WO2012113672A2 - Vorrichtung und verfahren zum verarbeiten eines sio2-haltigen materials - Google Patents

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    • C01B33/023—Preparation by reduction of silica or free silica-containing material
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    • B01F27/2722—Mixers with stator-rotor systems, e.g. with intermeshing teeth or cylinders or having orifices with means for moving the materials to be mixed axially between the surfaces of the rotor and the stator, e.g. the stator rotor system formed by conical or cylindrical surfaces provided with ribs, ridges or grooves on one surface
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    • B01F27/2723—Mixers with stator-rotor systems, e.g. with intermeshing teeth or cylinders or having orifices with means for moving the materials to be mixed axially between the surfaces of the rotor and the stator, e.g. the stator rotor system formed by conical or cylindrical surfaces the surfaces having a conical shape

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus for processing Si0 2 -containing materials and a process for the preparation of starting materials for the
  • Silicon for example, solar silicon, which is processed into solar cells, is usually made of silicon dioxide or silica. This is
  • Starting material is introduced into the manufacturing process of silicon, and must be prepared for this purpose.
  • One way of introducing is the precipitation of silica from an alkali silicate solution. In some processes, the
  • the liquefied Si0 2 -water mixture can be further processed into moldings, which are then dried and optionally sintered or otherwise thermally or mechanically compressed.
  • Si0 2 -water mixture usually further processed by it is reduced to produce a high-purity silicon melt from which the silicon solar then is crystallized.
  • Purity specifications for silicon on all metals of the Periodic Table of the Elements in particular on the chemical elements aluminum, boron, calcium, phosphorus, iron, nickel, titanium, zinc, tin, sodium and potassium.
  • Process steps include the addition of the halosilanes with complexing agents and precipitation and precipitation of the complexes.
  • Impurities can be oxidized by suitable reactants.
  • Device and a method are provided, which allow cost-effective, stable and efficient processing of SiO 2 -containing materials.
  • At least one device part which comes into contact with the SiO 2 -containing materials, at least partially coated with one or more materials and / or consists of one or more materials, the material or materials essentially of silicon and / or of oxygen, hydrogen, nitrogen, carbon, sulfur and / or other elements of the
  • Periodic Table of Elements is or are constructed in the context of Processing of Si0 2 -containing material are part of the Si0 2 -containing material to be added substances.
  • At least part of a surface with which the starting materials come into contact during their preparation or preparation is obtained from a material whose abrasion has no or only a slight negative influence on the purity of the silicon produced.
  • the harmlessness of the abrasion can result from the fact that the material, from which the abrasion consists, in the further course of the process like a
  • Starting material or an added substance is a starting material or an already added substance.
  • the harmlessness of the abrasion can also result from the fact that the material from which the abrasion consists is deposited with an already provided deposition process.
  • an already added substance may for example be an activator for reactions, a precipitating agent or a complexing agent.
  • Device parts according to the invention which are components of the device that come into contact with the starting materials, can be, for example, channels and
  • a basic body to be coated with one of the aforementioned surface materials can be made of metal, for example steel or
  • the coating can, for example, by flame spraying, sintering, grafting of
  • polymerizable starting material such as resins, laminating with foil or other known suitable coating methods.
  • the coating can also be done by gluing or plating with a ceramic film of one of the aforementioned ceramic materials. Flame spraying can be used for example when using polyetheretherketone as a coating.
  • Particularly advantageous embodiments of the invention can provide that the material or materials to at least 90%, preferably at least 99%, particularly preferably 99.9% of silicon, oxygen, hydrogen and / or from are constructed of the elements of the PSE, which are in the context of the processing of the shady material part of the Si0 2 -containing material to be added substances.
  • Substances that are part of the Si0 2 -containing material to be incorporated in the processing of Si0 2 -containing materials include carbon, which is added to reduce the S1O 2 to silicon, and / or chlorine, which is hydrochloric acid (HCl (aq)) for purifying the aqueous silica-water mixture (Si0 2 -Wasser mixture) is added.
  • the material or the materials consist of or consist of silicon, oxygen, hydrogen, carbon, nitrogen and / or chlorine. These are typically just the substances that are during a
  • Carbon is used in many silica manufacturing processes to reduce silica and is also added to the starting materials for reduction for this purpose.
  • pure carbon but alternatively or additionally also carbon compounds such as silicon carbide or organic compounds can be added.
  • Hydrogen combines with water released from the reduction to form water and can be easily removed from the process, for example, by removing water vapor from a reactor in which the reduction takes place. Nitrogen is also removable from the Si0 2 -containing material by reacting the nitrogen with released oxygen at high temperatures
  • Temperatures connects to nitrogen oxides, which can be withdrawn from the reactor. If the reduction is carried out in a wet-chemical low-temperature process, nitrogen compounds can be formed which are to be separated from the resulting silicon.
  • Silicon carbide (SiC) is available as a sintered block material and can be made as a green compact before sintering in the required form. The same applies to sintered silicon dioxide and sintered silicon nitride, which also
  • Quartz glass can be made into a suitable shape by known glass processing techniques. Polysiloxanes do not have high strength, but have good chemical and temperature resistance. Sufficient strength can be achieved, for example, by depositing components of polysiloxane which are in contact with the starting materials, for example with metal.
  • the material is a
  • Composite material is whose constituents are selected from the materials according to the invention, for example, a composite material of SiC and polysiloxane.
  • the material or the materials are selected from S1O 2 , silicon carbide, silicon nitride, polymers and / or graphite, preferably isostatically pressed graphite.
  • the material or the materials consists or consist at least predominantly of carbon and / or hydrocarbon, preferably of at least one organic compound, more preferably of polyaryletherketone (PAEK), polyetherketone (PEK), polyetheretherketone (PEEK), polyetherketone ketone ( PEKK), polyvinyl chloride (PVC) and / or polyimide (PI).
  • PAEK polyaryletherketone
  • PEK polyetherketone
  • PEEK polyetherketone
  • PEKK polyetherketone ketone
  • PVC polyvinyl chloride
  • PI polyimide
  • the plastics mentioned consist to a large extent of carbon and hydrogen, and partly of low nitrogen contents.
  • PVC contains chlorine in addition to carbon and hydrogen.
  • Polyetheretherketone has by its chemical resistance, especially by its acid resistance to silica, and chemical composition very well suited chemical properties, and also good mechanical properties, which
  • PI has a high mechanical strength and a very high Temperature resistance and good chemical resistance. It consists of carbon and hydrogen as well as a small amount of nitrogen. It is therefore well suited for the present task.
  • the plastics mentioned are available as block and rod material, whereby components for a device according to the invention can be easily produced by machining.
  • Graphite can be produced by hot isostatic pressing as a block material and can be machined. It is available as a high-purity material, for example, from SGL Carbon, and has mechanical and chemical properties that are particularly well suited to the task at hand, that is, good abrasion resistance and above all, no detrimental effect on final purity silicon.
  • the material or the materials is or are made up of a polymer or of polymers, preferably of PAEK, PEK, PEKK and / or PEEK.
  • the material or the materials have a Shore hardness in the range of 90 to 100, preferably in the range of 95 to 100, particularly preferably 99, have.
  • the Shore hardness is determined according to ISO 868. It can therefore be provided that the material or the materials has a Shore hardness of 99.
  • the polymers have a glass transition temperature of at least 140 ° C.
  • At least one device part which is in contact with the SiO 2 -containing materials is at least partially coated with one or more materials, wherein the coating has a thickness of at least 10 pm,
  • the Si02-containing material to be processed has a purity of at least 99%.
  • a further embodiment of the invention provides that at least one material is a high-purity material. This prevents unwanted substances from being present in the abrasion, which are difficult to remove from the process or which would require additional purification steps.
