JP7646589B2 - Method for producing silicon monoxide - Google Patents
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Description
本発明は、一酸化珪素の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing silicon monoxide.
従来から良く知られている一酸化珪素(以下では、「SiO」とも記述することがある)の製造は、金属珪素粉(以下では、「Si」又は「Si粉」とも記述することがある)とシリカ粉(以下では、SiO2又はSiO2粉とも記述することがある)を接触させて、1200℃以上、1500℃近くの温度領域で保持して反応させ、SiOを昇華させて製造する。このような固相反応昇華法は古くから知られており、多くの特許出願がされている(特許文献1から特許文献7)。SiOには液相が存在しないため、基本的に液相を経由せず、粉体間の接触反応で直接昇華して、SiOガスとなる。SiOガスは蒸着板などに蒸着・冷却され、固化してバルクSiOとなる。 Conventionally well-known silicon monoxide (hereinafter, also referred to as "SiO") is produced by contacting metal silicon powder (hereinafter, also referred to as "Si" or "Si powder") with silica powder (hereinafter, also referred to as SiO2 or SiO2 powder), maintaining the temperature range of 1200°C or higher and close to 1500°C to react, and sublimating SiO. Such a solid-phase reaction sublimation method has been known for a long time, and many patent applications have been filed (Patent Document 1 to Patent Document 7). Since SiO does not have a liquid phase, it basically does not go through a liquid phase, but is directly sublimated by a contact reaction between powders to become SiO gas. The SiO gas is deposited on a deposition plate or the like, cooled, and solidified to become bulk SiO.
従来のこの方法によるSiOガス生成のためには、Si/SiO2粉体間接触点を多くする必要があり、微粉同士を混合し、何らかの方法で造粒もしくは圧粉体として接触点を増やして反応を促進させる必要がある。 In order to generate SiO gas by this conventional method, it is necessary to increase the number of contact points between Si/ SiO2 powders, and it is necessary to mix fine powders and granulate or compact them in some way to increase the number of contact points and promote the reaction.
従来のこの方法における反応温度は高い方が望ましいが、高くし過ぎると金属珪素Siが溶融して液の保持が難しくなる。粉体間接触点を増やすには、粉体同士を強く加圧することが有効であるが、SiとSiO2共にセラミックで変形しないため限度がある。Si粉及びSiO2粉の粉末同士の接触点を増やすには、各粉末を細かくすることが有効である。しかし、例えばμmオーダーの微細粉末にするには、装置やエネルギーコストもかかり、かつ、細かくし過ぎるとSi粉は表面酸化し易く粉塵爆発の危険性も増すため、微細化も限界があった。つまり従来の固相間接触法では、反応温度を上げることや粉体接触点を増やす上で限界があるため、SiO生成速度に限界があった。 In the conventional method, it is desirable to have a high reaction temperature, but if it is too high, metal silicon (Si) melts and it becomes difficult to retain the liquid. In order to increase the contact points between powders, it is effective to strongly pressurize the powders together, but there is a limit because both Si and SiO2 are ceramics and do not deform. In order to increase the contact points between powders of Si powder and SiO2 powder, it is effective to make each powder fine. However, to make fine powder of, for example, μm order, it requires equipment and energy costs, and if it is made too fine, the surface of the Si powder is easily oxidized and the risk of dust explosion increases, so there is a limit to the fineness. In other words, in the conventional solid-phase contact method, there is a limit to increasing the reaction temperature and increasing the powder contact points, so there is a limit to the SiO generation rate.
一方、SiO2の還元による金属珪素Siを得る過程で、SiOを経由することが知られている(非特許文献1)。例えば、SiO2還元炉内では素過程(1)~(3)の順番で、下記のように反応が進むと考えられている。
(1) SiO2+C → SiO+CO
(2) SiO+C → Si+CO
(3) SiO2+2C → Si+2CO
On the other hand, it is known that the process of obtaining metallic silicon Si by reducing SiO 2 passes through SiO (Non-Patent Document 1). For example, it is believed that the reaction proceeds in the following order in a SiO 2 reduction furnace in the order of elementary steps (1) to (3).
(1) SiO 2 +C → SiO+CO
(2) SiO+C → Si+CO
(3) SiO 2 +2C → Si+2CO
SiO2のC還元の上記(1)過程で止めて、SiOのみを取り出せると望ましい。しかし、還元炉の中で(1)~(3)過程は連続的に起きており、生成したSiOガスは溶湯中で直ちに(2)の反応が起きて、溶融Siが生成する。(1)過程で止めてSiOのみを取り出すことは難しい。(1)過程の還元炉中に高温耐性のあるパイプを挿入などして、SiOガスを取り出しすることも原理的には考えられるが、実際に実行された例はない。 It would be desirable to stop the above-mentioned C reduction of SiO2 at step (1) and extract only SiO. However, steps (1) to (3) occur continuously in the reduction furnace, and the generated SiO gas immediately undergoes reaction (2) in the molten metal, producing molten silicon. It is difficult to stop the process at step (1) and extract only SiO. In principle, it is conceivable to insert a high-temperature resistant pipe into the reduction furnace during step (1) to extract SiO gas, but this has not actually been done.
このようにSiO製造において、従来の固相接触法を越える効率的な製造方法は知られていなかった。 As such, no efficient method for producing SiO was known that surpassed the conventional solid-phase contact method.
一方、SiとO2の爆発燃焼により微細シリカや微細SiO2+別酸化物の複合酸化物などを製造する方法は、下記の先行技術文献などにおいて開示されている(特許文献8、9)。 On the other hand, methods for producing fine silica or composite oxides of fine SiO 2 + other oxides by explosive combustion of Si and O 2 are disclosed in the following prior art documents (Patent Documents 8 and 9).
例えば、特許文献9では「金属珪素粉末を酸素を含む気流中に供給し、燃焼させて平均粒径0.01~10μmの二酸化珪素粉末を形成する」ことが考案されており、微細SiO2粉の製造方法が既に知られている。 For example, Patent Document 9 proposes "supplying metal silicon powder into an oxygen-containing air stream and burning it to form silicon dioxide powder having an average particle size of 0.01 to 10 μm," and a method for producing fine SiO 2 powder is already known.
また、爆発燃焼法やプラズマジェットによるSiO生成やSiOを経由しSiNxを生成することについても開示されている(特許文献10~特許文献13)。
Furthermore, there are disclosures regarding the generation of SiO by explosive combustion or plasma jet, and the generation of SiNx via SiO (
上記の先行技術文献から、Si粉とO2ガスの制御された爆発的酸化反応によってSiO2を生成しようとすることは既知である。しかしながら、これらの製造法で一酸化珪素が生成するためには、プラズマジェット・高周波加熱等の高温で且つ高エネルギー密度の環境が必要であるばかりか、爆発的酸化反応は瞬時に起きるため、一酸化珪素で反応を留めることが難しい。仮に一酸化珪素が生成できても量産化には高コスト化するためこれも商用化には至っていない。 From the above-mentioned prior art documents, it is known that SiO2 is produced by a controlled explosive oxidation reaction of Si powder and O2 gas. However, in order to produce silicon monoxide by these manufacturing methods, not only is a high temperature and high energy density environment such as plasma jet and high frequency heating required, but the explosive oxidation reaction occurs instantaneously, making it difficult to stop the reaction with silicon monoxide. Even if silicon monoxide could be produced, mass production would be costly, so this method has not yet been commercialized.
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、生産性の高い一酸化珪素の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention was made in consideration of the above problems, and aims to provide a highly productive method for producing silicon monoxide.
上記目的を達成するために、本発明では、一酸化珪素を製造する方法であって、金属珪素粉末、又は、金属珪素粉末とSiOx(x≦2)粉末の混合物を、酸素ガスと不活性ガスとを含む第1の混合流体をキャリアとして、燃焼装置に供給する操作Aと、可燃性シリコン化合物の流体単独、又は、該可燃性シリコン化合物の流体と酸素ガスと不活性ガスとを含む第2の混合流体を前記燃焼装置に供給する操作Bと、可燃性ガスと酸素ガスと不活性ガスとを含む第3の混合流体を、前記燃焼装置に供給し、火焔を形成する操作Cとを有し、前記操作A、前記操作B及び前記操作Cを同時に行って、一酸化珪素の生成物を製造することを特徴とする一酸化珪素の製造方法を提供する。 In order to achieve the above object, the present invention provides a method for producing silicon monoxide, which comprises: an operation A of supplying metallic silicon powder or a mixture of metallic silicon powder and SiOx (x≦2) powder to a combustion device using a first mixed fluid containing oxygen gas and an inert gas as a carrier; an operation B of supplying a flammable silicon compound fluid alone or a second mixed fluid containing the flammable silicon compound fluid, oxygen gas, and an inert gas to the combustion device; and an operation C of supplying a third mixed fluid containing a flammable gas, oxygen gas, and an inert gas to the combustion device to form a flame, and which is characterized in that the operations A, B, and C are performed simultaneously to produce silicon monoxide product.
このような一酸化珪素の製造方法では、従来の固相接触反応法と比べて非常に生産性の高い金属珪素粉末又は金属珪素粉末とSiOx(x≦2)粉末の混合粉の気流中酸化反応により、一酸化珪素粉末を効率的に生成できるようになる。また、金属珪素粉末、又は、金属珪素粉末とSiOx(x≦2)粉末の混合物に加えて可燃性シリコン化合物をSi源(シリコン原子源)として加えることで高いエネルギー密度の火炎を形成することできるため、均一な一酸化珪素を製造できる。 In this method for producing silicon monoxide, silicon monoxide powder can be efficiently produced by an oxidation reaction in an air stream of metallic silicon powder or a mixture of metallic silicon powder and SiOx (x≦2) powder, which is much more productive than conventional solid-phase contact reaction methods. In addition, by adding a combustible silicon compound as a Si source (silicon atom source) in addition to metallic silicon powder or a mixture of metallic silicon powder and SiOx (x≦2) powder, a flame with high energy density can be formed, allowing uniform silicon monoxide to be produced.
このとき、前記金属珪素粉末、若しくは、前記金属珪素粉末とSiOx(x≦2)粉末の混合物への酸素拡散を制御する酸素ガスと不活性ガスとを含む第4の混合流体又は不活性ガス単独を供給する操作Dをさらに有し、前記操作A~Cを行う際に前記操作Dも同時に行うことが好ましい。 At this time, it is preferable to further include an operation D of supplying a fourth mixed fluid containing oxygen gas and an inert gas to control oxygen diffusion into the metal silicon powder or the mixture of the metal silicon powder and SiOx (x≦2) powder, or an inert gas alone, and to simultaneously perform the operations A to C.
このように、金属珪素粉末または金属珪素粉末とSiOx(x≦2)粉末の混合粉への酸素拡散を制御するためのガスにより、一酸化珪素粉末の生成をさらに高精度に制御することができる。 In this way, the generation of silicon monoxide powder can be controlled with even greater precision by using a gas to control oxygen diffusion into the silicon metal powder or into a mixture of silicon metal powder and SiOx (x≦2) powder.
また、本発明の一酸化珪素の製造方法では、前記第1の混合流体を、空気とすることができる。 In addition, in the silicon monoxide manufacturing method of the present invention, the first mixed fluid can be air.
このように、空気を混合ガスとすることによって、より低コストで一酸化珪素を製造することができる。 In this way, by using air as a mixed gas, silicon monoxide can be produced at a lower cost.
また、本発明の一酸化珪素の製造方法では、前記可燃性ガスを、炭化水素を含む可燃性ガスとすることができる。 In addition, in the method for producing silicon monoxide of the present invention, the flammable gas may be a flammable gas containing a hydrocarbon.
