KR20150052220A

KR20150052220A - 환원제를 사용하는 무수 할로겐화수소의 제조

Info

Publication number: KR20150052220A
Application number: KR1020157008449A
Authority: KR
Inventors: 그레고리오 타란콘 쓰리
Original assignee: 미드웨스트 인오가닉스 엘엘씨
Priority date: 2012-09-07
Filing date: 2013-09-06
Publication date: 2015-05-13
Also published as: EP2892846A1; EP2892846A4; IN2015DN01801A; WO2014039776A1; AU2013312448A1; CN104619633A; JP2015527294A; US8834830B2; CA2884300A1; US20140070137A1

Abstract

본 발명은, 적당한 온도에서 환원제와의 반응을 통해 무기 할로겐화물 물질, 예를 들어 6불화황, 3불화질소, 6불화텅스텐 및 6불화우라늄 등을 사용하여 무기 할로겐화물을 완전하게 환원함으로써 비 할로겐 무기 물질 및/또는 이의 수소화물, 바람직하게는 무수 할로겐화수소 유체를 제조하는 방법에 관한 것이다. 상기 환원제들은 분자 수소, 무기 수소화물 및 무기 금속 원소일 수 있고; 분자 수소가 바람직하나, 임의의 경우에는 무기 수소화물, 그리고 무기 금속 원소, 예를 들어 칼슘 및 마그네슘이 사용된다.

Description

환원제를 사용하는 무수 할로겐화수소의 제조{PREPARATION OF ANHYDROUS HYDROGEN HALIDES USING REDUCING AGENT}

관련 출원들

본 출원은, 본원에 명백히 제시된 모든 목적들을 위해 참고 문헌으로서 본원에 인용되어 있는 미국 가명세서 특허 출원 제61/698,536호(2012년 9월 7일 출원) 및 미국 특허 출원 제13/769,184호(2013년 2월 15일 출원)의 우선권의 이익을 주장한다.

본 발명의 분야

본 발명은, 열-환원 반응기(thermo-reducing reactor) 내 온도 및 압력 하에 환원제들을 사용함으로써 무기 할로겐화물을 완전하게 환원하여, 비 할로겐 무기 물질 및/또는 이의 수소화물, 바람직하게는 또한 무수 할로겐화수소를 제조하는 방법에 관한 것이다.

할로겐화수소는 다양한 방법에서 사용될 수 있는 주요 할로겐 공급원이므로 화학 산업에 있어서 매우 가치가 높은 물질이다. 불화수소는 특히 중요한 할로겐화수소이다. 상기 불화수소는 불소의 주요 산업상 공급원을 제공하는 상온에서 무색의 액체이므로, 다수의 중요한 유기 및 무기 불화물에 대한 전구체이다.

무수 불화수소는 다공성 물질들을 비교적 신속하게 통과하여 확산되는 능력을 가지는 것으로 알려져 있다. 이와 같은 이유로 말미암아, 무수 불화수소는 소위 유기 및 무기 불화물이라고 칭하여지는 불화 물질들의 제조에 통상적으로 사용되고 있다. 이러한 물질들은 본질적으로 냉매, 의약품, 발포제, 소화제, 용매, 그리고 플라스틱 산업에 있어서 불화 단량체들을 제조하는데 사용되는 원료이다.

기타 다른 할로겐화수소, 예를 들어 염화수소, 브롬화수소, 요오드화수소 및 아스타틴화수소는 그 정도는 다르지만 유사한 이점들을 가지므로, 이와 같은 할로겐화수소들이 사용될 수 있는 다양한 적용 분야가 존재한다.

당업계에는 할로겐화 무기 물질들로부터 무수 할로겐화수소가 제조되도록 맞추어진 방법들이 다수 개발되어 있다. 불화 무기 물질로부터 무수 불화수소를 제조하는 방법이 그 예이다. 그러나 이와 같은 방법들은 종종 매우 복잡하고, 완전히 효율적이지 않을 뿐더러, 비용이 매우 많이 들어갈 수 있으며, 작업이 용이하지 않을 수도 있다.

불화 물질들과 관련된 예시적 방법에 관하여는, 본원에 참고 문헌으로서 포함되어 있는 국제 특허 출원 공보 WO 제99/36352호(Hage et al.)에 개시되어 있다. 상기 공보에는 6불화우라늄으로부터 무수 불화수소(AHF)를 회수하는 방법이 개시되어 있다. 특히 Hage et al.의 문헌에는, 6불화우라늄이 불화수소/물 공비 혼합물과 반응하여, 산화우라늄이 제조되는 다중 반응계가 개시되어 있다. 궁극적으로 Hage et al.의 기술은 높은 전환 효율을 제공하긴 하지만, 이 계에서는 무수 불화수소가 제조되지 않는다. 그 대신, Hage et al.의 기술에서는 오로지 물을 제거하기 위한 분리 공정 이후에만 무수 불화수소가 얻어진다. 이와 같은 부가적 분리 단계는 비용이 매우 많이 들 수 있으며, 방법 자체의 효율을 떨어뜨린다.

불화 물질들이 관여하는 또 다른 예시적 방법으로서는, 본원에 참고 문헌으로서 포함되어 있는 Yu.N.Tumanov et al.("Mechanism of Reduction of Uranium Hexafluoride by Hydrogen")에 의해 개시된, 6불화우라늄이 반응하여 무수 불화수소가 제조되는 방법이 있다. Tumanov et al.은 이와 같은 논문에 6불화우라늄과 수소가 반응하여 4불화우라늄과 무수 불화수소가 제조되는 방법을 개시하고 있다. 이 방법은 무수 불화수소의 보다 직접적인 제조 방법이긴 하지만, Tumanov의 기술은 완전히 효율적인 기작을 제공하지는 않는다. 그 대신, Tumanov의 기술에서는 오로지 6불화우라늄이 4불화우라늄으로 환원된다.

해리 평형을 위한 6불화우라늄의 분자 수소에 의한 6불화우라늄의 부분 환원 기작은 아레니우스식에 따른 경우와 유사하다. 이와 같은 상태는 통상 온도가 1800K일 때 도달하는데, 이때 반응의 속도 상수는 1000K 내지 4000K 범위에서의 속도 상수와 같다.

모든 실용적 목적으로 아레니우스식은, 예를 들어 Tumanov et al.의 문헌 중 도 2에 나타낸 바와 같은 데이터를 충분히 정확하게 나타낸 것이다.

반응 UF6 → UF5 + F의 속도 상수 대수 대 온도의 역수는 또한 본원에 참고 문헌으로서 포함된 문헌[Reaction Kinetics for Chemical Engineers by Stanley M. Walas, McGraw-Hill Book Company, Inc., 1959 (Fundamentals, 5. The rate equation, 6. Variables other than mass or concentration, 7. Effect of temperature and 8. Energy of activation.), 도 1 내지 도 2의 플롯 log kT² vs. 1/T(여기서, kT² = 1/sec)]에도 소개되어 있다.

그러므로 Tumanov의 문헌은 6불화우라늄을 수소에 의해 환원(단, 부분 환원에 불과함)하기 위한 공지의 기작을 제공하고, 여기에는 6개의 불소 원자들 중 오로지 2개의 불소 원자들만이 제거됨으로써 6불화우라늄이 전체적으로 환원되는 오로지 하나의 단계만이 제시되어 있다.

따라서 무기 할로겐화물이 완전히 환원되어, 비 할로겐 무기 물질 및 바람직하게 무수 할로겐화수소가 제조될 수 있는 개선된 방법이 필요하다. 이러한 필요는 모든 무기 할로겐화물에도 마찬가지로 존재하지만, 무기 불화물 물질의 경우 특히 중요하다.

그러므로 본 발명은 하나 이상의 무기 할로겐화물을 완전하게 환원하여, 이 하나 이상의 무기 할로겐화물로부터 하나 이상의 비 할로겐 무기 물질들 및/또는 이의 수소화물을 제조하고, 바람직하게는 또한 무수 할로겐화수소도 제조하는 방법에 관한 것이다.

예시적 구현예는, 수소가 무기 할로겐화물의 할로겐화물부 전부와 반응하여, 무수 할로겐화수소 및 하나 이상의 비 할로겐 무기 물질이 제조되는 열-환원 반응기를 사용함으로써 무수 할로겐화수소들 및 비 할로겐 무기 물질들을 합성하는 신규 방법을 제공한다.

예시적 구현예는 또한 분자 수소, 무기 수소화물 및 무기 금속 원소 중 하나 이상을 포함하는 환원제를 사용함으로써 무기 할로겐화물을 완전히 환원하는 방법도 제공한다.

본 발명의 부가적 특징들 및 이점들은 이하 발명을 실시하기 위한 구체적 내용에 제시될 것이며, 부분적으로는 이 발명을 실시하기 위한 구체적 내용을 통하여 명백해질 것이거나, 또는 본 발명을 실시함으로써 얻어질 수 있다. 본 발명의 목적들과 기타 다른 이점들은 본원에 기술된 발명을 실시하기 위한 구체적 내용, 본 발명의 특허 청구 범위, 그리고 첨부된 도면에 구체적으로 제시된 구성에 의해 구현 및 달성될 것이다. 이와 같이 구체화되고 광범위하게 기술된 이점들 및 기타 다른 이점들을 이루기 위하여, 그리고 본 발명의 목적에 의하면, 무수 할로겐화수소 및 하나 이상의 비 할로겐 무기 물질을 합성하는 방법은, 하나 이상의 무기 할로겐화물과 하나 이상의 환원제를 완전히 반응시켜 무수 할로겐화수소 및 하나 이상의 비 할로겐 무기 물질을 제조하는 단계를 포함한다. 상기 하나 이상의 환원제는 분자 수소, 무기 수소화물, 무기 금속 원소 또는 이것들의 조합을 포함할 수 있다. 무기 수소화물은 무기 할로겐화물의 비 할로겐 무기 물질과 동일한 무기 물질을 포함할 수 있다. 무기 할로겐화물은 무기 불화물, 무기 염화물, 무기 브롬화물, 무기 요오드화물, 무기 아스타틴화물 또는 이것들의 조합을 포함할 수 있다. 예시적 무기 할로겐화물은 6불화황, 3불화질소, 6불화텅스텐 및 6불화우라늄을 포함한다. 환원제가 분자 수소를 포함하는 경우, 반응 대역 온도(reaction zone temperature) T_RZ는 이하 더욱 상세히 설명되어 있는 바와 같은 식들을 이용하여 결정될 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 있어서, 무수 불화수소 및 하나 이상의 비 할로겐 무기 물질의 합성 방법은, 하나 이상의 무기 불화물과 하나 이상의 환원제를 반응시켜 무수 불화수소 및 하나 이상의 비 할로겐 무기 물질을 제조하는 단계를 포함한다. 환원제는 분자 수소, 무기 수소화물, 무기 금속 원소 또는 이것들의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어 환원제는 분자 수소와 원소 칼슘을 포함할 수 있다. 환원제가 분자 수소를 포함하는 경우, 열-환원 반응의 반응 대역 온도 T_RZ는 이하 더욱 상세히 설명되어 있는 바와 같은 식들을 이용하여 결정될 수 있다.

