高纯度二氧化硅的生产方法技术

本发明专利技术公开了一种高纯度二氧化硅的生产方法，其步骤包含：A)制备先导物，以化学合成方法制备含氟硅酸盐官能基的含硅氟化物作为先导物；B)纯化先导物，将步骤A)制备的先导物利用纯化手段以去除元素周期表中的III、V族离子杂质，从而得到纯化先导物，该纯化先导物中：硼与磷含量介于1ppm至1ppb之间，过渡金属含量介于1ppm至1ppb之间；更优选，硼与磷含量介于10ppb至1ppb之间；C)以还原剂水解还原先导物制造二氧化硅产品，将依步骤B)纯化分析而得的纯化先导物，以高纯度氨气为还原剂，藉由水解反应还原纯化先导物中的硅，并得到高纯度二氧化硅成品。本技术方案生产的二氧化纯度质量硅高，并且环保低污染、低生产成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于化工生产
，尤其涉及一种制备高纯度商业质量二氧化硅产品的生产方法。
技术介绍
高纯度二氧化硅(或称为高纯度石英玻璃)是社会经济发展急需的产品，是当今世界电子工业、光电子工业和能源转换技术(如太阳能电池等)不可缺少的重要基础材料。 石英玻璃是应用日益广泛的高新技术材料，如半导体工业用石英玻璃坩埚、新型电光源用石英玻璃玻壳、光通讯用石英逛到纤维、宇航工业用耐辐射照石英玻璃、高温环境下用耐高温低膨胀石英玻璃等。石英玻璃已成为近代科学技术和现代工业不可或缺的重要材料。这些材料虽然重要，但目前它们的产量都很低，远远不能满足需求。我国高纯二氧化硅材料产量更少，根本无法满足日益增长的需求，为了保证科技产业的发展，我国每年从国外进口大量原材料，材料的奇缺，已影响了电子工业的发展，成为发展的瓶颈。石英玻璃的传统生产方法有两大类一类用天然二氧化硅粉料，在氢氧火焰或电的高温下，烧结为石英玻璃；另一类以提纯的四氯化硅为原料，在氢氧火焰的高温下，与氧发生化学反应，生成石英玻璃。前者因使用的原料不同，又可分两种一种以天然的水晶(二氧化硅的结晶体)为原料，经粉碎处理后，在氢氧火焰或电的高温下，烧结为石英玻璃；另一类是以纯净的二氧化硅石粉为原料。上述这两种方法，因受石英粉料中杂质的影响，生产的石英玻璃质量受到限制，其纯度不易提高。后者是以四氯化硅与氧气发生化学反应而生成石英玻璃的，因此，又被称为人造合成石英玻璃(简称为合成石英玻璃)。由于合成石英玻璃的原料可以西门子法进行物理提纯，杂质浓度很容易可以控制在10_6数量级(6N)，甚至10_9数量级(9N)，但是生产成本极高，过程污染大。伴随着国内电子工业、IT产业以及家电、电光源对于石英玻璃的需求量的不断增加，相应的对于超纯二氧化硅的需求量也在逐年增加，预计石英玻璃的年增长率是30%左右。2007年我国大陆高纯石英砂的销售额是10亿元人民币，台湾石英制品销售额为22亿元人民币，日本是30亿元人民币。硅材料是大规模集成电路的基础材料，未来5年是中国集成电路产业发展的机遇之年，据估计到2015年集成电路市场的需求额大约为6000亿元人民币。2006年以来我国对超纯石英砂的需求量已达2万吨以上。由于研究开发不够，我国高纯精细石英砂长期依赖从美国进口，每年需要花费16亿元人民币即超过近3亿美元进高纯度二氧化硅除了是制造应用日益广泛的高新技术材料石英玻璃的原料，也是半导体工业及太阳能电池产业中最重要的基础原料，特别是在未来尚未有材料取代，以及原油能源逐渐短缺及原油价格飙涨，替代能源急迫取代原油能源之趋势下，全球产业对二氧化硅原料之依赖与日俱增，但习知高纯度二氧化硅原料无法由自然界中取得，必需经由4复杂、高成本及高污染之制程产生，使高纯度二氧化硅原料之成本偏高，并有供不应求之现象，且价格亦随原油价格上涨，对于半导体工业与太阳能电池产业之发展前景造成瓶颈与限制。中国是低档二氧化硅(石英砂)的生产大国，但质地不均勻，矿物杂质和工艺过程中的混杂物质不能去除，导致超纯石英砂生产批量小，质量不稳定。中国专利公开号 CN1276341A曾揭示一种以氟硅酸钠为原料利用氨解与氧化硅晶种生产白炭黑的方法，所生产的非晶态白炭黑仍然存在约1.64%的各类杂质；中国专利公开号CN1363511A与公开号 CN101139094A分别揭示以氟硅酸钠及氟硅酸经氨化水解制取高比表面积白炭黑的生产方法，但是所生产白炭黑标准二氧化硅含量远低于99. 99%的水平，多年的努力说明，我国尚未解决提纯超高纯度二氧化硅的技术瓶颈。因此，一方面是高新技术对石英玻璃的需求量越来越大，需求条件越来越高，另一方面则是生产超高纯石英玻璃原料提纯技术面临着严重短腿的掣肘，迫切地需要一种能够生产与IOTA标准二氧化硅含量为99. 9992%产品纯度且性质稳定的生产技术。
