TW202337827A

TW202337827A - 回收壓模膠中二氧化矽的回收系統及回收方法

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Publication number: TW202337827A
Application number: TW111111815A
Authority: TW
Inventors: 陳春翰; 陳一天; 葉健生
Original assignee: 金兆鎔科技股份有限公司
Priority date: 2022-03-29
Filing date: 2022-03-29
Publication date: 2023-10-01

Abstract

一種回收壓模膠中二氧化矽的回收系統及回收方法，先利用一個改性氧生成裝置將氧變為改性氧，再於熱分解爐中注入體積百分比濃度範圍為4%至8%的改性氧，並使熱分解爐中的溫度範圍控制在460℃至510℃，經過一定的時間之後，則會熱裂解壓模膠並將壓模膠中的樹脂分解為合成氣，殘留二氧化矽底灰以供後續回收二氧化矽。

Description

回收壓模膠中二氧化矽的回收系統及回收方法

本發明係關於一種回收壓模膠中二氧化矽的回收系統及回收方法，尤指利用改性氧進行樹脂熱裂解，因而可回收壓模膠中二氧化矽的回收系統及回收方法。

半導體是全球重要且關鍵的產業，所產出的晶片需要封裝來保護才能出貨並商業利用。

封裝是利用壓模膠的塊體熱壓成型，壓模膠主要成分為二氧化矽以及樹脂，二氧化矽作為強度骨材，大約佔70%~90%，樹脂一般採用熱固性樹脂，可利於成型。

以高溫壓模的方式利用壓模膠來封裝晶片，過程會進行融化與裁切，進而出現很多邊材等下腳料，因此產出大量的廢棄物，我們一般可稱為廢壓模膠。

廢壓模膠早期都是當作垃圾掩埋或是焚化處理。近年有技術業者是直接把廢壓模膠轉用建材，相關的例如有中興大學涂登舜論文「封裝業壓模膠再利用於高壓混凝土地磚」，中華輕質骨材協會「封裝業廢棄環氧樹脂再利用於高壓混凝土地磚之配比及產製輔導計畫」，經濟部工業局「半導體封裝業資源化應用技術手冊」所述，將廢壓模膠與黏土及石灰石等配料後，於水泥窯(旋窯)共燒成水泥，或將廢壓模膠與水泥及天然粒料拌合後高壓成型製成高壓混凝土地磚，由此可知廢壓模膠的回收利用已逐漸受到重視。

但是回收利用為地磚建材，其實是一種廉價的利用方式，廢壓模膠裡面的二氧化矽若是純度夠高，則相當具有高價值。近期有專利號I735357名為「半導體廢棄封裝材之二氧化矽再生方法」的專利，將回收二氧化矽純化至99%，是個很值得稱許的專利技術。然而，其主要採用無機酸分解液的方式來去除樹脂，固然可達目標效果，但是該技術採用化學濕法處理，有分解液及廢水處理之問題，且製程上需要反覆清洗，水資源耗用、能量耗用、以及工作時程的負擔都不小，因製程與用料較繁瑣而致純化的成本不低，雖達到資源再生永續環境的理想目的，但經濟價值有損而甚為可惜。

因此，本發明的主要目的在於提供一種回收壓模膠中二氧化矽的回收系統及回收方法，以更環保與高效的技術方式，真正做到循環經濟的目標效果，來解決上述問題。

本發明之目的在提供一種回收壓模膠中二氧化矽的回收系統及回收方法，能以更環保與更高效的技術方式回收高純度的二氧化矽，達成循環經濟效益。

本發明係關於一種回收壓模膠中二氧化矽的回收系統，回收系統包含改性氧生成裝置、以及熱分解爐。

改性氧生成裝置用以將氧變為改性氧。

接續，於熱分解爐中注入體積百分比濃度範圍為4%至8%的改性氧，並使熱分解爐中的溫度範圍控制於460℃至510℃，則會熱裂解壓模膠，並將壓模膠中的樹脂分解為合成氣，殘留二氧化矽底灰。

