JP5654872B2 - 四フッ化ケイ素の精製方法 - Google Patents
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Description
本発明の様々な態様の中には、四フッ化ケイ素原料ガスを精製する方法(プロセス)がある。精製技術には、例えば、四フッ化ケイ素原料ガスから、イオン交換樹脂を用いる酸性ガスの除去、触媒を用いる一酸化炭素の除去、少なくとも1つのグリコールジエーテルを含む吸収液体(absorption liquid)を用いる二酸化炭素の除去、低温蒸留を用いる不活性ガスの除去、及びそれらの組合せが含まれる。
四フッ化ケイ素原料ガスは、例えばフッ化水素、塩酸、二酸化硫黄、三酸化硫黄、硫化水素及びそれらの混合物などの酸性化合物を、しばしば含んでいる。ある実施態様によれば、四フッ化ケイ素原料ガスの一部をイオン交換層(ion exchange bed)に接触させて、低減した酸性化合物の濃度を有する、精製された四フッ化ケイ素ガス流を製造している。
少なくとも本発明のいくつかの実施態様では、四フッ化ケイ素原料ガスを、不活性基板とその表面又は表面の近傍にある触媒金属酸化物とを含む触媒に接触させる。
本発明の触媒は、不活性基板と、不活性基板の表面又は表面の近傍にある触媒金属酸化物と、を含む。触媒は、選択性を高めるために、典型的には大きな比表面積及び高い気孔率を持っている。典型的には、触媒は微小気孔率(ミクロポロシティー:microporosity)(つまり、分子レベルの気孔率)を示す。さらに、触媒は、例えば塩酸、二酸化硫黄、三酸化硫黄及びフッ化水素酸などの酸性環境に露出しても、実質的に触媒の性能が低下しないのが好ましい。これに関して、触媒は、上記のような酸に対して非反応性であるのが好ましい。
適した不活性基板は、例えば、ジルコニア、アルミナケイ酸塩、シリカ、アルミナ、イットリア及びそれらの混合物を含む。ゼオライトや粘度などの他の基板は必要な気孔率を示すが、酸性化合物に接触させたときに、それらは典型的に低下の影響を受けやすい。これに関して、ゼオライト及び/又は粘度を含む1つ以上の基板を備えた触媒にガス流を接触させる前に、ガス流から酸性化合物を除去するのが望ましいだろう。
基板本体の表面上又は表面の近傍に、触媒活性の金属酸化物(つまり、触媒金属酸化物)を形成するために、基板本体を、触媒活性の金属を含んだ金属塩溶液に接触させる。例えば水酸化アンモニウムなどの塩基(base)を溶液に添加して、溶液から基板本体上に金属を析出させる。他の実施態様によれば、金属を、電気化学的な置換反応により又は無電解めっき法により堆積させる。
上記の触媒は、原料ガス(例えば、四フッ化ケイ素原料ガスなど)から一酸化炭素を除去するのに特に良く適している。本発明のある実施態様では、四フッ化ケイ素と一酸化炭素とを含む四フッ化ケイ素原料ガスを、不活性基板と、基板の表面又は表面の近傍にある及び金属酸化物と、を含む触媒に接触させる。
四フッ化ケイ素は、約2容量%〜約3容量%の二酸化炭素をしばしば含んでいる。四フッ化ケイ素原料ガスは、ガスから二酸化炭素の量を除去することによって精製されてもよい。本発明のある実施態様によれば、二酸化炭素の量は、四フッ化ケイ素ガスを吸収流体(absorption fluid)によって接触させることにより除去される。さらに別の実施態様によれば、吸収流体は、例えばエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチルエーテル、ポリエチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールジブチルエーテル、エチオキシ(ethyoxy) tert-ブトキシエタン及びそれらの混合物などのグリコールジエーテル(つまり「グリム("glyme")」)を含んでいる。四フッ化ケイ素原料ガスをグリコールジエーテルに接触させることにより、四フッ化ケイ素原料ガス中の二酸化炭素ガスの量を約2容量%未満に減らすことができる。本発明の他の実施態様によれば、四フッ化ケイ素原料ガスをグリコールジエーテルに接触させることにより、四フッ化ケイ素原料ガス中の二酸化炭素ガスの量を約0.5容量ppm未満に減らすことができ、別の実施態様によれば、約0.1容量ppm未満に減らすことができる。
