CN103896425B

CN103896425B - 一种多晶硅废水处理装置和方法

Info

Publication number: CN103896425B
Application number: CN201210588234.3A
Authority: CN
Inventors: 刘少锋; 范小青; 许增团; 李小钢; 李军; 李建军; 武红艳; 张钰彩; 李涛; 周鹏飞; 刘战虎
Original assignee: SHAANXI HUAHAO TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Xi'an Haohaijia Environmental Protection Engineering Co., Ltd.
Priority date: 2012-12-29
Filing date: 2012-12-29
Publication date: 2015-09-30
Anticipated expiration: 2032-12-29
Also published as: CN103896425A

Abstract

本发明公开了一种多晶硅废水处理装置和方法，装置包括：陶瓷膜***；其中，所述陶瓷膜***，包括料液箱、供料泵、循环泵、陶瓷膜、透过液箱以及多个连接管道，其中，在连接管道上还设有压力调节阀门和/或仪器仪表。通过管道还连接有液体分离器，包括：分离腔体和与其相连接的流体储箱、流量供给泵，其中，所述流量供给泵设于分离腔体和所述流体储箱之间。其中，该方法能够将原有的污染物处理转换为工业资源回收利用，变废为宝，有极高的经济价值和环境效益。

Description

一种多晶硅废水处理装置和方法

技术领域

本发明涉及一种废水处理方法，具体涉及一种多晶硅废水处理方法和装置，属于废水回收利用领域。

背景技术

硅单质作为重要的光电材料、半导体材料，其战略资源的地位日益明显，其全球需求量亦不断增大。在光电、半导体产业中，需要将单质硅体切割成符合要求的硅片，目前多晶硅主要是采用多线切割技术，在切割过程中约50% 的硅料混进由聚乙二醇( PEG) 切削液和碳化硅粉( SiC) 磨料组成的切削液中，使得切削液中微粉的组成、粒径、硬度均不满足标准，造成切削性能下降，不能重复利用，因此在切割过程中需要不断地排出旧切削液，并不断补充新切削液，这样就产生了大量的切割废液。

切削废液为黑色粘稠状悬浮液，主要组分及含量为 : 聚乙二醇( PEG)， 40% ～ 50%；碳化硅( SiC)，23% ～ 33%; 硅( Si) ， 20% ～ 24%; 铁屑( Fe) ，2． 5% ～ 3． 0%。其中，PEG的原料是石油中提炼出来的，再聚合而成，分子结构稳定，不易分解，极易溶于水，生物耗氧量低，在自然界中不易降解，其COD( 化学需氧量) 值大大超过废水排放标准，如不经过特殊处理，流入自然环境将会造成巨大污染。SiC和Si都是重要的工业原料，均属于不可再生资源。生产SiC原料过程中要消耗巨大能源，国家现已对此新工业项目进行限制。其中的Si为切磨下来的高纯硅粉，若直接排放会造成环境污染和硅材料的浪费。

目前对于这种废水的处理，有两种思路：一种是处理达标后排放。常用方法有微生物法、高级氧化法等，对于这种重要含PEG的废水，微生物法工艺复杂，处理效率低，处理效果差，几乎不可能达标；高级氧化法处理效果较好，但运行费用较高，工艺控制复杂；其它的常用污水处理方法也很难适用；另一种思路是将废液分级回收处理，因为废水中的 PEG、SiC和Si都是重要的工业原料，其中聚乙二醇（PEG）市场价12元每公斤，SiC市场价24元每公斤，Si市场价140元每公斤。因此，分级回收和利用硅切割废液对于节约资源、保护环境、提高经济效益具有重要意义，国外已经有相对较为成熟的处理回收技术，国内这方面技术还不成熟，大多处于研究阶段。

国内现有的处理回收技术，如：一种光伏废水零排放工艺（CN 102557291A）,***流程过长、工艺复杂、投资过大，难以实现工程实际应用；一种处理含聚乙二醇废水的方法（CN 1023722388A），采用絮凝沉淀、Fendon氧化技术，处理后废水需再进入废水处理厂处理，要使用费用较高，且并不适合多晶硅废水的处理；从硅片切割加工副产品中回收碳化硅的方法（CN101244823A），该专利方法采用离心固液分离，只回收废液中的碳化硅，聚乙二醇、和回收价值更高的硅并未涉及；

现有的回收技术主要问题在于：①固液分离效果不佳，往往需要经过多级分离，如：离心分离、斜板沉淀、过滤、压滤等，分离出的PEG液体含部分轻质的杂质，需要经过进一步的提纯才能回用；②SiC和Si分离过程复杂且效果欠佳，需要使用多种化学药剂或经过多种物理过程，缺少一种简单有效的分离方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是高效的处理回用技术，能彻底解决固液分离效果不佳问题，为此，提供了一种多晶硅废水处理装置和方法。

