CN104556070B - 一种回收高纯二氧化硅的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种回收高纯二氧化硅的方法及装置，用于回收制造光纤预制棒产生的二氧化硅粉末。包括排气机、排气管、洗涤塔、引风机、碱池、泵、混合池、处理池和过滤池；排气机安装在多孔二氧化硅粉末棒沉积腔上部一侧，排气机出气口通过排气管与洗涤塔下部洗涤塔进气口相连通，引风机出风口通过排气管道将被抽废气排入碱池，泵进水口通过管道与洗涤塔底部连通，泵出水口通过管道与混合池顶部相连；混合池下部安装有处理池，混合池底部通过管道、控制阀一与处理池上部相连通，处理池装有去离子水注入器二；处理池下部安装有过滤池，过滤池内装有过滤网，过滤池装有去离子水注入器三和pH控制器二，处理池底部通过管道、控制阀二与过滤池上部相连通。

Description

一种回收高纯二氧化硅的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种回收高纯二氧化硅的方法及装置，用于回收制造光纤预制棒产生的二氧化硅粉末。

背景技术

光纤预制棒主要有四种制造工艺，即VAD（轴向气相沉积法）、OVD（外部气相沉积法）、PCVD（低温等离子气相沉积法）和MCVD（改进的化学气相沉积法）。VAD工艺主要废气是二氧化硅粉末颗粒、氯化氢和掺杂剂化合物等；OVD工艺主要废气是二氧化硅粉末颗粒、氯化氢；PCVD工艺主要废气是二氧化硅粉末颗粒、氯气等；MCVD工艺主要废气是二氧化硅粉末颗粒、氯气和掺杂剂化合物等。

光纤预制棒四种制造工艺中主要废气物为二氧化硅粉末颗粒，大部分被废弃处理。随着光纤预制棒市场竞争压力，一方面提高生产工艺原料利用率，另一方面合理处理废弃物，提高利用价值。

VAD工艺主要以四氯化硅为原材料，进行高温水解反应，生产二氧化硅粉末颗粒，附着在母棒上，形成多孔二氧化硅粉末棒。多余的二氧化硅粉末颗粒通过排气装置被抽走，进行洗涤设备处理后，作为废弃物处理。在原料中掺杂四氯化锗来提高折射率，故二氧化硅粉末颗粒中含有二氧化锗。若排气装置为金属材质，会有金属杂质混入二氧化硅粉末颗粒。在这种情况下很难回收到高纯二氧化硅。

中国实用新型专利CN201320573858.8公开了多晶硅生产中的二氧化硅回收装置，包括：一过滤器，所述过滤器出口通过第一气动开关阀、第二气动开关阀连接一位于漏斗型料斗上端的进口，一喷射器，所述喷射器喷嘴对准漏斗型料斗底部，一存储料仓，用于承载落入的二氧化硅粉末，所述漏斗型料斗一底部出口通过第三气动开关阀连接存储料仓。

中国发明专利201310523348.4公开一种二氧化硅的提纯方法，依次包括步骤：1）将一定量的250~45微米二氧化硅、水、盐酸、氟化物、矿化剂加入到内衬聚四氟乙烯的不锈钢容器中，于90~150℃下处理24~36小时后，冷却至室温；2）将冷却后的混合物过滤，滤液用石灰水处理并回收，然后用去离子水清洗至中性后烘干，即得到提纯后的二氧化硅。

中国发明专利200910023906.4涉及一种太阳能多晶硅生产过程中尾气回收液相二氧化硅提纯方法。其特征在于该方法步骤如下：a）将回收液相二氧化硅首先进行加热减量的排除，b）再次进行灼烧减量的排除，c）酸碱处理，d）球磨处理，球磨完毕后制得二氧化硅的质量指标：二氧化硅质量百分含量99.5～99.99%，平均粒径1～100nm，比表面积100～200m2/g，pH值3～6，得到合格的二氧化硅产品。

发明内容

本发明的目的是针对上述不足之处提供一种回收高纯二氧化硅的方法和装置，本发明解决二氧化硅粉末颗粒中含有其他金属杂质问题，得到高纯二氧化硅粉末。因此本发明将废弃物二氧化硅回收处理成高纯二氧化硅，增加附加收益，降低光纤预制棒的生产成本。

一种回收高纯二氧化硅的方法和装置是采取以下技术方案实现：

一种回收高纯二氧化硅的装置包括排气机、排气管、洗涤塔、引风机、碱池、泵、混合池、处理池、过滤池。

排气机安装在多孔二氧化硅粉末棒沉积腔上部一侧，排气机进气口与多孔二氧化硅粉末棒沉积腔相连通，排气机出气口通过排气管与洗涤塔下部洗涤塔进气口相连通，洗涤塔内装有填料层，洗涤塔内顶部装有喷淋头，去离子水注入器一通过管道与喷淋头相连接，引风机进风口与洗涤塔上部的出气口相连，引风机出风口通过排气管道将被抽废气排入碱池，碱池内装有碱液，混合池内装有搅拌器一，混合池装有浓盐酸注入器和pH控制器一，通过ph控制器一控制浓盐酸注入器注入量，将浓盐酸添加入混合池，泵进水口通过管道与洗涤塔底部连通，泵出水口通过管道与混合池顶部相连。

