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JP7833376B2 - Method for producing a high-purity alkaline silica solution, apparatus for producing a high-purity alkaline silica solution, and method for producing a high-purity silica sol. - Google Patents
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JP7833376B2 - Method for producing a high-purity alkaline silica solution, apparatus for producing a high-purity alkaline silica solution, and method for producing a high-purity silica sol. - Google Patents

Method for producing a high-purity alkaline silica solution, apparatus for producing a high-purity alkaline silica solution, and method for producing a high-purity silica sol.

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JP7833376B2 JP2022140573A JP2022140573A JP7833376B2 JP 7833376 B2 JP7833376 B2 JP 7833376B2 JP 2022140573 A JP2022140573 A JP 2022140573A JP 2022140573 A JP2022140573 A JP 2022140573A JP 7833376 B2 JP7833376 B2 JP 7833376B2
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Description

本発明は、高純度珪酸アルカリ溶液の製造方法、高純度珪酸アルカリ溶液の製造装置、および高純度珪酸アルカリ溶液、並びに、高純度シリカゾルおよびその製造方法に関する。 This invention relates to a method for producing a high-purity alkali silicate solution, an apparatus for producing a high-purity alkali silicate solution, a high-purity alkali silicate solution, and a high-purity silica sol and a method for producing the same.

半導体製造用原料のシリカについては、常に、より高純度なシリカの提供が望まれている。高純度なシリカの製造方法としては、極力不純物を抑制させる手段として、精製したシリコンアルコキシドを原料としてシリカを合成する製造方法が広く知られている。しかしながら、原料のアルコキシドが高価なため、そのような製造方法で得られたシリカの利用は、例えば、付加価値の高い用途や特殊な用途等に限定されていた。その他に、珪酸アルカリと鉱酸による湿式反応でシリカを合成する製造方法が知られている。この製造方法では比較的安価にシリカを製造できる。しかしながら、この製造方法で生成するシリカは、数ppmから数十ppmオーダーで金属不純物を含有するため、高純度化が求められていた。特に、珪酸アルカリを原料とした高純度シリカの製造方法では、得られるシリカの純度が原料の珪酸アルカリの不純物含有量に依存する。このため、できるだけ高純度な珪酸アルカリの提供が望まれていた。 For silica used as a raw material in semiconductor manufacturing, there is a constant demand for higher purity silica. A widely known method for producing high-purity silica involves synthesizing silica using purified silicon alkoxide as a raw material, minimizing impurities. However, because the alkoxide raw material is expensive, the use of silica produced by such methods has been limited to high-value-added applications or specialized uses. Another known method involves synthesizing silica through a wet reaction between alkali silicate and mineral acid. This method allows for relatively inexpensive silica production. However, the silica produced by this method contains metal impurities in the order of several ppm to tens of ppm, thus requiring higher purity. In particular, in methods for producing high-purity silica using alkali silicate as a raw material, the purity of the resulting silica depends on the impurity content of the alkali silicate raw material. Therefore, there has been a demand for the provision of alkali silicate with the highest possible purity.

従来、珪酸アルカリ溶液の製造は、珪酸アルカリカレットを高温高圧で蒸解する方法、或いは、溶解性の高い非晶質のシリカをアルカリ水溶液に溶解する方法で製造されていた。しかしながら、得られた珪酸アルカリ溶液中には、未溶解残渣や製造時に生じる平板状微小粒子が含まれており、これらの異物に起因して後工程で濾過不良が生じたり、最終製品中に残存したこれら異物が不具合を発生させるという問題があった。そのため、濾過助剤を用いてフィルタープレスなどの方法で濾過をしてこれら異物の除去が行われている。しかしながら、平板状微小粒子は、そのサイズがミクロンからサブミクロンサイズであることから、前述の濾過工程では除去できないといった問題があった。 Traditionally, alkali silicate solutions were manufactured by either pulverizing alkali silicate cullet under high temperature and pressure, or by dissolving highly soluble amorphous silica in an alkaline aqueous solution. However, the resulting alkali silicate solution contained undissolved residues and flat, plate-like microparticles generated during manufacturing. These impurities caused problems such as filtration failures in subsequent processes and defects in the final product. Therefore, these impurities were removed by filtration using filter aids and methods such as filter presses. However, because the flat, plate-like microparticles range in size from microns to submicrons, they could not be removed by the aforementioned filtration processes.

高純度珪酸アルカリ溶液の製造方法としては、特許文献1には、アルカリ金属珪酸塩を純水で希釈した後、H型陽イオン交換樹脂に接触させて脱カチオンし、さらに酸を加えて強酸性とした後、再度H型陽イオン交換樹脂およびOH型陰イオン交換樹脂に接触させて脱カチオン脱アニオンし、アルカリを加えて加熱してシリカをコロイド化し、濃縮した後KOHを加えて珪酸カリ水溶液を得る方法が記載されている。 Patent Document 1 describes a method for producing a high-purity alkali silicate solution, which involves diluting an alkali metal silicate with pure water, contacting it with an H-type cation exchange resin to decation, adding an acid to make it strongly acidic, then contacting it again with an H-type cation exchange resin and an OH-type anion exchange resin to decation and deanionize, adding an alkali and heating to colloidize the silica, concentrating the solution, and then adding KOH to obtain an aqueous potassium silicate solution.

また、通常の珪酸アルカリ溶液を用いてコロイダルシリカやシリカゲルを製造する工程で不純物を除去する方法として、特許文献2には、高純度コロイダルシリカの製造方法として、珪酸アルカリ溶液を純水で希釈した後、H型強酸性陽イオン交換樹脂に接触させて脱アルカリし活性珪酸の水溶液を得、さらに酸を加えて強酸性とした後H型強酸性陽イオン交換樹脂、OH型強塩基性陰イオン交換樹脂に接触させ高純度の活性珪酸とした後、粒子成長させて高純度コロイダルシリカを製造する方法が記載されている。 Furthermore, as a method for removing impurities in the process of manufacturing colloidal silica and silica gel using a conventional alkaline silicate solution, Patent Document 2 describes a method for producing high-purity colloidal silica. This method involves diluting the alkaline silicate solution with pure water, contacting it with an H-type strongly acidic cation exchange resin to dealkalize it and obtain an aqueous solution of activated silicic acid, then adding acid to make it strongly acidic, contacting it with an H-type strongly acidic cation exchange resin and an OH-type strongly basic anion exchange resin to obtain high-purity activated silicic acid, and finally growing the particles to produce high-purity colloidal silica.

特許文献3には、含水率10%以上、水分を除くSiO純度99.9%以上および比表面積100m/g以上のシリカと、アルカリ金属の水酸化物水溶液とを使用することを特徴とする高純度珪酸アルカリの製造方法が記載されている。 Patent Document 3 describes a method for producing high-purity alkali silicate, characterized by using silica with a water content of 10% or more, a SiO2 purity of 99.9% or more excluding water, and a specific surface area of 100 /g or more, and an aqueous solution of alkali metal hydroxide.

特公昭41-3369号公報Special Publication No. 41-3369 特開平5-97422号公報Japanese Patent Application Publication No. 5-97422 特開2003-183018号公報Japanese Patent Publication No. 2003-183018

特許文献1に記載の製法は、イオン交換および酸処理により高純度化を図るものであった。また、特許文献2に記載の製法も、基本的に特許文献1に記載の製法と同様であったが、いずれも高純度化には限度があった。さらに、特許文献3に記載の製造方法では、珪酸ナトリウムからシリカ(ないしシリカゲル)を調製し、更にシリカ等の酸洗浄を繰り返して、原料として利用する高純度シリカを得る必要があるため、工程が長く高コストであるという点で問題があった。 The manufacturing method described in Patent Document 1 aimed to achieve high purity through ion exchange and acid treatment. The manufacturing method described in Patent Document 2 was basically the same as that described in Patent Document 1, but both had limitations in terms of achieving high purity. Furthermore, the manufacturing method described in Patent Document 3 required preparing silica (or silica gel) from sodium silicate, and then repeatedly acid-washing the silica to obtain high-purity silica for use as a raw material. This method had problems in that it was a long process and costly.

本発明は、高純度珪酸アルカリを工業上、比較的制御し易い工程で安価に製造できる高純度珪酸アルカリ溶液の製造方法、高純度珪酸アルカリ溶液の製造装置、高純度珪酸アルカリ溶液、並びに、高純度シリカゾルおよびその製造方法を提供することを目的とする。なお、高純度珪酸アルカリは、高純度の珪酸化合物を製造するにあたり有利な原料となるものである。 The present invention aims to provide a method for producing a high-purity alkali silicate solution, which allows for the inexpensive industrial production of high-purity alkali silicate through a relatively easy-to-control process; an apparatus for producing a high-purity alkali silicate solution; a high-purity alkali silicate solution; and a high-purity silica sol and a method for producing the same. High-purity alkali silicate is a favorable raw material for producing high-purity silicate compounds.

本発明の一態様によれば、シリコン微粒子を水酸化アルカリ水溶液に添加して反応液を調製する調製工程を含む、高純度珪酸アルカリ溶液の製造方法であって、下記条件1)から3)の全てを満たす、高純度珪酸アルカリ溶液の製造方法が提供される。
1)シリコン微粒子の平均粒子径が、0.03μm以上10mm以下の範囲である。
2)シリコン微粒子の水酸化アルカリ水溶液に対する平均添加速度(B)が、反応液の容量に対して、0.05g/min・L以上5.0g/min・L以下の範囲である。
3)数式(F1)で表される反応パラメータAの値が、0超10,000以下の範囲である。
A=B×C×D×T ・・・(F1)
(数式(F1)において、Bは、シリコン微粒子の水酸化アルカリ水溶液に対する平均添加速度(g/min・L)であり、Cは、シリコン微粒子の比表面積(m/g)であり、Dは、シリコン微粒子に対する水酸化アルカリのモル比(水酸化アルカリ/シリコン微粒子)であり、Tは、反応温度(℃)である。)
According to one aspect of the present invention, a method for producing a high-purity alkali silicate solution is provided, which includes a preparation step of preparing a reaction solution by adding silicon fine particles to an aqueous alkali hydroxide solution, and satisfies all of the following conditions 1) to 3).
1) The average particle size of the silicon nanoparticles is in the range of 0.03 μm to 10 mm.
2) The average addition rate (B) of silicon nanoparticles to the alkali hydroxide aqueous solution is in the range of 0.05 g/min·L to 5.0 g/min·L relative to the volume of the reaction solution.
3) The value of the reaction parameter A, represented by formula (F1), is in the range of greater than 0 and less than or equal to 10,000.
A=B×C×D×T...(F1)
(In formula (F1), B is the average addition rate of silicon nanoparticles to the alkali hydroxide aqueous solution (g/min·L), C is the specific surface area of the silicon nanoparticles ( /g), D is the molar ratio of alkali hydroxide to silicon nanoparticles (alkali hydroxide/silicon nanoparticles), and T is the reaction temperature (°C).)

本発明の一態様によれば、前述の本発明の一態様に係る高純度珪酸アルカリ溶液の製造方法に用いる製造装置であって、シリコン微粒子を水に懸濁させてシリコン微粒子懸濁液を得る懸濁槽と、前記懸濁槽に付随する撹拌装置と、前記シリコン微粒子懸濁液を水酸化アルカリ水溶液に添加して反応させて高純度珪酸アルカリ溶液を得る反応槽と、前記反応槽に付随する温度調整装置および撹拌装置と、前記懸濁槽から前記シリコン微粒子懸濁液を前記反応槽に供給する移送管路と、前記シリコン微粒子懸濁液の添加速度を制御する制御装置と、を備える、高純度珪酸アルカリ溶液の製造装置が提供される。 According to one aspect of the present invention, a manufacturing apparatus for use in the method for producing a high-purity alkali silicate solution according to the aforementioned aspect of the present invention is provided, comprising: a suspension tank for suspending silicon nanoparticles in water to obtain a silicon nanoparticle suspension; a stirring device attached to the suspension tank; a reaction tank for adding the silicon nanoparticle suspension to an aqueous alkali hydroxide solution and reacting it to obtain a high-purity alkali silicate solution; a temperature control device and a stirring device attached to the reaction tank; a transfer pipeline for supplying the silicon nanoparticle suspension from the suspension tank to the reaction tank; and a control device for controlling the addition rate of the silicon nanoparticle suspension.

本発明の一態様によれば、シリコン微粒子懸濁液を水酸化アルカリ水溶液に反応させてなり、且つシリカ固形分に対するAlおよびNi濃度がそれぞれ200ppm以下であり、Mg、Ca、Fe、およびZn濃度がそれぞれ30ppm以下であり、Ti、Cr、Cu、Ag、およびPb濃度がそれぞれ5ppm以下である、高純度珪酸アルカリ溶液が提供される。 According to one aspect of the present invention, a high-purity alkali silicate solution is provided, obtained by reacting a suspension of silicon microparticles with an aqueous alkali hydroxide solution, wherein the concentrations of Al and Ni relative to the silica solid content are each 200 ppm or less, the concentrations of Mg, Ca, Fe, and Zn are each 30 ppm or less, and the concentrations of Ti, Cr, Cu, Ag, and Pb are each 5 ppm or less.

本発明の一態様によれば、前述の本発明の一態様に係る高純度珪酸アルカリ溶液の製造方法により得られる高純度珪酸アルカリ溶液を、原料とする、高純度シリカゾルの製造方法が提供される。 According to one aspect of the present invention, a method for producing a high-purity silica sol is provided, using a high-purity alkali silica solution obtained by the method for producing a high-purity alkali silica solution according to the aforementioned aspect of the present invention as a raw material.

本発明の一態様によれば、高純度シリカゾルのシリカ固形分に対するAl濃度が20ppm以下であり、Ca、NiおよびNa濃度がそれぞれ10ppm以下であり、Mg、Ti、Cr、Fe、Cu、Zn、Ag、およびPb濃度が5ppm以下である、高純度シリカゾルが提供される。 According to one aspect of the present invention, a high-purity silica sol is provided in which the Al concentration relative to the silica solid content is 20 ppm or less, the Ca, Ni, and Na concentrations are each 10 ppm or less, and the Mg, Ti, Cr, Fe, Cu, Zn, Ag, and Pb concentrations are 5 ppm or less.

本発明によれば、高純度珪酸アルカリを工業上、比較的制御し易い工程で安価に製造できる高純度珪酸アルカリ溶液の製造方法、高純度珪酸アルカリ溶液の製造装置、高純度珪酸アルカリ溶液、並びに、高純度シリカゾルおよびその製造方法を提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a method for producing a high-purity alkali silicate solution that can be manufactured industrially at low cost using a relatively easy-to-control process, an apparatus for producing a high-purity alkali silicate solution, a high-purity alkali silicate solution, and a high-purity silica sol and a method for producing the same.

本発明の実施形態に係る高純度珪酸アルカリ溶液の製造方法に使用できる製造装置を示す模式図である。This is a schematic diagram showing a manufacturing apparatus that can be used in a method for producing a high-purity alkali silicate solution according to an embodiment of the present invention.