本发明解决上述技术问题所采取的技术方案如下：

一种多晶硅废水处理装置，包括：陶瓷膜***；

其中，所述陶瓷膜***，包括料液箱、供料泵、循环泵、陶瓷膜、透过液箱以及多个连接管道，其中，在连接管道上还设有压力调节阀门和/或仪器仪表。

进一步地，优选的是，所述陶瓷膜的形状为管式多段弯曲中空结构，膜孔小于1μm。

进一步地，优选的是，所述陶瓷膜由由二氧化钛和二氧化锆料制成。

进一步地，优选的是，通过管道还连接有液体分离器，包括：

分离腔体和与其相连接的流体储箱、流量供给泵，其中，所述流量供给泵设于分离腔体和所述流体储箱之间。

进一步地，优选的是，所述分离腔体的液体进口开于所述分离腔体的下方位置处。

进一步地，优选的是，所述液体为纯水或氯化钙或者氯化钠溶液。

一种多晶硅废水处理方法，包括：

（1）将多晶硅废液经过增压后进入为陶瓷膜***，在0.20MPa-0.55MPa压力下进行固液分离，分离出聚乙二醇液体储存以备回用生产，分理处出的固液混合物进入步骤（2）；

（2）将陶瓷膜***分离出的固液混合物用纯水冲洗干净，得到包括：SiC、Si、Fe和杂质的固体混合物，将此固体混合物加入盐酸中进行搅拌和清洗，分离出固体SiC、固体 Si和杂质的混合颗粒物；

（3）将所述固体SiC和Si混合颗粒物加入流体分离器，控制流体分离器流速，使SiC和Si分层，并分别收集分层的SiC和Si，部分处于混合状态的固体SiC、固体 Si和杂质则不分离。

进一步地，优选的是，步骤（3）以后，还包括：对分离后的Si熔铸提纯，以得到太阳能级多晶硅；和/或；对分离后的SiC干燥后并进行微粉分级分离，按粒径大小选择回用。

进一步地，优选的是，步骤（2）中，所述盐酸的温度30℃-45℃，浓度10%-30%，并且，步骤（2）中还要进行搅拌30-90分钟。

进一步地，优选的是，步骤（3）中，所述流体分离器流速为40m/h-60 m/h。

本发明采取了上述方案以后，具有以下优越性：

① 原废液不经任何处理，直接加压分离，不需添加任何化学品，分离出的PEG纯度达99.7%,过程简单可靠，一次便可完成PEG分离和经提纯过程，PEG回收率达92%；

②创新性的SiC和Si流体分离器技术，不仅操作简单，且有良好的分离效果，Si回收率最高可达85%，SiC回收率90%以上。因为分离界面的SiC和Si混合物可在下次分离中继续分离，理论上分离次数越多，分离率越高。

③本发明将需处理的废液变废为宝，不仅实现了污染物的“零”排放，同时又有很高的经济效益。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

下面结合附图对本发明进行详细的描述，以使得本发明的上述优点更加明确。其中，

图1是本发明多晶硅废水处理方法的流程示意图；

图2是本发明多晶硅废水处理装置的陶瓷膜***的结构示意图；

图3是本发明多晶硅废水处理装置的流体分离器的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机***中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

如图1所示，所述多晶硅废水处理方法，本发明依下述步骤进行：

其中，在一个比较具体的实施例中，依据下面的步骤进行操作：

第一步：将废液经过增压后进入为陶瓷膜***，在0.20MPa-0.55MPa压力下进行固液分离，陶瓷膜***为微孔过滤技术，有效过滤孔径小于1μm，在压力驱动下，废液中的PEG液体通过微孔，而废液中的固体颗粒则无法通过，分离过程在常温下进行，也不需要添加任何化学药剂，整个过程不发生任何相变，分离出的PEG液体纯度达99.7%，完全达到切割生产要求，可直接储存以备回用生产,PEG回收率大于92%；

第二步：将陶瓷膜***分离出的浓缩泥浆用纯水冲洗干净，得到SiC、Si、Fe和极少量杂质的固体，将此固体物加入温度30℃-45℃，浓度10%-30%的盐酸中搅拌清洗30-90分钟，Fe和少量的杂质与盐酸反应，溶解于盐酸中而被除去，经过酸洗后，用纯水冲洗干净，所得固体颗粒为SiC和Si；

