一种连续回收利用硅片切割加工废砂浆中硅粉的方法
【专利摘要】本发明涉及一种连续回收利用硅片切割加工废砂浆中硅粉的方法，尤其是一种硅粉水解反应分离同步进行的方法。本发明利用硅片切割废砂浆经过切割液回收后，得到的是富含硅粉的碳化硅沙料在碱性催化剂作用下水解生成硅溶胶，其中的硅粉颗粒水解时采用在水解液中所受重力、浮力与沉降阻力平衡技术、逆流接触反应技术和反应分离技术，使得反应产物与反应物及时分离，保障硅粉完全水解，得到较高浓度的反应产溶液，使达到有工业应用浓度，惰性的碳化硅颗粒在水解液中进行重力沉降，实现反应完全化、连续化和碳化硅颗粒净化同步进行。
【专利说明】—种连续回收利用硅片切割加工废砂浆中硅粉的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种连续回收利用硅片切割加工废砂浆中硅粉的方法，尤其是一种硅粉水解反应分离同步进行的方法。
【背景技术】
[0002]硅片切割废砂浆主要由切割液、碳化硅及晶硅颗粒等组成，经过切割液回收后，需要对碳化娃回收；现有技术对碳化娃回收时，一般米用碱溶液对碳化娃进行洗漆，使娃粉在碱性催化剂作用下水解生成硅溶胶，由于该法的目的在于净化碳化硅，为了保证碳化硅中硅粉的去除率，大量的洗涤液被使用，以保持硅粉水解时的反应推动力，所得到的液体产物中硅溶胶的浓度低，作为废弃物而难以利用。
[0003]制备硅溶胶的方法有以下几种:单质硅一步溶解法、离子交换法、直接酸中和法、电解电渗析法、胶溶法和分散法等。工业生产中通常采用的是单质硅一步溶解法、离子交换法。
[0004]专利CN86104144A在72~83°C条件下将硅粉直接与Na2SiO3或者K2SiO3反应，并在50°C时过滤除去未反应的硅粉。专利CNlOl 121520A中使硅粉在碱性催化剂作用下水解，通过对投料量的控制以得到粒径分布比较窄的硅溶胶产品；反应后过滤，出去未反应的硅粉。专利CN1830777A中利用活性硅酸粒子在种子粒子上吸附并长大的原理，以SiO2水分散液为种子液，向其中加入碱性催化剂和硅粉，反应后过滤得产品。专利CN102173426A制备了一种高均匀度的硅溶胶，将硅、水、碱性催化剂混合后，在搅拌条件下超声并加热，分批加料，反应完全后出去未 反应的硅粉。专利CN102101674A中将硅、水和碱性催化剂在反应釜中混合，通入蒸汽使物料混合均匀并加热，制备母液。分批加入反应物料以控制粒径，反应完全后除去未反应硅粉。
[0005]以上专利虽然都在某种程度上得到了所需的产品，但是存在一个共同的问题，即是由硅粉(Si)在碱性催化剂作用下水解生成硅酸钠(Na2SiO3),进而产生硅溶胶，同时硅粉的水解反应受化学平衡的限制，不能完全转化为硅酸钠。硅片切割废砂浆经过切割液回收后，得到的是富含硅粉的碳化硅沙料，其中硅粉含量约为10%~15%，由于每年产生的沙料量很大，蕴藏着丰富的资源。
[0006]即随着Si水解，硅酸钠的浓度不断升高，基于化学反应平衡原理，当反应达到平衡以后，硅的水解速度近于零。现有间歇反应一般在反应接近平衡时停止反应，除未反应硅粉分离出来，再进行后续操作。虽然过滤后的硅粉可以重复利用，但不可避免的增加了后处
理工序。
[0007]本发明利用硅片切割废砂浆经过切割液回收后，得到的是富含硅粉的碳化硅沙料在碱性催化剂作用下水解生成硅溶胶，其中的硅粉颗粒水解时采用在水解液中所受重力、浮力与沉降阻力平衡技术、逆流接触反应技术和反应分离技术，使得反应产物与反应物及时分离，保障硅粉完全水解，得到较高浓度的反应产溶液，使达到有工业应用浓度，惰性的碳化硅颗粒在水解液中进行重力沉降，实现反应完全化、连续化和碳化硅颗粒净化同步进行。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是弥补现有技术存在的不足，提供一种利用反应分离同步进行的方法，保持反应处于不平衡状态，使得硅片切割废砂浆经过切割液回收后的富含硅粉的碳化硅沙料中的硅粉完全水解、达到回收利用硅资源，净化碳化硅连续同步进行的目的。