본 발명의 또 다른 양태에 있어서, 무기 할로겐화물의 환원 방법은, 하나 이상의 무기 할로겐화물과 하나 이상의 환원제를 반응시켜 완전하게 환원된 비 할로겐 무기 물질 하나 이상을 제조하는 단계를 포함하는데, 여기서 하나 이상의 환원제는 무기 수소화물, 무기 금속 원소 또는 이것들의 조합으로부터 선택된다. 환원제가 무기 수소화물을 포함하는 경우, 무기 수소화물은 무기 할로겐화물의 비 할로겐 무기 물질과 동일한 비 할로겐 무기 물질을 포함할 수 있다. 환원제는 전기음성도가 무기 할로겐화물의 비 할로겐 무기 물질의 전기음성도보다 작은 무기 물질을 포함할 수 있다.

전술된 일반적인 설명과 이하 상세한 설명 둘 다는 예시적이면서 본 발명을 설명하는 것들로서, 특허 청구의 범위에 청구된 본 발명을 추가로 설명하기 위해 제공된 것들임이 이해될 것이다.

본 발명이 더욱 잘 이해되도록 포함되었을 뿐만 아니라, 본 발명의 명세서에 인용되어 이것의 일부를 이루는 첨부 도면에는 본 발명의 구현예들이 도시되어 있으며, 이 도면은 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리들을 설명해주는 역할을 한다.
도면에 있어서:
도 1은 본 발명을 수행하기 위해 사용될 수 있는 예시적 장치를 도시한 것이다.

이하, 첨부된 도면에 도시된 본 발명의 예시적 구현예에 대한 언급이 상세히 이루어질 것이다.

본 출원을 위해서, 용어 "할로겐"은 주기율표의 7A 족 원소들, 즉 불소, 염소, 브롬, 요오드 및 아스타틴을 말하는 것으로 사용되고 있다. 용어 "할로겐화물"은 이와 같은 할로겐들이 다른 원소와 결합하였을 때 생성되는 할로겐들의 음이온 또는 환원된 형태의 것, 즉 불화물, 염화물, 브롬화물, 요오드화물 및 아스타틴화물을 말하는 것으로 사용되고 있다.

비록 이하 상세한 설명은 예시를 위한 구체적인 상세한 기술을 다수 포함하고 있지만, 당업자는 이하 상세한 설명들에 상응하는 다수의 예들, 변형들 그리고 수정들이 본 발명의 범위와 사상 안에 포함됨을 알 것임이 이해된다. 그러므로 본원에 기술된 본 발명의 예시적 구현예들은 청구된 발명에 대한 보편성을 전혀 잃지 않고, 또한 청구된 발명에 제한도 부과하지 않는채 제시되어 있는 것이다.

무기 불화물들을 환원하는 것은 통상 어려운 경향이 있으므로, 본 명세서 전반에는 오로지 예시를 위한 목적으로서 무기 불화물들이 예시되어 있다. 그러나 항상 명확히 진술될 수는 없다고 해도 동일한 교시들이 기타 다른 무기 할로겐화물에도 똑같이 적용될 수 있음이 이해되어야 할 것이다.

뿐만 아니라, 5개의 원소들, 즉 불소, 염소, 브롬, 요오드 및 아스타틴이 본 발명의 범위 내에 포함되는 할로겐족에 속하는 것으로 확인되더라도, 이하에 논의된 열-환원 반응들의 바람직한 구현예들에는 용융점이 상온보다 낮은 할로겐들이 관여되어 있다. 이는, 원소들과 수소간에 형성된 결합이, 상온보다 높은 용융점을 가지는 할로겐들에 의해 이루어진 결합보다 더욱 안정하기 때문이다. 상기 확인된 5개의 할로겐들 중에서 처음 3개의 원소, 즉 불소, 염소 및 브롬은 용융점이 상온보다 낮다. 마지막 2개의 원소, 즉 요오드와 아스타틴은 용융점이 상온보다 높다. 다음은 원소들 At₂ 및 H₂와 평형을 이루고 있는 아스타틴화수소에 대한 평형식의 일례이다: 2HAt ← → At₂ + H₂. 다른 예로서는 요오드화수소에 대한 것이 있다: 2HI ← → I₂ + H₂.

또한 본 출원을 위해서 용어 "비 할로겐 무기 물질(들)"은 본원에 기술된 방법에 의해 탈할로겐화된 무기 할로겐화물(들)의 화합물 또는 비 할로겐 종을 말하는 것으로 사용된다. 이는 원소 종 또는 화합물을 포함할 수 있다. 그러므로, 예를 들어 만일 무기 할로겐화물이 LiF이면, 비 할로겐 무기 물질은 Li일 것이다. 뿐만 아니라, 합성된 "비 할로겐 무기 물질(들)"의 수소화물을 가리키는 용어는 무기 할로겐화물(들)에서 발견되는 비 할로겐 종 또는 화합물과 수소의 조합에 의해 생성된 수소화물을 나타내는 것이다. 유사한 방식으로, 무기 수소화물 환원제들이 논의될 때 용어 "비 수소 무기 물질"은 무기 수소화물의 화합물 또는 비 수소 종(수소 분자(들) 이외의 원소 또는 화합물을 포함함)을 나타내는데 사용된다.

본 발명의 기술은 비 할로겐 무기 물질과 1개 내지 6개의 할로겐 원자들을 포함할 수 있는 무기 할로겐화물 분자들에 관한 것이다. 상기 논의된 바와 같이, 본 발명의 범위에 포함되는 무기 할로겐화물들은 무기 불화물, 무기 염화물, 무기 브롬화물, 무기 요오드화물 및 무기 아스타틴화물을 포함할 수 있다. 이와 유사하게, 할로겐 원자들은 불소, 염소, 브롬, 요오드 및 아스타틴을 포함할 수 있다. Tumanov의 기술과 같은 선행 기술과 비교되게, 본 발명의 방법은 예측 온도에서 진행될 수 있으며, 그 결과 무기 할로겐화물, 예를 들어 무기 불화물이 완전히 환원될 수 있다.

그러므로 본원에 기재된 본 발명에 의하면, 이하에 기술된 방법으로서 자체의 모든 변형예에 포함되는 방법은 완전히 환원되는(또는 "완전하게 환원되는") 무기 할로겐화물 하나 이상을 생성하게 됨이 이해되어야 할 것이다. 이하에 더욱 상세히 설명되어 있는 바와 같이, 이와 같은 과정은 무기 할로겐화물로부터 비 할로겐 무기 물질을 합성할 수 있다. 대안적으로, 이하에도 더욱 상세히 설명되어 있는 바와 같이, 상기 반응은 무기 할로겐화물의 비 할로겐 무기 물질과 함께 무기 수소화물을 합성할 수 있다. 다수의 무기 할로겐화물들이 동시에 처리될 때, 본원에 기술된 방법은 모든 무기 할로겐화물들을 완전하게 환원시킬 수 있다. 이하에 추가로 설명되어 있는 바와 같이, 이와 같은 과정은 무기 할로겐화물로부터 비 할로겐 무기 물질들 다수개를 합성할 수 있다. 또한 이하에 추가로 설명되어 있는 바와 같이, 이러한 과정 역시 하나 이상의 무기 수소화물, 또는 무기 수소화물들과 비 할로겐 무기 물질들의 혼합물을 합성할 수 있다. 대안적으로 무기 할로겐화물들 중 하나 이상은 완전히 환원되어 비 할로겐 무기 물질 또는 무기 수소화물 중 하나 이상을 합성한다. 바람직한 구현예에서, 반응 과정은 또한 하나 이상의 무수 할로겐화수소들의 합성을 유도하기도 한다.

무기 할로겐화물은 화학식 MX_y(식 중, "y"는 1 내지 6일 수 있음)로 표시될 수 있다. 예시적 구현예에서, 무기 할로겐화물, 예를 들어 무기 불화물은 열-환원제(thermo-reducing agent), 예를 들어 분자 수소, 무기 수소화물 및/또는 무기 금속 원소와 반응한다.

열-환원제에 의한 무기 할로겐화물 분자의 탈할로겐화는 이하에 더욱 상세히 기술되어 있는 열-환원 반응기의 반응 대역 내에서 일어날 수 있다. 반응의 예시적 구현예는 다음과 같은 식들에 의해 나타내어질 수 있다:

(1) 단일 불화물 치환: MX + 1/2H₂ → HX + M

(2) 다중 불화물 치환: MXy + y/2H₂ → yHX + M

상기 식 중, M은 비 할로겐 무기 물질을 나타내고, X는 할로겐화물을 나타내며, H₂는 분자 수소를 나타낸다. 상기 치환식은 간단히 예를 들어 표현된 것이지 제한적인 것으로 간주되어서는 안될 것이다. 상기 나타낸 바와 같이, M은 비 할로겐 무기 물질일 수 있다. 본 발명을 기술하기 위해서 용어 "물질"은 단일 원소 종(single elemental species) 및 다중 원소 화합물(multi-element compound)을 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 발명의 발명자는, 무기 할로겐화물 모두가 환원될 수 있는 방법을 개발하였다. 바람직한 구현예에서, 무기 할로겐화물의 환원은 반응기의 열-환원 반응 대역에서 무기 할로겐화물과 환원제, 바람직하게는 수소 사이의 열-환원 반응에 의해 비 할로겐 무기 물질 및/또는 이의 수소화물, 그리고 무수 할로겐화수소를 생성한다.

무기 할로겐화물이 비 할로겐 무기 물질 및/또는 이의 수소화물, 그리고 무수 할로겐화수소로 분해되기 위해서는, 무기 할로겐화물의 비 할로겐 무기 물질이 환원성 수소에 의해 치환되는 반응 온도(반응 대역 온도)에 충분한 양의 수소가 존재하여야 한다.

반응 대역 온도는 이하에 더욱 상세히 논의되어 있는 바와 같이 무기 할로겐화물 분자들의 비 할로겐 무기 물질의 용융점과 비등점, 그리고 열 반응시 반응하는 원소들의 전기음성도를 파악함으로써 예측될 수 있다.

예시적 구현예에서, 본 발명은 비 할로겐 무기 물질들의 전기음성도, 용융점 및 비등점을 수소와 할로겐의 전기음성도에 상관시킨다. 치환 반응의 기작을 통하여 무기 할로겐화물의 비 할로겐 무기 물질은 수소에 의해 치환됨으로써 이 무기 할로겐화물의 비 할로겐 무기 물질은 할로겐화물로부터 제거될 수 있고, 무기 할로겐화물의 비 할로겐 무기 물질을 대신하는 수소는 무수 할로겐화수소를 생성할 수 있다.

반응 대역 온도는 무기 할로겐화물의 비 할로겐 무기 물질의 용융점과 비등점 사이에 속하는 범위 내 일 수 있다.

