晶硅片切割刃料加工废水处理后的污泥处置与资源化利用工艺

李 森，王 杰，王行展，张 赛

（1.开封万盛新材料有限公司，河南 开封 475000；2.河南新大新材料股份有限公司，河南 开封 475000）

1 引言

晶硅片切割刃料是一种具高硬度和高机械强度的碳化硅粉体材料，具有导热性好、切削能力强的特点，应用于太阳能晶硅片的线切割领域［1］。在晶硅片切割刃料生产过程中，需要进行水力分级、化学萃取和提纯处理［2］。生产过程产生大量的工业废水，该工业废水中固含量较高，SS值达到8000mg/L，其主要成分包括硅酸盐、硅粉、游离碳以及一定量的碳化硅微粉等。废水处理过程产生大量的污泥需要进行妥善处理，以免对生态环境造成污染。该过程耗费大量的人力财力，增加了企业的生产运营成本和社会负担。如何对该污泥进行资源化回收利用处理，既避免对生态环境造成污染，又带来经济收益，同时实现经济循环发展，成为晶硅片切割刃料生产企业亟待解决的难题。

2 资源化回收工艺

2.1 污泥的主要构成及比重

表1为晶硅片切割刃料水处理污泥的主要成分及比重。

表1 晶硅片切割刃料水处理污泥的主要成分及比重Tab.1 Composition and Gravity of Water Treatment Sludge after Processing of Silicon Wafers Cutting Material

该污泥中主要含有碳化硅、硅酸钙、硅、游离碳等成分。其中碳化硅、硅酸钙两者所占的质量百分比成分含量超过80%。在污泥的材料组成中，碳化硅的比重为3.2g/cm3，在污泥的各材料比重中最高，并且与其他成分如硅酸钙、游离碳和硅的比重相差较大。

2.2 工艺设计

采取浮选离心分离处理的方法，根据污泥中各成分比重的不同，碳化硅的比重与其他材料的比重相差较大的情况，利用旋流器将污泥中碳化硅与其他成分分离开［3］。

旋流分离器由进料口、分离腔体、溢流口、底流口组成，分离腔体呈渐缩状。污泥料浆在一定压力下通过进料口沿切向进入旋流器分离腔体，在分离腔体内向下运动的过程中，流动断面逐渐减小，内层浆体转而向上运动，料浆中的固体颗粒，由于离心惯性力的作用而产生向外运动的趋势，但由于浆体由外向内的径向流动的阻碍，使得比重较小的颗粒因受离心力太小，不足以克服液流的阻力，只能随向上的液流一起由溢流管排出，形成溢流口料；比重较大的颗粒则借助较大的离心惯性力克服向内流动浆体流的阻碍，向外运动随向下的液流一起由底流口排出，形成底流口料。图1为旋流分离器构造示意图。

污泥分离后的碳化硅微粉得到资源化回收返回到生产线，可以继续作为晶硅片切割刃料使用。污泥分离后的硅酸钙因其具有保温隔热性、耐热震稳定性以及耐腐蚀性可以应用于耐火材料原料以及建筑材料等领域［4，5］，从而实现污泥的资源化回收处理目的。

图1 旋流分离器构造示意图Fig.1 Structure of Hydrocyclone Separation

2.3 工艺流程

将污泥按一定的料浆浓度进行造浆，然后进入旋流器机组进行离心浮选分离。经过浮选分离，比重较大的碳化硅料从旋流器底流口流出，比重较小的硅酸钙、硅和游离碳从溢流口流出。分别检测溢流口及底流口出料成分，对旋流器对污泥中各成分的分离效果进行分析。结果表明污泥经旋流器分离后，溢流口出料富含硅酸钙盐。可作为耐火材料原料以及建筑材料使用。污泥经旋流器分离后，底流口料富含碳化硅，经检测其碳化硅成分可达80%以上，再将该料进行化学处理，包括酸洗处理、碱洗处理、溢流萃取等工序，对碳化硅进行处理。化学处理后的物料经过刮刀离心机以及盘干机脱水干燥处理，除去物料中的水分，然后经过风力分级处理，得到不同粒度的成品碳化硅微粉［6］，即得晶硅片切割刃料的成品。工艺流程如图2所示。

图2 污泥资源化回收处理工艺流程Fig.2 Flow Chart of Sludge Resource Recycling Technology

该水处理污泥经过以上资源化回收处理，使得企业的工业废弃物得到充分合理的利用，一部分成为晶硅片切割刃料碳化硅微粉产品，另一部分应用于耐材及建筑材料领域。这样既可以避免对生态环境造成污染，同时也能降低企业生产运营成本，达到工业废弃物资源化回收利用的目的，保证环境安全并带来经济效益，实现经济循环发展。

