載の四塩化炭素の製造方法。