분자 수소의 분압은 바람직하게 무기 할로겐화물의 분압보다 높을 것이다.

치환 반응으로부터 생성된 무수 할로겐화수소의 온도는 무수 할로겐화수소의 비등점보다 높은 온도일 수 있다. 그러므로, 생성된 무수 할로겐화수소는 과열 기체로서 반응 대역을 빠져나올 수 있다.

도 1은 본 발명을 수행하는데 사용될 수 있는 장치(100)의 예시적 구현예를 도시한 것이다. 이하에는 수소가 관여하는 반응과 결부된 상기 장치에 대해 기술되어 있다. 그러나 본원에 논의된 바와 같이 환원제로서 분자 수소를 사용하는 것은 오로지 바람직한 구현예일뿐이다. 이하에 논의된 바와 같이, 기타 다른 환원제가 사용될 수 있다. 또한, 상기 논의된 바와 같이 상이한 무기 할로겐화물, 예를 들어 무기 불화물, 무기 염화물, 무기 브롬화물, 무기 요오드화물 및 무기 아스타틴화물에 대하여 동일한 방법이 사용될 수 있다. 그러므로 상기 장치에 관한 기술은 오로지 예시적인 것이지 제한적인 것으로 간주되어서는 안될 것이다.

이와 같은 예시적 구현예는 열 교환기(10), 열 교환기(20), 열-환원 반응기(30), 플래쉬 분리기(flash separator)(40)(무기 물질로부터 미반응 수소와 무수 할로겐화수소의 분리용), 분리기(50)(미반응 수소로부터 무수 할로겐화수소의 분리용), 버스터 컴프레서(buster compressor)(60)(미반응 수소 재순환용), 그리고 공정 플랜트의 흐름들(71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80)을 포함한다.

열 교환기(10)는 무기 할로겐화물 유입구 흐름(71)을 예열하기 위한 가열 수단을 포함할 수 있으며, 여기서 예열된 무기 할로겐화물은 유출구 흐름(72)으로서 배출되어 열-환원 반응기(30)의 유입구로 이동한다.

열 교환기(20)는 또한 가열 조건을 제공하는 가열 수단을 가질 수도 있는데, 여기서 흐름(79) 중 수소는 수소 흐름(80)으로서 배출되어 열-환원 반응기(30)의 유입구로 이동한다. 무기 할로겐화물 흐름(72)과 수소 흐름(80)은 열-환원 반응기(30)와 접촉하게 될 수 있다.

열-환원 반응기(30)는 할로겐수소화(halohydrogenation) 반응이 진행될 때 무기 할로겐화물과 분자 수소의 혼합물이 이동할 수 있는 용기이다. 상기 반응은 상기 혼합물이 열-환원 반응기(30)의 다른쪽 말단에 도달하는 시간에 이를 때까지 종료될 수 있다. 열-환원 반응기(30)에는 냉각 수단(81)과 가열 수단(82)이 장착될 수 있으며, 이로써 열-환원 반응기(30)의 설정 온도가 유지될 수 있다. 설정 온도는 반응의 종류와는 독립적으로(즉 발열 반응인지 아니면 흡열 반응인지 여부와는 독립적으로) 열-환원 반응기(30) 내에서 일정하게 유지될 수 있다.

예시적인 구현예에서, 열-환원 반응기(30)의 형태는 직선형이거나 수직 위치의 코일형일 수 있지만, 기타 다른 형태 또는 위치도 적용될 수 있다. 열-환원 반응기(30)의 유입물들은 흐름들(72 및 80)(한쪽 말단, 바람직하게는 상부쪽)일 수 있고, 유출 흐름(73)은 열-환원 반응기(30)의 반대쪽 말단에 있을 수 있다.

열-환원 반응기의 길이는 할로겐 전부를 무수 할로겐화수소로 완전하게 환원 및 전환하기 충분할 수 있다. 열-환원 반응기(30)의 구성 재료는 반응물들 및 반응 생성물들과 양립될 수 있는 금속재일 수 있다.

플래쉬 분리기(40)는 수직형 용기일 수 있는데, 여기서 유입 흐름(73)은 열-환원 반응기(30)로부터 반응 생성물을 이동시키는 것이고, 유출 흐름(76)은 플래쉬 분리기(40)의 하부로부터 나오는 무기 물질들의 분획을 분리하기 위한 것이며, 흐름(74)은 무수 할로겐화수소와 미반응 수소를 함유하는 분획을 분리기(50)로 이동시키는 것이다.

분리기(50)는 수직형 용기일 수 있는데, 여기서 한쪽 측면 연결부는 흐름(74)에 대한 것이고, 흐름(75)에 대한 하부 연결부는 무수 할로겐화수소를 분리하기 위한 것이며, 상부 연결부는 미반응 수소 흐름(83)을 분리하기 위한 것이다. 분리기(50)는 무수 할로겐화수소가 재순환되는 것을 막는 냉각 수단을 추가로 포함할 수 있다.

버스터 컴프레서(60)는 흐름(79)과 연결되는 미반응 수소 흐름(77)을 통하여 이 미반응 수소 흐름을 다시 열 교환기(20)로 재순환시키는데 사용될 수 있다.

흐름(79)과 연결된 흐름(78)은 열-환원 반응기(30)에 공급되는 모든 무기 할로겐화물을 환원하는데 필요한 분자 수소를 공급할 수 있다.

예시적인 구현예에서, 본 발명의 방법은 초고순도 무수 불화수소의 열-환원 합성을 위해 황의 무기 불화물, 예를 들어 6불화황을 처리하는데 사용될 수 있으며, 이 경우, 초고순도 무수 불화수소는 원소 황으로부터의 분리를 통하여 생성된다.

본 명세서를 위하여, 용어 "초고순도" 또는 "UHP"는 모든 우량 가스 회사들, 예를 들어 매터슨(Matheson), 에어 프로덕츠(Air Products), 유니온 카바이드(Union Carbide), 에어 가스(Air Gas) 및 기타 회사에 의해 표준화된 바와 같이, 당업계에서 일반적으로 받아들여지고 있는 의미를 반영하는데 사용된다. 기체에 관한 용어 "초고순도" 또는 "UHP"에 대해 표준화된 정의는 99.999% 순수하고, 불순물의 총량이 10ppm 또는 이보다 작은 것을 의미한다.

다른 예시적 구현예는, 3불화질소 제조에 사용되는 원료인 암모니아가 증량된 무수 불화암모늄을 열-환원 합성하기 위해 질소의 무기 불화물, 예를 들어 3불화질소를 처리하는 방법을 제공한다. 대안적으로 바람직한 구현예에서, 반응은 환원제로서 분자 수소를 사용하고, 이에 따라서 초순수 무수 불화수소가 한 단계로 생성될 수 있다.

추가의 예시적 구현예에서, 본 발명의 방법은 초고순도 무수 불화수소와 원소 텅스텐을 열-환원 합성하기 위해 텅스텐의 무기 불화물, 예를 들어 6불화텅스텐을 처리하는데 사용될 수 있다.

다른 구현예에서, 본 발명의 방법은 무수 불화수소와 원소 우라늄의 열-환원 합성이 진행되는 가운데 우라늄의 무기 불화물, 예를 들어 기상 6불화우라늄을 환원하는데 사용될 수 있다. 이러한 방법에 있어서 환원제는 무기 금속 원소, 예를 들어 칼슘을 포함할 수 있다.

상기 논의된 바와 같이, 무기 불화물 이외의 무기 할로겐화물도 처리될 수 있다. 예를 들어 본 발명의 방법은 무수 염화수소와 원소 몰리브덴의 열-환원 반응기 합성에 있어서 무기 염화물, 예를 들어 염화몰리브덴을 환원하는데 사용될 수 있다.

이와 유사하게, 본 발명의 방법은 무기 요오드화물을 환원하는데 사용될 수 있다. 예를 들어 요오드화텅스텐은 무수 요오드화수소 및 원소 텅스텐을 합성하는데 사용될 수 있다.

다른 예시적 구현예에서, 본 발명의 방법은 무기 브롬화물을 환원하는데 사용될 수 있다. 예를 들어 브롬화티타늄은, 예를 들어 원소 타티늄과 무수 브롬화수소를 생성하는데 사용될 수 있다. 또 다른 예시적 구현예는 무기 아스타틴화물을 환원하는 것일 것이다. 이에 관한 일례는 원소 몰리브덴과, 바람직하게는 무수 아스타딘화수소를 생성하기 위한 아스타틴화몰리브덴의 환원일 수 있다. 무수 아스타틴화수소는 아스타틴 및 수소와 평형을 이룰 수 있다. 평형식은 다음과 같을 것이다: 4HAt ← → 2At₂ + 2H₂.

이는 오로지 예시적인 구현예로서, 제한적인 것으로 간주되어서는 안될 것이다. 임의의 무기 할로겐화물은 무기 할로겐화물에서 발견되는 할로겐 종과는 독립적으로, 또는 무기 할로겐화물에서 발견되는 무기 금속과는 독립적으로 본 발명에 따라서 처리될 수 있다. 뿐만 아니라, 이하에 더욱 상세히 설명되어 있는 바와 같이, 무수 할로겐화수소가 생성되기도 하는 것이 바람직한 결과이긴 하지만 본 발명은 여기에 한정되지 않는다. 무기 할로겐화물로부터 생성된 비 할로겐 무기 물질 이외에도, 생성된 생성물들은 무수 할로겐화수소 이외에, 또는 이 무수 할로겐화수소 대신에 기타 다른 무기 할로겐화물을 포함할 수 있다.

또한 본 발명의 방법은 동시에 상이한 종의 다수 무기 할로겐화물을 환원하는데 사용될 수도 있다. 예시적 구현예에서, 본 발명의 방법은 무기 염화물과 동시에 무기 불화물을 환원하는데 사용될 수 있다. 이 때, 무기 불화물의 비 할로겐 무기 물질은 무기 염화물의 비 할로겐 무기 물질과 동일하거나 상이할 수 있다. 다른 예시적 구현예에서, 본 발명의 방법은 무기 브롬화물과 동시에 무기 불화물을 환원하는데 사용될 수 있다. 대안적으로, 본 발명의 방법은 무기 브롬화물과 무기 염화물의 혼합물을 환원하는데 사용될 수 있다. 상기 혼합물은 단지 예시적인 것에 불과할뿐 제한적인 것으로 간주되면 안될 것이다. 기타 다른 혼합물들도 사용될 수 있다. 뿐만 아니라, 전술된 바와 같이, 각각의 무기 할로겐화물에서 발견되는 비 할로겐 무기 물질은 상이한 무기 할로겐화물들간에 동일하거나 상이할 수 있다. 이와 같은 환원 과정의 결과는 무기 할로겐화물에 포함된 종에 따라서 달라질 것이다. 본 발명에 의하면, 다수의 무기 할로겐화물의 처리는 무기 할로겐화물들 각각의 적어도 비 할로겐 무기 물질들의 합성을 유도할 수 있었다. 바람직한 구현예에서, 다수의 무기 할로겐화물의 합성은 상이한 무기 할로겐화물로부터 유래하는 할로겐화물 각각에 상응하는 무수 할로겐화수소들과 아울러 무기 할로겐화물들 각각의 비 할로겐 무기 물질들을 생성할 것이다.

