KR101340601B1 - Recovery method of elemental silicon by electrolysis in non-aqueous electrolyte from silicon sludge - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 실리콘 슬러지로부터 비수계 전해액에서의 전해법을 이용한 원소 형태 실리콘의 회수방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for recovering elemental silicon from silicon sludge using an electrolytic method in a non-aqueous electrolyte.
실리콘 잉곳(ingot)으로부터 웨이퍼를 절단하는 공정에서 20㎛ 크기의 탄소규소 등을 함유한 절단용 슬러리가 사용되고 있다. 이 과정에서 실리콘, 탄화실리콘, 금속분말 및 절삭유 등이 함유되어 있는 슬러지가 배출되며, 폐슬러지를 효과적으로 분리, 회수하여 유용한 자원으로 재이용 또는 재활용하는 것은 자원의 효율적인 이용은 물론 환경적으로도 의미가 있다고 할 수 있다.In the process of cutting a wafer from a silicon ingot, a cutting slurry containing carbon silicon and the like having a size of 20 μm is used. In this process, sludge containing silicon, silicon carbide, metal powder and cutting oil is discharged, and waste sludge can be effectively separated and recovered and reused or recycled as a useful resource. It can be said.
일반적으로 실리콘의 제련은 농축된 이산화규소(SiO2)를 탄소와 같은 환원제를 이용하여 고온에 반응시켜 얻을 수 있는데 대략 98% 순도를 가지게 되므로 그 용도에 한계가 있다. 또한, 제련과정에서 많은 에너지를 소모하며, 다량의 이산화탄소를 방출하게 되고 불순물을 포함하게 되는 문제점이 있다. 반도체, 태양광 및 이차전지 산업 등의 고부가가치 산업에 사용되기 위해서는 정제공정이 필수적이다. 실리콘의 정제는 할로겐 화합물로의 전환-분별증류-환원에 의하여 99.9% 이상의 순도를 얻을 수 있지만 공정이 매우 복잡하고, 에너지 다소비이면서 유독물질을 취급하는 등의 단점이 있지만 아직 대체공정이 개발되어 있지는 않다.In general, smelting of silicon can be obtained by reacting concentrated silicon dioxide (SiO 2 ) at high temperature using a reducing agent such as carbon, which has a purity of about 98%, and thus its use is limited. In addition, there is a problem that consumes a lot of energy in the smelting process, emits a large amount of carbon dioxide and contains impurities. The purification process is essential to be used in high value added industries such as semiconductor, photovoltaic and secondary battery industries. Purification of silicon can achieve more than 99.9% purity by conversion-distillation-reduction into halogen compounds, but the process is very complicated, energy-consuming and handling of toxic substances, but alternative processes have yet to be developed. It is not.
또한, 반도체 혹은 태양전지로 사용되기 위해서는 박막화 과정이 필요하게 되는데 이는 용융-응고에 이은 잉곳 절단공정으로 웨이퍼를 만들거나 혹은 화학증착(chemical vapour deposition)이나 스퍼터링(sputtering) 등과 같은 증착법이 필요한데, 이러한 공정은 고진공에서 조업하여야 하며 연속공정이 매우 어렵기 때문에 비용이 매우 많이 드는 공정이다. In addition, in order to be used as a semiconductor or a solar cell, a thinning process is required, which requires wafer-making by melt-solidification followed by ingot cutting, or a deposition method such as chemical vapor deposition or sputtering. The process must be operated at high vacuum and is very expensive because the continuous process is very difficult.
과거 수십 년 동안 실리콘 박막을 용이하게 제조할 수 있는 공정에 대한 연구가 많이 이루어지고 있지만 아직 대안이 없는 상태이다. 전해법은 공정이 간단하고 전압, 전류 등의 간단한 조작으로 원하는 특성의 소재를 얻을 수 있으며, 그 특성상 연속 대량생산이 가능한 공정이다. 하지만 실리콘은 낮은 산화환원평형전위, 높은 환원 과전압으로 인하여 보통의 수용액 계에서 전해환원이 매우 어렵고 미량의 환원 실리콘도 수용액 중의 산소와 재산화가 일어나 원소형태의 실리콘 전해환원이 불가능하다. In the past decades, a lot of research has been done on the process of making silicon thin films easily, but there is no alternative. The electrolytic method is a simple process and a simple operation of voltage, current, etc. to obtain a material of the desired characteristics, due to its characteristics is a process capable of continuous mass production. However, due to the low redox equilibrium potential and high reduction overvoltage, it is very difficult to reduce electrolytic reduction in ordinary aqueous solutions, and even a small amount of reduced silicon is reoxidized with oxygen in aqueous solution, making it impossible to reduce elemental silicon electrolysis.
