DE10048472A1 - Novel concept for energy generation via an inorganic nitrogen cycle, starting from the basic material sand and producing higher silanes - Google Patents
Novel concept for energy generation via an inorganic nitrogen cycle, starting from the basic material sand and producing higher silanesInfo
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Abstract
Description
Silicium steht im Periodensystem der chemischen Elemente unmittelbar unterhalb des Kohlenstoffs und ähnelt ihm daher. Die Wasserstoffverbindungen des Siliciums weisen jedoch einige Unterschiede zu den Kohlenwasserstoffen auf. Schon Friedrich Wöhler entdeckte um die Jahrhundertwende den Silicium- Homologen des Methans CH4, das Monosilan SiH4. Anfang des 20. Jahrhunderts konnte Prof. Alfred Stock, Karlsruhe, die längerkettigen Homologen der Kohlen wasserstoffe Ethan, Propan und Butan darstellen, also das Disilan Si2H6, Trisilan Si3H8, und Tetrasilan n-Si4H10, die allerdings alle an Luft selbstentzündlich sind.Silicon is located directly below carbon in the periodic table of the chemical elements and therefore resembles it. However, the hydrogen compounds of silicon have some differences from the hydrocarbons. Friedrich Wöhler discovered the silicon homologue of methane CH 4 , the monosilane SiH 4 , around the turn of the century. At the beginning of the 20th century, Prof. Alfred Stock, Karlsruhe, could represent the longer-chain homologues of the hydrocarbons ethane, propane and butane, i.e. disilane Si 2 H 6 , trisilane Si 3 H 8 , and tetrasilane n-Si 4 H 10 however, all are self-igniting in air.
1951 begann in Köln die Silanforschung unter Prof. Franz Fehér. Anfang der 70er Jahre gelang es seinem Assistenten Peter Plichta dort, die bis dahin un bekannten sog. Höheren Silane vom Pentasilan Si5H12, bis zum Dekasilan Si10H22 erstmals herzustellen (Dt. Patent 21 39 155 (1976)). Dabei zeigte sich, daß - ent gegen bisheriger Annahme - Höhere Silane mit zunehmender Kettenlänge nicht instabiler, sondern im Gegenteil immer stabiler werden, so daß beispielsweise schon das Heptasilan (n-Si7H16) bei Raumtemperatur nicht mehr selbstentzündlich ist! Höhere Silane sind handhabungssichere, untoxische, dieselölähnliche und damit pumpbare Flüssigkeiten.In 1951, silane research began under Prof. Franz Fehér in Cologne. At the beginning of the 1970s, his assistant Peter Plichta succeeded for the first time in producing the hitherto unknown so-called higher silanes from pentasilane Si 5 H 12 to decasilane Si 10 H 22 (German patent 21 39 155 (1976)). It was shown that - contrary to previous assumptions - higher silanes do not become more unstable with increasing chain length, on the contrary, they become more and more stable, so that, for example, heptasilane (n-Si 7 H 16 ) is no longer self-igniting at room temperature! Higher silanes are handling-safe, non-toxic, diesel-like and therefore pumpable liquids.
Silane können als energieerzeugende Treibstoffe genutzt werden (Dt. Pa tent 42 15 835 (1994); US Patent 5,775,096 (1998)).Silanes can be used as energy-generating fuels (German Pa tent 42 15 835 (1994); U.S. Patent 5,775,096 (1998)).
Im folgenden wird die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen mit der Verbrennung von Siliciumwasserstoffen verglichen.The following is the combustion of hydrocarbons with the Combustion of silicon hydrides compared.
Bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen reagiert bekanntlich so
wohl der Wasserstoff- als auch der Kohlenstoffanteil immer nur mit dem 20%igen
Sauerstoffanteil der Luft:
As is well known, when hydrocarbons are burned, the hydrogen and carbon components react only with the 20% oxygen component in the air:
H2 + ½O2 → H2O und C + O2 → CO2
H 2 + ½O 2 → H 2 O and C + O 2 → CO 2
Der Stickstoffanteil der Luft, der 80% beträgt, bleibt dabei un genutzt, zudem entsteht das Atemgift Kohlendioxid.The nitrogen content in the air, which is 80%, remains unaffected used, the respiratory poison carbon dioxide is also created.
