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Dokumentenidentifikation DE102006029282A1 13.12.2007
Titel Zyklische großtechnische Darstellung von kristallinem Silizium/Fotosilizium oder dem Treibstoff Silane.., einem Kreislauf immer erneut zum Einsatz kommen, so dass nur eine Teilmenge von elektrischem Strom eingespeist werden muss
Anmelder Plichta, Peter, Dr. rer. nat., 40225 Düsseldorf, DE
Erfinder Plichta, Peter, Dr. rer. nat., 40225 Düsseldorf, DE
DE-Anmeldedatum 10.06.2006
DE-Aktenzeichen 102006029282
Offenlegungstag 13.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.12.2007
IPC-Hauptklasse C01B 33/00(2006.01)A, F, I, 20060610, B, H, DE
IPC-Nebenklasse C01B 21/068(2006.01)A, L, I, 20060610, B, H, DE   C01B 31/36(2006.01)A, L, I, 20060610, B, H, DE   C01B 33/04(2006.01)A, L, I, 20060610, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Rohölvorräte sind berechenbar zeitlich begrenzt. Bevor etwa die Autoindustrie, die Luftfahrt, die Waffenindustrie und die Raumfahrt ihre Verbrennungsmaschinen auf Silane umstellen, die bekanntlich den Luftstickstoff in einer heißen Kammer mit verbrennen und dabei atomaren Wasserstoff liefern, muss eine Möglichkeit gefunden werden, von den hohen Erdölpreisen herunterzukommen. Die sehr großen Vorräte an ölhaltigen Sanden und Schiefern liefern die Voraussetzung dafür. Indem der Kohlenwasserstoff der Mineralien, Primärenergie liefernd, dahingehend in Wasserstoff und reinen Kohlenstoff/Grafit zerlegt wird, weil mit den Gasen Fluor und Wasserstoff unter stärkster exothermischer Reaktion Fluorwasserstoff zum Einsatz kommt, können die Sande und siliziumhaltigen Schiefer in Siliziumfluorid und/oder Kalziumfluorid umgewandelt werden. In einem neuen völlig zyklischen Verfahren kann das SiF4 mit Aluminiumgries in kristallines Silizium veredelt werden, wobei wiederum unter höchster exothermischer Reaktion Aluminiumfluorid entsteht. AlF3 wird nun durch Elektrolyse wieder in Aluminium und Fluor zerlegt. Da sowohl bei der Aluminiumfluoriddarstellung sowie bei der Fluorierung durch HF und bei der Pyrolyse gekühlt werden muss, kann hierbei mit heißem gespannten Wasserdampf Elektrizität gewonnen werden, was den Aluminiumgewinnungsprozess preiswerter macht. Insgesamt entsteht also Silizium in Kristallblättchen, die entweder in Fotosilizium umgewandelt werden oder in Monosilan. Der ...

Beschreibung[de]

Zyklische großtechnische Darstellung von kristallinem Silizium/Fotosilizium oder dem Treibstoff Silane oder den Keramiken Siliziumnitrid oder Siliziumcarbid und sehr großen Mengen gasförmigen Wasserstoffs aus ölhaltigen Sanden/Schiefern unter Einsatz von Aluminium und der Mischung von Fluor und Wasserstoff, die beim Verbrennen 4.000° C heißen Fluorwasserstoff liefert und so in einem Kreislauf immer erneut zum Einsatz kommen, so dass nur eine Teilmenge von elektrischem Strom eingespeist werden muss.

Aufgabenstellung

Die Vorräte an ölhaltigen Sanden (SiO2) und Schiefern (SiO2 + [CO3]2–) übersteigen bekanntlich die Weltölvorräte um ein Mehrfaches. Die zur Anwendung kommenden technischen Verfahren, Öl und Minerale zu trennen, sind uneffektiv und zu teuer.