混合池下部安装有处理池，处理池内装有阳极、阴极，阳极外部安装有高分子隔膜，处理池内装有搅拌器二，混合池底部通过管道、控制阀一与处理池上部相连通，处理池装有去离子水注入器二。

处理池下部安装有过滤池，过滤池内装有过滤网，过滤池装有去离子水注入器三和pH控制器二。处理池底部通过管道、控制阀二与过滤池上部相连通。处理池底部设有二氧化硅混合液排出口。

一种回收高纯二氧化硅的方法如下：

将轴向气相沉积法VAD工艺制造光纤预制棒中多余二氧化硅粉末颗粒通过排气机、排气管从多孔二氧化硅粉末棒沉积腔上部抽走，进入洗涤塔内洗涤；

二氧化硅粉末进入洗涤塔内，洗涤塔内安装有填料层，顶部有去离子水注入器一，经过喷淋头逐层进入填料层。洗涤塔侧面顶部装有引风机，将多于废气引进入碱池内，被碱液吸收。二氧化硅粉末通过洗涤塔变为混合液沉积在塔底部，由泵抽到混合池中。

混合池内添加浓盐酸，使混合池内ph为1，盐酸与二氧化硅粉末中混入的二氧化锗和金属杂质反应（如反应式1、2），使二氧化锗和金属杂质成为离子。浓盐酸通过ph控制器一控制浓盐酸注入器进行添加，同时使用搅拌器一搅拌混合。当ph恒定不变为1时，表明金属杂质已反应完毕，停止添加浓盐酸和搅拌。当混合池中混合液沉淀稳定后，下层混合液由控制阀一控制进入处理池中。

反应式1 GeO₂+HCl→GeCl₄+H₂O

反应式2 Fe+HCl→FeCl₃+H₂

处理池由阳极、阴极、高分子隔膜、搅拌器二和去离子水注入器二组成。阳极安装在处理池体左侧，被高分子隔膜包围；搅拌器装在处理池内；处理池体右侧安装阴极；二氧化硅混合液覆盖在高分子隔膜和阴极之间。阳极由铂组成，周围被高分子隔膜包围，在电解过程中放电形成离子进入液体中（如反应式3），被高分子隔膜阻挡，不能进入二氧化硅混合液中。混合液中其他金属离子在阴极上被析出除去（如反应式4）。通过去离子水注入器添加去离子水，使用搅拌器使得二氧化硅混合液不断被搅拌混合，能够充分被电解除去金属离子。

反应式3 Pt→Pt⁺+e^-

反应式4 Fe³⁺+e^-→Fe

当阳极重量无减少时，说明金属离子已全部被除去。二氧化硅混合液由控制阀二控制进入过滤池，进行过滤水洗得到二氧化硅。过滤池由过滤网、ph控制器二、去离子水注入器三。二氧化硅混合液进入过滤池中，通过过滤网过滤得到二氧化硅，然后通过ph控制器二测量滤液ph至6.5~7.5，来控制去离子水注入器三注入一定量的去离子水量水洗二氧化硅。

通过过滤池得到的二氧化硅含有大量水，经过烘干处理后可得到高纯二氧化硅。

一种回收高纯二氧化硅的方法及装置设计合理，结构紧凑，本发明将轴向气相沉积法VAD工艺制造光纤预制棒中多余二氧化硅粉末颗粒通过排气管抽走，经过洗涤塔水洗得到二氧化硅混合液，废气被抽走进入碱池，酸洗气体被碱液吸收。洗涤塔内二氧化硅混合液进入混合池内，通过添加ph=1的浓盐酸，与二氧化锗及金属杂质反应通过搅拌器充分混合使得二氧化锗及金属杂质充分反应。待混合池内混合液稳定下来，下方混合液进入处理池进行电极反应。在处理池内安装搅拌器，添加去离子水，通过搅拌器搅拌混合，使得金属离子充分被电极反应除去。处理池内混合液进入过滤器进行过滤，得到沉淀物，然后用去离子水清洗至中性后烘干，即得到提纯后的二氧化硅。

本发明解决二氧化硅粉末颗粒中含有其他金属杂质问题，得到高纯二氧化硅粉末。因此本发明将废弃物二氧化硅回收处理成高纯二氧化硅，增加附加收益，降低光纤预制棒的生产成本。本发明一种回收高纯二氧化硅的方法及装置，可以用于回收制造光纤预制棒产生的二氧化硅粉末，治理了废气粉尘排放，保护了环境，达到节能减排目的。

