CN103086555A - 硅晶片蚀刻废水处理系统及处理方法 - Google Patents

硅晶片蚀刻废水处理系统及处理方法 Download PDF

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范琼
潘加永
蒋丽
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Abstract

本发明涉及一种硅晶片蚀刻废水处理系统及处理方法，是在工作槽中利用HF溶液和HNO3溶液组成的混合酸蚀刻溶液对硅晶片进行蚀刻时所排出的H2SiF6溶液进行循环再利用，其特征在于，所排出的H2SiF6溶液通过酸再生与硅再生系统中的电解反应槽电解析出固体Si和酸性气体HF，其中，所析出的固体Si被分离出并回收再利用，所析出的酸性气体HF被水吸收后导入到所述工作槽中形成可回收利用的混合酸蚀刻溶液中的HF溶液。本发明实现了硅晶片蚀刻废水循环利用，从而减少酸腐蚀溶液的消耗，消除酸腐蚀废液的产生并避免有毒废气的排放，从而提供保护环境并提高了经济效益。

Description

硅晶片蚀刻废水处理系统及处理方法
技术领域
本发明涉及化学腐蚀废物体系的处理系统及处理方法，具体地讲，涉及硅晶片蚀刻废水处理系统及处理方法。
背景技术
在太阳能电池生产工艺一般分为：扩散前清洗(制绒)、扩散、扩散后清洗、蚀刻、PECVD、丝网印刷、烧结、分类检测和封装，其中制绒工序的主要作用是去除硅片表面切割损伤层，形成陷光结构的表面绒面结构；蚀刻的主要作用是去除扩散后硅片四周的N型硅，以防漏电，目前，一般采用干法和湿法两种蚀刻方法。制绒工序和湿法蚀刻通常使用包括氢氟酸和硝酸等的混合酸的酸腐蚀，和利用氢氧化钠、氢氧化钾等碱的碱清洗。酸腐蚀的原理是先用HNO3将硅氧化生产SiO2，然后再通过HF去除SiO2，其中的化学反应方程式如下：
3Si+4HNO3→3SiO2+4NO+2H2O
SiO2+6HF→H2SiF6+2H2O
其中蚀刻溶液还对太阳能电池表面进行抛光和清洁，一般将蚀刻液喷射在太阳能电池上或将太阳能电池浸入蚀刻溶液中。
中国专利申请201010577683.9公开了一种硅晶片的腐蚀废水处理以及处理设备，具体公开了用氢氧化钠水溶液蚀刻硅晶片时所排出的废水的处理方法以及处理系统，包括向该蚀刻废水中添加酸而析出二氧化硅并对二氧化硅进行固液分离。
至今还没有公开对用酸腐蚀硅晶片后产生的废物体系进行处理的方法，在生产过程中，需要不断地排出酸腐蚀产生的废物体系，添加新鲜的酸腐蚀溶液，且清洁过程中产生的气体没有得到回收。这样在太阳能电池的蚀刻和制绒过程中，需要使用大量的酸腐蚀溶液，且会产生大量的酸腐蚀废液和有毒气体NO，在所述废液中包含HF、HNO3、H2SiF6、Si和水。从资源利用和环境保护等方面来讲，常规工艺没有对酸腐蚀溶液充分利用，这样造成了浪费，增加了成本，同时也给环境处理增加了负担。
希望有一种处理系统及处理方法，能够对酸腐蚀硅晶片后产生的废物体系进行处理，从而使得酸腐蚀溶液得到充分利用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种硅晶片蚀刻废水处理系统及其处理方法，以使酸腐蚀溶液得到充分利用。
本发明所要解决的技术问题可以通过以下技术方案得以解决：