문헌조사에 의하면 비수계 전해질에서의 전해법에 의한 실리콘의 전해환원 대한 방법이 연구되어 왔다. Cohen과 Huggins는 LiH-KF 공정에서 전기분해에 의해 SiF6를 제조하여(U. Cohen and R. A. Huggins, 1976: Silicon Epitaxial Growth by Electrodeposition from Molten Fluorides, J. Electrochem. Soc., 123, pp. 381-383.) 모노실리콘과 다결정 실리콘에 대한 연구가 시작되었다. Elwell 등은 용융상태의 LiF-KF-NaF-K2SiF6에서 박막실리콘의 연속적인 증착 가능성에 대해 검토하였다(D. Elwell and G. M. Rao, 1988: Electrolytic production of silicon, J. Appl. Electrochem., 18, pp. 15-22.). 이들은 500~1400℃의 고온에서 용융염을 이용한 전착을 연구하였으며, 이는 복잡한 공정 및 고온공정이 요구되어 많은 비용과 에너지가 소모된다. 비양자성 용매(aprotic solvent)나(A. K. Agrawal and A. E. Austin, 1981: Electrodeposition of silicon from solutions of silicon halides in aprotic solvents, J. Electrochem. Soc., 128, pp. 2292-296.) 용융염(K. L. Carleton, J. M. Olson, and A. Kibbler, 1983: Electrochemical nucleation and growth of silicon in molten fluorides, J. Electrochem. Soc., 130, pp. 782-786.)에서의 실리콘 전해환원에서 실리콘의 공급원으로 K2SiF6, Na2SiF6, SiO2 등을 사용하여 고온의 용융염에서 실리콘을 환원하였으며, 최대 0.25㎛ 두께의 균일 박막 형성이 가능하다고 보고하였다(J. Gobet and H. Tannenberger, 1986: Electrodeposition of silicon from a nonaqueous solvent, J. Electrochem. Soc., 133, pp. C322.). 또한, 최근 Nicholson 등은 비수계 용매를 이용하여 낮은 온도의 용융염에서도 실리콘을 전착할 수 있다고 하였으나, 이들은 전착된 실리콘이 강한 산화성을 나타내어 실리카를 형성한다고 보고하였다(J. P. Nicholson, 2005: Electrodeposition of silicon from nonaqueous solvents, J. Electrochem. Soc., 152, pp. C795-802.). According to the literature investigation, a method for electrolytic reduction of silicon by electrolytic method in non-aqueous electrolyte has been studied. Cohen and Huggins prepared SiF 6 by electrolysis in LiH-KF process (U. Cohen and RA Huggins, 1976: Silicon Epitaxial Growth by Electrodeposition from Molten Fluorides, J. Electrochem. Soc., 123, pp. 381- 383.) Research began on monosilicon and polycrystalline silicon. Elwell et al. Investigated the possibility of continuous deposition of thin-film silicon in molten LiF-KF-NaF-K 2 SiF 6 (D. Elwell and GM Rao, 1988: Electrolytic production of silicon, J. Appl. Electrochem., 18, pp. 15-22.). They studied electrodeposition using molten salt at high temperature of 500 ~ 1400 ℃, which requires complicated process and high temperature process, which consumes a lot of cost and energy. Aprotic solvents (AK Agrawal and AE Austin, 1981: Electrodeposition of silicon from solutions of silicon halides in aprotic solvents, J. Electrochem. Soc., 128, pp. 2292-296.) Molten salts (KL Carleton , JM Olson, and A. Kibbler, 1983:.... Electrochemical nucleation and growth of silicon in molten fluorides, J. Electrochem Soc, 130, pp silicon in electrolytic reduction at 782-786) as a source of silicon K 2 SiF 6 , Na 2 SiF 6 , SiO 2, etc. were used to reduce silicon in hot molten salt, and it was reported that a uniform thin film of up to 0.25 μm thickness could be formed (J. Gobet and H. Tannenberger, 1986: Electrodeposition of silicon). from a nonaqueous solvent, J. Electrochem. Soc., 133, pp. C322.). In addition, Nicholson et al. Recently reported that silicon can be electrodeposited even at low temperature molten salt using a non-aqueous solvent, but they reported that the electrodeposited silicon exhibited strong oxidative properties to form silica (JP Nicholson, 2005: Electrodeposition of silicon). from nonaqueous solvents, J. Electrochem. Soc., 152, pp. C795-802.).
넓은 전기화학창과 우수한 전기전도도를 가지는 이온성 액체를 전해질로 사용하여 수용액계 전해질에서 불가능했던 알루미늄, 타이타늄, 마그네슘과 같은 고활성 금속의 전해 환원이 가능하다는 연구가 보고되고 있다(F. Endres, 2002: Ionic Liquids: Solvents for the electrodeposition of metals and Semiconductors, Phys. Chem. Chem. Phys., 3, pp. 144-154.). 유기용매를 이용하여 수소발생을 최소화한 고전도성의 전해질이 Austin에 의해 연구되었다(A. E. Austin, 1976: US Pat. 3,990,953 and Nov. 9 (1976) CA 86: 10098c.). 일반적으로 할로겐화실리콘(silicon halide), PC(propylene carbonate)나 THF(tetrahydrofuran)와 같은 비양자성 용매를 이용하여 전해질을 제조하며, 이들은 전도성이 없기 때문에 지지전해질이 필요로 하게 된다. Austin의 연구에서는 할로겐화 실리콘과 지지전해질로 테트라부틸암모늄 퍼클로레이트(Bu4NClO4)를 첨가하여 여러 유기 전해질을 사용하였으며, Bucker와 Amick에 의해 설명되어졌다(E. R. Bucker and J. A. Amick, 1980: US Pat. 4,192,720. Oct. 16 (1980) CA 92: 10098.). 최근 Fukunaka 그룹에 의해 PC를 이용한 실리콘의 전해환원 연구가 보고되었으나(Y. Nishimura and Y. Fukunaka, 2007: Electrochemical reduction of silicon chloride in a non-aqueous solvent, Electrochimca Acta, 53, pp. 111-116.), XPS 분석 결과 전착된 실리콘은 공기 중에 노출되어 산화되었고, Munisamy 등은 아세토니트릴(acetonitrile)에서 전해법으로 실리콘의 초기성장에 대한 연구를 진행하였다(T. Munisamy and A. J. Bard, 2010: Electrodeposition of Si from organic solvents and studies related to initial stages of Si growth, Electrochimca Acta, 55(11, 15), pp. 3797-3803.). Abedin 등은 상온이온성 액체를 이용하여 실리콘을 전착하였다고 보고하였고(S. Z. El Abedin, N. Borissenko, and F. Endres, 2004: Electrodeposition of nanoscale silicon in a room temperature ionic liquid, Electrochem. Comm., 6, pp. 510-514.), Mallet 등은 같은 방법으로 실리콘 나노와이어를 최초로 합성했다고 보고하였다(J. Mallet, M. Molinari, F. Martineau, F. Delavoie, P. Fricoteaux, and M. Troyon, 2008: Growth of silicon nanowires of controlled diameters by electrodeposition in ionic liquid at room temperature, Nano Lett. 8(10), pp. 3468-3474.).It has been reported that electrolytic reduction of highly active metals such as aluminum, titanium, and magnesium, which is impossible in aqueous electrolytes, is possible by using an ionic liquid having a wide electrochemical window and excellent electrical