CN102390832A - 一种处理三氯氢硅合成过程产生的废弃硅粉的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种处理三氯氢硅合成过程产生的废弃硅粉的方法,包括以下步骤:(1)溶剂清洗:取废弃硅粉,加入有机溶剂进行清洗,离心分离,分别收集离心溶液和沉淀物;(2)去离子水洗涤:用去离子水洗涤沉淀物,干燥,筛分,制得硅粉混合物;(3)酸浸:取步骤(2)中制得的硅粉混合物,加入酸液进行浸泡,离心分离固液,取固体进行去离子水洗涤,干燥,即得再生硅粉。本发明能够处理含有油污和难溶性无机盐的废弃硅粉,将其回收利用制成高纯度的再生硅粉,并重新用作三氯氢硅合成过程的原料,达到了资源回收再利用程度的最大化,具有巨大的经济效益和社会效益。

Description

一种处理三氯氢硅合成过程产生的废弃硅粉的方法
技术领域
本发明涉及工业废弃物的处理,尤其涉及一种处理三氯氢硅合成过程产生的废弃硅粉的方法。
背景技术
三氯氢硅(Trichlorosilane,简称TCS)是生产多晶硅的重要原料,通常由硅粉与氯化氢气体合成反应制备而来。
三氯氢硅合成过程中不可避免的会产生废弃硅粉。废弃硅粉主要来源于:(1)硅粉车间加料过程散落在地面及设备上的硅粉;(2)硅粉输送系统排气过程中带出的硅粉;(3)因漂浮、沉降或反应不完全而产生的硅粉;(4)流化床设备故障、停车修理或排放产生的硅粉(三氯氢硅合成过程中流化床面临的工作环境恶劣,其常因持续的高温、酸性气体的腐蚀、固体颗粒的撞击等多种作用导致管道堵塞和加热器底部磨破等设备损坏),大部分废弃硅粉来源于此。
目前用于合成三氯氢硅的原料硅粉为冶金级,成本已高达2万元/吨。如果上述废弃硅粉被直接丢弃,将导致严重的资源浪费并且将对排放环境造成污染。如果废弃硅粉仅被用作一般性的工业原料,将不能最大化其经济价值。因此,将废弃硅粉合理回收和利用具有重要的现实意义。
公开号为CN 1760124A的中国专利文件公开了一种针对以铜为主的催化剂和硅粉混合反应生产有机硅时因漂浮、沉降和反应不完全等原因产生的废硅粉进行复活再生的方法。该方法具体为:先用有机溶剂(如乙醇,溶解度参数为26.0J1/2cm-3/2)洗去废硅粉表面的有机污染物,加入硫酸将金属氧化物反应完全溶剂除去,再以硝酸为催化剂,用硫酸洗涤,控制反应温度为75~80℃,保温搅拌24小时,使废硅粉中的金属铜溶解完全,酸洗液重复使用至pH值至1~1.5时回收,固体部分为复活的硅粉,水洗至pH值约为7时晾干。然而,该方法中所针对的废硅粉主要为因漂浮、沉降和反应不完全等原因产生的废硅粉,其中杂质种类较少(主要以有机污染物、金属氧化物氧化铜、氧化锌和氧化铁为主),因此该方法适用范围窄,该方法对于含油以及含有难溶的无机盐的废弃硅粉处理起来较困难。另一方面,该方法仅能复活生产出合格的工业硅粉,硅粉的纯度不够高,且没有对有机溶剂进行回收再利用,经济效益和环保效应不够明显。
发明内容
为解决上述问题,本发明旨在提供一种处理三氯氢硅合成过程产生的废弃硅粉的方法,该方法能够用于处理含有包括导热油、灰尘、污泥、有机质、金属、金属氧化物、纤维素、塑料和/或橡胶类等多种杂质的废弃硅粉,将其回收利用制成高纯度的硅粉,并重新用作三氯氢硅合成过程的原料,达到了资源回收再利用程度的最大化,从而降低了三氯氢硅合成过程的生产成本,具有巨大的经济效益和社会效益。
本发明提供了一种处理三氯氢硅合成过程产生的废弃硅粉的方法,包括以下步骤:
