CN108584962A - 酸蒸汽预提纯金属硅工艺及表面提纯设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了酸蒸汽预提纯金属硅工艺及表面提纯设备，解决了现有的金属硅酸液提纯用酸量大，效率低下的问题。本发明包括对金属硅进行球磨粉碎，再用王水蒸汽对金属硅进行表面提纯，所用到的表面提纯设备具有搅拌装置，加热装置、喷淋装置和酸液循环利用装置，通过加热酸液对金属硅进行熏蒸和冲洗，得到提纯金属硅。本发明具有酸液使用量少，提纯效果好，可用于定向凝固提纯的预提纯等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属硅的提纯方法和设备，具体涉及酸蒸汽预提纯金属硅工艺及表面提纯设备。
背景技术
能源问题是当下全球关注的问题，为了充分利用自然界的能源而减少不可再生能源的使用，早前就提出了太阳能，即充分利用太阳所发出的光，将其转化为可利用的电能。
目前绝大部分太阳能电池是晶体硅太阳能电池，在晶体硅太阳能电池中，高纯的金属硅成为主要的原料，但是太阳能电池对硅的纯度要求很高，在现有的技术中，能达到该要求的制备方法的成本偏高，且掌握在少数发到国家手中，改良西门子法、硅烷法等，但是这就造成了价格一直居高不下，制约了该产业的发展和应用，为了克服这些产业问题必须先发展技术，尤其是原料的纯度问题。
在高纯硅的制备过程中，提纯是必要的环节，现有提纯方法有很多，如物理法，包括定向凝固，造渣法等，化学方法如酸洗法，氧化法，但是每种提纯方法都存在自己的问题，因此，出现了多种方法结合使用来增强提纯效果，如在定向凝固或氧化提纯之前对原料先进行酸洗提纯，这些方法在结合使用过程中，产生了一些积极作用。
但是对于酸洗提纯来说，被提纯原料的粒径，酸的种类，温度等等均会对提纯效果产生影响，现有的酸液提纯均是采用浸泡的方式进行，这导致酸液的使用量大，成本高，而且效率比较低，有必要发明一些新的工艺和设备来改善或克服这些问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：现有的金属硅酸液提纯用酸量大，效率低下。
本发明通过下述技术方案实现：
酸蒸汽预提纯金属硅工艺，包括对金属硅进行球磨粉碎，再用王水蒸汽对金属硅进行表面提纯。
本发明的设计原理为：酸洗提纯主要是对金属硅表面进行提纯，因此，金属硅比表面积越大，暴露的表面越多，与酸接触就越多，提纯效果就越好，为了增大金属硅的比表面积，对金属硅进行球磨粉碎，且金属硅在球磨过程产生大量的损伤层有利于暴露其表面，在球磨中加入稀盐酸，盐酸中的水与金属硅在球磨的碰撞产生的机械能和释放的热作用下，会在金属硅表面形成薄层的硅氧层，而表层的硅氧层对Ca、Al、B等杂质的溶解度大于其在金属硅中的溶解度，因此，在硅与硅氧层的界面，杂质会向硅氧层中运动，而球磨是一个动态过程，产生的硅氧层因为很薄，结构不稳定在与玛瑙球的碰撞下会被剥离从而将富集在该薄层中的杂质一起去除，金属硅经过球磨既细化得到比表面积更大的细颗粒又能进行一定程度上的提纯，对球磨后的金属硅进行通王水蒸汽，王水蒸汽中在高温条件下包括分子和氢离子，而且扩散运动速度很快，会快速进入到金属硅的表面和间隙中，而且其球磨产生的损伤层因为能量高有利于富集杂质，王水蒸汽与金属硅的表面接触后与其反应，生成易于溶解的金属盐或者酸，通过后续清洗而去除这些杂质盐类。
本发明优选的酸蒸汽预提纯金属硅工艺，所述表面提纯具体步骤为：将金属硅置于王水之上，再对王水进行加热产生蒸汽，从而对上面的金属硅进行熏蒸，最后用高纯水冲洗金属硅的表面，金属硅表面与王水蒸汽反应生成金属盐或酸，然后再通过水冲洗而将金属硅表面的杂质溶解去除掉。
