硅片切割废液的成分分析与分离研究

太阳能具有取之不尽、清洁环保和安全可靠等各方面独特优势，且可以传统能源燃烧所带来的污染，成为解决能源危机的新能源[1]。太阳能电池硅片在加工过程中约有50%的高纯硅料成为锯屑进入太阳能硅片切割液中。不仅造成硅的大量损失，还造成切割液变质[2]。由于太阳能工业对硅片表面切割有很高的技术和质量要求，所以切割液的损耗极大[3]。废砂浆在自然界中不易降解，如不经过特殊处理，会造成环境污染[4]，目前国内聚乙二醇( PEG) 的回收价分别是10元/kg， 碳化硅的回收价分别是17元/kg[5]，高纯硅的价值远远高于以上两种物质。因此测定废砂浆中各成分的含量，并对其进行分离是十分必要的。

1 实验部分

1.1 主要试剂及仪器

试剂：废砂浆，活性炭，阴阳离子交换树脂，工业级；氢氟酸，盐酸，硝酸，硫酸锌，氢氧化钠，无水乙醇， 分析纯

仪器：离心机，旋转蒸发器，真空泵，阿贝折光仪，红外色谱仪，粘度计。

1.2 固液分离

取质量为M g的废砂浆，置于烧杯中，加入体积为VmL的溶剂，在常温下搅拌30 min,使废砂浆中的液体物质充分溶于溶剂中，然后进行过滤，收集滤液和滤饼，并称重，滤液质量为m1，滤饼质量为m2。

1.3 滤液成分分析及含量测定

将滤液置于250 mL烧杯中，加入适量活性炭脱色，温度控制75 ℃，脱色时间1 h，过滤。滤液进行减压蒸馏，去除溶剂得到无色透明液体，最后依次进入阴阳离子交换树脂柱，流速控制在2 mL/min，同时每隔10 min取液测PH,收集过柱子后的液体，称重，运用红外光谱分析仪进行结构分析，并测定其pH值，粘度，折光率和电导率，并与配制新鲜切割液的聚乙二醇相关性质作比较。

1.4 滤饼成分分析及含量测定

1.4.1 铁及不锈钢杂质含量的测定

取质量为m3的滤饼，置于250 mL的烧杯中，加入浓度为2.5 mol/L的盐酸100 mL(液固比为10∶1),在温度为40 ℃下搅拌反应1 h。过滤，用水洗至中性。干燥称重，记为m4，则铁及不锈钢杂质的质量为：m3- m4。

1.4.2 碳化硅含量测定

a..酸法测定

取5 g除去金属杂质后的固体混合物，置于250 mL的烧杯中，加入浓度为4 mol/L的氢氟酸和浓度为2 mol/L的硝酸混合液共50 mL,常温下搅拌约70 min,过滤，洗涤滤饼至中性。滤饼干燥后称重为m5，则碳化硅质量为5- m5。

b.碱法测定

取2g干燥后的硅和碳化硅的混合物，置于250 mL的烧杯中，加入质量分数为3%的氢氧化钠溶液20mL，搅拌2h，过滤，洗涤至中性。干燥后称重记为m6,碳化硅的质量为2- m6。

1.4.3 硅含量的测定

滤饼的总质量减去金属质量和碳化硅质量之和。

1.5 滤饼中硅和碳化硅的分离

1.5.1 重力浮选

试验中采用的浮选溶液为硫酸锌(七水合)的水溶液，配置密度为2.75g/cm3硫酸锌溶液。取2g干燥后的硅和碳化硅的混合物与硫酸锌水溶液在烧杯中搅拌混匀后倒入量筒中，很快看到密度较大的碳化硅缓慢向底部沉积，量筒中出现明显液体分层，共上中下三层。

1.5.2 离心分离

取2g干燥后的硅和碳化硅的混合物与密度为2.75g/cm3硫酸锌水溶液在烧杯中搅拌混匀后，将混合液倒入离心管中，两支离心管要一样重，保持平衡，将其对称放入离心机。定时10分钟，转速为3000r/min。离心结束后，分区现象十分明显，液体在上层，离心管壁上是硅，离心管底部是碳化硅，将硅和碳化硅取出来，就可得到纯度较高的硅与碳化硅，并进行红外谱图的分析。

