Способ очистки октафторциклобутана, способ его получения и его применения

Способ очистки октафторциклобутана, способ его получения и его применения

Реферат

Данная заявка подана согласно 35 U.S.С. §111 (а) с использованием приоритета в соответствии с 35 U.S.С. §119 (е) (1) по дате подачи предварительной заявки 60/264,322, поданной 29 января 2001, в соответствии с 35 U.S.С §111(b)

Область техники

Настоящее изобретение относится к способу очистки октафторциклобутана, способу получения октафторциклобутана высокой степени чистоты, к октафторциклобутану высокой степени чистоты и его применению.

Предшествующий уровень техники

Ранее в способе получения полупроводниковых приборов проводили газовое травление для частичного удаления тонкопленочного материала для формирования рисунка схемы, который составлял полупроводниковую схему. Одновременно проводили удаление осадка при использовании очищающего газа для удаления исходного материала тонкой пленки, осажденного внутри реактора во время образования тонкой пленки. Одним из пригодных травильных газов или очищающих газов, традиционным для способа производства полупроводниковых приборов, является октафторциклобутан (указываемый далее как FC-C318).

С другой стороны, чтобы соответствовать последней тенденции к более высокой производительности, меньшему размеру, более высокой плотности проводки электрического или электронного оборудования, рисунок схемы становится более тонким, и для того, чтобы сформировать рисунок схемы высокой точности посредством травления, требуется использование высоко очищенного травильного газа, из которого удаляются примеси настолько, насколько это возможно. Когда травильный газ содержит примесь даже в малом количестве, это может вызвать образование линий большой ширины во время формирования тонкого узора и увеличить дефекты в изделии, содержащем интегральную схему высокой плотности.

Также в способе удаления осадка при использовании очищающего газа остаточные примеси при производстве полупроводникового прибора после очистки должны быть уменьшены настолько, насколько возможно, чтобы обеспечить высококачественный прибор высокой степени чистоты. Для этой цели требуется высоко очищенный очищающий газ, не содержащий по существу никаких примесей.

Что касается способа получения FC-C318, например, известен способ очистки FC-C318, полученного как побочный продукт при производстве тетрафторэтилена (далее иногда упоминаемого здесь как "FC-1114") или гексафторпропена (далее иногда упоминаемого здесь как "PC-1216").

Однако эти FC-1114 и FC-1216 каждый получают термическим разложением хлордифторметана (далее иногда упоминаемого здесь как "HCFC-22"), как описано, например, в ЕР 451793, и многие виды веществ получаются посредством этого термального разложения. Реакционный продукт также содержит непрореагировавший HCFC-22 и много хлорсодержащих соединений.

Точки кипения FC-C318 и соответствующих соединений после термического разложения HCFC-22 представлены в Таблице 1. Среди них FC-114 и FC-1216 как целевые продукты и непрореагировавший HCFC-22 могут быть по большей части разделены дистилляцией.

Однако хлорфторуглероды, в частности 2-хлор-1,1,1,2,3,3,3-гептафторпропан (далее иногда упоминаемый здесь как "CFC-217ba"), 1-хлор-1,1,2,2,3,3,3-гептафторпропан (далее иногда упоминаемый здесь как "CFC-217ca"), 2-хлор-1,1,1,2-тетрафторэтан (далее иногда упоминаемый здесь как "HCFC-124"), 1-хлор-1,1,2,2-тетрафторэтан (далее иногда упоминаемый здесь как "HCFC-124a"), 1,2-дихлортетрафторэтан (далее иногда упоминаемый здесь как "CFC-114"), FC-1216 и 1Н-гептафторпропан (далее иногда упоминаемый здесь как "HFC-227са"), имеют точку кипения, близкую к точке кипения FC-С318, и следовательно FC-318, содержащий концентрацию примеси 1 мас.ч. на миллион (ч.нм) или менее, вряд ли может быть получен путем разделения посредством дистилляции.

Таблица 1
Название соединений	Структурная формула	Точка кипения (°С)
Октафторциклобутан (FC-C318)	с-CF2CF2CF2CF2-	-6
Хлордифторметан (HCFC-22)	CHClF2	-41
Гексафторпропен (FC-1216)	СF3СF=СF2	-31
2-хлор-1,1,1,2,3,3,3-гептафторпропан (CFC-217ba)	СF3ССlFСF3	-2
1-хлор-1,1,2,2,3,3,3-гептафторпропан (CFC-217ca)	CClF2CF2CF3	от -2 до -1
2-хлор-1,1,1,2-тетрафторэтан (HCFC-124)	СF3СНСlF	-12
1-хлор-1,1,2,2-тетрафторэтан (HCFC-124a)	CClF2CHF2	-10,2
1H-гептафторпропан (HFC-227ca)	СНF2СF2СF3	-19
1,2-дихлортетрафторэтан (CFC-114)	CClF2CClF2	-3,8

Следовательно, опробован способ очистки, иной чем разделение дистилляцией, такой как экстрактивная дистилляция, мембранное разделение и адсорбционное разделение.