第三步：将上步中得到的混合颗粒物加入流体分离器，控制流体分离器流速为40m/h-60 m/h，其中流体分离器中所用液体为纯水或氯化钙、氯化钠溶液，由于SiC和Si密度不同（SiC 3.2g/cm3，Si 2.4g/cm3），当流体分离器中的液体由下向上以一定的流速流动时，混合颗粒物整体处于悬浮状态，密度小Si悬浮于上层，密度大的SiC悬浮于下层，这时停止流体流动，悬浮的混合颗粒便分层沉降下来，可完成分离，分别收集SiC、Si，流体分离器分离层中间有少量SiC和Si的混合物，这部分混合物可另外收集，待下次混合物分离时再分离，这样可以保证收集到的SiC和Si纯度，同时多次分离后，分离率将提高；

第四步：将收集的Si熔铸提纯，可得到太阳能级多晶硅，Si回收率最高可达85%；第五步：将SiC干燥后进行微粉分级分离，按粒径大小选择回用，回收率90%以上。

其中，如图2和3所示，本实施例还公开了一种多晶硅废水处理装置，其中，本实施例的发明点主要在于陶瓷膜***和流体分离器，因此，主要在图2和图3中示例了其结构，其他的部件可以采用现有的部件，在此不进行详细说明，这些都是本领域技术人员所能够知晓的。

如图2所示，所述陶瓷膜***，包括料液箱11、供料泵12、循环泵13、陶瓷膜14、透过液箱15以及多个连接管道，其中，在连接管道上还设有压力调节阀门和/或仪器仪表。

分离腔体31和与其相连接的流体储箱33、流量供给泵32，其中，所述流量供给泵设于分离腔体和所述流体储箱之间。

进一步地，优选的是，所述分离腔体的液体进口开于所述分离腔体的下方位置处，其中，小密度分离物34在上方，大密度分离物35在下方，在最下方会存在未分离完全的混合物。

进一步地，优选的是，所述液体为纯水或氯化钙或者氯化钠溶液，更具体地说，所述流体分离器中，所用液体由下至上进入分离器，通过调节流体分离器内液体流速，是待分离混合物处于悬浮状态，且流体分离器所用液体为纯水或一定浓度的氯化钙、氯化钠溶液。

下面结合附图叙述两个实施例，对本发明做详细叙述。

实施例1、处理方法之一，依以下述步骤进行：

第一步：将收集的废液经过进料泵供给陶瓷膜***，开启循环泵，通过调节进料泵后阀门、循环泵后阀门和浓缩液回流阀，控制陶瓷膜***进口压力为0.55MPa，陶瓷膜***出口压力为0.40MPa，陶瓷膜***填装膜过滤孔径为0.14μm，在压力驱动下，废液中的PEG液体通过陶瓷膜微孔，废液中的固体颗粒无法通过，将透过的PEG液体收集储存，在无PEG液体透出后，收集浓缩料浆；

第二步：将陶瓷膜***分离出的浓缩料浆用纯水冲洗干净，得到SiC、Si、Fe和极少量杂质的固体，将此固体物加入温度30℃，浓度10%的盐酸中搅拌清洗90分钟，除去Fe和少量的杂质，经过酸洗后，用纯水冲洗干净，所得固体颗粒为SiC和Si；

第三步：将上步中得到的混合颗粒物加入流体分离器，控制流体分离器流速为60 m/h，其中流体分离器中所用液体为纯水，当混合颗粒物全部处于悬浮状态时，快速停止流体分离器进水，使混合物快速沉降下来，分别收集上层的Si 和下层的SiC；

第四步：将收集的Si熔铸提纯，可得到太阳能级多晶硅；

第五步：将SiC干燥后进行微粉分级分离，按粒径大小选择回用；

实施例2、处理方法之二，依以下述步骤进行：

第一步：将收集的废液经过进料泵供给陶瓷膜***，开启循环泵，通过调节进料泵后阀门、循环泵后阀门和浓缩液回流阀，控制陶瓷膜***进口压力为0.35MPa，陶瓷膜***出口压力为0.2MPa，陶瓷膜***填装膜过滤孔径为0.3μm，在压力驱动下，废液中的PEG液体通过陶瓷膜微孔，废液中的固体颗粒无法通过，将透过的PEG液体收集储存，在无PEG液体透出后，收集浓缩料浆；

第二步：将陶瓷膜***分离出的浓缩料浆用纯水冲洗干净，得到SiC、Si、Fe和极少量杂质的固体，将此固体物加入温度40℃，浓度20%的盐酸中搅拌清洗60分钟，除去Fe和少量的杂质，经过酸洗后，用纯水冲洗干净，所得固体颗粒为SiC和Si；