また、前記可燃性ガスを、水素を含む可燃性ガスとすることもできる。 The flammable gas may also be a flammable gas containing hydrogen.
本発明の一酸化珪素の製造方法における可燃性ガスとしてはこれらのものを用いることができる。 These gases can be used as the combustible gas in the silicon monoxide manufacturing method of the present invention.
前記可燃性シリコン化合物の流体を、アルコキシシラン、シラン、アルキルシラン、アルキルシラノール、アルキルシクロシラン、アルキルシロキサン、アルキルシクロシロキサン、シラザン、シクロシラザンから選ばれる低分子有機シリコン化合物単独、又は、それらの混合物とすることが好ましい。 The flammable silicon compound fluid is preferably a low molecular weight organic silicon compound selected from alkoxysilane, silane, alkylsilane, alkylsilanol, alkylcyclosilane, alkylsiloxane, alkylcyclosiloxane, silazane, and cyclosilazane, or a mixture thereof.
本発明の一酸化珪素の製造方法では、これらの可燃性シリコン化合物の流体を用いることができる。 The silicon monoxide manufacturing method of the present invention can use fluids of these flammable silicon compounds.
また、本発明では、前記操作Aにおける、金属珪素粉末、又は、金属珪素粉末とSiOx(x≦2)粉末の混合物の供給と、前記操作Bにおける、可燃性シリコン化合物の流体単独、又は、該可燃性シリコン化合物の流体と酸素ガスと不活性ガスとを含む第2の混合流体の供給を、前記燃焼装置の同一箇所において混合して行うことが好ましい。 In addition, in the present invention, it is preferable that the supply of metallic silicon powder or a mixture of metallic silicon powder and SiOx (x≦2) powder in the operation A and the supply of the flammable silicon compound fluid alone or a second mixed fluid containing the flammable silicon compound fluid, oxygen gas, and an inert gas in the operation B are mixed at the same location in the combustion device.
このように、本発明では、操作Aと操作Bを一体化して行うことができる。 In this way, in the present invention, operation A and operation B can be performed in an integrated manner.
また、本発明の一酸化珪素の製造方法では、前記操作A~Cを行って製造した一酸化珪素の生成物を、1100℃以上1500℃以下の温度で加熱することにより、前記生成物に含まれる一酸化珪素を昇華抽出する操作Eをさらに含むことができる。 The method for producing silicon monoxide of the present invention can further include an operation E in which the silicon monoxide product produced by carrying out the operations A to C is heated at a temperature of 1100°C or higher and 1500°C or lower to extract the silicon monoxide contained in the product by sublimation.
本発明の一酸化珪素の製造方法によって、一酸化珪素以外の成分である未反応のSiや二酸化珪素(SiO2)との混合物として生成物が得られた場合には、このような方法により一酸化珪素成分のみを昇華抽出することができる。これは、SiやSiO2が気化する温度は一酸化珪素よりもはるかに高いためである。 When the silicon monoxide production method of the present invention produces a product in the form of a mixture with unreacted silicon and silicon dioxide (SiO 2 ), which are components other than silicon monoxide, it is possible to extract only the silicon monoxide component by sublimation using this method, because the temperatures at which Si and SiO 2 vaporize are much higher than that of silicon monoxide.
本発明の一酸化珪素の製造方法では、従来の固相接触、液相固相反応法と比べて非常に生産性の高い金属珪素粉末、又は、金属珪素粉末とSiOx(x≦2)粉末の混合物、及び可燃性シリコン化合物による気流流体中の酸化反応により、一酸化珪素粉末を効率的に生成できるようになる。また、金属珪素粉末、又は、金属珪素粉末とSiOx(x≦2)粉末の混合物に加えて可燃性シリコン化合物をSi源(シリコン原子源)として加えることで高いエネルギー密度の火炎を形成することできるため、均一な一酸化珪素を製造できる。本発明の一酸化珪素の製造方法により製造した一酸化珪素は、ガラスやプラスチックコーティング用途やその他以外に、リチウムイオン二次電池の負極材として用いることができる。また、そのような負極材は、スマートフォンやスマートウォッチ等のモバイル機器、電気自動車の電池などの高容量化負極材として広く用いることができる。また、ガスバリア性の高い蒸着膜剤等の用途にも適しており、コストパフォーマンスに優れた材料特性を得られる。 In the method for producing silicon monoxide of the present invention, silicon monoxide powder can be efficiently produced by oxidation reaction in an airflow fluid using metal silicon powder or a mixture of metal silicon powder and SiOx (x≦2) powder, which is highly productive compared to conventional solid-phase contact and liquid-solid-phase reaction methods, and a combustible silicon compound. In addition, a flame with high energy density can be formed by adding a combustible silicon compound as a Si source (silicon atom source) to metal silicon powder or a mixture of metal silicon powder and SiOx (x≦2) powder, and uniform silicon monoxide can be produced. The silicon monoxide produced by the method for producing silicon monoxide of the present invention can be used as an anode material for lithium-ion secondary batteries, in addition to glass and plastic coating applications and others. Such anode materials can also be widely used as high-capacity anode materials for mobile devices such as smartphones and smart watches, and batteries for electric vehicles. They are also suitable for applications such as deposition film agents with high gas barrier properties, and provide material properties with excellent cost performance.
以下、本発明について実施の形態を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。 The following describes an embodiment of the present invention, but the present invention is not limited to this.
上記のように、従来の固相接触法やプラズマジェット法では一酸化珪素の効率的な生成には限界があった。一酸化珪素は、今後のリチウムイオン二次電池の高性能化のために、負極材として欠くことができない大変重要な素材であり、応用分野も拡大が期待できる。そのため効率的(生産性が高く、低コスト)な製造方法と低不均化状態を維持した一酸化珪素生成が望まれている。 As mentioned above, there are limitations to the efficient production of silicon monoxide using the conventional solid-phase contact method and plasma jet method. Silicon monoxide is a very important material that is indispensable as a negative electrode material for future high performance lithium-ion secondary batteries, and its application fields are expected to expand. Therefore, there is a demand for an efficient (highly productive, low-cost) manufacturing method and a method for producing silicon monoxide that maintains a low disproportionation state.
本発明者らはこのような従来の固相接触、液相固相接触法やプラズマジェット法に比して、より生産性・経済性に優れた製造方法を提供し、当該法により製造され、不均化程度の低い一酸化珪素を提供することを模索して鋭意研究を重ねた。 The inventors have conducted extensive research in an attempt to provide a production method that is more productive and economical than the conventional solid-phase contact method, liquid-solid-phase contact method, and plasma jet method, and to provide silicon monoxide produced by this method with a low degree of disproportionation.
その結果、金属珪素粉末、又は、金属珪素粉末とSiOx(x≦2)粉末の混合物に加え、Si源と高エネルギー源を併せ持つ可燃性シリコン化合物とさらにエネルギー源を補助し高温火焔領域を確保する可燃性ガス燃焼反応を同時に進行させ、その火焔中でO2濃度を制御することによって、生産性の高い一酸化珪素の製造方法を提供できることを見出した。さらに、可燃性シリコン化合物をSi源に加えることで従来の固相-固相反応、固相-液相反応で合成された一酸化珪素に比べ、不均化しにくい性質が明らかになった。理由は明確ではないが、本発明の方法は、Si源の一部が常温で液相~気相で存在する方法であるため、従来法より均一な一酸化珪素が生成できるためではないかと考えられる。 As a result, it was found that a highly productive method for producing silicon monoxide can be provided by simultaneously carrying out a combustible silicon compound having both a Si source and a high energy source, in addition to a mixture of metallic silicon powder or metallic silicon powder and SiOx (x ≦2) powder, and a combustible gas combustion reaction that further assists the energy source and ensures a high-temperature flame region, and controlling the O2 concentration in the flame. Furthermore, it was revealed that the addition of a combustible silicon compound to the Si source makes it less likely to be disproportionated than silicon monoxide synthesized by conventional solid-solid and solid-liquid reactions. Although the reason is not clear, it is believed that the method of the present invention is a method in which a part of the Si source exists in a liquid phase to a gas phase at room temperature, and therefore silicon monoxide that is more uniform than the conventional method can be produced.
本発明は、一酸化珪素を製造する方法であって、金属珪素粉末、又は、金属珪素粉末とSiOx(x≦2)粉末の混合物を、酸素ガスと不活性ガスとを含む第1の混合流体をキャリアとして、燃焼装置に供給する操作Aと、可燃性シリコン化合物の流体単独、又は、該可燃性シリコン化合物の流体と酸素ガスと不活性ガスとを含む第2の混合流体を前記燃焼装置に供給する操作Bと、可燃性ガスと酸素ガスと不活性ガスとを含む第3の混合流体を、前記燃焼装置に供給し、火焔を形成する操作Cとを有し、前記操作A、前記操作B及び前記操作Cを同時に行って、一酸化珪素の生成物を製造することを特徴とする一酸化珪素の製造方法である。 The present invention is a method for producing silicon monoxide, which comprises an operation A of supplying metallic silicon powder or a mixture of metallic silicon powder and SiOx (x≦2) powder to a combustion device using a first mixed fluid containing oxygen gas and an inert gas as a carrier, an operation B of supplying a flammable silicon compound fluid alone or a second mixed fluid containing the flammable silicon compound fluid, oxygen gas, and an inert gas to the combustion device, and an operation C of supplying a third mixed fluid containing a flammable gas, oxygen gas, and an inert gas to the combustion device to form a flame, and is characterized in that the operations A, B, and C are carried out simultaneously to produce silicon monoxide product.
また、金属珪素粉末、若しくは、金属珪素粉末とSiOx(x≦2)粉末の混合物への酸素拡散を制御する酸素ガスと不活性ガスとを含む第4の混合流体又は不活性ガス単独を供給する操作Dをさらに有し、操作A~Cを行う際に操作Dも同時に行うこととしてもよい。 The method may further include an operation D of supplying a fourth mixed fluid containing oxygen gas and an inert gas to control oxygen diffusion into the metal silicon powder or into the mixture of metal silicon powder and SiOx (x≦2) powder, or supplying the inert gas alone, and may be performed simultaneously when performing operations A to C.
図4にSi-Oの2元相図を示す。Si:O=1:1のところで、一酸化珪素(SiO)ガス相が1,860℃まで食い込んでいる。SiO2をガス相とするには、2,860℃を超える温度まで昇温する必要があるのに比較すると、SiOをガス相とするのは、1,000℃低い温度でよく、この温度がSiOガス相生成の温度下限である。従って、酸化雰囲気で該温度以上に昇温できれば良いことになる。 Figure 4 shows the binary phase diagram of Si-O. At Si:O = 1:1, the silicon monoxide (SiO) gas phase penetrates up to 1,860°C. In order to turn SiO2 into a gas phase, it is necessary to raise the temperature to a temperature exceeding 2,860°C. In comparison, turning SiO into a gas phase can be achieved at a temperature 1,000°C lower, which is the lower limit temperature for generating the SiO gas phase. Therefore, it is sufficient to be able to raise the temperature above that temperature in an oxidizing atmosphere.
図1に、本発明の一酸化珪素の製造方法を実現するために重要な、燃焼装置(燃焼反応装置)の一例を示した。もちろん燃焼反応装置は図1に示した装置に限定されるものでなく、火焔と燃焼酸化制御ができる装置であれば、本発明の一酸化珪素の製造方法を実施できる。 Figure 1 shows an example of a combustion device (combustion reaction device) that is important for realizing the silicon monoxide production method of the present invention. Of course, the combustion reaction device is not limited to the device shown in Figure 1, and any device that can control flame and combustion oxidation can be used to produce the silicon monoxide production method of the present invention.
