【摘要】：太陽能相比于化石能源具有諸多顯著優(yōu)點(diǎn),對(duì)于人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。近年來,作為太陽能光伏電池組件的核心組分,太陽能級(jí)多晶硅的產(chǎn)能在逐步擴(kuò)大。在多線切割法生產(chǎn)多晶硅片過程中,至少會(huì)產(chǎn)生40%以上硅粉,與磨損的碳化硅磨料等混雜在一起,基本上處于閑置或低價(jià)值利用狀態(tài)。若能設(shè)法將其中的硅粉經(jīng)濟(jì)、高效的回收、提純、重熔成高純太陽能級(jí)多晶硅,實(shí)現(xiàn)硅屑料的高值化再利用,則不僅解決了硅資源的浪費(fèi)問題,也可顯著降低太陽能級(jí)多晶硅的生產(chǎn)成本。然而,要實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo),必需解決兩個(gè)關(guān)鍵問題：(1)硅／碳化硅微粉的有效分離；(2)脫除硼、磷等高溫硅冶金方法難以分離的雜質(zhì)。本研究工作即圍繞以上兩個(gè)難題而展開系統(tǒng)深入的研究。首先對(duì)多晶硅線切割廢料組成的化學(xué)成分、賦存形態(tài)和組分含量進(jìn)行了詳細(xì)考察。分析確定本研究所采用的廢料粉末中碳化硅含量約為72.2 wt%,硅含量約為24.9 wt%,金屬和非金屬雜質(zhì)含量約為3.1 wt%。其中硅、碳化硅和金屬碎屑完全混合并發(fā)生了較嚴(yán)重的團(tuán)聚。針對(duì)硅和碳化硅微粉的分離,本研究提出了以顆粒表面電位調(diào)控預(yù)分散為主,耦合多種分散技術(shù)的綜合分離方案,取得了顯著良好的分離效果。一,設(shè)計(jì)了表面電位調(diào)控-離心沉降分離的新技術(shù)方案：利用硅粉和碳化硅粉在不同pH值的溶液中,兩種顆粒的Zeta電位、體積和密度的差異對(duì)二者進(jìn)行初步分離。通過估算,碳化硅顆粒在沉降時(shí)的速度為硅顆粒的數(shù)百倍,并且在離心力的作用下,顆粒的沉降速度顯著加快,使離心分離效率更高。通過該方法回收硅粉的純度可達(dá)到91.8 wt%,回收的碳化硅粉中碳化硅的純度也超過95 wt%。其二,設(shè)計(jì)了表面電位調(diào)控-膜分離的新技術(shù)方案,即基于兩種顆粒的平均粒徑不同,碳化硅顆粒的平均粒徑約為9μm,硅的平均粒徑約為1μm,選用合適孔徑的微孔濾膜,在顆粒進(jìn)行電位調(diào)控預(yù)分散的前提下,對(duì)其進(jìn)行有效的分離,硅粉的回收率可達(dá)76.2%。以上分離方法,均具有高效、經(jīng)濟(jì)、容易實(shí)施等特點(diǎn),對(duì)于碳化硅微粉顆粒的有效脫除具有重要的指導(dǎo)意義。在開展硼、磷雜質(zhì)的脫除研究之前,首先對(duì)硅粉中雜質(zhì)硼、磷的來源進(jìn)行了分析探究,確定其源自于切割鋼絲在制造過程中的表面磷化處理,在多線切割時(shí)磨損、脫落而混入廢料中。因此B和P賦存于鋼絲碎屑中,該研究發(fā)現(xiàn)啟示我們,如果能夠在切割鋼絲表面加工過程中,以合適的方法替代磷化工藝,則可望從源頭避免硼、磷的引入,顯著減輕切割廢料中硅粉的再生回收難度。對(duì)于初步分離得到的富硅相粉末,考慮到其中雜質(zhì)Fe的含量超過了5.5wt%,且硼、磷、鐵賦存在一起,由此設(shè)計(jì)了酸浸除鐵-連帶除硼磷的酸洗脫除技術(shù)思路。通過對(duì)攪拌加熱酸洗效果的考察發(fā)現(xiàn),溫度對(duì)雜質(zhì)的去除影響顯著,進(jìn)一步通過反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析表明,該酸洗除雜過程為內(nèi)擴(kuò)散控制。但即使溫度升高至90℃以上,酸洗后雜質(zhì)含量仍較高。嘗試了微波促浸技術(shù),發(fā)現(xiàn)其可以有效提高雜質(zhì)的去除率,但仍有兩個(gè)問題未能解決,一是耗酸量大,二是硼、磷含量仍達(dá)不到太陽能級(jí)多晶硅的要求。為此,設(shè)計(jì)采用了磁選-微波酸洗法處理富硅相粉末。在磁選前,富硅相粉末必須經(jīng)過充分的電位調(diào)控預(yù)分散及超聲波分散等作用,使微粉團(tuán)聚體盡可能地被解離分散開來,從而使鐵、硼、磷等雜質(zhì)充分暴露,以利于磁選和酸浸處理。根據(jù)DLVO理論的指導(dǎo),及對(duì)硅粉表面電位值的測(cè)試結(jié)果,確定通過調(diào)節(jié)富硅相混合溶液的pH值至13.0以上,可使顆粒表面的靜電斥力最大,最利于硅粉顆粒的分散。顆粒經(jīng)過分散后,90%以上的雜質(zhì)Fe可以通過磁選的方式去除,大大減少了耗酸量,并通過優(yōu)化氫氟酸和鹽酸的混合溶液配方,在微波場(chǎng)的強(qiáng)化作用下,雜質(zhì)B和P的含量降低至太陽能級(jí)多晶硅的要求,實(shí)現(xiàn)硼、磷雜質(zhì)在進(jìn)入高溫冶金精煉之前就有效脫除�？傊�,本課題通過電位調(diào)控預(yù)分散-離心沉降和磁選-酸洗除雜等技術(shù)的耦合組配使用,成功解決了多晶硅線切割廢料粉末中硅粉再生提純至太陽能級(jí)多晶硅中的兩大難題——碳化硅的脫除、雜質(zhì)B和P的去除,為該特殊固體廢料的高值化利用和循環(huán)再生提供了可靠的解決方案和理論支持。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TN305.1

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本文編號(hào)：2325751