KR100882998B1

KR100882998B1 - 루이스 기체/액체 시스템 형성 및 이로부터 루이스 기체회수를 위한 접촉 방법

Info

Publication number: KR100882998B1
Application number: KR1020070046441A
Authority: KR
Inventors: 웨인 토마스 맥더모트; 필립 부르스 헨더슨; 다니엘 죠셉 템펠; 디와칼 갈그; 로날드 마틴 펄스테인; 제임스 죠셉 하르트; 로살린 패트리시아 모리스-오스카니안
Original assignee: 에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드
Priority date: 2006-05-19
Filing date: 2007-05-14
Publication date: 2009-02-12
Also published as: US7736420B2; TW200743640A; EP1857165B1; ATE518577T1; JP2008050249A; CN101122363B; TWI338672B; CN101122363A; JP4782726B2; US20070287812A1; KR20070111994A; EP1857165A1

Abstract

본 발명은 루이스 산성 또는 루이스 염기성 기체의 이에 대립되는 특성의 반응성 액체 중에서의 착물을 형성시키기 위한, 그리고 이로부터 루이스 기체를 회수하는 것과 관련되는 상기 착물을 분해하기(쪼개기) 위한 개선된 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 개선점은 반응성 액체의 미분된 소적을 형성하고, 대립되는 특성의 상기 루이스 기체의 온도, 압력 및 농도를 조절하여, (a) 기체와 반응성 액체 간의 착물을 형성하고, (b) 상기 착물을 분해하고, 반응성 액체의 분무화된 소적을 회수하는 것이다.

Description

루이스 기체/액체 시스템 형성 및 이로부터 루이스 기체 회수를 위한 접촉 방법 {CONTACT METHODS FOR FORMATION OF LEWIS GAS/LIQUID SYSTEMS AND RECOVERY OF LEWIS GAS THEREFROM}

도 1a 및 1b는 운반 기체를 사용하여 루이스 기체와 이에 대립되는 루이스 특성의 반응성 액체의 착물을 형성시키고, 이러한 착물로부터 기체를 회수하기 위한 장치의 도면이다.

도 2a 및 2b는 착물을 형성시키고, 펌프를 사용하여 루이스 기체를 이에 대립되는 루이스 특성의 반응성 액체와 함께 회수하는 장치의 도면이다.

도 3은 착물을 형성시키고, 미분된 소적을 형성하기 위한 메카니즘으로서 초음파 네뷸라이저(ultrasonic nebulizer)를 사용하여 루이스 기체를 이에 대립되는 특성의 반응성 액체와 함께 회수하기 위한 장치의 도면이다.

도 4는 착물을 형성시키고, 루이스 기체를 이에 대립되는 특성의, 커플링 유체에 의해 초음파 네뷸라이저로부터 분리된 용기내 저장된 반응성 액체와 함께 회수하기 위한 장치의 도면이다.

도 5는 미분된 소적을 형성시키기 위해 스피닝 디스크(spinning disk)를 사용하는 장치의 도면이다.

반도체 산업의 많은 공정들은 광범위한 적용을 위한 신뢰성있는 공정 기체 공급원을 필요로 한다. 이러한 기체는 흔히 실린더 또는 용기에 저장된 후, 실린더로부터 제어되는 조건 하에서 공정에 전달된다. 반도체 제조 산업은, 예를 들어 도핑(doping), 에칭(etching), 및 박막 증착에 포스핀(PH₃), 아르신(AsH₃), 및 삼불화붕소(BF₃)와 같은 다수의 유해 특이성 기체를 사용한다. 이들 기체는 높은 독성 및 발화성(pyrophoricity)(공기중 자발적 가연성)으로 인해 상당한 안정성 문제 및 환경적 문제에 봉착하게 된다. 독성 요인이외에, 이들 기체의 대다수는 고압 하의 실린더에 저장하기 위해 압축되고 액화된다. 금속 실린더내 고압 하에서의 독성 기체의 저장은 흔히 실린더의 누출 또는 초대형 파손을 일으킬 가능성으로 인해 허용되지 않는다.

루이스 산 및 루이스 염기 기체(예를 들어, PH₃, AsH₃, 및 BF₃)의 저장 및 전달을 위한 최근의 방법 중 하나는 루이스 염기 또는 루이스 산의, 이에 대립되는 루이스 특성의 반응성 액체, 예를 들어, 대립되는 루이스 특성의 이온성 액체(예를 들어, 알킬포스포늄 또는 알킬암모늄의 염) 중에서의 착화이다. 이러한 액체 부가 착물은 매우 독성이고 휘발성인 화합물을 저장, 운송 및 취급하는 안전한 저압 방법을 제공한다.

하기 문헌은 반응성 액체로부터의 루이스 염기성 및 산성 기체에 대한 전달 시스템 및 루이스 기체와 반응성 액체의 루이스 착물 형성과, 반응성 액체로부터 루이스 기체의 회수와, 각 기체의 현장 설비로의 운반을 위해 제안된 메카니즘을 기술하고 있다.