  • graphite and PEEK are available as high purity materials. Since the amount of abrasion is small compared to the amount of processed raw material, the
  • Surface materials are not necessarily designed as purified or high purity materials.
  • the pollution with pollutants can still be small enough to achieve a high quality, so purity of the silicon.
  • a high-purity material is considered a material whose metallic
  • the aluminum and boron contaminants are less than 20 ppm, less than or equal to 5 ppm calcium, less than or equal to 150 ppm iron, less than or equal to 25 ppm magnesium, manganese, and less chromium and less than 10 ppm phosphorus , with titanium less than 5 ppm, with zinc less than or equal to 3 ppm and the sum of impurities with sodium silicate less than 5 ppm.
  • the SiO 2 -containing material is a SiO 2 -water mixture, preferably with 30 to 70 percent by weight H 2 O, particularly preferably with 40 to 60 percent by weight H 2 O, very particularly preferably with about 53
  • Devices according to the invention may also be characterized in that the device comprises at least one extruder. According to a further particularly advantageous embodiment of the invention can be provided that the device comprises at least one liquefying device for liquefying Si0 2 water mixture, wherein with the
  • Condensing device preferably shear forces in the Si0 2 -Wasser mixture are transferable.
  • the liquefaction device comprises a mixer.
  • the mixer can be designed, for example, as a mixer with a rotating drum or as a ring-layer mixer.
  • the shearing forces prevailing in the mixer liquefy the silica-water mixture (Si0 2 -water mixture).
  • a mixture with other substances may, but does not have to take place.
  • the liquefying device comprises a nozzle through which a Si0 2 -water mixture can flow. This applies at least for liquefied Si0 2 -water mixture.
  • a rotationally symmetrical roller is rotatably mounted in a rotationally symmetrical recess in the interior of the nozzle, so that an annular gap is formed between the roller and the inner surface of the recess, preferably a conical recess in which a conical roller is rotatably mounted that results in a conically converging annular gap.
  • a roller is to be understood as an arbitrary rotationally-shaped body according to the invention, the term here is by no means restricted to cylindrical rollers.
  • roller is connected to a drive with which the roller is rotatable in the nozzle.
  • the nozzle Adhesion effect on the surface of the nozzle and the acceleration of the Volumetric shear forces exerted so that the silica-water mixture at least partially liquefied.
  • the nozzle is advantageously designed with a conical profile. By providing a nozzle with a smaller surface area compared to a mixer, the abrasion is minimized.
  • the rotational movement of the roller produces a relative speed of the surface of the roller to the inner surface of the nozzle.
  • the shear forces and the liquefaction effect are thereby increased.
  • the applied nubs again increase the shear forces in the layer of silicon dioxide-water mixture, so that a further improvement in the liquefaction effect occurs without the surface of the components having to be substantially increased for this purpose. Due to the design of the protruding elements as nubs less abrasion is generated in comparison to the mixing blades in a ring layer mixer or in a mixer with rotating mixing drum by their smaller surface-to-volume ratio and also by their low height.
  • At least a part of the surface with which the starting materials come into contact during the treatment consists predominantly of silicon or of one or more silicon compounds.
  • silicon-containing abrasion is harmless to the process, as far as it is concerned with the following
  • components of the device that come into contact with the starting materials in the preparation consist of solid material of one or more of the aforementioned materials or of a base material with a coating of one or more of the aforementioned materials. It can also be provided according to the invention that the surface of a
  • Silicon is selected so that minimal abrasion results from the size of the surface in contact with the starting materials and the flow rate and pressure resulting from the size of the surface in the channel for a given volume flow ,
  • a geometry in the area of the optimum can do this with the help of a
  • Flow simulation program and corresponding wear parameters that depend on the subsidized starting materials and the surface material of the device can be determined.
  • the object of the invention is also achieved by a process for the preparation of starting materials for the production of silicon, preferably with such a device, wherein SiO2-containing materials are processed, which are conveyed in the process, liquefied and / or compressed.
  • the surface which comes into contact with the shady material, at least partially comprises at least one material consisting essentially of silicon, oxygen, hydrogen and / or consists of the elements of the PSE, which are added to the SC-containing material during the processing of the shady material.
  • an SC-water mixture is liquefied, preferably in a nozzle, particularly preferably with a rotating roller comprising a multiplicity of nubs on its surface.
  • shear forces are introduced into the Si0 2 -containing material, wherein the Si0 2 -containing material is liquefied thereby and preferably a part of the device is rotated, in particular the roller. While not wishing to be bound by any particular theory, the inventors believe that the shear forces thereby disrupt weak bonds between silica particles in the SiO 2 -water mixture, mobilizing the particles and turning them into a gel-like liquid.
  • a smaller layer thickness of the silica-water mixture increases the flow speed and consequently the shear forces, and thus also improves the liquefaction effect.
  • the invention is based on the surprising finding that through the
  • Process step is removed anyway from the material or even the raw material itself. These introduced impurities then do not lead to a significant deterioration of the purity of the final product. There are also no additional process steps necessary to remove the introduced into the material foreign matter. Such process steps are in fact already included in the production in order to remove the impurities introduced anyway.
  • Preparation process already in the starting materials Precipitated silicic acid, especially high-purity silica, causes heavy abrasion on parts of the equipment with which it comes in contact with the raw material for the silicon production process during industrial processing.
  • the abrasion caused by abrasion in particular in the promotion, compression and liquefaction of silica-water mixture, contaminates the silica, which can degrade the purity of the silicon produced.
  • Reduced impurities in the produced silicon can be achieved by reducing the amount of abrasion and generating a type of abrasion that is as harmless as possible for the further process. This applies to all
  • Polyvinyl chloride can be used, for example, if the S1O 2 is reduced with carbon in a later process step and hydrochloric acid (HCl) is used in a second, later process step for the purification.
  • Water (H 2 0), or the elements hydrogen and oxygen are always critical especially when using a silica-water mixture (S1O 2 - water mixture), since it is always contained in the starting materials or intermediates and also the semiconductor properties of silicon is not adversely affected.
  • the invention is therefore also based on the particularly surprising finding that, to avoid contamination, it is not always the case that harder materials are used to reduce the amount of abrasion, as is the prevailing view, but materials with a high degree of abrasion can also be used contribute to an already existing pollution.
  • the following figures and embodiments serve only the following figures and embodiments.
  • Figure 1 a schematic representation of a portion of an inventive
  • FIG. 1 shows a schematic side view of a liquefaction device or condenser according to the invention.
  • the condenser comprises an inlet 1 for incoming gelled SiO 2 -water mixture 7, a rotationally symmetrical, tapered nozzle 2 and an outlet 3 for effluent liquefied S1O2- water mixture 8.
  • a roller 5 is provided, the one
  • Gap thickness decreases in the flow direction of the SiO2-water mixture. As a result, the shearing action of the gap on the flowing SiO 2 -water mixture is increased.
  • the circumference of the roller 5 is provided with nubs 6, which are shown schematically in Figure 1.
  • the nubs 6 may be distributed approximately evenly on the surface of the roller 5.
  • the roller 5 is supported by a shaft 4.
  • the inner surfaces on and in the condenser 1, 2 and 3 as well as the outer surfaces of the shank 4 and the roller 5 can be advantageously made of S1O2, silicon carbide,
  • the nubs 6 are coated on the surface with a material 9, which contains only (except for some impurities) chemical elements in the following process steps of the silicon-containing material or the
  • silicon or silicon dioxide can be a component of the material 9, and / or which are already present in the SiO 2 -water mixture but can be removed at a later time.
  • PEEK Polyetheretherketone
  • gelled SiO 2 -water mixture 7 is conveyed to the condenser with a conveyor, such as a screw conveyor (not shown).
  • a conveyor such as a screw conveyor (not shown).