Однако способ экстрактивной дистилляции имеет недостаток, заключающийся в том, что оборудование стоит очень дорого и процесс является тяжелым. Способ мембранного разделения имеет недостаток, заключающийся в том, что подходящая и практичная мембрана, имеющая свойства, требуемые для отделения FC-C318 от примесей, не известна, и очистка до высокой степени чистоты, например, такой, что содержание примесей FC-C318 составляет 1 мас. чнм или менее, затруднительна.

Так же, как показано в Таблице 2, почти не существует различия в молекулярном размере (рассчитанное значение при стабильном состоянии структуры) между FC-C318 и примесными соединениями, существует только маленькая разница в точке кипения между FC-C318 и примесными соединениями, как описано выше, и FC-C318 и примеси близки по структуре и физическим свойствам. Следовательно, отделения FC-C318 от примесных соединений для получения FC-C318 высокой степени чистоты едва ли можно достигнуть способом адсорбционного разделения, используя известный адсорбент, такой как активированный уголь, силикагель, цеолит (молекулярные сита) и углеродные молекулярные сита (далее обозначенный как “УМС”)

Таблица 2
Название соединения	Молекулярный размер (рассчитанное значение)
Октафторциклобутан (FC-C318)	от 5,2 до 5,8
2-хлор-1,1,1,2,3,3,3-гептафторпропан (CFC-217ba)	от 4,0 до 6,2
1-хлор-1,1,2,2,3,3,3-гептафторпропан (СF-217са)	от 3,9 до 6,1
2-хлор-1,1,1,2-тетрафторэтан (HCFC-124)	от 4,3 до 5,6
1-хлор-1,1,2,2-тетрафторэтан (HCFC-124а)	от 4,3 до 5,6
1,2-дихлортетрафторэтан (CFC-114)	от 4,8 до 5,6
Гексафторпропен (FC-1216)	от 4,9 до 5,9
1H-гептафторпропан (HFC-227ca)	от 4,3 до 6,2

Из них активированный уголь эффективен для абсорбции и удаления таким образом FC-1216, который является одним из примесных соединений, но все остальные примеси, включая соединения с хлором, не могут быть отделены.

Следовательно, обычными способами очистки трудно получить FC-C318, с уменьшенной концентрацией фторуглеродных примесей, в частности, CFC-217ba, до 1 мас. чнм или менее.

В результате обширных исследований по решению этих проблем авторы обнаружили, что когда неочищенный октафторциклобутан, содержащий примеси, такие как фторуглерод, взаимодействует с разлагающим примеси агентом, содержащим оксид железа и соединение щелочноземельного металла, и затем с адсорбентом, эти примеси могут по существу с легкостью удаляться.

Более конкретно, изобретатели обнаружили способ очистки FC-C318, где FC-C318, содержащий примеси фторуглерода, такие как CFC-217ba, CFC-217ca, HCFC-124, HCFC-124a, CFC-114 и HFC-227са, в особенности CFC-217ba, в концентрации от 10 до 10000 мас. чнм, взаимодействует с разлагающим примеси агентом и далее с адсорбентом, и таким образом эти примеси могут быть снижены до менее чем 1 мас. чнм. Настоящее изобретение выполнено на основе этого открытия.

Объект изобретения

Задачей настоящего изобретения является решение вышеописанных проблем в стандартных методиках и предоставление способа очистки октафторциклобутана, где примеси могут быть по существу удалены из неочищенного октафторциклобутана, содержащего примеси. Более конкретно, другой задачей настоящего изобретения является предоставление способа очистки, способного эффективно удалять CFC-217ba, который является трудным для удаления обычными способами очистки, и уменьшать количество примесей, таких как фторуглерод, до менее чем 1 мас. чнм.

Следующим объектом настоящего изобретения является предоставление способа получения октафторциклобутана, включающего описанные выше стадии очистки, а также предоставление высокоочищенного октафторциклобутана и его использование.

