WO2011003473A1 - Abgasfreies molekularkraftwerk auf der basis von stickstoff und silizium - Google Patents

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WO2011003473A1
WO2011003473A1 PCT/EP2009/058866 EP2009058866W WO2011003473A1 WO 2011003473 A1 WO2011003473 A1 WO 2011003473A1 EP 2009058866 W EP2009058866 W EP 2009058866W WO 2011003473 A1 WO2011003473 A1 WO 2011003473A1
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nitrogen
silicon
containing starting
reaction
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PCT/EP2009/058866
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Florian Krass
Maximilian Heusch
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Sincono Ag
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Publication date
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    • C01B21/06—Binary compounds of nitrogen with metals, with silicon, or with boron, or with carbon, i.e. nitrides; Compounds of nitrogen with more than one metal, silicon or boron
    • C01B21/068—Binary compounds of nitrogen with metals, with silicon, or with boron, or with carbon, i.e. nitrides; Compounds of nitrogen with more than one metal, silicon or boron with silicon
    • C01B21/0685—Preparation by carboreductive nitridation
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    • C01B32/963—Preparation from compounds containing silicon
    • C01B32/984—Preparation from elemental silicon

Definitions

  • This application relates to methods for providing energy using excited nitrogen, corresponding mixture of nitrogen and silicon fractions, and apparatus for providing energy.
  • CO 2 carbon dioxide
  • Nitrogen represents the largest percentage of air. Nitrogen is non-toxic, but is considered non-flammable and chemically very inert. The reason for the inertness of nitrogen is the extremely high stability of the triple bond. The triple bond can, according to the experts, hardly be split thermally at combustion temperatures below 3000 K.
  • the object of the present invention is to name possible starting materials (as starting materials) and their technical representation
  • Atmosphere while avoiding the energetically unfavorable heating of the 80% - nitrogen content, which forms previously toxic nitrogen oxides.
  • thermal recycling of the nitrogen content which accounts for about 80% of the atmosphere, by exothermic nitridation to nitrogen compounds, such as high quality ceramic powder compounds (Si 3 N 4 and / or SiC).
  • Fig. 1 a first exemplary inventive
  • Embodiment of a device for providing energy Embodiment of a device for providing energy. Detailed description
  • starting materials also called reactants or reactants.
  • suitable starting materials are referred to herein as starting materials.
  • the reactions of the invention are designed to serve to provide energy W, i. Make energy (e.g., heat) technically available or usable.
  • the reactions of the invention are based on the use of silicon-containing starting material (1st starting material) and nitrogen-containing starting material (2nd starting material). Optionally comes too
  • carbonaceous starting material (3rd starting material) is used. It is always about the interaction or interaction of two or even these three material groups.
  • silicon-containing starting materials (1. starting materials) (silica solid compounds) are particularly suitable for implementing the invention:
  • the first starting materials (quartz) sand, shale, silica, orthosilicic acid, diatomaceous earth or carbon, silica, silicates, bentonite and bauxite all contain silicon in the form of silica (e).
  • the diatomaceous carbon or earth contains a proportion of combustible
  • Substance (s) typically about 50%
  • diatom housings and quartz silt contains silicon dioxide (preferably in an amorphous, surface-enlarged form).
  • Silica content is preferably more than 20%.
  • the combustible substance (s) are carbons or hydrocarbons.
  • the diatomaceous charcoal has the advantage that it is relatively large pore, since (mainly) the silicon compound portion is provided with pores (due to organically grown skeletal structures). This large porosity allows the
  • diatomaceous charcoal preferably liquid nitrogen (as 2nd source).
  • the diatom carbon can also be impregnated, wetted or mixed with (preferably liquid) NH 3 (for example from manure) or O 2 .
  • Nitrogen (as 2nd starting material) soaked or mixed.
  • diatom carbon is used (as the first starting material)
  • Hydrocarbon (proportion) (as 3rd raw material), such as
  • oil sands e.g., from natural oil sands deposits
  • Coal / kieselguhr mixtures e.g., diatomaceous earth or carbon
  • Starting material (as the first starting material) and hydrocarbon (proportion) (as 3rd starting material) to use in the inventive method, hydrocarbon-containing industrial or natural waste, possibly after mixing with sand, can be used.
  • silicon-containing starting material are particularly those materials that are already natural in a mold
  • Highly porous silicon is particularly suitable as the first starting material (for example, according to the FCC-Cambridge electrolysis process) or highly porous
  • Silicon compounds such as silicates
  • silicate sponge such as silicate sponge
  • 3rd raw material instead of the oil content natural asphalt (also called Erdpech) use.
  • oil content natural asphalt also called Erdpech
  • Particularly preferred is a mixture of asphalt with pure sand or rubble containing sand fractions.
  • water glass a mixture of sand (as the 1st starting material) with acid or alkali, are used.
  • the waterglass may also be mixed with mineral oils (as the third starting material) to provide the desired level of hydrocarbon when needed.
  • Microemulsion method The use of water glass has the advantage that the starting material or starting materials are chemically liquefied by the addition of an acid or alkali, resulting in handling (e.g.
  • Conveyability, injectability) of the starting materials and / or for the course of the reaction may be advantageous.
  • the water glassy mixture according to the invention can be obtained by combining siliceous material and alkali or acid to be provided.
  • the lye is preferably an inorganic lye (eg NaOH, CaOH) or a nitrogen-based lye (eg NH 3 lye, NH 4 Cl). If an acid is used, then preferably a nitrogen-based acid (eg urea) is used.
  • Silica dioxide-containing waterglass (as the first starting material) in the oil (eg crude oil) as a third starting material is emulsified and impregnated or mixed with either liquid nitrogen (as a second starting material) or with frozen nitrogen (as 2nd source material) is combined.
  • siliceous water glass (as 1. Ninmat ⁇ ria!),. with or without oil, by
  • container is used herein to describe granules, powders, pellets, flakes, grains, briquettes, lumps, crystals, pellets, agglomerates, tablets, spheres and the like. This container form has a large surface area per unit volume.
  • the liquid nitrogen is used, on the one hand, as a cold medium, for example by a type of freeze-drying or by freeze-freezing (these two processes are referred to here as the freezing reaction)
  • the liquid nitrogen can also serve as a nitrogen source (as the second starting material) for the reactions according to the invention.
  • the silicon-containing and nitrogen-containing starting materials are mixed accordingly.
  • the liquid nitrogen may be brought together either during the reaction with the other starting material or materials (e.g.
  • Liquid nitrogen is injected), or liquid nitrogen may be premixed with the starting material (s) beforehand.
  • one of the reaction (2) or (3) proceeds, depending on the reaction condition, both reactions (2) and (3) proceed.
  • the invention uses, inter alia, the fact that silicon (eg as a container at a suitable temperature) after ignition directly with cold nitrogen (For example, nitrogen from the ambient air) can be converted to silicon nitride.
  • the reaction (2) is highly exothermic (see also EP 1918248 A2 publication).
  • hydrocarbons or hydrocarbon fractions used as the third starting material take over / take on the role of
  • the nitrogen content is thus preferably in a predetermined stoichiometric ratio to the silicon content.
