[go: up one dir, main page]

RU2153016C1 - Способ получения редких тугоплавких металлов, кремния и их соединений - Google Patents

Способ получения редких тугоплавких металлов, кремния и их соединений Download PDF

Info

Publication number
RU2153016C1
RU2153016C1 RU99102845A RU99102845A RU2153016C1 RU 2153016 C1 RU2153016 C1 RU 2153016C1 RU 99102845 A RU99102845 A RU 99102845A RU 99102845 A RU99102845 A RU 99102845A RU 2153016 C1 RU2153016 C1 RU 2153016C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
plasma
compounds
silicon
reaction
mixture
Prior art date
Application number
RU99102845A
Other languages
English (en)
Inventor
Э.М. Бархударов
И.А. Коссый
В.В. Костин
Л.А. Нисельсон
Н.М. Тарасова
Original Assignee
Костин Владимир Владимирович
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Костин Владимир Владимирович filed Critical Костин Владимир Владимирович
Priority to RU99102845A priority Critical patent/RU2153016C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2153016C1 publication Critical patent/RU2153016C1/ru

Links

Abstract

Изобретение относится к металлургии редких тугоплавких металлов, кремния и их соединений и может быть использовано для их получения плазмохимическим взаимодействием исходных газообразных соединений. Техническим результатом изобретения является сокращение энергозатрат процесса, упрощение его аппаратурного оформления и возможность применения к процессам как эндотермических, так и экзотермических превращений. Способ заключается в восстановлении или разложении газообразных соединений металлов и кремния в присутствии реагентов в зоне низкотемпературной термонеравновесной плазмы, с дополнительным введением в зону реакции горючей смеси, например водорода и кислорода, и активировании газообразных реагентов ультрафиолетовым излучением с использованием в качестве источника низкотемпературной термонеравновесной плазмы и УФ-излучения элемента со скользящим поверхностным разрядом, который размещен внутри реакционной зоны. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Изобретение относится к металлургии редких тугоплавких металлов и кремния, в частности к способам получения металлов и их соединений восстановлением или разложением их исходных соединений.
Известны промышленно освоенные способы получения металлов, например способ получения титана и циркония магниетермическим восстановлением четыреххлористого титана и циркония (А.Н.Зеликман "Металлургия тугоплавких редких металлов" Москва. Металлургия, 1986, с. 387-403). Способ осуществляют при температуре 1000-1300oC. Недостатком способа является невысокая скорость процесса и большие энергозатраты.
Известен способ получения титана термической диссоциацией газообразного иодида титана на нагретой до 1400oC подложке ("Металлургия титана "Москва. Металлургия, 1968, с. 405-441). Недостатком способа являются большие энергозатраты процесса.
Известен способ получения поликристаллического кремния водородным восстановлением трихлорсилана при температуре 1100oC (см. А. Я. Нашельский "Технология полупроводниковых материалов" М. Металлургия, 1987, с. 57-73). Недостатком способа является неполнота прохождения реакции, что естественно снижает выход получаемого продукта, высокая энергоемкость.
Известен способ получения металлов, например металлов IV группы, из их соединений восстановлением или термическим разложением как в газовой, так и в твердой фазе. Например, цирконий получают термическим разложением иодидов при температуре 1300oC, восстановлением хлоридов магнием, кальцием или натрием при температуре около 900oC; германий получают восстановлением двуокиси германия водородом, после чего для получения высокочистого германия проводят рафинирование кристаллофизическими методами (см. Основы металлургии. Редкие металлы, том 4, Изд. Металлургия, М. 1967, с. 379-396, 619-623). Недостатком способа является невысокая скорость процесса, высокая энергоемкость, неполнота прохождения реакции, а значит невысокий выход продукта, возможность загрязнения контейнерным материалом и необходимость проведения дополнительных операций по рафинированию получаемого материала.
Известны способы получения металлов и их соединений плазмохимическим взаимодействием. Эти способы позволяют получить более чистые конечные продукты, но являются достаточно энергоемкими.