US 2004/0206241(이의 요지는 본원에 참조로 통합됨)에는 루이스 염기 및 루이스 산성 기체를 이에 대립하는 루이스 산성 및 루이스 염기성을 갖는 비휘발성의 반응성 액체 중에 저장하기 위한 시스템이 기술되어 있다. 바람직한 시스템은 이온성 액체 중에서의 아르신, 포스핀 및 BF₃의 저장 및 전달을 이용한다.

본 발명은 (a) 루이스 산성 또는 루이스 염기성 기체의 이에 대립되는 루이스 특성의 반응성 액체 중에서의 착물을 형성하고, (b) 루이스 기체의 회수와 관련하여 루이스 산성 또는 루이스 염기성 기체의 이에 대립되는 루이스 특성의 반응성 액체 중에서의 착물을 분해시키기(쪼개기) 위한 개선된 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 개선점은,

반응성 액체의 소적을 형성시키는 조건 하에서 반응성 액체를 분무화시키는 단계, 및

루이스 기체의 온도, 압력 및 농도를 조절하여 (a) 기체와 반응성 액체 간의 착물을 형성시키고, (b) 이러한 착물을 분해시키고, 반응성 액체의 분무화된 소적을 회수하는 단계를 포함한다는 것이다.

여러 이점들이 본원에서 기술된 방법을 통해 달성되고, 이중 일부로 하기를 포함한다:

기체의 반응성 액체와의 착화를 보다 신속하게 촉진시키는 능력; 및

반응성 액체로부터의 기체의 보다 신속하고, 보다 효율적인 배출 및 회수를 수행하는 능력.

저압 저장 및 전달 시스템의 일 유형에서, 루이스 염기성 또는 산성을 지닌 기체, 특히 전자 산업에 이용되는 포스핀, 아르신 및 삼불화붕소와 같은 유해 특이성 기체는 연속상 액체 매질 중에서 착물로서 저장된다. 루이스 염기성을 지닌 기체와 루이스 산성을 지닌 반응성 액체와의 가역적 반응, 및 다르게는, 루이스 산성을 지닌 기체와 루이스 염기성을 지닌 반응성 액체와 가역적 반응이 일어나 착물을 형성시킨다(본원에서는 대립되는 루이스 특성을 지닌 것으로서 언급되기도 함).

이러한 저장 및 전달 시스템에서, 휘발성이 낮고, 바람직하게는 증기압이 25℃에서 약 10^-2 Torr 미만, 보다 바람직하게는 25℃에서 약 10^-4 Torr 미만인 적합한 반응성 액체가 사용된다. 저장될 기체와의 가역 반응을 수행하기 위해서는, 이온성 액체가 대표적이고 바람직한데, 이러한 이온성 액체는 루이스 산 또는 루이스 염기로서 작용할 수 있다. 반응성 이온성 액체의 산성 또는 염기성은 이온성 액체에 사용된 양이온, 음이온, 또는 양이온과 음이온의 조합의 세기에 의해 영향을 받는다. 가장 일반적인 이온성 액체로는 알킬포스포늄, 알킬암모늄, N-알킬피리디늄, N,N-디알킬피롤리디늄 또는 N,N'-디알킬이미다졸륨의 염이 포함된다. 일반적인 양이온으로는 C_1-18 알킬기를 함유하고, N-알킬-N'-메틸이미다졸륨 및 N-알킬피리디늄의 에틸, 부틸 및 헥실 유도체가 포함된다. 다른 양이온으로는 피리다지늄, 피리미디늄, 피라지늄, 피라졸륨, 트리아졸륨, 티아졸륨 및 옥사졸륨이 포함된다. 광범위한 음이온이 이온성 액체의 양이온 성분과 대응될 수 있다. 음이온의 한 예는 금속 할라이드 유도체, 즉, 금속 플루오라이드, 금속 브로마이드, 금속 클로라이드, 및 금속 아이오다이드이다. 음이온 성분을 제공하는 금속의 예들은 구리, 알루미늄, 철, 아연, 주석, 안티몬, 티타늄, 니오븀, 탄탈륨, 갈륨 및 인듐을 포함할 수 있다. 구체예에서, 금속 할라이드 음이온은 클로로메탈레이트로 또는 금속 클로라이드로부터 유도되며, 금속 클로라이드의 예들은 CuCl₂ ^-, Cu₂Cl₃ ^-, AlCl₄ ^-, Al₂Cl₇ ^-, ZnCl₃ ^-, ZnCl₄ ^2-, Zn₂Cl₅ ^-, FeCl₃ ^-, FeCl₄ ^-, Fe₂Cl₇ ^-, TiCl₅ ^-, TiCl₆ ^2-, SnCl₅ ^-, SnCl₆ ^2-및 InCl₄ ^-를 포함하지만 이에 국한되지 않는다. 다른 계열의 음이온은 카르복실레이트, 플루오르화된 카르복실레이트, 설포네이트, 플루오르화된 설포네이트, 이미드, 보레이트 및 할라이드를 포함한다. 이들 음이온의 일부 예들은 BF₄ ^-, PF₆ ^-, AsF₆ ^-, SbF₆ ^-, CH₃COO^-, CF₃COO^-, CF₃SO₃ ^-, p-CH₃-C₆H₄SO₃ ^-, (CF₃SO₂)₂N^-, (NC)₂N^-, (CF₃SO₂)₃C^-, 클로라이드 및 F(HF)_n ^-를 포함하지만 이에 국한되지 않는다.

