單晶硅切割廢液制備白炭黑報(bào)告人：史大靜指導(dǎo)教師：丁輝副教授報(bào)告日期：2012.11.251目錄課題研究背景研究方向進(jìn)度安排參考文獻(xiàn)41232課題研究背景據(jù)歐洲光伏工業(yè)協(xié)會(huì)EPIA預(yù)測(cè)，21世紀(jì)太陽(yáng)能將會(huì)成為世界能源組成中一個(gè)重要的部分。近年來(lái)，由于技術(shù)的持續(xù)改進(jìn)和突破，光電材料技術(shù)和太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)在全球得到迅速發(fā)展，而硅單質(zhì)作為重要的光電材料半導(dǎo)體材料，其戰(zhàn)略資源的地位日益明顯，其全球需求量亦不斷增大。在晶硅加工成電池片的過(guò)程中，主要包括切斷、滾圓、切片幾個(gè)過(guò)程。經(jīng)過(guò)切片處理后，只有45%～50%左右的硅料以硅片的形式存在，剩余的50%～55%在切割過(guò)程中以切割廢料的形式流失。3課題研究背景單晶硅切割廢液的產(chǎn)生太陽(yáng)能硅片的線切割過(guò)程是一個(gè)自由研磨加工過(guò)程，線切割使用不銹鋼線，線上鍍金剛石微粉。切割時(shí)，在電機(jī)的帶動(dòng)下，切割線在輸入線軸和輸出線軸間高速運(yùn)動(dòng)，作為介液的聚乙二醇水溶液帶動(dòng)碳化硅磨料對(duì)單晶硅棒進(jìn)行切割。切割后，聚乙二醇液體會(huì)將使用后的碳化硅磨料帶出，同時(shí)由于切割作用，形成了一種由聚乙二醇、碳化硅、以及少量硅粉等雜質(zhì)組成的混合液，即單晶硅切割廢液。4課題研究背景單晶硅環(huán)保廢渣組成

切割液及其組成圖片對(duì)比切割液SiC和Si粉末綠SiC粉末揮散法測(cè)硅和二氧化硅的總量鉬硅黃法測(cè)定二氧化硅的含量切割廢渣中Si、SiO2、SiC含量分別為：48.02%、34.48%、17.5%5課題研究背景單晶硅切割液現(xiàn)行回收工藝

單晶硅切割廢液經(jīng)過(guò)濾離心分離等回收聚乙二醇粉末提純分級(jí)回收SiC/Si粉固液分離固體分離6課題研究背景對(duì)單晶硅切割廢液的回收，研究人員做了大量工作，申請(qǐng)了相關(guān)的專(zhuān)利。隨著線切割廢砂漿回收利用技術(shù)的發(fā)展，線切割廢砂漿中的碳化硅和切削液己經(jīng)可以進(jìn)行初步回收(尚不成熟)，但對(duì)于廢砂漿中硅的回收，尚處于探索期(鮮有報(bào)道)。在此背景之下，本課題以廢砂漿中的硅做硅源探索制取白炭黑同時(shí)回收碳化硅的工藝路線，實(shí)現(xiàn)廢砂漿中的基本成分的回收利用。7課題研究背景白炭黑簡(jiǎn)介