Silicium hat im Gegensatz zu Kohlenstoff die Eigenschaft, eine äußerst
beständige Nitridverbindung zu bilden, das industriell bekannte Silici
um(tetra)nitrid Si3N4:
In contrast to carbon, silicon has the property of forming an extremely stable nitride compound, the industrially known silicon (tetra) nitride Si 3 N 4 :
3Si + 2N2 → Si3N4 + 750 kJ3Si + 2N 2 → Si 3 N 4 + 750 kJ
Die technische Darstellung von Si3N4 erfolgte bislang durch Einwirkung von molekularem Stickstoff auf Si-Pulver bei 1100-1400°C. Versuche bei der Wacker-Chemie AG haben aber gezeigt, daß sogar kalter (ca. 200°C) Stickstoff mit Silicium (katalytisch) reagiert bzw. zündet (Tagung "Silicon for the Chemical Industry V", Mai 29-Juni 2, 2000, Tromso (Norwegen), Vortrag von Frau Dr. G. Tamme: "Silicon Cyclone Dust and Copper Oxide in the Direct Process, a Dange rous Mixture?")The technical representation of Si 3 N 4 has so far been carried out by the action of molecular nitrogen on Si powder at 1100-1400 ° C. Experiments at Wacker-Chemie AG have shown that even cold (approx. 200 ° C) nitrogen reacts or ignites with silicon (catalytically) (conference "Silicon for the Chemical Industry V", May 29-June 2, 2000, Tromso (Norway), lecture by Dr. G. Tamme: "Silicon Cyclone Dust and Copper Oxide in the Direct Process, a Dange rous Mixture?")
In einem luftatmenden Triebwerk sind die folgenden Reaktionen möglich:
The following reactions are possible in an air breathing engine:
3Si + 2N2 → Si3N4 + 750 kJ (I)
3Si + 2N 2 → Si 3 N 4 + 750 kJ (I)
H2 + ½O2 → H2O (II)
H 2 + ½O 2 → H 2 O (II)
Si + O2 → SiO2 (III)
Si + O 2 → SiO 2 (III)
Der Luftstickstoff kann bei der Verbrennung von Silanen mit ausgenutzt werden!The atmospheric nitrogen can be used in the combustion of silanes be exploited!
Ziel einer Verbrennung von Siliciumwasserstoffen ist, den Wasserstoffanteil in einer Brennkammer stöchiometrisch mit Luftsauerstoff zu verbrennen (wie bei Kohlenwasserstoffen), gleichzeitig aber auch den Stickstoffanteil der Luft mit Silicium umzusetzen. Um die komplette Verbrennung des zugeführten Luftstick stoffs zu erreichen, könnte man dem Silanbenzin dispergiertes Siliciumpulver zusetzen (Dt. Patent 196 12 507 (1997); US Patent 5,996,332 (1999)). Das Si lan/Siliciumgemisch bleibt dabei pumpbar.The goal of burning silicon hydride is to reduce the hydrogen content in a stoichiometric combustion chamber with atmospheric oxygen (as in Hydrocarbons), but also the nitrogen content of the air Implement silicon. For the complete combustion of the supplied air stick To achieve this, one could use silicon powder dispersed in silane gasoline add (German Patent 196 12 507 (1997); US Patent 5,996,332 (1999)). The Si Lan / silicon mixture remains pumpable.
