Thermogravimetric analysis was used to investigate the kinetics of the conversion of rice hulls to $Si_3N_4$ in the temperature range from 1195℃ to 1350℃.
It is postulated that the reaction rate controlling step in the overall process is the diffusion of CO gas from the surface of carbon particles to main body of $N_2$ gas fluid through the gas film around the carbon particles.
The kinetics followed a nearly linear rate law at initial reaction stage. Without any catalyst, the experimental activation energy for the formation of $Si_3N_4$ from Korean rice hulls is 43.5 kcal/mole.
The effect of Fe and CaO as a catalyst was investigated. The reaction rete was enhanced with increasing surface area of catalyst.
한국산 왕겨를 원료로 하여 온도 약 1195℃ ~ 1370℃ 범위에서 $N_2$ gas 와 반응시켜 silicon nitride 를 얻었다. 이때 반응식은 아래와 같다.
$3SiO_2 + 6C + 2N_2 \longrightarrow Si_3N_4 + 6CO$
위 반응의 reaction rate controlling step 은 SiO gas 와 carbon이 반응하여 발생된 CO gas 가 carbon particle 주위를 감싸고 있는 gas film층을 통과하여 gas fluid의 main body로 diffusion하여 나가는 과정임을 실험결과로 부터 찾아 내었다.
본 반응의 반응속도를 증가시키기 위하여 Fe 를 촉매제로 사용하였으며, 이때 Fe 분말을 기계적으로 혼합하여 첨가하는 것 보다 Fe 를 화학적인 방법으로 첨가하는 것이 Fe 의 촉매효과를 훨씬 더 증진시킬 수 있었다.
본 반응의 activation energy는 촉매를 사용치 않을 경우 43.5 Kcal/mole이며, 촉매 Fe 를 화학적으로 0.33 wt.% 첨가할 경우는 42.3 Kcal/mole이다.
