淺談多晶硅生產(chǎn)副產(chǎn)物四氯化硅的綜合利用

陶崇花(浙江精功新材料技術(shù)有限公司 浙江省杭州市 310018)

由于傳統(tǒng)的石油、天然氣等非再生能源難以滿足人口和經(jīng)濟(jì)不斷增長的需求， 使得探尋可再生能源成為社會(huì)發(fā)展的重心和焦點(diǎn)。其中多晶硅作為光伏太陽能產(chǎn)業(yè)的基石，成為眾多國家尋求可再生資源的重點(diǎn)之一。我國的多晶硅產(chǎn)業(yè)的發(fā)展源于上世紀(jì)六十年代，并于二十世紀(jì)初，在光伏產(chǎn)業(yè)的推動(dòng)和國家經(jīng)濟(jì)政策的優(yōu)惠下，多晶硅產(chǎn)業(yè)的發(fā)展開始進(jìn)入批量式生產(chǎn)。但多晶硅產(chǎn)業(yè)的發(fā)展在滿足社會(huì)發(fā)展需求的同時(shí)，也必然導(dǎo)致多晶硅生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)品四氯化硅的增多。四氯化硅由于腐蝕性大、污染性強(qiáng)，因此會(huì)嚴(yán)重阻礙多晶硅的健康持續(xù)的發(fā)展。因此，本文在介紹四氯化硅概況的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析多晶硅生產(chǎn)副產(chǎn)品四氯化硅的綜合利用，以便使多晶硅得到長遠(yuǎn)地發(fā)展。

一、四氯化硅的概況

1.四氯化硅的危害

四氯化硅是一種帶有無色或淡黃色具有性氣味的液體，當(dāng)它遇熱或遇水時(shí)容易分解，并放出有毒的腐蝕性煙氣。在多晶硅生產(chǎn)的副產(chǎn)物中，每生產(chǎn)1噸多晶硅，就會(huì)產(chǎn)生10噸左右的四氯化硅。此外，如果將副產(chǎn)物四氯化硅填埋到土地里，就會(huì)使土地變得常年寸草不生?？梢姡穆然璨粌H腐蝕性較大，而且環(huán)境污染也很嚴(yán)重。

2.多晶硅生產(chǎn)中四氯化硅成分的來源

多晶硅是單質(zhì)硅的一種形態(tài)，屬于極為重要的優(yōu)良半導(dǎo)體材料之一。由于它既是單晶硅生產(chǎn)的直接原材料，又能與任何其他的化學(xué)材料發(fā)生作用，因此它被譽(yù)為“微電子大廈的基石”。作為目前我國自動(dòng)控制、信息處理及人工智能等半導(dǎo)體器件的電子信息基礎(chǔ)性材料，在生產(chǎn)發(fā)展過程中產(chǎn)生具有一定污染性的四氯化硅化合物。其具體的來源見圖1：

圖1 多晶硅生產(chǎn)中四氯化硅的來源分析

二、多晶硅生產(chǎn)副產(chǎn)物四氯化硅的綜合利用

多晶硅生產(chǎn)的副產(chǎn)物四氯化硅可以從提純?yōu)楣饫w級四氯化硅、合成氣相二氧化硅、氫化還原成三氯氫硅及合成為硅酸酯四個(gè)方面來綜合利用。下面主要是對這四種方法和技術(shù)的介紹：

