矽片切割廢砂漿中矽與碳化矽分離回收裝置及方法
2023-05-11 06:32:26
專利名稱：矽片切割廢砂漿中矽與碳化矽分離回收裝置及方法
技術領域：
本發明涉及太陽能、電子行業矽片切割加工的副產物廢砂漿的回收利用技術領域，具體是一種矽片切割廢砂漿中矽與碳化矽分離回收裝置及方法。
背景技術：
目前，工業切割生產太陽能矽棒時不斷排放出大量廢砂漿，這些砂漿中通常含有聚乙二醇、碳化矽以及貴重的高純矽粉。矽屑的產生不僅降低了切割液的性能，而且導致矽的使用率下降。與此同時，在光伏發電產業中矽片幾乎佔了 50%的成本。因此，如何降低矽片成本和工藝加工成本成了降低太陽能電池總成本的關鍵環節。通過對廢砂漿中有價組分進行分析以及市場價值評估，我們發現每噸廢砂漿中含有8% 9%的高純矽，價值為4萬 4. 5萬元；含有左右的聚乙二醇，價值為0. 45 萬元；含有33%的碳化矽微粉，價值為0. 50萬元。可以看出，廢砂漿所含各物質中單晶矽的價值最大。從單晶矽的能源戰略意義和價值評估可以看出，回收廢砂漿中的單晶矽意義非凡。目前，人們把重點放在聚乙二醇和碳化矽的回收方面。其實，廢砂漿回收是一個系統的工程，它還包括單晶矽微粉與碳化矽微粉的分離。只有將各項工作都做好，才能真正意義上降低矽片生產成本。在專利200710018636. 9中公開了一種回收矽和碳化矽的方法，但所採用液體也多為毒性較強的二溴甲烷、三溴甲烷溶液等，無疑對環境會造成一定汙染。專利 201010140008. X中提到了電泳分離的方法，採用常規電泳裝置利用電場來實現矽與碳化矽的分離，其存在的主要問題是顆粒狀態的矽與碳化矽並不是真正離子，兩種顆粒在水平方向移向正負極板時空間位阻大、受重力影響大，分離不清晰；樣品分類收集難，獲得產品純度低，需要增加很多次重複分離工作，產業化程度低。本發明旨在改變思路，採用垂直電泳耦合重液懸浮的方法分離單晶矽微粉與碳化矽微粉，得到高純矽粉進一步用於製備單晶矽或多晶矽的原料或加工成矽產品，實現資源的有效利用，不僅可以降低矽片的成本，而且還能在很大程度降低環境汙染，具有巨大的經濟效益和良好的生態環境效益，從而為我國光伏發電產業的可持續發展提供強有力的技術支持。
發明內容
本發明的目的，是提供一種矽片切割廢砂漿中矽和碳化矽的分離裝置及方法。本發明的技術方案如下一種矽片切割廢砂漿中矽與碳化矽分離回收裝置進口管1連接到垂直電泳槽筒體2上，在垂直電泳槽中上方為陽極電極管3，下方為陰極電極管4。陽極電極管由一根主電極管和相垂直的副電極管組成，陽極電極管下方有小孔。陽極電極管主電極管出口連接矽出口管5，矽出口管另一側連接矽出口泵6，矽出口泵連接到矽回收罐7中；陰極電極管也是由一根主電極管和相垂直的副電極管組成，陰極電極管上方有小孔，陰極電極管主電極管連接碳化矽出口管8，碳化矽出口管另一側連接碳化矽出口泵9，碳化矽出口泵連接到碳化矽回收罐10中，外置電源11正極連接到陽極電極管上，負極連接到陰極電極管上。一種矽片切割廢砂漿中矽與碳化矽分離回收方法，步驟如下(1)將矽片切割廢砂漿進行固液分離；得到的固相沉積物加入酸溶液去除金屬雜質，除雜後的固相物加入重液進行超聲振蕩分散，其比例為1 2 1 10g/mL;分散過程中加入固相量0. 1% -1. 5% w/v的分散劑，得到廢砂漿重液懸浮液；(2)將重液懸浮液的pH調節至2. 5-3. 