시스템이 포스핀 또는 아르신을 저장하기 위해 사용되는 경우, 바람직한 반응성 액체는 이온성 액체이고, 반응성 액체의 음이온 성분은 쿠프레이트(cuprate) 또는 알루미네이트이고, 양이온 성분은 디알킬이미다졸륨 염으로부터 유래된다.

루이스 산성 반응성 액체, 예를 들어, 이온성 액체로부터 저장되고 전달될 루이스 염기성을 지닌 기체는 포스핀, 아르신, 스티벤, 암모니아, 황화수소, 셀렌화수소, 텔루르화수소, 동위원소 풍부 유사체, 염기성 유기 또는 유기금속 화합물 등 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

루이스 산성 기체를 화학적으로 착화시키는 데 유용한 루이스 염기성 이온성 액체에 있어서, 이러한 이온성 액체의 음이온 또는 양이온 성분 또는 둘 모두가 루이스 염기성일 수 있다. 몇몇 경우에서, 음이온 및 양이온 둘 모두가 루이스 염기성이다. 루이스 염기성 음이온의 예에는, 카르복실레이트, 플루오르화된 카르복실레이트, 설포네이트, 플루오르화된 설포네이트, 이미드, 보레이트, 할라이드 등이 포함된다. 일반적인 음이온 형태로는 BF₄ ^-, PF₆ ^-, AsF₆ ^-, SbF₆ ^-, CH₃COO^-, CF₃COO^-, CF₃SO₃ ^-, p-CH₃-C₆H₄SO₃ ^-, (CF₃SO₂)₂N^-, (NC)₂N^-, (CF₃SO₂)₃C^-, 클로라이드 및 F(HF)_n ^-이 포함된다. 그 밖의 음이온으로는 알킬알루미네이트, 알킬- 또는 아릴보레이트와 같은 유기금속 화합물 및 전이 금속류가 포함된다. 바람직한 음이온으로는 BF₄ ^-, p-CH₃-C₆H₄SO₃ ^-, CF₃SO₃ ^-, (CF₃SO₂)₂N^-, (NC)₂N^-, (CF₃SO₂)₃C^-, CH₃COO^- 및 CF₃COO^-가 포함된다.

또한, 루이스 염기성 기를 함유하는 양이온을 포함하는 이온성 액체가 루이스 산성을 지닌 기체를 착화하는 것과 관련하여 사용될 수 있다. 루이스 염기성 양이온의 예로는 N,N'-디알킬이미다졸륨 및 이외 다수개의 헤테로원자를 지닌 고리가 포함된다. 또한, 루이스 염기성 기는 음이온 또는 양이온에 대한 일부 치환기일 수 있다. 효과적으로 사용할 수 있는 루이스 염기성 치환기에는 아민, 포스핀, 에테르, 카르보닐, 니트릴, 티오에테르, 알코올, 티올 등이 포함된다.

루이스 염기성 반응성 액체, 예를 들어 이온성 액체 중에 저장되어 이로부터 전달될 루이스 산성을 지닌 기체는 디보란, 삼불화붕소, 삼염화붕소, SiF₄, 게르만, 시안화수소, HF, HCl, HI, HBr, GeF₄, 동위원소 풍부한 유사체, 산성 유기 또는 유기금속 화합물 등 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 한 구체예에서, 루이스 산성 기체는 삼불화붕소이고, 이온성 액체는 알킬포스포늄, 알킬암모늄, N-알킬피리디늄, N,N-디알킬피롤리디늄 및 N,N'-디알킬이미다졸륨으로 이루어진 군으로부터 선택된 양이온 및 BF₄ ^- 음이온의 염을 포함한다.

루이스 산 작용기를 지닌 액체의 예로는 치환된 보란, 보레이트, 알루미늄, 또는 알루목산; 카르복실산 및 설폰산과 같은 양성자성 산, 및 티탄, 니켈, 구리 등과 같은 금속의 착물이 포함된다.