一酸化珪素の製造装置(燃焼装置)100は、燃焼容器10を有している。この燃焼容器10には、金属珪素粉末、または、金属珪素粉末とSiOx(x≦2)粉末の混合物の供給手段11(金属珪素粉末の供給手段として図示)と、酸素ガスと不活性ガスとを含む第1の混合流体を供給する第1のガス供給手段12がバーナー13を通じてつながっている。図1中では、第1のガス供給手段12として、空気に窒素ガス(N2ガス)を加えて第1の混合流体とする場合を示している。この場合、不活性ガスは、空気に含まれる窒素やアルゴンとともに、追加された窒素ガスによって流量が調整される。これらの構成要素によって、原料となる金属珪素粉末または金属珪素粉末とSiOx(x≦2)粉末の混合物が、酸素ガスと不活性ガスとを含む第1の混合流体をキャリアとして、燃焼装置100(燃焼装置100の燃焼容器10の内部)に供給される。
The silicon monoxide manufacturing apparatus (combustion apparatus) 100 has a
燃焼装置100は、さらに、燃焼装置100(燃焼装置100の燃焼容器10の内部)に、可燃性シリコン化合物の流体単独、又は、該可燃性シリコン化合物の流体と酸素ガスと不活性ガスとを含む第2の混合流体を供給する第2のガス供給手段15a、15bを具備する。図1中には、第2のガス供給手段15bからTMOS(テトラメトキシシラン)を供給し、第2のガス供給手段15aからO2及びN2を供給する場合を示している。なお、可燃性シリコン化合物を液体として供給する場合については後述する。
The
燃焼装置100は、さらに、燃焼装置100(燃焼装置100の燃焼容器10の内部)に、可燃性ガスと酸素ガスと不活性ガスとを含む第3の混合流体を供給する第3のガス供給手段14を具備する。図1中には、第3のガス供給手段14として、LPGと、空気を供給する場合を示している。
The
燃焼装置100は、さらに、燃焼装置100(燃焼装置100の燃焼容器10の内部)に、金属珪素粉末、若しくは、前記金属珪素粉末とSiOx(x≦2)粉末の混合物への酸素拡散を制御する酸素ガスと不活性ガスとを含む第4の混合流体又は不活性ガス単独を供給する第4のガス供給手段を具備してもよい。第4のガス供給手段は、炉壁への輻射熱を軽減することや炉内酸素ガス濃度低減、生成物の冷却等の目的のためのプロテクトガスを供給するプロテクトガス供給手段を兼ねてもよい。図1中には、第4のガス供給手段16、17として、空気及び追加窒素ガスを混合して供給する場合を示している。
The
燃焼装置100は、さらに、下部において、生成した一酸化珪素粉末24を捕集するための捕集室23を具備している。
The
本発明では、このような燃焼装置100を用いて、一酸化珪素を製造することができる。すなわち、燃焼装置100の上部中心から、金属珪素粉末または金属珪素粉末とSiOx(x≦2)粉末の混合物供給手段11及び第1のガス供給手段12により金属珪素粉末または金属珪素粉末とSiOx(x≦2)粉末の混合物を、第1の流体供給手段12から供給した第1の混合流体(図1の例の場合、空気と追加窒素ガス)からなるキャリアガスの気流に乗せて供給する(操作A)。このとき、金属珪素粉末または金属珪素粉末とSiOx(x≦2)粉末の混合物は、例えば、#200メッシュ程度とすることができる。また、その同心外周又は内周から、可燃性シリコン化合物の流体単独、又は、該可燃性シリコン化合物の流体と酸素ガスと不活性ガスとを含む第2の混合流体を第2の流体供給手段15a、15bから供給し、更にその同心外周から可燃性ガスと酸素ガスと不活性ガスとを含む第3の混合流体(図1の例の場合、LPGからなる可燃性ガスと空気と追加窒素ガス)を第3の流体供給手段14から供給する。
In the present invention, silicon monoxide can be produced using such a
これらの供給とともにバーナー13の先端で着火し、火焔21を形成する。火焔21中で金属珪素粉末または金属珪素粉末とSiOx(x≦2)粉末の混合物と可燃性シリコン化合物を酸化し、SiOガスとして装置下部で急冷・固化し一酸化珪素の粉末を生成する(操作C)。
As these are fed, they are ignited at the tip of the
供給する金属珪素粉末または金属珪素粉末とSiOx(x≦2)粉末の混合物の量により、必要に応じて酸素ガスと不活性ガスを含む第4の混合ガス(図1の場合、空気及び追加窒素ガス)を供給する(操作D)。これらの操作A、B及び操作Cを同時に行い、又は、操作A~Dを同時に行い、槽内及び火焔中の酸素雰囲気最適化による一酸化珪素粉末の生成速度と火焔流制御を両立させて、安定的に一酸化珪素粉末を生成する。 Depending on the amount of metal silicon powder or the mixture of metal silicon powder and SiOx (x≦2) powder supplied, a fourth mixed gas containing oxygen gas and an inert gas (air and additional nitrogen gas in the case of Figure 1) is supplied as necessary (operation D). By simultaneously performing these operations A, B and C, or simultaneously performing operations A to D, the rate of silicon monoxide powder production by optimizing the oxygen atmosphere in the tank and in the flame and flame flow control are both achieved, resulting in stable production of silicon monoxide powder.
本発明の一酸化珪素の製造方法では、可燃性ガスと酸素ガスと不活性ガスとを含む第3の混合ガスを燃焼装置に供給して火焔を形成する操作Cを、金属珪素粉末または金属珪素粉末とSiOx(x≦2)粉末の混合物と可燃性シリコン化合物の酸化のための並列発熱源とする。 In the method for producing silicon monoxide of the present invention, operation C, in which a third mixed gas containing a combustible gas, oxygen gas, and an inert gas is supplied to a combustion device to form a flame, serves as a parallel heat source for oxidizing the metallic silicon powder or the mixture of metallic silicon powder and SiOx (x≦2) powder, and the combustible silicon compound.
これに、原料となる金属珪素粉末または金属珪素粉末とSiOx(x≦2)粉末の混合物を、酸素ガスと不活性ガスとを含む第1の混合ガスをキャリアとし、更に可燃性シラン化合物単独或いはその酸素ガスと不活性ガスを含む第2の混合流体を、燃焼装置に供給する操作AとBが、同じ燃焼装置内に存在し、金属珪素粉末または金属珪素粉末とSiOx(x≦2)粉末の混合物と酸素ガスの酸化発熱と可燃性シリコン化合物の燃焼熱も付加しながら、前記で述べたSiOガス温度領域まで昇温して一酸化珪素(SiO)を生成する。 In addition, operations A and B are performed in the same combustion device, in which the raw material metal silicon powder or a mixture of metal silicon powder and SiOx (x≦2) powder is supplied to the combustion device using a first mixed gas containing oxygen gas and an inert gas as a carrier, and a second mixed fluid containing a flammable silane compound alone or its oxygen gas and an inert gas. The temperature is raised to the SiO gas temperature range described above while adding the heat generated by oxidation of the metal silicon powder or the mixture of metal silicon powder and SiOx (x≦2) powder and oxygen gas, and the heat generated by combustion of the flammable silicon compound, to generate silicon monoxide (SiO).
以下、各操作ごとにより詳細に説明する。 Each operation is explained in more detail below.
[操作A]
操作Aは、金属珪素粉末、又は、金属珪素粉末とSiOx(x≦2)粉末の混合物を、酸素ガスと不活性ガスとを含む第1の混合流体をキャリアとして、燃焼装置に供給する操作である。操作Aにおいて供給される粒子は、金属珪素粉末単独であってもよいし、金属珪素粉末とSiOx(x≦2)粉末の混合物であってもよい。特に、SiOx(x≦2)粉末を添加する場合は、添加されるSiOx(x≦2)粉末の加熱熱量分の可燃性ガスや可燃性シリコン化合物の流量を増加させてもよい。
[Operation A]
Operation A is an operation of supplying metallic silicon powder or a mixture of metallic silicon powder and SiOx (x≦2) powder to a combustion device using a first mixed fluid containing oxygen gas and an inert gas as a carrier. The particles supplied in operation A may be metallic silicon powder alone or a mixture of metallic silicon powder and SiOx (x≦2) powder. In particular, when SiOx (x≦2) powder is added, the flow rate of the combustible gas or combustible silicon compound may be increased by an amount corresponding to the heating heat of the added SiOx (x≦2) powder.
前述のように、操作Aは、金属珪素粉末、又は、金属珪素粉末とSiOx(x≦2)粉末の混合物を、酸素ガスと不活性ガスとを含む第1の混合流体をキャリアとして、燃焼装置に供給する。操作Aで支燃性O2ガス以外に不活性ガスの混合流体(第1の混合流体)をキャリアとするのは、金属珪素粉末又は、金属珪素粉末とSiOx(x≦2)粉末の粉末混合物の酸化反応を制御するためである。キャリアガスが支燃性のO2ガスのみであると、瞬時に爆発的酸化反応が起きて、SiO2が生成してしまう可能性がある。そのため支燃性のO2ガスと不活性ガスの混合流体として、O2濃度を薄めて酸化発熱反応速度を制御し、SiOを生成し易くするものである。SiO2生成まで至らずSiOで反応を停止させるには、爆発限界酸素濃度10%を超えないようにする必要がある。該第1の混合流体として、O2とN2の混合流体、O2とArの混合流体などの量比を制御したものが望ましい。 As described above, in operation A, a mixture of metal silicon powder or metal silicon powder and SiOx (x≦2) powder is supplied to a combustion device using a first mixed fluid containing oxygen gas and an inert gas as a carrier. In operation A, a mixed fluid (first mixed fluid) of an inert gas other than the combustion-supporting O2 gas is used as a carrier in order to control the oxidation reaction of the metal silicon powder or the powder mixture of metal silicon powder and SiOx (x≦2) powder. If the carrier gas is only the combustion-supporting O2 gas, an explosive oxidation reaction may occur instantly, resulting in the production of SiO2 . Therefore, the mixture fluid of the combustion-supporting O2 gas and the inert gas is used to dilute the O2 concentration and control the oxidation exothermic reaction rate, making it easier to produce SiO. In order to stop the reaction with SiO before it reaches SiO2 production, it is necessary to prevent the oxygen concentration from exceeding the explosive limit of 10%. The first mixed fluid is preferably a mixed fluid of O2 and N2 , or a mixed fluid of O2 and Ar, in which the ratio of the amounts of the components is controlled.
また、操作Aのキャリアの一部として有機溶剤を用いても良い。さらには、操作Aのキャリアの一部として、操作Bで挙げるアルコキシシラン、シラン、アルキルシラン、アルキルシラノール、アルキルシクロシラン、アルキルシロキサン、アルキルシクロシロキサン、シラザン、シクロシラザンなどの可燃性シリコン化合物や有機溶剤を用いてもよい。この場合、後述のように操作Aと操作Bの一体化ということもできる。この場合も本発明の形態に含まれる。可燃性シリコン化合物を用いる場合は、燃焼速度を高めるためできるだけ揮発性の可燃性シリコン化合物や有機溶剤を用いることが望ましい。このようにすると、混合ガスキャリアの場合に比較して大きな熱量を確保でき且つ、火炎を長くできることから生成したSiO粒子を増大させる効果が期待できる。 Also, an organic solvent may be used as part of the carrier for operation A. Furthermore, a flammable silicon compound or organic solvent such as alkoxysilane, silane, alkylsilane, alkylsilanol, alkylcyclosilane, alkylsiloxane, alkylcyclosiloxane, silazane, or cyclosilazane listed in operation B may be used as part of the carrier for operation A. In this case, operation A and operation B can be integrated as described below. This case is also included in the present invention. When using a flammable silicon compound, it is desirable to use a flammable silicon compound or organic solvent that is as volatile as possible in order to increase the combustion rate. In this way, a larger amount of heat can be secured compared to the case of a mixed gas carrier, and the flame can be made longer, so that the effect of increasing the generated SiO particles can be expected.
