(57)【要約】【課題】廃棄物を利用して金属シリコンを容易に製造できる金属シリコンの製造方法を提供する。【解決手段】籾殻１を５００℃〜６００℃で焼成して焼成灰２とする。焼成灰２を８０メッシュ〜１００メッシュに粉砕する。粉砕した焼成灰２にサッカロース(Ｃ12Ｈ22Ｏ11)３を添加して球状のペレット体４にする。複数のペレット体４を坩堝５に入れる。坩堝５に入れたペレット体４にグラファイト棒７を挿入する。グラファイト棒７に３８０Ｖの高電圧を印加する。坩堝５内の底部に金属シリコン９が還元する。廃棄物となる特に多量に発生する籾殻１を利用して、半導体工業の基体原料となる金属シリコン９を容易に製造できる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
穀物の殻を焼成して焼成灰とし、
この焼成灰に二糖類を添加して固形体にし、
この固形体を放電空間に位置させる
ことを特徴とする金属シリコンの製造方法。
【請求項２】
二糖類は、サッカロース(Ｃ12Ｈ22Ｏ11)である
ことを特徴とする請求項１記載の金属シリコンの製造方法。
【請求項３】
二糖類を添加する前に、焼成灰を８０メッシュ〜１００メッシュの大きさに粉砕する
ことを特徴とする請求項１または２記載の金属シリコンの製造方法。
【請求項４】
穀物の殻を５００℃〜６００℃で焼成する
ことを特徴とする請求項１ないし３いずれか記載の金属シリコンの製造方法。
【請求項５】
固形体を坩堝に入れ、
この坩堝内に電極を挿入して、この電極を坩堝内の前記固形体に挿入し、
この電極に電圧を印加して、前記坩堝内に放電空間を形成する
ことを特徴とする請求項１ないし４いずれか記載の金属シリコンの製造方法。
【請求項６】
穀物の殻は、籾殻である
ことを特徴とする請求項１ないし５いずれか記載の金属シリコンの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、穀物の殻から金属シリコンを製造する金属シリコンの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ゲルマニウムに代わって、高品位のシリカ(ＳｉＯ２)が、半導体や光ファイバ、太陽電池、各種ファインセラミックスなどの無機材料として広く利用されている。
【０００３】
そして、近年になって、半導体として利用される雑質の少ない石英や水晶、珪砂などのＳｉＯ２高品位天然鉱石が枯渇してきている。また、天然鉱石石英のＳｉＯ２四面体結晶構造は強固な構造であるので、このＳｉＯ２から酸素(Ｏ２)を化学的に奪うためには、還元剤として多量の石炭コークスや石油焼焦、ウッドチップなどを入れて１８００℃程度に加熱することにより、２〜３％程度の不純物を含む金属シリコンを得ることが伝統的な生産方式である。この結果、天然鉱石からシリカを精製するためには製造コストが高く、また、高純度のシリカを入手するのが困難となってきている。
【０００４】
一方、稲や麦、豆などの穀物は、主食として広く利用されているものの、殻が多量に発生する。また、この穀物の殻は腐敗しにくいため、堆肥などとして田畑に還元することが困難であるので、一部が有機肥料などに利用されているにすぎず、ほとんどが産業廃棄物として焼却処分されており、別途コストが掛かっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、金属シリコンを精製するために必要な天然鉱石は、入手するのが困難となっており、この天然鉱石から金属シリコンを製造するためには、製造コストが高い。また、穀物の殻はほとんど利用されず、産業廃棄物として別途コストを掛けて処理されているという問題を有している。
【０００６】
