[发明专利]喷雾蒸发液态原料以制备二氧化硅和金属氧化物

说明书

本发明涉及一种用于制备金属氧化物的方法，该方法包括：a)通过将包括至少一种金属化合物的液态原料与气体混合来喷雾该液态原料以形成气溶胶；b)通过将步骤a)中获得的气溶胶完全蒸发而由其形成气态反应混合物；c)在氧气的存在下将步骤b)中获得的气态反应混合物转化为金属氧化物。

本发明涉及一种用于由包括金属化合物的液态原料来制备二氧化硅和金属氧化物——尤其是热解二氧化硅——的方法。

热解二氧化硅(也称为气相二氧化硅)通常是借助火焰水解或火焰热解法来制备。用于制备二氧化硅的火焰水解是很早就已知的且在工业规模上执行的方法。在该方法中，将气态的可水解卤化硅精细地分布在已通过形成水的含氢燃料和含氧气体的燃烧所形成的火焰中。在此，燃烧火焰为卤化硅的水解提供水，并为水解反应提供足够的热量。使反应尾气中夹带的二氧化硅粉末经过常规冷却和固体分离方法。通常，使用四氯化硅。当使用含碳原料(例如，甲基三氯硅烷或二甲基二氯硅烷)时，此外发生氧化方法以将碳转化为二氧化碳。如果将非卤化的硅化合物(例如，硅氧烷)用作原料，则其转化为二氧化硅的对应热氧化转化被称为火焰热解。

由于这两种方法类型而形成的二氧化硅粉末被称为热解二氧化硅或气相二氧化硅。

类似地，能够由合适的可蒸发金属化合物来制备各种金属氧化物粉末。例如，EP1142830 A公开了通过燃烧由溶解在有机溶剂中的有机前体组成的气溶胶来获得金属氧化物粉末。

已经描述了将硅或金属化合物引入反应火焰的不同类型。

WO 2015003873 A1公开了一种用于制备气相二氧化硅的方法，其中可水解和/或可氧化硅化合物的蒸汽流在火焰水解反应中与至少一种燃料和氧气一起反应。为了使各气态组分彼此更好地混合，使用静态混合元件。

EP 0471139 A2公开了通过火焰热解将气态无卤素硅化合物转化为二氧化硅。例如，这涉及将液态可蒸发环硅氧烷与来自外部储罐容器的气流一起输送到燃烧器中，并且将其转化为二氧化硅。

在借助火焰热解来制备二氧化硅时使用气态聚烷基硅氧烷具有以下缺点，即，由于形成凝胶，所以具有较高分子量的物质会阻塞供应线，这可能恶化所得产物的质量。该问题在WO 99/06331 A1中通过以下方式来解决：在制备气相二氧化硅的方法中，精细地分布液态硅氧烷并将其直接进料到火焰中，在该火焰中发生将其转化为二氧化硅的转化。

WO 2017/001366 A1公开了一种原理上相似的方法，该方法借助火焰喷雾热解来制备金属氧化物粉末，其中将含硅氧烷的气溶胶在反应器中直接引入火焰中，在此将其转化为二氧化硅。在这种情况下，通过借助一个或多个喷嘴使含有金属化合物和雾化气体的溶液联合雾化来获得气溶胶，并且喷雾面积与反应器横截面面积的比率为至少0.2。

US 2002041963 A1公开了一种通过在燃烧器中在1600至5600℃的绝热火焰温度下氧化燃烧硅氧烷来制备球形非结晶二氧化硅的方法。在这种情况下，硅氧烷可以以液态或气态形式引入火焰。

WO 2004048261 A2公开了一种通过在火焰之后将液态可蒸发非卤化的二氧化硅前体(例如，八甲基环四硅氧烷)引入气态燃料气流中来制备热解金属氧化物颗粒的方法。后者是通过在氧化剂的存在下燃烧燃料而获得的。

现有技术中已知的方法(其中气态金属化合物是在单独的蒸发器中产生并引入火焰中)具有以下缺点，即，随着时间的推移，蒸发器本身或对应的供应线可能容易被较高沸点产物或分解产物堵塞或阻塞。在这种情况下，常常必须中断制备二氧化硅或金属氧化物的连续方法，并且必须在蒸发器上进行费时的清洁操作。这降低了整个生产方法的稳定性和可计划性，并且增加了生产成本。除此之外，在新的生产工厂中安装单独的蒸发器意味着大量的资金成本。

同样已知的将液态金属化合物直接引入火焰中的方法通常会使反应物在反应区中的分布较差，并且因此由于其不均匀性而导致产品质量较差。