[高純度珪酸アルカリ溶液の製造方法]
まず、本実施形態に係る高純度珪酸アルカリ溶液の製造方法について説明する。
本実施形態に係る高純度珪酸アルカリ溶液の製造方法は、シリコン微粒子を水酸化アルカリ水溶液に添加して反応液を調製する調製工程を含み、前記条件1)から条件3)の全てを満たす方法である。なお、条件1)から3)については、後記した。
[Method for producing high-purity alkaline silicate solution]
First, the method for producing a high-purity alkali silicate solution according to this embodiment will be described.
The method for producing a high-purity alkali silicate solution according to this embodiment includes a preparation step of adding silicon fine particles to an aqueous alkali hydroxide solution to prepare a reaction solution, and satisfies all of the above conditions 1) to 3). Conditions 1) to 3) are described below.

本発明者らは、高純度珪酸アルカリの製造方法として、水酸化アルカリと、金属シリコンを反応させてなる製造方法を見出した。そして、この知見に基づいて、鋭意検討を行った結果、本発明を完成させた。
金属シリコンと水酸化アルカリとを原料として用いる高純度珪酸アルカリの製造方法においては、実用的には、下記の(i)から(iv)のような問題があった。
The inventors of this invention have discovered a method for producing high-purity alkali silicate by reacting alkali hydroxide with metallic silicon. Based on this finding, they conducted thorough research and ultimately completed the present invention.
In the method for producing high-purity alkali silicate using metallic silicon and alkali hydroxide as raw materials, there were practical problems such as those described below (i) to (iv).

(i) 粒子径が10mmを超えるような比較的大きな粒子状の金属シリコンを原料として使用した場合、金属シリコンの比表面積が小さいため水酸化アルカリとの反応速度が著しく遅く、金属シリコンを水酸化アルカリに溶解させるために多くの時間を要するという問題点があった。また、加温を含む溶解操作のための外部熱源の導入に係る資源消費ないし費用の問題があった。 (i) When using relatively large particulate metallic silicon with a particle size exceeding 10 mm as a raw material, the reaction rate with alkali hydroxide is extremely slow due to the small specific surface area of metallic silicon, resulting in the problem of requiring a long time to dissolve the metallic silicon in alkali hydroxide. Furthermore, there were issues of resource consumption and cost associated with introducing an external heat source for the dissolution process, including heating.

(ii) 粒子径が10mmを超えるような塊状ないし粒子状の金属シリコンは、水酸化アルカリ水溶液などの溶液中において、沈降性があるため、通常、予め金属シリコンを、純水を満たした反応容器中で撹拌し懸濁させる方法がとられる。この際、金属シリコンの沈降を抑制するために、撹拌速度を著しく高く保つ必要がある。その結果、金属シリコン塊が反応容器の底面ないし側面を研磨摩耗させて、反応容器が削れ、異物が生じ不純分となって、生成する珪酸アルカリの純度を損なうことがあった。 (ii) Metallic silicon in the form of lumps or granules with a particle diameter exceeding 10 mm tends to settle in solutions such as aqueous alkali hydroxide solutions. Therefore, a method is usually employed in which the metallic silicon is first suspended by stirring in a reaction vessel filled with pure water. In this case, it is necessary to maintain a very high stirring speed in order to suppress the settling of the metallic silicon. As a result, the metallic silicon lumps may abrade the bottom or sides of the reaction vessel, causing the vessel to wear down, generating foreign matter and impurities, which can impair the purity of the resulting alkali silicate.

(iii) 粒子径が10μm以下の金属シリコン微粒子を原料として使用した場合、製造工程での乾燥処理において金属シリコン微粒子が凝集し、数ミリから数センチの凝集塊となる場合がある。この場合、凝集塊が大きいため沈降性の増大や反応容器の削れによる金属不純分の混入が問題となる可能性がある。また、粒子径が0.03μm以下の金属シリコン微粒子を原料として使用した場合は、金属シリコンの比表面積が充分に大きいため、反応速度が著しく速く、反応溶液の温度急上昇を招き、係る反応で発生した水素ガスは、反応溶液の突沸ないし反応容器内のオーバーフローを引き起こすという問題があった。 (iii) When metallic silicon nanoparticles with a particle size of 10 μm or less are used as a raw material, the metallic silicon nanoparticles may aggregate during the drying process in the manufacturing stage, forming aggregates of several millimeters to several centimeters in size. In this case, the large size of the aggregates may lead to increased sedimentation and contamination with metallic impurities due to abrasion of the reaction vessel. Furthermore, when metallic silicon nanoparticles with a particle size of 0.03 μm or less are used as a raw material, the specific surface area of the metallic silicon is sufficiently large, resulting in a remarkably fast reaction rate, which causes a rapid rise in the temperature of the reaction solution. The hydrogen gas generated in this reaction can cause the reaction solution to bump or overflow in the reaction vessel.

(iv)液状の珪酸アルカリの製造方法は、通常、炭酸ナトリウムと珪砂を原料としてこの混合物を溶融させて得られる珪酸ナトリウムカレットを、オートクレーブに代表される、内部を飽和蒸気によって高温高圧にできる機器を使用して、100℃以上の高温高圧下で蒸解し、液状の珪酸アルカリを調製する方法がとられる。この際に高温高圧条件に起因して、細長い層状珪酸塩(平板状微小粒子)の発生が見られる。このような細長い層状珪酸塩を含む珪酸アルカリを用いて、シリカゾルを調製すると、シリカゾル中に細長い層状珪酸塩が残留し、濾過性を低下させる可能性がある。このようなシリカゾルを各種基板の研磨用途に研磨砥粒分散液として用いた場合、研磨後の基板に細長い層状珪酸塩(平板状微小粒子)が残留し、基板洗浄後も残留して、スクラッチ等の欠陥となるという問題があった。
ここで、前記の細長い層状珪酸塩(平板状微小粒子)の発生については、珪酸ナトリウムカレット(固形状)のSiO/NaOモル比が特定範囲にあり、更に同カレットに対する加熱温度が特定範囲の場合に、細長い層状珪酸塩(平板状微小粒子)が発生する傾向があることが知られている。そして、珪酸アルカリ調製の原料とする固形状の珪酸ナトリウムカレットについて通常適用される蒸解の条件は、そのような条件と重なるため、細長い層状珪酸塩(平板状微小粒子)の発生が避けられなかったものと考えている。
(iv) The method for producing liquid alkali silicate usually involves using sodium carbonate and silica sand as raw materials, melting the mixture to obtain sodium silicate cullet, and then pulverizing it under high temperature and pressure of 100°C or higher using equipment capable of creating high temperature and pressure inside with saturated steam, such as an autoclave, to prepare liquid alkali silicate. During this process, due to the high temperature and pressure conditions, elongated layered silicates (flat, microscopic particles) are generated. When silica sol is prepared using alkali silicate containing such elongated layered silicates, these particles may remain in the silica sol, potentially reducing its filterability. When such silica sol is used as a dispersion of abrasive particles for polishing various substrates, elongated layered silicates (flat, microscopic particles) remain on the substrate after polishing, and even after cleaning the substrate, resulting in defects such as scratches.
Here, regarding the generation of the aforementioned elongated layered silicates (flat, plate-like microparticles), it is known that when the SiO₂ / Na₂O molar ratio of sodium silicate cullet (solid form) is within a specific range, and furthermore, when the heating temperature for the cullet is within a specific range, there is a tendency for elongated layered silicates (flat, plate-like microparticles) to be generated. And since the pulverization conditions normally applied to solid sodium silicate cullet used as a raw material for silicate alkali preparation overlap with such conditions, we believe that the generation of elongated layered silicates (flat, plate-like microparticles) was unavoidable.

本発明においては、以下のようにして、前記(i)から(iv)のような問題を解決している。 In this invention, the problems described in (i) to (iv) above are solved as follows.

前記(i)の問題について、本発明の製造方法によれば、水酸化アルカリ水溶液にシリコン微粒子を添加した際に発生する反応熱を利用して、シリコン微粒子の溶解反応を行う。そのため、外部熱源の使用を抑制することができ、資源を節約でき、経済性に優れる。 Regarding the problem described in (i) above, the manufacturing method of the present invention utilizes the reaction heat generated when silicon nanoparticles are added to an aqueous alkali hydroxide solution to perform the dissolution reaction of silicon nanoparticles. Therefore, the use of external heat sources can be suppressed, resources can be saved, and the method is economically superior.

前記(ii)の問題について、本発明の製造方法では、原料とするシリコン微粒子(金属シリコン)の大きさが平均粒子径0.03μmから10mmの範囲であり、比較的沈降し難いため、撹拌速度を高くする必要がない。また、シリコン微粒子の粒子径が反応容器を摩耗させる程大きくないため、結果として反応容器内壁が削れたことにより生じる異物の生成や不純分の発生を抑止することができるので、高純度の珪酸アルカリ溶液を生成することに有利である。 Regarding the problem described in (ii) above, in the manufacturing method of the present invention, the size of the silicon nanoparticles (metallic silicon) used as raw materials is in the range of an average particle diameter of 0.03 μm to 10 mm, and since they are relatively resistant to settling, it is not necessary to increase the stirring speed. Furthermore, because the particle size of the silicon nanoparticles is not large enough to cause wear on the reaction vessel, the generation of foreign matter and impurities caused by erosion of the inner wall of the reaction vessel can be suppressed, which is advantageous for producing a high-purity alkali silicate solution.

前記(iii)の問題について、本発明の製造方法によれば、原料であるシリコン微粒子の比表面積に対して、シリコン微粒子使用量に対する適切な水酸化アルカリ使用量(モル比)、添加速度、および反応温度を選択しているため、適切な反応速度とすることができる。そのため、例え比表面積が大きく反応性が高いシリコン微粒子を原料に使用しても、反応溶液の突沸や反応液のオーバーフローを未然に防ぐことができる。 Regarding the problem described in (iii) above, the manufacturing method of the present invention selects an appropriate amount of alkali hydroxide (molar ratio) relative to the amount of silicon nanoparticles used, the addition rate, and the reaction temperature in relation to the specific surface area of the silicon nanoparticles used as raw material, thereby enabling an appropriate reaction rate. Therefore, even when using silicon nanoparticles with a large specific surface area and high reactivity as raw materials, bumping of the reaction solution and overflow of the reaction solution can be prevented.

前記(iv)の問題について、本発明の製造方法によれば、平板状微小粒子生成の原因となる珪酸ナトリウムカレットを原料として用いないので、結果として平板状微小粒子を含まない高純度珪酸アルカリ溶液を得ることができる。 Regarding the problem described in (iv) above, the manufacturing method of the present invention does not use sodium silicate cullet, which causes the formation of flat, plate-shaped microparticles, as a raw material. As a result, a high-purity alkali silicate solution free from flat, plate-shaped microparticles can be obtained.

本実施形態に係る高純度珪酸アルカリ溶液の製造方法においては、下記条件1)を満たすことが必要である。
1)シリコン微粒子の平均粒子径が、0.03μm以上10mm以下の範囲である。
In the method for producing a high-purity alkali silicate solution according to this embodiment, it is necessary to satisfy the following condition 1).
1) The average particle size of the silicon nanoparticles is in the range of 0.03 μm to 10 mm.

従来の珪酸ナトリウムカレットを原料に用いた珪酸アルカリ溶液の製造方法の場合、同カレットが珪砂由来の金属不純分を多く含有するため、高純度珪酸アルカリ溶液を得ることができない。他方、本実施形態の製造方法では、かかる珪酸ナトリウムカレットを用いることなく、高純度のシリコン微粒子(金属シリコン)を原料として用いることが、高純度珪酸アルカリ溶液を製造可能とした一因となっている。なお、金属シリコンは、その製造工程において、珪石から金属シリコンに還元する過程、または精製の過程で金属不純分を低減させることにより、高純度化が図られている。 In conventional methods for producing alkali silicate solutions using sodium silicate cullet as a raw material, a high-purity alkali silicate solution cannot be obtained because the cullet contains a large amount of metal impurities derived from silica sand. On the other hand, in the production method of this embodiment, the use of high-purity silicon nanoparticles (metallic silicon) as a raw material, without using sodium silicate cullet, is one of the reasons why a high-purity alkali silicate solution can be produced. Furthermore, in the manufacturing process, high purity of metallic silicon is achieved by reducing metal impurities during the reduction process from silica to metallic silicon, or during the purification process.

シリコン微粒子の平均粒子径が0.03μm未満であると、比表面積が大き過ぎるため、水酸化アルカリとの反応が急激に進み、その影響で反応溶液の温度急上昇を招き、係る反応で発生した水素ガスは、反応溶液の突沸ないし反応容器内のオーバーフローを引き起こす。また、シリコン微粒子または水酸化アルカリの添加速度を低くすることで、反応速度を抑制させることはできるものの、反応時間が長くなるため経済性が低下する。
シリコン微粒子の平均粒子径が10mmを超えると、シリコン微粒子によって反応容器の底面ないし内側面が削れやすくなり、異物が生じ不純分となって、生成する珪酸アルカリの純度を損なう。また、シリコン微粒子の比表面積が小さく反応速度が著しく遅いため完全溶解に長時間を要す。
上記と同様の観点から、シリコン微粒子の平均粒子径は、0.03μm以上500μm以下であることが好ましく、0.03μm以上50μm以下であることがより好ましく、0.03μm以上10μm以下であることがさらに好ましく、0.03μm以上3μm以下であることが特に好ましい。
If the average particle size of the silicon nanoparticles is less than 0.03 μm, the specific surface area is too large, causing the reaction with alkali hydroxide to proceed rapidly. This leads to a rapid increase in the temperature of the reaction solution, and the hydrogen gas generated in this reaction causes the reaction solution to bump or overflow in the reaction vessel. While the reaction rate can be suppressed by reducing the rate at which silicon nanoparticles or alkali hydroxide are added, the reaction time increases, reducing economic efficiency.
When the average particle size of silicon nanoparticles exceeds 10 mm, the silicon nanoparticles can easily erode the bottom or inner surface of the reaction vessel, generating foreign matter and impurities that reduce the purity of the resulting alkali silicate. Furthermore, because silicon nanoparticles have a small specific surface area and a remarkably slow reaction rate, complete dissolution requires a long time.
From the same viewpoint as above, the average particle size of the silicon nanoparticles is preferably 0.03 μm or more and 500 μm or less, more preferably 0.03 μm or more and 50 μm or less, even more preferably 0.03 μm or more and 10 μm or less, and particularly preferably 0.03 μm or more and 3 μm or less.