Wählt man beispielsweise n-Heptasilan Si7H16 (Sdp. 226,8°C, Dichte
0,859 g/cm3), so ergibt sich folgende stöchiometrische Verbrennung eines norma
len Luftgemisches aus 20% O2 und 80% N2:
If, for example, n-heptasilane Si 7 H 16 (bp 226.8 ° C, density 0.859 g / cm 3 ) is selected, the following stoichiometric combustion of a normal air mixture of 20% O 2 and 80% N 2 results:
16H + 4O2 → 8H2O
16H + 4O 2 → 8H 2 O
7Si + 16N2 + zusätzlich 17 dispergierte Si → 8Si3N4
7Si + 16N 2 + an additional 17 dispersed Si → 8Si 3 N 4
Die Gleichungen zeigen, daß die angesaugte Luftmenge tatsächlich in 100%iger Ausbeute als Oxidationsmittel verwendet werden kann. Das i. A. inerte Gas Stickstoff wirkt dabei als Oxidator. Bei dieser Reaktion entsteht zudem kei nerlei Atemgift, sondern neben Wasser nur noch Siliciumnitrid, das sogar noch aufgefangen bzw. gefiltert werden kann. The equations show that the amount of air drawn in is actually in 100% yield can be used as an oxidizing agent. The I. A. inert Gas nitrogen acts as an oxidizer. This reaction also does not produce any a lot of breathing poison, but in addition to water only silicon nitride, that even more can be collected or filtered.
Um eine solche Verbrennung in der Praxis durchführen zu können, wurde bereits eine Strahlturbine entwickelt, die die überaus heißen Verbrennungsgase in 2 hintereinander geschalteten Brennkammern so verarbeitet, daß eine Welle an getrieben werden kann (Dt. Patent 196 12 507 (1997); US Patent 5,996,332 (1999)). Diese Turbine dient als Ersatz für herkömmliche Explosionsmotoren. Darüber hinaus ist ein luftatmender Raketenmotor (d. h. ohne Oxidationstank!) bekannt, der in Überschallflugzeugen und Raumgleitern eingesetzt werden soll (Dt. Patente 44 37 524 (1996) und 44 39 073 (1996)).In order to be able to carry out such a combustion in practice, A jet turbine has already been developed, which injects the extremely hot combustion gases 2 consecutive combustion chambers processed so that a shaft can be driven (German Patent 196 12 507 (1997); US Patent 5,996,332 (1999)). This turbine serves as a replacement for conventional explosion engines. In addition, an air-breathing rocket engine (i.e. without an oxidation tank!) known to be used in supersonic aircraft and space planes (German Patents 44 37 524 (1996) and 44 39 073 (1996)).
Mit den Patentanmeldungen vom 18.09.2000 (AZ 100 46 037.2) und vom 29.09.2000 ist bekannt, Höhere Silane durch die wiederholte Anwendung der ab geänderten Müller-Rochow-Synthese (d. h. mit Silylchloriden statt Methylchlori den) preiswert herzustellen.With the patent applications dated September 18, 2000 (AZ 100 46 037.2) and 09/29/2000 is known, Higher silanes from the repeated application of the changed Müller-Rochow synthesis (i.e. with silyl chlorides instead of methyl chlori to manufacture the) inexpensively.
Damit sind die Voraussetzungen gegeben, Silane zum zentralen Bestand teil der zukünftigen Energieversorgung zu machen.This creates the prerequisites for silanes to be the central stock to make part of the future energy supply.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen neuent deckten chemischen, anorganischen Zyklus zu beschreiben, bei dem Siliciumdi oxid, der Hauptbestandteil der Erdrinde, mit Hilfe von Sonnenlicht zunächst in reines Silicium umgewandelt wird. Danach werden daraus gewonnene Höhere Silane unter Energieerzeugung mit Luftstickstoff verbrannt, wobei Siliciumnitrid Si3N4 entsteht. Dieses Si3N4 wird basisch in Ammoniak NH3 überführt. Hierbei entstehen auch Silicate, die jedoch nicht wieder in den Zyklus eingespeist werden müssen, da SiO2 kostenlos zur Verfügung steht. Beim Verbrennen von NH3 ent steht wiederum unter Energieerzeugung N2, so daß der Stickstoffkreislauf ge schlossen ist.The present invention has for its object to describe a newly discovered chemical, inorganic cycle in which Siliciumdi oxide, the main constituent of the earth's crust, is first converted into pure silicon with the help of sunlight. Higher silanes obtained therefrom are then burned with atmospheric nitrogen, producing silicon nitride Si 3 N 4 . This Si 3 N 4 is converted basicly into ammonia NH 3 . This also produces silicates, which, however, do not have to be fed back into the cycle since SiO 2 is available free of charge. When burning NH 3 ent is in turn generating energy N 2 , so that the nitrogen cycle is closed ge.