白炭黑即水合二氧化硅，其粒子呈球狀，為無(wú)定形的SiO2，其硅和氧以正四面體鍵合成有缺陷的三維結(jié)構(gòu)。紅外光譜研究證實(shí)，白炭黑粒子表面羥基有三種類(lèi)型：隔離羥基、相鄰羥基、硅氧基。白炭黑具有高純度、低密度、高比表面積、分散性好等特點(diǎn)，以其優(yōu)越的穩(wěn)定性、補(bǔ)強(qiáng)性、增稠性和觸變性而廣泛地應(yīng)用于橡膠、涂料、油漆和粘膠劑等行業(yè)。8課題研究背景白炭黑制備方法氣相法白炭黑的生產(chǎn)方法沉淀法白炭黑的生產(chǎn)方法氣相法、沉淀法優(yōu)缺點(diǎn)比較將四氯化硅(或者甲基三氯硅烷)原料送至精餾塔精餾后，在蒸發(fā)器中加熱蒸發(fā)，并以干燥、過(guò)濾后的空氣為載體，送至合成水解爐制備白炭黑。氣相法優(yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)工藝比較簡(jiǎn)單、易控制反應(yīng)條件；缺點(diǎn)：生產(chǎn)成本高、應(yīng)用范圍小且產(chǎn)率;沉淀法優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單、分散劑以及原料易得；缺點(diǎn)：產(chǎn)品活性不高、親和力差、補(bǔ)強(qiáng)性能低．主要原料為石英砂、純堿、工業(yè)鹽酸、硫酸、硝酸或二氧化碳，生產(chǎn)流程主要包括沉淀、過(guò)濾、干燥和造粒等步驟。9課題研究背景譚欣等t581將含510250%左右，A120330%左右的油頁(yè)巖脫油殘?jiān)鬯榈揭欢６?，置于馬弗爐于700℃鍛燒活化2小時(shí)，然后用50~70%的硫酸溶液于90℃浸取緞燒過(guò)的殘?jiān)?一6h，反應(yīng)完成后，趁熱過(guò)濾并洗滌，濾渣經(jīng)干燥，900℃鍛燒，粉碎即得白炭黑產(chǎn)品。白炭黑制備的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)JianlingZhang等人率先采用超臨界CO2與水玻璃溶液相作用制備了白炭黑。在該方法中，CO2不僅是作為反應(yīng)試劑，同時(shí)也是產(chǎn)品的修飾劑。孫玉琢等人以膨潤(rùn)土為原料,加入硫酸溶液，控制溫度在75℃左右，放入超聲波反應(yīng)器中，經(jīng)活化、堿溶、老化、干燥后制得白炭黑。GuiMeiGao等人以油頁(yè)巖灰為原料、PEG為表面活性劑，在超聲波中水解、濃縮，再經(jīng)過(guò)共沸蒸餾，制得了納米白炭黑。10課題研究背景譚欣等t581將含510250%左右，A120330%左右的油頁(yè)巖脫油殘?jiān)鬯榈揭欢６?，置于馬弗爐于700℃鍛燒活化2小時(shí)，然后用50~70%的硫酸溶液于90℃浸取緞燒過(guò)的殘?jiān)?一6h，反應(yīng)完成后，趁熱過(guò)濾并洗滌，濾渣經(jīng)干燥，900℃鍛燒，粉碎即得白炭黑產(chǎn)品。SamsudinAfandi等人采用堿溶的方法從甘蔗灰中制備了高純度的白炭黑，其先采用NaOH與甘蔗灰相作用得到硅酸鈉，再用鹽酸與其作用生成了白炭黑粉末。目前，有人以硅灰石、蛋白石、高嶺土等非金屬礦及其延伸物為硅源來(lái)制備白炭黑。區(qū)別：本課題主要以硅切割廢液中的廢渣為原料，制備高性能白炭黑，實(shí)現(xiàn)資源回收利用，變廢為寶！11研究?jī)?nèi)容第一階段第二階段第三階段水玻璃制備白炭黑制備白炭黑性能分析及表征白炭黑12水玻璃制備水玻璃，硅酸鈉的水溶液，化學(xué)式為Na2O·nSiO2。水玻璃模數(shù)水玻璃中二氧化硅和氧化鈉的物質(zhì)的量之比。n=nSiO2/nNa2O,式中nSiO2表示水玻璃中二氧化硅的物質(zhì)的量;nNa2O表示水玻璃中氧化鈉的物質(zhì)的量。

水玻璃制備的基本原理Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2OSiC+NaOH≠13水玻璃制備水玻璃制備的工藝流程圖環(huán)保廢渣NaOH溶液加熱過(guò)濾、洗滌水玻璃SiC14水玻璃制備12345反應(yīng)時(shí)間堿液濃度料液質(zhì)量比反應(yīng)溫度攪拌轉(zhuǎn)速水玻璃本課題水玻璃制備中主要考察因素15水玻璃制備水玻璃模數(shù)測(cè)定水玻璃模數(shù)滴定原理Na2O·nSiO2+(n+1)H2O2NaOH+nH2SiO3

NaOH+HClNaCl+H2OH2SiO3+6NaF+H2ONa2SiF6+4NaOH參考文獻(xiàn)