技术实现思路
为了解决上述的技术问题，本专利技术的目的是提供一种利用先导物氨解还原制造高纯度二氧化硅的方法，较佳方法为以含氟硅酸盐官能基(Fluosilicate FunctionalGroup) 的先导物经重复溶解、结晶，热解以去除元素周期表中III、V族与过渡金属杂质，纯化先导物并再以氨水解还原，以得到高纯度二氧化硅产物之制备方法。为了达到上述的目的，本专利技术采用了以下的技术方案，其步骤包含A)制备先导物，以化学合成方法制备含氟硅酸盐官能基的含硅氟化物作为先导物；B)纯化先导物，将步骤A)制备的先导物利用纯化手段以去除元素周期表中的 III、V族离子杂质，从而得到纯化先导物，该纯化先导物中硼与磷含量介于Ippm至Ippb 之间，过渡金属含量介于Ippm至Ippb之间；更优选，硼与磷含量介于IOppb至Ippb之间；C)以还原剂水解还原先导物制造二氧化硅产品，将依步骤B)纯化分析而得的纯化先导物，以高纯度氨气为还原剂，藉由水解反应还原纯化先导物中的硅，并得到高纯度二氧化硅成品。上述高纯度二氧化硅是指产品纯度为99. 9992%以上的二氧化硅；上述高纯度氨气是指纯度为99. 99%以上的氨气。作为优选，所述步骤B)的纯化手段为过滤、再结晶、离子交换树脂；或者，所述步骤B)的纯化手段为过滤、再结晶、升华。作为优选，所述步骤A)制备的先导物为氟硅酸铵、氟硅酸钠或者氟硅酸氢氧氨盐 ο优选氟硅酸铵作为先导物，则所述步骤A)包含Al)溶解加热搅拌，以配备冷凝器与搅拌器之铁氟龙烧瓶为反应器，在该反应器中加入二氧化硅反应物和氟化氨饱和水溶液，反应器置于摄氏60-150度砂浴中进行加热并维持搅拌，在此过程中所产生之氨气则收集至收集瓶中；A2)过滤沉淀得到结晶物，将步骤Al)中反应器持续反应1-5小时后，将反应器内浆料与沸水混合，混合后再加以过滤，该滤液降温至摄氏20度以下，可以得到白色结晶沉淀物；A3)过滤干燥得到先导物，将步骤似)得到的白色结晶沉淀物进行过滤及干燥，即得到高纯度氟硅酸铵先导物。优选氟硅酸氢氧氨盐作为先导物，则所述步骤A)包含Al)溶解加热搅拌，以配备冷凝器与搅拌器之铁氟龙烧瓶为反应器，在该反应器中加入二氧化硅反应物、羟基胺和氢氟酸饱和水溶液，反应器置于摄氏60-150度砂浴中进行加热并维持搅拌，在此过程中所产生之氨气则收集至收集瓶中；A2)过滤沉淀得到结晶物，将步骤Al)中反应器持续反应1-5小时后，将反应器内浆料与沸水混合，混合后再加以过滤，该滤液降温至摄氏20度以下，可以得到白色结晶沉淀物；A3)过滤干燥得到先导物，将步骤⑵该得到的白色结晶沉淀物进行过滤及干燥， 即得到高纯度氟硅酸氢氧氨盐先导物。优选采用重复过滤、再结晶、离子交换树脂等纯化手段，则步骤B)包含Bi)先导物溶化加压过滤，将步骤A)制备之先导物，以比例为500公克的先导物加入溶化于1. 5公升的半导体等级纯水中，维持摄氏70-90度温度持续搅拌30-60分钟，以 0. 5微米的高压液相层析法等级过滤膜加以加压过滤；B2)减压及蒸馏处理，将步骤Bi)所得之滤液，在摄氏60-90度温度条件下，减压、 蒸馏至800-500毫升体积，再降温至摄氏50-40度以下，得到先导物初步纯化之结晶物；B3)干燥处理，将上述步骤B2)得到之先导物结晶物过滤后，再于摄氏80度温度条件下进行干燥处理；B4)再重复多次本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．高纯度二氧化硅的生产方法，其步骤包含：Ａ）制备先导物，以化学合成方法制备含氟硅酸盐官能基的含硅氟化物作为先导物；Ｂ）纯化先导物，将步骤Ａ）制备的先导物利用纯化手段以去除元素周期表中的ＩＩＩ、Ｖ族离子杂质，从而得到纯化先导物，该纯化先导物中：硼与磷含量介于１ｐｐｍ至１ｐｐｂ之间，过渡金属含量介于１ｐｐｍ至１ｐｐｂ之间；Ｃ）以还原剂水解还原先导物制造二氧化硅产品，将依步骤Ｂ）纯化分析而得的纯化先导物，以高纯度氨气为还原剂，藉由水解反应还原纯化先导物中的硅，并得到高纯度二氧化硅成品。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴以舜，
申请(专利权)人：浙江矽昶绿能源有限公司，
类型：发明
国别省市：86