(1)溶剂清洗:取废弃硅粉,加入有机溶剂进行清洗,离心分离,分别收集离心溶液和沉淀物;
(2)去离子水洗涤:用去离子水洗涤沉淀物,干燥,筛分,制得硅粉混合物;
(3)酸浸:取步骤(2)中制得的硅粉混合物,加入酸液进行浸泡,离心分离固液,取固体进行去离子水洗涤,干燥,即得再生硅粉。
本发明步骤(1)中,废弃硅粉来源于三氯氢硅合成过程,其中可能含有导热油、灰尘、污泥、有机质、金属、金属氧化物、纤维素、塑料和/或橡胶类等多种杂质。对于此,本发明采用有机溶剂清洗的方法去除废弃硅粉表面的氢化三联苯等油性物质,然后通过离心分离,得到主要成分为硅粉、金属、金属氧化物、无机盐、有机质、橡胶和/或塑料等组分的沉淀物和离心溶液。依废弃硅粉的污染程度不同,清洗强度可以进行调整。优选地,清洗时间为0.1~12小时,搅拌速度为30~60转/分钟。优选地,清洗温度为20~30℃。优选地,废弃硅粉与有机溶剂的质量固液比为0.5~3∶1。优选地,清洗次数为1~5次。优选地,有机溶剂为溶解度参数为14.9~21.5J1/2cm-3/2的有机溶剂。更优选地,有机溶剂选自丙酮、甲乙酮、环己酮、乙酸乙酯、二硫化碳和二乙基醚中的一种或几种。这是根据溶解度参数相近原则,溶剂的溶解度参数和溶质的溶解度参数差越小,越有利于溶解。油性物质属于非极性物质或弱极性物质,其溶解度参数较低,为此,选择溶解度参数或极性与油性溶质相近的溶剂,更利于溶质和溶剂充分相溶。离心分离,分别收集离心溶液和沉淀物。
步骤(2)中,用去离子水洗涤沉淀物,去除固体混合物中的易溶于水的灰分、泥浆和无机盐杂质,直至液体变得较为清明为止。优选地,去离子水洗涤的次数为3~10次。
去离子水洗涤后的沉淀物经干燥制得含水量低于3%的固体混合物,随后进行筛分,去除其中的长条形的纤维素、橡胶、塑料等杂质,收集粒径为74um~500um的硅粉混合物。
步骤(3)中,取步骤(2)中制得的硅粉混合物,加入酸液进行浸泡,溶解其中的杂质(例如金属、金属氧化物、以及难溶于水的无机盐)。
酸液可以选自无机酸和/或有机酸,其中,无机酸选自盐酸、硫酸、硝酸、高氯酸和氢氟酸中的一种或几种,有机酸选自磺酸、羧酸和烃基酸的一种或几种。磺酸可以为苯磺酸,羧酸可以为乙二酸,烃基酸可以为柠檬酸。优选地,酸液为硝酸、盐酸、高氯酸和氢氟酸中的一种或几种。
优选地,浸泡过程中还可以加入氧化剂和/或螯合剂。氧化剂和螯合剂的作用在于对硅粉混合物进行纯化,从而提高再生硅粉的纯度。同时也可加入去离子水。
氧化剂可以为臭氧或双氧水。优选地,氧化剂为双氧水。
螯合剂可以为无机金属螯合剂和有机金属螯合剂。其中,无机金属螯合剂包含聚磷酸盐等。有机金属螯合剂包含羧酸型、有机多元膦酸和聚羧酸。羧酸型螯合剂又包含氨基羧酸型、羟基羧酸类和羟氨基羧酸类。优选地,螯合剂为氨基羧酸型螯合剂。更优选地,螯合剂选自二胺四乙酸(EDTA)、氨基三乙酸(又称次氮基三乙酸NTA)、二亚乙基三胺五乙酸及其盐中的一种或几种。最优选地,螯合剂为氨基三乙酸。
考虑到本发明涉及的废弃硅粉中含有的杂质含量(主要是金属元素)在1.0%~5.0%之间。一方面,可以通过调整酸液、氧化剂的用量来适应金属元素和有机质杂质含量的变化;另一方面,由于废弃硅粉的金属杂质的成分比较复杂,对于这些在酸液中溶解度较低的金属元素化合物,则可以通过添加螯合剂,通过其对金属元素的螯合作用,破坏其在原有溶液的平衡,加速金属元素的溶解。为了在效果与成本之间取得平衡,可以根据废弃硅粉的污染程度和污染物种类的不同,可以对废弃硅粉、酸液、氧化剂、螯合剂和/或去离子水的含量进行调整。