Известен способ получения редких тугоплавких металлов и кремния, включающий плазмохимическое взаимодействие исходных газообразных соединений с получением металлов и их соединений (Ю.В. Цветков, С.А. Памфилов "Низкотемпературная плазма в процессах восстановления" Изд. "наука", М. 1980, с 16,17, 228- 235). Для плазмохимического процесса используют энергию низкотемпературной неравновесной плазмы СВЧ разряда. В качестве плазмообразующего газа могут быть использованы как газы, участвующие в химическом преобразовании, так и инертные газы, при введении газов-восстановителей или окислителей в плазму нейтрального газа. Недостатком способа является его высокая энергоемкость.
Известен способ получения редких тугоплавких металлов или их соединений путем плазмохимического взаимодействия с использованием низкотемпературной плазмы, в частности высокочастотной индукционной плазмы (см. А.Н.Краснов, С. Ю.Шаривкер и др. "Низкотемпературная плазма в металлургии" изд. Металлургия, 1976). Данным способом были получены титан и его двуокись из тетрахлорида титана, а также кремний и его двуокись из тетрахлорида кремния. В зависимости от подаваемых в зону реакции реагентов и состава плазмообразующего газа осуществляют реакцию разложения, восстановления или окисления. Способ является достаточно энергоемким и сложным в аппаратурном оформлении и может быть применен только к эндотермическим реакциям.
Техническим результатом заявленного изобретения является сокращение энергозатрат процесса и упрощение его аппаратурного оформления.
Технический результат достигается тем, что в способе получения редких тугоплавких металлов, кремния и их соединений путем плазмохимического взаимодействия в зоне низкотемпературной плазмы при введении в зону реакции газообразных реагентов, согласно изобретению, в зону реакции дополнительно подают горючую смесь, процесс ведут активированием газообразных реагентов ультрафиолетовым излучением, а в качестве источника низкотемпературной термонеравновесной плазмы и ультрафиолетового излучения используют элемент со скользящим поверхностным разрядом, размещенный внутри реакционного объема, а в качестве горючей смеси используют смесь кислорода и водорода.
Сущность способа заключается в том, что для осуществления реакции плазмохимического превращения исходных газообразных соединений используют теплоту реакции горения вводимых в реактор горючих веществ, с инициированием реакции горения энергетическим импульсом от скользящего поверхностного разряда, сочетающем в себе энергию термонеравновесной плазмы разряда между электродами и жесткое ультрафиолетовое излучение с поверхности диэлектрика.
Конструкция разрядника для получения скользящего поверхностного разряда (см. ЖТФ, 1984, т.54, с. 1219), созданного для изучения кинетики неравновесной бесстолкновительной плазмы, представляет собой систему электродов, размещенных на поверхности диэлектрика. При последовательном осуществлении разряда между этими электродами и взаимодействии его с поверхностью диэлектрика образуется жесткое УФ-излучение, спектр которого определяется материалами электродов, газовой фазы и диэлектрика.
Установлено, что энергия от скользящего поверхностного разряда, распространяясь со скоростью света по всему реакционному объему в виде УФ-излучения, активирует молекулы газовой смеси также по всему объему и переводит их в возбужденное состояние одновременно с действием плазмы разряда между электродами. В результате этого суммарного воздействия реакции горения и химического превращения идут по всему объему единовременно, что приводит к отсутствию эффекта детонации. Теплота, выделяемая при таком "объемном" бездетонационном горении горючей смеси, служит причиной прохождения реакции превращения веществ, помещенных в камеру вместе с горючей смесью.
Преимущество заявленного изобретения перед всеми известными способами заключается в том, что сочетание теплового и фотоионизационного воздействия на газовую фазу позволяет получить принципиально новый результат - объемное, очень быстрое и бездетонационное прохождение реакции горения "бездетонационный взрыв"), обеспечивающее прохождение реакции превращения.
Часть энергии скользящего поверхностного разряда выделяется в виде жесткого ультрафиолетового излучения с поверхности диэлектрика, по которой этот разряд скользит между электродами, размещенными на диэлектрике. При этом спектр излучения включает в себя характеристические полосы, определяемые материалом диэлектрика, а излучение с таким спектром имеет достаточную интенсивность для фотоионизации молекул газовой фазы.
