CN112957758A - 一种从刻蚀废酸中回收高纯度硝酸和氢氟酸的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种从刻蚀废酸中回收高纯度硝酸和氢氟酸的方法,通过分段蒸馏、酸清洗、浓硫酸干燥等综合工艺,使废酸中的HF/H2SiF6/HNO3成分得以有效分离,形成高纯度的氢氟酸、硝酸、硅氟酸溶液。本发明药剂消耗小,无二次排放,副产品价值高。
Description
技术领域
本发明涉及环保处理技术,具体涉及废液回收再利用技术领域,尤其涉及一种从刻蚀废酸中回收高纯度硝酸和氢氟酸的方法。
背景技术
氢氟酸和硝酸的混合酸溶液经常被用于多晶硅片等硅物质的清洗和刻蚀,该混合酸的酸液成分浓度较高,在硅的刻蚀反应中,Si与HNO3和HF反应生成硅氟酸(H2SiF6)、NO2和H2O;
Si+4HNO3+6HF→H2SiF6+4NO2↑+4H2O (反应式1);
3Si+4HNO3+18HF→3H2SiF6+4NO↑+8H2O (反应式2);
随着刻蚀时间的持续,清理掉的表面杂物和反应产物在混酸的浓度越来越高,原混合酸的纯度降低成为废酸,不能再进行酸洗刻蚀操作,需要更换新的混酸,然而,该废酸中仍含有较高浓度的硝酸(约40%-50%)和部分氢氟酸。
在传统的氢氟酸和硝酸处理工艺中,通常采用碱中和工艺,添加Ca(OH)2、NaOH、絮凝剂等化学药剂进行中和形成CaF2沉淀,后续进一步对Ca(NO3)2、NaNO3等硝酸盐蒸发结晶,最终形成氟化钙污泥和硝酸钠晶体,该方法成本较高,且副产品的市场价值极低,不易推广使用。
2HF+Ca(OH)2→CaF2↓+2H2O (反应式3);
HNO3+NaOH→NaNO3+H2O (反应式4);
在中国专利发明专利申请号201911377570.1,一种用于多晶硅制绒酸洗液回收利用装置和方法,公开在上述中和沉淀后,对残余的自由硝酸根进行精馏提纯,形成约65%的硝酸。如上述方法一样,该方法在中和过程中添加的碱液同时也与硝酸根离子反应,自由的硝酸根精馏比例较低,大量的硝酸根离子依然无法得以充分回收。
综上所述,针对现有技术中存在的缺陷,本发明提出一种从刻蚀废酸中回收高纯度硝酸和氢氟酸的方法,以解决现有技术的不足。
发明内容
本发明的目的是提供一种从刻蚀废酸中回收高纯度硝酸和氢氟酸的方法,该方法药剂消耗小,无二次排放,副产品价值高。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是:
一种从刻蚀废酸中回收高纯度硝酸和氢氟酸的方法,包括:
第一油浴器,将装有废酸的容器放置于第一油浴器进行加热,容器的加热温度大于氢氟酸沸点且低于硝酸沸点;
废酸中的硅氟酸沸腾,气态中的SiF4成分显著上升,在冷凝管中和冷凝水发生反应生成SiO2和HF,SiO2沉淀在容器,水解采生的HF和原蒸发产生的HF通过冷凝后收集在氢氟酸储罐,形成较高纯度的氢氟酸溶液;原废酸中的HF成分得以回收;
氢氟酸储罐内的容液进行蒸馏,获得高纯度的硅氟酸与氢氟酸,使原废酸中的硅氟酸成分得以回收;
硝酸溶液未达沸腾温度,但是由于温度较高,仍有NO2和HNO3气体挥发,容器、氢氟酸储罐连接有预处理去除NO2和HNO3成分的吸附净化装置;