优选地,硅粉混合物∶酸液的质量比为100∶10~200。更优选地,硅粉混合物∶酸液∶氧化剂∶螯合剂∶去离子水的质量比为100∶10~200∶1~150∶1~50∶80~320。再优选地,硅粉混合物∶酸液∶氧化剂∶螯合剂∶去离子水的质量比为100∶74~90∶50~90∶16~30∶150~268。以及再优选地,硅粉混合物∶酸液∶氧化剂∶螯合剂∶去离子水的质量比为100∶74∶90∶16∶268。
上述酸浸处理过程可以进行一次或多次。优选地,酸浸的温度为20~85℃,处理时间为0.5~48小时。
离心分离固液,取固体进行去离子水洗涤,直至清洗液的pH值约为7为止。优选地,去离子水洗涤的次数为3~10次。干燥,直至再生硅粉中的水分含量低于0.3%,即得纯度为99.0%~99.9%(除水分外)的再生硅粉。优选地,干燥温度为60~150℃,干燥时间为2~8小时。
以及,为了充分实现对资源的利用,优选地,本发明进一步包括步骤(4):有机溶剂回收:取步骤(1)中收集的离心溶液,进行蒸馏或精馏分离高沸点油性物质和低沸点有机溶剂,低沸点有机溶剂返回步骤(1)中重复利用。其中,高沸点油性物质可以为氢化三联苯、联苯、联苯醚等芳烃类及其衍生物。低沸点有机溶剂可以为溶解度参数为14.9~21.5J1/2cm-3/2的有机溶剂。
本发明提供的一种处理三氯氢硅合成过程产生的废弃硅粉的方法,根据废弃硅粉的氢化三联苯等油性污染源、金属、金属氧化、硅酸盐、有机质等污染物杂质种类,引入溶解度参数为14.9~21.5J1/2cm-3/2的有机溶剂洗涤,以及通过酸浸和纯化处理,具有以下有益效果:
(1)能够用于处理含有包括导热油、灰尘、污泥、有机质、金属、金属氧化物、纤维素、塑料和/或橡胶类等多种杂质的废弃硅粉;
(2)将上述废弃硅粉回收利用制成高纯度的硅粉,能够满足太阳能级多晶硅生产用三氯氢硅的需求,达到了资源回收再利用程度的最大化,从而降低了三氯氢硅合成过程的生产成本,提高了多晶硅产品的成本竞争力;
(3)对有机溶剂进行循环回收再利用,节约了成本,实现了资源的最大化利用;
(4)工艺简单,绿色环保,适于工业化。
附图说明
图1为本发明实施例的流程示意图。
具体实施方式
以下所述是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。图1为本发明实施例的流程示意图。
实施例一
一种处理三氯氢硅合成过程产生的废弃硅粉的方法,包括以下步骤:
(1)溶剂清洗
取硅含量为97.2%(按质量分数计)的废弃硅粉为主要原料,其主要杂质成分为导热油氢化三联苯0.83%,其它为金属、金属氧化物、有机质、纤维素、橡胶和塑料等物质。先将废弃硅粉与有机溶剂丙酮按1∶1的质量固液比混合,在常温(25℃)下,搅拌、清洗10分钟后通过离心分离,分别收集离心溶液和主要成分为硅粉的沉淀物。重复上述清洗步骤3次。
(2)去离子水洗涤
用去离子水洗涤沉淀物6遍,去除固体混合物中的易溶于水的灰分、泥浆和无机盐杂质,直至液体变得较为清明为止。沉淀物与去离子水的质量固液比为3∶2。固液分离后,将沉淀物置于120℃鼓风干燥6小时,筛网过筛,得到粒径为74um~500um的硅粉混合物。
(3)酸浸
