BRPI0919505A2 - solar grade silicon production from silicon dioxide - Google Patents
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Abstract
método para a produção de silício puro, formulação, reator e/ou eletrodos, dispositivo e uso de óxido de silício na produção de silício a presente invenção refere-se a um método completo para produção de silício puro que é adequado para uso como silício de grau solar, compreendendo a redução de um óxido de silício, purificado por precipitação acídica a partir de uma solução aquosa de um óxido de silício dissolvido em uma fase aquosa, usando uma ou mais fontes de carbono puro, o óxido de silício purificado sendo obtido, em particular, pela precipitação de um óxido de silício dissolvido em uma fase aquosa em um acidificante. a invenção também refere-se a uma formulação contendo um ativador e a um dispositivo para produção de silício, um reator e eletrodos.Method for the production of pure silicon, formulation, reactor and / or electrodes, device and use of silicon oxide in the production of silicon The present invention relates to a complete method for the production of pure silicon which is suitable for use as a silicon. solar-grade, comprising reducing a silicon oxide, purified by acid precipitation from an aqueous solution of a silicon oxide dissolved in an aqueous phase, using one or more sources of pure carbon, the purified silicon oxide being obtained, in particular, by precipitation of a silicon oxide dissolved in an aqueous phase in an acidifier. The invention also relates to a formulation containing an activator and a device for producing silicon, a reactor and electrodes.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para MÉTODO PARA A PRODUÇÃO DE SILÍCIO PURO, FORMULAÇÃO, REATOR E/OU ELETRODOS, DISPOSITIVO E USO DE ÓXIDO DE SILÍCIO NA PRODUÇÃO DE SILÍCIODescriptive Report of the Invention Patent for METHOD FOR THE PRODUCTION OF PURE SILICON, FORMULATION, REACTOR AND / OR ELECTRODES, DEVICE AND USE OF SILICON OXIDE IN THE PRODUCTION OF SILICON
A presente invenção refere-se a um método completo para a produção de silício puro, que é adequado como silício de grau solar, compreendendo a redução de um óxido de silício, purificado por precipitação ácida da solução aquosa de um óxido de silício dissolvido em fase aquosa, com uma ou mais fontes de carbono puro, em particular o óxido de silício purificado é obtido por precipitação de um óxido de silício dissolvido em fase aquosa em um agente de acidificação. A invenção refere-se ainda a uma formulação contendo um ativador, e um dispositivo para a produção de silício, um reator e eletrodos.The present invention relates to a complete method for the production of pure silicon, which is suitable as solar grade silicon, comprising the reduction of a silicon oxide, purified by acid precipitation of the aqueous solution of a silicon oxide dissolved in phase aqueous, with one or more sources of pure carbon, in particular the purified silicon oxide is obtained by precipitation of a silicon oxide dissolved in an aqueous phase in an acidifying agent. The invention also relates to a formulation containing an activator, and a device for the production of silicon, a reactor and electrodes.
A proporção de células fotovoltaicas na geração de eletricidade global tem aumentado firmemente por alguns anos. Para aumento adicional da participação no mercado, é essencial que os custos de produção de células fotovoltaicas sejam reduzidos e sua eficiência seja aumentada.The proportion of photovoltaic cells in global electricity generation has been steadily increasing for some years. To further increase market share, it is essential that the costs of producing photovoltaic cells are reduced and their efficiency is increased.
Os custos para silício de alta pureza (silício de grau solar) são um fator de custo importante na produção de células fotovoltaicas. Em uma escala industrial, isso é normalmente produzido pelo processo de Siemens, que foi desenvolvido há mais de 50 anos. Neste processo, o silício é primeiro reagido com cloreto de hidrogênio gasoso a 300 a 350°C em um reator de leito fluidizado para triclorossilanos (silicoclorofórmio). Após etapas de destilação dispendiosas, em uma reversão da reação acima, os triclorossilanos são decompostos termicamente novamente em 1000 a 1200°C na presença de hidrogênio em hastes aquecidas de silício de pureza muito alta. O silício elementar cresce nas hastes e o cloreto de hidrogênio liberado é reciclado. Tetracloreto de silício é produzido como um subproduto; este é convertido em triclorossilanos e reciclado ao processo ou é queimado em uma chama de oxigênio a ácido silícico pirogênico.Costs for high purity silicon (solar grade silicon) are an important cost factor in the production of photovoltaic cells. On an industrial scale, this is normally produced by the Siemens process, which was developed over 50 years ago. In this process, silicon is first reacted with hydrogen chloride gas at 300 to 350 ° C in a fluidized bed reactor for trichlorosilanes (silicochloroform). After expensive distillation steps, in a reversal of the above reaction, the trichlorosilanes are thermally decomposed again at 1000 to 1200 ° C in the presence of hydrogen on heated silicon rods of very high purity. Elemental silicon grows on the stems and the released hydrogen chloride is recycled. Silicon tetrachloride is produced as a by-product; this is converted into trichlorosilanes and recycled to the process or is burned in an oxygen flame to pyrogenic silicic acid.
Uma alternativa sem cloro para o processo acima é a decomposição de monossilanos, que também podem ser obtidos dosA chlorine-free alternative to the above process is the decomposition of monosilanes, which can also be obtained from
2/114 elementos e se decompõem novamente após uma etapa de purificação em superfícies aquecidas ou ao serem passados por reatores de leito fluidizado. Exemplos deste são dados em WO 2005/118474 A1.2/114 elements and decompose again after a purification step on heated surfaces or when passed through fluidized bed reactors. Examples of this are given in WO 2005/118474 A1.
Outro método conhecido para a produção de silício é a redução do dióxido de silício na presença de carbono conforme a seguinte equação de reação (Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Vol. A 23, pages 721-748, 5th edition, 1993 VCH Weinheim).Another known method for the production of silicon is the reduction of silicon dioxide in the presence of carbon according to the following reaction equation (Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Vol. A 23, pages 721-748, 5th edition, 1993 VCH Weinheim).
SiO2 + 2 C -> Si + 2 COSiO 2 + 2 C -> Si + 2 CO
Para esta reação ocorrer, temperaturas muito altas, preferencialmente acima 1700°C, são necessárias, que podem ser alcançadas, por exemplo, em fornos de arco. Apesar das altas temperaturas, esta reação inicia-se muito lentamente, e então também prossegue em uma taxa baixa. Devido aos tempos de reação longos associados, este método é tanto energia-intensiva como custo-intensivo.For this reaction to occur, very high temperatures, preferably above 1700 ° C, are necessary, which can be achieved, for example, in arc furnaces. Despite the high temperatures, this reaction starts very slowly, and then also proceeds at a low rate. Due to the associated long reaction times, this method is both energy-intensive and cost-intensive.
Se o silício é para ser usado em aplicações solares, o silício produzido particularmente deve cumprir altas exigências de pureza. Mesmo contaminação dos compostos iniciais em mg/kg (faixa de ppm), (pg/kg) faixa de ppb à ppt é incômoda neste campo de aplicação.If silicon is to be used in solar applications, the silicon produced in particular must meet high purity requirements. Even contamination of the initial compounds in mg / kg (ppm range), (pg / kg) ppb to ppt range is uncomfortable in this field of application.
Devido às suas propriedades eletrônicas, os elementos dos grupos III e V do sistema periódico são especialmente perturbadores, de forma que para estes elementos, os valores limite de contaminação no silício são particularmente baixos. Para fósforo e arsênico pentavalentes, por exemplo, a dopagem resultante do silício produzido como semicondutor tipo n é problemática. O boro trivalente também leva à dopagem indesejável do silício produzido, de forma que um semicondutor de tipo p seja obtido. Por exemplo, há um silício de grau solar (Sisg) com uma pureza de 99,999% (cinco noves) ou 99,9999% (seis noves). Silício adequado para a produção de semicondutores (silício de grau eletrônico, Sieg) requer pureza ainda mais alta. Por estas razões, mesmo silício metalúrgico da reação de óxido de silício com carbono deve satisfazer altas exigências de pureza, a fim de minimizar etapas de purificação dispendiosas subsequentes devido a compostos halogenados embarcados, tais como tricloreto de boro, nosDue to their electronic properties, the elements of groups III and V of the periodic system are especially disturbing, so that for these elements, the limit values of contamination in silicon are particularly low. For phosphorus and pentavalent arsenic, for example, doping resulting from silicon produced as a type n semiconductor is problematic. Trivalent boron also leads to undesirable doping of the produced silicon, so that a p-type semiconductor is obtained. For example, there is a solar grade silicon (Si sg ) with a purity of 99.999% (five nines) or 99.9999% (six nines). Silicon suitable for semiconductor production (electronic grade silicon, Si and g ) requires even higher purity. For these reasons, even metallurgical silicon from the reaction of silicon oxide with carbon must meet high purity requirements, in order to minimize subsequent expensive purification steps due to embedded halogenated compounds, such as boron trichloride, in
3/114 halossilanos para a produção de silício (Sisg ou Sieg). Contaminação com compostos contendo boro causa particulares dificuldades, porque boro tem um coeficiente de distribuição de 0,8 em silício fundido e em fase sólida e por isso dificilmente pode ser separado por mais tempo do silício pela fusão de zona (DE 2546957 A1).3/114 halosilanes for the production of silicon (Si sg or Si eg ). Contamination with compounds containing boron causes particular difficulties, because boron has a distribution coefficient of 0.8 in molten silicon and in solid phase and therefore can hardly be separated from silicon longer by zone melting (DE 2546957 A1).
Em geral, métodos para a produção de silício a partir de óxido de silício são conhecidos da técnica prévia. Dessa forma, DE 29 45141 C2 descreve a redução de vidros porosos de SiO2 em um arco. As partículas de carbono necessárias para a redução podem ser introduzidas no vidro poroso. O silício obtido pelo método revelado é adequado em um conteúdo de boro de menos de 1 ppm para a produção de componentes semicondutores. DE 33 10828 A1 adota a abordagem da decomposição de silanos halogenados em alumínio sólido. Isto certamente assegura um baixo conteúdo de boro, mas o conteúdo de alumínio do silício obtido é mais alto e o consumo de energia do processo é apreciável devido à necessidade de reciclagem eletrolítica do cloreto de alumínio que se forma.In general, methods for producing silicon from silicon oxide are known in the prior art. Thus, DE 29 45141 C2 describes the reduction of porous SiO 2 glasses in an arc. The carbon particles necessary for the reduction can be introduced into the porous glass. The silicon obtained by the disclosed method is suitable in a boron content of less than 1 ppm for the production of semiconductor components. DE 33 10828 A1 takes the approach of decomposing halogenated silanes into solid aluminum. This certainly ensures a low boron content, but the aluminum content of the obtained silicon is higher and the energy consumption of the process is appreciable due to the need for electrolytic recycling of the aluminum chloride that forms.
DE 30 13 319 revela um método para produção de silício de uma pureza especificada, iniciando do dióxido de silício e um agente de redução contendo carbono, tal como negro de fumo, determinando os conteúdos de fósforo e boro máximos. O agente de redução contendo carbono foi usado na forma de péletes com um aglutinante de alta pureza, tal como amido.DE 30 13 319 discloses a method for producing silicon of a specified purity, starting from silicon dioxide and a reducing agent containing carbon, such as carbon black, determining the maximum phosphorus and boron contents. The carbon containing reducing agent was used in the form of pellets with a high purity binder, such as starch.
WO 2007/106860 A1 descreve um método para a produção de silício, no qual silicato de sódio em fase aquosa é deixado sobre de trocadores iônicos para separação de boro, para obter silicato de sódio purificado sem boro em fase aquosa. A seguir, o dióxido de silício é precipitado da fase aquosa purificada. Este método tem a desvantagem que principalmente somente impurezas de boro e fósforo são eliminadas do silicato de sódio. Para obter o silício de grau solar de pureza suficiente, é em particular também necessário remover impurezas metálicas. Para isto, WO 2007/106860A1 propõe o uso de colunas de troca iônica adicionais no processo. Isto conduz, entretanto, a um processo muito dispendioso com o baixo rendimento espaço-tempo.WO 2007/106860 A1 describes a method for the production of silicon, in which aqueous sodium silicate is left over ion exchangers for boron separation, to obtain purified sodium silicate without aqueous boron. Next, the silicon dioxide is precipitated from the purified aqueous phase. This method has the disadvantage that mainly only boron and phosphorus impurities are eliminated from sodium silicate. In order to obtain sufficiently pure solar grade silicon, it is in particular also necessary to remove metallic impurities. For this purpose, WO 2007 / 106860A1 proposes the use of additional ion exchange columns in the process. This leads, however, to a very expensive process with low space-time performance.
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A fim de produzir o silício de uma classe adequada para produção de célula solar, geralmente é necessário usar o dióxido de silício com uma pureza de pelo menos 99,99% em peso. A concentração de impurezas, tais como boro e fósforo, não deve exceder 1 ppm. Reconhecidamente é possível usar recursos naturais, tais como quartzo de alta qualidade, como material inicial de dióxido de silício de alta pureza, mas devido à sua limitação natural estão somente disponíveis em quantidades limitadas para produção em massa industrial. Além disso, com base em aspectos econômicos, sua aquisição é demasiado dispendiosa. O que os métodos descritos acima têm em comum é que são muito dispendiosos e/ou energia-intensiva, de forma que haja uma alta exigência de métodos menos dispendiosos, mais eficientes para produção de silício de grau solar.In order to produce silicon of a grade suitable for solar cell production, it is generally necessary to use silicon dioxide with a purity of at least 99.99% by weight. The concentration of impurities, such as boron and phosphorus, should not exceed 1 ppm. Admittedly, it is possible to use natural resources, such as high quality quartz, as starting material for high purity silicon dioxide, but due to their natural limitation they are only available in limited quantities for industrial mass production. In addition, based on economic aspects, it is too expensive to purchase. What the methods described above have in common is that they are very expensive and / or energy-intensive, so there is a high demand for less expensive, more efficient methods for producing solar grade silicon.
Por isso, há uma exigência para a produção de dióxido de silício de alta pureza a partir de silicatos prontamente disponíveis, econômicos. Métodos são conhecidos no qual um fundente é adicionado a um material contendo silício, tal como areia de silica ou feldspato, e a mistura é fundida. Um vidro de silicato similar à fibra é puxado do fundido e é lixiviado com um ácido, com formação de dióxido de silício poroso pulverulento (SiO2) (DE 31 23 009). Para a produção de dióxido de silício de alta pureza por lixiviação, a massa de vidro é restrita àquela que pode ser lixiviada facilmente, e óxido de alumínio e os sais de metais alcalinoterrosos também devem ser adicionados como ingredientes de vidro ao dióxido de silício. Uma desvantagem séria é a necessidade da remoção subsequente dos metais com a exceção do dióxido de silício.Therefore, there is a requirement for the production of high purity silicon dioxide from readily available, economical silicates. Methods are known in which a flux is added to a silicon-containing material, such as silica sand or feldspar, and the mixture is melted. A fiber-like silicate glass is pulled from the melt and is leached with an acid, with the formation of powdery porous silicon dioxide (SiO 2 ) (DE 31 23 009). For the production of high-purity silicon dioxide by leaching, the glass mass is restricted to that which can be leached easily, and aluminum oxide and alkaline earth metal salts must also be added as glass ingredients to silicon dioxide. A serious disadvantage is the need for subsequent removal of metals with the exception of silicon dioxide.
Um método também é conhecido no qual uma sílica-gel é obtida pela reação de um silicato alcalino (que é geralmente conhecido como vidro solúvel ou silicato solúvel) com um ácido (conferir, por exemplo, J.G. Vail, Soluble Silicates (ACS Monograph Series), Reinhold, New York, 1952, Vol. 2, p. 549). Esta sílica-gel conduz como regra a urn SiO2 com uma pureza de aproximadamente 99,5% em peso, em qualquer caso, o conteúdo de impurezas, tais como boro, fósforo, ferro e/ou alumínio é demasiado alto para que este dióxido de silício seja usado para a produção de silício de grauA method is also known in which a silica gel is obtained by reacting an alkaline silicate (which is generally known as soluble glass or soluble silicate) with an acid (see, for example, JG Vail, Soluble Silicates (ACS Monograph Series) , Reinhold, New York, 1952, Vol. 2, p. 549). This silica gel leads as a rule to a SiO 2 with a purity of approximately 99.5% by weight, in any case, the content of impurities, such as boron, phosphorus, iron and / or aluminum is too high for this dioxide silicon is used for the production of grade silicon
5/114 solar. Como as soluções de silicato estão disponíveis em quantidades muito grandes como uma matéria-prima muito econômica, no passado não houve falta de tentativas de produzir SiO2 de alta pureza a partir de soluções de silicato. Dessa forma, US 4.973.462 descreve processos nos quais o vidro solúvel altamente viscoso foi convertido a baixo valor de pH da solução de reação com um agente de acidificação a SiO2. Este SiO2 então foi filtrado, lavado com água, ressuspenso em uma mistura de ácido, água e um agente quelante, filtrado e lavado várias vezes. Um método similar foi descrito em JP02-311310, mas neste caso um agente quelante já foi adicionado na reação de precipitação. Estes dois métodos têm a desvantagem que incluem um procedimento de processamento muito complicado. Além disso, foi encontrado que o precipitado obtido é às vezes difícil de filtrar. Finalmente, há custos adicionais para o agente quelante e sua separação do dióxido de silício.5/114 solar. As silicate solutions are available in very large quantities as a very economical raw material, in the past there has been no lack of attempts to produce high purity SiO 2 from silicate solutions. Accordingly, US 4,973,462 describes processes in which the highly viscous soluble glass was converted at low pH value of the reaction solution with an acidifying agent to SiO 2 . This SiO 2 was then filtered, washed with water, resuspended in a mixture of acid, water and a chelating agent, filtered and washed several times. A similar method was described in JP02-311310, but in this case a chelating agent has already been added to the precipitation reaction. These two methods have the disadvantage that they include a very complicated processing procedure. In addition, it has been found that the precipitate obtained is sometimes difficult to filter. Finally, there are additional costs for the chelating agent and its separation from silicon dioxide.
O objetivo da invenção foi fornecer um método completo para a produção de silício de grau solar, que é econômico em uma escala industrial, com um número reduzido de estágios de processo, e pode ser realizado vantajosamente usando silicates ou dióxidos de silício não pré-purificados ordinários, preferencialmente como materiais iniciais e produção de óxido de silício purificado. Outro objetivo foi desenvolver um reator e eletrodos, que por um lado permitem processamento econômico, e por outro lado suprimem a contaminação difusão-dependente com boro a partir de componentes vegetais em altas temperaturas.The aim of the invention was to provide a complete method for the production of solar grade silicon, which is economical on an industrial scale, with a reduced number of process stages, and can be carried out advantageously using non-pre-purified silicates or silicon dioxides ordinary materials, preferably as starting materials and production of purified silicon oxide. Another objective was to develop a reactor and electrodes, which on the one hand allow economical processing, and on the other hand suppress diffusion-dependent contamination with boron from plant components at high temperatures.
Um objetivo adicional dentro do contexto do método completo foi fornecer um novo método para a produção de dióxido de silício de alta pureza que tem pelo menos algumas desvantagens dos métodos da técnica prévia acima mencionados somente na forma reduzida, se em todo.An additional objective within the context of the complete method was to provide a new method for the production of high purity silicon dioxide which has at least some disadvantages of the methods of the prior art mentioned above only in reduced form, if at all.
Objetivos adicionais que não são mencionados especificamente ficarão claros a partir do contexto geral da descrição nos exemplos e nas reivindicações a seguir. Estes objetivos são alcançados pelo método descrito na descrição, os exemplos e as reivindicações, as etapas de método descritas neste e os produtos e intermediários descritos neste.Additional objectives that are not specifically mentioned will become clear from the general context of the description in the following examples and claims. These objectives are achieved by the method described in the description, the examples and claims, the method steps described in this and the products and intermediates described in this.
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Foi encontrado, surpreendentemente, que um método econômico de produção de silício puro, que é adequado como silício de grau solar ou é adequado para a produção de silício de grau solar, pode ser fornecido pela redução de um dióxido de silício purificado com uma ou mais fontes de carbono puro, o dióxido de silício purificado sendo obtido por precipitação em um agente de acidificação, em particular por reação de pelo menos uma solução aquosa de um óxido de silício dissolvido em fase aquosa com pelo menos um agente de acidificação em condições acídicas.It has surprisingly been found that an economical method of producing pure silicon, which is suitable as solar grade silicon or is suitable for the production of solar grade silicon, can be provided by reducing a purified silicon dioxide with one or more sources of pure carbon, the purified silicon dioxide being obtained by precipitation in an acidifying agent, in particular by reacting at least one aqueous solution of a silicon oxide dissolved in an aqueous phase with at least one acidifying agent under acidic conditions.
De acordo com a invenção, a precipitação realiza-se em um agente de acidificação ao qual o óxido de silício, dissolvido em fase aquosa, é adicionado, e forma a suspensão de precipitação resultante. A suspensão de precipitação é mantida acídica durante a adição e/ou precipitação do óxido de silício.According to the invention, precipitation takes place in an acidifying agent to which silicon oxide, dissolved in an aqueous phase, is added, and forms the resulting precipitation suspension. The precipitation suspension is kept acidic during the addition and / or precipitation of silicon oxide.
O objetivo é alcançado pelo método completo descrito em detalhes na descrição, os exemplos, as figuras e as reivindicações que seguem para a produção de silício puro e pelos componentes de método descritos neste.The objective is achieved by the complete method described in detail in the description, the examples, the figures and the claims that follow for the production of pure silicon and by the method components described herein.
A invenção, por isso, refere-se a um método para a produção de silício puro, mais particularmente do silício de grau solar ou de um silício adequado para a produção de silício de grau solar, compreendendo a redução do dióxido de silício, purificado por precipitação da solução aquosa, com uma ou mais fontes de carbono puro, em que a precipitação se realiza de uma solução aquosa de um dióxido de silício dissolvido em uma fase aquosa em um agente de acidificação, especialmente na faixa de pH acídica, e a suspensão de precipitação resultante é mantida permanentemente em um pH acídico.The invention therefore relates to a method for the production of pure silicon, more particularly solar grade silicon or a silicon suitable for the production of solar grade silicon, comprising the reduction of silicon dioxide, purified by precipitation of the aqueous solution, with one or more sources of pure carbon, in which precipitation takes place from an aqueous solution of silicon dioxide dissolved in an aqueous phase in an acidifying agent, especially in the acidic pH range, and the suspension The resulting precipitation rate is maintained permanently at an acidic pH.
Foi encontrado que os dióxidos de silício, mais particularmente o dióxido de silício purificado por precipitação acídica, podem ser usados não somente como uma matéria-prima da reação com a fonte de carbono para fornecer silício, mas que também podem ser usados na produção da fonte de carbono ou de aceleradores de reação ou de materiais de reator.It has been found that silicon dioxides, more particularly silicon dioxide purified by acidic precipitation, can be used not only as a raw material for the reaction with the carbon source to supply silicon, but that they can also be used in the production of the source carbon or reaction accelerators or reactor materials.
Além disso, foi encontrado que carboidratos são particularmenteIn addition, it has been found that carbohydrates are particularly
7/114 adequados como o segundo material inicial preferencial, por exemplo, fonte de carbono, no contexto da presente invenção. Estes carboidratos podem servir como a fonte de carbono ou como uma das fontes de carbono em etapas componentes diferentes do método, mas também podem ser usados para produção de ativadores ou materiais de reator. Carboidratos têm a particular vantagem que estão disponíveis globalmente, têm valores muito baixos quanto a impurezas de boro e fósforo, e, sendo uma matéria-prima renovável, constituem uma fonte de carbono ecologicamente viável.7/114 suitable as the second preferred starting material, for example, carbon source, in the context of the present invention. These carbohydrates can serve as the carbon source or as one of the carbon sources in different component stages of the method, but they can also be used to produce activators or reactor materials. Carbohydrates have the particular advantage that they are available globally, have very low values for boron and phosphorus impurities, and, being a renewable raw material, constitute an ecologically viable carbon source.
A presente invenção, por isso, também, refere-se a um método de acordo com a reivindicação 1, na qual o carbono de fonte de carbono é obtido pela pirólise de carboidratos em uma etapa componente do método, usando S1O2, especialmente um dióxido de silício purificado por precipitação acídica, como um agente antiespumante na pirólise.The present invention therefore also relates to a method according to claim 1, in which carbon from carbon source is obtained by pyrolysis of carbohydrates in a component step of the method, using S1O2, especially a carbon dioxide silicon purified by acidic precipitation, as a defoaming agent in pyrolysis.
A presente invenção refere-se ainda a um método de acordo com a reivindicação 1, na qual o carboneto de silício de alta pureza é preparado de dióxido de silício e carboidratos em uma etapa componente do método, e este carboneto de silício é preferencialmente usado para um ou mais dos seguintes fins:The present invention further relates to a method according to claim 1, in which the high purity silicon carbide is prepared from silicon dioxide and carbohydrates in a component step of the method, and this silicon carbide is preferably used for one or more of the following purposes:
a) para revestimento de componentes de reatora) for coating reactor components
b) para produção de eletrodos para o processo de alto-fornob) for the production of electrodes for the blast furnace process
c) como uma fonte de carbono para a reação com o dióxido de silício purificado por precipitação acídicac) as a carbon source for the reaction with silicon dioxide purified by acidic precipitation
d) como um acelerador de reação para a reação de outra fonte de carbono com 0 dióxido de silício purificado por precipitação acídica.d) as a reaction accelerator for the reaction of another carbon source with 0 silicon dioxide purified by acidic precipitation.
Finalmente, a presente invenção refere-se a um reator especialmente preferencial para desempenho do processo de acordo com a invenção.Finally, the present invention relates to an especially preferred reactor for performing the process according to the invention.
Em uma variante de método muito específica da presente invenção, somente dióxido de silício purificado por meios aquosos e açúcar é usado no método completo.In a very specific method variant of the present invention, only silicon dioxide purified by aqueous media and sugar is used in the complete method.
O método de acordo com a invenção é descrito em detalhes abaixo:The method according to the invention is described in detail below:
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DefiniçõesDefinitions
Precipitação ou processos de precipitação significa, no tocante à presente invenção, a reação de pelo menos uma solução aquosa de um óxido de silício dissolvido em fase aquosa com pelo menos um agente de acidificação nas condições definidas mais precisamente no resto da descrição, mesmo que a reação leve à formação, a partir das partículas primárias, de agregados e aglomerados - no tocante à definição usual de ácidos silícicos precipitados - ou de uma rede tridimensional - no tocante à definição usual de géis de silica. Em outras palavras, partículas de SiO2 de alta pureza de acordo com a invenção podem assumir uma estrutura similar a gel ou uma estrutura de um ácido silícico precipitado ou mesmo alguma outra estrutura.Precipitation or precipitation processes mean, with respect to the present invention, the reaction of at least one aqueous solution of a silicon oxide dissolved in an aqueous phase with at least one acidifying agent under the conditions more precisely defined in the rest of the description, even if the slight reaction to the formation, from primary particles, of aggregates and agglomerates - with respect to the usual definition of precipitated silicic acids - or of a three-dimensional network - with respect to the usual definition of silica gels. In other words, high purity SiO 2 particles according to the invention can assume a gel-like structure or a precipitated silicic acid structure or even some other structure.
Dióxido de silício purificado por precipitação de solução aquosa significa um dióxido de silício que é obtido por um método no qual o regime de reação na reação de um agente de acidificação e de um silicato e etapas de lavagem subsequente com agentes de acidificação e/ou soluções aquosas de agentes de acidificação e/ou água, preferencialmente água desmineralizada, alcançam um conteúdo total de alumínio, boro, cálcio, ferro, níquel, fósforo, titânio e zinco no dióxido de silício abaixo de 10 ppm em peso, e o total de impurezas de alumínio, boro, cálcio, ferro, níquel, fósforo, titânio e zinco no dióxido de silício abaixo do total das impurezas presentes nos edutos e na água. Em outras palavras, a precipitação é conduzida de tal modo que as impurezas supracitadas nos edutos e nos meios de lavagem permaneçam na medida do possível em fase aquosa e não sejam transferidas para o dióxido de silício. Em uma modalidade específica da presente invenção, dióxido de silício purificado por precipitação da solução aquosa significa que o agente de acidificação técnico comercialmente disponível é reagido com solução de silicato técnica comercialmente disponível, e a reação e as etapas de lavagem são conduzidas tais que, apesar dos edutos não pré-purificados, um dióxido de silício de alta pureza seja obtido.Silicon dioxide purified by aqueous solution precipitation means silicon dioxide which is obtained by a method in which the reaction regime in the reaction of an acidifying agent and a silicate and subsequent washing steps with acidifying agents and / or solutions aqueous acidifying agents and / or water, preferably demineralized water, reach a total content of aluminum, boron, calcium, iron, nickel, phosphorus, titanium and zinc in silicon dioxide below 10 ppm by weight, and the total impurities aluminum, boron, calcium, iron, nickel, phosphorus, titanium and zinc in silicon dioxide below the total impurities present in educts and water. In other words, precipitation is conducted in such a way that the aforementioned impurities in the educts and washing media remain as far as possible in the aqueous phase and are not transferred to silicon dioxide. In a specific embodiment of the present invention, silicon dioxide purified by precipitation from the aqueous solution means that the commercially available technical acidifying agent is reacted with commercially available technical silicate solution, and the reaction and washing steps are conducted such that, despite of the non-pre-purified educts, a high purity silicon dioxide is obtained.
Silício puro ou de alta pureza significa silício com um perfilPure or high purity silicon means silicon with a profile
9/114 de impurezaz como dado abaixo:9/114 of impurezaz as given below:
a. Alumínio menor ou igual a 5 ppm ou entre 5 ppm e 0,0001 ppt, em particular entre 3 ppm e 0,0001 ppt, preferencialmente entre 0,8 ppm e 0,0001 ppt, especialmente preferencialmente entre 0,6 ppm e 0,0001 ppt, ainda melhor entre 0,1 ppm e 0,0001 ppt, muito especialmente, de preferência entre entre 0,01 ppm e 0,0001 ppt e até mais preferencialmente 1 ppb a 0,0001 ppt,The. Aluminum less than or equal to 5 ppm or between 5 ppm and 0.0001 ppt, in particular between 3 ppm and 0.0001 ppt, preferably between 0.8 ppm and 0.0001 ppt, especially preferably between 0.6 ppm and 0, 0001 ppt, even better between 0.1 ppm and 0.0001 ppt, most especially, preferably between 0.01 ppm and 0.0001 ppt and even more preferably 1 ppb to 0.0001 ppt,
b. Boro abaixo de 10 ppm a 0,0001 ppt, em particular na faixa de 5 ppm a 0,0001 ppt, preferencialmente na faixa de 3 ppm a 0,0001 ppt ou especialmente preferencialmente na faixa de 10 ppb a 0,0001 ppt, até mais preferencialmente na faixa de 1 ppb a 0,0001 pptB. Boron below 10 ppm to 0.0001 ppt, in particular in the range of 5 ppm to 0.0001 ppt, preferably in the range of 3 ppm to 0.0001 ppt or especially preferably in the range of 10 ppb to 0.0001 ppt, up to more preferably in the range of 1 ppb to 0.0001 ppt
c. Cálcio menor ou igual a 2 ppm, preferencialmente entre 2 ppm e 0,0001 ppt, em particular entre 0,3 ppm e 0,0001 ppt, preferencialmente entre 0,01 ppm e 0,0001 ppt, especialmente preferencialmente entre 1 ppb e 0,0001 ppt,ç. Calcium less than or equal to 2 ppm, preferably between 2 ppm and 0.0001 ppt, in particular between 0.3 ppm and 0.0001 ppt, preferably between 0.01 ppm and 0.0001 ppt, especially preferably between 1 ppb and 0 , 0001 ppt,
d. Ferro menor ou igual a 20 ppm, preferencialmente entre 10 ppm e 0,0001 ppt, em particular entre 0,6 ppm e 0,0001 ppt, preferencialmente entre 0,05 ppm e 0,0001 ppt, especialmente preferencialmente entre 0,01 ppm e 0,0001 ppt, e muito especialmente, de preferência entre 1 ppb a 0,0001 ppt;d. Iron less than or equal to 20 ppm, preferably between 10 ppm and 0.0001 ppt, in particular between 0.6 ppm and 0.0001 ppt, preferably between 0.05 ppm and 0.0001 ppt, especially preferably between 0.01 ppm and 0.0001 ppt, and most especially, preferably between 1 ppb to 0.0001 ppt;
e. Níquel menor ou igual a 10 ppm, preferencialmente entre 5 ppm e 0,0001 ppt, em particular entre 0,5 ppm e 0,0001 ppt, preferencialmente entre 0,1 ppm e 0,0001 ppt, especialmente preferencialmente entre 0,01 ppm e 0,0001 ppt, e muito especialmente, de preferência entre entre 1 ppb e 0,0001 pptand. Nickel less than or equal to 10 ppm, preferably between 5 ppm and 0.0001 ppt, in particular between 0.5 ppm and 0.0001 ppt, preferably between 0.1 ppm and 0.0001 ppt, especially preferably between 0.01 ppm and 0.0001 ppt, and most especially between 1 ppb and 0.0001 ppt
f. Fósforo menos de 10 ppm a 0,0001 ppt, preferencialmente entre 5 ppm e 0,0001 ppt, em particular menos de 3 ppm a 0,0001 ppt, preferencialmente entre 10 ppb e 0,0001 ppt e muito especialmente, de preferência entre 1 ppb e 0,0001 pptf. Phosphorus less than 10 ppm at 0.0001 ppt, preferably between 5 ppm and 0.0001 ppt, in particular less than 3 ppm at 0.0001 ppt, preferably between 10 ppb and 0.0001 ppt and most especially, preferably between 1 ppb and 0.0001 ppt
g. Titânio menor ou igual a 2 ppm, preferencialmente menor ou igual a 1 ppm a 0,0001 ppt, em particular entre 0,6 ppm e 0,0001 ppt, preferencialmente entre 0,1 ppm e 0,0001 ppt, especialmente preferencialmente entre 0,01 ppm e 0,0001 ppt, e muito especialmente, de preferência entre entre 1 ppb e 0,0001 pptg. Titanium less than or equal to 2 ppm, preferably less than or equal to 1 ppm at 0.0001 ppt, in particular between 0.6 ppm and 0.0001 ppt, preferably between 0.1 ppm and 0.0001 ppt, especially preferably between 0 , 01 ppm and 0.0001 ppt, and most especially, preferably between 1 ppb and 0.0001 ppt
10/11411/104
h. Zinco menor ou igual a 3 ppm, preferencialmente menor ou igual a 1 ppm a 0,0001 ppt, em particular entre 0,3 ppm e 0,0001 ppt, preferencialmente entre 0,1 ppm e 0,0001 ppt, especialmente preferencialmente entre 0,01 ppm e 0,0001 ppt e muito especialmente, de preferência entre entre 1 ppb e 0,0001 ppt, e uma pureza na região do limite de detecção pode ser apontada para cada elemento, e a contaminação total com os elementos acima mencionados deve ser menos de 100 ppm em peso, preferencialmente menos de 10 ppm em peso, especialmente preferencialmente menos de 5 ppm em peso total no silício como produto do método direto a partir da fusão.H. Zinc less than or equal to 3 ppm, preferably less than or equal to 1 ppm at 0.0001 ppt, in particular between 0.3 ppm and 0.0001 ppt, preferably between 0.1 ppm and 0.0001 ppt, especially preferably between 0 , 01 ppm and 0.0001 ppt and most especially, preferably between 1 ppb and 0.0001 ppt, and a purity in the region of the detection limit can be pointed out for each element, and the total contamination with the elements mentioned above must be less than 100 ppm by weight, preferably less than 10 ppm by weight, especially preferably less than 5 ppm by weight on silicon as a product of the direct method from melting.
Especialmente preferencialmente, o silício puro obtido é adequado como silício de grau solar.Especially preferably, the pure silicon obtained is suitable as solar grade silicon.
Um óxido de silício purificado, puro ou de alta pureza, em particular dióxido de silício, é caracterizado naquele seu conteúdo de:A purified, pure or high-purity silicon oxide, in particular silicon dioxide, is characterized in that content of:
a. Alumínio é preferencialmente menor ou igual a 5 ppm ou entre 5 ppm e 0,0001 ppt, em particular entre 3 ppm e 0,0001 ppt, preferencialmente entre 0,8 ppm e 0,0001 ppt, especialmente preferencialmente entre 0,6 ppm e 0,0001 ppt, ainda melhor entre 0,1 ppm e 0,0001 ppt, muito especialmente, de preferência entre entre 0,01 ppm e 0,0001 ppt e até mais preferencialmente 1 ppb a 0,0001 ppt,The. Aluminum is preferably less than or equal to 5 ppm or between 5 ppm and 0.0001 ppt, in particular between 3 ppm and 0.0001 ppt, preferably between 0.8 ppm and 0.0001 ppt, especially preferably between 0.6 ppm and 0.0001 ppt, even better between 0.1 ppm and 0.0001 ppt, most especially, preferably between 0.01 ppm and 0.0001 ppt and even more preferably 1 ppb at 0.0001 ppt,
b. Boro está abaixo de 10 ppm a 0,0001 ppt, em particular na faixa de 5 ppm a 0,0001 ppt, preferencialmente na faixa de 3 ppm a 0,0001 ppt ou especialmente preferencialmente na faixa de 10 ppb a 0,0001 ppt, até mais preferencialmente na faixa de 1 ppb a 0,0001 pptB. Boron is below 10 ppm to 0.0001 ppt, in particular in the range of 5 ppm to 0.0001 ppt, preferably in the range of 3 ppm to 0.0001 ppt or especially preferably in the range of 10 ppb to 0.0001 ppt, even more preferably in the range of 1 ppb to 0.0001 ppt
c. Cálcio é menor ou igual a 2 ppm, preferencialmente entre 2 ppm e 0,0001 ppt, em particular entre 0,3 ppm e 0,0001 ppt, preferencialmente entre 0,01 ppm e 0,0001 ppt, especialmente preferencialmente entre 1 ppb e 0,0001 ppt,ç. Calcium is less than or equal to 2 ppm, preferably between 2 ppm and 0.0001 ppt, in particular between 0.3 ppm and 0.0001 ppt, preferably between 0.01 ppm and 0.0001 ppt, especially preferably between 1 ppb and 0.0001 ppt,
d. Ferro é menor ou igual a 20 ppm, preferencialmente entre 10 ppm e 0,0001 ppt, em particular entre 0,6 ppm e 0,0001 ppt, preferencialmente entre 0,05 ppm e 0,0001 ppt, especialmente preferencialmente entre 0,01 ppm e 0,0001 ppt, e muito especialmente, de preferência entre 1 ppb ad. Iron is less than or equal to 20 ppm, preferably between 10 ppm and 0.0001 ppt, in particular between 0.6 ppm and 0.0001 ppt, preferably between 0.05 ppm and 0.0001 ppt, especially preferably between 0.01 ppm and 0.0001 ppt, and most especially, preferably between 1 ppb to
11/11411/114
0,0001 ppt;0.0001 ppt;
e. Níquel é menor ou igual a 10 ppm, preferencialmente entre 5 ppm e 0,0001 ppt, em particular entre 0,5 ppm e 0,0001 ppt, preferencialmente entre 0,1 ppm e 0,0001 ppt, especialmente preferencialmente entre 0,01 ppm e 0,0001 ppt, e muito especialmente, de preferência entre entre 1 ppb e 0,0001 pptand. Nickel is less than or equal to 10 ppm, preferably between 5 ppm and 0.0001 ppt, in particular between 0.5 ppm and 0.0001 ppt, preferably between 0.1 ppm and 0.0001 ppt, especially preferably between 0.01 ppm and 0.0001 ppt, and most especially between 1 ppb and 0.0001 ppt
f. Fósforo é menos de 10 ppm a 0,0001 ppt, preferencialmente entre 5 ppm e 0,0001 ppt, em particular menos de 3 ppm a 0,0001 ppt, preferencialmente entre 10 ppb e 0,0001 ppt e muito especialmente, de preferência entre entref. Phosphorus is less than 10 ppm to 0.0001 ppt, preferably between 5 ppm and 0.0001 ppt, in particular less than 3 ppm to 0.0001 ppt, preferably between 10 ppb and 0.0001 ppt and most especially, preferably between in between
1 ppb e 0,0001 ppt1 ppb and 0.0001 ppt
g. Titânio é menor ou igual a 2 ppm, preferencialmente menor ou igual a 1 ppm a 0,0001 ppt, em particular entre 0,6 ppm e 0,0001 ppt, preferencialmente entre 0,1 ppm e 0,0001 ppt, especialmente preferencialmente entre 0,01 ppm e 0,0001 ppt, e muito especialmente, de preferência entre entre 1 ppb e 0,0001 pptg. Titanium is less than or equal to 2 ppm, preferably less than or equal to 1 ppm at 0.0001 ppt, in particular between 0.6 ppm and 0.0001 ppt, preferably between 0.1 ppm and 0.0001 ppt, especially preferably between 0.01 ppm and 0.0001 ppt, and most especially, preferably between 1 ppb and 0.0001 ppt
h. Zinco é menor ou igual a 3 ppm, preferencialmente menor ou igual a 1 ppm a 0,0001 ppt, em particular entre 0,3 ppm e 0,0001 ppt, preferencialmente entre 0,1 ppm e 0,0001 ppt, especialmente preferencialmente entre 0,01 ppm e 0,0001 ppt e muito especialmente, de preferência entre entre 1 ppb e 0,0001 ppt, e que o total das impurezas acima mencionadas mais sódio e potássio é menor que 10, preferencialmente menos de 5 ppm, especialmente preferencialmente menos de 4 ppm, muito especialmente preferencialmente menos de 3 ppm, especialmente preferencialmente 0,5 a 3 ppm e muito 25 especialmente, de preferência de 1 ppm a 3 ppm. E uma pureza na região do limite de detecção pode ser apontada para cada elemento.H. Zinc is less than or equal to 3 ppm, preferably less than or equal to 1 ppm at 0.0001 ppt, in particular between 0.3 ppm and 0.0001 ppt, preferably between 0.1 ppm and 0.0001 ppt, especially preferably between 0.01 ppm and 0.0001 ppt and most especially, preferably between 1 ppb and 0.0001 ppt, and that the total of the aforementioned impurities plus sodium and potassium is less than 10, preferably less than 5 ppm, especially preferably less than 4 ppm, very especially preferably less than 3 ppm, especially preferably 0.5 to 3 ppm and very especially, preferably 1 ppm to 3 ppm. And a purity in the region of the detection limit can be pointed out for each element.
Carboneto de silício puro ou de alta pureza significa um carboneto de silício que pode ter, com exceção de carboneto de silício, opcionalmente também carbono e óxido de silício, tal como SiyOz com y = 30 1,0 a 20 e z = 0,1 a 2,0, em particular como matriz C e/ou matriz SiO2 ou matriz SiyOz com y = 1,0 a 20 e z = 0,1 a 2,0, e opcionalmente pequenas quantidades de silício. Carboneto de silício de alta pureza preferencialmentePure or high-purity silicon carbide means a silicon carbide which may, with the exception of silicon carbide, optionally also have carbon and silicon oxide, such as Si y O z with y = 30 1.0 to 20 and z = 0 , 1 to 2.0, in particular as matrix C and / or matrix SiO 2 or matrix Si y O z with y = 1.0 to 20 and z = 0.1 to 2.0, and optionally small amounts of silicon. High purity silicon carbide preferably
12/114 significa um carboneto de silício correspondente com uma camada de passivação compreendendo dióxido de silício. Carboneto de silício de alta pureza também pode significar uma composição de alta pureza que contém ou consiste de carboneto de silício, carbono, óxido de silício e opcionalmente pequenas quantidades de silício, e o carboneto de silício de alta pureza ou a composição de alta pureza têm em particular um perfil de impureza para boro e fósforo abaixo de 100 ppm de boro, em particular entre 10 ppm e 0,001 ppt, e para o fósforo, abaixo de 200 ppm, em particular entre 20 ppm e 0,001 ppt de fósforo, em particular tem um perfil de impureza total para boro, fósforo, arsênico, alumínio, ferro, sódio, potássio, níquel, cromo abaixo de 100 ppm em peso, preferencialmente abaixo de 10 ppm em peso, especialmente preferencialmente abaixo de 5 ppm em peso em relação à composição completa de alta pureza ou o carboneto de silício de alta pureza.12/114 means a corresponding silicon carbide with a passivation layer comprising silicon dioxide. High purity silicon carbide can also mean a high purity composition that contains or consists of silicon carbide, carbon, silicon oxide and optionally small amounts of silicon, and the high purity silicon carbide or the high purity composition has in particular an impurity profile for boron and phosphorus below 100 ppm of boron, in particular between 10 ppm and 0.001 ppt, and for phosphorus, below 200 ppm, in particular between 20 ppm and 0.001 ppt of phosphorus, in particular has a total impurity profile for boron, phosphorus, arsenic, aluminum, iron, sodium, potassium, nickel, chromium below 100 ppm by weight, preferably below 10 ppm by weight, especially preferably below 5 ppm by weight in relation to the composition high-purity complete or high-purity silicon carbide.
O perfil de impureza do carboneto de silício puro, preferencialmente de alta pureza com boro, fósforo, arsênico, alumínio, ferro, sódio, potássio, níquel, cromo é, para cada elemento, preferencialmente abaixo de 5 ppm a 0,01 ppt (em peso), e para o carboneto de silício de alta pureza em particular abaixo de 2,5 ppm a 0,1 ppt. Especialmente preferencialmente, o carboneto de silício obtido pelo método de acordo com a invenção opcionalmente com carbono e/ou matrizes SiyOz tem o seguinte conteúdo de:The impurity profile of pure silicon carbide, preferably of high purity with boron, phosphorus, arsenic, aluminum, iron, sodium, potassium, nickel, chromium is, for each element, preferably below 5 ppm at 0.01 ppt (in weight), and for high purity silicon carbide in particular below 2.5 ppm to 0.1 ppt. Especially preferably, the silicon carbide obtained by the method according to the invention optionally with carbon and / or Si y O z matrices has the following content:
Boro abaixo de 100 ppm, preferencialmente entre 10 ppm e 0,001 ppt, especialmente preferencialmente de 5 ppm a 0,001 ppt ou de abaixo de 0,5 ppm a 0,001 ppt e/ouBoron below 100 ppm, preferably between 10 ppm and 0.001 ppt, especially preferably from 5 ppm to 0.001 ppt or below 0.5 ppm to 0.001 ppt and / or
Fósforo abaixo de 200 ppm, preferencialmente entre 20 ppm e 0,001 ppt, especialmente preferencialmente de 5 ppm a 0,001 ppt ou de abaixo de 0,5 ppm a 0,001 ppt e/ouPhosphorus below 200 ppm, preferably between 20 ppm and 0.001 ppt, especially preferably from 5 ppm to 0.001 ppt or below 0.5 ppm to 0.001 ppt and / or
Sódio abaixo de 100 ppm, preferencialmente entre 10 ppm e 0,001 ppt, especialmente preferencialmente de 5 ppm a 0,001 ppt ou de abaixo de 1 ppm a 0,001 ppt e/ouSodium below 100 ppm, preferably between 10 ppm and 0.001 ppt, especially preferably from 5 ppm to 0.001 ppt or below 1 ppm to 0.001 ppt and / or
Alumínio abaixo de 100 ppm, preferencialmente entre 10 ppm eAluminum below 100 ppm, preferably between 10 ppm and
13/11411/134
0,001 ppt, especialmente preferencialmente de 5 ppm a 0,001 ppt ou de abaixo de 1 ppm a 0,001 ppt e/ou0.001 ppt, especially preferably from 5 ppm to 0.001 ppt or below 1 ppm to 0.001 ppt and / or
Ferro abaixo de 100 ppm, preferencialmente entre 10 ppm e 0,001 ppt, especialmente preferencialmente de 5 ppm a 0,001 ppt ou de abaixo de 0,5 ppm a 0,001 ppt e/ouIron below 100 ppm, preferably between 10 ppm and 0.001 ppt, especially preferably from 5 ppm to 0.001 ppt or below 0.5 ppm to 0.001 ppt and / or
Cromo abaixo de 100 ppm, preferencialmente entre 10 ppm e 0,001 ppt, especialmente preferencialmente de 5 ppm a 0,001 ppt ou de abaixo de 0,5 ppm a 0,001 ppt e/ouChromium below 100 ppm, preferably between 10 ppm and 0.001 ppt, especially preferably from 5 ppm to 0.001 ppt or below 0.5 ppm to 0.001 ppt and / or
Níquel abaixo de 100 ppm, preferencialmente entre 10 ppm e 0,001 ppt, especialmente preferencialmente de 5 ppm a 0,001 ppt ou de abaixo de 0,5 ppm a 0,001 ppt e/ouNickel below 100 ppm, preferably between 10 ppm and 0.001 ppt, especially preferably from 5 ppm to 0.001 ppt or below 0.5 ppm to 0.001 ppt and / or
Potássio abaixo de 100 ppm, preferencialmente entre 10 ppm e 0,001 ppt, especialmente preferencialmente de 5 ppm a 0,001 ppt ou de abaixo de 0,5 ppm a 0,001 ppt e/ouPotassium below 100 ppm, preferably between 10 ppm and 0.001 ppt, especially preferably from 5 ppm to 0.001 ppt or below 0.5 ppm to 0.001 ppt and / or
Enxofre abaixo de 100 ppm, preferencialmente entre 10 ppm e 0,001 ppt, especialmente preferencialmente de 5 ppm a 0,001 ppt ou de abaixo de 2 ppm a 0,001 ppt e/ouSulfur below 100 ppm, preferably between 10 ppm and 0.001 ppt, especially preferably from 5 ppm to 0.001 ppt or below 2 ppm to 0.001 ppt and / or
Bário abaixo de 100 ppm, preferencialmente entre 10 ppm e 0,001 ppt, especialmente preferencialmente de 5 ppm a 0,001 ppt ou de abaixo de 3 ppm a 0,001 ppt e/ouBarium below 100 ppm, preferably between 10 ppm and 0.001 ppt, especially preferably from 5 ppm to 0.001 ppt or below 3 ppm to 0.001 ppt and / or
Zinco abaixo de 100 ppm, preferencialmente entre 10 ppm e 0,001 ppt, especialmente preferencialmente de 5 ppm a 0,001 ppt ou de abaixo de 0,5 ppm a 0,001 ppt e/ouZinc below 100 ppm, preferably between 10 ppm and 0.001 ppt, especially preferably from 5 ppm to 0.001 ppt or below 0.5 ppm to 0.001 ppt and / or
Zircônio abaixo de 100 ppm, preferencialmente entre 10 ppm e 0,001 ppt, especialmente preferencialmente de 5 ppm a 0,001 ppt ou de abaixo de 0,5 ppm a 0,001 ppt e/ouZirconium below 100 ppm, preferably between 10 ppm and 0.001 ppt, especially preferably from 5 ppm to 0.001 ppt or below 0.5 ppm to 0.001 ppt and / or
Titânio abaixo de 100 ppm, preferencialmente entre 10 ppm e 0,001 ppt, especialmente preferencialmente de 5 ppm a 0,001 ppt ou de abaixo de 0,5 ppm a 0,001 ppt e/ouTitanium below 100 ppm, preferably between 10 ppm and 0.001 ppt, especially preferably from 5 ppm to 0.001 ppt or below 0.5 ppm to 0.001 ppt and / or
Cálcio abaixo de 100 ppm, preferencialmente entre 10 ppm eCalcium below 100 ppm, preferably between 10 ppm and
0,001 ppt, especialmente preferencialmente de 5 ppm a 0,001 ppt ou de abaixo de 0,5 ppm a 0,001 ppt e0.001 ppt, especially preferably from 5 ppm to 0.001 ppt or below 0.5 ppm to 0.001 ppt and
14/114 em particular magnésio abaixo de 100 ppm, preferencialmente entre 10 ppm e 0,001 ppt, especialmente preferencialmente entre 11 ppm e 0,001 ppt e/ou cobre abaixo de 100 ppm, preferencialmente entre 10 ppm e 0,001 ppt, especialmente preferencialmente entre 2 ppm e 0,001 ppt, e/ou cobalto abaixo de 100 ppm, em particular entre 10 ppm e 0,001 ppt, especialmente preferencialmente entre 2 ppm e 0,001 ppt, e/ou vanádio abaixo de 100 ppm, em particular entre 10 ppm e 0,001 ppt, preferencialmente entre 2 ppm e 0,001 ppt, e/ou manganês abaixo de 100 ppm, em particular entre 10 ppm e 0,001 ppt, preferencialmente entre 2 ppm e 0,001 ppt, e/ou chumbo abaixo de 100 ppm, em particular entre 20 ppm e 0,001 ppt, preferencialmente entre 10 ppm e 0,001 ppt, especialmente preferencialmente entre 5 ppm e 0,001 ppt.14/114 in particular magnesium below 100 ppm, preferably between 10 ppm and 0.001 ppt, especially preferably between 11 ppm and 0.001 ppt and / or copper below 100 ppm, preferably between 10 ppm and 0.001 ppt, especially preferably between 2 ppm and 0.001 ppt, and / or cobalt below 100 ppm, in particular between 10 ppm and 0.001 ppt, especially preferably between 2 ppm and 0.001 ppt, and / or vanadium below 100 ppm, in particular between 10 ppm and 0.001 ppt, preferably between 2 ppm and 0.001 ppt, and / or manganese below 100 ppm, in particular between 10 ppm and 0.001 ppt, preferably between 2 ppm and 0.001 ppt, and / or lead below 100 ppm, in particular between 20 ppm and 0.001 ppt, preferably between 10 ppm and 0.001 ppt, especially preferably between 5 ppm and 0.001 ppt.