[操作B]
前述のように、操作Bは、可燃性シリコン化合物の流体単独、又は、該可燃性シリコン化合物の流体と酸素ガスと不活性ガスとを含む第2の混合流体を燃焼装置に供給する。この操作は、可燃性シリコン化合物、又はそれとともに酸素ガスと不活性ガスの混合流体(第2の混合流体)を供給し、補助的な原料(サブの原料)を供給する操作である。この操作が操作Aと合わせて、原料Si(珪素原子)を供給する工程となる。この操作Bでは、操作Aと同じく、可燃性シリコン化合物と酸素のみの供給を行うと、反応が激烈に進行してくSiO2が生成してしまう可能性があるため、不活性ガスも混合して、酸化発熱反応を制御するものである。
[Operation B]
As described above, in operation B, a flammable silicon compound fluid alone or a second mixed fluid containing the flammable silicon compound fluid, oxygen gas, and an inert gas is supplied to the combustion device. This operation is an operation of supplying a flammable silicon compound or a mixed fluid (second mixed fluid) of oxygen gas and an inert gas together with the flammable silicon compound, and supplying a supplementary raw material (sub raw material). This operation, combined with operation A, is a step of supplying raw material Si (silicon atom). In operation B, as in operation A, if only a flammable silicon compound and oxygen are supplied, the reaction may proceed violently and SiO2 may be generated, so an inert gas is also mixed to control the exothermic oxidation reaction.
可燃性シリコン化合物としては、易燃焼性のものが好適に選ばれ、揮発性で低沸点のアルコキシシラン、シラン、アルキルシラン、アルキルシラノール、アルキルシクロシラン、アルキルシロキサン、アルキルシクロシロキサン、シラザン、シクロシラザン等から選ばれる低分子有機シリコン化合物単独、又は、それらの混合物が望ましい。先の燃焼熱比を鑑み、プロセス上の操作性や安全性に配慮して適切に選択できる。 As the combustible silicon compound, one that is easily combustible is preferably selected, and low molecular weight organic silicon compounds selected from volatile, low boiling point alkoxysilanes, silanes, alkylsilanes, alkylsilanols, alkylcyclosilanes, alkylsiloxanes, alkylcyclosiloxanes, silazanes, cyclosilazanes, etc., or mixtures thereof, are preferable. In consideration of the combustion heat ratio, the appropriate selection can be made with consideration given to the operability and safety of the process.
[操作Aと操作Bの一体化]
操作Aにおける、金属珪素粉末、又は、金属珪素粉末とSiOx(x≦2)粉末の混合物の供給と、操作Bにおける、可燃性シリコン化合物の流体単独、又は、該可燃性シリコン化合物の流体と酸素ガスと不活性ガスとを含む第2の混合流体の供給は、燃焼装置の同一箇所において混合して行うことができる。
[Integration of Operation A and Operation B]
The supply of metallic silicon powder or a mixture of metallic silicon powder and SiOx (x≦2) powder in operation A, and the supply of a combustible silicon compound fluid alone or a second mixed fluid containing the combustible silicon compound fluid, oxygen gas, and an inert gas in operation B can be carried out by mixing them at the same location in the combustion device.
例えば、操作Aのキャリアとして、酸素ガス、不活性ガスに加えて、操作Bのアルコキシシラン、シラン、アルキルシラン、アルキルシラノール、アルキルシクロシラン、アルキルシロキサン、アルキルシクロシロキサン、シラザン、シクロシラザンなどの可燃性シリコン化合物や有機溶剤を用いても良い。この場合は、燃焼速度を高めるためできるだけ揮発性の可燃性シリコン化合物を用いることが望ましい。この場合、混合ガスキャリアの場合に比較して大きな熱量を確保でき且つ、火炎を長くできることから生成したSiO粒子を増大させる効果が期待できる。 For example, in addition to oxygen gas and inert gas, flammable silicon compounds such as alkoxysilane, silane, alkylsilane, alkylsilanol, alkylcyclosilane, alkylsiloxane, alkylcyclosiloxane, silazane, and cyclosilazane, or organic solvents may be used as carriers for operation A. In this case, it is desirable to use flammable silicon compounds that are as volatile as possible in order to increase the combustion rate. In this case, a larger amount of heat can be secured compared to the case of a mixed gas carrier, and the flame can be made longer, which is expected to have the effect of increasing the amount of SiO particles generated.
但し、液体の可燃性シリコン化合物を用いる場合、金属珪素粉末、又は、金属珪素粉末とSiOx(x≦2)粉末の粉末混合物と混合するとスラリー液となるため、気体キャリアで粉末を供給する場合と比べると操作性・安定性が低下し、装置コストも高くなる傾向があるが、必要なSiO物性によっては、選択することができる。 However, when a liquid flammable silicon compound is used, it becomes a slurry liquid when mixed with metallic silicon powder or a powder mixture of metallic silicon powder and SiOx (x≦2) powder, which tends to reduce operability and stability and increase equipment costs compared to supplying powder with a gas carrier, but can be selected depending on the required SiO properties.
また、操作Aで述べた金属珪素粉末、又は、金属珪素粉末とSiOx(x≦2)粉末の粉末混合物と可燃性シリコン化合物や有機溶剤の混合スラリーや操作Aで燃焼装置に提供されるエジェクタバーナーと一体型の供給装置を形成することもできる。この場合もやはり熱量増大化や液滴燃焼による火炎の縦方向の拡大が期待でき、生成SiO粒子の粒径拡大に寄与できるため、好適に選択される。操作Aと操作Bを見かけ上一体化させるメリットは、燃焼の完全性を追求でき好適に利用されるが、この場合のSi/Oとの化学量論比を制御する必要があることは、言うまでもない。 It is also possible to form a supply device integrated with the metallic silicon powder described in operation A, or a powder mixture of metallic silicon powder and SiOx (x≦2) powder, a mixed slurry of combustible silicon compounds and organic solvents, or the ejector burner provided to the combustion device in operation A. In this case, too, it is preferable to select it because it is expected to increase the amount of heat and expand the flame vertically due to droplet combustion, which can contribute to increasing the particle size of the generated SiO particles. The advantage of seemingly integrating operations A and B is that it is possible to pursue completeness of combustion, and it is preferably used, but it goes without saying that in this case the stoichiometric ratio of Si/O must be controlled.
[操作Bの補足説明]
操作Bにおいては、上記のように、可燃性シリコン化合物(1種又は複数種でもよい)の流体単独、又は、該可燃性シリコン化合物の流体と酸素ガスと不活性ガスとを含む第2の混合流体を前記燃焼装置に供給する。この可燃性シリコン化合物は、燃焼火焔中で酸化される過程において、金属珪素粉末と接触衝突しながら通過する。可燃性シリコン化合物は常温で気体・液体のいずれのものもが選択できる。可燃性シリコン化合物は、気体で供給しても、微細な液滴(アトマイズ粒子様)で供給してもよい。この操作Bにおける可燃性シリコン化合物は、上記のように、操作Aの金属珪素粉末との混合物であってもよい。可燃性シリコン化合物を液体として供給する場合は、金属珪素粉末やSiOx(x≦2)との混合物であるため、燃焼までのエネルギー消費を抑える目的で高速アトマイザー供給されてもよい。この場合は、金属珪素粒子/SiOx(x≦2)粒子が、均一に分散する様に事前に混合工程を選択することができる。
[Supplementary explanation for operation B]
In operation B, as described above, a single fluid of a combustible silicon compound (may be one or more types) or a second mixed fluid containing a fluid of the combustible silicon compound, oxygen gas, and an inert gas is supplied to the combustion device. This combustible silicon compound passes through while contacting and colliding with the metal silicon powder in the process of being oxidized in the combustion flame. The combustible silicon compound can be either a gas or a liquid at room temperature. The combustible silicon compound can be supplied in the form of a gas or fine droplets (atomized particles). The combustible silicon compound in operation B can be a mixture with the metal silicon powder of operation A, as described above. When the combustible silicon compound is supplied as a liquid, it is a mixture with metal silicon powder or SiOx (x≦2), so it may be supplied with a high-speed atomizer in order to reduce energy consumption until combustion. In this case, a mixing step can be selected in advance so that the metal silicon particles/SiOx (x≦2) particles are uniformly dispersed.
この可燃性シリコン化合物には、種々のモノマーや低分子量のオリゴマーが好適に使用される。シリコーン系液状ポリマーも使用できるが、これらの高分子化合物は、粘性も高く、燃焼に至るまでの分散、気化、着火までに多大のエネルギーを与える必要があるため低分子有機シリコン化合物を用いることが好ましい。また、ここで用いる可燃性シリコン化合物は、生成した一酸化珪素の性能に悪影響を与える可能性があるハロゲン化物や燃焼後に一酸化珪素以外の固体、液体酸化物を生成しない可燃性シリコン化合物であることも好ましい。 Various monomers and low molecular weight oligomers are preferably used for this flammable silicon compound. Silicone-based liquid polymers can also be used, but these polymer compounds are highly viscous and require a large amount of energy to be applied to disperse, vaporize, and ignite before they can burn, so it is preferable to use low molecular weight organic silicon compounds. In addition, it is also preferable that the flammable silicon compound used here is a flammable silicon compound that does not produce halides that may adversely affect the performance of the silicon monoxide produced, or solid or liquid oxides other than silicon monoxide after combustion.
さらに、好適には、一酸化珪素への火焔中での燃焼温度を安定させることができる燃焼熱を確保できる化合物が好適に使用される。 Furthermore, it is preferable to use a compound that can secure combustion heat that can stabilize the combustion temperature of silicon monoxide in a flame.
この指標には、「燃焼熱比」が有効である。表1に挙げた、一般的に知られている低分子有機シリコン化合物の完全燃焼における燃焼熱を1.0とした場合のSiO(g)への燃焼反応熱との比を表している。この燃焼熱比は、火焔中での酸素濃度が低下した場合に火炎温度の極端な下降を防止できる指標として位置づけることができる。この数値が大きいほど酸素濃度の変化に強い火炎を形成することができる。 The "combustion heat ratio" is an effective indicator for this. It represents the ratio of the heat of combustion reaction to SiO(g) when the heat of combustion in the complete combustion of the commonly known low molecular weight organic silicon compounds listed in Table 1 is taken as 1.0. This combustion heat ratio can be positioned as an indicator that can prevent a drastic drop in flame temperature when the oxygen concentration in the flame decreases. The larger this value is, the more resistant the flame that can be formed is to changes in oxygen concentration.
表1のシリコン化合物以降にSiO2とSiOが生成物であった場合の燃焼熱の例を挙げる。CH4、H2等の可燃性ガスの燃焼熱(表2も参照)と比較するとその有用性が理解できる。 Below are examples of the heat of combustion when SiO2 and SiO are the products after the silicon compounds in Table 1. Its usefulness can be understood by comparing it with the heat of combustion of combustible gases such as CH4 and H2 (see also Table 2).