本発明は、このような点に鑑みなされたもので、廃棄物を利用して金属シリコンを容易に製造できる金属シリコンの製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の金属シリコンの製造方法は、穀物の殻を焼成して焼成灰とし、この焼成灰に二糖類を添加して固形体にし、この固形体を放電空間に位置させるものである。
【０００８】
そして、この構成では、穀物の殻を焼成して焼成灰とする。次いで、この焼成灰に二糖類を添加して固形体にした後に、この固形体を放電空間に位置させる。この結果、廃棄物となる特に多量に発生する穀物の殻を利用して、半導体の基体原料となる金属シリコンが容易に製造される。
【０００９】
請求項２記載の金属シリコンの製造方法は、請求項１記載の金属シリコンの製造方法において、二糖類は、サッカロース(Ｃ12Ｈ22Ｏ11)であるものである。
【００１０】
そして、この構成では、穀物の殻を焼成した焼成灰に添加する二糖類を、サッカロース(Ｃ１２Ｈ２２Ｏ１１)とすることにより、このサッカロースは安価で入手が容易であるから、より容易に穀物の殻から金属シリコンが製造される。
【００１１】
請求項３記載の金属シリコンの製造方法は、請求項１または２記載の金属シリコンの製造方法において、二糖類を添加する前に、焼成灰を８０メッシュ〜１００メッシュの大きさに粉砕するものである。
【００１２】
そして、この構成では、穀物の殻を焼成した焼成灰に二糖類を添加する前に、この焼成灰を８０メッシュ〜１００メッシュの大きさに粉砕し、この粉砕した焼成灰に二糖類を添加して固形体とすれば、これら焼成灰と二糖類とをより均一に混ぜ、形のあるものを造ることが可能となる。よって、８０メッシュ〜１００メッシュの大きさに粉砕した焼成灰に二糖類を添加して固形体にし、この固形体を放電空間に配設することにより、金属シリコンを製造する際の反応速度が向上するとともに、より高純度の金属シリコンが容易に製造される。
【００１３】
請求項４記載の金属シリコンの製造方法は、請求項１ないし３いずれか記載の金属シリコンの製造方法において、穀物の殻を５００℃〜６００℃で焼成するものである。
【００１４】
そして、この構成では、穀物の殻を５００℃〜６００℃で焼成した焼成灰には、炭素(Ｃ)が十分かつ均一に含まれており、この焼成灰から金属シリコンを製造する工程で、外部からの炭素などの添加が不要となる。よって、穀物の殻から金属シリコンを製造する際における製造コストがより削減可能となるとともに、より安価に金属シリコンが容易に製造される。
【００１５】
請求項５記載の金属シリコンの製造方法は、請求項１ないし４いずれか記載の金属シリコンの製造方法において、固形体を坩堝に入れ、この坩堝内に電極を挿入して、この電極を坩堝内の前記固形体に挿入し、この電極に電圧を印加して、前記坩堝内に放電空間を形成するものである。
【００１６】
そして、この構成では、穀物の殻を焼成した焼成灰に二糖類を添加して固形体にし、この固形体を坩堝に入れる。次いで、この坩堝内に電極を挿入して、この電極を坩堝内の固形体に挿入し、この電極に電圧を印加することにより坩堝内に放電空間を形成する。すると、この放電空間に位置する固形体から金属シリコンが製造され、この金属シリコンが坩堝内の底部に溜まる。この結果、穀物の殻を焼成して二糖類を添加した固形体を坩堝内に複数入れることにより、これら複数の固形体を同時に放電空間に位置させることが可能となるので、この固形体から金属シリコンを製造する工程がより容易になる。また、例えばこの坩堝の底部に溶融シリコンが多量に溜まると、坩堝の底部が定期的に開口する構成にすることにより、製造された金属シリコンの取り出しが容易になる。
【００１７】
請求項６記載の金属シリコンの製造方法は、請求項１ないし５いずれか記載の金属シリコンの製造方法において、穀物の殻は、籾殻であるものである。
【００１８】