Um especialmente preferencial carboneto de silício puro a de alta pureza ou uma composição de alta pureza contém ou consiste de carboneto de silício, carbono, óxido de silício e opcionalmente pequenas quantidades de silício, e o carboneto de silício de alta pureza ou a composição de alta pureza em particular têm um perfil de impureza de boro, fósforo, arsênico, alumínio, ferro, sódio, potássio, níquel, cromo, enxofre, bário, zircônio, zinco, titânio, cálcio, magnésio, cobre, cromo, cobalto, zinco, vanádio, manganês e/ou chumbo abaixo de 100 ppm do carboneto de silício puro, preferencialmente de abaixo de 20 ppm a 0,001 ppt para carboneto de silício de alta pureza, especialmente preferencialmente entre 10 ppm e 0,001 ppt em relação à composição completa de alta pureza ou o carboneto de silício de alta pureza.An especially preferred pure to high purity silicon carbide or a high purity composition contains or consists of silicon carbide, carbon, silicon oxide and optionally small amounts of silicon, and the high purity silicon carbide or the high composition Purity in particular have an impurity profile of boron, phosphorus, arsenic, aluminum, iron, sodium, potassium, nickel, chromium, sulfur, barium, zirconium, zinc, titanium, calcium, magnesium, copper, chromium, cobalt, zinc, vanadium , manganese and / or lead below 100 ppm of pure silicon carbide, preferably below 20 ppm to 0.001 ppt for high purity silicon carbide, especially preferably between 10 ppm and 0.001 ppt for the complete high purity composition or high purity silicon carbide.
De acordo com a invenção, a fonte de carbono puro, opcionalmente contendo pelo menos um carboidrato, ou mistura de fontes de carbono tem o seguinte perfil de impureza: boro menos de 2 [pg/g], fósforo menos de 0,5 [pg/g] e alumínio menos de 2 [pg/g], preferencialmente menor ou igual a 1 [pg/g], em particular ferro menos de 60 [pg/g], preferencialmente o conteúdo de ferro é menos de 10 [pg/g], especialmente preferencialmente menos de 5 [pg/g]. Em conjunto, de acordo com a invenção é desejável usar uma fonte de carbono puro no qual o conteúdo deAccording to the invention, the source of pure carbon, optionally containing at least one carbohydrate, or mixture of carbon sources has the following impurity profile: boron less than 2 [pg / g], phosphorus less than 0.5 [pg / g] and aluminum less than 2 [pg / g], preferably less than or equal to 1 [pg / g], in particular iron less than 60 [pg / g], preferably the iron content is less than 10 [pg / g] g], especially preferably less than 5 [pg / g]. Together, according to the invention it is desirable to use a pure carbon source in which the content of
15/114 impurezas, tal como boro, fósforo, alumínio e/ou arsênico, está abaixo do limite respectivo tecnicamente possível de detecção. Preferencialmente, a fonte pura ou outra de carbono que opcionalmente compreende pelo menos um carboidrato, ou mistura de fontes de carbono, tem o seguinte perfil de impureza para boro, fósforo e alumínio e opcionalmente para ferro, sódio, potássio, níquel e/ou cromo. Contaminação com boro (B) está em particular entre 5 e 0,000001 pg/g, preferencialmente de 3 a 0,00001 pg/g, especialmente preferencialmente 2 a 0,00001 pg/g, de acordo com a invenção abaixo de 2 a 0,00001 pg/g. Contaminação com fósforo (P) está em particular entre 5 e 0,000001 pg/g, preferencialmente de 3 a 0,00001 pg/g, especialmente preferencialmente abaixo de 1 a 0,00001 pg/g, de acordo com a invenção abaixo de 0,5 a 0,00001 pg/g. Contaminação com ferro (Fe) está entre 100 e 0,000001 pg/g, em particular entre 55 e 0,00001 pg/g, preferencialmente de 2 a 0,00001 pg/g, especialmente preferencialmente abaixo de 1 a 0,00001 pg/g, de acordo com a invenção abaixo de 0,5 a 0,00001 pg/g. Contaminação com sódio (Na) está em particular entre 20 e 0,000001 pg/g, preferencialmente de 15 a 0,00001 pg/g, especialmente preferencialmente abaixo de 12 a 0,00001 pg/g, de acordo com a invenção abaixo de 10 a 0,00001 pg/g. Contaminação com potássio (K) está em particular entre 30 e 0,000001 pg/g, preferencialmente de 25 a 0,00001 pg/g, especialmente preferencialmente abaixo de 20 a 0,00001 pg/g, de acordo com a invenção abaixo de 16 a 0,00001 pg/g. Contaminação com alumínio (Al) está em particular entre 4 e 0,000001 pg/g, preferencialmente de 3 a 0,00001 pg/g, especialmente preferencialmente abaixo de 2 a 0,00001 pg/g, de acordo com a invenção abaixo de 1,5 a 0,00001 pg/g. Contaminação com níquel (Ni) está em particular entre 4 e 0,000001 pg/g, preferencialmente de 3 a 0,00001 pg/g, especialmente preferencialmente abaixo de 2 a 0,00001 pg/g, de acordo com a invenção abaixo de 1,5 a 0,00001 pg/g. Contaminação com cromo (Cr) está em particular entre 4 e 0,000001 pg/g, preferencialmente de 3 a 0,00001 pg/g, especialmente preferencialmente abaixo de 2 a 0,00001 pg/g, de acordo com a invenção abaixo de 1 a 0,00001 pg/g. Contaminação mínima com os15/114 impurities, such as boron, phosphorus, aluminum and / or arsenic, are below the respective technically possible limit of detection. Preferably, the pure or other carbon source that optionally comprises at least one carbohydrate, or mixture of carbon sources, has the following impurity profile for boron, phosphorus and aluminum and optionally for iron, sodium, potassium, nickel and / or chromium . Boron (B) contamination is in particular between 5 and 0.000001 pg / g, preferably 3 to 0.00001 pg / g, especially preferably 2 to 0.00001 pg / g, according to the invention below 2 to 0.00001 pg / g. Contamination with phosphorus (P) is in particular between 5 and 0.000001 pg / g, preferably from 3 to 0.00001 pg / g, especially preferably below 1 to 0.00001 pg / g, according to the invention below 0.5 to 0.00001 pg / g. Contamination with iron (Fe) is between 100 and 0.000001 pg / g, in particular between 55 and 0.00001 pg / g, preferably from 2 to 0.00001 pg / g, especially preferably below 1 to 0.00001 pg / g, according to the invention below 0.5 to 0.00001 pg / g. Contamination with sodium (Na) is in particular between 20 and 0.000001 pg / g, preferably from 15 to 0.00001 pg / g, especially preferably below 12 to 0.00001 pg / g, according to the invention below 10 to 0.00001 pg / g. Contamination with potassium (K) is in particular between 30 and 0.000001 pg / g, preferably from 25 to 0.00001 pg / g, especially preferably below 20 to 0.00001 pg / g, according to the invention below 16 to 0.00001 pg / g. Contamination with aluminum (Al) is in particular between 4 and 0.000001 pg / g, preferably from 3 to 0.00001 pg / g, especially preferably below 2 to 0.00001 pg / g, according to the invention below 1.5 to 0.00001 pg / g. Nickel (Ni) contamination is in particular between 4 and 0.000001 pg / g, preferably from 3 to 0.00001 pg / g, especially preferably below 2 to 0.00001 pg / g, according to the invention below 1.5 to 0.00001 pg / g. Contamination with chromium (Cr) is in particular between 4 and 0.000001 pg / g, preferably from 3 to 0.00001 pg / g, especially preferably below 2 to 0.00001 pg / g, according to the invention below 1 to 0.00001 pg / g. Minimal contamination with
16/114 respectivos elementos, especialmente preferencialmente abaixo de 10 ppb ou abaixo de 1 ppb, é preferencial.16/114 respective elements, especially preferably below 10 ppb or below 1 ppb, is preferred.
Descrição geral do método completoGeneral description of the complete method
O método completo compreende a redução de um dióxido de silício purificado por precipitação acídica com uma fonte de carbono para produção de silício de grau solar. Fontes de carbono adequadas e condições do método são conhecidas pelo versado na técnica, por exemplo, da técnica prévia supracitada, especialmente US 2007/0217988 ou US 4.247.528. O conteúdo destas especificações publicadas é por meio deste incorporado explicitamente na matéria objeto do presente pedido de patente.The complete method comprises the reduction of a silicon dioxide purified by acidic precipitation with a carbon source for the production of solar grade silicon. Suitable carbon sources and method conditions are known to the person skilled in the art, for example, from the aforementioned prior art, especially US 2007/0217988 or US 4,247,528. The content of these published specifications is hereby explicitly incorporated into the subject matter of this patent application.
De acordo com a invenção, no método global de acordo com a invenção para produção de silício puro, o óxido de silício purificado por precipitação é formulado e reagido em conjunto com pelo menos uma fonte de carbono puro.According to the invention, in the overall method according to the invention for producing pure silicon, precipitation-purified silicon oxide is formulated and reacted together with at least one pure carbon source.
Por exemplo, óxido de silício úmido ou ainda úmido pode ser formulado, extrudado, peletizado, granulado ou briquetado em conjunto com um carboidrato puro. Esta formulação pode ser seca e pode sofrer uma etapa de redução para a produção de silício puro ou pode sofrer primeiro uma etapa de processo fora de linha, pirólise e/ou calcinação para a produção de carbono puro e/ou carboneto de silício.For example, wet or still wet silicon oxide can be formulated, extruded, pelleted, granulated or briquetted together with a pure carbohydrate. This formulation can be dried and can undergo a reduction step for the production of pure silicon or can undergo an offline process step, pyrolysis and / or calcination for the production of pure carbon and / or silicon carbide.
Carboneto de silício, em particular carboneto de silício de alta pureza opcionalmente compreendendo ou contendo uma matriz de carbono (matriz C) ou uma matriz de óxido de silício e/ou opcionalmente infiltrada com silício pode ser usado no método de acordo com a invenção como ativador e/ou como fonte de carbono puro.Silicon carbide, in particular high purity silicon carbide optionally comprising or containing a carbon matrix (matrix C) or a silicon oxide matrix and / or optionally infiltrated with silicon can be used in the method according to the invention as an activator and / or as a source of pure carbon.
De acordo com uma modalidade, a etapa de redução para a produção de silício puro consiste em reação do óxido de silício purificado, em particular do dióxido de silício, com um carboneto de silício puro ou de alta pureza, como definido anteriormente ou a seguir.According to one embodiment, the reduction step for the production of pure silicon consists of reacting the purified silicon oxide, in particular silicon dioxide, with a pure or high-purity silicon carbide, as defined above or below.
Em modalidades específicas, um carboneto de silício e/ou silício, onde o carboneto de silício pode compreender uma matriz C e/ou uma matriz de óxido de silício e pode ser infiltrado com silício, são adicionados àIn specific embodiments, a silicon carbide and / or silicon, where the silicon carbide can comprise a C matrix and / or a silicon oxide matrix and can be infiltrated with silicon, are added to the
17/114 formulação, e a formulação alternativamente17/114 formulation, and the formulation alternatively
a) compreende o óxido de silício purificado e pelo menos uma fonte de carbono puro e opcionalmente carboneto de silício e opcionalmente silício e/oua) comprises purified silicon oxide and at least one source of pure carbon and optionally silicon carbide and optionally silicon and / or
b) compreende o óxido de silício purificado e opcionalmente carboneto de silício e opcionalmente silício e/oub) comprises purified silicon oxide and optionally silicon carbide and optionally silicon and / or
c) compreende pelo menos uma fonte de carbono puro e opcionalmente carboneto de silício e opcionalmente silício, onde a respectiva formulação pode conter opcionalmente aglutinantes e onde a fonte de carbono puro também pode compreender um carbono ativado.c) comprises at least one source of pure carbon and optionally silicon carbide and optionally silicon, where the respective formulation may optionally contain binders and where the source of pure carbon may also comprise an activated carbon.
Óxido de silício purificado, em particular dióxido de silício purificado, tal como ácido silícico, carbono puro, em particular carbono ativado e/ou carboneto de silício pode ser adicionado ao processo a) como pó, grânulos e/ou como grumos e/ou b) contido em uma formulação, por exemplo, em um vidro poroso, em particular vidro de quartzo, em um extrudado e/ou molde, tais como pélete ou briquete, opcionalmente em conjunto com outros aditivos, em particular como aglutinante e/ou como segunda e adicional fonte de carbono. Carbono ativado significa uma fonte de carbono com frações de grafite ou um grafite. A fração de grafite na fonte de carbono está preferencialmente entre 30 e 99% em peso em relação à fonte de carbono, preferencialmente a fração de grafite é 40 a 99% em peso, especialmente preferencialmente 50 a 99% em peso.Purified silicon oxide, in particular purified silicon dioxide, such as silicic acid, pure carbon, in particular activated carbon and / or silicon carbide can be added to the process a) as powder, granules and / or as lumps and / or b ) contained in a formulation, for example, in a porous glass, in particular quartz glass, in an extrudate and / or mold, such as pellet or briquette, optionally together with other additives, in particular as a binder and / or as a second and additional carbon source. Activated carbon means a carbon source with fractions of graphite or graphite. The graphite fraction in the carbon source is preferably between 30 and 99% by weight with respect to the carbon source, preferably the graphite fraction is 40 to 99% by weight, especially preferably 50 to 99% by weight.
Métodos adequados para formação da formulação, em particular briquetagem, tal como extrusão, compressão, formação de comprimidos, peletização, granulação e outros métodos bem conhecidos são bem conhecidos por um versado na técnica.Suitable methods for forming the formulation, in particular briquetting, such as extrusion, compression, tabletting, pelletizing, granulating and other well-known methods are well known to one skilled in the art.
Outros aditivos podem ser óxido de silício ou uma segunda fonte de carbono, em particular cascas de arroz purificadas, por exemplo, após lavagem e/ou cozimento com HCI, ou misturas de outras fontes de carbono puro, tais como açúcar, grafite, fibras de carbono, e/ou como aglutinante e como segunda e adicionais fontes de carbono e/ou silício pode ser resinasOther additives can be silicon oxide or a second carbon source, in particular purified rice husks, for example, after washing and / or cooking with HCI, or mixtures of other pure carbon sources, such as sugar, graphite, fiber carbon, and / or as a binder and as a second and additional source of carbon and / or silicon can be resins
18/114 naturais ou sintéticas, tais como resina fenólica, silanos funcionais ou siloxanos, alquilceluloses técnicas, tais como metilcelulose, polietilenoglicóis, poliacrilatos e polimetacrilatos ou misturas de pelo menos dois dos compostos acima mencionados. Como silanos ou siloxanos funcionais, pode-se mencionar, por exemplo, - mas não exclusivamente -: tetralcoxissilanos, trialcoxissilanos, alquilsilicatos, alquilalcoxissilanos, metacriloxialquilalcoxissilanos, glicidiloxialquilalcoxissilanos, polieteralquilalcoxissilanos e hidrolisados ou condensados ou cocondensados correspondentes de pelo menos dois dos compostos acima mencionados, onde alcóxi significa em particular metóxi, etóxi, propóxi ou butóxi e alquila ou Alquila representa um grupo alquila mono ou divalente com 1 a 18 átomos de carbono, tais como metila, etila, n-propila, butila, isobutila, pentila, hexila, heptila, n-/i-octila etc.; o seguinte pode ser listado como exemplos: tetraetoxissilano, silanol, etilsilicato, trimetoxissilano, metiltrimetoxissilano, dimetildietoxissilano, trimetilpropoxissilano, etiltrimetoxissilano, metiletildietoxissilano, n-propiltrietoxissilano, n-Zioctiltrimetoxissilano, propilsilanol, octilsilanóis e oligômeros correspondentes ou condensados, oligômeros 1-metacriloximetiltrimetoxissilano, 2metacriloxietiltrimetoxissilano, 3-metacriloxipropiltrimetoxissilano, 3metacriloxi-isobutiltrimetoxissilano, 3-metacriloxipropilmetildialcoxissilano, 3metacriloxipropilsilanol e correspondentes ou condensados, oligômeros 3glicidiloxipropiltrimetoxissilano, 3-glicidiloxipropilsilanol e correspondentes ou condensados ou hidrolisados, cocondensados ou também cocondensados em bloco ou cocondensados baseados em pelo menos dois da série npropiltrietoxissilano, n-/i-octiltrietoxissilano, 3metacriloxipropiltrimetoxissilano, 3-glicidiloxipropiltrimetoxissilano e 3polieterpropiltrietoxissilano.18/114 natural or synthetic, such as phenolic resin, functional silanes or siloxanes, technical alkyl celluloses, such as methyl cellulose, polyethylene glycols, polyacrylates and polymethacrylates or mixtures of at least two of the above mentioned compounds. As functional silanes or siloxanes, one can mention, for example, - but not exclusively -: tetraloxysilanes, trialkoxysilanes, alkylsilicates, alkylalkoxysilanes, methacryloxyalkylalkoxysilanes, glycidyloxyalkylalkoxysilanes, polyetheralsylated or less hydrochloride compounds than the above-mentioned hydrochloride or hydrochloride compounds. alkoxy means in particular methoxy, ethoxy, propoxy or butoxy and alkyl or Alkyl represents a mono or divalent alkyl group having 1 to 18 carbon atoms, such as methyl, ethyl, n-propyl, butyl, isobutyl, pentyl, hexyl, heptyl, n- / i-octyl etc .; the following can be listed as examples: tetraethoxysilane, silanol etilsilicato, trimethoxysilane, methyltrimethoxysilane, dimethyldiethoxysilane, trimetilpropoxissilano, ethyltrimethoxysilane, metiletildietoxissilano, n-propyltriethoxysilane, n-Zioctiltrimetoxissilano, propilsilanol, octilsilanóis and corresponding oligomers or condensed oligomers 1-metacriloximetiltrimetoxissilano, 2metacriloxietiltrimetoxissilano, 3-methacryloxypropyltrimethoxysilane, 3metacriloxi isobutiltrimetoxissilano-3-metacriloxipropilmetildialcoxissilano, and corresponding 3metacriloxipropilsilanol or condensed oligomers 3glicidiloxipropiltrimetoxissilano, and corresponding 3-glicidiloxipropilsilanol or condensed or hydrolyzed, or also cocondensados cocondensados cocondensados-based block or at least two of npropiltrietoxissilano number, n / i-octyltriethoxysilane, 3methacryloxypropyltrimethoxysilane, 3-glycidyloxypropyltrimethoxysilane and 3polieterpropyltriethoxysilane.
Os ditos aditivos podem realizar simultaneamente a função de um fornecedor de Si ou C e aquela de um auxílio de processamento, em particular nos processos de formação que são bem conhecidos por um versado na técnica, e/ou a função de um aglutinante, em particular de um aglutinante que é substancialmente resistente ao calor na faixa de TA aSaid additives can simultaneously perform the function of a Si or C supplier and that of a processing aid, in particular in the formation processes which are well known to one skilled in the art, and / or the function of a binder, in particular of a binder that is substantially heat resistant in the range of AT to
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300°C. Preferencíalmente, para a produção de grânulos, os pós são pulverizados com o aglutinante em solução aquosa ou alcoólica e em seguida sofrem um processo de formação, no qual a secagem pode realizarse simultaneamente, ou alternativamente a secagem também pode realizarse após formação. De forma que os gases do processo que se formaram durante a redução ao silício puro possam escoar bem através da formulação, preferencíalmente comprimidos, péletes ou briquetes altamente porosos são formados das formulações.300 ° C. Preferably, for the production of granules, the powders are sprayed with the binder in aqueous or alcoholic solution and then undergo a formation process, in which drying can be carried out simultaneously, or alternatively drying can also be carried out after formation. So that the process gases that were formed during the reduction to pure silicon can flow well through the formulation, preferably highly porous tablets, pellets or briquettes are formed from the formulations.
O tamanho dos briquetes está preferencíalmente na faixa de 1 a 10 cm3, especialmente para um forno de 500 kW. O tamanho é diretamente dependente de como o processo é conduzido. As formas podem ser adaptadas dependendo do processo e aspectos técnicos, por exemplo, para parecer-se com cascalho ou sarrafo, um briquete de forma de sarrafo que é preferencial para alimentação através de um tubo. Um cascalho pode ser vantajoso em alimentação direta.The size of the briquettes is preferably in the range of 1 to 10 cm 3 , especially for a 500 kW oven. The size is directly dependent on how the process is conducted. The shapes can be adapted depending on the process and technical aspects, for example, to look like gravel or batten, a batten-shaped briquette that is preferred for feeding through a tube. A gravel can be advantageous in direct feed.
Aglutinantes preferenciais produzem substancialmente formulações dimensionalmente estáveis na faixa de temperatura de 150 a 300°C, e especialmente aglutinantes preferenciais produzem formulações dimensionalmente estáveis na faixa de temperatura entre 200 e 300°C. Em certos casos também pode ser preferencial produzir formulações que possam fornecer substancialmente formulações dimensionalmente estáveis na faixa de temperatura acima 300°C e até 800°C ou maiores, especialmente preferencíalmente até 1400°C. Estas formulações podem ser preferencíalmente usadas para redução ao silício puro. Os aglutinantes de alta temperatura são baseados substancialmente no substrato reticulado de Si-O predominante, substrato geralmente significando todos os componentes ou grupos funcionais da formulação que pode condensar-se com grupos silanol.Preferred binders produce substantially dimensionally stable formulations in the temperature range 150 to 300 ° C, and especially preferred binders produce dimensionally stable formulations in the temperature range between 200 and 300 ° C. In certain cases it may also be preferable to produce formulations that can provide substantially dimensionally stable formulations in the temperature range above 300 ° C and up to 800 ° C or higher, especially preferably up to 1400 ° C. These formulations can preferably be used for reduction to pure silicon. High temperature binders are based substantially on the predominant cross-linked substrate of Si-O, substrate generally meaning all components or functional groups of the formulation that can condense with silanol groups.
Uma formulação preferencial compreende carboneto de silício e/ou carbono ativado, por exemplo, grafite, ou misturas destes e outra fonte de carbono puro, por exemplo, negro térmico, e os aglutinantes resistentes ao calor especificados, em particular aglutinantes de alta temperatura.A preferred formulation comprises silicon carbide and / or activated carbon, for example graphite, or mixtures thereof and another source of pure carbon, for example, thermal black, and the specified heat resistant binders, in particular high temperature binders.
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Em geral, todos os reagentes sólidos, tais como dióxido de silício, a fonte de carbono puro e opcionalmente carboneto de silício devem ser usados no processo ou devem estar presentes na composição em uma forma que oferece a área superficial possível máxima para a reação. De acordo com a invenção, uma formulação na forma de um briquete é adicionada.In general, all solid reagents, such as silicon dioxide, the source of pure carbon and optionally silicon carbide must be used in the process or must be present in the composition in a form that offers the maximum possible surface area for the reaction. According to the invention, a formulation in the form of a briquette is added.
Uma ou mais fontes de carbono puro, opcionalmente em uma mistura, um composto orgânico de origem natural, um carboidrato, grafite (carbono ativado), coque, carvão, negro de fumo, negro térmico, carboidrato pirolisado, em particular, açúcar pirolisado, são usadas como fonte de carbono puro no método de acordo com a invenção. As fontes de carbono, especialmente na forma de péletes, por exemplo, podem ser purificadas pelo tratamento com solução de ácido clorídrico quente. Adicionalmente, um ativador pode ser adicionado ao método de acordo com a invenção. O ativador pode ter o objetivo de um iniciador de reação, um acelerador de reação bem como o objetivo da fonte de carbono. Um ativador é carboneto de silício puro, carboneto de silício infiltrado com silício, e um carboneto de silício puro com uma matriz C e/ou matriz de óxido de silício, por exemplo, um carboneto de silício contendo fibras de carbono.One or more sources of pure carbon, optionally in a mixture, an organic compound of natural origin, a carbohydrate, graphite (activated carbon), coke, coal, carbon black, thermal black, pyrolysed carbohydrate, in particular, pyrolysed sugar, are used as a source of pure carbon in the method according to the invention. Carbon sources, especially in the form of pellets, for example, can be purified by treatment with hot hydrochloric acid solution. In addition, an activator can be added to the method according to the invention. The activator can serve the purpose of a reaction initiator, a reaction accelerator as well as the objective of the carbon source. An activator is pure silicon carbide, silicon carbide infiltrated with silicon, and a pure silicon carbide with a C matrix and / or silicon oxide matrix, for example, a silicon carbide containing carbon fibers.
Alternativamente a fonte de carbono puro consiste do ativador, isto é, no método de acordo com a invenção o ativador é usado como a única fonte de carbono. Devido a esta medida, a composição da carga pode ser mais densa, porque um mol equivalente do gás monóxido de carbono nesta etapa, redução ao silício, é economizado. Por isso, o ativador pode ser usado no método em quantidades catalíticas até quantidades equimolares em relação ao óxido de silício.Alternatively the source of pure carbon consists of the activator, that is, in the method according to the invention the activator is used as the sole carbon source. Due to this measure, the composition of the charge can be more dense, because an equivalent mol of carbon monoxide gas in this step, reduction to silicon, is saved. Therefore, the activator can be used in the method in catalytic amounts up to equimolar amounts in relation to silicon oxide.
De acordo com outras alternativas, o ativador pode ser usado na proporção de peso de 1000:1 a 1:1000 para a fonte de carbono puro, a fonte de carbono puro sendo calculada sem SiC, por exemplo, grafite, negro de fumo, carboidrato, carvão, coque. Preferencialmente, a fonte de carbono é usada na proporção de peso de 1:100 a 100:1, especialmente preferencialmente 1:100 a 1:9.According to other alternatives, the activator can be used in a weight ratio of 1000: 1 to 1: 1000 for the pure carbon source, the pure carbon source being calculated without SiC, for example, graphite, carbon black, carbohydrate , coal, coke. Preferably, the carbon source is used in a weight ratio of 1: 100 to 100: 1, especially preferably 1: 100 to 1: 9.
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Redução do óxido de silício purificado com uma ou mais fontes de carbono puro e/ou o ativador pode realizar-se em um forno industrial, tal como um forno de arco, em um reator térmico, em um forno de indução, forno rotatório e/ou em um forno de micro-ondas, por exemplo, com leito fluidizado e/ou tubo rotatório.Reduction of purified silicon oxide with one or more sources of pure carbon and / or the activator can be carried out in an industrial oven, such as an arc furnace, in a thermal reactor, in an induction furnace, rotary kiln and / or in a microwave oven, for example, with fluidized bed and / or rotating tube.
Em geral, a reação pode ser realizada em fornos industriais ordinários para produção de silício, por exemplo, fornos de fusão para produção de silício, tais como silício metalúrgico, ou outros fornos de fusão adequados, por exemplo, fornos de indução. O projeto destes fornos de fusão, especialmente preferencialmente fornos elétricos, que usam um arco elétrico como fonte de energia, é bem conhecido por um versado na técnica. Em caso de fornos de corrente contínua, têm um eletrodo de fusão e um eletrodo de fundo ou como forno de corrente alternada normalmente três eletrodos de fusão. O comprimento de arco é controlado por um controlador de eletrodo. Os fornos de arco são baseados por regra em um espaço de reação feito do material refratário, no fundo do qual o silício líquido pode ser aproveitado ou descarregado. As matérias-primas são carregadas no topo, onde os eletrodos de grafite para geração do arco também são arranjados. Estes fornos são geralmente operados em temperaturas na região de 1800°C. Também é conhecido por um versado na técnica que a própria estrutura de forno não deve contribuir para contaminação do silício produzido.In general, the reaction can be carried out in ordinary industrial furnaces for silicon production, for example, melting furnaces for silicon production, such as metallurgical silicon, or other suitable melting furnaces, for example, induction furnaces. The design of these melting furnaces, especially preferably electric furnaces, which use an electric arc as an energy source, is well known to one skilled in the art. In the case of direct current furnaces, they have a melting electrode and a bottom electrode or as an alternating current furnace, usually three melting electrodes. The arc length is controlled by an electrode controller. Arc furnaces are usually based on a reaction space made of refractory material, at the bottom of which liquid silicon can be used or discharged. The raw materials are loaded on top, where the graphite electrodes for generating the arc are also arranged. These ovens are generally operated at temperatures in the region of 1800 ° C. It is also known to someone skilled in the art that the furnace structure itself should not contribute to contamination of the produced silicon.
De acordo com a invenção, redução do óxido de silício purificado realiza-se com uma ou mais fontes de carbono puro em um espaço de reação revestido com refratários de alta pureza e opcionalmente usando eletrodos que consistem em material de alta pureza, como explicado abaixo. Eletrodos ordinários são feitos de grafite de alta pureza e são consumidos durante o processo de redução, de forma que por regra possam ser reposicionados continuamente.According to the invention, reduction of the purified silicon oxide takes place with one or more sources of pure carbon in a reaction space coated with high-purity refractories and optionally using electrodes consisting of high-purity material, as explained below. Ordinary electrodes are made of high-purity graphite and are consumed during the reduction process, so that as a rule they can be repositioned continuously.
O silício fundido ou derretido de acordo com a invenção obtido pela redução é obtido como silício puro fundido, em particular é adequado como silício de grau solar ou é adequado para a produção de silício de grauThe molten or molten silicon according to the invention obtained by the reduction is obtained as pure molten silicon, in particular it is suitable as solar grade silicon or it is suitable for the production of silicon grade
22/114 solar, e opcionalmente é purificado ainda pela fusão de zona ou pela solidificação direcional, como é bem conhecido por um versado na técnica.22/114 solar, and optionally is further purified by zone fusion or directional solidification, as is well known to one skilled in the art.
Alternativamente ou adicionalmente, o silício pode ser solidificado, triturado e os fragmentos triturados podem ser ainda classificados com base em diferenças no comportamento magnético. Em particular, a fração enriquecida em impurezas em consequência de fusão de zona ou solidificação direcional então pode ser usada para a produção de organossilanos. O método de classificação magnética é conhecido como tal por um versado na técnica. Para a classificação magnética de silício a partir da reação de óxido de silício purificado e uma ou mais fontes de carbono puro, os conteúdos da revelação completa de WO 03/018207 são feitos um objeto do presente pedido de patente, com a modificação que o silício alimentado para separação magnética origina-se da reação de óxido de silício purificado e pelo menos uma fonte de carbono puro. Uma separação magnética correspondente do silício puro produzido de acordo com a invenção ou um silício ainda purificado pela fusão de zona do silício puro é um objeto da invenção.Alternatively or additionally, silicon can be solidified, crushed and crushed fragments can be further classified based on differences in magnetic behavior. In particular, the fraction enriched in impurities as a result of zone melting or directional solidification can then be used for the production of organosilanes. The magnetic classification method is known as such by one skilled in the art. For the magnetic classification of silicon from the reaction of purified silicon oxide and one or more sources of pure carbon, the contents of the full disclosure of WO 03/018207 are made an object of the present patent application, with the modification that silicon fed for magnetic separation comes from the reaction of purified silicon oxide and at least one source of pure carbon. A corresponding magnetic separation of the pure silicon produced according to the invention or a silicon still purified by zone melting of the pure silicon is an object of the invention.
As respectivas etapas de processo parciais que se realizam opcionalmente, preferencialmente em combinação, para o método completo da produção de silício puro, cada um das quais, sinergisticamente, faz uma contribuição decisiva para a eficácia econômica do método completo, são explicadas em mais detalhes abaixo.The respective partial process steps that are optionally performed, preferably in combination, for the complete method of pure silicon production, each of which, synergistically, makes a decisive contribution to the economic effectiveness of the complete method, are explained in more detail below .
Descrição da produção do óxido de silício purificado por precipitaçãoDescription of precipitation-purified silicon oxide production
De acordo com um aspecto principal do método para a produção de silício puro de acordo com a invenção, um dióxido de silício purificado de pelo menos uma solução de silicato é usado no método para a produção de silício puro, em particular de silício de grau solar.According to a main aspect of the method for producing pure silicon according to the invention, a purified silicon dioxide from at least one silicate solution is used in the method for the production of pure silicon, in particular solar grade silicon .
Os inventores encontraram, surpreendentemente, que é possível, pela gestão de processo especial na precipitação e lavagem, para produzir o dióxido de silício purificado, em particular dióxido de silício de alta pureza que pode ser usado para a produção de silício de grau solar, simplesmente, sem um grande número de etapas de purificação adicionais aThe inventors found, surprisingly, that it is possible, through the special process management in precipitation and washing, to produce the purified silicon dioxide, in particular high purity silicon dioxide that can be used for the production of solar grade silicon, simply , without a large number of additional purification steps to
23/114 montante ou a jusante e sem despesa particular no equipamento.23/114 upstream or downstream and without particular expense on the equipment.
De acordo com a invenção, a precipitação de um óxido de silício dissolvido em fase aquosa, em particular óxido de silício completamente dissolvido, é realizada com um agente de acidificação. Após reação do óxido de silício dissolvido em fase aquosa com o agente de acidificação, preferencialmente pela adição do óxido de silício dissolvido em fase aquosa ao agente de acidificação, uma suspensão de precipitação é obtida.According to the invention, the precipitation of a silicon oxide dissolved in an aqueous phase, in particular completely dissolved silicon oxide, is carried out with an acidifying agent. After reacting the silicon oxide dissolved in the aqueous phase with the acidifying agent, preferably by adding the silicon oxide dissolved in the aqueous phase to the acidifying agent, a suspension of precipitation is obtained.
Uma característica importante do método é o controle do valor de pH do dióxido de silício e dos meios de reação contendo o dióxido de silício durante as várias etapas do processo para a produção do dióxido de silício.An important feature of the method is the control of the pH value of silicon dioxide and the reaction media containing silicon dioxide during the various stages of the process for the production of silicon dioxide.
De acordo com a invenção, a carga inicial e a suspensão de precipitação, na qual o óxido de silício dissolvido em fase aquosa, em particular o vidro solúvel, é adicionado, preferencialmente gota a gota, sempre devem mostrar uma reação ácida. Ácido significa um valor de pH abaixo 6,5, em particular abaixo de 5,0, preferencialmente abaixo de 3,5, especialmente preferencialmente abaixo de 2,5, e de acordo com a invenção abaixo de 2,0 a abaixo de 0,5. Pode ser desejável verificar o valor de pH para assegurar que o valor de pH não flutue demais, a fim de obter suspensões de precipitação reprodutíveis. Se um valor de pH constante ou substancialmente constante for desejado, portanto o valor de pH somente deve mostrar uma faixa da variação de mais/menos 1,0, em particular de mais/menos 0,5, preferencialmente de mais/menos 0,2.According to the invention, the initial charge and the precipitation suspension, in which the silicon oxide dissolved in the aqueous phase, in particular the soluble glass, is added, preferably dropwise, must always show an acid reaction. Acid means a pH value below 6.5, in particular below 5.0, preferably below 3.5, especially preferably below 2.5, and according to the invention below 2.0 to below 0, 5. It may be desirable to check the pH value to ensure that the pH value does not fluctuate too much in order to obtain reproducible precipitation suspensions. If a constant or substantially constant pH value is desired, then the pH value should only show a range of variation of plus / minus 1.0, in particular plus / minus 0.5, preferably plus / minus 0.2 .
Em uma modalidade especialmente preferencial da presente invenção, o valor de pH da suspensão de precipitação sempre é mantido menos de 2, preferencialmente menos de 1, especialmente preferencialmente menos de 0,5. Além disso, é preferencial se o ácido estiver presente sempre em um excesso definido para a solução de silicato alcalino, para assegurar um valor de pH da suspensão de precipitação de menos de 2 em qualquer momento.In an especially preferred embodiment of the present invention, the pH value of the precipitation suspension is always kept less than 2, preferably less than 1, especially preferably less than 0.5. In addition, it is preferred if the acid is always present in an excess defined for the alkaline silicate solution, to ensure a pH value of the precipitation suspension of less than 2 at any time.
Sem estar ligados a uma teoria particular, os inventores são da visão que um valor de pH muito baixo assegura que grupos SiO carregadosWithout being tied to a particular theory, the inventors are of the view that a very low pH value ensures that charged SiO groups
24/114 negativamente não livres estão presentes na superfície de dióxido de silício, à qual os íons metálicos de interferência podem ser ligados.24/114 negatively non-free are present on the silicon dioxide surface, to which the interfering metal ions can be attached.
Em valor de pH muito baixo, a superfície é até positivamente carregada, de forma que os cátions metálicos sejam repelidos pela superfície de ácido silícico. Se estes íons metálicos forem eliminados agora, contanto que o valor de pH seja muito baixo, podem ser impedidos de serem depositados na superfície do dióxido de silício de acordo com a invenção. Se a superfície de ácido silícico assumir uma carga positiva, as partículas de ácido silícico são adicionalmente impedidas de agregação com a formação consequente de cavidades nas quais a impurezas podem acumular-se.At a very low pH value, the surface is even positively charged, so that metal cations are repelled by the silicic acid surface. If these metal ions are eliminated now, as long as the pH value is very low, they can be prevented from being deposited on the surface of the silicon dioxide according to the invention. If the silicic acid surface assumes a positive charge, the silicic acid particles are further prevented from aggregating with the consequent formation of cavities in which impurities can accumulate.
Especialmente preferencialmente, e por isso como o aspecto principal, a presente invenção refere-se a um processo de precipitação para a produção de óxido de silício purificado, em particular dióxido de silício de alta pureza, compreendendo as seguintes etapasEspecially preferably, and therefore as the main aspect, the present invention relates to a precipitation process for the production of purified silicon oxide, in particular high purity silicon dioxide, comprising the following steps
a. Preparação de uma alimentação de um agente de acidificação com um valor de pH de menos de 2, preferencialmente menos de 1,5, especialmente preferencialmente menos de 1, muito especialmente, de preferência entre menos de 0,5The. Preparation of a feed of an acidifying agent with a pH value of less than 2, preferably less than 1.5, especially preferably less than 1, most especially, preferably less than 0.5
b. Preparação de uma solução de silicato, onde em particular a viscosidade, para a produção do óxido de silício purificado por precipitação, pode ser vantajosamente ajustada em faixas de viscosidade definidas, em particular uma viscosidade de 0,1 a 10000 poises sendo preferencial, e dependendo dos parâmetros de processo esta faixa de viscosidade - como explicado abaixo - pode ser ainda estendida, dependendo de outros parâmetros de processo,B. Preparation of a silicate solution, where the viscosity in particular, for the production of precipitation-purified silicon oxide, can be advantageously adjusted in defined viscosity ranges, in particular a viscosity of 0.1 to 10000 poises being preferred, and depending of the process parameters this viscosity range - as explained below - can be further extended, depending on other process parameters,
c. Adição da solução de silicato da etapa b. à alimentação da etapa a., de tal modo que o valor de pH da suspensão de precipitação obtida sempre permanece em um valor de menos de 2, preferencialmente menos de 1,5, especialmente preferencialmente menos de 1 e muito especialmente, de preferência entre menos de 0,5ç. Addition of the silicate solution from step b. to the feed of step a., such that the pH value of the obtained precipitation suspension always remains at a value of less than 2, preferably less than 1.5, especially preferably less than 1 and most especially, preferably between less of 0.5
d. Separação e lavagem do dióxido de silício obtido, o meio lavável tendo um valor de pH de menos de 2, preferencialmente menos ded. Separation and washing of the obtained silicon dioxide, the washable medium having a pH value of less than 2, preferably less than
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1,5, especialmente preferencialmente menos de 1 e muito especialmente preferencialmente menos de 0,51.5, especially preferably less than 1 and most especially preferably less than 0.5
e. Secagem do dióxido de silício obtidoand. Drying of the obtained silicon dioxide
De acordo com uma primeira variante especialmente preferencial deste método do aspecto principal da presente invenção, a invenção refere-se a um processo de precipitação para a produção de óxido de silício purificado, em particular dióxido de silício de alta pureza, que é realizado com soluções de silicato de baixa à média viscosidade, isto é, a etapa b é modificada como se segue:According to an especially preferred first variant of this method of the main aspect of the present invention, the invention relates to a precipitation process for the production of purified silicon oxide, in particular high purity silicon dioxide, which is carried out with solutions from low to medium viscosity silicate, that is, step b is modified as follows:
b. Preparação de uma solução de silicato com uma viscosidade de 0,1 a 2 poisesB. Preparation of a silicate solution with a viscosity of 0.1 to 2 poises
De acordo com uma segunda variante especialmente preferencial deste método do aspecto principal da presente invenção, a invenção refere-se a um processo de precipitação para a produção de óxido de silício purificado, em particular dióxido de silício de alta pureza, que é realizado com soluções de silicato de viscosidade alta ou muito alta, isto é, a etapa b é modificada como se segue:According to a second, particularly preferred variant of this method of the main aspect of the present invention, the invention relates to a precipitation process for the production of purified silicon oxide, in particular high purity silicon dioxide, which is carried out with solutions of high or very high viscosity silicate, that is, step b is modified as follows:
b. Preparação de uma solução de silicato com uma viscosidade de 2 a 100000 poisesB. Preparation of a silicate solution with a viscosity of 2 to 100000 poises
Nas variantes diferentes do método contido como o aspecto principal na presente invenção, na etapa a) a alimentação é preparada de um agente de acidificação ou um agente de acidificação e água no vaso de precipitação. A água é preferencialmente água destilada ou água deionizada.In the different variants of the method contained as the main aspect of the present invention, in step a) the feed is prepared from an acidifying agent or an acidifying agent and water in the precipitation vessel. The water is preferably distilled water or deionized water.
Em todas as variantes do método de acordo com a invenção, não somente as modalidades especialmente preferenciais descritas em detalhes acima, os agentes de acidificação usados podem ser ácidos orgânicos ou inorgânicos, preferencialmente ácidos minerais, especialmente preferencialmente ácido clorídrico, ácido fosfórico, ácido nítrico, ácido sulfúrico, ácido clorossulfônico, cloreto de sulfurila, ácido perclórico, ácido fórmico e/ou ácido acético em forma concentrada ou diluída, ou misturas dos ácidos acima mencionados. Os ácidos inorgânicos acima mencionados sãoIn all variants of the method according to the invention, not only the especially preferred embodiments described in detail above, the acidifying agents used can be organic or inorganic acids, preferably mineral acids, especially preferably hydrochloric acid, phosphoric acid, nitric acid, sulfuric acid, chlorosulfonic acid, sulfuryl chloride, perchloric acid, formic acid and / or acetic acid in concentrated or diluted form, or mixtures of the aforementioned acids. The inorganic acids mentioned above are
26/114 especialmente preferenciais. Muito especialmente preferenciais são ácido clorídrico, preferencialmente 2 a 14 N, especialmente preferencialmente 2 a 12 N, muito especialmente, de preferência 2 a 10 N, especialmente preferencia|mente 2 a 7 N e muito especialmente, de preferência 3 a 6 N, ácido fosfórico, preferencialmente 2 a 59 N, especialmente preferencialmente 2 a 50 N, muito especialmente, de preferência 3 a 40 N, especialmente preferencialmente 3 a 30 N e muito especialmente, de preferência 4 a 20 N, ácido nítrico, preferencialmente 1 a 24 N, especialmente preferencialmente 1 a 20 N, muito especialmente, de preferência 1 a 15 N, especialmente preferencialmente 2 a 10 N, ácido sulfúrico, preferencialmente 1 a 37 N, especialmente preferencialmente 1 a 30 N, muito especialmente, de preferência 2 a 20 N, especialmente preferencialmente 2 a 10 N. Muito especialmente, de preferência, o ácido sulfúrico concentrado é usado.26/114 especially preferred. Very especially preferred are hydrochloric, preferably 2 to 14 N, especially preferably 2 to 12 N, especially preferably 2 to 10 N, especially p re erenc i f a | m being 2 to 7 C , and especially preferably 3 to 6 N, phosphoric acid, preferably 2 to 59 N, especially preferably 2 to 50 N, especially preferably 3 to 40 N, especially preferably 3 to 30 N and very especially, preferably 4 to 20 N, nitric acid, preferably 1 to 24 N, especially preferably 1 to 20 N, very especially, preferably 1 to 15 N, especially preferably 2 to 10 N, sulfuric acid, preferably 1 to 37 N, especially preferably 1 to 30 N, most especially, preferably 2 to 20 N, especially preferably 2 to 10 N. Most especially, preferably, concentrated sulfuric acid is used.
Os agentes de acidificação podem ser usados em uma pureza que é tipicamente referida como classe técnica. É claro para o versado na técnica que os agentes de acidificação diluídos ou não diluídos ou misturas de agentes de acidificação usados devem embarcar um nível mínimo de impurezas que não permanecem dissolvidas em fase aquosa da suspensão de precipitação no método. Em cada caso, os agentes de acidificação não devem ter impurezas que precipitariam com o óxido de silício na precipitação acídica, a menos que eles possam ser mantidos em suspensão de precipitação por meio de agentes complexantes adicionados ou pelo controle de pH, ou eliminados com os meios de lavagem posteriores.The acidifying agents can be used in a purity that is typically referred to as a technical class. It is clear to the person skilled in the art that diluted or undiluted acidifying agents or mixtures of used acidifying agents must incorporate a minimum level of impurities that do not remain dissolved in the aqueous phase of the precipitation suspension in the method. In each case, the acidifying agents should not have impurities that would precipitate with silicon oxide in acidic precipitation, unless they can be kept in suspension of precipitation by means of complexing agents added or by pH control, or eliminated with the subsequent washing means.
O agente de acidificação que é usado para a precipitação pode estar o mesmo como também usado, por exemplo, na etapa d, para lavar a torta do filtro.The acidifying agent that is used for precipitation can be the same as also used, for example, in step d, to wash the filter cake.
Em uma variante preferencial deste método, na etapa a) um peróxido que produz uma coloração amarela/laranja com íons titânio (IV) em condições acídicas é adicionado à alimentação junto com o agente de acidificação. Especialmente preferencialmente é peróxido de hidrogênio ou peroxodissulfato de potássio. A coloração amarela/laranja da solução deIn a preferred variant of this method, in step a) a peroxide that produces a yellow / orange color with titanium (IV) ions under acidic conditions is added to the feed together with the acidifying agent. Especially preferably it is hydrogen peroxide or potassium peroxodisulfate. The yellow / orange color of the
27/114 reação pode fornecer uma indicação muito boa do grau de purificação durante a etapa de lavagem d.27/114 reaction can provide a very good indication of the degree of purification during the wash step d.
Foi encontrado de fato que titânio é um contaminante muito persistente, já que se liga prontamente ao dióxido de silício em valores de pH acima de 2. Os inventores encontraram que quando a coloração amarela no estágio d) desaparece, por regra a pureza desejada do óxido de silício purificado, em particular do dióxido de silício, foi alcançada e a partir deste ponto de tempo o dióxido de silício pode ser lavado com água destilada ou deionizada até que o pH neutro do dióxido de silício seja alcançado. Para alcançar esta função indicadora do peróxido, é também possível adicionar o peróxido não na etapa a., mas na etapa b. ao silicato de sódio ou na etapa c. como uma terceira corrente material. Basicamente é também possível adicionar o peróxido também somente após a etapa c e antes da etapa d. ou durante a etapa d.In fact, titanium was found to be a very persistent contaminant, since it readily binds to silicon dioxide at pH values above 2. The inventors found that when the yellow color in stage d) disappears, as a rule the desired oxide purity Purified silicon, in particular silicon dioxide, has been achieved and from this point on silicon dioxide can be washed with distilled or deionized water until the neutral pH of silicon dioxide is reached. To achieve this peroxide indicator function, it is also possible to add peroxide not in step a., But in step b. to sodium silicate or in step c. like a third material stream. Basically it is also possible to add the peroxide only after step c and before step d. or during step d.
Todas as variantes acima mencionadas e formas misturadas das mesmas são cobertas pelas presentes invenções. Entretanto, as variantes nas quais o peróxido é adicionado na etapa a. ou b. são preferenciais, como neste caso pode realizar outra função além da função indicadora. Sem estar ligados a uma teoria particular, os inventores são da visão que algumas impurezas - em particular contendo carbono - podem ser oxidadas pela reação com o peróxido e removidos da solução de reação. Outras impurezas são convertidas pela oxidação em uma forma mais solúvel e por isso pode ser eliminada. O processo de precipitação de acordo com a invenção, por isso, tem a vantagem de não ser necessário realizar uma etapa de calcinação, embora isto seja naturalmente opcionalmente possível.All of the above mentioned variants and mixed forms thereof are covered by the present inventions. However, the variants in which peroxide is added in step a. or b. are preferred, as in this case you can perform another function besides the indicator function. Without being bound by a particular theory, the inventors are of the view that some impurities - in particular containing carbon - can be oxidized by reaction with the peroxide and removed from the reaction solution. Other impurities are converted by oxidation into a more soluble form and can therefore be eliminated. The precipitation process according to the invention therefore has the advantage that it is not necessary to carry out a calcination step, although this is naturally optionally possible.