루이스 염기성 작용기를 지닌 액체의 예로는, 에테르, 아민, 포스핀, 케톤, 알데히드, 니트릴, 티오에테르, 알코올, 티올, 아미드, 에스테르, 우레아, 카르바 메이트 등이 포함된다. 반응성 공유 액체의 특이적 예로는, 트리부틸보란, 트리부틸 보레이트, 트리에틸알루미늄, 메탄설폰산, 트리플루오로메탄설폰산, 티탄 테트라클로라이드, 테트라에틸렌글리콜 디메틸에테르, 트리알킬포스핀, 트리알킬포스핀 옥사이드, 폴리테트라메틸렌글리콜, 폴리에스테르, 폴리카프롤락톤, 폴리(올레핀-알트-카본 모노옥사이드), 아크릴레이트, 메타크릴레이트 또는 아크릴로니트릴의 올리고머, 폴리머 또는 공중합체 등이 포함된다. 그러나, 이들 액체는 종종 고온에서 지나치게 휘발성이 되어 열 매개 방출에는 적합하지 않다. 그러나, 압력 매개 방출에는 적합할 수 있다.

기체/액체 착물의 형성을 수행하기 위해, 반응성 액체를 착물을 형성하기 위한 조건 하에서 각각의 루이스 기체와 접촉시키는 단계가 있으며, 현장 전달을 위해 반응성 액체로부터 기체의 방출을 수행하기 위해, 착물을 분해(쪼개기)시키는 것이 필요하다. 착물 형성 또는 착물 분해를 위한 공정의 각 단계는 벌크 액체의 유리 표면을 통한 기체의 질량 이동을 필요로 한다. 질량 이동은 제한되는 것이 흔한데, 그 이유는 일부 반응성 액체가 루이스 기체와 반응성 액체와의 혼합을 억제하는 점성이기 때문이다. 이러한 공정의 경제성은 대립되는 루이스 특성의 반응성 액체의 유입 및 배출시 기체의 교체 수행능에 의존한다.

본 발명은 기체와 이온성 액체의 신속한 착화 및 이러한 착물의 신속한 분해, 그리고 반응성 액체/기체 착물로부터의 루이스 기체의 배출 및 회수를 가능하게 한다. 루이스 기체와 반응성 액체의 착물을 형성시킴에 있어서, 또는 이로부터 루이스 기체를 회수함에 있어서, 반응성 액체는 미세한 소적으로 분무화된다. 분 무화된 소적의 증가된 표면적으로 인해, 기체와 이온성 액체 간의 착물의 형성 및 분해를 촉진시키기 위해 에너지 및 질량이 보다 용이하게 전달될 수 있는 것으로 밝혀졌다.

매우 다양한 분무화 방법이 미분된 소적을 생성시키는 데 사용될 수 있으며, 이러한 방법에는 고속 기체, 막방향 분무, 플래싱(flashing), 전기 분무 등에서의 진동 오리피스(vibrating orifice), 압축 기체 분무기, 네뷸라이저(nebulizer), 제트 붕해기(jet disintegrator), 스피닝 디스크 발생기(spinning disk generator), 초음파 네뷸라이저 및 2차 소적 분해가 포함된다. 바람직한 분무기는 초음파 네뷸라이저이다. 이러한 네뷸라이저는 강력한 교반 및 보다 많은 수의 소적 형성을 위해 고진동, 고증폭의 압전세라믹 변환기 또는 자기 변형기(magneto strictive device)를 이용한다. 일반적인 작동 진동수는 20,000 - 40,000 사이클/초이다. 스피닝 디스크는 일반적으로 액체의 표면 장력 및 점도에 따라 10 내지 100㎛ 크기 범위로 액체 소적을 생성한다. 디스크는 일반적으로 3,000 내지 100,000rpm에서 작동한다.

상기 일반적인 기재와 관련하여 착물 형성 및 착화 방법에 대한 이해를 돕고자, 도면이 참조된다. 도 1a은 저장 및 분배 시스템(10)을 도시한 것이고, 도 1b는 루이스 기체와 반응성 액체의 착화 또는 착물의 분해를 달성하기 위해 설계된 챔버에 대해 자세히 도시한 것이다.

상기 시스템은 길이가 긴 통상적인 기체 실린더 용기와 같은 저장 및 분배 용기(12)를 포함한다. 내부는 저장되어야 하는 기체와 적합한 반응성을 갖는 액체 (14) 및 비착화된 기체에 대한 상부 공간(16)을 보유하도록 설계된다. 용기(12)는 그 상단에 실린더(12)의 내부 및 외부로의 액체 흐름을 조절하기 위한 통상적인 실린더 기체 밸브(18)가 구비된다. 용기(12)에, 그리고 용기(12)로부터 반응성 액체를 전달하기 위한 관(20)이 용기(12)내에 배치된다.

