楊 明,權 祥,鄒平博

(1.徐州工業(yè)職業(yè)技術學院 化工學院, 江蘇 徐州 221140；2.徐州工業(yè)職業(yè)技術學院 材料學院,江蘇 徐州 221140)

太陽能具有取之不盡、清潔環(huán)保和安全可靠等各方面獨特優(yōu)勢，且可以傳統(tǒng)能源燃燒所帶來的污染，成為解決能源危機的新能源[1]。太陽能電池硅片在加工過程中約有50%的高純硅料成為鋸屑進入太陽能硅片切割液中。不僅造成硅的大量損失，還造成切割液變質(zhì)[2]。由于太陽能工業(yè)對硅片表面切割有很高的技術和質(zhì)量要求，所以切割液的損耗極大[3]。廢砂漿在自然界中不易降解，如不經(jīng)過特殊處理，會造成環(huán)境污染[4]，目前國內(nèi)聚乙二醇( PEG) 的回收價分別是10元/kg， 碳化硅的回收價分別是17元/kg[5]，高純硅的價值遠遠高于以上兩種物質(zhì)。因此測定廢砂漿中各成分的含量，并對其進行分離是十分必要的。

1 實驗部分

1.1 主要試劑及儀器

試劑：廢砂漿，活性炭，陰陽離子交換樹脂，工業(yè)級；氫氟酸，鹽酸，硝酸，硫酸鋅，氫氧化鈉，無水乙醇， 分析純

儀器：離心機，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器，真空泵，阿貝折光儀，紅外色譜儀，粘度計。

1.2 固液分離

取質(zhì)量為M g的廢砂漿，置于燒杯中，加入體積為VmL的溶劑，在常溫下攪拌30 min,使廢砂漿中的液體物質(zhì)充分溶于溶劑中，然后進行過濾，收集濾液和濾餅，并稱重，濾液質(zhì)量為m1，濾餅質(zhì)量為m2。

1.3 濾液成分分析及含量測定

將濾液置于250 mL燒杯中，加入適量活性炭脫色，溫度控制75 ℃，脫色時間1 h，過濾。濾液進行減壓蒸餾，去除溶劑得到無色透明液體，最后依次進入陰陽離子交換樹脂柱，流速控制在2 mL/min，同時每隔10 min取液測PH,收集過柱子后的液體，稱重，運用紅外光譜分析儀進行結(jié)構分析，并測定其pH值，粘度，折光率和電導率，并與配制新鮮切割液的聚乙二醇相關性質(zhì)作比較。

1.4 濾餅成分分析及含量測定

1.4.1 鐵及不銹鋼雜質(zhì)含量的測定

取質(zhì)量為m3的濾餅，置于250 mL的燒杯中，加入濃度為2.5 mol/L的鹽酸100 mL(液固比為10∶1),在溫度為40 ℃下攪拌反應1 h。過濾，用水洗至中性。干燥稱重，記為m4，則鐵及不銹鋼雜質(zhì)的質(zhì)量為：m3- m4。

1.4.2 碳化硅含量測定

a..酸法測定

取5 g除去金屬雜質(zhì)后的固體混合物，置于250 mL的燒杯中，加入濃度為4 mol/L的氫氟酸和濃度為2 mol/L的硝酸混合液共50 mL,常溫下攪拌約70 min,過濾，洗滌濾餅至中性。濾餅干燥后稱重為m5，則碳化硅質(zhì)量為5- m5。

b.堿法測定

取2g干燥后的硅和碳化硅的混合物，置于250 mL的燒杯中，加入質(zhì)量分數(shù)為3%的氫氧化鈉溶液20mL，攪拌2h，過濾，洗滌至中性。干燥后稱重記為m6,碳化硅的質(zhì)量為2- m6。

1.4.3 硅含量的測定

濾餅的總質(zhì)量減去金屬質(zhì)量和碳化硅質(zhì)量之和。

1.5 濾餅中硅和碳化硅的分離

1.5.1 重力浮選

試驗中采用的浮選溶液為硫酸鋅(七水合)的水溶液，配置密度為2.75g/cm3硫酸鋅溶液。取2g干燥后的硅和碳化硅的混合物與硫酸鋅水溶液在燒杯中攪拌混勻后倒入量筒中，很快看到密度較大的碳化硅緩慢向底部沉積，量筒中出現(xiàn)明顯液體分層，共上中下三層。

1.5.2 離心分離

取2g干燥后的硅和碳化硅的混合物與密度為2.75g/cm3硫酸鋅水溶液在燒杯中攪拌混勻后，將混合液倒入離心管中，兩支離心管要一樣重，保持平衡，將其對稱放入離心機。定時10分鐘，轉(zhuǎn)速為3000r/min。離心結(jié)束后，分區(qū)現(xiàn)象十分明顯，液體在上層，離心管壁上是硅，離心管底部是碳化硅，將硅和碳化硅取出來，就可得到純度較高的硅與碳化硅，并進行紅外譜圖的分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 固液分離實驗結(jié)果與分析