1.提純?yōu)楣饫w級四氯化硅

隨著社會(huì)科技的快速發(fā)展，光纖通信由于其自身的通信容量大、抗干擾性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此成為通信網(wǎng)絡(luò)的重心。光纖生產(chǎn)主要是以四氯化硅為主要原料，因此，光纖通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展無疑使得四氯化硅的需求得到突飛猛進(jìn)地發(fā)展。光纖原料的純度是整個(gè)光纖產(chǎn)品質(zhì)量的核心和關(guān)鍵，好的光纖原料有助于降低光纖的損耗，從而降低成本，提高市場競爭力。而四氯化硅作為光纖技術(shù)發(fā)展的核心，在發(fā)展過程中，可以有效利用極性吸附劑將四氯化硅內(nèi)含有的少量雜質(zhì)，如氯化鐵、氯化鋁等極性物質(zhì)吸附出來，從而保證了四氯化硅的純度。此外，通過粗四氯化硅提純獲取的光纖級四氯化硅主要是有氯氣和硅粉的自然反應(yīng)生成，但四氯化硅的提純度不高。而運(yùn)用吸附、絡(luò)合等方法對多晶硅生產(chǎn)中所產(chǎn)生的四氯化硅進(jìn)行提純的辦法，既能避免氯氣和硅粉的浪費(fèi)，解決了成本，又能科學(xué)合理地處理四氯化硅，使之為光纖產(chǎn)業(yè)發(fā)展的做貢獻(xiàn)。

2.合成氣相水合二氧化硅

水合二氧化硅俗稱為“白炭黑”，它是一種無毒流動(dòng)性強(qiáng)的白色絮狀粉體物質(zhì)。由于它具有耐高溫、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)、電力絕緣性好等優(yōu)點(diǎn)，因此在塑料、造紙、食品、化妝品、涂料等行業(yè)中可以用于對產(chǎn)品的補(bǔ)強(qiáng)、增稠、消光等。此外，水合二氧化硅作為重要的補(bǔ)強(qiáng)填料和功能添加劑，享有世界級真正的工業(yè)納米材料的榮譽(yù)。

氣相二氧化硅的合成，首先是通過在1800度的高溫氫氧焰中將其分解，具體的反應(yīng)方程為：

在1800度的高溫溶解過程中，四氯化硅通過釋放出大量的熱氣，從而自動(dòng)生成粒徑約為7納米至40納米的二氧化硅的原生粒子，再通過將原生粒子進(jìn)行冷卻和聚集后，最后得出二氧化硅的粉體。其具體的流程見圖2：

圖2 合成氣相水合二氧化硅的工藝流程

可見，利用多晶體生產(chǎn)副產(chǎn)物四氯化硅不僅有利于推動(dòng)氣相二氧化硅的生產(chǎn)發(fā)展，而且還有助于環(huán)保，使多晶硅的生產(chǎn)發(fā)展也更加節(jié)能和環(huán)保，從而有效實(shí)現(xiàn)了資源循環(huán)利用的目的。

3.氫化還原成三氯氫硅

市場的不斷發(fā)展使得三氯氫硅的需求量持續(xù)增長，因此如何將副產(chǎn)物四氯化硅轉(zhuǎn)換成三氯氫硅，從而實(shí)現(xiàn)資源的可持續(xù)循環(huán)利用是具有十分現(xiàn)實(shí)意義。目前，我國四氯化硅轉(zhuǎn)化成三氯氫硅主要是在有鎳觸媒的前提條件下，合理利用氫氣還原成三氯氫硅。其化學(xué)反應(yīng)公式為：

4.合成為硅酸酯

硅酸脂作為一種重要的精細(xì)化工產(chǎn)品之一，常被用于高溫耐火材料及硅酸鹽陶瓷等方面。硅酸脂主要是通過將四氯化硅與低級脂肪醇混合一起，從而通過酯化反應(yīng)而得到。由于目前硅酸脂需求量不高，每年大約只需5000噸，而每噸硅酸脂只需1噸左右的四氯化硅。可見，四氯化硅在合成硅酸脂的過程中需求量十分有限。

結(jié)束語

一方面社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，需要大規(guī)模的生產(chǎn)多晶硅以滿足市場的需求；而另一方面多晶硅生產(chǎn)的發(fā)展難免會(huì)產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物四氯化硅。因此如何科學(xué)合理地處置四氯化硅成為多晶硅發(fā)展過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。以上從四個(gè)方面提出了四氯化硅的綜合利用辦法，但現(xiàn)有的技術(shù)和條件遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際的需求，因此只有在不斷吸收和引進(jìn)國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，大力創(chuàng)新，從而尋找出解決多晶硅副產(chǎn)物四氯化硅綜合利用的根本途徑和方法。

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