착물의 형성 속도 또는 착물의 쪼개기 속도를 증진시키기 위해, 경우에 따라, 반응성 액체가 관(20)을 통해 용기(12)로부터 배출되어 챔버(22)에 도입된다. 불활성 기체(예를 들어, 헬륨, 아르곤 또는 그 밖의 희기체)일 수 있는 운반 기체 또는 대립되는 루이스 특성의 루이스 기체가 경우에 따라 라인(24)을 통해 챔버(22)에 도입된다. 반응성 기체는 기체가 분무화 오리피스(28)를 통과하고, 반응성 액체를 고속 기체와 접촉시키므로써 챔버(22)에서 미분된 소적(26)으로 분무화된다(도 1b). 일반적인 소적의 크기는 기체 및 액체 특성에 의존하여 1 내지 100㎛ 범위(마이크론)이다. 미분된 소적(26) 또는 이온성 액체 소적의 마이크로 소적의 형성을 통한 액체 부피에 대한 표면적의 비의 증가는 실질적으로 액체 부피에 대한 계면의 표면적의 비를 상당히 증진시킨다. 이러한 액체 부피에 대한 표면적의 증가는 액체로의 질량 및 열 전달 속도를 증진시킨다. 예를 들어, 1 마이크론 소적으로 에어로졸화된 액체의 1리터 구형 부피는 총 1.9 X 10¹⁵개의 소적을 제공할 수 있다. 이러한 공정에서, 액체의 표면적은 2.4 x 10²⁰배 만큼 증가한다. 그리고, 액체의 단위 부피당 표면적은 0.48cm²/cm³에서 6 x10⁴cm²/cm³로 증가한다.

챔버(22)에서 액체 소적(26)은 챔버(22)의 내부 표면 상으로 예를 들어, 중 력 침강 또는 임팩션(impaction)과 같은 에어로졸 처리의 당해 널리 공지된 여러 수단 중 어느 하나를 통해 기체상으로부터 분리된다. 이후, 분리된 액체는 액체 펌프(미도시됨) 또는 중력 유도 흐름을 통해 라인(36)을 통해 용기(12)에 반송된다. 본 발명의 또 다른 구체예에서, 분리된 액체상은 라인(36)을 거쳐 별도의 액체 용기(미도시됨)로 유입된다.

루이스 기체 및 운반 기체는 라인(30)을 통해 미스트 제거기(32)를 통과하고, 라인(34)을 통해 기체가 회수된다. 사용된 액체는 라인(42)을 통해 별도의 액체 용기(미도시됨)로 배출되거나, 액체 펌프(미도시됨) 또는 도시된 중력 유도 흐름을 통해 용기(12)로 반송된다.

챔버(22)내 온도 및 압력은 루이스 산성 또는 염기성 기체와 이에 대립되는 특성의 반응성 액체의 착화 또는 이의 쪼개기를 유리하게 하는 선결된 조건으로 조절된다. 이러한 조건은 특히 루이스 액체에 대한 루이스 기체의 친화도 등에 의존한다.

미스트 제거기(32)는 관성 임팩션, 중력 침강, 정전기 증착, 열영동 증착, 소용돌이 관(vortex tube) 또는 사이클론, 기체상 원심분리, 미스트 제거 매질에서의 포획, 음향 침전, 자기 분리 등을 포함하는 기체/액체 상 분리를 수행하는 임의의 수단을 사용할 수 있다. 기체는 쪼개기의 경우에는 운반을 위해, 형성의 경우에 회수를 위해 분리된다. 착화된 반응성 액체는 현장 운반을 위해 용기에 도입될 수 있다.

도 2a는 본 발명의 제 2 구체예(60)를 도시한 것이다. 착화된 이온성 액체 로부터 루이스 기체를 회수하는 것을 도시하고 있는 이 구체예를 실시하는 일 방법에서, 착화된 액체(62)는 용기(64)로부터 펌프(68)에 의해 관(66)을 통해 배출된다. 액체가 용기(64)로부터 분리됨에 따라, 기체 라인(72)을 통해 압력 조절되는 기체 공급원(70)으로부터 공급되는 기체를 사용하여 용기내에서 정상 압력이 유지된다. 라인(72)을 통해 제공되는 기체는 경우에 따라 불활성 기체(예를 들어, 헬륨, 아르곤, 또는 그 밖의 희기체) 또는 대립되는 루이스 특성의 루이스 기체일 수 있다.

착화된 이온성 액체로부터 루이스 기체를 회수하는 것을 도시하고 있는 상기 구체예를 실시하는 다른 방법에서, 착화된 액체(62)는 용기(64)로부터 관(66)을 통해 상부 정압(static pressure)에 의해, 또는 기체 라인(72)을 통해 압력 조절된 기체 공급원(70)에 의해 제공되는 "압력 푸시(push)"에 의해 배출된다. 용기(64)로부터 액체를 배출시키는 이러한 방법에서, 펌프(6)는 요구되지 않는다.

압축된 착화된 액체는 감압기(76) 및/또는 노즐(78)을 통과하므로써 분무화되고, 소적(80)이 부분 진공 하에 유지되는 챔버(82)에 도입된다. 감압기(76)는 액체 감압 기술에서 널리 공지된 임의의 유량 제한 오리피스 또는 조절가능한 밸브 또는 자동 압력 조절기를 포함할 수 있다. 노즐(78)은 스월(swirl) 분무 노즐, 팬 분무 노즐, 임팩트 노즐, 회전 분무기 및 트윈 유체 분무기를 포함하나 이로 제한되는 것은 아닌 액체 분무화 기술에서 널리 공지된 임의의 기기를 포함할 수 있다. 부분 진공 하에서 미분된 소적(80)은 루이스 기체를 방출한다.