Die zur Erzeugung von Wärme benötigten Verbrennungsstoffe erzeugen CO2. Bisher ist erst in Patentanmeldung 10 2006 023 515.0 davon die Rede, den in den Gemischen vorhandenen Sand selbst als Energieträger zu nutzen und aus den Produkten neue Rohstoffe zu gewinnen, wobei das in den Sanden und Schiefern vorhandene Ölpech selbst zum Lieferanten von gasförmigen Wasserstoff wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen zyklischen Prozess vorzulegen, bei dem neben dem Ölsand nur noch eine bestimmte Menge an Fluor und Aluminium zum Einsatz kommt. Diese Menge wird ständig recycelt, so dass nur noch ein Teil des Gleichstroms zur Verfügung gestellt werden muss, um eine permanente Elektrolyse zur Gewinnung von Aluminium und Fluor zu gewährleisten. Die Lösung der Aufgabe wird zeigen, dass es möglich ist, bei dem zur Anwendung kommenden Verfahren SiF4 aus Silikaten zu gewinnen, um damit kristallines Silizium darzustellen und abzutrennen. Gleichzeitig entsteht bei der ungeheuren Hitze des verbrannten Wasserstoff/Fluorgemisches zu SiF4 durch Pyrolyse der Kohlenwasserstoffkette des Ölpechgemisches unter Luftabschluss große Mengen heißen Wasserstoffgases, das dem zyklischen Verfahren teilweise entnommen wird, und/oder in den Kreislauf des zur Anwendung kommenden Wasserstoffs wieder eingespeist wird.

Das zyklische Verfahren soll nunmehr in einzelnen Ziffern nacheinander chemisch technisch näher erläutert werden. Anlage 1 zeigt eine Reihe von produktionstechnischen Großanlagen, die damit beginnt, dass ölhaltige Sande/Schiefer auf mechanischen Transportwegen zur Zersetzungsanlage I gelangen.