Краткое содержание изобретения

Способ очистки октафторциклобутана согласно настоящему изобретению включает стадию взаимодействия неочищенного октафторциклобутана, содержащего примеси, с разлагающим примеси агентом при повышенной температуре (нагревании) и затем с адсорбентом для по существу удаления примесей из неочищенного октафторциклобутана.

Разлагающий примеси агент предпочтительно включает оксид железа и соединение щелочноземельного металла.

Оксид железа предпочтительно является оксидом железа (III). Оксид железа (III) предпочтительно является γ-гидроксиоксидом железа (III) и/или γ-оксидом железа (III).

Соединение щелочноземельного металла предпочтительно представляет собой, по крайней мере, одно соединение, выбранное из группы, состоящей из оксидов, гидроксидов и карбонатов щелочноземельных металлов магния, кальция, стронция или бария.

Разлагающий примеси агент предпочтительно содержит от 5 до 40 мас.% оксида железа и от 60 до 95 мас.% соединения щелочноземельного металла в расчете на полную массу разлагающего примеси агента.

Разлагающий примеси агент предпочтительно является гранулами, содержащими порошок оксида железа, имеющего средний размер частиц 100 мкм или менее, и порошок щелочноземельного металла, имеющего средний размер частиц 100 мкм или менее.

Разлагающий примеси агент предпочтительно является гранулами, имеющими средний размер частиц от 0,5 до 10 мм.

Неочищенный октафторциклобутан предпочтительно взаимодействует с разлагающим примеси агентом при температуре от 250°С до 380°С.

Адсорбент является предпочтительно одним из адсорбентов, выбранных из группы, включающей активированный углерод, углеродные молекулярные сита и активированный уголь.

Активированный уголь предпочтительно представляет собой активированный уголь, полученный способом, включающим стадии промывки исходного угля кислотой и водой (стадия 1), нагревания исходного угля при температуре от 50 до 250°С в потоке инертного газа для восстановления и/или дегидратации исходного угля (стадия 2), нагревания исходного угля при температуре от 500 до 700°С в потоке инертного газа до рекарбонизирования исходного угля (стадия 3) и нагревания исходного угля при температуре от 700 до 900°С в потоке газовой смеси, содержащей инертный газ, диоксид углерода и пар для активирования исходного угля (стадия 4).

Исходный уголь предпочтительно получают карбонизацией одного из представителей, выбранных из группы, состоящей из угля из скорлупы кокоса, угля, древесного угля и каменноугольного пека при нагревании от 400 до 600°С.

Кислота предпочтительно является неорганической кислотой и концентрация кислоты предпочтительно составляет от 1 до 1000 моль/м³.

Кислота предпочтительно является соляной и/или серной кислотой.

При переходе со стадии 2 на стадию 3 исходный уголь из стадии 2 предпочтительно нагревают от 500 до 700°С при от 300 до 500°С/ч в потоке инертного газа.

При переходе со стадии 3 на стадию 4 исходный уголь из стадии 3 предпочтительно нагревают от 700 до 900°С при от 100 до 200°С в потоке инертного газа.

Газовая смесь предпочтительно содержит от 50 до 89 об. % инертного газа, от 10 до 30 об. % диоксида углерода и от 1 до 20 об. % пара в расчете на полный объем газовой смеси.

После стадии 4 активированный уголь из стадии 4 предпочтительно охлаждают до комнатной температуры при от 200 до 300°С/ч в потоке инертного газа.

Количество адсорбции иода активированным углем составляет предпочтительно от 700 до 1000 мг/г.

Общее содержание щелочных металлов, содержащихся в активированном угле, составляет предпочтительно 1000 чнм или менее.

Щелочной металл является предпочтительно калием, и общее содержание калия в активированном угле составляет предпочтительно 500 чнм или менее.

Неочищенный октафторциклобутан предпочтительно содержит примеси в количестве от 10 до 10000 мас. чнм.

Примесью является предпочтительно, по крайней мере, один фторуглерод, выбранный из группы, состоящей из 2-хлор-1,1,1,2,3,3, 3-гептафторпропана, 1-хлор-1,1,2,2,3,3,3-гептафторпропана, 1-хлор-1,2,2,2-тетрафторэтана, 1-хлор-1,1,2,2-тетрафторэтана, 1,2-дихлор-1,1,2,2,-тетрафторэтана, гексафторпропена и 1H-гептафторпропана.

После того, как примеси по существу удалены, концентрация примесей, оставшихся в октафторциклобутане, предпочтительно меньше, чем 1 мас. чнм.