取步骤(2)中制得的硅粉混合物,按照硅粉混合物∶盐酸(37wt%)∶硝酸(70wt%)∶双氧水(30wt%)∶氢氟酸(40wt%)∶去离子水的质量比为100∶36∶38∶90∶16∶268的比例混合,于25℃浸泡24小时。离心分离固液,取固体进行去离子水洗涤,直至溶液的pH值呈中性,得到纯度为99.7%(除水分外)的再生硅粉。
实施例二
一种处理三氯氢硅合成过程产生的废弃硅粉的方法,包括以下步骤:
(1)溶剂清洗
取硅含量为96.5%(按质量分数计)的废弃硅粉为主要原料,其主要杂质成分为导热油氢化三联苯1.24%,其它为金属、金属氧化物、有机质、纤维素、橡胶和塑料等物质。先将废弃硅粉与有机溶剂丙酮按2∶1的质量固液比混合,在常温(25℃)下,搅拌、清洗30分钟后通过离心分离,分别收集离心溶液和主要成分为硅粉的沉淀物。重复上述清洗步骤4次。
(2)去离子水洗涤
用去离子水洗涤沉淀物8遍,去除固体混合物中的易溶于水的灰分、泥浆和无机盐杂质,直至液体变得较为清明为止。沉淀物与去离子水的质量固液比为3∶2。将沉淀物置于120℃鼓风干燥6小时,筛网过筛,得到粒径为74um~500um的硅粉混合物。
(3)酸浸
取步骤(2)中制得的硅粉混合物,按照硅粉混合物∶盐酸(37wt%)∶硝酸(70wt%)∶双氧水(30wt%)∶去离子水的质量比为100∶36∶38∶90∶268的比例混合,于37℃浸泡48小时。离心分离固液,取固体进行去离子水洗涤,直至溶液的pH值呈中性。清洗后的固体用氢氟酸进行二次酸浸,清洗后的固体∶氢氟酸(40wt%)∶去离子水的质量比为100∶27∶150。浸泡时间为24小时,离心分离固液,分离后得到的固体用去离子水反复清洗,直至液体的pH值为中性,最后经干燥,得到纯度为99.2%(除水分外)的再生硅粉。
实施例三
一种处理三氯氢硅合成过程产生的废弃硅粉的方法,包括以下步骤:
(1)溶剂清洗
取硅含量为95.2%(按质量分数计)的废弃硅粉为主要原料,其主要杂质成分为导热油氢化三联苯1.50%,其它为金属、金属氧化物、有机质、纤维素、橡胶和塑料等物质。先将废弃硅粉与有机溶剂丙酮按2∶1的质量固液比混合,在常温(25℃)下,搅拌、清洗10分钟后通过离心分离,分别收集离心溶液和主要成分为硅粉的沉淀物。重复上述清洗步骤5次。
(2)去离子水洗涤
用去离子水洗涤沉淀物6遍,去除固体混合物中的易溶于水的灰分、泥浆和无机盐杂质,直至液体变得较为清明为止。沉淀物与去离子水的质量固液比为3∶2。将沉淀物置于120℃鼓风干燥6小时,筛网过筛,得到粒径为74um~500um的硅粉混合物。
(3)酸浸
取步骤(2)中制得的硅粉混合物,按照硅粉混合物∶盐酸(37wt%)∶硝酸(70wt%)∶高氯酸(50wt%)∶双氧水(30wt%)∶氨基三乙酸∶去离子水的质量比为100∶16∶38∶30∶90∶16∶268的比例混合,于20℃浸泡24小时。离心分离固液,取固体进行去离子水洗涤,直至溶液的pH值呈中性。清洗后的固体用氢氟酸进行二次酸浸,清洗后的固体∶氢氟酸(40wt%)∶去离子水的质量比为100∶27∶150。浸泡时间为24小时,离心分离固液,分离后得到的固体用去离子水反复清洗,直至液体的pH值为中性,最后经干燥,得到纯度为99.5%(除水分外)的再生硅粉。
实施例四
一种处理三氯氢硅合成过程产生的废弃硅粉的方法,包括以下步骤:
(1)溶剂清洗
取硅含量为97.2%(按质量分数计)的废弃硅粉为主要原料,其主要杂质成分为导热油氢化三联苯0.83%,其它为金属、金属氧化物、有机质、纤维素、橡胶和塑料等物质。先将废弃硅粉与有机溶剂乙酸乙酯按0.5∶1的质量固液比混合,在20℃下,搅拌(30转/分钟)、清洗6分钟后通过离心分离,分别收集离心溶液和主要成分为硅粉的沉淀物。重复上述清洗步骤5次。