四フッ化ケイ素は、例えば窒素などの不活性ガスの量をしばしば含んでいる。典型的には、四フッ化ケイ素原料ガスは、約0.5容量%〜約10容量%の不活性化合物を含んでいる。これらの不活性化合物は、低温蒸留によって除去することができる。低温蒸留は、四フッ化ケイ素原料ガスを、典型的には約−200℃〜約−50℃の低温に冷却する工程を含んでいる。別の実施態様によれば、四フッ化ケイ素は、約−90℃〜約−60℃に冷却される。冷却された四フッ化ケイ素原料ガスを蒸留塔(distillation column)に供給して、低減した不活性化合物の濃度を有する精製された四フッ化ケイ素ガス流を製造する。低温蒸留工程は、異なった圧力で作動できる一連の蒸留ゾーン(distillation zones)を含んでもよい。
ここで、図2を参照すると、ジルコニアは、塩化ジルコニウムと水素とを水素酸素炎22中で反応させて調製された。3本の同心のチューブ4、7、11は、反応性ガスを輸送するために用いられた。最も内側のチューブ11を通して酸素ガスを供給し、中央のチューブ7を通して金属ハロゲン化物を供給し、そして最も外側のチューブ4を通して水素を供給した。ジルコニアを調製するために、塩化ジルコニウムと不活性アルゴンガスとの混合物を中央のチューブ7を通して供給した。水素は、その化学量論の量を超えて、最大50%まで供給された。火炎温度は、水素及び不活性ガスの流量(flow rate)の制御により、約800℃のあたりに維持された。ガスは電極15を通り過ぎた。得られたジルコニア粉末27は、レシーバー(receiver)31に集められた。レシーバー31内に冷えた水素ガスを注入することにより、ジルコニア粉末生成物27を急冷した(quickly quenched)。塩化水素は、差温を維持することにより分離した。
3000ppmくらいの一酸化炭素を含有するシリコン四フッ化ケイ素ガスは、直線速度1cm/秒、圧力1〜5気圧、15℃で、触媒層(長さ15cm、直径4cm)を通り過ぎた。一酸化炭素濃度は、1ppm未満に減少した。
1%の一酸化炭素を含有する四フッ化ケイ素ガスは、直線速度1cm/秒、圧力1〜5気圧、15℃で、触媒層(長さ15cm、直径4cm)を通り過ぎた。一酸化炭素濃度は、1ppm未満に減少した。
540ppmの一酸化炭素を含有する四フッ化ケイ素ガスは、24℃で、触媒層(長さ15cm、直径4cm)を通り過ぎた。触媒は、触媒の表面上に触媒のマンガン及び銅を析出することにより調製した。様々な直線速度で、触媒の再生前及び再生後に、複数回の実験が行なわれた。結果を以下の表1に示す。
540ppmの一酸化炭素を含有する四フッ化ケイ素ガスは、24℃で、触媒層(長さ15cm、直径4cm)を通り過ぎた。様々な直線速度で、触媒の再生前及び再生後に、複数回の実験が行なわれた。結果を以下の表2に示す。
アルミナケイ酸塩粉末を調製した。アルミナケイ酸塩粉末支持体(alumina silicate powder support)の表面積及び気孔率はジルコニア支持体よりも10%大きかった。しかしながら、以下の表3からわかるように、アルミナケイ酸塩基板に基づく触媒は、マンガン支持体に基づいた触媒ほどには一酸化炭素を除去しなかった。比較試験では、四フッ化ケイ素ガスは、540ppmの一酸化炭素を含有しており、24℃であった。触媒層は、長さ15cm、直径4cmであった。
本明細書の開示内容は、以下の態様を含み得る。
(態様1)
精製された四フッ化ケイ素ガスの製造方法であって、当該方法は、
四フッ化ケイ素と一酸化炭素とを含む四フッ化ケイ素原料ガスを、不活性基板とその表面又は表面の近傍にある触媒金属酸化物とを含む触媒に接触させる工程と、
前記一酸化炭素を前記触媒金属酸化物と反応させて1つ以上の金属カルボニル錯体を形成することにより、少なくとも前記一酸化炭素の一部を前記触媒の表面上に吸着させ、それにより低減した一酸化炭素濃度を有する精製された四フッ化ケイ素ガス流を製造する吸着工程と、
を含むことを特徴とする方法。
(態様2)
前記触媒金属酸化物は、銅、マンガン、クロム、コバルト、タリウム、モリブデン、銀及びそれらの混合物から成る群から選ばれた触媒金属を含むことを特徴とする態様1に記載の方法。
(態様3)
前記触媒金属酸化物は、銅、マンガン又はそれらの混合物を含むことを特徴とする態様2に記載の方法。
(態様4)
前記不活性基板は、ジルコニア、アルミナケイ酸塩、シリカ、アルミナ、イットリア及びそれらの混合物から成る群から選ばれることを特徴とする態様1乃至3のいずれか1項に記載の方法。
