一种铝电解及微电子工业产生的碳氟化合物的分解方法

摘要

一种铝电解及微电子工业产生的碳氟化合物的分解方法，属废气处理领域。本发明按照以下步骤进行：（1）将固体金属放入一个坩埚内，通过真空系统将反应器内空气抽尽，通入保护气体氩气后进行加热，加热到预定温度；（2）当温度升至预定温度后，通过真空系统抽出保护性气体，并通入待分解的PFCs气体，密闭反应条件下进行反应，反应时间为：30～40分钟；将反应器冷却到室温后，取出反应物，坩埚内反应产物自然分层，得到可回收利用的碳和金属氟化物、氯化物。本发明实现了处理PFCs的零排放，降低了能耗和处理成本。而且整个处理流程短，过程简单，加上反应条件不是很苛刻，对反应器的要求也不是很高，这样也可以降低设备的费用。

说明书

技术领域

本发明属废气处理领域，特别涉及一种铝电解及微电子工业产生的碳氟化合物的分解方法。

背景技术

全氟碳化物PFCs，主要包括CF₄ 、C₂F₆和C₃H₈等，是造成全球温室效应的高潜势气体。其中CF₄和C₂F₆的CO₂温室效应等效值分别为 6500和9200，吨铝的CF₄和C₂F₆物排放量相当于1.35吨CO₂，超过生产每吨电解铝直接产生的1.22吨CO₂。即，铝电解排放烟气中CF₄和C₂F₆对温室效应的影响超过CO₂的影响。其中90%的CF₄和C₂F₆来源于铝电解工业，其余的由微电子工业产生。我国不仅是铝生产大国，而且生产大量的微电子产品，排放大量的PFCs。因此，将CF₄、C₂F₆和C₃H₈分解或转化，减少温室气体的排放，达到国家的减排的目标，是我国急需解决的问题。

目前在微电子工业采用等离子分解法处理废气CF₄和C₂F₆。但该分解方法尽管可以消除PFCs，但在消除分解中产生CO₂、CO、COF₂或HF，需要后继多工序处理这些气体，而且由于PFCs性质稳定，也要消耗相当多的能量。空气燃烧法会产生有毒的NO_x和大量的污染废水。化学分解法还未找到一种能高效而且能大量处理PFCs的催化剂。

发明内容

本发明针对已存在处理方法的缺点，利用金属单质，包括铝、镁、钠、钙等活泼金属，分解PFCs，如CF₄、C₂F₆、C₃F₈以及氟里昂（CCl₂F₂），产生的C和金属的氟化物或氯化物，可以回收进行循环利用，也实现了PFCs的零排放，且分解率可达到93%-99%。

本发明一种铝电解及微电子工业产生的碳氟化合物的分解方法，按照以下步骤进行：

（1）将固体金属放入一个坩埚内，通过真空系统将反应器内空气抽尽，通入保护气体氩气后进行加热，加热到预定温度；

（2）当温度升至预定温度后，通过真空系统抽出保护性气体，并通入待分解的PFCs气体，密闭反应条件下进行反应，反应时间为：30～40分钟；将反应器冷却到室温后，取出反应物，坩埚内反应产物自然分层，得到可回收利用的碳和金属氟化物、氯化物。

所述固体金属为铝、镁、钠、钙。

所述预定温度，当固体金属为铝时，预定温度大于660℃，当固体金属为镁时，预定温度大于649℃；当固体金属为钠时，预定温度大于98℃，当固体金属为钙时，预定温度大于842℃。

所述预定温度，当固体金属为铝时，预定温度为700℃-950℃；当固体金属为镁时，预定温度为660℃-900℃；当固体金属为钠时，预定温度为120℃-450℃；当固体金属为钙时，预定温度为860℃-1000℃。

所述PFCs气体为CF₄、C₂F₆、C₃F₈、CCl₂F₂或者上述气体中的一种或几种按照任意比混合。

本发明中金属与气体反应后的反应产物均为金属氟化物和碳粉。反应过程金属和气体的相对的加入量按照反应产物为金属氟化物(当分解CCl₂F₂时产物为氟化物何氯化物)和碳粉的化学计量计算加入。

