بخشی از مقاله
چکیده
سیلیکون با خلوص حدود 98/90 درصد از سنگ معدن سیلیسیم به روش کربوترمیک در کوره قوس الکتریکی تولید میشود. ناخالصیهای معمول در سیلیکون تجاری متنوع بوده کهعمدتاً شامل آهن، آلومینیوم، کلسیم و قلع میباشد. برای کاربردهای حساس نظیر ویفرهای سیلیکونی، سلولهای خورشیدی، آلیاژسازی آلومینیوم، صنایع شیمیایی و صنایع پزشکی و بهداشتی که به درصد ناخالصیها بسیار حساس هستند، نیاز به خلوص حداقل 99/50 درصد میباشد. در این تحقیق، تأثیر اندازه ذرات سیلیکون بر تصفیهی سیلیکون متالورژیکی تولیدی در کشور با استفاده از حلالی مرکب از اسید هیدروکلریک و اسید هیدروفلوئوریک مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد با استفاده از این حلال امکان تصفیه آن وجود دارد. همچنین نتایج نشان داد که با کاهش اندازه ذرات سیلیکون از 300 به 106 میکرون، میزان حذف ناخالصیها افزایش یافته و خلوص محصول تولیدی از 98/90 درصد به 99/96 افزایش یافت.
کلمات کلیدی: سیلیکون متالورژیکی، تصفیه، کلریک اسید، فلوئوریک اسید
مقدمه
سیلیسیم متالورژیکی با خلوص حدود 98/90 درصد از سنگ معدن سیلیسیم قابل تولید میباشد که دارای ناخالصیهای فلزی نظیر آهن،کلسیم، آلومینیوم میباشد؟ سیلیسیم متالورژیکی در صنعت کاربردهای مختلفی دارد که میتوان به صنایع شیمیایی، فرایندهای متالورژیکی نظیر آلیاژسازی آلومینیوم و سیلیکوترمی، صنایع پزشکی، صنایع پلیمری و ساخت سلولهای خورشیدی اشاره کرد. در تولید سیلیسیم متالورژیکی کنترل ناخالصیها یک عامل تعیینکننده محسوب میشود از اینرو سیلیسیم متالورژیکی باید پالایش و خالصسازی بیشتری شود. در حال حاضر مشکلات و محدودیت های روشهای دیگر تصفیه سیلیکون از جمله آلودگیهای زیست محیطی بهویژه در تولید گازهای سمی و هزینههای سنگین احداث و عملیاتی بهویژه در بحث انرژی باعث شده است که صنعت تصفیه سیلیسیم متالورژیکی به سمت روش های تمیزتر و ارزانتر هیدرومتالورژی گرایش پیدا کند.
تولید سیلیکون متالورژیکی در چند دههی اخیر مورد توجه قرار گرفته و مطالعات و تحقیقات فراوانی در ارتباط با این موضوع صورت گرفته است.[1] در سال 1976 هانت3 و همکارانش3]و[2 موفق شدند از طریق انحلال سیلیکون با اندازهی ذرات زیر 50 میکرون در محلول متشکل از اسید نیتریک و اسید کلریک به مدت 12 ساعت و در دمای 75 درجهی سانتیگراد حدود 90 درصد از ناخالصیها که شامل آهن، آلومینیوم، روی و مس بود را حذف کنند. در سال 1983دیتله و همکارانش [4] نشان دادند که از طریق انحلال با ترکیب اسیدفلوئوریک با اسیدکلریدریک و با اندازهی ذرات زیر 20 میکرون میتوان به نتایج بسیار مطلوبتری دست یافت. در ادامه در سال 1986 جونجا و همکارانش [5] نشان دادند که میتوان از طریق حلسازی در اسید فلوئوریک در دمای 50 درجهی سانتیگراد با اندازهی ذرات زیر 150 میکرون میتوان به خلوص بسیار مناسبی دستیافت. در سال1990 سانتوس و همکارانش [6] بیان کردند که حلسازی شیمیایی تابع اندازهی ذرات، نوع اسید، دما و زمان حلسازی میباشد و تأکید زیادی بر نوع اسید داشتند و از 4 اسید ذکر شده در ابتدا استفاده نمودند و درنهایت به این نتیجه رسیدند که اسیدفلوئوریک و اسیدکلریدریک بهترین بازده را در میان دیگر اسیدها داشتند.
