专利名称：太阳能多晶硅片切割废液中碳化硅质量含量的分析方法
技术领域：
本发明涉及太阳能多晶硅片切割领域，特别是涉及一种太阳能多晶硅片切割废液中碳化硅质量含量的分析方法。
背景技术：
太阳能电池用基板薄片、集成电路用基板状产品的切割，是采用多线切割原理，用钢丝带动由碳化硅磨料构成砂浆对高纯度单晶硅或多晶硅棒进行切割。太阳能硅片切割液废砂浆(以下简称废砂浆)是硅片切割的产物，是由多种物质组成的混合物，其组成一般为 聚乙二醇、碳化硅微粉、单晶硅微粉、水，还包括钢丝切割过程中磨损产生的铁基金属离子、 有机胶粒、二氧化硅、破碎碳化硅微粉(色素、有机胶粒、铁基金属离子和破碎碳化硅微粉) 等。其中碳化硅微粉含量较大，达33%以上。以每吨废砂浆中含有33%的碳化硅微粉计算， 即每吨废砂浆中含有330kg碳化硅，目前碳化硅市场价为1. 5万元/t，废砂浆中碳化硅价值即为4950元/t。硅片切割废砂浆的回用价值较高，经济效益可观。碳化硅是一种人工合成的碳化物，分子式为SiC。碳化硅理论密度是3. 18g/cm3,其莫氏硬度仅次于金刚石，在9. 2^9. 8之间，显微硬度3300kg/mm3，具有高硬度、高耐磨性、高耐腐蚀性及较高的高温强度等特点。碳化硅主要用于制作砂轮、砂纸、砂带、油石、磨块、磨头、研磨膏及光伏产品中单晶硅、多晶硅和电子行业的压电晶体等方面的研磨、抛光等；也可用做炼钢的脱氧剂和铸铁组织的改良剂、制造四氯化硅的原料，也是硅树脂工业的主要原料。将切割砂浆中的碳化硅提取出来，进一步用于制备单晶硅或多晶硅原料，还可以解决高纯度硅的资源短缺问题，对于资源的有效回收利用具有重要意义。对于太阳能多晶硅片切割废砂浆中碳化硅粉料的分离提纯回收技术，在国内外已经有了比较成熟的经验，废砂浆的回收技术不断改进和完善。如申请号为 201010138035. 3、公开号为CN 101823712A公开的“硅片切割废砂浆的回收处理方法”；申请号20091006M18. X、公开号为CN 101613104 A的专利申请公开的“一种回收碳化硅微粉的方法”，上述发明都介绍了从硅片切割废砂浆中分离提纯碳化硅的方法。其分离提纯的一般过程为废砂浆经离心分离、浓缩，得到碳化硅粉、硅粉，经碱洗、水漂洗、酸洗，然后烘干。以上方法在提纯回收的碳化硅微粉中会含有少量的三氧化二铁、二氧化硅和单质硅、游离碳， 一般回收提纯后的碳化硅含量在90-98%之间，误差较大。对于提纯后的碳化硅微粉含量还没有完整的系统分析方法，也没有检索到相应的关于废砂浆提纯后的碳化硅微粉含量的分析方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题克服背景技术中存在的问题，提供一种太阳能多晶硅片切割废液中碳化硅微粉质量含量的分析方法，操作方法简便、操作过程中使用的酸液较少，得到的碳化硅微粉纯度较高。本发明的技术方案
3发明原理采用失重法分别去除试样中的三氧化二铁、二氧化硅、单质硅和游离碳。试样中的三氧化二铁(Fe2O3)和硫酸反应后，生成硫酸铁；利用硫酸铁溶于水的特性，把与硫酸反应后的试样充分溶于水中，排出含有硫酸铁的水溶液；试样中的二氧化硅和单质硅与氢氟酸反应，生成挥发性的四氟化硅逸出；去除游离碳的方法是游离碳在高温下与氧气反应生成二氧化碳气体排出，而碳化硅在高温下不与氧反应，也不分解；最后用电子天平称重残留物的质量，即可得出碳化硅的含量。反应的化学方程式为
Fe2O3 + 3H2S04 = Fe2 (SO4) 3 + 3H20
SiO2 + 4HF = SiF4 + 2H20 Si +4HF = Si F4 个 + 2H2 个 C + & = CO2 个