本发明实施例提供一种硅晶片蚀刻废水处理系统，是在工作槽中利用HF溶液和HNO3溶液组成的混合酸蚀刻溶液对硅晶片进行蚀刻时所排出的H2SiF6溶液进行循环再利用，其特征在于，所排出的H2SiF6溶液通过酸再生与硅再生系统中的电解反应槽电解析出固体Si和酸性气体HF，其中，所析出的固体Si被分离出并回收再利用，所析出的酸性气体HF被水吸收后导入到所述工作槽中形成可回收利用的混合酸蚀刻溶液中的HF溶液。
本发明还提供一种应用于上述硅晶片蚀刻废水处理系统的处理方法，其中，在工作槽中由HF溶液和HNO3溶液组成的混合酸蚀刻溶液对硅晶片进行蚀刻以排出蚀刻废水，所述蚀刻废水中包含有固体Si、以及产物H2SiF6溶液与第一部分气体NO，其中，第一部分气体NO和空气中气体O2进一步反应产生第一部分气体NO2，其特征在于，所述处理方法包括如下步骤：
A)由固液分离装置分离出固体Si，并得到残余废液；
B)由酸再生与硅再生系统中的电解反应槽使残余废液中的H2SiF6溶液发生电解反应，以得到固体Si、气体HF；和
C)将气体HF和第一部分气体NO2收集于水中，以形成HF溶液和HNO3溶液组成的混合酸蚀刻溶液；
其中，所述电解得到的固体Si导入到固液分离装置中进行分离并回收再利用。
本发明处理系统及处理方法可实现太阳能电池的酸腐蚀溶液的循环利用，从而减少酸腐蚀溶液的消耗，消除酸腐蚀废液的产生并避免有毒废气的排放，且由于使蚀刻、抛光或清洁加工稳定而改善电池效率，从而提供经济效益并保护环境。
附图说明
图1是本发明太阳能电池酸腐蚀废物体系的处理系统的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例进行详细说明，以使本发明处理系统及处理方法的特征和优点更清楚，但本发明不局限于本文中列出的实施例。
本发明涉及一种硅晶片蚀刻废水处理系统，是在工作槽1中利用HF溶液和HNO3溶液组成的混合酸蚀刻溶液对硅晶片进行蚀刻时所排出的H2SiF6溶液进行循环再利用，所排出的H2SiF6溶液通过酸再生与硅再生系统3中的电解反应槽3-1和3-2电解析出固体Si和酸性气体HF，其中，所析出的固体Si被分离出并回收再利用，所析出的酸性气体HF被水吸收后再次导入到所述工作槽1中以形成可回收利用的混合酸蚀刻溶液中的HF溶液。
1、在工作槽1中，因HF溶液和HNO3溶液组成的混合酸蚀刻溶液对硅晶片进行蚀刻，所进行的反应如下：
3Si+4HNO3→3SiO2+4NO+2H2O    1)
3SiO2+18HF→3H2SiF6+6H2O     2)
即如式1)中，由HNO3溶液先对硅晶片进行蚀刻，即可得到产物第一部分气体NO和第一部分固体SiO2；接着，如式2)中，由HF溶液继续与所产生的第一部分固体SiO2或Si被氧化成的SiO2反应生成产物H2SiF6溶液，如此，不断往复，进行硅晶片的蚀刻，这样，在工作槽1中得到了蚀刻废水，所述蚀刻废水中包含有固体Si、固体SiO2、以及产物H2SiF6溶液与第一部分气体NO，其中，第一部分气体NO由于在敞开的工作槽1中，第一部分气体NO和空气中气体O2进一步反应产生第一部分气体NO2，此第一部分气体NO2通过抽风装置(未图示)导入并收集于酸性吸收塔5中，形成工作槽1中可回收利用的混合酸蚀刻溶液中的HNO3溶液。
2、由固液分离装置2接收工作槽1中的蚀刻废水，以分离出固体Si和残余废液，并将残余废液导入到酸再生与硅再生系统3中。
3、由酸再生与硅再生系统3接收所述残余废液，并由其中的电解反应槽3-1和3-2对残余废液中H2SiF6溶液进行电解反应，以产生固体Si、气体HF，其中，其中电解反应包括：
阴极反应：H2SiF6+4e-(通电电解)--＞Si+4F-+2HF
阳极反应：H2O(电解)--＞2H++1/2O2↑+2e-