شیمپو و همکارانش [7] در سال 2004، متالیوا و فیشر [8] در سال 2013 ونهایتاً در سال 2014 لی [9] به این نتیجه رسیدند که برای حذف بهتر فسفر و بور میتوان از روش آلیاژسازی سیلیکون متالورژیکی با تیتانیوم و کلسیم استفاده کرد، چراکه این دو عنصر جذب کنندهی فلزات هستند و حذف آنها آسانتر میباشد. به طوری که با اضافه کردن تیتانیوم به سیلیکون متالورژیکی میتوان به صورت قابل ملاحظهای حذف بور را طی انحلال تک مرحلهای با مخلوط اسیدکلریدریک و اسیدنیتریک و آب مقطر بهبود بخشید و از طریق اضافه کردن کلسیم طی آلیاژسازی میتوان به مقدار چشمگیری حذف فسفر را طی انحلال دو مرحلهای با مخلوط اسیدکلریدریک و اسید نیتریک و آب در مرحله اول حلسازی و سپس مخلوط اسیدکلریدریک، اسیدنیتریک، اسیدسولفوریک و آب مقطر در مرحله دوم، بهبود بخشید.
هدف از این پژوهش بررسی اثر پارامتر اندازه ذرات سیلیکون بهمنظور دستیابی به یک شرایط بهینه در تصفیهی سیلیسیم متالورژیکی تولیدی در ایران میباشد که با استفاده از این شرایط بهینه انتظار میرود ناخالصی های فلزی و ناخالصیهای غیرفلزی موجود در سیلیسیم متالورژیکی تولیدی در ایران را تا حد قابل توجهی حذف کرده و به واسطهی آن بتوان زمینهی مناسبی را برای تولید سیلیکون متالورژیکی با خلوص بالا که در محصولات مهم شیمیایی نظیر گریس، و محصولات مربوط به آلیاژهای آلومینیوم و ویفرهای سیلیکونی کاربرد دارد را در کشور فراهم ساخت.
مواد و روش تحقیق
مواد مصرفی در این تحقیق شامل هیدروکلریک اسید، هیدروفلوئوریک اسید و سیلیکون متالورژیکی 98/90 درصد میباشد که در ترکیب آن در جدول - 1 - آورده شده است. طبق جدول مشاهده میشود که سیلیکون مصرفی دارای سه ناخالصی اصلی فلزی آهن، آلومینیوم و کلسیم بوده ه به صورت فازهای سیلیسید آهن، آلومینیوم و کلسیم در مرزدانههای سلیکون رسوب میکنند.[7]بهجز سیلیکون، سایر مواد مورد استفاده در این فرآیند از شرکت مرک آلمان میباشد که مشخصات آنها در جدول - 2 - آورده شده است.
برای این پژوهش به منظور انجام فرآیند لیچینگ یک سیستم طراحی و ساخته شد. این تجهیز شامل اجزای اصلی حمام بن ماری، یک همزن مخصوص با قابلیت کنترل دور با شفتی مقاوم به حرارت و اسید از جنس تفلون - همزن از طریق یک مدار الکترونیکی به مدار حمام بن ماری با قابلیت برنامه ریزی دما-زمان-دور متصل شده است. - ، محفظه انحلال از جنس پلی اتیلن وستون تقطیر میباشد که تصویر آن در شکل - 2 - آورده شده است. همچنین از تجهیزات خردایش - سنگ شکن فکی و آسیای دیسکی - استفاده گردید.