  • reaction reaction due to the physical conditions (density, molecular weights, specific surface area, electromagnetic excitation) spontaneously initiates a reaction reaction.
  • the rate of this reaction depends on the amounts of reactants offered, which are preferably provided at the described molar ratio, and on the density and spacing of the reactants, respectively.
  • the excitation of the second nitrogen-containing starting material is preferably carried out with concentrated electromagnetic radiation (eg light, microwave or ultrasound).
  • concentrated electromagnetic radiation eg light, microwave or ultrasound.
  • the excitation of the second nitrogen-containing starting material is preferably carried out with radiation, which acts on the triple bond of the molecular nitrogen.
  • the excitation of the second nitrogen-containing starting material with (laser) light leads to an excitation of the ⁇ -electrons of the triple bond and / or the nonbonding electrons of the molecular nitrogen.
  • the absorption of the light quanta leads to an excitation, respectively raising the electrons to higher energy levels.
  • Light in the UV wavelength range acts primarily on the electrons
  • light in the IR wavelength range (with lower energy) acts primarily on the atoms of the nitrogen and these in
  • Light energy taken up to higher energy levels when the electrons are raised can either be converted to heat, or this increase increases the reactivity (or makes the inert nitrogen reactive in the first place), allowing reactions with the other reactants (eg, silicon) ,
  • electromagnetic radiation causes excitation
  • this starting material especially the N 2 molecules. If you go to short wavelengths in the UV range, then the photons transfer so much energy into the target structure (eg, the N 2 molecules) that electrons can not only be lifted but even torn away. The molecules then become radicals or ions that have a high level of internal energy and are very reactive. These forms of stimulation are purely physical and not chemical. In the visible wavelength range and in the IR range, electrons are more likely to be elevated to lower energy levels. For example, light in the infrared range causes vibrations of the molecules, which usually convert quickly into heat. Thermal breakup of bonds (eg, the triple bond of nitrogen) occurs when the light intensity is so high that multiple photon absorption occurs, or when multiphoton absorption raises the local temperature so much that thermochemical processes begin.
  • This light used in an infrared wavelength range. This light has a wavelength of 780 nm - 1 mm (with an energy between 12.4 eV and 3.3 eV) and / or
  • lasers are suitable as light sources.
  • Particularly suitable lasers are suitable as light sources.
  • lasers are used which are tunable to accurately set the correct wavelength.
  • microwave nitrogen activation a microwave irradiation (here called microwave nitrogen activation) are exposed.
  • this is at a wavelength which is above 1 mm and more preferably in the range of 10 "1 to 10 " 2 m; and or
  • the carbothermal nitration which is considered to be a partial reaction of the invention, can be optimized for specific substances. This carbothermic nitration can be divided into two sub-processes (which take place in succession or at different times); (1) carbothermic reduction of the silica; (2) nitridation (nitration) of silicon with nitrogen to Si 3 N 4 . Of the
  • Reaction course can be achieved, for example, by an additional N 2 gas stream (as
  • Pre-treatment of the 1st and / or 2nd and / or 3rd starting materials and the ratio of the molar amounts are controlled.
  • optical pulse excitation with (bundled) laser pulses. Depending on the wavelength, this excitation acts on the electrons of the nitrogen or on the nitrogen molecules, as described.
  • a first exemplary embodiment according to the invention of a device 100 for providing energy is shown. It is a purely schematic and simplified representation.
  • the device 100 is designed to provide energy W and comprises a region 10 for providing silicon-containing starting material 12 and a region 20 for providing nitrogen-containing starting material 22.
  • a Reaction region 30 arranged so that the starting materials 12 and 22 are brought together.
  • nitrogen-containing starting material 22 in the reaction region 30 is provided.
  • These means 40 are here illustrated by a rectangular box and by a Biitzsymbol which is intended to represent the energy input by means of electromagnetic radiation in the reaction region 30.
  • the excitation causes an exothermic reaction of the two starting materials 12, 22 in the reaction region 30, as described.
  • Heat is generated during the reaction, as indicated by the arrow W and, for example, silicon nitride, which can be removed through an opening 31.
  • Starting material 12 can be introduced through an opening 11. in the
  • an optional heating coil 13 may be attached to the first heating coil
  • Starting material 22 can be introduced through an opening 21. in the
  • an optional cooling coil 23 may be attached to the
  • Starting material 12 falls from the area 10 via a fall distance in the
  • FIG. 3 shows a third exemplary embodiment of a device 100 for supplying energy W according to the invention.
  • Reaction area 30 is shown in a schematic sectional view. From above, sand is introduced through a funnel 14 or an opening 11. The sand trickles into the interior of the reaction zone 30, as in FIG. 3
  • Hydrocarbon e.g., hydrocarbon gas or coal
  • Hydrocarbon is introduced laterally into the reaction zone 30 through at least one nozzle or at least one inlet tube 15. There is this hydrocarbon with
  • Oxygen burned (oxygen supply is not shown, but can be turned on and off).
  • the combustion zones or flames are represented in FIG. 3 by elliptical zones 16.
  • an inlet pipe 18 also called combustion tube or fuel rod
  • this inlet pipe 18 is made of a
  • a means 40 for exciting the nitrogen-containing starting material 22 is used. This may be, for example, a wave generator or laser light generator that excites the nitrogen molecules as described. Depending on the setting of the device 100, the nitrogen molecules excited by the means 40 and the high temperatures only enter the lower region of the reaction zone 30
  • Silicon nitride powder is formed. Or the actual reaction takes place only in the
  • Nozzle channel 32 instead, where it comes to the physical compaction of the reactants due to the geometry.
  • an inlet tube 18 is used, which is designed in the form of a "plasma gun" to the nitrogen gas in a
  • the plasma is either in the means 40 for exciting the nitrogen-containing starting material 22 or in the Inner of the inlet tube 18 produced by the arrangement of a cathode and an anode spaced therefrom.
  • a rotating electrode 41 in propeller or tubular form can further accelerate the gas flow and / or absorb kinetic energy, for example, to generate electricity.
  • the silicon-containing starting material 12 can also be used in the form of water glass here or in the embodiment shown in FIGS. 1 and 2.

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Abstract

Es geht um Verfahren und Vorrichtungen zum Bereitstellen von Energie mit den folgenden Schritten : - Bereitstellen von siliziumhaltigem Ausgangsmaterial, - Bereitstellen von stickstoffhaltigem Ausgangsmaterial, - Zusammenbringen des siliziumhaltigen Ausgangsmaterials und des stickstoffhaltiges Ausgangsmaterials, - externes Anregen des stickstoffhaltigen Ausgangsmaterials, um eine exotherme Reaktion der beiden Ausgangsmaterialien auszulösen.

Description

ABGASFREIES MOLEKULARKRAFTWERK AUF DER BASIS VON
STICKSTOFF UND SILIZIUM
[001] Diese Anmeldung betrifft Verfahren zum Bereitstellen von Energie unter Einsatz von angeregtem Stickstoff, entsprechendes Gemisch aus Stickstoff- und Siliziumanteilen, sowie Vorrichtung zum Bereitstellen von Energie.