本发明优选的酸蒸汽预提纯金属硅工艺，在对金属硅进行球磨粉碎之前先对金属硅进行预处理，所述预处理包括对金属硅用稀盐酸浸泡，有利于去除金属硅表面的浮渣。
本发明优选的酸蒸汽预提纯金属硅工艺，所述球磨粉碎的具体步骤为：将预处理后的金属硅装入球磨罐中，加入玛瑙球，并加入PH＝2-2.5的稀盐酸进行球磨，盐酸的氯离子有利于降低金属硅与水反应所需的能，从而使得反应更易进行。
所述金属硅与稀盐酸的质量比为1:3～1:6。
进一步地，在王水蒸汽进行蒸煮的过程中，对金属硅进行搅拌，有利于金属硅与王水蒸汽充分接触和表面反应。
进一步地，所述熏蒸时间为12-48小时。
本发明优选的酸蒸汽预提纯金属硅工艺，还包括酸蒸汽的回收，回收酸液可以重复利用，减少酸液消耗。
一种表面提纯设备，用于酸蒸汽预提纯金属硅工艺，包括罐体和盛具，所述罐体采用中间支撑网格分为上层腔体和下层腔体，所述罐体的顶部设置搅拌装置、喷淋管和酸蒸汽排出口，所述罐体的侧壁设置罐门，所述酸蒸汽排出口设置泄压阀，所述罐体的底部外侧设置加热装置，所述盛具的底部设置多个滤孔。
本发明的设计原理为：根据金属硅表面提纯的工序要求，将罐体设置为上层腔体和下层腔体，金属硅粉放置在上层腔体中，王水储存在下层腔体中，在对金属硅进行熏蒸时，开启底部加热装置，对王水进行加热并产生蒸汽，对上层的金属硅进行熏蒸，并开启搅拌设备进行搅拌，当熏蒸完成之后，用喷淋管喷水，对金属硅进行喷淋冲洗，最后得到提纯后的金属硅。
本发明优选的一种表面提纯设备，所述搅拌装置包括设置在罐体顶部外的搅拌电机和插入上层腔体中的搅拌轴，所述搅拌轴穿过固定板进入上层腔体，所述固定板与罐体顶部可拆卸密封连接，所述搅拌轴与搅拌电机的输出轴连接，所述搅拌轴上设置搅拌桨。
本发明优选的一种表面提纯设备，所述加热装置包括加热元件和盖体，所述盖体与罐体底部外侧可拆卸连接，所述加热元件位于罐体底部外侧和盖体之间，所述盖体上设置隔热材料，在加热元件外部设置盖体方便加热元件的维修和更换。
本发明优选的一种表面提纯设备，所述搅拌桨上设置竖直方向的通孔，通孔可以防止搅拌桨对王水蒸汽产生阻挡，影响其与金属硅的充分接触。
本发明优选的一种表面提纯设备，所述管道上设置冷凝管，所述酸蒸汽回收罐与所述下层腔体通过回收酸液输入管连通，当王水蒸汽通过管道进入冷凝管之后，会冷却为液态然后流入到酸蒸汽回收罐中，酸蒸汽回收罐中的王水通过回收酸液输入管又回流到下层腔体中，从而实现酸液的循环利用，而当不需要循环利用时，将回收酸液输入管上的阀门关闭即可。
进一步地，所述下层腔体的底部设置排液管，用于将喷淋的液体排出，下层腔体的侧壁上部还设置新酸液输入口，用于加入新配置的酸液。
本发明具有如下的优点和有益效果：
1.本发明通过对金属硅进行王水蒸汽熏蒸，使得王水蒸汽与金属硅表面的杂质进行接触和反应，最后通过高纯水清洗去除可溶于水的杂质金属盐或酸。
2.本发明通过在酸蒸表面提纯之前先进行球磨，有利于提高金属硅表面的面积和损伤层，也有利于在高能机械力作用下形成少量薄层硅氧层，从而在表面富集杂质，有利于后期酸蒸提纯。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明表面提纯设备的结构示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-罐体，2-中间支撑网格，3-搅拌装置，30-搅拌电机，31-搅拌轴，32-搅拌桨，33-固定板，4-加热装置，40-加热元件，41-盖体，5-喷淋管，6-酸蒸汽排出口，7-泄压阀，8-冷凝管，9-酸蒸汽回收罐，10-管道，11-新酸液输入管，12-回收酸液输入管，13-罐门，14-排液管，15-盛具。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
