KR20240052726A - 흄드 실리카 생산을 위한 플라즈마 아크 공정 및 장치 - Google Patents
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Abstract
실리카로부터 흄드 실리카를 생산하는 장치가 개시되는데, 플라즈마 아크 반응기는 반응기 내에 함유된 용융 실리카까지 연장되는 적어도 하나의 상부 전극, 용융 실리카 하부에 제공되는 전도성 플레이트 및 바닥 애노드를 포함한다. 플라즈마 아크가 생성되도록 구성되며, 플라즈마 아크는 전극의 팁에 제공되고 SiO를 형성하기 위해 용융 실리카로 직접 전달되도록 구성된다. 반응기 내에 주입되는 수소 및 산소 함유 가스와 같은 ??칭 시스템도 제공된다. ??칭 시스템은 SiO2를 나노 크기의 비정질 입자들로 개질하는데 적합하며, 흄드 실리카 형태의 비정질 SiO2 나노 입자들이 반응기에서 빠져나갈 수 있도록 반응기 배출구가 제공된다.
Description
본 출원은 2021년 5월 15일에 출원되어 현재 계류 중인 미국 가출원 번호 63/189,069에 대한 우선권을 주장하며, 이는 본원에 참조로 포함된다.
본 발명은 흄드 실리카의 생산에 관한 것이며, 특히 플라즈마 아크를 이용한 흄드 실리카의 생산에 관한 것이다.
불활성이고 위험하지 않은 물질인 흄드 실리카는 다양한 산업 분야에 사용되는 일반적인 증점제이다. 흄드 실리카는 표면적이 크고 부피 밀도가 낮기 때문에 페인트, 식품, 화장품, 촉매 등 다양한 제품의 귀중한 원료이며 증점제나 건조제로 가장 많이 사용된다. 소량의 흄드 실리카(1 내지 5wt.%)는 페인트의 점도와 같은 액체의 유변학적 특성에 큰 영향을 미칠 수 있다. 또한 벌크 재료들에서 가벼운 연마제 및 자유 유동제(free-flowing agent)로도 사용된다.
흄드 실리카는 긴 3차원 사슬 나노 크기의 실리카 분자로 구성된다. 이러한 사슬이 복잡하게 형성되어 벌크 밀도가 낮고 비표면적이 매우 크며(+ 50m2/g) 증점 효과가 강한 제품이 생성된다.
흄드 실리카는 전통적으로 화염 가수분해(flame hydrolysis)에 의해 생산되며 다음과 같은 복잡한 실리콘 생산 공정의 산물이다. 석영 형태의 실리카는 광산에서 추출되며, 일정 크기 범위로 탄소원이 있는 아크로에서 실리콘 또는 페로실리콘(ferrosilicon)으로 환원되고, 페로실리콘의 경우 철로 환원되고, 많은 양의 에너지를 소비하여 많은 양의 CO2를 배출하고, 실리카 흄, 또 다른 형태의 실리카, 슬래그(slag)와 같은 고형 부산물을 생성한다. 그런 다음 실리콘은 종종 해외의 다른 시설로 운송되어 HCl 및 Cl2 가스를 사용하여 SiCl4로 변환된다. SiCl4는 수소와 산소를 사용하는 화염 가수분해 과정에서 연소된다. 생성된 생성물은 출발 물질과 다른 유형의 실리카(SiO2)이며, 물리적 형태와 구조, 표면 화학이 다르다. 전체 과정은 다단계로 이루어지며 오염도가 높으며 온실가스(GHG)와 산성 가스를 모두 배출한다.
전체 제품 수명주기를 고려할 때, 기존의 흄드 실리카 제조 공정은 제품 kg당 16.4kg CO2eq의 높은 탄소 배출량을 갖는다.[참고문헌 1] 또한 각각의 단계의 공정 전환율은 100%보다 낮은데, 예를 들어, 가장 최고의 산업적 관행의 실리콘 생산에서 실리콘의 전환율은 80%에 불과하고, 실리콘의 약 20%가 실리카 흄 형태로 손실되어 재료 손실이 발생한다.
