一种利用有机-无机混合介质分离砂浆切割废料制备硅和碳化硅的方法技术

本发明专利技术提供了一种分离砂浆切割废料制备硅和碳化硅的方法。所述方法包括以下步骤：1)向砂浆切割废料中加入酸和分散剂的混合溶剂进行界面改性，固液分离，得到改性后的颗粒；2)将步骤1)得到的所述改性后的颗粒用水打浆并加入分散剂分散，得到分散浆料；3)向步骤2)得到的分散浆料中加入有机‑无机混合介质，混合，分相并将各相分离，得到水相，以及有机‑无机混合相；4)将步骤3)得到所述水相，以及有机‑无机混合相分别进行固液分离，从水相中分离出硅粉固体，从有机‑无机混合相中分离出碳化硅粉固体。本发明专利技术的方法操作简单，分离效果好，过程能耗低，所得硅和碳化硅纯度高且收率高，有机介质可回收。

【技术实现步骤摘要】
一种利用有机-无机混合介质分离砂浆切割废料制备硅和碳化硅的方法
本专利技术属于废物回收领域，涉及一种利用有机-无机混合介质分离砂浆切割废料制备硅和碳化硅的方法。
技术介绍
随着煤炭、石油等不可再生能源日益枯竭，可再生能源近年来迅速发展，其中，太阳能为最重要的可再生能源，晶体硅作为最重要的光电材料，其战略资源地位日益明显。用晶体硅制备太阳能电池时，需要将晶体硅铸锭、然后切割成硅片。目前硅片切割主要采用砂浆切割和金刚线切割两种方式，切片过程中会产生大量晶硅切割废料。其中砂浆切割主要采用由碳化硅微粉和聚乙二醇组成的砂浆进行钢线切割，切割过程中约有40％～50％的晶体硅进入砂浆切割废料中。砂浆切割废料中具有回收价值的有硅粉、聚乙二醇和碳化硅，目前从砂浆切割废料中回收聚乙二醇和8微米以上粗碳化硅的技术已经成熟，国内有多家企业可以实现砂浆切割废料的再生。然而，由于砂浆再生尾料中含有大量与硅粉粒度相近的碳化硅粉，且碳化硅的化学性质比硅稳定，因此从砂浆再生尾料中分离碳化硅非常困难。但值得注意的是切割废料中的硅粉与碳化硅硅粉纯度高、粒度细，潜在利用价值高。进入21世纪，太阳能产业进入了高速发展时期，2015年，中国光伏发电累计装机容量已达4318万千瓦，到2020年，我国光伏发电装机容量将达1.6亿千瓦。因此可以预见，随着晶硅切割废料产量的急剧增加，高效分离切割废料中的硅和碳化硅具将有巨大的经济效益。近年来，国内外对从砂浆再生尾料中分离碳化硅已做了一些研究，以下相关专利对从砂浆再生尾料中分离碳化硅进行了报道：专利CN201110041395.6报道了一种通过电泳方法分离砂浆再生尾料中的硅与碳化硅的装置。该方法利用硅和碳化硅等电点的不同，在电场环境下控制硅粉和碳化硅粉在重液悬浮液中上浮或下沉，并在电泳槽尾部不同区域收集硅粉和碳化硅粉。由于硅和碳化硅表面等电点接近，因此该专利报道的方法操作窗口非常狭窄，难以工业化实施。专利CN201210060027.0报道一种通过泡沫浮选方法分离砂浆再生尾料中的硅与碳化硅，其中采用脂类非离子型捕收剂、采用十二烷基硫酸钠或十二烷基苯磺酸钠为起泡剂。由于硅粉粒度太细，因此分离过程中泡沫夹带现象严重，分离效果一般，得到的硅粉纯度仅为90％左右。专利TW1392647B1报道一种通过相分离的方法分离砂浆再生尾料中的硅与碳化硅，该方法利用碳化硅粉的疏水性和硅粉的亲水性，利用油水混合物和砂浆再生尾料充分接触后，硅粉进入水相、碳化硅粉进入油相而得以分离硅和碳化硅。然而，由于采用的油相为常规介质，油相分散度低，因此在分离过程中需要消耗很大的机械能将油相分散，并且得到的产品纯度低，且收率不高。因此，在本领域中，开发分离砂浆切割废料制备高纯硅和高纯碳化硅的方法还有极大的研究空间。
技术实现思路