[002] Bei den bisherigen Verbrennungsprozessen wird Sauerstoff eingesetzt, um zum Beispiel Kohlenstoff zu oxidieren. Bei dieser Form der Verbrennung entsteht Kohlendioxid (CO2), das mittlerweile als Treibhausgas eingestuft wird. Ideal wäre es, wenn man Verbrennungsprozesse finden würde, die CO2-neutral sind oder die überhaupt kein CO2 produzieren.
[003] Es gibt Oxidationsprozesse, bei denen zum Beispiel aus Wasserstoff (H2) Wasser oder aus einem Metall ein Metalloxid entsteht. Verschiedentlich wird Silizium als ein geeignetes Metall beschrieben, da Silizium mit Sauerstoff zu Siliziumdioxid (SiO2), d.h. zu Quarzsand, oxidiert. Bei diesen Reaktionen wird Energie freigesetzt und es entstehen keine schädlichen Abgase. Leider erfordert das Herstellen des elementaren Siliziums Energie. Bei einer entsprechenden carbothermischen Reduktion von Sand zu Silizium wird Kohlenstoff eingesetzt und es entsteht CO2. Wenn man jedoch erneuerbare Energieformen (z.B.
Sonneenergie) zur Reduktion des Sandes einsetzt, so kann der gesamte Prozess komplett oder nahezu CO2-frei realisiert werden.
[004] Noch besser geeignet wäre jedoch ein Energiebereitstellungsansatz, der die anderen Luftanteile, die außer dem Sauerstoff in Luft vorhanden sind, effizient zum Einsatz bringt. Stickstoff stellt den größten prozentualen Anteil an Luft. Stickstoff ist ungiftig, wird aber als nicht brennbar und chemisch sehr reaktionsträge betrachtet. Der Grund für die Reaktionsträgheit von Stickstoff ist die extrem hohe Stabilität der Dreifachbindung. Die Dreifachbindung kann, so die Expertenmeinung, bei Verbrennungstemperaturen unter 3000 K kaum thermisch gespalten werden.
[005] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, mögliche Ausgangsstoffe (als Ausgangsmaterialien) zu benennen und ihre technische Darstellung zu
beschreiben, die in Verfahren eingesetzt werden können, die zur
Energiebereitstellung dienen.
[006] Gemäss Erfindung kommt es in einem Teilschritt zu einer exothermen chemisch/physikalischen Reaktion, bei der Stickstoff als Reaktant dient. Die beim Verfahren zum Einsatz kommenden chemischen und physikalischen
Überlegungen sind dadurch gekennzeichnet, dass sowohl ein Siliziumanteil als auch ein Stickstoffanteil an einer Reaktion oder an mehreren Reaktionen teilnehmen, so dass Energie bereitgestellt wird.
[007] Insbesondere geht es um eine stöchiometrisch optimierte
carbothermische Nitridierung von reaktionsfähigen Gemischen, wie Sand, Ölsand, Schiefer, Bauxit, Silikate, Eisenoxide, Diatomeenkohle zur bifokalen
Energiegewinnung mit den Luftgasen O2 und N2. Dabei entstehen
hochverdichtete Molekulargemische, die schwerer als Luft und damit als Pulver, Flüssigkeit oder Feststoff einfach trennbar oder weiterverwertbar sind. Dadurch wird vermieden, dass bei der Energiegewinnung Atmosphärengase in ihrer Zusammensetzung verändert oder verschmutzt werden. [008] Insbesondere geht es um ein abgasfreies Molekularkraftwerk und um das Vermeiden von Abgasen durch ein Überführen bisheriger Abgase in
pulverförmige Wertstoffe, die schwerer sind als Luft. Diese Wertstoffe belasten daher nicht mehr die Atmosphäre oder Atemluft. Sie steht stattdessen für eine weitere industrielle Verwertung oder Wertschöpfung zur Verfügung. Zum Beispiel bringt die Kopplung von CO2-GaS an NaCI (Salz) wertvolles Soda und die
Kopplung von Silizium mit Stickstoff wertvolle Industriekeramik. NH3 mit Chlor kann zu Dünger reagiert werden.
[009] Unter anderem gewinnt man durch den Einsatz der Erfindung zwei Vorteile: Erstens abgasfreie, stöchiometrisch optimierte Verbrennung der
Kohlenwasserstoffe zusammen mit dem 20%-igen Luftsauerstoffanteil der
Atmosphäre, unter Vermeidung der energetisch ungünstigen Erhitzung des 80%- igen Stickstoffanteils, der bisher giftige Stickoxide bildet. Zweitens: Thermische Weiterverwertung des Stickstoffanteils, der ca. 80% der Atmosphäre ausmacht, durch exotherme Nitridierung zu Stickstoffverbindungen, wie zum Beispiel hochwertigen Keramikpulververbindungen (Si3N4 und/oder SiC).
[0010] Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
[0011] Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben.
[0012] Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben. In den Zeichnungen sind verschiedene Aspekte der Erfindung schematisch dargestellt, wobei die Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 : eine erste beispielhafte erfindungsgemäße
Ausführungsform einer Vorrichtung zum Bereitstellen von Energie; Fig. 2: eine zweite beispielhafte erfindungsgemäße
Ausführungsform einer Vorrichtung zum Bereitstellen von Energie; Fig. 3: eine dritte beispielhafte erfindungsgemäße
Ausführungsform einer Vorrichtung zum Bereitstellen von Energie. Detaillierte Beschreibung
[0013] Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen beschrieben.
[0014] Gemäss Erfindung geht es um gezielt ablaufende physikalischchemische Reaktionen, bei denen aus den Ausgangsstoffen (auch Edukte oder Reaktanden genannt) chemische Verbindungen (Produkte genannt) entstehen. Die geeigneten Ausgangsstoffe werden hier als Ausgangsmaterialien bezeichnet.
[0015] Die erfindungsgemäßen Reaktionen sind so ausgelegt, dass sie dazu dienen Energie W bereitzustellen, d.h. Energie (z.B. Wärmeenergie) technisch verfügbar oder nutzbar zu machen.
[0016] Die erfindungsgemäßen Reaktionen basieren auf dem Einsatz von siliziumhaltigem Ausgangsmaterial (1. Ausgangsmaterial) und stickstoffhaltigem Ausgangsmaterial (2. Ausgangsmaterial). Optional kommt auch
kohlenstoffhaltiges Ausgangsmaterial (3. Ausgangsmaterial) zum Einsatz. Es geht also stets um das Zusammenspiel oder Zusammenwirken von zwei oder gar dieser drei Materialgruppen.
[0017] Folgende siliziumhaltige Ausgangsmaterialien (1. Ausgangsmaterialien) (Siliziumdioxidfeststoffverbindungen) eignen sich besonders zur Umsetzung der Erfindung :
- (Quarz-)Sand (SiO2);
- Schiefer (SiO2 + [CO3 ]2);
- Kieselsäure (Sauerstoff säure des Siliziums (SiO2 ■ n H2O));
- Orthokieselsäure Si(OH)4 oder H4SiO4;
- Diatomeenerde oder -kohle (kieselgur- respektive kieselalgenhaltig);
- Kieselerde, die zu mehr als 80 Prozent aus Siliziumdioxid (SiO2) besteht;
- Silikate oder silikathaltige Gemische oder Gesteine;
- Bentonit;
- Bauxit. [0018] Die 1. Ausgangsmaterialien (Quarz-)Sand, Schiefer, Kieselsäure, Orthokieselsäure, Diatomeenerde oder -kohle, Kieselerde, Silikate, Bentonit und Bauxit enthalten alle Silizium in Form von Siliziumoxid(e).