一种太阳能多晶硅片切割废液中碳化硅质量含量的分析方法，包括以下步骤 (1)取样将回收后的太阳能多晶硅片切割废液中的碳化硅粉浆料经酸洗、去离子水漂洗，离心、烘干，得到含碳化硅的试样；经除铁、烘干，放入干燥器中，备用；
(2)三氧化二铁的去除将烘干后的试样称重，质量Sm1；把试样放入聚四氟乙烯烧杯中，加入去离子水将试样浸泡湿润，然后向所述烧杯中缓慢加入过量稀硫酸，用玻璃棒搅拌，使试样与硫酸充分反应；
(3)二氧化硅、单质硅的去除向所述烧杯中加入过量氢氟酸，同时用塑料棒搅拌，使试样中的二氧化硅、单质硅与氢氟酸反应；反应时在烧杯上加盖，待反应结束后冷却至室温，静置 20-40min ；
(4)碳化硅的分离向所述烧杯中加入50-70°C的去离子水，晃动烧杯，使反应后生成的硫酸铁充分溶解于去离子水中；将试样静置40-60min，澄清、分层；然后用滤纸反复过滤3-5次，得到碳化硅沉淀；将碳化硅沉淀用去离子水反复漂洗，最后向碳化硅沉淀中加入 50-80ml去离子水，测量其pH值，使其pH值控制在6_7的范围内；
(5)游离碳的去除把陶瓷坩埚预先放入箱式电阻炉中烘干，对陶瓷坩埚称重，质量为 m2 ；把漂洗后的碳化硅沉淀连同滤纸放入陶瓷坩埚中，把陶瓷坩埚放入电阻炉中烘烧5 7min ；取出陶瓷坩埚，冷却至室温；
(6)称重把陶瓷坩埚和碳化硅沉淀用电子天平称重，质量为m3；
(7)碳化硅质量含量的计算计算公式:W=(m3 - m2 Vm1X 100% ；
式中，m3 陶瓷坩埚和碳化硅沉淀的质量;m2 陶瓷坩埚的质量叫试样的质量，单位均为克。所述稀硫酸为体积比1 :1的硫酸水溶液；所述步骤(3)中反应时把烧杯放入 80-90°C的水浴炉内加热15-20 min。所述的分析方法，当漂洗时出现沉淀物与去离子水分离不清或有漂浮物时，则加入5%的盐酸进行漂洗。所述烘烧温度为750士 10°C。本发明的积极有益效果
(1)本发明利用失重法进行去杂，分步将太阳能硅片切割废液中分离出的碳化硅粉料中的微量杂质进行去除，主要除去其中的三氧化二铁、二氧化硅和单质硅、游离碳，实现对碳化硅粉料的提纯和回收，回收后的碳化硅精度较高，使太阳能多晶硅片切割废液变废为宝，实现了真正意义上资源的有效利用。(2)本发明操作方法简便，操作过程中使用的酸液较少，除杂反应可在常温常压下进行，产物易于分离，分析成本低，效率高，污染小，能实现对碳化硅的有效分离，具有较好的经济和社会推广价值。
具体实施例方式
例1 太阳能多晶硅片切割废液中碳化硅微粉质量含量的分析方法 1、所用试剂和仪器
试剂硫酸(体积比1 :1)、氢氟酸(浓度不小于40%)、盐酸(体积比5 :95)、去离子水；以上原料均为市售分析纯。仪器聚四氟乙烯烧杯，容量250 mL ；塑料量筒，150ml ；三角瓶，250ml ；电热烘干箱，50 300°C;箱式电阻炉，50 1000°C;陶瓷坩埚，30 ml ；电子水浴炉(水温彡90°C);电子天平，精确到0. OOOlg ；PH试纸；定性中速滤纸(Φ IOcm )；不锈钢丝网(Φ 12_)。2、分析步骤 (1)取样
根据GB/T 4676普通磨料的取样方法参照执行。将回收后的太阳能多晶硅片切割废液中的碳化硅粉浆料进行酸洗、水充分漂洗， 经离心、烘干生产工艺后，得到含碳化硅的粉料试样。取粉料试样50 60g，用磁铁吸出其中的铁质，装入试样袋，于105士5°C的烘箱中烘干lh，取出，放入干燥器中，冷却备用。(2)三氧化二铁的去除
从试样袋中取出烘干后的粉料试样，放在定性中速滤纸上，用电子天平称重Hl1为 5. OOOOg ；把粉料试样放入250ml聚四氟乙烯烧杯中，加入少量的去离子水将试样浸泡湿润，然后慢慢向烧杯中倒入体积比ι :1的硫酸10 15ml。用玻璃棒搅勻，使试样与硫酸充分反应；反应时间约为&iiin。(3) 二氧化硅、单质硅的去除