conductivity as an electrolyte (F. Endres, 2002). : Ionic Liquids: Solvents for the electrodeposition of metals and Semiconductors, Phys. Chem. Chem. Phys., 3, pp. 144-154.). Highly conductive electrolytes that minimize hydrogen evolution using organic solvents have been studied by Austin (AE Austin, 1976: US Pat. 3,990,953 and Nov. 9 (1976) CA 86: 10098c.). Generally, electrolytes are prepared using aprotic solvents such as silicon halide, propylene carbonate (PC), or tetrahydrofuran (THF), and they need a supporting electrolyte because they are not conductive. Austin's work used several organic electrolytes by adding tetrabutylammonium perchlorate (Bu 4 NClO 4 ) as the silicon halide and supporting electrolyte, and was described by Bucker and Amick (ER Bucker and JA Amick, 1980: US Pat. Oct. 16 (1980) CA 92: 10098.). A recent study of electrochemical reduction of silicon using PC has been reported by the Fukunaka Group (Y. Nishimura and Y. Fukunaka, 2007: Electrochemical reduction of silicon chloride in a non-aqueous solvent, Electrochimca Acta, 53, pp. 111-116. In the XPS analysis, the electrodeposited silicon was exposed to air and oxidized, and Munisamy et al. Studied the initial growth of silicon by electrolysis in acetonitrile (T. Munisamy and AJ Bard, 2010: Electrodeposition of Si from organic solvents and studies related to initial stages of Si growth, Electrochimca Acta, 55 (11, 15), pp. 3797-3803.). Abedin et al. Reported the electrodeposition of silicon using a room temperature ionic liquid (SZ El Abedin, N. Borissenko, and F. Endres, 2004: Electrodeposition of nanoscale silicon in a room temperature ionic liquid, Electrochem. Comm., 6, Mallet et al. reported the first synthesis of silicon nanowires in the same way (J. Mallet, M. Molinari, F. Martineau, F. Delavoie, P. Fricoteaux, and M. Troyon, 2008). : Growth of silicon nanowires of controlled diameters by electrodeposition in ionic liquid at room temperature, Nano Lett. 8 (10), pp. 3468-3474.).
이들은 모두 상온에서 실리콘의 전해환원에 대한 연구를 보고하였으며, 환원된 실리콘이 산화되는 문제를 해결하지 못하였다. 또한, 전착된 산화실리콘이 전해질의 용존산소가 함께 환원된 것인지, 전착된 다공성의 실리콘이 공기 중에 노출되면서 산화된 것인지에 대해서는 밝혀지지 않았고, 전착된 실리콘을 공기 중에 노출되기 전 어닐링(annealing)을 통해 안정화하려는 연구가 일부 시도되었으나 아직 해결되지 못하고 있다.They all reported a study on the electrolytic reduction of silicon at room temperature, and did not solve the problem of reduced silicon oxidation. In addition, it is not known whether the electrodeposited silicon oxide is reduced together with the dissolved oxygen of the electrolyte, or the electrodeposited porous silicon is oxidized when exposed to air, and through annealing before the electrodeposited silicon is exposed to air. Some attempts to stabilize have been attempted but have not yet been resolved.
따라서, 복잡한 기존 공정에 비해 단순한 공정으로 실리콘 슬러지로부터 전해법에 의한 원소 형태 실리콘의 회수에 있어서 전해 조건에 대한 개발의 필요성이 절실히 요구되고 있다.Therefore, there is an urgent need for the development of electrolytic conditions in the recovery of elemental silicon from the silicon sludge by electrolysis in a simpler process compared to the existing complicated process.
본 연구에서는 실리콘 슬러지로부터 분리공정을 통하여 절삭유와 금속 불순물 등을 기계적 선별법으로 제거한 다음, 분리된 실리콘, 탄화실리콘 혼합물을 염화 배소하여 사염화실리콘을 제조하였다. 전도성을 갖는 비수계 용매에 사염화실리콘을 용해하고 전해법으로 원소형태의 실리콘을 직접 환원하였다. 최종 생성된 전착물의 분석으로부터 전착물의 결정설, 조성과 불순물 존재 여부를 조사하였다. In this study, silicon tetrachloride was prepared by mechanically removing cutting oil and metal impurities through the separation process from silicon sludge, and then roasting the separated silicon and silicon carbide mixtures with chloride. Silicon tetrachloride was dissolved in a non-aqueous solvent having conductivity, and silicon in elemental form was directly reduced by electrolysis. The crystallization theory, composition and presence of impurities were investigated from the analysis of the final electrodeposits.
본 발명자들은 실리콘 슬러지로부터 전해법을 통한 실리콘의 회수방법에 대해 연구하던 중, 사염화실리콘을 제조하여 전도성을 갖는 비수계 전해액을 사용하여 전해법으로 원소 형태의 실리콘을 직접 환원 가능하며, 이 후 열처리를 함으로써 실리콘의 전해공정 효율을 크게 향상시키고 실리콘의 안정화 효율이 우수하여짐을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.While the present inventors are studying a method for recovering silicon from the silicon sludge through electrolysis, silicon tetrachloride may be prepared to directly reduce elemental silicon by electrolysis using a non-aqueous electrolyte having conductivity, and then heat treatment. By greatly improving the electrolytic process efficiency of silicon and excellent in the stabilization efficiency of silicon, it was completed the present invention.
따라서, 본 발명은 실리콘 슬러지로부터 비수계 전해액에서의 전해법을 이용한 원소 형태 실리콘의 회수방법을 제공하고자 한다.Accordingly, the present invention is to provide a method for recovering elemental silicon from the silicon sludge using an electrolytic method in a non-aqueous electrolyte.
본 발명은 실리콘 슬러지로부터 사염화실리콘을 제조한 후, 비수계 전해액을 이용하여 제조공정이 간단하고 전해변수의 조절이 쉬워 실리콘 조직을 제어할 수 있을 뿐 아니라, 용이하게 회수할 수 있는 비수계 전해액에서 전해법을 이용한 원소 형태 실리콘의 회수방법을 제공한다.According to the present invention, after the production of silicon tetrachloride from the silicon sludge, the non-aqueous electrolyte can be used to control the silicon structure as well as to simplify the manufacturing process and to easily control the electrolytic parameters. Provided is a method for recovering elemental silicon using electrolysis.