Другая доля энергии скользящего поверхностного разряда выделяется в виде термонеравновесной плазмы разряда. Суммарное воздействие на газовую фазу исходного вещества трех факторов, а именно плазмы разряда, жесткого ультрафиолетового излучения и теплоты реакции бездетонационного быстрого объемного горения горючей смеси, эквивалентно действию энергии взрыва, проходящего с образованием детонационной волны разрушительной силы. Кроме того, что в заявленном способе не возникает детонационной волны, здесь основная часть выделяющейся при горении теплоты идет на преобразование исходных соединений, и поэтому процесс сопровождается лишь несущественным повышением температуры в зоне реакции.
В зависимости от состава исходных газообразных веществ и желаемой формы получаемых продуктов состав горючей смеси из водорода и кислорода изменяют по содержанию кислорода или водорода, так же как и количество горючей смеси по отношению к количеству разлагаемого соединения.
Состав горючей смеси определяется целью - связать образующиеся в результате разложения вещества в желаемые соединения, т.е. в зависимости от того, нужна окислительная или восстановительная среда, в горючую смесь вводят избыток кислорода или водорода, по сравнению со стехиометрическим соотношением [H2] : [O2] =2:1. Так, для получения металлов вводят избыток водорода, а для получения окислов - избыток кислорода.
Количество горючей смеси по отношению к количеству разлагаемого токсичного вещества выбирают исходя из прочности последнего: чем труднее его разложить, тем больше необходимо добавить горючей смеси. Этот процесс характеризуется низкими энергозатратами и позволяет применять его как к эндотермическим, так и к экзотермическим реакциям взаимодействия компонентов.
Способ иллюстрируется примерами.
ПРИМЕР N 1.
Получают двуокись кремния из его тетрахлорида в смеси с кислородом и водородом.
Схема реактора, основанного на электроразрядной инициации горения, изображена на чертеже. Камера реактора (1) представляет собой цилиндрическую кварцевую трубу диаметром Фk ≈50 мм и длиной Lk ≈100 мм. Камеру откачивают до глубокого (p0 < 10-4 Торр) вакуума и заполняют затем газовой смесью (H2 + O2 + SiCl4) при давлениях в интервале от 100 до 500 Торр. В этой водород-кислородной смеси, содержащей тетрахлорид кремния, инициируют горение с помощью разрядника (2). Разрядник представляет собой многоэлектродную систему, располагаемую особым образом на диэлектрической (кварц, тефлон, керамика) трубке с диаметром Фp ≈6 мм. Длина металлодиэлектрической цилиндрической разрядной системы: Lp ≈40 мм. Разрядник располагают вблизи одного из торцевых фланцев камеры реактора.
Подача высоковольтного импульса на разрядник приводит к формированию вдоль него низкопорогового скользящего поверхностного разряда и образованию протяженного плазменного слоя у поверхности диэлектрика, служащего источником УФ-излучения. Конструктивная особенность разрядников позволяет задавать им достаточно сложную геометрию, повторяемую плазменным слоем, генерируемым разрядником. В качестве источников питания разрядника используют генератор высоковольтных импульсов со следующими параметрами: U≅ 20 кВ; τ ≅ 20 мкс; W≤10 Дж. Содержание тетрахлорида кремния и продуктов его переработки определяют методом спектроскопии поглощения с помощью спектрографа ИКС.
Возбуждение поверхностного скользящего разряда в смеси (водород+кислород+тетрахлорид кремния) приводит к горению газовой смеси в объеме камеры и к ее химическому превращению. При соотношении между компонентами смеси (H2: O2:SiCl4), равном 4:4:1, и давлении газовой смеси P=200 Торр получают почти полное превращение тетрахлорида кремния (свыше 95%) при одном разряде на разряднике (2). Добавление смеси кислорода и водорода в соотношении 2:1 в реакционную камеру, содержащую продукты реакции после реализации одного импульса, и последующее проведение обработки еще одним таким же импульсом, приводит к полному, стопроцентному превращению SiCl4 с получением SiO2.
ПРИМЕР 2.
Получают титан из тетрахлорида титана.
В реакторе, описанном в Примере 1, в качестве рабочей газовой смеси используют смесь (H2+O2+TiCl4). Возбуждение поверхностного разряда в смеси приводит к ее горению и к изменению химического состава. При соотношении компонентов смеси (6:1:1) и давлении P=300 Торр получают почти полное (свыше 97%) восстановление тетрахлорида титана при одном разряде на разряднике (2). До 30% полученного титана трансформируется в мелкодисперсный (размер зерна <100 мкм) порошок титана.
Таким образом, заявленный способ позволяет получать металлы или их соединения плазмохимическим взаимодействием с использованием скользящего поверхностного разряда, сокращая на порядок расход электроэнергии на их получение.