[0009]按照本发明提供的技术方案，一种连续回收利用硅片切割加工废砂浆中硅粉的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤，其组分按重量份数计:
[0010]A、基于附图的硅水解反应分离器，富含硅粉碳化硅沙料由加料口(5)加入，水解液由水解液入口(7)加入，由蝶阀(6)调节流量。硅粉与水解液在水解反应段发生水解反应，水解反应段为锥形反应器。含硅粉碳化硅沙料在反应段上部加入，因重力沉降向下段运动，随着反应的进行，硅粉的粒径变小，其沉降速度降低。硅粉在向下运动的过程中，反应段中反应物浓度由上向下增加，其化学反应推动力随之增强，反应产物浓度由下向上增加。为了保持一定的反应时间；锥形反应器下段的流动通道截面减小，控制水解液的流速，以保持未反应硅粉达到沉降力与上升液体作用于硅粉颗粒的浮力和硅粉颗粒沉降阻力达到平衡状态，颗粒悬浮于其中，与水解液接触反应，直至反应完全。惰性的碳化硅颗粒在水解液中进行重力沉降至反应分离器底部由水解液入口(7)排出，实现反应完全化、连续化和碳化硅颗粒净化同步进行。
[0011]B、反应液中的硅粉、硅酸钠及其缩合物、夹带的少量碳化硅颗粒、氢气向上运动，其中硅酸钠浓度由下向上增加。进入分离段后，氢气通过分离段排气管(I)收集，硅酸钠溶液通过膜分离段在真空抽吸下通过分离膜(3)与未反应的硅粉颗粒分离，达到反应分离的目的。
[0012]C、沉积于膜分离段膜表面的颗粒，定期进行反洗，以维持膜的透过液量，反洗液由反洗液入口⑷进入。
[0013]所述富含硅粉碳化硅沙料是硅片切割加工废砂浆经过回收其中的切割液后形成的沙料，其中硅粉0.5~30份，碳化硅为50份~99.5份，其它固体颗粒为O~5份；硅粉颗粒直径为I μ m~2mm所述水解液由NaOH、KOH中的一种或几种配制的水溶液，水的质量分数为75份~99.8份，其余为NaOH、KOH中的一种或几种。
[0014]所述锥形反应器的锥度为5°~70°，椎体高度0.2m~10m，反应温度20°C~80°C，水解液在进料口的流速为0.0 lm/s~3m/s，沙料加入量:水解液加入量为0.1:1~0.8: I 。
[0015]所述分离段为孔径为20nm~10 μ m的分离膜，膜材料为有机高分子分离膜或无机分离膜。分离段高度为0.1m~3m，抽吸真空度为0.01MPa~0.095MPa，通过膜的透过液流
量与水解液进料量相等。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为硅水解反应分离器示意图。
【具体实施方式】[0017]下面结合实施例对本发明作进一步说明。
[0018]实施例1
[0019]一种连续回收利用硅片切割加工废砂浆中硅粉的方法，其组份按重量份数计，包括以下工艺步骤:
[0020]富含硅粉碳化硅沙料，其中硅粉12份，碳化硅为77.5份，其它固体颗粒为0.5份，硅粉颗粒平均粒径为0.30mm,沙料加入量30g/min，由1份NaOH与99份水构成的水解液进料量为1000g/min，锥形反应器锥度为15°、高度2m，水解液在进料口流速为0.5m/s，水解反应温度为50°C。分离段用PES微滤膜，孔径0.2 μ m，膜分离段高度lm。调节抽吸真空度，保持透过液量为lL/min。得到反应段底部碳化娃中娃粉检测不出，透过液中娃酸钠的质量浓度为4.5%，反应实现连续化。
[0021]实施例2
[0022]一种连续回收利用硅片切割加工废砂浆中硅粉的方法，其组份按重量份数计，包括以下工艺步骤:
[0023]富含硅粉碳化硅沙料，其中硅粉9.5份，碳化硅为90份，其它固体颗粒为0.5份，硅粉颗粒平均粒径为0.35mm,沙料加入量35g/min，由1份NaOH与95份水构成的水解液进料量为1000g/min，锥形反应器锥度为15°、高度2m，水解液在进料口流速为0.4m/s，水解反应温度为60°C。分离段 用PES微滤膜，孔径0.2 μ m，膜分离段高度lm。调节抽吸真空度，保持膜透过液量为lL/min。得到反应段底部沉降碳化硅颗粒中硅粉检测不出，透过液中硅酸钠的质量浓度为3.8%，反应实现连续化。