5，由分離裝置進口管1進入垂直電泳分離槽2中；由外置電源11接通電泳槽中的電極管；垂直電泳槽上方為陽極電極管3，下方為陰極電極管4;電壓控制在1V-10V;在懸浮力和電場力的共同作用下，陽極電極附近蓄積了一些矽粒子，在矽出口泵6的抽力作用下通過陽極電極管3下方的小孔進入電極管主管內， 由泵泵出電泳槽，通過矽出口管5到矽回收罐內7 ；陰極電極管4附近蓄積了一些碳化矽粒子，在碳化矽出口泵9的抽力作用下通過陰極電極管上方的小孔進入電極管主管內，由泵泵出電泳槽，通過碳化矽出口管8到碳化矽回收罐內10。所述的重液為多鎢酸鈉溶液或烷基咪唑類離子液體；均為不揮發的無毒性液體。所述的分散劑為阿拉伯樹膠、矽溶膠、聚丙烯酸銨、六偏磷酸鈉、焦磷酸鈉、聚丙烯酸鈉或聚乙烯醇中的一種或多種。由於矽和碳化矽粒徑較細，非常容易吸附到電極上不易出料，為了解決該問題，實現裝置的連續運行，本發明在電極的設計上，採用了電極管的形式，並且在電極管上開了若干小孔，這樣當矽或碳化矽附著到電極上後，通過連接到電極管外的泵的作用下，矽或碳化矽穿過小孔進入到主電極管中從而帶出電解槽，實現裝置的連續化出料。本發明所涉及到的矽與碳化矽分離裝置及工藝其原理特徵在於在pH值為2. 5-3. 5的條件下，矽粒子帶負電荷受到向上的電泳場力，同時電解液為重液，其密度較大，重液作用下矽粒子同時受到向上的浮力。在電泳場力和浮力的共同作用下可以克服向下的重力。使矽粒子附著在頂部的陽極電極上。而碳化矽粒子在此條件下帶正電荷受到向下的電場力的作用，同時其密度大於重液，在電場力和重力的作用下可以克服向上的浮力，從而使碳化矽粒子附著在底部的陰極電極上。本發明廢砂漿回收過程取得的技術進步(1)本發明涉及到的固固分離工藝採用重液垂直電泳分離工藝，在pH值為 2. 5-3.5的情況下，矽與碳化矽帶不同的電荷，加上重液的懸浮作用，垂直電場中矽與碳化矽得到高純分離。該工藝分離得到的碳化矽純度>98.5%，矽的純度>99.9%。其中重液採用無揮發、無毒環保型多鎢酸鈉溶液或離子液體，克服了水平電泳帶來的重力影響的問題，提高了產品純度。實現了社會經濟效益最大化，環境友好化。(2)本發明涉及到的固固重液垂直電泳分離裝置，採用的電極設計新穎，實現連續化操作，提高效率。(3)本發明涉及的工藝，固固回收過程使用的酸液和重液都進行處理後循環使用， 大大減少了環境汙染，實現了節能減排。
圖1 本發明的矽與碳化矽分離裝置及方法流程圖。圖2 本發明的矽與碳化矽分離裝置電泳槽結構圖。
圖3 本發明的矽與碳化矽分離裝置及方法原理圖。
具體實施例方式下面結合實施例及附圖1，圖2和圖3對本發明作進一步詳細說明。本發明所涉及的矽與碳化矽分離裝置進口管1連接到垂直電泳槽筒體2上，在垂直電泳槽中上方為陽極電極管3，下方為陰極電極管4，陽極電極管由一根主電極管和相垂直的副電極管組成，陽極電極管下方有小孔，陽極電極管主電極管出口連接矽出口管5，矽出口管另一側連接矽出口泵6，矽出口泵連接到矽回收罐7中；陰極電極管也是由一根主電極管和相垂直的副電極管組成，陰極電極管上方有小孔，陰極電極管主電極管連接碳化矽出口管8，碳化矽出口管另一側連接碳化矽出口泵9，碳化矽出口泵連接到碳化矽回收罐10 中，外置電源11正極連接到陽極電極管上，負極連接到陰極電極管上。