따라서 GHG를 포함한 오염 물질의 배출량을 낮추고 비용을 낮추면서 단일 단계로 이산화규소를 흄드 실리카로 직접 변환하는 것이 바람직할 것이다. 이는 고온에서 SiO2를 SiO로 직접 기화 및 분해하여, 그리고 SiO2로 재산화함으로써 달성될 수 있다. 이 공정에는 높은 온도(+1,700℃)가 필요하기 때문에 버너에 의한 연소 불꽃과 같은 기존 가열 방법은 이 공정에 적합하지 않다. 기존의 전기 가열 방법(예: 저항 가열 요소)도 공정에 필요한 높은 온도에 도달할 수 없고 요소들이 연기로 코팅될 수 있고, 따라서 효율성에 영향을 미치기 때문에 이 공정에 적합하지 않다. 공정에 필요한 고온을 달성하는 한 가지 방법은 플라즈마 아크 반응기를 사용하는 것이다. 플라즈마 아크는 공정 요구 사항을 충족하는 실리카의 분해 온도를 초과하는 온도에 도달할 수 있다. 또한 플라즈마 아크는 흄드 실리카 생산 과정에서 오염이나 효율성 손실이 발생하지 않는다. 또한, 플라즈마 아크 공정은 확장성이 뛰어나다.
여러 대학에서 수행한 연구를 통해 전사 아크 플라즈마 토치 기술을 사용하여 흄드 실리카를 생산하는 최신 기술이 개발되었다.
어도나(Addona)(공학석사 논문, Addona, 1993, 맥길 대학교, 몬트리올, 캐나다)는 이송된 DC 아크 수냉식 플라즈마 토치를 사용하여 실험실 규모 플라즈마 공정에서 흄드 실리카를 생산하였다. 이 프로젝트에서는 다양한 ??칭 조건이 흄드 실리카 특성에 어떻게 영향을 미치는지 연구하였다. 흄드 실리카는 플라즈마 공정의 복사 에너지를 사용하여 성공적으로 생산되었다. 높은 표면적 분말은 높은 사전 ??칭 온도, 높은 ??칭 속도 및 낮은 사전 ??칭 과포화 비율로 인해 발생하였다.
어도나(박사학위 논문, Addona, 1998, 맥길 대학교, 몬트리올, 캐나다)는 이송된 DC 아크 수냉식 플라즈마 토치를 사용하여 공정의 에너지 효율성을 크게 향상시키기 위해 플라즈마 아크를 용융 실리카로 이송함으로써 흄드 실리카 생산을 위한 새로운 기술을 조사하였다. 성공적인 아크 전사는 특허문헌 '전사된 플라즈마 아크 반응기에서 산화물 세라믹 전극을 형성하는 방법(Method of Forming an Oxide Ceramic Electrode in a Transferred Plasma Arc Reactor)'(2003년 4월 1일 발행된 캐나다 등록특허 제2,212,471호 및 2000년 5월 9일 발행된 미국 등록특허 제6,060,680호)에 개시된다. 본 연구에서 생산된 흄드 실리카는 표면적은 경쟁력이 있지만 농축 능력은 부족하다.
프리스타비타(Pristavita)(공학석사 논문, Pristavita, 2006, 맥길 대학교, 몬트리올, 캐나다)는 흄드 실리카 유변학적 특성들(rheological properties)에 대한 응집(agglomeration) 효과를 조사하였다. 응집은 유변학적 특성들을 향상시키지 않는다는 결론을 내렸다. 농축(thickening)의 부족은 제품 표면에 자유 수산기들(free hydroxyl groups)이 없기 때문이다. ??칭 조건을 테스트한 결과 전체 품질이 높고 표면적이 최대 260m2/g에 달하는 경쟁력 있는 제품이 제조되었다.
