CN102249239A - 从农业废弃物制备高纯单质硅的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种从农业废弃物制备高纯单质硅的制备方法。通过简单的两个步骤：首先将农业废弃物通过热解成为多孔二氧化硅粉体；随后通过酸处理、金属热反应等去除其中的杂质并将二氧化硅还原成为单质硅。由于农业废弃物经过热解后结构松散，其中的杂质易去除，因此所得单质硅的纯度在99%以上，有利于直接应用或进行进一步加工处理。本发明提出的从农业废弃物制备高纯单质硅的方法，原材料成本低廉，工艺流程简单，具有极强的经济价值和应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及化合物的制备方法，尤其涉及一种从农业废弃物制备高纯单质硅的制备方法。
背景技术
农业废弃物是指在农业生产、农产品加工等过程中产生的废弃物的总称，主要包括果壳果核、秸秆、稻壳、玉米芯、树枝落叶和杂草等，具有数量巨大、可再生、再生周期短、可生物降解等特点。这些农业废弃物中富含碳和硅元素，是重要的碳硅资源。我国是一个农业大国，每年产生数以亿吨计的各种农业废弃物，然而大部分农业废弃物被直接遗弃在田地中，形成了严重的资源浪费问题和环境问题。农业废弃物的资源化和无害化是目前实现农业可持续发展的有效途径。
单质硅的应用及研究现状：高纯度的单质硅（Si）是信息产业的核心材料．地壳中含有大量的硅元素，它的含量仅次于相同种类的氧。目前制备单质硅主要采用如下方法：①SiO2+2C===Si+2CO↑②Si + 2Cl2===SiCl4 SiCl4+ 2H2=== Si + 4HCl。两种方法都需要高温环境（1200度以上）。单质硅的应用十分广泛，通过提拉后得到高纯的单晶硅是重要的半导体材料。在单晶硅中掺入微量的第IIIA族元素，形成p型硅半导体；掺入微量的第VA族元素，形成n型和p型半导体结合在一起，将是优异的太阳能电池，在开发能源方面是一种很有前途的材料。将单质硅与陶瓷混合烧结，继承了金属和陶瓷的各自的优点，又弥补了两者的先天缺陷，是金属陶瓷、宇宙航行的重要材料。此外，采用单质硅为原料还可制备高性能的二氧化硅纤维、硅溶胶和聚氧硅材料等。
由于农业废弃物经过热解后结构松散，其中的杂质易去除，通过农业废弃物制备单质硅，所得单质硅的纯度在99%以上，有利于直接应用或进行进一步加工处理。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种从农业废弃物制备高纯单质硅的制备方法。
从农业废弃物制备高纯单质硅的制备方法的它步骤如下：
1)将100 g农业废弃物充分粉碎，放入400～1200 oC炉中在空气或氧气气氛下煅烧0.5～8 h，得到主要成分为SiO2的粉末；
2)将所得SiO2粉末在0.1～1.0 mol/L的稀盐酸溶液中浸泡1～24 h，以去除其中的杂质；结束后将产物60～150 oC烘干后与2～10 g金属还原剂粉末充分混合，放入炉中，隔绝空气或在惰性气体的保护下500～800 oC煅烧0.5～12 h；冷却后取出，产物在0.1～1.0 mol/L的稀盐酸溶液中浸泡1～24 h，烘干后即得纯度超过99%的单质硅。
所述的农业废弃物是指在农业生产、农产品加工过程中形成的果壳果核、秸秆、稻壳、玉米芯、枯枝落叶或杂草，其主要成分为含硅有机物；所述的金属还原剂为单质镁粉或铝粉中的一种或两种；所述的惰性气体为高纯氮气或高纯氩气。
本发明提出的从农业废弃物制备高纯单质硅的方法，原材料成本低廉，工艺流程简单；由于农业废弃物经过热解后结构松散，其中的杂质易去除，因此所得单质硅的纯度在99%以上，有利于直接应用或进行进一步加工处理；本发明提出的方法具有极强的经济价值和应用前景。
具体实施方式
从农业废弃物制备高纯单质硅的制备方法的它步骤如下：
1)将农业废弃物在空气或氧气气氛下充分煅烧。由于农业废弃物的主要组成成分为SiO2和有机物，在空气或氧气气氛中，有机物将被充分燃烧分解，所得粉末的主要成分为SiO2。
2)SiO2的分离提纯以及单质硅的制备。第一步所得产物的主要成分为SiO2，然而其中也含有K2O、Fe2O3、Al2O3等杂质。由于在农业废弃物中SiO2与有机物呈交联分布，随着有机物的燃烧分解，农业废弃物的结构体系将崩塌，这些氧化物杂质易于被去除。将产物浸泡在稀盐酸溶液中即可去除其中的氧化物杂质。去除杂质后将产物烘干后与一定量的金属还原剂粉末如金属镁粉、金属铝粉等充分混合，隔绝空气或在惰性气体的保护下500～800 oC煅烧0.5～12 h。采用金属还原剂粉末作为还原剂和加热媒介可以大幅降低单质硅的合成温度（传统方法需在1500 oC以上），不仅降低了能耗，节约了成本，还降低了对设备的需求。具体的反应方程式如下（以镁粉为例）：
