CN110372315B - 一种光伏生产过程中固废的利用方法及人造石英石 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光伏生产过程中固废的利用方法及人造石英石，包括准备废弃石英坩埚、废弃硅粉，将废弃石英坩埚进行破碎、过滤获得石英颗粒、粉末；在废弃硅粉中加入含有水玻璃、氨水的水溶液反应获得组合物A，在石英颗粒、粉末中加入组合物A和玻璃、固化树脂、偶联剂以及固化剂搅拌混合，对搅拌混合后的材料进行布料、压制、成型、固化制备而成人造石英石。本发明的废弃硅粉处理后，代替一部分有机高分子粘合剂，大幅降低了人造石英石的成本，将这些硅粉做到了减量化、资源化的综合利用；废弃石英坩埚作为人造石英石的原料，达到了资源化利用，变废为宝的目的，大幅降低了人造石英石的成本且未降低其性能，节约了大量石英矿资源及其开采投入。

Description

一种光伏生产过程中固废的利用方法及人造石英石

技术领域

本发明涉及光伏及环境保护领域，适用于固废处理，特别是涉及一种光伏生产过程中固废的利用方法及人造石英石。

背景技术

光伏（Photovoltaic）：是太阳能光伏发电系统（Solar power system）的简称，是一种利用太阳电池半导体材料的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统。

我国太阳能光伏产业起步较西方国家略晚，早期以太阳能电池制造为主，美国和欧盟是我国光伏产品的重要出口市场。自2008年国际金融危机爆发以来，欧美发达国家经济受到较大影响，导致就业率下降，贸易保护主义势头日益上升。在此背景下，包括光伏产业在内的中国众多出口行业遭遇了越来越严重的贸易摩擦。2012年、2013年美国和欧盟对中国光伏产品采取的巨额惩罚措施，在当时对中国光伏企业发展产生了巨大负面影响。在此背景下，大量竞争力较弱的企业退出产业。从2013年开始在我国政府和光伏企业的共同努力下，我国光伏产业迎来转机。凭借良好的产业配套优势、人力资源优势、成本优势以及国家的大力扶持政策，充分利用国内光伏市场崛起的机遇，通过自主创新与引进消化吸收再创新相结合，我国光伏产业逐步形成了具有我国自主特色的产业技术体系，逐步成为我国为数不多的具有国际竞争优势的战略性新兴产业。

目前光伏电池以硅材料电池为主，生产过程中，需要将硅材料铸锭成多晶锭或者用CZ法拉制成单晶棒后制成电池片和太阳能电池组件，石英坩埚是太阳能电池用多晶硅铸锭或单晶硅拉晶过程中所用的关键部件，用以装载高纯的硅原料进行熔制。由于石英坩埚在使用过程中会发生析晶、变形和破裂，为了防止对高纯硅料的污染，坩埚通常只能使用一次，因而石英坩埚是硅材料生产中的消耗性器皿。随着我国太阳能硅锭生产能力的不断扩大，对石英坩埚需求量与日俱增，其消耗废弃量也越来越大。此外，由于从废弃石英坩埚中再提纯高纯石英存在技术难度大和生产成本高等因素。因此，目前光伏企业所产生的废弃石英坩埚只作为一种废料堆放或填埋，其对环境带来巨大的压力，同时也是一种资源浪费。而目前针对废弃石英再利用的研究与开发进展缓慢。

目前，我国多晶硅铸锭用坩埚全部为熔融石英陶瓷材质，采用注浆成形或注凝成型工艺制备，单晶硅采用多晶硅为原料和直拉法生产工艺。在单晶硅生产中，石英坩埚是一次性使用的熔硅和晶体生长的关键材料，对单晶硅的生产成本和产品产量质量都有直接的重要影响团。石英坩埚存在以下先天缺陷：熔融石英耐温性能不足，硅锭热处理后软化，从玻璃态转变成结晶态，冷却期间，结晶氧化硅相变产生体积膨胀，易导致坩埚破裂、破碎；另外，坩埚被熔融硅侵蚀，凝固中的硅锭趋于粘附在石英坩埚壁上，由于硅与熔融石英具有不同的热膨胀系数，极大的机械应力可能产生于坩埚壁内，导致坩埚干裂。这些缺陷使得坩埚只能使用一次且难以回收，提高了多晶硅生产成本，严重浪费原料。

