电子级高纯石英的制备.ppt

目录 背景 设计方案 结束语 背景 二氧化硅又称硅石 化学式SiO2 自然界中存在有结晶二氧化硅和无定形二氧化硅两种 结晶二氧化硅因晶体结构不同 分为石英 鳞石英和方石英三种 纯石英为无色晶体 大而透明棱柱状的石英叫水晶 若含有微量杂质的水晶带有不同颜色 有紫水晶 茶晶 墨晶等 普通的砂是细小的石英晶体 有黄砂 较多的铁杂质 和白砂 杂质少 较纯净 SiO2为白色或无色 含铁量较高的是淡黄色 它是无定型粉末 无味 不溶于水或酸 成化学惰性 可用于抗结剂 悬混剂 消泡剂 载体 增稠剂 麦精饮料 果酒 酱油 醋 清凉饮料等助滤剂 澄清剂 香精香料吸附干燥剂 最重要的是在微电子 光电等行业有着广泛的应用 SiCl4 多晶硅生产废物中以四氯化硅为主 约96 其余为三氯氢硅 二氯二氢硅等 而四氯化硅是一种具有强腐蚀性的有毒有害液体 遇潮湿空气即分解成硅酸和剧毒气体氯化氢 对人眼 皮肤 呼吸道有强刺激性 遇火星会爆炸 用于倾倒或掩埋四氯化硅的土地将变成不毛之地 草和树都不会在这里生长 这种废物 不仅毒性大 而且产量高 每生产1单位的多晶硅产品会产生约14单位的四氯化硅 预计我国2010年多晶硅企业产生四氯化硅副产物量将超过50万吨 方案设计 1 主要试剂及仪器 2 制备原理 3 工艺流程图 4 SiCl4的水解 5 含杂质H4SiO4的提纯 6 超纯SiO2的制备 1 主要试剂及仪器 光伏多晶硅生产废物 96 四氯化硅 其余为三氯氢硅 二氯二氢硅等 NaOH 减水剂 PHS 3C型精密PH计 去离子水 自制 2 制备原理 SiCl4 H2O H4SiO4 HClH4SiO4 H2SiO3 H2OH2SiO3 SiO2 H2O 白炭黑普通型 粉状 白炭黑环保型 颗粒型 白炭黑高分散型 几种常见的多晶硅 3 工艺流程图 9 SiCl4 含杂原料 水解 H4SiO4 胶体 HCl 盐酸 过滤 H2SiO3胶体 含杂质 Fe Al HCl 碱洗NaOH Na2SiO3 过滤 取滤液 Na2SiO3溶液 含 NaOH NaCl Hcl 酸洗 H4SiO4 含 NaCl 强力搅拌 纯H2SiO3 回到第三步 进一步提纯可重复2 3次 4 SiCl4的水解 在结构上 四氯化硅和三氯氢硅 二氯二氢硅一样 分子中Si硅原子均以sp3杂化成键 分子呈稳定的四面体结构 但Si硅原子具有3d空轨道 容易接受 OH形成稳定的sp3d杂化五配位中间体 生成的产物正硅酸不溶解于水 故四氯化硅极易水解 水解得H4SiO4胶体和HCl 4 1水解温度控制 图1水解温度与HCl排放浓度关系 四氯化硅等在水解时放出大量的热 由于温度升高 会造成溶解于水中的氯化氢气体挥发出来 造成环境污染 经过实验 得图1所示的水解温度与HCl排放浓度关系 从中可以看出 当水解温度 44 时 超过最高允许排放浓度为2 3mg m3 因此 水解温度控制在40 以下所挥发出来的氯化氢不会对环境造成污染 4 2水解水量控制 倍数 水与多晶硅生产副产物质量比 图2水解加入水量与HCl排放浓度关系 四氯化硅等在水解时如果生成氯化氢浓度太高 容易挥发出来 加上水解本身也要消耗一部分水 经过实验 得图2所示的水解加入水量与HCl排放浓度关系 从中可以看出 当水解加入水量 9 5倍时 空气中HCl浓度低于最高允许排放2 3mg m3 如果加入水量太大 盐酸浓度太小 则后续处理能耗达大 因此 多晶硅生产副产物与水的质量比为1 10 12倍为宜 4 3水解程度控制 四氯化硅等在水解时生成不溶于水的正硅酸和能溶于水的盐酸 而生成的正硅酸颗粒极小 如果正硅酸生成太少 容易形成溶胶 过滤时留在滤液中 太多则易生成凝胶 极难过滤 为使分离易于进行 控制水解溶液的PH值 使正硅酸颗粒能大部分形成沉淀 经过实验 得结果表1 表1PH值与分离难易的关系 由表1可以看出 当水解溶液PH 2 5时 由于正硅酸以透明的溶胶状态存在 正硅酸与盐酸不能分离 当水解溶液PH 2时 由于正硅酸以凝胶状态存在 正硅酸与盐酸不能分离 当水解溶液PH 2 2 5时 由于绝大部分正硅酸能生成沉淀 最利于正硅酸与盐酸的分离 因此水解溶液的PH值控制在2 2 5间 5 含杂质H4SiO4的提纯 实验原料SiCl4是由四川峨眉半导体材料厂提供 经检测上述过程得到的H4SiO4中往往含有铁离子 铜离子 Ti和Cr等重金属 通常用水洗 酸浸 碱除等工艺出去这些杂质 对Ti和Cr等重金属的去除采用碱除 首先在H4SO4沉淀中加入过量的NaOH使沉淀完全溶解 使铜 铁离子尽可能多的释放出来 然后再对溶液进行过滤 取其滤液 此时滤液中主要含有Na2SiO3 NaOH NaCl 其中NaOH NaCl属于杂质 所以再往滤液中加入HCl酸洗 将Na2SiO3重新转换成H4SO4 过滤取沉淀 由于沉淀属于溶胶 其中的水分含量较多 且水中溶有HCl 所以要通过搅拌破坏溶胶的网状结构 脱掉其中的水分 此时加减水剂可以更加充分的破坏网状结构 最后因为要得到电子级别的高纯度的SiO2 H4SO4的纯度要求就必须很高 所以以上过程多次重复 以便得到符合要求的高纯石英 图3PH对铜 铁去除率的影响 图4PH对铁沉淀率的影响 图5Na2S用量对铜铁去除率的影响 6 超纯SiO2的制备 将得到的纯净的H4SiO4自然干燥得到H2SiO3 然后在200 300 下烘干H2SiO3 从而制的超纯SiO2 最后将SiO2进行测试 结束语 二氧化硅是太阳能产业最重要的原材料 由于光电转化效率高 制造门槛相对较低 技术装备较成熟 晶体硅电池占据了