向上述烧杯中加入氢氟酸8 12ml ；用塑料棒充分搅拌混合，试样中的二氧化硅、单质硅与氢氟酸反应，生成的挥发性的四氟化硅逸出；反应时在烧杯口上加盖，防止酸气大量逸出。待反应完全结束后，冷却至室温，静置30min。反应时间约为2-aiiin。(4)碳化硅的分离向烧杯中加入IOOml 50 70°C的去离子水，慢慢晃动烧杯，使反应生成的硫酸铁充分溶解于去离子水；将试样水溶液静置约lh，使反应液、粉料澄清，分层；
将上述反应液用定性中速滤纸过滤3-5次，得到碳化硅试样沉淀；将试样沉淀用去离子水反复漂洗，最后向试样沉淀中加入50-80ml去离子水，测量其pH值，使其pH值控制在 6 7的范围内；
试样经漂洗后，在口径Φ 150mm的烧杯漂洗水面上允许有Φ 6 9mm漂浮物(浮碳微粉)，超过此数值视为不合格。在5 Smin内水与碳化硅的分离应十分明显，当出现分离不清或漂浮物较多的情况时，可加入盐酸(体积比5 95)后继续进行漂洗。(5)游离碳的去除把陶瓷坩埚预先在箱式电阻炉中烘烧lh，烘烧温度700士 10°C ；然后用铁钳把陶瓷坩埚从电阻炉中取出，称重，陶瓷坩埚质量m2为25. 0085g。 把漂洗后的碳化硅试样沉淀连同滤纸放入烘烧后的陶瓷坩埚中，用铁钳把陶瓷坩埚放入箱式电阻炉中，在750 士 10°C的条件下再烘烧5 IOmin ；取出陶瓷坩埚，冷却至室(6)称重把陶瓷坩埚和碳化硅试样在电子天平上称重，质量叫为29. 9705g。(7)计算碳化硅的质量含量为W (%)，计算公式 W= (m3 - m2 Vm1XlOO0Z70
=(29. 9705 - 25. 0085 )/5. 0000X100% =99. 24%ο例2 太阳能多晶硅片切割废液中碳化硅微粉质量含量的分析方法 1、所用试剂和仪器，同例1。2、分析步骤 (1)取样
将回收后的太阳能多晶硅片切割废液中的碳化硅粉浆料进行酸洗、水充分漂洗，经离心、烘干生产工艺后，得到含碳化硅的粉料试样。取粉料试样50 60g，用磁铁吸出其中的铁质，装入试样袋，于105士5°C的烘箱中烘干lh，取出，放入干燥器中，冷却备用。(2)三氧化二铁的去除
从试样袋中取出烘干后的粉料试样，放在定性中速滤纸上，用电子天平称重Hl1为 6. OOOOg ；把粉料试样放入250ml聚四氟乙烯烧杯中，加入少量的去离子水将试样浸泡湿润，然后慢慢向烧杯中倒入体积比ι :1的硫酸12-18ml，使硫酸过量，用玻璃棒搅勻，使试样与硫酸充分反应；
(3) 二氧化硅、单质硅的去除 向上述烧杯中加入氢氟酸10-15ml，使氢氟酸过量；用塑料棒充分搅拌混合，试样中的二氧化硅、单质硅与氢氟酸反应，生成的挥发性的四氟化硅逸出；反应时在烧杯口上加盖，防止酸气大量逸出。待反应完全结束后，冷却至室温，静置30min。(4)碳化硅的分离向烧杯中加入IOOml 60°C的去离子水，慢慢晃动烧杯，使反应生成的硫酸铁充分溶解于去离子水；将试样水溶液静置约lh，使反应液、粉料澄清，分层；
将上述反应液用定性中速滤纸过滤3-5次，得到碳化硅试样沉淀；将试样沉淀用去离子水反复漂洗，最后向试样沉淀中加入50-80ml去离子水，测量其pH值，使其pH值控制在 6 7的范围内；
(5)游离碳的去除
把陶瓷坩埚预先在箱式电阻炉中烘烧lh，烘烧温度700士 10°C ；然后用铁钳把陶瓷坩埚从电阻炉中取出，称重，陶瓷坩埚质量m2为25. 0075g。把漂洗后的碳化硅试样沉淀连同滤纸放入烘烧后的陶瓷坩埚中，用铁钳把陶瓷坩埚放入箱式电阻炉中，在750 士 10°C的条件下再烘烧5 IOmin ；取出陶瓷坩埚，冷却至室 (6)称重把陶瓷坩埚和碳化硅试样在电子天平上称重，质量叫为30. 9972g。