본 발명의 방법은 하나 이상의 환원제, 예를 들어 분자 수소, 무기 수소화물, 무기 금속 원소 또는 이것들의 조합을 포함할 수 있다. 하나의 예시적 구현예에서, 환원제는 분자 수소("H₂")일 수 있다. 다른 예시적 구현예에서, 환원제는 무기 수소화물일 수 있다. 예시적 무기 수소화물들은 H₂S 또는 LiH일 수 있다. 기타 다른 무기 수소화물들도 사용될 수 있다. 뿐만 아니라 다수의 무기 수소화물이 환원제로서 함께 사용될 수 있다. 또 다른 예시적 구현예에서, 환원제는 무기 금속 원소, 예를 들어 마그네슘 또는 칼슘일 수 있다. 또한 다수의 무기 금속 원소들도 환원제로서 동시에 사용될 수 있다. 또 다른 예시적 구현예에서, 본 발명의 방법은 한 가지 이상의 종류의 환원제를 포함할 수 있다. 예를 들어 본 발명의 방법은 분자 수소와 하나 이상의 무기 수소화물을 포함할 수 있다. 대안적으로, 본 발명의 방법은 환원제로서 분자 수소와 하나 이상의 무기 금속 원소를 포함할 수 있다. 뿐만 아니라 본 발명의 방법은 환원제로서 하나 이상의 무기 수소화물과 하나 이상의 무기 금속 원소를 포함할 수 있다. 마지막으로 본 발명의 방법은 환원제로서 분자 수소, 하나 이상의 무기 수소화물 그리고 하나 이상의 무기 금속 원소를 포함할 수 있다. 상기 조합들 중 임의의 것이 허용될 수 있다. 또한 상기 조합들 중 임의의 것은 본원에 논의된 공지 압력들 중 임의의 압력과, 이하 더욱 상세히 논의된 반응 온도에서 사용될 수 있다.

상이한 환원제들의 선택은 자체의 전기음성도, 처리될 무기 할로겐화물에서 발견되는 할로겐에 대한 자체의 친화도 및/또는 소정의 조건 하에서 자체의 반응 안정도에 기반을 둘 수 있다. 예를 들어 이하에 추가로 나타낸 바와 같이, 6불화우라늄의 완전한 분해를 달성함에 있어서는 환원제로서 분자 수소와 함께 칼슘이 사용되는 것이 유리하다. 전기음성도를 고려함에 있어서는 환원제 중 무기 원소의 전기음성도, 예를 들어 무기 수소화물 중 비 수소 무기 물질의 전기음성도, 그리고 무기 할로겐화물의 비 할로겐 무기 물질의 전기음성도가 고려될 수 있었다. 무기 할로겐화물 중에서 발견되는 할로겐들에 대한 환원제의 친화도는, 무엇보다도 반응에 관여하는 기타 다른 종의 전기음성도 값에 대한 환원제의 전기음성도 값을 기반으로 결정될 수 있다. 그러나 무기 할로겐화물 중에서 발견되는 할로겐에 대한 환원제의 친화도는 또한 당업자들에게 알려진 기타 다른 특성들 및 조건들에 따라서 달라질 수도 있음이 인식되어야 할 것이다. 뿐만 아니라 전술된 바와 같이, 환원제의 선택은 또한 소정의 반응 조건 하에서 환원제의 안정성을 기반으로도 이루어질 수 있다. 그러므로 본 출원에 개시된 사항 전반에 걸쳐 예시되어 있는 바와 같은 다양한 환원제들의 선택은 오로지 예시적이면서 비 제한적인 것으로서 간주되어야 할 것이다.

분자 수소는 특히 본 발명의 예시적 구현예들에서 사용될 수 있는 효과적이며 편리한 환원제이다. 수소의 효능은 자체의 전기음성도뿐만 아니라 자체의 반응성으로부터 기인한다. 분자 수소는 종종 유일한 환원제로서 효과적으로 사용될 수 있다. 이는, 반응이 조정될 수 있으며, 그 결과 무수 할로겐화수소 및 비 할로겐 무기 물질들 이외에는 어떠한 생성물도 생성되지 않음을 의미한다. 또한 다량의 분자 수소 기체 흐름은 반응 대역에서 생성된 할로겐화수소를 외부로 운반하는데 사용될 수 있다. 할로겐화수소가 반응 대역으로부터 외부로 운반된 이후 이 할로겐화수소는 액체 형태로 용이하게 응축될 수 있다. 마지막으로 환원제로서 분자 수소가 사용될 때 탈할로겐화 반응은 온도 T_RZ(이하에 더욱 상세히 설명되어 있는 바와 같이 용이하게 결정될 수 있으며, 무기 할로겐화물의 비 할로겐 무기 물질의 용융점 또는 이보다 높은 온도, 무기 할로겐화물 중 비 할로겐 무기 물질의 비등점보다 낮은 온도로 유지될 수 있는 온도)에서 진행될 수 있다.

다양한 원소들에 대한 전기음성도 값은 당업자에게 널리 알려져 있다. 라이너스 폴링 이론(Linus Pauling theory) 및 전기음성도 척도(electronegativity scale)(폴링 전기음성도 척도(Pauling Electronegativity Scale); "PES"라고 칭하여짐)는, 무수 불화수소와 비 할로겐 무기 물질들, 그리고/또는 이것들의 수소화물을 제조하기 위한 무기 불화물과 환원제들의 반응에 있어서 이 반응에 개입하기 보다는 분자들의 에너지에 관한 정보를 제공하는데 사용될 수 있다.

라이너스 폴링은, 분자 AB에 있어서 결합 에너지 E[AB]는 항상 동핵 종 AA 및 BB에 있어서의 결합 에너지들 E[AA] + E[BB]의 평균보다 크다는 것을 알아냈다. "이상적인" 공유 결합에 있어서 라이너스 폴링은, E[AB]는 결합 에너지들 E[AA] + E[BB]의 평균과 같을 것이며, "과잉" 결합 에너지는 이핵 종 AB에 있어서 부분적으로 하전된 원자들간 정전기적 인력에 의해 유발되었음을 이론화하였다. 사실상 라이너스 폴링은 과잉 결합 에너지가 결합에 대한 이온 기여(ionic contribution)로부터 발생한다고 말하고 있는 것이었다.

라이너스 폴링은 다음과 같은 등식에 의해 상기 이온 기여를 다루고자 애썼다:

E[AB] = {E[AA] × E[BB]} 0.5 + 96.48{ZA - ZB}2

상기 식 중, E[AB]는 kJ/mole[1 전자 전압, 1eV = 96.48kJ/mole]로서 표현되고, ZA - ZB는 2개의 원소들 간 "전기음성도" 차를 나타내는 것으로서, 여기서 상기 원소들 각각의 전기음성도들은 기호 ZA 및 ZB로 표시된다.

폴링은, 상기 등식이 적용되었을 때 전기음성도 차는 Cs와 F 사이에서 가장 컸음을 파악하였다.

각 원소는 PES상 0.7 내지 3.98 범위에서 특징적인 전기음성도를 가지는 것으로 규정된다. 상기 PES 척도상 전기음성도가 큰 원소, 예를 들어 불소는 전기음성도 값이, 예를 들어 3.98로 클 것인 반면에, 전기음성도가 작은 원소, 예를 들어 리튬은 전기음성도 값이, 예를 들어 0.98로 매우 작을 것이다. 불소는 전기음성도가 가장 큰 원소이므로, 통상 기타 다른 물질들과 반응하여 상이한 불화물의 농도를 가지는 다양한 불화물들을 생성한다.

원소들의 전기음성도 값은 주기율표의 우측 상부에 있을수록 증가하는 경향이 있다. 전기음성도 차가 큰(PES상 2.0 또는 이보다 큰) 원자들간 결합들은 보통 이온 결합들인 것으로 간주되고, PES값이 2.0 내지 0.4인 원자들간 결합들은 극성 공유 결합들인 것으로 간주된다. PES값이 0.4 미만인 원자들간 결합들은 무극성 공유 결합들인 것으로 간주된다.

본 발명에 있어서, PES는 열-환원 합성에 따라서 반응 물질들과 반응 생성물들을 선택하는데 사용될 수 있다. 더욱 구체적으로 환원제의 선택은 환원제의 무기 원소의 전기음성도 값과, 무기 할로겐화물의 비 할로겐 무기 물질의 전기음성도 값을 기반으로 이루어질 수 있다. 환원제가 무기 금속 원소인 구현예에서, 환원제의 전기음성도는 무기 할로겐화물의 비 할로겐 무기 물질의 전기음성도보다 작은 것이 바람직하다. 환원제가 무기 수소화물인 구현예에서, 무기 수소화물 중에 존재하는 비 수소 무기 물질의 전기음성도는 무기 할로겐화물의 비 할로겐 무기 물질의 전기음성도보다 크지 않은 것이 바람직하다. 그러므로 환원제로서 무기 수소화물이 사용될 때, 무기 수소화물의 비 수소 무기 물질은 무기 할로겐화물의 동일한 비 할로겐 무기 물질일 수 있다.

예시적 구현예에서, 반응은 환원제가 무기 금속 원소이고, 무기 할로겐화물의 비 할로겐 무기 물질의 전기음성도 값은 환원제로서 사용되는 무기 금속 원소의 전기음성도 값보다 큰 것이 바람직한, 분자간 복분해일 수 있다. 비록 이와 같은 반응은 무기 할로겐화물을 환원하여 이 무기 할로겐화물로부터 비 할로겐 무기 물질을 생성시키지만, 상기 반응은 환원제로서 사용되는 무기 금속 원소와 할로겐의 조합으로 이루어진 신규 무기 할로겐화물을 생성할 수도 있다. 이와 같은 반응의 일례로서는 UF₄ + 2Ca → U + 2CaF₂가 있다. 이러한 경우에 있어서, 무기 금속 원소인 칼슘은 PES 값이 1.0인 환원제이고, 무기 불화물의 비 할로겐 무기 물질은 PES 값이 1.38인 우라늄이다.

환원제가 무기 수소화물인 분자간 유사 복분해에는 무기 할로겐화물(들)의 비 할로겐 무기 물질(들)과 무기 수소화물의 비 수소 무기 물질의 전기음성도 간 유사한 관계가 관여되어 있다. 예시적 반응으로서는 SiF₄ + 4LiH → SiH₄ + 4LiF가 있다. 이와 같은 반응을 통해서는 불화실리콘이 완전하게 환원되긴 하지만, 불화물도 새로 생성된다. 이 반응에 있어서, Li PES 값은 0.98이고, Si PES 값은 1.90인데, Si, 즉 무기 불화물의 비 할로겐 무기 물질의 전기음성도는 환원제의 비 수소 무기 물질(이 경우에는 Li)의 전기음성도보다 크다.