Способ получения октафторциклобутана согласно настоящему изобретению включает стадии получения неочищенного октафторциклобутана, содержащего примеси, и взаимодействие неочищенного октафторциклобутана с разлагающим примеси агентом при повышенной температуре (нагревании) и затем с адсорбентом для получения октафторциклобутана, из которого примеси по существу удалены.

Стадия получения неочищенного октафторциклобутана, содержащего примеси, может являться термическим разложением хлордифторметана. Также, примесь представляет собой, по крайней мере, один фторуглерод, выбранный из группы, включающей 2-хлор-1,1,1,2,3,3,3-гептафторпропан, 1-хлор-1,1,2,2,3,3,3-гептафторпропан, 1-хлор-1,2,2,2-тетрафторэтан, 1-хлор-1,1,2,2-тетрафторэтан, 1,2-дихлор-1,1,2,2,-тетрафторэтан, гексафторпропен и 1H-гептафторпропан.

Октафторциклобутан согласно настоящему изобретению характеризуется содержанием менее чем 0,0001 мас.% фторуглеродной примеси и имеет чистоту 99,9999 мас.% или более.

Фторуглерод представляет собой, по крайней мере, один из фторуглеродов, выбранных из группы, включающей 2-хлор-1,1,1,2,3,3, 3-гептафторпропан, 1-хлор-1,1,2,2,3,3,3-гептафторпропан, 1-хлор-1,2,2,2-тетрафторэтан, 1-хлор-1,1,2,2-тетрафторэтан, 1,2-дихлор-1,1,2,2,-тетрафторэтан, гексафторпропен и 1H-гептафторпропан.

Газ согласно настоящему изобретению характеризуется содержанием вышеупомянутого октафторциклобутана.

Травильный газ согласно настоящему изобретению характеризуется содержанием вышеописанного газа.

Очищающий газ согласно настоящему изобретению характеризуется содержанием вышеописанного газа.

Подробное описание изобретения

[Способ очистки октафторциклобутана]

Способ очистки октафторциклобутана согласно настоящему изобретению включает стадию взаимодействия неочищенного октафторциклобутана, содержащего примеси, с разлагающим примеси агентом при повышенной температуре (нагревание) и затем с адсорбентом до удаления по существу примесей из неочищенного октафторциклобутана. Этот способ очистки описан детально ниже.

Используемый в настоящем изобретении термин “неочищенный октафторциклобутан” означает октафторциклобутан, содержащий примеси, который не пропускался через стадию очистки. Также, используемый здесь термин “по существу удалять” означает, что абсолютно никаких примесей или почти никаких примесей не содержится.

Разлагающий примеси агент

В настоящем изобретении предпочтительно используется разлагающий примеси агент, содержащий оксид железа и соединение щелочноземельного металла.

Примеры оксида железа предпочтительно включают оксид железа (II) или оксид железа (III). Среди них оксид железа (III) является предпочтительным. Из оксидов железа (III) предпочтительны γ-FеООН (γ-гидрокси оксид железа) и γ-Fе₂O₃ (γ-оксид железа (III)), и γ-РеООН является наиболее предпочтительным.

Эти оксиды железа могут быть использованы индивидуально или в сочетании со множеством оксидов железа.

Полагают, что причина, по которой γ-FеООН и γ-Fе₂O₃ предпочтительны по сравнению с α-Fе₂O₃, связана с активностью оксида железа. γ-FеООН и γ-Fе₂O₃ имеют большую реакционную способность, и активность по отношению к соединениям хлора располагается в порядке γ-FеООН>γ-Fе₂O₃>α-FеООН>Fе₂O₃>>α-Fе₂O₃. Полагают, что эта разница в активности по отношению к соединениям хлора существует потому, что энергия связи между атомом железа и атомом кислорода в γ-FeOOH или γ-Fе₂O₃ ниже, чем в α-FеООН.

Соединение щелочноземельного металла для использования в настоящем изобретении предпочтительно является гидроксидом, оксидом или карбонатом щелочноземельного металла. Примером щелочноземельного металла является магний, кальций, стронций и барий.

Среди этих соединений щелочноземельных металлов предпочтительно используют гидроксид или оксид кальция, и гидроксид кальция является наиболее предпочтительным. Эти соединения щелочноземельных металлов могут быть использованы отдельно или в сочетании из множества соединений щелочноземельных металлов.