본 발명에 따른 실리콘의 회수방법은, 실리콘을 제조할 때 저온(200℃이하)에서 전해법으로 원소 형태의 실리콘의 직접 환원이 가능하며, 단순 공정과 전해조건 변화로 실리콘 조직을 제어할 수 있고, 실리콘 염의 첨가로 연속 조업이 가능하다.In the method of recovering silicon according to the present invention, it is possible to directly reduce elemental silicon by electrolytic method at low temperature (below 200 ° C.) when manufacturing silicon, and to control silicon structure by simple process and change of electrolytic conditions. The addition of silicone salts allows for continuous operation.
도 1은 실리콘 슬러지로부터 사염화실리콘의 제조공정에 대한 개략도를 나타낸 도이다.
도 2는 실리콘 슬러지로부터 절삭유 및 철 분말을 분리해 낸 고상 성분의 X선 회절과 전자현미경을 이용하여 분석한 결과를 나타낸 도이다.
도 3은 0.1M의 사염화실리콘을 용해한 [EMIM]TFSI 전해액과 전극을 금으로 하여 순환전위법으로 측정한 전기화학적 거동을 나타낸 도이다.
도 4는 금 전극에서 환원된 실리콘의 SEM-EDS 결과를 나타낸 도이다.
도 5는 본 발명에 의해 회수된 실리콘의 XPS 측정 결과를 나타낸 도이다.
도 6은 본 발명에 의해 회수된 실리콘의 XRD 측정 결과를 나타낸 도이다.1 is a schematic view of a process for producing silicon tetrachloride from silicon sludge.
FIG. 2 is a diagram showing the results of analysis using an X-ray diffraction and an electron microscope of a solid component from which cutting oil and iron powder are separated from silicon sludge.
FIG. 3 is a diagram showing electrochemical behavior measured by cyclic dislocation method using [EMIM] TFSI electrolyte solution containing 0.1M silicon tetrachloride and an electrode as gold.
Figure 4 is a view showing the SEM-EDS results of the silicon reduced in the gold electrode.
5 is a view showing the XPS measurement results of the silicon recovered by the present invention.
6 is a view showing the XRD measurement results of the silicon recovered by the present invention.
본 발명은The present invention
(a) 실리콘 슬러지와 유기용매를 혼합하여 폐슬러지 내 절삭유를 분리하는 단계;(a) mixing the silicon sludge and the organic solvent to separate the cutting oil in the waste sludge;
(b) 상기 절삭유가 분리된 실리콘 슬러지를 자력선별기를 이용하여 철(Fe)을 분리하는 단계;(b) separating the iron (Fe) from the silicon sludge from which the cutting oil is separated using a magnetic separator;
(c) 상기 철이 제거된 실리콘 슬러지에 염소를 첨가 후, 가열하여 사염화실리콘(SiCl4)을 제조하는 단계;(c) adding chlorine to the silicon sludge from which the iron has been removed, followed by heating to prepare silicon tetrachloride (SiCl 4 );
(d) 고순도 불활성 기체 분위기 하에서 전도성을 가진 전극을 구비한 전해 셀을 사염화실리콘이 용해된 전도성 비수계 용매에 넣는 단계; 및(d) placing an electrolytic cell having a conductive electrode under a high purity inert gas atmosphere into a conductive non-aqueous solvent in which silicon tetrachloride is dissolved; And
(e) 상기 전해 셀에 전원을 가하여 음극에서는 실리콘의 환원이 발생하고 전극 표면에는 실리콘 박막이 형성되는 단계; 를 포함하는, 원소 형태 실리콘의 회수방법을 제공한다.(e) applying power to the electrolytic cell to reduce silicon at the cathode and to form a silicon thin film on the electrode surface; It provides a method of recovering elemental silicon, including.
이하, 본 발명에 대해서 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명의 실리콘 회수 방법에서, (a)단계는 실리콘 슬러지 내의 절삭유를 분리하는 단계로서, 절삭유와 잘 혼합될 수 있는 유기용매와 폐슬러지를 혼합하여 절삭유를 선택적으로 용해하여 절삭유를 실리콘 슬러지로부터 분리한다. In the silicon recovery method of the present invention, step (a) is a step of separating the cutting oil in the silicon sludge, by mixing the organic solvent and waste sludge which can be mixed with the cutting oil selectively to dissolve the cutting oil to separate the cutting oil from the silicon sludge do.
상기 유기용매는 클로로포름(chloroform), 에틸 아세테이트(ethyl acetate), 테트라하이드로퓨란(THF), 디클로로메탄(CH2Cl2)인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.The organic solvent is preferably chloroform, ethyl acetate, tetrahydrofuran (THF), dichloromethane (CH 2 Cl 2 ), but is not limited thereto.
상기 (b)단계는 절삭유가 분리된 실리콘 슬러지에 함유되어 있는 철(Fe)분말을 제거하는 단계이다. 철 분말은 와이어쏘(wire saw)와 실리콘의 마찰에 의해 생성되는 것으로서, 자력선별기(Eric manufacturing)를 사용하여 분리한다. 상기 자력선별기는 자속밀도 500가우스(gauss)인 것이 바람직하다.Step (b) is to remove iron (Fe) powder contained in the silicon sludge from which the cutting oil is separated. Iron powder is produced by friction of a wire saw and silicon, and is separated using a magnetic manufacturing machine. The magnetic separator is preferably a magnetic flux density of 500 gauss.
상기 (c)단계는 철을 분리한 후의 실리콘 슬러지로부터 사염화실리콘(SiCl4)을 제조하기 위한 단계이다. 상기 철이 제거된 실리콘 슬러지는 실리콘과 탄화실리콘의 혼합물로서, 염소를 첨가 후 가열하여 사염화실리콘을 회수한다. 상기 가열은 800~1200℃에서 30~90분간 수행하는 것이 바람직하다.Step (c) is a step for preparing silicon tetrachloride (SiCl 4 ) from the silicon sludge after iron is separated. The silicon sludge from which the iron has been removed is a mixture of silicon and silicon carbide, and is heated after the addition of chlorine to recover silicon tetrachloride. The heating is preferably performed for 30 to 90 minutes at 800 ~ 1200 ℃.