實施例1 利用本發明處理矽片切割廢砂漿中矽與碳化矽分離裝置與方法，其中廢砂漿組分聚乙二醇含量41%，SiC含量為46%，Si含量為10%，其他雜質為3(%。具體包括以下步驟1.將矽片切割廢砂漿進行固液分離，得到的固體採用鹽酸溶液進行金屬除雜，離心除酸後進入水洗塔水洗，離心去除多餘水分，酸經膜過濾循環使用。2.除雜後的固相物加入密度為2. 35的多鎢酸鈉水溶液進行超聲振蕩分散，其比例為1 10g/mL ；同時加入固相量0. 1% w/v的阿拉伯樹膠分散劑，得到廢砂漿重液懸浮液。3.將懸浮液的pH值調節至2. 5，由分離裝置進口管1進入垂直電泳分離槽中2。由外置電源11接通電泳槽中的電極管。垂直電泳槽上方為陽極電極管3，下方為陰極電極管 4。電壓控制在3V，在懸浮力和電場力的共同作用下，陽極電極附近蓄積了一些矽粒子，在矽出口泵6的抽力作用下通過陽極電極管3下方的小孔進入電極管主管內，由泵泵出電泳槽，通過矽出口管5到矽回收罐內7。陰極電極管4附近蓄積了一些碳化矽粒子，在碳化矽出口泵9的抽力作用下通過陰極電極管上方的小孔進入電極管主管內，由泵泵出電泳槽， 通過碳化矽出口管8到碳化矽回收罐內10。矽與碳化矽得到分離。矽的純度為99.9%，碳化矽純度為98. 5%。實施例2利用本發明處理矽片切割廢砂漿中矽與碳化矽分離回收裝置與工藝，其中廢砂漿組分聚乙二醇含量41 %，SiC含量為46 %，Si含量為10 %，其他雜質為3 %。具體包括以下步驟1.將矽片切割廢砂漿進行固液分離，得到的固體加入硫酸溶液進行金屬除雜，離心除酸後進入水洗塔水洗，離心去除多餘水分，酸經膜過濾循環使用。2.除雜後的固相物加入密度為2. 6的多鎢酸鈉水溶液進行超聲振蕩分散，其比例為1 5g/mL;同時加入固相量0.5% w/v的阿拉伯樹膠-聚丙烯酸銨混合分散劑，得到廢砂漿重液懸浮液。3.將懸浮液的PH值調節至3. 1，由分離裝置進口管1進入垂直電泳分離槽中2。由外置電源11接通電泳槽中的電極管。垂直電泳槽上方為陽極電極管3，下方為陰極電極管4。電壓控制在5V，在懸浮力和電場力的共同作用下，陽極電極附近蓄積了一些矽粒子，在矽出口泵6的抽力作用下通過陽極電極管3下方的小孔進入電極管主管內，由泵泵出電泳槽，通過矽出口管5到矽回收罐內7。陰極電極管4附近蓄積了一些碳化矽粒子，在碳化矽出口泵9的抽力作用下通過陰極電極管上方的小孔進入電極管主管內，由泵泵出電泳槽， 通過碳化矽出口管8到碳化矽回收罐內10。矽與碳化矽得到分離。矽的純度為99. 98%, 碳化矽純度為99%。實施例3利用本發明處理矽片切割廢砂漿中矽與碳化矽分離回收裝置與工藝，其中廢砂漿組分聚乙二醇含量35%，SiC含量為33%，Si含量為9 %，其他雜質為15%，具體包括以下步驟1.將矽片切割廢砂漿進行固液分離，得到的固體加入硝酸溶液進行金屬除雜，離心除酸後進入水洗塔水洗，離心去除多餘水分，酸經膜過濾循環使用。2.除雜後的固相物加入密度為3的多鎢酸鈉水溶液進行超聲振蕩分散，其比例為 1 2g/mL;同時加入固相量的六偏磷酸鈉分散劑，得到廢砂漿重液懸浮液。3.將懸浮液的pH值調節至3. 5，由分離裝置進口管1進入垂直電泳分離槽中2。由外置電源11接通電泳槽中的電極管。垂直電泳槽上方為陽極電極管3，下方為陰極電極管 4。電壓控制在IV，在懸浮力和電場力的共同作用下，陽極電極附近蓄積了一些矽粒子，在矽出口泵6的抽力作用下通過陽極電極管3下方的小孔進入電極管主管內，由泵泵出電泳槽，通過矽出口管5到矽回收罐內7。