酸蒸汽预提纯金属硅工艺，包括以下步骤：
将99.5％的金属硅加入到稀盐酸中浸泡12小时，分离出金属硅转移到聚氨酯球磨罐中，加入玛瑙球和稀盐酸进行球磨，金属硅与玛瑙球的比例为1:20，所述金属硅与稀盐酸溶液的比例为1:5，球磨12小时后，将金属硅分离出来装入盛具15中转移到表面提纯设备的上层腔体中，下层腔体中输入王水，开启加热装置4和搅拌装置3，加热王水并产生蒸汽通过中间支撑网格2和盛具15的滤孔对金属硅进行熏蒸，熏蒸时间为6小时，熏蒸完成后，开启喷淋管5对金属硅进行冲洗，直至PH为6-7为止，熏蒸过程中，酸蒸汽通过泄压阀7进入管道10，并在冷凝管8中冷却后进入酸蒸汽回收罐9中，酸蒸汽回收罐9中的酸液经过回收酸液输入管12重新进入到下层腔体中实现循环利用，而当熏蒸完毕，不需要酸再进入下层腔体时，关闭回收酸液输入管12上的阀门即可，喷淋清洗过程中，开启下层腔体的排液管14的阀门，让清洗水流出，而当清洗完毕后，加热装置4可以对金属硅进行加热烘干，冷却，打开炉门，拆卸搅拌装置3向上提起，并将装有金属硅的盛具15取出，进行下一步操作。
采用ICPMS检测，金属硅的纯度为99.96％，可用于定向凝固提纯金属硅。
实施例2
将99.5％的金属硅加入到稀盐酸中浸泡12小时，分离出金属硅转移到聚氨酯球磨罐中，加入玛瑙球和稀盐酸进行球磨，金属硅与玛瑙球的比例为1:40，所述金属硅与稀盐酸溶液的比例为1:5，球磨48小时后，将金属硅分离出来装入盛具15中转移到表面提纯设备的上层腔体中，下层腔体中输入王水，开启加热装置4和搅拌装置3，加热王水并产生蒸汽通过中间支撑网格2和盛具15的滤孔对金属硅进行熏蒸，熏蒸时间为48小时，熏蒸完成后，开启喷淋管5对金属硅进行冲洗，直至PH为6-7为止，熏蒸过程中，酸蒸汽通过泄压阀7进入管道10，并在冷凝管8中冷却后进入酸蒸汽回收罐9中，酸蒸汽回收罐9中的酸液经过回收酸液输入管12重新进入到下层腔体中实现循环利用，而当熏蒸完毕，不需要酸再进入下层腔体时，关闭回收酸液输入管12上的阀门即可，喷淋清洗过程中，开启下层腔体的排液管14的阀门，让清洗水流出，而当清洗完毕后，加热装置4可以对金属硅进行加热烘干，冷却，打开炉门，拆卸搅拌装置3向上提起，并将装有金属硅的盛具15取出，进行下一步操作。
采用ICPMS检测，金属硅的纯度为99.98％，可用于定向凝固提纯金属硅。
实施例3
一种表面提纯设备，用于酸蒸汽预提纯金属硅工艺，包括罐体1和盛具15，所述罐体1采用中间支撑网格2分为上层腔体和下层腔体，所述罐体1的顶部设置搅拌装置3、喷淋管5和酸蒸汽排出口6，所述罐体1的侧壁设置罐门13，所述酸蒸汽排出口6设置泄压阀7，所述罐体1的底部外侧设置加热装置4，所述盛具15的底部设置多个滤孔。
所述搅拌装置3包括设置在罐体1顶部外的搅拌电机30和插入上层腔体中的搅拌轴31，所述搅拌轴31穿过固定板33进入上层腔体，所述固定板33与罐体1顶部可拆卸密封连接，所述搅拌轴31与搅拌电机30的输出轴连接，所述搅拌轴31上设置搅拌桨32。
进一步地，所述可拆卸密封连接为螺栓连接，所述搅拌轴31与固定板33的通孔之间通过生料带和凡士林密封。