其中，改性氧生成裝置可以是磁化空氣管，則所述改性氧會是磁化氧，磁化空氣管是利用超過4000高斯的磁通量，將氧改性為磁化氧。

或者，改性氧生成裝置也可以是負離子發生器，則所述改性氧會是負離子氧，負離子發生器於熱分解爐中每秒產生超過100,000個/立方釐米的負離子氧。藉由磁化氧或是負離子氧，可以提供為熱分解爐中所需微量的改性氧。

補充說明的是，熱分解爐更可包含裂解段、以及燃燒段，燃燒段設置於裂解段下方，改性氧是注入燃燒段中，裂解段的溫度範圍為460℃至510℃。

進一步說明，回收系統更可再包含篩分設備，於熱裂解之後，會利用篩分設備以篩分液對二氧化矽底灰進行篩分，能得到超過99%純度的二氧化矽。

再進一步說明，回收系統更可以再包含超臨界製作回收系統，對殘留二氧化矽施以超臨界流體CO ₂清洗(或可稱超臨界流體二氧化碳)，能得到超過99.2%純度的二氧化矽。

本發明除了為一種回收壓模膠中二氧化矽的回收系統外，也為一種回收壓模膠中二氧化矽的回收方法，所述回收方法包含下列步驟：

熱裂解所述壓模膠，溫度範圍是自460℃至510℃，注入體積百分比濃度範圍為4%至8%的改性氧，如此會將壓模膠中的樹脂分解為合成氣，並殘留二氧化矽底灰。

其中，所述改性氧可以為磁化氧或是每秒產生速度為超過100,000個/立方釐米的負離子氧，若是磁化氧則是利用超過4000高斯的磁通量所產生。

補充說明的是，於熱裂解所述壓模膠之前，可以先行破碎壓模膠為1mm至5mm尺寸範圍的壓模膠碎塊，如此可以較節省熱裂解處理的時間，而熱裂解處理時間範圍以超過3小時為佳，可以使底灰中幾乎不含有機物底灰，而底灰絕大部分為二氧化矽底灰。

進一步，於熱裂解所述壓模膠之後，可以利用篩分液對二氧化矽底灰進行篩分，能得到超過99%純度的二氧化矽。

再進一步，於熱裂解所述壓模膠之後或是進行篩分之後，還可以對殘留二氧化矽施以超臨界流體CO ₂清洗，如此能得到超過99.2%純度的二氧化矽。

因此，利用本發明所提供一種回收壓模膠中二氧化矽的回收系統及回收方法，藉由改性氧在熱分解爐中對樹脂進行熱裂解，能以更環保與更高效的技術方式回收高純度的二氧化矽，達成循環經濟效益。

關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。

請參閱圖1，圖1係本發明回收系統10的示意圖。本發明是關於一種回收壓模膠中二氧化矽的回收系統10，欲回收的壓模膠可稱為廢壓模膠，廢壓模膠中大約含了70%以上的二氧化矽，並大約含25%之熱固性樹脂。回收系統10除了包含改性氧生成裝置12與熱分解爐14之外，更可以包含粉碎機22、揉捻機24、篩分設備26、以及超臨界製作回收系統28。

改性氧生成裝置12用以將氧改變為改性氧，方法是將微量的空氣通過改性氧生成裝置12，而空氣中的氧即被改變為改性氧，改性氧可以是經過4,000高斯以上磁通量所產生的磁化氧，或是每秒產生速度為超過100,000個/立方釐米的負離子氧。

熱分解爐14又可稱為熱裂解爐，用以將收容的廢壓模膠熱裂解，可於熱分解爐14中注入體積百分比濃度範圍為4%至8%的改性氧，且於熱分解爐14中加熱至溫度範圍自460℃至510℃，此溫度可以由設置在熱分解爐14中的溫度計來測得。後續，則在熱分解爐14中會熱裂解與燃燒壓模膠，並將壓模膠中的樹脂分解為合成氣，殘留二氧化矽底灰。