本実施形態において、シリコン微粒子の平均粒子径は、下記(i)のBET比表面積測定法にて測定した比表面積からシリコン微粒子の下記数式(F3)によってシリコン密度を2.33とし等価球換算粒子径として平均粒子径を算出する。但し、その結果、シリコン微粒子の平均粒子径が1μmを超える場合は、その平均粒子径の値を採用せず、下記(ii)のレーザ回折/散乱法にて測定し、算定した値をシリコン微粒子の平均粒子径とする。なお、この場合もシリコン微粒子の平均粒子径が1000μmを超える場合は、その平均粒子径の値を採用せず、下記(iii)のノギスによる測定と算定により得られた平均粒子径をシリコン微粒子の平均粒子径とする。
平均粒子径=6000/[比表面積(SA)×密度(ρ)]・・・(F3)
(i)BET比表面積測定法(表面積測定装置、マウンテック社製、品番:Mascsorb HM-1220)で測定した比表面積からの粒子径換算法
(ii)レーザ回折/散乱法(レーザ回折/散乱式粒子径分布測定装置、堀場製作所社製、品番:LA-950V2)
(iii) ノギスにより100個以上のシリコン微粒子の最長径を測定して算術平均する方法
In this embodiment, the average particle diameter of silicon nanoparticles is calculated from the specific surface area measured by the BET specific surface area measurement method described in (i) below, using the following formula (F3) with a silicon density of 2.33, and the average particle diameter is calculated as the equivalent sphere particle diameter. However, if the average particle diameter of the silicon nanoparticles exceeds 1 μm as a result, that average particle diameter value is not adopted, and the value obtained by measurement and calculation using the laser diffraction/scattering method described in (ii) below is used as the average particle diameter of the silicon nanoparticles. In this case as well, if the average particle diameter of the silicon nanoparticles exceeds 1000 μm, that average particle diameter value is not adopted, and the average particle diameter obtained by measurement and calculation using calipers described in (iii) below is used as the average particle diameter of the silicon nanoparticles.
Average particle diameter = 6000/[specific surface area (SA) x density (ρ)]... (F3)
(i) Particle size conversion method from specific surface area measured by the BET specific surface area measurement method (surface area measuring device, manufactured by Mountec, model number: Mascsorb HM-1220) (ii) Laser diffraction/scattering method (laser diffraction/scattering particle size distribution analyzer, manufactured by Horiba, Ltd., model number: LA-950V2)
(iii) A method of measuring the longest diameter of 100 or more silicon microparticles using calipers and taking the arithmetic mean.

本実施形態に係る高純度珪酸アルカリ溶液の製造方法においては、下記条件2)を満たすことが必要である。
2)シリコン微粒子の水酸化アルカリ水溶液に対する平均添加速度(B)が、反応液の容量に対して、0.05g/min・L以上5.0g/min・L以下の範囲である。
なお、この添加速度は、シリコン微粒子自体の添加速度を表すものである。後記したように、通常、シリコン微粒子を水酸化アルカリ水溶液に添加する際には、シリコン微粒子を、シリコン微粒子が分散してなるシリコン微粒子懸濁液の状態で、前記水酸化アルカリ水溶液に添加される。従って、シリコン微粒子懸濁液の添加速度は、前記シリコン微粒子の固形分換算の添加速度範囲に対応して行われる。
また、添加速度の単位「g/min・L」は、水酸化アルカリ水溶液の単位量(1L)に対し、毎分添加されるシリコン微粒子懸濁液(固形分換算)の質量を意味する。ここで、単位「g/min・L」は、単位「g/(min・L)」とも表示できる。
In the method for producing a high-purity alkali silicate solution according to this embodiment, it is necessary to satisfy the following condition 2).
2) The average addition rate (B) of silicon nanoparticles to the alkali hydroxide aqueous solution is in the range of 0.05 g/min·L to 5.0 g/min·L relative to the volume of the reaction solution.
Note that this addition rate represents the addition rate of the silicon nanoparticles themselves. As described later, when silicon nanoparticles are usually added to an aqueous alkali hydroxide solution, they are added to the aqueous alkali hydroxide solution in the form of a silicon nanoparticle suspension in which the silicon nanoparticles are dispersed. Therefore, the addition rate of the silicon nanoparticle suspension is carried out in accordance with the addition rate range in terms of the solid content of the silicon nanoparticles.
Furthermore, the unit of addition rate, "g/min·L," refers to the mass of silicon particle suspension (in terms of solid content) added per minute to a unit volume (1 L) of alkali hydroxide aqueous solution. Here, the unit "g/min·L" can also be expressed as "g/(min·L)."

シリコン微粒子を水酸化アルカリ水溶液に添加して溶解させると、溶解による反応熱が生じる。本発明ではこの反応熱を溶解反応の熱源として利用するものである。しかし、溶解反応中はシリコン微粒子のサイズが次第に小さくなっていくため、表面積が低下して反応速度が低下し反応温度は低下する傾向にある。一方、反応溶液にはシリコン微粒子が随時添加されていくため、新たに系内に投入されたシリコン微粒子が溶解されるため、温度上昇に寄与する。また、反応溶液の放熱による温度低下や摩擦による温度上昇も生じる。そのため、シリコンの溶解熱を反応熱源として利用する場合は、これら因子を適切に制御する必要があり、具体的には反応パラメータAを所定範囲に制御し、特に反応熱に最も大きな影響を与える平均添加速度(B)を所定範囲に制御する必要がある。
平均添加速度(B)が0.05g/min・L未満であると、溶解時の反応熱による温度上昇が放熱による温度下降を下回り、目標温度を保持できない。また添加速度が遅いため反応に長時間を要し、経済性が低下する。
平均添加速度(B)が5.0g/min・Lを超えると、溶解時の反応熱による温度上昇が自然冷却による温度下降を過剰に上回り、目標温度を保持できない。また、反応速度が早くなることで多量に発生した水素ガスは、反応溶液の突沸ないし反応容器内のオーバーフローを引き起こす。
上記と同様の観点から、平均添加速度(B)は、0.1g/min・L以上3.0g/min・L以下であることが好ましく、0.15g/min・L以上1.0g/min・L以下であることがより好ましく、0.2g/min・L以上0.8g/min・L以下であることがより好ましい。
When silicon nanoparticles are added to an aqueous alkali hydroxide solution and dissolved, heat of reaction is generated due to the dissolution. In this invention, this heat of reaction is used as the heat source for the dissolution reaction. However, during the dissolution reaction, the size of the silicon nanoparticles gradually decreases, so the surface area decreases, the reaction rate decreases, and the reaction temperature tends to decrease. On the other hand, since silicon nanoparticles are added to the reaction solution as they are added, the newly added silicon nanoparticles dissolve, contributing to the temperature rise. In addition, the temperature decreases due to heat dissipation of the reaction solution and increases due to friction also occur. Therefore, when using the heat of dissolution of silicon as the heat source for the reaction, it is necessary to appropriately control these factors. Specifically, it is necessary to control reaction parameter A within a predetermined range, and in particular, to control the average addition rate (B), which has the greatest influence on the heat of reaction, within a predetermined range.
If the average addition rate (B) is less than 0.05 g/min·L, the temperature rise due to the heat of reaction during dissolution will not be greater than the temperature decrease due to heat dissipation, making it impossible to maintain the target temperature. Furthermore, the slow addition rate will result in a longer reaction time, reducing economic efficiency.
If the average addition rate (B) exceeds 5.0 g/min·L, the temperature rise due to the heat of reaction during dissolution excessively exceeds the temperature decrease due to natural cooling, making it impossible to maintain the target temperature. In addition, the large amount of hydrogen gas generated by the increased reaction rate can cause the reaction solution to bump or overflow in the reaction vessel.
From the same viewpoint as above, the average addition rate (B) is preferably 0.1 g/min·L or more and 3.0 g/min·L or less, more preferably 0.15 g/min·L or more and 1.0 g/min·L or less, and even more preferably 0.2 g/min·L or more and 0.8 g/min·L or less.

本実施形態に係る高純度珪酸アルカリ溶液の製造方法においては、下記条件3)を満たすことが必要である。
3)数式(F1)で表される反応パラメータAの値が、0超10,000以下の範囲である。
A=B×C×D×T ・・・(F1)
数式(F1)において、Bは、シリコン微粒子の水酸化アルカリ水溶液に対する平均添加速度(g/min・L)であり、Cは、シリコン微粒子の比表面積(m/g)であり、Dは、シリコン微粒子に対する水酸化アルカリのモル比(水酸化アルカリ/シリコン微粒子)であり、Tは、反応温度(℃)である。
In the method for producing a high-purity alkali silicate solution according to this embodiment, it is necessary to satisfy the following condition 3).
3) The value of the reaction parameter A, represented by formula (F1), is in the range of greater than 0 and less than or equal to 10,000.
A=B×C×D×T...(F1)
In formula (F1), B is the average addition rate (g/min·L) of silicon nanoparticles to the alkali hydroxide aqueous solution, C is the specific surface area ( /g) of the silicon nanoparticles, D is the molar ratio of alkali hydroxide to silicon nanoparticles (alkali hydroxide/silicon nanoparticles), and T is the reaction temperature (°C).

反応パラメータAの値は、0を超える値をとる。また、反応パラメータAの値が小さいほど、反応性が低くなる。
反応パラメータAの値が10,000を超えると、反応速度が早くなることで多量に発生した水素ガスは、反応溶液の突沸ないし反応容器内のオーバーフローを引き起こす。
上記の同様の観点から、反応パラメータAの値は、50以上5,000以下であることが好ましく、100以上1,000以下であることがより好ましい。
The value of reaction parameter A can be greater than 0. Furthermore, the smaller the value of reaction parameter A, the lower the reactivity.
When the value of reaction parameter A exceeds 10,000, the reaction rate increases, and the large amount of hydrogen gas generated causes the reaction solution to bump or the reaction vessel to overflow.
From the same viewpoint as above, the value of reaction parameter A is preferably 50 or more and 5,000 or less, and more preferably 100 or more and 1,000 or less.

シリコン微粒子の水酸化アルカリ水溶液に対する平均添加速度(B)(g/min・L)であるBの値については、前述のとおりである。 The value of B, which represents the average addition rate (B) (g/min·L) of silicon nanoparticles to an alkali hydroxide aqueous solution, is as described above.

シリコン微粒子の比表面積(m/g)であるCの値は、BET法で測定可能な場合はその測定値を適用し、BET法で測定不可(測定下限2.5m/g以下)の場合は前述のレーザ回折/散乱法で測定した平均粒子径を等価球換算により算出した比表面積換算値を適用し、レーザ回折/散乱法で測定不可(比表面積換算値としての測定下限0.0025m/g以下)の場合は前述のノギスを用いた粒子径測定により得られた平均粒子径を等価球換算により算出した比表面積換算値を適用する。また、シリコン微粒子の比表面積(m/g)であるCの値は、0.00025m/g以上86m/g以下であることが好ましく、0.025m/g以上70m/g以下であることがより好ましく、2.5m/g以上60m/g以下であることが特に好ましい。
比表面積が前記下限以上であれば、シリコン微粒子の溶解時間を短くでき、生産性を向上できる。また、シリコン微粒子サイズも大き過ぎないため沈降を抑制するための撹拌速度を過剰に高くする必要なく、反応容器の摩耗も防ぐことができる。
比表面積が前記上限以下であれば、反応性が著しく上昇することがなく、添加量と水素発生量を制御しやすくなり、反応液のオーバーフローや突沸を防ぐことができる。
The value of C, which is the specific surface area ( /g) of silicon nanoparticles, shall be determined by the BET method if it is measurable by that method. If it is not measurable by the BET method (lower limit of measurement 2.5 /g or less), the specific surface area converted value calculated by equivalent sphere conversion of the average particle diameter measured by the aforementioned laser diffraction/scattering method shall be applied. If it is not measurable by the laser diffraction/scattering method (lower limit of measurement for specific surface area converted value 0.0025 /g or less), the specific surface area converted value calculated by equivalent sphere conversion of the average particle diameter obtained by particle diameter measurement using the aforementioned caliper shall be applied. Furthermore, the value of C, which is the specific surface area ( /g) of silicon nanoparticles, is preferably 0.00025 /g or more and 86 /g or less, more preferably 0.025 /g or more and 70 /g or less, and particularly preferably 2.5 /g or more and 60 /g or less.
If the specific surface area is above the aforementioned lower limit, the dissolution time of silicon nanoparticles can be shortened, improving productivity. Furthermore, since the silicon nanoparticle size is not too large, there is no need to excessively increase the stirring speed to suppress sedimentation, and wear on the reaction vessel can be prevented.
If the specific surface area is below the aforementioned upper limit, the reactivity will not increase significantly, making it easier to control the amount added and the amount of hydrogen generated, and preventing overflow and bumping of the reaction solution.

シリコン微粒子に対する水酸化アルカリのモル比(水酸化アルカリ/シリコン微粒子)であるDの値は、0.2以上0.7以下であることが好ましい。
モル比(水酸化アルカリ/シリコン微粒子)が前記下限以上であれば、シリコン微粒子に対するアルカリが十分となり、溶解時間を短くできる。
モル比(水酸化アルカリ/シリコン微粒子)が前記上限以下であれば、シリコン微粒子に対するアルカリが多過ぎることがないため、得られた珪酸アルカリを脱塩して珪酸液を調製する際に必要なイオン交換樹脂量を少なくできる。更に、アルカリが吸着したイオン交換樹脂を再生する際に使用する酸の使用量を抑えることができる。
The molar ratio of alkali hydroxide to silicon nanoparticles (alkali hydroxide/silicon nanoparticles), D, is preferably 0.2 or more and 0.7 or less.
If the molar ratio (alkali hydroxide/silicon nanoparticles) is above the lower limit, the alkali for the silicon nanoparticles will be sufficient, and the dissolution time can be shortened.
If the molar ratio (alkali hydroxide/silicon nanoparticles) is below the aforementioned upper limit, there will be no excessive alkali relative to the silicon nanoparticles, thus reducing the amount of ion exchange resin required when desalting the resulting alkali silicate to prepare the silica solution. Furthermore, the amount of acid used to regenerate the ion exchange resin that has adsorbed alkali can be reduced.

反応温度(℃)であるTの値は、40℃以上98℃以下であることが好ましく、45℃以上90℃以下であることがより好ましく、50℃以上85℃以下であることが特に好ましい。
反応温度が前記下限以上であれば、反応速度を速くでき、溶解時間を短くできる。
反応温度が前記上限以下であれば、反応速度が著しく早くなることがなく、水素発生量の制御がしやすいため、反応容器からのオーバーフローを防止できる。また、このような反応温度であれば、オートクレーブは必要としない。また、反応温度が上下限の範囲は、シリコン微粒子の反応熱によって制御可能な温度範囲である。特に上限温度を越える反応を行う場合は、シリコン微粒子の反応熱だけでは到達することが難しく、他の熱源が必要となる。
The reaction temperature (°C), T, is preferably 40°C or higher and 98°C or lower, more preferably 45°C or higher and 90°C or lower, and particularly preferably 50°C or higher and 85°C or lower.
If the reaction temperature is above the aforementioned lower limit, the reaction rate can be increased and the dissolution time can be shortened.
If the reaction temperature is below the aforementioned upper limit, the reaction rate will not become excessively fast, making it easier to control the amount of hydrogen generated and thus preventing overflow from the reaction vessel. Furthermore, an autoclave is not required at such reaction temperatures. The upper and lower limits of the reaction temperature are within a range that can be controlled by the reaction heat of the silicon nanoparticles. In particular, when performing reactions that exceed the upper limit temperature, it is difficult to reach the required temperature using only the reaction heat of the silicon nanoparticles, and other heat sources are necessary.

