淺談多晶硅生產副產物四氯化硅的綜合利用

陶崇花(浙江精功新材料技術有限公司 浙江省杭州市 310018)

由于傳統的石油、天然氣等非再生能源難以滿足人口和經濟不斷增長的需求， 使得探尋可再生能源成為社會發展的重心和焦點。其中多晶硅作為光伏太陽能產業的基石，成為眾多國家尋求可再生資源的重點之一。我國的多晶硅產業的發展源于上世紀六十年代，并于二十世紀初，在光伏產業的推動和國家經濟政策的優惠下，多晶硅產業的發展開始進入批量式生產。但多晶硅產業的發展在滿足社會發展需求的同時，也必然導致多晶硅生產過程中的副產品四氯化硅的增多。四氯化硅由于腐蝕性大、污染性強，因此會嚴重阻礙多晶硅的健康持續的發展。因此，本文在介紹四氯化硅概況的基礎上，進一步分析多晶硅生產副產品四氯化硅的綜合利用，以便使多晶硅得到長遠地發展。

一、四氯化硅的概況

1.四氯化硅的危害

四氯化硅是一種帶有無色或淡黃色具有性氣味的液體，當它遇熱或遇水時容易分解，并放出有毒的腐蝕性煙氣。在多晶硅生產的副產物中，每生產1噸多晶硅，就會產生10噸左右的四氯化硅。此外，如果將副產物四氯化硅填埋到土地里，就會使土地變得常年寸草不生。可見，四氯化硅不僅腐蝕性較大，而且環境污染也很嚴重。

2.多晶硅生產中四氯化硅成分的來源

多晶硅是單質硅的一種形態，屬于極為重要的優良半導體材料之一。由于它既是單晶硅生產的直接原材料，又能與任何其他的化學材料發生作用，因此它被譽為“微電子大廈的基石”。作為目前我國自動控制、信息處理及人工智能等半導體器件的電子信息基礎性材料，在生產發展過程中產生具有一定污染性的四氯化硅化合物。其具體的來源見圖1：

圖1 多晶硅生產中四氯化硅的來源分析

二、多晶硅生產副產物四氯化硅的綜合利用

多晶硅生產的副產物四氯化硅可以從提純為光纖級四氯化硅、合成氣相二氧化硅、氫化還原成三氯氫硅及合成為硅酸酯四個方面來綜合利用。下面主要是對這四種方法和技術的介紹：

1.提純為光纖級四氯化硅

隨著社會科技的快速發展，光纖通信由于其自身的通信容量大、抗干擾性能強等優點，因此成為通信網絡的重心。光纖生產主要是以四氯化硅為主要原料，因此，光纖通信網絡的發展無疑使得四氯化硅的需求得到突飛猛進地發展。光纖原料的純度是整個光纖產品質量的核心和關鍵，好的光纖原料有助于降低光纖的損耗，從而降低成本，提高市場競爭力。而四氯化硅作為光纖技術發展的核心，在發展過程中，可以有效利用極性吸附劑將四氯化硅內含有的少量雜質，如氯化鐵、氯化鋁等極性物質吸附出來，從而保證了四氯化硅的純度。此外，通過粗四氯化硅提純獲取的光纖級四氯化硅主要是有氯氣和硅粉的自然反應生成，但四氯化硅的提純度不高。而運用吸附、絡合等方法對多晶硅生產中所產生的四氯化硅進行提純的辦法，既能避免氯氣和硅粉的浪費，解決了成本，又能科學合理地處理四氯化硅，使之為光纖產業發展的做貢獻。

2.合成氣相水合二氧化硅

水合二氧化硅俗稱為“白炭黑”，它是一種無毒流動性強的白色絮狀粉體物質。由于它具有耐高溫、化學穩定性強、電力絕緣性好等優點，因此在塑料、造紙、食品、化妝品、涂料等行業中可以用于對產品的補強、增稠、消光等。此外，水合二氧化硅作為重要的補強填料和功能添加劑，享有世界級真正的工業納米材料的榮譽。

氣相二氧化硅的合成，首先是通過在1800度的高溫氫氧焰中將其分解，具體的反應方程為：

在1800度的高溫溶解過程中，四氯化硅通過釋放出大量的熱氣，從而自動生成粒徑約為7納米至40納米的二氧化硅的原生粒子，再通過將原生粒子進行冷卻和聚集后，最后得出二氧化硅的粉體。其具體的流程見圖2：

圖2 合成氣相水合二氧化硅的工藝流程

可見，利用多晶體生產副產物四氯化硅不僅有利于推動氣相二氧化硅的生產發展，而且還有助于環保，使多晶硅的生產發展也更加節能和環保，從而有效實現了資源循環利用的目的。

3.氫化還原成三氯氫硅

市場的不斷發展使得三氯氫硅的需求量持續增長，因此如何將副產物四氯化硅轉換成三氯氫硅，從而實現資源的可持續循環利用是具有十分現實意義。目前，我國四氯化硅轉化成三氯氫硅主要是在有鎳觸媒的前提條件下，合理利用氫氣還原成三氯氫硅。其化學反應公式為：

4.合成為硅酸酯

硅酸脂作為一種重要的精細化工產品之一，常被用于高溫耐火材料及硅酸鹽陶瓷等方面。硅酸脂主要是通過將四氯化硅與低級脂肪醇混合一起，從而通過酯化反應而得到。由于目前硅酸脂需求量不高，每年大約只需5000噸，而每噸硅酸脂只需1噸左右的四氯化硅。可見，四氯化硅在合成硅酸脂的過程中需求量十分有限。

結束語

一方面社會經濟的快速發展，需要大規模的生產多晶硅以滿足市場的需求；而另一方面多晶硅生產的發展難免會產生大量的副產物四氯化硅。因此如何科學合理地處置四氯化硅成為多晶硅發展過程中的關鍵環節。以上從四個方面提出了四氯化硅的綜合利用辦法，但現有的技術和條件遠不能滿足實際的需求，因此只有在不斷吸收和引進國內外先進技術的基礎上，大力創新，從而尋找出解決多晶硅副產物四氯化硅綜合利用的根本途徑和方法。

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