熱分解爐14中加熱的時間長度與廢壓模膠破碎後的尺寸大小有關，廢壓模膠的尺寸越小則熱裂解的時間就愈短。所以，先利用粉碎機22將廢壓模膠破碎為尺寸大小範圍自1mm至5mm的廢壓模膠碎塊，再將廢壓模膠碎塊置入熱分解爐14中，在460℃至510℃的溫度範圍熱裂解3小時以上，則可將樹脂等有機物質分解為合成氣；若超過6小時以上則幾乎無焦油等長鏈的液態碳氫化物或固態碳化物殘留，都化為短鍵碳氫化物氣體、二氧化碳氣體、一氧化碳氣體、以及氫氣等可燃的合成氣排出，殘留的底灰則幾乎為二氧化矽底灰，這種幾乎無有機物的底灰業界也有稱為陶瓷灰。

熱分解爐14分為燃燒段與裂解段(將詳述於圖2中)，燃燒段設置於裂解段下方，廢壓模膠碎塊投入熱分解爐14中後，會由下方的燃燒段堆積到上方的裂解段。

微量的改性氧體積百分比濃度範圍僅需4%至8%，改性氧是注入燃燒段中。於燃燒段中，廢壓模膠中所含的熱固性樹脂先在微量改性氧的助燃下高溫燃燒並放熱，這些熱再向上熱傳給熱分解爐14內的裂解段供熱裂解所需的吸熱反應，裂解段則需要控制在前述460℃至510℃的溫度範圍，且在無氧的狀態下，將廢壓模膠碎塊熱裂解3小時以上，成為含有二氧化矽、以及殘留碳化固體與焦油之樹脂裂解物，下方的燃燒段將裂解物燃燒灰化後，有機物幾乎成為合成氣排出，上方裂解物會因重力沉降落到燃燒段繼續燃燒，直到燒成以二氧化矽為主的無機物底灰後，最後因為顆粒太小而掉落於熱分解爐14的爐底。

補充說明的是，熱裂解產生的合成氣又可當作可燃物，產生蒸氣或熱源，供工廠或發電使用。

於熱裂解與燃燒之後，雖然大部分為二氧化矽的無機物底灰，但有部分會結為團塊，較不利於後續篩分或以超臨界流體清洗，所以利用揉捻機24給予較小的外部應力，無論是搓揉或是震動皆可，目的是使結為團塊的無機物底灰破碎甚至粉碎。

於熱裂解後，並於揉捻機24將底灰揉捻粉碎之後，再利用篩分設備26以篩分液對二氧化矽底灰進行篩分，篩分設備26例如可以是攪拌池或其他渦流產生設備。一般來說二氧化矽的比重約在2.2，所以利用重液與輕液的比例調製例如比重約2.25的篩分液，類似分散劑的效果，可以使二氧化矽分散並漂浮於篩分液表面，而比重較大如金屬或非金屬無機物等雜質會沉澱於篩分液底部，若是與二氧化矽的比重太接近，還可以利用微調溫度來改變密度，會有利於優化篩分效果。後續，無論是溢流通過濾管或直接以篩網篩取，即能得到超過99%純度的二氧化矽。

最後，再以超臨界製作回收系統28以超臨界流體CO ₂對前步驟99%純度的二氧化矽萃取清洗，則可得99.2%以上二氧化矽粉體。當然，也可利用超臨界製作回收系統28以超臨界流體CO ₂對熱分解爐14殘留的二氧化矽底灰直接萃取清洗，也能得高純度的二氧化矽，但若先經歷篩分設備26處理過，則純度效果將更理想，更純化的二氧化矽則具有極高的經濟價值。

請參閱圖2，圖2係本發明熱分解爐14的示意圖。熱分解爐14包含暫置空間1402、乾燥帶1403、裂解段1404、燃燒段1405、集灰槽1406、以及供氣管1408、排氣管1409、以及氧氣感應器60。

整個熱分解爐14必須為封閉型的，才能控制氧氣的濃度，熱分解爐14內壁可採用隔熱磚之類的材質，以便於控制溫度。首先，破碎後的廢壓模膠先置入熱分解爐14中的暫置空間1402，經由閥門控制可落下乾燥帶1403中進行乾燥，乾燥時的水氣可從排氣管1409排出，乾燥過無或少水分的廢壓模膠碎塊再落入裂解段1404中，在無氧且460℃至510℃的溫度範圍熱裂解3小時以上，成為含有二氧化矽、殘留樹脂之裂解物。補充說明的是，暫置空間1402的進料與出料到乾燥帶1403的位置都可以安裝閥門，以確保阻絕外部空氣意外地進入熱分解爐14中。