针对现有技术中存在的上述问题，本专利技术的目的在于提供一种分离砂浆切割废料制备硅和碳化硅的方法，以解决现有技术中存在的晶硅砂浆切割废料中硅/碳化硅的分离效果差、收率低以及分离成本高等问题。本专利技术提供的方法操作容易，可以低成本从砂浆切割废料中回收高纯硅粉和高纯碳化硅粉。为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术提供一种分离砂浆切割废料制备硅和碳化硅的方法，所述方法包括以下步骤：(1)向砂浆切割废料中加入酸和分散剂的混合溶剂进行界面改性，固液分离，得到改性后的颗粒；(2)将步骤(1)得到的所述改性后的颗粒用水打浆并加入分散剂分散，得到分散浆料；(3)向步骤(2)得到的分散浆料中加入有机-无机混合介质，混合，分相并将各相分离，得到水相，以及有机-无机混合相；(4)将步骤(3)得到所述水相，以及有机-无机混合相分别进行固液分离，从水相中分离出硅粉固体，从有机-无机混合相中分离出碳化硅粉固体。本专利技术中，步骤(1)对砂浆切割废料的改性、步骤(2)对改性后的颗粒用水打浆并加入分散剂进行分散，步骤(3)中加入有机-无机混合介质与浆料混合，这三个步骤具有相互配合协同作用，共同使得本专利技术的方法得到的硅和碳化硅纯度高，收率高，且制备过程能耗低。具体来说，步骤(1)对砂浆切割废料的改性，可以使硅的接触角和碳化硅的接触角差别变大。如果不进行步骤(1)的界面改性操作，硅和碳化硅的接触角相近，很难将它们互相分离开，会降低本专利技术方法的选择性。步骤(2)对改性后的颗粒用水打浆并加入分散剂进行分散可以使得硅和碳化硅颗粒在水中良好分散，形成分散浆料，有利于后续操作中分离效果的提升，如果不进行打浆或者不加入分散剂，容易导致颗粒团聚，影响最终硅和碳化硅的收率以及纯度。步骤(3)中加入有机-无机混合介质与浆料混合，有机-无机混合介质处于乳化状态，是一个整体，在这一乳化体系中，分散相的液滴尺寸非常小，这对于提高硅和碳化硅的分离效果有很大帮助，且在后续处理过程中用于混合所需的能耗较小，如果不使用乳化的有机-无机混合介质而只使用有机介质，会使得后续过程中的能耗更高且分离效果出现下降。正是上述这些操作的综合作用，使得本专利技术的分离效果良好，收率高，且直接可得到高纯硅，得到的碳化硅经过简单的碱洗即为高纯碳化硅。此外本专利技术中，有机-无机混合介质是一种乳液，在与分散浆料混合之后会与浆料中的水分相，形成水相和有机-无机混合相，经过固液分离取出碳化硅之后，该有机-无机混合相中的有机介质可以在固液分离后进过破乳回收。以下作为本专利技术优选的技术方案，但不作为对本专利技术提供的技术方案的限制，通过以下优选的技术方案，可以更好的达到和实现本专利技术的技术目的和有益效果。作为本专利技术优选的技术方案，步骤(3)中，所述有机-无机混合介质为水包油(O/W)型乳化体系或油包水(W/O)型乳化体系。优选地，所述有机-无机混合介质中，分散相的尺寸为10μm-2000μm，例如10μm、50μm、100μm、500μm、1000μm、1500μm或2000μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。这里，分散相的尺寸限定在微米级，有利于提升后续对硅和碳化硅的分离效果，提升其纯度和收率。这里，如果分散相尺寸小于10μm，会导致油水分相困难；如果分散相尺寸大于1000μm，会导致碳化硅去除率低。作为本专利技术优选的技术方案，步骤(1)中，所述砂浆切割废料在加入酸和分散剂的混合溶剂进行界面改性前进行步骤(1’)：将其中大于8μm的颗粒分离出去。分离出大于8μm的颗粒后，剩余颗粒为不超过8μm的超细颗粒。优选地，所述分离的方法为离心、旋流或沉降中的任意一种或至少两种的组合。作为本专利技术优选的技术方案，步骤(1)中，所述酸为氢氟酸、醋酸、盐酸、硫酸或磷酸中的任意一种或至少两种的组合，典型但是非限制性的组合有：氢氟酸和醋酸的组合，盐酸和硫酸的组合，硫酸和磷酸的组合，氢氟酸、醋酸和盐酸的组合等。