此外光伏行业，上游硅片厚度与切割损失量是影响晶体硅电池应用成本、甚至太阳能并网发电成本的第一个决定性因素。相比传统的砂浆切割技术，金刚线切割速度可提升5倍；材料损耗少、出片率高；产品质量提升；运营成本下降，能使单晶硅生产成本下降20%—30%，非硅成本下降40%左右。所以，近几年金刚线切割硅片已经成为行业主流，随之也产生了大量以硅粉为主要成分的固体废弃物。

人造石英石是由天然石英和色料、树脂和其它调节粘接、固化等的添加剂，经过负压真空、高频振动成型，加温固化（温度高低是根据固化剂的种类而定）的生产方法加工而成的板材。其质地坚硬（莫氏硬度5-7）、结构致密（密度2.3g/立方厘米），具有其他装饰材料无法比拟的耐磨、耐压、耐高温、抗腐蚀、防渗透等特性。因此在传统人造石英石的制备工艺中，需要大量的如不饱和聚酯树脂一类的有机高分子粘合剂。

人造石英石是在真空条件下制造的表里如一致密无孔的复合材料，十分适合在复杂环境下发挥作用。其石英表面对厨房中的酸碱等有极好的抗腐蚀能力，日常使用的液体物质不会渗透其内部，长时间置于表面的液体只须用清水或普通家用清洁剂用抹布擦洗即可，必要时也可用刀片刮去表面的滞留物。合成石英石光泽亮丽的表面是经过几十道复杂的抛光处理工艺加工而成，不会被刀铲刮伤，不会为液体物质渗透，不会产生发黄，变色等问题，日常的清洁只需用清水冲洗即可，简单易行；即使经过长时间的使用，其表面亦同新装台面一样的亮丽，无需维护和保养。

因此，有必要开发将这些废弃坩埚及硅粉资源化利用的方法。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种光伏生产过程中固废的利用方法，具体是一种光伏硅材料拉晶、铸锭后废弃的石英坩埚资源化利用的方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种光伏生产过程中固废的利用方法，包括：

（1）备料：收集光伏生产过程中固废，包括废弃石英坩埚、废弃硅粉；

（2）预处理：将废弃石英坩埚进行破碎、过滤获得石英颗粒、粉末；在废弃硅粉中加入含有水玻璃、氨水的水溶液反应获得组合物A，其中：水玻璃与硅粉质量比为1:2-10，通过氨水用量的调节控制反应过程中的pH值为10-13；

（3）混合：在石英颗粒、粉末中加入组合物A和其他配料搅拌混合，其他配料包括玻璃、固化树脂、偶联剂以及固化剂，其中：石英颗粒、粉末占50-80%，组合物A占2-10%，玻璃占15-45%，固化树脂占0.5-5%，以上总质量100%计，偶联剂用量为固化树脂质量的0.8-3.0%，固化剂用量为固化树脂质量的0.3-1.8%；

（4）成型：对搅拌混合后的材料进行布料并压制成型毛坯，在温度为80-120℃下对毛坯进行固化，取出后进行冷却降温获得产品。

优选地，所述的石英坩埚为光伏硅材料拉晶、铸锭后废弃的石英坩埚；所述的硅粉为金刚线切割产生的硅粉。

进一步优选地，所述的石英坩埚为拉晶用圆石英坩埚、铸锭用方石英坩埚。

优选地，获得组合物A的反应中：反应温度为70-90℃，反应时间为6-12小时，反应过程中控制pH值为10-13。

优选地，所述的固化树脂为不饱和聚酯树脂；所述的偶联剂为硅烷偶联剂；所述的固化剂为OT固化剂。

优选地，所述的偶联剂用量为固化树脂质量的1.4-1.8%；所述的固化剂用量为固化树脂质量的0.6-0.9%。

优选地，所述的其他配料中还包括颜料，颜料可以用于进行调色，根据需要适当添加。

优选地，在步骤（4）中：固化时通过加热固化或者微波固化，固化温度为90-110℃。

优选地，该方法还包括步骤（5）对产品进行定厚、抛光、切割以及风干。

本发明的另一个目的是提供一种人造石英石。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种人造石英石，所述的人造石英石利用以下方法制备而成，包括：