硅酸鈉模數(shù)測(cè)定方法的探究,(2011).水玻璃組成快速測(cè)定方法改進(jìn),(2010).16潛在的問(wèn)題及初步解決辦法水玻璃具有一定的粘度，而SiC粒徑大小在微米級(jí)，如何分離水玻璃和SiC成為本課題的難點(diǎn)？據(jù)文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)，多采用水洗過(guò)濾的方法，不但造成了水資源大量浪費(fèi)，而且分離效率低試改進(jìn)方法：①將水玻璃和SiC在水浴中加熱，據(jù)水玻璃物性與溫度的關(guān)系，降低其粘性，然后趁熱離心分離（估計(jì)不能達(dá)到滿(mǎn)意效果）②探尋膜分離材料，利用其具有一定選擇性透過(guò)特性的過(guò)濾介質(zhì)進(jìn)行水玻璃和SiC的分離純化。水玻璃制備17潛在的問(wèn)題及初步解決辦法怎樣確定環(huán)保廢渣與NaOH的反應(yīng)條件？分別讓純SiO2、Si與堿液NaOH反應(yīng)，取其最適合兩者反應(yīng)的條件水玻璃制備水玻璃模數(shù)測(cè)定過(guò)程中，酸堿滴定顏色變化不易控制？考慮選用變色明顯的指示劑或用PH酸度計(jì)指示酸堿滴定。Na2O易滴定，而SiO2較為困難，可以用①中方法測(cè)定Na2O含量，用分光光度法測(cè)定SiO2含量18白炭黑制備白炭黑制備工藝流程圖鹽酸水玻璃硅溶膠膠體保護(hù)劑沉淀反應(yīng)白炭黑干燥抽慮、洗滌陳化白炭黑制備19白炭黑制備白炭黑制備過(guò)程中影響因素白炭黑鹽酸濃度膠體保護(hù)劑種類(lèi)反應(yīng)時(shí)間水玻璃模數(shù)反應(yīng)溫度反應(yīng)過(guò)程中pH值20潛在的問(wèn)題及初步解決辦法影響因素過(guò)多，在具體的操作中會(huì)有一定的困難？通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)，篩選出主要影響因素，在進(jìn)行響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化制備條件膠體保護(hù)劑種類(lèi)，研制方法？白炭黑性能評(píng)價(jià)指標(biāo)？通過(guò)調(diào)整反應(yīng)條件，主要測(cè)定白炭黑的比表面積、吸油值水玻璃制備21白炭黑性能分析及表征白炭黑性能分析及表征比表面積測(cè)定采用溴化十六烷基三甲基銨法測(cè)定紅外光譜分析測(cè)定白炭黑的化學(xué)結(jié)構(gòu)吸油值的測(cè)定采用鄰苯二甲酸二丁酯法測(cè)定熱重分析在程序控制溫度下測(cè)量白炭黑的質(zhì)量與溫度變化關(guān)系，研究白炭黑的熱穩(wěn)定性和組份22進(jìn)度安排2012.12——2013.03優(yōu)化水玻璃制備工藝條件，制備不同模數(shù)的水玻璃2013.04——2013.05水玻璃模數(shù)測(cè)定研究2013.06——2013.09尋找經(jīng)濟(jì)可行的方法，使水玻璃與SiC分離2013.09——2014.03優(yōu)化工藝條件，制備高性能的白炭黑2014.04——2014.06撰寫(xiě)論文23參考文獻(xiàn)[1].李軍,黃金霞,趙金德,曲茵,白炭黑發(fā)展現(xiàn)狀及市場(chǎng)前景,19(2011)67-71[2]蘇小莉,左國(guó)強(qiáng),蔡天聰,硅酸鈉模數(shù)測(cè)定方法的探究,(2011)110-111[3]徐冬梅,仝宇,田維亮,朱麗麗,水玻璃組成快速測(cè)定方法改進(jìn),(2010)126-127[4]S．Afandi，H．Setyawan,S．Winardi，eta1．Afacilemethodforproductionofhigh-puritysilicaxerogelsfrombagasseash[J]．AdvancedPowderTechnology[5]JianlingZhang，ZhiminLiu，BuxingHart,eta1．Asimpleandinexpensiveroutetosynthesizeporoussilicamicroflowersbysupercriticalco2[J]．MicroporousandMesoporousMaterials，87，2005，10．24參考文獻(xiàn)[6].譚欣,王福良,王榮生等.油頁(yè)巖脫油殘?jiān)苽浒滋亢诘脑囼?yàn)研究[J].礦冶，2004,13(l):59-63[7].JuengerMCG,OstertagCP.Alkali-silicareaetivityoflargesilicafume

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