将第一油浴器的温度加热至硝酸沸点,使硝酸沸腾,在硝酸冷凝管中进行冷凝,冷凝后收集在硝酸储罐,原废酸中的硝酸成分得以回收。
进一步,氢氟酸储罐内的容液进行蒸馏中包含有第一氢氟酸冷凝管、第二氢氟酸冷凝管,第一氢氟酸冷凝管和第二氢氟酸冷凝管之间并联,其中一段发生SiO2堵塞时,该段压差变大,此时切换至备用冷凝段。
进一步,氢氟酸收集罐导出氢氟酸溶液,氢氟酸溶液经循环泵对堵塞在氢氟酸冷凝管内的SiO2进行喷淋清洗,使SiO2溶解重新形成硅氟酸溶液,硅氟酸容液收集在硅氟酸储罐中,同时,堵塞的氢氟酸冷凝管得以清洗干净,以备用冷凝。
进一步,氢氟酸收集罐导出的氢氟酸溶液进行稀释,减少HF的挥发。
进一步,吸附净化装置采用浓硫酸吸附装置。
进一步,浓硫酸吸收装置吸收NO2和HNO3成分,NO2会和浓硫酸产生化学反应生成亚硝基硫酸,HNO3会被浓硫酸以物理吸附的方式固定在浓硫酸内,使冷凝管内的气体成分获得净化。
进一步,浓硫酸吸收装置包含有第二油浴器,浓硫酸长时间吸收后,富集了较高的亚硝基硫酸和物理吸附的硝酸,此时,对吸收后的浓硫酸通过第二油浴器加热,使亚硝基硫酸分解,NO2、HNO3挥发,经冷凝管后生成硝酸溶液,硝酸溶液收集在硝酸储罐。
进一步,硝酸储罐内残余的少量未冷凝和吸收的NO成分,通入双氧水槽中进行最终的氧化吸收。
进一步,废酸的容器内氢氟酸的加热温度区间为110-120℃。
本发明的优点在于:通过本发明的方法能够在刻蚀废酸中提取硝酸、氢氟酸、硅氟酸,进一步的,通过本发明方法提取硝酸和氢氟酸具有提取纯度高、提取率高、药剂消耗小,本处理方法无二次排放,副产品价值高,具有突出的经济效益、社会效益以及生态效益,利于推广使用。
附图说明
图1是本发明的工艺路线图。
100-第一油浴器,110-容器,120-第二油浴器,130-浓硫酸,140-氢氟酸储罐,150-第一氢氟酸冷凝管,160-第二氢氟酸冷凝管,170-硅氟酸储罐,180-清洗泵,190-硝酸储罐,200-硝酸冷凝管,210-双氧水吸收槽。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解,下面结合图示与具体实施例,进一步阐述本发明。
实施例:例如某刻蚀工艺采用70%的硝酸和约50%的氢氟酸,随着刻蚀时间的持续,清理掉的表面杂物和反应产物在混酸的浓度越来越高,原混酸的纯度降低成为废酸,不能再进行酸洗刻蚀操作,需要更换新的混酸。然而,该废酸中仍含有较高浓度的硝酸(约40%-50%)和部分氢氟酸。
如图1所示,本发明提出的一种从刻蚀废酸中回收高纯度硝酸和氢氟酸的方法,通过分段蒸馏、酸清洗、浓硫酸干燥等综合工艺,使废酸中的HF/H2SiF6/HNO3成分得以有效分离,形成高纯度的氢氟酸、硝酸、硅氟酸。
混酸废酸液含有HF、HNO3和H2SiF6,以及清洗掉的金属离子等杂质。其中,HF、HNO3和H2SiF6等成分的热挥发性较好,且HF/H2SiF6和HNO3的挥发温度有温度差异区间,可通过温度控制进行分步挥发以实现分离。
首先,将储存有该混酸废酸的容器110放置于第一油浴器100进行加热,氢氟酸的沸点温度约为110℃,硝酸的沸点温度约为120℃,有约10℃的温差区间。