裂解段1404的下方為還原區1407，還原區1407的下方可設置燃燒段1405，供氣管1408可連通燃燒段1405，提供百分比濃度範圍4%至8%微量的改性氧，供較高溫的燃燒段1405助燃前述的裂解物，燃燒段1405釋放的熱可以向上供應裂解段1404分解樹脂所需的吸熱反應，分解的合成氣可以通過排氣管1609排出，供外部當作可燃物的資源，如此循環使用可以節省大量耗能。最後於燃燒段1405中燒盡的裂解物，則剩下大部分為二氧化矽的無機物底灰，通過介於燃燒段1405與集灰槽1406間的篩網格柵後，就會落入集灰槽1406中，集灰槽1406中可設置螺旋排灰裝置(圖未示)來排出底灰，若是批次性排出較無疑慮，若是連續式排出需注意保持熱分解爐14的封閉性，避免氧氣量失控。

改性氧生成裝置12可以設置在供氣管1408上，不但可以將氧變成改性氧，還需控制理想的進氣速度，根據熱分解爐14內壁分布設置的氧氣感應器60所偵測氧的梯度分布，務必使燃燒段1405維持具有體積百分比濃度範圍4%至8%的微量改性氧，且使裂解段1404是無氧的狀態，所以還原區1407就在燃燒段1405與裂解段1404之間發揮了梯度調節的功效，以保障調節的成效。

補充說明，因為熱分解爐14自裂解段1404至燃燒段1405是沒有隔板屏蔽，廢壓模膠碎塊是靠重力沉降落下，而靠堆疊方式分布在熱分解爐14中，在運作中可因控制底灰移除而逐漸以最佳狀態掉落最佳區域，但是第一次進料時燃燒段1405裡物質燃燒是未經過熱裂解的，所以第一次前段的底灰要另行處理，不宜跟後續的底灰一併處理來回收二氧化矽，會影響回收的品質。

改性氧生成裝置12可以是磁化空氣管30或磁性氧氣分離器、濃縮器等，亦或是負離子發生器32。圖示例可看到同時採用了磁化空氣管30以及負離子發生器32，但也可以選擇其一即可。

磁化空氣管30或磁性氧氣分離器、濃縮器等可以將氧磁化為磁化氧，則磁化氧可為前述的改性氧。氧氣是弱磁性的，為一種順磁性氣體，強大的磁場梯度會稍微吸引和濃縮空氣中的O ₂，藉由磁化空氣管30產生超過4,000高斯的磁通量，即可將氧分離與濃縮改性而成磁化氧，實務上，可以直接將微量空氣導入並磁化即可得。

或者，改性氧生成裝置12也可以是負離子發生器32，負離子發生器32對熱分解爐14中每秒產生超過100,000個/立方釐米的負離子氧，此時的負離子氧也是前述的改性氧。其中，負離子發生器32可以利用礦物塗層、或尖端放電等方式來產生，天然礦物或如麥飯石/貝殼/二氧化鈦…等無機物的礦物塗層，可在溫度及電磁波能量作用下，使接觸空氣中的氧改性為負離子氧，此外，尖端放電產生電弧或閃電也可以使空氣中的氧改性為負離子氧。在上述改性氧的作用下，有機物的熱烈解則更為徹底有效。

請參閱圖3，圖3係本發明超臨界製作回收系統28的示意圖。超臨界製作回收系統28能以適當的溫度與壓力使CO ₂(二氧化碳)形成超臨界相，就是超臨界流體CO ₂。

超臨界流體CO ₂具有低黏度、高密度、高擴散性、及低表面張力等介於氣、液相之間的物理性質，使超臨界流體CO ₂能變成親有機性，隨溫度及壓力的控制會有不同程度溶解有機物的能力，且具無毒、無色、無臭、費用低、無殘留、不可燃性、無廢水處理問題、化學穩定性佳、及易達到臨界點等特性，對殘留二氧化矽施以超臨界流體CO ₂清洗，清洗效果極佳，不但無水的消耗使用且無廢水排放問題，且能因此萃取得到超過99.2%純度的二氧化矽。

