多晶硅切割液废液的回收与利用

张照元，田 力

(丹东北方环保工程有限公司，辽宁 丹东 118002)

多晶硅切割液废液的回收与利用

张照元，田 力

(丹东北方环保工程有限公司，辽宁 丹东 118002)

结合工程实际，介绍了太阳能产业用多晶硅片切割过程中产生的割液废液的处理工艺及回收工艺，并分析了它的投资成本和经济效益。

太阳能产业;切割液废液;聚乙二醇;处理工艺;多晶硅片

太阳能产业是新兴产业，太阳能的重要元器件为多晶硅片。2004年6月，上海研制出属于我国自己的切割机械后，多晶硅片切割在国内犹如雨后春笋， 发展迅速，同时切割液的用量也随之增长。

多晶硅在被切割的过程中，需要使用硬度高、粒度小且粒径分布集中的碳化硅微粉作为主要切削介质。为使碳化硅微粉在切削过程中分散均匀，同时能及时带走切削过程中产生的巨大的摩擦热，通常需先将碳化微粉按照一定比例加入到以聚乙二醇（PEG）为主要原料的水溶性或油溶性太阳能硅片切割液中，并充分分散，配置成均匀稳定的切割砂浆后再用于硅片切割。整个切割过程对太阳能硅片切割液的质量提出了极高的要求和技术标准。由于太阳能硅片切割液是用浸润性好、排削能力强且对碳化硅类磨料具有优良的分散特性的聚乙二醇（PEG）基或油基为主要成分的合成物，因而聚乙二醇的性能特点对硅片切割液本身，以及硅片的加工过程起着重要的作用。

切割液用过之后，其中含有的聚乙二醇和碳化硅微粉弃之可惜，所以对其的回收提纯就显得尤为重要，使用回收提纯的切割液可使企业的切割成本大大降低，碳化硅微粉也有广泛用途，可在企业的发展中得到良性循环。循环利用变废为宝，利国、利民、利企业。

多晶硅切割液废液的回收与利用工艺，一般分为砂浆的处理工艺和聚乙二醇的处理回收工艺。本文根据工程实践，介绍并分析了砂浆的处理工艺和聚乙二醇的处理回收工艺及回收所带来的经济效益。

1 砂浆的处理工艺及回收

1.1 碳化硅微粉基本理化性质

碳化硅包括黑碳化硅和绿碳化硅，其中：黑碳化硅是以石英砂、石油焦和优质硅石为主要原料，通过电阻炉高温冶炼而成，其硬度介于刚玉和金刚石之间，机械强度高于刚玉，性脆而锋利。绿碳化硅是以石油焦和优质硅石为主要原料，添加食盐作为添加剂，通过电阻炉高温冶炼而成，其硬度介于刚玉和金刚石之间，机械强度高于刚玉。碳化硅的硬度很大，具有优良的导热和导电性能，高温时能抗氧化。

1.2 回收后碳化硅微粉的用途

碳化硅主要有四大应用领域，即功能陶瓷、高级耐火材料、磨料及冶金原料。目前碳化硅粗料已能大量供应，不能算高新技术产品，而技术含量极高的纳米级碳化硅粉体的应用由于时间较短，目前尚未形成规模经济。

高纯度的单、多晶硅，可用于制造半导体、制造碳化硅纤维。

回收后的碳化硅微粉主要用途有：1）作为磨料，可用来做磨具，如砂轮、油石、磨头、砂瓦类等；2）作为冶金脱氧剂和耐高温材料。

1.3 处理工艺

处理工艺流程为：原料→初冲洗→次冲洗→沉降离心→化学清洗→清洗→干燥→旋风分级→成品。

太阳能硅片切割液废砂浆是切割液和砂浆的混合物，通常主要依靠离心和沉降两种回收技术对废砂浆进行处理，回收其中的切割液和碳化硅微粉后，再返回到线切割机重新使用。由于太阳能行业的特殊性，硅片加工对于切割力和硅片表面都有很高的技术要求，因此对切割液和碳化硅微粉的要求相应也很高，质量要稳定可靠。

目前，国内使用的切割液和碳化硅微粉在线切割过程中，砂浆中不可避免地会混入硅粉、铁、高聚物等杂质，部分碳化硅微粉也会因切割作用而出现破损，产生的废砂浆很难继续使用。经采用沉降离心、化学清洗、絮凝过滤、精馏、萃取、旋风分级等分离原理和方法，将废砂浆中杂质和水分去除，可以得到优质合格的切割液和碳化硅微粉，从而实现二次利用。液体回收过程主要利用物理作用将其中的固体微粒去除，要求不增加任何可溶性杂质。这样得到的液体才能够保证原有的化学成分，具有与新切割液相同的表面活性、悬浮力和携带力，可多次重复使用。在碳化硅微粉回收时，除了利用物理作用将其中的细颗粒去除外，还必须利用多种化学作用将其中的硅粉、铁、胶粒去除，这样才能保证得到的碳化硅微粉具有与原砂浆中的碳化硅微粉同样的品质，且回收过程不会增加任何微粉颗粒，而切割过程会使大的颗粒变细，因此回收到的微粉没有大颗粒，不会在以后的使用过程中产生划伤硅片的现象。但是由于使用回收料的成本较低，国内从2007年开始，对回收液的使用越来越多，尤其是一些大厂为了节约成本，回收液的使用比例占到总切割液使用量的50%左右。