2 结果与讨论

2.1 固液分离实验结果与分析

2.1.1 溶剂种类的影响

溶剂不同，废砂浆中液体溶解效果见表1。

表1 不同溶剂的溶解效果
Table 1 dissolution effect of different solvents

乙醇是良好的有机溶剂，废砂浆中的液体溶于水，也溶于乙醇有机溶剂，通过溶解效果的测定结果可知，乙醇的溶解效果要大于水的溶解效果，但相差不是很大，考虑到工业上的实际应用，水更环保且便宜易得，成本低，所以最终选用水作为废砂浆的溶剂。

2.1.2 溶解时间的影响

常温下，水做溶剂，考察了溶解时间对溶解效果的影响，结果见表2。

表2 溶解时间对溶解效果的影响
Table 3 Effect of dissolution time on dissolving effect

由表2可知，随溶解时间的增加，滤饼收率逐渐增加，但大于30min后增加不明显，综合考虑，溶解时间为30min。

2.1.3 溶解温度的影响

溶解时间为30min，水为溶剂，测量不同的温度条件下，滤饼的收率，结果见表3。

表3 溶解温度对溶解效果的影响
Table 3 Effect of dissolution temperature on dissolving effect

由表3可知，随溶解温度的增加，滤饼收率未见明显变化，因此溶解温度常温即可。

2.2 滤液成分分析及含量测定结果

2.2.1 滤液成分分析结果

经分析测试，滤液中的成分有聚乙二醇，水，色素及其它金属离子。分离后的聚乙二醇的相关测定数据见表4。

废砂浆中提纯得到的聚乙二醇的红外图谱如图1，图1中3313cm-1为OH伸缩振动吸收峰，2876 cm-1为-CH2-对称伸缩振动吸收峰，1465 cm-1为-CH2-弯曲振动吸收峰，1378 cm-1为-CH3-对称变形振动吸收峰，1248 cm-1为-C-O-C-不对称伸缩振动吸收峰，1113 cm-1为-C-O-C-对称伸缩振动吸收峰，949 cm-1为-C-O-C-面内变形振动吸收峰，844 cm-1为-CH2-CH2-O-面内变形吸收峰。在1700～1750 cm-1和2720 cm-1 波段没有出现吸收峰，说明在回收过程中，聚乙二醇中的羟基没有被氧化成醛基。

表4 分离后的聚乙二醇的性质
Table 4 Properties of PEG after separation

图1 聚乙二醇的红外图
Fig.1 infrared map of polyethylene glycol

2.2.2 聚乙二醇的含量测定结果

聚乙二醇的含量测定结果见表5。

表5 聚乙二醇含量
Table 5 Polyethylene glycol content

表5(续)

2.3 硅和碳化硅的含量测定结果

硅和碳化硅的含量测定结果见表6。

表6 碳化硅的含量
Table 6 The content of silicon carbide

由表6可知，碱法除硅更彻底，测定结果更准确。

2.4 重力浮选结果

图2 重力浮选图
Fig.2 gravity flotation diagram

上层是硅，中层是硫酸锌溶液，下层是碳化硅，但出现分层所需时间较长，且中间溶液不是透明澄清，由此可知重力浮选法分离较慢，且不完全。

2.5 离心分离结果

图3 离心分离图
Fig.2 centrifuge diagram

离心管管壁上固体是硅，底部周围固体是碳化硅，硫酸锌溶液透明澄清。此法分离速度较快且分离完全。

3 结论

(1) 经测定，废砂浆的成分组成是：聚乙二醇55.9%、硅11.1%、碳化硅9.0%、水13.1%和铁及其他金属10.9%。碱法测定结果更准确。

(2)测定了分离后的聚乙二醇的pH值、折光率、电导率与新鲜切割液中的聚乙二醇相关性质作比较，基本相同，说明回收纯度较高。

(3) 结合重力浮选法和离心分离法对硅和碳化硅进行分离，该法较为环保，无污染，成本低。