2.1.1 溶劑種類的影響

溶劑不同，廢砂漿中液體溶解效果見表1。

表1 不同溶劑的溶解效果Table 1 dissolution effect of different solvents

乙醇是良好的有機溶劑，廢砂漿中的液體溶于水，也溶于乙醇有機溶劑，通過溶解效果的測定結(jié)果可知，乙醇的溶解效果要大于水的溶解效果，但相差不是很大，考慮到工業(yè)上的實際應用，水更環(huán)保且便宜易得，成本低，所以最終選用水作為廢砂漿的溶劑。

2.1.2 溶解時間的影響

常溫下，水做溶劑，考察了溶解時間對溶解效果的影響，結(jié)果見表2。

表2 溶解時間對溶解效果的影響Table 3 Effect of dissolution time on dissolving effect

由表2可知，隨溶解時間的增加，濾餅收率逐漸增加，但大于30min后增加不明顯，綜合考慮，溶解時間為30min。

2.1.3 溶解溫度的影響

溶解時間為30min，水為溶劑，測量不同的溫度條件下，濾餅的收率，結(jié)果見表3。

表3 溶解溫度對溶解效果的影響Table 3 Effect of dissolution temperature on dissolving effect

由表3可知，隨溶解溫度的增加，濾餅收率未見明顯變化，因此溶解溫度常溫即可。

2.2 濾液成分分析及含量測定結(jié)果

2.2.1 濾液成分分析結(jié)果

經(jīng)分析測試，濾液中的成分有聚乙二醇，水，色素及其它金屬離子。分離后的聚乙二醇的相關測定數(shù)據(jù)見表4。

廢砂漿中提純得到的聚乙二醇的紅外圖譜如圖1，圖1中3313cm-1為OH伸縮振動吸收峰，2876 cm-1為-CH2-對稱伸縮振動吸收峰，1465 cm-1為-CH2-彎曲振動吸收峰，1378 cm-1為-CH3-對稱變形振動吸收峰，1248 cm-1為-C-O-C-不對稱伸縮振動吸收峰，1113 cm-1為-C-O-C-對稱伸縮振動吸收峰，949 cm-1為-C-O-C-面內(nèi)變形振動吸收峰，844 cm-1為-CH2-CH2-O-面內(nèi)變形吸收峰。在1700～1750 cm-1和2720 cm-1波段沒有出現(xiàn)吸收峰，說明在回收過程中，聚乙二醇中的羥基沒有被氧化成醛基。

表4 分離后的聚乙二醇的性質(zhì)Table 4 Properties of PEG after separation

圖1 聚乙二醇的紅外圖
Fig.1 infrared map of polyethylene glycol

2.2.2 聚乙二醇的含量測定結(jié)果

聚乙二醇的含量測定結(jié)果見表5。

表5 聚乙二醇含量Table 5 Polyethylene glycol content

表5(續(xù))

2.3 硅和碳化硅的含量測定結(jié)果

硅和碳化硅的含量測定結(jié)果見表6。

表6 碳化硅的含量Table 6 The content of silicon carbide

由表6可知，堿法除硅更徹底，測定結(jié)果更準確。

2.4 重力浮選結(jié)果

圖2 重力浮選圖Fig.2 gravity flotation diagram

上層是硅，中層是硫酸鋅溶液，下層是碳化硅，但出現(xiàn)分層所需時間較長，且中間溶液不是透明澄清，由此可知重力浮選法分離較慢，且不完全。

2.5 離心分離結(jié)果

圖3 離心分離圖Fig.2 centrifuge diagram

離心管管壁上固體是硅，底部周圍固體是碳化硅，硫酸鋅溶液透明澄清。此法分離速度較快且分離完全。

3 結(jié)論

(1) 經(jīng)測定，廢砂漿的成分組成是：聚乙二醇55.9%、硅11.1%、碳化硅9.0%、水13.1%和鐵及其他金屬10.9%。堿法測定結(jié)果更準確。

(2)測定了分離后的聚乙二醇的pH值、折光率、電導率與新鮮切割液中的聚乙二醇相關性質(zhì)作比較，基本相同，說明回收純度較高。

(3) 結(jié)合重力浮選法和離心分離法對硅和碳化硅進行分離，該法較為環(huán)保，無污染，成本低。

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[2] 何思邈，袁守謙，朱麗芳.晶體硅切割廢料回收的研究現(xiàn)狀[J].化工進展,2013,32(24):925-929.

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[5] 邢鵬飛，趙培余，郭 菁，等．太陽能級多晶硅切割廢料漿的綜合回收[J]．材料導報，2011，25(1):75-79．

(本文文獻格式：楊明,權祥,鄒平博.硅片切割廢液的成分分析與分離研究[J].山東化工，2018，47(02)：59-61.)