本実施形態に係る高純度珪酸アルカリ溶液の製造方法においては、前記調製工程において、前記シリコン微粒子の添加はシリコン微粒子添加速度(固形分換算)が異なる2段階で行い、前記一段目添加におけるシリコン微粒子の添加速度をS1、前記二段目添加におけるシリコン微粒子の添加速度をS2としたときに、下記数式(F2)で表される添加速度比Rの値が、1を超え、10以下の範囲であることが好ましい。
R=S1/S2 ・・・(F2)
In the method for producing a high-purity alkali silicate solution according to this embodiment, in the preparation step, the addition of silicon nanoparticles is carried out in two stages with different silicon nanoparticle addition rates (in terms of solid content), and when the addition rate of silicon nanoparticles in the first stage is S1 and the addition rate of silicon nanoparticles in the second stage is S2, it is preferable that the value of the addition rate ratio R, expressed by the following formula (F2), is in the range of greater than 1 and less than or equal to 10.
R=S1/S2...(F2)

一段目添加におけるシリコン微粒子の添加速度S1は、常温で水酸化アルカリ水溶液にシリコン微粒子を添加して目標温度に到達するまでの添加速度である。また、二段目添加におけるシリコン微粒子の添加速度S2は目標温度への到達以降で温度を保持するために必要な添加速度である。そして、これらの比であるRは、S2に対するS1の添加速度の割合を示すパラメータであり、これを前記の範囲内に制御することが好ましい。反応溶液を加熱して所定温度に保持して反応させる場合は、所定温度に昇温するために必要なエネルギーと温度を保持するために必要なエネルギーを比較すると、所定温度に昇温させるために必要なエネルギーの方が大きい。従って、添加速度比Rは必然的に1を超える値となる。添加速度比Rの値が1以下であるとは、二段目添加の添加速度が一段目と同等または上回ることを意味する。この場合、S1の設定条件によるが、S1の添加終了時に所定温度に到達している場合は、S2の添加で更に温度上昇が生じることになる。この場合、反応温度が所望の温度を越えてしまうため、突沸やオーバーフローが生じ易い。また、S1の設定条件によっては、S1添加終了時に所定温度に到達していない場合もあり得る。この場合、所定温度、所定時間で溶解を行うことができないため、非効率な生産となる。
添加速度比Rの値が10を超えると、上記とは逆に二段目の添加速度が遅すぎ、一段目の添加で到達した目標温度より低い温度で保持されることが想定される。または、1段目の添加速度が早すぎ、温度が100℃以上になり溶解反応が暴走することでオーバーフローを引き起こす可能性があり、安全上問題が生じることが想定される。
上記と同様の観点から、添加速度比Rの値は、1.5以上7.5以下であることが好ましく、2以上5.0以下であることがより好ましい。
The addition rate S1 of silicon nanoparticles in the first stage of addition is the rate at which silicon nanoparticles are added to an alkali hydroxide aqueous solution at room temperature until the target temperature is reached. The addition rate S2 of silicon nanoparticles in the second stage of addition is the rate at which the temperature is maintained after the target temperature is reached. The ratio R of these two rates is a parameter that indicates the ratio of the addition rate S1 to S2, and it is preferable to control this within the range described above. When the reaction solution is heated and maintained at a predetermined temperature to allow the reaction to proceed, the energy required to raise the temperature to the predetermined temperature is greater than the energy required to maintain the temperature. Therefore, the addition rate ratio R will inevitably be greater than 1. A value of addition rate ratio R of 1 or less means that the addition rate of the second stage of addition is equal to or greater than that of the first stage. In this case, depending on the setting conditions of S1, if the predetermined temperature has been reached at the end of the addition of S1, the addition of S2 will cause a further temperature increase. In this case, the reaction temperature will exceed the desired temperature, making it easy for bumping or overflow to occur. Furthermore, depending on the settings for S1, the predetermined temperature may not be reached when S1 is added. In this case, dissolution cannot be performed at the predetermined temperature and time, resulting in inefficient production.
If the addition rate ratio R exceeds 10, the opposite may occur: the addition rate in the second stage is too slow, and the temperature is maintained below the target temperature reached in the first stage. Alternatively, the addition rate in the first stage is too fast, causing the temperature to exceed 100°C, which could lead to a runaway dissolution reaction and cause an overflow, potentially creating safety problems.
From the same viewpoint as above, the value of the addition rate ratio R is preferably 1.5 or more and 7.5 or less, and more preferably 2 or more and 5.0 or less.

本実施形態に係る高純度珪酸アルカリ溶液の製造方法においては、前記調製工程において、前記シリコン微粒子を、前記シリコン微粒子が分散してなるシリコン微粒子懸濁液の状態で、前記水酸化アルカリ水溶液に添加することが好ましい。
粉末または微粒子状のシリコン微粒子を反応溶液に添加する場合は、取り扱い方法によっては摩擦によって粉塵爆発することがあり、また粉塵を吸引して健康障害が生じる恐れもある。仮に十分な設備対策を行ったとしても、設備投資が過大となる。更に、シリコン微粒子懸濁液の状態で添加すれば、シリコン微粒子の添加速度を制御しやすい。
シリコン微粒子懸濁液については、その固形分濃度(シリコン微粒子濃度)は、格別に制限されるものではない。シリコン微粒子懸濁液の固形分濃度は、0.1質量%以上、50質量%以下の範囲が好ましく、1質量%以上、40質量%以下の範囲がより好ましい。
In the method for producing a high-purity alkali silicate solution according to this embodiment, it is preferable in the preparation step to add the silicon fine particles to the alkali hydroxide aqueous solution in the form of a suspension of silicon fine particles in which the silicon fine particles are dispersed.
When adding powdered or fine-particle silicon nanoparticles to a reaction solution, improper handling can lead to dust explosions due to friction, and inhaling the dust can cause health problems. Even with sufficient equipment countermeasures, the investment in equipment can be excessive. Furthermore, adding silicon nanoparticles in suspension form makes it easier to control the rate at which the silicon nanoparticles are added.
The solid content concentration (silicon microparticle concentration) of the silicon microparticle suspension is not particularly limited. The solid content concentration of the silicon microparticle suspension is preferably in the range of 0.1% by mass or more and 50% by mass or less, and more preferably in the range of 1% by mass or more and 40% by mass or less.

また、このシリコン微粒子懸濁液は、シリコン微粒子を純水に懸濁する際の、撹拌所要動力を0.1W以上3,000W以下の範囲としたものであることが好ましい。
撹拌所要動力は、撹拌槽内の流体を撹拌するのに使われる総エネルギーで、より高い値ほど、強い撹拌能力を与える。
撹拌所要動力が0.1W以下では、撹拌能力不足によってシリコン微粒子が沈降したり、反応系内が不均一になるため、突沸やオーバーフローなどの不具合が生じる傾向にある。撹拌所要動力が3,000W超の場合は、撹拌が強すぎてシリコン微粒子による反応容器内壁が削れたり、シリコン溶解反応が早すぎて反応温度を制御できないといった不具合が生じる。撹拌所要動力を0.1から3,000Wの範囲とすることで、これらの不具合を防止できる。
上記と同様の観点から、撹拌所要動力は、0.1W以上1,000W以下であることがより好ましく、0.1W以上100W以下であることがさらに好ましく、0.1W以上10W以下であることが特に好ましい。
Furthermore, it is preferable that the silicon microparticle suspension requires a stirring power of 0.1W to 3,000W when suspending the silicon microparticles in pure water.
The required power for stirring is the total energy used to stir the fluid in the stirring tank; a higher value indicates stronger stirring capability.
When the required stirring power is 0.1W or less, insufficient stirring capacity can cause silicon particles to settle or the reaction system to become non-uniform, leading to problems such as bumping and overflow. When the required stirring power exceeds 3,000W, excessive stirring can cause the inner wall of the reaction vessel to be eroded by the silicon particles, or the silicon dissolution reaction can proceed too quickly, making it impossible to control the reaction temperature. These problems can be prevented by keeping the required stirring power within the range of 0.1 to 3,000W.
From the same viewpoint as above, the required power for stirring is more preferably 0.1W to 1,000W, even more preferably 0.1W to 100W, and particularly preferably 0.1W to 10W.

本実施形態の製造方法で得られた高純度珪酸アルカリ溶液については、公知の手段により、更に高純度化させることが可能である。具体的には前記製造方法で得られた高純度珪酸アルカリ溶液を、公知の高純度化方法、例えば、限外濾過などの操作を適用することにより、未溶解残渣(無機金属酸化物を含む)を低減させることができる。フィルターろ過後に清澄な高純度珪酸アルカリ溶液が得られない場合は、更に孔径の小さなフィルターや限外ろ過を用いてもよい。 The high-purity alkali silicate solution obtained by the manufacturing method of this embodiment can be further purified by known means. Specifically, the high-purity alkali silicate solution obtained by the above manufacturing method can be purified by applying known purification methods, such as ultrafiltration, to reduce undissolved residue (including inorganic metal oxides). If a clear high-purity alkali silicate solution cannot be obtained after filter filtration, a filter with a smaller pore size or ultrafiltration may be used.

本実施形態に係る高純度珪酸アルカリ溶液の製造方法においては、次の態様1が好適である。
[態様1]
シリコン微粒子を水酸化アルカリ水溶液に添加して反応液を調製する調製工程を含む、高純度珪酸アルカリ溶液の製造方法であって、下記条件1)から3)の全てを満たす、高純度珪酸アルカリ溶液の製造方法であって、
1)シリコン微粒子の平均粒子径が、0.03μm以上10mm以下の範囲である。
2)シリコン微粒子の水酸化アルカリ水溶液に対する平均添加速度(B)が、反応液の容量に対して、0.05/min・L以上5.0g/min・L以下の範囲である。
3)数式(F1)で表される反応パラメータAの値が、0超10,000以下の範囲である。
A=B×C×D×T ・・・(F1)
(数式(F1)において、Bは、シリコン微粒子の水酸化アルカリ水溶液に対する平均添加速度(g/min・L)であり、Cは、シリコン微粒子の比表面積(m/g)であり、Dは、シリコン微粒子に対する水酸化アルカリのモル比(水酸化アルカリ/シリコン微粒子)であり、Tは、反応温度(℃)である。)
更に、前記シリコン微粒子の水酸化アルカリ水溶液に対する平均添加速度であるBの値が、反応液の容量に対して、0.05/min・L以上5.0g/min・L以下の範囲であり、
前記シリコン微粒子の比表面積(m/g)であるCの値は、0.00025m/g以上86m/g以下であり、
前記シリコン微粒子に対する水酸化アルカリのモル比(水酸化アルカリ/シリコン微粒子)であるDの値は、0.25以上0.5以下であり、
シリコン微粒子と水酸化アルカリ水溶液の反応温度(℃)であるTの値は、40℃以上98℃以下である、高純度珪酸アルカリ溶液の製造方法。
In the method for producing a high-purity alkali silicate solution according to this embodiment, the following embodiment 1 is preferred.
[Aspect 1]
A method for producing a high-purity alkali silicate solution, comprising a preparation step of adding silicon nanoparticles to an aqueous alkali hydroxide solution to prepare a reaction solution, wherein all of the following conditions 1) to 3) are met,
1) The average particle size of the silicon nanoparticles is in the range of 0.03 μm to 10 mm.
2) The average addition rate (B) of silicon nanoparticles to the alkali hydroxide aqueous solution is in the range of 0.05 g/min·L to 5.0 g/min·L relative to the volume of the reaction solution.
3) The value of the reaction parameter A, represented by formula (F1), is in the range of greater than 0 and less than or equal to 10,000.
A=B×C×D×T...(F1)
(In formula (F1), B is the average addition rate of silicon nanoparticles to the alkali hydroxide aqueous solution (g/min·L), C is the specific surface area of the silicon nanoparticles ( /g), D is the molar ratio of alkali hydroxide to silicon nanoparticles (alkali hydroxide/silicon nanoparticles), and T is the reaction temperature (°C).)
Furthermore, the value of B, which is the average addition rate of the silicon fine particles to the alkali hydroxide aqueous solution, is in the range of 0.05 g/min·L to 5.0 g/min·L relative to the volume of the reaction solution.
The value of C, which is the specific surface area ( /g) of the silicon nanoparticles, is between 0.00025 /g and 86 /g.
The value of D, which is the molar ratio of alkali hydroxide to silicon nanoparticles (alkali hydroxide/silicon nanoparticles), is 0.25 or more and 0.5 or less.
A method for producing a high-purity alkali silicate solution, wherein the value of T, which is the reaction temperature (°C) of silicon nanoparticles and an aqueous alkali hydroxide solution, is between 40°C and 98°C.

また、本実施形態に係る高純度珪酸アルカリ溶液の製造方法においては、次の態様2が好適である。
[態様2]
前記態様1の前記調製工程において、前記シリコン微粒子の添加速度(固形分換算)の異なる一段目添加と、二段目添加とを行い、前記一段目添加におけるシリコン微粒子の添加速度をS1、前記二段目添加におけるシリコン微粒子の添加速度をS2としたときに、下記数式(F2)で表される添加速度比Rの値が、1以上10以下の範囲である前記水酸化アルカリ水溶液に添加してなる、高純度珪酸アルカリ溶液の製造方法。
R=S1/S2 ・・・(F2)
Furthermore, in the method for producing a high-purity alkali silicate solution according to this embodiment, the following embodiment 2 is preferred.
[Aspect 2]
A method for producing a high-purity alkali silicate solution, comprising the preparation step of the above embodiment 1, in which a first-stage addition and a second-stage addition are performed with different addition rates (in terms of solid content) of silicon nanoparticles, and when the addition rate of silicon nanoparticles in the first stage is S1 and the addition rate of silicon nanoparticles in the second stage is S2, the addition rate ratio R, represented by the following formula (F2), is in the range of 1 to 10 when added to an aqueous alkali hydroxide solution.
R=S1/S2...(F2)

また、本実施形態に係る高純度珪酸アルカリ溶液の製造方法においては、次の態様3が好適である。
[態様3]
前記態様2の前記調製工程において、前記シリコン微粒子を、前記シリコン微粒子が分散してなるシリコン微粒子懸濁液の状態で、前記水酸化アルカリ水溶液に添加してなる、高純度珪酸アルカリ溶液の製造方法。
Furthermore, in the method for producing a high-purity alkali silicate solution according to this embodiment, the following embodiment 3 is preferred.
[Appearance 3]
A method for producing a high-purity alkali silicate solution, wherein in the preparation step of the 2nd embodiment, the silicon nanoparticles are added to the alkali hydroxide aqueous solution in the form of a suspension of silicon nanoparticles in which the silicon nanoparticles are dispersed.