상기 (d)단계에서 실리콘의 전해환원을 위한 기본 전해 셀 구조는 작동전극, 상대전극으로 이루어진 전해 셀에, 음극에 가해지는 전압의 정밀 모니터링을 위하여 기준전극을 추가로 사용하는 3원계 전극시스템을 사용한다.In the step (d), the basic electrolytic cell structure for the electrolytic reduction of silicon includes a three-way electrode system that additionally uses a reference electrode for the precise monitoring of the voltage applied to the cathode of an electrolytic cell consisting of a working electrode and a counter electrode. use.
상기 전극은 전도성을 갖는 모든 금속이 가능하며, 바람직하게는 금, 백금, 구리로 이루어진 군으로부터 선택된 2종 이상을 선택하여 사용할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.The electrode may be any metal having conductivity, and preferably two or more selected from the group consisting of gold, platinum, and copper, but are not limited thereto.
상기 (d)단계에서 고순도 불활성 기체로서는 질소, 헬륨, 아르곤, 네온, 제논으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 아르곤을 사용하는 것이 좋다. 고순도 불활성 기체 분위기 하에서 실리콘을 회수함으로써, 실리콘의 산화를 방지할 수 있는 효과가 있다.In the step (d), as the high purity inert gas, at least one selected from the group consisting of nitrogen, helium, argon, neon, and xenon may be used, and argon may be preferably used. By recovering the silicon in a high purity inert gas atmosphere, there is an effect that can prevent the oxidation of the silicon.
상기 (d)단계에서 사염화실리콘을 용해 가능한 전도성 비수계 용매를 전해액으로 사용할 수 있다. 상기 전도성 비수계 용매는 TFSI(bis(trifluoromethylsulfonyl)imide) 음이온을 포함하는 전도성 비수계 용매로서, [BMPy]TFSI(1-Butyl-3-methyl-pyridinium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide), PP13TFSI(1-methyl-propylpiperidinium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide) 및 [EMIM]TFSI(1-Ethyl-3-methyl-imidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하나, 이에 한정되지 않는다.In step (d), a conductive non-aqueous solvent capable of dissolving silicon tetrachloride may be used as an electrolyte. The conductive non-aqueous solvent is a conductive non-aqueous solvent containing TFSI (bis (trifluoromethylsulfonyl) imide) anion, [BMPy] TFSI (1-Butyl-3-methyl-pyridinium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide), PP13TFSI (1-methyl -propylpiperidinium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide) and [EMIM] TFSI (1-Ethyl-3-methyl-imidazolium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide), including but not limited to one or more selected from the group consisting of.
또한, 상기 전도성 비수계 용매는 PC(Propylene carbonate), DCM(Dichloromethane), THF(Tetrahydrofuran), DCA(dicyanamide) 또는 NMP(N-methylpyrrolidone)을 추가로 포함할 수 있다. 상기의 물질은 점성도가 매우 낮으면서 실리콘의 해리에 영향을 주지 않으면서도 전해액의 전기전도도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.In addition, the conductive non-aqueous solvent may further include PC (Propylene carbonate), DCM (Dichloromethane), THF (Tetrahydrofuran), DCA (dicyanamide) or NMP (N-methylpyrrolidone). The material has an effect of improving the electrical conductivity of the electrolyte solution without affecting the dissociation of silicon while having a very low viscosity.
상기 (d)단계 전에, (d')전극과 셀을 황산(H2SO4)과 과산화수소(H2O2)의 혼합액으로 세척하는 단계; 및 (d'')비수계 용매를 80~120℃에서 20~30시간동안 건조하는 단계; 를 더 포함할 수 있다. 상기 (d')단계의 황산과 과산화수소는 50:50부피%로 혼합하여 사용하는 것이 바람직한데, 본 단계를 거침으로서 전극과 셀의 불순물을 제거할 수 있다. 상기 (a'')단계를 거침으로서 비수계 용매 내에 미량 포함되어 있는 수분을 제거할 수 있다.Before step (d), washing the electrode and the cell with a mixture of sulfuric acid (H 2 SO 4 ) and hydrogen peroxide (H 2 O 2 ); And (d '') drying the non-aqueous solvent at 80-120 ° C. for 20-30 hours; As shown in FIG. The sulfuric acid and hydrogen peroxide of step (d ') are preferably used in a mixture of 50: 50% by volume, and impurities of the electrode and the cell can be removed by this step. By passing through the step (a ''), the water contained in the trace amount in the non-aqueous solvent can be removed.
상기 (e)단계는 전해 셀에 전원을 가하여 음극에서는 실리콘의 환원이 발생하고 전극 표면에는 실리콘 박막이 형성되는 단계로서, 일반적인 전기도금과 같이 실리콘이 용해되어 있는 전해액에 두 금속 전극을 넣은 다음 전원을 가하면, 음극에서는 실리콘의 환원이 발생하게 되며, 전극 표면에 실리콘 전착물을 형성하게 된다. In the step (e), power is supplied to the electrolytic cell to reduce silicon at the cathode and a silicon thin film is formed on the electrode surface. The two metal electrodes are placed in an electrolyte in which silicon is dissolved, as in general electroplating. When the cathode is added, reduction of silicon occurs at the cathode, and silicon electrodeposits are formed on the electrode surface.
상기 (e)단계 이후에 비활성 기체 분위기 하에 800~900℃에서 30~90분간 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 비활성 기체로는 질소, 헬륨, 아르곤, 네온, 제논 등을 포함하나 이에 한정되지 않는다. 이러한 열처리 단계를 포함함으로 인해 실리콘의 불순물 제거 및 전착 실리콘의 안정화의 효과가 있다.
After the step (e) may further comprise the step of heat treatment for 30 to 90 minutes at 800 ~ 900 ℃ under an inert gas atmosphere. The inert gas includes but is not limited to nitrogen, helium, argon, neon, xenon and the like. By including the heat treatment step there is an effect of removing impurities and stabilization of the electrodeposited silicon.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 회수 방법으로 실리콘을 회수할 경우, 원소 형태의 실리콘을 전해법에 의해 직접 제고가 가능하여 복잡한 기존 공정에 비해 공정이 용이하고, 저온 공정이므로 대량 생산이 가능하고 원가가 절감되는 효과가 우수하다. 또한, 본 발명에 따른 실리콘의 회수방법은, 제조공정이 간단하고 사염화실리콘을 반복적으로 용해시키면서 실리콘의 연속적 회수가 가능한 효과를 가진다.