其中，产物Si对应“硅再生”；产物HF对应“酸再生”。
4、由减压蒸馏装置4接收所述酸再生与硅再生系统3导出的含固体Si、气体HF及多余的H2SiF6溶液的混合物，将在溶液中的气体HF通过减压蒸馏的方法提取出来并也导出含固体Si、多余H2SiF6溶液的混合物。其中，所述减压蒸馏装置4导出的含固体Si、多余H2SiF6溶液的混合物再次回流到固液分离装置2中，由固液分离装置分离2出固体Si、以及H2SiF6溶液，固体Si被回收再利用，而H2SiF6溶液继续导入到酸再生与硅再生系统3中进行循环再利用。
5、由酸性吸收塔5将第一部分气体NO2、以及由减压蒸馏装置4提取出的气体HF收集于水中，以形成工作槽1中可利用的HF溶液和HNO3溶液组成的混合酸蚀刻溶液。
其中，在所述酸再生与硅再生系统3中，如式3)，所述残余废液中的HNO3溶液与电解产生的固体Si反应生成第二部分气体NO、第二部分固体SiO2并导入到所述减压蒸馏装置4中；在减压蒸馏装置4中，如式4)，第二部分固体SiO2与其中的气体HF反应生成H2SiF6溶液；如式5)，第二部分气体NO和空气中气体O2进一步反应产生第二部分气体NO2，第二部分气体NO2进入酸性吸收塔5中被水吸收形成工作槽1中的HNO3溶液。
在所述酸再生与硅再生系统3中：
3Si+4HNO3→3SiO2+4NO+2H2O    3)
在减压蒸馏装置4中：
3SiO2+18HF→3H2SiF6+6H2O     4)
NO+O2--＞NO2                 5)
作为本发明的较佳实施例，若固液分离装置2分离出的残余废液导入到酸再生与硅再生系统3的太多，或酸再生与硅再生系统3来不及消化，可将所述固液分离装置2分离出的含HNO3溶液的蚀刻废水导入到减压蒸馏装置4中，如下一系列反应，在所述减压蒸馏装置4中所述HNO3溶液与所述固体Si反应生成第三部分固体SiO2、以及第三部分气体NO，其中，第三部分固体SiO2进一步与其中的气体HF反应生成H2SiF6溶液；而第三部分气体NO和空气中气体O2进一步反应产生气体第三部分NO2，第三部分气体NO2进入酸性吸收塔5中被水吸收形成工作槽中的HNO3溶液。
3Si+4HNO3→3SiO2+4NO+2H2O
3SiO2+18HF→3H2SiF6+6H2O
NO+O2--＞NO2
以上较佳实施例所述的硅晶片蚀刻废水处理系统所采用的处理方法的本质主要如下所叙述：
在工作槽1中由HF溶液和HNO3溶液组成的混合酸蚀刻溶液对硅晶片进行蚀刻以排出蚀刻废水，所述蚀刻废水中包含有固体Si、以及产物H2SiF6溶液与第一部分气体NO，其中，第一部分气体NO和空气中气体O2进一步反应产生第一部分气体NO2，所述处理方法包括如下步骤：
A)由固液分离装置1分离出固体Si，并得到残余废液；
B)由酸再生与硅再生系统3中的电解反应槽3-1和3-2使残余废液中的H2SiF6溶液发生电解反应，以得到固体Si、气体HF；和
C)将气体HF和第一部分气体NO2收集于水中，以形成HF溶液和HNO3溶液组成的混合酸蚀刻溶液；
其中，所述电解得到的固体Si导入到固液分离装置2中进行分离并回收再利用。所述电解得到的气体HF进一步通过减压蒸馏装置4提取后再收集于水中。所述第一部分气体NO2通过抽风装置导入并收集于水中。所述步骤A)中的分离通过离心分离法或超滤法进行。
本发明处理系统及处理方法可实现太阳能电池的酸腐蚀溶液的循环利用，从而减少酸腐蚀溶液的消耗，消除酸腐蚀废液的产生并避免有毒废气的排放，且由于使蚀刻、抛光或清洁加工稳定而改善电池效率，从而提供经济效益并保护环境。

