金剛線切割硅材料廢液中的硅粉回收方法

張龍飛

摘 要：本文提出一種從金剛線切割硅材料廢液中回收硅粉的方法，采用的是用微孔材料進行物理過濾的方法，既能回收硅粉，又能使過濾后的切割液重新循環(huán)利用，環(huán)保而經(jīng)濟。

關(guān)鍵詞： 切割懸浮液；過濾；硅粉；回收

1 引言

在在太陽能行業(yè)的硅材料加工中，為了提高生產(chǎn)效率并降低成本，今后應(yīng)用金剛線多線切割硅錠或硅片將是最新的發(fā)展趨勢。采用金剛線多線切割工藝，相比碳化硅游離切割工藝，其水溶性的切割液以及更單純的切割廢渣更加環(huán)保。金剛線切割工藝采用以工業(yè)純水為主的混合冷卻液，在切割過程形成硅粉懸浮液，隨著切割的進行硅粉含量會逐漸增加，例如在切割硅片時一刀磨削下來的硅粉可達(dá)總質(zhì)量的40%。過多的游離硅粉會影響到切割液的冷卻、潤滑效果，從而影響加工的質(zhì)量；另外切割液不能再循環(huán)利用，必須更換新液。而廢液的排放不僅給治污帶來壓力，還損失了其中有回收價值的硅粉。現(xiàn)研發(fā)一種從切割廢液中回收硅粉的工藝方法，解決生產(chǎn)中的實際問題。

2 工藝設(shè)計

2.1 硅粉懸浮液的分析

在實際的金剛線切割加工中，有兩步工序的加工過程，一是硅錠的開方切割；另一是把開方后的小硅錠切割加工成硅片。這兩種工序中形成的硅粉懸浮液中，液相的成份相似，而固相的硅粉顆粒度大小及分布是有很大差別的，如下表所示：

2 過濾的生產(chǎn)工藝流程

從金剛線開方懸浮液開始工藝試驗，采用加壓過濾的方式，分離出懸浮液中的硅粉。具體是從現(xiàn)場的開方機的廢液罐中抽取切割液，采用加壓過濾設(shè)備，利用微孔過濾技術(shù)，把懸浮在切割液中的硅粉過濾出來，并收集到硅粉收集箱中，而被過濾的澄清液相，則返回到開方機的廢液罐中重新利用，生產(chǎn)工藝流程如下：

3 設(shè)備的設(shè)計及工藝參數(shù)

經(jīng)分析，金剛線開方切割液中被磨削下來的硅粉粒度分布范圍0.5-18um，小于3um占67%，平均直徑3.5um；實驗室試驗證明，只有微孔過濾設(shè)備才能有效過濾固相粒度這么小的懸浮液，能夠在濾材表面能形成一定厚度的濾餅且不會造成濾材堵塞。具體方法是采用在過濾機的工作腔內(nèi)部安裝了很多PE材質(zhì)的微孔過濾管，增加到一定的過濾面積，在一定的壓差下，采用0.5-2um過濾精度的具有三維方向的的PE微孔管，在此工況下，能有效實現(xiàn)硅粉過濾，去除率固相高達(dá)90%以上，液相則明顯變清。在過濾后期，采用壓縮空氣吹濾餅的方式，使其含水量進一步降低。卸渣時用脈沖空氣反吹，并能使濾材有效再生。采用的PE過濾管耐酸堿腐蝕，密度小且有一定的剛性，耐0.7MPa壓縮空氣反吹而不會破裂，是較為理想的濾材。

該在線過濾設(shè)備單元，采用模塊化設(shè)計，占地空間小，現(xiàn)場安裝只需連接進、出管路、控制氣路、電控電源即可，采用自動控制進出料及定時排渣，采用人機界面操作，參數(shù)設(shè)定簡單、明了；操作方便、快捷。主機為一過濾罐體，內(nèi)部吊裝多組管式濾芯，切割廢液由外部用泵打入罐體，固體被攔截貼在濾管外壁，清液則透過濾管被集中引至外部；主機外形及過濾管可參考下圖1。

硅粉屬于微米級顆粒，根據(jù)表層過濾的原理，即剛開始過濾時靠濾芯攔截固體顆粒，待濾芯表面形成一定厚度的濾餅后，則此時濾餅本身作為濾材進行過濾。根據(jù)硅粉的顆粒度，選用過濾精度為2微米的過濾管，起始的過濾壓力設(shè)定為0.01MPa，至少保持30分鐘，這樣能保證不會穿濾而堵塞濾芯；然后在兩個小時內(nèi)，壓力逐漸增加到0.15MPa，最大不超過0.2 MPa，然后保持就行了。當(dāng)罐內(nèi)的進液壓力與出口的清液壓力的差值較接近并且清液的流量明顯變小時，說明濾芯的外部形成的濾餅到了足夠的厚度了，過濾阻力過大，此時應(yīng)關(guān)掉排污泵，打開排污口，進行逐步泄壓到罐內(nèi)壓力為零；然后向罐內(nèi)通入壓力為0.4 MPa的壓縮空氣進行吹掃過濾管外壁的濾餅，吹走其上的水份，至少半小時；停止吹掃后，等罐體壓力降為零時，打開過濾罐下部的排渣閥門，從出清液的管口向濾材內(nèi)管口反向脈動吹壓力為0.6 MPa的壓縮空氣，使得濾芯外壁上的濾餅快速脫落。

3 實際應(yīng)用及效果

根據(jù)設(shè)計的工藝及設(shè)備，在車間現(xiàn)場進行了過濾試驗。如圖3為設(shè)備的布置：

試驗的效果：濾渣已成濾餅，厚度約為5毫米，其含水量經(jīng)測試約為50%；濾后的液相清澈透明，無明顯沉淀物，如圖4所示：

液相的過濾前后情況對比見如圖5圖6。

4 注意問題

在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，如果剛開始過濾時壓力過大，則微孔管濾芯很容易堵塞，造成過濾壓差很大而出液的流量卻很小，這樣時間長了，反吹時卸渣時也很困難；而一旦濾餅粘在濾芯外壁，則用常規(guī)的清水很難去除干凈，會影響下一周期的過濾。此時必須用化學(xué)清洗的方法，針對物料的特性，必須先用堿浸泡再用清水反沖洗，然后再用酸浸泡再用清水反沖洗，這樣才能去除濾芯內(nèi)外層的固體顆粒，保障濾材的再生，以進行下一步的過濾使用。在正常情況下，物理清洗能保證濾材的90%的再生，如壓縮空氣加水反充法等。當(dāng)物理再生方法不好時，才考慮用化學(xué)方法再生，但要事先做好充分的準(zhǔn)備，以免影響正常生產(chǎn)。

5 結(jié)論

試驗證明，用微孔過濾管過濾硅粉的切割廢液是可行的，整個過濾回收過程無污染，僅消耗小功率的動力及一定量的壓縮空氣，這為將來進一步提純回用有價值的精細(xì)硅粉提供了保障；另外使得多線切割加工生產(chǎn)減少了廢液的排放或運輸，降低了排污、治污的成本。總之這一工藝方法，能回收固液兩相，均被重新利用，節(jié)約資源，環(huán)保高效，利國利民。endprint