루이스 기체 및 운반 기체는 라인(30)을 통해 미스트 제거기(84)를 통과하 고, 라인(86)을 통해 기체가 회수된다. 사용된 액체는 라인(88)을 통해 펌프(미도시됨) 또는 중력 유도 흐름을 통해 별도의 액체 용기(미도시됨)로 배출되거나, 펌프(미도시됨)를 통해 용기(64)로 반송된다.

도 2a 및 도 2b의 장치가 또한 착물을 형성시키는 데 사용될 수 있다. 이 구체예에서, 냉각된 루이스 기체는 지점(a) 및/또는 (b)에 도입되어 챔버(82)에서 미분된 소적(80)으로서 분산된, 냉각된 착물화되지 않은 루이스 액체와 접촉한다. 소적(80)은 도 2a에 도시된 유형의 노즐(78)을 통해 반응성 액체가 통과하므로써 형성될 수 있다. 질량 전달 속도가 팽창 챔버(82)에서 상승하므로써 요구되는 착물이 형성된다. 착화된 액체는 미스트 제거기(84)로부터 라인(88)을 통해 수거되거나, 다운스트림 상분리기(미도시됨)에서 회수된다. 착화된 액체의 회수는 상기 기재된 방법을 통해 달성될 수 있다.

도 3, 4 및 5는 반응성 액체 중에서의 루이스 기체의 착물을 형성시키는 방법 및 그러한 착물을 쪼개는 방법을 도시한 것이며, 여기에서 용기내 유사 부분은 동일한 부호를 갖는다. 도 3에서 도시된 구체예에서, 용기(100)는 액체(102) 및 상부 공간(104)을 포함한다. 기체는 용기(100)로부터 라인(106)을 통해 도입되거나 이로부터 제거된다. 압전 변환기 또는 자기 변형기(108)가 루이스 액체(102) 중에 침지된다. 신호 발생기(110)로부터의 파워가 시일(seal)(114)을 통해 용기에 제공되는 차폐 케이블(112)를 통해 상기 변환기에 전송된다. 미분된 소적(116)은 압전 변환기가 활성화되는 경우에 형성된다. 반응성 액체의 미분된 소적은 대립되는 특성의 루이스 기체와 접촉하고, 착물 형성 조건 하에서 라인(106)을 통해 도입 된다. 반응성 액체(102)로부터 루이스 기체의 전달이 바람직한 경우, 압전 변환기 또는 자기 변형기가 쪼개기에 유리할 수 있는 조건 하에서 착화된 액체의 미분된 소적을 생성시키도록 설계된다. 예를 들어, 착화된 액체(102)는 용기(100)에서 가열되고/되거나 감압될 수 있다. 기체가 대립되는 루이스 특성을 지닌 반응성 액체로부터 방출된다.

도 4는 압전 변환기가 반응성 액체보다 화학적으로 덜 공격성인 커플링 유체중에 침지되는, 변형된 도 3의 구체예를 도시한 것이다. 이 구체예에서, 용기(100)은 외부 용기(120)내에 시일링된다. 압전 변환기(108)는 커플링 유체(122)를 통해, 그리고, 용기(100)의 벽을 통해 반응성 액체(102)로 이동하는 초음파 에너지를 제공한다. 이후의 공정은 도 3에 도시된 바와 유사하여 착물 형성 및 쪼개기가 유사한 방식으로 달성된다. 이러한 구체예의 이점은 압전 변환기 또는 자기 변형기(108)를 화학적으로 공격성인 환경에 노출시키지 않는다는 점이다. 이러한 방법의 단점은 커플링 매질과 용기(100)의 벽을 통해 투과되는 동안에 초음파 에너지가 소실된다는 점이다.

도 5는 스피닝 디스크 또는 스피닝 드럼(spinning drum)에 의해 제공되는 원심력을 이용하여 미분된 액체 소적을 생성시키는 구체예를 도시한 것이다. 용기(200)는 반응성 액체(202)를 보유하고, 상부 공간(204)을 제공한다. 루이스 기체는 용기(200)로부터 라인(206)을 통해 도입되거나 제거될 수 있다. 도 3의 압전 변환기와는 대조적으로, 본 구체예는 반응성 액체의 미분된 소적을 생성시키기 위해 스피닝 디스크(208)를 사용한다. 스피닝 디스크(208)는 회전 실링기(218)를 관 통하는 구동 샤프트(216)를 통해 스피닝 디스크(208)와 커플링된 모터(210)에 의해 작동된다. 액체(202)는 부분적으로 침지된 액체 전달 라인(212)를 통해 스피닝 디스크(208)로 유인되어, 미분된 소적(214)으로 전환된다. 라인(206)을 통해 루이스 기체를 도입하므로써 루이스 기체의 반응성 액체(202)와의 착물을 형성시키거나, 착물의 쪼개기를 유발시키고, 라인(206)을 통해 용기(200)으로부터 기체를 방출시키기 위해 조건이 조절된다.