Разлагающий примеси агент для использовании в настоящем изобретении предпочтительно содержит оксид железа и соединение щелочноземельного металла таким образом, чтобы количество оксида железа составляло от 5 до 40 мас.%, предпочтительно от 20 до 30 мас.%, и количество соединения щелочноземельного металла составляло от 60 до 95 мас.%, предпочтительно от 70 до 80 мас.%, соответственно в расчете на полную массу разлагающего примеси агента.

Полагают, что когда количество оксида железа и соединения щелочноземельного металла, содержащихся в разлагающем примеси агенте, попадает в вышеуказанный предел, разложение примесей и удаление разложившихся продуктов может быть эффективно осуществлено, как описано выше, посредством чего может быть проведена эффективная очистка с использованием характерных свойств оксида железа и соединения щелочноземельного металла.

Форма разлагающего примеси агента не является особым образом ограниченной, но предпочтительно является формой в виде частиц. В том случае, когда оксид железа и соединение щелочноземельного металла находятся в форме частиц, средний размер частиц перед их смешиванием, а именно, перед образованием разлагающего примеси агента, составляет предпочтительно 100 мкм или менее, более предпочтительно 10 мкм, еще более предпочтительно 1 мкм или менее. Средний размер частиц предпочтительно составляет от 0,01 до 100 мкм, более предпочтительно от 0,01 до 10 мкм, еще более предпочтительно от 0,01 до 1 мкм.

Когда средний размер частиц каждой частицы оксида железа и соединения щелочноземельного металла составляет 100 мкм или менее, может быть получен октафторциклобутан, имеющий более высокую степень чистоты, а также может быть проведена эффективно очистка. Полагают, что это вызвано тем, что когда оксид железа и соединения щелочного металла каждый является мелкой частицей, удельная поверхностная площадь каждого увеличивается, и оксид железа и соединение щелочноземельного металла легко диспергируют друг в друге, в результате оксид железа и соединение щелочноземельного металла увеличивают площадь и возможность взаимодействия неочищенного октафторциклобутана с разлагающим примеси агентом.

Концентрация и вид примесей в оксиде железа и соединении щелочноземельного металла особо не ограничены постольку, поскольку не влияют на способность разлагать примеси в неочищенном октафторциклобутане.

Форма разлагающего примеси агента не ограничена особенным образом, и разлагающий примеси агент может использоваться в любой форме, однако разлагающий примеси агент предпочтительно является гранулами в форме частиц. Специфические примеры этих гранул включают форму шариков и сферическую форму. Средний размер частиц гранул предпочтительно составляет от 0,5 до 10 мм, предпочтительно от 1 до 5 мм.

Когда средний размер частиц гранул попадает в вышеуказанный предел, возможность взаимодействия примесей с разлагающим примеси агентом увеличивается, и разложение и удаление примесей может быть проведено эффективно. Если средний размер частиц разлагающего примеси агента превышает 10 мм, поверхностная площадь, участвующая в адсорбции и диффузии газа, соответственно уменьшается, и скорость диффузии иногда снижается. С другой стороны, если средний размер частиц разлагающего примеси агента составляет менее 0,5 мм, площадь поверхности, участвующей в адсорбции, и диффузия соответственно увеличиваются, и хотя скорость диффузии может быть выше, когда количество обработанного газа увеличивается, иногда возникает большой перепад давления.

Для получения разлагающего примеси агента, содержащего оксид железа и соединение щелочноземельного металла, смешивают порошок оксида железа и порошок соединения щелочного металла, и способ получения разлагающего примеси агента не ограничен. При получении (гранулировании) гранул, постольку, поскольку соотношение компонентов смеси находится в вышеописанных пределах, удовлетворительное гранулирование может быть достигнуто добавлением воды к смеси. В случае, когда размер частиц оксида железа или соединения щелочноземельного металла слегка больше, гранулирование можно проводить добавлением связующего вместе с водой. Вид и количество связующего не ограничены, и может использоваться известное связующее, так как оно не влияет на свойства полученного разлагающего примеси агента. Примеры неорганического связующего включают глину и гипс, и примеры органического связующего включают метилцеллюлозу, поливиниловый спирт и крахмал.

Этот гранулированный разлагающий примеси агент может быть получен смешением оксида железа и соединения щелочноземельного металла, добавлением соответствующего количества воды, перемешиванием смеси и гранулированием вымешанной преформы.