또 다른 예시적 구현예에서, 환원제가 무기 수소화물을 포함할 때, 무기 수소화물의 비 수소 무기 물질은 무기 할로겐화물의 비 할로겐 무기 물질과 동일할 수 있다. 이와 같은 경우, 반응은 여전히 무기 할로겐화물을 완전하게 환원할 수 있으며, 또한 무수 할로겐화수소와 비 할로겐 무기 물질을 생성할 수 있다. 무기 수소화물 환원제가 무기 할로겐화물의 비 할로겐 무기 물질과 동일한 무기 물질을 포함하는 환원 반응에 관한 비 제한적이면서 예시적인 구현예로서는 SiF₄ 및 SiH₄ 또는 UF₆ 및 UH₃의 반응이 있으며, 이와 같은 반응들의 기작은 다음과 같이 표시된다:

SiF₄ + SiH₄ → 2Si + 4HF

UF₆ + 2UH₃ → 3U + 6HF

SiCl₄ + SiH₄ → 2Si + 4HCl

SiBr₄ + SiH₄ → 2Si + 4HBr

SiI₄ + SiH₄ → 2Si + 4HI

AsCl₃ + AsH₃ → 2As + 3HCl

AsBr₃ + AsH₃ → 2As + 3HBr

ZrBr₂ + ZrH₂ → 2Zr + 2HBr

ZrI₂ + ZrH₂ → 2Zr + 2HI

TiCl₄ + 2Mg → Ti + 2MgCl₂

TiBr₄ + 2Mg → Ti + 2MgBr₂

본 발명에 있어서, 열-환원 합성에 사용된 원료들이 이하 표 1에서 선택된 무기 불화물일 수 있음이 입증된다. 표 1은 각각의 원소에 대한 원자 번호, 원자량, PES 값, 용융점 그리고 비등점을 요약하여 제공하는 것이다.

환원제는 표 1에서 선택되기도 하는 분자 수소, 무기 수소화물 및/또는 무기 금속 원소를 포함할 수 있다.

본 발명은 탄소 함유 물질, 예를 들어 탄화수소 또는 산소 함유 물질, 예를 들어 산화물과는 관련이 없음이 주목되어야 할 것이다.

본 발명에 예시된 무기 할로겐화물들과 무기 수소화물들은 각각의 할로겐과 반응하는 모든 금속들을 포함할 수 있다. 그러나 반응이 진행되는 조건들은 선택된 종에 따라서 달라질 수 있음이 주목되어야할 것이다. 예를 들어 종종 금속은 제분되어 자체의 표면적이 증가하여야 한다. 알칼리 금속, 예를 들어 Li, Na, K, Rb 및 Cs(이것들 모두의 전기음성도 값은 1.0 미만임)는 할로겐, 특히 불소와 격렬하게 반응하는 반면에, 알칼리토금속, 예를 들어 Be, Mg 및 Ca(이것들 모두의 전기음성도 값은 1.0 또는 이보다 큼)는 실온에서 반응하며 많은 열을 발생하지 않는다. 귀금속, 예를 들어 Ru, Ro, Pt, Pd 및 Au(이것들 모두의 전기음성도 값은 2.0 초과임)는 적어도 용이하게 반응은 하되, 다만 순수한 할로겐 기체와 고온의 환경을 필요로 한다. 예를 들어 상기와 같은 귀금속들은 300℃ 내지 450℃의 온도와 순수한 불소 기체를 필요로 할 것이다. 특정 조건 하에서 할로겐 기체와 반응하는 기타 다른 원소들로서는 0족 기체, 예를 들어 Kr, Xe, Ar 및 Rn이 있다(He 및 Ne은 할로겐들과 반응하지 않음).

본 발명을 위해서 선택될 수 있는 예시적 무기 불화물에 대한 비-제한 목록은 다음과 같은 것들을 포함한다: LiF, NaF, KF, BeF₂, MgF₂, CaF₂, SrF₂. BaF₂, CoF₂, AgF₂, BF₃, A1F₃, PF₃, MnF₃, AsF₃, SbF₃, NF₃, CoF₃, SiF₄, GeF₄, GaF₄, TiF₄, TeF₄, UF₄, SF₄, MoF₄, WF₄, VF₅, AsF₅, SbF₅, PF₅, MoF₅, WF₅, WF₆, MoF₆, ReF₆, RoF₆, PdF₆, PtF₆, AuF₆, TeF₆, SeF₆, SF₆, CaF₂ 및 Na₃AlF₆, Na₂SiF₆, 그리고 H₂SiF₆. 상기 목록은 오로지 가장 일반적인 무기 불화물들 중 일부를 나열한 것이며, 이 목록은 단지 예시적인 것일 뿐임이 주목되어야 할 것이다. 기타 다른 무기 불화물이 사용되는 것은 본 발명에서 배제되지 않는다.

본 발명을 위해서 선택될 수 있는 불화물들 이외에 예시적 무기 할로겐화물에 관한 비-제한 목록으로서 유사한 목록은 이하 표에 나열되어 있다. 전술된 바와 같이, 이 목록들은 오로지 불화물 이외 가장 일반적인 무기 할로겐화물들 중 일부를 나열한 것이며, 단지 예시적인 것일 뿐이다. 기타 다른 무기 할로겐화물이 사용되는 것은 본 발명에서 배제되지 않는다.

본 발명을 위해서 선택될 수 있는 예시적 무기 수소화물로서는 다음과 같은 것들을 포함한다: LiH, NaH, KH, RbH, CsH, BeH₂, MgH₂, CaF₂, SrH₂, BaH₂, SeH₂, SH₂, TeH₂, B2H₆, AlH₃, PH₃, NH₃, AsH₃, GaH₃, UH₃, SiH₄, GeH₄, SnH₄, PbH₄. 이 목록 역시 가장 일반적인 무기 수소화물들 중 일부를 단순히 예시한 것에 불과하다. 기타 다른 무기 수소화물이 사용되는 것은 본 발명에서 배제되지 않는다.

예시적 구현예에서, 열-환원 반응기는 반응물로서 무기 할로겐화물과, 전술된 환원제들 중 하나 이상을 사용하는 본 발명의 방법을 수행하는데 사용될 수 있다. 반응기 내 압력은 1atm 내지 30atm일 수 있다. 예시적 구현예에서, 반응기 내 압력은 1atm이다. 다른 예시적 구현예에서, 반응기 내 압력은 1atm 내지 5atm으로 유지된다. 또 다른 구현예에서, 반응기 내 압력은 6atm 내지 10atm으로 유지된다. 다른 예시적 구현예에서, 반응기 내 압력은 11atm 내지 15atm으로 유지된다. 다른 예시적 구현예에서, 반응기 내 압력은 16atm 내지 20atm으로 유지된다. 또 다른 예시적 구현예에서, 반응기 내 압력은 21atm 내지 25atm으로 유지된다. 다른 예시적 구현예에서, 반응기 내 압력은 26atm 내지 30atm으로 유지된다. 기타 예시적 구현예에서, 반응기 내 압력은 1atm 내지 30atm 중 임의의 압력, 예를 들어 1atm, 2atm, 3atm, 4atm, 5atm, 6atm, 7atm, 8atm, 9atm, 10atm, 11atm, 12atm, 13atm, 14atm, 15atm, 16atm, 17atm, 18atm, 19atm, 20atm, 21atm, 22atm, 23atm, 24atm, 25atm, 26atm, 27atm, 28atm, 29atm 또는 30atm으로 유지될 수 있다. 상기 압력들 중 임의의 압력은 본원에 기술된 임의의 반응에 적당할 수 있으며, 또한 이하 설명에 따라서 결정된 임의의 반응 온도 각각에 적당할 수 있다. 다시 말해서, 이하에 기술된 온도 범위들은 계의 압력에 대해 독립적일 수 있다. 달리 진술되지 않는 한 본원에 제공된 모든 구현예들과 데이터는 1atm의 압력에서 이루어지고 구하여진다. 이러한 값들과 정보는 단지 예시적인 것이다.

대다수의 무기 할로겐화물들, 무기 수소화물들 및 무기 원소들은 상온 및 대기압에서 고체이다. 분자 수소 및 비활성 기체, 예를 들어 헬륨, 네온, 아르곤 및 질소는 상온 및 대기압에서 기체이다. 할로겐화수소는 상온 및 대기압에서 액체 또는 기체 상태이다.

본 발명의 열-환원 반응들은 반응 대역의 온도와 압력에서 고체상 분획, 액체상 분획 및 기체상 분획이 존재할 수 있는 다상 반응(multiphase reaction)들을 포함할 수 있다. 다상 반응에 있어서, 기체의 분율 또는 농도 및 분압은 서로에 대해 의존적일 수 있다. 기체 성분의 농도는 증기상 중 기체 성분의 분압에 따라 달라질 수 있다. 기체 성분의 농도가 증가하면, 기체 성분의 분압도 증가한다.

실제로 고체 및 액체는 압축될 수 없는 것으로 간주될 수 있는데, 그 이유는 압력의 증가는 고체 및 액체의 부피 변화에 최소한의 영향을 미치거나 아니면 전혀 영향을 미치지 않기 때문이다. 그러므로 압력 변화로 인하여 부피 변화는 일어나지 않는다. 다른 한편, 기체들은 압축될 수 있다. 그러므로 농도 변화는 압력 변화를 초래할 수 있고, 온도 변화는 압력 변화를 초래할 수 있다.

반응기 내 온도는 280K 내지 3800K의 범위로 유지될 수 있다. 반응기의 온도는 또한 이하에 더욱 상세히 제공되어 있는 설명에 따라서 결정되는 바와 같이 임의의 반응 온도로 유지될 수도 있다.

환원제가 분자 수소를 포함하지 않는 대신에 무기 금속 원소 및/또는 무기 수소화물을 포함하는 구현예에서, 반응 온도는 무기 할로겐화물의 비 할로겐 무기 물질의 용융점보다 높거나 동일하되, 무기 할로겐화물의 비 할로겐 무기 물질의 비등점보다는 낮게 유지되는 것이 바람직하다.

본 발명의 발명자들은, 환원제가 분자 수소만을 단독으로 포함하거나, 또는 이 분자 수소를 무기 금속 원소 및/또는 무기 수소화물과 함께 포함할 때, 반응 온도는 무기 할로겐화물의 비 할로겐 무기 물질의 용융점과 비등점, 그리고 무기 할로겐화물의 비 할로겐 무기 물질의 전기음성도 및 수소의 전기음성도에 관련되어 있을 수 있다. 이러한 매개 변수들은 상기 표 1에 예시되어 있다.

