高敏杰，徐元清，2，王紅霞

（1.河南新大新材料股份有限公司，河南開(kāi)封475000；2.河南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院）

晶硅片切割廢砂漿中碳化硅的旋流工藝研究

高敏杰1，徐元清1，2，王紅霞1

（1.河南新大新材料股份有限公司，河南開(kāi)封475000；2.河南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院）

以羧甲基纖維素鈉為分散劑，采用旋流法分離廢砂漿中的碳化硅和硅粉，研究了固液比、溫度、入口速度、分散劑的用量對(duì)分離效果的影響。結(jié)果表明，當(dāng)固液比（料餅與水質(zhì)量比）為15%、溫度為50℃、入口速度為12.5m/s、羧甲基纖維素鈉加入量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為0.6‰時(shí)分離效果最佳，在此條件下回收的碳化硅純度為96.5%。該研究達(dá)到了分離碳化硅和硅粉的目的，同時(shí)減少了后續(xù)工藝輔料酸堿的應(yīng)用，降低了對(duì)環(huán)境的污染。

廢砂漿；旋流；分散劑；碳化硅；硅粉

在半導(dǎo)體用硅片和太陽(yáng)能電池用硅片的制造過(guò)程中，對(duì)高純度的單晶硅和多晶硅棒的切割多采用線(xiàn)切割原理，在切割過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的廢砂漿。廢砂漿的主要成分為大量的聚乙二醇、碳化硅、硅粉以及少量的鐵屑，其中切割液和碳化硅具有很高的回收利用價(jià)值。對(duì)于碳化硅的回收，去除硅粉的方法一般采用浮選法［1-2］、離心分離法［3］、重液分離技術(shù)［4-6］、電分離方法［7］、超磁場(chǎng)分離方法［8］、高溫?zé)崽幚矸椒ǎ?］、氣流分選法［10］以及化學(xué)回收法［11］等。這些方法需要加入大量的化學(xué)試劑或者分離條件苛刻，分離不徹底，效率低，對(duì)環(huán)境的污染較大，不適宜工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)。而旋流分離法是根據(jù)固液組分存在的密度差，以及受浮力和重力等作用的不同，從而達(dá)到分離組分的目的，料漿中的粗顆粒（或密度大的顆粒）因受到較大的離心力進(jìn)入旋流器體的外側(cè)，從旋流器的底流口排出，而細(xì)顆粒（或密度小的顆粒）所受離心力較小，從溢流口排出，這樣可達(dá)到分級(jí)分離的目的［12］。旋流分離法操作簡(jiǎn)單，可以避免因單獨(dú)使用大量化學(xué)試劑造成的環(huán)境污染，并且除雜效率高，適用于工業(yè)上生產(chǎn)。文獻(xiàn)和專(zhuān)利中有報(bào)道旋流法分離碳化硅和硅粉的研究，但未具體介紹關(guān)鍵的研究信息［13］。本項(xiàng)目對(duì)旋流法分離晶硅片切割廢砂漿中的碳化硅和硅粉的效果做了研究，分析了各工藝參數(shù)對(duì)旋流體系的影響，獲得了最佳工藝條件，為碳化硅去除硅粉技術(shù)提供了理論依據(jù)。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1原料及儀器

原料：羧甲基纖維素鈉（CMC，任丘市億邦化工有限公司，化學(xué)純），晶硅片切割廢砂漿（江蘇協(xié)鑫硅材料科技發(fā)展有限公司）。

儀器：FX50型旋流器組、DZF-6020型真空干燥箱。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

廢砂漿經(jīng)過(guò)固液分離后得到料餅，將料餅與水按質(zhì)量比（固液比，下同）15%造漿，引入高頻振動(dòng)篩，在振動(dòng)頻率為3 000 r/min情況下過(guò)篩至粒徑小于51.33 μm。50℃時(shí)向篩分后的料漿中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6‰的CMC，攪拌均勻，隨后將料漿以12.5 m/s的速度通入旋流器中，進(jìn)行6級(jí)分離。采用GB/T 3045—2003《普通磨料碳化硅化學(xué)分析方法》規(guī)定的方法檢測(cè)底流口中碳化硅和硅粉的含量。

2　結(jié)果與討論

2.1原始切割液固體組分分析

廢砂漿固液分離后料餅（干料）的主要成分及密度見(jiàn)表1。按照旋流的原理，由于碳化硅的密度和粒度較硅和游離碳大，因此旋流分離后，碳化硅將從底流口流出。

表1　廢砂漿固液分離后料餅（干料）的主要成分及密度

2.2單因素實(shí)驗(yàn)

2.2.1固液比對(duì)旋流分離的影響

圖1為不同固液比下碳化硅微粉的分離效率曲線(xiàn)。由圖1可以看出，隨著固液比的降低，底流口得到碳化硅的含量逐漸升高。當(dāng)固液比為30%時(shí)，分離效果不理想；當(dāng)固液比降至10%時(shí)，碳化硅的含量提高幅度不大，且固液比較低時(shí)，產(chǎn)率也較低。綜合考慮，實(shí)驗(yàn)選擇適宜的固液比為15%，此時(shí)底流口碳化硅和硅粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為91.5%和5.0%。