[0019] Die Diatomeenkohle oder -erde enthält einen Anteil brennbarer
Substanz(en) (typischerweise einen Anteil von ca. 50%) und einen Anteil aus Diatomeengehäusen und Quarzschluff. Dieser Anteil enthält Siliziumdioxid (vorzugsweise in amorpher, oberflächenvergrösserter Form). Der
Siliziumdioxidanteil beträgt vorzugsweise mehr als 20%. Bei der/den brennbaren Substanz(en) handelt es sich um Kohlenstoffe oder Kohlenwasserstoffe. Die Diatomeenkohle hat den Vorteil, dass sie relativ großporig ist, da (hauptsächlich) der Siliziumverbindungsanteil mit Poren versehen ist (aufgrund organisch gewachsener Skelettstrukturen). Diese Großporigkeit ermöglicht es, die
Diatomeenkohle mit (vorzugsweise flüssig) Stickstoff (als 2. Ausgangsmaterial) zu tränken, benetzten oder zu mischen. Alternativ oder zusätzlich kann die Diatomeenkohle auch mit (vorzugsweise flüssigem) NH3 (z.B. aus Gülle) oder O2 getränkt, benetzt oder gemischt werden.
[0020] Ganz besonders bewährt sich Diatomeenkohle, die mit flüssigem
Stickstoff (als 2. Ausgangsmaterial) getränkt oder vermengt ist.
[0021] Vorzugsweise kommt Diatomeenkohle (als 1. Ausgangsmaterial) zum Einsatz,
- deren Dichte kleiner ist als 1 g/cm3 und/oder
- deren spezifische Oberfläche grösser ist als 5 m2/g-
[0022] Ganz besonders geeignet sind Mischungen (Gemische) aus
siliziumhaltigem Ausgangsmaterial (als 1. Ausgangsmaterial) und
Kohlenwasserstoff(anteil) (als 3. Ausgangsmaterial), wie zum Beispiel
- Ölsand (z.B. aus natürlichen Ölsandvorkommen);
- Sand (als 1. Ausgangsmaterial), der mit Mineralöl (als 3. Ausgangsmaterial) versetzt ist;
- Ölschiefer;
- teerhaltiger Sand oder Schiefer;
- Kohle/Sand-Gemische; - Kohle/Silikat-Gemische;
- Kohle/Kieselgur-Gemische (z.B. Diatomeenerde oder -kohle)
[0023] Anstatt natürlich vorkommende Mischungen aus siliziumhaltigem
Ausgangsmaterial (als 1. Ausgangsmaterial) und Kohlenwasserstoff(anteil) (als 3. Ausgangsmaterial) in den erfindungsgemäßen Verfahren einzusetzen, können auch kohlenwasserstoffhaltige industrielle oder natürliche Abfälle, eventuell nach Vermengung mit Sand, eingesetzt werden.
[0024] Als siliziumhaltiges Ausgangsmaterial (als 1. Ausgangsmaterial) eignen sich besonders solche Materialien, die bereits natürlich in einer Form
vorkommen, die eine gewisse Porosität, respektive eine große spezifische
Oberfläche aufweisen, wie bereits im Zusammenhang mit Diatomeen erwähnt. Besonders eignet sich hochporöses Silizium als 1. Ausgangsmaterial (z.B. nach dem FCC-Cambridge Elektrolyseverfahren) oder hochporöse
Siliziumverbindungen (wie Silikate), wie zum Beispiel Silikatschwamm.
[0025] Es ist auch denkbar als 3. Ausgangsmaterial statt des Ölanteils natürlichen Asphalt (auch Erdpech genannt) einzusetzen. Besonders bevorzugt ist ein Gemisch aus Asphalt mit reinem Sand oder mit Bauschutt, der Sandanteile enthält.
[0026] Es kann auch sogenanntes Wasserglas, eine Mischung aus Sand (als 1. Ausgangsmaterial) mit Säure oder Lauge, eingesetzt werden. Das Wasserglas kann auch mit mineralischen Ölen (als 3. Ausgangsmaterial) versetzt werden, um bei Bedarf den erwünschten Kohlenwasserstoffanteil zu liefern. Beim
Herstellen des Wasserglases mit Ölanteil handelt es sich um eine Art
Mikroemulsionsverfahren. Der Einsatz von Wasserglas hat den Vorteil, dass das Ausgangsmaterial oder die Ausgangsmaterialien durch Zugabe einer Säure oder Lauge chemisch verflüssigt werden, was für die Handhabung (z.B. die
Förderbarkeit, Einspritzbarkeit) der Ausgangsmaterialien und/oder für den Reaktionsablauf von Vorteil sein kann.
[0027] Die erfindungsgemässe wasserglasartige Mischung kann durch das Zusammenbringen von siliziumdioxidhaltigem Material und Lauge oder Säure bereitgestellt werden. Dabei handelt es sich bei der Lauge vorzugsweise um eine anorganische Lauge (z.B. NaOH, CaOH) oder um eine stickstoffbasierte Lauge (z.B. NH3-Lauge, NH4CI). Wenn eine Säure eingesetzt wird, dann kommt vorzugsweise eine stickstoffbasierte Säure (z.B. Harnstoff) zum Einsatz.
[0028] Ganz besonders bewährt sich siliziumdioxidhaltiges Wasserglas (als 1. Ausgangsmaterial) in dem Öl (z.B. Rohöl) als 3. Ausgangsmaterial emulgiert ist und das entweder mit flüssigem Stickstoff (als 2. Ausgangsmaterial) getränkt oder vermengt ist, oder das mit gefrorenem Stickstoff (als 2. Ausgangsmaterial) kombiniert ist.
[0029] In einer bevorzugten Ausführungsform wird siliziumdioxidhaltiges Wasserglas (als 1. Ausgangsmatβria!),. mit oder ohne ÖianteN, durch
Gefriertrocknung unter Einsatz von Flüssigstickstoff (als 2. Ausgangsmaterial) vorbehandelt. Dabei verdampfen Eiskristalle des Wasserglases direkt ohne den Übergang in den flüssigen Zustand und es entstehen siliziumdioxidhaltige
Gebinde. Die Ausführungsform nach Fig.2 ist besonders für diesen Fall geeignet.
[0030] Der Begriff Gebinde wird hier verwendet, um Granulat, Pulver, Pellets, Flocken, Körner, Briketts, Klumpen, Kristalle, Presslinge, Agglomerate, Tabletten, Kugeln und dergleichen zu umschreiben. Diese Gebindeform weist eine grosse Oberfläche pro Volumeneinheit auf.
[0031] Folgende stickstoffhaltige Ausgangsmaterialien
(Stickstoffflüssigverbindungen, -gasverbindungen oder -feststoffverbind ungen) eignen sich als 2. Ausgangsmaterial besonders zur Umsetzung der Erfindung :
- reiner Stickstoff in flüssiger (hier auch als Flüssigstickstoff bezeichnet),
gasförmiger oder -fester (Eis-)Form;
- Gemische oder Verbindungen mit einem hohen Stickstoffanteil (z.B. NH3 oder Harnstoff).