本发明的优点是：反应所需要的原料较廉价易得，特别对金属铝而言，电解产生的铝液可直接注入反应器，减少了把金属熔化所需要的热量，此反应为放热反应，反应过程中会放出热量，可以弥补由于散热损失的热量，降低外界向反应器提供能量用于维持反应。铝的价电子为3，分解单位体积的的PFCs所消耗的反应物铝也较少。反应后得到的产物由于密度的不同，静置冷却后分层，这样为产物的回收提供了可能。产生的碳送回炭阳极厂生产炭阳极，金属的氟化物可作为电解质或添加剂加入到电解槽中补充消耗的电解质。这样整个反应过程的物质和能量既得到了高效利用，产物也能完全得到回收再利用，实现了处理PFCs的零排放，降低了能耗和处理成本。而且整个处理流程短，过程简单，加上反应条件不是很苛刻，对反应器的要求也不是很高，这样也可以降低设备的费用。 

具体实施方式

下面通过实施例对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例1

本发明用铝处理铝电解槽电解产生的烟气PFCs。

将固体铝放入一个坩埚内，通过真空泵将反应器内空气抽尽，通入保护气体氩气后进行加热。加热到700℃后，抽出保护性气体并通入CF₄气体后在密闭反应条件下进行反应，30分钟后，冷却后产物都分为颜色明显的三层，第一层为AlF₃，中间一层为反应产物C，最下面一层为未反应的Al， 700℃下CF₄ 的反应分解率达到95%。

实施例2

本发明用铝处理铝电解槽电解产生的烟气PFCs。

将固体铝放入一个坩埚内，通过真空泵将反应器内空气抽尽，通入保护气体氩气后进行加热。加热到730℃后，抽出保护性气体并通入CF₄气体后在密闭反应条件下进行反应，35分钟后，冷却后产物都分为颜色明显的三层，第一层为AlF₃，中间一层为反应产物C，最下面一层为未反应的Al， 700℃下CF₄ 的反应分解率达到97%。

实施例3

本发明用铝处理铝电解槽电解产生的烟气PFCs。

将固体铝放入一个坩埚内，通过真空泵将反应器内空气抽尽，通入保护气体氩气后进行加热。加热到830℃后，抽出保护性气体并通入CF₄气体后在密闭反应条件下进行反应，35分钟后，冷却后产物都分为颜色明显的三层，第一层为AlF₃，中间一层为反应产物C，最下面一层为未反应的Al，830℃下CF₄ 的反应分解率达到99%。

实施例4

本发明用铝处理铝电解槽电解产生的烟气PFCs。

将固体铝放入一个坩埚内，通过真空泵将反应器内空气抽尽，通入保护气体氩气后进行加热。加热到914℃℃后，抽出保护性气体并通入CF₄气体后在密闭反应条件下进行反应，40分钟后，冷却后产物都分为颜色明显的三层，第一层为AlF₃，中间一层为反应产物C，最下面一层为未反应的Al，830℃下CF₄ 的反应分解率达到98%。

实施例5

将固体铝放入一个坩埚内，通过真空泵将反应器内空气抽尽，通入保护气体氩气后进行加热。加热到700℃后，抽出保护性气体并通入C₂F₆气体后在密闭反应条件下进行反应，35分钟后，冷却后产物都分为颜色明显的三层，第一层为AlF₃，中间一层为反应产物C，最下面一层为未反应的Al， 700℃下C₂F₆ 的反应分解率达到93%。

实施例6

本发明用铝处理铝电解槽电解产生的烟气PFCs。

将固体铝放入一个坩埚内，通过真空泵将反应器内空气抽尽，通入保护气体氩气后进行加热。加热到730℃后，抽出保护性气体并通入C₂F₆气体后在密闭反应条件下进行反应，35分钟后，冷却后产物都分为颜色明显的三层，第一层为AlF₃，中间一层为反应产物C，最下面一层为未反应的Al， 730℃下C₂F₆ 的反应分解率达到96%。