예시적 구현예에서, 상기 표 1의 매개 변수들과 상관있는 식으로서, 환원제가 분자 수소를 포함할 때 적당한 반응 온도를 결정하기 위한 것은 다음과 같다:

T_RZ = [E_e + E_H][T_m + T_b] / [Ψ_xE_e + E_x]

상기 식 중, T_RZ는 무기 불화물의 환원을 위한 반응 대역 온도이고, T_m은 무기 불화물의 비 할로겐 무기 물질의 용융점이며, T_b는 무기 불화물의 비 할로겐 무기 물질의 비등점이고, E_e는 무기 불화물의 비 할로겐 무기 물질의 PES를 나타내며, E_H는 수소의 PES이고, E_x는 할로겐의 PES이며, Ψ_x는 이하에 설명된 바와 같은 무기 할로겐화물에 포함된 할로겐과 관계된 상수 값이다. 상기 식 내 모든 온도는 켈빈 온도이다.

다음과 같은 식에 따르면, 상기 식 중 Ψ_x 값은 오로지 무기 할로겐화물에서 발견되는 할로겐의 PES에만 의존한다:

∑ = Ψ_x + E_x

상기 식 중, ∑은 6.10 이상 및 6.25 이하이고, E_x는 할로겐의 PES이다. 참고의 용이함을 도모하기 위하여, 각각의 할로겐에 대한 Ψ_x 값의 범위는 이하 표 2에 제공되어 있다.

이와 같은 값들이 사용되면, 작동 범위(operation range)는 다음과 같은 식에 의해 정의될 수 있다:

1.15[E_e + E_H][T_m + T_b]/[Ψ_xE_e + E_x] ≥ T_RZ ≥ 0.85[E_e + E_H][T_m + T_b]/[Ψ_xE_e + E_x]

상기 식 중, 조건 T_m ≤ T_RZ ≤ T_b도 유지된다.

상기 식에 있어서 인수 1.15와 0.85는 15% 변분을 차지한다. 다시 말해서, 반응 온도 T_RZ는 다음과 같은 등식에 의해 결정되는 온도 값의 15% 이내에 있을 수 있다:

T_RZ = [E_e + E_H][T_m + T_b]/[Ψ_xE_e + E_x]

∑에 대한 평균 값 6.18이 오로지 예시적 예로서 취하여질 때, Ψ_x는 6.18 - 할로겐의 PES일 것이다. 그러므로 상기 표 2에 나타낸 바와 같이, ∑이 6.18일 때, 각각의 할로겐에 대한 Ψ_x는 불소 - 2.20, 염소 - 3.02, 브롬 - 3.22, 요오드 - 3.52, 그리고 아스타틴 - 3.98일 것이다. 이러한 값들이 예시적 예로서 사용될 경우, 무기 할로겐화물이 무기 불화물일 때, 반응 온도 T_RZ는 다음과 같은 식을 이용하여 미리 결정될 수 있다.

1.15[E_e + E_H][T_m + T_b]/[2.20E_e + E_F] ≥ T_RZ ≥ 0.85[E_e + E_H][T_m + T_b]/[2.20E_e + E_F]

상기 식 중, E_F는 불소의 PES이다.

이와 유사하게, 기타 다른 무기 할로겐들 각각에 있어서, 반응 온도 T_RZ는 다음과 같은 식들 중 하나를 이용하여 미리 결정될 수 있다.

무기 염화물:

1.15[E_e + E_H][T_m + T_b]/[3.02E_e + E_Cl] ≥ T_RZ ≥ 0.85[E_e + E_H][T_m + T_b]/[3.02E_e + E_Cl]

무기 브롬화물:

1.15[E_e + E_H][T_m + T_b]/[3.22E_e + E_Br] ≥ T_RZ ≥ 0.85[E_C + E_H][T_m + T_b]/[3.22E_e + E_Br]

무기 요오드화물:

1.15[E_e + E_H][T_m + T_b]/[3.52E_e + E_I] ≥ T_RZ ≥ 0.85[E_e + E_H][T_m + T_b]/[3.52E_e + E_I]

무기 아스타틴화물:

1.15[E_E + E_H][T_M + T_B]/[3.98E₀ + E_AL] ≥ T_RZ ≥ 0.85[E_e + E_H][T_m + T_b]/[3.98E_e + E_At]

상기 식 중, E_Cl, E_Br, E_I 및 E_At는 각각 염소, 브롬, 요오드 및 아스타틴의 PES이다.

분자 수소를 사용하여 환원된 무기 할로겐화물에 대한 본 발명의 열-환원 반응의 바람직한 온도를 결정하는 것에 대한 추가의 예들이 이하에 제공되어 있다(이 경우, Ψ_x 값은 ∑ 6.18로부터 구하여짐). 이와 같은 예들은 오로지 예시적이며 비 제한적인 것이다. 전술된 바와 같이, Ψ_x는 표 2에 제시된 범위 내에 포함되는 값을 가지므로, 환원 반응들은 미리 결정된 범위 내에서 진행될 수 있다.

예를 들어 환원제로서 분자 수소가 사용되는, 불화니켈의 열분해에 대해 확립된 식에 따라서 열-환원 반응의 바람직한 온도를 결정하는 것은 이하 매개 변수들을 이용하여 실시될 수 있었다.

불화니켈 = NiF₂

니켈[Ni]: 무기 할로겐화물의 비 할로겐 무기 물질

니켈의 원자 번호 = 28

니켈의 원자량 = 58.69

E_Ni = 1.91

니켈의 T_m = 1452℃ + 273 = 1725K

니켈의 T_b = 2900℃ + 273 = 3173K

E_H = 2.20

E_F = 3.98

Ψ_F = 2.20

이하 식에서 이와 같은 매개 변수들이 사용될 때:

T_RZ = [E_Ni + E_H][T_m + T_b] / [2.20E_Ni + E_F]

T_RZ = [1.91 + 2.20][1725 + 3173] / [2.20(1.91) + 3.98] = 2460.4K

상기 2460.4K는 2187.4℃에 해당한다. 그러므로 전술된 바에 따르면 Ψ_F = 2.20일 때, T_RZ는 2187.4℃의 15% 이내(즉, 1859.29℃ 내지 2515.51℃)에 해당할 것이다. 뿐만 아니라 니켈의 용융점과 비등점(즉 1452℃ 및 2900℃)이 적용될 때, 요구 조건 T_m ≤ T_RZ < T_b도 충족되어야 함도 주목된다.

그러나 전술된 바는 단지 이와 같은 반응에 대한 예시적 구현예에 불과하다. Ψ_F는 상기 표 2에 나타낸 바와 같이 2.12와 2.27 사이의 값을 가지므로, 이 반응에 적당한 반응 온도 T_RZ는 2147.81℃ 내지 2234.19℃(±15%)의 범위에 포함되도록 더욱 정확하게 규정될 수 있다. 그러므로 반응 온도 T_RZ는 1825.64℃만큼 낮을 수 있거나 또는 2569.32℃만큼 높을 수 있을 것이며, 또한 니켈의 용융점 및 비등점이 적용될 때의 요구 조건 T_m ≤ T_RZ < T_b도 충족될 것이다.

이와 유사하게, 환원제로서 분자 수소가 사용되고, 무기 불화물인 6불화황을 열분해하는 것에 대해 확립된 식에 따라서 열-환원 반응의 바람직한 온도를 측정하는 예시적 방법은 이하 매개 변수들을 이용할 수 있다.

6불화황 = SF₆

황[S]: 무기 할로겐화물의 비 할로겐 무기 물질

황의 원자 번호 = 16

황의 원자량 = 32.06

황의 T_m = 120℃ + 273 = 393K

황의 T_b = 444.6℃ + 273 = 717.6K

E_s = 2.58

E_H = 2.20

E_F = 3.98

Ψ_F = 2.20

다음과 같은 등식이 적용된다:

T_RZ = [E_S + E_H][T_m + T_b] / [2.20E_S + E_F]

T_RZ = [2.58 + 2.20][393 + 71 7.6] / [2.20(2.58) + 3.98]

T_RZ = 549.8 ?

상기 549.8 ?는 276.8℃ ± 15%에 해당한다. 이 온도는 또한 황의 용융점과 비등점이 적용될 때의 요구 조건 T_m ≤ T_RZ < T_b도 충족한다. 또한, Ψ_F가 2.12 내지 2.27의 값들을 가질 때, 266.68℃ 내지 288.79℃의 15% 이내에 포함되는 반응 온도(포괄적)도 또한 적당할 것이며, 이와 같이 보다 정확한 범위는 또한 황의 용융점과 비등점이 적용될 때의 요구 조건 T_m ≤ T_RZ < T_b도 충족하므로 본 발명의 범위 내에 포함될 것이다. 이는 반응 대역이 기체-액체임을 말해주는 것이다.

추가의 예로서, 이하 기술된 사항은 또 다른 무기 할로겐화물들과, 다양한 할로겐들에 대한 평균 Ψ_x 값들을 적용하여 산정된 T_RZ 값들에 대한 부가 예들이 될 것이다.

몰리브덴[Mo]의 무기 할로겐화물:

E_Mo = 2.16

T_m = 2893K

T_b = 3973K

할로겐화몰리브덴 군들은 다름과 같은 것들을 포함할 수 있다: 불화몰리브덴(MoF_X), 예를 들어 MoF₆, MoF₄ 및 MoF₂; 염화몰리브덴(MoCl_X), 예를 들어 MoCl₆, MoCl₄, MoCl₂; 브롬화몰리브덴(MoBr_X), 예를 들어 MoBr₆, MoBr₄, MoBr₂; 요오드화몰리브덴(MoI_X), 예를 들어 MoI₆, MoI₄ 및 MoI₂; 그리고 아스타틴화몰리브덴(MoAt_X), 예를 들어 MoAt₆, MoAt₄ 및 MoAt₂.

상기 식이 적용되었을 때:

T_RZ = [E_Mo + E_H][T_m + T_b] / [Ψ_xE_Mo + E_x]

T_RZ = 4.36(6866) / [Ψ_xE_Mo + E_x] = 29935.8 / [Ψ_xE_Mo + E_x]

이하 T_RZ 값(켈빈)들은 다양한 물질들에 대해서 산정될 수 있다. 이와 같은 온도는, 각각의 값으로부터 273을 공제함으로써 용이하게 섭씨 온도로 전환될 수 있다.

MoF_x → T_RZ = 29935.8/8.732 = 3428.3K

MoCl_x → T_RZ = 29935.8/9.683 = 3091.6K

MoBr_x → T_RZ = 29935.8/9.915 = 3019.2K

MoI_x → T_RZ = 29935.8/10.263 = 2916.9K

MoAt_x → T_RZ =29935.8/10.797 = 2772.6K

텅스텐[W]의 무기 할로겐화물:

E_W = 2.36

T_m = 3643K

T_b = 6173K

할로겐화텅스텐 군들은 다름과 같은 것들을 포함할 수 있다: 불화텅스텐(WF_X), 예를 들어 WF₆, WF₄ 및 WF₂; 염화텅스텐(WCl_X), 예를 들어 WCl₆, WCl₄, WCl₂; 브롬화텅스텐(WBr_X), 예를 들어 WBr₆, WBr₄, WBr₂; 요오드화텅스텐(WI_X), 예를 들어 WI₆, WI₄ 및 WI₂; 그리고 아스타틴화텅스텐(WAt_X), 예를 들어 WAt₆, WAt₄ 및 WAt₂.

