Установка косінова-каплуненка для отримання порошку кремнію високої чистоти

1. Установка для отримання порошку кремнію високої чистоти, що містить реактор з вхідним і вихідним патрубками для прокачування робочої рідини, електроди, встановлені в реакторі і підключені до виходів керованого генератора імпульсів, насос, з'єднаний трубопроводом з вхідним патрубком для прокачування робочої рідини, яка відрізняється тим, що додатково містить посудину для відділення домішок з вхідним патрубком для дисперсії кремнію, вихідним патрубком для рідини, вихідним патрубком для зливу домішок і вихідним патрубком для зливу суспензії порошку U 1 3 елемент, фільтр для розплавленого кремнію, пристрій для витягування злитка. Складність установки і трудомісткість отримання кремнію на ній (фільтри забиваються, їх необхідно міняти), а також підвищені вимоги до самих фільтрів (термостійкість, індиферентність до фільтрованого матеріалу) роблять її нерентабельною для отримання "сонячного" кремнію. Відома установка для отримання порошку кремнію високої чистоти (Патент США N 4241037, кл. С01В 33/02, заявл. 06. 11. 1979, опублік. 23.12.80), що містить плавильну піч, тигель, пристрій розливу в злитки, пристрій подрібнення злитків до шматків розміром 5-10 см, ємкість для обробки кремнію розчином кислот НСl і HF, пристрій промивки порошку кремнію від домішок. Недолік цієї установки полягає в її складності і утворенні великої кількості високотоксичних розчинів, що містять солі барію, хлориди і фториди кальцію, алюмінію і заліза. Відома установка для отримання порошку кремнію високої чистоти, що містить пристрій подрібнення металургійного кремнію, ємкість для обробки кремнію розчином кислот HNO3, HCl, HF, пристрій промивки порошку кремнію від домішок (див. Патент России № 2097320, СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКА КРЕМНИЯ ПОВЫШЕННОЙ ЧИСТОТЫ. МПК С01В 33/037, С01В 33/025 Опубл. 27.11.1997.). Недоліком цієї установки є низька чистота отримуваного порошку кремнію і необхідність використання достатньо високої концентрації неорганічних кислот, що знижує екологічну чистоту. Найбільш близькою до пропонованої є установка для отримання металевого порошку, що містить реактор з патрубком для прокачування робочої рідини, електроди, з'єднані з виходами керованого генератора імпульсів, насос, з'єднаний трубопроводом з патрубком для прокачування робочої рідини, блок вимірювання середнього опору, входами підключений до електродів, а виходом з'єднаний з керуючим входом генератора імпульсів, блок управління потоком рідини, входом підключений до виходу блоку вимірювання середнього опору і до керуючого входу генератора імпульсів, а виходом з'єднаний з насосом (див. Патент України № 18216, ПРИСТРІЙ ДЛЯ ОТРИМАННЯ МЕТАЛЕВОГО ПОРОШКУ. МПК B22F 9/14 (2007.01). Опубл. 15.11.2006, бюл. № 11.). Недоліком цієї установки є низька чистота отримуваного порошку кремнію, обумовлена тим, що домішки, що диспергуються, не відділяються в ній від порошку. Домішки забруднюють кінцевий продукт і не дозволяють отримати високочистий порошок кремнію «сонячної якості». В основу корисної моделі поставлена задача підвищення чистоти порошку кремнію. Поставлена задача вирішується за рахунок включення в установку додаткових вузлів, що дозволяє здійснити диспергування кремнію, що містить домішки, імпульсами електричного струму і розділення домішок і порошку кремнію у водному середовищі за рахунок різної швидкості седиментації порошку і домішок. 