상술한 참고문헌에 설명된 바와 같이 흄드 실리카를 생산하기 위해 이송된 아크 플라즈마 토치를 사용하면 몇 가지 단점이 있는데, 즉, 에너지의 상당 부분이 토치 수냉 회로에서 소산되어 손실되기 때문에 토치의 열 효율이 상대적으로 낮고, 확장성이 열악하며, 반응기로 물이 누출될 위험이 있는데, 이는 물이 용융된 실리카 배쓰(bath)와 반응하여 치명적인 증기 폭발로 이어질 수 있다.
따라서 하나의 단계로 고품질의 흄드 실리카를 생산할 수 있는 새로운 공정 및 장치를 제공하는 것이 바람직하다.
따라서 고품질의 흄드 실리카를 생산할 수 있는 신규한 공정 및 장치를 제공하는 것이 바람직할 것이다.
본원에 설명된 실시예는 하나의 양상에서 기존 공정보다 더 낮은 에너지 필요와 더 낮은 탄소 발자국으로 흄드 실리카를 연속적으로 생산하기 위한 플라즈마 공정을 제공한다.
또한, 본원에 기술된 실시예는 또 다른 양상에서 실리카를 용융, 기화 및 분해한 후 증기상을 ??칭하여 하나의 단계로 흄드 실리카를 형성하고 기능화(functionalize)하는 장치를 제공한다.
또한, 본원에 설명된 실시예의 또 다른 양상에서 실리카를 흄드 실리카로 직접 변환하는 플라즈마 아크 공정을 제공한다.
또한, 본원에 설명된 실시예는 다른 양상에서 실질적으로 폐기물이 없고 어떠한 유해 폐기물도 생성하지 않는 흄드 실리카를 제조하기 위한 플라즈마 아크 공정을 제공한다.
또한, 본원에 기술된 실시예는 다른 양상에서 임의의 환원제 없이 실리카를 일산화규소로 열분해하는 장치를 제공한다.
또한, 본원에 기술된 실시예는 다른 양상에서 다음 단계들을 포함하는 흄드 실리카를 생산하기 위한 플라즈마 아크 공정을 제공한다:
분쇄된 석영과 같은 실리카를 플라즈마 아크 반응기 내에 공급하는 단계;
플라즈마 아크를 반응기 내에서 적어도 하나의 상부 전극의 팁(tip)에서 생성하는 단계;
플라즈마 아크를 반응기에 포함된 용융 실리카로 직접 전달하여 SiO를 형성하는 단계;
SiO를 ??칭하여 나노 비정질 입자들인 SiO2 로 개질(reform)하는 단계; 및
반응기로부터 흄드 실리카 형태의 비정질 SiO2 나노 입자들을 제거하는 단계.
본원에 설명된 실시예의 또 다른 양상에서 흄드 실리카를 생성하기 위한 장치가 제공되는데, 장치는 플라즈마 아크를 생성하도록 구성된 반응기, 반응기 내에 함유된 용융 실리카까지 연장되는 적어도 하나의 상부 전극, 용융 실리카 하부에 제공되는 전도성 판, 바닥 애노드를 포함하고, 전극의 팁에 제공되는 플라즈마 아크는 SiO를 형성하기 위한 용융 실리카로 직접 전달되도록 구성되고, 반응기 내에 주입되는 수소 및 산소 함유 가스와 같은 ??칭 시스템은 SiO2를 나노 크기의 비정질 입자들로 개질하도록 구성되며, 흄드 실리카가 반응기에서 빠져나가도록 하는 배출구가 있다.
또한, 본원에 설명된 실시예의 또 다른 양상에서 반응기를 통해 흐르는 전류의 경로는 전극에서 시작하여 전극과 용융 실리카 사이에 플라즈마 아크를 형성하고 전도성 용융 실리카를 통해 전도성 판으로 흐른 다음 바닥 애노드를 통과하는 것이 제공된다.
또한, 본원에 설명된 실시예의 또 다른 양상에서 바닥 애노드에 냉각 핀들이 제공되고, 냉각 핀들을 냉각하기 위해 공기 송풍기가 제공된다.
또한, 본원에 설명된 실시예의 또 다른 양상에서 ??칭 시스템이 적어도 하나의 가스 주입 포트를 포함하는 것이 제공된다.
