Al-Si合金法提纯多晶硅中Al的回收工艺研究

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Al-Si合金法提纯由于具有工艺步骤简单、提纯效果好等优点,已成为低成本制备太阳能级多晶硅原料的研究热点之一。其过程可分为硅的合金化、合金的凝固以及初晶硅的收集。在初晶硅的收集过程中,一般采用HCl溶液来溶解金属溶剂Al和大部分金属杂质,以达到初晶硅与共晶组织分离同时去除初晶硅晶粒表面金属杂质的目的。因此,酸洗后会产生大量AlCl3废酸液。但目前为止,在上述富含金属Al的废酸液回收方面的研究还比较少,造成溶剂Al的大量浪费并对环境形成潜在污染。因此,开发面向Al-Si合金法提纯过程所产生废酸液的回收技术具有一定的必要性和迫切性。本文基于以上研究背景,提出了酸性和碱性两条富Al废酸液的回收工艺路线,并对回收产物氧化铝的电学性能进行了分析。主要获得以下结论:在采用酸性工艺回收方面,首先分析了纯AlCl3溶液的蒸干工艺,发现酸液蒸干后可以得到结晶氯化铝粉末,并且确定出最佳蒸干温度为350℃;接着,将获得的结晶氯化铝进行高温烧结,分析了烧结产物随烧结温度的演变过程,当在1200℃下进行烧结后可以获得具有疏松层状形貌的α-Al2O3粉末。基于以上回收工艺,对三种合金成分(Al-Si、Al-Si-0.4%Fe以及Al-Si-0.4%Cu)下产生的酸洗废液进行了回收,发现Al-Si合金酸洗废液回收获得α-Al2O3也为层状形貌,在其上出现了来源于初始原材料中Fe、Cu等金属元素的残留。对其电学性能进行分析可知,电阻值为109Ω左右,具有较好的绝缘性能;同时,Al-Si-0.4%Fe合金和Al-Si-0.4%Cu合金酸洗废液回收获得的α-Al2O3都均为多孔层状结构,但因合金中Fe、Cu的加入,所回收α-Al2O3中含有更多的金属原子(Fe或Cu),导致其电阻值大幅度下降,仅为103Ω左右,具有相对优良的导电性,可用于LED衬底材料。在采用碱性工艺回收方面,首先在AlCl3溶液中加入不同量的NaOH,调节溶液pH至7~13,得到Al(OH)3沉淀。综合Al(OH)3在产物中的质量比和产率得出最佳溶液pH范围为9~10;接着将Al(OH)3沉淀物在1200℃高温焙烧获得了结构致密的α-Al2O3粉末。对其进行成分分析可知,在氧化铝粉末中有Na元素残留。基于上述回收工艺,对Al-Si、Al-Si-0.4%Fe以及Al-Si-0.4%Cu三种合金酸洗废液进行回收,均可获得具有致密层状结构的α-Al2O3粉末。对Al-Si合金废液回收获得的α-Al2O3电阻进行测量可知,其电阻值为107Ω左右,比酸性工艺回收α-Al2O3的电阻值降低了 102倍,这可能是由于在碱性工艺中所引入的Na残留至回收的α-Al2O3中,从而提高了其导电性。对于Al-Si-0.4%Fe以及Al-Si-0.4%Cu合金废液回收的α-Al2O3,同酸性工艺回收产物相似,由于合金中金属原子含量的增加,导致所回收α-Al2O3的电阻急剧下降,为102Ω左右。对比两种酸液回收工艺可知,在酸性工艺回收过程中,由于HCl和H2O气体的挥发导致回收的氧化铝呈现疏松的多孔层状结构,而碱性回收所获得的氧化铝结构更加致密;同时,在碱性工艺中,由于Na原子的引入,导致α-Al2O3的电阻出现一定程度的降低,但仍可作为绝缘材料加以利用。另外,合金成分中添加金属元素Fe和Cu后,大量残留至回收产品中,其电阻值仅为102Ω左右,可作为对导电性有一定要求的材料加以利用(如LED衬底材料)。综上所述,本论文以合金法提纯过程中产生的酸洗废液为研究对象,提出了两种回收技术方案,确定了相应工艺参数,并对回收产品的电学性能进行了分析,具有一定的创新性和应用价值,能够促进Al-Si合金法提纯多晶硅的实用化进程。
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