3 影响因素

3.1 温度对浮选分离的影响

将污泥料浆加热50℃后再通入旋流器进行浮选离心分离与不加热直接进行分离的效果进行对比，检验温度对浮选分离该污泥的影响，结果如表2所示。

表2 温度对浮选分离的影响Tab.2 Effect of Temperature on Flotation Separation Sludge

分别对污泥料浆加热50℃和不加热两种情况下，污泥中碳化硅的分离效果进行检测。试验表明，污泥料浆经过50℃加热后再进入旋流器进行浮选离心分离，碳化硅的成分达到95.7%，相比未加热时碳化硅成分80.2%提高了19.3%，表明温度对浮选分离具有较大的影响。

3.2 压力对浮选分离的影响

设定不同的旋流器分离压力，分别为0.15、0.20、0.25 MPa，检验压力对浮选分离该污泥的影响，结果如表3所示。

表3 压力对浮选分离的影响Tab.3 Effect of Pressure on Flotation Separation Sludge

试验表明不同的压力对污泥浮选分离效果影响较大，随着分离压力增大，污泥分离回收的碳化硅成分升高。当压力从0.15 MPa升至0.20 MPa时，碳化硅成分从69.9%提高至88.7%，碳化硅的成分含量得到较大提升，提高了21.2%。当压力从0.20 MPa升至0.25 MPa时，碳化硅成分从88.7%提高至90.5%，碳化硅的成分含量略有提高，提高了2.0%，表明此时压力的升高对碳化硅分离效果的影响有限。考虑生产实际情况，当旋流器分离压力在0.20 MPa时，即可获得比较理想的分离效果。

3.3 旋流速度和时间对浮选分离的影响

将污泥料浆分别以5、10、15 m/s的进料速度打入旋流分离器对其进行分离，检验进料速度对污泥浮选分离的影响，结果如表4所示。

表4 旋流速度和时间对浮选分离的影响Tab.4 Effect of Swirling Flow and Time on Flotation Separation Sludge

试验表明旋流分离器不同的进料速度对污泥浮选分离效果的影响较大，随着分离速度的增大，污泥分离回收的碳化硅成分逐渐升高；而速度的增加，缩短了料浆在旋流分离器内的停留时间，使得料浆中固体颗粒获取的离心力变大，从而获得较好的旋流分离效果。当进料速度较低时，污泥经旋流器分离后的碳化硅成分较低，仅为48.5%。当速度从5 m/s升至10 m/s时，碳化硅成分从48.5%提高至77.3%，碳化硅的成分含量随着分离速度的增加得到较大提升。当速度从10 m/s升至15 m/s时碳化硅成分从77.3%提高至93.2%，碳化硅的成分提高了20%。

3.4 料浆浓度对浮选分离的影响

污泥料浆浓度分别为质量比35%、25%、15%时，经旋流器对其进行分离，检验料浆浓度对污泥浮选分离的影响，结果如表5所示。

表5 料浆浓度对浮选分离的影响Tab.5 Effect of Slurry Concentration on Flotation Separation Sludge

试验表明料浆浓度对污泥浮选分离具有较大影响，污泥经浮选离心分离后，旋流器底流口得到的碳化硅成分随着料浆浓度的降低而升高，当料浆浓度从35%降至25%时，碳化硅成分有较大的提升，从62.7%升高至86.8%，提高了38.4%。当料浆浓度从25%降至15%时，碳化硅成分从86.8%提高至91.3%，提高了5.1%，碳化硅成分提高幅度不大。当料浆浓度在25%时，即可获得比较理想的分离效果。

4 结论

(1)采用浮选离心分离技术，利用旋流器对晶硅片切割刃料水处理污泥进行资源化回收处理，既避免对生态环境造成污染，又变废为宝，得到的碳化硅微粉可作为晶硅片切割刃料产品，得到的硅酸钙可作为耐火材料和建筑材料，从而达到工业废弃物资源化回收利用的目的，实现经济循环发展。

(2)温度、压力、旋流速度和时间、料浆浓度均会对浮选分离资源化回收处理污泥带来一定的影响。

(3)资源化回收处理污泥时，当温度为50℃、分离压力为0.20 MPa、分离速度为15 m/s、污泥料浆浓度质量比25%时，浮选离心分离回收污泥可获得较佳的处理效果。

［1］HAHN P O.The 300mm silicon wafer:a cost and technology challenge［J］.Microelectronic Engineering，2001，56(12):3－13.

［2］康仁科，田业冰，郭东明，等.大直径硅片超精密磨削技术的研究与应用现状［J］.金刚石与磨料磨具工程，2003，(4):13－25.

［3］黄美玲，熊裕华，魏秀琴，等.硅片线锯砂浆中硅粉与碳化硅粉的泡沫浮选分离回收［J］.电子元件与材料，2010，4(4):74－77.

［4］石兴，李懋强.耐高温、低导热、柔性微孔硅酸钙材料的研究［J］.稀有金属材料与工程，2007，8:561－563.

［5］彭小芹，顾淑英，黄涛，等.水化硅酸钙粉体对硅橡胶的补强作用［J］.土木建筑与环境工程，2010，10(5):109－113.

［6］董祖龙，柳绮年，张绪信，等.气流粉碎和分级系统在碳化硅微粉生产中的应用［J］.中国粉体技术，2001，2(1):35－37.