附图说明

以下将结合附图对本发明进行进一步的详细说明：

图1是本发明的一个实施示意图。

具体实施方式

参照附图1，一种回收高纯二氧化硅的装置包括排气机15、排气管21、洗涤塔2、引风机26、碱池24、泵34、混合池3、处理池4、过滤池5。

排气机15安装在多孔二氧化硅粉末棒沉积腔1上部一侧，排气机15进气口与多孔二氧化硅粉末棒沉积腔1相连通，排气机15出气口通过排气管21与洗涤塔2下部洗涤塔进气口相连通，洗涤塔2内装有填料层23，洗涤塔2内顶部装有喷淋头27，去离子水注入器一22通过管道与喷淋头27相连接，引风机26进风口与洗涤塔上部的出气口相连，引风机26出风口通过排气管道将被抽废气排入碱池24，碱池24内装有碱液，混合池3内装有搅拌器一33，混合池3装有浓盐酸注入器32和pH控制器一31，通过ph控制器31控制浓盐酸注入器32注入一定量的浓盐酸进入混合池3，泵34进水口通过管道与洗涤塔2底部连通，泵34出水口通过管道与混合池3顶部相连。

混合池3下部安装有处理池4，处理池4内装有阳极41、阴极42，阳极41外部安装有高分隔膜43，处理池4内装有搅拌器二44，混合池3底部通过管道、控制阀一46与处理池4上部相连通，处理池4装有去离子水注入器二45。

处理池4下部安装有过滤池5，过滤池5内装有过滤网51，过滤池5装有去离子水注入器三53和pH控制器二52。处理池4底部通过管道、控制阀二54与过滤池5上部相连通。

所述的去离子水注入器一22、去离子水注入器二45和去离子水注入器三53采用塑料材质的去离子水注入管件。

所述的浓盐酸注入器32采用塑料材质的浓盐酸注入管件。

所述的pH控制器一31和pH控制器二52采用市售工业型pH计。

如附图1中所示，在沉积腔室1内，原料四氯化硅通过喷枪11喷出，高温水解反应产生二氧化硅粉末颗粒12，附着在母棒13上，形成多孔二氧化硅粉末棒14。

一种回收高纯二氧化硅的方法如下：

将轴向气相沉积法VAD工艺制造光纤预制棒中多余二氧化硅粉末颗粒通过排气机15、排气管21从多孔二氧化硅粉末棒沉积腔1上部抽走，进入洗涤塔2内洗涤；

二氧化硅粉末进入洗涤塔2内，洗涤塔内安装有填料层23，顶部有去离子水注入器一22，经过喷淋头27逐层进入填料层23。洗涤塔2侧面顶部装有引风机26，将多余废气引进入碱池24内，被碱液25吸收。二氧化硅粉末通过洗涤塔2变为混合液沉积在塔底部，由泵34抽到混合池3中。

混合池3内添加浓盐酸，使混合池3内ph为1，盐酸与二氧化硅粉末中混入的二氧化锗和金属杂质反应（如反应式1、2），使二氧化锗和金属杂质成为离子。浓盐酸通过ph控制器一31控制浓盐酸注入器32进行添加，同时使用搅拌器一33搅拌混合。当ph恒定不变为1时，表明金属杂质已反应完毕，停止添加浓盐酸和搅拌。当混合池中混合液沉淀稳定后，下层沉淀物由控制阀一46控制进入处理池4中。

反应式1 GeO₂+HCl→GeCl₄+H₂O

反应式2 Fe+HCl→FeCl₃+H₂

处理池4由阳极41、阴极42、高分子隔膜43、搅拌器二44和去离子水注入器二45组成。阳极41安装在处理池体左侧，被高分子隔膜43包围；搅拌器44装在处理池4内；处理池体右侧安装阴极；二氧化硅沉淀物覆盖在高分子隔膜43和阴极42之间。阳极41由铂组成，周围被高分子隔膜43包围，在电解过程中放电形成离子进入液体中（如反应式3），被高分子隔膜43阻挡，不能进入二氧化硅混合液中。混合液中其他金属离子在阴极42上被析出除去（如反应式4）。通过去离子水注入器45添加去离子水，使用搅拌器44使得二氧化硅混合液不断被搅拌混合，能够充分被电解除去金属离子。

反应式3 Pt→Pt⁺+e^-

反应式4 Fe³⁺+e^-→Fe

当阳极41重量无减少时，说明金属离子已全部被除去。二氧化硅混合液由控制阀二54控制进入过滤池5，进行过滤水洗得到二氧化硅。过滤池5由过滤网51、ph控制器二52、去离子水注入器三53。二氧化硅混合液进入过滤池5中，通过过滤网51过滤得到二氧化硅，然后通过ph控制器二52测量滤液ph至6.5~7.5，来控制去离子水注入器三53注入一定量的去离子水量水洗二氧化硅。