Месильная машина, необходимая для смешения и гранулирования, может иметь строение, при котором смешивание и гранулирование проводятся одновременно или при котором смешивание и гранулирование проводятся отдельно. Примеры месильной машины, где смешение и гранулирование проводят одновременно, включают смеситель Henschel и смеситель с вертикальным ротором. Можно также проводить смешивание в смесителе Henschel или V-типа, а гранулирование проводить в тарельчатом грануляторе или барабанном грануляторе.

Полученные таким образом гранулы высушивают предпочтительно при температуре от 100 до 150°С в течение от 3 до 5 часов в потоке инертного газа, такого как воздух и азот для того, чтобы увеличить твердость и выпарить содержащуюся воду. Содержание воды в разлагающем примеси агенте после сушки может быть удовлетворительным, если потеря в массе после сушки при температуре 110°С в течение от 2 до 3 часов в воздушной сушилке составляет 1 мас.% или менее.

Полагают, что при использовании такого разлагающего примеси агента примеси в неочищенном октафторциклобутане, такие как фторуглерод, реагируют с соединением щелочноземельного металла в разлагающем примеси агенте и таким образом разрушаются. Более конкретно, CFC-217ba реагирует с гидроксидом, оксидом или карбонатом щелочноземельного металла в разлагающем примеси агенте с получением фторида и хлорида щелочноземельного металла и одновременно получения монооксида углерода и воды. Монооксид углерода и вода, полученные в этом реакционном процессе, реагируют при использовании железа в качестве катализатора для дальнейшего получения водорода и метана. Полагают, что такие реакции происходят непрерывно, посредством чего хлор в CFC-217ba замещается полученным водородом для получения 2Н-гептафторпропана (далее иногда указываемого здесь как “HFC-227ea”). HFC-227ea может быть удален адсорбентом, который описан далее.

Сам октафторциклобутан разлагается в количестве сотен мас.чнм при контакте с разлагающим примеси агентом при нагревании для получения циклогексафторбутена (далее иногда указываемого здесь как “FC-C1316”), но может быть удален адсорбентом, который описан ниже.

Адсорбент

В способе очистки согласно настоящему изобретению неочищенный октафторциклобутан контактирует далее с адсорбентом после контакта с разлагающим примеси агентом при повышенной температуре.

Адсорбент, используемый здесь, предпочтительно является одним из представителей, выбранных из группы, включающей активированный углерод, углеродные молекулярные сита и активированный уголь. Активированный углерод, углеродные молекулярные сита или активированный уголь могут быть подвергнуты предварительной обработке перед использованием, такой как обработка кислотой, тепловая обработка и обработка паром.

Из них в настоящем изобретении предпочтительно, когда активированный уголь подвергается вышеуказанной предварительной обработке, в частности предпочтителен активированный уголь, полученный способом, включающим следующие четыре стадии, которые описаны ниже.

Описанные выше адсорбенты могут использоваться отдельно или в сочетании множества адсорбентов.

(Способ получения активированного угля)

Способ получения активированного угля, который является особенно предпочтительным, описан более детально ниже. Способ получения активированного угля включает следующие четыре стадии:

(1) Стадия 1: промывание исходного угля для вышеописанного активированного угля кислотой и водой,

(2) стадия 2: нагревание исходного угля при температуре от 50 до 250°С в потоке инертного газа, чтобы восстановить и/или дегидратировать исходный уголь,

(3) стадия 3: нагревание исходного угля при температуре от 500 до 700°С в потоке инертного газа, чтобы рекарбонизировать исходный уголь, и

(4) стадия 4: нагревание исходного угля при температуре от 700 до 900°С в потоке газовой смеси, содержащей инертный газ, диоксид углерода и пар для активирования исходного угля.

Исходный уголь, промытый на стадии 1, может быть также использован в качестве адсорбента, однако, предпочтительно использовать активированный уголь, полученный способом, включающим стадии с 1 по 4.

(Исходный уголь для активированного угля)

В качестве исходного угля может быть использован, по крайней мере, один из представителей, выбранных из группы, включающей уголь из скорлупы кокоса, уголь, древесный уголь и каменноугольный пек. Учитывая плотность угля, необходимую для развития пор, твердость, в качестве адсорбента предпочтительно использовать уголь из скорлупы кокоса.

Исходный уголь карбонизируют при нагревании (карбонизация), и температуру карбонизации особенно не ограничивают, но исходный уголь предпочтительно карбонизируют при температуре от 400 до 600°С, где почти никакие поры не развиваются, более предпочтительно при температуре от 400 до 500°С.