  • Feed screw is advantageously at least on the surface of a second material such as the material 9 of the coating 9 of the studs 6.
  • the shaft 4 can rotate in use with the roller 5 about an axis AA, wherein the axis of rotation A- A of the roller 5 is selected in that it coincides with the axis of rotational symmetry of the roller 5.
  • a roller may also rotate eccentrically in a nozzle. The resulting wedge gap causes in the circumferential direction increased shear forces on the SiO 2 -water mixture, which is drawn by the rotation in a circumferentially tapered part of the gap.
  • the liquefaction effect of the condenser is further improved by the additional shearing forces introduced by the knobs 6 on the SiO 2 -water mixture 7.
  • the nubs 6 are arranged helically on the surface of the roller 5, they cause an additional conveying effect on the SiO 2 -water mixture 7, 8.
  • the nubs 6 are advantageously arranged taking into account the direction of rotation of the roller 5, that the conveying effect in the direction the outlet 3 of the condenser acts.
  • nubs 6 Longitudinal axis lies in the screw direction.
  • An advantageous embodiment of the nubs 6 is a round shape, since this is easy and inexpensive to manufacture.
  • the ratio of the diameter to the height of such nubs 6 is preferably in the range of 1: 3 to 3: 1, more preferably the ratio is about 1: 1.
  • the gelled Si0 2 -water mixture 7 can be supplied tangentially to the liquefier, for example through a tangential opening in the nozzle 2 (not shown).

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verarbeiten von SiO2-haltigen Materialien, wobei zumindest ein Vorrichtungsteil, das mit den SiO2-haltigen Materialien in Berührung kommt, zumindest bereichsweise mit einem oder mehreren Werkstoffen beschichtet ist und/oder aus einem oder mehreren Werkstoffen besteht, wobei der Werkstoff oder die Werkstoffe im Wesentlichen aus Silicium und/oder aus Sauerstoff, Wasserstoff und/oder aus den Elementen des Periodensystems der Elemente (PSE) aufgebaut ist oder sind, die im Rahmen der Verarbeitung des SiO2-haltigen Materials Teil der dem SiO2-haltigen Material beizumengenden Stoffe sind. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Aufbereitung von Ausgangsstoffen für die Herstellung von Silicium, vorzugsweise mit einer solchen Vorrichtung, wobei SiO2-haltige Materialien verarbeitet werden, die bei dem Verfahren gefördert, verflüssigt und/oder komprimiert werden.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Verarbeiten eines Si02-haltigen Materials
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verarbeiten von Si02-haltigen Materialien und ein Verfahren zur Aufbereitung von Ausgangsstoffen für die
Herstellung von Silicium.
Silicium, beispielsweise Solarsilicium, das zu Solarzellen weiterverarbeitet wird, wird meist aus Siliciumdioxid beziehungsweise Kieselsäure hergestellt. Dieser
Ausgangsstoff wird in den Herstellungsprozess von Silicium eingebracht, und muss dazu aufbereitet werden. Eine Möglichkeit des Einbringens ist das Ausfällen von Siliciumdioxid aus einer Alkalisilikatlösung. In manchen Prozessen ist die
Verflüssigung des so entstehenden Si02-Wasser-Gemisches ein erforderlicher Prozessschritt. Das verflüssigte Si02-Wasser-Gemisch kann zu Formkörpern weiterverarbeitet werden, die anschließend getrocknet und gegebenenfalls gesintert oder anderweitig thermisch oder mechanisch verdichtet werden. Zur Herstellung von Solarsilicium wird das Si02-Wasser-Gemisch meist weiterverarbeitet, indem es reduziert wird, um eine hochreine Siliciumschmelze zu erzeugen, aus der dann Solarsilicium kristallisiert wird.
Da an das erzeugte Silicium hohe bis höchste Reinheitsanforderungen gestellt werden, bestehen an die Ausgangsstoffe ebenfalls hohe Reinheitsanforderungen. In diesem Zusammenhang ist es bekannt, dass die Verunreinigung von Silicium mit Stoffen, die zur Dotierung verwendet werden können, wie etwa Phosphor oder Bor, oder mit Metallen besonders kritisch ist. Typischerweise beziehen sich die
Reinheitsspezifikationen für Silicium auf alle Metalle des Periodensystems der Elemente (PSE) insbesondere auf die chemischen Elemente Aluminium, Bor, Calcium, Phosphor, Eisen, Nickel, Titan, Zink, Zinn, Natrium und Kalium.
In der DE 10 2008 004 396 A1 und der DE 10 2008 004 397 A1 sind Verfahren zur Verminderung des Gehalts von Elementen wie Bor und Metallen der dritten
Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente (PSE) beschrieben, um hochreine Halogensilane zu erzeugen. Aus diesen Halogensilanen kann in einem weiteren Schritt Silicium gewonnen werden, dessen Qualität umso besser ist, je weniger Verunreinigungen in dem Ausgangsstoff enthalten sind. Ein Nachteil dieser Verfahren ist, dass für die Reinigung umfangreiche Verfahrensschritte über den eigentlichen Herstellungsprozess von Silicium hinaus erforderlich sind. Diese
Verfahrensschritte umfassen das Versetzen der Halogensilane mit Komplexbildnern sowie Ausfällen und Abscheiden der Komplexe.
In der WO 2010/037705 wird vorgeschlagen, bei der Herstellung von Siliciumdioxid durch eine Fällungsreaktion aus einer Alkalisilikatlösung den pH-Wert unter 2 zu halten, wodurch bewirkt wird, dass sich Metallionen nicht mit dem entstehenden Siliciumdioxid verbinden. Die Metallionen können daher mittels Waschen von dem Siliciumdioxid getrennt werden. Andere, beispielsweise kohlenstoffhaltige
Verunreinigungen können durch geeignete Reaktionsmittel oxidiert werden.
In der WO 2007/106860 ist ein Verfahren zur Herstellung von Silicium beschrieben, bei dem Natriumsilikat in einer wässrigen Phase über einen Ionenaustauscher geleitet wird, um Bor abzutrennen. Um auch metallische Verunreinigungen
abzutrennen, wird vorgeschlagen, weitere Ionenaustauscher im Prozess zu verwenden. Diese Prozessschritte machen den Prozess jedoch aufwendig und teuer.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Stands der Technik zu überwinden. Insbesondere soll eine Verarbeitung von
Ausgangsstoffen für die Herstellung von Silicium bereitgestellt werden, bei der das erzeugte Silicium eine verbesserte Reinheit aufweist. Gleichzeitig soll eine
Vorrichtung und ein Verfahren bereitgestellt werden, die eine kostengünstige, stabile und effiziente Verarbeitung von SiO2-haltigen Materialien ermöglichen.
Diese Aufgaben werden bezüglich der Vorrichtung dadurch gelöst, dass zumindest ein Vorrichtungsteil, das mit den SiO2-haltigen Materialien in Berührung kommt, zumindest bereichsweise mit einem oder mehreren Werkstoffen beschichtet ist und/oder aus einem oder mehreren Werkstoffen besteht, wobei der Werkstoff oder die Werkstoffe im Wesentlichen aus Silicium und/oder aus Sauerstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Kohlenstoff, Schwefel und/oder aus weiteren Elementen des
Periodensystems der Elemente (PSE) aufgebaut ist oder sind, die im Rahmen der Verarbeitung des Si02-haltigen Materials Teil der dem Si02-haltigen Material beizumengenden Stoffe sind.
In einer Ausführungsform ist dabei wenigstens ein Teil einer Oberfläche, mit der die Ausgangsstoffe bei deren Herstellung oder Aufbereitung in Berührung kommen, aus einem Material beschaffen, dessen Abrieb auf die Reinheit des erzeugten Siliciums keinen oder nur geringen negativen Einfluss hat.