상기 식이 적용되었을 때:

T_RZ = [E_W + E_H][T_m + T_b] / [Ψ_xE_W + E_x]

T_RZ = 4.56(9816) / [Ψ_xE_W + E_x] = 44760.96 / [Ψ_xE_W + E_x]

WF_x → T_RZ = 44760.96 / 9.172 = 4880.17K

WCl_x → T_RZ = 44760.96 / 10.287 = 4351.2K

WBr_x → T_RZ = 44760.96 / 10.559 = 4239.12K

WI_x → T_RZ = 44760.96 / 10.967 = 4081.42K

WAt_x → T_RZ = 44760.96 / 11.593 = 3861.0K

텔루르[Te]의 무기 할로겐화물:

E_Te = 2.10

T_m = 725K

T_b = 1623K

할로겐화텔루르 군들은 다름과 같은 것들을 포함할 수 있다: 불화텔루르(TeF_X), 예를 들어 TeF₆, TeF₄ 및 TeF₂; 염화텔루르(TeCl_X), 예를 들어 TeCl₆, TeCl₄, TeCl₂; 브롬화텔루르(TeBr_X), 예를 들어 TeBr₆, TeBr₄, TeBr₂; 요오드화텔루르(TeI_X), 예를 들어 TeI₆, TeI₄ 및 TeI₂; 그리고 아스타틴화텔루르(TeAt_X), 예를 들어 TeAt₆, TeAt₄ 및 TeAt₂.

상기 식이 적용되었을 때:

T_RZ = [E_Te + E_H][T_m + T_b] / [Ψ_xE_Te + E_x]

TeF_x → T_RZ = 4.3(2348)/8.6 = 1174K

TeCl_x → T_RZ = 10096.4 / 9.502 = 1062.5K

TeBr_x → T_RZ = 10096.4 / 9.722 = 1038.5K

TeI_x → T_RZ = 10096.4 / 10.052 = 1004.4K

TeAt_x → T_RZ = 4.30[2348] / 10.558 = 956.3K

티타늄[Ti]의 무기 할로겐화물:

E_Ti = 1.54

T_m = 2073K

T_b = 3273K

할로겐화티타늄 군들은 다음과 같은 것들을 포함할 수 있다: 불화티타늄(TiF_X), 예를 들어 TiF₆, TiF₄ 및 TiF₂; 염화티타늄(TiCl_X), 예를 들어 TiCl₆, TiCl₄, TiCl₂; 브롬화티타늄(TiBr_X), 예를 들어 TiBr₆, TiBr₄ 및 TiBr₂; 요오드화티타늄(TiI_X), 예를 들어 TiI₄; 그리고 아스타틴화티타늄(TiAt_X).

상기 식이 적용되었을 때:

T_RZ = [E_Ti + E_H][T_m + T_b] / [Ψ_xE_Ti + E_x]

T_RZ = [1.54 + 2.2][2073 + 3273] / [Ψ_xE_Ti + E_x]

TiF_x → T_RZ = [3.74][5346] / [2.20(1.54) + 3.98] = 2568.5K

TiCl_x → T_RZ = 18924.8 / 7.81 = 2423.2K

TiBr_x → T_RZ = 18924.8 / 7.919 = 2390K

TiI_x → T_RZ = 18924.8 / 8.081 = 2342K

TiAt_x → T_RZ = 18924.8 / 8.329 = 2272.1K

상기 예들 이외에도 한 가지 종류 이상의 할로겐화물 종을 함유하는 무기 할로겐화물이 환원될 때, 반응 온도 T_RZ는 자체의 전기음성도 값(PES)이 큰 현존 할로겐화물 종의 경우를 바탕으로 산정될 수 있다. 무기 할로겐화물의 할로겐화물 원소의 가장 큰 전기음성도 값이 선택되면, 혼합물의 용융 유동 중에 임의의 고체가 존재하지 못하게 될 것이다.

뿐만 아니라 환원제들 중 하나 이상으로서 분자 수소가 사용되어 다수의 무기 할로겐화물이 환원될 때, 반응 온도 T_RZ는 전기음성도 값(PES)이 가장 큰 할로겐을 함유하는 무기 할로겐화물과 관련된 정보를 바탕으로 산정될 수 있다. 그러므로 T_RZ 등식에 사용된 용융점과 비등점은 전기음성도가 가장 큰 할로겐을 함유하는 무기 할로겐화물의 비 할로겐 무기 물질의 용융점과 비등점일 것이다. 또한 T_RZ 등식에 사용된 전기음성도 값과 Ψ_x 값은 전기음성도가 가장 큰 할로겐의 전기음성도 값과 Ψ_x 값일 것이다.

이와 유사하게, 환원제로서 분자 수소가 사용되지 않고(즉, 오로지 하나 이상의 무기 금속 원소들 및/또는 무기 수소화물들, 또는 이것들의 조합만이 사용되고) 다수의 무기 할로겐화물이 환원될 때 반응 온도는, 전기음성도가 가장 큰 할로겐을 가지는 무기 할로겐화물의 비 할로겐 무기 물질의 용융점과 동일하거나 이보다 높게, 그리고 전기음성도가 가장 큰 할로겐을 가지는 무기 할로겐화물의 비 할로겐 무기 물질의 비등점보다 낮게 유지된다.

기타 다른 제어 변수들로서는 무기 할로겐화물의 비 할로겐 무기 물질의 질량, 농도 또는 분압, 그리고 전체 압력을 포함할 수 있다.

온도와 농도는 반응 속도를 제어함에 있어 중요한 2가지 변수일 수 있다. 특히 환원제의 농도와 반응 대역의 온도는 반응 속도를 변경하는데 이용될 수 있으며, 몇몇 경우에는 반응을 역행시키는데에도 이용될 수 있다.

반응 속도는 온도가 증가함에 따라서 증가할 수 있다. 이러한 사실은 기체 분자 운동론(Kinetic-molecular theory)의 관점에서 용이하게 설명된다. 계의 온도가 증가함에 따라서 분자들의 평균 속도는 더욱 증가하게 되고, 이로 인하여 단위 시간당 분자들 간 충돌 횟수도 증가하게 된다. 뿐만 아니라 온도가 증가하면 더욱 많은 분자들이 최소 에너지, 즉 분자들이 충돌할 때 반응이 일어날 수 있도록 만드는데 필요한 에너지를 얻게 된다. 다시 말해서, 고온에서는 더욱 큰 분율의 분자들이, 원자들 또는 라디칼들을 서로 고정시키는 결합을 파괴하는 에너지를 얻어서, 기타 다른 분자 조합이 가능하다. 다수의 반응에서는 온도가 증가하면 반응 속도도 증가하는 것으로 보이는데, 그 이유는 온도 변화가 "활성화된" 분자들(즉 활성화에 필요한 에너지를 가지는 분자들)의 수를 증가시키기 때문이다.

일정 온도에서 혼합물 중에서 진행되는 소정 반응의 속도는 또한 반응 물질들의 농도에 의해 영향을 받을 수도 있다. 반응 물질들의 농도 증가를 동반하는 반응 속도의 증가도 또한 기체 분자 운동론의 관점에서 용이하게 설명된다. 반응 물질들 모두 또는 임의의 것들의 농도가 증가하면 단위 부피당 더욱 많은 수의 분자들이 존재하게 되므로 분자들간 충돌 기회도 증가하게 된다. 단위 시간당 충돌 횟수가 많아지면 반응 속도가 증가하게 되는 것이다.

분압도 제어될 수 있다. 예시적인 구현예에서, 무기 할로겐화물의 비 할로겐 무기 물질의 분압은 1atm 보다 낮을 수 있다. 또한 분자 수소의 분압은, 반응 온도에서 무기 할로겐화물의 비 할로겐 무기 물질 분압의 1배 내지 9배 범위일 수 있다. 그러므로 만일 무기 할로겐화물의 비 할로겐 무기 물질의 분압이 0.5atm이면, 전체 압력은 약 5atm일 수 있다. 전체 압력은 계 내 전 기체 성분에 대한 모든 분압의 가중치에 대한 함수이다.

T_RZ에서의 분압은 종의 비등점을 바탕으로 결정될 수 있다. 예를 들어 전술된 바와 같이 산정된 반응 온도 T_RZ에서의 니켈 원소 분압을 결정하기 위해서는 다음과 같은 분석 결과에 의존할 수 있다: 만일 Ni의 비등점이 2900℃이면, 2900℃에서 니켈의 증기압은 1atm 또는 760torr이다. 이와 같은 정보를 바탕으로 하였을 때, 만일 T_RZ < T_b이면 P⁰ _RZ < P⁰ _b이다. 그러므로 T_RZ가 니켈의 비등점보다 낮을 때, T_RZ에서 Ni의 분압 또한 1atm 또는 760torr보다 낮을 것이다. 이는, T_RZ에서 성분들 중 하나 이상은 기체이고, 하나 이상의 성분은 액체이며, 계의 전체 압력은 HF(비등점: 760torr에서 20℃)를 응축함으로써 약 1atm(760torr)로 유지될 수 있음을 의미한다.

분자 수소는 기체이고, 할로겐화수소는 증기 또는 과열 증기일 수 있으며, 무기 할로겐화물로부터 유래하는 유리 비 할로겐 무기 물질은 무기 할로겐화물의 비 할로겐 무기 물질의 용융점보다 높은 T_RZ에서 액체이다. 반응 대역에서의 계는 기체 상, 증기 상, 액체 상, 그리고 고체 상으로 이루어질 수 있다. 수소 기체는 비활성 기체, 예를 들어 질소, 헬륨 또는 아르곤과 배합될 수 있으며, 그 결과 반응성은 계속 제어될 수 있게 되고, 반응 대역 전반에 걸쳐 난기류 상태가 유지될 수 있게 된다. 반응 대역으로부터의 무수 할로겐화수소의 분리 또는 제거는, 무기 할로겐화물로부터 유래하는 유리 비 할로겐 무기 물질과 할로겐화수소 간 역 반응을 막는데 필요한 과정일 수 있다. 무수 할로겐화수소는 수용기 내에서 응축되어 무기 할로겐화물의 임의의 비 할로겐 무기 물질과 접촉하게 됨으로써 액체로서 수용기에 수집될 수 있다.

기체 상 성분의 질량 또는 농도는 분압에 비례할 것이다.

본 발명의 방법으로부터 생성된 반응 생성물들은 하나 이상의 무수 할로겐화수소들과 하나 이상의 비 할로겐 무기 물질들을 포함할 수 있다. 본 발명의 방법은 물 또는 산소를 포함하지 않는 것을 주목한다. 이러한 반응에서 생성된 임의의 무수 할로겐화수소는 무기 할로겐화물의 환원을 통하여 직접 회수될 수 있다.