また、本実施形態に係る高純度珪酸アルカリ溶液の製造方法においては、次の態様4が好適である。
[態様4]
前記態様3の前記調製工程において、前記シリコン微粒子懸濁液が、前記シリコン微粒子を純水に懸濁する際の、撹拌所要動力が0.1W以上3,000W以下の範囲である、高純度珪酸アルカリ溶液の製造方法。
Furthermore, in the method for producing a high-purity alkali silicate solution according to this embodiment, the following embodiment 4 is preferred.
[Aspect 4]
A method for producing a high-purity alkali silicate solution, wherein, in the preparation step of the above embodiment 3, the required stirring power when suspending the silicon microparticle suspension in pure water is in the range of 0.1 W to 3,000 W.

また、本実施形態に係る高純度珪酸アルカリ溶液の製造方法においては、次の態様5が好適である。
[態様5]
前記態様4の前記調製工程において得られる高純度珪酸アルカリ溶液において、画像解析法で測定された長径が500nm以上1500nm以下であり、短径が100nm以上500nm以下であり、且つアスペクト比(長径/短径)が3以上である平板状微小粒子の含有量が、0.1個/mL以下である、高純度珪酸アルカリ溶液の製造方法。
Furthermore, in the method for producing a high-purity alkali silicate solution according to this embodiment, the following embodiment 5 is preferred.
[Aspect 5]
A method for producing a high-purity alkali silicate solution, wherein the high-purity alkali silicate solution obtained in the preparation step of the above embodiment 4 contains 0.1 or fewer flat, plate-shaped fine particles, which, as measured by image analysis, have a major axis of 500 nm or more and 1500 nm or less, a minor axis of 100 nm or more and an aspect ratio (major axis/minor axis) of 3 or more.

[高純度珪酸アルカリ溶液]
次に、本実施形態に係る高純度珪酸アルカリ溶液について、説明する。
本実施形態に係る高純度珪酸アルカリ溶液は、前述の本実施形態に係る高純度珪酸アルカリ溶液の製造方法により得られるものである。なお、本実施形態に係る高純度珪酸アルカリ溶液に用いる溶媒としては、水などが挙げられる。また、高純度珪酸アルカリ溶液は、これに用いる溶媒が全て水である場合には、「高純度珪酸アルカリ水溶液」ともいう。
本実施形態に係る高純度珪酸アルカリ溶液は、シリカ固形分に対するAlおよびNi濃度がそれぞれ200ppm以下であり、Mg、Ca、Fe、およびZn濃度がそれぞれ30ppm以下であり、Ti、Cr、Cu、Ag、およびPb濃度がそれぞれ5ppm以下であるものである。前述の本実施形態に係る高純度珪酸アルカリ溶液の製造方法によれば、このように高純度の珪酸アルカリを工業上簡単な工程で安価に製造できる。
なお、シリカ固形分に対する金属濃度(金属の含有量)とは、高純度珪酸アルカリ溶液中におけるシリカ(乾燥後の固形分)の質量に対する金属の質量の比率をいう。
[High-purity alkaline silicate solution]
Next, the high-purity alkali silicate solution according to this embodiment will be described.
The high-purity alkali silicate solution according to this embodiment is obtained by the method for producing the high-purity alkali silicate solution according to this embodiment described above. The solvent used in the high-purity alkali silicate solution according to this embodiment may be water. Furthermore, when the solvent used in the high-purity alkali silicate solution is entirely water, it is also referred to as a "high-purity alkali silicate aqueous solution."
The high-purity alkali silicate solution according to this embodiment has Al and Ni concentrations of 200 ppm or less relative to the silica solid content, Mg, Ca, Fe, and Zn concentrations of 30 ppm or less, and Ti, Cr, Cu, Ag, and Pb concentrations of 5 ppm or less. According to the method for producing the high-purity alkali silicate solution according to this embodiment, such high-purity alkali silicate can be produced inexpensively through an industrially simple process.
Furthermore, the metal concentration (metal content) relative to the silica solids refers to the ratio of the mass of metal to the mass of silica (solids after drying) in a high-purity alkali silicate solution.

この高純度珪酸アルカリ溶液において、画像解析法で測定された長径が500nm以上1500nm以下であり、短径が100nm以上500nm以下であり、且つアスペクト比(長径/短径)が3以上である平板状微小粒子の含有量が、0.1個/mL以下であることが好ましい。
このような平板状微小粒子の含有量が0.1個/mL以下であれば、この高純度珪酸アルカリを用いて、シリカゾルを調製し、各種基板の研磨用途に適用した場合、基板上でのスクラッチ発生を抑制でき、また平板状微小粒子の基板への残留を抑制できる。
In this high-purity alkali silicate solution, it is preferable that the content of flat, plate-shaped fine particles, which have a major axis of 500 nm to 1500 nm, a minor axis of 100 nm to 500 nm, and an aspect ratio (major axis/minor axis) of 3 or more, as measured by image analysis, is 0.1 particles/mL or less.
If the content of such flat, fine particles is 0.1 particles/mL or less, then when silica sol is prepared using this high-purity alkali silicate and applied to polish various substrates, it is possible to suppress the occurrence of scratches on the substrate and to suppress the residue of flat, fine particles on the substrate.

[高純度珪酸アルカリ溶液の製造装置]
次に、本実施形態に係る高純度珪酸アルカリ溶液の製造装置について、説明する。
本実施形態に係る高純度珪酸アルカリ溶液の製造装置は、前述の本実施形態に係る高純度珪酸アルカリ溶液の製造方法に用いることができる製造装置である。
本実施形態に係る高純度珪酸アルカリ溶液の製造装置100は、図1に示すように、シリコン微粒子を水に懸濁させてシリコン微粒子懸濁液を得る懸濁槽1と、懸濁槽1に付随する撹拌装置2と、前記シリコン微粒子懸濁液を水酸化アルカリ水溶液に添加して反応させて高純度珪酸アルカリ溶液を得る反応槽3と、反応槽3に付随する温度調整装置4および撹拌装置5と、懸濁槽1から前記シリコン微粒子懸濁液を反応槽3に供給する移送管路6と、前記シリコン微粒子懸濁液の添加速度を制御する制御装置7と、を備えている。また、得られた高純度珪酸アルカリ溶液を貯蔵する貯槽8と、反応槽3から前記高純度珪酸アルカリ溶液を貯槽8に供給する移送管路9と、前記高純度珪酸アルカリ溶液の移送速度を制御する制御装置10とを、さらに備えていてもよい。
[Equipment for manufacturing high-purity alkaline silicate solution]
Next, the apparatus for producing the high-purity alkali silicate solution according to this embodiment will be described.
The apparatus for producing high-purity alkali silicate solution according to this embodiment is a production apparatus that can be used in the method for producing high-purity alkali silicate solution according to this embodiment described above.
As shown in Figure 1, the apparatus 100 for producing a high-purity alkali silicate solution according to this embodiment includes a suspension tank 1 for suspending silicon nanoparticles in water to obtain a silicon nanoparticle suspension, a stirring device 2 attached to the suspension tank 1, a reaction tank 3 for adding the silicon nanoparticle suspension to an aqueous alkali hydroxide solution and reacting them to obtain a high-purity alkali silicate solution, a temperature control device 4 and a stirring device 5 attached to the reaction tank 3, a transfer pipeline 6 for supplying the silicon nanoparticle suspension from the suspension tank 1 to the reaction tank 3, and a control device 7 for controlling the addition rate of the silicon nanoparticle suspension. The apparatus may further include a storage tank 8 for storing the obtained high-purity alkali silicate solution, a transfer pipeline 9 for supplying the high-purity alkali silicate solution from the reaction tank 3 to the storage tank 8, and a control device 10 for controlling the transfer rate of the high-purity alkali silicate solution.

懸濁槽1は、シリコン微粒子を水に懸濁させてシリコン微粒子懸濁液を得る槽である。シリコン微粒子を反応槽3に粉体や凝集塊のまま直接添加するのは添加量の制御が難しく、安全上の懸念もある。そのため、一定速度で反応槽に添加するために水に所定量のシリコン微粒子を懸濁して分散させることを目的とする設備である。
懸濁槽1の材質は、樹脂であっても、金属であってもよい。ただし、懸濁槽1の材質が金属である場合には、内面に樹脂コーティングやガラスラインニングなどが施されていることが好ましい。
懸濁槽1に付随する撹拌装置2は、懸濁槽1内に設けられ、シリコン微粒子を水に懸濁する際に均一に分散させることを目的とする。撹拌装置2の大きさは懸濁槽1に依存する。また、撹拌装置2の材質は、典型的には懸濁槽1と同材質が望ましい。
Suspension tank 1 is a tank used to suspend silicon nanoparticles in water to obtain a silicon nanoparticle suspension. Directly adding silicon nanoparticles to reaction tank 3 in powder or aggregate form is difficult to control the amount added and raises safety concerns. Therefore, this equipment is designed to suspend and disperse a predetermined amount of silicon nanoparticles in water in order to add them to the reaction tank at a constant rate.
The material of the suspension tank 1 may be resin or metal. However, if the material of the suspension tank 1 is metal, it is preferable that the inner surface is coated with resin or glass lining.
The stirring device 2, which is attached to the suspension tank 1, is installed inside the suspension tank 1 and is intended to uniformly disperse the silicon fine particles when suspending them in water. The size of the stirring device 2 depends on the suspension tank 1. Furthermore, it is generally desirable that the material of the stirring device 2 be the same as that of the suspension tank 1.

反応槽3は、シリコン微粒子懸濁液を水酸化アルカリ水溶液に添加して反応させて高純度珪酸アルカリ溶液を得る槽である。すなわち、シリコン微粒子を水酸化アルカリで溶解して高純度珪酸アルカリを調製することを目的とする設備である。
反応槽3の材質は、樹脂であっても、金属であってもよい。ただし、反応槽3の材質が金属である場合には、内面に樹脂コーティングが施されていることが好ましい。
Reaction tank 3 is a tank used to obtain a high-purity alkali silicate solution by adding a suspension of silicon nanoparticles to an aqueous alkali hydroxide solution and reacting them. In other words, it is equipment intended to prepare high-purity alkali silicate by dissolving silicon nanoparticles in alkali hydroxide.
The material of the reaction vessel 3 may be resin or metal. However, if the material of the reaction vessel 3 is metal, it is preferable that the inner surface is coated with resin.

反応槽3に付随する温度調整装置4は、反応槽3内の液温度を一定温度に制御する、且つ異常温度上昇時に反応槽を冷却して液温度を下げることを目的とする設備である。
本実施形態の製造方法は、熱源としてシリコン微粒子の溶解熱を利用するものであるが、補助的に外部熱源を用いても良い。外部熱源としては、電気加熱、蒸気または温水加熱などを挙げることができる。
反応槽3に付随する撹拌装置5は、反応槽3内に設けられ、添加したシリコン微粒子を水酸化アルカリで溶解する際に均一に混合して反応させることを目的とする。撹拌装置5の大きさは反応槽3に依存する。また、撹拌装置5の材質は、典型的には反応槽3と同材質が望ましい。
The temperature control device 4 attached to the reaction vessel 3 is a piece of equipment intended to control the liquid temperature inside the reaction vessel 3 to a constant temperature, and to cool the reaction vessel to lower the liquid temperature in the event of an abnormal temperature rise.
The manufacturing method of this embodiment utilizes the heat of dissolution of silicon nanoparticles as a heat source, but an external heat source may be used as a supplement. Examples of external heat sources include electric heating, steam heating, or hot water heating.
The stirring device 5, which is attached to the reaction vessel 3, is installed inside the reaction vessel 3 and is intended to uniformly mix and react the added silicon fine particles when they are dissolved in alkali hydroxide. The size of the stirring device 5 depends on the reaction vessel 3. In addition, it is generally desirable that the material of the stirring device 5 be the same as that of the reaction vessel 3.

移送管路6は、懸濁槽1からシリコン微粒子懸濁液を反応槽3に供給する管路である。移送管路6の典型的な大きさは、反応液の量と製造工程のサイクル時間から算出される移液時間に依存する。また、移送管路6の材質は、典型的には懸濁槽1または反応槽3と同材質が望ましい。 The transfer pipeline 6 is a pipeline that supplies the silicon microparticle suspension from the suspension tank 1 to the reaction tank 3. The typical size of the transfer pipeline 6 depends on the volume of the reaction liquid and the transfer time calculated from the cycle time of the manufacturing process. Furthermore, the material of the transfer pipeline 6 is typically preferably the same as that of the suspension tank 1 or the reaction tank 3.

制御装置7は、シリコン微粒子懸濁液の添加速度を制御する装置である。
貯槽8は、反応槽3でシリコン微粒子を水酸化アルカリで溶解して得られた高純度珪酸アルカリ溶液を貯蔵することを目的とした設備である。
貯槽8の材質は、樹脂であっても、金属であってもよい。ただし、貯槽8の材質が金属である場合には、内面に樹脂コーティングが施されていることが好ましい。貯槽8の材質が樹脂である場合あるいは金属表面に樹脂コーティングが施されている場合、内壁が切削されても金属の切削片は発生しないため、生成される珪酸アルカリ溶液の純度を低下させることがなく、望ましい。また、削れた成分は珪酸アルカリ溶液に浮遊し易いため、除去が容易である。
The control device 7 is a device that controls the rate at which the silicon nanoparticle suspension is added.
Storage tank 8 is a facility intended for storing a high-purity alkali silicate solution obtained by dissolving silicon nanoparticles in alkali hydroxide in reaction tank 3.
The material of the storage tank 8 may be resin or metal. However, if the material of the storage tank 8 is metal, it is preferable that the inner surface is coated with resin. When the material of the storage tank 8 is resin or when the metal surface is coated with resin, no metal fragments are generated even if the inner wall is cut, so the purity of the resulting alkali silicate solution is not reduced, which is desirable. In addition, the removed components tend to float in the alkali silicate solution, making them easy to remove.

移送管路9は、反応槽3から高純度珪酸アルカリ溶液を貯槽8に供給する管路である。移送管路9の典型的な大きさは、反応液の量と製造工程のサイクル時間から算出される移液時間に依存する。また、移送管路9の材質は、典型的には反応槽3または貯槽8と同材質が望ましい。
制御装置10は、高純度珪酸アルカリ溶液の添加速度を制御する装置である。
The transfer pipeline 9 is a pipeline that supplies high-purity alkali silicate solution from the reaction vessel 3 to the storage tank 8. The typical size of the transfer pipeline 9 depends on the amount of reaction solution and the transfer time calculated from the cycle time of the manufacturing process. Furthermore, the material of the transfer pipeline 9 is typically preferably the same as that of the reaction vessel 3 or the storage tank 8.
The control device 10 is a device that controls the rate at which high-purity alkali silicate solution is added.