As described above, when recovering the silicon by the recovery method according to the present invention, it is possible to directly improve the element-type silicon by the electrolytic method, and the process is easy compared to the existing complex process, and because it is a low temperature process, mass production is possible. Cost savings are excellent. In addition, the method for recovering silicon according to the present invention has the effect that the manufacturing process is simple and the silicon can be continuously recovered while repeatedly dissolving silicon tetrachloride.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in order to facilitate understanding of the present invention. However, the following examples are provided only for the purpose of easier understanding of the present invention, and the present invention is not limited by the examples.
<< 실시예1Example 1 > 실리콘 > Silicone 슬러지로부터From sludge 사염화실리콘의Of silicon tetrachloride 제조 Produce
실리콘 슬러지로부터 실리콘의 회수를 위한 전처리로 사염화실리콘을 제조하기 위한 공정의 개요를 도 1에 나타내었다.An overview of the process for producing silicon tetrachloride as a pretreatment for the recovery of silicon from silicon sludge is shown in FIG. 1.
실리콘 슬러지 내의 절삭유와 잘 혼합될 수 있는 유기 용매로서 디클로로메탄(dichloromethane; CH2Cl2)을 실리콘 슬러지와 혼합하였으며, 3시간 동안 300rpm이상의 교반을 수행하여 실리콘 슬러지로부터 절삭유를 선택적으로 용해하였다. 절삭유를 용해시킨 후, 고상(Si+SiC)과 액상(유기성 오일)은 여과와 원심 분리에 의해 고상인 실리콘과 탄화실리콘 및 액상인 유기성 오일을 분리하였다. 유용성 오일이 분리된 고상의 혼합물 중 포함되어 있는 철 분말은 자속밀도 500가우스(gauss)의 자력선별기(Eric manufacturing)를 사용하여 분리하고, 이 혼합물을 1mol/L의 염산, 고액비 1:2, 상온 조건에서 2시간 동안 교반한 다음 침전시키고 증류수로 세척한 후 건조하였다. 철 분말까지 분리한 고상 성분을 X선 회절과 전자현미경을 이용해 분석한 결과는 도 2에 나타내었다.Dichloromethane (CH 2 Cl 2 ) was mixed with silicon sludge as an organic solvent that can be mixed well with cutting oil in the silicon sludge, and the cutting oil was selectively dissolved from the silicon sludge by stirring at 300 rpm or more for 3 hours. After dissolving the cutting oil, the solid phase (Si + SiC) and the liquid phase (organic oil) separated the solid silicon, the silicon carbide and the liquid organic oil by filtration and centrifugation. Iron powder contained in the solid-phase mixture from which the oil-soluble oil was separated was separated by magnetic manufacturing with a magnetic flux density of 500 gauss, and the mixture was separated into 1 mol / L hydrochloric acid, high liquid ratio 1: 2, After stirring for 2 hours at room temperature, precipitated, washed with distilled water and dried. The solid phase component separated to iron powder was analyzed by X-ray diffraction and electron microscopy.
도 2에 나타난 바와 같이, 철 분말이 분리된 고상 성분에서 철의 함량은 총 고상 중량 대비 0.1중량% 이하로 제거되어, 실리콘과 탄화실리콘의 혼합물임을 확인하였다.As shown in Figure 2, the iron content in the separated solid powder of iron powder is removed to less than 0.1% by weight relative to the total solid weight, it was confirmed that the mixture of silicon and silicon carbide.
이 후, 분리 농축된 실리콘 및 탄화실리콘의 혼합물에 탄소분말 5중량%를 첨가한 다음 노에 장입하고 염소 기체를 주입하면서 1000℃에서 1시간 동안 염화, 배소하여 증류되는 기체를 25℃에서 응축하여 사염화실리콘(SiCl4)의 형태로 제조하였다.
Thereafter, 5 wt% of carbon powder was added to the mixture of concentrated silicon and silicon carbide, charged in a furnace, infused with chlorine gas, chlorinated and roasted at 1000 ° C. for 1 hour, and the distilled gas was condensed at 25 ° C. It was prepared in the form of silicon tetrachloride (SiCl 4 ).
<< 실시예Example 2> 2> 사염화실리콘에서From silicon tetrachloride 실리콘의 전해회수 Electrolytic Recovery Of Silicon
1. 실리콘의 전해회수를 위한 실험 조건1. Experimental conditions for electrolytic recovery of silicon
실리콘의 전해환원을 위한 기본 전해셀 구조는 3원계 전극시스템을 사용하였고, 전해액은 사염화실리콘을 용해한 [EMIM]TFSI를 사용하였다. 실리콘의 산화를 방지하기 위하여 고순도 아르곤 기체(5N, 산소 함량 1 ppm 이내, 수증기 함량 3 ppm 이내)를 장입한 글러브박스 내에서 실험을 수행하였다. 이온성 액체의 안정구간(voltage window) 및 전해조건(전극, 이온성액체, 실리콘 농도 등)이 전기화학적 특성에 미치는 영향은 Potentiostat/Galvanostat(Solartron 1287)을 이용하여 순환전위법(cyclic voltammetry)으로 측정하였다. 전압의 범위는 -4~2 V(vs. OCV)이며 주사속도(scan rate)는 10 mV/s로 측정하였다. The basic electrolytic cell structure for the electrolytic reduction of silicon was used a ternary electrode system, and the electrolyte solution [EMIM] TFSI dissolved in silicon tetrachloride. In order to prevent oxidation of silicon, experiments were carried out in a glove box loaded with high purity argon gas (5N, oxygen content within 1 ppm, water vapor content within 3 ppm). The effect of the voltage window and the electrolytic conditions (electrode, ionic liquid, silicon concentration, etc.) on the electrochemical properties of ionic liquids was investigated by cyclic voltammetry using Potentiostat / Galvanostat (Solartron 1287). Measured. The voltage ranged from -4 to 2 V (vs. OCV) and the scan rate was measured at 10 mV / s.