[0032] Der Flüssigstickstoff dient je nach Verfahren einerseits als Kältemedium, um zum Beispiel durch eine Art Gefriertrocknung oder durch das Schockgefrieren (diese beiden Prozesse werden hier als Gefrierreaktion bezeichnet) die
Ausgangsmaterialien in eine geeignete Gebindeform zu überführen. Andererseits kann der Flüssigstickstoff auch als Stickstofflieferant (als 2. Ausgangsmaterial) für die erfindungsgemässen Reaktionen dienen. Im letzteren Fall werden die siliziumhaltigen und stickstoffhaltigen Ausgangsmaterialien entsprechend gemischt.
[0033] Der Flüssigstickstoff kann entweder während der Reaktion mit dem oder den anderen Ausgangsmaterialien zusammengebracht werden (z.B. indem
Flüssigstickstoff eingespritzt wird), oder Flüssigstickstoff kann vorher dem oder den Ausgangsmaterialien zugemengt werden.
[0034] Unter geeigneten Umgebungsbedingungen findet gemäß Erfindung eine Reduktion statt, die wie folgt stark vereinfacht dargestellt werden kann :
SiO2 ιe" > Si (1)
[0035] Dass heißt, es wird der im siliziumhaltigen Ausgangsmaterial
vorhandene Quarzanteil umgewandelt in kristallines (elementares, metallisches) Silizium.
[0036] Es ist bekannt, dass Silizium mit Stickstoff bei 135O0C zu Siliziumnitrid verbrennt. Diese Reaktion (2) ist exotherm
T = 13500C
3 Si + 2 N2 (g) -» Si3N4 Δ H = - 744 kJ/Mol (exotherm) (2)
[0037] Es ist auch bekannt, dass Silizium mit Kohlenstoff leicht exotherm zu Siliziumcarbid reagiert.
Si + C -> SiC Δ H = - 65.3 kJ/Mol (exotherm) (3)
[0038] Gemäss Erfindung läuft eine der Reaktion (2) oder (3) ab, je nach Reaktionsbedingung, laufen beide Reaktion (2) und (3) ab.
[0039] Die Erfindung nutzt unter anderem die Tatsache, dass Silizium (z.B. als Gebinde bei geeigneter Temperatur) nach Zündung direkt mit kaltem Stickstoff (z.B. Stickstoff aus der Umgebungsluft) zu Siliziumnitrid umgesetzt werden kann. Die Reaktion (2) ist stark exotherm (siehe auch EP 1918248 A2 Publikation).
[0040] Die als 3. Ausgangsmaterial zum Einsatz kommende Kohlenwasserstoffe oder Kohlenwasserstoffanteile übernimmt/übernehmen die Rolle des
Primärenergielieferanten und/oder die Rolle des Reduktionsmittels (Kohlenstoff raubt dabei dem SiO2 den Sauerstoff und wird zu CO oder CO2 oxidiert).
[0041] Die Erfindung läuft besonders vorteilhaft ab, wenn eine oder mehrere der folgenden Reaktionsbedingungen erfüllt sind :
- Enges Zusammenbringen des 1. siliziumhaltigen Ausgangsmaterials und des 2. stickstoffhaltigen Ausgangsmaterials in einem geeigneten Mischungsverhältnis. Ideal ist ein Mischungsverhältnis, bei dem die dreifache Molmenge des siliziumhaltigen Ausgangsmaterials ungefähr der vierfachen Molmenge des stickstoffhaltigen Ausgangsmaterials entspricht (plus minus 25%). In anderen Worten ausgedrückt, liegt das Verhältnis Molmenge des siliziumhaltigen
Ausgangsmaterials zu der Molmenge des stickstoffhaltigen Ausgangsmaterials bei ca. 3A plus minus 25%. Der Stickstoffanteil steht somit vorzugsweise in einem vorgegebenen stöchiometrischen Verhältnis zu dem Siliziumanteil.
- Sicherstellen von Randbedingungen, die eine exotherme Reaktion
ermöglichen, bei der es sich vorzugsweise um eine Kombination aus
physikalischen und chemischen Vorgängen handelt.
- Sicherstellen von Randbedingungen, die eine exotherme Reaktion
ermöglichen, bei der aufgrund der physikalischen Gegebenheiten (Dichte, Molmassen, spezifische Oberfläche, elektromagnetische Anregung) spontan eine Umsetzungsreaktion einsetzt. Die Geschwindigkeit dieser Umsetzung hängt ab von den angebotenen Mengen der Reaktanden, die vorzugsweise mit dem beschriebenen Molmengenverhältnis bereitgestellt werden, und von der Dichte respektive dem Abstand der Reaktanden.
- Sicherstellen von Randbedingungen, die eine exotherme Autokatalysereaktion ermöglichen.
- Das Anregen des 2. stickstoffhaltigen Ausgangsmaterials erfolgt vorzugsweise mit konzentrierter elektromagnetischer Strahlung (z.B. Licht, Mikrowelle oder Ultraschall). - Das Anregen des 2. stickstoffhaltigen Ausgangsmaterials erfolgt vorzugsweise mit Strahlung, die auf die Dreifachbindung des molekularen Stickstoffs einwirkt.
- Das Anregen des 2. stickstoffhaltigen Ausgangsmaterials mit (Laser-)Licht führt zu einer Anregung der π-Elektronen der Dreifachbindung und/oder der nichtbindenden Elektronen des molekularen Stickstoffs. Die Energie der elektromagnetischen Strahlung kann durch die Gleichung E = h * f = h * c/λ ausgedrückt werden, wobei f die Frequenz, h die Planck-Konstante, λ die Wellenlänge und c die Lichtgeschwindigkeit sind. Da man die Energie pro Bindung kennt, kann ermittelt werden, dass UV-Licht mit einer Wellenlänge von 127 nm (im UV-C-Bereich) in der Lage ist die Energie bereitzustellen, die erforderlich ist, um die Dreifachbindung aufzubrechen. Die Aufnahme der Lichtquanten führt zu einer Anregung, respektive Anhebung der Elektronen in höhere Energieniveaus. Licht im UV-Wellenlängenbereich wirkt primär auf die Elektronen ein, während Licht im IR-Wellenlängenbereich (mit geringerer Energie) primär auf die Atome des Stickstoffs einwirkt und diese in
Molekülschwingungen (mechanische Schwingungen) versetzt. Die
Lichtenergie, die bei der Anhebung der Elektronen in höhere Energieniveaus aufgenommen wurde, kann entweder in Wärme umgesetzt werden, oder diese Anhebung erhöht die Reaktivität (respektive macht das inerte Stickstoff überhaupt erst reaktiv), was Reaktionen mit den anderen Reaktanden (z.B. mit Silizium) ermöglicht.
- Das Anregen des 2. stickstoffhaltigen Ausgangsmaterials führt zu einer
Radikalisierung, Ionisierung oder sogar zur Plasmabildung des Stickstoffs.