[0024]实施例3
[0025]一种连续回收利用硅片切割加工废砂浆中硅粉的方法，其组份按重量份数计，包括以下工艺步骤:
[0026]富含硅粉碳化硅沙料，其中硅粉15份，碳化硅为84.8份，其它固体颗粒为0.2份，硅粉颗粒平均粒径为0.32mm,沙料加入量28g/min，由1份KOH与99份水构成的水解液进料量为1200g/min，锥形反应器锥度为25。、高度2m，水解液在进料口流速为0.3m/s，水解反应温度为60°C。分离段用PES微滤膜，孔径0.2 μ m，膜分离段高度lm。调节抽吸真空度，保持透过液量为1.5L/min。得到反应段底部沉降碳化硅颗粒中硅粉检测不出，透过液中硅酸钠的质量浓度为4.8%，反应实现连续化。
【权利要求】
1.一种连续回收利用硅片切割加工废砂浆中硅粉的方法，其特征在于其组份按重量份数计，包括以下工艺步骤:A、基于附图的硅水解反应分离器，富含硅粉碳化硅沙料由加料口(5)加入，水解液由水解液入口(7)加入，由蝶阀(6)调节流量。硅粉与水解液在水解反应段发生水解反应，水解反应段为锥形反应器。含硅粉碳化硅沙料在反应段上部加入，因重力沉降向下段运动，随着反应的进行，硅粉的粒径变小，其沉降速度降低。硅粉在向下运动的过程中，反应段中反应物浓度由上向下增加，其化学反应推动力随之增强，反应产物浓度由下向上增加。为了保持一定的反应时间；锥形反应器下段的流动通道截面减小，控制水解液的流速，以保持未反应硅粉达到沉降力与上升液体作用于硅粉颗粒的浮力和硅粉颗粒沉降阻力达到平衡状态，颗粒悬浮于其中，与水解液接触反应，直至反应完全。惰性的碳化硅颗粒在水解液中进行重力沉降至反应分离器底部由水解液入口(7)排出，实现反应完全化、连续化和碳化硅颗粒净化同步进行。B、反应液中的硅粉、硅酸钠及其缩合物、夹带的少量碳化硅颗粒、氢气向上运动，其中硅酸钠浓度由下向上增加。进入分离段后，氢气通过分离段排气管(I)收集，硅酸钠溶液通过膜分离段在真空抽吸下通过分离膜(3)与未反应的硅粉颗粒分离，达到反应分离的目的。C、沉积于膜分离段膜表面的颗粒，定期进行反洗，以维持膜的透过液量，反洗液由反洗液入口(4)进入。
2.根据权利要求书I所述一种连续回收利用硅片切割加工废砂浆中硅粉的方法，其特征是在于所述富含硅粉碳化硅沙料是硅片切割加工废砂浆经过回收其中的切割液后形成的沙料，其中硅粉0.5~30份，碳化硅为50份~99.5份，其它固体颗粒为O~5份；硅粉颗粒直径为I μ m~2mm ;所述水解液由Na0H、K0H中的一种或几种配制的水溶液，水的质量分数为75份~99.8份，其余为NaOH、KOH中的一种或几种。
3.据权利要求书I所述一种连续回收利用硅片切割加工废砂浆中硅粉的方法，其特征在于所述锥形反应器的锥度为5°~70°，椎体高度0.2m~10m，反应温度20°C~80°C，水解液在进料口的流速为0.0 lm/s~3m/s，沙料加入量:水解液加入量为0.1:1~0.8:1。
4.据权利要求书I所述一种硅水解反应分离同步进行的方法，其特征在于所述分离段为孔径为20nm~10 μ m的分离膜，膜材料为有机高分子分离膜或无机分离膜。分离段高度为0.1m~3m，抽吸真空度为0.01MPa~0.095MPa，通过膜的透过液流量与水解液进料量相 等。
5.据权利要求书I所述一种硅水解反应分离同步进行的方法，其特征在于所述沉积于膜分离段膜表面的颗 粒，定期进行反洗，反洗液为透过液、水中的一种或几种；反洗周期为.0.1小时~20小时，每次反洗时间为5分钟~60分钟，反洗压力为0.005MPa~0.085MPa,反洗温度为20°C~50°C。
【文档编号】C01B31/36GK103601191SQ201310556594
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年11月8日 优先权日:2013年11月8日
【发明者】孙余凭, 顾瑾, 白云翔 申请人:江南大学