Em todas as variantes do processo de acordo com a invenção, o dióxido de silício dissolvido em fase aquosa usada é preferencialmente uma solução de silicato aquosa, especialmente preferencialmente uma solução de silicato alcalina e/ou alcalinaterrosa, muito especialmente preferencialmente um vidro solúvel. Tais soluções podem ser obtidas comercialmente, podem ser produzidas pela liquefação do silicato sólido, podem ser produzidas de dióxido de silício e carbonato de sódio ou, porIn all variants of the process according to the invention, the silicon dioxide dissolved in the aqueous phase used is preferably an aqueous silicate solution, especially preferably an alkaline and / or alkaline earth silicate solution, most especially preferably a soluble glass. Such solutions can be obtained commercially, they can be produced by the liquefaction of solid silicate, they can be produced from silicon dioxide and sodium carbonate or, for example,
28/114 exemplo, podem ser produzidas pelo processo hidrotérmico diretamente de dióxido de silício e hidróxido de sódio e água à temperatura elevada. O processo hidrotérmico pode ser preferencial sobre o processo de soda, porque pode resultar em dióxidos de silício precipitados de limpador. Uma desvantagem do processo hidrotérmico é a faixa limitada de proporções obteníveis, por exemplo, a proporção de S1O2 para N2O é até 2, as proporções preferenciais sendo 3 a 4, além disso os vidros de água devem ser por regra concentrados de acordo com o processo hidrotérmico antes da precipitação. Geralmente a produção do vidro solúvel como tal é conhecida por um versado na técnica.28/114 example, can be produced by the hydrothermal process directly from silicon dioxide and sodium hydroxide and water at elevated temperature. The hydrothermal process can be preferred over the soda process, because it can result in precipitated silicon dioxide from cleaner. A disadvantage of the hydrothermal process is the limited range of proportions obtainable, for example, the ratio of S1O2 to N2O is up to 2, the preferred proportions being 3 to 4, in addition, the water glasses must as a rule be concentrated according to the process hydrothermal before precipitation. Generally the production of soluble glass as such is known to one skilled in the art.
De acordo com uma alternativa, um vidro solúvel alcalino, em particular vidro solúvel de sódio ou vidro solúvel de potássio, é opcionaimente filtrado e em seguida concentrado se necessário. A filtração do vidro solúvel ou da solução aquosa do silicato dissolvido, a fim de remover constituintes sólidos, não dissolvidos, pode ser realizado por processos que são conhecidos por um versado na técnica e com dispositivos que são conhecidos por um versado na técnica.According to an alternative, an alkaline soluble glass, in particular sodium soluble glass or potassium soluble glass, is optionally filtered and then concentrated if necessary. The filtration of the soluble glass or the aqueous solution of the dissolved silicate, in order to remove solid, undissolved constituents, can be carried out by processes that are known to one skilled in the art and with devices that are known to one skilled in the art.
A solução de silicato usada preferencialmente tem uma proporção, isto é, proporção em peso de óxido metálico para dióxido de silício, de 1,5 a 4,5, preferencialmente de 1,7 a 4,2, especialmente preferencialmente de 2 a 4,0.The silicate solution used preferably has a ratio, that is, a weight ratio of metal oxide to silicon dioxide, from 1.5 to 4.5, preferably from 1.7 to 4.2, especially preferably from 2 to 4, 0.
O processo de precipitação de acordo com a invenção não usa agentes quelantes ou colunas de troca iônica. Etapas de calcinação do óxido de silício purificado também podem ser omitidas. Por isso, o processo de precipitação presente de acordo com a invenção é muito mais simples e mais rentável do que métodos da técnica prévia. Outra vantagem do processo de precipitação de acordo com a invenção consiste em que pode ser realizado no equipamento convencional.The precipitation process according to the invention does not use chelating agents or ion exchange columns. Calcination steps of the purified silicon oxide can also be omitted. Therefore, the precipitation process present according to the invention is much simpler and more cost effective than prior art methods. Another advantage of the precipitation process according to the invention is that it can be carried out in conventional equipment.
O uso de trocadores iõnicos para purificação das soluções de silicato e/ou agentes de acidificação antes da precipitação não é necessário, mas pode resultar desejável dependendo da qualidade das soluções aquosas de silicato. Por isso, uma solução de silicato alcalina também podeThe use of ion exchangers to purify silicate solutions and / or acidifying agents before precipitation is not necessary, but may be desirable depending on the quality of the aqueous silicate solutions. Therefore, an alkaline silicate solution can also
29/114 ser pré-tratada conforme WO 2007/106860, a fim de minimizar o conteúdo de fósforo e/ou boro anteriormente. Para isto, a solução de silicato alcalino (fase aquosa na qual o óxido de silício é dissolvido) pode ser tratada com um metal de transição, cálcio ou magnésio, um sal de molibdênio ou com um trocador iônico modificado com sais molibdato para minimizar o conteúdo de fósforo. Antes da precipitação de acordo com o método de WO 2007/106860, a solução de silicato alcalino pode sofrer a precipitação de acordo com a invenção em condições ácidas, em particular em um valor de pH de menos de 2. No método de acordo com a invenção, entretanto, preferência é dada à utilização de agentes de acidificação e soluções de silicato que não foram tratadas por meio de trocadores iônicos antes da precipitação.29/114 be pre-treated according to WO 2007/106860, in order to minimize the content of phosphorus and / or boron previously. For this, the alkaline silicate solution (aqueous phase in which the silicon oxide is dissolved) can be treated with a transition metal, calcium or magnesium, a molybdenum salt or with an ion exchanger modified with molybdate salts to minimize the content phosphorus. Before precipitation according to the method of WO 2007/106860, the alkaline silicate solution can undergo precipitation according to the invention under acidic conditions, in particular at a pH value of less than 2. In the method according to However, preference is given to the use of acidifying agents and silicate solutions that were not treated by means of ion exchangers before precipitation.
Em uma modalidade específica, uma solução de silicato pode ser pré-tratada como sol de silica de acordo com os métodos de EP 0 504467 B1 antes da precipitação ácida real de acordo com a invenção. Para isto, a revelação inteira de EP 0 504 467 B1 é expressamente incorporada no documento presente. O sol de silica obtenível pelos métodos revelados em EP 0 504 467 B1 é dissolvido novamente completamente, preferencialmente após um tratamento de acordo com os métodos de EP 0 504 467 B1, e em seguida submetido à precipitação ácida de acordo com a invenção, para obter o óxido de silício purificado conforme a invenção.In a specific embodiment, a silicate solution can be pretreated as a silica sol according to the methods of EP 0 504467 B1 before the actual acid precipitation according to the invention. To this end, the entire disclosure of EP 0 504 467 B1 is expressly incorporated into the present document. The silica sol obtained by the methods disclosed in EP 0 504 467 B1 is completely dissolved again, preferably after a treatment according to the methods of EP 0 504 467 B1, and then subjected to acid precipitation according to the invention, to obtain purified silicon oxide according to the invention.
A solução de silicato preferencialmente tem, antes da precipitação acídica, um conteúdo de dióxido de silício de, por exemplo, aproximadamente 10% em peso ou maior.The silicate solution preferably has, before acidic precipitation, a silicon dioxide content of, for example, approximately 10% by weight or greater.
No aspecto principal da presente invenção, uma solução de silicato, especialmente um vidro solúvel de sódio, usado para a precipitação acídica tem uma viscosidade de 0,1 a 10000 poises, preferencialmente 0,2 a 5000 poises, mais preferencialmente 0,3 a 3000 poises, especialmente preferencialmente 0,4 a 1000 poises (à temperatura ambiente, 20°C).In the main aspect of the present invention, a silicate solution, especially a soluble sodium glass, used for acidic precipitation has a viscosity of 0.1 to 10,000 poises, preferably 0.2 to 5000 poises, more preferably 0.3 to 3000 poises, especially preferably 0.4 to 1000 poises (at room temperature, 20 ° C).
Nas etapas b e c da primeira variante preferencial do método do aspecto principal, uma solução de silicato é preparada com uma viscosidade de 0,1 a 2 poises, preferencialmente 0,2 a 1,9 poises, especialmente 0,3 aIn steps b and c of the first preferred variant of the main aspect method, a silicate solution is prepared with a viscosity of 0.1 to 2 poises, preferably 0.2 to 1.9 poises, especially 0.3 to
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1,8 poises e especialmente preferencialmente 0,4 a 1,6 poises e muito especialmente, de preferência 0,5 a 1,5 poises. Misturas de várias soluções de silicato também podem ser usadas.1.8 poises and especially preferably 0.4 to 1.6 poises and most especially, preferably 0.5 to 1.5 poises. Mixtures of various silicate solutions can also be used.
Nas etapas b e c da segunda variante preferencial do método do aspecto principal, uma solução de silicato é preparada com uma viscosidade de 2 a 10000 poises, preferencialmente 3 a 70000 poises, especialmente 4 a 6000 poises, especialmente preferencialmente 4 a 1000 poises, muito especialmente, de preferência 4 a 100 poises e especialmente preferencialmente 5 a 50 poises.In steps b and c of the second preferred variant of the main aspect method, a silicate solution is prepared with a viscosity of 2 to 10,000 poises, preferably 3 to 70,000 poises, especially 4 to 6000 poises, especially preferably 4 to 1000 poises, most especially, preferably 4 to 100 poises and especially preferably 5 to 50 poises.
Na etapa c do aspecto principal e de duas variantes preferenciais do processo de precipitação de acordo com a invenção, a solução de silicato da etapa b é adicionada à alimentação e o dióxido de silício, por isso, é precipitado. É necessário assegurar que o agente de acidificação esteja presente sempre em excesso. Adição da solução de silicato, por isso, realiza-se de tal modo que o valor de pH da solução de reação é sempre menos de 2, preferencialmente menos de 1,5, especialmente preferencialmente menos de 1, muito especialmente preferencialmente menos de 0,5 e especialmente preferencialmente é 0,01 a 0,5. Agente de acidificação adicional pode ser adicionado se necessário. A temperatura da solução de reação é mantida, durante a adição da solução de silicato, de 20 a 95°C, preferencialmente 30 a 90°C, especialmente preferencialmente de 40 a 80°C, por aquecimento ou resfriamento do vaso de precipitação.In step c of the main aspect and two preferred variants of the precipitation process according to the invention, the silicate solution from step b is added to the feed and the silicon dioxide is therefore precipitated. It is necessary to ensure that the acidifying agent is always present in excess. Addition of the silicate solution therefore takes place in such a way that the pH value of the reaction solution is always less than 2, preferably less than 1.5, especially preferably less than 1, very especially preferably less than 0, 5 and especially preferably it is 0.01 to 0.5. Additional acidifying agent can be added if necessary. The temperature of the reaction solution is maintained, during the addition of the silicate solution, from 20 to 95 ° C, preferably 30 to 90 ° C, especially preferably from 40 to 80 ° C, by heating or cooling the precipitation vessel.
Os inventores encontraram que precipitados que podem ser filtrados particularmente facilmente são obtidos se a solução de silicato introduzir a alimentação e/ou suspensão de precipitação na forma de gotículas. Por isso, em uma modalidade preferencial da presente invenção, cuidado é tomado para assegurar que a solução de silicato introduza a alimentação e/ou suspensão de precipitação na forma de gotículas. Isto por exemplo, pode ser alcançado pela adição da solução de silicato gota a gota para a alimentação. Isto pode envolver um dispositivo de medição disposto fora da suspensão de alimentação/precipitação e/ou mergulhado naThe inventors have found that precipitates that can be filtered out particularly easily are obtained if the silicate solution introduces the feed and / or suspension of precipitation in the form of droplets. Therefore, in a preferred embodiment of the present invention, care is taken to ensure that the silicate solution introduces the feed and / or suspension of precipitation in the form of droplets. This, for example, can be achieved by adding the silicate solution dropwise to the feed. This may involve a measuring device disposed outside the feed / precipitation suspension and / or immersed in the
31/114 suspensão de alimentação/precipitação.11/31 feeding / precipitation suspension.
Na primeira variante especialmente preferencial do método do aspecto principal, isto é, o método com vidro solúvel de baixa viscosidade, resultou particularmente vantajoso se a alimentação/suspensão de precipitação é posta em movimento, por exemplo, por agitação ou bombeamento, de tal modo que a velocidade de fluxo medida em uma região que é delimitada pela metade do raio do vaso de precipitação ± 5 cm e a superfície da solução de reação por 10 cm abaixo da superfície de reação, é de 0,001 a 10 m/s, preferencialmente 0,005 a 8 m/s, especialmente preferencialmente 0,01 a 5 m/s, bastante especialmente 0,01 a 4 m/s, especialmente preferencialmente 0,01 a 2 m/s e muito especialmente, de preferência entre 0,01 a 1 m/s.In the first particularly preferred variant of the main aspect method, that is, the low viscosity soluble glass method, it was particularly advantageous if the precipitation feed / suspension is set in motion, for example, by agitation or pumping, such that the flow velocity measured in a region that is bounded by half the radius of the precipitation vessel ± 5 cm and the surface of the reaction solution per 10 cm below the reaction surface, is 0.001 to 10 m / s, preferably 0.005 to 8 m / s, especially preferably 0.01 to 5 m / s, quite especially 0.01 to 4 m / s, especially preferably 0.01 to 2 m / s and very especially, preferably between 0.01 to 1 m / s s.
Sem estarem ligados a uma teoria particular, os inventores são da visão que em razão da baixa velocidade de fluxo, há muito pouca distribuição da solução de silicato de entrada imediatamente após introduzir a suspensão de alimentação/precipitação. Como resultado, gelificação ocorre rapidamente no envoltório externo das gotículas de solução de silicato de entrada ou correntes de solução de silicato, antes que impurezas possam ser confinadas dentro das partículas. Através da seleção ótima da velocidade de fluxo da suspensão de alimentação/precipitação é, por isso, possível melhorar a pureza do produto obtido.Without being bound by a particular theory, the inventors are of the view that due to the low flow rate, there is very little distribution of the inlet silicate solution immediately after introducing the feed / precipitation suspension. As a result, gelation occurs rapidly in the outer envelope of the droplets of incoming silicate solution or streams of silicate solution, before impurities can be confined within the particles. By selecting the optimum flow rate of the feed / precipitation suspension, it is therefore possible to improve the purity of the product obtained.
Pela combinação de uma velocidade de fluxo otimizada com introdução da solução de silicato na medida do possível na forma de gotículas, este efeito possa ser ainda aumentado, para que uma modalidade do método de acordo com a invenção, na qual a solução de silicato é introduzida na forma de goticula em uma suspensão de alimentação/precipitação em uma velocidade de fluxo, medida em uma região d que é delimitada pela metade do raio do vaso de precipitação ± 5 cm e a superfície da solução de reação por 10 cm abaixo da superfície de reação, de 0,001 a 10 m/s, preferencialmente 0,005 a 8 m/s, especialmente preferencialmente 0,01 a 5 m/s, bastante especialmente 0,01 a 4 m/s, especialmente preferencialmente 0,01 a 2 m/s e muito especialmente, deBy combining an optimized flow rate with the introduction of the silicate solution as far as possible in the form of droplets, this effect can be further enhanced, so that a modality of the method according to the invention, in which the silicate solution is introduced in the form of a droplet in a feed / precipitation suspension at a flow rate, measured in a region d which is bounded by half the radius of the precipitation vessel ± 5 cm and the surface of the reaction solution by 10 cm below the surface of reaction, from 0.001 to 10 m / s, preferably 0.005 to 8 m / s, especially preferably 0.01 to 5 m / s, quite especially 0.01 to 4 m / s, especially preferably 0.01 to 2 m / s very especially,
32/114 preferência entre 0,01 a 1 m/s. Deste modo é ainda possível produzir partículas de dióxido de silício que podem ser filtradas muito facilmente (ver as figuras 1 e 2). Ao contrário em métodos nos quais há uma alta velocidade de fluxo na suspensão de alimentação/precipitação, partículas muito finas são formadas, as ditas partículas são muito difíceis de filtrar.32/114 preferably between 0.01 to 1 m / s. In this way it is also possible to produce particles of silicon dioxide that can be filtered very easily (see figures 1 and 2). Unlike methods in which there is a high flow rate in the feed / precipitation suspension, very fine particles are formed, said particles are very difficult to filter.
Na segunda modalidade preferencial do aspecto principal da presente invenção, isto é, em caso de uso de vidro solúvel de alta viscosidade, particularmente puro e facilmente filtrável precipita do mesmo modo a forma em consequência de gota a gota a adição da solução de silicato. Sem estarem ligados a uma teoria particular, os inventores são da visão que a alta viscosidade da solução de silicato, em conjunto com o valor de pH, significa que após a etapa c) precipitado facilmente filtrado é formado e que há pouco se algum acúmulo de impurezas nas cavidades internas das partículas de dióxido de silício, porque devido à alta viscosidade a forma de gotícula da solução de silicato adicionada gota a gota é basicamente conservada e a gotícula não for finamente distribuída antes que gelificação/cristalização comece na superfície da gotícula. Uma solução de silicato alcalino e/ou alcalinoterroso pode ser usada como solução de silicato, preferencialmente uma solução de silicato alcalino, especialmente preferencialmente solução de silicato de sódio (vidro solúvel) e/ou silicato de potássio é usada. Misturas de várias soluções de silicato também podem ser usadas. Soluções de silicato alcalino têm a vantagem que os íons alcalinos podem ser facilmente separados por lavagem. A viscosidade pode ser ajustada, por exemplo, pela concentração de soluções de silicato comercialmente disponíveis por evaporação, ou dissolução do silicato em água.In the second preferred embodiment of the main aspect of the present invention, that is, in the case of using high-viscosity soluble glass, particularly pure and easily filterable precipitates the form as a result of the addition of the silicate solution dropwise. Without being linked to a particular theory, the inventors are of the view that the high viscosity of the silicate solution, together with the pH value, means that after step c) easily filtered precipitate is formed and that there is little if any accumulation of impurities in the internal cavities of the silicon dioxide particles, because due to the high viscosity the droplet form of the silicate solution added dropwise is basically conserved and the droplet is not finely distributed before gelation / crystallization begins on the droplet surface. An alkaline and / or alkaline earth silicate solution can be used as a silicate solution, preferably an alkaline silicate solution, especially preferably sodium silicate solution (soluble glass) and / or potassium silicate is used. Mixtures of various silicate solutions can also be used. Alkaline silicate solutions have the advantage that alkaline ions can be easily separated by washing. Viscosity can be adjusted, for example, by the concentration of commercially available silicate solutions by evaporation, or by dissolving the silicate in water.
Como afirmado acima, pela escolha adequada da viscosidade da solução de silicato e/ou da velocidade de agitação, a filtrabilidade das partículas pode ser melhorada, porque partículas com uma forma especial são obtidas. A presente invenção, por isso, relaciona-se a partículas de óxido de silício purificadas, em particular partículas de dióxido de silício preferencialmente com um diâmetro externo de 0,1 a 10 mm, especialmenteAs stated above, by properly choosing the viscosity of the silicate solution and / or the stirring speed, the filterability of the particles can be improved, because particles with a special shape are obtained. The present invention therefore relates to purified silicon oxide particles, in particular silicon dioxide particles, preferably with an external diameter of 0.1 to 10 mm, especially
33/114 preferencialmente 0,3 a 9 mm e muito especialmente, de preferência entre 2 a 8 mm. Em uma primeira modalidade especial da presente da invenção, as ditas partículas de dióxido de silício têm uma forma anelar, isto é, têm um buraco no meio (ver figura 1a) e sua forma, por isso, pode ser comparada a uma rosca em miniatura. As partículas anelares podem ser substancialmente de uma forma redonda, mas também uma forma mais oval.33/114 preferably 0.3 to 9 mm and most especially, preferably between 2 to 8 mm. In a first special embodiment of the present invention, said silicon dioxide particles have an annular shape, that is, they have a hole in the middle (see figure 1a) and their shape, therefore, can be compared to a miniature thread . The ring particles can be substantially round in shape, but also more oval in shape.
Em uma segunda modalidade especial do presente processo de precipitação de acordo com a invenção, as partículas de dióxido de silicio têm uma forma que é comparável a um chapéu de cogumelo ou medusa, isto é, em vez do buraco da partícula forma de rosca descrita acima, no meio da estrutura principal anelar há preferencialmente uma camada do dióxido de silício fina, isto é, mais fina do que a parte anelar, que é coberta em um lado (ver figura 2a), estirada sobre a abertura interna do anel. Se forem postas estas partículas na base com o lado coberto para baixo e os examinarmos verticalmente de cima, as partículas correspondem a um prato com um fundo coberto, uma borda superior bastante maciça, isto é, espessa e um fundo um pouco mais fino na região da cúpula.In a second special embodiment of the present precipitation process according to the invention, the silicon dioxide particles have a shape that is comparable to a mushroom or jellyfish hat, that is, instead of the screw-shaped particle hole described above , in the middle of the main annular structure there is preferably a thin layer of silicon dioxide, that is, thinner than the annular part, which is covered on one side (see figure 2a), stretched over the inner opening of the ring. If these particles are placed on the base with the covered side down and we examine them vertically from above, the particles correspond to a plate with a covered bottom, a rather massive upper edge, that is, thick and a slightly thinner bottom in the region the dome.
Sem estarem ligados a uma teoria particular, os inventores são da visão que as condições ácidas na solução de alimentação/reação em conjunto com adição gota a gota da solução de silicato, mais a viscosidade e a velocidade de fluxo da suspensão de alimentação/precipitação, tem o efeito que as gotículas da solução de silicato começam a gelificar/precipitar em sua superfície imediatamente no contato com o ácido, e ao mesmo tempo a gotícula é deformada pelo movimento da gotícula na solução/alimentação de reação. Dependendo das condições de reação, aparentemente as partículas em forma de chapéu de cogumelo com movimento mais lento das gotículas, ao passo que as partículas em forma de rosca são formadas com movimento mais rápido das gotículas.Without being bound by a particular theory, the inventors are of the view that the acidic conditions in the feed / reaction solution together with dropwise addition of the silicate solution, plus the viscosity and flow rate of the feed / precipitation suspension, it has the effect that the droplets of the silicate solution start to gel / precipitate on its surface immediately on contact with the acid, and at the same time the droplet is deformed by the movement of the droplet in the solution / reaction feed. Depending on the reaction conditions, apparently the mushroom-like particles with slower droplet movement, whereas the donut-shaped particles are formed with faster droplet movement.
A presente invenção também refere-se a um processo de precipitação no qual, após a etapa c, as partículas de dióxido de silício anteriormente descritas das modalidades roscas e chapéus de cogumeloThe present invention also relates to a precipitation process in which, after step c, the silicon dioxide particles previously described in the mushroom cap and thread modalities
34/114 são produzidas ou processadas ainda em pelo menos uma etapa.34/114 are produced or processed in at least one stage.
O dióxido de silício obtido após precipitação, isto é, no aspecto principal e as variantes preferenciais do aspecto principal como a etapa c., é separado em outros constituintes da suspensão de precipitação (no aspecto principal e as variantes preferenciais da etapa d do aspecto principal). Dependendo da filtrabilidade do precipitado, isto pode ser realizado por técnicas de filtração convencionais conhecidas por um versado na técnica, por exemplo, com filtros prensa ou filtros rotativos. Em caso de precipitados com filtrabilidade ruim, separação também pode ser realizada por centrifugação e/ou decantação dos constituintes líquidos da suspensão de precipitação.The silicon dioxide obtained after precipitation, that is, in the main aspect and the preferred variants of the main aspect such as step c., Are separated into other constituents of the precipitation suspension (in the main aspect and the preferred variants of step d of the main aspect) ). Depending on the filterability of the precipitate, this can be accomplished by conventional filtration techniques known to one skilled in the art, for example, with press filters or rotary filters. In case of precipitates with poor filterability, separation can also be carried out by centrifuging and / or decanting the liquid components of the precipitation suspension.
Após separação do sobrenadante, o precipitado é lavado, assegurando, com um meio de lavagem adequado, que o pH do meio lavável durante a lavagem, e dessa forma também do óxido de silício purificado, em particular dióxido de silicio, é menor que 2, preferencialmente menor que 1,5, especialmente preferencialmente menor que 1, muito especialmente, de preferência 0,5 e especialmente preferencialmente 0,01 a 0,5.After separating the supernatant, the precipitate is washed, ensuring, with a suitable washing medium, that the pH of the washable medium during washing, and thus also of the purified silicon oxide, in particular silicon dioxide, is less than 2, preferably less than 1.5, especially preferably less than 1, most especially, preferably 0.5 and especially preferably 0.01 to 0.5.
Os meios de lavagem podem ser preferencialmente soluções aquosas de ácidos orgânicos e/ou inorgânicos solúveis em água, por exemplo, os ácidos acima mencionados ou ácido fumárico, ácido oxálico, ácido fórmico, ácido acético ou outros ácidos orgânicos conhecidos por um versado na técnica, que eles mesmos não contribuem para a contaminação do óxido de silício purificado, se não puderem ser removidos completamente com água de alta pureza. Geralmente, por isso, todos os ácidos orgânicos, solúveis em água, em particular compostos dos elementos C, H e O, são preferenciais tanto como agente de acidificação como no meio de lavagem, porque eles mesmos não contribuem para a contaminação da etapa de redução subsequente. O agente de acidificação usado na etapa a. e c. ou misturas do mesmo na forma diluída ou não diluída são preferencialmente usados.The washing means may preferably be aqueous solutions of water-soluble organic and / or inorganic acids, for example, the aforementioned acids or fumaric acid, oxalic acid, formic acid, acetic acid or other organic acids known to one skilled in the art, that they themselves do not contribute to the contamination of the purified silicon oxide if they cannot be removed completely with high purity water. Generally, therefore, all water-soluble organic acids, in particular compounds of the elements C, H and O, are preferred both as an acidifying agent and in the washing medium, because they themselves do not contribute to the contamination of the reduction step. subsequent. The acidifying agent used in step a. and c. or mixtures thereof in diluted or undiluted form are preferably used.
O meio de lavagem pode se necessário também compreenderThe washing medium may, if necessary, also comprise
35/114 uma mistura de água e solventes orgânicos. Solventes adequados são alcoóis de alta pureza, tais como metanol e etanol, esterificação possível não interfere na redução subsequente ao silício.35/114 a mixture of water and organic solvents. Suitable solvents are high-purity alcohols, such as methanol and ethanol, possible esterification does not interfere with the subsequent reduction to silicon.
A fase aquosa preferencialmente não contém nenhum solvente orgânico, tal como alcoóis, e/ou nenhuma substância orgânica, polimérica.The aqueous phase preferably does not contain any organic solvent, such as alcohols, and / or no organic, polymeric substance.
No método de acordo com a invenção, não é normalmente necessário adicionar agentes quelantes à suspensão de precipitação ou durante a purificação. No entanto, a presente invenção também inclui métodos nos quais, para a estabilização de complexos metálicos solúveis em ácidos, um agente metálico complexante, tal como EDTA, é adicionado à suspensão de precipitação ou a um meio de lavagem. Opcionalmente é, por isso, possível adicionar um agente quelante ao meio de lavagem ou agitar o dióxido de silício precipitado em um meio de lavagem com valor de pH correspondente de menos de 2, preferencialmente menos de 1,5, especialmente preferencialmente menos de 1, muito especialmente, de preferência 0,5 e especialmente preferencialmente 0,01 a 0,5, contendo um agente quelante. Preferencialmente, entretanto, lavagem com o meio de lavagem acidico realiza-se imediatamente após separação do dióxido de silício precipitado, sem etapas adicionais que são realizadas.In the method according to the invention, it is not normally necessary to add chelating agents to the precipitation suspension or during purification. However, the present invention also includes methods in which, for the stabilization of acid-soluble metal complexes, a complexing metal agent, such as EDTA, is added to the precipitation suspension or to a washing medium. Therefore, it is optionally possible to add a chelating agent to the washing medium or to stir the precipitated silicon dioxide in a washing medium with a corresponding pH value of less than 2, preferably less than 1.5, especially preferably less than 1, most especially, preferably 0.5 and especially preferably 0.01 to 0.5, containing a chelating agent. Preferably, however, washing with the acidic washing medium is carried out immediately after separation of the precipitated silicon dioxide, without additional steps being carried out.
É também possível adicionar um peróxido para marcação em cor, como um indicador de impurezas metálicas indesejáveis. Por exemplo, hidroperóxido pode ser adicionado à suspensão de precipitação ou o meio de lavagem, a fim de indicar, por cor, a presença de impurezas de titânio. A marcação é em geral também possível com outros agentes complexantes orgânicos, que por sua parte não causam interferência no processo de redução subsequente. Geralmente isto inclui todos os agentes complexantes baseados nos elementos C, H e O, e o elemento N também pode ser adicionado vantajosamente no agente complexante. Por exemplo, para a formação de nitreto de silício, que vantajosamente se decompõe novamente no processo subsequente.It is also possible to add a peroxide for color marking, as an indicator of undesirable metallic impurities. For example, hydroperoxide can be added to the precipitation suspension or the washing medium in order to indicate, by color, the presence of titanium impurities. Marking is generally also possible with other organic complexing agents, which in turn do not interfere with the subsequent reduction process. This generally includes all complexing agents based on elements C, H and O, and element N can also be advantageously added to the complexing agent. For example, for the formation of silicon nitride, which advantageously decomposes again in the subsequent process.
Lavagem é continuada até que o dióxido de silício tenha a pureza desejada. Isto pode ser reconhecido, por exemplo, quando aWashing is continued until the silicon dioxide is of the desired purity. This can be recognized, for example, when the
36/114 suspensão de lavagem contém um peróxido e já não tem uma coloração amarela visível. Se o processo de precipitação de acordo com a invenção for realizado sem adição de um peróxido que forma um composto colorido amarelo/laranja com íons Ti(IV), então em cada etapa de lavagem uma pequena amostra da suspensão de lavagem pode ser tomada e um peróxido correspondente deve ser adicionado a ela. Este processo é continuado até que a amostra tomada já não forneça uma coloração amarela/laranja visível após adição do peróxido. É necessário assegurar que o valor de pH do meio de lavagem e dessa forma também aquele do óxido de silício purificado, em particular dióxido de silício, até este ponto do tempo é menos de 2, preferencialmente menos de 1,5, especialmente preferencialmente menos de 1, muito especialmente, de preferência 0,5 e especialmente preferencialmente é 0,01 a 0,5.36/114 wash suspension contains a peroxide and is no longer visible yellow. If the precipitation process according to the invention is carried out without adding a peroxide that forms a yellow / orange colored compound with Ti (IV) ions, then in each washing step a small sample of the washing suspension can be taken and a corresponding peroxide must be added to it. This process is continued until the sample taken no longer gives a visible yellow / orange color after adding the peroxide. It is necessary to ensure that the pH value of the washing medium and thus also that of the purified silicon oxide, in particular silicon dioxide, up to this point in time is less than 2, preferably less than 1.5, especially preferably less than 1, most especially, preferably 0.5 and especially preferably it is 0.01 to 0.5.
O dióxido de silício dessa forma lavado e purificado,é lavado ainda preferencialmente com água destilada ou água deionizada, até que o valor de pH do dióxido de silício obtido esteja na faixa 4 a 7,5 e/ou a condutividade da suspensão de lavagem seja menor ou igual a 9 pS/cm, preferencialmente menor ou igual a 5 pS/cm. Isto assegura que qualquer resíduo ácido que adere ao dióxido de silício foi adequadamente removido.The silicon dioxide thus washed and purified, is still preferably washed with distilled water or deionized water, until the pH value of the silicon dioxide obtained is in the range 4 to 7.5 and / or the conductivity of the wash suspension is less than or equal to 9 pS / cm, preferably less than or equal to 5 pS / cm. This ensures that any acidic residue that adheres to silicon dioxide has been properly removed.
Separação pode ser realizada com medidas usuais que são bem conhecidas por um versado na técnica, tais como filtração, decantação, centrifugação e sedimentação, contanto que o nível de impureza dos precipitados por ácido, óxido de silício purificado não seja agravada novamente por estas medidas.Separation can be carried out with usual measures that are well known to one skilled in the art, such as filtration, decantation, centrifugation and sedimentation, as long as the level of impurity of the precipitates by acid, purified silicon oxide is not aggravated again by these measures.
Para precipitados com filtrabilidade ruim, pode ser vantajoso realizar lavagem tendo o meio de lavagem escoando abaixo no precipitado em um cesto de filtro de malha fina.For precipitates with poor filterability, it may be advantageous to perform washing by having the washing medium draining down into the precipitate in a fine mesh filter basket.
O dióxido de silício purificado, em particular dióxido de silício de alta pureza dessa forma obtido pode ser ainda seco e processado. Secagem pode ser realizada por todos os métodos conhecidos por um versado na técnica, por exemplo, com secadores de banda, secadores prateleira, secadores de tambor etc.The purified silicon dioxide, in particular high purity silicon dioxide thus obtained, can be further dried and processed. Drying can be carried out by all methods known to one skilled in the art, for example, with band dryers, shelf dryers, drum dryers etc.
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É recomendado triturar o dióxido de silício seco, obter uma faixa ótima de tamanho de partícula para processamento adicional ao silício de grau solar. As técnicas para trituração opcional do dióxido de silício de acordo com a invenção são conhecidas por um versado na técnica e podem ser encontradas, por exemplo, em Ullmann, 5th edition, B2, 5-20. Preferencialmente, a trituração é realizada em moinhos em contracorrente de leito fluidizado a fim de minimizar ou evitar a contaminação do dióxido de silício de alta pureza com metal desgastado das paredes do moinho. Os parâmetros de trituração são selecionados tais que as partículas obtidas tenham um tamanho de partícula médio d5o de 1 a 100 pm, preferencialmente 3 a 30 pm, especíalmente preferencialmente 5 a 15 pm.It is recommended to grind dry silicon dioxide, obtain an optimal particle size range for further processing to solar grade silicon. The techniques for optional crushing of silicon dioxide according to the invention are known to one skilled in the art and can be found, for example, in Ullmann, 5th edition, B2, 5-20. Preferably, crushing is carried out in countercurrent fluidized bed mills in order to minimize or avoid contamination of high-purity silicon dioxide with worn metal from the mill walls. The grinding parameters are selected such that the particles obtained have an average particle size d 5 o of 1 to 100 pm, preferably 3 to 30 pm, especially preferably 5 to 15 pm.
Os óxidos de silício preparados e purificados conforme a invenção preferencialmente têm o perfil de impurezas definido acima para dióxido de silício purificado, puro ou de alta pureza, mas também podem ter as seguintes quantidades de impurezas:The silicon oxides prepared and purified according to the invention preferably have the impurity profile defined above for purified, pure or high purity silicon dioxide, but they can also have the following amounts of impurities:
a. Alumínio entre 0,001 ppm e 5 ppm, preferencialmente 0,01 ppm a 0,2 ppm, especialmente preferencialmente 0,02 a 0,1, muito especialmente, de preferência entre 0,05 a 0,8 e especíalmente preferencialmente 0,1 a 0,5 ppm,The. Aluminum between 0.001 ppm and 5 ppm, preferably 0.01 ppm to 0.2 ppm, especially preferably 0.02 to 0.1, most especially, preferably between 0.05 to 0.8 and especially preferably 0.1 to 0 , 5 ppm,
b. Boro menos de 1 ppm, preferencialmente 0,001 ppm a 0,099 ppm, especíalmente preferencialmente 0,001 ppm a 0,09 ppm e muito especíalmente, de preferência entre 0,01 ppm a 0,08 ppmB. Boron less than 1 ppm, preferably 0.001 ppm to 0.099 ppm, especially preferably 0.001 ppm to 0.09 ppm and very especially, preferably between 0.01 ppm to 0.08 ppm
c. Cálcio menor ou igual a 1 ppm, 0,001 ppm a 0,3 ppm, especíalmente preferencialmente 0,01 ppm a 0,3 ppm e muito especialmente, de preferência entre 0,05 a 0,2 ppmç. Calcium less than or equal to 1 ppm, 0.001 ppm to 0.3 ppm, especially preferably 0.01 ppm to 0.3 ppm and most especially, preferably between 0.05 to 0.2 ppm
d. Ferro menor ou igual a 5 ppm, preferencialmente 0,001 ppm a 3 ppm, especialmente preferencialmente 0,05 ppm a 3 ppm e muito especialmente, de preferência 0,01 a 1 ppm, especíalmente preferencialmente 0,01 ppm a 0,8 ppm e muito especialmente, de preferência 0,05 a 0,5 ppmd. Iron less than or equal to 5 ppm, preferably 0.001 ppm to 3 ppm, especially preferably 0.05 ppm to 3 ppm and most especially, preferably 0.01 to 1 ppm, especially preferably 0.01 ppm to 0.8 ppm and much especially, preferably 0.05 to 0.5 ppm
e. Níquel menor ou igual a 1 ppm, preferencialmente 0,001 ppm a 0,8 ppm, especialmente preferencialmente 0,01 ppm a 0,5 ppm e muitoand. Nickel less than or equal to 1 ppm, preferably 0.001 ppm to 0.8 ppm, especially preferably 0.01 ppm to 0.5 ppm and much
38/114 especialmente, de preferência 0,05 ppm a 0,4 ppm38/114 especially, preferably 0.05 ppm to 0.4 ppm
f. Fósforo menos de 10 ppm, preferencialmente menos de 5, especialmente preferencialmente menos de 1, muito especialmente, de preferência 0,001 ppm a 0,099 ppm, especialmente preferencialmente 0,001 ppm a 0,09 ppm e muito especialmente, de preferência entre 0,01 ppm a 0,08 ppmf. Phosphorus less than 10 ppm, preferably less than 5, especially preferably less than 1, very especially, preferably 0.001 ppm to 0.099 ppm, especially preferably 0.001 ppm to 0.09 ppm and very especially, preferably between 0.01 ppm to 0 .08 ppm
g. Titânio menor ou igual a 1 ppm, 0,001 ppm a 0,8 ppm, especialmente preferencialmente 0,01 ppm a 0,6 ppm e muito especialmente, de preferência 0,1 a 0,5 ppmg. Titanium less than or equal to 1 ppm, 0.001 ppm to 0.8 ppm, especially preferably 0.01 ppm to 0.6 ppm and most especially, preferably 0.1 to 0.5 ppm
h. Zinco menor ou igual a 1 ppm, preferencialmente 0,001 ppm a 0,8 ppm, especialmente preferencialmente 0,01 ppm a 0,5 ppm e muito especialmente, de preferência 0,05 ppm a 0,3 ppm a soma das impurezas acima mencionadas mais sódio e potássio sendo menos de 10 ppm, preferencialmente menos de 4 ppm, especialmente preferencialmente menos de 3 ppm, muito especialmente, de preferência 0,5 a 3 ppm e especialmente preferencialmente 1 ppm a 3 ppm.H. Zinc less than or equal to 1 ppm, preferably 0.001 ppm to 0.8 ppm, especially preferably 0.01 ppm to 0.5 ppm and most especially, preferably 0.05 ppm to 0.3 ppm the sum of the impurities mentioned above plus sodium and potassium being less than 10 ppm, preferably less than 4 ppm, especially preferably less than 3 ppm, most especially, preferably 0.5 to 3 ppm and especially preferably 1 ppm to 3 ppm.
Os dióxidos de silício de alta pureza de acordo com a invenção podem estar nas formas de apresentação anteriormente descritas, isto é, como partículas em forma de rosca ou como partículas em forma de chapéu de cogumelo ou em formas de partícula convencionais. Entretanto, também podem ser trituradas, comprimidas a grânulos ou briquetes por métodos conhecidos por um versado na técnica. Se as partículas tiverem sido trituradas, isto é, estão na forma de partícula convencional, podem ter preferencialmente um tamanho de partícula médio d5o de 1 a 100 pm, especialmente preferencialmente 3 a 30 pm e muito especialmente, de preferência 5 a 15 pm. Partículas em forma de rosca ou em forma de chapéu de cogumelo preferencialmente tem um tamanho de partícula médio d50 de 0,1 a 10 mm, especialmente preferencialmente 0,3 a 9 mm e muito especialmente, de preferência 2 a 8 mm.The high-purity silicon dioxides according to the invention can be in the forms of presentation described above, that is, as screw-shaped particles or as mushroom hat-shaped particles or in conventional particle shapes. However, they can also be crushed, compressed to granules or briquettes by methods known to one skilled in the art. If the particles have been crushed, that is, they are in the form of conventional particle, they may preferably have an average particle size d 5 o from 1 to 100 pm, especially preferably 3 to 30 pm and most especially, preferably 5 to 15 pm . Donut-shaped or mushroom-shaped particles preferably have an average particle size d 50 of 0.1 to 10 mm, especially preferably 0.3 to 9 mm and most especially, preferably 2 to 8 mm.
Os óxidos de silício purificados, em particular dióxidos de silício de alta pureza, são ainda processados de acordo com a invenção a silício puro para o de alta pureza para a indústria de energia solar, ou uma porçãoThe purified silicon oxides, in particular high purity silicon dioxides, are further processed according to the invention to pure silicon for high purity silicon for the solar industry, or a portion
39/114 do mesmo é alternativamente usada como descrito abaixo. De acordo com a invenção, os óxidos de silício purificados, em particular dióxidos de silício de alta pureza, são reagidos com uma fonte de carbono puro, tal como um carbono de alta pureza, carboneto de silício e/ou açúcares puros.39/114 thereof is used alternatively as described below. According to the invention, purified silicon oxides, in particular high purity silicon dioxides, are reacted with a source of pure carbon, such as a high purity carbon, silicon carbide and / or pure sugars.
O método de acordo com a invenção não compreende normalmente uma etapa de calcinação para o dióxido de silício. Entretanto, isto não exclui a possibilidade que o óxido de silício obtido possa ser submetido a um pós-tratamento térmico, em particular tratamento de calcinação, preferencialmente em temperaturas entre 900 e 2000 C, especialmente preferencialmente em torno de 1400°C, a fim de remover as impurezas contendo nitrogênio e contendo enxofre.The method according to the invention does not normally comprise a calcination step for silicon dioxide. However, this does not exclude the possibility that the obtained silicon oxide can be subjected to a thermal post-treatment, in particular calcination treatment, preferably at temperatures between 900 and 2000 C, especially preferably around 1400 ° C, in order to remove nitrogen and sulfur-containing impurities.
O óxido de silício purificado obtenível por precipitação de acordo com a invenção, em particular o dióxido de silício purificado tem um conteúdo dos elementos alumínio, boro, cálcio, ferro, níquel, fósforo, titânio e/ou zinco cada um separadamente ou em combinação, como foi definido acima e preferencialmente tem melhor filtrabilidade.The purified silicon oxide obtainable by precipitation according to the invention, in particular the purified silicon dioxide has a content of the elements aluminum, boron, calcium, iron, nickel, phosphorus, titanium and / or zinc each separately or in combination, as defined above and preferably has better filterability.
Em uma modalidade alternativa do método descrito acima para a produção de óxido de silício de alta pureza é também possível converter o óxido de silício contaminado em uma forma dissolvida e, por exemplo, produzir um dióxido de silício de alta pureza a partir desta solução pelo método acima mencionado.In an alternative embodiment of the method described above for the production of high purity silicon oxide it is also possible to convert the contaminated silicon oxide into a dissolved form and, for example, to produce a high purity silicon dioxide from this solution by the method above mentioned.
Por isso, a invenção também refere-se ao uso de pelo menos um óxido de silício contendo impurezas para a produção de silício, em particular adequado como silício de grau solar ou adequado para a produção de silício de grau solar, preferencialmente do silício puro de acordo com a definição acima mencionada, compreendendo as seguintes etapas,Therefore, the invention also relates to the use of at least one silicon oxide containing impurities for the production of silicon, in particular suitable as solar grade silicon or suitable for the production of solar grade silicon, preferably pure silicon of according to the aforementioned definition, comprising the following steps,
I) a conversão do óxido de silício contendo impurezas para um silicato dissolvido em fase aquosa, em particular para uma solução de silicato aquosa,I) converting the silicon oxide containing impurities to a silicate dissolved in an aqueous phase, in particular to an aqueous silicate solution,
II) adição do silicato dissolvido em fase aquosa, em particular a solução de silicato aquosa, a uma solução aquosa, acídica, com as impurezas permanecendo em solução, em particular o valor de pH e/ou aII) addition of the silicate dissolved in the aqueous phase, in particular the aqueous silicate solution, to an aqueous, acidic solution, with the impurities remaining in solution, in particular the pH value and / or the
40/114 adição é selecionado de forma que na medida do possível todas as impurezas permaneçam em solução a partir do início da adição até o final da adição, e um precipitado do dióxido de silício purificado seja obtido.40/114 addition is selected so that as far as possible all impurities remain in solution from the beginning of the addition until the end of the addition, and a precipitate of the purified silicon dioxide is obtained.
Outro objeto é um método pelo qual o óxido de silício dessa forma obtido - como descrito em detalhes abaixo - na etapaAnother object is a method by which silicon oxide thus obtained - as described in detail below - in step
III) é convertido em silício na presença de pelo menos uma ou mais fontes de carbono e opcionalmente pela adição de um ativador.III) is converted to silicon in the presence of at least one or more carbon sources and optionally by the addition of an activator.
Em particular, a etapa II) realiza-se conforme a conta acima mencionada para a produção de uma suspensão de precipitação, preferencialmente precipitação ácida realiza-se em solução aquosa opcionalmente na presença de solventes puros, com impurezas não desejadas permanecendo dissolvidas na solução acídica aquosa. O valor de pH está preferencialmente abaixo de pH = 2, como afirmado acima.In particular, step II) is performed according to the above-mentioned account for the production of a precipitation suspension, preferably acid precipitation is carried out in aqueous solution optionally in the presence of pure solvents, with unwanted impurities remaining dissolved in the aqueous acidic solution . The pH value is preferably below pH = 2, as stated above.
Um óxido de silício contendo impureza é considerado ser um óxido de silício com um conteúdo de boro, fósforo, alumínio, ferro, titânio, sódio e/ou potássio maior que 1000 ppm em peso, em particular maior que 100 ppm em peso, preferencialmente um óxido de silício ainda é considerado como óxido de silício contaminado se o conteúdo total das impurezas acima mencionada estiver acima de 10 ppm em peso.An impurity-containing silicon oxide is considered to be a silicon oxide with a boron, phosphorus, aluminum, iron, titanium, sodium and / or potassium content greater than 1000 ppm by weight, in particular greater than 100 ppm by weight, preferably one Silicon oxide is still considered to be contaminated silicon oxide if the total impurity content mentioned above is above 10 ppm by weight.
Um óxido de silício contendo impurezas também significa um dióxido de silício com um conteúdo dos seguintes elementos cada um individualmente ou em qualquer combinação parcial ou também todos em conjunto de:A silicon oxide containing impurities also means a silicon dioxide with a content of the following elements each individually or in any partial combination or also all together:
a. Alumínio acima de 6 ppm, em particular acima de 5,5 ppm, também preferencialmente ainda acima de 5 ppm, também especialmente preferencialmente ainda acima de 0,85 ppm e/ouThe. Aluminum above 6 ppm, in particular above 5.5 ppm, also preferably still above 5 ppm, also especially preferably still above 0.85 ppm and / or
b. Boro acima de 10 ppm, também preferencialmente ainda acima de 5,5 ppm, especialmente preferencialmente acima 3,5, muito especialmente, de preferência entre ainda acima de 15 ppb e/ouB. Boron above 10 ppm, also preferably still above 5.5 ppm, especially preferably above 3.5, most especially, preferably still above 15 ppb and / or
c. Cálcio acima de 2 ppm, em particular também ainda acima de 0,35 ppm, especialmente preferencialmente ainda acima de 0,025 ppm e/ouç. Calcium above 2 ppm, in particular also above 0.35 ppm, especially preferably above 0.025 ppm and / or
d. Ferro acima de 23 ppm, em particular acima de 15 ppm,d. Iron above 23 ppm, in particular above 15 ppm,
41/114 preferencíalmente ainda acima de 0,65 ppm e/ou41/114 preferably still above 0.65 ppm and / or
e. Níquel acima de 15 ppm, em particular acima de 5,5 ppm, especialmente preferencialmente ainda acima de 0,055 ppm e/ouand. Nickel above 15 ppm, in particular above 5.5 ppm, especially preferably still above 0.055 ppm and / or
f. Fósforo acima de 15 ppm, em particular acima de 5,5 ppm, especialmente preferencíalmente ainda acima de 0,1 ppm, ou também ainda acima de 15 ppb e/ouf. Phosphorus above 15 ppm, in particular above 5.5 ppm, especially preferably still above 0.1 ppm, or also above 15 ppb and / or
g. Titânio acima de 2,5 ppm, em particular acima de 1,5 ppm e/oug. Titanium above 2.5 ppm, in particular above 1.5 ppm and / or
h. Zinco acima de 3,5 ppm, em particular acima de 1,5 ppm, especialmente preferencíalmente ainda acima de 0,35 ppm, e em particular a soma das impurezas acima mencionadas mais sódio e potássio é maior do que 10 ppm, também em particular ainda acima de 5 ppm, preferencialmente acima de 4 ppm, especialmente preferencíalmente acima de 3 ppm, muito especialmente, de preferência entre acima de 1 ppm ou também ainda acima de 0,5 ppm.H. Zinc above 3.5 ppm, in particular above 1.5 ppm, especially preferably still above 0.35 ppm, and in particular the sum of the aforementioned impurities plus sodium and potassium is greater than 10 ppm, also in particular still above 5 ppm, preferably above 4 ppm, especially preferably above 3 ppm, very especially, preferably between above 1 ppm or also above 0.5 ppm.
Também em um conteúdo de boro de menos de 0,5 ppm, também em particular ainda abaixo de 0,1 ppm e/ou um conteúdo de fósforo acima de 1 ppm ou também ainda acima de 0,5 ppm, um óxido de silício é considerado como óxido de silício contendo impurezas se somente o conteúdo de pelo menos um elemento selecionado a partir do grupo de alumínio, cálcio, ferro, níquel, titânio, zinco exceder o limite afirmado acima.Also at a boron content of less than 0.5 ppm, also in particular still below 0.1 ppm and / or a phosphorus content above 1 ppm or also above 0.5 ppm, a silicon oxide is considered as silicon oxide containing impurities if only the content of at least one element selected from the group of aluminum, calcium, iron, nickel, titanium, zinc exceeds the limit stated above.
O óxido de silício purificado por todos os métodos descritos em detalhes acima, especialmente o dióxido de silício de alta pureza, pode ser usado como um material inicial no método adicional de acordo com a invenção. Pode ser usado para conversão adicional ao silício de alta pureza, isto é, etapa de redução, mas também pode ser usado em uma variante de processo como um agente antiespumante de alta pureza na produção de carbono de alta pureza. Esta variante de processo é descrita abaixo. O óxido de silício purificado por todos os processos descritos em detalhes acima também pode ser usado para produzir o carboneto de silício, que é descrito abaixo.Silicon oxide purified by all the methods described in detail above, especially high purity silicon dioxide, can be used as a starting material in the additional method according to the invention. It can be used for further conversion to high-purity silicon, ie, reduction step, but it can also be used in a process variant as a high-purity defoaming agent in the production of high-purity carbon. This process variant is described below. Silicon oxide purified by all the processes described in detail above can also be used to produce silicon carbide, which is described below.
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Produção da fonte de carbono por pirólise de açúcar usando óxido de silício como um agente antiespumanteCarbon source production by sugar pyrolysis using silicon oxide as a defoaming agent
Além de outras fontes de carbono mencionadas nesta descrição, preferencialmente as fontes de carbono naturais listadas neste, é também 5 possível obter carbono de carboidratos. Para produzir o carbono de alta pureza, nesta variante preferencial (componente do método) do método completo de acordo com a invenção para preparar silício puro, é preferencial usar uma fonte de carbono, especialmente uma fonte de carbono puro, na qual o carbono é obtido pela pirólise industrial de pelo menos um carboidrato 10 ou de uma mistura de carboidrato, especialmente de um açúcar cristalino, em temperatura elevada com adição de óxido de silício.In addition to other carbon sources mentioned in this description, preferably the natural carbon sources listed in this description, it is also possible to obtain carbohydrate carbon. To produce high-purity carbon, in this preferred variant (component of the method) of the complete method according to the invention to prepare pure silicon, it is preferable to use a carbon source, especially a pure carbon source, in which carbon is obtained by industrial pyrolysis of at least one carbohydrate 10 or a mixture of carbohydrates, especially crystalline sugar, at an elevated temperature with the addition of silicon oxide.