또한, 본원에 설명된 실시예의 또 다른 양상에서 고온 가스 및 흄드 실리카 입자의 흐름이 배출구를 통해 반응기에서 빠져나가기 때문에 더 큰 크기의 흄드 실리카 응집체를 수집하기 위해 집진기(cyclone)가 제공된다.
또한, 본원에 설명된 실시예의 또 다른 양상에서 뜨거운 가스 흐름을 냉각하기 위해 집진기 하부에 가스/액체 냉각기가 제공된다.
또한, 본원에 설명된 실시예의 또 다른 양상에서 가스 흐름에서 대부분의 미세한 흄드 실리카 미립자를 분리하기 위해 백-하우스형(baghouse-type) 필터가 가스/액체 냉각기의 하부에 제공된다.
또한, 본원에 설명된 실시예의 또 다른 양상에서 가스를 추가로 필터링하고 흄드 실리카 흔적을 제거하기 위해 미세 미립자 필터가 백-하우스 유형 필터의 하부에 제공된다.
또한, 본원에 설명된 실시예의 또 다른 양상에서 가스를 반응기 밖으로 끌어내고 대기압 이하(sub-atmospheric)의 압력을 제공하기 위해 유도 통풍 팬이 미세 미립자 필터 하부에 제공된다.
또한, 본원에 설명된 실시예의 또 다른 양상에서 다음 단계들을 포함하는 흄드 실리카를 생산하기 위한 플라즈마 아크 공정이 제공된다:
분쇄된 석영과 같은 실리카를 플라즈마 아크 반응기 내에 공급하는 단계;
실리카 용융물의 전기 전도도를 향상시키고/향상시키거나 용융 온도를 낮추고/낮추거나 흄드 실리카 생산 속도 및/또는 품질을 개선하기 위해 공급된 실리카에 첨가제(들)을 첨가하는 단계;
플라즈마 아크를 반응기 내에서 적어도 하나의 상부 전극의 팁(tip)에서 생성하는 단계;
실리카의 기화 에너지를 감소시킴으로써,
아크 전력을 증가시켜 실리카 기화율을 향상시킴으로써,
흄드 실리카 형태의 비정질 나노 크기 실리카 입자들의 표면 화학 및 특성들을 향상시키기 위해 증기와 같은 주입된 가스(들)의 플라즈마 아크 가열을 통해 H, O 및 OH와 같은 반응성 종들을 도입함으로써
흄드 실리카 생산을 향상시키기 위해 상부 전극을 통해 가스들을 주입하는 단계;
플라즈마 아크를 반응기에 포함된 용융 실리카에 직접 전달하여 실리카를 기화시키고 SiO를 형성하는 단계;
SiO를 ??칭하여 나노 비정질 입자들인 SiO2 로 개질하는 단계; 및
반응기로부터 흄드 실리카 형태의 비정질 SiO2 나노 입자들을 제거하는 단계.
본원에 설명된 실시예를 더 잘 이해하고 이들이 어떻게 실행될 수 있는지 더 명확하게 보여주기 위해, 이제 단지 예로서 적어도 하나의 예시적인 실시예를 보여주는 첨부 도면을 참조할 것이다:
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 흄드 실리카를 생산하기 위한 노(furnace)의 예시적이고 개략적인 수직 단면도이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 흄드 실리카를 제조하는 공정의 예시적인 개략도이다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 흄드 실리카를 생산하기 위한 노(furnace)의 예시적이고 개략적인 수직 단면도이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 흄드 실리카를 제조하는 공정의 예시적인 개략도이다.
전술한 단점들은 상부 전극(들)의 끝에서 플라즈마 아크가 생성되어 수냉할 필요 없이 용융 실리카로 직접 전달되는 전기 플라즈마 아크 반응기를 사용하는 본 발명에 의해 극복될 수 있고, 따라서 공정의 에너지 효율성을 향상시키고 누수 가능성을 제거하며 공정의 안정성을 향상시킨다.