当废液被加热到高于氢氟酸沸点和低于硝酸沸点的温度区间时,HF/H2SiF6-H2O系统便在该较低温度区域进行蒸发,由于,H2SiF6成分的存在且处于沸腾状态,气态中的SiF4成分显著上升,而在冷凝管中,SiF4成分极易与冷凝水分发生水解反应形成SiO2:
SiF4+2H2O→SiO2↓+4HF↑ (反应式5);
水解产生的HF气体,与原蒸发产生的HF通过冷凝后收集在氢氟酸储罐140,形成较高纯度的氢氟酸溶液;原废酸中的HF成分得以回收。
然后,硅氟酸与氢氟酸一起蒸馏,如何防止在冷却管中氟化硅与水反应生成二氧化硅沉淀而堵塞冷却管路,参见反应式5,是系统稳定运行的关键。
为此,氢氟酸冷凝管设置为备用的并行管两根第一氢氟酸冷凝管140和第二氢氟酸冷凝管150,两段均设置压差表P6.1和P6.2。当其中一段发生SiO2堵塞时,该段压差变大,此时切换至备用冷凝段。切换后,通过氢氟酸储罐140中的导出的部分氢氟酸溶液(一定程度稀释,减少HF挥发),经清洗泵180进行喷淋清洗,将堵塞冷凝管中的SiO2溶解重新形成硅氟酸溶液收集在硅氟酸储罐170中。同时,堵塞管道得以清洗干净,以备用冷凝。
SiO2+6HF→H2SiF6+2H2O (反应式6);
通过上述清洗工艺,原废酸中的硅氟酸成分得以回收。
虽然在110-120℃区间加热时,硝酸溶液未达沸腾温度,但是由于温度较高,仍有NO2和HNO3气体挥发。该气体如果随同上述HF一起冷凝,则所得氟化氢酸液的纯度将显著下降,因此容器110、氢氟酸储罐140连接有预处理去除NO2和HNO3成分的吸附净化装置。
吸附净化装置设置为浓硫酸吸收装置。经浓硫酸130吸收后,NO2会和浓硫酸产生化学反应生成亚硝基硫酸;HNO3会被浓硫酸以物理吸附的方式固定在浓硫酸内。因此,进入冷凝管的气体成分获得净化。
HF-H2O系统蒸馏完成后,混酸的容器110中基本为硝酸和残余杂质。
关闭HF冷凝管前端阀门,打开硝酸吸收管路阀门,将第一油浴器100温度提升至120℃以上,使硝酸沸腾,在硝酸冷凝管200中进行冷凝,形成较高纯度的约68%的硝酸。冷凝的硝酸收集在硝酸储罐190中。原废酸中的HNO3成分得以回收。
上述浓硫酸长时间吸收后,富集了较高的亚硝基硫酸和物理吸附的硝酸。此时,对吸收后的浓硫酸130通过第二油浴器120进行加热,使亚硝基硫酸分解,NO2、HNO3挥发,经硝酸冷凝管200后生成硝酸溶液。
对于残余的少量未冷凝和吸收的NO成分,通入双氧水吸收槽210中进行最终的氧化吸收。
2NO+3H2O2→2HNO3+2H2O (反应式7);
因此,通过本发明的综合处理工艺,通过分段蒸馏、酸清洗、浓硫酸干燥等综合工艺,可将废酸中的残余的高浓度HF、HNO3成分进行分离和回收,所需药剂可循环使用,无污泥二次排放、回收酸纯度高、市场价值高。
本发明的有益效果:
1)从氢氟酸刻蚀废酸中高纯度高浓度的氢氟酸(40%的氢氟酸市场价格约在4500-5000RMB/t)及高纯度的硝酸溶液(浓硝酸市场价格在2000-2500RMB/t);
2)浓硫酸吸收二氧化氮后可通过热分解在工艺中循环使用,极大地减少了药剂消耗成本,仅需双氧水消耗。
3)该处理工艺相对于传统工艺无污泥二次废物产生,环境友好,社会环境附加价值更大。