Foi encontrado, surpreendentemente, que adicionando óxido de silício, preferencialmente SiO2, em particular ácido silícico precipitado e/ou ácido silicico produzido pirogenicamente, o efeito de formação de espuma 15 pode ser suprimido.It has been found, surprisingly, that by adding silicon oxide, preferably SiO 2 , in particular precipitated silicic acid and / or pyrogenically produced silicic acid, the foaming effect 15 can be suppressed.
Uma vez que esta etapa envolve essencialmente a produção de carbono puro e somente uma quantidade muito pequena de óxido de silício precisa ser adicionada, não é absolutamente necessário usar um óxido de silício obtido pelo componente do método descrito em detalhes acima, 20 embora isto seja preferencial para a simplificação do processo. Em uma variante, por exemplo, o óxido de silício de alta pureza obtido pelo componente do método acima descrito pode ser usado em conjunto com uma fonte de carbono, especialmente uma fonte de carbono puro, e cloro para a reação conhecida fornecer silanos halogenados. Estes silanos podem 25 ser usados para produzir ácidos silicicos pirogênicos de ultra-alta pureza.Since this step essentially involves the production of pure carbon and only a very small amount of silicon oxide needs to be added, it is not absolutely necessary to use a silicon oxide obtained by the method component described in detail above, 20 although this is preferred to simplify the process. In a variant, for example, the high purity silicon oxide obtained by the component of the method described above can be used in conjunction with a carbon source, especially a pure carbon source, and chlorine for the known reaction to provide halogenated silanes. These silanes can be used to produce ultra-high purity pyrogenic silicic acids.
Este processo industrial para pirólise de carboidratos pode ser operado simplesmente e economicamente e sem formação de espuma nao desejada. Além disso, realizando o método somente uma fase de caramelo curta foi observada. Além disso, em uma modalidade preferencial foi 30 vantajoso, como é especialmente para economia de energia (modo de baixa temperatura), reduzir a temperatura de pirólise de, por exemplo, 1600°C a aproximadamente 700°C. O método é realizado vantajosamente acima deThis industrial process for carbohydrate pyrolysis can be operated simply and economically and without unwanted foaming. In addition, when carrying out the method, only a short caramel phase was observed. In addition, in a preferred embodiment it was advantageous, as it is especially for energy saving (low temperature mode), to reduce the pyrolysis temperature from, for example, 1600 ° C to approximately 700 ° C. The method is advantageously carried out above
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X temperaturas de pirôlise de 1300 a 15Q0aC são desejáveis, Pirôlise é realizada vantajosamente sob gás protetor e/ou pressão reduzida (vácuo). Por exemplo, em uma pressão de 0,1 kPa a 100 kPa (pressão ambiente), em particular de 100 a 1000 kPa. As substâncias usadas em particular não 5 precisam de secagem em pirôlise com um forno de micro-ondas. Os edutos podem ter uma umidade residual. Vantajosamente, o equipamento de pirôlise usado é seco antes dó início da pirôlise e purgado quase comptetamente de oxigênio por lavagem com um gás inerte, tal como nitrogênio ou Ar ou He. Preférencíalmente, argônio ou hélio são usados, O 10 tempo de pirôlise está por regra entre 1 minuto e 48 horas, preferencialmeftte entre 174 de hora ® 18 horas, em particular entre 1/4 de hora e 12 horas na temperatura da dita pirôlise, e o tempo de aquecimento para alcançar a temperatura de pirôlise desejada podem ser adicionalmente da mesma ordem, em particular entre 1/4 de hora e 8 horas .X pyrolysis temperatures from 1300 to 15 ° C to C are desirable, Pyrolysis is advantageously performed under protective gas and / or reduced pressure (vacuum). For example, at a pressure of 0.1 kPa to 100 kPa (ambient pressure), in particular from 100 to 1000 kPa. The substances used in particular do not need to be dried in pyrolysis using a microwave oven. Educts can have residual moisture. Advantageously, the pyrolysis equipment used is dried before the pyrolysis begins and purged almost entirely of oxygen by washing with an inert gas, such as nitrogen or Ar or He. Preferably, argon or helium are used. The 10 pyrolysis time is usually between 1 minute and 48 hours, preferably between 174 hours ® 18 hours, in particular between 1/4 hour and 12 hours at the temperature of said pyrolysis, and the heating time to reach the desired pyrolysis temperature can additionally be of the same order, in particular between 1/4 hour and 8 hours.
O método é por regra realizado como um processo de batetada;The method is usually carried out as a batting process;
também pode, entretanto, ser realizado contínuamente.however, it can also be done continuously.
Um produto de pirôlise com base em C obtido contendo carvão, em particular com frações de grafite e ácido sílícico e opçionalmente frações de outras formas de carbono, tais como coque, e é especíalmente baixo em 20 impurezas, por exemplo, compostos de B, P, As e Ai. Dessa forma, o produto de pirôlise pode ser usado vantajosamente como agente de redução no método completo de acordo com a invenção. Especialmente,, com base em suas propriedades de condutívidade, o produto de pirôlise contendo grafite pode ser usado em um reator de arco.A C-based pyrolysis product obtained containing charcoal, in particular with fractions of graphite and silicic acid and optionally fractions of other forms of carbon, such as coke, and is especially low in 20 impurities, for example, compounds of B, P , As and Ai. In this way, the pyrolysis product can be used advantageously as a reducing agent in the complete method according to the invention. In particular, based on its conductivity properties, the graphite-containing pyrolysis product can be used in an arc reactor.
A presente Invenção, por isso, relaciona-se a um método para pirôlise técnica, isto é, industrial de um carboidrato ou mistura de carboídratos à temperatura elevada com adição de óxido de silício, em particular óxido de silício purificado,The present invention therefore relates to a method for technical, that is, industrial, pyrolysis of a carbohydrate or mixture of carbohydrates at elevated temperature with the addition of silicon oxide, in particular purified silicon oxide,
Preferencialmente os monossacarídeos são usados como 30 componente carboidrato na pirôlise, isto é, aldoses ou cetoses, tais como trioses, tetroses, pentoses, hexoses, heptoses, especialmente glicose e frutose, mas também oligo-e polissacarideos correspondentes baseadosPreferably monosaccharides are used as a carbohydrate component in pyrolysis, that is, aldoses or ketosis, such as trioses, tetroses, pentoses, hexoses, heptoses, especially glucose and fructose, but also corresponding oligo-and polysaccharides based
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Preferencialmente os monossacarídeos são usados como componente carboidrato na pirólise, isto é, aldoses ou cetoses, tais como trioses, tetroses, pentoses, hexoses, heptoses, especialmente glicose e frutose, mas também oligo- e polissacarideos correspondentes baseados nos ditos monômeros, tais como lactose, maltose, sacarose, raffinose, - para mencionar somente alguns ou seus derivados - bem como amido, incluindo amilose e amilopectina, os glicogénios, as glicosanas e fructosanas, - para mencionar somente alguns polissacarideos. Entretanto, todos os carboidratos/açúcares descritos em detalhes abaixo para a produção de SiC podem ser usados nas purezas mencionadas lá.Preferably monosaccharides are used as a carbohydrate component in pyrolysis, that is, aldoses or ketosis, such as trioses, tetroses, pentoses, hexoses, heptoses, especially glucose and fructose, but also corresponding oligo- and polysaccharides based on said monomers, such as lactose , maltose, sucrose, raffinose, - to name just a few or their derivatives - as well as starch, including amylose and amylopectin, glycogens, glucosans and fructosans, - to name just a few polysaccharides. However, all the carbohydrates / sugars described in detail below for the production of SiC can be used in the purities mentioned there.
Opcionalmente os carboidratos acima mencionados podem ser adicionalmente purificados por um tratamento usando um trocador iônico, dissolvendo o carboidrato em um solvente adequado, vantajosamente água, passando-o através de uma coluna empacotada com uma resina de troca iônica, preferencialmente uma resina iônica ou catiônica, a solução resultante é concentrada, por exemplo, pela remoção das frações de solventes por aquecimento - em particular sob pressão reduzida - e o carboidrato dessa forma purificado é vantajosamente obtido em forma cristalina, por exemplo, pelo resfriamento da solução e subsequente separação das frações cristalinas, por exemplo, por filtração ou centrifugação. Entretanto, uma mistura de pelo menos dois dos carboidratos acima mencionados também pode ser usada como carboidrato ou componente carboidrato na pirólise.Optionally the aforementioned carbohydrates can be further purified by a treatment using an ion exchanger, dissolving the carbohydrate in a suitable solvent, advantageously water, passing it through a column packed with an ion exchange resin, preferably an ionic or cationic resin, the resulting solution is concentrated, for example, by removing the solvent fractions by heating - in particular under reduced pressure - and the carbohydrate thereby purified is advantageously obtained in crystalline form, for example, by cooling the solution and subsequently separating the crystalline fractions , for example, by filtration or centrifugation. However, a mixture of at least two of the carbohydrates mentioned above can also be used as a carbohydrate or carbohydrate component in pyrolysis.
Especialmente preferencialmente, um açúcar cristalino que está disponível em quantidades econômicas é usado, um açúcar tal que pode ser obtido, por exemplo, pela cristalização de uma solução ou um caldo da cana de açúcar ou beterraba em uma maneira bem conhecida, isto é, açúcar cristalino comercialmente disponível, por exemplo, açúcar refinado, preferencialmente um açúcar cristalino com faixa de ponto de fusão/amolecimento substância-específica e um tamanho de partícula médio de 1 pm a 10 cm, especialmente preferencialmente de 10 pm a 1 cm, em particular de 100 pm a 0,5 cm. O tamanho de partícula pode serEspecially preferably, a crystalline sugar that is available in economical quantities is used, a sugar such that it can be obtained, for example, by the crystallization of a solution or a broth from sugar cane or beet in a well-known manner, that is, sugar commercially available crystalline, for example, refined sugar, preferably a crystalline sugar with a substance-specific melting / softening range and an average particle size from 1 pm to 10 cm, especially preferably from 10 pm to 1 cm, in particular from 100 pm at 0.5 cm. The particle size can be
45/114 determinado, por exemplo, - mas não exclusivamente - por análise de peneira, TEM, SEM ou microscopia ótica. É também possível usar um carboidrato em forma dissolvida, por exemplo, - mas não exclusivamente em solução aquosa, com o solvente sendo evaporado prontamente e mais ou menos rapidamente antes que a temperatura de pirólise real seja alcançada.45/114 determined, for example, - but not exclusively - by sieve analysis, TEM, SEM or optical microscopy. It is also possible to use a carbohydrate in dissolved form, for example - but not exclusively in aqueous solution, with the solvent being evaporated readily and more or less quickly before the actual pyrolysis temperature is reached.
O componente de óxido de silício usado em pirólise é preferencialmente SiOx com x = 0,5 a 1,5, SiO, SiOj, óxido de silício (hidrato), SiO2 aquoso ou contendo água, por exemplo, em forma de ácido silícico pirogênico ou precipitado, úmido, seco ou calcinado, por exemplo, Aerosil® ou Sipernat®, ou um ácido silícico sol ou gel, silica vítrea porosa ou densa, areia de quartzo, fibras de vidro de quartzo, fibras, por exemplo, óticas, contas de vidro de quartzo, ou misturas de pelo menos dois dos componentes acima mencionados. O ácido silícico com uma superfície interna de 0,1 a 600 m2/g, especialmente preferencialmente de 10 a 500 m Ig, em particular de 100 a 200 m2/g, é preferencialmente usado para pirólise. A superfície interna ou específica pode ser determinada, por exemplo, pelo método de BET (DIN ISO 9277). Preferencialmente, ácido silícico é usado com um tamanho de partícula médio de 10 nm a 51 mm, em particular de 1 a 500 pm. O tamanho de partícula também pode ser determinado aqui inter alia por TEM (microscopia eletrônica de transmissão), SEM (microscopia eletrônica de varredura) ou microscopia ótica. Muito especialmente preferencialmente, um óxido de silício obtido pelos componentes de método descritos acima é usado.The silicon oxide component used in pyrolysis is preferably SiOx with x = 0.5 to 1.5, SiO, SiOj, silicon oxide (hydrate), aqueous or water-containing SiO 2 , for example, in the form of pyrogenic silicic acid or precipitated, wet, dry or calcined, for example, Aerosil® or Sipernat®, or a silicic acid, sol or gel, porous or dense glass silica, quartz sand, quartz glass fibers, fibers, for example, optics, beads quartz glass, or mixtures of at least two of the above components. Silicic acid with an internal surface of 0.1 to 600 m 2 / g, especially preferably 10 to 500 m Ig, in particular 100 to 200 m 2 / g, is preferably used for pyrolysis. The internal or specific surface can be determined, for example, by the BET method (DIN ISO 9277). Preferably, silicic acid is used with an average particle size of 10 nm to 51 mm, in particular from 1 to 500 pm. The particle size can also be determined here inter alia by TEM (transmission electron microscopy), SEM (scanning electron microscopy) or optical microscopy. Most preferably, a silicon oxide obtained by the method components described above is used.
O ácido silícico usado na pirólise é, vantajosamente, de pureza alta (99%) à ultra-alta (de 99,9999%), e o conteúdo total de impurezas, tais como compostos de B, P, As e Al, deve ser vantajosamente < 10 ppm em peso, preferencialmente á 5 ppm em peso, especialmente preferencialmente - 2 ppm em peso e muito especialmente, de preferência 1 a 0,001 ppm em peso. Em uma modalidade especial, o conteúdo de impurezas dos elementos acima mencionados é < 0,5 ppm em peso a 0,0001 ppb em peso. De acordo com a invenção, o óxido de silício purificado é usado, isto é, ácidoThe silicic acid used in pyrolysis is advantageously of high purity (99%) to ultra-high (99.9999%), and the total content of impurities, such as compounds of B, P, As and Al, must be advantageously <10 ppm by weight, preferably at 5 ppm by weight, especially preferably - 2 ppm by weight and most especially, preferably 1 to 0.001 ppm by weight. In a special embodiment, the impurity content of the elements mentioned above is <0.5 ppm by weight to 0.0001 ppb by weight. According to the invention, purified silicon oxide is used, that is, acid
46/114 silícico que foi precipitado em um valor de pH abaixo de 2. Especialmente preferencialmente, na pirólise, um óxido de silício purificado, especialmente o óxido de silício de alta pureza, de acordo com a definição dada no início desta descrição é usado, e muito especialmente preferencialmente dióxido de silício preparado pelo método de purificação de acordo com a invenção. As impurezas podem ser determinadas, por exemplo, - mas não exclusivamente - por ICPMS/OS (espectrometria acoplada de indução espectrometria de massa/espectrometria eletrônica ótica) e AAS (espectroscopia de absorção atômica) ou GDMS (espectrometria de massa de descarga luminescente).46/114 silica which was precipitated at a pH value below 2. Especially preferably, in pyrolysis, a purified silicon oxide, especially high purity silicon oxide, according to the definition given at the beginning of this description is used, and most preferably, silicon dioxide prepared by the purification method according to the invention. Impurities can be determined, for example, - but not exclusively - by ICPMS / OS (coupled induction spectrometry / optical electronic spectrometry) and AAS (atomic absorption spectroscopy) or GDMS (luminescent discharge mass spectrometry).
Dessa forma, durante a pirólise é possível usar o carboidrato para o agente antiespumante, isto é, componente óxido de silício, calculado como SiO2, em uma proporção de peso de 1000:0,1 a 0,1:1000. Preferencialmente, a proporção de peso do componente carboidrato para componente óxido de silício pode ser estabelecida em 100:1 a 1:100, especialmente preferencialmente em 50:1 a 1:50, muito especialmente, de preferência em 20:1 a 1:20, em particular em 2:1 a 1:1.Thus, during pyrolysis it is possible to use carbohydrate for the antifoaming agent, that is, silicon oxide component, calculated as SiO 2 , in a weight ratio of 1000: 0.1 to 0.1: 1000. Preferably, the weight ratio of the carbohydrate component to the silicon oxide component can be set at 100: 1 to 1: 100, especially preferably at 50: 1 to 1:50, most especially, preferably at 20: 1 to 1:20 , in particular from 2: 1 to 1: 1.
O equipamento usado para realizar a pirólise pode ser, por exemplo, um reator de vácuo aquecido por indução, o reator possivelmente sendo feito de aço especial e, em vista da reação, coberto ou revestido com uma substância inerte adequada, por exemplo, com SiC de alta pureza, Si3N3, vidro de quartzo de alta pureza ou silica vítrea, carbono de alta pureza ou grafite.The equipment used to carry out pyrolysis can be, for example, a vacuum reactor heated by induction, the reactor possibly being made of special steel and, in view of the reaction, covered or coated with a suitable inert substance, for example, with SiC high purity, Si3N3, high purity quartz glass or glassy silica, high purity carbon or graphite.
Entretanto, outros vasos de reação adequados também podem ser usados, por exemplo, um forno de indução com câmara a vácuo para receber um cadinho de reação correspondente.However, other suitable reaction vessels can also be used, for example, an induction furnace with a vacuum chamber to receive a corresponding reaction crucible.
Pirólise é geralmente realizada como se segue:Pyrolysis is generally performed as follows:
O interior do reator e o vaso de reação é seco de uma maneira adequada e lavado com água com um gás inerte, que por exemplo, pode ser aquecido a uma temperatura entre a temperatura ambiente e 300°C. Então o carboidrato ou mistura de carboidrato a ser pirolisada é alimentada, junto com o óxido de silício como componente antiespumante, no espaço deThe interior of the reactor and the reaction vessel is properly dried and washed with water with an inert gas, which, for example, can be heated to a temperature between room temperature and 300 ° C. Then the carbohydrate or carbohydrate mixture to be pyrolyzed is fed, together with silicon oxide as a defoaming component, in the
47/114 reação ou vaso de reação do equipamento de pirólise. As substâncias usadas podem ser misturadas intimamente anteriormente, desgaseificada sob pressão reduzida e transferidas sob gás protetor no reator preparado. O reator já pode ter sido ligeiramente preaquecido. Então a temperatura pode ser aumentada continuamente ou por etapas à temperatura de pirólise desejada, reduzindo a pressão para que os produtos de decomposição gasosa liberados da mistura de reação possam ser levados o mais rápido possível. É vantajoso evitar espumação da mistura de reação na medida do possível, em particular pela adição de óxido de silício.47/114 reaction or reaction vessel of the pyrolysis equipment. The substances used can be intimately mixed previously, degassed under reduced pressure and transferred under protective gas to the prepared reactor. The reactor may already have been slightly preheated. Then the temperature can be increased continuously or in stages to the desired pyrolysis temperature, reducing the pressure so that the gas decomposition products released from the reaction mixture can be carried out as quickly as possible. It is advantageous to avoid defoaming the reaction mixture as far as possible, in particular by adding silicon oxide.
Na realização da reação de pirólise, o produto de pirólise pode sofrer um pós-tratamento térmico por algum tempo, vantajosamente em uma temperatura na faixa de 1000 a 1500°C. Por regra isto fornece um produto de pirólise ou uma composição contendo carbono puro ao de alta pureza. De acordo com a invenção, o produto de pirólise é preferencialmente usado como agente de redução para a produção de silício de grau solar no método completo.In carrying out the pyrolysis reaction, the pyrolysis product may undergo a post-heat treatment for some time, advantageously at a temperature in the range of 1000 to 1500 ° C. As a rule this provides a pyrolysis product or a composition containing pure to high purity carbon. According to the invention, the pyrolysis product is preferably used as a reducing agent for the production of solar grade silicon in the complete method.
Para isto, o produto de pirólise pode ser trazido a uma forma definida com adição de componentes adicionais, em particular com adição de SiO2 purificado de acordo com a invenção, ativadores, tal como SiC, aglutinantes, tais como organossilanos, organossiloxanos, carboidratos, sílica-gel, resinas naturais ou sintéticas, e auxiliares de processamento de alta pureza, tais como prensagem, tableting ou auxiliares de extrusão, tais como grafite, trazer a uma forma definida, por exemplo, por granulação, peletização, formação de comprimidos, extrusão - para fornecer somente alguns exemplos.For this, the pyrolysis product can be brought into a defined form with the addition of additional components, in particular with the addition of purified SiO 2 according to the invention, activators, such as SiC, binders, such as organosilanes, organosiloxanes, carbohydrates, silica gel, natural or synthetic resins, and high purity processing aids, such as pressing, tableting or extrusion aids, such as graphite, bring to a defined shape, for example, by granulation, pelletizing, tabletting, extrusion - to provide just a few examples.
A presente invenção, por isso, também, refere-se a uma composição ou ao produto de pirólise, como obtido após pirólise. Por isso, a presente invenção também se relaciona a um produto de pirólise com um conteúdo de carbono para óxido de silício (calculado como dióxido de silício) de 400 a 0,1 a 0,4 a 1000, em particular 400:0,4 a 4:10, preferencialmente de 400:2 a 4:1,3, especialmente preferencialmente de 400:4 a 40:7.The present invention, therefore, also relates to a pyrolysis composition or product, as obtained after pyrolysis. Therefore, the present invention also relates to a pyrolysis product with a carbon content for silicon oxide (calculated as silicon dioxide) from 400 to 0.1 to 0.4 to 1000, in particular 400: 0.4 at 4:10, preferably from 400: 2 to 4: 1.3, especially preferably from 400: 4 to 40: 7.
Em particular, o produto de pirólise direta é caracterizado porIn particular, the direct pyrolysis product is characterized by
48/114 sua alta pureza e usabilidade para a produção de silício policristalino, em particular do silício de grau solar para instalações fotovoltaicas, mas também para aplicações médicas.48/114 its high purity and usability for the production of polycrystalline silicon, in particular solar grade silicon for photovoltaic installations, but also for medical applications.
A dita composição (também chamada de pirolisado ou produto de pirólise abreviado) pode ser usada de acordo com a invenção como matéria-prima na produção de silício de grau solar por redução de S1O2, em particular por redução do óxido de silício purificado, em alta temperatura, em particular em um forno de arco. De acordo com a invenção, o produto do método direto será usado para reação de óxido de silício purificado com uma 10 fonte de carbono puro no método de acordo com a invenção.Said composition (also called pyrolysate or abbreviated pyrolysis product) can be used according to the invention as a raw material in the production of solar grade silicon by reducing S1O2, in particular by reducing the purified silicon oxide, in high temperature, in particular in an arc furnace. According to the invention, the product of the direct method will be used for reaction of purified silicon oxide with a pure carbon source in the method according to the invention.
Alternativamente, é também possível usar o produto do método direto simplesmente e economicamente como agente contendo C de redução em um método dos documentos determinados, como pode ser encontrado, por exemplo, em US 4.247.528, US 4.460.556, US 4.294.811 e WO 15 2007/106860.Alternatively, it is also possible to use the product of the direct method simply and economically as an agent containing C reduction in a method of the determined documents, as can be found, for example, in US 4,247,528, US 4,460,556, US 4,294,811 and WO 15 2007/106860.
A presente invenção também se relaciona ao uso de uma composição (produto de pirólise) como matéria-prima na produção de silício de grau solar por redução de SiO2, em particular por redução do óxido de silício purificado, em alta temperatura, em particular em um forno de arco.The present invention also relates to the use of a composition (pyrolysis product) as a raw material in the production of solar grade silicon by reducing SiO 2 , in particular by reducing the purified silicon oxide at high temperature, in particular in an arc furnace.
20 Produção de SiC de alta pureza a partir de SiO2 e seu uso no método de acordo com a invenção 20 Production of high purity SiC from SiO 2 and its use in the method according to the invention
Outro aspecto de acordo com a invenção do método completo para a produção de silício puro engloba 0 uso do carboneto de silício como ativador e/ou como uma fonte de carbono puro, caso o qual o carboneto de 25 silício deve ser um carboneto de silício puro. Primeiro a produção de carboneto de silício, em particular para uso no método de acordo com a invenção para a produção de silício puro, é dessa forma explicada abaixo, e em seguida um método no qual 0 carboneto de silício é usado como ativador, iniciador de reação, acelerador de reação ou também como fonte 30 de carbono puro na produção de silício.Another aspect according to the invention of the complete method for the production of pure silicon involves the use of silicon carbide as an activator and / or as a source of pure carbon, in which case the silicon carbide must be a pure silicon carbide . First the production of silicon carbide, in particular for use in the method according to the invention for the production of pure silicon, is thus explained below, and then a method in which the silicon carbide is used as an activator, initiator of reaction, reaction accelerator or also as a source 30 of pure carbon in silicon production.
Geralmente o carboneto de silício pode ser adquirido e/ou pode ser carboneto de silício para reciclagem ou produto de rejeitos, contanto queGenerally, silicon carbide can be purchased and / or it can be silicon carbide for recycling or waste product, provided that
49/114 satisfaça as exigências de pureza deste método. Dessa forma, o carboneto de silício puro pode ser obtido pela reação de óxido de silício e uma fonte de carbono compreendendo pelo menos um carboidrato em temperatura elevada e pode ser usado no método de acordo com a invenção, por exemplo, como material para a produção dos eletrodos ou os refratários de alta pureza para revestimento dos reatores, em particular a primeira camada do espaço de reação ou do reator. Este aspecto será explicado em outro lugar abaixo. Açúcar cristalino é preferencialmente usado como uma fonte de carbono compreendendo pelo menos um carboidrato, em particular uma fonte de carbono puro.49/114 meets the purity requirements of this method. In this way, pure silicon carbide can be obtained by reacting silicon oxide and a carbon source comprising at least one carbohydrate at an elevated temperature and can be used in the method according to the invention, for example, as material for production electrodes or high-purity refractories for coating reactors, in particular the first layer of the reaction space or reactor. This aspect will be explained elsewhere below. Crystalline sugar is preferably used as a carbon source comprising at least one carbohydrate, in particular a source of pure carbon.
De acordo com este aspecto parcial da invenção, um método é revelado para a produção de carboneto de silício puro até de alta pureza e/ou partículas de carboneto de silício/grafite pela reação de óxido de silício, em particular óxido de silício purificado, e uma fonte de carbono compreendendo um carboidrato, em particular carboidratos, em temperatura elevada, em particular um processo comercial de produção de carboneto de silício ou para a produção de composições contendo carboneto de silício e isolamento dos produtos de reação. Além disso, este aspecto parcial da invenção refere-se a um carboneto de silício puro até de alta pureza, composições contendo o último, uso como catalisador e uso na produção de eletrodos ou como material de eletrodos e outros artigos.According to this partial aspect of the invention, a method is disclosed for the production of pure to high purity silicon carbide and / or silicon carbide / graphite particles by the reaction of silicon oxide, in particular purified silicon oxide, and a carbon source comprising a carbohydrate, in particular carbohydrates, at elevated temperature, in particular a commercial process for producing silicon carbide or for producing compositions containing silicon carbide and isolating the reaction products. In addition, this partial aspect of the invention relates to a pure to high purity silicon carbide, compositions containing the latter, use as a catalyst and use in the production of electrodes or as electrode material and other articles.
Conforme o aspecto parcial da invenção, um dos seus objetivos é produzir carboneto de silício puro até de alta pureza de matérias-primas claramente mais favoráveis, e superar as desvantagens existentes relacionadas ao processo dos métodos conhecidos, que separam gases sensíveis à hidrólise e de autoignição do carboneto de silício.According to the partial aspect of the invention, one of its objectives is to produce pure to high-purity silicon carbide from clearly more favorable raw materials, and to overcome the existing disadvantages related to the process of known methods, which separate gases sensitive to hydrolysis and auto-ignition. of silicon carbide.
Foi encontrado, surpreendentemente, que por reação, misturas de dióxido de silício, em particular do óxido de silício purificado conforme a invenção, e açúcar com pirólise subsequente e/ou calcinação de alta temperatura, dependendo da proporção da mistura, um carboneto de silício de alta pureza em uma matriz de carbono e/ou carboneto de silício em uma matriz de dióxido de silício e/ou um carboneto de silício, compreendendoIt was surprisingly found that, by reaction, mixtures of silicon dioxide, in particular of the purified silicon oxide according to the invention, and sugar with subsequent pyrolysis and / or high temperature calcination, depending on the proportion of the mixture, a silicon carbide of high purity in a matrix of carbon and / or silicon carbide in a matrix of silicon dioxide and / or a silicon carbide, comprising
50/114 carbono e/ou dióxido de silício em uma composição, podem ser produzidos com um bom custo-benefício. Preferencialmente o carboneto de silício é produzido em uma matriz de carbono. Em particular, uma partícula de carboneto de silício com uma matriz de carbono externa, preferencialmente 5 com uma matriz de grafite na superfície interna e/ou externa da partícula, pode ser obtida.50/114 carbon and / or silicon dioxide in a composition, can be produced cost-effectively. Preferably, silicon carbide is produced in a carbon matrix. In particular, a silicon carbide particle with an external carbon matrix, preferably 5 with a graphite matrix on the internal and / or external surface of the particle, can be obtained.
O carboneto de silício pode ser obtido simplesmente, em forma pura, por oxidação passiva com o ar, em particular pela remoção do carbono oxidativamente. Alternativamente, o carboneto de silício pode ser ainda 10 purificado e/ou separado pela purificação em altas temperaturas e opcionalmente sob alto vácuo. O carboneto de silício sublima em temperaturas em torno de 2800°C.Silicon carbide can be obtained simply, in pure form, by passive oxidation with air, in particular by removing the carbon oxidatively. Alternatively, the silicon carbide can be further purified and / or separated by purification at high temperatures and optionally under high vacuum. Silicon carbide sublimates at temperatures around 2800 ° C.
Carboneto de silício pode ser obtido em forma pura pelo póstratamento do carboneto de silício em uma matriz de carbono por oxidação 15 passiva com oxigênio, ar e/ou NOXH2O, por exemplo, em temperaturas em torno de 800°C. Neste processo de oxidação, carbono ou matriz contendo carbono podem ser oxidados e podem ser removidos como gás de processo do sistema, por exemplo, como monóxido de carbono. O carboneto de silício purificado então possivelmente ainda compreende uma ou mais matrizes de 20 óxido de silício ou possivelmente pequenas quantidades de silício.Silicon carbide can be obtained in pure form by post-treatment of silicon carbide in a carbon matrix by passive oxidation with oxygen, air and / or NO X H 2 O, for example, at temperatures around 800 ° C. In this oxidation process, carbon or carbon-containing matrix can be oxidized and can be removed as process gas from the system, for example, as carbon monoxide. The purified silicon carbide then possibly still comprises one or more matrices of silicon oxide or possibly small amounts of silicon.
O próprio carboneto de silício é relativamente resistente à oxidação por oxigênio em temperaturas acima de 800°C. Em contato direto com oxigênio, forma uma camada de passivação de dióxido de silício (SiO2, oxidação passiva ). Em temperaturas acima de aproximadamente 1600°C e 25 com deficiência de oxigênio simultânea (pressão parcial abaixo de aproximadamente 5 kPa (50mbar)) há formação de SiO gasoso, não SiO2 similar a vidro; não há mais um efeito protetor, e SiC é rapidamente queimado (oxidação ativa). Esta oxidação ativa ocorre quando o oxigênio livre no sistema é exaurido.Silicon carbide itself is relatively resistant to oxidation by oxygen at temperatures above 800 ° C. In direct contact with oxygen, it forms a passivation layer of silicon dioxide (SiO 2 , passive oxidation). At temperatures above approximately 1600 ° C and 25 with simultaneous oxygen deficiency (partial pressure below approximately 5 kPa (50mbar)) there is formation of gaseous SiO, not glass-like SiO 2 ; there is no longer a protective effect, and SiC is quickly burned (active oxidation). This active oxidation occurs when the free oxygen in the system is exhausted.
30 Um Produto de reação baseada em C ou um produto de reação com a matriz de carbono, em particular um produto de pirólise, obtido de acordo com a invenção contém carbono, em particular na forma de coque A C-based reaction product or a carbon matrix reaction product, in particular a pyrolysis product, obtained according to the invention contains carbon, in particular in the form of coke
51/114 e/ou negro de fumo e ácido silícico e possivelmente frações de outras formas de carbono, tais como grafite, e é especialmente baixo em impurezas, por exemplo, os elementos boro, fósforo, arsênico, ferro e alumínio e seus compostos.51/114 and / or carbon black and silicic acid and possibly fractions of other forms of carbon, such as graphite, and is especially low in impurities, for example, the elements boron, phosphorus, arsenic, iron and aluminum and their compounds.
A pirólise e/ou produto de calcinação podem ser preferencialmente usados como agente de redução na produção de carboneto de silício a partir de açúcar, coque e ácido silícico em alta temperatura. Em particular, o produto de calcinação e/ou pirólise contendo carbono ou contendo grafite de acordo com a invenção é usado, por causa de suas propriedades de condutividade, para a produção dos eletrodos de acordo com a invenção e para a produção dos eletrodos do reator de acordo com a invenção, em particular como material de eletrodo. Por exemplo, em um reator de arco, ou como catalisador e de acordo com a invenção como matéria-prima para a produção de silício puro, em particular para a produção de silício de grau solar. O carboneto de silício obtenível também pode ser usado para a produção dos refratários de alta pureza para revestimento dos reatores, um espaço de reação ou para revestimento de outras conexões, linhas de alimentação ou linhas de descarga.Pyrolysis and / or calcination products can preferably be used as a reducing agent in the production of silicon carbide from sugar, coke and silicic acid at high temperature. In particular, the calcination and / or pyrolysis product containing carbon or containing graphite according to the invention is used, because of its conductivity properties, for the production of the electrodes according to the invention and for the production of the electrodes of the reactor according to the invention, in particular as electrode material. For example, in an arc reactor, or as a catalyst and according to the invention as a raw material for the production of pure silicon, in particular for the production of solar grade silicon. Obtainable silicon carbide can also be used for the production of high-purity refractories for coating reactors, a reaction space or for coating other connections, supply lines or discharge lines.
O carboneto de silício de alta pureza também pode ser usado como uma fonte de energia e/ou como aditivo para a produção de aço de alta pureza.High purity silicon carbide can also be used as an energy source and / or as an additive for the production of high purity steel.
A presente invenção, por isso, relaciona-se a um método para a produção de carboneto de silício puro até de alta pureza pela reação de óxido de silício, em particular óxido de silício purificado de acordo com a definição acima, em particular dióxido de silício purificado, e uma fonte de carbono compreendendo pelo menos um carboidrato, em particular uma fonte de carbono puro, em temperatura elevada, e em particular isolamento do carboneto de silício. A invenção também se relaciona a um carboneto de silício ou uma composição contendo carboneto de silício obtenível por este método e o produto de pirólise e/ou calcinação obtenível pelo método de acordo com a invenção, e em particular isolamento dos mesmos.The present invention, therefore, relates to a method for the production of pure to high purity silicon carbide by the reaction of silicon oxide, in particular purified silicon oxide according to the above definition, in particular silicon dioxide purified, and a carbon source comprising at least one carbohydrate, in particular a source of pure carbon, at elevated temperature, and in particular isolation of silicon carbide. The invention also relates to a silicon carbide or a composition containing silicon carbide obtainable by this method and the pyrolysis and / or calcination product obtainable by the method according to the invention, and in particular isolation thereof.
A invenção refere-se a um processo comercial,The invention relates to a commercial process,
52/114 preferencialmente um comercial de larga escala para reação industrial ou pirólise e/ou calcinação industrial de um carboidrato puro ou mistura de carboidratos em temperatura elevada com adição de óxido de silício, em particular dióxido de silício purificado, e sua conversão. De acordo com uma variante especialmente preferencial do método, o processo comercial para a produção do carboneto de silício de alta pureza consiste da reação de carboidratos puros, opcionalmente de misturas de carboidratos, com óxido de silício, em particular dióxido de silício purificado, e óxido de silício formado in situ, em temperatura elevada, em particular entre 400 e 3000°C, preferencialmente em 1400 a 1800°C, especialmente preferencialmente entre aproximadamente 1450 e abaixo de aproximadamente 1600°C.52/114 preferably a large scale commercial for industrial reaction or pyrolysis and / or industrial calcination of a pure carbohydrate or mixture of carbohydrates at elevated temperature with addition of silicon oxide, in particular purified silicon dioxide, and its conversion. According to an especially preferred variant of the method, the commercial process for the production of high purity silicon carbide consists of the reaction of pure carbohydrates, optionally mixtures of carbohydrates, with silicon oxide, in particular purified silicon dioxide, and oxide of silicon formed in situ, at elevated temperature, in particular between 400 and 3000 ° C, preferably at 1400 to 1800 ° C, especially preferably between approximately 1450 and below approximately 1600 ° C.
De acordo com a invenção, um carboneto de silício puro até de alta pureza é isolado opcionalmente com uma matriz de carbono e/ou matriz de óxido de silício ou uma matriz compreendendo carbono e/ou óxido de silício, em particular é isolado como produto, opcionalmente contendo silício. O carboneto de silício isolado pode ter qualquer fase cristalina, por exemplo, uma fase α ou β de carboneto de silício ou misturas destas ou outras fases de carboneto de silício. Todas em conjunto, mais de 150 fases politípicas do carboneto de silício são geralmente conhecidas. Preferencialmente, o carboneto de silício puro até de alta pureza obtido pelo método contém pouco se algum silício ou é somente infiltrado com silício até uma extensão pequena, em particular na faixa de 0,001 e 60% em peso, preferencialmente entre 0,01 e 50% em peso, especialmente preferencialmente entre 0,1 e 20% em peso em relação ao carboneto de silício contendo as ditas matrizes e opcionalmente silício. De acordo com a invenção, por regra nenhum silício se forma durante a calcinação ou reação em alta temperatura, porque não há nenhuma aglomeração das partículas e por regra fusão não é formada. Silício não se formaria a menos que um fundido se formasse. O conteúdo adicional de silício pode ser controlado pela infiltração com silício.According to the invention, a pure to high purity silicon carbide is optionally isolated with a carbon matrix and / or silicon oxide matrix or a matrix comprising carbon and / or silicon oxide, in particular it is isolated as a product, optionally containing silicon. The isolated silicon carbide can have any crystalline phase, for example, an α or β phase of silicon carbide or mixtures thereof or other silicon carbide phases. All together, more than 150 polytype phases of silicon carbide are generally known. Preferably, the pure to high purity silicon carbide obtained by the method contains little if any silicon or is only infiltrated with silicon to a small extent, in particular in the range of 0.001 and 60% by weight, preferably between 0.01 and 50% by weight, especially preferably between 0.1 and 20% by weight with respect to the silicon carbide containing said matrices and optionally silicon. According to the invention, as a rule no silicon is formed during calcination or reaction at high temperature, because there is no agglomeration of the particles and as a rule fusion is not formed. Silicon would not form unless a melt formed. The additional silicon content can be controlled by silicon infiltration.
Carboneto de silício puro ou de alta pureza significa que um carboneto de silício como foi definido na partida da descrição sob Definições.Pure or high-purity silicon carbide means that a silicon carbide as defined at the start of the description under Definitions.
53/11453/114
Carbonetos de silício puros até de alta pureza ou composições de alta pureza podem ser obtidos usando os reagentes, a fonte contendo carboidrato de carbono e o óxido de silício usado, bem como os reatores, componentes de reator, tubos, tanques de armazenamento dos reagentes, o revestimento de reator, encamisamento e opcionalmente gases de reação ou gases inertes adicionados com a pureza necessária no método de acordo com a invenção.Pure to very high purity silicon carbides or high-purity compositions can be obtained using the reagents, the source containing carbon carbohydrate and the used silicon oxide, as well as the reactors, reactor components, tubes, reagents storage tanks, the reactor coating, jacketing and optionally reaction gases or inert gases added with the necessary purity in the method according to the invention.
O carboneto de silício puro até de alta pureza ou a composição de alta pureza de acordo com a definição acima, em particular incluindo um conteúdo de carbono; por exemplo, na forma de coque, negro de fumo, grafite; e/ou óxido de silício, em particular na forma de SiO2, ou preferencialmente na forma de produtos da reação do óxido de silício purificado, tem um perfil de contaminação com boro e/ou fósforo ou com compostos contendo boro e/ou contendo fósforo, que para o elemento boro é preferencialmente abaixo de 100 ppm, em particular entre 10 ppm e 0,001 ppt, e para o fósforo abaixo de 200 ppm, em particular entre 20 ppm e 0,001 ppt. Preferencialmente o conteúdo de boro em um carboneto de silício está entre 7 ppm e 1 ppt, preferencialmente entre 6 ppm e 1 ppt, especialmente preferencialmente entre 5 ppm e 1 ppt ou menor, ou por exemplo, entre 0,001 ppm e 0,001 ppt, preferencialmente na região do limite de detecção analítica. O conteúdo de fósforo em um carboneto de silício deve estar preferencialmente entre 18 ppm e 1 ppt, preferencialmente entre 15 ppm e 1ppt, especialmente preferencialmente entre 10 ppm e 1 ppt ou menor. O conteúdo de fósforo está preferencialmente na região do limite de detecção analítica. As figuras em ppm, ppb e/ou ppt devem ser entendidas em todas as partes como proporções em peso, em particular em mg/kg, pg/kg, ng/kg ou em mg/g, pg/g ou ng/g etc.Pure to high purity silicon carbide or the high purity composition according to the above definition, in particular including a carbon content; for example, in the form of coke, carbon black, graphite; and / or silicon oxide, in particular in the form of SiO 2 , or preferably in the form of purified silicon oxide reaction products, has a contamination profile with boron and / or phosphorus or with compounds containing boron and / or containing phosphorus , which for the boron element is preferably below 100 ppm, in particular between 10 ppm and 0.001 ppt, and for phosphorus below 200 ppm, in particular between 20 ppm and 0.001 ppt. Preferably the boron content in a silicon carbide is between 7 ppm and 1 ppt, preferably between 6 ppm and 1 ppt, especially preferably between 5 ppm and 1 ppt or less, or for example, between 0.001 ppm and 0.001 ppt, preferably at analytical detection limit region. The phosphorus content in a silicon carbide should preferably be between 18 ppm and 1 ppt, preferably between 15 ppm and 1 ppt, especially preferably between 10 ppm and 1 ppt or less. The phosphorus content is preferably in the region of the analytical detection limit. Figures in ppm, ppb and / or ppt should be understood in all parts as proportions by weight, in particular in mg / kg, pg / kg, ng / kg or in mg / g, pg / g or ng / g etc. .
De acordo com a invenção, carboidratos ou sacarídeos; ou misturas de carboidratos ou derivados adequados de carboidratos, são usados no método de acordo com a invenção como a fonte de carbono compreendendo pelo menos um carboidrato, em particular uma fonte de carbono puro. Os carboidratos de ocorrência natural, anômeros destes,According to the invention, carbohydrates or saccharides; or mixtures of carbohydrates or suitable carbohydrate derivatives, are used in the method according to the invention as the carbon source comprising at least one carbohydrate, in particular a pure carbon source. Naturally occurring carbohydrates, their anomers,
54/114 açúcar invertido e carboidratos sintéticos podem ser usados. É também possível usar carboidratos que foram obtidos biotecnologicamente, por exemplo, por fermentação. Preferencialmente, o carboidrato ou derivado é selecionado a partir de um monossacarídeo, dissacarídeo, oligossacarídeo 5 ou polissacarídeo ou uma mistura de pelo menos dois dos sacarídeos determinados. Especialmente preferencíalmente, os seguintes carboidratos são usados no método: monossacarídeos, isto é, aldoses ou cetoses, tais como trioses, tetroses, pentoses, hexoses, heptoses, especialmente glicose e frutose, bem como oligo- e polissacarídeos baseados nos ditos 10 monômeros, tais como lactose, maltose, sacarose, rafinose, para denominar somente alguns, e é também possível usar derivados dos carboidratos determinados, contanto que satisfaçam às exigências de pureza determinadas - mesmo incluindo celulose, derivados de celulose, amido, incluindo amilose e amilopectina, glicogênio, glicosanas e frutosanas, para 15 mencionar somente alguns polissacarídeos. Entretanto, uma mistura de pelo menos dois dos carboidratos acima mencionados também pode ser usada como carboidrato ou componente carboidrato no método de acordo com a invenção.54/114 inverted sugar and synthetic carbohydrates can be used. It is also possible to use carbohydrates that have been obtained biotechnologically, for example, by fermentation. Preferably, the carbohydrate or derivative is selected from a monosaccharide, disaccharide, oligosaccharide 5 or polysaccharide or a mixture of at least two of the determined saccharides. Especially preferably, the following carbohydrates are used in the method: monosaccharides, that is, aldoses or ketoses, such as trioses, tetroses, pentoses, hexoses, heptoses, especially glucose and fructose, as well as oligo- and polysaccharides based on said 10 monomers, such like lactose, maltose, sucrose, raffinose, to name just a few, and it is also possible to use derivatives of the determined carbohydrates, as long as they meet the determined purity requirements - even including cellulose, cellulose derivatives, starch, including amylose and amylopectin, glycogen, glycosans and fructans, to mention only a few polysaccharides. However, a mixture of at least two of the aforementioned carbohydrates can also be used as a carbohydrate or carbohydrate component in the method according to the invention.
Geralmente é possível usar todos os carboidratos, derivados dos 20 carboidratos e misturas de carboidrato no método de acordo com a invenção, que são preferencíalmente de pureza suficiente, em particular com respeito aos elementos boro, fósforo e/ou alumínio. O total de soma dos elementos determinados como impurezas no carboidrato ou na mistura deve ser abaixo de 100 pg/g, em particular abaixo de 100 pg/g a 0,001 pg/g, 25 preferencíalmente abaixo de 10 pg/g a 0,001 pg/g, especialmente preferencíalmente abaixo de 5 pg/g a 0,01 pg/g. Os carboidratos a serem usados de acordo com a invenção consistem dos elementos carbono, hidrogênio e oxigênio e opcionalmente têm o perfil de impureza determinado.It is generally possible to use all carbohydrates, derived from the 20 carbohydrates and carbohydrate mixtures in the method according to the invention, which are preferably of sufficient purity, in particular with respect to the elements boron, phosphorus and / or aluminum. The sum total of the elements determined as impurities in the carbohydrate or mixture should be below 100 pg / g, in particular below 100 pg / g 0.001 pg / g, 25 preferably below 10 pg / g 0.001 pg / g, especially preferably below 5 pg / g to 0.01 pg / g. The carbohydrates to be used according to the invention consist of the elements carbon, hydrogen and oxygen and optionally have the impurity profile determined.
Carboidratos consistindo nos elementos carbono, hidrogênio, oxigênio e nitrogênio opcionalmente com o perfil de impureza acima mencionado podem ser usados vantajosamente no método, se um carboneto de silício dopado ou um carboneto de silício contendo nitreto deCarbohydrates consisting of the elements carbon, hydrogen, oxygen and nitrogen optionally with the aforementioned impurity profile can be advantageously used in the method, whether a doped silicon carbide or a silicon carbide containing nitride
55/114 silício deve ser produzido. Para a produção do carboneto de silício contendo nrtreto de silício, onde neste caso o nitreto de silício não é considerado como uma impureza, quitina também pode ser usada vantajosamente no método.55/114 silicon must be produced. For the production of silicon carbide containing silicon nitride, in which case silicon nitride is not considered an impurity, chitin can also be used advantageously in the method.
Outros carboidratos disponíveis em uma escala industrial são lactose, hidroxipropilmetilcelulose (HPMC) e outros excipientes de formação de comprimidos usuais, que podem ser opcionalmente usados para a formulação do óxido de silício com os açúcares cristalinos usuais.Other carbohydrates available on an industrial scale are lactose, hydroxypropylmethylcellulose (HPMC) and other usual tablet forming excipients, which can optionally be used for the formulation of silicon oxide with the usual crystalline sugars.
Um açúcar cristalino que está disponível em quantidades econômicas, um açúcar tal que pode ser obtido, por exemplo, pela 10 cristalização de uma solução ou de um caldo de cana-de-açúcar ou beterraba por métodos bem conhecidos, isto é, açúcar cristalino comercialmente disponível, em particular açúcar cristalino de grau alimentício, é especialmente preferencial no método de acordo com a invenção. O açúcar ou o carboidrato podem fornecer o perfil de impureza 15 que seja adequado para o método, geralmente também ser usado naturalmente no método em forma líquida, como xarope, em fase sólida, isto é, também amorfo. Opcionalmente uma formulação e/ou etapa de secagem então é realizada anteriormente.A crystalline sugar that is available in economical quantities, a sugar such that it can be obtained, for example, by crystallizing a solution or a broth from sugar cane or beet by well-known methods, that is, commercially crystalline sugar available, in particular food-grade crystalline sugar, is especially preferred in the method according to the invention. Sugar or carbohydrate can provide the impurity profile 15 that is suitable for the method, generally also to be used naturally in the method in liquid form, such as syrup, in solid phase, that is, also amorphous. Optionally, a formulation and / or drying step is then performed previously.
O açúcar também pode ter sido purificado anteriormente com trocadores lomcos em fase líquida, opcionalmente na água desmineralizada ou outro solvente ou mistura de solvente adequados, opcionalmente para remover impurezas particulares, que são menos facilmente separadas por cristalização. Os trocadores iônicos podem ser trocadores iônicos fortemente ácidos, fracamente ácidos, anfotéricos, neutros ou básicos. A seleção do 25 trocador lomco apropriado, de acordo com as impurezas a serem removidas, será familiar como tal para um versado na técnica. A seguir, o açúcar pode ser cristalizado, centrifugado e/ou seco ou misturado com óxido de silício e seco. Cristalização pode realizar-se por resfriamento ou adição de um antissolvente ou por outras técnicas que são familiares para um versado na 30 técnica. Os componentes cristalinos podem ser separados por filtração e/ou centrifugação.The sugar may also have been previously purified with liquid phase lumen exchangers, optionally in demineralized water or another suitable solvent or solvent mixture, optionally to remove particular impurities, which are less easily separated by crystallization. Ion exchangers can be strongly acidic, weakly acidic, amphoteric, neutral or basic ion exchangers. The selection of the appropriate lomco exchanger, according to the impurities to be removed, will be familiar as such to a person skilled in the art. Then, the sugar can be crystallized, centrifuged and / or dried or mixed with silicon oxide and dried. Crystallization can be carried out by cooling or adding an anti-solvent or by other techniques that are familiar to one skilled in the art. The crystalline components can be separated by filtration and / or centrifugation.
De acordo com a invenção, a fonte de carbono contendo peloAccording to the invention, the carbon source containing at least
56/114 menos um carboidrato, ou mistura de carboidratos, em particular uma fonte de carbono puro, tem o seguinte perfil de impureza: boro menos de 2 [pg/g], fósforo menos de 0,5 [pg/g] e alumínio menos de 2 [pg/g], preferencialmente menor ou igual a 1 [pg/g], em particular ferro menos de 60 [pg/g], 5 preferencialmente o conteúdo de ferro está abaixo 10 [pg/g], especialmente preferencialmente abaixo 5 [pg/g]. Em conjunto, de acordo com a invenção é desejável usar carboidratos nos quais o conteúdo de impurezas, tais como boro, o fósforo, alumínio e/ou arsênico etc., esteja abaixo do limite respectivo tecnicamente possível de detecção.56/114 minus a carbohydrate, or mixture of carbohydrates, in particular a source of pure carbon, has the following impurity profile: boron less than 2 [pg / g], phosphorus less than 0.5 [pg / g] and aluminum less than 2 [pg / g], preferably less than or equal to 1 [pg / g], in particular iron less than 60 [pg / g], 5 preferably the iron content is below 10 [pg / g], especially preferably below 5 [pg / g]. Together, according to the invention it is desirable to use carbohydrates in which the content of impurities, such as boron, phosphorus, aluminum and / or arsenic etc., is below the respective technically possible limit of detection.