도 1을 참조하면, 플라즈마 반응기 R(플라즈마 흄드 실리카 반응기)의 개략도가 도시되는데, 파쇄된 석영과 같은 실리카 흐름(바람직하게는 2cm 미만의 크기 범위)이 공급 포트(1)를 통해 노 내로 연속적으로 또는 간헐적으로 공급된다. 반응기(R)는 반응기(R)의 내부 온도를 실리카 공급원의 융점 이상, 바람직하게는 +1,700 섭씨 온도로 유지하도록 설계된 내화성 라이닝(8)을 구비한 강철 쉘로 구성된다.
전극 침식 물질이 가스화되기 위해, 그리고 흄드 실리카 최종 생성물을 오염시키지 않도록 하기 위해 바람직하게는 흑연으로 제조되는 2개 이상의 전극(2)(가스 주입이 있는 흑연 전극)을 사용하여 반응기(R)를 가열한다. 전극(2)은 반응기(R) 내 과도한 공기 침투를 방지하고 공정이 약간의 진공 하에서 작동될 수 있도록 고온 밀봉제(씰)(3)를 사용하여 밀봉된다. 플라즈마 아크(6)는 공정 시작 시 전극들(2)과 하부 전도성 플레이트(9) 사이에서 먼저 생성되고, 플라즈마 아크(6)와 전도성 플레이트(9) 사이의 전도성 매체로 작용하며 기화 공정로 인해 플라즈마 아크(6)에 의해 소모되는 용융 실리카 풀(pool)(7)(용융 실리카 배쓰)을 생성한다.
전극들(2)은 매우 높은 온도의 플라즈마를 얻기 위해 아르곤과 같은 가스(들)을 형성하는 불활성 플라즈마, 및/또는 증기 및/또는 주로 SiO의 분해 생성물을 재산화하기 위한 산소 공급원인 O2와 흄드 실리카 입자들의 수소 결합을 위한 수소 공급원인 H2의 혼합물과 같은 가스(들)을 형성하는 반응성 플라즈마의 주입을 허용하는 중공 실린더일 수 있다. 암모니아와 같은 다른 가스는 중공 전극(들)(2)을 통해 주입되어 실리카의 기화/분해 온도를 낮추고/낮추거나 흄드 실리카의 생산 속도를 높이고/높이거나 H2 주입과 동일한 이유로 주입될 수 있다.
실리카는 플라즈마 아크(6)와 실리카 용융 배쓰(7)의 경계면에서 동시에 기화 및 분해된다. 플라즈마 아크(6)의 강한 열은 실리카, SiO2(석영 형태)를 녹이고 기화하고 분해하여 SiO를 형성한다. SiO는 SiO를 SiO2로 산화시키고 나노 크기의 비정질 실리카 입자들의 표면에 수산기(OH-)를 도입하기 위한 증기 또는 증기와 공기의 혼합물과 같은 수소 및 산소 함유 가스를 사용하여 가스 주입 포트(5)(??칭 가스 주입 포트)를 사용하여 빠르게 냉각된다. 흄드 실리카의 표면 특성들을 향상시키기 위해, 예를 들어, 이를 소수성 또는 친수성으로 만들기 위해 다른 시약들이 ??칭 포트(들)(5)를 통해 반응기(R)에 도입될 수 있다. 여러 가지 ??칭 구성들을 사용할 수 있으며 이로 인해 제품 특성들이 달라진다. SiO는 산소와 반응하여 SiO2를 개질하지만 나노 크기의 비정질 입자들 형태이다. 그런 다음 나노 입자들은 반응기 배출구(4)(흄드 실리카 반응기 배출구)를 통해 가스 흐름과 함께 반응기(R)를 떠날 때 응집되어 3차원 사슬 구조를 형성한다.