通过过滤池得到的二氧化硅含有大量水，经过烘干处理后，可得到高纯二氧化硅。

高纯二氧化硅经过检测：

二氧化硅含量99.9%，金属杂质总量小于10×10^-6。

Claims (4)

1.一种回收高纯二氧化硅的装置，其特征在于：包括排气机、排气管、洗涤塔、引风机、碱池、泵、混合池、处理池和过滤池；

排气机安装在多孔二氧化硅粉末棒沉积腔上部一侧，排气机进气口与多孔二氧化硅粉末棒沉积腔相连通，排气机出气口通过排气管与洗涤塔下部洗涤塔进气口相连通，洗涤塔内装有填料层，洗涤塔内顶部装有喷淋头，去离子水注入器一通过管道与喷淋头相连接，引风机进风口与洗涤塔上部的出气口相连，引风机出风口通过排气管道将被抽废气排入碱池，碱池内装有碱液，混合池内装有搅拌器一，混合池装有浓盐酸注入器和pH控制器一，通过ph控制器一控制浓盐酸注入器注入量，将浓盐酸添加入混合池，泵进水口通过管道与洗涤塔底部连通，泵出水口通过管道与混合池顶部相连；

混合池下部安装有处理池，处理池内装有阳极、阴极，阳极外部安装有高分子隔膜，处理池内装有搅拌器二，混合池底部通过管道、控制阀一与处理池上部相连通，处理池装有去离子水注入器二；

处理池下部安装有过滤池，过滤池内装有过滤网，过滤池装有去离子水注入器三和pH控制器二，处理池底部通过管道、控制阀二与过滤池上部相连通。

2.根据权利要求1所述的一种回收高纯二氧化硅的装置，其特征在于：二氧化硅混合液排出口装有控制阀三，控制二氧化硅混合液排出。

3.根据权利要求1所述的一种回收高纯二氧化硅的装置，其特征在于：处理池底部设有二氧化硅混合液排出口。

4.一种回收高纯二氧化硅的方法，其特征在于：

将轴向气相沉积法VAD工艺制造光纤预制棒中多余二氧化硅粉末颗粒通过排气机、排气管从多孔二氧化硅粉末棒沉积腔上部抽走，进入洗涤塔内洗涤；

二氧化硅粉末进入洗涤塔内，洗涤塔内安装有填料层，顶部有去离子水注入器一，经过喷淋头逐层进入填料层，洗涤塔侧面顶部装有引风机，将多于废气引进入碱池内，被碱液吸收；二氧化硅粉末通过洗涤塔变为混合液沉积在塔底部，由泵抽到混合池中；

混合池内添加浓盐酸，使混合池内ph为1，盐酸与二氧化硅粉末中混入的二氧化锗和金属杂质反应，如反应式1、2，使二氧化锗和金属杂质成为离子；浓盐酸通过ph控制器一控制浓盐酸注入器进行添加，同时使用搅拌器一搅拌混合；当ph恒定不变为1时，表明金属杂质已反应完毕，停止添加浓盐酸和搅拌；当混合池中混合液沉淀稳定后，下层混合液由控制阀一控制进入处理池中，

反应式1 GeO₂+HCl→GeCl₄+H₂O

反应式2 Fe+HCl→FeCl₃+H₂；

处理池由阳极、阴极、高分子隔膜、搅拌器二和去离子水注入器二组成；阳极安装在处理池体左侧，被高分子隔膜包围，搅拌器装在处理池内，处理池体右侧安装阴极，二氧化硅沉淀物覆盖在高分子隔膜和阴极之间，阳极由铂组成，周围被高分子隔膜包围，在电解过程中放电形成离子进入液体中，如反应式3，被高分子隔膜阻挡，不能进入二氧化硅混合液中，混合液中其他金属离子在阴极上被析出除去，如反应式4；通过去离子水注入器添加去离子水，使用搅拌器使得二氧化硅混合液不断被搅拌混合，能够充分被电解除去金属离子，

反应式3 Pt→Pt⁺+e^-

反应式4 Fe³⁺+e^-→Fe；

当阳极重量无减少时，说明金属离子已全部被除去，二氧化硅混合液由控制阀二控制进入过滤池，进行过滤水洗得到二氧化硅，过滤池由过滤网、ph控制器二、去离子水注入器三；二氧化硅混合液进入过滤池中，通过过滤网过滤得到二氧化硅，然后通过ph控制器二测量滤液ph至6.5～7.5，来控制去离子水注入器三注入一定量的去离子水量水洗二氧化硅；

通过过滤池得到的二氧化硅含有大量水，经过烘干处理后，可得到高纯二氧化硅。