超臨界製作回收系統28主要包括幫浦42、預熱器44、萃取槽46、以及分離槽48，幫浦42將CO ₂儲存槽50中CO ₂氣體導向萃取槽46，並於進入萃取槽46前，被管線上的預熱器44控制CO ₂氣體的溫度，進而產生需要的超臨界流體CO ₂。

前述取得的二氧化矽底灰，無論是熱分解爐14直接產生的，或是經過篩分設備26純化過的，都可以投入萃取槽46中，經由超臨界流體CO ₂於萃取槽46中萃取二氧化矽，後續再輸送至分離槽48，於分離槽48中可分離獲取超過99.2%純度的二氧化矽，並將CO ₂氣體經過冷凝器52回收至CO ₂儲存槽50，CO ₂儲存槽50中的CO ₂氣體可再藉由幫浦42，通過管路輸送至萃取槽46，如此形成一個半循環節約的超臨界製作回收系統28，CO ₂氣體可回收循環再使用，達到淨零排放之目標。

請參閱圖4，圖4係本發明超臨界製作回收系統28運作的壓力與溫度關係圖。前述超臨界製作回收系統28的主元件幫浦42、預熱器44、萃取槽46、以及分離槽48中的CO ₂氣體，分別需要有對應的溫度與壓力狀態，圖示為一組可以實施的CO ₂氣體溫度與壓力狀態關係，在此CO ₂氣體溫度與壓力狀態關係下，可以產生超臨界流體CO ₂，並具有CO ₂氣體循環使用的效果。

請參閱圖5，圖5係本發明回收方法的流程圖。本發明也是前述回收系統10所實施回收壓模膠中二氧化矽的回收方法，所述回收方法包含下列步驟：

步驟一(S01)：利用破碎機將廢壓模膠破碎為1mm至5mm尺寸範圍的壓模膠碎塊，以利後續加速熱裂解廢壓模膠。

步驟二(S02)：將廢壓模膠的壓模膠碎塊倒入熱分解爐14中。熱裂解壓模膠碎塊時，注入體積百分比濃度範圍為4%至8%的改性氧，方法是將微量的空氣通過改性氧生成裝置12，而空氣中的氧即被改變為改性氧。改性氧可以是經過4,000高斯以上磁通量所產生的磁化氧，或是每秒產生速度為超過100,000個/立方釐米的負離子氧。而熱分解爐14內的溫度控制在460℃至510℃的範圍。

步驟三(S03)：上述步驟在熱分解爐14中處理時間範圍為超過3小時，會將壓模膠中的樹脂分解為合成氣，並殘留主要為二氧化矽的無機物底灰，特別是超過6小時之後，則幾乎無焦油的殘留。

步驟四(S04)：利用揉捻機24給予較小的外部應力，無論是搓揉或是震動皆可，目的是使結為團塊的無機物底灰破碎甚至粉碎。

步驟五(S05)：調整重液與輕液的比例產生適當的篩分液，將前述無機物底灰置入篩分液中，利用比重分離的原理，可藉由攪拌池或其他渦流產生設備來篩分主要為二氧化矽的無機物底灰。以篩分液對大部分為二氧化矽底灰的無機物底灰進行篩分，較重的金屬無機物底灰會沉澱於篩分液底部，二氧化矽粉末則漂浮於篩分液表面，後續則無論是溢流通過濾管擷取或直接以篩網篩取，最後能得到超過99%純度的二氧化矽。

步驟六(S06)：藉由超臨界製作回收系統28，利用具有溶解有機物能力的超臨界流體CO ₂，對殘留的二氧化矽施以超臨界流體CO ₂清洗，且臨界流體CO ₂最終不會殘留，能得到超過99.2%以上高純度的二氧化矽，此高純度二氧化矽具有很高的經濟價值。