以下の化学燃焼反応種は特に記載ない限りガス状態基準を表す。SiO(g)を基準にしているため、通常SiO2は、固体として扱うが、ここでは、SiO(g)が存在可能な1860℃(2133K)付近での状態と思われる液体として取り扱う。但し、SiO2(l)とSiO2(s)の標準生成エンタルピーΔHfは、SiO2(s)→SiO2(l)の状態変化において、SiO2(s)が結晶であれ、ガラスであれ、その状態変化熱(液化熱)が極めて小さいため、SiO2(l)をSiO(s)と考えても結果に大差はなく、SiO2(s)との燃焼熱比と考えても差し支えない。 The following chemical combustion reaction species are based on the gas state unless otherwise specified. Since SiO(g) is used as the standard, SiO2 is usually treated as a solid, but here it is treated as a liquid that is thought to be in a state near 1860°C (2133K) where SiO(g) can exist. However, the standard enthalpy of formation ΔHf of SiO2 (l) and SiO2 (s) is such that in the state change from SiO2 (s) to SiO2 (l), whether SiO2 (s) is crystal or glass, the heat of state change (heat of liquefaction) is extremely small, so there is no significant difference in the results even if SiO2 (l) is considered to be SiO(s), and it can be considered as the combustion heat ratio with SiO2 (s).
この表より、以下に例示する物質のΔHr(298)は以下の通りである。
Si(OCH3)4+5.5O2 → SiO+4CO2+6H2O
ΔHr(298)=-1946kJ/mol
(CH3)3SiOSi(CH3)3[HMDS]+11O2
→ 2SiO+6CO2+9H2O
ΔHr(298)=-3923kJ/mol
{(CH3)2SiO}4[OMCTS:D4]+16O2
→ 4SiO+8CO2+12H2O
ΔHr(298)=-5172kJ/mol
From this table, the ΔHr (298) of the substances exemplified below is as follows:
Si(OCH 3 ) 4 +5.5O 2 → SiO+4CO 2 +6H 2 O
ΔHr(298)=-1946kJ/mol
( CH3 ) 3SiOSi ( CH3 ) 3 [HMDS]+ 11O2
→ 2SiO+ 6CO2 + 9H2O
ΔHr(298)=-3923kJ/mol
{(CH 3 ) 2 SiO} 4 [OMCTS:D4]+16O 2
→ 4SiO+ 8CO2 + 12H2O
ΔHr (298) = -5172kJ/mol
これに対して、メタン、プロパン等の可燃性ガスやSi(l)の場合は、
CH4+2O2 → CO2+2H2O
ΔHr(298)=-802kJ/mol
C3H8+5O2 → 3CO2+4H2O
ΔHr(298)=-2044kJ/mol
Si(l)+0.5O2 → SiO
ΔHr(298)=-149kJ/mol
となり(表2参照)、可燃性シリコン化合物は、可燃性ガスの燃焼熱に対して大きなアドバンテージを持つばかりでなく、Si源としても使用することができる。従ってSi源として、金属珪素粉末、金属珪素粉末とSiOx(x≦2)の混合物或いは可燃性シリコン化合物を選択することができるが、経済性、製造する一酸化珪素に求める性能などを考慮して選択することができる。
In contrast, in the case of combustible gases such as methane and propane, and Si(l),
CH 4 +2O 2 → CO 2 +2H 2 O
ΔHr(298)=-802kJ/mol
C 3 H 8 +5O 2 → 3CO 2 +4H 2 O
ΔHr (298) = -2044kJ/mol
Si(l)+0.5O 2 → SiO
ΔHr(298)=-149kJ/mol
(See Table 2), and combustible silicon compounds not only have a great advantage in terms of the combustion heat of combustible gas, but can also be used as a silicon source. Therefore, as the silicon source, metal silicon powder, a mixture of metal silicon powder and SiOx (x≦2), or a combustible silicon compound can be selected, and the selection can be made taking into consideration the economical efficiency and the performance required for the silicon monoxide to be produced.
但し、本発明は、Si源として金属珪素/SiOx(x≦2)と「可燃性シリコン化合物」の両方を選択することで驚くべきことに生成した一酸化珪素が固相反応や液固相反応で得た一酸化珪素に比較して、不均化しにくい性質があることが明らかとなった。 However, in the present invention, by selecting both metallic silicon/SiOx (x≦2) and a "combustible silicon compound" as the Si source, it has surprisingly become clear that the silicon monoxide produced is less prone to disproportionation than silicon monoxide obtained by solid-phase or liquid-solid-phase reactions.
可燃性シリコン化合物群での一酸化珪素の合成条件は、その発生熱量と火炎中の酸素分圧の関係から、調整によって見いだすことができる。 The conditions for synthesizing silicon monoxide from combustible silicon compounds can be found by adjusting the relationship between the amount of heat generated and the partial pressure of oxygen in the flame.
操作Bで使用する可燃性シリコン化合物は主に火焔温度を維持し、Si源を持った熱源であることからその他のSi源(金属珪素粉末等)との配合を常に調整する必要がある。そのため、可燃性シリコン化合物は、従属的にその量を設定することができる。操作Bは、その火焔の中でSi源とO2ガスを反応させてより均一な一酸化珪素を生成するための重要な操作である。操作Bでは、Si源と支援性ガス、不活性ガスのバランスを調整し火焔の大きさをできるだけ長く大きくし、本火焔の中でできるだけゆっくりとSiの酸化反応を制御しながら一酸化珪素を生成することが望ましい。 The combustible silicon compound used in operation B is mainly used to maintain the flame temperature, and since it is a heat source having a Si source, it is necessary to constantly adjust the blending with other Si sources (metallic silicon powder, etc.). Therefore, the amount of the combustible silicon compound can be set subordinately. Operation B is an important operation for reacting the Si source with O2 gas in the flame to produce more uniform silicon monoxide. In operation B, it is desirable to adjust the balance between the Si source, the supporting gas, and the inert gas to make the flame as long and large as possible, and to produce silicon monoxide while controlling the oxidation reaction of Si in the flame as slowly as possible.
常温で液体の可燃性シリコン化合物を使用する場合は、燃焼の速度をガスの場合より抑えることができるため、操作(A)の金属珪素粉末やSiOx(x≦2)との混合物であった場合も、火炎を長くする効果が期待できる。その場合は酸水素火炎や可燃性ガスの量を調整し適正化することができる。 When using a flammable silicon compound that is liquid at room temperature, the burning speed can be slower than with a gas, so even if it is a mixture with metallic silicon powder or SiOx (x≦2) as in operation (A), the effect of lengthening the flame can be expected. In that case, the amount of oxyhydrogen flame or flammable gas can be adjusted to optimize it.
本発明で用いられる可燃性シリコン化合物は、この説明を考慮して適宜選択することができ、特に限定されるものではないが、例えば、上記で列挙したアルコキシシラン等の低分子有機シリコン化合物単独或いはそれらの混合物を採用することができる。 The combustible silicon compound used in the present invention can be appropriately selected taking this explanation into consideration, and is not particularly limited. For example, low molecular weight organic silicon compounds such as the alkoxysilanes listed above can be used alone or in mixtures thereof.
[操作C]
上記のように、操作Cは、可燃性ガスと酸素ガス(支燃性O2ガス)と不活性ガスとを含む第3の混合流体を、燃焼装置に供給し、火焔を形成する操作である。この操作が金属珪素粉末又は、金属珪素粉末とSiOx(x≦2)粉末の混合物を一酸化珪素とするための第3の熱供給工程となる。このとき、操作Cで熱量を調整することが好ましい。例えば、操作Aや操作Bで混合流体(第1の混合流体と第2の混合流体)を空気や窒素リッチなガスとした場合などは、SiO生成のためのO2が不足することが多いため、操作Cでは可燃性ガスと酸素ガス(支燃性O2ガス)の混合流体(第3の混合流体)で熱量を調整することが好ましい。さらに、操作A、操作Bと同じように、操作Cでは、SiO生成速度を調整制御するため、不活性ガスも加える。ここでの不活性ガスは空気に含まれる窒素、アルゴン等でもよい。
[Operation C]
As described above, the operation C is an operation of supplying a third mixed fluid containing a combustible gas, oxygen gas (combustion-supporting O2 gas), and an inert gas to a combustion device to form a flame. This operation is the third heat supply step for converting a mixture of metal silicon powder or metal silicon powder and SiOx (x≦2) powder into silicon monoxide. At this time, it is preferable to adjust the amount of heat in the operation C. For example, when the mixed fluid (first mixed fluid and second mixed fluid) in the operation A or B is air or a nitrogen-rich gas, there is often a shortage of O2 for SiO generation, so it is preferable to adjust the amount of heat with a mixed fluid (third mixed fluid) of a combustible gas and oxygen gas (combustion-supporting O2 gas) in the operation C. Furthermore, in the same way as in the operations A and B, an inert gas is also added in the operation C to adjust and control the SiO generation rate. The inert gas here may be nitrogen, argon, or the like contained in air.
また、可燃性ガスは、CH4、LPG(液化天然ガス)などの炭化水素ガスでよい。もちろん、用いることができる炭化水素ガスはこれらだけに限定されるものではない。ここでの可燃性ガスとして、メタン、エタン、プロパン、アセチレン、プロピレン等の炭化水素は十分な燃焼発熱が得られるので好ましいが、これらに限定されない。また、可燃性ガスは、水素(以下では、H2と記述することもある)あるいはH2と炭化水素の混合流体であってもよい。火焔における発生熱量や火焔長さなどの形状は、一酸化珪素生成に適合できるように比率などを決めればよい。 The combustible gas may be a hydrocarbon gas such as CH4 or LPG (liquefied natural gas). Of course, the usable hydrocarbon gas is not limited to these. As the combustible gas here, hydrocarbons such as methane, ethane, propane, acetylene, and propylene are preferable because they can provide sufficient combustion heat, but are not limited to these. The combustible gas may be hydrogen (hereinafter sometimes written as H2 ) or a mixed fluid of H2 and a hydrocarbon. The shape of the flame, such as the amount of heat generated and the flame length, may be determined by determining the ratio so as to be suitable for silicon monoxide generation.
操作Cは火焔を形成し、その火焔の中で、金属珪素粉末、又は、金属珪素粉末とSiOx(x≦2)粉末の混合物、(操作Aで供給される)第1の混合流体、及び、可燃性シリコン化合物(操作Bで供給される)とO2ガスを反応させて安定的に一酸化珪素を生成するために必須の工程である。 Operation C is an essential step for forming a flame and reacting, in the flame, the metallic silicon powder or the mixture of the metallic silicon powder and the SiOx (x≦2) powder, the first mixed fluid (supplied in operation A), and the combustible silicon compound (supplied in operation B) with O2 gas to stably produce silicon monoxide.
操作Cでも、操作B同様に火焔の大きさをできるだけ長く大きくし、その火焔の中でできるだけゆっくりとSiを制御しながら酸化させて一酸化珪素を生成する。Si成分と酸素ガスの反応を一酸化珪素粉末が生成するような条件で反応を行うことが好ましい。 In operation C, as in operation B, the flame is made as large and long as possible, and silicon is oxidized in the flame as slowly and controlled as possible to produce silicon monoxide. It is preferable to carry out the reaction between the silicon component and oxygen gas under conditions that produce silicon monoxide powder.
つまり火焔中のO2濃度を一酸化珪素生成範囲に制御して、酸化反応を行わせることが必要である。酸化反応制御は、これまで述べてきたように燃焼装置に供給するSi原料の量と、酸素ガスの量(第1の混合流体、第2の混合流体に含まれる酸素ガス及び第3の混合流体に含まれる酸素ガスの合計量)との比を調整することにより行う。さらに、可燃性ガスの混合比率や種類(炭化水素ガス、H2等)、可燃性ガスと酸素ガス(支燃性ガス)と不活性ガスの混合比率の最適化により酸化反応制御を行うことが好ましい。つまりSi源供給量と可燃性ガス種と流量等により、火焔中の適正O2量は変化するため、これらの生成条件の調整は実験的に行うことができる。 That is, it is necessary to control the O2 concentration in the flame to within the silicon monoxide generation range to carry out the oxidation reaction. As described above, the oxidation reaction is controlled by adjusting the ratio between the amount of Si raw material supplied to the combustion device and the amount of oxygen gas (the total amount of oxygen gas contained in the first mixed fluid, the second mixed fluid, and the third mixed fluid). Furthermore, it is preferable to control the oxidation reaction by optimizing the mixture ratio and type of combustible gas (hydrocarbon gas, H2 , etc.), and the mixture ratio of combustible gas, oxygen gas (combustion supporting gas), and inert gas. That is, the appropriate O2 amount in the flame changes depending on the Si source supply amount, the type of combustible gas, the flow rate, etc., so these generation conditions can be adjusted experimentally.