实施例7

本发明用铝处理铝电解槽电解产生的烟气PFCs。

将固体铝放入一个坩埚内，通过真空泵将反应器内空气抽尽，通入保护气体氩气后进行加热。加热到830℃后，抽出保护性气体并通入C₂F₆气体后在密闭反应条件下进行反应，35分钟后，冷却后产物都分为颜色明显的三层，第一层为AlF₃，中间一层为反应产物C，最下面一层为未反应的Al，830℃下C₂F₆ 的反应分解率达到96%。

实施例8

本发明用铝处理铝电解槽电解产生的烟气PFCs。

将固体铝放入一个坩埚内，通过真空泵将反应器内空气抽尽，通入保护气体氩气后进行加热。加热到914℃后，抽出保护性气体并通入C₂F₆气体后在密闭反应条件下进行反应，35分钟成后，冷却后产物都分为颜色明显的三层，第一层为AlF₃，中间一层为反应产物C，最下面一层为未反应的Al，830℃下C₂F₆ 的反应分解率达到97%。

实施例9       

将固体镁放入一个坩埚内，通过真空泵将反应器内空气抽尽，通入保护气体氩气后进行加热。加热到660℃后，抽出保护性气体并通入CF₄气体后在密闭反应条件下进行反应，30分钟后，反应完成冷却后产物得到MgF₂和C，660℃下CF₄ 的反应分解率达到96%。

 实施例10     

将固体镁放入一个坩埚内，通过真空泵将反应器内空气抽尽，通入保护气体氩气后进行加热。加热到750℃后，抽出保护性气体并通入CF₄气体后在密闭反应条件下进行反应，30分钟后，反应完成冷却后产物得到MgF₂和C，750℃下CF₄ 的反应分解率达到99%。

实施例11     

将固体镁放入一个坩埚内，通过真空泵将反应器内空气抽尽，通入保护气体氩气后进行加热。加热到790℃后，抽出保护性气体并通入CF₄气体后在密闭反应条件下进行反应，30分钟后，反应完成冷却后产物得到MgF₂和C，790℃下CF₄ 的反应分解率达到99%。

实施例12

将固体镁放入一个坩埚内，通过真空泵将反应器内空气抽尽，通入保护气体氩气后进行加热。加热到690℃后，抽出保护性气体并通入C₂F₆气体后在密闭反应条件下进行反应，30分钟后，反应完成冷却后产物得到MgF₂和C，690℃下CF₄ 的反应分解率达到98%。

实施例13

将固体镁放入一个坩埚内，通过真空泵将反应器内空气抽尽，通入保护气体氩气后进行加热。加热到750℃后，抽出保护性气体并通入C₂F₆气体后在密闭反应条件下进行反应，30分钟后，反应完成冷却后产物得到MgF₂和C，750℃下CF₄ 的反应分解率达到99%。

实施例14

将固体镁放入一个坩埚内，通过真空泵将反应器内空气抽尽，通入保护气体氩气后进行加热。加热到790℃后，抽出保护性气体并通入C₂F₆气体后在密闭反应条件下进行反应，30分钟后，反应完成冷却后产物得到MgF₂和C，790℃下CF₄ 的反应分解率达到99%。

实施例15

将固体镁放入一个坩埚内，通过真空泵将反应器内空气抽尽，通入保护气体氩气后进行加热。加热到790℃后，抽出保护性气体并通入C₂F₆气体后在密闭反应条件下进行反应，30分钟后，反应完成冷却后产物得到MgF₂和C，790℃下CF₄ 的反应分解率达到99%。

实施例16

将固体钠放入一个坩埚内，通过真空泵将反应器内空气抽尽，通入保护气体氩气后进行加热。加热到450℃后，抽出保护性气体并通入CF₄气体后在密闭反应条件下进行反应，30分钟后，反应完成冷却后产物得到NaF和C，450℃下CF₄ 的反应分解率达到98%。

实施例17

将固体钠放入一个坩埚内，通过真空泵将反应器内空气抽尽，通入保护气体氩气后进行加热。加热到600℃后，抽出保护性气体并通入CF₄气体后在密闭反应条件下进行反应，40分钟后，反应完成冷却后产物得到NaF和C，600℃下CF₄ 的反应分解率达到98%。