(2)去离子水洗涤
用去离子水洗涤沉淀物3遍,去除固体混合物中的易溶于水的灰分、泥浆和无机盐杂质,直至液体变得较为清明为止。沉淀物与去离子水的质量固液比为3∶2。将沉淀物置于120℃鼓风干燥6小时,筛网过筛,得到粒径为74um~500um的硅粉混合物。
(3)酸浸
取步骤(2)中制得的硅粉混合物,按照硅粉混合物∶盐酸(37wt%)∶氢氟酸(40wt%)∶双氧水(30wt%)的质量比为100∶5∶5∶90的比例混合,于85℃浸泡0.5小时。离心分离固液,取固体进行去离子水洗涤,反复洗涤3次,直至溶液的pH呈中性,得到纯度为99.0%(除水分外)的再生硅粉。
实施例五
一种处理三氯氢硅合成过程产生的废弃硅粉的方法,包括以下步骤:
(1)溶剂清洗
取硅含量为95.2%(按质量分数计)的废弃硅粉为主要原料,其主要杂质成分为导热油氢化三联苯1.50%,其它为金属、金属氧化物、有机质、纤维素、橡胶和塑料等物质。先将废弃硅粉与有机溶剂二乙基醚按3∶1的质量固液比混合,在30℃下,搅拌(60转/分钟)、清洗12小时后通过离心分离,分别收集离心溶液和主要成分为硅粉的沉淀物。
(2)去离子水洗涤
用去离子水洗涤沉淀物10遍,去除固体混合物中的易溶于水的灰分、泥浆和无机盐杂质,直至液体变得较为清明为止。沉淀物与去离子水的质量固液比为3∶2。将沉淀物置于120℃鼓风干燥6小时,筛网过筛,得到粒径为74um~500um的硅粉混合物。
(3)酸浸
取步骤(2)中制得的硅粉混合物,按照硅粉混合物∶盐酸(37wt%)∶氢氟酸(40wt%)∶臭氧∶乙二胺四乙酸∶去离子水的质量比为100∶100∶100∶150∶50∶320的比例混合,于20℃浸泡48小时。离心分离固液,取固体进行去离子水洗涤,直至溶液的pH值呈中性,得到纯度为99.5%(除水分外)的再生硅粉。
(4)有机溶剂回收
取步骤(1)中收集的离心溶液,进行蒸馏或精馏分离高沸点油性物质氢化三联苯和低沸点有机溶剂丙酮,低沸点有机溶剂丙酮返回步骤(1)中重复利用。
实施例六
一种处理三氯氢硅合成过程产生的废弃硅粉的方法,包括以下步骤:
(1)溶剂清洗
取硅含量为95.2%(按质量分数计)的废弃硅粉为主要原料,其主要杂质成分为导热油氢化三联苯1.50%,其它为金属、金属氧化物、有机质、纤维素、橡胶和塑料等物质。先将废弃硅粉与有机溶剂丙酮按2∶1的质量固液比混合,在常温(25℃)下,搅拌、清洗10分钟后通过离心分离,分别收集离心溶液和主要成分为硅粉的沉淀物。重复上述清洗步骤5次。
(2)去离子水洗涤
用去离子水洗涤沉淀物6遍,去除固体混合物中的易溶于水的灰分、泥浆和无机盐杂质,直至液体变得较为清明为止。沉淀物与去离子水的质量固液比为3∶2。将沉淀物置于120℃鼓风干燥6小时,筛网过筛,得到粒径为74um~500um的硅粉混合物。
(3)酸浸
取步骤(2)中制得的硅粉混合物,按照硅粉混合物∶苯磺酸质量比为100∶200的比例混合,于20℃浸泡24小时。离心分离固液,取固体进行去离子水洗涤,直至溶液的pH值呈中性。清洗后的固体经干燥,得到纯度为99.5%(除水分外)的再生硅粉。
(4)有机溶剂回收
取步骤(1)中收集的离心溶液,进行蒸馏或精馏分离高沸点油性物质氢化三联苯和联苯,以及低沸点有机溶剂丙酮,低沸点有机溶剂丙酮返回步骤(1)中重复利用。
效果实施例
