CN102249240A

CN102249240A - 利用硅藻土制备高纯单质硅的制备方法

Info

Publication number: CN102249240A
Application number: CN2011101521943A
Authority: CN
Inventors: 陈雪刚; 叶瑛; 朱旭恒; 刘舒婷; 张奥博; 李海晏; 潘丽; 邵苏东
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2011-06-08
Filing date: 2011-06-08
Publication date: 2011-11-23

Abstract

本发明公开了一种利用硅藻土制备高纯单质硅的制备方法。通过简单的两个步骤：首先通过酸处理去除硅藻土中的杂质，随后通过金属热反应将其中的SiO₂还原成为单质硅。由于硅藻土呈多孔状，结构松散，其中的杂质易于去除，因此所得单质硅的纯度在99%以上，有利于直接应用或进行进一步加工处理。本发明提出的利用硅藻土制备高纯单质硅的方法，原材料来源广泛，工艺流程简单，具有极强的经济价值和应用前景。

Description

利用硅藻土制备高纯单质硅的制备方法

技术领域

本发明涉及化合物的制备方法，尤其涉及一种利用硅藻土制备高纯单质硅的制备方法。

背景技术

硅藻土简介及利用现状：硅藻土是一种硅质岩石，是由硅藻死亡后经过1至2万年左右的堆积期形成的，主要分布在中国、美国、丹麦、法国、苏联、罗马尼亚等国。硅藻土化学成份主要是SiO₂，含有少量Al₂O₃、Fe₂O₃、CaO、MgO、K₂O、Na₂O、P₂O₅和有机质。SiO₂通常占80%以上，最高可达94%。硅藻土具有一些独特的性能，如多孔性、比表面积大、化学稳定性好等，在对原土进行粉碎、分选、煅烧、气流分级、去杂等加工工序改变其粒度分布状态及表面性质后，可适用于多种工业要求。硅藻土是一种十分重要的非金属矿产。目前广泛应用于化工生产中的触媒载体，油漆、橡胶、造纸中的填充料，食品工业中的过滤、漂白剂，隔热、隔音材料，以及石油精炼、陶瓷、玻璃、钢铁、冶金热处理等。

单质硅的应用及研究现状：高纯度的单质硅（Si）是信息产业的核心材料．地壳中含有大量的硅元素，它的含量仅次于相同种类的氧。目前制备单质硅主要采用如下方法：①SiO₂+2C===Si+2CO↑②Si + 2Cl₂===SiCl₄ SiCl₄+ 2H₂=== Si + 4HCl。两种方法都需要高温环境（1200度以上）。单质硅的应用十分广泛，通过提拉后得到高纯的单晶硅是重要的半导体材料。在单晶硅中掺入微量的第IIIA族元素，形成p型硅半导体；掺入微量的第VA族元素，形成n型和p型半导体结合在一起，将是优异的太阳能电池，在开发能源方面是一种很有前途的材料。将单质硅与陶瓷混合烧结，继承了金属和陶瓷的各自的优点，又弥补了两者的先天缺陷，是金属陶瓷、宇宙航行的重要材料。此外，采用单质硅为原料还可制备高性能的二氧化硅纤维、硅溶胶和聚氧硅材料等。

由于硅藻土呈多孔状，结构松散，其中的杂质易于去除，因此采用硅藻土为原料，通过低温合成技术所得单质硅的纯度在99%以上，有利于直接应用或进行进一步加工处理。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种利用硅藻土制备高纯单质硅的制备方法。

利用硅藻土制备高纯单质硅的制备方法的步骤如下：

1)将硅藻土充分粉碎至100～10000目，在0.1～1.0 mol/L的稀盐酸溶液中浸泡1～24 h，以去除其中的杂质；

2)将步骤1）的产物60～150 ^oC烘干后与产物质量50%～100%的金属还原剂粉末充分混合，放入炉中，隔绝空气或在惰性气体的保护下500～800 ^oC煅烧0.5～12 h；冷却后取出，产物在0.1～1.0 mol/L的稀盐酸溶液中浸泡1～24 h，烘干后即得纯度超过99%的单质硅。

所述的硅藻土为天然产出的硅质岩石，其主要成分为无定形SiO₂；所述的金属还原剂为单质镁粉或铝粉中的一种或两种；在于所述的惰性气体为高纯氮气或高纯氩气。

本发明提出的利用硅藻土制备高纯单质硅的方法，原材料来源广泛，工艺流程简单；硅藻土呈多孔状，结构松散，其中的杂质易于去除，因此所得单质硅的纯度在99%以上，有利于直接应用或进行进一步加工处理；单质硅的全球需求量极大，应用极广，因此本发明具有极强的经济价值和应用前景。