47970 4 Запропонована, як і відома установка для отримання порошку кремнію високої чистоти містить реактор з вхідним і вихідним патрубками для прокачування робочої рідини, електроди, встановлені в реакторі і підключені до виходів керованого генератора імпульсів, насос, з'єднаний трубопроводом з вхідним патрубком для прокачування робочої рідини і, відповідно до цієї пропозиції, додатково містить посудину для відділення домішок з вхідним патрубком для дисперсії кремнію, вихідним патрубком для рідини, вихідним патрубком для зливу домішок і вихідним патрубком для зливу суспензії порошку кремнію, при цьому вхідний патрубок для дисперсії кремнію встановлений у верхній частині судини і з'єднаний трубопроводом з вихідним патрубком реактора, вихідний патрубок для рідини встановлений у верхній частині судини і з'єднаний трубопроводом з насосом, вихідний патрубок для зливу суспензії порошку кремнію встановлений в нижній частині судини переважно в днищі, вихідний патрубок для зливу суспензії домішок встановлений нижче за вихідний патрубок для рідини. В якості робочої рідини використовується вода або спирт, а судина для відділення домішок виконана зпрозорого матеріалу. Установка додатково містить посудину для відділення домішок з вхідним патрубком для дисперсії кремнію, вихідним патрубком для рідини, вихідним патрубком для зливу домішок і вихідним патрубком для зливу суспензії порошку кремнію. Це дозволяє підвищити чистоту порошку кремнію за рахунок відділення домішок. Вхідний патрубок для дисперсії кремнію встановлений у верхній частині судини і з'єднаний трубопроводом з вихідним патрубком реактора, вихідний патрубок для рідини встановлений у верхній частині судини і з'єднаний трубопроводом з насосом. Це дозволяє підвищити чистоту порошку кремнію, оскільки в реактор повертатиметься рідина, що відстоялася, без домішок. Вихідний патрубок для зливу суспензії порошку кремнію встановлений в нижній частині судини переважно в днищі. Це дозволяє зливати суспензію порошку без домішок, оскільки порошок розташовується в нижній частині судини, а домішки над ним. Це дозволяє підвищити чистоту порошку кремнію. Вихідний патрубок для зливу домішок встановлений нижче за вихідний патрубок для рідини. Це виключає попадання домішок, що осіли, через насос назад в реактор, що також дозволяє підвищити чистоту порошку кремнію. В якості робочої рідини використовується вода або спирт. Це також підвищує чистоту порошку кремнію, оскільки є можливість застосувати високочисту, наприклад, деіонізовану воду і спирт високої чистоти. Окрім цього використання води або спирту підвищує екологічну чистоту отримання порошку кремнію і виключає втрати порошку, оскільки за рахунок застосування мокрої технології не утворюється кремнієвий пил. Судина для відділення домішок виконана з прозорого матеріалу. Це підвищує чистоту порошку кремнію, оскільки з'являється можливість контролювати процес і своєчасно зливати домішки і не 5 допускати їх підйому до рівня вихідного патрубка для рідини і попадання в реактор через насос. У металургійному кремнії домішки розташовуються по межах зерен кремнію. Електричний опір прошарків з домішками значно менше опору кристалітів кремнію. Подрібнення металургійного кремнію відбувається у воді шляхом пропускання імпульсного електричного струму через гранули кремнію. В результаті електричний струм переважно проходить по міжкристалітним прошарках через домішки, обходячи високоомні кристаліти і, при перевищенні деякого порогового значення (досягши певної щільності струму), призводить до вибухової сублімації домішок усередині кремнію в проміжках між кристалітами. При цьому відбуваються мікро- і нановибухи безпосередньо в тілі гранул металургійного кремнію. Кремній розривається на найдрібніші кристаліти розміром від десятків нанометрів до мікрон, утворюючи порошок. Електричні вибухи кремнію відбуваються у водному середовищі, що різко підсилює диспергування кремнію за рахунок кавітації. В результаті, практично всі поверхні кремнієвих зерен розкриваються і