首先对废砂浆进行冲洗，然后搅拌废砂浆，加入降黏剂，其中降黏剂和废砂浆的体积比为3.5∶1～4.5∶l，而后再进行一级固液分离和二级固液分离，得到一级、二级悬浮液和一级粒、二级固体颗粒。

收集一级、二级固体颗粒，在碱洗池中使用质量分数为3%～5%的氢氧化钠水溶液碱反应清洗4～5个小时，其中氢氧化钠水溶液和固体颗粒的体积比为3.5∶1～4.5∶1，而后进入水洗塔水洗至pH值为6.5～7.5时，分离固体颗粒。

然后在酸洗池中使用质量分数为26%～31%的盐酸水溶液酸反应清洗4～5个小时，其中固体颗粒与盐酸的体积比为0.9∶1～1.2∶1，而后进入水洗塔水洗至pH值为6.5～7.5时，分离固体颗粒。

最后，烘干固体颗粒，采用干法分级筛选满足线切割粒径分布要求的固体颗粒，即可得到可循环使用的碳化硅颗粒。

2 聚乙二醇的处理工艺及回收

2.1 聚乙二醇的基本理化性质

聚乙二醇是乙二醇的高聚物，随着平均分子量的不同，性质也有差异，从无色无臭粘稠液体至蜡状固体，溶于水、乙醇和许多其他有机溶剂。

2.2 回收后的聚乙二醇的用途

回收后的聚乙二醇的用途有：可用于增塑剂、软化剂、增湿剂、润滑剂，以及用于制作油膏和药物、化妆品、制药、化纤、橡胶、造纸、油漆、电镀、农药、金属加工及食品加工等行业。

2.3 处理工艺

多晶硅切割碎片聚乙二醇提纯生产工艺流程为：原料→脱悬浮物→脱色→压滤→蒸馏→去离子→成品。

太阳能硅片的线切割机理就是机器导轮在高速运转中带动钢线，从而由钢线将切割液和碳化硅微粉混合的砂浆送到切割区，在钢线的高速运转中与压在线网上的工件连续发生摩擦完成切割的过程，在这一过程中，切割液的组成也发生了很大变化，如：聚乙二醇受热以及与空气接触发生氧化、聚合等化学反应，生成部分胶粒状物质和色素；硅棒在大部分被切割成硅片的同时还会产生大量的硅粉；切割机钢线受磨擦作用的影响会产生部分铁粉；聚乙二醇吸收空气中的水分，使切削液含水量越来越高；碳化硅在切割过程中会发生破损，颗粒变小；硅在切割过程中要释放一些金属离子等。因此太阳能硅片切割液砂浆中会混入大量杂质，一般认为有以下几种：胶粒状物质、色素、多晶硅微粉、铁粉、水分、金属、重金属离子、破碎的碳化硅颗粒、二氧化硅。

首先搅拌一级悬浮液，添加质量为一级悬浮液质量分数的万分之二到万分之五的助滤剂，而后通过板框过滤，得到二级悬浮液和二级固体颗粒。

其次，二级悬浮液依次通过孔径为0.18～0.26μm的微孔膜过滤、中空纤维膜超滤（或陶瓷膜），去除悬浮物得到三级悬浮液。

而后通过真空减压蒸馏装置，去除大部分水得到90%以上的聚乙二醇。

最后进入强酸强碱型离子交换树脂去除离子，得到可循环使用的聚乙二醇，色度可达1，电导率达5μs/cm。

3 投资成本及经济效益

本工艺可提取废砂浆中所含的碳化硅和聚乙二醇，该生产工艺操作简单，回收率高，利润可观。在生产过程中的废水排放量少，有条件的可回收，无条件的也可以做污水处理，污水处理费用另计。根据目前市场状况，每加工1吨碳化硅和聚乙二醇以正规砂浆质量为准，纯利润大约7000元，规模越大利润越高。该产品生产过程中无毒、无味，成本低、产品价格低、利润高，产品畅销，无后顾之忧，生产容易操作，规模可大可小。

3.1 生产设备及投资

该工艺主要设备为压滤机过滤器、蒸发器等，一般处理废液规模为40吨/天。设备投资约960万元；周转资金约300万元；占地面积2000平方米。

3.2 效益分析

目前，多晶硅切割液的价格在1.5万元/吨左右，回收切割液在8000～9000元/吨，与原始切割液约有6000元/吨的差距，也即有5000～7000元/吨的利润空间。

废砂浆现在的处理价格为2000元/吨，每吨废砂浆就目前的处理方法可得到30%～35%的碳化硅微粉（不含税约为9500元），回收液40%，目前价格为8500元，相当于每3吨废砂浆可得到1吨微粉和液体，总计18,000元。煤、电、水、酸碱、人工、包装按4000元计，3吨废砂浆的运费按7500元计算，综合成本约为11,500元。收入18,000元除去综合成本和税收后，约可增加利润6000元。

Recovery and Use from Polysilicon Cutting Fluid Waste Solution

ZHANG Zhao-yuan, TIAN Li
(Dandong North Environmental Protection Project Co., Ltd, Dandong Liaoning 118002, China)

Combining the actual project, the article introduces treatment and recovery techniques from cutting fluid waste solution in solar silicon chip cutting process.

solar silicon chip; cutting fluid waste solution; polyethylene glycol; treatment techniques; polysilicon

X703

A

1006-5377（2011）08-0055-03