优选地，步骤(1)中，所述酸的质量分数为5wt％-40wt％，例如5wt％、10wt％、20wt％、30wt％或40wt％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为10wt％-20wt％；优选地，步骤(1)中，分散剂质量为酸溶液质量的0.01％-0.5％；例如0.01％、0.05％、0.1％、0.2％、0.3％、0.4％或0.5％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种分离砂浆切割废料制备硅和碳化硅的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)向砂浆切割废料中加入酸和分散剂的混合溶剂进行界面改性，固液分离，得到改性后的颗粒；(2)将步骤(1)得到的所述改性后的颗粒用水打浆并加入分散剂分散，得到分散浆料；(3)向步骤(2)得到的分散浆料中加入有机‑无机混合介质，混合，分相并将各相分离，得到水相，以及有机‑无机混合相；(4)将步骤(3)得到所述水相，以及有机‑无机混合相分别进行固液分离，从水相中分离出硅粉固体，从有机‑无机混合相中分离出碳化硅粉固体。

【技术特征摘要】
1.一种分离砂浆切割废料制备硅和碳化硅的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)向砂浆切割废料中加入酸和分散剂的混合溶剂进行界面改性，固液分离，得到改性后的颗粒；(2)将步骤(1)得到的所述改性后的颗粒用水打浆并加入分散剂分散，得到分散浆料；(3)向步骤(2)得到的分散浆料中加入有机-无机混合介质，混合，分相并将各相分离，得到水相，以及有机-无机混合相；(4)将步骤(3)得到所述水相，以及有机-无机混合相分别进行固液分离，从水相中分离出硅粉固体，从有机-无机混合相中分离出碳化硅粉固体。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述有机-无机混合介质为水包油O/W型乳化体系或油包水W/O型乳化体系；优选地，所述有机-无机混合介质中，分散相的尺寸为10μm-2000μm。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述砂浆切割废料在加入酸和分散剂的混合溶剂进行界面改性前进行步骤(1’)：将其中大于8μm的颗粒分离出去；优选地，所述分离的方法为离心、旋流或沉降中的任意一种或至少两种的组合。4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述酸为氢氟酸、醋酸、盐酸、硫酸或磷酸中的任意一种或至少两种的组合；优选地，步骤(1)中，所述酸的质量分数为5wt％-40wt％，优选为10wt％-20wt％；优选地，步骤(1)中，所述分散剂在液相中的质量百分数为0.01％-0.5％；优选地，步骤(1)中，所述界面改性的方法为：进行加热搅拌；优选地，所述加热搅拌的温度为50℃-70℃，优选为65℃；优选地，所述加热搅拌的搅拌速度为150r/min-250r/min，优选为200r/min；优选地，所述加热搅拌的搅拌时间为0.5h-4h，优选为2h。5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，还包括：在固液分离后对得到的所述改性后的颗粒进行洗涤。6.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述分散浆料浓度为1kg/100L-30kg/100L；优选地，步骤(2)中，所述分散浆料的pH值为1-9，优选为5-7；优选地，步骤(1)和步骤(2)中，所述分散剂独立地为聚乙二醇、六偏磷酸钠、焦磷酸钠、聚丙烯酸钠、乙醇、聚氧乙烯脱水山梨醇单油酸酯或乙二醇中的任意一种或至少两种的组合。7.根据权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述有机-无机混合介质与分散浆料的体积比为1:10-2:1，优选为1:5-2:5；优选地，所述有机-无机混合介质中，有机物的质量分数为20wt％-98...

【专利技术属性】
技术研发人员：王志，王东，王占奎，钱国余，
申请(专利权)人：中国科学院过程工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11