收集光伏生产过程中固废，包括废弃石英坩埚、废弃硅粉，其中：石英坩埚为光伏硅材料拉晶、铸锭后废弃的石英坩埚，如拉晶用圆石英坩埚、铸锭用方石英坩埚；硅粉为金刚线切割产生的硅粉，

将废弃石英坩埚通过破碎机进行破碎，筛分出所需大小的石英颗粒、粉末，并过滤去除其中杂质；在废弃硅粉中缓慢加入含有水玻璃、氨水的水溶液进行反应，控制反应温度为70-90℃，反应时间为6-12小时，并获得组合物A，其中：水玻璃与硅粉质量比为1:2-10，通过氨水用量的调节控制反应过程中的pH值为10-13，

在石英颗粒、粉末中加入组合物A和其他配料搅拌混合，其他配料包括玻璃、不饱和聚酯树脂、硅烷偶联剂、OT固化剂以及颜料，其中：其中：石英颗粒、粉末占50-80%，组合物A占2-10%，玻璃占15-45%，优选为25-45%，不饱和聚酯树脂占0.5-5%，以上总质量100%计，硅烷偶联剂用量为不饱和聚酯树脂质量的0.8-3.0%，优选1.4-1.8%，OT固化剂用量为不饱和聚酯树脂质量的0.3-1.8%，优选0.6-0.9%，

搅拌好的混合材料通过传送皮带进入布料车，通过布料车将混合材料均匀的布入布料模框内；布料完毕后传输至压机设备，在-0.05~-0.2MPa的真空条件下进行震动压制成毛坯；压制完毕后，毛坯进入固化炉固化成型，固化方式可以采用加热固化或者微波固化，固化温度为80-120℃，优选90-110℃；毛坯固化后，经24小时冷却降温，获得人造石英石产品。

产品进入定厚设备进行定厚，定厚完毕后通过抛光机进行水磨抛光，根据不同需求抛光至光泽度达到相应规格，检验后利用纵横切、桥切机设备将产品切割至所需尺寸，切割好的产品风干后包装好，进入仓库保存。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：

本发明的废弃硅粉处理后，代替一部分有机高分子粘合剂，既大幅降低了人造石英石的成本，也将这些硅粉做到了减量化、资源化的综合利用；废弃石英坩埚，虽然由于上述原因不能在光伏生产过程中继续使用，但是由于这些坩埚使用的石英品位高，纯度好，本发明将其处理后，作为人造石英石的原料，从而达到了资源化利用，变废为宝的目的。

本发明将废弃石英坩埚、废气硅粉变废为宝制造人造石英石，大幅降低了人造石英石的成本且未降低其性能，同时也节约了大量石英矿资源及其开采投入。

附图说明

附图1为本发明的工艺流程图。

具体实施方式

下面将结合附图及实施案例对本发明作进一步描述：

实施例一：

将金刚线切割所得硅粉，缓慢加入含有水玻璃、氨水的水溶液中（水玻璃与硅粉比例为1:5），在80℃下反应7小时，反应过程中控制pH为10.5，反应完成后过滤，得到组合物A；将铸锭废弃的方石英坩埚，通过破碎机破碎后，筛分出所需大小（60目、80目、400目、800目）的石英颗粒及粉末，并去除其中杂质后待用；在混料系统中加入组合物A6%（质量百分比，下同）、不饱和聚酯树脂2%、60目石英砂17%、80目石英砂13%、400目石英粉11%、800目石英粉19%、80目玻璃8%、10目玻璃6%、40目白玻璃18%、加入硅烷偶联剂（相当于树脂质量的1%）、OT固化剂（相当于树脂质量的0.4%）等配料，充分搅拌混合；搅拌好的混合材料通过传送皮带，进入布料车内，再由布料车将料均匀的布入布料模框内，布料完毕后，传输至压机设备，在-0.1MPa的真空条件下进行震动压制。压制完毕后，毛坯入固化炉，于100℃下固化成型，毛坯固化后，经24小时冷却降温，进入定厚设备进行定厚，定厚完毕后，通过抛光机，进行水磨抛光，根据不同需求，抛光至光泽度达到相应规格。检验后，利用纵横切、桥切机设备将产品切割至所需尺寸，切割好的产品风干后包装好，进入仓库保存。所得人造石英石板材经测试，莫氏硬度为6、吸水率为0.18%、弯曲强度为36MPa。