陰極電極管4附近蓄積了一些碳化矽粒子，在碳化矽出口泵9的抽力作用下通過陰極電極管上方的小孔進入電極管主管內，由泵泵出電泳槽， 通過碳化矽出口管8到碳化矽回收罐內10。矽與碳化矽得到分離。矽的純度為99. 99%, 碳化矽純度為99. 1%。實施例4利用本發明處理矽片切割廢砂漿中矽與碳化矽分離回收裝置與工藝，其中廢砂漿組分聚乙二醇含量35%，SiC含量為33%，Si含量為9 %，其他雜質為15%，具體包括以下步驟1.將矽片切割廢砂漿進行固液分離，得到的固體加入碳酸溶液進行金屬除雜，離心除酸後進入水洗塔水洗，離心去除多餘水分，酸經膜過濾循環使用。2.除雜後的固相物加入1-乙基-3-甲基咪唑雙三氟甲烷黃醯亞胺離子液體進行超聲振蕩分散，其比例為1 10g/mL;同時加入固相量1.5%W/V的六偏磷酸鈉分散劑，得到廢砂漿重液懸浮液。3.將懸浮液的pH值調節至3. 5，由分離裝置進口管1進入垂直電泳分離槽中2。由外置電源11接通電泳槽中的電極管。垂直電泳槽上方為陽極電極管3，下方為陰極電極管 4。電壓控制在9V，在懸浮力和電場力的共同作用下，陽極電極附近蓄積了一些矽粒子，在矽出口泵6的抽力作用下通過陽極電極管3下方的小孔進入電極管主管內，由泵泵出電泳槽，通過矽出口管5到矽回收罐內7。陰極電極管4附近蓄積了一些碳化矽粒子，在碳化矽出口泵9的抽力作用下通過陰極電極管上方的小孔進入電極管主管內，由泵泵出電泳槽， 通過碳化矽出口管8到碳化矽回收罐內10。矽與碳化矽得到分離。矽的純度為99. 99%, 碳化矽純度為99. 1%。
實施例5利用本發明處理矽片切割廢砂漿中矽與碳化矽分離回收裝置與工藝，其中廢砂漿組分聚乙二醇含量35%，SiC含量為33%，Si含量為9 %，其他雜質為15%，具體包括以下步驟1.將矽片切割廢砂漿進行固液分離，得到的固體加入鹽酸溶液金屬除雜，離心除酸後進入水洗塔水洗，離心去除多餘水分，酸經膜過濾循環使用。2.除雜後的固相物加入1-甲基-3-烷基咪唑四溴化鐵離子液體進行超聲振蕩分散，其比例為1 8g/mL;同時加入固相量1.5% w/v的矽溶膠分散劑，得到廢砂漿重液懸浮液。3.將懸浮液的pH值調節至3，由分離裝置進口管1進入垂直電泳分離槽中2。由外置電源11接通電泳槽中的電極管。垂直電泳槽上方為陽極電極管3，下方為陰極電極管 4。電壓控制在10V，在懸浮力和電場力的共同作用下，陽極電極附近蓄積了一些矽粒子，在矽出口泵6的抽力作用下通過陽極電極管3下方的小孔進入電極管主管內，由泵泵出電泳槽，通過矽出口管5到矽回收罐內7。陰極電極管4附近蓄積了一些碳化矽粒子，在碳化矽出口泵9的抽力作用下通過陰極電極管上方的小孔進入電極管主管內，由泵泵出電泳槽， 通過碳化矽出口管8到碳化矽回收罐內10。矽與碳化矽得到分離。矽的純度為99. 98%, 碳化矽純度為99%。從以上裝置及工藝過程可知，本發明針對矽片切割廢砂漿中矽與碳化矽進行了分離回收。本發明涉及到的固固分離裝置及工藝採用重液垂直電泳分離，在PH值為2. 5-3. 5 的情況下，矽與碳化矽帶不同的電荷，加上重液的懸浮作用，垂直電場中得到的碳化矽純度 ^ 98. 5%，矽的純度> 99. 9%。其中重液採用無揮發、無毒環保型多鎢酸鈉溶液或離子液體，克服了水平電泳帶來的重力影響的問題，提高了產品純度。實現了社會經濟效益最大化，環境友好化。本發明涉及到的固固重液垂直電泳分離裝置，採用的電極設計新穎，實現連續化取樣操作，提高效率。本發明涉及的工藝，固固回收過程使用的酸液和重液都進行處理後循環使用，大大減少了環境汙染，實現了節能減排。