第三步：将上步中得到的混合颗粒物加入流体分离器，控制流体分离器流速为50 m/h，其中流体分离器中所用液体为20%氯化钠溶液，当混合颗粒物全部处于悬浮状态时，快速停止流体分离器进水，使混合物快速沉降下来，分别收集上层的Si 和下层的SiC；

第四步：将收集的Si熔铸提纯，可得到太阳能级多晶硅；

实施例3、处理方法之三，依以下述步骤进行：

第一步：将收集的废液经过进料泵供给陶瓷膜***，开启循环泵，通过调节进料泵后阀门、循环泵后阀门和浓缩液回流阀，控制陶瓷膜***进口压力为0.25MPa，陶瓷膜***出口压力为0.1MPa，陶瓷膜***填装膜过滤孔径为0.8μm，在压力驱动下，废液中的PEG液体通过陶瓷膜微孔，废液中的固体颗粒无法通过，将透过的PEG液体收集储存，在无PEG液体透出后，收集浓缩料浆；

第二步：将陶瓷膜***分离出的浓缩料浆用纯水冲洗干净，得到SiC、Si、Fe和极少量杂质的固体，将此固体物加入温度45℃，浓度30%的盐酸中搅拌清洗30分钟，除去Fe和少量的杂质，经过酸洗后，用纯水冲洗干净，所得固体颗粒为SiC和Si；

第三步：将上步中得到的混合颗粒物加入流体分离器，控制流体分离器流速为40 m/h，其中流体分离器中所用液体为30%氯化钙溶液，当混合颗粒物全部处于悬浮状态时，快速停止流体分离器进水，使混合物快速沉降下来，分别收集上层的Si 和下层的SiC；

第四步：将收集的Si熔铸提纯，可得到太阳能级多晶硅；

本发明有以下优越性：

陶瓷膜固液分离技术，原废液不经任何处理，直接加压分离，不需添加任何化学品，分离出的PEG纯度达99.7%,过程简单可靠，一次便可完成PEG分离和经提纯过程，PEG回收率达92%；

③本发明将需处理的废液变废为宝，不仅实现了污染物的“零”排放，同时又有很高的经济效益：

	市场价（元/公斤）	回收品价（元/公斤）
			聚乙二醇（PEG）	12	12
碳化硅（SiC）	24	18
			硅（Si）	140	140

需要说明的是，对于上述方法实施例而言，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本申请所必须的。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种多晶硅废水处理装置，其特征在于，包括：陶瓷膜***；

其中，所述陶瓷膜***，包括料液箱、供料泵、循环泵、陶瓷膜、透过液箱以及多个连接管道，其中，在连接管道上还设有压力调节阀门和/或仪器仪表；所述陶瓷膜的形状为管式多段弯曲中空结构，膜孔小于1μm；所述陶瓷膜由二氧化钛和二氧化锆制成；通过管道还连接有流体分离器，包括：

分离腔体和与其相连接的流体储箱、流量供给泵，其中，所述流量供给泵设于分离腔体和所述流体储箱之间，所述流体分离器中，所用液体由下至上进入分离器，通过调节流体分离器内液体流速，使待分离混合物处于悬浮状态，且流体分离器所用液体为纯水或一定浓度的氯化钙、氯化钠溶液;

所述分离腔体的液体进口开于所述分离腔体的下方位置处；所述液体为纯水或氯化钙或者氯化钠溶液。

2.一种多晶硅废水处理方法，其特征在于，包括：

（1）将多晶硅废液经过增压后进入陶瓷膜***，在0.20MPa-0.55MPa压力下进行固液分离，分离出聚乙二醇液体储存以备回用生产，分离出的固液混合物进入步骤（2）；

（3）将所述固体SiC和Si混合颗粒物加入流体分离器，控制流体分离器流速，使SiC和Si分层，并分别收集分层的SiC和Si，部分处于混合状态的固体SiC、固体 Si和杂质则不分离；

所述流体分离器中，所用液体由下至上进入分离器，通过调节流体分离器内液体流速，使待分离混合物处于悬浮状态，且流体分离器所用液体为纯水或一定浓度的氯化钙、氯化钠溶液；

步骤（2）中，所述盐酸的温度30℃-45℃，其浓度10%-30%，并且，步骤（2）中还要进行搅拌30-90分钟。

3.根据权利要求2所述的多晶硅废水处理方法，其特征在于，步骤（3）以后，还包括：对分离后的Si熔铸提纯，以得到太阳能级多晶硅；

和/或；对分离后的SiC干燥后并进行微粉分级分离，按粒径大小选择回用。

4.权利要求2所述的多晶硅废水处理方法，其特征在于，步骤（3）中，所述流体分离器流速为40m/h-60 m/h。