환원제로서 분자 수소가 사용될 때 환원 반응이 더욱 잘 제어되도록 하기 위해서는 하나 이상의 비활성 기체 중에서 추가의 혼합 단계가 수행될 수 있다. 예시적 구현예에서, 환원성 분자 수소 기체는 헬륨, 아르곤 또는 질소 중 하나 이상과 혼합될 수 있다. 비활성 기체와 환원제가 혼합됨으로써 기체 혼합물 중 수소의 농도가 더욱 용이하게 감소 또는 증가할 수 있다. 방법이 진행되는 동안 혼합되는 추가의 기체 종이 잔류하는 한, 다른 기체 환원제와 함께 동일한 기술이 사용될 수도 있다.

열-환원 반응기 내 온도는 온도 제어기를 사용하여 설정될 수 있다. 예시적 구현예에서, 온도는 냉각 수단과 가열 수단을 사용하여 열-환원 반응기 내에 설정될 수 있다.

다른 양태에서, 본 발명의 구현예들은 동일한 군에 속하는 무기 할로겐화물 하나 이상을 환원하기 위한 열-환원 반응기를 제공한다. 예를 들어 무기 할로겐화물의 비 할로겐 무기 물질인 질소는 무기 불화물 군을 이룬다. 불화질소 군은 분자, 예를 들어 3불화질소[NF₃], 4불화2질소[N₂F₄] 및 2불화2질소[N₂F₂]로 이루어져 있다. 다른 예로서는 무기 할로겐화물의 비 할로겐 무기 물질로서 무기 불화물 군을 이루는 황이 있다. 불화황 군은 분자, 예를 들어 6불화황[SF₆], 4불화황[SF₄] 및 2불화황[SF₂]으로 이루어져 있다. 열-환원 방법은 동일한 군에 속하는 불화물 분자들 중 하나 또는 전부에 대해 수행될 수 있다. 이는 기타 다른 할로겐화물의 경우에도 유사할 수 있다. 3염화질소, 4염화2질소 및 2염화2질소가 그 예이다. 무기 브롬화물, 무기 요오드화물 및 무기 아스타틴화물에 대해서도 유사한 군들이 존재할 수 있다.

예시적 구현예

이하 논의된 바는 본 발명에 의해 포함되는 일련의 예시적 반응 기작들을 제공한다. 이러한 바들은 단지 예시적인 것이며, 본 발명은 이와 같은 예시적 구현예들에 제한되는 것으로 간주되어서는 안된다는 것이 인지되어야 할 것이다.

비 할로겐 무기 물질들과 무수 할로겐화수소(본 경우에는 무수 불화수소)를 제조하기 위해 다음과 같은 무기 불화물들이 이하에 추가로 논의된 예시적 무기 할로겐화물로서 제공된다: 6불화황, 3불화질소, 6불화텅스텐 및 6불화우라늄.

이하 환원제들은 전술된 본 발명을 수행하는데 사용될 수 있는 추가의 예시적 물질들을 제공한다: 분자 수소, 무기 수소화물 및 무기 금속 원소들.

사용될 수 있는 추가의 불화황 군들은 4불화황, 6불화황 및 불화설퍼릴 등을 포함한다. 이와 유사하게, 추가의 불화질소 군들은 3불화질소, 4불화히드라진 및 2불화2질소 등일 수 있다.

각각의 무기 불화물 군은 특정 온도 및 압력 범위 중 열-환원 반응기 내에서 분자 수소로 처리될 수 있는데; 이러한 범위는 해당 군의 비 할로겐 무기 물질에 따라서 달라진다.

열-환원 반응기는 과량의 분자 수소 기체로 작동될 수 있다. 수소의 농도는 무기 할로겐화물의 비 할로겐 무기 물질에 따라서 달라진다.

6불화황의 경우, 환원제들 중 하나는 분자 수소 또는 황화수소일 수 있다:

SF₆ + 3H₂ → 6HF + S

SF₆ + 3H₂S → 6HF + 4S

3불화질소의 경우, 사용될 수 있는 환원제들 중 하나는 분자 수소 및 암모니아[NH₃]이다:

2NF₃ + 3H₂ → N₂ + 6HF

NF₃ + NH₃ → 3HF + N₂

암모니아와 불화수소가 접촉할 때, 이것들은 불화암모늄를 생성하게 된다. 3불화질소와 수소의 반응을 통해서는 초고순도 무수 불화수소가 생성된다:

2NF₃ + 3H₂ → N₂ + 6HF

6불화텅스텐의 경우, 환원제는 분자 수소일 수 있고, 기체 상 반응은 다음과 같다: WF₆ + 3H₂ → W + 6HF.

6불화우라늄의 경우, 환원제는 분자 수소와, 전기음성도 값이 우라늄 자체의 전기음성도 값(1.38)보다 작은 임의의 무기 금속 원소, 예를 들어 칼슘일 수 있다. 본 반응 기작은 다음과 같다:

UF₆[기체] + H₂[기체] → UF₄[s] + 2HF (기체상 U의 유해성이 억제됨)

UF₄[s] + Ca[s] → U + 2CaF₂[s] (원소 U 생성)

무기 할로겐화물, 예를 들어 염화물, 브롬화물, 요오드화물 및 아스타딘화물에 대한 추가의 예시적 구현예들도 또한 이하에 제공되어 있다.

CoAt₂ + Ca → Co + CaAt₂

MoAt₆ + 6Na → Mo + 6NaAt

PdCl₆ + 6Li → Pd + 6LiCl

WBr₄ + 4K → W + 4KBr

본 발명의 사상과 범주를 벗어나지 않고 다양한 변형 및 수정이 본 발명에 가하여질 수 있음은 당업자들에게 명백할 것이다. 그러므로 본 발명은 본 발명 자체의 변형 및 수정도 포함하되, 다만 상기 변형 및 수정은 첨부된 특허청구범위와 이의 균등 범위 내에 포함될 것이다.

Claims

하나 이상의 무기 할로겐화물과 하나 이상의 환원제를 완전히 반응시켜 무수 할로겐화수소 및 하나 이상의 비 할로겐 무기 물질을 제조하는 단계를 포함하는, 무수 할로겐화수소 및 하나 이상의 비 할로겐 무기 물질을 합성하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 환원제는 분자 수소, 무기 수소화물 및 무기 금속 원소 중 하나 이상을 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 환원제는 무기 할로겐화물의 비 할로겐 무기 물질과 동일한 비 수소 무기 물질을 가지는 무기 수소화물을 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 환원제는 분자 수소와 무기 금속 원소를 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 무기 할로겐화물은 무기 불화물을 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 무기 할로겐화물은 무기 염화물, 무기 브롬화물 및 무기 요오드화물 중 하나 이상을 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 환원제는 분자 수소를 포함하고, 반응 대역 온도는 다음과 같은 식을 이용하여 결정된 온도의 15% 이내인 방법.
T_RZ = [E_e + E_H][T_m + T_b]/[Ψ_xE_e + E_x]
(상기 식중, T_RZ는 반응 대역의 온도이고;
T_m은 무기 할로겐화물의 비 할로겐 무기 물질의 용융점(켈빈 온도)이며;
T_b는 무기 할로겐화물의 비 할로겐 무기 물질의 비등점(켈빈 온도)이고;
E_e는 무기 할로겐화물의 비 할로겐 무기 물질의 PES이며;
E_H는 수소의 PES이고;
E_x는 무기 할로겐화물 중 할로겐의 PES이며;
Ψ_x는 다음과 같은 식에 의해 결정된 범위로부터 선택되는 값임:
∑ = Ψ_x + E_x
(식중, 6.10 ≤ ∑ ≤ 6.25))
제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 무기 할로겐화물들은 6불화황을 포함하고, 상기 하나 이상의 비 할로겐 무기 물질은 원소 황을 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 무기 할로겐화물은 3불화질소를 포함하고, 상기 하나 이상의 비 할로겐 무기 물질은 질소를 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 무기 할로겐화물은 6불화텅스텐을 포함하고, 상기 하나 이상의 비 할로겐 무기 물질은 원소 텅스텐을 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 무기 할로겐화물은 6불화우라늄을 포함하고, 상기 하나 이상의 비 할로겐 무기 물질은 원소 우라늄을 포함하는 방법.
하나 이상의 무기 불화물과 하나 이상의 환원제를 반응시켜, 무수 불화수소 및 하나 이상의 비 할로겐 무기 물질을 생성하는 단계를 포함하는, 무수 불화수소 및 하나 이상의 비 할로겐 무기 물질을 합성하는 방법.
제12항에 있어서, 상기 하나 이상의 환원제는 분자 수소, 무기 수소화물 및 무기 금속 원소 중 하나 이상을 포함하는 방법.
제12항에 있어서, 상기 하나 이상의 환원제는 분자 수소 및 원소 칼슘을 포함하는 방법.
제12항에 있어서, 상기 반응은 열-환원 반응이고, 상기 하나 이상의 환원제는 분자 수소를 포함하며, 반응 대역 온도는 다음과 같은 식을 이용하여 결정된 온도의 15% 이내인 방법.
T_RZ = [E_e + E_H][T_m + T_b]/[Ψ_FE_e + E_F]
(상기 식중, T_RZ는 반응 대역의 온도이고;
T_m은 무기 불화물의 비 할로겐 무기 물질의 용융점(켈빈 온도)이며;
T_b는 무기 불화물의 비 할로겐 무기 물질의 비등점(켈빈 온도)이고;
E_e는 무기 불화물의 비 할로겐 무기 물질의 PES이며;
E_H는 수소의 PES이고;
E_F는 불소의 PES이며;
Ψ_F는 다음과 같은 식에 의해 결정된 범위로부터 선택되는 값임:
∑ = Ψ_x + E_F
(식중, 6.10 ≤ ∑ ≤ 6.25))
제15항에 있어서, Ψ_F는 2.20이고, 상기 열-환원 반응은 열-환원 반응기 내에서 진행되는 방법.
제12항에 있어서, 상기 하나 이상의 무기 불화물은 6불화우라늄을 포함하고, 상기 하나 이상의 환원제는 분자 수소 및 원소 칼슘을 포함하며, 상기 하나 이상의 비 할로겐 무기 물질은 원소 우라늄인 방법.
하나 이상의 무기 할로겐화물과 하나 이상의 환원제를 반응시켜, 무기 할로겐화물의 완전하게 환원된 비 할로겐 무기 물질 하나 이상을 제조하는 단계를 포함하는 무기 할로겐화물의 환원 방법으로서, 여기서 상기 하나 이상의 환원제는 무기 수소화물, 무기 금속 원소 또는 이것들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
제18항에 있어서, 상기 하나 이상의 환원제는 무기 할로겐화물의 비 할로겐 무기 물질과 동일한 비 수소 무기 물질을 포함하는 무기 수소화물을 포함하는 방법.
제19항에 있어서, 상기 하나 이상의 환원제는 자체의 전기음성도가 무기 할로겐화물의 비 할로겐 무기 물질의 전기 음성도보다 작은, 비 수소 무기 물질을 포함하는 방법.