  • 1) Mit Patent a) DE 21 53 954 und b) DE 195 33 765 ist bekannt, dass bei der Verbrennung von Fluor mit Wasserstoff der entstandene Fluorwasserstoff silikathaltiges Gestein komplett in gasförmige Bestandteile SIF4, AlF3 (siehe a) usw. verwandelt. Das entstandene Siliziumfluorid wird bei diesem Verfahren (siehe b) mit Natronlauge unschädlich gemacht.
  • 2) Ölhaltige Sande lassen sich mit dem beim Verbrennen gebildeten sehr heißen Fluorwasserstoff (über 3.000°C) behandeln, so dass in der Hauptsache Siliziumfluorid entsteht (eins, 1). Hierbei wird sehr viel Wärme frei.
  • 3) Die Hitze pyrolisiert das beteiligte Ölpech zu Kohlenstoff/Graphit, das dem Verfahren entnommen werden kann (zwei, 2). Falls Schiefer mit vorhanden ist, entsteht auch Kalziumoxid CaO, um an anderer Stelle wieder eingesetzt zu werden.
  • 4) Das gasförmige SiF4, eventuell verunreinigt von AlF3 und Spuren von Kaliumfluorid und weiteren Metallfluoriden, wird nunmehr zusammen mit den großen Mengen heißen Wasserstoffgases nach (drei, 3) überführt. Dort wird es mit Aluminiumgranulat (zehn, 10) nach dem Thermitverfahren in Form des Salzes SiF4·2KF = K2 [SiF6] nach der Gleichung 3SiF4 + 4Al → 3Si + 4Al3 + 1172.7 kj unter Luftabschluss in kristallines Silizium überführt. Die in (eins, 1) und (drei, 3) überschüssig frei gewordene Wärme kann dem System durch Produktion von heißem Wasserdampf durch eingebaute Kühlschlangen entzogen und in Drehstrom (vierzehn, 14) verwandelt werden, wobei dieser später bei der Elektrolyse mit eingespeist wird.
  • 5) Das in (vier, 4) ankommende Gemisch aus kristallinem Silizium, AlF3 und H2 ist frei von CO und CO2, weil unter Luftabschluss gearbeitet wird. Enthält das Pechölgemisch Schiefer, entsteht neben Kalziumoxid auch CO2, das in (vier, 4) in wässriger Lösung mit Kalziumhydroxid abgetrennt wird. Das CO2 kann somit mit dem in (zwei, 2) anfallenden CaO als Kalziumkarbonat gebunden und dem System entnommen werden.
  • 6) Die Hauptmenge des Wasserstoffs wird in vorhandene Heizgasrohrleitungssysteme eingespeist (sieben, 7), während die für den Kreislauf benötigte stöchiometrische Menge an H2 über eine Leitung (acht, 8) wieder (eins, 1) zugeführt wird.
  • 7) Das durch Filterpressen vom Wasser befreite, getrocknete, pulverförmige AlF3 (unlöslich Wasser und Lauge) wird der Schmelzflusselektrolyse unterzogen (neun, 9). Hierzu wird mit dem selbst erzeugten Wasserstoff hergestellter Strom zum Einsatz kommen (dreizehn, 13). Hinzu kommen die gebündelten Ströme (vierzehn, 14) aus (eins, 1) und (drei, 3).
  • 8) Das bei der Elektrolyse entstehende Aluminium (zehn, 10) wird zum großen Teil in (drei, 3) zyklisch erneut zum Einsatz kommen. Der nicht benötigte Teil des Aluminiums kann entnommen werden. Das entstandene F2 (elf, 11) wird verlustfrei in (eins, 1) erneut zum Einsatz gebracht.
  • 9) In der Gleichung unter Ziffer 4.) stehen auf der rechten Seite 3 Mole Silizium sowie 1172 kj. Zur Zeit wird kristallines Silizium über einen aufwändigen Prozess unter Einsatz von Kohle, hohen elektrischen Kosten und fraktionieren von Chlorsilanen mit anschließender Pyrolyse dargestellt. Der Preis ist sehr hoch da er Weltweit abgesprochen ist. Das neue zyklische Verfahren würde den Kilopreis für Photosilizium auf ein hundertstel reduzieren.
  • 10) Bei Bedarf lässt sich nun dieses kristalline Silizium nach Zündung direkt mit reinem kaltem Stickstoff zu Siliziumnitrid umsetzen, weil die Reaktion stark exotherm ist. (Si3N4 ist ein festes Edelgas [Plichta].) Die wichtigsten in der Technik zum Einsatz kommenden Keramiken – Siliziumnitrid (mit seiner bemerkenswerten Wärmeleitfähigkeit) und Siliziumcarbid (mit seiner diamantähnlichen Härte) – lassen sich so gewinnen, denn auch der sehr reine Kohlenstoff aus (zwei, 2) kann hier zum Einsatz gebracht werden.
  • 11) Das zur Verfügung stehende kristalline Silizium ist oberflächenaktiv und könnte katalytisch mit Wasserstoff behandelt werden, wobei Monosilan entsteht. Dieses Monosilan kann dem Reaktionsraum entnommen und in einer weiteren Patentanmeldung in langkettige Silane umgewandelt werden. Diese sollen nämlich nicht nur in der Raumfahrt zur Anwendung kommen, da sie in der Hitze atomaren Wasserstoff liefern (Plichta). Der atomare Wasserstoff kann auch in einer Brennstoffzelle zum Einsatz kommen, was einer zusätzlichen Patentanmeldung zu entnehmen ist.