Diese einzelnen Schritte sind im Prinzip bekannt, sie stehen in den Che miebüchern oder sind bereits patentiert bzw. zum Patent angemeldet.These individual steps are known in principle, they are in the Che manuals or are already patented or patent pending.
Die vorliegende Erfindung beschreibt jedoch die Idee, die einzelnen be kannten Schritte zu einem zyklischen System zu verbinden, das dem natürlichen Kohlenstoffkreislauf ähnelt.However, the present invention describes the idea of the individual be known steps to combine a cyclical system that the natural Carbon cycle resembles.
Der herkömmliche Kohlenstoffkreislauf besteht aus dem Dualismus bzw. der Symbiose der Organismen der Pflanzen auf der einen und der Lebewesen auf der anderen Seite: Mit Hilfe von Sonnenlicht wird in den Pflanzen durch Photo synthese CO2 assimiliert und O2 erzeugt. Die dabei in den Pflanzen erzeugten Pro dukte aus Kohlenwasserstoffen dienen den Tieren und Menschen als Nahrung. Der von den Pflanzen erzeugte Sauerstoff wird von den Tieren und Menschen unter Energieerzeugung veratmet. Dabei entsteht CO2, das wiederum die Pflanzen zum Überleben brauchen.The conventional carbon cycle consists of the dualism or symbiosis of the organisms of plants on the one hand and living things on the other: With the help of sunlight, CO 2 is assimilated in plants by photosynthesis and O 2 is generated. The hydrocarbon products produced in the plants serve as food for animals and humans. The oxygen generated by the plants is breathed in by animals and humans, producing energy. This creates CO 2 , which the plants need to survive.
In den Jahrmillionen der Evolution hat sich dabei ein Gleichgewicht einge stellt, das den Kohlendioxidanteil in der Atmosphäre konstant hält. Dieses Gleichgewicht ist jedoch mit Beginn des Industriezeitalters bis heute immer mehr ins Wanken geraten. Der immer weiter zunehmende industrielle CO2-Ausstoß, der weltweit das gesamte Ökosystem bedroht, geht einher mit den immer knapper werdenden Rohölreserven.In the millions of years of evolution, an equilibrium has been established that keeps the proportion of carbon dioxide in the atmosphere constant. However, this balance has increasingly faltered with the beginning of the industrial age. The ever increasing industrial CO 2 emissions that threaten the entire ecosystem worldwide go hand in hand with the increasingly scarce crude oil reserves.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist auch, einen Ausweg aus dieser sich immer weiter zuspitzenden Lage aufzuzeigen. The object of the present invention is also a way out of this to show an increasingly acute situation.
Vorteil der Verwendung von Silanen als Treibstoffe ist die unbegrenzte Verfügbarkeit des Grundstoffes Silicium im Gegensatz zu den sehr begrenzten Rohölvorkommen. 25% der Erdkruste bestehen aus Silicium. Sand z. B. hat die chemische Summenformel SiO2.The advantage of using silanes as fuels is the unlimited availability of the basic material silicon in contrast to the very limited crude oil deposits. 25% of the earth's crust is made of silicon. Sand e.g. B. has the chemical formula SiO 2 .