(態様5)
前記不活性基板は、ジルコニア、アルミナケイ酸塩又はそれらの混合物を含むことを特徴とする態様4に記載の方法。
(態様6)
前記不活性基板は、ランタニド系元素、アクチニド系元素、マグネシウム、イットリウム、カルシウム及びそれらの混合物から成る群から選ばれた金属を含んだ金属酸化物安定剤を含むことを特徴とする態様1乃至5のいずれか1項に記載の方法。
(態様7)
前記不活性基板は、約0.1重量%未満の安定剤を含むことを特徴とする態様6に記載の方法。
(態様8)
前記不活性基板は、安定剤として酸化イットリウムを含むことを特徴とする態様1乃至7のいずれか1項に記載の方法。
(態様9)
前記四フッ化ケイ素原料ガスは、約0.001容量%〜約3.0容量%の一酸化炭素を含むことを特徴とする態様1乃至8のいずれか1項に記載の方法。
(態様10)
前記触媒は、約0.001重量%〜約1.0重量%の触媒金属を含むことを特徴とする態様1乃至9のいずれか1項に記載の方法。
(態様11)
前記触媒は、約95重量%〜約99.999重量%の不活性基板を含むことを特徴とする態様1乃至10のいずれか1項に記載の方法。
(態様12)
前記不活性基板は、約1m 2 /g〜約1000m 2 /gの表面積を有していることを特徴とする態様1乃至11のいずれか1項に記載の方法。
(態様13)
前記不活性基板は、約30%〜約80%のバルク気孔率を有していることを特徴とする態様1乃至12のいずれか1項に記載の方法。
(態様14)
前記不活性基板は、約1%〜約20%の微小気孔率を有していることを特徴とする態様1乃至13のいずれか1項に記載の方法。
(態様15)
前記四フッ化ケイ素原料ガス中の前記一酸化炭素の少なくとも約97%が除去されることを特徴とする態様1乃至14のいずれか1項に記載の方法。
(態様16)
前記四フッ化ケイ素原料ガスは、フッ化水素、塩酸、二酸化硫黄、三酸化硫黄、硫化水素及びそれらの混合物から成る群から選ばれた酸性化合物を含み、
前記四フッ化ケイ素原料ガスの一部をイオン交換樹脂に接触させて、低減した酸性化合物の濃度を有する精製された四フッ化ケイ素ガス流を製造することを特徴とする態様1乃至15のいずれか1項に記載の方法。
(態様17)
前記四フッ化ケイ素原料ガスを前記触媒に接触させる前に、前記四フッ化ケイ素原料ガスを前記イオン交換樹脂に接触させて、前記酸性化合物の一部を除去することを特徴とする態様16に記載の方法。
(態様18)
前記四フッ化ケイ素原料ガスは不活性化合物を含み、
前記四フッ化ケイ素原料ガスを低温に冷却し、
冷却された四フッ化ケイ素原料ガスを蒸留塔に供給して、低減した不活性化合物の濃度を有する精製された四フッ化ケイ素ガス流を製造することを特徴とする態様1乃至17のいずれか1項に記載の方法。
(態様19)
前記四フッ化ケイ素原料ガスを前記触媒に接触させた後に、前記四フッ化ケイ素原料ガスを低温に冷却し、蒸留塔に供給することを特徴とする態様18に記載の方法。
(態様20)
前記四フッ化ケイ素原料ガスは二酸化炭素を含み、
少なくとも1つのグリコールジエーテルを含む吸収液体により前記四フッ化ケイ素ガスを接触させることにより、前記二酸化炭素の一部を除去することを特徴とする態様1乃至19のいずれか1項に記載の方法。
(態様21)
前記触媒を約500℃〜約570℃まで加熱して、前記金属カルボニル錯体を分解し、且つ前記触媒から酸化炭素を放出させて前記触媒を再生することを特徴とする特徴とする態様1乃至20のいずれか1項に記載の方法。
(態様22)
約−30℃〜約90℃の温度で、前記四フッ化ケイ素原料ガスを前記触媒に接触させることを特徴とする態様1乃至21のいずれか1項に記載の方法。
(態様23)
約1cm/秒〜約200cm/秒の直線速度で、前記四フッ化ケイ素原料ガスを前記触媒に接触させることを特徴とする態様1乃至22のいずれか1項に記載の方法。
(態様24)
四フッ化ケイ素ガスから不純物を除去するための触媒であって、当該触媒は、
ジルコニア、アルミナケイ酸塩、シリカ、アルミナ、イットリア及びそれらの混合物から成る群から選ばれた不活性基板と、
前記不活性基板の表面又は表面の近傍にあり、銅、マンガン、クロム、コバルト、タリウム、モリブデン、銀及びそれらの混合物から成る群から選ばれた触媒金属を含んだ触媒金属酸化物と、
を含むことを特徴とする触媒。
(態様25)
