Способ получения тетрафторида кремния

 

Использование: в технологии получения высокочистых соединений кремния из отходов производства. Сущность изобретения: кремний-и фторосодержащее сырье реагируют при 650 - 750°С. В качестве кремнийсодержащего сырья используют рисовую или овсяную шелуху. Шелуху предварительно подвергают окислительному обжигу. В качестве фторсодержащего сырья используют отход производства изотопа урана 235, содержащий гексафторид урана. 2 табл.

Изобретение относится к пирохимическим методам переработки отходов производства и может быть использовано в технологии получения высокочистых соединений кремния для электронных устройств, оптических волокон, солнечных батарей, полупроводниковых материалов.

Наиболее близким способом к предлагаемому является способ получения тетрафторида кремния путем синтеза его из диоксида кремния и фторсодержащих реагентов, например фторида натрия, фтористого водорода, фтористого свинца и др. Однако данный способ , как и ранее приведенные аналоги, требуют применения химически полученных исходных реагентов, что приводит к дополнительным затратам материальных и энергетических средств, кроме того, многие из них экологически опасны, например фторид свинца, серная, азотная и фторсульфоновая кислоты.

Предлагаемый спрособ заключается в повышении экологической безопасности и удешевлении процесса. Поставленная задача решается тем, что в качестве кремнийсодержащего сырья используют отходы сельскохозяйственного производства: рисовую (или овсяную) шелуху, подвергнутую окислительному обжигу, а в качестве фторирующего агента применяют отходы и отвалы, содержащие гексафторид урана.

После окислительного обжига рисовая шелуха состоит практически только из оксида кремния, а обедненный по изотопу 235 гексафторид урана также является практически высокочистым веществом.

Как известно, гексафторид урана относится к химически активным веществам и является не только легколетучим соединением, но и носителем радиоактивности. В случае разгерметизации емкостей, в которых он хранится и которые подвергаются интенсивной коррозии, особенно, со стороны гексафторида урана, произойдет загрязнение окружающей среды сильно ядовитыми фторидами и радиоактивными соединениями. Поэтому перевод гексафторида урана в нелетучее соединение с одновременным использованием фтора в народном хозяйстве является весьма актуальной задачей. Такая задача и решается данным изобретением.

Между рассматриваемыми веществами протекает реакция SiO₂+ UF SiF₄+ U₃O₈+ O₂ . (1) В сответствии с данной реакцией и заявляемым способом осуществляют следующие операции: 1) проводят окислительный обжиг шелухи в две стадии: при 400-450 и 700-750^оС по 2 ч; 2) шихтуют исходные материалы или дозируют в заданном соотношении; 3) проводят реакцию (I) при 650-750^оС; 4) улавливают тетрафторид кремния известными способами, а оксид урана складируют.

Достоинствами предлагаемого способа являются: 1) получение ценного для народного хозяйства тетрафторида кремния; 2) использование отходов сельского хозяйства и промышленного производства; более того, отходы являются не только дешевым сырьем, а требуют соответствующих материальных и трудовых затрат при их хранении, занимая производственные и сельскохозяйственные площади; 3) обеспечение экологически безопасных условий использования кремнийсодержащих сельскохозяйственных отходов (засорение плодородных земельных участков) и перевод легколетучего, ядовитого, радиоактивного гексафторида урана в безопасную для хранения закись-окись;
4) освобождение площадей, занятых под хранение отходов, для полезного их использования в сельском хозяйстве и на промышленных площадках.

П р и м е р. Процесс получения тетрафторида кремния из рисовой шелухи и гексафторида урана проводили на установке, состоящей из следующих основных элементов: нагреваемая герметичная емкость с гексафторидом урана, расход которого регоулировали сильфонным вентилем и определляли ротаметром из лейкосапфира; трубчатая электрическая печь, в которую загружали никелевую лодочку с рисовой шелухой и в которой поддерживали температуру 650^оС; емкость для улавливания тетрафторида кремния; колонка с химпоглотителем для улавливания остатков летучих фторидов; вакуумный насос для создания разрежения в рабочем пространстве всех узлов установки.

Исходными веществами служили рисовая шелуха и гексафторид урана. Состав обожженной рисовой и овсяной шелухи, прокаленных на воздухе, приведен в табл.1. Содержание оксида кремния было около 98%.

Гексафторид урана использовали "отвальный", т.е. после извлечения изотопа 235 основного вещества было не менее 99,9%.

В охлажденную емкость загружали 176 г гексафторида урана, а в трубчатую печь усанавливали лодочку с обожженной рисовой шелухой в количестве 100 г. В емкость для улавливания тетрафторида кремния засыпали 100 г пористых гранул фторида натрия, через которые проходил газ, образуя кремнефторид натрия, удобный для "хранения" и транспортировки тетрафторида кремния. В контрольную колонку улавливания фторсодержащих газов засыпали известковый химический поглотитель.

После достижения в печи температуры 650^оС открывали вентиль на емкости с гексафторидом урана и нагревали его до температуры 60-80^оС. Газообразный гексафторид урана, проходя через печь над лодочкой с рисовой шелухой при температуре 650^оС, реагировал с ней и превращался в оксид, а образовавшийся тетрафторид кремния улавливался при температуре 300^оС на гранулах фтористого натрия. По окончании процесса взвешивали продукты и определяли степень прохождения реакции (I). Результаты приведены в табл.2.

Согласно расчетам, реакция (I) прошла слева направо в данных опытах на 95%, а уловлено тетрафторида 91,8% от образовавшегося в процессе.

Замечено, что процесс, описанный реакцией (I), протекает ступенчато. На первой стадии образуются нелетучие оксифториды UOF₄ и UO₂F₂, которые в дальнейшем при контакте с кислородным донором превращаются в триоксид, а он в свою очередь при температуре 550-650^оС разлагается до закиси-окиси урана и кислорода.

Полученный тетрафторид кремния может быть товарным продуктом и может быть подвергнут очистке известными способами.

Таким образом, использование предлагаемого способа позволяет получать тетрафторид кремния из отходов сельскохозяйственного и промышленного производства, тем самым использовать дешевое исходное сырье и оздоровить окружающую среду, высвобождая полезные сельскохозяйственные и промышленные площади и давая народному хозяйству ценную продукцию.

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕТРАФТОРИДА КРЕМНИЯ, включающий взаимодействие кремнезем- и фторсодержащего сырья при 650 - 750^oС с последующей очисткой продукта, отличающийся тем, что в качестве кремнеземсодержащего сырья используют предварительно подвергнутую окислительному обжигу рисовую или овсяную шелуху и в качестве фторсодержащего сырья используют отход производства изотопа урана 235, содержащий гексафторид урана.

РИСУНКИ

Рисунок 1