стають доступними для розчинення домішок. Значна частка домішок віддаляється з поверхні зерен при сублімації домішок, а також за рахунок їх «змивання» під дією кавітації. В результаті, домішки переходять з поверхні кристалітів у воду. Домішки, що диспергуються при сублімації, переходять в новий фазовий стан - в нанодисперсний стан. У цьому стані їх щільність стає значно менше щільності кремнію, а питома площа поверхні значно більше, ніж у кремнію. Ці відмінності між наномодифікованими домішками і порошком кремнію дозволяють легко їх розділяти для отримання порошку кремнію високої чистоти. Відділення домішок стає можливим за рахунок «оголення» поверхонь кристалітів, за рахунок високої хімічної активності домішок, що диспергуються до наночастинок, а також за рахунок значної меншої швидкості седиментації нанодисперсних домішок у воді в порівнянні з порошком кремнію. На малюнку представлена схема установки для отримання порошку кремнію високої чистоти. Установка містить: 1 - реактор, 2 - вхідний патрубок для води, 3 - вихідний патрубок для зливу дисперсії, 4, 5 - електроди, 6 - генератор імпульсів, 7 - трубопроводи, 8 - блок управління генератором, 9 - гранули кремнію, 10 - судина для осадження порошку кремнію і домішок, 11 - вхідний патрубок для водної дисперсії кремнію, 12 - вихідний патрубок для води, 13 - осад порошку кремнію, 14 - патрубок для зливу порошку кремнію, 15 - осад нанодисперсних частинок домішок, 16 - патрубок для зливу домішок, 17 - насос. Реактор 1 має вхідний 2 і вихідний 3 патрубки для прокачування робочої рідини. Електроди 4, 5 встановлені в реакторі і підключені до виходів керованого генератора імпульсів 6, що має блок управління потужністю імпульсів 8. Насос 17 з'єднаний трубопроводом 7 з вхідним патрубком 2 для прокачування робочої рідини. Судина 10 для відділення домішок вхідним своїм патрубком 11 з'єднана трубопроводом 7 з вихідним патрубком 3 реактора 1, а вихідним патрубком 12 з'єднана тру 47970 6 бопроводом з насосом 17. Вихідний патрубок 14 для зливу суспензії порошку кремнію 13 встановлений в нижній частині судини 10. переважно в днищі, а вихідний патрубок 16 для зливу домішок встановлений нижче за вихідний патрубок 12 для рідини. Установка для отримання порошку кремнію високої чистоти працює таким чином. У реактор 1, виготовлений з діелектричного матеріалу, завантажують гранули 9 металургійного кремнію, які розміщують рівномірним шаром на дні реактора 1 між електродами 4 і 5. Реактор 1 заповнюють водою. Подрібнення гранул кремнію 9 здійснюють імпульсами електричного струму, які формують за допомогою генератора імпульсів 6. Необхідну потужність імпульсів електричного струму для сублімації домішок встановлюють за допомогою блоку управління 8. В якості генератора імпульсів може бути використаний генератор для електроерозійної обробки металів (як приклад: А.Л. Лившиц, И.С. Рогачев, М.Ш. Отто. Генераторы импульсов. М, "Энергия", 1970, 213 с). Імпульси електричного струму поступають на електроди 4 і 5. У посудину 1 через патрубок 2 поступає вода від насоса 17. У зонах контакту гранул 9 одна з одною і з електродами 4 і 5 виникають іскрові розряди. Електричний струм проходить між електродами 4 і 5 по ланцюжках кремнієвих гранул 9. При цьому гранули кремнію 9 диспергуються електричними розрядами, а нанодисперсні частинки сублімованих домішок, що утворилися, і мікродисперсні частинки кремнію виносяться потоком води з реактора 1 через патрубок 3 і потрапляють через патрубок 11 в ємність 10, де осідають на дно. Диспергування металургійного кремнію шляхом пропускання імпульсного електричного струму через гранули кремнію дозволяє: а) розкрити межі зерен кремнію і зробити доступними міжкристалітні області, оскільки домішки концентруються на