Preferencialmente, a fonte de carboidrato compreendendo pelo menos um carboidrato, de acordo com a invenção o carboidrato ou a mistura de carboidratos, tem o seguinte perfil de contaminação com boro, fósforo e alumínio e opcionalmente com ferro, sódio, potássio, níquel e/ou cromo. Contaminação com boro (B) está em particular entre 5 e 0,00001 pg/g, 15 preferencialmente 3 a 0,00001 pg/g, especialmente preferencialmente 2 a 0,00001 pg/g, de acordo com a invenção abaixo de 2 a 0,00001 pg/g. Contaminação com fósforo (P) está em particular entre 5 e 0,00001 pg/g, preferencialmente 3 a 0,00001 pg/g, especialmente preferencialmente abaixo de 1 a 0,00001 pg/g, de acordo com a invenção abaixo de 0,5 a 20 0,00001 pg/g. Contaminação com ferro (Fe) está entre 100 e 0,00001 pg/g, em particular entre 55 e 0,00001 pg/g, preferencialmente 2 a 0,00001 pg/g, especialmente preferencialmente abaixo de 1 a 0,00001 pg/g, de acordo com a invenção abaixo de 0,5 a 0,00001 pg/g. Contaminação com sódio (Na) está em particular entre 20 e 0,00001 pg/g, preferencialmente 15 a 25 0,00001 pg/g, especialmente preferencialmente abaixo de 12 a 0,00001 pg/g, de acordo com a invenção abaixo de 10 a 0,00001 pg/g. Contaminação com potássio (K) está em particular entre 30 e 0,00001 pg/g, preferencialmente 25 a 0,00001 pg/g, especialmente preferencialmente abaixo de 20 a 0,00001 pg/g, de acordo com a invenção abaixo de 16 a 30 0,00001 pg/g. Contaminação com alumínio (Al) está em particular entre 4 ePreferably, the carbohydrate source comprising at least one carbohydrate, according to the invention the carbohydrate or the mixture of carbohydrates, has the following contamination profile with boron, phosphorus and aluminum and optionally with iron, sodium, potassium, nickel and / or chrome. Boron (B) contamination is in particular between 5 and 0.00001 pg / g, 15 preferably 3 to 0.00001 pg / g, especially preferably 2 to 0.00001 pg / g, according to the invention below 2 to 0.00001 pg / g. Contamination with phosphorus (P) is in particular between 5 and 0.00001 pg / g, preferably 3 to 0.00001 pg / g, especially preferably below 1 to 0.00001 pg / g, according to the invention below 0 , 5 to 20 0.00001 pg / g. Contamination with iron (Fe) is between 100 and 0.00001 pg / g, in particular between 55 and 0.00001 pg / g, preferably 2 to 0.00001 pg / g, especially preferably below 1 to 0.00001 pg / g, according to the invention below 0.5 to 0.00001 pg / g. Contamination with sodium (Na) is in particular between 20 and 0.00001 pg / g, preferably 15 to 25 0.00001 pg / g, especially preferably below 12 to 0.00001 pg / g, according to the invention below 10 to 0.00001 pg / g. Contamination with potassium (K) is in particular between 30 and 0.00001 pg / g, preferably 25 to 0.00001 pg / g, especially preferably below 20 to 0.00001 pg / g, according to the invention below 16 at 30 0.00001 pg / g. Contamination with aluminum (Al) is in particular between 4 and
0,00001 pg/g, preferencialmente 3 a 0,00001 pg/g, especialmente preferencialmente abaixo de 2 a 0,00001 pg/g, de acordo com a invenção0.00001 pg / g, preferably 3 to 0.00001 pg / g, especially preferably below 2 to 0.00001 pg / g, according to the invention
57/114 abaixo de 1,5 a 0,00001 pg/g. Contaminação com níquel (Ni) está em particular entre 4 e 0,00001 pg/g, preferencialmente 3 a 0,00001 pg/g, especíalmente preferencialmente abaixo de 2 a 0,00001 pg/g, de acordo com a invenção abaixo de 1,5 a 0,00001 pg/g. Contaminação com cromo 5 (Cr) está em particular entre 4 e 0,00001 pg/g, preferencialmente 3 a 0,00001 pg/g, especíalmente preferencialmente abaixo de 2 a 0,00001 pg/g, de acordo com a invenção abaixo de 1 a 0,00001 pg/g.57/114 below 1.5 to 0.00001 pg / g. Contamination with nickel (Ni) is in particular between 4 and 0.00001 pg / g, preferably 3 to 0.00001 pg / g, especially preferably below 2 to 0.00001 pg / g, according to the invention below 1 , 5 to 0.00001 pg / g. Contamination with chromium 5 (Cr) is in particular between 4 and 0.00001 pg / g, preferably 3 to 0.00001 pg / g, especially preferably below 2 to 0.00001 pg / g, according to the invention below 1 to 0.00001 pg / g.
De acordo com a invenção, um açúcar cristalino, por exemplo, açúcar refinado, é usado ou um açúcar cristalino é misturado com um 10 dióxido de silício contendo água ou um sol de ácido silícico, seco e usado em forma particulada no método. Alternativamente qualquer carboidrato, em particular açúcar, açúcar invertido ou xarope é misturado com um óxido de silício seco, contendo água ou aquoso, dióxido de silício, um ácido silícico contendo água ou um sol de ácido silícico ou os componentes de óxido de 15 silício determinados abaixo, opcionalmente secos e usados no método como partículas, preferencialmente com um tamanho de partícula de 1 nm a 10 mm.According to the invention, a crystalline sugar, for example, refined sugar, is used or a crystalline sugar is mixed with a silicon dioxide containing water or a silicic acid sol, dried and used in particulate form in the method. Alternatively any carbohydrate, in particular sugar, inverted sugar or syrup is mixed with a dry silicon oxide, containing water or aqueous, silicon dioxide, a silicic acid containing water or a silicic acid sol or the determined silicon oxide components below, optionally dried and used in the method as particles, preferably with a particle size of 1 nm to 10 mm.
Normalmente açúcar com um tamanho de partícula médio de 1 nm a 10 cm, em particular 10 pm a 1 cm, preferencialmente 100 pm a 0,5 cm 20 é usado. Alternativamente, açúcar com um tamanho de partícula médio na faixa de micrômetro a milímetro pode ser usado, a faixa de 1 micrômetro a 1 mm, especíalmente preferencialmente 10 micrômetros a 100 micrômetros que são preferenciais. O tamanho de partícula pode ser determinado, por exemplo, pela análise de peneira, TEM (microscopia eletrônica de 25 transmissão), SEM (microscopia eletrônica de varredura) ou microscopia ótica. Um carboidrato dissolvido também pode ser usado como líquido, xarope, ou pasta, evaporando o solvente de alta pureza antes da pirólise. Alternativamente uma etapa de secagem pode estar incluída para recuperação solvente.Usually sugar with an average particle size of 1 nm to 10 cm, in particular 10 pm to 1 cm, preferably 100 pm to 0.5 cm 20 is used. Alternatively, sugar with an average particle size in the micrometer to millimeter range can be used, in the range of 1 micrometer to 1 mm, preferably preferably 10 micrometers to 100 micrometers which are preferred. The particle size can be determined, for example, by sieve analysis, TEM (25 transmission electron microscopy), SEM (scanning electron microscopy) or optical microscopy. A dissolved carbohydrate can also be used as a liquid, syrup, or paste, evaporating the high-purity solvent before pyrolysis. Alternatively, a drying step may be included for solvent recovery.
30 Matérias-primas preferenciais como uma fonte de carbono, em particular como uma fonte de carbono puro, são, além disso, todos os compostos orgânicos conhecidos por um versado na técnica que 30 Preferred raw materials as a carbon source, in particular as a source of pure carbon, are, in addition, all organic compounds known to one skilled in the art that
58/114 compreendem pelo menos um carboidrato e satisfazem as exigências de pureza, por exemplo, soluções de carboidratos. A solução de carboidrato usada também pode ser uma solução aquosa-alcoólica ou uma solução contendo tetraetoxissilano (Dynasylan® TEOS) ou um tetraalcoxissilano, a solução sendo evaporada e/ou pirolisada antes de pirólise apropriada.58/114 comprise at least one carbohydrate and satisfy the purity requirements, for example, carbohydrate solutions. The carbohydrate solution used can also be an aqueous-alcoholic solution or a solution containing tetraethoxysilane (Dynasylan® TEOS) or a tetraalkoxysilane, the solution being evaporated and / or pyrolyzed before appropriate pyrolysis.
O óxido de silício ou componente óxido de silício usado é preferencialmente um SiO, especialmente preferencialmente um SiOx com x = 0,5 a 1,5, SiO, SiO2, óxido de silício (hidrato), SiO2 aquoso ou contendo água, um óxido de silício em forma de ácido silícico pirogênico ou precipitado, úmido, seco ou calcinado, por exemplo, Aerosil® ou Sipernat®, ou um sol ou gel de ácido silícico, silica vítrea porosa ou densa, areia de quartzo, fibras de vidro de quartzo, por exemplo, fibras óticas, contas de vidro de quartzo, ou misturas de pelo menos duas das formas acima mencionadas de óxido de silício. Os tamanhos de partícula dos componentes individuais são ajustados entre si de uma maneira conhecida por um versado na técnica.The silicon oxide or silicon oxide component used is preferably a SiO, especially preferably a SiO x with x = 0.5 to 1.5, SiO, SiO 2 , silicon oxide (hydrate), aqueous or water-containing SiO 2 , a silicon oxide in the form of pyrogenic or precipitated, wet, dry or calcined silicic acid, for example, Aerosil® or Sipernat®, or a silicic acid sun or gel, porous or dense glassy silica, quartz sand, glass fibers quartz, for example, optical fibers, quartz glass beads, or mixtures of at least two of the aforementioned forms of silicon oxide. The particle sizes of the individual components are adjusted together in a manner known to one skilled in the art.
Dentro do escopo da presente invenção, sol significa uma solução coloidal, na qual a substância sólida ou líquida é dispersada em distribuição extremamente fina em um meio sólido, líquido ou gasoso (ver também Rõmpp Chemie Lexikon [Roompp’s Dictionary of Chemistry]).Within the scope of the present invention, sol means a colloidal solution, in which the solid or liquid substance is dispersed in extremely fine distribution in a solid, liquid or gaseous medium (see also Rõmpp Chemie Lexikon [Roompp’s Dictionary of Chemistry]).
O tamanho de partícula da fonte de carbono compreendendo um carboidrato e o tamanho de partícula do óxido de silício são em particular ajustados entre si, a fim de fornecer boa homogeneização dos componentes e previne desmistura antes ou durante o processo.The particle size of the carbon source comprising a carbohydrate and the particle size of the silicon oxide are in particular adjusted to each other, in order to provide good homogenization of the components and prevent demixing before or during the process.
Preferencialmente, um ácido silícico poroso é usado, em particular com uma superfície interna de 0,1 a 800 m7g, preferencialmente de 10 a 500 m2/g ou de 100 a 200 m2/g, e em particular com um tamanho de partícula médio de 1 nm ou maior ou também de 10 nm a 10 mm, em particular ácido silícico de alta (99,9%) à ultra-alta (de 99,9999%) pureza, conteúdo total de impurezas, tais como compostos de B, P, As e Al vantajosamente sendo menos de 10 ppm em peso em relação à composição total. A pureza é determinada pela análise de amostras conhecida por umPreferably, a porous silicic acid is used, in particular with an internal surface of 0.1 to 800 m7g, preferably from 10 to 500 m 2 / g or from 100 to 200 m 2 / g, and in particular with a particle size medium of 1 nm or greater or also from 10 nm to 10 mm, in particular silicic acid of high (99.9%) to ultra-high (of 99.9999%) purity, total content of impurities, such as B compounds , P, As and Al advantageously being less than 10 ppm by weight with respect to the total composition. Purity is determined by analyzing samples known for a
59/114 versado na técnica, por exemplo, pela detecção em ICP-MS (análise para a determinação de impurezas-traço). Espectrometria de spin eletrônico pode fornecer detecção particularmente sensível. A superfície interna, por exemplo, pode ser determinada usando o método de BET (DIN ISO 9277, 1995).59/114 well versed in the technique, for example, by detection in ICP-MS (analysis for the determination of trace impurities). Electronic spin spectrometry can provide particularly sensitive detection. The internal surface, for example, can be determined using the BET method (DIN ISO 9277, 1995).
Um tamanho de partícula médio preferencial do óxido de silício está na faixa 10 nm a 1 mm, em particular de 1 a 500 pm. O tamanho de partícula pode ser determinado, por exemplo, por TEM (microscopia eletrônica de transmissão), SEM (microscopia eletrônica de varredura) ou microscopia ótica.A preferred average particle size of silicon oxide is in the range 10 nm to 1 mm, in particular from 1 to 500 pm. The particle size can be determined, for example, by TEM (transmission electron microscopy), SEM (scanning electron microscopy) or optical microscopy.
Como óxidos de silício adequados, geralmente consideração pode ser dada a todos os compostos e/ou minerais contendo um óxido de silício, desde que sejam de uma pureza adequada para o método e portanto para o produto do método e não introduzam elementos não desejados e/ou compostos no processo ou não queimem sem resíduos. Como afirmado acima, compostos ou materiais contendo óxido de silício puro ou de alta pureza são usados no método.As suitable silicon oxides, consideration can generally be given to all compounds and / or minerals containing a silicon oxide, as long as they are of a purity suitable for the method and therefore for the method product and do not introduce unwanted elements and / or compounds in the process or do not burn without residues. As stated above, compounds or materials containing pure or high purity silicon oxide are used in the method.
De acordo com a invenção, um óxido de silício purificado, correspondente à definição acima mencionada e/ou produzida conforme o método parcial descrito acima,é especialmente preferencialmente usado no método para a produção do carboneto de silício.According to the invention, a purified silicon oxide, corresponding to the above-mentioned definition and / or produced according to the partial method described above, is especially preferably used in the method for the production of silicon carbide.
Usando os vários óxidos de silício, em particular as várias silicas, ácidos silícicos etc., aglomeração durante a pirólise pode variar dependendo do valor de pH da superfície de partícula. Geralmente, com óxido de silício que é um pouco ácido, observamos aglomeração intensificada da partícula em consequência da pirólise. Por isso, para a produção de pirolisados e/ou produtos de calcinação com pouca aglomeração pode ser preferencial usar óxidos de silício com superfícies neutras a básicas no método, por exemplo, com valores de pH entre 7 e 14.Using the various silicon oxides, in particular the various silicas, silicic acids etc., agglomeration during pyrolysis can vary depending on the pH value of the particle surface. Generally, with silicon oxide, which is slightly acidic, we observe intensified particle agglomeration as a result of pyrolysis. Therefore, for the production of pyrolysates and / or calcination products with little agglomeration, it may be preferable to use silicon oxides with neutral to basic surfaces in the method, for example, with pH values between 7 and 14.
De acordo com a invenção, óxido de silício compreende um dióxido de silício, em particular um ácido silícico pirogênico ou precipitado, preferencialmente um ácido silícico pirogênico ou precipitado de pureza altaAccording to the invention, silicon oxide comprises a silicon dioxide, in particular a pyrogenic or precipitated silicic acid, preferably a high purity pyrogenic or precipitated silicic acid
60/114 ou mais alta, de acordo com a invenção um óxido de silício purificado. Pureza mais alta significa um óxido de silício, em particular um dióxido de silício no qual a contaminação do óxido de silício com boro e/ou fósforo ou para compostos contendo boro e/ou contendo fósforo para boro deve ser menos de 10 ppm, em particular entre 10 ppm e 0,0001 ppt, e para fósforo deve ser menos de 20 ppm, em particular entre 10 ppm e 0,0001 ppt. O conteúdo de boro está preferencialmente entre 7 ppm e 1 ppt, preferencialmente entre 6 ppm e 1ppt, especialmente preferencialmente entre 5 ppm e 1 ppt ou menor, ou por exemplo, entre 0,001 ppm e 0,001 ppt, preferencialmente na região do limite de detecção analítica. O conteúdo de fósforo do óxido de silício deve estar preferencialmente entre 18 ppm e 1 ppt, preferencialmente entre 15 ppm e 1 ppt, especialmente preferencialmente entre 10 ppm e 1 ppt ou menor. O conteúdo de fósforo está preferencialmente na região do limite de detecção analítica.60/114 or higher, according to the invention a purified silicon oxide. Higher purity means a silicon oxide, in particular a silicon dioxide in which the contamination of silicon oxide with boron and / or phosphorus or for compounds containing boron and / or containing phosphorus for boron must be less than 10 ppm, in particular between 10 ppm and 0.0001 ppt, and for phosphorus it should be less than 20 ppm, in particular between 10 ppm and 0.0001 ppt. The boron content is preferably between 7 ppm and 1 ppt, preferably between 6 ppm and 1 ppt, especially preferably between 5 ppm and 1 ppt or less, or for example, between 0.001 ppm and 0.001 ppt, preferably in the region of the analytical detection limit . The phosphorus content of silicon oxide should preferably be between 18 ppm and 1 ppt, preferably between 15 ppm and 1 ppt, especially preferably between 10 ppm and 1 ppt or less. The phosphorus content is preferably in the region of the analytical detection limit.
Óxidos de silício, tais como quartzo, quartzito e/ou dióxidos de silício produzidos de modo usual é também vantajoso. Estes podem ser os dióxidos de silício que ocorrem em modificações cristalinas, tais como morganita (calcedônia), α-quartzo (quartzo de baixa temperatura), β-quartzo (quartzo de alta temperatura), tridimita, cristobalita, coesita, stishovita ou também SiO2 amorfo, especialmente, se satisfizerem as exigências de pureza determinada. Além disso, ácidos silícicos, em particular ácidos silícicos precipitados ou géis de silica, SiO2 pirogênico, ácido silícico pirogênico ou silica podem ser preferencialmente usados no método e/ou composição. Ácidos silícicos pirogênicos usuais são pós SiO2 amorfos em média de 5 a 50 nm de diâmetro e com uma superfície específica de 50 a 600 m2/g. A lista acima não deve ser entendida como final, é óbvio para um versado na técnica que outras fontes de óxido de silício que sejam adequadas para o método também podem ser usadas no método, se a fonte de óxido de silício for de pureza apropriada ou for após ter sido purificada.Silicon oxides, such as quartz, quartzite and / or silicon dioxides produced in the usual manner, are also advantageous. These can be silicon dioxides that occur in crystalline modifications, such as morganite (chalcedony), α-quartz (low temperature quartz), β-quartz (high temperature quartz), tridymite, cristobalite, cohesite, stishovite or also SiO 2 amorphous, especially if they meet the requirements of determined purity. In addition, silicic acids, in particular precipitated silicic acids or silica gels, pyrogenic SiO 2, pyrogenic silicic acid or silica can preferably be used in the method and / or composition. Usual pyrogenic silicic acids are amorphous SiO 2 powders with an average of 5 to 50 nm in diameter and with a specific surface of 50 to 600 m 2 / g. The above list should not be construed as final, it is obvious to one skilled in the art that other sources of silicon oxide that are suitable for the method can also be used in the method, if the source of silicon oxide is of appropriate purity or is after it has been purified.
O óxido de silício, em particular SiO2 fornecido e/ou usado pode ser pulverulento, granular, poroso, espumado, como extrudado, como molde e/ou como vidros porosos opcionaimente em conjunto com outros aditivos,The silicon oxide, in particular SiO 2 supplied and / or used, can be powdery, granular, porous, foamed, as extruded, as a mold and / or as porous glass optionally in conjunction with other additives,
61/114 em particular em conjunto com a fonte de carbono compreendendo pelo menos um carboidrato e opcionalmente um aglutinante e/ou auxiliar de molde.61/114 in particular in conjunction with the carbon source comprising at least one carbohydrate and optionally a binder and / or mold aid.
Um dióxido de silício pulverulento, poroso é preferencialmente usado como material formado, em particular como extrudado ou molde, especialmente preferencialmente em conjunto com a fonte de carbono compreendendo um carboidrato em um extrudado ou molde, por exemplo, em um pélete ou briquete. Em geral, todos os reagentes sólidos, tais como dióxido de silício, e opcionalmente a fonte de carbono compreendendo pelo menos um carboidrato deve ser usada no método ou deve estar em uma composição, em uma forma que oferece a maior superfície possível para ocorrência da reação. Além disso, a porosidade aumentada é desejável para a remoção rápida dos gases do processo. Por isso, uma mistura particulada de partículas de dióxido de silício recobertas com carboidrato pode ser usada de acordo com a invenção. Esta mistura particulada é em particular empacotada, em uma modalidade especialmente preferencial, como uma composição ou kit.A powdery, porous silicon dioxide is preferably used as a formed material, in particular as an extrudate or mold, especially preferably in conjunction with the carbon source comprising a carbohydrate in an extrudate or mold, for example, in a pellet or briquette. In general, all solid reagents, such as silicon dioxide, and optionally the carbon source comprising at least one carbohydrate must be used in the method or must be in a composition, in a form that offers the largest possible surface for the reaction to occur . In addition, increased porosity is desirable for the rapid removal of gases from the process. Therefore, a particulate mixture of silicon dioxide particles coated with carbohydrate can be used according to the invention. This particulate mixture is in particular packaged, in an especially preferred embodiment, as a composition or kit.
As quantidades de materiais usados bem como as respectivas proporções de óxido de silício, em particular dióxido de silício e a fonte de carbono compreendendo pelo menos um carboidrato são baseadas em circunstâncias ou exigências conhecidas por um versado na técnica, por exemplo, em um processo subsequente para produção de silício, processo de sinterização, processo para produção de material de eletrodo ou eletrodos.The quantities of materials used as well as the respective proportions of silicon oxide, in particular silicon dioxide and the carbon source comprising at least one carbohydrate are based on circumstances or requirements known to one skilled in the art, for example, in a subsequent process for silicon production, sintering process, process for producing electrode material or electrodes.
No método de acordo com a invenção, o carboidrato pode ser usado em uma proporção de peso de carboidrato para óxido de silício, em particular do dióxido de silício, em uma proporção de peso de 1000:0,1 a 1:1000 em relação ao peso total. Preferencialmente o carboidrato ou mistura de carboidratos são usados em uma proporção de peso para óxido de silício, em particular o dióxido de silício, de 100:1 a 1:100, especialmente preferencialmente de 50:1 a 1:5, muito especialmente, de preferência de 20:1 a 1:2, com a faixa preferencial de 2:1 a 1:1. De acordo com umaIn the method according to the invention, the carbohydrate can be used in a weight ratio of carbohydrate to silicon oxide, in particular silicon dioxide, in a weight ratio of 1000: 0.1 to 1: 1000 with respect to total weight. Preferably the carbohydrate or mixture of carbohydrates is used in a weight to silicon oxide ratio, in particular silicon dioxide, from 100: 1 to 1: 100, especially preferably from 50: 1 to 1: 5, very especially from preferably from 20: 1 to 1: 2, with the preferred range from 2: 1 to 1: 1. According to a
62/114 modalidade preferencial, o carbono é usado no método, através do carboidrato, em excesso em relação ao silício a ser reagido no óxido de silício. Se o óxido de silício for usado em excesso em uma modalidade vantajosa, ao selecionar a proporção é necessário assegurar que a formação do carboneto de silício não é suprimida.62/114 preferred mode, the carbon is used in the method, through the carbohydrate, in excess in relation to the silicon to be reacted in the silicon oxide. If silicon oxide is used in excess in an advantageous manner, when selecting the ratio it is necessary to ensure that the formation of silicon carbide is not suppressed.
Também de acordo com a invenção, o conteúdo de carbono da fonte de carbono compreendendo um carboidrato para conteúdo de silício do óxido de silício, em particular do dióxido de silício, está em uma proporção molar de 1000:0,1 a 0,1:1000 em relação à composição total. Usando açúcares cristalinos usuais, a faixa preferencial de mois de carbono, introduzido através da fonte de carbono compreendendo um carboidrato, para mois de silício, introduzido através do composto de óxido de silício, está na faixa de 100 mol : 1 mol a 1 mol : 100 mol (C para Si nos edutos), especialmente preferencialmente C para Si está em uma proporção de 50:1 a 1:50, muito especialmente, de preferência de 20:1 a 1:20, de acordo com a invenção na faixa de 3:1 a 2:1 ou até 1:1. Proporções molares são preferenciais no qual o carbono é adicionado através da fonte de carbono em proporções aproximadamente equimolares ou em excesso ao silício no óxido de silício.Also according to the invention, the carbon content of the carbon source comprising a carbohydrate for silicon content of silicon oxide, in particular silicon dioxide, is in a molar ratio of 1000: 0.1 to 0.1: 1000 in relation to the total composition. Using usual crystalline sugars, the preferred range of carbon moieties, introduced through the carbon source comprising a carbohydrate, for silicon moieties, introduced through the silicon oxide compound, is in the range of 100 mol: 1 mol to 1 mol: 100 mol (C for Si in the educts), especially preferably C for Si is in a ratio of 50: 1 to 1:50, most especially, preferably from 20: 1 to 1:20, according to the invention in the range 3: 1 to 2: 1 or even 1: 1. Molar proportions are preferred in which carbon is added through the carbon source in approximately equimolar proportions or in excess of silicon in silicon oxide.
O componente do método é normalmente projetado como um processo multiestágio. Uma primeira etapa compreende pirólise da fonte de carbono compreendendo pelo menos um carboidrato na presença de óxido de silício com grafitização, em particular há formação sobre e/ou dentro do componente óxido de silício, tal como SiOx com x = 0,5 a 1,5, SiO, SiO2, óxido de silício (hidrato), produtos de pirólise contendo carbono, por exemplo, revestimentos contendo frações de grafite e/ou negro de fumo. A pirólise é seguida por calcinação. A pirólise e/ou a calcinação podem realizar-se sucessivamente em um reator ou separadamente entre si em reatores diferentes. Por exemplo, pirólise realiza-se em um primeiro reator, e a calcinação subsequente, por exemplo, em um forno de micro-ondas de leito fluidizado. Um versado na técnica está ciente que os ajustes do reator, vasos, alimentação e/ou linhas de descarga, e os próprios ajustes de fornoThe method component is usually designed as a multistage process. A first step comprises pyrolysis of the carbon source comprising at least one carbohydrate in the presence of silicon oxide with graphitization, in particular there is formation on and / or within the silicon oxide component, such as SiOx with x = 0.5 to 1, 5, SiO, SiO 2 , silicon oxide (hydrate), pyrolysis products containing carbon, for example, coatings containing fractions of graphite and / or carbon black. Pyrolysis is followed by calcination. Pyrolysis and / or calcination can be carried out successively in one reactor or separately from each other in different reactors. For example, pyrolysis takes place in a first reactor, and subsequent calcination, for example, in a fluid bed microwave oven. One skilled in the art is aware that the settings of the reactor, vessels, supply and / or discharge lines, and the oven settings themselves
63/114 não devem contribuir para contaminação dos produtos de método.63/114 should not contribute to contamination of method products.
O componente do método é em geral projetado para que o óxido de silício e a fonte de carbono compreendendo pelo menos um carboidrato, intimamente misturados, dispersados, homogeneizados ou em uma formulação, sejam alimentados em um primeiro reator de pirólise. Isto pode realizar-se continuamente ou descontinuamente. Opcionalmente, as substâncias usadas são secas antes que sejam alimentadas no reator adequado, preferencialmente água aderente ou umidade residual pode permanecer no sistema. O componente do método técnico e industrial completo é dividido em uma primeira fase, na qual pirólise se realiza, e outra fase, na qual a calcinação se realiza. A reação pode realizar-se em temperaturas que começam de 150°C, preferencialmente começando de 400 até 3000°C, com, em uma primeira etapa de pirólise (modo de baixa temperatura), uma reação que se realiza em temperaturas mais baixas, em particular em 400 a 1400°C e uma calcinação subsequente em temperaturas mais altas (modo alto e de temperatura), em particular de 1400 a 3000°C, preferencialmente de 1400 a 1800°C. A pirólise e calcinação podem realizarse imediatamente uma após a outra em um processo, ou em duas etapas separadas. Por exemplo, o produto de método da pirólise pode ser empacotado como uma composição e usado depois por um processador adicional para a produção de carboneto de silício ou silício.The method component is generally designed so that silicon oxide and the carbon source comprising at least one carbohydrate, intimately mixed, dispersed, homogenized or in a formulation, are fed into a first pyrolysis reactor. This can be done continuously or discontinuously. Optionally, the substances used are dried before being fed into the appropriate reactor, preferably adherent water or residual moisture can remain in the system. The component of the complete technical and industrial method is divided into a first phase, in which pyrolysis takes place, and another phase, in which the calcination takes place. The reaction can be carried out at temperatures starting at 150 ° C, preferably starting at 400 to 3000 ° C, with, in a first pyrolysis step (low temperature mode), a reaction that takes place at lower temperatures, in in particular at 400 to 1400 ° C and subsequent calcination at higher temperatures (high and temperature mode), in particular from 1400 to 3000 ° C, preferably from 1400 to 1800 ° C. Pyrolysis and calcination can be carried out immediately after one another in one process, or in two separate steps. For example, the pyrolysis method product can be packaged as a composition and then used by an additional processor for the production of silicon carbide or silicon.
Alternativamente, a reação de óxido de silício, em particular óxido de silício purificado e a fonte de carbono compreendendo um carboidrato, em particular a fonte de carbono puro, pode começar com uma faixa de baixa temperatura, que, por exemplo, começa de 150°C, preferencialmente em 400°C e ser aumentada continuamente ou gradualmente, por exemplo, até 1800°C ou mais alta, em particular em torno de 1900°C. Este procedimento pode ser favorável para retirar os gases do processo que se formam.Alternatively, the reaction of silicon oxide, in particular purified silicon oxide and the carbon source comprising a carbohydrate, in particular the pure carbon source, can start with a low temperature range, which, for example, starts at 150 ° C, preferably at 400 ° C and be increased continuously or gradually, for example, up to 1800 ° C or higher, in particular around 1900 ° C. This procedure can be favorable to remove the process gases that are formed.
De acordo com outro modo de processo alternativo, a reação pode realizar-se diretamente em altas temperaturas, em particular em temperaturas acima 1400°C a 3000°C, preferencialmente entre 140CTC eAccording to another alternative process mode, the reaction can be carried out directly at high temperatures, in particular at temperatures above 1400 ° C to 3000 ° C, preferably between 140CTC and
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1800°C, especialmente preferencialmente entre 1450 e abaixo de aproximadamente 1600°C. A fim de parar a decomposição do carboneto de silício que se formou, em caso de atmosfera de baixo oxigênio, a reação é preferencialmente realizada em temperaturas abaixo da temperatura de decomposição, em particular abaixo de 1800°C, preferencialmente abaixo de 1600°C. O produto de método isolado de acordo com a invenção é o carboneto de silício de alta pureza como definido abaixo.1800 ° C, especially preferably between 1450 and below approximately 1600 ° C. In order to stop the decomposition of the silicon carbide that has formed, in the case of a low oxygen atmosphere, the reaction is preferably carried out at temperatures below the decomposition temperature, in particular below 1800 ° C, preferably below 1600 ° C. The isolated method product according to the invention is high purity silicon carbide as defined below.
Pirólise apropriada (etapa de baixa temperatura) realiza-se por regra em temperaturas abaixo de aproximadamente 800°C. Dependendo do produto desejado, a pirólise pode ser realizada em pressão normal, a vácuo ou também em pressão aumentada. Se trabalhando a vácuo ou em pressão baixa, os gases do processo podem ser retirados facilmente e estruturas altamente porosas, particuladas são obtidas após pirólise. Sob condições na região da pressão normal há aglomeração normalmente aumentada das estruturas porosas, particuladas. Se a pirólise for realizada em pressões aumentadas, os produtos de reação voláteis podem condensar-se nas partículas de óxido de silício e possivelmente reagir entre si ou com grupos reativos do dióxido de silício. Por exemplo, produtos de decomposição dos carboidratos que se formam, tais como cetonas, aldeídos ou alcoóis, podem reagir com grupos hidroxilas livres das partículas de dióxido de silício. Isto reduz consideravelmente a poluição do meio-ambiente com os gases do processo. Os produtos de pirólise porosos obtidos são neste caso um pouco mais aglomerados.Appropriate pyrolysis (low temperature stage) is usually carried out at temperatures below approximately 800 ° C. Depending on the desired product, pyrolysis can be carried out under normal pressure, under vacuum or at increased pressure. Whether working under vacuum or at low pressure, process gases can be removed easily and highly porous, particulate structures are obtained after pyrolysis. Under conditions in the region of normal pressure there is normally increased agglomeration of the porous, particulate structures. If pyrolysis is carried out at increased pressures, the volatile reaction products may condense on the silicon oxide particles and possibly react with each other or with reactive silicon dioxide groups. For example, decomposition products of the carbohydrates that form, such as ketones, aldehydes or alcohols, can react with free hydroxyl groups of the silicon dioxide particles. This considerably reduces pollution of the environment with process gases. The porous pyrolysis products obtained are in this case slightly more agglomerated.
Bem como pressão e temperatura, que pode ser selecionada livremente ao longo de uma larga faixa dependendo do produto de pirólise desejado, e pelo qual o ajuste exato entre si é bem conhecido por um versado na técnica, a pirólise da fonte de carbono contendo pelo menos um carboidrato podem ser ainda realizada na presença de umidade, em particular de umidade residual dos edutos, ou pela adição de umidade, na forma de água condensada, vapor ou componentes contendo hidrato, tais como SiO2 nH2O, ou outros hidratos familiares para um versado na técnica. A presença da umidade em particular tem o efeito que o carboidrato sofre aAs well as pressure and temperature, which can be selected freely over a wide range depending on the desired pyrolysis product, and for which the exact fit between them is well known to one skilled in the art, the pyrolysis of the carbon source containing at least a carbohydrate can also be carried out in the presence of moisture, in particular residual moisture from the educts, or by adding moisture, in the form of condensed water, steam or components containing hydrate, such as SiO 2 nH 2 O, or other familiar hydrates for one versed in the technique. The presence of moisture in particular has the effect that the carbohydrate undergoes
65/114 pirólise mais prontamente, e que a pré-secagem dispendiosa dos edutos pode ser omitida. Especialmente preferencialmente, o método para a produção do carboneto de silício é realizado pela reação de óxido de silício, em particular óxido de silício purificado, e uma fonte de carbono compreendendo pelo menos um carboidrato, em particular uma fonte de carbono puro, em temperatura elevada especialmente no início da pirólise na presença da umidade, opcionalmente a umidade também é adicionada ou alimentada durante a pirólise.65/114 pyrolysis more readily, and that expensive pre-drying of the educts can be omitted. Especially preferably, the method for producing silicon carbide is carried out by the reaction of silicon oxide, in particular purified silicon oxide, and a carbon source comprising at least one carbohydrate, in particular a pure carbon source, at an elevated temperature especially at the beginning of pyrolysis in the presence of moisture, optionally moisture is also added or fed during pyrolysis.
Como regra, pirólise realiza-se, em particular em pelo menos um primeiro reator, no modo de baixa temperatura em torno de 700°C, normalmente entre 200°C e 1600°C, especialmente preferencialmente entre 300°C e 1500°C, em particular de 400 a 1400°C, preferencialmente um produto de pirólise contendo grafite sendo obtido. Preferencialmente a temperatura interna dos reagentes é considerada como a temperatura de pirólise. O produto de pirólise é preferencialmente obtido em temperaturas de 1300 a 1500°C.As a rule, pyrolysis takes place, in particular in at least one first reactor, in the low temperature mode around 700 ° C, normally between 200 ° C and 1600 ° C, especially preferably between 300 ° C and 1500 ° C, in particular from 400 to 1400 ° C, preferably a pyrolysis product containing graphite being obtained. Preferably the internal temperature of the reagents is considered to be the pyrolysis temperature. The pyrolysis product is preferably obtained at temperatures from 1300 to 1500 ° C.
O método é por regra realizado na faixa de baixa pressão e/ou sob atmosfera de gás inerte. Argônio ou hélio são preferenciais como gás inerte. Nitrogênio também pode ser vantajoso, ou se opcionalmente nitreto de silício fosse formar-se além de carboneto de silício ou carboneto de silício n-dopado na etapa de calcinação, que pode ser desejável dependendo de como o processo é conduzido. A fim de produzir o carboneto de silício ndopado na etapa de calcinação, o nitrogênio pode ser adicionado ao processo na etapa de pirólise e/ou calcinação, opcionalmente também através dos carboidratos, tais como quitina. A produção de carboneto de silício especialmente p-dopado também pode ser vantajosa, e nesta exceção especial o conteúdo de alumínio, por exemplo, pode ser mais alto. Dopagem pode ser efetuada usando substâncias contendo alumínio, por exemplo, usando gás trimetilalumínio.The method is usually carried out in the low pressure range and / or under an inert gas atmosphere. Argon or helium are preferred as an inert gas. Nitrogen can also be advantageous, or if optionally silicon nitride were to be formed in addition to silicon carbide or n-doped silicon carbide in the calcination step, which may be desirable depending on how the process is conducted. In order to produce ndoped silicon carbide in the calcination step, nitrogen can be added to the process in the pyrolysis and / or calcination step, optionally also through carbohydrates, such as chitin. The production of specially p-doped silicon carbide can also be advantageous, and in this special exception, the aluminum content, for example, may be higher. Doping can be done using substances containing aluminum, for example, using trimethyl aluminum gas.
Dependendo da pressão no reator, os produtos de pirólise ou composições com grau variado de aglomeração e porosidade variada podem ser produzidos nesta etapa. Como regra, os produtos de pirólise obtidos sobDepending on the pressure in the reactor, pyrolysis products or compositions with varying degrees of agglomeration and varying porosity can be produced at this stage. As a rule, pyrolysis products obtained under
66/114 vácuo são menos aglomerados e têm a porosidade mais alta do que sob pressão normal ou pressão aumentada.66/114 vacuum are less agglomerated and have higher porosity than under normal pressure or increased pressure.
O tempo de pirólise pode estar entre 1 minuto e normalmente 48 horas, em particular entre 15 minutos e 18 horas, preferencialmente entre 30 minutos e aproximadamente 12 horas nas temperaturas de pirólise determinadas. A fase de aquecimento à temperatura de pirólise está por regra incluída aqui.The pyrolysis time can be between 1 minute and usually 48 hours, in particular between 15 minutes and 18 hours, preferably between 30 minutes and approximately 12 hours at the determined pyrolysis temperatures. The phase of heating to the pyrolysis temperature is usually included here.
A faixa de pressão é normalmente 0,1 kPa a 5000 kPa (1 mbar a 50 bar), em particular 0,1 kPa a 1000 kPa (1mbar a 10 bar), preferencialmente 0,1 kPa a 500 kPa(1 mbar a 5 bar). Dependendo do produto de pirólise desejado, e a fim de minimizar a formação de gases do processo contendo carbono, no método a etapa de pirólise também pode realizar-se em uma faixa de pressão de 100 a 5000 kPa(1 a 50 bar), preferencialmente 200 a 5000 kPa(2 a 50 bar), especialmente preferencialmente 500 a 5000 kPa( 5 a 50 bar). Um versado na técnica sabe que a pressão a ser selecionada é um compromisso entre remoção de gás, aglomeração e redução dos gases do processo contendo carbono.The pressure range is normally 0.1 kPa to 5000 kPa (1 mbar at 50 bar), in particular 0.1 kPa to 1000 kPa (1mbar at 10 bar), preferably 0.1 kPa to 500 kPa (1 mbar at 5 Pub). Depending on the desired pyrolysis product, and in order to minimize the formation of carbon from the process containing carbon, in the method the pyrolysis step can also be carried out in a pressure range of 100 to 5000 kPa (1 to 50 bar), preferably 200 to 5000 kPa (2 to 50 bar), especially preferably 500 to 5000 kPa (5 to 50 bar). One skilled in the art knows that the pressure to be selected is a compromise between gas removal, agglomeration and reduction of process gases containing carbon.
Pirólise dos reagentes, tais como óxido de silício e o carboidrato, é seguida pela etapa de calcinação. Calcinação (região de alta temperatura) significa uma seção do processo na qual os reagentes são substancialmente convertidos em carboneto de silício de alta pureza, opcionalmente contendo uma matriz de carbono e/ou uma matriz de óxido de silício e/ou misturas dos mesmos. Nesta etapa, há opcionalmente evaporação de água de cristalização e sinterização dos produtos do método. Por regra, a etapa de calcinação (etapa de alta temperatura) segue a pirólise diretamente, embora também possa ser realizada em um momento posterior, por exemplo, quando o produto de pirólise é vendido. As faixas de temperatura das etapas de pirólise e calcinação podem opcionalmente sobrepor-se um pouco. Calcinação é normalmente realizada em 1400 a 2000°C, preferencialmente entre 1400 a 1800°C. Se a pirólise se realizar em temperaturas abaixo de 800°C, a etapa de calcinação também pode estender-se a uma faixa de temperatura de 800°C a aproximadamente 1800°C. Esferas de óxido dePyrolysis of the reagents, such as silicon oxide and carbohydrate, is followed by the calcination step. Calcination (high temperature region) means a section of the process in which the reagents are substantially converted to high purity silicon carbide, optionally containing a carbon matrix and / or a matrix of silicon oxide and / or mixtures thereof. In this step, there is optionally evaporation of water of crystallization and sintering of the products of the method. As a rule, the calcination step (high temperature step) follows pyrolysis directly, although it can also be performed at a later time, for example, when the pyrolysis product is sold. The temperature ranges of the pyrolysis and calcination steps can optionally overlap slightly. Calcination is normally carried out at 1400 to 2000 ° C, preferably between 1400 to 1800 ° C. If pyrolysis is carried out at temperatures below 800 ° C, the calcination step can also extend over a temperature range of 800 ° C to approximately 1800 ° C. Oxide spheres
67/114 silício de alta pureza, em particular esferas de vidro de quartzo e/ou esferas de carboneto de silício ou geralmente partículas de vidro de quartzo e/ou carboneto de silício podem ser usadas no método, para transferência de calor melhorada. Preferencialmente, estes trocadores de calor são usados com fornos rotativos ou também em fornos de micro-ondas. Em fornos de micro-ondas, as micro-ondas causam a excitação nas partículas de vidro de quartzo e/ou partículas de carboneto de silício, de forma que as partículas sejam aquecidas. Preferencialmente as esferas e/ou as partículas são bem distribuídas no sistema de reação, para permitir transferência de calor uniforme.67/114 high purity silicon, in particular quartz glass spheres and / or silicon carbide spheres or generally quartz glass and / or silicon carbide particles can be used in the method, for improved heat transfer. Preferably, these heat exchangers are used with rotary ovens or also in microwave ovens. In microwave ovens, microwaves cause excitation in the quartz glass particles and / or silicon carbide particles, so that the particles are heated. Preferably the spheres and / or particles are well distributed in the reaction system, to allow uniform heat transfer.
A calcinação ou a região de alta temperatura do processo normalmente realiza-se na faixa de pressão de 0,1 kPa a 5000 kPa( 1 mbar a 50 bar), em particular entre 0,1 kPa e 100 kPa( 1 mbar e 1 bar) (pressão ambiente), em particular em 0,1 a 25 kPa(1 a 250 mbar), preferencialmente em 0,1 a 1 kPa(1 a 10 mbar). As atmosferas de gás inertes possíveis são aquelas já mencionadas. O tempo de calcinação depende da temperatura e dos reagentes usados. Por regra está entre 1 minuto e pode ser normalmente 48 horas, em particular entre 15 minutos e 18 horas, preferencialmente entre 30 minutos e aproximadamente 12 horas nas temperaturas de calcinação determinadas. A fase de aquecimento à temperatura de calcinação deve estar por regra incluída aqui.The calcination or the high temperature region of the process normally takes place in the pressure range of 0.1 kPa to 5000 kPa (1 mbar to 50 bar), in particular between 0.1 kPa and 100 kPa (1 mbar and 1 bar ) (ambient pressure), in particular 0.1 to 25 kPa (1 to 250 mbar), preferably 0.1 to 1 kPa (1 to 10 mbar). The possible inert gas atmospheres are those already mentioned. The calcination time depends on the temperature and the reagents used. As a rule it is between 1 minute and can normally be 48 hours, in particular between 15 minutes and 18 hours, preferably between 30 minutes and approximately 12 hours at the determined calcination temperatures. The heating phase at the calcination temperature should normally be included here.
A reação de óxido de silício e a fonte de carbono contendo um carboidrato também podem realizar-se diretamente na região de alta temperatura, e deve ser possível para os reagentes gasosos resultantes ou gases do processo serem removidos apropriadamente da zona de reação. Isto pode ser assegurado por uma carga solta ou uma carga compreendendo partes formadas do óxido de silício e/ou a fonte de carbono ou preferencialmente com partes formadas compreendendo dióxido de silício e a fonte de carbono (carboidrato). Os produtos gasosos de reação ou gases do processo que se formam podem ser, em particular, vapor, monóxido de carbono e produtos subsequentes. Em altas temperaturas, em particular na região de alta temperatura, há principalmente formação do monóxido deThe reaction of silicon oxide and the carbon source containing a carbohydrate can also be carried out directly in the high temperature region, and it must be possible for the resulting gaseous reagents or process gases to be properly removed from the reaction zone. This can be ensured by a loose charge or a charge comprising parts formed of silicon oxide and / or the carbon source or preferably with parts formed comprising silicon dioxide and the carbon (carbohydrate) source. The gaseous reaction products or process gases that form can be, in particular, steam, carbon monoxide and subsequent products. At high temperatures, particularly in the high temperature region, there is mainly the formation of
68/114 carbono.68/114 carbon.
A reação para carboneto de silício em temperatura elevada, em particular na etapa de calcinação, preferencialmente realiza-se em uma temperatura de 400 a 3000°C, preferencialmente a calcinação realiza-se na faixa de alta temperatura entre 1400 e 3000°C, preferencialmente de 1400°C a 1800°C, especialmente preferencialmente entre 1450 e 1500 e 1700°C. As faixas de temperatura não devem ser limitadas àquelas reveladas, como as temperaturas alcançadas são também diretamente dependentes dos reatores usados. As temperaturas determinadas são baseadas em medidas com sensores de alta temperatura e de temperatura padrão, por exemplo, encapsulados (elemento PtRhPt) ou alternativamente a partir da temperatura de cor por comparação visual com um filamento em espiral.The reaction for silicon carbide at elevated temperature, particularly in the calcination step, preferably takes place at a temperature of 400 to 3000 ° C, preferably the calcination takes place in the high temperature range between 1400 and 3000 ° C, preferably from 1400 ° C to 1800 ° C, especially preferably between 1450 and 1500 and 1700 ° C. The temperature ranges should not be limited to those revealed, as the temperatures reached are also directly dependent on the reactors used. The determined temperatures are based on measurements with high temperature and standard temperature sensors, for example, encapsulated (PtRhPt element) or alternatively from the color temperature by visual comparison with a spiral filament.
Todos os reatores conhecidos por um versado na técnica de pirólise e/ou calcinação podem ser considerados como reatores para uso no método de acordo com a invenção. Por isso, todos os reatores conhecidos por um versado na técnica? os reatores de laboratório, reatores de plantaspiloto ou preferencialmente reatores industriais de larga escala, por exemplo, reator de tubo rotativo ou também reator de micro-ondas, como usado para a sinterização de cerâmica, podem ser usados para a pirólise e calcinação subsequente para formação de Sic e opcionalmente grafitização.All reactors known to one skilled in the pyrolysis and / or calcination technique can be considered as reactors for use in the method according to the invention. So, all reactors known to one skilled in the art? laboratory reactors, pilot plant reactors or preferably large scale industrial reactors, for example, rotary tube reactor or also microwave reactor, as used for ceramic sintering, can be used for pyrolysis and subsequent calcination for formation Sic and optionally graffiti.
Os reatores de micro-ondas podem ser operados na faixa de alta frequência (faixa de HF), faixa de alta frequência sendo entendida dentro do escopo da presente invenção como 100 MHz a 100 GHz, em particular entre 100 MHz e 50 GHz ou também 100 MHz a 40 GHz. As faixas de frequência preferenciais estão aproximadamente entre 1 MHz e 100 GHz, com 10 MHz a 50 GHz sendo especialmente preferencial. Os reatores podem ser operados em paralelo. Especialmente preferencialmente, magnetrons de 2,4 MHz são usados para o método.Microwave reactors can be operated in the high frequency range (HF range), high frequency range being understood within the scope of the present invention as 100 MHz to 100 GHz, in particular between 100 MHz and 50 GHz or also 100 MHz to 40 GHz. The preferred frequency bands are approximately between 1 MHz and 100 GHz, with 10 MHz to 50 GHz being especially preferred. The reactors can be operated in parallel. Especially preferably, 2.4 MHz magnetrons are used for the method.
A reação em alta temperatura também pode realizar-se em fornos de fusão usuais para a produção de aço ou silício, tal como silício metalúrgico, ou outros fornos de fusão adequados, por exemplo, fornos de indução. O projeto dos ditos fornos de fusão, especialmenteThe high temperature reaction can also be carried out in melting furnaces customary for the production of steel or silicon, such as metallurgical silicon, or other suitable melting furnaces, for example, induction furnaces. The design of the said melting furnaces, especially
69/114 preferencialmente fornos elétricos, que usam um arco elétrico como a fonte de energia, é suficientemente familiar para um versado na técnica e não é parte deste pedido de patente. Em caso de fornos de corrente contínua, eles têm um eletrodo de fusão e um eletrodo de fundo ou como um forno de corrente alternada normalmente tem três eletrodos de fusão. Comprimento de arco é controlado por um controlador de eletrodo. Fornos de arco são por regra baseados em um espaço de reação feito de material refratário. As matérias-primas, em particular o carboidrato pirolisado em ácido silícico/SiO2] são alimentadas no topo, onde os eletrodos de grafite para geração do arco também estão arranjados. Estes fomos são geralmente operados em temperaturas na região de 1800°C. Um versado na técnica também está ciente que os próprios ajustes de forno não devem contribuir para a contaminação do carboneto de silício produzido. Preferencialmente, a reação em alta temperatura para carboneto de silício realiza-se em um reator de acordo com a invenção e/ou com eletrodos de acordo com a invenção e/ou em um dispositivo de acordo com a invenção.69/114 preferably electric ovens, which use an electric arc as the energy source, are sufficiently familiar to one skilled in the art and are not part of this patent application. In the case of direct current furnaces, they have a melting electrode and a bottom electrode or as an alternating current furnace they usually have three melting electrodes. Arc length is controlled by an electrode controller. Arc furnaces are usually based on a reaction space made of refractory material. The raw materials, in particular the pyrolyzed carbohydrate in silicic acid / SiO 2] are fed at the top, where the graphite electrodes for arc generation are also arranged. These forams are generally operated at temperatures in the region of 1800 ° C. One skilled in the art is also aware that the oven settings themselves should not contribute to the contamination of the produced silicon carbide. Preferably, the high temperature reaction for silicon carbide is carried out in a reactor according to the invention and / or with electrodes according to the invention and / or in a device according to the invention.
A invenção também refere-se a uma composição compreendendo carboneto de silício opcionalmente com uma matriz de carbono e/ou matriz de óxido de silício ou uma matriz compreendendo carboneto de silício, carbono e/ou óxido de silício e opcionalmente silício, que é obtenível pelo componente do método de acordo com a invenção, em particular pela etapa de calcinação, e em particular é isolado. Isolamento significa que após realizar o método, a composição e/ou o carboneto de silício de alta pureza é obtido e isolado, em particular como produto. O carboneto de silício pode ser ainda fornecido com uma camada de passivação, por exemplo, contendo SiO2.The invention also relates to a composition comprising silicon carbide optionally with a carbon matrix and / or silicon oxide matrix or a matrix comprising silicon carbide, carbon and / or silicon oxide and optionally silicon, which is obtainable by component of the method according to the invention, in particular by the calcination step, and in particular is isolated. Isolation means that after carrying out the method, the composition and / or the high purity silicon carbide is obtained and isolated, in particular as a product. The silicon carbide can also be supplied with a passivation layer, for example, containing SiO 2 .
