Способ прямого восстановления галогенидов

 

Изобретение относится к химической и технической физике, металлургии и предназначено для получения нанодисперсных порошков или нанокристаллических пленок из восстанавливаемого вещества. В предложенном способе прямого восстановления галогенидов, включающем подачу галогенидов в газообразном состоянии и восстановителя в газообразном состоянии в реактор, обработку смеси газов в объеме реактора энергетическим воздействием, согласно изобретению для инициирования цепного химического процесса обработку осуществляют без дополнительного нагрева внешним импульсным энергетическим воздействием с длительностью не более 10^-5 секунды. Обеспечивается снижение энергоемкости процесса. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к химической и технической физике, металлургии и предназначено для получения нанодисперсных порошков или нанокристаллических пленок из восстанавливаемого вещества.

Известен способ (Королев Ю.М, Столяров В.И. Восстановление фторидов тугоплавких металлов водородом. М.: Металлургия, 1981, с.7) прямого восстановления оксидов и галогенидов при нагревании до высокой температуры газофазных соединений в смеси с молекулярным водородом.

Недостатком данного способа является необходимость нагревания зоны химической реакции, что требует значительных энергозатрат. Например, процесс прямого восстановления гексафторида вольфрама в атмосфере молекулярного водорода начинается при температуре 300°С и протекает наиболее эффективно при t>600°С. Кроме того, нагрев стенок реактора ведет к загрязнению конечных продуктов технологического процесса материалом стенок реактора и продуктами десорбции.

Наиболее близким к предлагаемому способу является выбранный нами за прототип способ проведения химических реакций (Патент RU 2118912, МПК 6 С1, В 03 С 3/00, публ. 20.09.1998 г.). Способ включает подачу исходных веществ в газообразном состоянии в область барьерного электрического разряда и обработку смеси газов в объеме реактора энергетическим воздействием. Здесь восстановление оксидного сырья и галогенидов осуществляется колебательно-возбужденными молекулами водорода без нагрева восстанавливаемого оксида или галогенида. Снижение энергоемкости процесса восстановления оксидного сырья и галогенидов достигается за счет того, что энергия поступательных степеней свободы (или фактор температуры) в указанных процессах при преодолении активационного барьера заменяется на энергию колебательных степеней свободы.

Недостатком данного способа является высокая энергоемкость процесса, требующая вложения в реагирующие компоненты полной энергии их диссоциации.

Основной технической задачей предложенного решения является разработка экономичного способа восстановления галогенидов с получением продуктов в виде, удобном для дальнейшего использования (ультрадисперсные порошки, химически чистые вещества и соединения и т.д.). Экспериментально нами получено снижение энергоемкости более чем в 80 раз.

Основная техническая задача достигается тем, что в способе прямого восстановлении галогенидов, включающем подачу галогенидов в газообразном состоянии и восстановителя в газообразном состоянии в реактор, обработку смеси газов в объеме реактора энергетическим воздействием, согласно предложенному решению для инициирования цепного химического процесса обработку осуществляют без дополнительного нагрева внешним импульсным энергетическим воздействием с длительностью не более 10^-5 секунды. Кроме того, в качестве восстановителя используют молекулярный водород или молекулярный азот. Целесообразно в качестве внешнего импульсного энергетического воздействия использовать импульсное лазерное или некогерентное излучение с энергией кванта излучения, превышающей энергию диссоциации молекулы галогенида. Также целесообразно в качестве внешнего импульсного энергетического воздействия использовать импульсный электронный пучок, энергия электронов которого превышает энергию диссоциации молекулы галогенида. Кроме того, в качестве внешнего импульсного энергетического воздействия целесообразно использовать импульсный газовый разряд в объеме реактора.

Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественные всем признакам заявляемого способа, отсутствуют. Следовательно, изобретение соответствует условию патентоспособности "новизна".

Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.

Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".

Пример конкретного выполнения. На чертеже приведена схема установки для прямого восстановления галогенидов. Восстанавливаемый галогенид в газообразном состоянии подают через трубку 1 в объем реактора 2. Через трубку 3 в объем реактора подают восстановитель в газообразном состоянии. Через окно 4 на смесь газов в реакторе производится внешнее импульсное энергетическое воздействие. Т.к. под действием внешнего импульсного энергетического воздействия происходит разложение галогенида с образованием атомарного или молекулярного галогена (например, фтора при разложении гексафторида вольфрама), оба реагирующих компонента находятся в газообразном состоянии, то в смеси галогена с восстановителем и исходным галогенидом в объеме реактора инициируется цепной процесс. Продукты реакции в виде мелкодисперсного порошка (или пленок) собираются на дне реактора (или на подложках) и удаляются через окно 5. Побочные продукты реакции в газообразном состоянии (НСl, HF, NF₃ и т.д.) удаляются через трубку 6. Процесс восстановления галогенида можно осуществлять как в цикличном режиме (напуск газа→облучение→откачка побочных продуктов реакции в газообразном состоянии), так и в непрерывном (проточном режиме). Нами получено, что время цепной реакции составляло 5-10 мкс, в связи с этим время внешнего воздействия выбрали не более 10 мкс, т.к. при большем времени воздействия происходит разложение необходимых продуктов реакции.

При использовании в качестве внешнего импульсного энергетического воздействия сильноточного электронного пучка наносекундной длительности нами получена длина цепи цепной реакции прямого восстановления гексафторида вольфрама в атмосфере молекулярного азота более 80, что позволяет более чем в 80 раз снизить энергоемкость технологического процесса прямого восстановления гексафторида вольфрама.

Кроме того, заявляемый способ по сравнению с прототипом позволяет также снизить энергоемкость за счет следующего:

1) использования в качестве восстановителя в газообразном состоянии молекулярного водорода или молекулярного азота;

2) использования в качестве внешнего импульсного энергетического воздействия импульсного лазерного или некогерентного излучения с энергией кванта излучения, превышающей энергию диссоциации молекулы галогенида.

3) использования в качестве внешнего импульсного энергетического воздействия импульсного электронного пучка, энергия электронов которого превышает энергию диссоциации молекулы галогенида.

4) использования в качестве внешнего импульсного энергетического воздействия импульсного газового разряда в объеме реактора.

Предложенный способ восстановления применим для получения тяжелых металлов (вольфрам, рений, титан и др.) из их галогенидов в газообразном состоянии, алюминия из хлорида алюминия, кремния из галогенида кремния, углерода из четыреххлористого углерода.

Формула изобретения

1. Способ прямого восстановления галогенидов, включающий подачу галогенидов в газообразном состоянии и восстановителя в газообразном состоянии в реактор, обработку смеси газов в объеме реактора энергетическим воздействием, отличающийся тем, что для инициирования цепного химического процесса обработку осуществляют без дополнительного нагрева внешним импульсным энергетическим воздействием с длительностью не более 10^-5 с.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве восстановителя в газообразном состоянии используют молекулярный водород или молекулярный азот.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве внешнего импульсного энергетического воздействия используют импульсное лазерное или некогерентное излучение с энергией кванта излучения, превышающей энергию диссоциации молекулы галогенида.

4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве внешнего импульсного энергетического воздействия используют импульсный электронный пучок, энергия электронов которого превышает энергию диссоциации молекулы галогенида.

5. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве внешнего импульсного энергетического воздействия используют импульсный газовый разряд в объеме реактора.

РИСУНКИ

Рисунок 1