작동전극(working electrode)은 금(Au)을 기본으로 하고 실리콘의 전기화학적 산화/환원 거동을 조사하였다. 백금선(Pt wire)을 상대전극(counter electrode, 4 cm2)과 기준전극(QRE, quasi reference electrode)으로 각각 사용하였다. 불순물 제거를 위하여 모든 전극과 셀은 실험 전 황산(H2SO4)과 과산화수소(H2O2) 50:50 부피% 혼합액으로 세척한 다음 실험에 사용하였다. 또한, 모든 이온성 액체는 실험 전 100 oC 진공오븐에서 24시간 동안 건조하여 미량 포함되어있는 수분을 제거한 다음 전기화학 실험에 사용하였다. 전해법으로 제조한 원소형태의 실리콘의 형상, 조성 및 결정성을 분석하기 위하여 사염화실리콘을 0.5 M 용해한 [EMIM]TFSI으로부터 정전위법(-1.9 V vs. Pt-QRE)에 의하여 원소형태의 실리콘을 직접 환원하는 실험을 수행하였다.
The working electrode was based on Au and the electrochemical oxidation / reduction behavior of silicon was investigated. Platinum wire (Pt wire) was used as a counter electrode (counter electrode, 4 cm 2 ) and a reference electrode (QRE, quasi reference electrode), respectively. In order to remove impurities, all electrodes and cells were washed with a 50:50 volume% mixture of sulfuric acid (H 2 SO 4 ) and hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) before the experiment, and then used in the experiment. In addition, all ionic liquids were dried for 24 hours in a 100 ° C vacuum oven before the experiment to remove the traces of water contained in the electrochemical experiment. In order to analyze the shape, composition and crystallinity of elemental silicon prepared by electrolytic method, elemental silicon was prepared by electrostatic potential method (-1.9 V vs. Pt-QRE) from [EMIM] TFSI dissolved in 0.5 M of silicon tetrachloride. The experiment was conducted to reduce directly.
2. 실리콘의 전해회수2. Electrolytic Recovery of Silicon
[EMIM]TFSI 전해액과 전극을 금(Au)으로 했을 경우 전기화학적 거동을 도 3에 나타내었다. Electrochemical behavior of the [EMIM] TFSI electrolyte and the electrode using gold (Au) is shown in FIG. 3.
도 3에 나타난 바와 같이 전기화학적으로 안정한 전기화학창은 약 3 V이고 음극전위한계는 -2.5 V(vs. Pt-QRE)였다. 0.5 M의 SiCl4가 용해된 전해질에서는 [EMIM]TFSI의 음극한계전위를 고려할 때 안정적인 실리콘의 환원으로 예상되는 강한 환원전류가 나타나는 것을 확인하였다. 사염화실리콘(SiCl4)이 용해된 전해액에서 순환전위 거동을 살펴보면 0 V부터 첫 번째 환원전류가 증가하기 시작하고 약 -2.2 V에서 환원전류밀도가 급격하게 증가하는 두 번째 환원영역이 존재한다. 첫 번째 환원영역에서는 4가의 실리콘 이온이 다른 화합물 형태로 변화하는 구간으로 예상되며, -2.2 V부터 시작되는 두 번째 환원영역에서 이온상태의 실리콘과 중간 단계의 실리콘 화합물이 실리콘으로 환원될 것으로 생각된다. 특히, 실리콘의 환원전류로 예상되는 피크가 환원한계전위보다 높은 전위에 있어 환원반응에 불순물이 포함되어질 가능성이 낮음을 확인하였다.
As shown in FIG. 3, the electrochemically stable electrochemical window was about 3 V and the negative electrode potential was -2.5 V (vs. Pt-QRE). In the electrolyte of 0.5 M SiCl 4 , it was confirmed that a strong reduction current was expected to be expected in the reduction of stable silicon considering the negative limit potential of [EMIM] TFSI. Looking at the cyclic potential behavior in the electrolyte containing silicon tetrachloride (SiCl 4 ), the first reduction current starts to increase from 0 V and there is a second reduction region where the reduction current density increases rapidly at about -2.2 V. In the first reduction zone, tetravalent silicon ions are expected to be changed into other compounds. In the second reduction zone starting from -2.2 V, the ionic silicon and the intermediate silicon compound are expected to be reduced to silicon. . In particular, it was confirmed that impurities are not likely to be included in the reduction reaction at a potential that is expected to be a reduction current of silicon at a potential higher than the reduction limit potential.
<< 실험예1Experimental Example 1 > 실리콘 > Silicone 전착층의Electrodeposition layer 분석 analysis
1. 분석 방법1. Analysis method
실리콘의 형상은 전계방사형 주사전자현미경(field emission scanning electron microscope, FE-SEM, JEOL, JSM-6500F)을 이용하여 관찰하였고, 전착층의 조성은 FE-SEM에 부착된 X-선 분광분석기(energy dispersive spectrometer, EDS)를 통하여 확인하였다. 전착된 실리콘의 불순물 확인은 X-선 광전자 분광기(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS, ULVAC-PHI, Quantera SXM)를 이용하여 분석하였으며, 표면분석과 함께 표면으로부터 약 50nm의 깊이로 깊이 분석을 병행하였다. 또한 X-선 회절 분석기(X-ray diffractometer, XRD, Rigaku D/MAX-2000, Cu-Ka)를 이용하여 실리콘의 결정성을 확인하였다.
The shape of the silicon was observed using a field emission scanning electron microscope (FE-SEM, JEOL, JSM-6500F), and the composition of the electrodeposition layer was X-ray spectrometer attached to the FE-SEM (energy). dispersive spectrometer (EDS). Impurity identification of the electrodeposited silicon was analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS, ULVAC-PHI, Quantera SXM), and the surface analysis was performed with depth analysis at a depth of about 50 nm from the surface. . In addition, the crystallinity of silicon was confirmed using an X-ray diffractometer (X-ray diffractometer, XRD, Rigaku D / MAX-2000, Cu-Ka).