Claims (2)

1. Способ получения редких тугоплавких металлов, кремния и их соединений путем плазмохимического взаимодействия в зоне низкотемпературной плазмы при введении в зону реакции газообразных реагентов, отличающийся тем, что в зону реакции дополнительно подают горючую смесь, процесс ведут активированием газообразных реагентов ультрафиолетовым излучением, а в качестве источника низкотемпературной термонеравновесной плазмы и ультрафиолетового излучения используют элемент со скользящим поверхностным разрядом, размещенный внутри реакционного объема.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве горючей смеси используют смесь кислорода и водорода.
RU99102845A 1999-02-17 1999-02-17 Способ получения редких тугоплавких металлов, кремния и их соединений RU2153016C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU99102845A RU2153016C1 (ru) 1999-02-17 1999-02-17 Способ получения редких тугоплавких металлов, кремния и их соединений

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU99102845A RU2153016C1 (ru) 1999-02-17 1999-02-17 Способ получения редких тугоплавких металлов, кремния и их соединений

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2153016C1 true RU2153016C1 (ru) 2000-07-20

Family

ID=20215868

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU99102845A RU2153016C1 (ru) 1999-02-17 1999-02-17 Способ получения редких тугоплавких металлов, кремния и их соединений

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2153016C1 (ru)

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2314254C1 (ru) * 2006-05-18 2008-01-10 Михаил Алексеевич Горовой Способ получения высокодисперсного порошка диоксида кремния
RU2339710C2 (ru) * 2006-06-01 2008-11-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Сибирский химический комбинат" Способ получения металла или кремния
RU2359906C2 (ru) * 2007-08-31 2009-06-27 Открытое акционерное общество "Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности "Гиредмет" Способ получения нанокристаллических порошков кремния
RU2367599C2 (ru) * 2006-11-10 2009-09-20 Российская академия сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ РООССЕЛЬХОЗАКАДЕМИИ) Способ получения поликристаллического кремния высокой чистоты и устройство для его осуществления (варианты)
RU2377065C2 (ru) * 2003-12-06 2009-12-27 Дегусса Аг Устройство и способ термического разложения летучих соединений элемента, выбранного из группы, включающей кремний, германий, углерод, титан, цирконий и их смеси
RU2410446C1 (ru) * 2009-12-01 2011-01-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ангарская государственная техническая академия (ГОУВПО АГТА) Способ обработки минеральных руд
RU2413011C1 (ru) * 2009-12-01 2011-02-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ангарская государственная техническая академия" (ГОУ ВПО "АГТА") Плазмохимический реактор для обработки минеральных руд
RU2415957C2 (ru) * 2005-03-22 2011-04-10 Х.К. Штарк Инк. Способ получения первичного тугоплавкого металла (варианты)
RU2777080C1 (ru) * 2021-12-22 2022-08-01 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет" (ФГАОУ ВО КФУ) Плазменный способ получения титанового порошка из тетрахлорида титана (варианты)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1990004043A2 (en) * 1988-10-14 1990-04-19 Brunswick Corporation Method of producing titanium
SU1802532A1 (ru) * 1991-01-25 1996-08-27 Московский химико-технологический институт им. Д.М.Менделеева Устройство для получения металлического циркония из тетраиодида в низкотемпературной плазме

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1990004043A2 (en) * 1988-10-14 1990-04-19 Brunswick Corporation Method of producing titanium
SU1802532A1 (ru) * 1991-01-25 1996-08-27 Московский химико-технологический институт им. Д.М.Менделеева Устройство для получения металлического циркония из тетраиодида в низкотемпературной плазме