[0042] Das Bestrahlen des stickstoffhaltigen Ausgangsmaterials mit
elektromagnetischer Strahlung (wie z.B. Licht) führt zu einer Anregung,
Aktivierung oder Ionisierung dieses Ausgangsmaterials (insbesondere der N2- Moleküle). Wenn man zu kurzen Wellenlängen im UV-Bereich geht, dann übertragen die Photonen so viel Energie in die Zielstruktur (z.B. die N2- Moleküle), dass Elektronen nicht nur angehoben sondern sogar entrissen werden können. Aus den Molekülen werden dann Radikale oder Ionen, die ein hohes Mass an interner Energie aufweisen und die sehr reaktionsfreudig sind. Diese Formen der Anregung sind rein physikalischer und nicht chemischer Natur. [0043] Im sichtbaren Wellenlängenbereich und im IR-Bereich werden Elektronen eher in weniger hoch liegende Energieniveaus gehoben. Dafür verursacht z.B. Licht im Infrarotbereich Schwingungen der Moleküle, die sich aber normalerweise schnell in Wärme umwandeln. Das thermische Aufbrechen von Bindungen (z.B. der Dreifachbindung des Stickstoffs) findet statt, wenn die Lichtintensität so hoch ist, dass eine Mehrfachphotonen-Absorption stattfindet, oder wenn die Mehrfachphotonen-Absorption die lokale Temperatur so stark erhöht, dass thermochemische Vorgänge einsetzen.
[0044] Vorzugsweise wird zur optischen Stickstoffaktivierung oder -anregung
- Licht in einem infraroten Wellenlängenbereich eingesetzt. Dieses Licht hat eine Wellenlänge von 780 nm - 1 mm (mit einer Energie zwischen 12,4 eV und 3,3 eV) und/oder
- Licht im ultravioletten Wellenlängenbereich 100 nm - 380 nm (mit einer
Energie zwischen 1,6 eV und 0,001 eV) eingesetzt.
[0045] Als Lichtquellen eignen sich vor allem Laser. Besonders geeignet sind
- optisch gepumpte, gepulste Alexandrite Festkörperlaser im IR-Bereich mit einer mittleren Leistung im Wattbereich;
- gepulste Excimerlaser im UV-Bereich mit einer mittleren Leistung im
Wattbereich;
- Vorzugsweise kommen Laser zum Einsatz, die abstimmbar (tunable) sind, um die richtige Wellenlänge genau einstellen zu können.
[0046] Das stickstoffhaltige Ausgangsmaterial kann alternativ oder zusätzlich zur optischen Stickstoffaktivierung oder -anregung
- einer Mikrowellenbestrahlung (hier Mikrowellen-Stickstoffaktivierung genannt) ausgesetzt werden. Vorzugsweise liegt diese bei einer Wellenlänge, die oberhalb von 1 mm und besonders bevorzugt im Bereich von 10"1 bis 10"2 m liegt; und/oder
- einer Ultraschallbestrahlung (hier Ultraschall-Stickstoffaktivierung genannt) ausgesetzt werden. Die Wellenlänge liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 17 mm und 1,7 mm. [0047] Die carbothermische Nitrierung, die als Teilreaktion der Erfindung angesehen wird, kann stoffspezifisch optimiert werden. Diese carbothermische Nitrierung lässt sich in zwei Teilprozesse (die nacheinander oder zeitlich versetzt ablaufen) zerlegen; (1) carbothermische Reduktion des Siliziumdioxids; (2) Nitridierung (Nitrierung) des Siliziums mit Stickstoff zu Si3N4. Der
Reaktionsverlauf kann z.B. durch einen zusätzlichen N2-Gasstrom (als
zusätzliches 2. Ausgangsmaterial), das Temperatur-Zeit-Regime, die
Vorbehandlung der 1. und/oder 2. und/oder 3. Ausgangsmaterialien und das Verhältnis der Molmengen gesteuert werden.
[0048] Besonders eignet sich eine optische Pulsanregung mit (gebündelten) Laserpulsen. Diese Anregung wirkt je nach Wellenlänge auf die Elektronen des Stickstoffs oder auf die Stickstoffmoleküle, wie beschrieben.
[0049] Falls es aufgrund der elektromagnetischen Bestrahlung zu einer
Plasmabildung des Stickstoffs kommt, können sechs Stickstoffatome zu drei Siliziumatomen„fusionieren" oder verschmelzen, die dann mit dem vorhandenen Reststickstoff zur der Edelgaskonfiguration Si3N4 reagieren. Das Fusionieren oder Verschmelzen ist ein physikalischer Vorgang, wohingegen das Weiterreagieren ein chemischer Vorgang ist.
[0050] Besonders geeignet sind Mischungen der Ausgangsmaterialien, bei denen die Reaktanden nahe beieinander sitzen, um lawinenartig autokatalytisch reagieren zu können. Dieser Ausgangszustand wird hier als„kritische Dichte" bezeichnet. Aus diesem Grund wird das stickstoffhaltige Ausgangsmaterial in flüssiger oder gefrorener Form eingesetzt, um die kritische Dichte bereit zu stellen. Bei gasförmigem Stickstoff sind die Stickstoffatome weiter von einander beabstandet als in der flüssigen oder festen Form.
[0051] In Fig. 1 ist eine erste beispielhafte erfindungsgemäße Ausführungsform einer Vorrichtung 100 zum Bereitstellen von Energie gezeigt. Es handelt sich um eine rein schematische und vereinfachte Darstellung. Die Vorrichtung 100 ist zum Bereitstellen von Energie W ausgelegt und umfasst einen Bereich 10 zum Bereitstellen von siliziumhaltigem Ausgangsmaterial 12 und einen Bereich 20 zum Bereitstellen von stickstoffhaltigem Ausgangsmaterial 22. Unterhalb ist ein Reaktionsbereich 30 so angeordnet, dass die Ausgangsmaterialien 12 und 22 zusammengebrachte werden. Es sind Mittel 40 zum Anregen des
stickstoffhaltigen Ausgangsmaterials 22 im Reaktionsbereich 30 vorgesehen. Diese Mittel 40 sind hier durch eine rechteckige Box und durch ein Biitzsymbol veranschaulicht, das den Energieeintrag mittels elektromagnetischer Strahlung in den Reaktionsbereich 30 darstellen soll. Durch die Anregung wird eine exotherme Reaktion der beiden Ausgangsmaterialien 12, 22 im Reaktionsbereich 30 ausgelöst, wie beschrieben. Bei der Reaktion entstehen Wärme, wie durch den Pfeil W angedeutet und zum Beispiel Siliziumnitrid, das durch eine Öffnung 31 entnommen werden kann.
[0052] In Fig. 1 ist weiterhin angedeutet, dass das siliziumhaltige
Ausgangsmaterial 12 durch eine Öffnung 11 eingebracht werden kann. Im
Bereich 10 kann eine optionale Heizschlange 13 angebracht sein, um das
Material 12 zu trocknen, falls dies erforderlich ist. Das stickstoffhaltige
Ausgangsmaterial 22 kann durch eine Öffnung 21 eingebracht werden. Im
Bereich 20 kann eine optionale Kühlschlange 23 angebracht sein, um das
Material 22 zu kühlen, falls dies erforderlich ist.