본 발명은 기체와 이온성 액체의 신속한 착화 및 착물의 신속한 분해, 그리고 반응성 액체/기체 착물로부터의 루이스 기체의 배출 및 회수를 가능하게 한다.

Claims

기체 액체 착물을 형성시키기 위한 압력 및 온도 조건 하에서 루이스 산성을 지닌 기체를 루이스 염기성을 지닌 반응 액체와 접촉시키거나 루이스 염기성을 지닌 기체를 루이스 산성을 지닌 반응성 액체와 접촉시키는 단계를 포함하는, 기체가 반응성 액체 중에서 가역적으로 반응하는 상태로 유지되는 기체 액체 착물을 형성시키는 방법으로서,

상기 루이스 염기성을 지닌 반응성 액체 또는 상기 루이스 산성을 지닌 반응성 액체의 미분된 소적을 형성시키는 단계;

상기 착물을 형성시키기 위한 조건 하에서 상기 루이스 산성을 지닌 기체를 상기 루이스 염기성을 지닌 미분된 액체 소적과 접촉시키거나, 상기 루이스 염기성을 지닌 기체를 상기 루이스 산성을 지닌 반응성 액체의 미분된 액체 소적과 접촉시키는 단계; 및

루이스 산성을 지닌 기체와 루이스 염기성을 지닌 반응성 액체, 또는 상기 루이스 염기성을 지닌 기체와 루이스 산성을 지닌 반응성 액체의 형성된 착물을 회수하는 단계를 포함하는 방법.
제 1항에 있어서, 미분된 액체 소적이 분무화에 의해 형성되는 방법.
제 2항에 있어서, 분무화가 진동 오리피스, 압축 기체, 제트 붕해기, 초음파 네뷸라이저(ultrasonic nebulizer) 및 스피닝 디스크(spinning disk)로 이루어진 군으로부터 선택된 분무기에 의해 수행되는 방법.
제 3항에 있어서, 미분된 액체 소적의 크기가 1 내지 100㎛인 방법.
제 2항에 있어서, 루이스 염기성 기체가 포스핀, 아르신, 스티벤, 암모니아, 황화수소, 셀렌화수소, 텔루르화수소 및 동위원소 풍부 유사체로 이루어진 군으로부터 선택되고, 루이스 산성 기체가 디보란, 삼불화붕소, 삼염화붕소, SiF₄, 게르만(germane), 시안화수소, HF, HCl, HI, HBr, GeF₄ 및 동위원소 풍부 유사체로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
제 1항에 있어서, 반응성 액체가 알킬포스포늄, 알킬암모늄, N-알킬피리디늄, N,N-디알킬피롤리디늄 또는 N,N'-디알킬이미다졸륨 양이온의 염을 포함하는 방법.
제 6항에 있어서, 상기 루이스 산성을 지닌 반응성 액체의 음이온 성분이 금속 할라이드 염이고, 음이온 성분을 제공하는 금속이 구리, 알루미늄, 철, 아연, 주석, 안티몬, 티탄, 니오븀, 탄탈륨, 갈륨 및 인듐으로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
제 7항에 있어서, 루이스 산성을 지닌 반응성 액체의 음이온 성분이 CuCl₂ ^-, Cu₂Cl₃ ^-, AlCl₄ ^-, Al₂Cl₇ ^-, ZnCl₃ ^-, ZnCl₄ ^2-, Zn₂Cl₅ ^-, FeCl₃ ^-, FeCl₄ ^-, Fe₂Cl₇ ^-, TiCl₅ ^-, TiCl₆ ^2-, SnCl₅ ^-, SnCl₆ ^2-및 InCl₄ ^-로 이루어진 군으로부터 선택된 클로로메탈레이트로부터 유래되는 방법.
제 8항에 있어서, 루이스 염기성 기체가 포스핀이고, 반응성 액체가 알킬포스포늄, 알킬암모늄, N-알킬피리디늄, N,N-디알킬피롤리디늄 및 N,N'-디알킬이미다졸륨으로 이루어진 군으로부터 선택된 양이온 및 Cu₂Cl₃ ^- 음이온의 염을 포함하는 방법.
제 6항에 있어서, 루이스 염기성을 지닌 상기 반응성 액체의 음이온 성분이 카르복실레이트, 플루오르화된 카르복실레이트, 설포네이트, 플루오르화된 설포네이트, 이미드, 보레이트 및 할라이드로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
제 10항에 있어서, 루이스 염기성을 지닌 상기 반응성 액체의 음이온 성분이 BF₄ ^-, PF₆ ^-, AsF₆ ^-, SbF₆ ^-, CH₃COO^-, CF₃COO^-, CF₃SO₃ ^-, p-CH₃-C₆H₄SO₃ ^-, (CF₃SO₂)₂N^-, (NC)₂N^-, (CF₃SO₂)₃C^-, 클로라이드 및 F(HF)_n ^-로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
제 11항에 있어서, 루이스 산성 기체가 삼불화붕소이고, 반응성 액체가 알킬포스포늄, 알킬암모늄, N-알킬피리디늄, N,N-디알킬피롤리디늄 및 N,N'-디알킬이미다졸륨으로 이루어진 군으로부터 선택된 양이온 및 BF₄ ^- 음이온의 염을 포함하는 방법.
기체가 반응성 액체 중에서 가역적으로 반응하는 상태로 유지되는, 반응성 액체 중에서의 착화된 루이스 기체를 회수하는 방법으로서,