(I) Der hohe Bedarf an reinem Silicium kann dadurch gedeckt werden, daß man in heißen Wüstenländern den Sand (SiO2) mit Kohle und Solarstrom im elektrischen Lichtbogenofen an Ort und Stelle zu reinem Silicium reduziert. Ge nau wie das Sonnenlicht in den Pflanzen dafür sorgt, daß Elektronen zur C-C- Knüpfung verwendet werden können, so wird bei dem hier beschriebenen anorga nischen Zyklus mit Hilfe von aus Silicium bestehenden Solarzellen Strom erzeugt, der zur Gewinnung reinen Siliciums im Lichtbogenofen benötigt wird.(I) The high demand for pure silicon can be met by reducing the sand (SiO 2 ) with coal and solar power in hot desert countries to pure silicon on site in an electric arc furnace. Ge exactly how the sunlight in the plants ensures that electrons can be used for CC formation, so in the inorganic cycle described here, electricity is generated using solar cells made of silicon, which is required for the production of pure silicon in the electric arc furnace.
Das dabei entstehende reine CO2 kann zur Erzeugung der organischen Grundchemikalie Methanol verwendet werden, so daß es nicht in die Atmosphäre gelangt. Methanol stellt eine veredelte Form der Kohle dar. Der zur Veredelung des CO2 zum Methanol CH3OH nach der Formel CO2 + 3H2 → CH3OH + H2O benötigte Wasserstoff wird durch Elektrolyse erzeugt, wobei der dazu notwendige Strom ebenfalls aus den Solarzellen stammt.The resulting pure CO 2 can be used to produce the organic basic chemical methanol so that it does not get into the atmosphere. Methanol is a refined form of coal. The hydrogen required to refine CO 2 to methanol CH 3 OH according to the formula CO 2 + 3H 2 → CH 3 OH + H 2 O is generated by electrolysis, the electricity required for this also coming from the solar cells.
(II) Im nächsten Schritt werden aus dem Silicium durch die abgeänderte Müller-Rochow-Synthese mit Silylchloriden Höhere Silane hergestellt. Hierbei sollen als Silylchloride idealerweise ansonsten teuer zu entsorgende Industrieab fälle aus der Silikonchemie wie Methylchlordisilane verwendet werden. Alterna tiv erhält man die Silylchloride durch Chlorierung von bei der sauren Zersetzung von Magnesiumsilicid in großen Mengen entstehendem Mono- und Disilan.(II) In the next step, the silicon is modified by the Müller-Rochow synthesis with silyl chlorides Higher silanes produced. in this connection Ideally, as silyl chlorides, industries that are otherwise expensive to dispose of Cases from silicone chemistry such as methylchlorodisilanes are used. Alterna The silyl chlorides are obtained by chlorination in the case of acidic decomposition of magnesium silicide in large quantities of mono- and disilane.
(III) Im dritten Schritt werden die Höheren Silane unter Zusatz von disper giertem Siliciumpulver mit atmosphärischer Luft (20% O2; 80% N2) zu Wasser H2O und Siliciumnitrid Si3N4 verbrannt. Dieses auch in der Industrie benötigte Siliciumnitrid Si3N4 ist ein grauweißer, völlig untoxischer Staub, der erst bei Temperaturen um 1900°C unter Zersetzung schmilzt.(III) In the third step, the higher silanes are burned with the addition of dispersed silicon powder with atmospheric air (20% O 2 ; 80% N 2 ) to water H 2 O and silicon nitride Si 3 N 4 . This silicon nitride Si 3 N 4, which is also required in industry, is a gray-white, completely non-toxic dust that only melts with decomposition at temperatures around 1900 ° C.
(IV) Si3N4 kann in Laugen aufgelöst und in Ammoniak NH3 überführt wer den. Die dabei entstehenden Silikate sind unschädlich, müssen aber nicht recycled werden, da Sand SiO2 in rauhen Mengen vorhanden ist. Teile des Ammoniaks können zur Herstellung von Kunstdünger verwendet werden.(IV) Si 3 N 4 can be dissolved in alkalis and converted into NH 3 ammonia. The resulting silicates are harmless, but do not have to be recycled because sand SiO 2 is present in abundance. Parts of the ammonia can be used to make artificial fertilizers.
