物理分離方法在硅片切割廢液回用中的應(yīng)用

季 晴，王建國

1.無錫機(jī)電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 無錫 214028

2.江西新余匯能科技有限公司，江西 新余 336500

1 硅片切割廢液成份分析

集成電路用基板、太陽能電池用基板薄片狀產(chǎn)品切割制備，采用多線切割原理，用鋼絲帶動由碳化硅磨料構(gòu)成砂漿對高純度單晶硅或多晶硅棒進(jìn)行切割。太陽能硅片切割液廢砂漿（以下簡稱廢砂漿）是硅片切割必然產(chǎn)物，是有多種物質(zhì)組成的混合物，其組成為：聚乙二醇35%；碳化硅微粉33%；單晶硅微粉9%；水5%和組成切割液其它物質(zhì)15%；有機(jī)膠粒；二氧化硅；金屬及金屬離子；破碎碳化硅微粉（色素和有機(jī)膠粒以及金屬及金屬離子和破碎碳化硅微粉3%）。

2 硅片切割廢液回用價值分析

單晶硅主要用途是用作半導(dǎo)體材料和利用太陽能光伏發(fā)電、供熱等。每噸廢砂漿中含有8%～9%（重量）高純硅，也就是含有80kg～90kg單晶硅，目前單晶硅市場價格為50萬元/t，因此，廢砂漿中單晶硅價值為4萬元～4.5萬元。

聚乙二醇可用作環(huán)氧樹脂和聚乙烯醇的增韌劑。每噸廢砂漿中含有35%聚乙二醇，也就含有350kg聚乙二醇，目前市場價為1.3萬元/t。因此，廢砂漿中聚乙二醇價值為0.4550萬元。

碳化硅主要用于制作砂輪、砂紙、砂帶、油石、磨塊、磨頭、研磨膏及光伏產(chǎn)品中單晶硅、多晶硅和電子行業(yè)的壓電晶體等方面的研磨、拋光等。也可用做煉鋼的脫氧劑和鑄鐵組織的改良劑，或者可用做制造四氯化硅的原料，是硅樹脂工業(yè)的主要原料。每噸廢砂漿中含有33%碳化硅微粉，即330kg碳化硅，目前碳化硅市場價為1.5萬元/t。因此，廢砂漿中碳化硅價值為0.4950元/t。

將切割砂漿中高純硅粉、碳化硅和聚乙二提取出來，進(jìn)一步用于制備單晶硅或多晶硅原料，還可以解決高純度硅資源短缺問題，對于資源有效回收利用將是一個重要貢獻(xiàn)。

3 物理分離方法的應(yīng)用

廢砂漿中回用的主要可回用的是聚乙二醇、碳化硅和單晶硅。聚乙二醇又稱聚乙二醇醚，簡稱PEG，結(jié)構(gòu)式為HO（CH2CH2O）nH，根據(jù)分子量大小不同，可從無色透明粘稠液體（分子量200～700）到白色脂狀半固體（分子量1000～2000）直至堅(jiān)硬的蠟狀固體（分子量3000～20000），相對密度（20℃/20 ℃）1.12～1.15。廢砂漿中的聚乙二醇主要是分子量400的室溫下為無色透明的粘性液體，無味。易溶于水，溶于甲醇、乙醇、丙酮、醋酸乙酯、苯、甲苯、二氯乙烷、三氯乙烯等不溶于脂肪烴。聚乙二醇在正常條件下是很穩(wěn)定的，但在120 ℃或更高溫度下能與空氣中的氧發(fā)生氧化作用。加熱至300℃產(chǎn)生斷裂或熱裂解。聚乙二醇不揮發(fā)。碳化硅是一種人工合成的碳化物，分子式為SiC。碳化硅理論密度是3.18g/cm3，其莫氏硬度僅次于金剛石，在9.2～9.8之間，顯微硬度3300kg/mm3，具有高硬度、高耐磨性、高耐腐蝕性及較高的高溫強(qiáng)度等特點(diǎn)。

依據(jù)各成份的性質(zhì)，可先進(jìn)行固體和液體分離，再進(jìn)行液體提純分離。進(jìn)行固體和液體分離的主要方法有：離心分離法、旋流分離、浮選法、虹吸法、過濾法、分級法、篩分法、電極法、超聲法。液體提純分離的主要方法有：壓濾、膜過濾和蒸餾。

3.1 用于碳化硅微粉分離的方法

1）離心分離法。離心分離借助于離心力，使比重不同的物質(zhì)進(jìn)行分離的方法。由于離心機(jī)等設(shè)備可產(chǎn)生相當(dāng)高的角速度，使離心力遠(yuǎn)大于重力，于是溶液中的懸浮物便易于沉淀析出：又由于比重不同的物質(zhì)所受到的離心力不同，從而沉降速度不同，能使比重不同的物質(zhì)達(dá)到分離。目前生產(chǎn)廠家采用的設(shè)備有臥螺離心機(jī)，平板離心機(jī)，三足式離心機(jī)，主要用于聚乙二醇和碳化硅固液分離，以及碳化硅微粉中微小顆粒的分離，大約能將5μm以下的微粒分離。這3種分離設(shè)備有各自的特點(diǎn)，可互相配合使用。也可單一使用；