そして、この構成では、シリカの含有量が比較的多い稲の籾殻を、穀物の殻として用いることにより、より効率良く金属シリコンが製造される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の金属シリコンの製造方法を図１を参照して説明する。
【００２０】
原料として、穀物、例えば稲・小麦・大麦・ライ麦・エン麦・粟・ヒエ・キビなどのイネ科に属する禾穀類や、大豆・小豆・緑豆・インゲン豆・落花生・エンドウなどの豆科の菽穀類、タデ科のソバ、アカザ科のキノア、ヒユ科のセンニンコクなどで、特に稲や小麦、大麦、大豆、小豆、落花生などの消費量が多く多量に殻が発生するものが好ましく、特にシリカ成分の多い稲の籾殻を用いることが好ましい。
【００２１】
そして、この籾殻などの穀物の殻１を、例えば回転炉などにより低温、具体的には５００℃〜６００℃程度の温度で焼成して焼成灰２とする。ここで、実験的に３００℃〜４５０℃の温度で穀物の殻１を焼成した際には、一部コールタールガスが発生した。
【００２２】
次いで、この焼成灰２の大きさを、所定の大きさ、例えば８０メッシュ〜１００メッシュ程度に粉砕する。
【００２３】
この後、この粉砕した焼成灰２に、砂糖黍・砂糖大根・砂糖かえでなどから工業的に採取される二糖類、例えばサッカロース(Ｃ12Ｈ22Ｏ11)３を、１７Wt.％程度の割合で添加して、このサッカロース３を添加した焼成灰２を、所定の大きさ、例えば径寸法が５ｍｍ程度の球状のペレット状の固形体、すなわちペレット体４にする。
【００２４】
さらに、図１に示すように、多数のペレット体４を、グラファイト製の坩堝５の上端に開口された開口部６からこの坩堝５の内部に収容させる。この坩堝５の口径は、約６００ｍｍである。また、この坩堝５内における高さ寸法は、約８００ｍｍである。
【００２５】
この後、この坩堝５の中に電極となるグラファイト製のグラファイト棒７を、３本挿入するとともに、これらグラファイト棒７それぞれの先端部を坩堝５内に収容させたペレット体４内に挿入する。ここで、これらグラファイト棒７それぞれは、直径が１２ｃｍであり、長さが１５０ｃｍである。
【００２６】
この状態で、各グラファイト棒７に高電圧、例えば３８０Ｖの電圧を印加する。すると、各グラファイト棒７間においてアーク放電、すなわちスパークが発生し、この坩堝５内に放電空間が形成されるとともに、坩堝５内に収容させたペレット体４の温度が、例えば１８００℃程度まで急激に上昇する。
【００２７】
なお、各グラファイト棒７に印加する高電圧は、ペレット体４から金属シリコン９が製造できる電圧であればよい。
【００２８】
このとき、放電空間は、坩堝５の底部に形成される。すなわち、坩堝５内に収容させたペレット体４が放電空間に位置する。
【００２９】
さらに、放電空間に位置するペレット体４から黒煙、すなわち二酸化炭素(ＣＯ２)ガス８が発生して、この二酸化炭素ガス８が坩堝５の開口部６から外部へと放出されるとともに、この坩堝５内における底部に金属シリコン９が還元される。
【００３０】
この金属シリコン９には、穀物の殻１から製造したことに起因して、カリウム(Ｋ)、ナトリウム(Ｎａ)、アルミニウム(Ａｌ)、カルシウム(Ｃａ)などが微量ながらも、合計して１Wt.％〜２Wt.％程度含有されている。
【００３１】
このため、この金属シリコン９を次工程で、ガス分留などして精製する。
【００３２】
次に、上記一実施の形態の作用を説明する。
【００３３】
穀物の殻１には、一般にシリカが含有されている。特に、乾燥籾殻には１３Wt.％〜２９Wt.％程度の無機成分を含有し、この無機成分のうち８７Wt.％〜９７Wt.％程度がシリカであることが知られている(北海道工業開発試験所、1984年)。また、籾殻を焼成した焼成灰３の化学成分として、シリカが９２．９４％含まれていることも知られている(福岡県)。
【００３４】