Die Unschädlichkeit des Abriebs kann sich daraus ergeben, dass sich das Material, aus dem der Abrieb besteht, im weiteren Verlauf des Prozesses wie ein
Ausgangsstoff oder ein ohnehin zugegebener Stoff verhält, oder ein Ausgangsstoff oder ein ohnehin zugegebener Stoff ist. Weiter kann sich die Unschädlichkeit des Abriebs auch daraus ergeben, dass das Material, aus dem der Abrieb besteht, mit einem ohnehin vorgesehenen Abscheidungsprozess abgeschieden wird. Je nach dem weiteren Verfahrensverlauf kann ein ohnehin zugegebener Stoff beispielsweise ein Aktivator für Reaktionen, ein Fällungsmittel oder ein Komplexbildner sein.
Erfindungsgemäße Vorrichtungsteile, die Bauteile der Vorrichtung sind, die mit dem Ausgangsstoffen in Berührung kommen, können beispielsweise Kanäle und
Verzweigungen, Düsen, Mischer, Ventile, Dichtungen jeglicher Art, Förderschnecken oder Pumpenbauteile sein. Ein mit einem der vorgenannten Oberflächenmaterialien zu beschichtender Grundkörper kann aus Metall, beispielsweise Stahl oder
Aluminium, mit bekannten Verfahren hergestellt werden. Die Beschichtung kann beispielsweise durch Flammspritzen, Aufsintern, Aufpolymerisieren von
polymerisierbarem Ausgangsmaterial wie etwa Harzen, Kaschieren mit Folie oder anderen bekannten geeigneten Beschichtungsverfahren erfolgen. Die Beschichtung kann auch durch Aufkleben oder Plattieren mit einer Keramikfolie aus einem der vorgenannten keramischen Materialien erfolgen. Flammspritzen kann beispielsweise beim Einsatz von Polyetheretherketon als Beschichtung angewendet werden.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung können vorsehen, dass der Werkstoff oder die Werkstoffe zu zumindest 90%, vorzugweise zu zumindest 99%, besonders bevorzugt zu 99,9% aus Silicium, Sauerstoff, Wasserstoff und/oder aus den Elementen des PSE aufgebaut sind, die im Rahmen der Verarbeitung des Schattigen Materials Teil der dem Si02-haltigen Material beizumengenden Stoffe sind. Stoffe, die im Rahmen der Verarbeitung des Si02-haltigen Materials Teil der dem Si02-haltigen Material beizumengenden Stoffe sind, sind beispielsweise Kohlenstoff, der zum Reduzieren des S1O2 zu Silicium beigemengt wird, und/oder Chlor, das als Salzsäure (HCl (aq)) zum Aufreinigen des wässrigen Kieselsäure-Wasser-Gemischs (Si02-Wasser-Gemischs) beigemengt wird.
Auch kann vorgesehen sein, dass der Werkstoff oder die Werkstoffe aus Silicium, Sauerstoff, Wasserstoff, Kohlenstoff, Stickstoff und/oder Chlor besteht oder bestehen. Dies sind typischerweise genau die Stoffe, die während eines
Herstellungsverfahrens von Solarsilicium beigemengt werden oder schon enthalten sind. Da diese Stoffe zu einem späteren Zeitpunkt wieder entfernt werden müssen, ist es unschädlich, sie zu einem früheren Zeitpunkt einzubringen.
Kohlenstoff wird in vielen Herstellungsprozessen von Silicium zur Reduzierung von Siliciumdioxid verwendet und wird den Ausgangsstoffen der Reduktion zu diesem Zweck auch zugegeben. Vorteilhaft kann reiner Kohlenstoff, alternativ oder zusätzlich können aber auch Kohlenstoffverbindungen wie etwa Siliciumcarbid oder organische Verbindungen zugegeben werden. Wasserstoff verbindet sich mit bei der Reduktion freiwerdendem Sauerstoff zu Wasser und kann einfach aus dem Prozess entfernt werden, zum Beispiel durch Abziehen von Wasserdampf aus einem Reaktor, in dem die Reduktion stattfindet. Stickstoff ist ebenfalls aus dem Si02-haltigen Material entfernbar, indem sich der Stickstoff mit freiwerdendem Sauerstoff bei hohen
Temperaturen zu Stickoxiden verbindet, die aus dem Reaktor abgezogen werden können. Wird die Reduktion in einem nasschemischen Niedertemperaturprozess durchgeführt, können sich Stickstoffverbindungen bilden, die von dem entstehenden Silicium zu trennen sind.
Siliciumcarbid (SiC) ist als gesintertes Blockmaterial erhältlich und kann als Grünling vor dem Sintern in die erforderliche Form gebracht werden. Gleiches gilt auch für gesintertes Siliciumdioxid und gesintertes Siliciumnitrid, die ebenfalls
erfindungsgemäß als Werkstoff einsetzbar sind. Da die Abriebmengen im Vergleich zu den durchgesetzten Ausgangsstoffen für die Siliciumssynthese gering sind, ist ein hoher Stickstoffgehalt von Siliciumnitrid nicht schädlich. Quarzglas kann durch bekannte Glasverarbeitungstechniken in eine geeignete Form gebracht werden. Polysiloxane weisen keine hohe Festigkeit auf, haben jedoch eine gute Chemikalien- und Temperaturbeständigkeit. Eine ausreichende Festigkeit kann beispielsweise erreicht werden, indem Bauteile aus Polysiloxan, die mit den Ausgangsstoffen in Berührung stehen, beispielsweise mit Metall hinterlegt werden.
Es kann erfindungsgemäß auch vorgesehen sein, dass der Werkstoff ein
Verbundwerkstoff ist, dessen Bestandteile aus den erfindungsgemäß genannten Werkstoffen ausgewählt sind, beispielsweise ein Verbundwerkstoff aus SiC und Polysiloxan.
Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der Werkstoff oder die Werkstoffe ausgewählt sind aus S1O2, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Polymeren und/oder Graphit, vorzugsweise isostatisch verpresstem Graphit.
Ferner kann vorgesehen sein, dass der Werkstoff oder die Werkstoffe zumindest überwiegend aus Kohlenstoff und/oder Kohlenwasserstoff besteht oder bestehen, vorzugsweise aus zumindest einer organischen Verbindung, besonders bevorzugt aus Polyaryletherketon (PAEK), Polyetherketon (PEK), Polyetheretherketon (PEEK), Polyetherketonketon (PEKK), Polyvinylchlorid (PVC) und/oder Polyimid (PI).
Die genannten Kunststoffe bestehen zu einem großen Teil aus Kohlenstoff und Wasserstoff, und teilweise aus geringen Stickstoffanteilen. PVC enthält zusätzlich zu Kohlenstoff und Wasserstoff auch Chlor. Polyetheretherketon hat durch seine Chemikalienbeständigkeit, insbesondere durch seine Säurebeständigkeit gegenüber Kieselsäure, und chemische Zusammensetzung sehr gut geeignete chemische Eigenschaften, und zudem auch gute mechanische Eigenschaften, die den
Eigenschaften von Aluminium nahekommen. Es verfügt außerdem über eine hohe Temperaturbeständigkeit und ist somit für die Erfüllung der vorliegenden Aufgabe sehr gut geeignet. PI hat eine hohe mechanische Festigkeit und eine sehr hohe Temperaturbeständigkeit sowie gute chemische Beständigkeit. Es besteht aus Kohlenstoff und Wasserstoff sowie einem kleinen Stickstoffanteil. Es ist daher für die vorliegende Aufgabe gut geeignet. Die genannten Kunststoffe sind als Block- und Stangenmaterial verfügbar, wodurch Bauteile für eine Vorrichtung nach der Erfindung durch spanende Bearbeitung einfach hergestellt werden können.