前記触媒金属酸化物は、銅、マンガン及びそれらの混合物から成る群から選ばれた触媒金属を含むことを特徴とする態様24に記載の触媒。
(態様26)
前記不活性基板は、ジルコニア、アルミナケイ酸塩又はそれらの混合物を含むことを特徴とする態様24又は25に記載の触媒。
(態様27)
前記不活性基板は、ランタニド系元素、アクチニド系元素、マグネシウム、イットリウム、カルシウム及びそれらの混合物から成る群から選ばれた金属を含んだ安定剤を含むことを特徴とする態様24乃至26のいずれか1項に記載の触媒。
(態様28)
前記不活性基板は、約0.1重量%未満の安定剤を含むことを特徴とする態様27に記載の触媒。
(態様29)
前記不活性基板は、安定剤として約0.1重量%未満の酸化イットリウムを含むことを特徴とする態様24乃至26のいずれか1項に記載の触媒。
(態様30)
前記触媒は、少なくとも約95重量%の不活性基板と、約3重量%未満の触媒金属と、約0.5重量%未満の安定剤と、を含むことを特徴とする態様24乃至29のいずれか1項に記載の触媒。
(態様31)
前記触媒は、約0.001重量%〜約1.0重量%の触媒金属を含むことを特徴とする態様24乃至30のいずれか1項に記載の触媒。
(態様32)
前記触媒は、約95重量%〜約99.999重量%の不活性基板を含むことを特徴とする態様24乃至31のいずれか1項に記載の触媒。
(態様33)
前記基板は、約1m 2 /g〜約1000m 2 /gの表面積を有していることを特徴とする態様24乃至32のいずれか1項に記載の触媒。
(態様34)
前記基板が、約30%〜約80%のバルク気孔率を有していることを特徴とする態様24乃至33のいずれか1項に記載の触媒。
(態様35)
前記基板は、約1%〜約20%の微小気孔率を有していることを特徴とする態様24乃至34のいずれか1項に記載の触媒。
(態様36)
不活性基板と当該不活性基板の表面又は表面の近傍にある触媒金属酸化物とを含む触媒の調製方法であって、当該方法は、
前記不活性基板の表面上又はバルク全体にわたって触媒金属を含浸させる工程と、
金属を含浸させた前記不活性基板を少なくとも約250℃の温度に加熱して、前記不活性基板の前記表面又は前記表面の近傍に触媒金属酸化物を形成する加熱工程と、
を含むことを特徴とする方法。
(態様37)
前記金属を含浸させた不活性基板を約250℃〜約1000℃の温度に加熱することを特徴とする態様36に記載の方法。
(態様38)
前記不活性基板は不活性な金属酸化物を含み、
前記不活性基板は、水素酸素炎中で、不活性金属を含む第1の金属ハロゲン化物を水素と反応させて、不活性基板の粉末を生成することにより調製されることを特徴とする態様36又は37に記載の方法。
(態様39)
前記第1の金属ハロゲン化物と水素との反応と同時に、水素酸素炎中で、触媒金属を含む第2の金属ハロゲン化物を水素と反応させることにより、前記触媒金属を前記不活性基板の全体に含浸させることを特徴とする態様38に記載の方法。
(態様40)
触媒金属を、金属塩溶液から前記不活性基板上に析出させることにより、前記不活性基板上に前記触媒金属を含浸させることを特徴とする態様36乃至39のいずれか1項に記載の方法。
(態様41)
前記触媒金属酸化物が、銅、マンガン、クロム、コバルト、タリウム、モリブデン、銀及びそれらの混合物から成る群から選ばれた金属を含むことを特徴とする態様36乃至40のいずれか1項に記載の方法。
(態様42)
前記触媒金属酸化物は、銅、マンガン又はそれらの混合物から成る群から選ばれた金属を含むことを特徴とする態様41に記載の方法。
(態様43)
前記不活性基板は、ジルコニア、アルミナケイ酸塩、シリカ、アルミナ、イットリア及びそれらの混合物から成る群から選ばれることを特徴とする態様36乃至42のいずれか1項に記載の方法。
(態様44)
前記不活性基板は、ジルコニア、アルミナケイ酸塩又はそれらの混合物から成る群から選ばれることを特徴とする態様43に記載の方法。
(態様45)
前記不活性基板がランタニド系元素、アクチニド系元素、マグネシウム、イットリウム、カルシウム及びそれらの混合物から成る群から選ばれた金属を含んだ金属酸化物安定剤を含むことを特徴とする態様36乃至44のいずれか1項に記載の方法。
(態様46)
前記不活性基板は、約0.1重量%未満の安定剤を含むことを特徴とする態様45に記載の方法。
(態様47)
前記不活性基板は、安定剤として約0.1重量%未満の酸化イットリウムを含むことを特徴とする態様36乃至46のいずれか1項に記載の方法。