2. 2. 전착층의Electrodeposition layer 분석 결과 Analysis
금 전극에서 환원된 실리콘의 SEM-EDS결과를 도 4에 나타내었다. SEM-EDS results of the silicon reduced in the gold electrode are shown in FIG. 4.
도 4에 나타난 바와 같이, 실리콘의 형상은 약 100 nm의 입자형태로 모여 있으며, EDS 분석결과 작동 전극인 금과 함께 환원된 실리콘이 확인되었다. As shown in Figure 4, the shape of the silicon is gathered in the form of particles of about 100 nm, EDS analysis confirmed that the reduced silicon with the working electrode gold.
순환전위곡선에서 확인된 안정한 구간에서 얻어진 실리콘이므로 작동 전극을 제외한 다른 불순물은 나타나지 않았으나, 다량의 산소가 검출되었다. 실리콘의 환원 및 이온성액체의 물성을 측정하는 실험은 아르곤 분위기의 글로브박스에서 진행되어 실리콘이 산화물로 환원되었을 가능성은 낮으며, 이온성 액체를 실험 전 100℃의 진공오븐에서 24시간 이상 건조하여 내부의 수분을 제거하였기 때문에 검출된 산소는 시편을 제조하고 분석기기로 이동 중에 외부에 노출되어 표면에서 산화가 발생한 것으로 판단된다. 표면 및 불순물 분석을 위해 XPS를 측정한 결과를 도 5에 나타내었다. Since the silicon was obtained in a stable section identified in the cyclic potential curve, other impurities except for the working electrode did not appear, but a large amount of oxygen was detected. Experiments to measure the reduction of silicon and the properties of ionic liquids are carried out in a glove box in an argon atmosphere, and it is unlikely that silicon has been reduced to oxides. Since the moisture inside was removed, the detected oxygen was exposed to the outside while preparing the specimen and moving to the analyzer. 5 shows the results of measuring XPS for surface and impurity analysis.
도 5에 나타난 바와 같이, 환원된 실리콘의 양은 31.3 %로 매우 낮았으며, 산소 이외의 다른 불순물은 확인되지 않았다. 실리콘은 SiO2의 형태로 검출되었으며 표면의 변화인지 산화물로 환원이 진행됐는지를 판단하기 위해 깊이 분석을 통해 확인하였다. 표면에서부터 20 nm 내부의 결과를 보면, 표면에서 내부로 갈수록 SiO2 피크의 강도는 낮아지며, Si 피크가 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 20nm 이 후에는 완전한 Si의 피크가 나타나며, 이 결과로 SiO2는 전해환원 중에 생성된 것이 아니며 분석을 위해 외부에 노출되면서 표면만 산화된 것을 확인할 수 있었다. 또한, 전해질의 성분 및 염화이온이 검출되지 않아 순수한 실리콘을 환원된 것을 확인할 수 있었다. As shown in FIG. 5, the amount of reduced silicon was very low at 31.3%, and no impurities other than oxygen were found. Silicon was detected in the form of SiO 2 and confirmed through depth analysis to determine whether the reduction of the surface or oxide proceeded. Looking at the results of the inside 20 nm from the surface, it was confirmed that the intensity of the SiO 2 peak is lowered from the surface to the inside, the Si peak appears. After 20 nm, a peak of complete Si appears, and as a result, SiO 2 was not generated during electrolytic reduction, and it was confirmed that only the surface was oxidized while exposed to the outside for analysis. In addition, it was confirmed that pure silicon was reduced because the component and chloride ion of the electrolyte were not detected.
전해환원된 실리콘의 결정성을 확인하기 위해 XRD를 측정한 결과를 도 6에 나타내었다. 작동 전극으로 사용한 금의 피크를 기준으로 하여 실리콘 피크를 분석하였으며, 실리콘 결정면이 모두 여러 개가 혼재하는 것으로 보아 다결정 혹은 비정질 형태로 실리콘이 존재하는 것으로 확인되었다. XRD was measured to confirm the crystallinity of the electroreduced silicon is shown in FIG. Based on the peak of gold used as the working electrode, the silicon peak was analyzed, and it was confirmed that silicon was present in polycrystalline or amorphous form because several silicon crystal planes were mixed.
Claims (11)
(b) 상기 절삭유가 분리된 실리콘 슬러지를 자력선별기를 이용하여 철(Fe)을 분리하는 단계;
(c) 상기 철이 제거된 실리콘 슬러지에 염소를 첨가 후, 가열하여 사염화실리콘(SiCl4)을 제조하는 단계;
(d) 고순도 불활성 기체 분위기 하에서 전도성을 가진 전극을 구비한 전해 셀을 사염화실리콘이 용해된 전도성 비수계 용매에 넣는 단계; 및
(e) 상기 (d)단계의 전해 셀에 전원을 가하여 음극에서는 실리콘의 환원이 발생하고 전극 표면에는 실리콘 박막이 형성되는 단계;
를 포함하는, 원소 형태 실리콘의 회수방법.(a) mixing the silicon sludge and the organic solvent to separate the cutting oil in the waste sludge;
(b) separating the iron (Fe) from the silicon sludge from which the cutting oil is separated using a magnetic separator;
(c) adding chlorine to the silicon sludge from which the iron has been removed, followed by heating to prepare silicon tetrachloride (SiCl 4 );
(d) placing an electrolytic cell having a conductive electrode under a high purity inert gas atmosphere into a conductive non-aqueous solvent in which silicon tetrachloride is dissolved; And
(e) applying power to the electrolytic cell of step (d) to reduce silicon at the cathode and to form a silicon thin film on the electrode surface;
A method for recovering elemental silicon comprising a.
(d')전극과 셀을 황산과 과산화수소의 혼합액으로 세척하는 단계; 및
(d'')비수계 용매를 80~120℃에서 20~30시간동안 건조하는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 원소 형태 실리콘의 회수방법.The method of claim 1, wherein before step (d)
(d ') washing the electrode and the cell with a mixture of sulfuric acid and hydrogen peroxide; And
(d '') drying the non-aqueous solvent at 80-120 ° C. for 20-30 hours; Method for recovering elemental silicon, characterized in that it further comprises.
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