Graphit kann durch heißisostatisches Pressen als Blockmaterial hergestellt werden und ist spanend bearbeitbar. Es ist als hochreines Material zum Beispiel von der Firma SGL Carbon verfügbar und hat mechanische und chemische Eigenschaften, die zur Lösung der vorliegenden Aufgabe besonders gut geeignet sind, das heißt, eine gute Abriebfestigkeit und vor allem keinen schädlichen Einfluss auf die Reinheit des am Ende erzeugten Siliciums.
Auch kann vorgesehen sein, dass der Werkstoff oder die Werkstoffe aus einem Polymer oder aus Polymeren, vorzugsweise aus PAEK, PEK, PEKK und/oder PEEK aufgebaut ist oder sind.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass alle Vorrichtungsteile, die mit den Si02-haltigen Materialien in Berührung kommen, mit zumindest einem solchen Werkstoff beschichtet sind und/oder aus zumindest einem solchen Werkstoff bestehen.
Dabei kann vorgesehen sein, dass der Werkstoff oder die Werkstoffe eine Shore- Härte im Bereich von 90 bis 100, bevorzugt im Bereich von 95 bis 100, besonders bevorzugt von 99, aufweisen. Die Shore-Härte wird dabei nach ISO 868 bestimmt. Es kann also vorgesehen sein, dass der Werkstoff oder die Werkstoffe eine Shore- Härte von 99 hat.
Auch kann vorgesehen sein, dass die Polymere eine Glasübergangstemperatur von mindestens 140 °C aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zumindest ein Vorrichtungsteil, das mit dem SiO2-haltigen Materialien in Berührung kommt, zumindest bereichsweise mit einem oder mehreren Werkstoffen beschichtet ist, wobei die Beschichtung eine Dicke von mindestens 10 pm aufweist,
vorzugsweise von mindestens 100 pm, besonders bevorzugt von mindestens 1 mm.
Ferner kann vorgesehen sein, dass das zu verarbeitende Si02-haltige Material eine Reinheit von mindestens 99% aufweist.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass zumindest ein Werkstoff ein hochreines Material ist. Dadurch wird verhindert, dass im Abrieb unerwünschte Stoffe vorhanden sind, die sich nur schwer aus dem Prozess entfernen lassen oder die zusätzliche Aufreinigungsschritte erfordern würden. Insbesondere Graphit und PEEK sind als hochreine Materialien verfügbar. Da die Menge des Abriebs im Vergleich zu der Menge des verarbeiteten Rohstoffs gering ist, müssen die
Oberflächenmaterialien nicht zwingend als gereinigte oder hochreine Materialien ausgeführt sein. Die Verunreinigung mit Schadstoffen kann trotzdem klein genug sein, um eine hohe Qualität, also Reinheit des Siliciums zu erreichen.
Als hochreines Material wird ein Material angesehen, dessen metallische
Gesamtverunreinigungen unter 10.000 ppm, bevorzugt unter 1000 ppm liegen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform betragen die Verunreinigungen mit Aluminium und Bor weniger als 20 ppm, mit Kalzium weniger gleich 5 ppm, mit Eisen weniger gleich 150 ppm, mit Magnesium, Mangan, Chrom und Nickel weniger gleich 25 ppm, mit Phosphor weniger gleich 10 ppm, mit Titan weniger gleich 5 ppm, mit Zink weniger gleich 3 ppm und die Summe von Verunreinigungen mit Natriumsilikat weniger gleich 5 ppm.
Es kann auch vorgesehen sein, dass das SiO2-haltige Material ein SiO2-Wasser- Gemisch ist, vorzugsweise mit 30 bis 70 Gewichtsprozent H2O, besonders bevorzugt mit 40 bis 60 Gewichtsprozent H2O, ganz besonders bevorzugt mit ca. 53
Gewichtsprozent H2O.
Erfindungsgemäße Vorrichtungen können sich auch dadurch auszeichnen, dass die Vorrichtung zumindest einen Extruder umfasst. Gemäß einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung zumindest eine Verflüssigungsvorrichtung zum Verflüssigen von Si02-Wasser-Gemisch umfasst, wobei mit der
Verflüssigungsvorrichtung vorzugsweise Scherkräfte in das Si02-Wasser-Gemisch übertragbar sind.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die Verflüssigungsvorrichtung einen Mischer umfasst.
Der Mischer kann beispielsweise als Mischer mit rotierender Trommel oder als Ringschichtmischer ausgeführt sein. Die in dem Mischer herrschenden Scherkräfte verflüssigen das Siliciumdioxid-Wasser-Gemisch (Si02-Wasser-Gemisch). Eine Mischung mit weiteren Stoffen kann, muss jedoch nicht stattfinden.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die Verflüssigungsvorrichtung eine Düse umfasst, durch die ein Si02-Wasser-Gemisch strömen kann. Dies gilt zumindest für verflüssigtes Si02-Wasser-Gemisch.
Dabei kann vorgesehen sein, dass in einer rotationssymmetrischen Aussparung im Inneren der Düse eine rotationssymmetrische Walze drehbar gelagert ist, so dass zwischen der Walze und der inneren Oberfläche der Aussparung ein Ringspalt entsteht, vorzugsweise eine konische Aussparung in der eine konische Walze drehbar gelagert ist, so dass sich ein konisch zusammenlaufender Ringspalt ergibt. Unter einer Walze ist hierbei erfindungsgemäß ein beliebiger rotationsförmiger Körper zu verstehen, der Begriff ist hier also keinesfalls auf zylindrische Walzen beschränkt.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die Walze an einen Antrieb angeschlossen ist, mit dem die Walze in der Düse drehbar ist.
In der Düse werden auf das Siliciumdioxid-Wasser-Gemisch durch den
Anhaftungseffekt an der Oberfläche der Düse und die Beschleunigung des Volumenstroms Scherkräfte ausgeübt, so dass sich das Siliciumdioxid-Wasser- Gemisch wenigstens teilweise verflüssigt. Die Düse ist vorteilhaft mit einem konischen Profil ausgeführt. Durch das Vorsehen einer Düse mit im Vergleich zu einem Mischer kleiner Oberfläche wird der Abrieb minimiert.
Bei erfindungsgemäßen Vorrichtungen mit Walze kann vorgesehen sein, dass auf der Walze und/oder der inneren Oberfläche der Aussparung eine Vielzahl von Noppen angeordnet sind.
Durch die Drehbewegung der Walze wird eine Relativgeschwindigkeit der Oberfläche der Walze zu der inneren Oberfläche der Düse erzeugt. Die Scherkräfte und die Verflüssigungswirkung werden dadurch erhöht. Durch die aufgebrachten Noppen werden die Scherkräfte in der Schicht aus Siliciumdioxid-Wasser-Gemisch abermals erhöht, so dass eine weitere Verbesserung des Verflüssigungseffekts eintritt, ohne dass dafür die Oberfläche der Bauteile wesentlich vergrößert werden muss. Durch die Ausgestaltung der hervorstehenden Elemente als Noppen wird im Vergleich zu den Mischflügeln in einem Ringschichtmischer oder in einem Mischer mit rotierender Mischtrommel durch deren kleineres Oberflächen-Volumen-Verhältnis und auch durch deren geringe Höhe weniger Abrieb erzeugt.
In einer weiteren Ausführungsform besteht wenigstens ein Teil der Oberfläche, mit der die Ausgangsstoffe bei der Aufbereitung in Berührung kommen, überwiegend aus Silicium oder aus einer oder mehreren Siliciumverbindungen.
Da Silicium aus den Ausgangsstoffen hergestellt werden soll, ist siliciumhaltiger Abrieb für den Prozess unschädlich, soweit er sich mit den nachfolgenden
Prozessschritten zu Silicium reduzieren lässt.