实施例二：

将金刚线切割所得硅粉，缓慢加入含有水玻璃、氨水的水溶液中（水玻璃与硅粉比例为1:6），在85℃下反应8小时，反应过程中控制pH为11，反应完成后过滤，得到组合物A；将拉单晶废弃的圆石英坩埚，通过破碎机破碎后，筛分出所需大小（60目、80目、400目、800目）的石英颗粒及粉末，并去除其中杂质后待用；在混料系统中加入组合物A6.5%（质量百分比，下同）、不饱和聚酯树脂2.5%、60目石英砂15%、80目石英砂15%、400目石英粉12%、800目石英粉17%、80目玻璃10%、10目玻璃6%、40目白玻璃16%、加入硅烷偶联剂（相当于树脂质量的1.5%）、OT固化剂（相当于树脂质量的0.7%）等配料，充分搅拌混合；搅拌好的混合材料通过传送皮带，进入布料车内，再由布料车将料均匀的布入布料模框内，布料完毕后，传输至压机设备，在-0.07MPa的真空条件下进行震动压制，压制完毕后，毛坯入固化炉，于110℃下固化成型，毛坯固化后，经24小时冷却降温，进入定厚设备进行定厚，定厚完毕后，通过抛光机，进行水磨抛光，根据不同需求，抛光至光泽度达到相应规格。检验后，利用纵横切、桥切机设备将产品切割至所需尺寸，切割好的产品风干后包装好，进入仓库保存。所得人造石英石板材经测试，莫氏硬度为7、吸水率为0.16%、弯曲强度为38Mpa。

实施例三：

将金刚线切割所得硅粉，缓慢加入含有水玻璃、氨水的水溶液中（水玻璃与硅粉比例为1:4），在90℃下反应8小时，反应过程中控制pH为11，反应完成后过滤，得到组合物A；将拉单晶废弃的圆石英坩埚，通过破碎机破碎后，筛分出所需大小（60目、80目、400目、800目）的石英颗粒及粉末，并去除其中杂质后待用；在混料系统中加入组合物A6%（质量百分比，下同）、不饱和聚酯树脂2%、60目石英砂17%、80目石英砂14%、400目石英粉11%、800目石英粉18%、80目玻璃8%、10目玻璃10%、40目白玻璃14%、加入硅烷偶联剂（相当于树脂质量的1.5%）、OT固化剂（相当于树脂质量的0.7%）等配料，充分搅拌混合；搅拌好的混合材料通过传送皮带，进入布料车内，再由布料车将料均匀的布入布料模框内，布料完毕后，传输至压机设备，在-0.15MPa的真空条件下进行震动压制，压制完毕后，毛坯入微波固化炉，于80W微波下固化成型，毛坯固化后，经24小时冷却降温，进入定厚设备进行定厚，定厚完毕后，通过抛光机，进行水磨抛光，根据不同需求，抛光至光泽度达到相应规格。检验后，利用纵横切、桥切机设备将产品切割至所需尺寸，切割好的产品风干后包装好，进入仓库保存。所得人造石英石板材经测试，莫氏硬度为7、吸水率为0.14%、弯曲强度为37Mpa。