Este produto então pode servir como reagente, catalisador, material para a produção de artigos, por exemplo, filtros, artigos formados ou artigos verdes e pode ser usado em outras aplicações familiares para um versado na técnica. Outra aplicação importante é o uso da composição compreendendo carboneto de silício como iniciador de reação e/ou reagente e/ou na produção do material de eletrodo ou na produção do carboneto deThis product can then serve as a reagent, catalyst, material for the production of articles, for example filters, formed articles or green articles and can be used in other applications familiar to one skilled in the art. Another important application is the use of the composition comprising silicon carbide as a reaction initiator and / or reagent and / or in the production of the electrode material or in the production of the carbide of
70/114 silício com coque de açúcar e ácido silícico.70/114 silicon with sugar coke and silicic acid.
A invenção também se relaciona ao produto de pirólise e opcionalmente calcinação de produto, em particular uma composição obtenível pelo componente do método de acordo com a invenção e em particular a pirólise e/ou produto de calcinação isolado do método, com um conteúdo de carbono para óxido de silício, em particular do dióxido de silício, de 400:0,1 a 0,4:1000.The invention also relates to the pyrolysis product and optionally product calcination, in particular a composition obtainable by the method component according to the invention and in particular the pyrolysis and / or calcination product isolated from the method, with a carbon content for silicon oxide, in particular silicon dioxide, from 400: 0.1 to 0.4: 1000.
Preferencialmente, a condutividade dos produtos do componente do método, em particular os produtos de componente do método pulverulentos comprimidos de alta densidade, medidos entre dois eletrodos apontados, está na faixa κ [m/D.m2] = 1 · 10‘1 a 1 · 10’6. Uma condutividade baixa, que é diretamente correlacionada com a pureza do produto de método, é desejável para o respectivo produto de componente do método de carboneto de silício.Preferably, the conductivity of the component products of the method, in particular the component products of the powder, high density tablets, measured between two pointed electrodes, is in the range κ [m / Dm 2 ] = 1 · 10 ' 1 to 1 · 10 ' 6 . A low conductivity, which is directly correlated with the purity of the method product, is desirable for the respective component product of the silicon carbide method.
Preferencialmente a composição ou o produto da pirólise e/ou da calcinação têm um conteúdo de grafite de 0 a 50% em peso, preferencialmente 25 a 50% em peso em relação à composição total. De acordo com a invenção, a composição ou o produto da pirólise e/ou de calcinação têm uma proporção de carboneto de silício de 25 a 100% em peso, em particular de 30 a 50% em peso, em relação à composição total.Preferably the composition or product of pyrolysis and / or calcination has a graphite content of 0 to 50% by weight, preferably 25 to 50% by weight in relation to the total composition. According to the invention, the composition or the product of pyrolysis and / or calcination has a proportion of silicon carbide of 25 to 100% by weight, in particular from 30 to 50% by weight, in relation to the total composition.
A invenção também refere-se a um carboneto de silício com uma matriz de carbono compreendendo coque e/ou negro de fumo e/ou grafite ou misturas dos mesmos e/ou com uma matriz de óxido de silício compreendendo dióxido de silício, ácido silícico e/ou misturas dos mesmos ou com uma mistura dos componentes acima mencionados, obteníveis pelo método de acordo com a invenção, em particular de acordo com uma das Reivindicações 1 a 10. Em particular SiC é isolado e usado ainda, como descrito abaixo. O conteúdo total dos elementos boro, fósforo, arsênico e/ou alumínio é preferencialmente abaixo de 10 ppm em peso no carboneto de silício conforme a definição da invenção.The invention also relates to a silicon carbide with a carbon matrix comprising coke and / or carbon black and / or graphite or mixtures thereof and / or with a silicon oxide matrix comprising silicon dioxide, silicic acid and / or mixtures thereof or with a mixture of the above mentioned components, obtainable by the method according to the invention, in particular according to one of Claims 1 to 10. In particular SiC is isolated and further used, as described below. The total content of the elements boron, phosphorus, arsenic and / or aluminum is preferably below 10 ppm by weight in silicon carbide as defined by the invention.
A invenção também refere-se a um carboneto de silício opcionalmente com frações de carbono e/ou frações de óxido de silício ouThe invention also relates to a silicon carbide optionally with fractions of carbon and / or fractions of silicon oxide or
71/114 misturas, compreendendo carboneto de silício, carbono e/ou óxido de silício, em particular dióxido de silício, com um conteúdo de impurezas como definido acima.71/114 mixtures, comprising silicon carbide, carbon and / or silicon oxide, in particular silicon dioxide, with an impurity content as defined above.
De acordo com uma modalidade, a invenção relaciona-se ao uso de carboneto de silício ou uma composição ou um produto de pirólise e/ou de calcinação do método na produção de silício puro, em particular na produção de silício de grau solar. A invenção relaciona-se em particular ao uso na produção de silício de grau solar pela redução do dióxido de silício, em particular do óxido de silício purificado, em altas temperaturas ou na produção do carboneto de silício pelo coque de reação, em particular de coque de açúcar, e dióxido de silício, em particular um ácido silícico, preferencialmente um ácido silícico ou SiO2 - pirogênico, precipitado ou purificado por troca iônica - em altas temperaturas, como trituração de material, isolante, como refratário, tal como telha resistente ao calor, ou na produção de artigos ou na produção de eletrodos.According to one embodiment, the invention relates to the use of silicon carbide or a pyrolysis and / or calcination composition or product of the method in the production of pure silicon, in particular in the production of solar grade silicon. The invention relates in particular to the use in the production of solar-grade silicon by reducing silicon dioxide, in particular purified silicon oxide, at high temperatures or in the production of silicon carbide by reaction coke, in particular coke of sugar, and silicon dioxide, in particular a silicic acid, preferably a silicic acid or SiO 2 - pyrogenic, precipitated or purified by ion exchange - at high temperatures, such as material crushing, insulating, as refractory, such as resistant tile heat, or in the production of articles or in the production of electrodes.
A invenção também refere-se ao uso de carboneto de silício ou uma composição ou um produto de pirólise e/ou de calcinação obtenível pelo método de acordo com a invenção como catalisador, em particular na produção de silício, preferencialmente na produção de silício purificado, em particular na produção de silício de grau solar, em particular na produção de silício de grau solar por redução do dióxido de silício em altas temperaturas. E opcionalmente na produção de carboneto de silício para usos de semicondutor ou para uso como catalisador na produção de carboneto de silício ultrapuro, por exemplo, por purificação, ou como reagente na produção de silício ou na produção de carboneto de silício, em particular de coque, preferencialmente de coque de açúcar, e dióxido de silício, preferencialmente com ácido silícico, em altas temperaturas, ou para uso como material de artigos ou como material de eletrodo, em particular para eletrodos de forno de arco. O uso como o material de artigos, em particular eletrodos, compreende o uso do material como material para os artigos ou também o uso do material ainda processado para a produção dos artigos, por exemplo, do material sinterizado ou de materiais de trituração.The invention also relates to the use of silicon carbide or a pyrolysis and / or calcination composition or product obtainable by the method according to the invention as a catalyst, in particular in the production of silicon, preferably in the production of purified silicon, in particular in the production of solar grade silicon, in particular in the production of solar grade silicon by reducing silicon dioxide at high temperatures. And optionally in the production of silicon carbide for semiconductor uses or for use as a catalyst in the production of ultrapure silicon carbide, for example, by purification, or as a reactant in the production of silicon or in the production of silicon carbide, in particular coke , preferably sugar coke, and silicon dioxide, preferably with silicic acid, at high temperatures, or for use as material for articles or as electrode material, in particular for arc furnace electrodes. The use as the material of articles, in particular electrodes, comprises the use of the material as material for the articles or also the use of the material still processed for the production of the articles, for example, sintered material or crushing materials.
72/11472/114
Outro objeto da invenção é o uso de pelo menos um carboidrato, em particular um carboidrato puro, na produção de carboneto de silício puro até ultrapuro, em particular carboneto de silício que pode ser isolado como produto, ou composição contendo carboneto de silício ou um produto de pirólise e/ou de calcinação contendo carboneto de silício, em particular na presença de óxido de silício, preferencialmente na presença do óxido de silício e/ou dióxido de silício.Another object of the invention is the use of at least one carbohydrate, in particular a pure carbohydrate, in the production of pure to ultrapure silicon carbide, in particular silicon carbide that can be isolated as a product, or composition containing silicon carbide or a product pyrolysis and / or calcination containing silicon carbide, in particular in the presence of silicon oxide, preferably in the presence of silicon oxide and / or silicon dioxide.
Preferencialmente uma seleção de pelo menos um carboidrato e um óxido de silício, em particular um dióxido de silício purificado, em particular sem componentes adicionais, é usado para a produção do carboneto de silício, e o carboneto de silício, uma composição contendo carboneto de silício ou um produto de pirólise e/ou de calcinação é isolado como produto de reação.Preferably a selection of at least one carbohydrate and one silicon oxide, in particular a purified silicon dioxide, in particular without additional components, is used for the production of silicon carbide, and silicon carbide, a composition containing silicon carbide. or a pyrolysis and / or calcination product is isolated as a reaction product.
A invenção também se relaciona ao uso de uma composição, em particular formulação, ou um kit compreendendo pelo menos um carboidrato e óxido de silício, em particular do óxido de silício purificado, no método de acordo com a invenção. Por isso, a invenção também se relaciona a um kit, contendo formulações separadas, em particular em recipientes separados, tais como vasos, bolsas e/ou latas, em particular na forma de um extrudado e/ou pó de óxido de silício, em particular de óxido de silício purificado, preferencialmente de dióxido de silício purificado, opcionalmente em conjunto com produtos de pirólise de carboidratos em S1O2 e/ou a fonte de carbono compreendendo pelo menos um carboidrato, em particular para o uso conforme o precedente. Pode ser preferencial se 0 óxido de silício diretamente com a fonte de carbono compreendendo um carboidrato, em particular uma fonte de carbono puro, por exemplo, impregnado com isto ou carboidrato suportado em SiO2 etc. na forma de comprimidos, como grânulos, extrudado, briquete, em particular como pélete ou briquete, está em um recipiente no kit e opcionalmente um carboidrato adicional e/ou óxido de silício como pó em um segundo recipiente.The invention also relates to the use of a composition, in particular formulation, or a kit comprising at least one carbohydrate and silicon oxide, in particular purified silicon oxide, in the method according to the invention. Therefore, the invention also relates to a kit, containing separate formulations, in particular in separate containers, such as vases, bags and / or cans, in particular in the form of an extrudate and / or silicon oxide powder, in particular of purified silicon oxide, preferably purified silicon dioxide, optionally in conjunction with S1O2 carbohydrate pyrolysis products and / or the carbon source comprising at least one carbohydrate, in particular for use as described above. It may be preferable if the silicon oxide directly with the carbon source comprising a carbohydrate, in particular a source of pure carbon, for example, impregnated with it or carbohydrate supported on SiO 2 etc. in the form of tablets, as granules, extruded, briquette, in particular as pellet or briquette, is in a container in the kit and optionally an additional carbohydrate and / or silicon oxide as a powder in a second container.
A invenção refere-se ainda ao uso de um artigo, em particular de um produto verde, material formado, parte sinterizada, de um eletrodo, deThe invention also relates to the use of an article, in particular of a green product, formed material, sintered part, of an electrode, of
73/114 um componente resistente ao calor, compreendendo um carboneto de silício de acordo com a invenção ou uma composição de acordo com a invenção contendo carboneto de silício, e opcíonalmente aditivos usuais adicionais, auxiliares de processamento, pigmentos ou aglutinantes no método completo de acordo com a invenção. A invenção, por isso, relaciona-se a um artigo contendo um carboneto de silício de acordo com a invenção, ou que é produzido usando o carboneto de silício de acordo com a invenção e seu uso no método completo de acordo com a invenção.73/114 a heat resistant component, comprising a silicon carbide according to the invention or a composition according to the invention containing silicon carbide, and optionally additional usual additives, processing aids, pigments or binders in the complete method according to with the invention. The invention, therefore, relates to an article containing a silicon carbide according to the invention, or which is produced using the silicon carbide according to the invention and its use in the complete method according to the invention.
Uso de SiC como ativador na redução do dióxido de silício com a fonte de carbonoUse of SiC as an activator in reducing silicon dioxide with the carbon source
Como explicado no início, carboneto de silício também pode ser adicionado no método completo de acordo com a invenção para a produção de silício puro.As explained at the beginning, silicon carbide can also be added in the complete method according to the invention for the production of pure silicon.
De acordo com a invenção, a eficácia econômica do método para a produção de silício puro é aumentada consideravelmente pela adição de um ativador, que realiza a função de um iniciador de reação, acelerador de reação e/ou como uma fonte de carbono.According to the invention, the economic efficiency of the method for the production of pure silicon is increased considerably by the addition of an activator, which performs the function of a reaction initiator, reaction accelerator and / or as a carbon source.
Ao mesmo tempo o ativador, isto é, iniciador de reação e/ou acelerador de reação, deve ser tão puro e econômico quanto possível. Iniciadores de reação e/ou aceleradores de reação especialmente preferenciais não devem por si mesmos introduzir impurezas não desejadas ou preferencialmente somente impurezas nas quantidades mínimas no fundido de silício, pelas razões declaradas no início.At the same time, the activator, ie, reaction initiator and / or reaction accelerator, must be as pure and economical as possible. Especially preferred reaction initiators and / or reaction accelerators should not by themselves introduce unwanted impurities or preferably only impurities in the minimum amounts in the silicon melt, for the reasons stated at the beginning.
O método de acordo com a invenção pode ser realizado de vários modos, e de acordo com uma modalidade especialmente preferencial um óxido de silício, em particular dióxido de silício, preferencíalmente um dióxido de silício purificado por precipitação ácida, é reagido em temperatura elevada, pela adição de carboneto de silício ao processo como uma fonte de carbono puro ou como ativador para o óxido de silício, de acordo com a invenção para o óxido de silício purificado por precipitação, ou carboneto de silício (SiC) em uma composição contendo óxido de silício, sendo especialmente preferencial se o óxido de silício, em particular o dióxido deThe method according to the invention can be carried out in several ways, and according to an especially preferred embodiment, a silicon oxide, in particular silicon dioxide, preferably a silicon dioxide purified by acid precipitation, is reacted at elevated temperature, by addition of silicon carbide to the process as a source of pure carbon or as an activator for silicon oxide, according to the invention for precipitation-purified silicon oxide, or silicon carbide (SiC) in a composition containing silicon oxide , being especially preferable if silicon oxide, in particular
74/114 silício, e o carboneto de silício forem adicionados em proporções aproximadamente estequiométricas, isto é, aproximadamente 1 mol de SiO2 para 2 mols de SiC para a produção de silício, em particular a mistura de reação para a produção de silício consiste do óxido de silício e carboneto de silício.74/114 silicon, and silicon carbide are added in approximately stoichiometric proportions, that is, approximately 1 mol of SiO 2 to 2 mol of SiC for silicon production, in particular the reaction mixture for silicon production consists of silicon oxide and silicon carbide.
Outra vantagem deste modo de realizar o método consiste em que por adição de SiC correspondentemente menos CO é liberado por Si formado. Poluição gasosa, que limita o processo decisivamente, é dessa forma vantajosamente reduzida. Dessa forma, intensificação de processo é vantajosamente possível adicionando SiC.Another advantage of this way of carrying out the method is that by adding SiC correspondingly less CO is released by Si formed. Gaseous pollution, which decisively limits the process, is thus advantageously reduced. Thus, process intensification is advantageously possible by adding SiC.
De acordo com outra modalidade especíalmente preferencial, o óxido de silício purificado por precipitação, em particular dióxido de silício, é reagido em temperatura elevada, onde o carboneto de silício e outra fonte de carbono puro são adicionados ao óxido de silício ou carboneto de silício e uma fonte de carbono puro, em particular uma segunda fonte de carbono puro, em uma composição contendo óxido de silício, ou são reagidos. Nesta variante a concentração do carboneto de silício pode ser reduzida a tal ponto que funciona mais como iniciador de reação e/ou acelerador de reação e menos como um reagente. Preferencialmente, aproximadamente 1 mol de dióxido de silício também pode ser reagido com aproximadamente 1 mol de carboneto de silício e aproximadamente 1 mol de uma segunda fonte de carbono no método.According to another especially preferred embodiment, precipitation-purified silicon oxide, in particular silicon dioxide, is reacted at an elevated temperature, where silicon carbide and another source of pure carbon are added to silicon oxide or silicon carbide and a source of pure carbon, in particular a second source of pure carbon, in a composition containing silicon oxide, or are reacted. In this variant, the concentration of silicon carbide can be reduced to such an extent that it functions more as a reaction initiator and / or reaction accelerator and less as a reagent. Preferably, approximately 1 mol of silicon dioxide can also be reacted with approximately 1 mol of silicon carbide and approximately 1 mol of a second carbon source in the method.
De acordo com a invenção, no método para a produção de silício pela reação de óxido de silício purificado em temperatura elevada, o carboneto de silício é adicionado ao óxido de silício ou opcionalmente é adicionado em uma composição contendo óxido de silício purificado, em particular um arco elétrico é usado como fonte de energia. O alvo é para que um carboneto de silício seja adicionado como ativador, isto é, como iniciador de reação e/ou acelerador de reação e/ou como fonte de carbono, isto é, como reagente, no método e/ou seja adicionado em uma composição no método.According to the invention, in the method for the production of silicon by the reaction of purified silicon oxide at high temperature, the silicon carbide is added to the silicon oxide or optionally added in a composition containing purified silicon oxide, in particular a electric arc is used as a power source. The target is for a silicon carbide to be added as an activator, that is, as a reaction initiator and / or reaction accelerator and / or as a carbon source, that is, as a reagent, in the method and / or that is added in a composition in the method.
O carboneto de silício é dessa forma alimentado no métodoSilicon carbide is thus fed in the method
75/114 separadamente. Preferencialmente, carboneto de silício é adicionado como iniciador de reação e/ou acelerador de reação no método ou na composição. Como o próprio carboneto de silício não se decompõe até que temperaturas de aproximadamente 2700 a 3070°C sejam alcançadas, foi surpreendente 5 que possa ser adicionado ao método para a produção de silício como iniciador de reação e/ou acelerador de reação ou como reagente ou também como meio de troca térmica. Inteiramente surpreendentemente, observou-se em um experimento que após disparar um arco elétrico, a reação entre dióxido de silício e carbono, em particular grafite, que inicia e prossegue 10 muito lentamente, em pequenas quantidades adicionadas do carboneto de silício pulverulento conduzido dentro de um curto momento para um aumento muito acentuado na reação. Efeitos luminosos foram observados, e surpreendentemente a reação subsequente inteira realizou-se com uma incandescência intensiva, brilhante, em particular até o final da reação.75/114 separately. Preferably, silicon carbide is added as a reaction initiator and / or reaction accelerator in the method or composition. As the silicon carbide itself does not decompose until temperatures of approximately 2700 to 3070 ° C are reached, it was surprising 5 that it can be added to the method for the production of silicon as a reaction initiator and / or reaction accelerator or as a reagent or also as a means of thermal exchange. Entirely surprising, it was observed in an experiment that after firing an electric arc, the reaction between silicon dioxide and carbon, in particular graphite, which starts and continues very slowly, in small amounts added of the powdered silicon carbide conducted inside a short time for a very sharp increase in reaction. Luminous effects were observed, and surprisingly the entire subsequent reaction was carried out with an intensive, bright incandescence, in particular until the end of the reaction.
Uma adicional ou segunda fonte de carbono puro, em particular adicional ao carboneto de silício, foi definida, no contexto do método para a produção de silício, como compostos ou materiais que não consistem de carboneto de silício, não têm carboneto de silício ou não contêm carboneto de silício. Por isso, a segunda fonte de carbono não 20 consiste de carboneto de silício, não tem carboneto de silício ou não contém carboneto de silício. A função da segunda fonte de carbono é um pouco daquela de um reagente puro, ao passo que o carboneto de silício é também um iniciador de reação e/ou acelerador de reação. Como a segunda fonte de carbono, consideração pode ser dada em particular a açúcares, grafite, 25 carvão, carvão vegetal, negro de fumo, coque, antracito, lignito, carbono ativado, coque de petróleo, madeira como lasca ou péletes de madeira, cascas ou talos de arroz, fibra de carbono, fulerenos e/ou hidrocarbonetos, em particular gasosos ou líquidos, e misturas de pelo menos dois dos compostos declarados, contanto que sejam de pureza adequada e não 30 contaminem o método de compostos ou elementos indesejáveis. A segunda fonte de carbono é preferencialmente selecionada a partir dos compostos determinados. A contaminação da adicional ou segunda fonte de carbonoAn additional or second source of pure carbon, in particular additional to silicon carbide, has been defined, in the context of the method for the production of silicon, as compounds or materials that do not consist of silicon carbide, do not have silicon carbide or do not contain silicon carbide. Therefore, the second carbon source does not consist of silicon carbide, has no silicon carbide, or does not contain silicon carbide. The function of the second carbon source is somewhat that of a pure reagent, whereas silicon carbide is also a reaction initiator and / or reaction accelerator. As the second source of carbon, consideration can be given in particular to sugars, graphite, coal, charcoal, carbon black, coke, anthracite, lignite, activated carbon, petroleum coke, wood like flakes or wood pellets, barks or stalks of rice, carbon fiber, fullerenes and / or hydrocarbons, in particular gaseous or liquid, and mixtures of at least two of the declared compounds, as long as they are of adequate purity and do not contaminate the method of undesirable compounds or elements. The second carbon source is preferably selected from the determined compounds. Contamination of the additional or second carbon source
76/114 puro com boro e/ou fósforo ou compostos contendo boro e/ou contendo fósforo deve ser para boro abaixo de 10 ppm, em particular entre 10 ppm e 0,001 ppt, e para o fósforo abaixo de 20 ppm, em particular entre 20 ppm e 0,001 ppt, em proporções em peso. As quantidades dadas em ppm, ppb e/ou ppt devem ser entendidas em todas as partes como proporções em peso em mg/kg, pg/kg etc.76/114 pure with boron and / or phosphorus or compounds containing boron and / or containing phosphorus must be for boron below 10 ppm, in particular between 10 ppm and 0.001 ppt, and for phosphorus below 20 ppm, in particular between 20 ppm and 0.001 ppt, in weight proportions. The amounts given in ppm, ppb and / or ppt must be understood everywhere as proportions by weight in mg / kg, pg / kg etc.
O conteúdo de boro está preferencialmente entre 7 ppm e 1 ppt, preferencialmente entre 6 ppm e 1 ppt, especialmente preferencialmente entre 5 ppm e 1 ppt ou menor, por exemplo, entre 0,001 ppm e 0,001 ppt, preferencialmente na região do limite de detecção analítica. O conteúdo de fósforo deve estar preferencialmente entre 18 ppm e 1 ppt, preferencialmente entre 15 ppm e 1ppt, especialmente preferencialmente entre 10 ppm e 1 ppt ou menor. O conteúdo de fósforo está preferencialmente na região do limite de detecção analítica. Geralmente estes valores limite são desejáveis para todos reagentes ou aditivos do método, para serem adequados para a produção do silício de grau semicondutor e/ou grau solar.The boron content is preferably between 7 ppm and 1 ppt, preferably between 6 ppm and 1 ppt, especially preferably between 5 ppm and 1 ppt or less, for example, between 0.001 ppm and 0.001 ppt, preferably in the region of the analytical detection limit . The phosphorus content should preferably be between 18 ppm and 1 ppt, preferably between 15 ppm and 1 ppt, especially preferably between 10 ppm and 1 ppt or less. The phosphorus content is preferably in the region of the analytical detection limit. Generally these limit values are desirable for all reagents or additives in the method, to be suitable for the production of semiconductor and / or solar grade silicon.
O óxido de silício purificado ou de alta pureza definido acima, em particular um dióxido de silício purificado ou de alta pureza, é preferencialmente usado como óxido de silício.The purified or high purity silicon oxide defined above, in particular a purified or high purity silicon dioxide, is preferably used as silicon oxide.
Além do óxido de silício purificado por precipitação, outros óxidos de silício puro analogamente podem ser usados no método para a produção de silício puro.In addition to precipitation-purified silicon oxide, other pure silicon oxides similarly can be used in the method for producing pure silicon.
A adição de outro óxido de silício adequado adicionalmente ao óxido de silício purificado também pode ser vantajosa, ou seja, quartzo, quartzito e/ou dióxidos de silício produzidos do modo usual. Estes podem ser os dióxidos de silício que ocorrem em modificações cristalinas, tais como morganita (calcedônia), α-quartzo (quartzo de baixa temperatura), β-quartzo (quartzo de alta temperatura), tridimita, cristobalita, coesita, stishovita ou também SiO2 amorfo. Além disso, ácidos silícicos, SiO2 pirogênico, ácido silícico pirogênico ou silica podem ser preferencialmente usados no método e/ou na composição. Ácidos silícicos pirogênicos usuais são pós de SiO2 The addition of another suitable silicon oxide in addition to the purified silicon oxide can also be advantageous, that is, quartz, quartzite and / or silicon dioxides produced in the usual manner. These can be silicon dioxides that occur in crystalline modifications, such as morganite (chalcedony), α-quartz (low temperature quartz), β-quartz (high temperature quartz), tridymite, cristobalite, cohesite, stishovite or also SiO 2 amorphous. In addition, silicic acids, pyrogenic SiO 2, pyrogenic silicic acid or silica can preferably be used in the method and / or in the composition. Usual pyrogenic silicic acids are SiO 2 powders
77/114 amorfo tendo média de 5 a 50 nm de diâmetro e com uma superfície específica de 50 a 600 m2/g. A lista acima não deve ser entendida como final, é óbvio para um versado na técnica que outras fontes de óxido de silício adequadas para o método podem ser usadas no método e/ou na composição.77/114 amorphous with an average of 5 to 50 nm in diameter and with a specific surface of 50 to 600 m 2 / g. The above list should not be taken as final, it is obvious to a person skilled in the art that other sources of silicon oxide suitable for the method can be used in the method and / or in the composition.
Óxido de silício purificado, em particular dióxido de silício purificado, e carboneto de silício e opcionalmente uma segunda fonte de carbono, em particular, uma segunda fonte de carbono puro, é preferencialmente usada no método nas seguintes proporções molares determinadas e/ou% em peso, onde as figuras podem relacionar-se aos edutos e em particular à mistura de reação no método:Purified silicon oxide, in particular purified silicon dioxide, and silicon carbide and optionally a second carbon source, in particular, a second pure carbon source, is preferably used in the method in the following determined molar ratios and / or% by weight , where the figures can relate to the educts and in particular to the reaction mixture in the method:
Para 1 mol de um óxido de silício, por exemplo, monóxido de silício, tal como Patinai®, aproximadamente 1 mol de uma segunda fonte de carbono puro e carboneto de silício em pequenas quantidades pode ser adicionado como iniciadores de reação ou aceleradores de reação. Quantidades usuais de carboneto de silício como iniciador de reação e/ou acelerador de reação são aproximadamente 0,0001% em peso a 25% em peso, preferencialmente 0,0001 a 20% em peso, especialmente preferencialmente 0,0001 a 15% em peso, em particular 1 a 10 % em peso em relação ao peso total da mistura de reação, em particular compreendendo óxido de silício, carboneto de silício e uma segunda fonte de carbono e opcionalmente aditivos adicionais.For 1 mol of a silicon oxide, for example, silicon monoxide, such as Patinai®, approximately 1 mol of a second source of pure carbon and silicon carbide in small amounts can be added as reaction initiators or reaction accelerators. Usual amounts of silicon carbide as a reaction initiator and / or reaction accelerator are approximately 0.0001% by weight to 25% by weight, preferably 0.0001 to 20% by weight, especially preferably 0.0001 to 15% by weight , in particular 1 to 10% by weight relative to the total weight of the reaction mixture, in particular comprising silicon oxide, silicon carbide and a second carbon source and optionally additional additives.
Também pode ser especialmente preferencial adicionar ao método, por 1 mol de um óxido de silício purificado, em particular dióxido de silício, aproximadamente 1 mol do carboneto de silício puro e aproximadamente 1 mol de uma segunda fonte de carbono, em particular de carbono puro. Se um carboneto de silício contendo fibras de carbono ou compostos similares contendo carbono adicional for usado, a quantidade de uma segunda fonte de carbono em mol pode ser reduzida analogamente. Por 1 mol de dióxido de silício, aproximadamente 2 mois de uma segunda fonte de carbono e carboneto de silício em pequenas quantidades podem ser adicionados como iniciador de reação ou acelerador de reação. Quantidades usuais de carboneto de silício como iniciador de reação e/ouIt may also be especially preferable to add to the method, per 1 mol of a purified silicon oxide, in particular silicon dioxide, approximately 1 mol of pure silicon carbide and approximately 1 mol of a second carbon source, in particular pure carbon. If a silicon carbide containing carbon fibers or similar compounds containing additional carbon is used, the amount of a second mol source of carbon can be reduced analogously. Per 1 mole of silicon dioxide, approximately 2 moles of a second source of carbon and silicon carbide in small amounts can be added as a reaction initiator or reaction accelerator. Usual amounts of silicon carbide as a reaction initiator and / or
78/114 acelerador de reação são aproximadamente 0,0001% em peso a 25% em peso, preferencialmente 0,0001 a 20% em peso, especialmente preferencialmente 0,0001 a 15% em peso, em particular 1 a 10% em peso em relação ao peso total da mistura de reação, em particular compreendendo óxido de silício, carboneto de silício e uma segunda fonte de carbono e opcionalmente aditivos adicionais.78/114 reaction accelerator is approximately 0.0001% by weight to 25% by weight, preferably 0.0001 to 20% by weight, especially preferably 0.0001 to 15% by weight, in particular 1 to 10% by weight in in relation to the total weight of the reaction mixture, in particular comprising silicon oxide, silicon carbide and a second carbon source and optionally additional additives.
De acordo com uma alternativa preferencial, por 1 mol do dióxido de silício, aproximadamente 2 rnols de carboneto de silício podem ser usados como reagente no método e opcionalmente uma segunda fonte de carbono pode estar presente em pequenas quantidades. Quantidades usuais da segunda fonte de carbono são aproximadamente 0,0001% em peso a 29% em peso, preferencialmente 0,001 a 25% em peso, especiaimente preferencialmente 0,01 a 20% em peso, muito especialmente, de preferência entre 0,1 a 15% em peso, em particular 1 a 10% em peso em relação ao peso total da mistura de reação, em particular compreendendo dióxido de silício, carboneto de silício e uma segunda fonte de carbono e opcionalmente aditivos adicionais.According to a preferred alternative, per 1 mol of silicon dioxide, approximately 2 mol of silicon carbide can be used as a reagent in the method and optionally a second carbon source can be present in small amounts. Usual amounts of the second carbon source are approximately 0.0001% by weight to 29% by weight, preferably 0.001 to 25% by weight, especially preferably 0.01 to 20% by weight, most especially, preferably between 0.1 to 15% by weight, in particular 1 to 10% by weight relative to the total weight of the reaction mixture, in particular comprising silicon dioxide, silicon carbide and a second carbon source and optionally additional additives.
Estequiometricamente, em particular dióxido de silício pode ser reagido com carboneto de silício e/ou uma segunda fonte de carbono de acordo com as seguintes equações de reação:Stoichiometrically, in particular silicon dioxide can be reacted with silicon carbide and / or a second carbon source according to the following reaction equations:
SiO2 + 2 C -> Si + 2 COSiO 2 + 2 C -> Si + 2 CO
SiO2 + 2 SiC -> 3 Si + 2 CO ouSiO 2 + 2 SiC -> 3 Si + 2 CO or
SiO2 + SiC + C —> 2 Si + 2 CO ouSiO 2 + SiC + C -> 2 Si + 2 CO or
SiO2 + 0,5 SiC + 1,5 C —> 1,5 Si + 2 CO ou SiO2 + 1,5 SiC + 0,5 C -> 2,5 Si + 2 CO etc.SiO 2 + 0.5 SiC + 1.5 C -> 1.5 Si + 2 CO or SiO 2 + 1.5 SiC + 0.5 C -> 2.5 Si + 2 CO etc.
Como o dióxido de silício purificado pode reagir na proporção molar de 1 mol com 2 rnols de carboneto de silício e/ou da segunda fonte de carbono, há possibilidade de controlar o método por meio da proporção molar de carboneto de silício e a adicional ou segunda fonte de carbono puro. Preferencialmente, carboneto de silício e a segunda fonte de carbono em conjunto devem ser usados no método ou estar presentes no métodoAs the purified silicon dioxide can react in a molar ratio of 1 mol with 2 mol of silicon carbide and / or the second carbon source, it is possible to control the method by means of the molar proportion of silicon carbide and the additional or second source of pure carbon. Preferably, silicon carbide and the second carbon source together should be used in the method or be present in the method
79/114 aproximadamente na proporção de 2 mois para 1 mol de dióxido de silício. Dessa forma, os 2 mois de carboneto de silício e opcionalmente a segunda fonte de carbono podem ser compostos de 2 mol de SiC a 0 mol da segunda fonte de carbono até 0,00001 mol de SiC a 1,99999 da segunda fonte de carbono (C). A proporção de carboneto de silício para a segunda fonte de carbono preferencialmente varia dentro da estequiometria de aproximadamente 2 mois para reação com aproximadamente 1 mol de dióxido de silício conforme a Tabela 1:79/114 approximately in the proportion of 2 mois to 1 mol of silicon dioxide. Thus, the 2 milliles of silicon carbide and optionally the second carbon source can be composed of 2 mol of SiC at 0 mol of the second carbon source up to 0.00001 mol of SiC at 1.99999 of the second carbon source ( Ç). The proportion of silicon carbide to the second carbon source preferably varies within the stoichiometry of approximately 2 mois for reaction with approximately 1 mol of silicon dioxide according to Table 1:
Tabela 1Table 1
Por exemplo, os 2 mois de SiC e opcionalmente C em conjunto são compostos de 2 a 0,00001 mois de SiC e 0 a 1,99999 mol de C, em particular de 0,0001 a 0,5 mois de SiC e 1,9999 a 1,5 a 2 mois de C, preferencialmente 0,001 a 1 mol de SiC e 1,999 a 1 a 2 mois de C, especialmente preferencialmente 0,01 a 1,5 mois de SiC e 1,99 a 0,5 a 2 mois de C, em particular é preferencial no método de acordo com a invenção usar 0,1 a 1,9 mois de SiC e 1,9 a 0,1 a 2 mois de C por aproximadamente 1 mol de dióxido de silício.For example, the 2 moles of SiC and optionally C together are composed of 2 to 0.00001 moles of SiC and 0 to 1.99999 moles of C, in particular from 0.0001 to 0.5 moles of SiC and 1, 9999 to 1.5 to 2 mol of C, preferably 0.001 to 1 mol of SiC and 1.999 to 1 to 2 mol of C, especially preferably 0.01 to 1.5 mol of SiC and 1.99 to 0.5 to 2 moles of C, in particular it is preferred in the method according to the invention to use 0.1 to 1.9 moles of SiC and 1.9 to 0.1 to 2 moles of C for approximately 1 mole of silicon dioxide.
Como carbonetos de silício para uso no método de acordo com a invenção ou a composição de acordo com a invenção, consideração pode ser dada preferencialmente a carbonetos de silício puros a ultrapuros conforme a definição acima, e geralmente todas as fases politípicas, e opcionalmente o carboneto de silício pode ser recoberto com uma camada de passivação de SÍO2. Fases politípicas individuais com estabilidade variada podem ser preferencialmente usadas no método, porque, por exemplo, 0 curso da reação ou o início da reação no método podem serAs silicon carbides for use in the method according to the invention or the composition according to the invention, consideration can be given preferably to pure to ultrapure silicon carbides as defined above, and generally all polytype phases, and optionally the carbide of silicon can be covered with a passivation layer of SiO2. Individual polytyp phases with varying stability can preferably be used in the method, because, for example, the course of the reaction or the start of the reaction in the method can be
80/114 controlados com elas. Carboneto de silício de alta pureza é incolor e é preferencialmente usado no método. Além disso, como carboneto de silício no método ou na composição, é possível usar SiC comercial (carborundum), SiC metalúrgico, matrizes de ligação SiC, cerâmica de carboneto de silício de poro aberto ou densa, tais como carboneto de silício ligado a silicato, SiC recristalizado (RSiC), carboneto de silício ligado por reação, infiltrado de silício (SiSiC), carboneto de silício sinterizado, carboneto de silício comprimido a quente (isostaticamente) (HpSiC, HiPSiC) e/ou carboneto de silício sinterizado em fase líquida (LPSSiC), compostos de carboneto de silício reforçados por fibra de carbono (CMC, compostos de matriz cerâmica) e/ou misturas destes compostos, com a ressalva que a contaminação seja tão pequena que o silício produzido seja adequado para a produção de silício de grau solar e/ou silício de grau semicondutor. Os carbonetos de silício acima mencionados também podem ser adicionados ao método em pequenas quantidades contanto que a contaminação total do silício puro corresponda àquela de acordo com a invenção. Por isso, carbonetos de silício também podem ser reciclados em certas quantidades no método de acordo com a invenção contanto que a contaminação total do silício puro produzido seja alcançada. Um versado na técnica está ciente que a contaminação total do silício puro obtido pode ser controlada pela adição de cargas diferentes e com perfis de impureza variados.80/114 controlled with them. High purity silicon carbide is colorless and is preferably used in the method. In addition, as a silicon carbide in the method or composition, it is possible to use commercial SiC (carborundum), metallurgical SiC, SiC bonding matrices, open or dense pore silicon carbide ceramics, such as silicate carbide bonded, Recrystallized SiC (RSiC), reaction-bound silicon carbide, silicon infiltrate (SiSiC), sintered silicon carbide, hot compressed (isostatically) silicon carbide (HpSiC, HiPSiC) and / or liquid-phase sintered silicon carbide ( LPSSiC), carbon fiber reinforced silicon carbide compounds (CMC, ceramic matrix compounds) and / or mixtures of these compounds, with the proviso that the contamination is so small that the silicon produced is suitable for the production of grade silicon semiconductor grade solar and / or silicon. The aforementioned silicon carbides can also be added to the method in small amounts as long as the total contamination of the pure silicon corresponds to that according to the invention. Therefore, silicon carbides can also be recycled in certain amounts in the method according to the invention as long as the total contamination of the pure silicon produced is achieved. One skilled in the art is aware that the total contamination of the pure silicon obtained can be controlled by the addition of different charges and with different impurity profiles.
A contaminação do carboneto de silício adequado para o método com boro e/ou fósforo ou com compostos contendo boro e/ou contendo fósforo é preferencialmente para o boro abaixo de 10 ppm, em particular entre 10 ppm e 0,001 ppt, e para o fósforo abaixo de 20 ppm, em particular entre 20 ppm e 0,001 ppt. Preferencialmente o conteúdo de boro em um carboneto de silício está entre 7 ppm e 1 ppt, preferencialmente entre 6 ppm e 1 ppt, especialmente preferencialmente entre 5 ppm e 1 ppt ou menor, ou por exemplo, entre 0,001 ppm e 0,001 ppt, preferencialmente na região do limite de detecção analítica. O conteúdo de fósforo de um carboneto de silício deve estar preferencialmente entre 18 ppm e 1 ppt, preferencialmente entre 15 ppm e 1 ppt, especialmente preferencialmente entre 10 ppm e 1 pptContamination of silicon carbide suitable for the method with boron and / or phosphorus or with compounds containing boron and / or containing phosphorus is preferably for boron below 10 ppm, in particular between 10 ppm and 0.001 ppt, and for the phosphor below 20 ppm, in particular between 20 ppm and 0.001 ppt. Preferably the boron content in a silicon carbide is between 7 ppm and 1 ppt, preferably between 6 ppm and 1 ppt, especially preferably between 5 ppm and 1 ppt or less, or for example, between 0.001 ppm and 0.001 ppt, preferably at analytical detection limit region. The phosphorus content of a silicon carbide should preferably be between 18 ppm and 1 ppt, preferably between 15 ppm and 1 ppt, especially preferably between 10 ppm and 1 ppt
81/114 ou menor. O conteúdo de fósforo está preferencialmente na região do limite de detecção analítica.81/114 or less. The phosphorus content is preferably in the region of the analytical detection limit.
Como carbonetos de silício estão sendo usados cada vez mais como compósitos, por exemplo, para a produção de semicondutores, material de disco de freio ou escudos de calor e outros produtos, o método de acordo com a invenção e a composição ou a formulação oferecem uma possibilidade de reciclagem elegante destes produtos após uso ou dos resíduos ou sucata que surgem em sua produção. A única exigência a ser satisfeita pelos carbonetos de silício que devem ser reciclados é a pureza suficiente para o método, e preferencialmente carbonetos de silício que satisfazem a especificação acima com respeito a boro e/ou fósforo são reciclados. O carboneto de silício pode ser adicionado ao método a) como material pulverulento ou granular e/ou como grumos e/ou b) contido em um vidro poroso, em particular vidro de quartzo, em um extrudado e/ou molde, tais como pélete ou briquete, em particular em uma formulação descrita acima, opcionalmente em conjunto com outros aditivos.As silicon carbides are increasingly being used as composites, for example, for the production of semiconductors, brake disc material or heat shields and other products, the method according to the invention and the composition or formulation offer a possibility of elegant recycling of these products after use or of the residues or scrap that arise in their production. The only requirement to be satisfied for the silicon carbides that must be recycled is sufficient purity for the method, and preferably silicon carbides that satisfy the above specification with respect to boron and / or phosphorus are recycled. Silicon carbide can be added to method a) as a powdery or granular material and / or as lumps and / or b) contained in a porous glass, in particular quartz glass, in an extrudate and / or mold, such as pellet or briquette, in particular in a formulation described above, optionally in conjunction with other additives.
Todos os reagentes, isto é, o óxido de silício purificado, carboneto de silício e opcionalmente fontes adicionais de carbono puro, cada um separadamente ou em composições ou formulações, podem ser adicionados ao método continuamente ou descontinuamente. Preferencialmente, o carboneto de silício é adicionado nas quantidades e no curso do método até uma extensão tal que uma execução especialmente econômica do método seja alcançada. Por isso, pode ser vantajoso se o carboneto de silício for adicionado gradualmente continuamente, a fim de manter uma aceleração de reação contínua da reação. A reação pode ser realizada em fornos de fusão usuais para a produção de silício, realizado como descrito no começo. Preferencialmente o método é realizado em um dispositivo de acordo com a invenção, reator e com eletrodos de acordo com a invenção.All reagents, i.e., purified silicon oxide, silicon carbide and optionally additional sources of pure carbon, each separately or in compositions or formulations, can be added to the method continuously or discontinuously. Preferably, silicon carbide is added in quantities and over the course of the method to an extent such that an especially economical implementation of the method is achieved. Therefore, it can be advantageous if the silicon carbide is added gradually continuously, in order to maintain a continuous reaction acceleration of the reaction. The reaction can be carried out in usual melting furnaces for the production of silicon, carried out as described in the beginning. The method is preferably carried out in a device according to the invention, reactor and with electrodes according to the invention.
Como mencionado acima, dependendo do perfil de impureza de outros reagentes, o carboneto de silício pode ser usado como carboneto de silício, como carboneto de silício puro ou como carboneto de silício ultrapuroAs mentioned above, depending on the impurity profile of other reagents, silicon carbide can be used as silicon carbide, as pure silicon carbide or as ultrapure silicon carbide
82/114 ou também como uma mistura destes. Em misturas, os carbonetos de silício são preferencialmente formulados anteriormente, em particular briquetado. A regra geral é: mais contaminado o carboneto de silício, menor sua quantidade no método.82/114 or as a mixture of these. In mixtures, silicon carbides are preferably formulated earlier, in particular briquetted. The general rule is: the more contaminated the silicon carbide, the less its quantity in the method.
O método pode ser realizado de forma queThe method can be carried out in a way that
a) o carboneto de silício e óxido de silício purificado, em particular dióxido de silício, e opcionalmente outra fonte de carbono puro é cada um alimentado separadamente no método, em particular o espaço de reação, e opcionalmente então é misturada em conjunto e/oua) the silicon carbide and purified silicon oxide, in particular silicon dioxide, and optionally another source of pure carbon is each fed separately in the method, in particular the reaction space, and optionally then is mixed together and / or
b) o carboneto de silício em conjunto com óxido de silício purificado, em particular dióxido de silício, e opcionalmente outra fonte de carbono puro em uma formulação e/oub) silicon carbide together with purified silicon oxide, in particular silicon dioxide, and optionally another source of pure carbon in a formulation and / or
c) o óxido de silício purificado, em particular dióxido de silício, em conjunto com uma fonte de carbono puro em uma formulação, em particular na forma um extrudado ou molde, preferencialmente como pélete ou briquete, e/ouc) the purified silicon oxide, in particular silicon dioxide, together with a source of pure carbon in a formulation, in particular in the form of an extrudate or mold, preferably as a pellet or briquette, and / or
d) o carboneto de silício em uma composição com a fonte adicional de carbono puro é adicionado ou alimentado no método. Esta formulação pode compreender uma mistura física, um extrudado ou molde ou também um carboneto de silício reforçado por fibra de carbono.d) silicon carbide in a composition with the additional source of pure carbon is added or fed in the method. This formulation can comprise a physical mixture, an extrudate or mold or also a carbon fiber reinforced silicon carbide.
Como já mencionado para o carboneto de silício, o carboneto de silício e/ou óxido de silício e opcionalmente pelo menos uma fonte adicional de carbono puro pode ser alimentada no método como material a ser reciclado. A única exigência imposta a todos os compostos a serem reciclados consiste em que sejam de pureza suficiente para formação de um silício no método, do qual o silício de grau solar e/ou o silício de grau semicondutor podem ser produzidos.As already mentioned for silicon carbide, silicon carbide and / or silicon oxide and optionally at least one additional source of pure carbon can be fed into the method as a material to be recycled. The only requirement imposed on all compounds to be recycled is that they are of sufficient purity to form a silicon in the method, from which solar grade silicon and / or semiconductor grade silicon can be produced.
Similarmente, no método de acordo com a invenção, além do óxido de silício purificado é também possível usar óxidos de silício de pureza suficiente que devem ser reciclados. Vidros de quartzo são adequados, por exemplo, caco de vidro. Para tomar somente alguns, estes podem ser Suprasil, SQ 1, Herasil, Spektrosil A. A pureza destes vidros de quartzo podeSimilarly, in the method according to the invention, in addition to the purified silicon oxide it is also possible to use silicon oxides of sufficient purity that must be recycled. Quartz glasses are suitable, for example, broken glass. To take only a few, these can be Suprasil, SQ 1, Herasil, Spektrosil A. The purity of these quartz glasses can
83/114 ser determinada por exemplo, das taxas de absorção em comprimentos de onda especificados, tais como 157 nm ou 193 nm. Por exemplo, eletrodos quase consumidos, que foram reduzidos a uma forma desejada, por exemplo, como pó, podem ser usados como a segunda fonte de carbono.83/114 can be determined, for example, from absorption rates at specified wavelengths, such as 157 nm or 193 nm. For example, nearly consumed electrodes, which have been reduced to a desired shape, for example, as dust, can be used as the second carbon source.
O silício puro produzido ou obtido com o método de acordo com a invenção é, de acordo com a invenção, opcionalmente após fusão de zona/solidificação direcional, adequada como silício de grau solar. Preferencialmente é adequado a) para processamento adicional em processos para a produção de silício de grau solar ou silício de grau semicondutor.The pure silicon produced or obtained with the method according to the invention is, according to the invention, optionally after zone melting / directional solidification, suitable as solar grade silicon. It is preferably suitable a) for further processing in processes for the production of solar grade silicon or semiconductor grade silicon.
A contaminação do silício produzido com compostos contendo boro e/ou contendo fósforo deve corresponder ao espectro definido no início desta descrição, mas também pode ser, para boro na faixa abaixo de 10 ppm a 0,0001 ppt, em particular na faixa de 5 ppm a 0,0001 ppt, preferencialmente na faixa de 3 ppm a 0,0001 ppt ou especialmente preferencialmente na faixa de 10 ppb a 0,0001 ppt, até mais preferencialmente na faixa de 1 ppb a 0,0001 ppt e para fósforo na faixa abaixo de 10 ppm a 0,0001 ppt, em particular na faixa de 5 ppm a 0,0001 ppt, preferencialmente na faixa de 3 ppm a 0,0001 ppt ou especialmente preferencialmente na faixa de 10 ppb a 0,0001 ppt, até mais preferencialmente na faixa de 1 ppb a 0,0001 ppt, determinado em proporções em peso. A faixa de impurezas geralmente não tem limite inferior, mas é determinada somente pelos limites atuais de detecção das técnicas analíticas. De acordo com a invenção, o silício puro tem o perfil da contaminação com boro, o alumínio, o cálcio, o ferro, o níquel, o fósforo, o titânio e/ou o zinco afirmaram no começo.The contamination of silicon produced with compounds containing boron and / or containing phosphorus must correspond to the spectrum defined at the beginning of this description, but it can also be, for boron in the range below 10 ppm to 0.0001 ppt, in particular in the range of 5 ppm at 0.0001 ppt, preferably in the range of 3 ppm to 0.0001 ppt or especially preferably in the range of 10 ppb to 0.0001 ppt, even more preferably in the range of 1 ppb to 0.0001 ppt and for phosphorus in the range below from 10 ppm to 0.0001 ppt, in particular in the range of 5 ppm to 0.0001 ppt, preferably in the range of 3 ppm to 0.0001 ppt or especially preferably in the range of 10 ppb to 0.0001 ppt, even more preferably in the range of 1 ppb to 0.0001 ppt, determined in weight proportions. The range of impurities generally has no lower limit, but is determined only by the current limits of detection of analytical techniques. According to the invention, pure silicon has the profile of contamination with boron, aluminum, calcium, iron, nickel, phosphorus, titanium and / or zinc stated at the beginning.
Vantajosamente, o silício fundido pode sofrer tratamento com metais de terras raras, a fim de remover carbono, oxigênio, nitrogênio, boro ou qualquer outra impureza que esteja presente, do silício fundido.Advantageously, molten silicon can be treated with rare earth metals in order to remove carbon, oxygen, nitrogen, boron or any other impurity that is present from the molten silicon.
A invenção também se relaciona a uma composição que é especialmente adequada para uso no método acima mencionado para a produção de silício e cuja qualidade é preferencialmente adequada comoThe invention also relates to a composition that is especially suitable for use in the aforementioned method for the production of silicon and whose quality is preferably suitable as
84/114 silício de grau solar ou para a produção de silício de grau solar e/ou silício de grau semicondutor, com a composição contendo óxido de silício e carboneto de silício e opcionalmente uma segunda fonte de carbono, em particular uma fonte de carbono puro. Aqueles determinados acima podem ser considerados como óxido de silício purificado, em particular dióxido de silício, carboneto de silício e opcionalmente a segunda fonte de carbono, e preferencialmente também se satisfizerem às exigências de pureza determinadas.84/114 solar grade silicon or for the production of solar grade silicon and / or semiconductor grade silicon, with the composition containing silicon oxide and silicon carbide and optionally a second carbon source, in particular a pure carbon source . Those determined above can be considered as purified silicon oxide, in particular silicon dioxide, silicon carbide and optionally the second carbon source, and preferably also satisfy the determined purity requirements.