Полученный таким образом исходный уголь предпочтительно обрабатывают серией стадий, то есть, промыванием кислотой и водой (стадия 1), проведением восстановления и/или дегидратации (стадия 2), проведением рекарбонизации (стадия 3) и проведением активирования (стадия 4).

(Стадия 1)

Исходный уголь для активированного угля сначала промывают кислотой и водой.

Примеры кислоты для использования в промывке кислотой стадии 1 включают неорганические кислоты, такие как соляная кислота, серная кислота, азотная кислота и фосфорная кислота, и органические кислоты, такие как уксусная кислота и трифторуксусная кислота. Из них предпочтительны неорганические кислоты, и использование соляной кислоты и/или серной кислоты более предпочтительно. Принимая во внимание полученную металлическую соль, соляная кислота особенно предпочтительна.

Концентрация кислоты предпочтительно составляет от 1 до 1000 молей/м³, более предпочтительно от 200 до 500 молей/м³. Когда концентрация кислоты составляет менее 1 молей/м³, эффект удаления металла может уменьшаться, тогда как при ее повышении до 1000 молей/м³ эффект промывания может быть интенсивным. Объемное соотношение раствора кислоты, использованного для промывки кислотой, к исходному углю (раствор кислоты/ исходный уголь) предпочтительно составляет от 1/1 до 5/1, более предпочтительно от 1/1 до 2/1. Когда объемное соотношение составляет менее чем 1/1, действие промывки кислотой уменьшается, тогда как при объемном соотношении 5/1 действие промывки кислотой может быть интенсивным.

Время промывки кислотой изменяется в зависимости от температуры промывки и не является особо ограниченным. В случае высокой температуры промывки (например, от 30 до 100°С) время промывки составляет несколько часов (например, от 1 до 12 часов) и в случае обычной температуры (например, от 10 до 30°С) промывку осуществляют, позволяя исходному углю подвергаться обработке примерно целый день и ночь (например, от 12 до 24 часов). За такое время промывки содержание металла в исходном угле может основательно вымываться.

Промывка водой, следующая за промывкой кислотой, проводится для удаления оставшихся растворенных металлических солей из исходного угля. Соответственно, водой, пригодной для использования, является вода с уменьшенным содержанием металлических солей, такая как чистая или очищенная вода. Способ промывки при промывке водой не является особо ограниченным, и полная промывка осуществляется или непрерывным процессом или периодическим процессом.

Промывку водой обычно проводят до тех пор, пока рН промывающего раствора после промывки не достигнет значений от 3 до 5.

Сушку исходного угля после промывки водой можно независимо проводить до стадии 2 или можно проводить на стадии 2, которая описана далее.

Путем промывки исходного угля кислотой и водой из него могут удаляться металлы, в частности щелочноземельные металлы. Если металл, в частности щелочные металлы, остается в исходном угле, он действует как катализатор на стадии 4, которая описана далее, в результате реакция протекает между газом, использованным для активирования (например, паром, диоксидом углерода) и атомом углерода в исходном угле, и это иногда затрудняет контролирование размера пор.

(Стадия 2)

Исходный уголь нагревают в потоке инертного газа для восстановления и/или дегидратирования исходного угля.

В качестве этого инертного газа могут быть использованы различные инертные газы, и среди них азот является предпочтительным.

Скорость потока инертного газа и время обработки не являются конкретно ограниченными, однако, их выбирают соответственно так, чтобы содержащиеся кислород и вода, высвобожденные из исходного угля, могли быть спокойно удалены за пределы системы.

Температура нагревания исходного угля в потоке инертного газа является удовлетворительной до тех пор, пока она ниже, чем температура на стадии 3, и является постоянной, и не вызывает рекарбонизации. Температура нагревания на стадии 2 предпочтительно составляет от 50 до 250°С, более предпочтительно от 100 до 250°С.

На стадии 2, когда температура нагревания попадает в вышеуказанный предел, температура рекарбонизации на стадии 3, которая описана далее, может быть плавно увеличена.

По причине нагревания и в связи с этим восстановления и/или дегидратации исходного угля, на рекарбонизацию на стадии 3 может меньше влиять источник кислорода.

(Стадия 3)

Исходный уголь рекарбонизируют при нагревании. Скорость увеличения температуры при переходе от стадии 2 к стадии 3 предпочтительно более высокая, и ее предпочтительно выбирают из диапазона от 300 до 500°С/ч. Когда скорость увеличения температуры составляет меньше, чем 300°С/ч, содержащаяся смола не может быть удалена как летучее вещество посредством сухой дистилляции, и весьма вероятно, что рост макропор не происходит. Повышение температуры предпочтительно проводят в потоке инертного газа.