对比例：

将普通石英石，通过破碎机破碎后，筛分出所需大小（60目、80目、400目、800目）的石英颗粒及粉末，并去除其中杂质后待用；在混料系统中加入不饱和聚酯树脂8%（质量百分比，下同）、60目石英砂17%、80目石英砂13%、400目石英粉11%、800目石英粉19%、80目玻璃8%、10目玻璃6%、40目白玻璃18%、加入硅烷偶联剂（相当于树脂质量的1%）、OT固化剂（相当于树脂质量的0.4%）等配料，充分搅拌混合；搅拌好的混合材料通过传送皮带，进入布料车内，再由布料车将料均匀的布入布料模框内，布料完毕后，传输至压机设备，在-0.1MPa的真空条件下进行震动压制，压制完毕后，毛坯入固化炉，于100℃下固化成型，毛坯固化后，经24小时冷却降温，进入定厚设备进行定厚，定厚完毕后，通过抛光机，进行水磨抛光，根据不同需求，抛光至光泽度达到相应规格。检验后，利用纵横切、桥切机设备将产品切割至所需尺寸，切割好的产品风干后包装好，进入仓库保存。所得人造石英石板材经测试，莫氏硬度为6、吸水率为0.18%、弯曲强度为36MPa。

相对于对比例，本发明实施例采取光伏废弃坩埚为基本原料，同时以金刚线切割产生的硅粉制备组合物A，大幅降低了不饱和聚酯树脂用量及相应的硅烷偶联剂及OT固化剂用量，从而大幅降低了人造石英石的成本且未降低其性能。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种光伏生产过程中固废的利用方法，特征在于：包括：

（1）备料：收集光伏生产过程中固废，包括废弃石英坩埚、废弃硅粉，所述的石英坩埚为光伏硅材料拉晶、铸锭后废弃的石英坩埚；所述的硅粉为金刚线切割产生的硅粉；

（2）预处理：将废弃石英坩埚进行破碎、过滤获得石英颗粒、粉末；在废弃硅粉中加入含有水玻璃、氨水的水溶液反应获得组合物A，其中：水玻璃与硅粉质量比为1:2-10，通过氨水用量的调节控制反应过程中的pH值为10-13；

（3）混合：在石英颗粒、粉末中加入组合物A和其他配料搅拌混合，其他配料包括玻璃、固化树脂、偶联剂以及固化剂，其中：石英颗粒、粉末占50-80%，组合物A占2-10%，玻璃占15-45%，固化树脂占0.5-5%，以上总质量100%计，偶联剂用量为固化树脂质量的0.8-3.0%，固化剂用量为固化树脂质量的0.3-1.8%；

（4）成型：对搅拌混合后的材料进行布料并压制成型毛坯，在温度为80-120℃下对毛坯进行固化，取出后进行冷却降温获得产品。

2.根据权利要求1所述的一种光伏生产过程中固废的利用方法，其特征在于：所述的石英坩埚为拉晶用圆石英坩埚、铸锭用方石英坩埚。

3.根据权利要求1所述的一种光伏生产过程中固废的利用方法，其特征在于：在步骤（2）中：获得组合物A的反应中：反应温度为70-90℃，反应时间为6-12小时。

4.根据权利要求1所述的一种光伏生产过程中固废的利用方法，其特征在于：所述的固化树脂为不饱和聚酯树脂；所述的偶联剂为硅烷偶联剂；所述的固化剂为OT固化剂。

5.根据权利要求1所述的一种光伏生产过程中固废的利用方法，其特征在于：所述的偶联剂用量为固化树脂质量的1.4-1.8%；所述的固化剂用量为固化树脂质量的0.6-0.9%。

6.根据权利要求1所述的一种光伏生产过程中固废的利用方法，其特征在于：所述的其他配料中还包括颜料。

7.根据权利要求1所述的一种光伏生产过程中固废的利用方法，其特征在于：在步骤（4）中：固化时通过加热固化或者微波固化，固化温度为90-110℃。

8.根据权利要求1所述的一种光伏生产过程中固废的利用方法，其特征在于：该方法还包括步骤（5）对产品进行定厚、抛光、切割以及风干。

9.一种人造石英石，其特征在于：所述的人造石英石由权利要求1至8中任意一项权利要求所述的光伏生产过程中固废的利用方法制备而成。

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