SiO2 + 2Mg → Si + 2MgO
Si + 2Mg → Mg2Si（伴生反应）
生成的氧化镁、硅化镁等杂质同样可以通过稀盐酸浸泡去除。烘干后即得纯度超过99%的单质硅。
下面结合实施例进一步说明本发明。
实施例1: 以稻壳为原料
1)将100 g稻壳充分粉碎，放入400 oC炉中在空气或氧气气氛下煅烧8 h，得到主要成分为SiO2的粉末；
2)将所得SiO2粉末在0.1 mol/L的稀盐酸溶液中浸泡24 h，以去除其中的杂质；结束后将产物60 oC烘干后与2 g金属镁粉充分混合，放入炉中，隔绝空气或在惰性气体的保护下500 oC煅烧12 h；冷却后取出，在0.1 mol/L的稀盐酸溶液中浸泡24 h，即得纯度超过99%的单质硅。
实施例2: 以稻秆为原料
1)将100 g稻秆充分粉碎，放入1200 oC炉中在空气或氧气气氛下煅烧0.5 h，得到主要成分为SiO2的粉末；
2)将所得SiO2粉末在1.0 mol/L的稀盐酸溶液中浸泡1 h，以去除其中的杂质；结束后将产物150 oC烘干后与10 g金属铝粉充分混合，放入炉中，隔绝空气或在惰性气体的保护下800 oC煅烧0.5 h；冷却后取出，在1.0 mol/L的稀盐酸溶液中浸泡1 h，即得纯度超过99%的单质硅。
实施例3: 以麦麸为原料
1)将100 g麦麸充分粉碎，放入500 oC炉中在空气或氧气气氛下煅烧6 h，得到主要成分为SiO2的粉末；
2)将所得SiO2粉末在0.2 mol/L的稀盐酸溶液中浸泡18 h，以去除其中的杂质；结束后将产物70 oC烘干后与4 g金属镁粉充分混合，放入炉中，隔绝空气或在惰性气体的保护下600 oC煅烧8 h；冷却后取出，在0.2 mol/L的稀盐酸溶液中浸泡18 h，即得纯度超过99%的单质硅。
实施例4: 以玉米秸秆为原料
1)将100 g玉米秸秆充分粉碎，放入600 oC炉中在空气或氧气气氛下煅烧4 h，得到主要成分为SiO2的粉末；
2)将所得SiO2粉末在0.3 mol/L的稀盐酸溶液中浸泡15 h，以去除其中的杂质；结束后将产物90 oC烘干后与6 g金属铝粉充分混合，放入炉中，隔绝空气或在惰性气体的保护下700 oC煅烧6 h；冷却后取出，在0.3 mol/L的稀盐酸溶液中浸泡15 h，即得纯度超过99%的单质硅。
实施例5: 以玉米芯为原料
1)将100 g玉米芯充分粉碎，放入700 oC炉中在空气或氧气气氛下煅烧3 h，得到主要成分为SiO2的粉末；
2)将所得SiO2粉末在0.5 mol/L的稀盐酸溶液中浸泡12 h，以去除其中的杂质；结束后将产物100 oC烘干后与8 g金属镁粉充分混合，放入炉中，隔绝空气或在惰性气体的保护下650 oC煅烧9 h；冷却后取出，在0.5 mol/L的稀盐酸溶液中浸泡12 h，即得纯度超过99%的单质硅。
实施例6: 以麦秆为原料
1)将100 g麦秆充分粉碎，放入1000 oC炉中在空气或氧气气氛下煅烧2 h，得到主要成分为SiO2的粉末；
2)将所得SiO2粉末在0.8 mol/L的稀盐酸溶液中浸泡5 h，以去除其中的杂质；结束后将产物120 oC烘干后与5 g金属铝粉充分混合，放入炉中，隔绝空气或在惰性气体的保护下750 oC煅烧3 h；冷却后取出，在0.8 mol/L的稀盐酸溶液中浸泡5 h，即得纯度超过99%的单质硅。
Claims (4)
1.一种从农业废弃物制备高纯单质硅的制备方法，其特征在于它的步骤如下：
1)将100 g农业废弃物充分粉碎，放入400～1200 oC炉中在空气或氧气气氛下煅烧0.5～8 h，得到主要成分为SiO2的粉末；
2)将SiO2粉末在0.1～1.0 mol/L的稀盐酸溶液中浸泡1～24 h，过滤，清洗，60～150 oC烘干后与2～10 g金属还原剂粉末充分混合，放入炉中，隔绝空气或在惰性气体的保护下500～800 oC煅烧0.5～12 h；冷却，在0.1～1.0 mol/L的稀盐酸溶液中浸泡1～24 h，烘干，即得纯度超过99%的单质硅。
2.根据权利要求1所述的一种从农业废弃物制备高纯单质硅的制备方法，其特征在于所述的农业废弃物是指在农业生产、农产品加工过程中形成的果壳果核、秸秆、稻壳、玉米芯、枯枝落叶或杂草，其主要成分为含硅有机物。
3.根据权利要求1所述的一种从农业废弃物制备高纯单质硅的制备方法，其特征在于所述的金属还原剂为单质镁粉或铝粉中的一种或两种。
4.根据权利要求1所述的一种从农业废弃物制备高纯单质硅的制备方法，其特征在于所述的惰性气体为高纯氮气或高纯氩气。
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