반응기(R)를 통과하는 전자들의 경로는 흑연 전극(2)에서 시작하여 전극(2)과 용융 실리카 배쓰(7) 사이에 플라즈마 아크(6)를 형성하고, 전도성 용융 실리카를 통해 바람직하게는 흑연과 같은 탄소 기반 재료로 제조된 전도성 판(9)까지 낮아진다. 그런 다음 전류는 냉각 핀이 제공되고 강제 공기 냉각을 사용하여 냉각되는 애노드(10) 역할을 하는 구리 스템(stem)을 통과한다. 또한 노의 설계에서는 아크(6)가 점화되거나 작동 중에 손실된 경우 재점화할 수 있으며, 애노드-캐소드 구성에서만 상단 전극을 사용하여 먼저 전극들 사이에 플라즈마 아크를 생성하여 응고된 실리카를 재용해한 다음 하부 애노드 구성으로 전환하여 이를 용융 실리카로 전달한다. 아크 점화를 위해 헬륨 가스가 전극들을 통해 주입될 수 있다.
이제 도 2를 참조하면, 분쇄된 석영(11) 형태의 실리카가 자동 공급 시스템을 통해 플라즈마 반응기(R)에 도입된다. 용융 실리카에 바람직하게 혼화성인 금속 또는 금속 산화물과 같은 첨가제(들)는 임의의 작동 온도에서 오직 하나의 상, 하나의 단일 슬래그 상, 바람직하게는 반응기 작동 조건(온도, 압력 등) 하에서 실리카의 증기압보다 우수한 증기압을 갖는 것을 의미하여, 첨가제(들)가 실리카와 공동 기화/분해되지 않아 흄드 실리카 제품을 오염시키거나 석영 공급물과 동일한 형태 또는 분말 형태로 실리카보다 실질적으로 훨씬 낮은 속도로 공동 기화/분해되지 않고, 용융 실리카의 전기 전도도를 향상시키고/향상시키거나 실리카의 용융 온도를 낮추고 더 높은 작동 온도 범위를 제공하여 작동 중 반응기에서 용융물이 응고될 가능성을 최소화함으로써 플라즈마 아크 공정을 개선하기 위하여, 석영 공급물과 미리 혼합되어 석영과 함께 공급되거나 간헐적으로 공급될 수 있다. 예를 들어, 실리카 용융물에 Al2O3를 0.043mol%만 추가하면 SiO2-Al2O3 상 다이어그램[참고문헌 5 참조]에 따라 용융 온도를 1723℃에서 1597℃로 낮출 수 있지만 전기 전도도는 10배 내지 20배 향상된다[참고문헌 6 참조].
이 공급 시스템은 공급 호퍼와 혼합기(13), 스크류 컨베이어(14)를 포함한다. 석영(11)은 첨가제(들)가 있거나 없이 반응기(R)에 간헐적으로 또는 연속적으로 도입된다. 전극(2)은 15'에 스위치가 제공되는 AC/DC 전원(15)을 사용하여 반응기(R) 내부에서 플라즈마 아크(6)(도 1)를 생성한다. 이 플라즈마 아크(6)는 석영(11)을 녹이고 분해한다. 증기 발생기(16)에서 증기 등의 ??칭 가스가 발생되어 반응기(R)로 주입된다. 기체 형태의 실리카가 빠르게 냉각되고 고형화됨에 따라 흄드 실리카 형태의 비정질 SiO2 나노 크기 입자 사슬을 형성하며, 이는 뜨거운 기체 흐름과 함께 기내에서 반응기(R)에서 빠져나간다. 공기 송풍기(17)(냉각 핀 공기 송풍기)는 바닥 애노드(10)과 이의 전기적 연결을 냉각하는 데 사용된다. 뜨거운 가스의 흐름과 흄드 실리카 입자들은 반응기(R)에서 빠져나오고 더 큰 크기의 흄드 실리카 응집체는 집진기(18)에 의해 수집된다. 뜨거운 가스 흐름은 간접 가스/액체 냉각기(19)를 사용하여 냉각된다. 그런 다음 백-하우스 유형 필터(20)(백-하우스 흄드 실리카 수집기)를 사용하여 가스 흐름에서 대부분의 미세한 흄드 실리카 미립자를 분리한다. 그런 다음 가스는 미세 입자 필터(21)로 한 번 더 필터링되어 실리카가 대기로 방출되지 않도록 한다. 유도 통풍 팬(22)은 가스를 노 밖으로 끌어내고 시스템을 대기압에서 약간 유지하는 데 사용된다.