[操作Cの補足説明]
このような操作Cは、可燃性ガスと支燃性酸素ガスと不活性ガスの混合ガスを燃焼装置に供給し、火焔を補助的に形成する操作であり、Si源酸化領域を補完するための発熱源となる。
[Supplementary explanation for operation C]
Such operation C is an operation for supplying a mixed gas of a combustible gas, a combustion-supporting oxygen gas, and an inert gas to a combustion device to auxiliary form a flame, and serves as a heat source for complementing the Si source oxidation region.
これに、金属珪素粉末、又は、金属珪素粉末とSiOx(x≦2)粉末の混合物を、酸素ガスと不活性ガスとを含む第1の混合流体をキャリアとして、燃焼装置に供給する操作Aを、同じ燃焼装置に対して行うため、操作Bにおける可燃性シリコン化合物を含むSi源と酸素ガスの酸化発熱も付加しながら、前記で述べたSiOガス温度領域まで昇温して一酸化珪素を生成する。操作Aで酸素ガス以外に不活性ガスを含む混合ガスをキャリアとしているのは、Siの酸化反応を制御するためである。キャリアガスが酸素ガスのみであると、瞬時に爆発的酸化反応が起きて、SiO2が生成してしまう可能性がある。 To this, operation A is performed on the same combustion device, in which metal silicon powder or a mixture of metal silicon powder and SiOx (x≦2) powder is supplied to the combustion device using a first mixed fluid containing oxygen gas and an inert gas as a carrier, and silicon monoxide is generated by raising the temperature to the above-mentioned SiO gas temperature range while also adding the oxidation heat of the Si source containing a combustible silicon compound and oxygen gas in operation B. The reason why a mixed gas containing an inert gas other than oxygen gas is used as a carrier in operation A is to control the oxidation reaction of Si. If the carrier gas is only oxygen gas, an explosive oxidation reaction may occur instantly, resulting in the generation of SiO2 .
そのため酸素ガスと不活性ガスとを含む混合ガスとして、酸素濃度を薄めて酸化発熱反応速度を制御し、SiOを生成し易くするものである。SiO2生成まで至らずSiOで反応を停止させるには、火焔中の爆発限界酸素濃度10%を超えない様にする必要があると考えられる。該混合ガスとしては空気、酸素と窒素の混合ガス、酸素とArの混合ガスなどの量比を制御したものが望ましい。 Therefore, the mixed gas containing oxygen gas and inert gas is used to dilute the oxygen concentration and control the rate of the exothermic oxidation reaction, making it easier to generate SiO. In order to stop the reaction at SiO before it reaches SiO2 generation, it is necessary to ensure that the oxygen concentration does not exceed the explosion limit of 10% in the flame. As the mixed gas, it is preferable to use air, a mixed gas of oxygen and nitrogen, a mixed gas of oxygen and Ar, or the like, with the amount ratio controlled.
操作Cは可燃性ガスと酸素ガスと不活性ガスとを含む混合ガスを供給し、火焔形成や高温を維持・補助する工程で、本工程がSiを一酸化珪素とするための補助的熱供給工程となる。 Operation C is a process in which a mixed gas containing a combustible gas, oxygen gas, and an inert gas is supplied to maintain and assist in the formation of a flame and high temperatures. This process serves as an auxiliary heat supply process to convert silicon into silicon monoxide.
操作Aで混合ガスを空気とした場合、一酸化珪素生成のための酸素が不足するため、主たる熱量補給を一種或いは複数の可燃性シリコン化合物群から選ばれ、少なくともその酸素ガスとの混合ガスを燃焼装置に供給する操作Bで行いさらに、本操作Cでは可燃性ガスと酸素ガスの混合ガスで補足的に熱量を調整する。更に操作Aと同じようにSiO生成速度を調整制御するため、不活性ガスを加える。不活性ガスは空気に含まれる窒素でも良いし、窒素PSA(圧力変動吸着式窒素ガス発生装置)等で生成された濃度90~95%程度の窒素でもよい。 When the mixed gas in operation A is air, there is a shortage of oxygen for silicon monoxide production, so the main heat supply is carried out in operation B, in which one or more combustible silicon compounds are selected from a group and a mixed gas of at least this compound with oxygen gas is supplied to the combustion device, and furthermore, in this operation C, the heat supply is supplementally adjusted with a mixed gas of combustible gas and oxygen gas. Furthermore, in order to adjust and control the SiO production rate in the same way as in operation A, an inert gas is added. The inert gas may be the nitrogen contained in air, or it may be nitrogen with a concentration of about 90 to 95% generated by a nitrogen PSA (pressure swing adsorption type nitrogen gas generator) or the like.
操作Cにおける可燃性ガスはCH4、LPGなどの炭化水素ガスでよく、もちろん炭化水素ガスがこれらだけに限定されるものではない また、可燃性ガスが水素あるいは水素と炭化水素の混合ガスであっても良い。操作Cは補助的に火焔を形成し、Si源を持たない熱源であることから独立的にその量を設定することが可能であると共にその火焔の中でSi源と酸素ガスを反応させてより均一な一酸化珪素を生成するために必要な工程である。本工程では、操作B同様に火焔の大きさをできるだけ長く大きくし、本火焔の中でできるだけゆっくりと金属珪素粉末を制御しながら酸化させて一酸化珪素を生成させることが望ましい。 The combustible gas in operation C may be a hydrocarbon gas such as CH4 or LPG, and of course the hydrocarbon gas is not limited to these. The combustible gas may also be hydrogen or a mixed gas of hydrogen and a hydrocarbon. Operation C is a step that auxiliary forms a flame, and since it is a heat source without a Si source, its amount can be set independently, and is necessary for reacting the Si source and oxygen gas in the flame to produce more uniform silicon monoxide. In this step, as in operation B, it is desirable to make the size of the flame as long and large as possible, and to controllably oxidize the metallic silicon powder in the flame as slowly as possible to produce silicon monoxide.
そのため可燃性ガスと水素の比率や種類、可燃性ガスと支燃性ガスと不活性ガスの混合比率の最適化による、酸化反応制御は操作Bでの調整と同様に重要な制御である。 Therefore, controlling the oxidation reaction by optimizing the ratio and type of combustible gas and hydrogen, and the mixture ratio of combustible gas, combustion supporting gas, and inert gas, is an important control, just like the adjustments in operation B.
当然、供給金属珪素粉末の量に応じて、操作B、操作Cの可燃性シリコン化合物や可燃性ガスとの混合ガス比率は最適化する必要があるが、火焔の最適化と両立しない場合もある。火焔最適化とは火焔をできるだけ長くし、金属珪素粉末、又は、金属珪素粉末とSiOx(x≦2)粉末の混合物を火焔内に落下させながら、制御酸化してSiOを生成するが、火焔長さや温度分布と酸素量制御が両立しない場合がある。その場合、後述のように、金属珪素粉末、又は、金属珪素粉末とSiOx(x≦2)粉末の混合物への酸素拡散を制御する酸素と不活性ガスとを含む混合ガス又は不活性ガス単独を供給する操作Dにより、操作B、操作Cにおける酸化速度を制御することができる。金属珪素粉末供給量が少ない時は、当然必要とされる酸素量は少なくて良い。その場合、操作Cにおける酸素ガス量を少なくしてしまうと、火焔を最適化できなくなる。そこで操作Bの100%の可燃性シリコン化合物やそれを含む酸素-窒素混合流体は調整範囲で火焔を維持し、操作Dにおいて酸素と不活性ガスとを含む混合ガスの比率を酸素減少側に調整したものを供給する。 Naturally, the mixed gas ratio of combustible silicon compounds and combustible gases in operations B and C must be optimized according to the amount of metal silicon powder supplied, but this may not be compatible with the optimization of the flame. In the case of flame optimization, the flame is made as long as possible, and the metal silicon powder or the mixture of metal silicon powder and SiOx (x≦2) powder is dropped into the flame while controlled oxidation is performed to generate SiO, but there are cases where the flame length, temperature distribution, and oxygen amount control are not compatible. In such a case, as described later, the oxidation rate in operations B and C can be controlled by operation D, which supplies a mixed gas containing oxygen and an inert gas or an inert gas alone to control the oxygen diffusion into the metal silicon powder or the mixture of metal silicon powder and SiOx (x≦2) powder. When the amount of metal silicon powder supplied is small, the amount of oxygen required is naturally small. In that case, if the amount of oxygen gas in operation C is reduced, the flame cannot be optimized. Therefore, in operation B, 100% flammable silicon compounds or oxygen-nitrogen mixed fluid containing them are used to maintain the flame within an adjustable range, and in operation D, a mixed gas containing oxygen and an inert gas is supplied with the ratio adjusted to the oxygen-reducing side.
逆に金属珪素粉末供給量が多い時は、操作Bを増加するか操作Cを増加するかは、任意に選択できる。その際も、後述の操作Dにおいて酸素と不活性ガスとを含む混合ガスの比率を酸素増加側にして調整することができる。 Conversely, when the supply of metallic silicon powder is large, it is possible to choose whether to increase operation B or operation C. In that case, the ratio of the mixed gas containing oxygen and an inert gas in operation D described below can be adjusted to increase oxygen.
[操作D]
上記のように、供給される金属珪素粉末、又は、金属珪素粉末とSiOx(x≦2)粉末の混合物と可燃性シリコン化合物の量に応じて、操作Dにおける第4の混合流体の供給比率は最適化することが好ましい。ただし、そのような供給比率の最適化と、火焔の最適化と両立しない場合もある。言い換えれば、火焔最適化とは火焔をできるだけ長くすることである。本発明では金属珪素粉末、又は、金属珪素粉末とSiOx(x≦2)粉末の混合物を可燃性シリコン化合物等とともに火焔内に落下させながら、酸化制御してSiOを生成するが、火焔長さや温度分布と酸素量制御が両立しない場合がある。
[Operation D]
As described above, it is preferable to optimize the supply ratio of the fourth mixed fluid in operation D according to the amount of the metallic silicon powder or the mixture of metallic silicon powder and SiOx (x≦2) powder and the combustible silicon compound to be supplied. However, there are cases where such optimization of the supply ratio and optimization of the flame are not compatible. In other words, flame optimization is to make the flame as long as possible. In the present invention, the metallic silicon powder or the mixture of metallic silicon powder and SiOx (x≦2) powder is dropped into the flame together with the combustible silicon compound, etc., and oxidation is controlled to generate SiO, but there are cases where the flame length, temperature distribution, and oxygen amount control are not compatible.