Температура рекарбонизации составляет предпочтительно от 500 до 700°С, более предпочтительно от 600 до 700°С. Когда температура рекарбонизации составляет менее 500°С, летучие материалы не могут удовлетворительно удаляться, и расстояние распространения пор становится широким, тогда как когда температура является высокой, углеродная матрица может сужаться, вызывая уменьшение микропор. Подобным образом, когда температура рекарбонизации превышает 700°С, углеродная матрица может сужаться, вызывая уменьшение микропор.

Время рекарбонизации составляет от 1 до 2 часов.

Обработку в виде рекарбонизации предпочтительно проводят в потоке инертного газа, и могут быть использованы различные инертные газы в качестве такого инертного газа, но предпочтительным является азот.

Скорость потока инертного газа предпочтительно составляет от 2 до 10 л/мин, более предпочтительно от 3 до 5 л/мин на 1 л обработанного исходного угля.

Посредством рекарбонизации и в связи с этим сухой дистилляции исходный уголь, из которого удалены металлы на предшествующей стадии 1, могут быть достигнуты разложение смолы, появление и рост карбонизированных макропор и карбонизация смолы, и таким образом на стадии 4 может быть эффективно осуществлены появление и рост пор.

(Стадия 4)

Рекарбонизированный исходный уголь на стадии 3 взаимодействует с газовой смесью при нагревании для активирования исходного угля.

Использованный здесь термин “активирование” означает, что поры исходного угля растут, в связи с чем активируется исходный уголь.

Предполагают, что активирование проводится следующим образом. Закрытые поры в кристаллах внутри исходного угля открывают (первая стадия) и стенки между соседними порами полностью исчезают, образуя поры большого размера (вторая стадия).

Газовая смесь, использованная на стадии 4, не является определенной конкретно, постольку, поскольку активирование не ухудшается, однако, газовая смесь, содержащая инертный газ, диоксид углерода и пар, является предпочтительной. Вид инертного газа особо не определен, но предпочтительным является азот.

Когда газ, использованный на стадии 4, является вышеописанной газовой смесью, пар смешивают с азотом в качестве инертного газа и диоксидом углерода, который реагирует с углеродом относительно с более низкой скоростью, чем пар, для того, чтобы активирование могло быть проведено умеренным.

Если воздух (кислород) используют в качестве газовой смеси, реакция между кислородом и углеродом исходного угля вырабатывает большое количество тепла, поэтому температура в печи не может легко контролироваться, и имеет место частичный перегрев, в результате активирование не может быть проведено равномерно. Если используется один пар, реакция между паром и углеродом сравнительно бурная, в результате трудно контролировать размер пор.

Газовая смесь, включающая описанный выше инертный газ, диоксид углерода и пар, имеет состав смеси, в котором количество инертного газа предпочтительно составляет от 50 до 89 об. %, более предпочтительно от 70 до 80 об. %, количество диоксида углерода составляет предпочтительно от 10 до 30 об. %, более предпочтительно от 15 до 25 об. %, и количество пара предпочтительно составляет от 1 до 20 об. %, более предпочтительно от 2 до 10 об. %, соответственно в расчете на полный объем газовой смеси.

Когда количественные соотношения в газовой смеси попадают в вышеуказанные пределы, реакция углерода в исходном угле с паром может быть проведена умеренно и обработка в виде активирования может быть осуществлена эффективно.

Скорость потока газовой смеси составляет предпочтительно от 0,5 до 3 л/мин, более предпочтительно от 1 до 2 л/мин на 1 л обработанного исходного угля.

Каждую стадию со 2 по 4 проводят при нагревании, и, следовательно, эти стадии предпочтительно проводить непрерывно, в частности, стадии 3 и 4 при более высокой температуре.

Скорость увеличения температуры от стадии 3 к стадии 4 предпочтительно составляет от 100 до 200°С/ч.

Когда скорость увеличения температуры попадает в указанные пределы, переход от стадии 3 к стадии 4 может проводиться эффективно.

Когда скорость увеличения температуры от стадии 3 к стадии 4 составляет меньше, чем 100°С/ч, закрытые поры в кристаллах углерода иногда не открываются и увеличение площади поверхности не происходит, тогда как когда скорость увеличения температуры превышает 200°С/ч, весьма вероятно, что удельная площадь поверхности и размер пор чрезмерно увеличиваются.

Температура