In einer weiteren Ausführungsform bestehen Bauteile der Vorrichtung, die mit den Ausgangsstoffen bei der Aufbereitung in Berührung kommen, aus Vollmaterial aus einem oder mehreren der vorgenannten Materialien oder aus einem Grundmaterial mit einer Beschichtung aus einem oder mehreren der vorgenannten Materialien. Es kann auch erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die Oberfläche einer
Vorrichtung zur Aufbereitung von Ausgangsstoffen für die Herstellung von Silicium in ihren Formen und Abmessungen so gestaltet, dass bei der Aufbereitung der
Ausgangsstoffe eine möglichst geringe Menge Abrieb entsteht.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Oberflächen-Volumen-Verhältnis eines Kanals, in dem die Aufbereitung von Ausgangsstoffen für die Herstellung von
Silicium durchgeführt wird, so gewählt, dass sich aus der Größe der Oberfläche, die mit den Ausgangsstoffen in Kontakt steht, und der Fließgeschwindigkeit und dem Druck, die sich für einen vorgegebenen Volumenstrom aus der Größe der Oberfläche in dem Kanal ergeben, ein minimaler Abrieb ergibt.
Eine Geometrie im Bereich des Optimums kann dazu mit Hilfe eines
Strömungssimulationsprogramms und entsprechenden Verschleißparametern, die von den geförderten Ausgangsstoffen und dem Oberflächenmaterial der Vorrichtung abhängen, ermittelt werden.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch ein Verfahren zur Aufbereitung von Ausgangsstoffen für die Herstellung von Silicium, vorzugsweise mit einer solchen Vorrichtung, wobei SiO2-haltige Materialien verarbeitet werden, die bei dem Verfahren gefördert, verflüssigt und/oder komprimiert werden.
Dabei kann vorgesehen sein, dass zum Fördern, Verflüssigen und/oder Verdichten zumindest ein Vorrichtungsteil verwendet wird, dessen Oberfläche, die mit dem Schattigen Material in Berührung kommt, zumindest bereichsweise wenigstens einen Werkstoffen umfasst der im Wesentlichen aus Silicium, Sauerstoff, Wasserstoff und/oder aus den Elementen des PSE besteht, die bei der Aufbereitung des Schattigen Materials dem SC-haltigen Material beigemengt werden.
Auch kann vorgesehen sein, dass ein SC-Wasser-Gemisch verflüssigt wird, vorzugsweise in einer Düse, besonders bevorzugt mit einer rotierenden Walze umfassend eine Vielzahl von Noppen an deren Oberfläche. Ferner kann vorgesehen sein, dass Scherkräfte in das Si02-haltige Material eingebracht werden, wobei sich das Si02-haltige Material dadurch verflüssigt und dazu vorzugsweise ein Teil der Vorrichtung gedreht wird, insbesondere die Walze. Ohne an eine bestimmte Theorie gebunden zu sein, sind die Erfinder der Ansicht, dass dabei die Scherkräfte schwache Verbindungen zwischen Siliciumdioxidpartikeln in dem SiO2-Wasser-Gemisch zerstören, wobei die Partikel mobilisiert werden und in eine gelartige Flüssigkeit übergeht.
Durch eine geringere Schichtdicke des Siliciumdioxid-Wasser-Gemischs werden die Fließgeschwindigkeit und in Folge die Scherkräfte erhöht, und somit auch der Verflüssigungseffekt verbessert.
Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass durch die
Verwendung von Materialien, deren chemische Elemente bei der Verarbeitung des SiO2-haltigen Materials ohnehin in das Material eingebracht werden, wie
beispielsweise Kohlenstoff zur Reduktion des S1O2, zwar eine Verunreinigung eingebracht wird, diese aber entweder schon in dem Material enthalten ist oder zu einem späteren Zeitpunkt sowieso beigemischt wird und in einem späteren
Verfahrensschritt ohnehin aus dem Material entfernt wird oder die sogar der Rohstoff selbst sind. Diese eingebrachten Verunreinigungen führen dann nicht zu einer merklichen Verschlechterung der Reinheit des Endprodukts. Es werden auch keine zusätzlichen Verfahrensschritte notwendig, um die in das Material eingebrachten Fremdstoffe zu entfernen. Solche Verfahrensschritte sind nämlich ohnehin schon bei der Herstellung enthalten, um die ohnehin eingebrachten Verunreinigungen zu entfernen.
Es wird also eine Vorrichtung zur Aufbereitung von Ausgangsstoffen für die
Herstellung von Silicium bereitgestellt, bei deren Verwendung Verunreinigungen der Ausgangsstoffe durch Abrieb von der Vorrichtung beim Aufbereitungsprozess zu einer möglichst geringen Verunreinigung des erzeugten Siliciums, insbesondere des Solarsiliciums führen. Anders als im Stand der Technik steht in dieser Erfindung nicht die Beseitigung von Verunreinigungen in Ausgangsstoffen oder dem Endprodukt Silicium im Vordergrund, sondern die Vermeidung der Erzeugung von Verunreinigungen durch den
Aufbereitungsprozess schon in den Ausgangsstoffen. Gefällte Kieselsäure, insbesondere hochreine Kieselsäure, verursacht bei der industriellen Verarbeitung zu Rohmaterial für den Siliciumherstellungsprozess starke Abrasion an Anlagenteilen, mit denen es in Berührung kommt. Der Abrieb, der durch Abrasion insbesondere bei der Förderung, Verdichtung und der Verflüssigung von Kieselsäure-Wasser-Gemisch entsteht, verunreinigt das Siliciumdioxid, was den Reinheitsgrad des erzeugten Siliciums verschlechtern kann. Gleiches gilt auch für andere Ausgangsstoffe, die in den Herstellungsprozess von Silicium eingebracht werden. Diese Wirkung
verringerter Verunreinigungen im erzeugten Silicium kann durch Verringerung der Menge des Abriebs und die Erzeugung einer Art von Abrieb erzielt werden, die für den weiteren Prozess möglichst unschädlich ist. Dies bezieht sich auf alle
Prozessstufen bei der Herstellung von Ausgangsstoffen.
Polyvenylchlorid (PVC) kann beispielsweise dann eingesetzt werden, wenn in einem späteren Verfahrensschritt das S1O2 mit Kohlenstoff reduziert wird und bei einem zweiten späteren Verfahrensschritt zur Aufreinigung Salzsäure (HCl) verwendet wird. Wasser (H20), beziehungsweise die Elemente Wasserstoff und Sauerstoff sind insbesondere bei der Verwendung eines Kieselsäure-Wasser-Gemischs (S1O2- Wasser-Gemischs) immer unkritisch, da es immer in den Ausgangsprodukten oder den Zwischenprodukten enthalten ist und zudem die Halbleitereigenschaften des Siliciums nicht negativ beeinflusst.
Der Erfindung liegt also auch die besonders überraschende Erkenntnis zugrunde, dass zur Vermeidung von Verunreinigungen nicht, wie es herrschende Lehrmeinung ist, immer härtere Materialien Anwendung finden, um die Menge des Abriebs zu reduzieren, sondern auch Materialien mit starkem Abrieb verwendet werden können, die nur zu einer ohnehin vorhandenen Verunreinigung beitragen. Die nachfolgenden Figuren und Ausführungsbeispiele dienen lediglich der
Veranschaulichung der Erfindung und sind in keiner Weise beschränkend
auszulegen. Es zeigt:
Figur 1 : eine schematische Darstellung eines Teils einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung.