상기 루이스 기체와 착화된 상기 반응성 액체의 미분된 소적을 형성시키는 단계;

착물의 쪼개기(fragmentation) 및 착물로부터 상기 루이스 기체의 방출을 허용하는 조건 또는 압력 및 온도를 유지시키는 단계, 및

상기 착물의 쪼개기 후에 루이스 기체를 회수하는 단계를 포함하는 방법.
제 13항에 있어서, 미분된 액체 소적이 분무화에 의해 형성되는 방법.
제 14항에 있어서, 미분된 액체 소적이 진동 오리피스, 압축된 기체, 제트 붕해기, 초음파 네뷸라이저 및 스피닝 디스크로 이루어진 군으로부터 선택된 분무 기에 의해 형성되는 방법.
제 14항에 있어서, 미분된 액체 소적의 크기가 1 내지 100㎛인 방법.
제 16항에 있어서, 루이스 염기성 기체가 포스핀, 아르신, 스티벤, 암모니아, 황화수소, 셀렌화수소, 텔루르화수소 및 동위원소 풍부 유사체로 이루어진 군으로부터 선택되고, 루이스 산성 기체가 디보란, 삼불화붕소, 삼염화붕소, SiF₄, 게르만, 시안화수소, HF, HCl, HI, HBr, GeF₄ 및 동위원소 풍부 유사체로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
제 13항에 있어서, 반응성 액체가 알킬포스포늄, 알킬암모늄, N-알킬피리디늄, N,N-디알킬피롤리디늄 또는 N,N'-디알킬이미다졸륨의 염을 포함하는 방법.
제 18항에 있어서, 루이스 산성을 지닌 상기 반응성 액체의 음이온 성분이 CuCl₂ ^-, Cu₂Cl₃ ^-, AlCl₄ ^-, Al₂Cl₇ ^-, ZnCl₃ ^-, ZnCl₄ ^2-, Zn₂Cl₅ ^-, FeCl₃ ^-, FeCl₄ ^-, Fe₂Cl₇ ^-, TiCl₅ ^-, TiCl₆ ^2-, SnCl₅ ^-, SnCl₆ ^2-및 InCl₄ ^-로 이루어진 군으로부터 선택된 클로로메탈레이트로부터 유래되는 방법.
제 19항에 있어서, 루이스 염기성 기체가 포스핀이고, 반응성 액체가 알킬포스포늄, 알킬암모늄, N-알킬피리디늄, N,N-디알킬피롤리디늄 및 N,N'-디알킬이미다졸륨으로 이루어진 군으로부터 선택된 양이온 및 Cu₂Cl₃ ^- 음이온의 염을 포함하는 방법.
제 18항에 있어서, 루이스 염기성을 지닌 상기 반응성 액체의 음이온 성분이 카르복실레이트, 플루오르화된 카르복실레이트, 설포네이트, 플루오르화된 설포네이트, 이미드, 보레이트 및 할라이드로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
제 21항에 있어서, 루이스 염기성을 지닌 반응성 액체의 음이온 성분이 BF₄ ^-, PF₆ ^-, AsF₆ ^-, SbF₆ ^-, CH₃COO^-, CF₃COO^-, CF₃SO₃ ^-, p-CH₃-C₆H₄SO₃ ^-, (CF₃SO₂)₂N^-, (NC)₂N^-, (CF₃SO₂)₃C^-, 클로라이드 및 F(HF)_n ^-로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
제 22항에 있어서, 루이스 산성 기체가 삼불화붕소이고, 반응성 액체가 알킬포스포늄, 알킬암모늄, N-알킬피리디늄, N,N-디알킬피롤리디늄 및 N,N'-디알킬이미다졸륨으로 이루어진 군으로부터 선택된 양이온 및 BF₄ ^- 음이온의 염을 포함하는 방법.
제 13항에 있어서, 상기 루이스 기체와 착화된 상기 반응성 액체의 미분된 소적을 형성시키는 단계에 있어서 미분된 소적이 불활성 운반 기체로 운반되는 방법.