その場合、金属珪素粉末、又は、金属珪素粉末とSiOx(x≦2)粉末の混合物への酸素拡散を制御する酸素ガスと不活性ガスとを含む第4の混合流体、又は、不活性ガスを供給する操作Dにより、操作A、B、Cにおける酸化速度を最終的に微調整制御することができるようになる。具体的には、本発明の一酸化珪素の製造方法において、燃焼装置に、金属珪素粉末、又は、金属珪素粉末とSiOx(x≦2)粉末の混合物への酸素拡散を制御するための、酸素ガスと不活性ガスを含む第4の混合流体又は不活性ガス単独を供給する操作Dをさらに有するものとすることができる。金属珪素粉末又は、金属珪素粉末とSiOx(x≦2)粉末の混合物と可燃性シリコン化合物の供給量が少ない時は、当然酸化(燃焼)に必要とされるO2量は少なくてよい。その場合、操作Dにおける支燃性O2ガス量を少なくしてしまうと、火焔を最適化できなくなる。そこで操作Cの混合ガスは調整範囲で火焔を維持し、操作DにおいてO2/不活性ガス比率をO2レス側(O2が少ない側)に調整したものを供給する。金属珪素粉末等と可燃性シリコン化合物の供給量が多い時は逆で、操作DにおいてO2/不活性ガス比率をO2リッチ側(O2が多い側)にして調整する。 In this case, the oxidation rate in the operations A, B, and C can be finally finely adjusted and controlled by the operation D of supplying a fourth mixed fluid containing oxygen gas and an inert gas, or an inert gas, which controls the oxygen diffusion into the metal silicon powder or the mixture of the metal silicon powder and the SiOx (x≦2) powder. Specifically, the method for producing silicon monoxide of the present invention can further include an operation D of supplying a fourth mixed fluid containing oxygen gas and an inert gas, or an inert gas alone, to the combustion device in order to control the oxygen diffusion into the metal silicon powder or the mixture of the metal silicon powder and the SiOx (x≦2) powder. When the supply amount of the metal silicon powder or the mixture of the metal silicon powder and the SiOx (x≦2) powder and the combustible silicon compound is small, the amount of O2 required for oxidation (combustion) can be naturally small. In this case, if the amount of the combustion-supporting O2 gas in the operation D is reduced, the flame cannot be optimized. Therefore, the mixed gas in operation C is adjusted to maintain the flame within the adjustment range, and the O2 /inert gas ratio is adjusted to the O2 -less side (low O2 content) in operation D. When the supply of metallic silicon powder and combustible silicon compounds is large, the opposite is true, and the O2 /inert gas ratio in operation D is adjusted to the O2 -rich side (high O2 content).
また、図1に示した第4のガス供給手段16、17等からのプロテクトガスの供給は、金属珪素粉末又は、金属珪素粉末とSiOx(x≦2)粉末への酸素拡散を制御するための、酸素ガスと不活性ガスを含む第4の混合流体又は不活性ガス単独を供給するという操作Dの一部でもある。 The supply of protective gas from the fourth gas supply means 16, 17, etc. shown in FIG. 1 is also part of operation D, which supplies a fourth mixed fluid containing oxygen gas and an inert gas, or an inert gas alone, to control oxygen diffusion into the metal silicon powder, or into the metal silicon powder and the SiOx (x≦2) powder.
本発明により、従来の固相接触反応法と比べて非常に生産性の高い珪素粉末と可燃性シリコン化合物の気流中酸化反応により、一酸化珪素を効率的に生成できるようになる。特に、低不均化一酸化珪素負極材を効率的に生成できるようになるので、LIB(リチウムイオン電池)用負極材として適した一酸化珪素材を得ることができる。本発明の製造方法によって製造した一酸化珪素はガラスやプラスチックコーティング用途やその他以外に、リチウムイオン二次電池の負極材として用いることができる。さらに、スマートフォンやスマートウォッチ等のモバイル機器、電気自動車の電池などの高容量化負極材として広く用いることができる。 The present invention makes it possible to efficiently produce silicon monoxide by an oxidation reaction in an air stream between silicon powder and a combustible silicon compound, which is highly productive compared to conventional solid-phase contact reaction methods. In particular, it makes it possible to efficiently produce low-disproportionation silicon monoxide anode material, making it possible to obtain a silicon monoxide material suitable as an anode material for LIBs (lithium ion batteries). The silicon monoxide produced by the production method of the present invention can be used as an anode material for lithium ion secondary batteries, in addition to being used for glass and plastic coatings and other purposes. Furthermore, it can be widely used as a high-capacity anode material for mobile devices such as smartphones and smart watches, and batteries for electric vehicles.
[操作E]
本発明の一酸化珪素の製造方法によれば、上述の方法により一酸化珪素を生産性良く製造することができるが、条件によって一酸化珪素以外の成分である未反応のSiやSiO2との混合物として生成物が得られる場合もある。その場合には、操作A~C(当然操作Dを行ってもよい)を行って製造した一酸化珪素の生成物を、1100℃以上1500℃以下の温度で加熱することにより、前記生成物に含まれる一酸化珪素を昇華抽出する操作Eをさらに含むことができる。生成物を、1100℃以上1500℃以下の温度で加熱することにより、生成物に含まれるSiOを昇華抽出することができる。SiやSiO2が気化する温度はSiOよりもはるかに高いため、このような方法によりSiO成分のみを昇華抽出することができる。
[Operation E]
According to the method for producing silicon monoxide of the present invention, silicon monoxide can be produced with good productivity by the above-mentioned method, but depending on the conditions, the product may be obtained as a mixture with unreacted Si and SiO 2 , which are components other than silicon monoxide. In that case, the method may further include an operation E in which the silicon monoxide product produced by carrying out operations A to C (of course, operation D may also be carried out) is heated at a temperature of 1100°C or higher and 1500°C or lower to sublimate and extract the silicon monoxide contained in the product. By heating the product at a temperature of 1100°C or higher and 1500°C or lower, the SiO contained in the product can be sublimated and extracted. Since the temperature at which Si and SiO 2 vaporize is much higher than that of SiO, only the SiO component can be sublimated and extracted by such a method.
以下、本発明の実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。 The present invention will be described in more detail below with examples and comparative examples, but the present invention is not limited to these examples.
[実施例1]
図1に示した燃焼装置(燃焼反応装置)100を用いて、本発明の製造方法に従って、一酸化珪素を製造した。操作Bに用いる可燃性シリコン化合物はテトラメトキシシランSi(OCH3)4(以下TMOSと呼称)、操作Cに用いる可燃性ガスはLPGとした。O2ガスと不活性ガスを空気とし、操作Cに用いる第3の混合ガスは、空気(すなわち、酸素ガスを含み、不活性ガスとして窒素及びアルゴンを含む混合ガス)とした。
[Example 1]
Silicon monoxide was produced according to the production method of the present invention using a combustion apparatus (combustion reaction apparatus) 100 shown in Figure 1. The combustible silicon compound used in operation B was tetramethoxysilane Si( OCH3 ) 4 (hereinafter referred to as TMOS), and the combustible gas used in operation C was LPG. The O2 gas and the inert gas were air, and the third mixed gas used in operation C was air (i.e., a mixed gas containing oxygen gas and containing nitrogen and argon as inert gases).
先ず工程Bの第2の混合流体として、TMOSを蒸発器により気化し5.69Kg/hrおよびTMOS燃焼用空気を24.13Nm3/hr供給しバーナー13で着火した(操作B)。 First, as the second mixed fluid in the step B, TMOS was vaporized by an evaporator and supplied at 5.69 kg/hr and air for TMOS combustion was supplied at 24.13 Nm 3 /hr, and ignited by the burner 13 (operation B).
次に第1の混合流体として、金属珪素粉末供給手段11より、2.50Kg/hrの金属珪素粉末を供給し、この金属珪素粉末は、空気と追加N2ガスを混合したキャリアガス(O2濃度8Vol%基準)1.01Nm3/hrとArを0.86Nm3/hrを第1のガス供給手段12から供給してこれに乗せて供給した(操作A)。 Next, as the first mixed fluid, 2.50 kg/hr of metallic silicon powder was supplied from metallic silicon powder supply means 11, and this metallic silicon powder was supplied on a carrier gas ( O2 concentration 8 vol% standard) mixed with air and additional N2 gas at 1.01 Nm3 /hr and Ar at 0.86 Nm3 /hr supplied from first gas supply means 12 (operation A).
第2混合流体の外周に第3のガス供給手段(バーナー)14より、LPGガス1.00Nm3/hrと空気26.67Nm3/hrを混合し燃焼させた(操作C)。 On the outer periphery of the second mixed fluid, 1.00 Nm 3 /hr of LPG gas and 26.67 Nm 3 /hr of air were mixed from the third gas supply means (burner) 14 and combusted (operation C).
燃焼容器10には炉内気流流れと火焔制御のためと、炉壁への輻射熱の軽減、炉内低酸素濃度維持、冷却等の目的で第4のガス供給手段16、17から空気+N2の気流カーテンを2段で2.5Nm3/hr毎供給した。
An air + N2 air flow curtain was supplied to the
これは火焔制御のために空気:N2比率を変えて制御する操作C(第3混合流体)の一部でもあり、これにより、炉内酸素濃度を制御した(操作Dでもある)。 This was also part of run C (third mixed fluid) in which the air: N2 ratio was varied and controlled for flame control, thereby controlling the oxygen concentration in the furnace (also run D).
以上の操作A、B、C、Dにより、燃焼火焔21内でO2量を制御しながら、一酸化珪素の粉末をおよそ5.55Kg/hrを生成させた。
By carrying out the above operations A, B, C and D, silicon monoxide powder was produced at about 5.55 kg/hr while controlling the amount of O2 in the
本実施例では捕集室23で生成した一酸化珪素粉末24を97.0%程度回収した。炉内圧は0~2000Paの範囲で減圧状態に保持された。生成した一酸化珪素粉末24の粉末XRD及びXPS分析からアモルファス状SiOであることが確認できた。
In this example, about 97.0% of the
[実施例2]
図2に示した一酸化珪素の製造装置200を用いて一酸化珪素を製造した。図2の一酸化珪素の製造装置200の構成は図1と基本的に同様であるが、第3のガス供給手段14から、H2ガス(第3の混合ガス)を供給することが異なる。その他の同一の符号を付した構成は図1と同様である。操作Cでは、実施例1の可燃性ガスである炭化水素ガス(LPG)の代わりに第3のガス供給手段14からH2ガスおよび量論量のO2ガスを供給し主たる発熱源とした。また、操作Cで主に火焔を制御するが、空気を上記のH2と混合しながら導入可能(ただし、この実施例では調整により、後述のように空気の導入量をゼロとした。)なものとし、火焔中の酸素量を調整した。
[Example 2]
Silicon monoxide was produced using the silicon
本実施例では、プロテクトガスを空気+N2(但し窒素は炉壁への付着状況や冷却状況によってその量は調整される)として、更に槽内(燃焼容器10内)の酸素量を調整制御するようにした。 In this embodiment, the protective gas is air + N2 (however, the amount of nitrogen is adjusted depending on the adhesion state to the furnace wall and the cooling state), and the amount of oxygen in the tank (inside the combustion vessel 10) is further adjusted and controlled.