In der Figur 1 ist eine erfindungsgemäße Verflüssigungsvorrichtung oder Verflüssiger in einer schematischen Seitenansicht gezeigt. Der Verflüssiger umfasst einen Einlauf 1 für einströmendes geliertes Si02-Wasser-Gemisch 7, eine rotationssymmetrische, sich verjüngende Düse 2 und einen Auslauf 3 für ausströmendes verflüssigtes S1O2- Wasser-Gemisch 8. In der Düse 2 ist eine Walze 5 vorgesehen, die eine
Außenkontur aufweist, die im Wesentlichen parallel zu der inneren Oberfläche der Düse 2 ausgeführt ist. Wenn die Walze 5 in die Düse 2 eingesetzt ist, ergibt sich zwischen der Außenkontur der Walze 5 und der Innenkontur der Düse 2 ein kegelförmig zulaufender Ringspalt mit gleichmäßiger Spaltdicke. In dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Innenkontur der Düse 2 und die Außenkontur der Walze 5 kegelförmig ausgeführt.
In einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform können die
Oberflächenwinkel von Walze und Düse voneinander so abweichen, dass die
Spaltdicke in Strömungsrichtung des SiO2-Wasser-Gemischs abnimmt. Dadurch wird die Scherwirkung des Spalts auf das durchströmende SiO2-Wasser-Gemisch erhöht.
Der Umfang der Walze 5 ist mit Noppen 6 versehen, die in Figur 1 schematisch dargestellt sind. Die Noppen 6 können auf der Oberfläche der Walze 5 in etwa gleichmäßig verteilt sein. Die Walze 5 wird von einem Schaft 4 getragen. Die inneren Oberflächen an und in dem Verflüssiger 1 , 2 und 3 sowie die äußeren Oberflächen des Schaftes 4 und der Walze 5 können vorteilhaft aus S1O2, Siliciumcarbid,
Siliciumnitrid, Polymeren oder Graphit, vorzugsweise isostatisch verpresstem Graphit bestehen. Die Noppen 6 sind an der Oberfläche mit einem Werkstoff 9 beschichtet, der ausschließlich (bis auf einige Verunreinigungen) chemische Elemente beinhaltet, die bei folgenden Verfahrensschritten dem Silicium-haltigen Material oder der Silicium-Verbindung zugeführt werden und/oder die bereits in dem SiO2-Wasser- Gemisch enthalten sind, aber zu einem späteren Zeitpunkt entfernt werden, zudem kann Silicium oder Siliciumdioxid eine Komponente des Werkstoffs 9 sein. Der Werkstoff 9 kann beispielsweise isostatisch gepresster Kohlenstoff oder
Polyetheretherketon (PEEK) sein.
Im Betrieb wird geliertes Si02-Wasser-Gemisch 7 mit einem Förderer, beispielsweise einer Förderschnecke (nicht dargestellt), in den Verflüssiger gefördert. Die
Förderschnecke besteht vorteilhaft zumindest an der Oberfläche aus einem zweiten Material wie dem Werkstoff 9 der Beschichtung 9 der Noppen 6. Der Schaft 4 kann im Betrieb mit der Walze 5 um eine Achse A-A rotieren, wobei die Rotationsachse A- A der Walze 5 so gewählt ist, dass sie mit der Achse der Rotationssymmetrie der Walze 5 zusammenfällt. In einer alternativen, nicht gezeigten Ausführungsform kann eine Walze auch exzentrisch in einer Düse rotieren. Der dann entstehende Keilspalt bewirkt in Umfangsrichtung erhöhte Scherkräfte auf das SiO2-Wasser-Gemisch, das durch die Rotation in einen sich in Umfangsrichtung verjüngenden Teil des Spalts hineingezogen wird.
Insbesondere wenn die Walze 5 mit Noppen (Erhebungen, Bolzen) 6 besetzt ist, wird der Verflüssigungseffekt des Verflüssigers durch die zusätzlich durch die Noppen 6 eingebrachten Scherkräfte auf das SiO2-Wasser-Gemisch 7 weiter verbessert. Wenn die Noppen 6 schneckenförmig auf der Oberfläche der Walze 5 angeordnet sind, bewirken diese eine zusätzliche Förderwirkung auf das SiO2-Wasser-Gemisch 7, 8. Die Noppen 6 werden unter Berücksichtigung der Drehrichtung der Walze 5 vorteilhaft so angeordnet, dass die Förderwirkung in Richtung des Auslaufs 3 des Verflüssigers wirkt. Durch eine besonders geeignete Kontur der Noppen 6 kann sowohl das Einbringen von Scherkräften, als auch die Förderwirkung unterstützt werden, beispielsweise mit einer elliptischen Kontur der Noppen 6, deren
Längsachse in Schneckenrichtung liegt. Eine vorteilhafte Ausführung der Noppen 6 ist eine runde Form, da diese einfach und kostengünstig herzustellen ist. Das Verhältnis des Durchmessers zur Höhe solcher Noppen 6 liegt bevorzugt im Bereich von 1 :3 bis 3: 1 , besonders bevorzugt beträgt das Verhältnis etwa 1 : 1 . Alternativ zu der Darstellung in der Figur 1 kann das gelierte Si02-Wasser-Gemisch 7 dem Verflüssiger tangential zugeführt werden, beispielsweise durch eine tangentiale Öffnung in der Düse 2 (nicht dargestellt).
Die in der voranstehenden Beschreibung, sowie den Ansprüchen, Figuren und Ausführungsbeispielen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln, als auch in jeder beliebigen Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.
Bezugszeichenliste
1 Einlauf
2 Düse
3 Auslauf
4 Schaft
5 Walze
6 Noppen
7 Einströmendes Si02-Wasser-Gemisch
8 Ausströmendes Si02-Wasser-Gemisch
9 Werkstoff / Beschichtung
A Drehachse

Claims

Patentansprüche
1 . Vorrichtung zum Verarbeiten von Si02-haltigen Materialien (7, 8), dadurch
gekennzeichnet, dass
zumindest ein Vorrichtungsteil, das mit den Si02-haltigen Materialien (7, 8) in Berührung kommt, zumindest bereichsweise mit einem oder mehreren
Werkstoffen (9) beschichtet ist und/oder aus einem oder mehreren Werkstoffen (9) besteht, wobei der Werkstoff (9) oder die Werkstoffe (9) im Wesentlichen aus Silicium und/oder aus Stickstoff, Kohlenstoff, Sauerstoff, Wasserstoff und/oder den Elementen des Periodensystems der Elemente (PSE) aufgebaut ist oder sind, die im Rahmen der Verarbeitung des Si02-haltigen Materials Teil der dem Si02-haltigen Material (7, 8) beizumengenden Stoffe sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
der Werkstoff (9) oder die Werkstoffe (9) zu zumindest 90%, vorzugweise zu zumindest 99%, besonders bevorzugt zu 99,9% aus Silicium, Sauerstoff, Wasserstoff und/oder aus den Elementen des PSE aufgebaut sind, die im Rahmen der Verarbeitung des Si02-haltigen Materials (7, 8) Teil der dem Schattigen Material (7, 8) beizumengenden Stoffe sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
der Werkstoff (9) oder die Werkstoffe (9) aus Silicium, Sauerstoff, Wasserstoff, Kohlenstoff, Stickstoff und/oder Chlor besteht oder bestehen.
4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass
der Werkstoff (9) oder die Werkstoffe (9) ausgewählt sind aus S1O2,
Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Polymeren und/oder Graphit, vorzugsweise isostatisch verpresstem Graphit.
5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der Werkstoff (9) oder die Werkstoffe (9) zumindest überwiegend aus
Kohlenstoff und/oder Kohlenwasserstoff besteht oder bestehen, vorzugsweise aus zumindest einer organischen Verbindung, besonders bevorzugt aus Polyaryletherketon (PAEK), Polyetherketon (PEK), Polyetheretherketon
(PEEK), Polyetherketonketon (PEKK), Polyvinylchlorid (PVC), Polyimid (PI) und/oder Polyoxymethylen (POM).