Claims (8)

1.一种硅晶片蚀刻废水处理系统，是在工作槽中利用HF溶液和HNO3溶液组成的混合酸蚀刻溶液对硅晶片进行蚀刻时所排出的H2SiF6溶液进行循环再利用，其特征在于，所排出的H2SiF6溶液通过酸再生与硅再生系统中的电解反应槽电解析出固体Si和酸性气体HF，其中，所析出的固体Si被分离出并回收再利用，所析出的酸性气体HF被水吸收后导入到所述工作槽中形成可回收利用的混合酸蚀刻溶液中的HF溶液。
2.如权利要求1所述的硅晶片蚀刻废水处理系统，其特征在于，在工作槽中由HF溶液和HNO3溶液组成的混合酸蚀刻溶液对硅晶片进行蚀刻以排出蚀刻废水，所述蚀刻废水中包含有固体Si、以及产物H2SiF6溶液与第一部分气体NO，其中，第一部分气体NO和空气中气体O2进一步反应产生第一部分气体NO2，所述硅晶片蚀刻废水处理系统包括：
A)由固液分离装置接收工作槽中的蚀刻废水，以分离出固体Si和残余废液；
B)由酸再生与硅再生系统接收所述残余废液，并由其中的电解反应槽对残余废液中H2SiF6溶液进行电解反应，以产生固体Si、气体HF；
C)由减压蒸馏装置接收所述酸再生与硅再生系统导出的含固体Si、气体HF及多余H2SiF6溶液的混合物，以提取出气体HF并导出含固体Si、多余H2SiF6溶液的混合物；
D)由酸性吸收塔将第一部分气体NO2、以及由减压蒸馏装置提取出的气体HF收集于水中，以形成工作槽中可利用的HF溶液和HNO3溶液组成的混合酸蚀刻溶液；
其中，所述减压蒸馏装置导出的含固体Si、多余H2SiF6溶液的混合物回流到固液分离装置中，由固液分离装置分离出固体Si、以及H2SiF6溶液，固体Si被回收再利用，而H2SiF6溶液继续导入到酸再生与硅再生系统中。
3.如权利要求2所述的硅晶片蚀刻废水处理系统，其特征在于，在所述酸再生与硅再生系统中，所述残余废液中的HNO3溶液与电解产生的固体Si反应生成第二部分气体NO、第二部分固体SiO2并导入到所述减压蒸馏装置中；在减压蒸馏装置中，第二部分固体SiO2与其中的气体HF反应生成H2SiF6溶液，第二部分气体NO和空气中气体O2进一步反应产生第二部分气体NO2，第二部分气体NO2进入酸性吸收塔中被水吸收形成工作槽中的HNO3溶液。
4.如权利要求2所述的硅晶片蚀刻废水处理系统，其特征在于，将所述固液分离装置分离出的含HNO3溶液的蚀刻废水导入到减压蒸馏装置中，在所述减压蒸馏装置中所述HNO3溶液与所述固体Si反应生成第三部分固体SiO2、以及第三部分气体NO，其中，第三部分固体SiO2进一步与其中的气体HF反应生成H2SiF6溶液；而第三部分气体NO和空气中气体O2进一步反应产生气体第三部分NO2，第三部分气体NO2进入酸性吸收塔中被水吸收形成工作槽中的HNO3溶液。
5.一种应用于如权利要求1至4中其中之一所述的硅晶片蚀刻废水处理系统的处理方法，其中，在工作槽中由HF溶液和HNO3溶液组成的混合酸蚀刻溶液对硅晶片进行蚀刻以排出蚀刻废水，所述蚀刻废水中包含有固体Si、以及产物H2SiF6溶液与第一部分气体NO，其中，第一部分气体NO和空气中气体O2进一步反应产生第一部分气体NO2，其特征在于，所述处理方法包括如下步骤：
A)由固液分离装置分离出固体Si，并得到残余废液；
B)由酸再生与硅再生系统中的电解反应槽使残余废液中的H2SiF6溶液发生电解反应，以得到固体Si、气体HF；和
C)将气体HF和第一部分气体NO2收集于水中，以形成HF溶液和HNO3溶液组成的混合酸蚀刻溶液；
其中，所述电解得到的固体Si导入到固液分离装置中进行分离并回收再利用。
6.权利要求5中所述的处理方法，其特征在于，所述电解得到的气体HF进一步通过减压蒸馏装置提取后再收集于水中。
7.权利要求5中所述的处理方法，其特征在于，所述第一部分气体NO2通过抽风装置导入并收集于水中。
8.权利要求5所述的处理方法，其特征在于，步骤A)中的分离通过离心分离法或超滤法进行。
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