[高純度シリカゾルおよびその製造方法]
次に、本実施形態に係る高純度シリカゾルおよびその製造方法について、説明する。
本実施形態に係る高純度シリカゾルの製造方法は、前述の本実施形態に係る高純度珪酸アルカリ溶液の製造方法により得られる高純度珪酸アルカリ溶液を、原料とする方法である。
また、本実施形態に係る高純度シリカゾルは、高純度シリカゾルのシリカ固形分に対するAl濃度が20ppm以下であり、Ca、Ni、Cu、およびNa濃度がそれぞれ10ppm以下であり、Mg、Ti、Cr、Fe、Zn、Ag、およびPb濃度が5ppm以下である。
なお、シリカ固形分に対する金属濃度(金属の含有量)とは、前述のとおりである。
[High-purity silica sol and method for producing the same]
Next, a high-purity silica sol according to this embodiment and a method for producing the same will be described.
The method for producing high-purity silica sol according to this embodiment is a method that uses the high-purity alkali silicate solution obtained by the method for producing high-purity alkali silicate solution according to this embodiment described above as a raw material.
Furthermore, the high-purity silica sol according to this embodiment has an Al concentration of 20 ppm or less relative to the silica solid content, Ca, Ni, Cu, and Na concentrations of 10 ppm or less each, and Mg, Ti, Cr, Fe, Zn, Ag, and Pb concentrations of 5 ppm or less.
The metal concentration (metal content) relative to the silica solids is as described above.

[本実施形態の作用効果]
本実施形態によれば、次のような作用効果を奏することができる。
(1)本実施形態によれば、原料としてシリコンを用いることにより、高純度珪酸アルカリを調製することができる。
(2)本実施形態における原料シリコンの粒子径であれば、工程中で反応容器の内面を削ることにより生じる異物の生成や不純分汚染が抑制される。
(3)本実施形態によれば、調製工程における急激な温度上昇を抑制し、或いはオーバーフローが防止される。
(4)本実施形態によれば、水酸化アルカリ水溶液にシリコン微粒子を添加した際に発生する反応熱を利用して、シリコン微粒子の溶解反応が進む。そのため、外部熱源の使用を抑制することができ、資源を節約でき、経済性に優れる。
[Effects of this embodiment]
According to this embodiment, the following effects can be achieved.
(1) According to this embodiment, high-purity alkali silicate can be prepared by using silicon as a raw material.
(2) With the particle size of the raw material silicon in this embodiment, the generation of foreign matter and contamination with impurities caused by scraping the inner surface of the reaction vessel during the process are suppressed.
(3) According to this embodiment, a rapid rise in temperature during the preparation process is suppressed, or overflow is prevented.
(4) According to this embodiment, the reaction heat generated when silicon nanoparticles are added to an aqueous alkali hydroxide solution is used to promote the dissolution reaction of silicon nanoparticles. Therefore, the use of an external heat source can be suppressed, resources can be saved, and it is economically superior.

[他の実施形態]
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の製造方法を含み、かつ本発明の目的を達成できる範囲での工程追加あるいは本発明の製造方法を含んだ上での変形ないし改良などは本発明に含まれるものである。
[Other embodiments]
It should be noted that the present invention is not limited to the embodiments described above, and any addition of steps or modifications or improvements to the manufacturing method of the present invention, to the extent that they include the manufacturing method of the present invention and achieve the objectives of the present invention, are also included in the present invention.

次に、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの例によってなんら限定されるものではない。また、実施例および比較例における高純度珪酸アルカリ、または高純度シリカゾルの各種特性の測定方法については、特に断りの無い限り、以下に記す方法にて実施した。 Next, the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited in any way by these examples. Furthermore, unless otherwise specified, the methods for measuring the various properties of high-purity alkali silicate or high-purity silica sol in the examples and comparative examples were carried out as described below.

<高純度珪酸アルカリの測定>
[1]平板状微小粒子の含有量
高純度珪酸アルカリ溶液を超純水でSiOとして5%に希釈した高純度珪酸アルカリ溶液を100g調製する。0.1μmのメンブレンフィルター(ADVANTEC東洋株式会社製、T010A047A)を使用し高純度珪酸アルカリの減圧濾過を行う。フィルターの洗浄のため超純水100gを通液した後、5%希釈した高純度珪酸アルカリ100gを通液して高純度珪酸アルカリ溶液中に含まれる平板状微小粒子を分離する。その後、1回目に超純水50g、2回目に超純水100g、3回目に超純水100gの通液を行い、フィルター上に残留した平板状微小粒子を洗浄する。このようにして分離された平板状微小粒子を電子顕微鏡S-5500((株)日立ハイテクノロジーズ社製、10万倍または2万倍)により撮影して、SEM画像を得る。このSEM画像を、画像解析法により解析して、長径が500nm以上1500nm以下であり、短径が100nm以上500nm以下であり、且つアスペクト比(長径/短径)が3以上である平板状微小粒子の含有量を測定した。
<Measurement of high-purity alkali silicate>
[1] Content of plate-shaped fine particles A 100 g solution of high-purity alkali silicate was prepared by diluting a high-purity alkali silicate solution with ultrapure water to a 5% SiO₂ concentration. High-purity alkali silicate was filtered under reduced pressure using a 0.1 μm membrane filter (ADVANTEC Toyo Co., Ltd., T010A047A). After passing 100 g of ultrapure water through the filter to wash it, 100 g of 5% diluted high-purity alkali silicate was passed through to separate the plate-shaped fine particles contained in the high-purity alkali silicate solution. Subsequently, 50 g of ultrapure water was passed through the filter once, 100 g of ultrapure water twice, and 100 g of ultrapure water three times to wash the plate-shaped fine particles remaining on the filter. The plate-shaped fine particles separated in this way were photographed using an electron microscope S-5500 (Hitachi High-Technologies Corporation, 100,000x or 20,000x magnification) to obtain an SEM image. This SEM image was analyzed using image analysis methods to measure the content of flat, plate-shaped microparticles with a major axis of 500 nm to 1500 nm, a minor axis of 100 nm to 500 nm, and an aspect ratio (major axis/minor axis) of 3 or more.

[2]不純分濃度
(1)金属(K、Mg、Al、Ti、CaまたはFe)含有量
1)試料の高純度珪酸アルカリ溶液約10gを白金皿に採取し、0.1mgまで秤量する。
2)硫酸8mLと弗化水素酸20mLを加えて、サンドバス上で加熱し、蒸発乾固する。3)液量が少なくなったら、更に弗化水素酸20mLを加えてサンドバス上で加熱し、蒸発乾固する。
4)室温まで冷却後、塩酸5mLと水約50mLを加えて、サンドバス上で加熱溶解する。
5)室温まで冷却後、フラスコ(250mL)に入れ、水で250mLに希釈して試料溶液とする。
6)下記測定装置により試料溶液中に存在する各金属の含有量を測定した。
[2] Impurity concentration (1) Metal (K, Mg, Al, Ti, Ca or Fe) content 1) Take about 10 g of the high-purity alkali silicate solution of the sample into a platinum dish and weigh it to the nearest 0.1 mg.
2) Add 8 mL of sulfuric acid and 20 mL of hydrofluoric acid, and heat on a sand bath until evaporated to dryness. 3) When the liquid volume has decreased, add another 20 mL of hydrofluoric acid and heat on a sand bath until evaporated to dryness.
4) After cooling to room temperature, add 5 mL of hydrochloric acid and approximately 50 mL of water, and heat and dissolve on a sand bath.
5) After cooling to room temperature, transfer to a flask (250 mL) and dilute with water to 250 mL to prepare the sample solution.
6) The content of each metal present in the sample solution was measured using the following measuring device.

[Kの含有量]
原子吸光分光光度計(日立製作所(株)製、Z-2310、測定波長範囲は190~900nm。)を使用した。
[K content]
An atomic absorption spectrophotometer (Hitachi, Ltd., Z-2310, with a measurement wavelength range of 190–900 nm) was used.

[Mg、Al、Ti、CaおよびFeの含有量]
誘導結合プラズマ発光分光分析装置(セイコーインスツル(株)製、SPS5520、高周波誘導結合アルゴンプラズマ中に溶液化した試料を導入し、試料中の各元素を励起発光させ、発光スペクトルにより定量、定性分析を行う装置。測定波長範囲は175~500nm。)により測定した。
[Content of Mg, Al, Ti, Ca, and Fe]
The measurements were taken using an inductively coupled plasma atomic emission spectrometer (SPS5520, manufactured by Seiko Instruments Inc.). This instrument introduces a solution-containing sample into a high-frequency inductively coupled argon plasma, causing each element in the sample to emit light, and performs quantitative and qualitative analysis based on the emission spectrum. The measurement wavelength range is 175 to 500 nm.

(2)金属(Cr、Zn、Ag、Pb、NiまたはCu)含有量
1)試料の高純度珪酸アルカリ溶液約10gを白金皿に採取し、0.1mgまで秤量する。
2)硝酸5mLと弗化水素酸20mLを加えて、サンドバス上で加熱し、蒸発乾固する。3)液量が少なくなったら、更に弗化水素酸20mLを加えてサンドバス上で加熱し、蒸発乾固する。
4)室温まで冷却後、硝酸2mLと水約50mLを加えて、サンドバス上で加熱溶解する。
5)室温まで冷却後、フラスコ(100mL)に入れ、水で100mLに希釈して試料溶液とする。
6)下記測定装置により試料溶液中に存在する各金属の含有量を測定した。
(2) Metal (Cr, Zn, Ag, Pb, Ni or Cu) content 1) Take about 10 g of high-purity alkali silicate solution of the sample into a platinum dish and weigh it to the nearest 0.1 mg.
2) Add 5 mL of nitric acid and 20 mL of hydrofluoric acid, and heat on a sand bath until evaporated to dryness. 3) When the liquid volume has decreased, add another 20 mL of hydrofluoric acid and heat on a sand bath until evaporated to dryness.
4) After cooling to room temperature, add 2 mL of nitric acid and approximately 50 mL of water, and heat and dissolve on a sand bath.
5) After cooling to room temperature, transfer to a flask (100 mL) and dilute with water to 100 mL to prepare the sample solution.
6) The content of each metal present in the sample solution was measured using the following measuring device.

[Cr、Zn、AgおよびPbの含有量]
誘導結合プラズマ発光分光分析装置(セイコーインスツル(株)製、SPS5520、
高周波誘導結合アルゴンプラズマ中に溶液化した試料を導入し、試料中の各元素を励起発光させ、発光スペクトルにより定量、定性分析を行う装置。測定波長範囲は175~500nm。)により測定した。
[Content of Cr, Zn, Ag, and Pb]
Inductively coupled plasma emission spectrometer (SPS5520, manufactured by Seiko Instruments Inc.)
This device introduces a solution-containing sample into a high-frequency inductively coupled argon plasma, causing each element in the sample to emit light, and performs quantitative and qualitative analysis using the emission spectrum. The measurement wavelength range is 175 to 500 nm.

[CuおよびNiの含有量]
原子吸光分光光度計(アジレント・テクノロジー(株)製、AA240Z、フレームにより試料を原子蒸気化し、その原子蒸気層に適当な波長の光を照射する。その際、原子によって吸収された光の強さを測定し、これにより試料中の元素濃度を定量する。グラファイト炉を使用する。測定モード:原子吸光、測定波長範囲は190~900nm。)を使用した。
[Cu and Ni content]
An atomic absorption spectrophotometer (Agilent Technologies, Inc., AA240Z) was used. The sample is vaporized using a flame, and the atomic vapor layer is irradiated with light of an appropriate wavelength. The intensity of the light absorbed by the atoms is measured, thereby quantifying the elemental concentration in the sample. A graphite furnace is used. Measurement mode: atomic absorption, measurement wavelength range: 190-900 nm.

(3)SiO濃度
高純度珪酸アルカリ溶液に含まれるSiO濃度は、珪酸アルカリ溶液に塩酸および水酸化ナトリウム水溶液を加えて中和した後、フッ化カリウム溶液を加えて、生ずるアルカリ分を塩酸で滴定して求める。なお、具体的には次のような反応に基づいてSiO濃度を測定する。
SiO+6KF+HO→KSiF+4KOH
(4)上記(1)~(3)の測定結果から高純度珪酸アルカリのシリカ量(シリカ固形分)に対する12元素(K、Mg、Al、Ca、Ti、Cr、Fe、Ni、Cu、Zn、Ag、またはPb)の各不純分濃度を測定した。
(3) SiO2 concentration The SiO2 concentration in the high-purity alkali silicate solution is determined by neutralizing the alkali silicate solution with hydrochloric acid and sodium hydroxide aqueous solution, then adding potassium fluoride solution, and titrating the resulting alkalinity with hydrochloric acid. Specifically, the SiO2 concentration is measured based on the following reaction.
H 2 SiO 3 +6KF+H 2 O→K 2 SiF 6 +4KOH
(4) Based on the measurement results from (1) to (3) above, the impurity concentrations of each of the 12 elements (K, Mg, Al, Ca, Ti, Cr, Fe, Ni, Cu, Zn, Ag, or Pb) were measured relative to the silica content (silica solids) of the high-purity alkali silicate.

[3]モル比
前記高純度珪酸アルカリ溶液は、SiOとアルカリ酸化物とのモル濃度比(SiO/アルカリ酸化物)が3.4以下である原料溶液を処理して得られたものであることが好ましい。すなわち、高純度珪酸アルカリ溶液が高純度珪酸ナトリウム水溶液の場合であれば、SiOとNaOとのモル濃度比(SiOモル濃度/NaOモル濃度)が3.4以下であるであることが好ましい。
ここで、高純度珪酸アルカリ溶液に含まれるSiO濃度は上記方法によって測定する。また、珪酸アルカリ溶液に含まれるアルカリ濃度は、例えば高純度珪酸ナトリウム水溶液の場合は、高純度珪酸ナトリウム水溶液に塩酸を加えて中和し、さらに過剰に加え、水酸化ナトリウム溶液で逆滴定してNaOを定量する。他のアルカリの場合も同様にして測定する。
[3] Molar Ratio The high-purity alkali silicate solution is preferably obtained by processing a raw material solution in which the molar concentration ratio of SiO₂ to alkali oxide ( SiO₂ /alkali oxide) is 3.4 or less. That is, if the high-purity alkali silicate solution is a high-purity aqueous sodium silicate solution, it is preferable that the molar concentration ratio of SiO₂ to Na₂O ( SiO₂ molar concentration/ Na₂O molar concentration) is 3.4 or less.
Here, the SiO₂ concentration in the high-purity alkali silicate solution is measured by the method described above. Furthermore, the alkali concentration in the alkali silicate solution is determined, for example, in the case of a high-purity sodium silicate aqueous solution, by neutralizing it with hydrochloric acid, adding an excess of hydrochloric acid, and then back-titrating with a sodium hydroxide solution to quantify Na₂O . The same procedure is followed for other alkalis.