具体实施方式

利用硅藻土制备高纯单质硅的制备方法的步骤如下：

1)去除硅藻土中的Al₂O₃、MgO、CaO等氧化物杂质。由于硅藻土呈多孔状，结构松散，其中的氧化物杂质并未进入矿物晶格内部而易于去除。因此，将硅藻土在稀盐酸中充分浸泡即可去除其中的氧化物杂质。

2)单质硅的制备。将提纯后的硅藻土烘干后与一定量的金属还原剂粉末如金属镁粉、金属铝粉等充分混合，隔绝空气或在惰性气体的保护下500～800 ^oC煅烧0.5～12 h。采用金属还原剂粉末作为还原剂和加热媒介可以大幅降低单质硅的合成温度（传统方法需在1500 ^oC以上），不仅降低了能耗，节约了成本，还降低了对设备的需求。具体的反应方程式如下（以镁粉为例）：

SiO₂ + 2Mg → Si + 2MgO

Si + 2Mg → Mg₂Si（伴生反应）

生成的氧化镁、硅化镁等杂质同样可以通过稀盐酸浸泡去除。烘干后即得纯度超过99%的单质硅。

下面结合实施例进一步说明本发明。

实施例1: 以稻壳为原料

1)将10 g硅藻土充分粉碎至100目，在1.0 mol/L的稀盐酸溶液中浸泡1 h，以去除其中的杂质；

2)将步骤1）的产物60 ^oC烘干后与5 g金属镁粉充分混合，放入炉中，隔绝空气或在惰性气体的保护下500 ^oC煅烧12 h；冷却后取出，产物在1.0 mol/L的稀盐酸溶液中浸泡1 h，烘干后即得纯度超过99%的单质硅。

实施例2: 以稻秆为原料

1)将10 g硅藻土充分粉碎至10000目，在0.1 mol/L的稀盐酸溶液中浸泡24 h，以去除其中的杂质；

2)将步骤1）的产物150 ^oC烘干后与10 g金属镁粉充分混合，放入炉中，隔绝空气或在惰性气体的保护下800 ^oC煅烧0.5 h；冷却后取出，产物在0.1 mol/L的稀盐酸溶液中浸泡24 h，烘干后即得纯度超过99%的单质硅。

实施例3: 以麦麸为原料

1)将10 g硅藻土充分粉碎至2000目，在0.2 mol/L的稀盐酸溶液中浸泡12 h，以去除其中的杂质；

2)将步骤1）的产物80 ^oC烘干后与6 g金属镁粉充分混合，放入炉中，隔绝空气或在惰性气体的保护下600 ^oC煅烧8 h；冷却后取出，产物在0.2 mol/L的稀盐酸溶液中浸泡12 h，烘干后即得纯度超过99%的单质硅。

实施例4: 以玉米秸秆为原料

1)将10 g硅藻土充分粉碎至4000目，在0.4 mol/L的稀盐酸溶液中浸泡8 h，以去除其中的杂质；

2)将步骤1）的产物90 ^oC烘干后与7 g金属镁粉充分混合，放入炉中，隔绝空气或在惰性气体的保护下700 ^oC煅烧6 h；冷却后取出，产物在0.4 mol/L的稀盐酸溶液中浸泡8 h，烘干后即得纯度超过99%的单质硅。

实施例5: 以玉米芯为原料

1)将10 g硅藻土充分粉碎至6000目，在0.6 mol/L的稀盐酸溶液中浸泡6 h，以去除其中的杂质；

2)将步骤1）的产物120 ^oC烘干后与8 g金属镁粉充分混合，放入炉中，隔绝空气或在惰性气体的保护下650 ^oC煅烧5 h；冷却后取出，产物在0.6 mol/L的稀盐酸溶液中浸泡6 h，烘干后即得纯度超过99%的单质硅。

实施例6: 以麦秆为原料

1)将10 g硅藻土充分粉碎至8000目，在0.8 mol/L的稀盐酸溶液中浸泡3 h，以去除其中的杂质；

2)将步骤1）的产物100 ^oC烘干后与9 g金属镁粉充分混合，放入炉中，隔绝空气或在惰性气体的保护下750 ^oC煅烧2 h；冷却后取出，产物在0.8 mol/L的稀盐酸溶液中浸泡3 h，烘干后即得纯度超过99%的单质硅。

Claims

1.一种利用硅藻土制备高纯单质硅的制备方法，其特征在于它的步骤如下：

1)将硅藻土充分粉碎至100～10000目，在0.1～1.0 mol/L的稀盐酸溶液中浸泡1～24 h；

2.根据权利要求1所述的利用硅藻土制备高纯单质硅的制备方法，其特征在于所述的硅藻土为天然产出的硅质岩石，其主要成分为无定形SiO₂。

3.根据权利要求1所述的利用硅藻土制备高纯单质硅的制备方法，其特征在于所述的金属还原剂为单质镁粉或铝粉中的一种或两种。

4.根据权利要求1所述的利用硅藻土制备高纯单质硅的制备方法，其特征在于所述的惰性气体为高纯氮气或高纯氩气。