以上实施方式只为说明本发明的技术构思及特点,其目的在于让本领域的技术人员了解本发明的内容并加以实施,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做的等效变化或修饰,都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种从刻蚀废酸中回收高纯度硝酸和氢氟酸的方法,其特征在于,包括:
第一油浴器,将装有废酸的容器放置于第一油浴器进行加热,容器的加热温度大于氢氟酸沸点且低于硝酸沸点;
废酸中的硅氟酸沸腾,气态中的SiF4成分显著上升,在冷凝管中和冷凝水发生反应生成SiO2和HF,SiO2沉淀在容器,水解采生的HF和原蒸发产生的HF通过冷凝后收集在氢氟酸储罐,形成较高纯度的氢氟酸溶液;原废酸中的HF成分得以回收;
氢氟酸储罐内的容液进行蒸馏,获得高纯度的硅氟酸与氢氟酸,使原废酸中的硅氟酸成分得以回收;
硝酸溶液未达沸腾温度,但是由于温度较高,仍有NO2和HNO3气体挥发,容器、氢氟酸储罐连接有预处理去除NO2和HNO3成分的吸附净化装置;
将第一油浴器的温度加热至硝酸沸点,使硝酸沸腾,在硝酸冷凝管中进行冷凝,冷凝后收集在硝酸储罐,原废酸中的硝酸成分得以回收。
2.根据权利要求1所述的一种从刻蚀废酸中回收高纯度硝酸和氢氟酸的方法,其特征在于,氢氟酸储罐内的容液进行蒸馏中包含有第一氢氟酸冷凝管、第二氢氟酸冷凝管,第一氢氟酸冷凝管和第二氢氟酸冷凝管之间并联,其中一段发生SiO2堵塞时,该段压差变大,此时切换至备用冷凝段。
3.根据权利要求2所述的一种从刻蚀废酸中回收高纯度硝酸和氢氟酸的方法,其特征在于,氢氟酸收集罐导出氢氟酸溶液,氢氟酸溶液经循环泵对堵塞在氢氟酸冷凝管内的SiO2进行喷淋清洗,使SiO2溶解重新形成硅氟酸溶液,硅氟酸容液收集在硅氟酸储罐中,同时,堵塞的氢氟酸冷凝管得以清洗干净,以备用冷凝。
4.根据权利要求3所述的一种从刻蚀废酸中回收高纯度硝酸和氢氟酸的方法,其特征在于,氢氟酸收集罐导出的氢氟酸溶液进行稀释,减少HF的挥发。
5.根据权利要求1所述的一种从刻蚀废酸中回收高纯度硝酸和氢氟酸的方法,其特征在于,吸附净化装置采用浓硫酸吸附装置。
6.根据权利要求5所述的一种从刻蚀废酸中回收高纯度硝酸和氢氟酸的方法,其特征在于,浓硫酸吸收装置吸收NO2和HNO3成分,NO2会和浓硫酸产生化学反应生成亚硝基硫酸,HNO3会被浓硫酸以物理吸附的方式固定在浓硫酸内,使冷凝管内的气体成分获得净化。
7.根据权利要求5所述的一种从刻蚀废酸中回收高纯度硝酸和氢氟酸的方法,其特征在于,浓硫酸吸收装置包含有第二油浴器,浓硫酸长时间吸收后,富集了较高的亚硝基硫酸和物理吸附的硝酸,此时,对吸收后的浓硫酸通过第二油浴器加热,使亚硝基硫酸分解,NO2、HNO3挥发,经冷凝管后生成硝酸溶液,硝酸溶液收集在硝酸储罐。
8.根据权利要求7所述的一种从刻蚀废酸中回收高纯度硝酸和氢氟酸的方法,其特征在于,硝酸储罐内残余的少量未冷凝和吸收的NO成分,通入双氧水槽中进行最终的氧化吸收。
9.根据权利要求1所述的一种从刻蚀废酸中回收高纯度硝酸和氢氟酸的方法,其特征在于,废酸的容器内氢氟酸的加热温度区间为110-120℃。
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