하기 표에는 기존 방법과 비교하여 흄드 실리카를 생산하기 위한 본 발명의 플라즈마 방법 및 장치(반응기)의 환경적 이점이 요약되어 있다:
따라서 현재의 혁신적인 흄드 실리카 제조용 플라즈마 아크 공정 및 장치는 기존 산업용 흄드 실리카 제조 공정에 비해 약 85% 더 적은 온실가스 배출과 89% 더 적은 에너지 소비를 제공한다.
상술한 설명은 예시적인 실시예들을 제공하지만, 설명된 실시예들의 일부 특징 및/또는 기능은 설명된 실시예들의 정신 및 동작 원리로부터 벗어나지 않고 수정될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 상술된 내용은 실시예들을 예시하기 위한 것이며 비제한적인 것으로 의도되었으며, 당업자는 본원에 첨부된 청구범위에 한정된 실시예들의 범위를 벗어나지 않고 다른 변형들 및 수정들이 이루어질 수 있다는 것을 이해할 것이다.
참고문헌
:
[1] 출처: Brandt, B. 등의 데이터를 사용한 PCI 계산, "실리콘-화학 탄소 균형 - 온실 가스 배출 및 감소 평가", 요약, Global Silicons Council 등, 2012.
[2] 캐나다 평균 전력 탄소 집약도(0.15t CO2eq/MWh)를 가정.
[3] 에베레스트, D.A., 세이스, I.G. 및 Selton,' B., "열 플라즈마를 이용한 증발에 의한 초미세 실리카 분말의 제조", 전기화학 공학 심포지엄, 화학공학회, I p.2.108-2.121(1971).
[4] IEA PVPS Task 12, Subtask 2.0, LCA 보고서 IEA-PVPS 12-04:2015 -2015년 1월ISBN 978-3-906042-28-2.
[5] Strelov, K.K., Kashcheev, I.D. Al2O3-SiO2 시스템의 상태 다이어그램. 내화물 36, 244-246(1995).
[6] Thibodeau, E., Jung, IH. 산화물 용융에 대한 구조적 전기 전도도 모델. Metallurgical and Materials Transactions B, 47권, 1호, 355-383(2016). https://doi.org/10.1007/s11663-015-0458-z
Claims (16)
- - 분쇄된 석영과 같은 실리카를 플라즈마 아크 반응기 내에 공급하는 단계;
- 실리카 용융물의 전기 전도도를 향상시키고/향상시키거나 용융 온도를 낮추고/낮추거나 흄드 실리카 생산 속도 및/또는 품질을 개선하기 위해 공급된 실리카에 첨가제(들)을 첨가하는 단계;
- 플라즈마 아크를 반응기 내에서 적어도 하나의 상부 전극의 팁(tip)에서 생성하는 단계;
·실리카의 기화 에너지를 감소시킴으로써,
·아크 전력을 증가시켜 실리카 기화율을 향상시킴으로써,
·흄드 실리카 형태의 비정질 나노 크기 실리카 입자들의 표면 화학 및 특성들을 향상시키기 위해 증기와 같은 주입된 가스(들)의 플라즈마 아크 가열을 통해 H, O 및 OH와 같은 반응성 종들을 도입함으로써
- 흄드 실리카 생산을 향상시키기 위해 상부 전극을 통해 가스들을 주입하는 단계;
- 플라즈마 아크를 반응기에 포함된 용융 실리카에 직접 전달하여 실리카를 기화시키고 SiO를 형성하는 단계;
- SiO를 ??칭하여 나노 비정질 입자들인 SiO2 로 개질(reform)하는 단계; 및
- 반응기로부터 흄드 실리카 형태의 비정질 SiO2 나노 입자들을 제거하는 단계를 포함하는 흄드 실리카를 생산하기 위한 플라즈마 아크 공정.