そして、籾殻などの穀物の殻１を焼成した焼成灰２を粉砕し、この粉砕した焼成灰２にサッカロース３を混合させて、この焼成灰２をペレット状にして複数のペレット体４を設ける。
【００３５】
次いで、坩堝５内に複数のペレット体４を収容させた後、この坩堝５内のペレット体４に各グラファイト棒７を挿入し、これらグラファイト棒７に高電圧を印加する。このとき、各グラファイト棒７間に放電空間が形成されるので、坩堝５の底部が還元環境となり、
ＳｉＯ２ → ＳｉＯ ＋ 1/2Ｏ２
の反応式で示すように、二酸化珪素(ＳｉＯ２)が一酸化珪素(ＳｉＯ)に還元される。
【００３６】
さらに、この一酸化珪素は、
1/2Ｏ２ ＋ Ｃ → ＣＯ
ＳｉＯ ＋ ＣＯ → Ｓｉ ＋ ＣＯ２↑
の反応式で示すように、一酸化炭素(ＣＯ)の酸化により単質珪素、すなわち金属シリコン(Ｓｉ)に還元される。
【００３７】
このとき、一酸化珪素を生成する際に分解された酸素が、焼成灰２のカーボン(Ｃ)と化合して一酸化炭素(ＣＯ)を生じ、かつこの一酸化炭素は還元力が強いので、さらに一酸化珪素(ＳｉＯ)と反応して、この一酸化珪素から残りの酸素を奪う。
【００３８】
また、カーボン自身は二酸化炭素(ＣＯ２)ガス８となり、黒煙として坩堝５から外部へと飛び出す。
【００３９】
上述したように、上記実施の一形態では、穀物の殻１を焼成して焼成灰２とし、入手が容易で安価なサッカロースを焼成灰３に添加してペレット体４とし、このペレット体４を坩堝５内に収容させた後、この坩堝５内でグラファイト棒７により各ペレット体４を放電空間に位置させることにより、この坩堝５内の底部に金属シリコン９を還元できる。このため、廃棄物となる特に多量に発生する穀物の殻１を利用して、例えば電子工業に利用される半導体の基体原料となる金属シリコン９を、鉱石を溶解するような高エネルギを要することなく、廃棄物から容易で安価に製造できる。
【００４０】
さらに、穀物の殻１を５００℃〜６００℃で焼成した焼成灰２には、カーボン(Ｃ)が多量、すなわち十分かつ均一に含まれており、この焼成灰２から金属シリコン９を製造する工程で、外部からコークスなどのカーボンを添加する必要がない。また、穀物の殻１に含まれているシリカは、無定形非結晶でカーボンとの接触点が多く、金属シリコン９を製造する際における反応速度が遥かに速い。
【００４１】
このため、穀物の殻１から金属シリコン９を製造する際に、外部からカーボンを添加させることなく、予め穀物の殻１に含まれているカーボンをそのまま原料として用いることができるので、鉱物から金属シリコン９を製造する場合に比べ、穀物の殻１から金属シリコン９を製造する際における製造コストをより削減できるとともに、金属シリコン９をより安価かつ容易に製造できる。
【００４２】
さらに、穀物の殻１を焼成した焼成灰２にサッカロース３を添加する前に、この焼成灰２を８０メッシュ〜１００メッシュに粉砕し、この粉砕した焼成灰２にサッカロース３を添加してペレット体４とすることにより、これら焼成灰２とサッカロース３とがより均一に混合されたペレット体４を製造できる。
【００４３】
よって、このように粉砕した焼成灰２から設けたペレット体４から金属シリコン９を製造することにより、金属シリコン９を製造する際の反応速度をより向上できるとともに、より高純度の金属シリコン９を容易に製造できる。
【００４４】
また、複数のペレット体４を坩堝５内に収容して、この坩堝５内に収容した複数のペレット体４にグラファイト棒７を挿入し、このグラファイト棒７に高電圧を印加して、これらグラファイト棒７間を放電、すなわちスパークさせることにより、複数のペレット体４を略同時に放電空間に位置させることができるので、これら複数のペレット体４から金属シリコン９を製造する際の製造工程をより容易にできる。
【００４５】
なお、坩堝５の底部に図示しない取出孔を穿設することにより、坩堝５内で還元された金属シリコン９をこの取出孔から外部へと容易に抽出できる。