圖1　不同固液比下碳化硅的分離效率

2.2.2入口速度對(duì)旋流分離的影響

圖2為不同入口速度下碳化硅微粉的分離效率曲線(xiàn)。從圖2可以看出，當(dāng)入口速度為5 m/s時(shí)，分離效果不明顯。這是因?yàn)楣桀w粒較小，離心力不足，同時(shí)硅顆粒很容易被水流帶動(dòng)起來(lái)，出現(xiàn)從底流口和溢流口溢出的2種現(xiàn)象。隨著分離速度的增加，底流料中回收的碳化硅成分逐漸升高。這是由于速度增加縮短了料漿在旋流器中的停留時(shí)間，使得料漿中固體顆粒受到的離心力增加，從而獲得較好的分離效果。但是當(dāng)入口速度過(guò)高時(shí)，在進(jìn)料口與圓筒接觸處會(huì)出現(xiàn)一個(gè)低速區(qū)，這里會(huì)產(chǎn)生循環(huán)流或短路流現(xiàn)象，使得很多顆粒直接從溢流口流出，影響產(chǎn)量。從數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)入口速度超過(guò)12.5m/s時(shí)，分離效果提高不太顯著。因此可以確定，當(dāng)入口速度為12.5m/s時(shí)，最有利于分離。

圖2　不同入口速度下碳化硅的分離效率

2.2.3溫度對(duì)旋流分離的影響

圖3為不同溫度下碳化硅微粉的分離效率曲線(xiàn)。

圖3　不同溫度下碳化硅的分離效率

由圖3可以看出，隨著溫度的升高，旋流分離效果提高。這可能是由于溫度升高，硅粉表面更容易氧化，產(chǎn)生大量的羥基，與水的親和力增強(qiáng)，在水中的分散性增強(qiáng)，沉降速度減緩，大部分從溢流口中流出，使得底流口中碳化硅含量增加。但當(dāng)溫度升至50℃以上時(shí)，分離效果提高的不明顯，并且由于溫度過(guò)高，會(huì)增加生產(chǎn)成本，對(duì)生產(chǎn)環(huán)境也產(chǎn)生影響，因此，實(shí)驗(yàn)選擇適宜的旋流溫度為50℃，在此條件下底流料中碳化硅和硅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為94.5%和3.4%。

2.2.4分散劑對(duì)旋流分離的影響

圖4為不同CMC濃度下碳化硅微粉的分離效率曲線(xiàn)。由圖4可以看出，當(dāng)CMC加入量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）為0.2‰時(shí)，底流料中碳化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯升高，由94.5%升至95.5%。隨著CMC的加入量增加，碳化硅的含量逐漸增加，當(dāng)CMC加入量為0.6‰時(shí)，碳化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，達(dá)到96.5%；CMC繼續(xù)增加，碳化硅的含量反而有所降低，這可能是由于隨著CMC加入量增加，使溶液的黏度變大，料漿在溶液中穩(wěn)定性增加，不利于碳化硅和硅粉的分離。綜合考慮，實(shí)驗(yàn)選擇適宜的CMC加入量為0.6‰，在此條件下碳化硅和硅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為96.5%和1.5%。

圖4　不同CMC濃度下碳化硅的分離效率

3　結(jié)束語(yǔ)

研究表明，本工藝旋流法分離碳化硅和硅粉的最佳工藝參數(shù)：固液比為15%、旋流溫度為50℃、入口速度為12.5 m/s、羧甲基纖維素鈉加入量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為0.6‰。在此條件下，碳化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)可由75%提高至96.5%，從而減少了后續(xù)工藝輔料酸堿的應(yīng)用，降低了對(duì)環(huán)境的污染以及生產(chǎn)成本，提高了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力，進(jìn)而促進(jìn)中國(guó)光伏切割行業(yè)的發(fā)展。

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聯(lián)系方式：gaominjie8@126.com

Study on hydrocyclone technology of silicon carbide from cutting waste slurry of silicon wafe

Gao Minjie1，Xu Yuanqing1，2，Wang Hongxia1
（1.Henan Xindaxin Materials Co.，Ltd.，Kaifeng 475000，China；2.College of Chemistry and Chemical Engineering，Henan University）

Silicon carbide（SiC）and silicon（Si）powder in the cutting waste slurry of silicon wafe were separated by the hydrocyclone technology with carboxymethylcellulose sodium（CMC）as dispersing agent.The effects of the solid to liquid radio，temperature，inlet velocity，and the dosage of CMC on separation efficiency were investigated.Results showed that the purity of the recovered silicon carbide powder was up to 96.5%under the solid to liquid ratio（mass ratio of feed cake and water）of 15%，temperature of 50℃，inlet velocity of 12.5 m/s and mass fraction of CMC of 0.6‰.In addition，the research got the purpose of separating silicon carbide and silicon powder，the dosage of acid and alkali was also cut in the follow-up processes，and the environmental pollution was reduced.

waste slurry；hydrocyclone；dispersing agent；silicon carbide；silicon powder

TQ127.2

A

1006-4990（2015）11-0060-03

2015-05-10

高敏杰（1987—），女，碩士，助理工程師，主要從事生產(chǎn)工藝改進(jìn)方面的研究工作，已公開(kāi)發(fā)表論文5篇。