2）旋流分離法。漿液通過水壓力從旋流器內(nèi)壁外側(cè)切向進(jìn)入，在離心力的作用下，粗粒（重）度的固體顆粒旋轉(zhuǎn)向下，定量或不定量地從下部排渣口流出，而細(xì)粒（輕）度的固體顆粒（或清液）從溢流管內(nèi)向上流出。目前廠家采用的多為小直徑旋流分離器；

3）浮選法。固體顆粒自身表面具有疏水性或經(jīng)浮選藥劑作用產(chǎn)生或增強(qiáng)疏水性。疏水就是親油和親氣體，可在液，氣或水—油的界面發(fā)生聚集。本方法僅適用于特殊情況，以及單晶硅微粉的提純上，由于實(shí)際運(yùn)用教少，加之浮選劑的難找，故本文不加評述；

4）虹吸法。虹吸原理就是連通器的原理，加在密閉容器里液體上的壓強(qiáng)，處處都相等。而虹吸管里灌滿水，沒有氣，來水端水位高，出水口用手掌或其他物體封閉住。此時管內(nèi)壓強(qiáng)處處相等。一切安置好后，打開出水口，雖然兩邊的大氣壓相等，但是來水端的水位高，壓強(qiáng)大，推動來水不斷流出出水口。本方法主要在河南地區(qū)廣泛使用，也稱自然沉降法主要適用1200號碳化硅微粉。對于1500目以上的碳化硅微粉，出現(xiàn)沉降速度慢，生產(chǎn)周期長，硅料比較嚴(yán)重的問題；

5）過濾法。液體穿過濾紙上的小孔，而固態(tài)物質(zhì)留在濾紙上，從而使固體和液體分離。主要設(shè)備為壓濾機(jī)；

6）分級法。目前生產(chǎn)廠家使用的方法有水力分級和風(fēng)力分級。水力分級為最原始可靠的方法，原理簡單，便與控制與分級，但投資大，控制設(shè)備儀器尤其是分級錐斗角度，進(jìn)液口速度精度要求高。水力分級為最原始可靠的方法，原理簡單，便與控制與分級，但投資大，控制設(shè)備儀器精度要求高。雖然回用碳化硅微粉質(zhì)量不如水力分級的好，但風(fēng)力分級的碳化硅微粉也能滿足回用要求，并且投資小，故目前風(fēng)力分級為大多數(shù)廠商采用；

7）篩分法。主要使用超聲波微粉震動篩，可將500目以上的大顆粒雜質(zhì)及碳化硅微粉團(tuán)聚物篩除。

3.2 用于聚乙二醇分離的方法

1）電極法。通常所謂離子選擇電極，是指帶有敏感膜的、能對離子或分子態(tài)物質(zhì)有選擇性響應(yīng)的電極，使用此類電極的分析法屬于電化學(xué)分析中的電位分析法；

2）吸附法。目前回收廠家采用方法為活性碳或硅藻土吸附。以及離子交換吸附；

3）膜過濾法。膜過濾是一種與膜孔徑大小相關(guān)的篩分過程，以膜兩側(cè)的壓力差為驅(qū)動力，以膜為過濾介質(zhì)，在一定的壓力下，當(dāng)原液流過膜表面時，膜表面密布的許多細(xì)小的微孔只允許水及小分子物質(zhì)通過而成為透過液，而原液中體積大于膜表面微孔徑的物質(zhì)則被截留在膜的進(jìn)液側(cè)，成為濃縮液，因而實(shí)現(xiàn)對原液的分離和濃縮的目的。在廢砂漿回收利用中，主要用于去除聚乙二醇中的微量雜質(zhì)及懸浮物；

4）蒸餾法。利用液體混合物中各組分揮發(fā)度的差別，使液體混合物部分汽化并隨之使蒸汽部分冷凝，從而實(shí)現(xiàn)其所含組分的分離。是一種屬于傳質(zhì)分離的單元操作。目前在廢砂漿回收中主要采用了單效及多效薄膜蒸發(fā)。

4 分離方法的展望

自2007年以來，全國先后出現(xiàn)了許多廢砂漿回收企業(yè)，使得廢砂漿回收技術(shù)不斷改進(jìn)，不斷完善；但全國回收企業(yè)技術(shù)參差不齊，仍存在許多問題，尤其是其中硅微粉的提純?nèi)蕴幱谘邪l(fā)階段；污水處理回收企業(yè)仍等待著更加完善和好的物理分離提純方法出現(xiàn)；總之幾年來在硅片切割廢砂漿的回收利用方面物理分離提純方法得到了長足的進(jìn)步，但仍需廣大有識之士不斷的改革創(chuàng)新，為其資源回收利用，循環(huán)經(jīng)濟(jì)做出進(jìn)一步的貢獻(xiàn)。