O carboneto de silício também pode estar presente, opcionalmente em conjunto com outros aditivos, na formulação, como descrita acima a) como pó, como grânulos e/ou como grumos e/ou b) contido em um vidro poroso, em particular vidro de quartzo, em um extrudado e/ou pélete. Em modalidades adicionais, a formulação pode conter carboneto de silício infiltrado com silício e/ou carboneto de silício contendo fibras de carbono. Estas formulações devem ser preferenciais se os carbonetos de silício correspondentes forem reciclados, porque não podem ser mais usados de qualquer outro modo, por exemplo, sucata de produção ou produtos usados. Contanto que a pureza seja suficiente para o método de acordo com a invenção, deste modo é possível para carbonetos de silício, cerâmica de carboneto de silício, tais como placas quentes, material de disco de freio, serem reciclados novamente. Como regra, por causa do processo de produção, estes produtos já têm pureza suficiente. A invenção, por isso, também pode relacionar-se à reciclagem de carbonetos de silício em um método para a produção de silício. Os aglutinantes definidos acima, em particular os aglutinantes resistentes ao calor ou refratários, podem ser usados como aglutinantes para produção da formulação.Silicon carbide can also be present, optionally together with other additives, in the formulation, as described above a) as a powder, as granules and / or as lumps and / or b) contained in a porous glass, in particular quartz glass , in an extrudate and / or pellet. In additional embodiments, the formulation may contain silicon carbide infiltrated with silicon and / or silicon carbide containing carbon fibers. These formulations should be preferred if the corresponding silicon carbides are recycled, as they can no longer be used in any other way, for example, production scrap or used products. As long as the purity is sufficient for the method according to the invention, it is thus possible for silicon carbides, silicon carbide ceramics, such as hot plates, brake disc material, to be recycled again. As a rule, because of the production process, these products are already sufficiently pure. The invention, therefore, can also relate to the recycling of silicon carbides in a method for the production of silicon. The binders defined above, in particular heat resistant or refractory binders, can be used as binders for producing the formulation.
A invenção também refere-se ao uso do silício produzido pelo método de acordo com a invenção como material baseado de células solares e/ou semicondutores ou em particular como material inicial para a produção de silício de grau solar.The invention also relates to the use of silicon produced by the method according to the invention as a material based on solar cells and / or semiconductors or in particular as a starting material for the production of solar grade silicon.
85/11485/114
Reatores adequados para uso no método completo de acordo com a invençãoReactors suitable for use in the complete method according to the invention
A invenção também refere-se a um reator, um dispositivo e eletrodos, adequados em particular para a produção de silício de grau solar ou silício de grau semicondutor.The invention also relates to a reactor, a device and electrodes, suitable in particular for the production of solar grade silicon or semiconductor grade silicon.
A fim de ser capaz de produzir silício de alta pureza, é necessário desenvolver fornos de redução, com os quais a contaminação com impurezas pode ser evitada até a maior extensão possível. Por regra, os reatores são no momento revestidos com refratários, tais como grafite e/ou carboneto de silício. Os eletrodos dos fornos de redução são também feitos de grafite. Grafite tem a condutividade necessária e resistência a calor. Uma desvantagem importante dos materiais está na pureza insuficiente presente. Refratários são normalmente contaminados com boro, fósforo, alumínio e ferro.In order to be able to produce high purity silicon, it is necessary to develop reduction furnaces, with which contamination with impurities can be avoided to the greatest extent possible. As a rule, reactors are currently coated with refractories, such as graphite and / or silicon carbide. The electrodes of the reduction furnaces are also made of graphite. Graphite has the necessary conductivity and heat resistance. An important disadvantage of the materials is the insufficient purity present. Refractories are usually contaminated with boron, phosphorus, aluminum and iron.
De acordo com uma modalidade, a invenção, por isso, refere-se a um reator que é adequado em particular para o uso com fornos de indução, corrente contínua e/ou corrente alternada, preferencialmente é adequada para a produção de silício, de acordo com a invenção da produção de silício puro, onde o reator pode corresponder ao reator 1 e/ou 2 descrito abaixo. O reator de acordo com a invenção é caracterizado em que tem eletrodos de carboneto de silício ou eletrodos de carboneto de silício infiltrados com silício. O carboneto de silício infiltrado com silício dos eletrodos tem a vantagem que... em particular pela reação de SiO2, preferencialmente de dióxido de silício purificado, e a pirólise e/ou calcinação de pelo menos uma fonte de carbono contendo carboidrato, preferencialmente uma fonte de carbono puro, em particular da seguinte pureza:According to one embodiment, the invention therefore relates to a reactor which is particularly suitable for use with induction furnaces, direct current and / or alternating current, preferably suitable for the production of silicon, in accordance with with the invention of pure silicon production, where the reactor can correspond to reactor 1 and / or 2 described below. The reactor according to the invention is characterized in that it has silicon carbide electrodes or silicon carbide electrodes infiltrated with silicon. The silicon carbide infiltrated with silicon from the electrodes has the advantage that ... in particular by the reaction of SiO 2 , preferably of purified silicon dioxide, and the pyrolysis and / or calcination of at least one carbon source containing carbohydrate, preferably a source of pure carbon, in particular of the following purity:
O conteúdo de boro, fósforo, arsênico, alumínio, ferro, sódio, potássio, níquel, e cromo é, para o carboneto de silício puro, para cada elemento preferencialmente abaixo de 5 ppm a 0,01 ppt (em peso), e para o carboneto de silício de alta pureza em particular abaixo de 2,5 ppm a 0,1 ppt. Especialmente preferencialmente, o carboneto de silício obtido após reaçãoThe content of boron, phosphorus, arsenic, aluminum, iron, sodium, potassium, nickel, and chromium is, for pure silicon carbide, for each element preferably below 5 ppm at 0.01 ppt (by weight), and for high purity silicon carbide in particular below 2.5 ppm to 0.1 ppt. Especially preferably, the silicon carbide obtained after reaction
86/114 de um óxido de silício e uma fonte de carboidrato puro, em particular açúcar purificado, opcionalmente com carbono e/ou matrizes SiyOz, tem um perfil de purificação para SiC como definido no início da descrição.86/114 of a silicon oxide and a source of pure carbohydrate, in particular purified sugar, optionally with carbon and / or Si y O z matrices, has a purification profile for SiC as defined at the beginning of the description.
Especialmente preferencial carboneto de silício puro até de alta pureza ou uma composição de alta pureza contém ou consiste de carboneto de silício, carbono, óxido de silício e opcionalmente pequenas quantidades de silício, e o carboneto de silício de alta pureza ou a composição de alta pureza em particular têm um perfil da contaminação com boro, fósforo, arsênico, alumínio, ferro, sódio, potássio, níquel, cromo, enxofre, bário, zircônio, zinco, titânio, cálcio, magnésio, cobre, cromo, cobalto, zinco, vanádio, manganês e/ou chumbo abaixo de 100 ppm para carboneto de silício puro, preferencialmente abaixo de 20 ppm a 0,001 ppt para carboneto de silício de alta pureza, especialmente preferencialmente entre 10 ppm e 0,001 ppt em relação à composição completa de alta pureza ou o carboneto de silício de alta pureza.Especially preferred pure to high purity silicon carbide or a high purity composition contains or consists of silicon carbide, carbon, silicon oxide and optionally small amounts of silicon, and the high purity silicon carbide or the high purity composition in particular have a profile of contamination with boron, phosphorus, arsenic, aluminum, iron, sodium, potassium, nickel, chromium, sulfur, barium, zirconium, zinc, titanium, calcium, magnesium, copper, chromium, cobalt, zinc, vanadium, manganese and / or lead below 100 ppm for pure silicon carbide, preferably below 20 ppm to 0.001 ppt for high purity silicon carbide, especially preferably between 10 ppm and 0.001 ppt for the complete high purity composition or carbide of high purity silicon.
Especialmente preferencialmente o carboneto de silício é obtido da reação de um óxido de silício purificado e uma fonte de carboidrato pura, em particular açúcar purificado como descrito acima. Durante a reação, o conteúdo de silício pode ser controlado pelas condições de reação ou também por adição do silício separado. Preferencialmente, o carboneto de silício é produzido pelo método apresentado acima para a produção do carboneto de silício.Especially preferably, silicon carbide is obtained from the reaction of a purified silicon oxide and a pure carbohydrate source, in particular purified sugar as described above. During the reaction, the silicon content can be controlled by the reaction conditions or by addition of the separated silicon. Preferably, silicon carbide is produced by the method presented above for the production of silicon carbide.
A pureza atingível do carboneto de silício ou do carboneto de silício infiltrado com silício como material de eletrodo corresponde à pureza apresentada acima. Preferencialmente o carboneto de silício é puro a ultrapuro. Para melhora da estabilidade mecânica, os eletrodos de carboneto de silício infiltrados com silício ou os eletrodos de carboneto de silício podem ser reforçados com fibras de carbono. De acordo com a invenção, o reator para realização do método de acordo com a invenção é usado para a produção de silício puro.The attainable purity of silicon carbide or silicon carbide infiltrated with silicon as electrode material corresponds to the purity shown above. Preferably, silicon carbide is pure to ultrapure. To improve mechanical stability, silicon carbide electrodes infiltrated with silicon or silicon carbide electrodes can be reinforced with carbon fibers. According to the invention, the reactor for carrying out the method according to the invention is used for the production of pure silicon.
Um carboneto de silício puro até de alta pureza ou carboneto de silício infiltrado com silício, opcionalmente contendo carbono, em particularA pure to high purity silicon carbide or silicon carbide infiltrated with silicon, optionally containing carbon, in particular
87/114 como material de eletrodo ou para revestimento de um reator ou um dispositivo, é caracterizado em que o conteúdo de impurezas corresponde às faixas para SiC definido no início desta descrição, em particular o total das impurezas acima mencionadas é menor que 5 ppm, preferencialmente menor que 4 ppm, especialmente preferencialmente menor que 3 ppm, muito especialmente, de preferência entre 0,5 e 3 ppm e especialmente preferencialmente entre 1 ppm e 0,001 ppt. Um carboneto de silício com faixas preferenciais nos valores limite é considerado como de alta pureza.87/114 as electrode material or for coating a reactor or device, it is characterized in that the impurity content corresponds to the SiC ranges defined at the beginning of this description, in particular the total of the impurities mentioned above is less than 5 ppm, preferably less than 4 ppm, especially preferably less than 3 ppm, most especially, preferably between 0.5 and 3 ppm and especially preferably between 1 ppm and 0.001 ppt. A silicon carbide with preferred ranges in the limit values is considered to be of high purity.
Os valores limite correspondentes de alumínio, boro, cálcio, ferro, níquel, fósforo, titânio e zinco aplicam-se a um grafite de alta pureza. Estes são em particular:The corresponding limit values for aluminum, boron, calcium, iron, nickel, phosphorus, titanium and zinc apply to high-purity graphite. These are in particular:
- Boro abaixo de 5,5 [pg/g], em particular entre 5 e 0,000001 pg/g, preferencialmente 3 e 0,00001 pg/g, especialmente preferencialmente 2 e 0,00001 pg/g, de acordo com a invenção abaixo de 2 a 0,00001 pg/g,- Boron below 5.5 [pg / g], in particular between 5 and 0.000001 pg / g, preferably 3 and 0.00001 pg / g, especially preferably 2 and 0.00001 pg / g, according to invention below 2 to 0.00001 pg / g,
- Fósforo abaixo de 5,5 [pg/g], 5 a 0,000001 pg/g, preferencialmente 3 a 0,00001 pg/g, especialmente preferencialmente abaixo de 1 a 0,00001 pg/g, de acordo com a invenção abaixo de 0,5 a 0,00001 pg/g.- Phosphorus below 5.5 [pg / g], 5 to 0.000001 pg / g, preferably 3 to 0.00001 pg / g, especially preferably below 1 to 0.00001 pg / g, according to the invention below 0.5 to 0.00001 pg / g.
- Alumínio entre 4 e 0,000001 pg/g, preferencialmente 3 a 0,00001 pg/g, especialmente preferencialmente abaixo de 2,5 a 0,00001 pg/g, de acordo com a invenção abaixo de 2 a 0,00001 pg/g.- Aluminum between 4 and 0.000001 pg / g, preferably 3 to 0.00001 pg / g, especially preferably below 2.5 to 0.00001 pg / g, according to the invention below 2 to 0.00001 pg / g.
- Ferro entre 100 e 0,000001 pg/g, preferencialmente entre 60 e 0,00001 pg/g, em particular entre 10 e 0,000001 pg/g, preferencialmente 5 a 0,00001 pg/g, especialmente preferencialmente 2 a 0,00001 pg/g, muito especialmente, de preferência abaixo de 1 a 0,00001 pg/g, de acordo com a invenção abaixo 0,5 a 0,00001 pg/g.- Iron between 100 and 0.000001 pg / g, preferably between 60 and 0.00001 pg / g, in particular between 10 and 0.000001 pg / g, preferably 5 to 0.00001 pg / g, especially preferably 2 to 0 .001001 pg / g, most especially, preferably below 1 to 0.00001 pg / g, according to the invention below 0.5 to 0.00001 pg / g.
- Sódio (Na) entre 20 e 0,000001 pg/g, preferencialmente 15 a 0,00001 pg/g, especialmente preferencialmente abaixo de 12 a 0,00001 pg/g, de acordo com a invenção abaixo de 10 a 0,00001 pg/g,- Sodium (Na) between 20 and 0.000001 pg / g, preferably 15 to 0.00001 pg / g, especially preferably below 12 to 0.00001 pg / g, according to the invention below 10 to 0.00001 pg / g,
- Potássio (K) entre 30 e 0,000001 pg/g, preferencialmente 25 a 0,00001 pg/g, especialmente preferencialmente abaixo de 20 a 0,00001 pg/g, de acordo com a invenção abaixo de 16 a 0,00001 pg/g,- Potassium (K) between 30 and 0.000001 pg / g, preferably 25 to 0.00001 pg / g, especially preferably below 20 to 0.00001 pg / g, according to the invention below 16 to 0.00001 pg / g,
88/11488/114
- Níquel (Ni) entre 4 e 0,000001 pg/g, preferencialmente 3 a 0,00001 pg/g, especíalmente preferencialmente abaixo de 2 a 0,00001 pg/g, de acordo com a invenção abaixo de 1,5 a 0,00001 pg/g,- Nickel (Ni) between 4 and 0.000001 pg / g, preferably 3 to 0.00001 pg / g, especially preferably below 2 to 0.00001 pg / g, according to the invention below 1.5 to 0 , 00001 pg / g,
- Cromo (Cr) entre 4 e 0,000001 pg/g, preferencialmente 3 a 0,00001 pg/g, especialmente preferencialmente abaixo de 2 a 0,00001 pg/g, de acordo com a invenção abaixo de 1 a 0,00001 pg/g.- Chromium (Cr) between 4 and 0.000001 pg / g, preferably 3 to 0.00001 pg / g, especially preferably below 2 to 0.00001 pg / g, according to the invention below 1 to 0.00001 pg / g.
Contaminação mínima com os respectivos elementos é preferencial, especialmente preferencialmente abaixo de 100 ppm, muito especialmente, de preferência abaixo de 10 ppb ou abaixo de 1 ppb.Minimal contamination with the respective elements is preferred, especially preferably below 100 ppm, most especially, preferably below 10 ppb or below 1 ppb.
Outra desvantagem dos reatores atualmente em uso é múltiplo revestimento com tijolos refratários ordinários, dos quais impurezas podem ser introduzidas no fundido de silício quente. Mesmo se os tijolos refratários não estiverem em contato direto com o fundido.Another disadvantage of the reactors currently in use is multiple coating with ordinary refractory bricks, of which impurities can be introduced into the hot silicon melt. Even if the refractory bricks are not in direct contact with the melt.
A invenção também refere-se a um reator 0, em particular para o uso com fornos industriais, por exemplo, fornos de micro-ondas, indução, corrente contínua e/ou corrente alternada, preferencialmente para a produção de silício ou metais puros e/ou ligas, em particular silício puro, onde o dito reator 0 também pode corresponder a um reator 1 e/ou 2 definido abaixo, com pelo menos o espaço de reação 1 do reator 0 ou dos reatores 0 para fusão e opcionalmente para redução, em particular do óxido de silício com pelo menos uma ou mais fontes de carbono, tendo um orifício para metal e opcionalmente um orifício para escóriaThe invention also relates to a 0 reactor, in particular for use with industrial ovens, for example, microwave ovens, induction, direct current and / or alternating current, preferably for the production of silicon or pure metals and / or alloys, in particular pure silicon, where said reactor 0 can also correspond to a reactor 1 and / or 2 defined below, with at least reaction space 1 of reactor 0 or reactors 0 for fusion and optionally for reduction, in particular silicon oxide with at least one or more carbon sources, having a hole for metal and optionally a hole for slag
- tem uma construção sanduíche com pelo menos duas camadas, em particular, a construção sanduíche é composta de uma primeira camada interna 7, outra camada externa 6 e opcionalmente camada mais externa 8,- has a sandwich construction with at least two layers, in particular, the sandwich construction consists of a first inner layer 7, another outer layer 6 and optionally the outermost layer 8,
- o espaço de reação 1 ou o reator 0 revestido internamente com uma primeira camada 6 de material refratário de alta pureza, em particular com carboneto de silício puro até de alta pureza ou grafite de alta pureza,- reaction space 1 or reactor 0 internally coated with a first layer 6 of high-purity refractory material, in particular with pure to high-purity silicon carbide or high-purity graphite,
- tem uma camada mais externa 7, que funciona como um isolamento e/ou barreira de difusão contra impurezas, em particular em altas temperaturas, e- it has an outer layer 7, which acts as an insulation and / or diffusion barrier against impurities, particularly at high temperatures, and
89/114 metais puros até de alta pureza, metalóides ou ligas ou misturas dos mesmos.89/114 pure to high purity metals, metalloids or alloys or mixtures thereof.
Uma primeira camada (7) do material refratário de alta pureza deve ser entendida como qualquer material que é adequado para o uso em 5 altas temperaturas e tem ó perfil de impureza definido. Esta primeira camada entra em contato direto com fundida de silício ou reagentes quentes. Um grafite de alta pureza ou carboneto de silício de alta pureza preferencialmente têm urn perfil de impureza como definido acima. Todos os componentes ancilares e pontos de conexão ou partes de conexão do reator 10 para a instalação completa (dispositivo) podem ter esta primeira camada (7) do material refratário de alta pureza. A primeira camada é preferencialmente segmentada, para permitir substítuibilídade parcial de segmentos queimados ou gastos, por exemplo, da cobertura de grafite de alta pureza. Sem segmentação, a primeira camada inteira tèria que ser substituída se uma 15 área local fosse danificada ou consumida pelo processo. A segmentação pode ser conectávei pelo princípio sulco/mola.A first layer (7) of the high-purity refractory material should be understood as any material that is suitable for use at 5 high temperatures and has a defined impurity profile. This first layer comes into direct contact with molten silicon or hot reagents. A high purity graphite or high purity silicon carbide preferably has an impurity profile as defined above. All ancillary components and connection points or connection parts of the reactor 10 for the complete installation (device) can have this first layer (7) of high purity refractory material. The first layer is preferably segmented, to allow partial substitutability of burnt or worn segments, for example, of high-purity graphite coverage. Without segmentation, the entire first layer would have to be replaced if a local area was damaged or consumed by the process. The segmentation can be connected by the groove / spring principle.
A construção sanduíche tem a vantagem de acordo com a invenção que em altas temperaturas, contaminastes moveis, por exemplo, boro, de partes mais remotas da instalação podem não difundir mais até a 20 extensão como no momento através dó grafite quente ou revestimento interno dé carboneto de silício em altas temperaturas no espaço de reação e dessa forma introduzir o fundido.The sandwich construction has the advantage according to the invention that at high temperatures, mobile contaminants, for example, boron, from more remote parts of the installation may no longer diffuse up to 20 degrees as at the moment through hot graphite or internal carbide coating silicon at high temperatures in the reaction space and thereby introduce the melt.
Na construção sanduíche, a camada externa (6) atua como um isolamento e/ou barreira de difusão contra impurezas, em particular previne 25 difusão de boro nas altas temperaturas do reator a partir do exterior no refratário de alta pureza que a primeira camada, por exemplo, de grafite, e dessa forma ho fundido de silício. A camada externa mecânica estável opcional (8) pode ser feita de materiais usuais resistentes ao calor, que devido á barreira de difusão de acordo com a invenção não estão sujeitos a 30 exigências aumentadas com respeito à pureza.In sandwich construction, the outer layer (6) acts as an insulation and / or diffusion barrier against impurities, in particular it prevents diffusion of boron at the high temperatures of the reactor from the outside in the high-purity refractory that the first layer, for example, graphite, and thus molten silicon. The optional stable mechanical outer layer (8) can be made of usual heat-resistant materials, which due to the diffusion barrier according to the invention are not subject to increased requirements with respect to purity.
90/114 difusão de boro nas altas temperaturas do reator a partir do exterior no refratário de alta pureza que a primeira camada, por exemplo, de grafite, e dessa forma no fundido de silício. A camada externa mecânica estável opcional 8 pode ser feita de materiais usuais resistentes ao calor, que devido à barreira de difusão de acordo com a invenção não estão sujeitos a exigências aumentadas com respeito à pureza.90/114 boron diffusion at the reactor's high temperatures from the outside in the high-purity refractory than the first layer, for example, graphite, and thus in the silicon melt. The optional stable mechanical outer layer 8 can be made of usual heat-resistant materials, which due to the diffusion barrier according to the invention are not subject to increased requirements with respect to purity.
A camada mais externa 6 com a função de um isolamento e/ou barreira de difusão pode ser um vácuo ou uma parte oca com vácuo, por exemplo, uma parte oca feita de vidro de alta pureza, em particular vidro de quartzo, que é preferencialmente prateado e tem um vácuo no interior. De acordo com a invenção, a parte oca tem um vácuo e é fornecida com um espelho infravermelho no lado em direção ao espaço do reator, preferencíalmente recoberto com isso. O vácuo também pode ser produzido quimicamente, em particular assim chamado de superisolamento, ao passo que a parte oca, que corresponde à camada externa 6, é prateada no lado em direção ao espaço de reação, preferencíalmente com um material de reflexão de infravermelho.The outermost layer 6 with the function of an insulation and / or diffusion barrier can be a vacuum or a vacuum hollow part, for example, a hollow part made of high purity glass, in particular quartz glass, which is preferably silver and has a vacuum inside. According to the invention, the hollow part has a vacuum and is provided with an infrared mirror on the side towards the reactor space, preferably covered with it. The vacuum can also be produced chemically, in particular so-called super-insulation, whereas the hollow part, which corresponds to the outer layer 6, is silvered on the side towards the reaction space, preferably with an infrared reflection material.
Alternativamente, a primeira camada e a camada externa também podem ser unidas firmemente, para parar entrada ou escapamento de gás, em particular para ser capazes de produzir um vácuo em uma cavidade formada entre elas. Como uma alternativa para um vácuo, é também possível usar um poroso resistente ao calor, opcíonalmente material similar à espuma como a camada externa do isolamento. Preferencialmente, por isso, por exemplo, a primeira camada é fornecida, em particular recoberta, com vidro de alta pureza ou cerâmica de alta pureza, possivelmente seguido por, como camada externa, uma espuma porosa de vidro, esferas de vidro ou simplesmente espaçadores de alta pureza finos, preferencíalmente esferas expandidas. Em uma modalidade especialmente preferencial, esta camada é seguida por uma camada externa, que é unida à primeira camada de tal modo que a camada média (camada mais externa, por exemplo, com vidro expandido) pode adicionalmente ter um vácuo aplicado. A construção sanduíche de acordo com a invenção pode minimizarAlternatively, the first layer and the outer layer can also be joined tightly, to stop gas inlet or exhaust, in particular to be able to produce a vacuum in a cavity formed between them. As an alternative to a vacuum, it is also possible to use a heat-resistant porous, optionally foam-like material as the outer insulation layer. For this reason, for example, the first layer is preferably supplied, in particular covered with high-purity glass or high-purity ceramic, possibly followed by, as an outer layer, a porous foam of glass, glass spheres or simply spacers. high purity fines, preferably expanded spheres. In an especially preferred embodiment, this layer is followed by an outer layer, which is joined to the first layer in such a way that the middle layer (outermost layer, for example, with expanded glass) can additionally have a vacuum applied. The sandwich construction according to the invention can minimize
91/114 a difusão termicamente induzida de impurezas das partes externas da instalação no espaço de reação.91/114 the thermally induced diffusion of impurities from the external parts of the installation in the reaction space.
Devido ao consumo do revestimento interno refratário do reator ou espaço de reação, é preferencial adaptar o tamanho do reator de forma que possa ser operado em potência entre 600 kW e abaixo de 1 MW. De acordo com a invenção, reatores industriais, em particular em uma linha de produção de um dispositivo de acordo com a invenção, reatores preferencialmente industriais de fornos de arco, em cada caso têm 100 kW a 1 MW, preferencialmente entre 600 kW e abaixo de 1 MW, especialmente preferencialmente entre 700 kW e 950 kW, especialmente preferencialmente entre 800 e 900 kW, em particular estes fornos são fechados. Para assegurar altos rendimentos conforme desejados de silício, em particular silício de grau solar, vários reatores podem ser operados em paralelo.Due to the consumption of the reactor's refractory lining or reaction space, it is preferable to adapt the reactor size so that it can be operated in power between 600 kW and below 1 MW. According to the invention, industrial reactors, in particular in a production line of a device according to the invention, preferably industrial reactors for arc furnaces, in each case have 100 kW to 1 MW, preferably between 600 kW and below 1 MW, especially preferably between 700 kW and 950 kW, especially preferably between 800 and 900 kW, in particular these ovens are closed. To ensure high yields as desired for silicon, in particular solar grade silicon, several reactors can be operated in parallel.
Geralmente os reatores também podem ser operados em paralelo se, por exemplo, forem arranjados em uma linha de processo e forem fornecidos com reagentes continuamente ou descontinuamente através de um reator precedente para a produção do carboneto de silício ou para a pirólise de carboidratos. Analogamente, alimentação com óxido de silício purificado pode realizar-se na linha de processo diretamente ou indiretamente através do carboneto de silício ou produtos de pirólise.Generally, reactors can also be operated in parallel if, for example, they are arranged in a process line and are supplied with reagents continuously or discontinuously through a preceding reactor for the production of silicon carbide or for pyrolysis of carbohydrates. Similarly, purified silicon oxide feed can be carried out in the process line directly or indirectly through silicon carbide or pyrolysis products.
A invenção também refere-se a eletrodos, por exemplo, 10, em particular para uso com indução, os fornos de corrente contínua e/ou corrente alternada, em particular para a produção de silício, preferencialmente de silício puro, os ditos eletrodos contendo carboneto de silício infiltrado com silício ou carboneto de silício. A fim de melhorar as propriedades mecânicas, o carboneto de silício é preferencialmente reforçado com fibras de carbono. Além disso, o carboneto de silício pode ter componentes de grafite. O ajuste exato da composição do carboneto de silício para silício e/ou grafite e/ou fibras de carbono depende no caso individual das respectivas condições de processo desejadas, a condutividade desejada e a resistência ao calor. Eletrodos do carboneto de silício infiltrado com silício opcionalmente reforçado com fibras de grafite ouThe invention also relates to electrodes, for example 10, in particular for use with induction, direct current and / or alternating current furnaces, in particular for the production of silicon, preferably pure silicon, said electrodes containing carbide silicon infiltrated with silicon or silicon carbide. In order to improve the mechanical properties, silicon carbide is preferably reinforced with carbon fibers. In addition, silicon carbide may have graphite components. The exact adjustment of the composition of silicon carbide to silicon and / or graphite and / or carbon fibers depends in the individual case on the respective desired process conditions, the desired conductivity and heat resistance. Silicon carbide electrodes infiltrated with silicon optionally reinforced with graphite fibers or
92/114 fibras de carbono são usados de acordo com a invenção.92/114 carbon fibers are used according to the invention.
Em seu projeto, os eletrodos podem corresponder aos projetos usuais, para permitir impulso contínuo dos eletrodos, que são consumidos durante a redução. Por isso, por regra, os eletrodos são compostos de segmentos individuais, em particular discos, normalmente construídos como discos redondos, que se unem mas podem ser separados. Geralmente os segmentos podem ser de qualquer formato razoável e preferencialmente podem ser unidos. Normalmente, os eletrodos, por exemplo, em formato de disco têm, em um lado chato, uma ou mais projeções, que podem projetar em intervalos negativos correspondentes no lado chato oposto dos discos. Preferencialmente as projeções e os intervalos podem unir-se positivamente.In their design, the electrodes can correspond to the usual designs, to allow continuous impulse of the electrodes, which are consumed during the reduction. Therefore, as a rule, the electrodes are made up of individual segments, in particular disks, normally constructed as round disks, which come together but can be separated. Generally, segments can be of any reasonable shape and preferably can be joined. Normally, the electrodes, for example, in the shape of a disc, have, on one flat side, one or more projections, which can project at corresponding negative intervals on the opposite flat side of the discs. Preferably projections and intervals can be positively linked.
Os discos ou outros formatos podem ser produzidos pela produção de compactos verdes usuais e sinterização dos mesmos. A produção dos compactos verdes e aditivos de sinterização é bem conhecida por um versado na técnica. É decisivo que neste caso, a pureza dos eletrodos não é reduzida por sinterização de aditivos. É, por isso, necessário assegurar que os aditivos de sinterização somente contêm elementos não desejados dentro dos limites determinados ou permitem aos valores limite serem observados nos eletrodos produzidos.Discs or other formats can be produced by producing the usual green compacts and sintering them. The production of green compacts and sintering additives is well known to one skilled in the art. It is decisive that in this case, the purity of the electrodes is not reduced by sintering additives. It is therefore necessary to ensure that sintering additives only contain unwanted elements within the specified limits or allow the limit values to be observed on the produced electrodes.
Para uso, os eletrodos segmentados, em particular eletrodos em formato de disco, podem ser inseridos em uma parte oca, com a qual são unidos de tal modo que os eletrodos compreendendo os discos superpostos têm a condutividade e estabilidade permanentes. Por exemplo, um grande número de discos na parte oca podem estar em contato direto entre si e unidos firmemente à parte oca por têmpera, para formar um eletrodo. Como uma alternativa para intervalos, os segmentos de eletrodo podem ser aparafusados em conjunto ou podem ser unidos com conexões plugue-etomada ou soldando. A conectabilidade dos ditos eletrodos segmentados é familiar como tal para um versado na técnica, e deve ser dada atenção à pureza das conexões usadas.For use, segmented electrodes, in particular disk-shaped electrodes, can be inserted into a hollow part, with which they are joined in such a way that the electrodes comprising the superimposed discs have permanent conductivity and stability. For example, a large number of discs in the hollow part may be in direct contact with each other and firmly joined to the hollow part by tempering, to form an electrode. As an alternative to gaps, the electrode segments can be screwed together or can be joined with plug-and-socket or soldering connections. The connectivity of said segmented electrodes is familiar as such to a person skilled in the art, and attention should be paid to the purity of the connections used.
De acordo com uma modalidade alternativa, os eletrodos segmentados são empurrados nas partes ocas feitas de silício, por exemplo,According to an alternative modality, the segmented electrodes are pushed into the hollow parts made of silicon, for example,
93/114 tubos de silício puros, e em particular unidos positivamente, por exemplo, por meio de um conector plugue-e-tomada ou por soldagem pontual. Esta construção permite fácil impulso ou reposicionamento de eletrodos gastos no forno de arco, em que os segmentos do eletrodo feitos de carboneto de silício ou carboneto de silício infiltrado com silício, em particular com grafite e/ou fibras de carbono ou com matrizes C, podem ser impulsionados continuamente de cima ou de fora do forno na parte oca feita de silício. A parte oca pode ser geralmente de qualquer material adequado, com o uso de silício sendo preferencial para a produção de silício, em particular de silício puro ou de alta pureza. Em processos para a produção de aço, a parte oca também pode ser feita de outros metais adequados ou ligas dos ditos metais, por exemplo, um tubo de ferro pode receber os eletrodos de grafite de alta pureza ou eletrodos de carboneto de silício.93/114 pure silicon tubes, and in particular positively joined, for example, by means of a plug-and-socket connector or by spot welding. This construction allows easy impulse or repositioning of spent electrodes in the arc furnace, in which segments of the electrode made of silicon carbide or silicon carbide infiltrated with silicon, in particular with graphite and / or carbon fibers or with C matrices, can be propelled continuously from above or outside the oven into the hollow part made of silicon. The hollow part can generally be of any suitable material, with the use of silicon being preferred for the production of silicon, in particular pure or high purity silicon. In processes for the production of steel, the hollow part can also be made of other suitable metals or alloys of said metals, for example, an iron tube can receive high-purity graphite electrodes or silicon carbide electrodes.
As exigências de pureza correspondem essencialmente àquelas mencionadas anteriormente. Em particular, um eletrodo compreendendo carboneto de silício deve compreender carboneto de silício de alta pureza e/ou grafite de alta pureza e/ou misturas dos mesmos, em particular é também possível usar carboneto de silício infiltrado com silício de alta pureza, preferencialmente os eletrodos consistem de um ou mais dos materiais de alta pureza ou uma mistura correspondente, e os conectores podem ser feitos de outros materiais.The purity requirements correspond essentially to those mentioned above. In particular, an electrode comprising silicon carbide must comprise high purity silicon carbide and / or high purity graphite and / or mixtures thereof, in particular it is also possible to use silicon carbide infiltrated with high purity silicon, preferably the electrodes they consist of one or more of the high-purity materials or a corresponding mixture, and the connectors can be made of other materials.
A invenção também refere-se a um dispositivo, em particular uma instalação, preferencialmente para a produção de silício, especialmente preferencialmente para a produção de silício puro, em particular pelo método de acordo com a invenção, o dito dispositivo tendo pelo menos um reator 1 para fusão e opcionalmente para redução, em particular de óxido de silício com pelo menos uma ou mais fontes de carbono, com um orifício para metal e opcionalmente um orifício para escória, em particular um reator de construção sanduíche de acordo com a Reivindicação 14 e em particular com eletrodos de carboneto de silício ou carboneto de silício infiltrado com silício de acordo com a Reivindicação 15, e opcionalmente tem pelo menos um reator 2 a montante do reator 1, o dito reator 2 servindo para calcinaçãoThe invention also relates to a device, in particular an installation, preferably for the production of silicon, especially preferably for the production of pure silicon, in particular by the method according to the invention, said device having at least one reactor 1 for melting and optionally for reduction, in particular silicon oxide with at least one or more carbon sources, with a metal orifice and optionally a slag orifice, in particular a sandwich construction reactor according to Claim 14 and in particularly with silicon carbide or silicon carbide-infiltrated silicon electrodes according to Claim 15, and optionally has at least one reactor 2 upstream of reactor 1, said reactor 2 serving for calcination
94/114 e/ou redução, em particular do óxido de silício com pelo menos uma ou mais fontes de carbono. O reator 2 pode ser em particular um reator de microondas opcionalmente com um espaço de reator de tubo rotatório ou um leito fluidizado.94/114 and / or reduction, in particular silicon oxide with at least one or more carbon sources. The reactor 2 can in particular be a microwave reactor optionally with a rotary tube reactor space or a fluidized bed.
O dispositivo é geralmente adequado como um forno industrial, em particular é também adequado para a redução e/ou fusão de compostos metálicos ou misturas dos ditos compostos metálicos, em particular é adequado para a produção de metais puros até de alta pureza, ligas e/ou misturas dos mesmos.The device is generally suitable as an industrial oven, in particular it is also suitable for the reduction and / or melting of metallic compounds or mixtures of said metal compounds, in particular it is suitable for the production of pure to high purity metals, alloys and / or mixtures thereof.
De acordo com a invenção, cada reator 1 para a produção de silício tem uma potência de 600 kW a 1 MW, preferencialmente o reator tem uma potência de 670 kW a 990 kW, melhor ainda uma potência de 700 kW a 950 kW, de acordo com a invenção de 700 kW a 950 kW.According to the invention, each reactor 1 for the production of silicon has a power of 600 kW to 1 MW, preferably the reactor has a power of 670 kW to 990 kW, better still a power of 700 kW to 950 kW, according to with the invention from 700 kW to 950 kW.
O reator 2 pode ser, em contraste, de maior projeto. Um reator de micro-ondas pode ser preferencialmente usado, como explicado no início, em particular, funciona na faixa de alta frequência entre 100 MHz e 100 GHz. Especialmente preferencialmente, magnetrons de 2,4 MHz são usados para o reator 2.Reactor 2 may, in contrast, be of greater design. A microwave reactor can preferably be used, as explained at the beginning, in particular, it works in the high frequency range between 100 MHz and 100 GHz. Especially preferably, 2.4 MHz magnetrons are used for reactor 2.
Foi provado vantajoso projetar os reatores 1 com as menores estimativas de potência determinadas, a fim de simplificar o recondicionamento regularmente necessário dos reatores ou do revestimento. Normalmente o objetivo é fornecer reatores ainda maiores com rendimento ainda maior. Os inventores encontraram, entretanto, que o projeto dos reatores com uma estimativa de potência como acima mencionada é mais adequado para a produção de compostos de alta pureza obtidos por fusão, por exemplo, de silício, porque os reatores, e em particular, o revestimento de reator devem ser substituídos regularmente, como é consumido no decorrer da operação contínua. Além disso, os reatores devem ser operados em condições substancialmente sem oxigênio, para minimizar a queima de grafite dos eletrodos e do revestimento interno, em particular de um revestimento interno segmentado.It has been proven advantageous to design reactors 1 with the lowest power estimates determined, in order to simplify the regularly required reconditioning of the reactors or the coating. Usually the goal is to supply even bigger reactors with even greater efficiency. The inventors have found, however, that the design of reactors with a power estimate as mentioned above is more suitable for the production of high purity compounds obtained by melting, for example, silicon, because the reactors, and in particular, the coating reactor must be replaced regularly, as it is consumed during continuous operation. In addition, the reactors must be operated under substantially oxygen-free conditions, to minimize the burning of graphite from the electrodes and the internal coating, in particular a segmented internal coating.
De acordo com a invenção, um dispositivo, por isso, é operadoAccording to the invention, a device is therefore operated
95/114 com pelo menos um, em particular, com um grande número de reatores, por exemplo, com 1 a 200, em particular, reatores 1. Um revestimento de reator, por isso, pode ser renovado regularmente, sem ter que desligar o dispositivo inteiro quando alguns reatores são rerrevestidos com material refratário.95/114 with at least one, in particular, with a large number of reactors, for example, with 1 to 200, in particular, reactors 1. A reactor coating, therefore, can be renewed regularly, without having to shut down the entire device when some reactors are coated with refractory material.
Além disso, é mais fácil retirar os gases do processo nos reatores menores. Para redução rápida, o monóxido de carbono que se forma deve ser removido continuamente e prontamente do espaço de reação. A quantidade de gás do processo pode ser controlada no reator de redução para a produção de silício por meio da quantidade do carboneto de silício como ativador ou como fonte de carbono. Aumentar a quantidade do carboneto de silício reduz a quantidade do monóxido de carbono na etapa de redução na produção de silício. Além disso, a remoção dos gases do processo pode ser otimizada, que é possível pela adição de briquetes porosos e/ou um projeto menor dos reatores.In addition, it is easier to remove process gases in smaller reactors. For rapid reduction, the carbon monoxide that forms must be removed continuously and promptly from the reaction space. The amount of process gas can be controlled in the reduction reactor for silicon production using the amount of silicon carbide as an activator or as a carbon source. Increasing the amount of silicon carbide reduces the amount of carbon monoxide in the step of reducing silicon production. In addition, the removal of gases from the process can be optimized, which is made possible by the addition of porous briquettes and / or a smaller design of the reactors.
De acordo com a invenção, os reatores, em particular, reatores 1 e/ou 2, têm a construção sanduíche descrita acima, a fim de parar a difusão termicamente induzida de impurezas, em particular de boro, no espaço de reação. Consequentemente, é ainda preferencial que todas as partes do dispositivo ou instalação que são operados em altas temperaturas ou são aquecidos indiretamente a altas temperaturas tenham esta construção sanduíche. Por exemplo, na produção de silício por redução no forno de arco, temperaturas acima 1800°C são alcançadas.According to the invention, the reactors, in particular reactors 1 and / or 2, have the sandwich construction described above, in order to stop the thermally induced diffusion of impurities, in particular boron, in the reaction space. Consequently, it is still preferred that all parts of the device or installation that are operated at high temperatures or are heated indirectly to high temperatures have this sandwich construction. For example, in silicon production by reduction in the arc furnace, temperatures above 1800 ° C are achieved.
Preferencialmente todas as partes do dispositivo, em particular todas as partes do dispositivo que entram em contato com os reagentes e/ou produtos de reação, preferencialmente o reator 1, o reator 2, os eletrodos, componentes ancilares, conectores e/ou tubos do dispositivo, em particular que são operados em altas temperaturas ou são aquecidos indiretamente, também por contato com gases quentes, são revestidos com material refratário de alta pureza, em particular com carboneto de silício de alta pureza ou grafite de alta pureza.Preferably all parts of the device, in particular all parts of the device that come into contact with reagents and / or reaction products, preferably reactor 1, reactor 2, electrodes, ancillary components, connectors and / or tubes of the device , in particular, which are operated at high temperatures or are heated indirectly, also by contact with hot gases, are coated with high-purity refractory material, in particular with high-purity silicon carbide or high-purity graphite.
De acordo com a invenção, todas as partes do dispositivo que entram em contato com os reagentes e/ou produtos de reação, em particularAccording to the invention, all parts of the device that come into contact with reagents and / or reaction products, in particular
96/114 com o óxido de silício, uma fonte de carbono, gases do processo ou produtos de reação, tais como reator 1 para fusão e opcionalmente para redução de óxido de silício compreendendo um orifício para metal e opcionalmente um orifício para escória, em particular eletrodos, e opcionalmente pelo menos um reator 2 a montante do reator 1, o dito reator 2 servindo para calcinação e/ou redução de óxido de silício com pelo menos uma ou mais fontes de carbono, são revestidos com material refratário de alta pureza, em particular com carboneto de silício de alta pureza ou grafite de alta pureza. Preferencialmente, revestimento com carboneto de silício infiltrado com silício e/ou com fibras de carbono contendo grafite e/ou contendo carboneto de silício é também possível. Alternativamente, pode ser preferencial para o carboneto de silício ser de alta pureza e substancialmente livre de carbono que não está ligado no carboneto de silício.96/114 with silicon oxide, a carbon source, process gases or reaction products, such as reactor 1 for melting and optionally for reducing silicon oxide comprising a metal orifice and optionally a slag orifice, in particular electrodes, and optionally at least one reactor 2 upstream of reactor 1, said reactor 2 serving for calcination and / or reduction of silicon oxide with at least one or more carbon sources, are coated with high purity refractory material, in particular with high purity silicon carbide or high purity graphite. Preferably, coating with silicon carbide infiltrated with silicon and / or with carbon fibers containing graphite and / or containing silicon carbide is also possible. Alternatively, it may be preferable for the silicon carbide to be of high purity and substantially free of carbon that is not bound to the silicon carbide.
Uma construção sanduíche com pelo menos duas camadas é também preferencial para todas as partes do dispositivo que são operadas em altas temperaturas, ou são aquecidas indiretamente, por exemplo, por gases quentes do processo, com a construção sanduíche, por exemplo, de uma linha de alimentação, linha de descarga ou um conector sendo revestido internamente com uma primeira camada 7 do material refratário de alta pureza, em particular, com carboneto de silício de alta pureza ou grafite de alta pureza, e tendo outra camada externa 6, que atua como isolamento e/ou a barreira de difusão contra impurezas, e opcionalmente fora da camada acima mencionada tem uma camada mecanicamente estável externa 8.A sandwich construction with at least two layers is also preferred for all parts of the device that are operated at high temperatures, or are heated indirectly, for example, by hot process gases, with the sandwich construction, for example, of a line feed, discharge line or a connector being internally coated with a first layer 7 of the high purity refractory material, in particular, with high purity silicon carbide or high purity graphite, and having another external layer 6, which acts as insulation and / or the diffusion barrier against impurities, and optionally outside the aforementioned layer has a mechanically stable outer layer 8.
De acordo com a invenção, o material refratário de alta pureza é carboneto de silício, carboneto de silício infiltrado com silício, grafite, cada um opcionalmente reforçado com fibras de grafite e/ou fibras de carbono. O conteúdo total de impurezas, tais como boro, fósforo, alumínio, ferro é em particular abaixo de 100 ppm em peso, preferencialmente abaixo de 10 ppm em peso. O material refratário de alta pureza de acordo com a invenção tem o perfil de impureza definido no início ou a pureza definida acima paraAccording to the invention, the high-purity refractory material is silicon carbide, silicon carbide infiltrated with silicon, graphite, each optionally reinforced with graphite fibers and / or carbon fibers. The total content of impurities, such as boron, phosphorus, aluminum, iron is in particular below 100 ppm by weight, preferably below 10 ppm by weight. The high-purity refractory material according to the invention has the impurity profile defined at the beginning or the purity defined above for
97/114 carboneto de silício puro até de alta pureza ou grafite de alta pureza. A impureza pode ser determinada por ICP-MS, análise espectral ou medida de resistência.97/114 pure to high purity silicon carbide or high purity graphite. Impurity can be determined by ICP-MS, spectral analysis or resistance measurement.
Se o reator 1 for operado sem reator 2, uma saída de gás separada é necessária para remover os gases do processo.If reactor 1 is operated without reactor 2, a separate gas outlet is required to remove gases from the process.
O reator 2 pode ser projetado como um eixo de redução, por exemplo, pode ser eletricamente aquecido, em particular, por eletrodos, que de acordo com a invenção contêm carboneto de silício infiltrado com silício ou carboneto de silício, projetando através das paredes do eixo, de acordo com uma alternativa, o eixo de redução pode ser aquecido por um forno de micro-ondas, por exemplo, nesta modalidade pode ser projetado como uma espécie de leito fluidizado, e nesta alternativa, os gases do processo deixados no fundo do reator 1 podem ser conduzidos pelo leito fluidizado e dessa forma contribuir para o aquecimento do óxido de silício e das fontes de carbono.The reactor 2 can be designed as a reduction shaft, for example, it can be electrically heated, in particular, by electrodes, which according to the invention contain silicon carbide infiltrated with silicon or silicon carbide, projecting through the shaft walls , according to an alternative, the reduction axis can be heated by a microwave oven, for example, in this modality it can be designed as a kind of fluidized bed, and in this alternative, the process gases left at the bottom of the reactor 1 can be conducted through the fluidized bed and thus contribute to the heating of silicon oxide and carbon sources.
Método completo preferencial da produção de silícioPreferred complete method of silicon production
De acordo com uma modalidade geral da presente invenção, o método de redução do dióxido de silício purificado pode ser realizado como se segue em uma linha de processo geral.According to a general embodiment of the present invention, the method of reducing the purified silicon dioxide can be carried out as follows in a general process line.
Começando, por exemplo, do vidro solúvel de soluções de silicato adquirido, se as soluções de silicato já não forem de pureza suficiente, a purificação da solução de silicato pode ser realizada. Isto por exemplo, pode realizar-se, em uma primeira etapa, pela diluição da solução de silicato com água deionizada ou água destilada, separando constituintes sólidos por técnicas de filtração usuais, que são conhecidas por um versado na técnica.Starting, for example, from the soluble glass of purchased silicate solutions, if the silicate solutions are no longer of sufficient purity, purification of the silicate solution can be carried out. This, for example, can be accomplished, in a first step, by diluting the silicate solution with deionized water or distilled water, separating solid constituents by usual filtration techniques, which are known to one skilled in the art.
A solução de silicato diluída e filtrada pode, em uma variante especial do presente método da separação de fósforo, ser conduzida sobre uma coluna de troca iônica com sais de molibdênio. Alternativamente, uma solução de silicato apropriadamente diluída também pode ser purificada por um método de EP 0 5004 467 B1 a um sol de silica aquoso estável. O sol de silica dessa forma obtido deve ser completamente dissolvido novamenteThe diluted and filtered silicate solution can, in a special variant of the present method of phosphorus separation, be conducted over an ion exchange column with molybdenum salts. Alternatively, an appropriately diluted silicate solution can also be purified by a method of EP 0 5004 467 B1 to a stable aqueous silica sol. The silica sol thus obtained must be completely dissolved again
98/114 antes de precipitação ácida adicional e em seguida sofre a precipitação de acordo com a invenção em um agente de acidificação.98/114 before additional acid precipitation and then undergo precipitation according to the invention in an acidifying agent.
Uma vez que cada etapa de processo adicional significa despesa adicional, o método de acordo com a invenção iniciará preferencialmente de soluções de silicato usuais adquiridas e as etapas adicionais descritas anteriormente podem ser preferencialmente realizadas quando uma solução de silicato suficientemente limpa não está disponível ou é preparado pela dissolução de dióxidos de silício contaminados.Since each additional process step means additional expense, the method according to the invention will preferably start from the usual silicate solutions acquired and the additional steps described above can preferably be carried out when a sufficiently clean silicate solution is not available or is prepared by dissolving contaminated silicon dioxides.
Quaisquer constituintes sólidos presentes podem ser removidos das soluções de silicato por filtração.Any solid constituents present can be removed from the silicate solutions by filtration.
Óxido de silício purificado é produzido da solução de silicato por precipitação como descrito acima.Purified silicon oxide is produced from the silicate solution by precipitation as described above.
Preferencialmente, entretanto, açúcar cristalino (fonte de carbono puro) é adicionado a pelo menos uma porção deste óxido de silício, pelo menos parcialmente em estado úmido, e opcionalmente um negro térmico e siloxanos são adicionados como aglutinantes. A mistura pastosa obtida é formada, por exemplo, em uma extrusora e sofre pelo menos secagem parcial.Preferably, however, crystalline sugar (source of pure carbon) is added to at least a portion of this silicon oxide, at least partially in a wet state, and optionally a thermal black and siloxanes are added as binders. The pasty mixture obtained is formed, for example, in an extruder and undergoes at least partial drying.
Os briquetes obtidos então podem ser pirolisados, para obter uma fonte de carbono puro com carbono ativo. O carbono pirolisado (carbono ativo) é adicionado ao processo subsequente para a produção de silício para melhorar a condutividade térmica e/ou elétrica.The briquettes obtained can then be pyrolysed to obtain a source of pure carbon with active carbon. Pyrolysed carbon (active carbon) is added to the subsequent process for the production of silicon to improve thermal and / or electrical conductivity.
Outra porção dos briquetes pode ser pirolisada e calcinada, para produzir briquetes contendo carboneto de silício. Estes briquetes contendo carboneto de silício são adicionados aos processos de acordo com a invenção após para reduzir a proporção de monóxido de carbono na etapa de redução atual ao silício puro. Outras funções do carboneto de silício são como um ativador, um acelerador de reação e para melhora de condutividade.Another portion of the briquettes can be pyrolyzed and calcined to produce briquettes containing silicon carbide. These briquettes containing silicon carbide are added to the processes according to the invention afterwards to reduce the proportion of carbon monoxide in the current reduction step to pure silicon. Other functions of silicon carbide are as an activator, a reaction accelerator and to improve conductivity.