【００４６】
さらに、シリカの含有量が比較的多く多量に発生する稲の籾殻を、穀物の殻１として用いることにより、金属シリコン９をより効率良く製造できる。
【００４７】
なお、上記一実施の形態において、穀物の殻１としては、籾殻に限らず、小麦・大麦・ライ麦・エン麦・粟・ヒエ・キビなどのイネ科に属する禾穀類や、大豆・小豆・緑豆・インゲン豆・落花生・エンドウなどの豆科の菽穀類、タデ科のソバ、アカザ科のキノア、ヒユ科のセンニンコクなどのいずれの穀物の殻を用いても同様に、金属シリコン９を容易に製造できる。
【００４８】
そして、穀物の殻１の焼成としてはいずれの方法でもよい。なお、効率良くより均一に燃焼させるためには、回転炉によるものなどが適している。
【００４９】
さらに、サッカロース３を添加した焼成灰２に効率良く高電圧を印加してスパークできれば、このサッカロース３を添加した焼成灰２をペレット体４にしなくてもよい。
【００５０】
【発明の効果】
請求項１記載の金属シリコンの製造方法によれば、穀物の殻を焼成した焼成灰に二糖類を添加して固形体にし、この固形体を放電空間に位置させれば、廃棄物となる特に多量に発生する穀物の殻を利用して、半導体の基体原料となる金属シリコンを容易に製造できる。
【００５１】
請求項２記載の金属シリコンの製造方法によれば、請求項１記載の金属シリコンの製造方法の効果に加え、穀物の殻を焼成した焼成灰に添加する二糖類を、安価で入手が容易なサッカロース(Ｃ１２Ｈ２２Ｏ１１)にすれば、より容易に穀物の殻から金属シリコンを製造できる。
【００５２】
請求項３記載の金属シリコンの製造方法によれば、請求項１または２記載の金属シリコンの製造方法の効果に加え、穀物の殻を焼成した焼成灰を８０メッシュ〜１００メッシュの大きさに粉砕した後に、二糖類を添加して固形体とすれば、これら焼成灰と二糖類とをより均一に混合でき、形があるものを製造できるから、金属シリコンを製造する際の反応速度を向上でき、金属シリコンをより容易に製造できる。
【００５３】
請求項４記載の金属シリコンの製造方法によれば、請求項１ないし３いずれか記載の金属シリコンの製造方法の効果に加え、穀物の殻を５００℃〜６００℃で焼成した焼成灰には炭素(Ｃ)が十分かつ均一に含まれるので、この焼成灰から金属シリコンを製造する工程で、外部からの炭素の添加が不要となるから、金属シリコンを製造する際の製造コストをより削減でき、金属シリコンを安価に製造できる。
【００５４】
請求項５記載の金属シリコンの製造方法によれば、請求項１ないし４いずれか記載の金属シリコンの製造方法の効果に加え、固形体を坩堝に入れ、この坩堝内に電極を挿入して、この電極を坩堝内の固形体に挿入し、この電極に電圧を印加して、坩堝内に放電空間を形成すれば、この放電空間に位置した固形体から製造された金属シリコンが坩堝内の底部に溜まり、また、これら固形体を坩堝内に複数入れることにより、これら複数の固形体を同時に放電空間に位置でき、これら固形体から金属シリコンを製造する工程をより容易にできる。
【００５５】
請求項６記載の金属シリコンの製造方法によれば、請求項１ないし５いずれか記載の金属シリコンの製造方法の効果に加え、シリカの含有量が比較的多い稲の籾殻を穀物の殻とすれば、金属シリコンをより効率良く製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の一形態の金属シリコンの製造工程を示す説明図である。
【符号の説明】
１    穀物の殻としての籾殻
２    焼成灰
３    二糖類としてのサッカロース
４    固形体としてのペレット体
５    坩堝
７    電極としてのグラファイト棒７
９    金属シリコン
【図１】
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