Anspruch[de]
Zyklische großtechnische Darstellung von kristallinem Silizium/Fotosilizium oder dem Treibstoff Silane oder den Keramiken Siliziumnitrid oder Siliziumcarbid und sehr großen Mengen gasförmigen Wasserstoffs, dadurch gekennzeichnet, dass ölhaltige Sande/Schiefer als Mischung von energiehaltigen Kohlenwasserstoffen und Silikaten (SiO2), verunreinigt durch Kalium-Aluminiumsilikate und Carbonate so zum Einsatz kommen, dass die Kohlenwasserstoffe, wozu auch Teer gehört, einer Pyrolyse über 1.000° C unterzogen werden. Der durch die Hitze frei werdende gasförmige Wasserstoff (H2) kann zum größten Teil durch Kühlung mit kaltem Wasser über Wasserdampfturbinen in Strom verwandelt und sodann in ein Gasnetz eingespeist werden, während der übrige Teil des heißen Wasserstoffes mit einer bestimmten Menge gasförmigen Fluors bei einer Hitze von etwa 4.000° C dort verbrannt wird, wo die Öl-/Pechsande pyrolysiert werden, so dass der sehr heiße Fluorwasserstoff sofort mit dem Silizium der ölhaltigen Sande (s. o.) zu gasförmigen Siliziumtetrafluorid und Wasserdampf umgesetzt wird, wobei das heiße SiF4, verunreinigt mit HF, direkt in einen Verbrennungsraum geleitet wird, dem kontinuierlich Aluminiumgries zugeführt wird. Wie beim Thermitverfahren verwandelt sich das Aluminium in pulverförmiges Aluminiumfluorid, das gegenüber wässrigen Basen stabil ist und so abgefiltert werden kann, um anschließend in Form des Anions [SiF6]2– dahingehend elektrolytisch umgesetzt zu werden, damit wieder Aluminium und Fluor entstehen. Das Verfahren ist also dahingehend zyklisch gekennzeichnet, da bei optimalen Bedingungen immer wieder das gleiche Aluminium und Fluor zum Einsatz kommen, wobei die Menge des elektrischen Gleichstroms durch das Verfahren gewährleistet ist, da bei dem oben angeführten Thermitverfahren stöchiometrisch pro Zeiteinheit 1172 kj frei werden, so dass hier ein zweites Mal durch Kühlen mit vorgeheiztem Wasser, 300° C heißer Wasserdampf Drehstrom erzeugen kann, wobei das heiße Wasser an Ort und Stelle der Pyrolyse entnommen wird, weil bei der Entstehung des Siliziumtetrafluorides durch die Verbrennung von Wasserstoff und Fluor an dritter Stelle sehr viel Hitze erzeugt wird, die ebenfalls als Elektrizitätsmenge in das Pyrolyseverfahren einfließen kann. Da bei diesem zyklischen Verfahren das SiF4 in kristallines sehr reines Silizium verwandelt wird, ist ein Vergleich mit der heute zum Einsatz kommenden Herstellungsmethode über drei Stufen mit Koks, elektrischem Strom (über 2.000° C) und Pyrolyse von Chlorsilanen lohnend, denn die im zyklischen Verfahren zum Einsatz kommende Primärenergie stammt aus einem Pechöl, das normalerweise gar nicht zu verwenden ist, weil der Sand (und Feldspat bez. Schiefer) stören, während bei der hier zur Anwendung kommenden zyklischen Methode neben Silizium große Mengen Wasserstoff erzeugt werden und reiner Kohlenstoff bzw. Grafit, da heißer Fluorwasserstoff alle Verunreinigungen in den Sanden in gasförmige Bestandteile verwandelt, die später mit Kalklauge abgetrennt und verworfen werden können. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass bei Schiefern ein hoher Kalziumkarbonatgehalt Kalziumfluorid liefert, was bei der Fluorherstellung einsetzbar ist. Das anfallende CO2 lässt sich mit dem vorher gewonnnen Kalziumoxid ausfällen. Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Erzeugten kristallinen Silizium nach dem Stand der Technik Photosilizium gewonnen werden kann. Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren so chemisch verändert werden kann, dass durch Einsatz von Stickstoff unter Energiegewinnung Siliziumnitrid dargestellt werden kann. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 und 4 dadurch gekennzeichnet, dass der bei (eins, 1) anfallende reine Kohlenstoff zur Herstellung von Siliziumkarbid verwendet werden kann. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das nach (vier, 4) durch Schüttelsiebe abgetrennte kristalline Silizium durch Anätzen hochreaktiv gemacht und so katalytisch mit Hilfe von Drucksynthese zu Monosilan (SiH4) hydriert werden kann. Das Monosilan wird dem Reaktionsraum entnommen und lässt sich nach einem patenwürdigen Verfahren in längerkettige Silane umwandeln, die sowohl in der Technik der Brennstoffzelle, bei Motoren auf Keramikbasis ohne mechanische Elemente als auch zur Scramjetantrieben zur Anwendung kommen können. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der bei (sieben, 7) anfallende Wasserstoff zur Stromerzeugung bei der Elektrolyse (neun, 9) angewendet werden kann.






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