金属珪素粉末供給手段11からの金属珪素粉末の供給量は、実施例1と同じ2.50Kg/hrとし、同伴キャリアガス量は実施例1と同じとした(操作A)。テトラメトキシシランSi(OCH3)4(以下でTMOS)を蒸発器で気化し5.69Kg/hrの速度で供給した(操作B)。また、H2ガス8.45Nm3/hrを第3のガス供給手段14から導入すると共に、空気及び酸素ガスを、同じ第3のガス供給手段14から、PSA装置から供給されたO2ガスの流速を4.86Nm3/hrとしてノズルより100m/secまでの初速で同軸バーナーから導入して、H2/O2加水分解火焔を形成した(操作C)。操作DのプロテクトガスはO2濃度5%のN2ガスを2箇所から2.2Nm3/hr毎で流して、槽内(燃焼容器10内)の酸素量を調整した。生成した一酸化珪素粉末は同じく捕集室23で捕集し、特性を調べた。得られた一酸化珪素粉末をXRD及びXPS分析測定したところ、Siピークが観察されずブロードな反射のみのアモルファス状SiOであることが確認できた。
The supply rate of metal silicon powder from the metal silicon powder supply means 11 was 2.50 kg/hr, the same as in Example 1, and the amount of the accompanying carrier gas was the same as in Example 1 (operation A). Tetramethoxysilane Si( OCH3 ) 4 (hereinafter referred to as TMOS) was vaporized by an evaporator and supplied at a rate of 5.69 kg/hr (operation B). In addition, H2 gas was introduced from the third gas supply means 14 at 8.45 Nm3 /hr, and air and oxygen gas were introduced from the same third gas supply means 14 at an initial speed of up to 100 m/sec from a nozzle with a flow rate of O2 gas supplied from the PSA device of 4.86 Nm3 /hr, to form a H2 / O2 hydrolysis flame (operation C). The protective gas in operation D was N2 gas with an O2 concentration of 5%, which was fed from two locations at a rate of 2.2 Nm3 /hr to adjust the amount of oxygen in the tank (inside the combustion vessel 10). The silicon monoxide powder produced was also collected in the
[実施例3]
図3に示した一酸化珪素の製造装置300を用いて一酸化珪素を製造した。図3の一酸化珪素の製造装置300の構成は図1と略同様であるが、第2の混合流体(可燃性シラン化合物単独或いはその酸素ガスと不活性ガスを含む第2の混合流体)と第1の混合流体を供給する手段11、12が一体型となっている。さらに第2の混合流体供給手段35bからヘキサメチルジシロキサンHMDS:(CH3)3SiOSi(CH3)3を、2流体ノズルを形成する供給手段35aからドライ空気(Dry-Air)を供給することが異なる。また、プロテクトガス供給手段36a、36b、37a、37bとしてドライ空気及びPSA装置から供給された窒素を供給するようにした。その他の同一の符号を付した構成は図1と同様である。
[Example 3]
Silicon monoxide was produced using a silicon
操作Cでは、実施例1の可燃性ガスである炭化水素ガス(LPG)の代わりに第3のガス供給手段14からH2ガスおよび量論量のO2ガスを供給し補助的な発熱源とした。また、操作Cで主に火焔を制御するが、空気を上記のH2と混合しながら導入可能(ただし、この実施例では調整により、後述のように空気の導入量をゼロとした。)なものとし、火焔中の酸素量を調整した。 In operation C, instead of the flammable hydrocarbon gas (LPG) in Example 1, H2 gas and a stoichiometric amount of O2 gas were supplied from the third gas supply means 14 as a supplementary heat source. In addition, the flame was mainly controlled in operation C, but air could be introduced while being mixed with the above H2 (however, in this example, the amount of air introduced was adjusted to zero as described below), and the amount of oxygen in the flame was adjusted.
本実施例でも、プロテクトガスを空気+N2(但し窒素は炉壁への付着状況や冷却状況によってその量は調整される)として、更に槽内(燃焼容器10内)の酸素量を調整制御するようにした。 In this embodiment, the protective gas is air + N2 (however, the amount of nitrogen is adjusted depending on the adhesion state to the furnace wall and the cooling state), and the amount of oxygen in the tank (inside the combustion vessel 10) is further adjusted and controlled.
金属珪素粉末供給手段11からの金属珪素粉末の供給量は、実施例1と同じ2.50Kg/hrとし、同伴キャリアガス量は実施例1と同じとした(操作A)。 The supply rate of metal silicon powder from the metal silicon powder supply means 11 was 2.50 kg/hr, the same as in Example 1, and the amount of accompanying carrier gas was the same as in Example 1 (Operation A).
操作Aのエジェクター内に二流体ノズルを形成して装着されたアトマイザーノズルから操作Bを行った。即ちヘキサメチルジシロキサンHMDS:(CH3)3SiOSi(CH3)3液体を3.04Kg/hrの速度で供給しながら、ドライ空気を24.13Nm3/hrで供給しHMDSマイクロ粒子を形成させた(操作B)。 Operation B was carried out from an atomizer nozzle that was formed by forming a two-fluid nozzle in the ejector of Operation A. That is, hexamethyldisiloxane (HMDS): ( CH3 ) 3SiOSi ( CH3 ) 3 liquid was supplied at a rate of 3.04 Kg/hr, while dry air was supplied at 24.13 Nm3 /hr to form HMDS microparticles (Operation B).
H2ガス8.40Nm3/hrを第3の供給手段14から導入すると共に、空気及び酸素ガスを同じ第3の供給手段14からPSA装置から供給されたO2ガス4.83Nm3/hrとしてノズルより100m/secまでの初速で同軸バーナーから導入して、H2/O2加水分解火焔を形成した(操作C)。 H2 gas at 8.40 Nm3 /hr was introduced from the third supply means 14, and air and oxygen gas were introduced from the same third supply means 14 as O2 gas at 4.83 Nm3 /hr supplied from the PSA device through a coaxial burner at an initial velocity of up to 100 m/sec from a nozzle to form a H2 / O2 hydrolysis flame (operation C).
操作Dのプロテクトガスはドライ空気を2箇所(36a、36b)から2.2Nm3/hr毎、さらに冷却強化のため95%濃度のN2ガスを2箇所(37a、37b)から0.5Nm3/hr毎で流し、槽内(燃焼容器10内)の酸素量を調整した。生成した一酸化珪素粉末は同じく捕集室23で捕集し、特性を調べた。得られた一酸化珪素粉末をXRD及びXPS分析測定したところ、Siピークが観察されずブロードな反射のみのアモルファス状SiOであることが確認できた。
The protective gas in operation D was dry air flowing from two locations (36a, 36b) at 2.2 Nm3 /hr, and 95% N2 gas flowing from two locations (37a, 37b) at 0.5 Nm3 /hr to further strengthen cooling, to adjust the amount of oxygen in the tank (combustion vessel 10). The silicon monoxide powder produced was also collected in the
[比較例1]
図1に示した実施例1の装置における操作Bを行わず、可燃性シラン化合物単独或いはその酸素ガスと不活性ガスを含む第2の混合流体は供給しなかった。
[Comparative Example 1]
Operation B in the apparatus of Example 1 shown in FIG. 1 was not carried out, and the flammable silane compound alone or the second mixed fluid containing oxygen gas and an inert gas was not supplied.
操作Aの第1のガス供給手段12から補足Si源を含む金属珪素粉3.55Kg/hrを供給し、さらにこの金属粉末は、空気と追加N2ガスを混合したキャリアーガス(O2濃度8Vol%基準)1.44Nm3/hrとAr1.22Nm3/hrを第1のガス供給手段12から共に供給した。操作Bを行わなかったので熱量を補足するため、第3のガス供給手段14より、第3の混合ガスLPG1.8Nm3/hrと空気49.93Nm3/hrを混合し燃焼させた。 Metallic silicon powder containing a supplemental Si source was supplied at 3.55 Kg/hr from the first gas supply means 12 in operation A, and further, this metallic powder was supplied together with 1.44 Nm3/hr of a carrier gas ( O2 concentration 8 vol% standard) mixed with air and additional N2 gas, and 1.22 Nm3 /hr of Ar from the first gas supply means 12. Since operation B was not performed, a third mixed gas LPG of 1.8 Nm3 /hr and air of 49.93 Nm3/hr were mixed and combusted from the third gas supply means 14 in order to supplement the amount of heat.
これら、第1、第2、第3の供給手段と供給流体条件以外は、実施堤1と同様に行った結果、灰色粉末5.3Kg/hrを得たが、生成物をXRD及びXPS分析測定したところ、僅かなSiピークが観測され、SiO2由来の結合も約20%程観察された。同程度の熱量供給された火焔を形成したものの実施例1~3と同等な一酸化珪素粉末を得る事が出来なかった。 Other than the first, second and third supply means and the supply fluid conditions, the same procedure was followed as in Example 1, and 5.3 kg/hr of gray powder was obtained. However, when the product was analyzed by XRD and XPS, a slight Si peak was observed, and about 20% of the bonds derived from SiO2 were observed. Although a flame with the same amount of heat supply was formed, it was not possible to obtain silicon monoxide powder equivalent to that of Examples 1 to 3.
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。 The present invention is not limited to the above-described embodiment. The above-described embodiment is merely an example, and anything that has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention and exhibits similar effects is included within the technical scope of the present invention.
10…燃焼容器、
11…金属珪素粉末又は金属珪素粉末とSiOx(x≦2)粉末混合粉の供給手段、
12…第1のガス供給手段、
13…バーナー(第1、第2、第3混合流体供給装置)、
14…第3のガス供給手段(バーナー)、
15a、15b…第2の流体供給手段(バーナー)、
16、17…第4のガス供給手段、
21…火焔、
23…捕集室、
24…生成した一酸化珪素粉末、
100、200、300…一酸化珪素の製造装置(燃焼装置)。
10... Combustion vessel,
11...Means for supplying metal silicon powder or a mixture of metal silicon powder and SiOx (x≦2) powder,
12...first gas supply means,
13... burner (first, second, third mixed fluid supply device),
14...Third gas supply means (burner),
15a, 15b...second fluid supply means (burner),
16, 17...fourth gas supply means,
21...Flame,
23...Collection chamber,
24...produced silicon monoxide powder,
100, 200, 300...Silicon monoxide manufacturing equipment (combustion equipment).
Claims (8)
金属珪素粉末、又は、金属珪素粉末とSiOx(x≦2)粉末の混合物を、酸素ガスと不活性ガスとを含む第1の混合流体をキャリアとして、燃焼装置に供給する操作Aと、
可燃性シリコン化合物の流体単独、又は、該可燃性シリコン化合物の流体と酸素ガスと不活性ガスとを含む第2の混合流体を前記燃焼装置に供給する操作Bと、
可燃性ガスと酸素ガスと不活性ガスとを含む第3の混合流体を、前記燃焼装置に供給し、火焔を形成する操作Cと
を有し、
前記操作A、前記操作B及び前記操作Cを同時に行って、一酸化珪素の生成物を製造することを特徴とする一酸化珪素の製造方法。 1. A method for producing silicon monoxide, comprising the steps of:
An operation A of supplying a metal silicon powder or a mixture of a metal silicon powder and a SiOx (x≦2) powder to a combustion device using a first mixed fluid containing oxygen gas and an inert gas as a carrier;
An operation B of supplying a flammable silicon compound fluid alone or a second mixed fluid containing the flammable silicon compound fluid, oxygen gas, and an inert gas to the combustion device;
and an operation C of supplying a third mixed fluid containing a combustible gas, an oxygen gas, and an inert gas to the combustion device to form a flame;
A method for producing silicon monoxide, comprising simultaneously carrying out the above-mentioned operations A, B and C to produce a silicon monoxide product.
前記操作A~Cを行う際に前記操作Dも同時に行うことを特徴とする請求項1に記載の一酸化珪素の製造方法。 The method further includes an operation D of supplying a fourth mixed fluid containing oxygen gas and an inert gas for controlling oxygen diffusion into the metal silicon powder or the mixture of the metal silicon powder and SiOx (x≦2) powder, or an inert gas alone;
2. The method for producing silicon monoxide according to claim 1, wherein the operation D is simultaneously carried out when the operations A to C are carried out.
前記操作Bにおける、可燃性シリコン化合物の流体単独、又は、該可燃性シリコン化合物の流体と酸素ガスと不活性ガスとを含む第2の混合流体の供給を、
前記燃焼装置の同一箇所において混合して行うことを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の一酸化珪素の製造方法。 In the above step A, supplying a silicon metal powder or a mixture of a silicon metal powder and a SiOx (x≦2) powder;
In the operation B, the supply of the flammable silicon compound fluid alone or the second mixed fluid containing the flammable silicon compound fluid, oxygen gas, and an inert gas is
7. The method for producing silicon monoxide according to claim 1, wherein the mixture is mixed in the same place in the combustion device.
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