Para redução do dióxido de silício purificado, preferencialmente os briquetes contendo dióxido de silício purificado, negro térmico e/ou açúcar e briquetes a partir da pirólise acima mencionada e/ou briquetes queTo reduce purified silicon dioxide, preferably briquettes containing purified silicon dioxide, thermal black and / or sugar and briquettes from the aforementioned pyrolysis and / or briquettes that
99/114 sofreram pirólise e calcinação são reduzidos ao silício puro em um forno de arco a aproximadamente 1800°C. O carregamento de gás do processo com monóxido de carbono pode ser controlado diretamente por meio da adição do conteúdo de carboneto de silício. De acordo com a invenção, a reação é preferencialmente realizada em um forno de arco com um reator da construção sanduíche determinada, o revestimento interno do qual é de carboneto de silício de alta pureza. Os eletrodos usados são preferencialmente eletrodos segmentados de carboneto de silício infiltrados com silício contendo fibra de carbono. Silício fundido pode ser descarregado no orifício para metal, e pode se necessário sofrer solidificação direcional.99/114 underwent pyrolysis and calcination are reduced to pure silicon in an arc furnace at approximately 1800 ° C. The process gas loading with carbon monoxide can be controlled directly by adding the silicon carbide content. According to the invention, the reaction is preferably carried out in an arc furnace with a reactor of the determined sandwich construction, the inner lining of which is of high purity silicon carbide. The electrodes used are preferably segmented silicon carbide electrodes infiltrated with silicon containing carbon fiber. Molten silicon can be discharged into the metal orifice, and directional solidification may be necessary.
O silício obtido tinha pureza necessária para silício de grau solar. O dispositivo de acordo com a invenção e o reator de acordo com a invenção são explicados abaixo, sem limitação da invenção a estas modalidades.The silicon obtained was necessary for solar grade silicon. The device according to the invention and the reactor according to the invention are explained below, without limiting the invention to these modalities.
Dessa forma, a figura 7 mostra uma modalidade preferencial do reator de acordo com a invenção.Thus, figure 7 shows a preferred mode of the reactor according to the invention.
Lista de símbolos de referência:List of reference symbols:
reator espaço de reação orifício para escória orifício para metal gás residual/saída de gás bucha de eletrodo barreira de difusão, em particular com superisolamento (camada mais externa) revestimento do espaço de reator (primeira camada) veiculo de corpo do reator (camada mecanicamente estável mais externa) cobertura do reator eletrodo inclinação hidráulicareactor reaction space orifice for slag orifice for metal residual gas / gas outlet electrode sleeve diffusion barrier, in particular with super-insulation (outermost layer) coating of the reactor space (first layer) vehicle of the reactor body (mechanically stable layer outermost) cover of the electrode slope electrode
Um reator de acordo com a invenção 0, em particular como umA reactor according to invention 0, in particular as a
100/114 forno de arco, tem um espaço de reação 1, em que os eletrodos 10 projetam através da bucha do eletrodo 5 na cobertura de reator 9. Preferencialmente o reator tem vários eletrodos, em particular três eletrodos 10. Estes eletrodos 10 podem ser segmentados, para permitir alimentação contínua do exterior 5 do reator 0. Para permitir os gases do processo que se formam, tais como monóxido de carbono, escapar, o reator tem uma saída de gás 4. Preferencialmente abaixo do reator, um sistema de inclinação hidráulica separado 11 é fornecido, que permite ao reator 0 ser inclinado de forma que a escória que se forma seja descarregada pelo orifício para escória 2. O 10 silício fundido produzido é descarregado continuamente ou descontinuamente do espaço de reação 1 através do orifício para metal 3. A barreira de difusão e/ou isolamento 6 preferencialmente compreende um corpo de vidro, que é prateado em direção ao espaço de reação. O corpo de vidro 6 é especialmente preferencialmente feito do vidro de quartzo de alta 15 pureza e/ou é fornecido com uma camada refletora de infravermelho em direção ao interior do reator. Preferencialmente, o corpo de vidro tem um vácuo no interior, em particular, um superisolamento, que, por exemplo, é produzido quimicamente. Em direção ao interior do reator, a barreira de difusão (6, camada mais externa) é fornecida com carboneto de silício de 20 alta pureza ou grafite de alta pureza, ou também de carboneto de silício apropriadamente puro e/ou grafite puro, como revestimento de espaço de reator 7. O revestimento de espaço de reator forma a primeira camada 7. Para melhorar a economia da operação do reator e por isso aumentar a vida do revestimento espacial de reator, o último é segmentado. Os segmentos 25 individuais da primeira camada 7 podem ser unidos destacavelmente, por um princípio sulco/mola. O reator 0 pode ser enchido continuamente ou descontinuamente. Para enchimento descontínuo, a cobertura do reator 9 pode ser aberta. Para a operação contínua, o reator pode ser fornecido com uma linha de alimentação adicional.100/114 arc furnace, has a reaction space 1, in which the electrodes 10 project through the electrode bushing 5 in the reactor cover 9. Preferably the reactor has several electrodes, in particular three electrodes 10. These electrodes 10 can be segmented, to allow continuous feed from outside 5 of reactor 0. To allow process gases that form, such as carbon monoxide, to escape, the reactor has a gas outlet 4. Preferably below the reactor, a hydraulic tilt system Separate 11 is provided, which allows reactor 0 to be tilted so that the slag that is formed is discharged through the orifice for slag 2. The molten silicon produced is discharged continuously or discontinuously from the reaction space 1 through the metal orifice 3. The diffusion and / or insulation barrier 6 preferably comprises a glass body, which is silvered towards the reaction space. The glass body 6 is especially preferably made of high purity quartz glass and / or is provided with an infrared reflective layer towards the interior of the reactor. Preferably, the glass body has a vacuum inside, in particular, a super-insulation, which, for example, is produced chemically. Towards the interior of the reactor, the diffusion barrier (6, outermost layer) is supplied with high purity silicon carbide or high purity graphite, or also appropriately pure silicon carbide and / or pure graphite, as a coating reactor space coating 7. The reactor space coating forms the first layer 7. To improve the economy of the reactor operation and therefore increase the life of the reactor space coating, the latter is segmented. The individual segments 25 of the first layer 7 can be detachably joined by a groove / spring principle. Reactor 0 can be filled continuously or discontinuously. For batch filling, the cover of the reactor 9 can be opened. For continuous operation, the reactor can be supplied with an additional supply line.
Os seguintes exemplos explicam o método de acordo com a invenção em mais detalhes, sem limitar a invenção a estes exemplos.The following examples explain the method according to the invention in more detail, without limiting the invention to these examples.
101/114101/114
Métodos de medida:Measurement methods:
Determinação do valor de pH da suspensão de precipitaçãoDetermination of the pH value of the precipitation suspension
O método, baseado em DIN EN ISO 787-9, é usado para determinação do valor de pH de uma suspensão aquosa de dióxido de silício ou o valor de pH de um líquido de lavagem substancialmente livre de SiOj.The method, based on DIN EN ISO 787-9, is used to determine the pH value of an aqueous silicon dioxide suspension or the pH value of a washing liquid substantially free of SiOj.
Antes da realização da medida de pH, o pH metro (de Knick, tipo: 766 pH-Meter Calimatic com sensor de temperatura) e o eletrodo de pH (cascata de medida de haste única de Schott, tipo N7680) devem ser calibrados usando soluções tamponadas a 20°C. A função de calibração deve ser selecionada tal que duas soluções tamponadas usadas incluam o valor de pH esperado da amostra (soluções tamponadas com pH 4,00 e 7,00, pH 7,00 e pH 9,00 e se necessário pH 7,00 e 12,00).Before carrying out the pH measurement, the pH meter (from Knick, type: 766 pH-Meter Calimatic with temperature sensor) and the pH electrode (Schott's single-stem measurement cascade, type N7680) must be calibrated using solutions buffered at 20 ° C. The calibration function must be selected such that two buffered solutions used include the expected pH value of the sample (buffered solutions with pH 4.00 and 7.00, pH 7.00 and pH 9.00 and if necessary pH 7.00 and 12.00).
Nas etapas a) e d) do processo de precipitação para a produção de dióxido de silício purificado, a determinação do valor de pH é realizada a 20°C . Na etapa c deste método, a medida é realizada na respectiva temperatura da solução de reação. Para medida do valor de pH, o eletrodo é primeiro enxaguado com água deionizada, em seguida com um pouco da suspensão, e então é mergulhado na suspensão. Quando o pH metro indica um valor constante, 0 valor de pH é lido no monitor.In steps a) and d) of the precipitation process for the production of purified silicon dioxide, the pH value is determined at 20 ° C. In step c of this method, the measurement is carried out at the respective temperature of the reaction solution. To measure the pH value, the electrode is first rinsed with deionized water, then with a little of the suspension, and then it is immersed in the suspension. When the pH meter indicates a constant value, the pH value is read on the monitor.
Determinação de d5o de tamanho de partícula médio do dióxido de silício de alta pureza para tamanhos de partícula menores que 70 um com o instrumento de difração a laser Coulter LS 230D 5 Determination of the average particle size of the high purity silicon dioxide to particle sizes smaller than 70 with the laser diffraction instrument Coulter LS 230
Descrição:Description:
A aplicação da difração a laser de acordo com o modelo Fraunhofer para determinação de tamanhos de partícula é baseada no fenômeno que partículas dispersam luz monocromática com padrão de intensidade diferente em todas as direções. Esta dispersão depende do tamanho da partícula. Menores as partículas, maiores os ângulos de dispersão.The application of laser diffraction according to the Fraunhofer model for determining particle sizes is based on the phenomenon that particles disperse monochromatic light with a pattern of different intensity in all directions. This dispersion depends on the particle size. The smaller the particles, the greater the dispersion angles.
Procedimento:Procedure:
Após ligar, o instrumento de difração a laser Coulter LS 230 requer um tempo de aquecimento de 1,5 a 2,0 horas, a fim de obter valoresAfter switching on, the Coulter LS 230 laser diffraction instrument requires a warm-up time of 1.5 to 2.0 hours in order to obtain values
102/114 medidos constantes. A amostra deve ser agitada completamente antes da medida. Primeiro o programa Coulter LS 230 é iniciado com clique duplo. Verificar se Use Optical Bench está ativado e se o monitor no instrumento Coulter exibe Speed off. Apertar o botão Drain e mantenha-o abaixado até a água na célula de medida escorra, em seguida pressionar o botão On na bomba de transferência de fluido e novamente mantenha-o abaixado, até que a água corra no extravasamento do instrumento. Realizar esta operação duas vezes. Então apertar Fill. O programa começa por conta própria e remove qualquer bolha de ar do sistema. A velocidade é automaticamente aumentada e reduzida novamente. Estabelecer a potência da bomba selecionada para a medida.102/114 measured constant. The sample must be shaken thoroughly before measurement. First, the Coulter LS 230 program is started with double click. Verify that Use Optical Bench is enabled and that the monitor on the Coulter instrument displays Speed off. Press the Drain button and keep it down until the water in the measurement cell drains, then press the On button on the fluid transfer pump and again keep it down, until the water flows in the instrument overflow. Perform this operation twice. Then press Fill. The program starts on its own and removes any air bubbles from the system. The speed is automatically increased and reduced again. Establish the power of the pump selected for the measurement.
Antes da medida, é necessário estabelecer se a medida será com ou sem PIDS. Para começar a medida, selecione Measurement Measuring cycle.Before the measure, it is necessary to establish whether the measure will be with or without PIDS. To start the measurement, select Measurement Measuring cycle.
a) Medida sem PIDSa) Measure without PIDS
Tempo de medida é 60 segundos, tempo de espera 0 segundos. Então o modelo de cálculo formando a base da difração a laser é selecionado. Basicamente, uma medida de referência é realizada automaticamente antes de cada medida. Após medida de referência, colocar a amostra na célula de medida, até que uma concentração de 8 a 12% ser alcançada. Isto é relatado pelo programa, com OK aparecendo acima. Finalmente, clicar em Ready. O programa agora realiza todas as etapas necessárias por si mesmo e, após ciclo de medida, gera uma distribuição de tamanho de partícula da amostra teste.Measurement time is 60 seconds, waiting time 0 seconds. Then the calculation model forming the basis of laser diffraction is selected. Basically, a reference measurement is performed automatically before each measurement. After reference measurement, place the sample in the measurement cell, until a concentration of 8 to 12% is reached. This is reported by the program, with OK appearing above. Finally, click Ready. The program now performs all the necessary steps by itself and, after a measurement cycle, generates a particle size distribution of the test sample.
b) Medida com PIDSb) Measure with PIDS
Medidas com PIDS são realizadas quando a distribuição de tamanho de partícula esperada está na faixa de submícron.PIDS measurements are performed when the expected particle size distribution is in the submicron range.
Tempo de medida é 90 segundos, tempo de espera 0. Então o modelo de cálculo formando a base da difração a laser é selecionado. Basicamente, uma medida de referência é realizada automaticamente antes de cada medida. Após medida de referência, colocar a amostra na célula de medida, até que uma concentração de pelo menos 45% seja alcançada. IstoMeasurement time is 90 seconds, waiting time 0. Then the calculation model forming the basis of laser diffraction is selected. Basically, a reference measurement is performed automatically before each measurement. After reference measurement, place the sample in the measurement cell, until a concentration of at least 45% is reached. This
103/114 é relatado pelo programa, com OK aparecendo acima. Finalmente, clicar em Ready. O programa agora realiza todas as etapas necessárias por si mesmo e, após ciclo de medida, gera uma distribuição de tamanho de partícula da amostra teste.103/114 is reported by the program, with OK appearing above. Finally, click Ready. The program now performs all the necessary steps by itself and, after a measurement cycle, generates a particle size distribution of the test sample.
Determinação de d50 do tamanho de partícula média dos produtos em formato de rosca ou formato chapéu de cogumeloDetermination of d 50 of the average particle size of the products in a screw-shaped or mushroom-hat shape
100 partículas representativas são selecionadas e o diâmetro de cada partícula [é medido] sob um microscópio ótico. Como as partículas podem ter formato irregular, o diâmetro é determinado no ponto com o maior diâmetro. O valor médio de todos os diâmetros de partícula determinados corresponde ao valor de d50.100 representative particles are selected and the diameter of each particle [is measured] under an optical microscope. As the particles can be irregularly shaped, the diameter is determined at the point with the largest diameter. The average value of all determined particle diameters corresponds to the value of d 50 .
Determinação da viscosidade dinâmica de soluções de silicato com o viscosímetro de gueda de esferaDetermination of the dynamic viscosity of silicate solutions with the ball guideway viscometer
A viscosidade dinâmica do vidro solúvel é determinada com o viscosímetro de queda de esfera (Viscosímetro Hõppler, de Thermo Haake). ProcedimentoThe dynamic viscosity of the soluble glass is determined with the ball drop viscometer (Viscometer Hõppler, by Thermo Haake). Procedure
O vidro solúvel (aproximadamente 45 cm3) é vertido sem bolhas no tubo do viscosímetro de queda de esfera (Thermo Haake, Viscosímetro de Queda de Esfera C) para abaixo da extremidade do tubo e em seguida a esfera (Thermo Haake, conjunto de esferas tipo 800-0182, Esfera 3, densidade δκ= 8,116 g/cm3, diâmetro dK= 15,599 mm, constante específica K para esfera = 0,09010 mPa*s*cm3/g) é inserida. A temperatura do viscosímetro é ajustada acuradamente, por meio de um termostato circulante (Jalubo 4) a 20+0,03°C. Antes da medida, a esfera é passada uma vez pelo tubo para misturar completamente o vidro solúvel. Após uma pausa de 15 minutos, a primeira medida começa.The soluble glass (approximately 45 cm 3 ) is poured without bubbles into the tube of the drop-down viscometer (Thermo Haake, Drop-down Viscometer C) below the end of the tube and then the sphere (Thermo Haake, set of spheres type 800-0182, Sphere 3, density δκ = 8.116 g / cm 3 , diameter dK = 15.599 mm, specific constant K for sphere = 0.09010 mPa * s * cm 3 / g) is inserted. The viscometer temperature is adjusted accurately, using a circulating thermostat (Jalubo 4) at 20 + 0.03 ° C. Before the measurement, the sphere is passed once through the tube to completely mix the soluble glass. After a 15-minute break, the first measurement begins.
O elemento de medida trava na posição 10° definida na base do instrumento. Pelo giro do elemento de medida por 180°, a esfera é trazida à posição inicial da medida. O tempo t para queda através da seção de medida A-B é determinado com um cronômetro. O início do tempo de medida começa quando a borda do fundo da esfera toca a marca de avistamento anelar superior A, que deve aparecer como uma linha aoThe measuring element locks in the 10 ° position defined on the base of the instrument. By rotating the measurement element by 180 °, the sphere is brought to the initial measurement position. The time t for falling through the measurement section A-B is determined with a stopwatch. The start of the measurement time begins when the bottom edge of the sphere touches the upper ring sight mark A, which should appear as a line at the
104/114 observador. O tempo de medida termina quando a borda do fundo da esfera alcança a marca anelar inferior B, que também deve aparecer como uma linha. Pelo giro do elemento de medida por 180° novamente, a esfera cai de volta à posição inicial. Após uma pausa de 15 minutos, uma segunda medida como descrito é realizada. Repetibilidade é verificada se os valores medidos não se diferenciarem entre si em mais de 0,5%.104/114 observer. The measurement time ends when the bottom edge of the sphere reaches the lower annular mark B, which must also appear as a line. By rotating the measuring element 180 ° again, the ball falls back to its starting position. After a 15-minute break, a second measurement as described is performed. Repeatability is checked if the measured values do not differ by more than 0.5%.
A viscosidade dinâmica do vidro solúvel (r|wGi_) em mPa*s é calculada a partir da equação de valor numérico qWGL=K*(Õ K-ÕwGL)*tThe dynamic viscosity of the soluble glass (r | wGi_) in mPa * s is calculated from the numerical value equation qWGL = K * (Õ K-ÕwGL) * t
Constante de esfera: K = 0,09010 mPa*s*cm3/g Densidade da esfera: õK=8,116g/cm3 Densidade de vidro solúvel: õWgl em g/cm3 t = tempo de viagem da esfera, s com uma exatidão de uma casa decimal.Sphere constant: K = 0.09010 mPa * s * cm 3 / g Sphere density: õK = 8.116g / cm 3 Soluble glass density: õWgl in g / cm 3 t = travel time of the sphere, s with a accuracy to one decimal place.
100 mPa*s correspondem a 1 poise.100 mPa * s correspond to 1 poise.
Determinação da condutividade do meio de lavagemDetermination of the conductivity of the washing medium
Para determinação da condutividade elétrica de uma suspensão aquosa do dióxido de silício - ou a condutividade elétrica de líquido de lavagem substancialmente livre de SiO2 - a suspensão aquoso/líquido de lavagem é realizado à temperatura ambiente com base em DIN EN ISO 787-To determine the electrical conductivity of an aqueous suspension of silicon dioxide - or the electrical conductivity of washing liquid substantially free of SiO 2 - the aqueous suspension / washing liquid is carried out at room temperature based on DIN EN ISO 787-
14.14.
Determinação de velocidade de fluxoFlow speed determination
A velocidade de fluxo é determinada usando o fluxômetro de volume P-670-M da companhia PCE-Group com a sonda de fluxo de água. A sonda é posicionada em uma região do reator que é definida transversalmente pelo semirraio do reator ± 5 cm e longitudinalmente pela superfície da suspensão de alimentação/precipitação a 10 cm abaixo da superfície da suspensão de alimentação/precipitação. Leia as instruções do instrumento.The flow rate is determined using the PCE-Group's P-670-M volume flow meter with the water flow probe. The probe is positioned in a region of the reactor that is defined transversely by the reactor semi-ray ± 5 cm and longitudinally by the surface of the feed / precipitation suspension 10 cm below the surface of the feed / precipitation suspension. Read the instrument's instructions.
Determinação de conteúdo de impurezas:Determination of impurity content:
A descrição do método para determinação de elementos-traço na silica por espectrometria de massa-plasma por indução acoplada de altaDescription of the method for determining trace elements in silica by high-coupled induction plasma-mass spectrometry
105/114 resolução (HR-ICPMS) (similar ao relatório de teste A080007580)105/114 resolution (HR-ICPMS) (similar to test report A080007580)
Pesar 1 a 5 g do material de amostra com uma exatidão de + 1 mg em um béquer PFA. Adicionar 1 g de solução de manitol (aproximadamente 1%) e 25 a 30 g de ácido fluorídrico (aproximadamente 50%). Após girar brevemente, aquecer o béquer PFA em um bloco de aquecimento a 110°C, para que o silício contido na amostra como ácido hexafluorossilícico e o ácido fluorídrico em excesso lentamente se evapore. Dissolver o resíduo com 0,5 ml de ácido nítrico (aproximadamente 65%) e algumas gotas de solução de peróxido de hidrogênio (aproximadamente 30%) por aproximadamente 1 hora e ajustar até 10 g com água ultrapura.Weigh 1 to 5 g of the sample material to an accuracy of + 1 mg in a PFA beaker. Add 1 g of mannitol solution (approximately 1%) and 25 to 30 g of hydrofluoric acid (approximately 50%). After briefly turning, heat the PFA beaker in a heating block to 110 ° C, so that the silicon contained in the sample as hexafluorosilicic acid and the excess hydrofluoric acid slowly evaporate. Dissolve the residue with 0.5 ml of nitric acid (approximately 65%) and a few drops of hydrogen peroxide solution (approximately 30%) for approximately 1 hour and adjust to 10 g with ultrapure water.
Para determinação de elementos-traço, tomar 0,05 ml ou 0,1 ml das soluções de decomposição, transferir cada uma para um tubo de teste de polipropileno, adicionar 0,1 ml de solução de índio (c = 0,1 mg/l) como padrão interno e ajustar até 10 ml com ácido nítrico diluído (aproximadamente 3%). A preparação destas duas soluções de amostra em várias diluições serve para assegurar a qualidade interna, isto é, verificação de se os erros foram feitos durante a medida ou na preparação de amostra. É em princípio também possível trabalhar com somente uma solução de amostra.To determine trace elements, take 0.05 ml or 0.1 ml of the decomposition solutions, transfer each one to a polypropylene test tube, add 0.1 ml of indium solution (c = 0.1 mg / l) as an internal standard and adjust up to 10 ml with diluted nitric acid (approximately 3%). The preparation of these two sample solutions in various dilutions serves to ensure internal quality, that is, checking whether errors were made during the measurement or in the sample preparation. In principle, it is also possible to work with only one sample solution.
A partir de soluções estoque de multielemento (c = 10 mg/l), contendo todos os elementos a serem analisados exceto índio, quatro soluções de calibração são preparadas (c = 0,1; 0,5; 1,0; 5,0 pg/l), mais uma vez com adição de 0,1 ml de solução de índio (c = 0,1 mg/l) para 10 ml de volume final. Além disso, soluções de valor de branco são preparadas com 0,1 ml de solução de índio (c = 0,1 mg/l) para volume final de 10 ml.From multi-element stock solutions (c = 10 mg / l), containing all elements to be analyzed except indium, four calibration solutions are prepared (c = 0.1; 0.5; 1.0; 5.0 pg / l), again with the addition of 0.1 ml of indium solution (c = 0.1 mg / l) to 10 ml of final volume. In addition, blank solutions are prepared with 0.1 ml of indium solution (c = 0.1 mg / l) for a final volume of 10 ml.
Os conteúdos de elementos nas soluções de valor de branco, de calibração e de amostra são quantificados pela espectrometria de massa por indução acoplada de alta resolução (HR-ICPMS) e por calibração externa. A medida é efetuada com uma resolução de massa (m/Am) de min. 4000 ou 10000 para os elementos potássio, arsênico e selênio.The content of elements in the blank, calibration and sample solutions are quantified by high resolution coupled induction mass spectrometry (HR-ICPMS) and by external calibration. The measurement is carried out with a mass resolution (m / Am) of min. 4000 or 10000 for the elements potassium, arsenic and selenium.
Os seguintes exemplos explicarão a presente invenção em mais detalhes mas não a limitam de nenhum modo.The following examples will explain the present invention in more detail but do not limit it in any way.
106/114106/114
Exemplo Comparativo 1Comparative Example 1
Baseado no exemplo 1 em WO 2007/106860 A1, 397,6 g de vidro solúvel (27,2% em peso de SiO2 e 8,0% em peso de Na2O) foram misturados com 2542,4g de água deionizada. O vidro solúvel diluído então foi passado através de uma coluna com diâmetro interno de 41 mm e comprimento de 540 mm, enchido com 700 ml (500g de peso seco) de Amperlite IRA 743 em água. Após 13,5 min, um valor de pH de mais de 10 foi medido na saída da coluna, de forma que por este ponto do tempo o primeiro vidro solúvel passou através da coluna. A amostra de um total de 981 g de vidro solúvel purificado, tomada entre o 50° e 74° minuto, foi usada para os testes subsequentes.Based on example 1 in WO 2007/106860 A1, 397.6 g of soluble glass (27.2 wt% SiO 2 and 8.0 wt% Na 2 O) were mixed with 2542.4 g deionized water. The diluted soluble glass was then passed through a column with an internal diameter of 41 mm and a length of 540 mm, filled with 700 ml (500 g dry weight) of Amperlite IRA 743 in water. After 13.5 min, a pH value of more than 10 was measured at the column outlet, so that by this point in time the first soluble glass passed through the column. A sample of a total of 981 g of purified soluble glass, taken between 50 ° and 74 ° minute, was used for subsequent tests.
Os dados analíticos para o vidro solúvel antes e após purificação são apresentados na Tabela 1 abaixo:The analytical data for the soluble glass before and after purification are shown in Table 1 below:
Tabela 1:Table 1:
Os dados na Tabela 1 mostram que a etapa descrita em WO 2007/106860 A1 como importante na purificação do vidro solúvel em Amperlite IRA 743 com o vidro solúvel comercialmente disponível não mostra nenhum efeito de purificação marcado e somente ocasiona uma melhora leve no caso do conteúdo de titânio.The data in Table 1 show that the step described in WO 2007/106860 A1 as important in the purification of the soluble glass in Amperlite IRA 743 with the commercially available soluble glass does not show any marked purification effect and only causes a slight improvement in the case of the content of titanium.
O vidro solúvel purificado foi ainda processado, como no Exemplo 5 em WO 2007/106860 A1, a SiO2. Para isto, 700g do vidro solúvelThe purified soluble glass was further processed, as in Example 5 in WO 2007/106860 A1, to SiO 2 . For this, 700g of soluble glass
107/114 foram acidificados com ácido sulfúrico 10% em um frasco de fundo redondo de 2000 ml, com agitação. O valor de pH inicial foi 11,26. Após adicionar 110g de ácido sulfúrico, o ponto de gel foi alcançado em pH 7,62, e 100g de água deionizada foram adicionados para restaurar a agitabilidade da suspensão. Após adicionar um total de 113g de ácido sulfúrico, um valor de pH de 6,9 foi alcançado, e foi agitado por 10 minutos neste valor de pH. Então foi filtrado com um funil de Buchner com diâmetro de 150 mm. O produto obtido tinha filtrabilidade muito ruim. Após lavagem por cinco vezes, com 500 ml de água deionizada a cada vez, a condutividade foi 140 pS/cm. O bolo de filtro obtido foi seco durante 2,5 dias a 105°C em uma estufa de secagem de ar circulante, obtendo 25,4 g do produto seco. Os resultados analíticos são dados na Tabela 2.107/114 were acidified with 10% sulfuric acid in a 2000 ml round bottom flask, with stirring. The initial pH value was 11.26. After adding 110g of sulfuric acid, the gel point was reached at pH 7.62, and 100g of deionized water was added to restore the agitability of the suspension. After adding a total of 113g of sulfuric acid, a pH value of 6.9 was reached, and it was stirred for 10 minutes at this pH value. Then it was filtered with a 150 mm diameter Buchner funnel. The product obtained had very poor filterability. After washing five times, with 500 ml of deionized water each time, the conductivity was 140 pS / cm. The filter cake obtained was dried for 2.5 days at 105 ° C in a circulating air drying oven, obtaining 25.4 g of the dry product. The analytical results are given in Table 2.
Exemplo 1 (de acordo com a invenção)Example 1 (according to the invention)
1808g de vidro solúvel (27,2% em peso de SiO2 e 7,97% em peso de Na2O) e 20,1 g de solução de hidróxido de sódio de 50% foram colocados em um frasco de fundo redondo de vidro de quartzo de 4000 ml com adaptador de dois pescoços, condensador de bolas, condensador de Liebig (cada um feito de vidro borossilicato) e cilindro graduado de 500 ml para coletar o destilado. A solução de hidróxido de sódio foi adicionada para fornecer um conteúdo de Na2O aumentado no vidro solúvel concentrado. A solução foi recoberta com nitrogênio para prevenir a reação com dióxido de carbono do ar e então foi aquecida à fervura usando uma manta de aquecimento. Após 256 ml de água terem sido destilados, o condensador Liebig foi substituído por uma rolha e a fervura foi continuada sob refluxo por 100 min adicionais. Então o vidro solúvel concentrado foi resfriado sob uma atmosfera de nitrogênio à temperatura ambiente e deixado repousar durante a noite. 1569 g de vidro solúvel concentrado com uma viscosidade de 537 mPa*s (isto é, 5,37 poises) foram obtidos.1808g of soluble glass (27.2% by weight of SiO 2 and 7.97% by weight of Na 2 O) and 20.1 g of 50% sodium hydroxide solution were placed in a round glass bottom flask 4000 ml quartz with two-necked adapter, ball condenser, Liebig condenser (each made of borosilicate glass) and 500 ml graduated cylinder to collect the distillate. The sodium hydroxide solution was added to provide an increased Na 2 O content in the concentrated soluble glass. The solution was covered with nitrogen to prevent the reaction with carbon dioxide from the air and was then heated to a boil using a heating blanket. After 256 ml of water had been distilled, the Liebig condenser was replaced with a stopper and the boiling was continued under reflux for an additional 100 min. Then the concentrated soluble glass was cooled under an atmosphere of nitrogen to room temperature and left to stand overnight. 1569 g of concentrated soluble glass with a viscosity of 537 mPa * s (ie 5.37 poises) were obtained.
2513 g de ácido sulfúrico 16,3% e 16,1g de peróxido de hidrogênio 35% foram colocados à temperatura ambiente em um frasco de dois pescoços de vidro de quartzo de 4000 ml com agitador de vidro de precisão e funil gotejador (cada um feito de vidro borossilicato). Dentro de 32513 g of sulfuric acid 16.3% and 16.1 g of hydrogen peroxide 35% were placed at room temperature in a 4000 ml double-necked quartz glass flask with precision glass shaker and drip funnel (each made borosilicate glass). Within 3
108/114 min, 1000 ml do vidro solúvel concentrado anteriormente preparado (9,8% em peso de Na2O, 30,9% em peso de SiO2, densidade 1,429 g/ml) foram adicionados gota a gota, para que o valor de pH permanecesse abaixo de 1. A temperatura da mistura de reação aumentou para 50°C e virou um laranja profundo. A suspensão foi agitada por 20 min adicionais e em seguida deixada que o sólido obtido decantasse.108/114 min, 1000 ml of the previously prepared concentrated soluble glass (9.8% by weight of Na 2 O, 30.9% by weight of SiO 2 , density 1.429 g / ml) were added dropwise so that the pH value remained below 1. The temperature of the reaction mixture increased to 50 ° C and turned a deep orange. The suspension was stirred for an additional 20 min and then the solid obtained was allowed to settle.
Foi processado por decantação da solução de sobrenadante e adição de uma mistura de 500 ml de água deionizada e 50 ml de ácido sulfúrico 96% ao resíduo. Ao misturar, a suspensão foi aquecida à fervura, 10 deixada que o sólido decantasse e o sobrenadante foi novamente decantado. Este processo de lavagem foi repetido até que o sobrenadante somente tivesse uma coloração amarela extremamente clara. Então foi lavado repetidamente com 500 ml de água deionizada cada vez, até que um valor de pH da suspensão de lavagem de 5,5 fosse alcançado. A 15 condutividade da suspensão de lavagem foi agora 3 pS/cm. O sobrenadante foi decantado e o produto obtido foi seco durante a noite a 105°C em uma estufa de secagem de ar circulante. Os dados analíticos do produto obtido são mostrados na Tabela 2 abaixo:It was processed by decanting the supernatant solution and adding a mixture of 500 ml of deionized water and 50 ml of 96% sulfuric acid to the residue. Upon mixing, the suspension was heated to a boil, allowed the solid to settle and the supernatant was decanted again. This washing process was repeated until the supernatant only had an extremely light yellow color. Then it was washed repeatedly with 500 ml of deionized water each time, until a pH value of the wash suspension of 5.5 was reached. The conductivity of the wash suspension was now 3 pS / cm. The supernatant was decanted and the product obtained was dried overnight at 105 ° C in a circulating air drying oven. The analytical data of the product obtained are shown in Table 2 below:
Tabela 2Table 2
109/11411/114
O dióxido de silício produzido pelo método de acordo com a invenção tem um conteúdo de impureza total - para todos os elementos medidos - de somente 2,6 ppm. Os níveis de contaminação com os elementos críticos para a produção de silício de grau solar são, como 5 mostrados na Tabela 2, dentro de uma faixa aceitável. Pode ser visto dessa ferma que com o método de acordo com a invenção - contra o ensinamento da técnica prévia ~ é possível produzir, sem agente quelante ou o uso de colunas de troca iôníca, vidro solúvel concentrado comercialmente disponível e o ácido sulfúrico comercialmente disponível, um dióxido de silício que, com 10 base em seu perfil de impureza, é eminentemente adequado como um material iniciai para silício de grau solar.The silicon dioxide produced by the method according to the invention has a total impurity content - for all measured elements - of only 2.6 ppm. The levels of contamination with the elements critical for the production of solar grade silicon are, as shown in Table 2, within an acceptable range. It can be seen from this formula that with the method according to the invention - against the teaching of the prior art ~ it is possible to produce, without chelating agent or the use of ion exchange columns, commercially available concentrated soluble glass and commercially available sulfuric acid, a silicon dioxide which, based on its impurity profile, is eminently suitable as a starting material for solar grade silicon.
Exemplos - PiróliseExamples - Pyrolysis
Exemplo Comparativo 2Comparative Example 2
Açúcar refinado comercialmente disponível foi fundido em um 15 vidro de quartzo sob gás protetor é em seguida aquecido a aproximadamente 1600;:C. Houve espumação considerável da mistura de reação, parcialmente escapando - formação de caramelo também foi observada, e o produto de pirólise aderido à parede do vaso de reação (conferir Fig. 3a).Commercially available refined sugar was melted in a quartz glass under protective gas and then heated to approximately 1600 ° C : There was considerable foaming of the reaction mixture, partially escaping - caramel formation was also observed, and the pyrolysis product adhered to the reaction vessel wall (see Fig. 3a).
Exemplo 2Example 2
Açúcar refinado comercialmente disponível foi misturado com SiO;> (Sipemat® 100) na proporção de peso 20:1, fundido e aquecido a aproximadamente 800°Ç. Nenhuma formação de caramelo foi observada, e nenhuma espumação ocorreu. Um produto de pirólise particulado contendo 25 grafite foi obtido, que vantajosamente não aderiu substancíalménte à parede do vaso de reação.Commercially available refined sugar was mixed with SiO;> (Sipemat® 100) in a 20: 1 weight ratio, melted and heated to approximately 800 ° C. No caramel formation was observed, and no foaming occurred. A particulate pyrolysis product containing 25 graphite was obtained, which advantageously did not substantially adhere to the wall of the reaction vessel.
Exemplos: Pirólise e ÇalçinaçãçExamples: Pyrolysis and Calcination
Exemplo Comparativo 3:Comparative Example 3:
Açúcar refinado comerdalmente disponível foi fundido em um 30 vidro de quartzo e em seguida aquecido a aproximadamente WOO’C. Há espumação considerável da mistura de reação durante o aquecimento e um pouco escapa do vidro de quartzo. Ao mesmo tempo, formação dê carameloCommonly available refined sugar was melted in a quartz glass and then heated to approximately WOO'C. There is considerable foaming of the reaction mixture during heating and a little escapes from the quartz glass. At the same time, caramel training
110/114 é observada. O produto dè pirólise formado adere à parede do vaso de reação (Fig. 3a).110/114 is observed. The formed pyrolysis product adheres to the reaction vessel wall (Fig. 3a).
Exemplo 3a:Example 3a:
Açúcar refinado comercia Imente disponível foi misturado comCommercially available refined sugar was mixed with
SíOa (Sípernat® 100) em uma proporção de peso de 1,25 para 1s fundido e em seguida aquecido a aproximadamente 80CFC. Formação de caramelo é observada, mas nenhuma espuma. Um produto de pirólise particulado contendo grafite é obtido, que em particular não adere à parede do vaso de reação (Fig, 3b), A Fig, 4 é um micrográfico do produto de pirólise do 10 Exemplo 3a.SíO a (Sípernat® 100) in a weight ratio of 1.25 to 1 s melted and then heated to approximately 80CFC. Caramel formation is observed, but no foam. A particulate pyrolysis product containing graphite is obtained, which in particular does not adhere to the reaction vessel wall (Fig, 3b). Fig, 4 is a micrograph of the pyrolysis product of Example 3a.
O produto de pirólise é distribuído sobre e presumivelmente também nos poros da partícula de SiO?. A estrutura particulada é conservada.The pyrolysis product is distributed over and presumably also in the pores of the SiO? Particle. The particulate structure is conserved.
Exemplo 3b:Example 3b:
Açúcar refinado comercialmente disponível foi misturado comCommercially available refined sugar was mixed with
SiOà (Sipemat® WO) em uma proporção de peso de 5 para 1, fundido e em seguida aquecido primeiro a aproximadamente 800*0 e em seguida a aproximadamente 1800°Q. Formação de cáramélb é observada, mas não há nenhuma espuma. Um carboneto de silício com componentes de grafite é 20 obtido. As Figs. 5 e 6 são os micrográfícos das duas amostras do produto calcinado, A formação do carboneto de silício foí detectada de espectros XPS e determinação das energias de ligação. Além disso, estruturas de Si~O também foram detectadas. Concluiu-se do brilho metálico sob um microscópio ótico que houve formação de grafite.SiOà (Sipemat® WO) in a 5 to 1 weight ratio, melted and then heated first to approximately 800 * 0 and then to approximately 1800 ° C. Formation of cáramélb is observed, but there is no foam. A silicon carbide with graphite components is obtained. Figs. 5 and 6 are the micrographs of the two samples of the calcined product. The formation of silicon carbide was detected from XPS spectra and determination of the binding energies. In addition, Si ~ O structures were also detected. It was concluded from the metallic luster under an optical microscope that graphite was formed.
Exemplo 4:Example 4:
Uma formulação fina e particulada de açúcar, recoberto em partículas de SiOg, é reagida a temperatura elevada em um forno rotatório com esferas de SÍO2 para distribuição de calor. Por exemplo, produzido por dissolução de açúcar em uma solução de ácido silíaíco aquosa com 30 secagem subsequente e se necessário homogeneização. Houve ainda umidade residual no sistema. Aproximadamente 1 kg de formulação foi usado.A fine particulate formulation of sugar coated particles of SiOg is reacted at elevated temperature in a rotary furnace with SiO2 balls for heat distribution. For example, produced by dissolving sugar in an aqueous silicic acid solution with subsequent drying and if necessary homogenization. There was still residual moisture in the system. Approximately 1 kg of formulation was used.
111/114 partículas de SiO2, é reagida a temperatura elevada em um forno rotatório com esferas de SiO2 para distribuição de calor. Por exemplo, produzido por dissolução de açúcar em uma solução de ácido silícico aquosa com secagem subsequente e se necessário homogeneização. Houve ainda umidade residual no sistema. Aproximadamente 1 kg de formulação foi usado.111/114 SiO 2 particles, is reacted at elevated temperature in a rotary kiln with SiO 2 spheres for heat distribution. For example, produced by dissolving sugar in an aqueous silicic acid solution with subsequent drying and if necessary homogenization. There was still residual moisture in the system. Approximately 1 kg of formulation was used.
O tempo de residência no forno rotatório depende do conteúdo de água da formulação fina e particulada. O forno rotatório foi equipado de uma zona de preaquecimento para secagem da formulação, então a formulação percorreu por uma zona de pirólise e calcinação com temperaturas de 400°C a 1800°C. O tempo de residência incluindo a etapa de secagem, etapa de pirólise e calcinação foi aproximadamente 17 horas. Ao longo do processo, os gases do processo que se formaram, tais como vapor e CO, podem ser removidos por meios simples do forno rotatório.The residence time in the rotary kiln depends on the water content of the fine and particulate formulation. The rotary kiln was equipped with a preheating zone for drying the formulation, so the formulation passed through a pyrolysis and calcination zone with temperatures from 400 ° C to 1800 ° C. The residence time including the drying step, pyrolysis step and calcination was approximately 17 hours. Throughout the process, the process gases that have formed, such as steam and CO, can be removed by simple means from the rotary kiln.
O SiO2 usado tinha um conteúdo de boro de menos de 0,1 ppm, fósforo de menos de 0,1 ppm e um conteúdo de ferro de menos de aproximadamente 0,2 ppm. O conteúdo de ferro do açúcar foi determinado antes da formulação em menos de 0,5 ppm.The SiO 2 used had a boron content of less than 0.1 ppm, phosphorus of less than 0.1 ppm and an iron content of less than approximately 0.2 ppm. The iron content of sugar was determined before formulation at less than 0.5 ppm.
Após pirólise e calcinação, os conteúdos foram determinados novamente, com o conteúdo de boro e fósforo que é determinado abaixo de 0,1 ppm, e o conteúdo de ferro tinha aumentado para 1 ppm. O conteúdo de ferro aumentado somente pode ser explicado pelo produto entrando em contato com partes do forno que estão contaminadas com ferro.After pyrolysis and calcination, the contents were determined again, with the content of boron and phosphorus being determined below 0.1 ppm, and the iron content had increased to 1 ppm. The increased iron content can only be explained by the product coming into contact with parts of the oven that are contaminated with iron.
Exemplo 5:Example 5:
O exemplo 4 foi repetido, com um forno de tubo rotatório de laboratório sendo recoberto anteriormente de carboneto de silício de alta pureza. Este foi reagido em temperatura elevada com esferas de SiO2 para distribuição de calor e uma formulação fina-particulada contendo açúcar, recoberto em partículas SiO2. Por exemplo, preparado por dissolução em açúcar em uma solução de ácido silícico aquosa com secagem subsequente e se necessário homogeneização. Houve ainda umidade residual no sistema. Aproximadamente 10 g da formulação foram usados.Example 4 was repeated, with a laboratory rotary tube oven previously covered with high purity silicon carbide. This was reacted at an elevated temperature with SiO 2 spheres for heat distribution and a fine-particulate formulation containing sugar, covered in SiO 2 particles. For example, prepared by dissolving in sugar in an aqueous silicic acid solution with subsequent drying and if necessary homogenization. There was still residual moisture in the system. Approximately 10 g of the formulation was used.
111/114111/114
O tempo de residência no forno rotatório depende do conteúdo de água da formulação fina e particulada. O forno rotatório foi equipado de uma zona de pré~aquecimento para secagem da formulação, então a formulação percorreu por uma zona de pirôlise e caicinação com 5 temperaturas de 40Q°C a íSfMTC. Q tempo de residência incluindo a etàpa de secagem, etapa de pirôlise e caicinação foi aproximadamente 17 horas. Ao longo do processo, os gases do processo que se formaram, tais como vapor e CO, podem ser removidos por meios simples do forno rotatório.The residence time in the rotary kiln depends on the water content of the fine and particulate formulation. The rotary kiln was equipped with a pre-heating zone for drying the formulation, so the formulation passed through a pyrolysis and caicination zone with 5 temperatures of 40 ° C to fSMTC. The residence time including the drying stage, pyrolysis stage and caicination was approximately 17 hours. Throughout the process, the process gases that have formed, such as steam and CO, can be removed by simple means from the rotary kiln.
O SiO2 usado tinha um conteúdo de boro de menos de 0,1 ppm, fósforo de menos de 0,1 ppm e um conteúdo de ferro de menos de aproximadamente 0,2 ppm. O conteúdo de ferro do açúcar foi determinado antes da formulação em menos de 0,5 ppm.The SiO 2 used had a boron content of less than 0.1 ppm, phosphorus of less than 0.1 ppm and an iron content of less than approximately 0.2 ppm. The iron content of sugar was determined before formulation at less than 0.5 ppm.
Após pirôlise e caicinação, os conteúdos foram determinados novamente, com o conteúdo de boro e fósforo que é determinado abaixo de 15 0,1 ppm, e o conteúdo de ferro tinha aumentado para 1 ppm. O conteúdo de ferro aumentado somente pode ser explicado pelo produto entrando em contato com partes do forno que estão contaminadas com; ferro.After pyrolysis and caicination, the contents were determined again, with the boron and phosphorus content being determined below 15 0.1 ppm, and the iron content had increased to 1 ppm. The increased iron content can only be explained by the product by contacting parts of the oven that are contaminated with; iron.
Exemplo 5:Example 5:
O exemplo 4 foi repetido, com um forno de tubo rotatório de laboratório sendo recoberto anteriormente de carboneto de silício de alta pureza. Este foi reagido em temperatura elevada com esferas de SiO? para distribuição de calor e uma formulação fina-particulada contendo açúcar, recoberto em partículas SiQ2, Por exemplo, preparado por dissolução em açúcar em uma solução de ácido silícico aquosa com secagem subsequente 25 e se necessário homogeneização. Houve ainda umidade residual no sistema. Aproximadamente 10 g da formulação foram usados.Example 4 was repeated, with a laboratory rotary tube oven previously covered with high purity silicon carbide. This was reacted at elevated temperature with SiO? for heat distribution and a fine-particulate formulation containing sugar, covered in SiQ 2 particles. For example, prepared by dissolving in sugar in an aqueous silicic acid solution with subsequent drying 25 and if necessary homogenization. There was still residual moisture in the system. Approximately 10 g of the formulation was used.
O tempo de residência no forno rotatório depende do conteúdo de água da formulação fina-particulada. O forno rotatório foi equipado com uma zona de pré-aquecimento para secagem da formulação, então a 30 formulação percorreu através de uma zona de pirôlise e caicinação com temperaturas de 400°C a 1800°C. O tempo de residência incluindo a etapaThe residence time in the rotary kiln depends on the water content of the fine-particulate formulation. The rotary kiln was equipped with a pre-heating zone for drying the formulation, so the formulation passed through a pyrolysis and caicination zone with temperatures from 400 ° C to 1800 ° C. The residence time including the stage
113/114 aproximadamente 0,2 ppm. O conteúdo de ferro do açúcar foi determinado antes da formulação em menos de 0,7 ppm.113/114 approximately 0.2 ppm. The iron content of sugar was determined before formulation at less than 0.7 ppm.
Após pirólise e calcinação, os conteúdos no carboneto de silício foram determinados novamente e o conteúdo de boro e o fósforo foi ainda menos de 0,17 ppm ou menos de 0,15 ppm respectivamente, e além disso, o conteúdo de ferro foi determinado em menos de 0,7 ppm.After pyrolysis and calcination, the silicon carbide content was determined again and the boron and phosphorus content was still less than 0.17 ppm or less than 0.15 ppm respectively, and in addition, the iron content was determined in less than 0.7 ppm.
Exemplo 7:Example 7:
A reação correspondente de uma formulação pirolisada de acordo com o Exemplo 3 foi realizada em um reator de micro-ondas. Para isto, aproximadamente 0,1 kg de uma formulação seca, fina-particulada de açúcar pirolisado em partículas de SiO2 foram reagidos em frequências acima de 1 gigawatt para carboneto de silício em uma matriz de carbono. O tempo da reação é diretamente dependente da entrada de potência e dos reagentes.The corresponding reaction of a pyrolyzed formulation according to Example 3 was carried out in a microwave reactor. For this, approximately 0.1 kg of a dry, fine-particulate formulation of pyrolysed sugar in SiO 2 particles were reacted at frequencies above 1 gigawatt for silicon carbide in a carbon matrix. The reaction time is directly dependent on the power input and the reagents.
Se a reação se realizar iniciando de carboidratos e partículas de SiO2, os tempos da reação são correspondentemente mais longos.If the reaction is carried out starting from carbohydrates and SiO 2 particles, the reaction times are correspondingly longer.
Exemplo 8Example 8
SiO2 (Aerosil® OX 50) e C (grafite) foram reagidos em uma proporção de peso de aproximadamente 75:25 na presença de SiC.SiO 2 (Aerosil® OX 50) and C (graphite) were reacted in a weight ratio of approximately 75:25 in the presence of SiC.
Procedimento: um arco elétrico, que serve como fonte de energia, é disparado de maneira conhecida. A reação começa insidiosamente com a evolução de compostos gasosos entre SiO2 e C. Então 1% em peso de SiC pulverulento é adicionado. Após um tempo muito curto, um aumento muito acentuado na reação pode ser observado da ocorrência de fenômenos luminosos. Após isto, a reação continuou após adição de SiC com uma incandescência laranja intensa, brilhante (aproximadamente 1000°C). O sólido obtido na realização da reação foi identificado como silício com base em sua cor tipicamente marrom-escura (M. J. Mulligan et al. Trans. Soc. Can. [3] 21 III [1927] 263/4; Gmelin 15, Part B p. 1 [1959]) e microscopia eletrônica de varredura (SEM).Procedure: an electric arc, which serves as an energy source, is fired in a known manner. The reaction starts insidiously with the evolution of gaseous compounds between SiO 2 and C. Then 1% by weight of powdery SiC is added. After a very short time, a very sharp increase in the reaction can be observed from the occurrence of light phenomena. After this, the reaction continued after adding SiC with an intense, bright orange glow (approximately 1000 ° C). The solid obtained during the reaction was identified as silicon based on its typically dark brown color (MJ Mulligan et al. Trans. Soc. Can. [3] 21 III [1927] 263/4; Gmelin 15, Part B p 1 [1959]) and scanning electron microscopy (SEM).
Exemplo 9Example 9
SiO2 (Aerosil® OX 50) e C foram reagidos em uma proporçãoSiO 2 (Aerosil® OX 50) and C were reacted in a proportion
114/114 de peso de aproximadamente 65:35 na presença de SiC.114/114 weight of approximately 65:35 in the presence of SiC.
Procedimento: um arco elétrico, que serve como fonte de energia, é disparado de uma maneira conhecida. Reação entre SiO2 e C começa insidiosamente. Gases evoluem para serem reconhecidos. 1% em 5 peso de SiC pulverulento é adicionado, após um tempo curto que leva a um aumento acentuado na reação, discernível da ocorrência de efeitos luminosos. Após adição de SiC, a reação continuou por algum tempo, com uma incandescência intensa, tremulante. O sólido obtido na realização da reação foi identificado como silício por análise por SEM e EDX 10 (espectroscopia de raio x energia-dispersiva).Procedure: an electric arc, which serves as a source of energy, is fired in a known manner. Reaction between SiO 2 and C starts insidiously. Gases evolve to be recognized. 1% by weight of powdery SiC is added after a short time which leads to a marked increase in the reaction, discernible from the occurrence of light effects. After adding SiC, the reaction continued for some time, with an intense, flickering glow. The solid obtained during the reaction was identified as silicon by SEM and EDX 10 analysis (energy-dispersive x-ray spectroscopy).
Exemplo Comparativo 4Comparative Example 4
SiO2 (Aerosil® OX 50) e C foram reagidos em um tubo como uma mistura 65:35 em alta temperatura (> 1700°C). A reação mal começou, e não houve progresso notável. Nenhuma incandescência brilhante foi 15 observada.SiO 2 (Aerosil® OX 50) and C were reacted in a tube as a 65:35 mixture at high temperature (> 1700 ° C). The reaction has barely begun, and there has been no noticeable progress. No bright glowing was observed.
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