межах кристалітів; б) перевести кремній і домішки в такі стани, при яких їх фізичні властивості і хімічна активність різко відрізняються, що дозволяє легко відокремити домішки і підвищити чистоту кінцевого продукту. Одночасно з диспергуванням кремнію диспергуються і домішки, причому, до розмірів наночастинок. Ці наночастинки домішок виконують корисну роль високоактивних коагулянтів. Завдяки дії домішок-коагулянтів водна дисперсія дуже швидко освітлюється з утворенням осаду 13 мікродисперсних частинок кремнію і осаду 15 нанодисперсних частинок домішок, що дає можливість відразу ж повертати воду через насос 17 в реактор 1 по замкнутому циклу. Це значно спрощує пристрій і дозволяє вести процес отримання порошку кремнію безперервно. Розділення домішок 15 і кристалітів кремнію 13 здійснюється безпосередньо при утворенні осаду за рахунок різної швидкості седиментації нанодисперсних домішок і мікродисперсних кристалітів кремнію. При цьому домішки 15 розташовуються у верхньому шарі осаду над шаром 13 порошку кремнію, оскільки щільність нанодисперсних домішок значно менше щільності порошку кремнію. Домішки видаляють зливанням верхнього шару осаду 15 через патрубок 16. Через патрубок 7 47970 14 водна суспензія порошку кремнію 13 зливається з судини 10. її піддають додатковому більш глибокому очищенню від домішок, наприклад, у водних розчинах кислот (див. Santos J.S. et al. Hydrometallurgy. 1990, V. 23, N 2-3, p. 237-246). У установці для отримання порошку кремнію високої чистоти не використовуються високі температури, процеси проходять в умовах кімнатних температур, при нормальному атмосферному тиску, у водному середовищі. Отриманий порошок кремнію знаходиться у воді, він не летючий, не вибухонебезпечний, не пірофорний, його легко і безпечно транспортувати. Приклад. Гранули металургійного кремнію, що містять 96,6 % Si, 0,83 % Fe, 1,22 % Al і 1,35 % Са і мають розміри 10-30 мм, завантажували в реактор. Гранули під дією сили тяжіння рівномірно розміщувалися на дні судини між електродами. Реактор заповнювали водою. На електроди подавали імпульси електричного струму з енергією 150-200 Дж. У реакторі відбувалися електричні розряди між електродами по ланцюжках гранул, що контактують між собою. При цьому гранули кремнію диспергувалися електричними розрядами, а нанодисперсні частинки сублімованих домішок, що утворилися, і мікродисперсні частинки кремнію у вигляді рідини сірого кольору виносилися з реак Комп’ютерна верстка І.Скворцова 8 тора потоком води і потрапляли в ємність, де осідали на дно. Процес диспергування проходив найінтенсивніше при енергії імпульсів більше 150 Дж за рахунок інтенсивної сублімації домішок. Розділення домішок і кристалітів кремнію здійснювалося безпосередньо при утворенні осаду за рахунок різної швидкості седиментації нанодисперсних домішок і мікродисперсних кристалітів кремнію. При цьому домішки розташовувалися у верхньому шарі осаду і мали вигляд каламутного шару. У нижньому шарі осаду розташовувався порошок кремнію сірого кольору з яскравими блискітками. Верхній шар осаду зливали. Обробку кремнію з нижнього шару осаду здійснювали водним розчином кислот, що містить 1 % HNO3 і 0,1 % НСl (у масовому співвідношенні HNO3:HCl=50:1), узятим в кількості в 1,5 разу більше маси металевих домішок, при температурі 333 К. Після цього порошок кремнію додатково обробили у водному розчині, що містить 2 % HF, при температурі 333 К. Отриманий порошок кремнію промили дистильованою водою. Отриманий порошок кремнію мав наступний склад: Si - 99,95 %, Fe - 0,03 %, Al - 0,01 %, Са - 0,02 %. Таким чином, кількість домішок заліза зменшилась майже в 28 разів, алюмінію в 120 разів, кальцію більш, ніж в 60 разів. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601