- 플라즈마 아크를 생성하도록 구성된 반응기, 반응기 내에 함유된 용융 실리카까지 연장되는 적어도 하나의 상부 전극, 용융 실리카 하부에 제공되는 전도성 판, 바닥 애노드를 포함하는 흄드 실리카를 생성하기 위한 장치로서, 전극의 팁에 제공되는 플라즈마 아크는 SiO를 형성하기 위한 용융 실리카로 직접 전달되도록 구성되고, 반응기 내에 주입되는 수소 및 산소 함유 가스와 같은 ??칭 시스템은 SiO2를 나노 크기의 비정질 입자들로 개질하도록 구성되며, 흄드 실리카가 반응기에서 빠져나가도록 하는 배출구를 구비한, 장치.
- 제2항에 있어서, 반응기를 통해 흐르는 전류의 경로는 전극에서 시작하여 전극과 용융 실리카 사이에 플라즈마 아크를 형성하고 전도성 용융 실리카를 통해 전도성 판으로 흐른 다음 바닥 애노드를 통과하는, 장치.
- 제2항 또는 제3항에 있어서, 바닥 애노드에 냉각 핀들이 제공되고, 냉각 핀들을 냉각하기 위해 공기 송풍기가 제공되는, 장치.
- 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, ??칭 시스템은 적어도 하나의 가스 주입 포트를 포함하는, 장치.
- 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 고온 가스 및 흄드 실리카 입자들의 흐름이 배출구를 통해 반응기에서 빠져나가기 때문에, 더 큰 크기의 흄드 실리카 응집체를 수집하기 위해 집진기(cyclone)가 제공되는, 장치.
- 제1항에 있어서, 뜨거운 가스 흐름을 냉각하기 위해 집진기 하부에 가스/액체 냉각기가 제공되는, 장치.
- 제7항에 있어서, 가스 흐름에서 대부분의 미세한 흄드 실리카 미립자를 분리하기 위해 백-하우스형(baghouse-type) 필터가 가스/액체 냉각기의 하부에 제공되는, 장치.
- 제8항에 있어서, 가스를 추가로 필터링하고 흄드 실리카 흔적을 제거하기 위해 미세 미립자 필터가 백-하우스 유형 필터의 하부에 제공되는 장치.
- 제9항에 있어서, 가스를 반응기 밖으로 끌어내고 대기압 이하(sub-atmospheric)의 압력을 제공하기 위해 유도 통풍 팬(induced draft fan)이 미세 미립자 필터 하부에 제공되는, 장치.
- - 분쇄된 석영과 같은 실리카를 플라즈마 아크 반응기 내에 공급하는 단계;
- 플라즈마 아크를 반응기 내에서 적어도 하나의 상부 전극의 팁에서 생성하는 단계;
- 플라즈마 아크를 반응기에 포함된 용융 실리카로 직접 전달하여 실리카를 기화시키고 SiO를 형성하는 단계;
- SiO를 ??칭하여 나노 비정질 입자들인 SiO2 로 개질하는 단계; 및
- 반응기로부터 흄드 실리카 형태의 비정질 SiO2 나노 입자들을 제거하는 단계를 포함하는 흄드 실리카를 생산하기 위한 플라즈마 아크 공정.
- 기존 공정보다 더 낮은 에너지 필요와 더 낮은 탄소 발자국으로 흄드 실리카를 연속적으로 생산하기 위한 플라즈마 공정.
- 실리카를 용융, 기화 및 분해한 후 연속적으로 증기상을 ??칭하여 하나의 단계로 흄드 실리카를 형성하고 기능화(functionalize)하는 장치.
- 실리카를 흄드 실리카로 직접 변환하는 플라즈마 아크 공정.
- 실질적으로 폐기물이 없고 어떠한 유해 폐기물도 생성하지 않는 흄드 실리카를 제조하기 위한 플라즈마 아크 공정.
- 임의의 환원제 없이 실리카를 일산화규소로 열분해하는 장치.
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