[4]分子量
前記高純度珪酸アルカリは、平均分子量が30,000以下であるものが好ましく、10,000以下が更に好ましいものである。
ここで平均分子量は、高純度珪酸アルカリ溶液をMillipore社製0.22μmフィルターMILLEX-GVを用いて濾過した後、プラスチックセルに充填し、大塚電子社製nanoSAQLAを用いてオートモードで測定し、得られた平均粒子径を下記計算式に従って平均分子量に換算した数値である。
平均分子量={22×π×(平均粒子径)}/6
上記計算は、金原出版の「新しい工業材料の科学 B シリーズ8 シリカとアルミナ」P.68の記載の計算式を適用したものである。
[4] Molecular weight The high-purity alkali silicate is preferably of an average molecular weight of 30,000 or less, and more preferably of 10,000 or less.
Here, the average molecular weight is the value obtained by filtering a high-purity alkali silicate solution using a Millipore 0.22 μm filter MILLEX-GV, filling it into a plastic cell, measuring it in auto mode using a nanoSAQLA manufactured by Otsuka Electronics, and converting the resulting average particle size to the average molecular weight according to the calculation formula below.
Average molecular weight = {22 x π x (average particle diameter) 3 }/6
The above calculations apply the formula described on page 68 of "The Science of New Industrial Materials, Series B, Vol. 8: Silica and Alumina," published by Kinbara Publishing.

<高純度シリカゾルの測定>
[1]純度
(1)金属(Mg、Al、Ca、Ti、Cr、Fe、Zn、Ag、Pb、Ni、Cu、またはNa)含有量
1)試料の高純度シリカゾル約10gを白金皿に採取し、0.1mgまで秤量する。
2)硝酸5mLと弗化水素酸20mLを加えて、サンドバス上で加熱し、蒸発乾固する。
3)液量が少なくなったら、更に弗化水素酸20mLを加えてサンドバス上で加熱し、蒸発乾固する。
4)室温まで冷却後、硝酸2mLと水約50mLを加えて、サンドバス上で加熱溶解する。
5)室温まで冷却後、フラスコ(100mL)に入れ、水で100mLに希釈して試料溶液とする。
6)下記測定装置により試料溶液中に存在する各金属の含有量を測定した。
<Measurement of high-purity silica sol>
[1] Purity (1) Metal (Mg, Al, Ca, Ti, Cr, Fe, Zn, Ag, Pb, Ni, Cu, or Na) content 1) Take about 10 g of high-purity silica sol of the sample into a platinum dish and weigh it to the nearest 0.1 mg.
2) Add 5 mL of nitric acid and 20 mL of hydrofluoric acid, and heat on a sand bath until evaporated to dryness.
3) When the liquid volume decreases, add another 20 mL of hydrofluoric acid and heat on a sand bath until evaporated to dryness.
4) After cooling to room temperature, add 2 mL of nitric acid and approximately 50 mL of water, and heat and dissolve on a sand bath.
5) After cooling to room temperature, transfer to a flask (100 mL) and dilute with water to 100 mL to prepare the sample solution.
6) The content of each metal present in the sample solution was measured using the following measuring device.

[Mg、Al、Ca、Ti、Cr、Fe、Zn、AgおよびPbの含有量]
誘導結合プラズマ発光分光分析装置(セイコーインスツル(株)製、SPS5520、高周波誘導結合アルゴンプラズマ中に溶液化した試料を導入し、試料中の各元素を励起発光させ、発光スペクトルにより定量、定性分析を行う装置。測定波長範囲は175~500nm。)により測定した。
[CuおよびNiの含有量]
原子吸光分光光度計(アジレント・テクノロジー(株)製、AA240Z、フレームにより試料を原子蒸気化し、その原子蒸気層に適当な波長の光を照射する。その際、原子によって吸収された光の強さを測定し、これにより試料中の元素濃度を定量する。グラファイト炉を使用する。測定モード:原子吸光、測定波長範囲は190~900nm。)を使用した。
[Naの含有量]
原子吸光分光光度計(日立製作所(株)製、Z-2310、測定波長範囲は190~900nm。)を使用した。
[Content of Mg, Al, Ca, Ti, Cr, Fe, Zn, Ag, and Pb]
The measurements were taken using an inductively coupled plasma atomic emission spectrometer (SPS5520, manufactured by Seiko Instruments Inc.). This instrument introduces a solution-containing sample into a high-frequency inductively coupled argon plasma, causing each element in the sample to emit light, and performs quantitative and qualitative analysis based on the emission spectrum. The measurement wavelength range is 175 to 500 nm.
[Cu and Ni content]
An atomic absorption spectrophotometer (Agilent Technologies, Inc., AA240Z) was used. The sample is vaporized using a flame, and the atomic vapor layer is irradiated with light of an appropriate wavelength. The intensity of the light absorbed by the atoms is measured, thereby quantifying the elemental concentration in the sample. A graphite furnace is used. Measurement mode: atomic absorption, measurement wavelength range: 190-900 nm.
[Na content]
An atomic absorption spectrophotometer (Hitachi, Ltd., Z-2310, with a measurement wavelength range of 190–900 nm) was used.

(2)SiO濃度
高純度シリカゾルに含まれるSiO濃度は、試料10gに50%硫酸水溶液2mLを加え、白金皿上にて蒸発乾固し、得られた固形物を1000℃にて1時間焼成後、冷却して秤量する。次に、秤量した固形物を微量の50%硫酸水溶液に溶かし、更にフッ化水素酸20mLを加えてから、白金皿上にて蒸発乾固し、1000℃にて15分焼成後、冷却して秤量する。これらの重量差よりシリカ含有量を求めた。
(2) SiO2 concentration The SiO2 concentration in high-purity silica sol was determined by adding 2 mL of 50% sulfuric acid aqueous solution to 10 g of the sample, evaporating it to dryness on a platinum dish, and then firing the resulting solid at 1000°C for 1 hour, after which it was cooled and weighed. Next, the weighed solid was dissolved in a small amount of 50% sulfuric acid aqueous solution, and then 20 mL of hydrofluoric acid was added. The mixture was then evaporated to dryness on a platinum dish, fired at 1000°C for 15 minutes, and then cooled and weighed. The silica content was determined from the weight difference between these measurements.

(3)上記(1)~(2)の測定結果から高純度シリカゾルのシリカ固形分(シリカdry)に対する12元素(Mg、Al、Ca、Ti、Cr、Fe、Ni、Cu、Zn、Ag、Pb、またはNa)の各不純分濃度を測定した。 (3) Based on the measurement results from (1) to (2) above, the impurity concentrations of each of the 12 elements (Mg, Al, Ca, Ti, Cr, Fe, Ni, Cu, Zn, Ag, Pb, or Na) relative to the silica solid content (silica dry) of the high-purity silica sol were measured.

[実施例1]
超純水に水酸化ナトリウム(濃度48質量%)を加えて、19質量%の水酸化ナトリウム水溶液3272g(以下、A液ともいう)を得た。
次に、超純水に金属シリコン粉(平均粒子径=0.08μm)を加えて、撹拌所要動力2Wで4時間撹拌して分散することにより、シリコン固形分25質量%のシリコン微粒子懸濁液2728g(以下、B液ともいう)を得た。
次に、A液を撹拌し、反応容器内に窒素ガスを10L/minで吹き込みながら、室温のままB液を、一段目添加におけるシリコン微粒子懸濁液(固形分換算)の添加速度1.2g/min・Lで0.5時間添加した。この間、水酸化ナトリウムによる金属シリコンの溶解時の反応熱で液温は上昇し、60℃に到達した所で、B液を、二段目添加におけるシリコン微粒子懸濁液(固形分換算)の添加速度0.4g/min・Lに変更して5.5時間添加した。B液の添加終了後は、外部熱源を使用して、液温60℃で8時間保持し、反応容器内の水素ガス濃度が100ppm以下になったことを確認して、60℃の保持を終了した。
次に、常温まで冷却し、SiO固形分濃度23.20質量%の高純度珪酸アルカリ溶液5949gを得た。
得られた高純度珪酸アルカリのシリカ固形分に対する12元素の不純分濃度を上述の方法で測定したところ、各金属不純分濃度は表2に示す通りであった。
また、得られた高純度珪酸アルカリの平均粒子径を上記方法で測定し、上記計算式で換算して分子量の算出を行ったところ、平均分子量は227であった。
なお、以下の実施例および比較例における不純分濃度の測定、および平均分子量の算出は、全て実施例1と同様に行った。
[Example 1]
Sodium hydroxide (48% by mass concentration) was added to ultrapure water to obtain 3272 g of a 19% by mass sodium hydroxide aqueous solution (hereinafter referred to as Solution A).
Next, metallic silicon powder (average particle size = 0.08 μm) was added to ultrapure water and stirred for 4 hours with a stirring power of 2 W to disperse it, thereby obtaining 2728 g of silicon fine particle suspension with a silicon solid content of 25% by mass (hereinafter also referred to as Solution B).
Next, while stirring solution A, and while blowing nitrogen gas into the reaction vessel at a rate of 10 L/min, solution B was added at room temperature for 0.5 hours at an addition rate of 1.2 g/min·L for the silicon microparticle suspension (solid content equivalent) in the first stage addition. During this time, the reaction heat from the dissolution of metallic silicon by sodium hydroxide caused the liquid temperature to rise. When it reached 60°C, solution B was added for 5.5 hours at an addition rate of 0.4 g/min·L for the silicon microparticle suspension (solid content equivalent) in the second stage addition. After the addition of solution B was completed, the liquid temperature was maintained at 60°C for 8 hours using an external heat source. The maintenance of 60°C was terminated after confirming that the hydrogen gas concentration in the reaction vessel was below 100 ppm.
Next, the solution was cooled to room temperature to obtain 5949 g of a high-purity alkali silicate solution with a solid content of 23.20% by mass of SiO₂ .
The impurity concentrations of 12 elements relative to the silica solid content of the obtained high-purity alkali silicate were measured using the method described above, and the impurity concentrations of each metal are shown in Table 2.
Furthermore, the average particle size of the obtained high-purity alkali silicate was measured using the method described above, and the molecular weight was calculated by converting it using the above formula. The average molecular weight was found to be 227.
The measurement of impurity concentration and calculation of average molecular weight in the following examples and comparative examples were all performed in the same manner as in Example 1.

(高純度精製珪酸液の調製)
上記のようにして得られた高純度珪酸アルカリ溶液に超純水を添加してSiO濃度5%の高純度珪酸アルカリ溶液12,020gを得た。この溶液を、6Lの強酸性陽イオン交換樹脂(デュオライトC255LFH、ローム・アンド・ハース社製)に空間速度2.75h-1で通液させて、pH2.7の酸性珪酸液11,280gを得た。得られた酸性珪酸液のSiO濃度は4.7質量%であった。
次に、酸性珪酸液の全量を6Lのキレートイオン交換樹脂(CR-11三菱化学社製)に空間速度2.75h-1で通液させ、pH2.7の精製珪酸液9,660gを得た。得られた精製珪酸液のSiO濃度は4.5質量%であった。
更に、精製珪酸液の全量を上記とは別の6Lの強酸性陽イオン交換樹脂(デュオライトC255LFH、ローム・アンド・ハース社製)に空間速度2.75h-1で通液させて、pH2.7の高純度精製珪酸液8,720gを得た。得られた高純度精製珪酸液のSiO濃度は4.2質量%であった。
(Preparation of high-purity purified silica solution)
Ultrapure water was added to the high-purity alkali silicate solution obtained as described above to obtain 12,020 g of a high-purity alkali silicate solution with an SiO₂ concentration of 5%. This solution was passed through 6 L of a strongly acidic cation exchange resin (Duolite C255LFH, manufactured by Rohm & Haas) at a space velocity of 2.75 h⁻¹ to obtain 11,280 g of acidic silicate solution with a pH of 2.7. The SiO₂ concentration of the obtained acidic silicate solution was 4.7% by mass.
Next, the entire volume of the acidic silicic acid solution was passed through 6 L of chelate ion exchange resin (CR-11, manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation) at a space velocity of 2.75 h⁻¹ to obtain 9,660 g of purified silicic acid solution with a pH of 2.7. The SiO₂ concentration of the obtained purified silicic acid solution was 4.5% by mass.
Furthermore, the entire volume of the purified silicic acid solution was passed through a separate 6 L of strongly acidic cation exchange resin (Duolite C255LFH, manufactured by Rohm & Haas) at a space velocity of 2.75 h⁻¹ to obtain 8,720 g of high-purity purified silicic acid solution with a pH of 2.7. The SiO₂ concentration of the obtained high-purity purified silicic acid solution was 4.2% by mass.

(高純度シリカゾルの調製)
上記のようにして得られた高純度精製珪酸液の一部(318g)をシード液として、高純度精製珪酸液の別の一部(8,070g)をフィード液として取り出した。
次に超純水524gに48.8質量%の水酸化カリウム水溶液15gを添加し、さらにシード液を添加して加熱した。そして83℃となった後、そのまま30分間保持し、当該温度を保持しながら、ここへフィード液を一定速度で3時間かけて添加した後、添加速度を1.5倍に変更して更に12時間添加した。そしてフィード液の全量をシード液に添加した後、83℃で1時間保持し、室温まで冷却した。
得られた液を限外濾過膜(旭化成ケミカルズ社製SIP-1013)を用いて、12質量%まで濃縮し、ついでロータリーエバポレーターで40質量%まで濃縮した。
そして、得られた高純度シリカゾルの金属不純分濃度を上述の方法で測定したところ、シリカ固形分に対する各金属不純分濃度は表3に示す通りであった。
(Preparation of high-purity silica sol)
A portion of the high-purity purified silica solution obtained as described above (318 g) was taken out as the seed solution, and another portion of the high-purity purified silica solution (8,070 g) was taken out as the feed solution.
Next, 15 g of a 48.8% by mass potassium hydroxide aqueous solution was added to 524 g of ultrapure water, and then seed solution was added and the mixture was heated. After reaching 83°C, the temperature was maintained for 30 minutes, and while maintaining this temperature, the feed solution was added at a constant rate over 3 hours, then the addition rate was increased to 1.5 times and the mixture was added for another 12 hours. After the entire amount of feed solution was added to the seed solution, the mixture was maintained at 83°C for 1 hour and then cooled to room temperature.
The obtained solution was concentrated to 12% by mass using an ultrafiltration membrane (SIP-1013, manufactured by Asahi Kasei Chemicals), and then concentrated to 40% by mass using a rotary evaporator.
The metal impurity concentration of the obtained high-purity silica sol was then measured using the method described above, and the concentrations of each metal impurity relative to the silica solid content are shown in Table 3.

[実施例2]
実施例1と同様にしてA液およびB液を調製した後、A液を撹拌子反応形器内に窒素ガスを10L/minで吹き込みながら、室温のままB液を、一段目添加におけるシリコン微粒子懸濁液(固形分換算)の添加速度1.8g/min・Lで0.5時間添加した。この間、水酸化ナトリウムによる金属シリコンの溶解時の反応熱で液温は上昇し、80℃に到達した所で、B液を、二段目添加におけるシリコン微粒子懸濁液(固形分換算)の添加速度0.5g/min・Lに変更して3時間添加した。B液の添加終了後は外部熱源を使用して、液温80℃で6次間保持し、反応容器内の水素ガス濃度が100ppm以下になったことを確認して、80℃の保持を終了した。それ以降は、実施例1と同様の操作を行い、高純度珪酸アルカリ溶液を得た。その後、これを原料として使用して高純度シリカゾルを得た。
[Example 2]
After preparing solutions A and B in the same manner as in Example 1, solution B was added to a stirrer reactor at room temperature for 0.5 hours at an addition rate of 1.8 g/min·L for the silicon microparticle suspension (solid content equivalent) in the first stage, while blowing nitrogen gas at 10 L/min of solution A into the reactor. During this time, the liquid temperature rose due to the reaction heat when the metallic silicon was dissolved by sodium hydroxide, and when it reached 80°C, solution B was added for 3 hours at an addition rate of 0.5 g/min·L for the silicon microparticle suspension (solid content equivalent) in the second stage. After the addition of solution B was completed, the liquid temperature was maintained at 80°C for 6 stages using an external heat source, and the maintenance of 80°C was terminated after confirming that the hydrogen gas concentration in the reaction vessel was 100 ppm or less. Thereafter, the same procedure as in Example 1 was carried out to obtain a high-purity alkali silicate solution. Subsequently, this was used as a raw material to obtain a high-purity silica sol.