6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass
der Werkstoff (9) oder die Werkstoffe (9) aus einem Polymer oder aus
Polymeren, vorzugsweise aus PAEK, PEK, PEKK und/oder PEEK aufgebaut ist oder sind.
7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass
alle Vorrichtungsteile, die mit den SiO2-haltigen Materialien (7, 8) in Berührung kommen, mit zumindest einem solchen Werkstoff (9) beschichtet sind und/oder aus zumindest einem solchen Werkstoff (9) bestehen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass
der Werkstoff (9) oder die Werkstoffe (9) eine Shore-Härte im Bereich von 90 bis 100, bevorzugt im Bereich von 95 bis 100, besonders bevorzugt von 99, aufweisen.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass
die Polymere eine Glasübergangstemperatur von mindestens 140 °C
aufweisen.
10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest ein Vorrichtungsteil, das mit den Si02-haltigen Materialien (7, 8) in Berührung kommt, zumindest bereichsweise mit einem oder mehreren
Werkstoffen (9) beschichtet ist, wobei die Beschichtung eine Dicke von mindestens 10 m aufweist, vorzugsweise von mindestens 100 m, besonders bevorzugt von mindestens 1 mm.
1 1 . Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass
das zu verarbeitende Si02-haltige Material (7, 8) eine Reinheit von mindestens 99% aufweist.
12. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass
zumindest ein Werkstoff (9) ein hochreines Material ist.
13. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass
das Si02-haltige Material (7, 8) Si02-Wasser-Gemisch (7, 8) ist, vorzugsweise mit 30 bis 70 Gewichtsprozent H20, besonders bevorzugt mit 40 bis 60
Gewichtsprozent H20, ganz besonders bevorzugt mit 50 Gewichtsprozent H20.
14. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass
die Vorrichtung zumindest einen Extruder umfasst.
15. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass
die Vorrichtung zumindest eine Verflüssigungsvorrichtung zum Verflüssigen von Si02-Wasser-Gemisch (7, 8) umfasst, wobei mit der Verflüssigungsvorrichtung vorzugsweise Scherkräfte in das Si02-Wasser-Gemisch (7, 8) übertragbar sind.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass
die Verflüssigungsvorrichtung einen Mischer umfasst.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass
die Verflüssigungsvorrichtung eine Düse (2) umfasst, durch die ein S1O2- Wasser-Gemisch (7, 8) strömen kann.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass
in einer rotationssymmetrischen Aussparung im Inneren der Düse (2) eine rotationssymmetrische Walze (5) drehbar gelagert ist, so dass zwischen der Walze (5) und der inneren Oberfläche der Aussparung ein Ringspalt entsteht, vorzugsweise eine konische Aussparung in der eine konische Walze (5) drehbar gelagert ist, so dass sich ein konisch zusammenlaufender Ringspalt ergibt.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass
die Walze (5) an einen Antrieb angeschlossen ist, mit dem die Walze (5) in der Düse (2) drehbar ist.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17, 18 oder 19, dadurch
gekennzeichnet, dass
auf der Walze (5) und/oder der inneren Oberfläche der Aussparung eine Vielzahl von Noppen (6) angeordnet sind.
21 . Verfahren zur Aufbereitung von Ausgangsstoffen für die Herstellung von
Silicium, vorzugsweise mit einer Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
SiO2-haltige Materialien verarbeitet werden, die bei dem Verfahren gefördert, verflüssigt und/oder komprimiert werden.
22. Verfahren nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass
zum Fördern, Verflüssigen und/oder Verdichten zumindest ein Vorrichtungsteil verwendet wird, dessen Oberfläche, die mit dem SiO2-haltigen Material in Berührung kommt, zumindest bereichsweise wenigstens einen Werkstoffen umfasst der im Wesentlichen aus Silicium, Sauerstoff, Wasserstoff und/oder aus den Elementen des PSE besteht, die bei der Aufbereitung des Schattigen Materials dem SiO2-haltigen Material beigemengt werden.
23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass
ein SiO2-Wasser-Gemisch verflüssigt wird, vorzugsweise in einer Düse, besonders bevorzugt mit einer rotierenden Walze umfassend eine Vielzahl von Noppen an deren Oberfläche.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass Scherkräfte in das SiO2-haltige Material eingebracht werden, wobei sich das SiO2-haltige Material dadurch verflüssigt und dazu vorzugsweise ein Teil der Vorrichtung gedreht wird, insbesondere die Walze.
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TW (1) TW201247538A (de)
WO (1) WO2012113672A2 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107583594A (zh) * 2017-09-29 2018-01-16 宜昌南玻硅材料有限公司 一种带环隙空气强制冷却嘴套的精密反应器及纳米级气相法白炭黑的制备方法

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105195036A (zh) * 2015-09-18 2015-12-30 宁波天工机械密封有限公司 混合搅拌机

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007106860A2 (en) 2006-03-15 2007-09-20 Reaction Sciences, Inc. Method for making silicon for solar cells and other applications
DE102008004396A1 (de) 2008-01-14 2009-07-16 Evonik Degussa Gmbh Anlage und Verfahren zur Verminderung des Gehaltes von Elementen, wie Bor, in Halogensilanen
DE102008004397A1 (de) 2008-01-14 2009-07-16 Evonik Degussa Gmbh Verfahren zur Verminderung des Gehaltes von Elementen, wie Bor, in Halogensilanen sowie Anlage zur Durchführung des Verfahrens
WO2010037705A1 (de) 2008-09-30 2010-04-08 Evonik Degussa Gmbh Verfahren zur herstellung von hochreinem sio2 aus silikatlösungen

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4655701A (en) * 1986-02-19 1987-04-07 Fuji Paudal Kabushiki Kaisha Granulating apparatus
JP3154313B2 (ja) * 1993-07-23 2001-04-09 住友電気工業株式会社 セラミックス焼結体の製造方法及び製造装置
ES2128946B1 (es) * 1996-08-01 2000-01-16 Pellicer Carlos F Procedimiento e instalacion para la obtencion de una pasta fina fluida destinada a ser endurecida tras su moldeo.
DE19720959B4 (de) * 1997-05-17 2004-08-26 Dorr-Oliver Deutschland Gmbh Rotor-Stator-Maschine
JP4243928B2 (ja) * 2002-02-06 2009-03-25 Ｔｈｋ株式会社 ロータ・ステータ型ホモジナイザー
DE10360766A1 (de) * 2003-12-23 2005-07-28 Degussa Ag Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Dispersionen
WO2007122680A1 (ja) * 2006-04-13 2007-11-01 Ibiden Co., Ltd. 押出成形機、押出成形方法及びハニカム構造体の製造方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007106860A2 (en) 2006-03-15 2007-09-20 Reaction Sciences, Inc. Method for making silicon for solar cells and other applications
DE102008004396A1 (de) 2008-01-14 2009-07-16 Evonik Degussa Gmbh Anlage und Verfahren zur Verminderung des Gehaltes von Elementen, wie Bor, in Halogensilanen
DE102008004397A1 (de) 2008-01-14 2009-07-16 Evonik Degussa Gmbh Verfahren zur Verminderung des Gehaltes von Elementen, wie Bor, in Halogensilanen sowie Anlage zur Durchführung des Verfahrens
WO2010037705A1 (de) 2008-09-30 2010-04-08 Evonik Degussa Gmbh Verfahren zur herstellung von hochreinem sio2 aus silikatlösungen

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107583594A (zh) * 2017-09-29 2018-01-16 宜昌南玻硅材料有限公司 一种带环隙空气强制冷却嘴套的精密反应器及纳米级气相法白炭黑的制备方法

Also Published As

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