所述加热装置4包括加热元件40和盖体41，所述盖体41与罐体1底部外侧可拆卸连接，所述加热元件40位于罐体1底部外侧和盖体41之间，所述盖体41上设置隔热材料，在加热元件40外部设置盖体41方便加热元件40的维修和更换，所述可拆卸连接为螺栓连接且配合周边的密封圈进行密封。
所述搅拌桨32上设置竖直方向的通孔，通孔可以防止搅拌桨32对王水蒸汽产生阻挡，影响其与金属硅的充分接触。
所述管道10上设置冷凝管8，所述酸蒸汽回收罐9与所述下层腔体通过回收酸液输入管12连通，当王水蒸汽通过管道10进入冷凝管8之后，会冷却为液态然后流入到酸蒸汽回收罐9中，酸蒸汽回收罐9中的王水通过回收酸液输入管12又回流到下层腔体中，从而实现酸液的循环利用，而当不需要循环利用时，将回收酸液输入管12上的阀门关闭即可。
进一步地，所述下层腔体的底部设置排液管14，用于将喷淋的液体排出，下层腔体的侧壁上部还设置新酸液输入口，用于加入新配置的酸液。
本发明的操作涉及强酸蒸汽，为了安全起见，必须要在通风设施下进行操作。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.酸蒸汽预提纯金属硅工艺，其特征在于，包括对金属硅进行球磨粉碎，再用酸蒸汽对金属硅进行表面提纯，所述酸为王水。
2.根据权利要求1所述的酸蒸汽预提纯金属硅工艺，其特征在于，所述表面提纯具体步骤为：将金属硅置于王水之上，再对王水进行加热产生蒸汽，从而对上面的金属硅进行熏蒸，最后用高纯水冲洗金属硅的表面。
3.根据权利要求1或2所述的酸蒸汽预提纯金属硅工艺，其特征在于，在对金属硅进行球磨粉碎之前先对金属硅进行预处理，所述预处理包括对金属硅用稀盐酸浸泡。
4.根据权利要求3所述的酸蒸汽预提纯金属硅工艺，其特征在于，所述球磨粉碎的具体步骤为：将预处理后的金属硅装入球磨罐中，加入玛瑙球，并加入PH＝2-2.5的稀盐酸进行球磨。
5.根据权利要求1、2或4任一项所述的酸蒸汽预提纯金属硅工艺，其特征在于，还包括酸蒸汽的回收。
6.一种表面提纯设备，其特征在于，用于如权利要求1、2或4任一项所述的酸蒸汽预提纯金属硅工艺，包括罐体(1)和盛具(15)，所述罐体(1)采用中间支撑网格(2)分为上层腔体和下层腔体，所述罐体(1)的顶部设置搅拌装置(3)、喷淋管(5)和酸蒸汽排出口(6)，所述罐体(1)的侧壁设置罐门(13)，所述酸蒸汽排出口(6)设置泄压阀(7)，所述罐体(1)的底部外侧设置加热装置(4)，所述盛具(15)的底部设置多个滤孔。
7.根据权利要求6所述的一种表面提纯设备，其特征在于，所述搅拌装置(3)包括设置在罐体(1)顶部外的搅拌电机(30)和插入上层腔体中的搅拌轴(31)，所述搅拌轴(31)套设在固定板(33)上，所述固定板(33)与罐体(1)顶部可拆卸密封连接，所述搅拌轴(31)与搅拌电机(30)的输出轴连接，所述搅拌轴(31)上设置搅拌桨(32)。
8.根据权利要求6或7所述的一种表面提纯设备，其特征在于，所述加热装置(4)包括加热元件(40)和盖体(41)，所述盖体(41)与罐体(1)底部外侧可拆卸连接，所述加热元件(40)位于罐体(1)底部外侧和盖体(41)之间，所述盖体(41)上设置隔热材料。
9.根据权利要求7所述的一种表面提纯设备，其特征在于，所述搅拌桨(32)上设置竖直方向的通孔。
10.根据权利要求6、7或9任一项所述的一种表面提纯设备，其特征在于，所述酸蒸汽排出口(6)与酸蒸汽回收罐(9)通过管道(10)连接，所述管道(10)上设置冷凝管(8)，所述酸蒸汽回收罐(9)与所述下层腔体通过回收酸液输入管(12)连通。
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