实施例18

将固体钠放入一个坩埚内，通过真空泵将反应器内空气抽尽，通入保护气体氩气后进行加热。加热到700℃后，抽出保护性气体并通入CF₄气体后在密闭反应条件下进行反应，40分钟后，反应完成冷却后产物得到NaF和C，700℃下CF₄ 的反应分解率达到98%。

实施例19

将固体钙放入一个坩埚内，通过真空泵将反应器内空气抽尽，通入保护气体氩气后进行加热。加热到860℃后，抽出保护性气体并通入CF₄气体后在密闭反应条件下进行反应，40分钟后，反应完成冷却后产物得到CaF₂和C，900℃下CF₄ 的反应分解率达到98%。

实施例20

将固体钙放入一个坩埚内，通过真空泵将反应器内空气抽尽，通入保护气体氩气后进行加热。加热到950℃后，抽出保护性气体并通入C₂F₆气体后在密闭反应条件下进行反应，40分钟后，反应完成冷却后产物得到CaF₂和C，950℃下C₂F₆ 的反应分解率达到98%。

实施例21

将固体钙放入一个坩埚内，通过真空泵将反应器内空气抽尽，通入保护气体氩气后进行加热。加热到1000℃后，抽出保护性气体并通入C₃H₈气体后在密闭反应条件下进行反应，40分钟后，反应完成冷却后产物得到CaF₂和C，1000℃下C₃H₈ 的反应分解率达到98%。

实施例22

将固体铝放入一个坩埚内，通过真空泵将反应器内空气抽尽，通入保护气体氩气后进行加热。加热到750℃后，抽出保护性气体并通入CCl₂F₂气体后在密闭反应条件下进行反应，40分钟后，反应完成冷却后产物得到AlCl₃、AlF₃和C，750℃下CCl₂F₂的反应分解率达到96%。

实施例23

将固体镁放入一个坩埚内，通过真空泵将反应器内空气抽尽，通入保护气体氩气后进行加热。加热到730℃后，抽出保护性气体并通入CCl₂F₂气体后在密闭反应条件下进行反应，40分钟后，反应完成冷却后产物得到MgCl₂、MgF₂和C，750℃下CCl₂F₂的反应分解率达到96%。

实施例24

将固体钠放入一个坩埚内，通过真空泵将反应器内空气抽尽，通入保护气体氩气后进行加热。加热到700℃后，抽出保护性气体并通入CCl₂F₂气体后在密闭反应条件下进行反应，40分钟后，反应完成冷却后产物得到NaCl、NaF和C，700℃下CCl₂F₂的反应分解率达到96%。

 

实施例24

将固体钙放入一个坩埚内，通过真空泵将反应器内空气抽尽，通入保护气体氩气后进行加热。加热到950℃后，抽出保护性气体并通入CCl₂F₂气体后在密闭反应条件下进行反应，40分钟后，反应完成冷却后产物得到CaCl₂、CaF₂和C，950℃下CCl₂F₂的反应分解率达到96%。

实施例25

将固体铝放入一个坩埚内，通过真空泵将反应器内空气抽尽，通入保护气体氩气后进行加热。加热到950℃后，抽出保护性气体并通入CCl₂F₂气体后在密闭反应条件下进行反应，40分钟后，反应完成冷却后产物得到AlCl₃、AlF₃和C，950℃下CCl₂F₂的反应分解率达到96%。

实施例26

将固体镁放入一个坩埚内，通过真空泵将反应器内空气抽尽，通入保护气体氩气后进行加热。加热到900℃后，抽出保护性气体并通入CCl₂F₂气体后在密闭反应条件下进行反应，40分钟后，反应完成冷却后产物得到MgCl₂、MgF₂和C，900℃下CCl₂F₂的反应分解率达到96%。

实施例27

将固体钠放入一个坩埚内，通过真空泵将反应器内空气抽尽，通入保护气体氩气后进行加热。加热到120℃后，抽出保护性气体并通入CF₄气体后在密闭反应条件下进行反应，30分钟后，反应完成冷却后产物得到NaF和C，120℃下CF₄ 的反应分解率达到93%。