[0053] Es liegt auf der Hand, dass diese Art der Anordnung der einzelnen Komponenten auch anders gewählt werden kann.
[0054] In Fig. 2 ist eine Ausführungsform gezeigt, bei der das siliziumhaltige Ausgangsmaterial 12 aus einem Bereich 10 in den Reaktionsbereich 30 gelangt. Der Aufbau ist zum Teil ähnlich wie in Fig. 1. Das siliziumhaltige
Ausgangsmaterial 12 fällt aus dem Bereich 10 über eine Fallstrecke in den
Reaktionsbereich 30. Das stickstoffhaltige Ausgangsmaterial 22 wird hier seitlich in flüssiger oder fester Form eingeblasen. Bereitgestellt wird das stickstoffhaltige Ausgangsmaterial 22 in einem Bereich 20. Sobald die Ausgangsmaterialien 12 und 22 im Bereich der Falistrecke in Kontakt kommen, bilden sich Flocken oder andere Gebindeformen, die nach unten in den Reaktionsbereich 30 gelangen. Dort wird das Gemisch mittels elektromagnetischer Strahlung angeregt und die Reaktion findet, wie beschrieben, statt. Bei der Reaktion entstehen Wärme, wie durch den Pfeil W angedeutet und zum Beispiel Siliziumnitrid, das durch eine Öffnung 31 entnommen werden kann. [0055] In Fig. 3 ist eine dritte beispielhafte erfindungsgemäße Ausführungsform einer Vorrichtung 100 zum Bereitstellen von Energie W gezeigt. Ein
Reaktionsbereich 30 ist in einer schematischen Schnittdarstellung gezeigt. Von oben her wird durch einen Trichter 14 oder eine Öffnung 11 Sand eingebracht. Der Sand rieselt in das Innere des Reaktionsbereichs 30, wie in Fig. 3
angedeutet. Seitlich wird durch mindestens eine Düse oder mindestens ein Einlassrohr 15 Kohlenwasserstoff (z.B. Kohlenwasserstoffgas oder Kohle) in den Reaktionsbereich 30 eingebracht. Dort wird dieser Kohlenwasserstoff mit
Sauerstoff verbrannt (die Sauerstoffzufuhr ist nicht gezeigt, kann aber an und abgeschaltet werden). Die Brennzonen oder Flammen sind in Fig. 3 durch elliptische Zonen 16 dargestellt. Im Zentrum des Reaktionsbereichs 30 verläuft ein Einlassrohr 18 (auch Brennrohr oder Brennstab genannt), der als
Stickstoffzufuhr dient. Vorzugsweise ist dieses Einlassrohr 18 aus einer
temperaturbeständigen Keramik (vorzugsweise Siliziumnitrid) gefertigt. Dadurch, dass dieses Einlassrohr 18 im Zentrum der Brennzone 16 liegt, wird es auf sehr hohe Temperaturen vorgeheizt. Zusätzlich kommt ein Mittel 40 zum Anregen des stickstoffhaltigen Ausgangsmaterials 22 zum Einsatz. Hier kann es sich zum Beispiel um einen Wellengenerator oder Laserlichtgenerator handeln, der die Stickstoffmoleküle anregt, wie beschrieben. Je nach Einstellung der Vorrichtung 100, treten die durch die Mittel 40 und die hohen Temperaturen angeregten Stickstoffmoleküle erst im unteren Bereich des Reaktionsbereichs 30 mit
Siliziumanteilen in Kontakt, die durch Reduktion aus dem Sand 12 gewonnen wurden. Hier kommt es zu einer stark exothermen Reaktion, bei der
Siliziumnitridpulver entsteht. Oder die eigentliche Reaktion findet erst im
Düsenkanal 32 statt, wo es aufgrund der Geometrie zu einer physikalischen Verdichtung der Reaktionspartner kommt. Bei einer genau kontrollierten
Steuerung der Abläufe und der stöchiometrischen Mengen der Reaktanden, kann es im Düsenkanal 32 zu einer explosionsartigen, sehr schnellen und intensiven Umsetzung der Reaktanden kommen, wie weiter oben beschrieben. Es entsteht auch in diesem Fall Siliziumnitrid.
[0056] Vorzugsweise kommt in Fig. 3 ein Einlassrohr 18 zum Einsatz, das in Form einer„Plasmakanone" ausgebildet ist, um das Stickstoffgas in einen
Plasmazustand zu versetzen. In diesem Fall wird das Plasma entweder in dem Mittel 40 zum Anregen des stickstoffhaltigen Ausgangsmaterials 22 oder im Inneren des Einlassrohrs 18 durch die Anordnung einer Kathode und einer davon beabstandeten Anode erzeugt.
[0057] Bei Bedarf kann unterhalb einer düsenartigen Ausgangsöffnung 32 eine rotierende Elektrode 41 (in Propeller- oder Röhrenform) den Gasstrom weiter beschleunigen und/oder kinetische Energie aufnehmen, um zum Beispiel Strom zu erzeugen.
[0058] Das siliziumhaltige Ausgangsmaterial 12 kann hier oder in der in Fig. 1, bzw. 2 gezeigten Ausführungsform auch in Form von Wasserglas zum Einsatz kommen.
[0059] Es liegt auf der Hand, dass diese Art der Anordnung der einzelnen Komponenten auch anders gewählt werden kann.