以下通过实施例一中的废弃硅粉处理前后金属元素含量对比来对本发明的应用效果做出说明。
表1废弃硅粉处理前后金属元素含量对比
从表1中可以看出,废弃硅粉按实施例一的方法进行分离、提纯后,再生硅粉的纯度与分离、提纯前相比其纯度得到显著提高,总的杂质的含量仅为0.29%,所有杂质元素的含量均在目标范围之内。同时,与正常纯硅粉(数值参数为依照标准品得出)比较,再生硅粉中Fe、Al等金属元素的含量也有不同程度的降低。
综上所述,本发明能够用于处理含有包括导热油、灰尘、污泥、有机质、金属、金属氧化物、纤维素、塑料和/或橡胶类等多种杂质的废弃硅粉;以及将上述废弃硅粉回收利用制成高纯度的硅粉,能够满足太阳能级多晶硅生产用三氯氢硅的需求,达到了资源回收再利用程度的最大化,从而降低了三氯氢硅合成过程的生产成本,提高了多晶硅产品的成本竞争力。

Claims (10)

1.一种处理三氯氢硅合成过程产生的废弃硅粉的方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)溶剂清洗:取废弃硅粉,加入有机溶剂进行清洗,离心分离,分别收集离心溶液和沉淀物;
(2)去离子水洗涤:用去离子水洗涤沉淀物,干燥,筛分,制得硅粉混合物;
(3)酸浸:取步骤(2)中制得的硅粉混合物,加入酸液进行浸泡,离心分离固液,取固体进行去离子水洗涤,干燥,即得再生硅粉。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤(1)中的废弃硅粉与有机溶剂的质量固液比为0.5~3∶1。
3.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤(1)中的有机溶剂为溶解度参数为14.9~21.5J1/2cm-3/2的有机溶剂。
4.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤(3)中的酸液选自无机酸和/或有机酸,所述无机酸选自盐酸、硫酸、硝酸、高氯酸和氢氟酸中的一种或几种,所述有机酸选自磺酸、羧酸和烃基酸的一种或几种。
5.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤(3)中的硅粉混合物∶酸液的质量比为100∶10~200。
6.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤(3)浸泡过程中还包括加入氧化剂和/或螯合剂,所述氧化剂为臭氧或双氧水,所述螯合剂为无机金属螯合剂或有机金属螯合剂。
7.如权利要求6所述的方法,其特征在于,所述螯合剂选自二胺四乙酸、氨基三乙酸、二亚乙基三胺五乙酸及其盐中的一种或几种。
8.如权利要求6所述的方法,其特征在于,所述步骤(3)中的硅粉混合物∶酸液∶氧化剂∶螯合剂∶去离子水的质量比为100∶10~200∶1~150∶1~50∶80~320。
9.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤(3)中的酸浸的温度为20~85℃,处理时间为0.5~48小时。
10.如权利要求1所述的方法,其特征在于,进一步包括步骤(4):有机溶剂回收:取步骤(1)中收集的离心溶液,进行蒸馏或精馏分离高沸点油性物质和低沸点有机溶剂,低沸点有机溶剂返回步骤(1)中重复利用。
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