[发明专利]金属/半金属氧化物的还原

说明书

本发明涉及金属和/或半金属氧化物的还原。更具体地，本发明涉及一种适合于通过还原二氧化硅生产硅的方法和装置。本发明者已经确定，强氧化剂与还原剂之间的反应可以提供足够的能量来在相对低温(如低于580℃)下完成将二氧化硅金属热还原为硅，并且还原可以甚至在不在这样的最高温度下停留或停留最少时间的情况下进行。该方法可以是简单、快速并且有效的，而不产生温室气体。该方法还可以用于还原其它金属或半金属氧化物(如仅仅Ta₂O₅、Nb₂O₅WO₃和MoO₂)；并且还用于两种或多种金属或半金属氧化物的共还原以生产其合金和复合物。

本发明涉及金属和/或半金属氧化物的还原。更具体地，本发明涉及一种适合于通过还原二氧化硅制备硅的方法和装置。

本发明者已经确定，强氧化剂与还原剂之间的反应可以提供足够的能量来在相对低温(如低于580℃)下完成将二氧化硅金属热还原为硅，并且还原可以甚至在不在这样的最高温度下停留或停留最少时间的情况下进行。所述方法可以是简单、快速并且有效的，而不产生温室气体。这种方法还可以用于还原其它金属或半金属氧化物(如仅仅Ta₂O₅，Nb₂O₅WO₃和MoO₂)；并且还用于两种或多种金属或半金属氧化物的共还原以生产其合金和复合物。

硅是宇宙中第八丰富的元素，并且是地壳中继氧之后的第二丰富元素。商业上用作硅资源的二氧化硅(Silicon dioxide；silica)可非常广泛地使用。元素硅具有广泛的应用，包括铸铁和铝合金中钢的脱氧或合金元素、半导体工业中(如电子器件、光伏电池和生物传感器中)的原材料、光子学和作为可再充电锂离子电池内有前景的阳极候选者。

2014年世界硅产量约为770万吨，其中约80％为硅铁形式，硅含量平均为77％。中国是最大的硅铁合金(约600万吨)和元素硅(约130万吨)生产国[1]。

硅在工业上以硅铁合金或冶金级硅的形式生产。后者是用于制备用在半导体和电池工业中的多晶或太阳能级硅的前体，以及用于制备可用于生产硅酮的卤化硅的前体。

传统上，元素硅在工业规模上通过在约2000℃的温度下在埋弧电炉中碳热还原二氧化硅来生产[2]。在这个温度下，熔融的二氧化硅被还原成熔融的硅，但是这个工艺还产生CO₂排放(反应1)。

SiO₂+C＝Si(1)+CO₂(g)ΔG°＝+103kJ(在约2000℃下) (反应1)

此外，二氧化硅的碳热脱氧需要相当多的能量(11kWh/kg Si)，并且因排放二氧化碳而对环境产生不利影响。反应1的产物是块状硅，纯度为约95-98％，被称为冶金级硅；并且主要产于中国、俄罗斯、巴西、挪威、南非和美国。通常将冶金级硅研磨成粉末形式用于进一步加工。

考虑到世界对硅的需求日益增长并且需要遵守国际协议来减少碳排放，非常需要开发获得这种元素的可持续、绿色和简单的工艺。

硅粉的主要应用如下：

硅酮

聚硅氧烷(或硅酮)是硅和氧与碳和氢的多样聚合物，并且可以被合成来展现用作多种硅酮组合物中所用的流体、弹性体或树脂的多种特性。硅酮可以用于多种应用中，如植入物、皮肤护理产品、人工泪液、烧伤治疗和其他伤口护理、皮革涂饰、润滑油、粘着剂、密封剂、建筑用防护涂料中以及电气和电子产品中。

在工业中，通过如下步骤来生产硅酮：在250至350℃和1至5巴的压力下使粉末状冶金级硅与甲基氯在流化床中反应，形成氯硅烷；接着进行聚合和缩聚。