[0060] Die verschiedenen Aspekte können je nach Bedarf miteinander verbunden werden. Daraus ergeben sich weitere Ausführungsformen der
Erfindung.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Bereitstellen von Energie mit den folgenden Schritten :
- Bereitstellen von siliziumhaltigem Ausgangsmaterial,
- Bereitstellen von stickstoffhaltigem Ausgangsmaterial,
- Zusammenbringen des siliziumhaltigen Ausgangsmaterials und des stickstoffhaltiges Ausgangsmaterials,
- externes Anregen des stickstoffhaltigen Ausgangsmaterials, um eine exotherme Reaktion der beiden Ausgangsmaterialien auszulösen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das externe Anregen mittels eines elektromagnetischen Energieeintrags erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
Zusammenbringen des siliziumhaltigen Ausgangsmaterials und des stickstoffhaltiges Ausgangsmaterials in einem Mischungsverhältnis erfolgt, bei dem
i. Das Verhältnis der Molmenge des siliziumhaltigen Ausgangsmaterials zu der Molmenge des stickstoffhaltigen Ausgangsmaterials ungefähr 3A entspricht.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
Zusammenbringen des siliziumhaltigen Ausgangsmaterials und des stickstoffhaltiges Ausgangsmaterials so erfolgt, dass im Reaktionsbereich i. eine kritische Dichte der beiden Ausgangsmaterialien vorliegt.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens eines der beiden Ausgangsmaterialien einem vorbereitenden Verfahrensschritt unterzogen wird, um die spezifische Oberfläche des entsprechenden Ausgangsmaterials zu vergrösseren, damit das
entsprechende Ausgangsmaterial nach diesem vorbereitenden
Verfahrensschritt eine vergrösserte spezifische Oberfläche aufweist, wobei die spezifische Oberfläche des entsprechenden Ausgangsmaterials vorzugsweise grösser ist als 5 m2/g.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während des vorbereitende Verfahrensschritts
- das siliziumhaltige Ausgangsmaterial in eine wasserglasartige Mischung überführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die
wasserglasartige Mischung durch das Zusammenbringen von
siliziumdioxidhaltigem Material und Lauge oder Säure bereitgestellt wird, wobei es sich bei der Lauge vorzugsweise um eine anorganische Lauge (z.B. NaOH, CaOH) oder um eine stickstoffbasierte Lauge (z.B. NH3-Lauge, NH4CI) und bei der Säure vorzugsweise um eine stickstoffbasierte Säure (z.B. Harnstoff) handelt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass es sich bei dem siliziumhaltigen Ausgangsmaterial um eine Mischung handelt, die als weiteres Ausgangsmaterial Kohlenstoff oder Kohlenwasserstoff umfasst.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem siliziumhaltigen Ausgangsmaterial um
- Diatomeenkohle, und/oder
- Ölsand, und/oder
- Ölschiefer
handelt.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das stickstoffhaltige Ausgangsmaterial in flüssiger oder gefrorener Form eingesetzt wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, dass
- das stickstoffhaltige Ausgangsmaterial in flüssiger oder gefrorener Form eingesetzt wird, und
dadurch gekennzeichnet, dass - das siliziumhaltige Ausgangsmaterial mit dem stickstoffhaltigen Ausgangsmaterial zusammengebracht wird, um so das siliziumhaltige Ausgangsmaterial durch eine Gefrierreaktion in ein siliziumhaltiges Ausgangsmaterial mit einer vergrösserten spezifischen Oberfläche zu überführen.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, dass
- das stickstoffhaltige Ausgangsmaterial in flüssiger oder gefrorener Form eingesetzt wird, und
dadurch gekennzeichnet, dass
- das siliziumhaltige Ausgangsmaterial, oder
- ein Kohlenwasserstoff, oder
- eine Mischung aus dem siliziumhaltigen Ausgangsmaterial mit Kohlenstoff oder Kohlenwasserstoff
in einem Verfahrensschritt mit dem stickstoffhaltige Ausgangsmaterial in flüssiger oder gefrorener Form in Kontakt gebracht wird, um durch eine Gefrierreaktion
- dem siliziumhaltigen Ausgangsmaterial, oder
- dem Kohlenwasserstoff, oder
- der Mischung aus dem siliziumhaltigen Ausgangsmaterial mit Kohlenstoff oder Kohlenwasserstoff
eine vergrösserte spezifische Oberfläche zu verleihen.
13. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
- das siliziumhaltige Ausgangsmaterial in einem vorbereitenden
Verfahrensschritt in eine verflüssigte Form überführt wird,
- das verflüssigte siliziumhaltige Ausgangsmaterial in flüssiges oder
gefrorenes stickstoffhaltiges Ausgangsmaterial eingebracht wird, um es in eine Gebindeform mit grosser Oberfläche pro Volumeneinheit zu
überführen.
14. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das
siliziumhaltige Ausgangsmaterial beim Zusammenbringen mit dem
stickstoffhaltigen Ausgangsmaterial getränkt, benetzt oder vermengt wird.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das externe Anregen des stickstoffhaltigen
Ausgangsmaterials mittels einem oder mehreren der folgenden Schritte erfolgt:
- Bestrahlen des stickstoffhaltigen Ausgangsmaterials mit Licht, wobei es sich vorzugsweise um Licht in einem infraroten Wellenlängenbereich von 780 nm - 1 mm und/oder im ultravioletten Wellenlängenbereich von 100 nm - 380 nm handelt,
- Aussetzen des stickstoffhaltigen Ausgangsmaterials einer
Mikrowellenbestrahlung, vorzugsweise bei einer Wellenlänge, die oberhalb von 1 mm und besonders bevorzugt im Bereich von 10"1 bis 10"2 m liegt,
- Aussetzen des stickstoffhaltigen Ausgangsmaterials einer
Ultraschallbestrahlung, vorzugsweise bei einer Wellenlänge, die in einem Bereich zwischen 17 mm und 1,7 mm liegt.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass bei der exothermen Reaktion
- Wärmeenergie bereitgestellt und
- Siliziumnitrid erzeugt werden.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei der exothermen Reaktion eine carbothermische Verbrennungsreaktion von Kohlenstoffanteilen mit Sauerstoff und eine Nitrierungsreaktion von Siliziumanteilen mit Stickstoff ablaufen.
18. Gemisch, das zur Verwendung beim Bereitstellen von Energie ausgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch umfasst:
- siliziumhaltiges Ausgangsmaterial und
- stickstoffhaltiges Ausgangsmaterial,
wobei das stickstoffhaltige Ausgangsmaterial flüssig oder gefroren vorliegt.
19. Gemisch nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass es in einer der folgenden Gebindeformen vorliegt: - Granulat,
- Pulver,
- Pellets,
- Flocken,
- Körner,
- Briketts,
- Klumpen,
- Kristalle,
- Presslinge,
- Agglomerate,
- Tabletten,
- Kugeln,
die eine grosse Oberfläche pro Volumeneinheit aufweisen.
- Zusammenbringen des siliziumhaltigen Ausgangsmaterials und des stickstoffhaltiges Ausgangsmaterials,
- externes Anregen des stickstoffhaltigen Ausgangsmaterials, um eine exotherme Reaktion der beiden Ausgangsmaterialien auszulösen.
20. Gemisch nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Ausgangsmaterialien eine vergrösserte spezifische Oberfläche aufweist, wobei die spezifische Oberfläche des entsprechenden
Ausgangsmaterials vorzugsweise grösser ist als 5 m2/g-
21. Gemisch nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Ausgangsmaterialien eine Dichte aufweist, die kleiner ist als 1 g/cm3.
22. Gemisch nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet es sich bei dem siliziumhaltigen Ausgangsmaterial um eines oder mehrere der folgenden Materialien handelt:
- (Quarz-)Sand;
- Schiefer;
- Kieselsäure;
- Orthokieselsäure;
- Diatomeenerde oder -kohle; - Kieselerde;
- Silikate oder silikathaltige Gemische oder Gesteine;
- Bentonit;
- Bauxit.
23. Gemisch nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet es einen Kohlenstoff- oder Kohlenwasserstoffanteil umfasst.
24. Vorrichtung (100) zum Bereitstellen von Energie (W), mit:
- einem Bereich (10) zum Bereitstellen von siliziumhaltigem
Ausgangsmaterial (12),
- einem Bereich (20) zum Bereitstellen von stickstoffhaltigem
Ausgangsmaterial (22),
- einem Reaktionsbereich (30) zum Zusammenbringen des siliziumhaltigen Ausgangsmaterials (12) und des stickstoffhaltiges Ausgangsmaterials (22), und
- mit Mitteln (40) zum Anregen des stickstoffhaltigen Ausgangsmaterials (22) im Reaktionsbereich (30), um eine exotherme Reaktion der beiden Ausgangsmaterialien (12, 22) im Reaktionsbereich (30) auszulösen.
25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Mitteln zum Anregen um
- einen Laser und/oder
- einen Mikrowellengenerator und/oder
- einen Ultraschallsender und/oder
- einen Wellengenerator
handelt.
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