[実施例3]
実施例1と同様にしてA液およびB液を調製した後、A液を撹拌子反応容器内に窒素ガスを10L/minで吹き込みながら、室温のままB液を、一段目添加におけるシリコン微粒子懸濁液(固形分換算)の添加速度0.4g/min・Lのままで7時間添加した。この間、水酸化ナトリウムによる金属シリコンの溶解時の反応熱で液温は上昇し、60℃に到達後に添加速度は変更しないまま温度を保持した。B液の添加終了後は外部熱源を使用して、液温60℃で8時間保持し、反応容器内の水素ガス濃度が100ppm以下になったことを確認して、60℃の保持を終了した。それ以降は、実施例1と同様の操作を行い、高純度珪酸アルカリ溶液を得た。その後、これを原料として使用して高純度シリカゾルを得た。
[Example 3]
After preparing solutions A and B in the same manner as in Example 1, solution B was added to the reaction vessel with a stirring bar at room temperature while blowing nitrogen gas at 10 L/min. The addition rate of the silicon microparticle suspension (in terms of solid content) in the first stage was maintained at 0.4 g/min·L for 7 hours. During this time, the reaction heat from the dissolution of metallic silicon by sodium hydroxide caused the liquid temperature to rise, and after reaching 60°C, the temperature was maintained without changing the addition rate. After the addition of solution B was completed, an external heat source was used to maintain the liquid temperature at 60°C for 8 hours. The maintenance at 60°C was terminated after confirming that the hydrogen gas concentration in the reaction vessel was 100 ppm or less. Thereafter, the same procedure as in Example 1 was performed to obtain a high-purity alkali silicate solution. Subsequently, this was used as a raw material to obtain a high-purity silica sol.

[比較例1]
純水3581gを10Lオートクレーブ容器に入れて撹拌しながら、モル比調整剤として水酸化ナトリウム水溶液(濃度48質量%)を29.5g加えた。次に数cm以下の大きさまで粉砕した珪酸ナトリウムカレットを加え、モル比(SiO/NaO)=3.19になるように仕込んだ。続いて、151℃に昇温して3時間保持して、溶解させた。40℃以下まで冷却後、得られた水ガラスを定量濾紙(No.5A、粒子保持能7μm)で濾過することにより、SiO固形分濃度24.4質量%の珪酸アルカリ溶液5240gを得た。その後、得られた珪酸アルカリ溶液を使用してシリカゾルの調製を行った。
(酸性珪酸液の調製)
上記のようにして得られた珪酸アルカリ溶液に超純水を添加してSiO濃度5%の高純度珪酸アルカリ溶液12,020gを得た。この溶液を、6Lの強酸性陽イオン交換樹脂(デュオライトC255LFH、ローム・アンド・ハース社製)に空間速度2.75h-1で通液させて、pH2.6の酸性珪酸液11,120gを得た。得られた酸性珪酸液のSiO濃度は4.6質量%であった。
(シリカゾルの調製)
上記のようにして得られた酸性珪酸液の一部(39g)をシード液として、酸性珪酸液の別の一部(8,078g)をフィード液として取り出した。
次に超純水833gに珪酸アルカリ51gを添加し、さらにシード液を添加して加熱した。そして、温度が83℃となった後、そのまま30分間保持し、この温度を保持しながら、ここへフィード液を一定速度で11時間かけて添加した。そしてフィード液の全量をシード液に添加した後、83℃1時間保持し、室温まで冷却した。
得られた液を限外濾過膜(旭化成ケミカルズ社製SIP-1013)を用いて、12質量%まで濃縮し、ついでロータリーエバポレーターで40質量%まで濃縮した。
そして得られたシリカゾルの不純分濃度を上述の方法で測定したところ、シリカ固形分に対するMg濃度が19.8ppm、Al濃度が129.9ppm、Ca濃度が15.1ppm、Ti濃度が96.8ppm、Cr濃度が0.6ppm、Fe濃度が38.8ppm、Ni濃度が0.3ppm、Cu濃度が0.2ppm、Na濃度が7,349ppm、Zn、Ag、Pb濃度が0.0ppmであった。
[Comparative Example 1]
3581 g of pure water was placed in a 10 L autoclave container and stirred while 29.5 g of sodium hydroxide aqueous solution (48% by mass) was added as a molar ratio adjuster. Next, sodium silicate cullet, crushed to a size of a few centimeters or less, was added to adjust the molar ratio ( SiO₂ / Na₂O ) to 3.19. Subsequently, the temperature was raised to 151°C and maintained for 3 hours to dissolve. After cooling to below 40°C, the resulting water glass was filtered through quantitative filter paper (No. 5A, particle retention capacity 7 μm) to obtain 5240 g of alkali silicate solution with an SiO₂ solid content of 24.4% by mass. Then, silica sol was prepared using the obtained alkali silicate solution.
(Preparation of acidic silica solution)
Ultrapure water was added to the alkali silicate solution obtained as described above to obtain 12,020 g of a high-purity alkali silicate solution with an SiO₂ concentration of 5%. This solution was passed through 6 L of a strongly acidic cation exchange resin (Duolite C255LFH, manufactured by Rohm & Haas) at a space velocity of 2.75 h⁻¹ to obtain 11,120 g of acidic silicate solution with a pH of 2.6. The SiO₂ concentration of the obtained acidic silicate solution was 4.6% by mass.
(Preparation of silica sol)
A portion of the acidic silica solution obtained as described above (39 g) was taken out as the seed solution, and another portion of the acidic silica solution (8,078 g) was taken out as the feed solution.
Next, 51 g of alkali silicate was added to 833 g of ultrapure water, and then seed solution was added and the mixture was heated. After the temperature reached 83°C, it was maintained at this temperature for 30 minutes, and while maintaining this temperature, the feed solution was added at a constant rate over 11 hours. After the entire volume of feed solution was added to the seed solution, the temperature was maintained at 83°C for 1 hour and then cooled to room temperature.
The obtained solution was concentrated to 12% by mass using an ultrafiltration membrane (SIP-1013, manufactured by Asahi Kasei Chemicals), and then concentrated to 40% by mass using a rotary evaporator.
The impurity concentrations of the obtained silica sol were then measured using the method described above, and the Mg concentration relative to the silica solid content was 19.8 ppm, Al concentration was 129.9 ppm, Ca concentration was 15.1 ppm, Ti concentration was 96.8 ppm, Cr concentration was 0.6 ppm, Fe concentration was 38.8 ppm, Ni concentration was 0.3 ppm, Cu concentration was 0.2 ppm, Na concentration was 7,349 ppm, and Zn, Ag, and Pb concentrations were 0.0 ppm.

[製造条件および各種測定の結果]
実施例における製造条件を表1に示す。また、実施例および比較例における各種測定の結果を表2および表3に示す。
[Manufacturing conditions and results of various measurements]
The manufacturing conditions in the examples are shown in Table 1. The results of various measurements in the examples and comparative examples are shown in Tables 2 and 3.

1…懸濁槽、2…撹拌装置、3…反応槽、4…温度調整装置、5…撹拌装置、6…移送管路、7…制御装置、8…貯槽、9…移送管路、10…制御装置、100…高純度珪酸アルカリ溶液の製造装置。 1…Suspension tank, 2…Agitator, 3…Reaction tank, 4…Temperature control device, 5…Agitator, 6…Transfer pipeline, 7…Control device, 8…Storage tank, 9…Transfer pipeline, 10…Control device, 100…High-purity alkali silicate solution manufacturing apparatus.

Claims (4)

シリコン微粒子を水酸化アルカリ水溶液に添加して反応液を調製する調製工程を含む、高純度珪酸アルカリ溶液の製造方法であって、下記条件1)から6)の全てを満たし、
前記調製工程において、前記シリコン微粒子の添加速度(固形分換算)の異なる一段目添加と、二段目添加とを行い、
前記一段目添加におけるシリコン微粒子の添加速度をS1、前記二段目添加におけるシリコン微粒子の添加速度をS2としたときに、下記数式(F2)で表される添加速度比Rの値が、1以上10以下の範囲であり、
R=S1/S2 ・・・(F2)
前記調製工程において、前記シリコン微粒子を、前記シリコン微粒子が分散してなるシリコン微粒子懸濁液の状態で、前記水酸化アルカリ水溶液に添加し、
前記シリコン微粒子懸濁液が、前記シリコン微粒子を純水に懸濁する際の、撹拌所要動力を0.1W以上3,000W以下の範囲としたものである、
高純度珪酸アルカリ溶液の製造方法。
1)シリコン微粒子の平均粒子径が、0.03μm以上10mm以下の範囲である。
2)シリコン微粒子の水酸化アルカリ水溶液に対する平均添加速度(B)が、反応液の容量に対して、0.05g/min・L以上5.0g/min・L以下の範囲である。
3)数式(F1)で表される反応パラメータAの値が、0超10,000以下の範囲である。
A=B×C×D×T ・・・(F1)
(数式(F1)において、Bは、シリコン微粒子の水酸化アルカリ水溶液に対する平均添加速度(g/min・L)であり、Cは、シリコン微粒子の比表面積(m/g)であり、Dは、シリコン微粒子に対する水酸化アルカリのモル比(水酸化アルカリ/シリコン微粒子)であり、Tは、反応温度(℃)である。)
4)シリコン微粒子の比表面積(m /g)であるCの値が、0.00025m /g以上86m /g以下の範囲である。
5)シリコン微粒子に対する水酸化アルカリのモル比(水酸化アルカリ/シリコン微粒子)であるDの値が、0.2以上0.7以下の範囲である。
6)反応温度(℃)であるTの値が、40℃以上98℃以下の範囲である。
A method for producing a high-purity alkali silicate solution, comprising a preparation step of adding silicon nanoparticles to an aqueous alkali hydroxide solution to prepare a reaction solution, wherein all of the following conditions 1) to 6) are met,
In the above preparation step, a first-stage addition and a second-stage addition are performed with different addition rates (in terms of solid content) of the silicon nanoparticles.
When the addition rate of silicon nanoparticles in the first stage of addition is S1, and the addition rate of silicon nanoparticles in the second stage of addition is S2, the value of the addition rate ratio R, expressed by the following formula (F2), is in the range of 1 to 10.
R=S1/S2...(F2)
In the preparation step, the silicon nanoparticles are added to the alkali hydroxide aqueous solution in the form of a silicon nanoparticle suspension in which the silicon nanoparticles are dispersed.
The aforementioned silicon microparticle suspension is characterized by a stirring power requirement of 0.1W to 3,000W when suspending the silicon microparticles in pure water.
A method for producing a high-purity alkaline silicate solution.
1) The average particle size of the silicon nanoparticles is in the range of 0.03 μm to 10 mm.
2) The average addition rate (B) of silicon nanoparticles to the alkali hydroxide aqueous solution is in the range of 0.05 g/min·L to 5.0 g/min·L relative to the volume of the reaction solution.
3) The value of the reaction parameter A, represented by formula (F1), is in the range of greater than 0 and less than or equal to 10,000.
A=B×C×D×T...(F1)
(In formula (F1), B is the average addition rate of silicon nanoparticles to the alkali hydroxide aqueous solution (g/min·L), C is the specific surface area of the silicon nanoparticles ( /g), D is the molar ratio of alkali hydroxide to silicon nanoparticles (alkali hydroxide/silicon nanoparticles), and T is the reaction temperature (°C).)
4) The value of C, which is the specific surface area (m²/g) of the silicon nanoparticles, is in the range of 0.00025 / g or more and 86 m²/g or less .
5) The value of D, which is the molar ratio of alkali hydroxide to silicon nanoparticles (alkali hydroxide/silicon nanoparticles), is in the range of 0.2 or more and 0.7 or less.
6) The value of T, which is the reaction temperature (°C), is in the range of 40°C to 98°C.
得られる高純度珪酸アルカリ溶液において、画像解析法で測定された長径が500nm以上1500nm以下であり、短径が100nm以上500nm以下であり、且つアスペクト比(長径/短径)が3以上である平板状微小粒子の含有量が、0.1個/mL以下である、
請求項1に記載の高純度珪酸アルカリ溶液の製造方法。
In the resulting high-purity alkali silicate solution, the content of flat, plate-shaped fine particles, measured by image analysis, having a major axis of 500 nm to 1500 nm, a minor axis of 100 nm to 500 nm, and an aspect ratio (major axis/minor axis) of 3 or more, is 0.1 particles/mL or less.
A method for producing a high-purity alkali silicate solution according to claim 1 .
請求項1または請求項2に記載の高純度珪酸アルカリ溶液の製造方法に用いる製造装置であって、
シリコン微粒子を水に懸濁させてシリコン微粒子懸濁液を得る懸濁槽と、
前記懸濁槽に付随する撹拌装置と、
前記シリコン微粒子懸濁液を水酸化アルカリ水溶液に添加して反応させて高純度珪酸アルカリ溶液を得る反応槽と、
前記反応槽に付随する温度調整装置および撹拌装置と、
前記懸濁槽から前記シリコン微粒子懸濁液を前記反応槽に供給する移送管路と、
前記シリコン微粒子懸濁液の添加速度を制御する制御装置と、を備える、
高純度珪酸アルカリ溶液の製造装置。
A manufacturing apparatus used in the method for producing a high-purity alkali silicate solution according to claim 1 or claim 2,
A suspension tank for suspending silicon nanoparticles in water to obtain a silicon nanoparticle suspension,
A stirring device attached to the suspension tank,
A reaction vessel comprising: adding the aforementioned silicon fine particle suspension to an aqueous alkali hydroxide solution and reacting to obtain a high-purity alkali silicate solution;
A temperature control device and a stirring device attached to the reaction vessel,
A transfer pipeline for supplying the silicon fine particle suspension from the suspension tank to the reaction tank,
The system includes a control device for controlling the rate at which the silicon microparticle suspension is added.
A manufacturing apparatus for high-purity alkali silicate solution.
請求項1または請求項2に記載の高純度珪酸アルカリ溶液の製造方法により得られる高純度珪酸アルカリ溶液を、原料とする、高純度シリカゾルの製造方法。 A method for producing high-purity silica sol, using a high-purity alkali silicate solution obtained by the method for producing a high-purity alkali silicate solution according to claim 1 or claim 2 as a raw material.
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