(V) Der Großteil soll jedoch im nächsten Schritt mit atmosphärischer Luft wiederum unter hoher Wärmeabgabe zu Stickstoff N2 und Wasser H2O verbrannt werden. Hierdurch gelangt wieder Stickstoff in die Atmosphäre, der dann wieder für die Verbrennung der Höheren Silane zur Verfügung steht. (V) In the next step, however, the majority should be burned with atmospheric air, again with high heat emission, to nitrogen N 2 and water H 2 O As a result, nitrogen comes back into the atmosphere, which is then available again for the combustion of the higher silanes.
Die oben beschriebenen Reaktionen ergeben in ihrem Zusammenspiel ei nen neuartigen chemischen Kreislauf (Fig. 1).The reactions described above result in an interaction of a novel chemical cycle ( Fig. 1).
Der beschriebene Silicium-Stickstoff-Zyklus stellt ein völlig neuartiges Energiekonzept dar. Dieser Kreislauf ist das künstliche Pendant zum natürlichen Kohlenstoff-Sauerstoff-Kreislauf. Mit Einführung von Silicium-Gleichrichtern, Transistoren, -Dioden, -Speicherchips etc. in der Physik und mit Silikonölen und - Kunststoffen in der Chemie hat sich das Siliciumzeitalter angekündigt, mit dem vorgestellten Kreislauf setzt es sich endgültig durch. Es muß betont werden, daß die von dem beschriebenen Kreislauf freigesetzte Energie letztendlich aus dem Sonnenlicht stammt, genau wie bei der Photosynthese.The silicon-nitrogen cycle described represents a completely new kind Energy cycle. This cycle is the artificial counterpart to the natural one Carbon-oxygen cycle. With the introduction of silicon rectifiers, Transistors, diodes, memory chips etc. in physics and with silicone oils and - Plastics in chemistry has announced the age of silicon with which presented cycle it finally prevails. It must be emphasized that the energy released by the described cycle ultimately comes from the Sunlight comes just like in photosynthesis.
Zwar sind die 5 Schritte des Kreislaufs nichts grundsätzlich Neues, die Ge samtidee stellt jedoch etwas völlig Neuartiges dar.The 5 steps of the cycle are not fundamentally new, the Ge However, velvet idea represents something completely new.
Claims (5)
- a) Erzeugung von reinem Silicium durch Reduktion von Sand SiO2 mit Kohle im elektrischen Lichtbogenofen unter Erzeugung von reinem CO2.
- b) Erzeugung Höherer Silane SixH2x+2 durch wiederholte Anwendung der abge änderten Müller-Rochow-Synthese mit Silylchloriden.
- c) Energieerzeugung durch stöchiometrische Verbrennung der Silane mit disper giertem Siliciumpulver an Luft N2/O2 unter Entstehung von H2O und Si3N4, bspw. in Motoren in den verschiedensten Vehikeln.
- d) Sammelung bzw. Filtrierung des Si3N4-Staubes und basische Umsetzung zu Ammoniak NH3 unter Bildung von Silikaten (Siliciumoxiden).
- e) Weiterverarbeitung des NH3 in kleinen Teilen zu Kunstdünger, im Großteil aber Verbrennung des NH3 mit Luft unter Entstehung von und H2O und N2.
- a) Production of pure silicon by reduction of sand SiO 2 with coal in an electric arc furnace with production of pure CO 2 .
- b) Generation of higher silanes Si x H 2x + 2 by repeated application of the modified Müller-Rochow synthesis with silyl chlorides.
- c) Energy generation by stoichiometric combustion of the silanes with dispersed silicon powder in air N 2 / O 2 with the formation of H 2 O and Si 3 N 4 , for example in engines in a wide variety of vehicles.
- d) Collecting or filtering the Si 3 N 4 dust and basic conversion to ammonia NH 3 with the formation of silicates (silicon oxides).
- e) Further processing of the NH 3 in small parts to synthetic fertilizer, but in large part combustion of the NH 3 with air with the formation of and H 2 O and N 2 .
Priority Applications (5)
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