(態様48)
前記触媒は、少なくとも約95重量%の不活性基板と、約3重量%未満の触媒金属と、約0.5重量%未満の安定剤と、を含むことを特徴とする態様36乃至47のいずれか1項に記載の方法。
(態様49)
前記触媒は、約0.001重量%〜約1.0重量%の触媒金属を含むことを特徴とする態様36乃至48のいずれか1項に記載の方法。
(態様50)
前記触媒は、約95重量%〜約99.999重量%の不活性基板を含むことを特徴とする態様36乃至49のいずれか1項に記載の方法。
(態様51)
前記基板は、約1m 2 /g〜約1000m 2 /gの表面積を有していることを特徴とする態様36乃至50のいずれか1項に記載の方法。
(態様52)
前記基板は、約30%〜約80%のバルク気孔率を有していることを特徴とする態様36乃至51のいずれか1項に記載の方法。
Claims (11)
- 精製された四フッ化ケイ素ガスの製造方法であって、
当該方法は、
四フッ化ケイ素と一酸化炭素とを含み酸素を含まない四フッ化ケイ素原料ガスを、表面を有する不活性基板と前記表面又は前記表面の近傍にある金属酸化物とを含む金属酸化物含有部材に接触させる工程と、
前記一酸化炭素を前記金属酸化物と反応させることにより、前記一酸化炭素の少なくとも一部を前記金属酸化物含有部材の表面上に吸着させ、それにより低減した一酸化炭素濃度を有する精製された四フッ化ケイ素ガス流を製造する吸着工程と、
を含むことを特徴とする方法。 - 前記不活性基板は、安定剤として酸化イットリウムを含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記四フッ化ケイ素原料ガスは、0.001容量%〜3.0容量%の一酸化炭素を含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の方法。
- 前記四フッ化ケイ素原料ガス中の前記一酸化炭素の少なくとも97%が除去されることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の方法。
- 前記四フッ化ケイ素原料ガスは、フッ化水素、塩酸、二酸化硫黄、三酸化硫黄、硫化水素及びそれらの混合物から成る群から選ばれた酸性化合物を含み、
前記四フッ化ケイ素原料ガスの一部をイオン交換樹脂に接触させて、低減した酸性化合物の濃度を有する精製された四フッ化ケイ素ガス流を製造することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の方法。 - 前記四フッ化ケイ素原料ガスを前記金属酸化物含有部材に接触させる前に、前記四フッ化ケイ素原料ガスを前記イオン交換樹脂に接触させて、前記酸性化合物の一部を除去することを特徴とする請求項5に記載の方法。
- 前記四フッ化ケイ素原料ガスは不活性ガスを含み、
前記四フッ化ケイ素原料ガスを低温に冷却し、
冷却された四フッ化ケイ素原料ガスを蒸留塔に供給して、低減した不活性ガスの濃度を有する精製された四フッ化ケイ素ガス流を製造することを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の方法。 - 前記四フッ化ケイ素原料ガスは二酸化炭素を含み、
少なくとも1つのグリコールジエーテルを含む吸収液体により前記四フッ化ケイ素ガスを接触させることにより、前記二酸化炭素の一部を除去することを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の方法。 - −30℃〜90℃の温度で、前記四フッ化ケイ素原料ガスを前記金属酸化物含有部材に接触させることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の方法。
- 前記金属酸化物含有部材を少なくとも500℃以上に加熱して、前記金属酸化物含有部材を再生することを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の方法。
- 前記四フッ化ケイ素ガスは、他の汚染物質を含まないことを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項に記載の方法。
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