[发明专利]由单晶硅和多晶硅切割废料中回收硅和碳化硅的方法

说明书

技术领域

本发明属于硅材料技术领域，具体涉及太阳能级多晶硅技术。

背景技术

人类进入21世纪后，随着半导体工业的快速发展，高纯晶体硅材料得到了广泛应用，其中晶体硅是先被拉成单晶硅棒，然后切割成硅片用于制造芯片。此外，近年来，随着全球石油、煤炭等能源日益紧张，太阳能因取之不尽、用之不竭、清洁环保、安全可靠等独特优势而成为本世纪最重要的新能源，全球的太阳能产业进入了高速发展期。但是目前，太阳能发电的成本仍然较高，原因是制备太阳能电池的多晶硅非常昂贵。目前制备太阳能级多晶硅的主要方法是改良西门子法，我国还没有真正掌握该技术核心，国外大公司垄断了技术、市场和价格，2008年我国进口的多晶硅价格是400美元/公斤，最高时候达到了480美元/公斤。多晶硅的紧缺和昂贵严重地制约了我国光伏产业的发展。

在制备太阳能电池时，需要将高纯硅铸成多晶硅锭，然后切割成硅片，所以不管是半导体工业所用的单晶硅还是太阳能所用的多晶硅，都需要将高纯的晶体硅切割成硅片，在切割过程中产生了大量的切割废料浆。在切割时，按理论计算会有44%的晶体硅被切磨为高纯硅粉进入切割液中，而实际加工过程中会有高达50-52%的晶体硅以硅粉的形式损失掉了。不论是用于半导体级单晶硅还是用于太阳能级多晶硅都是通过极高的能耗和高昂的成本制得。如果能将废料浆中的高纯硅、聚乙二醇和碳化硅进行综合回收利用，这将减少环境污染，提高资源的利用率。特别是如能将切割料浆中的高纯硅得以有效地回收并再用于制造太阳能电池，对缓解我国太阳能多晶硅的紧缺、减少多晶硅的进口量是很有意义的，而且这将会创造巨大的经济效益。

对单晶硅和多晶硅切割废料浆的回收，相关研究人员做了大量工作，申请了相关的专利。在切割废料浆的回收方法和专利中，大部分方法都是回收料浆中的聚乙二醇和碳化硅，而对于切割料浆中高纯硅的回收方法还不够成熟。现行的主要回收工艺流程如图1所示。

从目前的回收状况可以看出，对于切割废料的综合回收已经走向成熟阶段，河南部分企业还制造了回收切割废料的设备，对于切割液、碳化硅、聚乙二醇的回收都达到了比较理想的效果，且可以实现工业化处理，但是其中的高纯硅回收的并不理想，这是由于硅和碳化硅的某些物理性质相似，分离困难。而切割废料中最有价的成分是其中的硅，含量较高，为了能有效地回收，提高资源的利用率，大连理工大学、东北大学、台湾大学等和国外一些研究人员相继进行了研究探索，试图回收切割废料中的高纯硅，研究取得了一定的效果，但未见工业化报道。

发明内容

针对以上现有技术存在的不足之处，本发明提供一种由单晶硅和多晶硅切割废料中回收硅和碳化硅的方法，简化单晶硅和多晶硅材料回收工艺，从而缓解单晶硅和多晶硅材料的紧缺。

本发明方法的工艺步骤如下。

（1）料浆预处理

将单晶硅和多晶硅切割废料在280～320℃烘干，烘干时间为20～30分钟，至粉料停止冒烟为宜，主要除去废料中的水和聚乙二醇；然后将质量浓度为10%～15%的盐酸和烘干后的切割粉料按液、固体积比为4:1的比例混合，配制成悬浊液体系，在温度为40～70℃、常压条件下搅拌处理8～15小时，搅拌速率300～3000转/分钟，除去切割废料中的铁及其氧化物；将得到的悬浊液体系进行水洗抽滤，进一步去除游离态的铁及其它杂质元素，得到硅和碳化硅的混合物微粉。

水洗抽滤采用常用的真空抽滤装置，要求过滤精度达到0.1μm，先对上述40～70℃、常压条件下搅拌处理后的悬浊液进行抽滤，得到滤饼，然后重复以下过程2～5次：

向滤饼中加入去离子水，搅拌，得到悬浊液。按体积比计，加入的去离子水的量为滤饼量的1～5倍。对该悬浊液进行真空抽滤，得到滤饼。

（2）溶剂装配

萃取分离在分离柱中进行，分离柱为有底、敞口的玻璃圆筒（如图2所示），其内部底面直径为100mm～200mm、高度为1500～2500mm（即D=100mm～200mm 、H=1500mm～2500mm）。在分离柱侧壁上距离顶端600mm～1200mm安装有一个阀门（即H1=600mm～1200mm），为中部阀门，在分离柱侧壁上距离筒底上缘0～60mm处也安装有一个阀门（即H2=0～60mm），为下部阀门。