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
КРАСНОВ А.Н. и др. Низкотемпературная плазма в металлургии. - М.: Металлургия, 1970, с.73-76. ЦВЕТКОВ Ю.В. и др. Низкотемпературная плазма в процессах восстановления. - М.: Наука, 1980, с.210-227. *

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2377065C2 (ru) * 2003-12-06 2009-12-27 Дегусса Аг Устройство и способ термического разложения летучих соединений элемента, выбранного из группы, включающей кремний, германий, углерод, титан, цирконий и их смеси
RU2415957C2 (ru) * 2005-03-22 2011-04-10 Х.К. Штарк Инк. Способ получения первичного тугоплавкого металла (варианты)
RU2314254C1 (ru) * 2006-05-18 2008-01-10 Михаил Алексеевич Горовой Способ получения высокодисперсного порошка диоксида кремния
RU2339710C2 (ru) * 2006-06-01 2008-11-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Сибирский химический комбинат" Способ получения металла или кремния
RU2367599C2 (ru) * 2006-11-10 2009-09-20 Российская академия сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ РООССЕЛЬХОЗАКАДЕМИИ) Способ получения поликристаллического кремния высокой чистоты и устройство для его осуществления (варианты)
RU2359906C2 (ru) * 2007-08-31 2009-06-27 Открытое акционерное общество "Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности "Гиредмет" Способ получения нанокристаллических порошков кремния
RU2410446C1 (ru) * 2009-12-01 2011-01-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ангарская государственная техническая академия (ГОУВПО АГТА) Способ обработки минеральных руд
RU2413011C1 (ru) * 2009-12-01 2011-02-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ангарская государственная техническая академия" (ГОУ ВПО "АГТА") Плазмохимический реактор для обработки минеральных руд
RU2777080C1 (ru) * 2021-12-22 2022-08-01 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет" (ФГАОУ ВО КФУ) Плазменный способ получения титанового порошка из тетрахлорида титана (варианты)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Chien On the possible initiation of photooxidation by charge-transfer excitation
RU2153016C1 (ru) Способ получения редких тугоплавких металлов, кремния и их соединений
Bulychev et al. Plasma discharge in liquid phase media under ultrasonic cavitation as a technique for synthesizing gaseous hydrogen
Snyder et al. Effect of air and oxygen content on the dielectric barrier discharge decomposition of chlorobenzene
Navascués et al. Plasma assisted CO2 dissociation in pure and gas mixture streams with a ferroelectric packed-bed reactor in ambient conditions
Mochalov et al. Purification of tellurium through thermal decomposition of plasma prepared tellurium hydride
FR2724806A1 (fr) Procede et dispositif d&#39;assistance par plasma au vapo-craquage non-catalytique de composes hydrocarbones et halogeno-organiques
Jin et al. Concentration-dependence of the explosion characteristics of chlorine dioxide gas
KR20070018884A (ko) 카르보닐 플루오라이드의 제조
US5648530A (en) Manufacture of carbonyl floride
Schell-Sorokin et al. Chlorine perchlorate a major photolysis product of chlorine dioxide
Főglein et al. Comparative study on the decomposition of chloroform in thermal and cold plasma
US4472254A (en) Electric plasma discharge combustion synthesis of chlorine dioxide
Petcu et al. Formation of fullerenes in the laser-pyrolysis of benzene
JP2569739B2 (ja) 酸素原子発生方法および装置
CN105776338B (zh) 介质阻挡放电制备四氧化三锰/氮化碳复合材料
Tenegal et al. Effect of the C/O ratio on the C60 and C70 formation rates in soot synthesised by laser pyrolysis of benzene-based mixtures
Manning et al. Gas mixtures and ozone production in an electrical discharge
CN113694854A (zh) 一种等离子体氧化合成有机含氧化合物的装置和方法
Alexandrescu et al. Effect of SF6 addition in the laser synthesis of fullerene and soot from C6H6/O2 or C6H6/N2O sensitized mixtures
RU2264888C2 (ru) Способ получения нанодисперсных порошков оксидов
Bárdoš Afterglow and decaying plasma CVD systems
Shmelev et al. Plasma chemical reactor with exploding water jet
Jin et al. Research on the explosion characteristics of chlorine dioxide gas
Hamblyn et al. Use of radio-frequency plasma in chemical synthesis