(7)计算碳化硅的质量含量 W= (m3 - m2 Vm1XlOO0Z70 =(30. 9972 — 25. 0075) /6. 0000 X 100% =99. 83%。
权利要求
1.一种太阳能多晶硅片切割废液中碳化硅质量含量的分析方法，其特征在于所述方法包括以下步骤(1)取样将回收后的太阳能多晶硅片切割废液中的碳化硅粉浆料经酸洗、去离子水漂洗，离心、烘干，得到含碳化硅的试样；经除铁、烘干，放入干燥器中，备用；(2)三氧化二铁的去除将烘干后的试样称重，质量Sm1；把试样放入聚四氟乙烯烧杯中，加入去离子水将试样浸泡湿润，然后向所述烧杯中缓慢加入过量稀硫酸，用玻璃棒搅拌，使试样与硫酸充分反应；(3)二氧化硅、单质硅的去除向所述烧杯中加入过量氢氟酸，同时用塑料棒搅拌，使试样中的二氧化硅、单质硅与氢氟酸反应；反应时在烧杯上加盖，待反应结束后冷却至室温，静置 20-40min ；(4)碳化硅的分离向所述烧杯中加入50-70°C的去离子水，晃动烧杯，使反应后生成的硫酸铁充分溶解于去离子水中；将试样静置40-60min，澄清、分层；然后用滤纸反复过滤3-5次，得到碳化硅沉淀；将碳化硅沉淀用去离子水反复漂洗，最后向碳化硅沉淀中加入 50-80ml去离子水，测量其pH值，使其pH值控制在6_7的范围内；(5)游离碳的去除把陶瓷坩埚预先放入箱式电阻炉中烘干，对陶瓷坩埚称重，质量为 m2 ；把漂洗后的碳化硅沉淀连同滤纸放入陶瓷坩埚中，把陶瓷坩埚放入电阻炉中烘烧5 7min ；取出陶瓷坩埚，冷却至室温；(6)称重把陶瓷坩埚和碳化硅沉淀用电子天平称重，质量为m3；(7)碳化硅质量含量的计算计算公式:W=(m3 - m2 Vm1X 100% ；式中，m3 陶瓷坩埚和碳化硅沉淀的质量;m2 陶瓷坩埚的质量叫试样的质量，单位均为克。
2.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于所述稀硫酸为体积比1:1的硫酸水溶液。
3.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于所述步骤(3)中反应时把烧杯放入 80-90°C的水浴炉内加热15-20 min。
4.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于当漂洗时出现沉淀物与去离子水分离不清或有漂浮物时，则加入5%的盐酸进行漂洗。
5.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于所述烘烧温度为750士10°C。
全文摘要
本发明涉及一种太阳能多晶硅片切割废液中碳化硅质量含量的分析方法，包括取样、三氧化二铁的去除、二氧化硅和单质硅的去除和碳化硅的分离、游离碳的去除、碳化硅的质量含量计算等步骤，该发明采用失重法分别去除试样中的三氧化二铁、二氧化硅、单质硅和游离碳等杂质，最后称重残留物的质量，即可得出碳化硅的质量含量。本方法回收后的碳化硅精度高，方法简便，操作过程中使用的酸液较少，能实现对碳化硅的有效分离。除杂反应可在常温常压下进行，产物易于分离，成本低、效率高，污染小，具有较好的推广价值。
文档编号G01N5/04GK102435530SQ20111027785
公开日2012年5月2日 申请日期2011年9月19日 优先权日2011年9月19日
发明者姚纪兰, 苗瀛, 苗立贤 申请人:张云新