權利要求
1.一種矽片切割廢砂漿中矽與碳化矽分離回收裝置，其特徵是進口管(1)連接到垂直電泳槽筒體( 上，在垂直電泳槽中上方為陽極電極管C3)下方為陰極電極管，陽極電極管由一根主電極管和相垂直的副電極管組成，陽極電極管下方有小孔，陽極電極管主電極管出口連接矽出口管(5)，矽出口管另一側連接矽出口泵(6)，矽出口泵連接到矽回收罐(7)中；陰極電極管也是由一根主電極管和相垂直的副電極管組成，陰極電極管上方有小孔，陰極電極管主電極管連接碳化矽出口管(8)，碳化矽出口管另一側連接碳化矽出口泵 (9)，碳化矽出口泵連接到碳化矽回收罐(10)中，外置電源(11)正極連接到陽極電極管上， 負極連接到陰極電極管上。
2.一種矽片切割廢砂漿中矽與碳化矽分離回收方法，其特徵是步驟如下(1)將矽片切割廢砂漿進行固液分離；得到的固相沉積物加入酸溶液去除金屬雜質， 除雜後的固相物加入重液進行超聲振蕩分散，其比例為1 2 1 10g/mL;分散過程中加入固相量0. 1% -1. 5% w/v分散劑，得到廢砂漿重液懸浮液；(2)將重液懸浮液的PH調節至2.5-3. 5，由分離裝置進口管(1)進入垂直電泳分離槽 (2)中；由外置電源(11)接通電泳槽中的電極管；垂直電泳槽上方為陽極電極管(3)，下方為陰極電極管⑷；電壓控制在1V-10V;在懸浮力和電場力的共同作用下，陽極電極附近蓄積了一些矽粒子，在矽出口泵(6)的抽力作用下通過陽極電極管C3)下方的小孔進入電極管主管內，由泵泵出電泳槽，通過矽出口管(5)到矽回收罐內(7)；陰極電極管⑷附近蓄積了一些碳化矽粒子，在碳化矽出口泵(9)的抽力作用下通過陰極電極管上方的小孔進入電極管主管內，由泵泵出電泳槽，通過碳化矽出口管(8)到碳化矽回收罐內(10)。
3.根據權利要求書2所述的方法，其特徵為所述的重液為多鎢酸鈉溶液或烷基咪唑類離子液體；均為不揮發的無毒性液體。
4.根據權利要求書2所述的方法，其特徵為所述的分散劑為阿拉伯樹膠、矽溶膠、聚丙烯酸銨、六偏磷酸鈉、焦磷酸鈉、聚丙烯酸鈉或聚乙烯醇中的一種或多種。
全文摘要
一種矽片切割廢砂漿中矽與碳化矽固固分離回收的裝置進口管連接到垂直電泳槽筒體上，在垂直電泳槽中上方為陽極電極管，下方為陰極電極管，陽極電極管主電極管出口連接矽出口管，矽出口管另一側連接矽出口泵，矽出口泵連接到矽回收罐中；陰極電極管主電極管連接碳化矽出口管，碳化矽出口管另一側連接碳化矽出口泵，碳化矽出口泵連接到碳化矽回收罐中。將矽片切割廢砂漿進行固液分離；得到的固相沉積物加入重液及分散劑進行超聲振蕩分散，通過垂直電泳分離裝置將矽與碳化矽分離，該工藝分離得到的碳化矽純度≥98.5％，矽的純度≥99.9％。其中重液採用無揮發、無毒環保型多鎢酸鈉溶液或離子液體，克服了水平電泳帶來的重力影響的問題，實現環境友好化。
文檔編號C01B33/02GK102161486SQ20111004139
公開日2011年8月24日 申請日期2011年2月23日 優先權日2011年2月23日
發明者丁輝, 吳巍, 張瑞玲, 李鑫鋼, 王哲, 羅偉 申請人:天津大學