因此，利用本發明所提供一種回收壓模膠中二氧化矽的回收系統10及回收方法，藉由改性氧在熱分解爐14中對樹脂進行熱裂解，並進一步利用超臨界流體CO ₂對殘留的二氧化矽進行萃取，無須加入酸性分解液，也無廢水排放，能以更環保與更高效的技術方式回收高純度的二氧化矽，達成循環經濟效益。

藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。

10:回收系統 12:改性氧生成裝置 14:熱分解爐 1402:暫置空間 1403:乾燥帶 1404:裂解段 1405:燃燒段 1406:集灰槽 1407:還原區 1408:供氣管 1409:排氣管 22:粉碎機 24:揉捻機 26:篩分設備 28:超臨界製作回收系統 30:磁化空氣管 32:負離子發生器 42:幫浦 44:預熱器 46:萃取槽 48:分離槽 50:CO ₂:儲存槽 52:冷凝器 60:氧氣感應器

圖1 係本發明回收系統的示意圖；圖2 係本發明熱分解爐的示意圖；圖3 係本發明超臨界製作回收系統的示意圖；圖4 係本發明超臨界製作回收系統運作的壓力與溫度關係圖；以及圖5 係本發明回收方法的流程圖。

10:回收系統

12:改性氧生成裝置

14:熱分解爐

22:粉碎機

24:揉捻機

26:篩分設備

28:超臨界製作回收系統

Claims

一種回收壓模膠中二氧化矽的回收系統，所述回收系統包含：一改性氧生成裝置，將氧變為改性氧；以及一熱分解爐，於所述熱分解爐中注入體積百分比濃度範圍為4%至8%的改性氧，並使所述熱分解爐中的溫度範圍於460℃至510℃，則會熱裂解所述壓模膠，並將所述壓模膠中的樹脂分解為合成氣，殘留二氧化矽底灰。
如申請專利範圍第1項所述的回收系統，其中所述改性氧生成裝置是一磁化空氣管或一負離子發生器，所述改性氧為磁化氧或是所述負離子氧，若所述改性氧是磁化氧則是利用所述磁化空氣管以超過4000高斯的磁通量所產生，若所述改性氧是負離子氧則是利用所述負離子發生器以每秒產生速度為超過100,000個/立方釐米的負離子氧所產生。
如申請專利範圍第1項所述的回收系統，其中所述熱分解爐更包含一裂解段、以及一燃燒段，所述燃燒段設置於所述裂解段下方，所述改性氧是注入所述燃燒段，所述裂解段的溫度範圍為460℃至510℃。
如申請專利範圍第1項所述的回收系統，更包含一篩分設備，於熱裂解之後，會利用所述篩分設備以篩分液對二氧化矽底灰進行篩分，能得到超過99%純度的二氧化矽。
如申請專利範圍第1項所述的回收系統，更包含一超臨界製作回收系統，對殘留二氧化矽施以超臨界流體CO ₂清洗，能得到超過99.2%純度的二氧化矽。
一種回收壓模膠中二氧化矽的回收方法，所述回收方法包含下列步驟：熱裂解所述壓模膠，溫度範圍是自460℃至510℃，注入體積百分比濃度範圍為4%至8%的改性氧，會將壓模膠中的樹脂分解為合成氣，並殘留二氧化矽底灰。
如申請專利範圍第6項所述的回收方法，其中所述改性氧為磁化氧或是每秒產生速度為超過100,000個/立方釐米的負離子氧，若是磁化氧則是利用超過4000高斯的磁通量所產生。
如申請專利範圍第6項所述的回收方法，其中於熱裂解所述壓模膠之前，先行破碎壓模膠為1mm至5mm尺寸範圍的壓模膠碎塊，熱裂解處理時間範圍為超過3小時。
如申請專利範圍第6項所述的回收方法，其中於熱裂解所述壓模膠之後，以篩分液對二氧化矽底灰進行篩分，能得到超過99%純度的二氧化矽。
如申請專利範圍第6項所述的回收方法，其中對殘留二氧化矽施以超臨界流體CO ₂清洗，能得到超過99.2%純度的二氧化矽。