李 森，王 杰，王行展，張 賽

（1.開封萬盛新材料有限公司，河南 開封 475000；2.河南新大新材料股份有限公司，河南 開封 475000）

1 引言

晶硅片切割刃料是一種具高硬度和高機(jī)械強(qiáng)度的碳化硅粉體材料，具有導(dǎo)熱性好、切削能力強(qiáng)的特點(diǎn)，應(yīng)用于太陽能晶硅片的線切割領(lǐng)域［1］。在晶硅片切割刃料生產(chǎn)過程中，需要進(jìn)行水力分級(jí)、化學(xué)萃取和提純處理［2］。生產(chǎn)過程產(chǎn)生大量的工業(yè)廢水，該工業(yè)廢水中固含量較高，SS值達(dá)到8000mg/L，其主要成分包括硅酸鹽、硅粉、游離碳以及一定量的碳化硅微粉等。廢水處理過程產(chǎn)生大量的污泥需要進(jìn)行妥善處理，以免對(duì)生態(tài)環(huán)境造成污染。該過程耗費(fèi)大量的人力財(cái)力，增加了企業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本和社會(huì)負(fù)擔(dān)。如何對(duì)該污泥進(jìn)行資源化回收利用處理，既避免對(duì)生態(tài)環(huán)境造成污染，又帶來經(jīng)濟(jì)收益，同時(shí)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)循環(huán)發(fā)展，成為晶硅片切割刃料生產(chǎn)企業(yè)亟待解決的難題。

2 資源化回收工藝

2.1 污泥的主要構(gòu)成及比重

表1為晶硅片切割刃料水處理污泥的主要成分及比重。

表1 晶硅片切割刃料水處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

該污泥中主要含有碳化硅、硅酸鈣、硅、游離碳等成分。其中碳化硅、硅酸鈣兩者所占的質(zhì)量百分比成分含量超過80%。在污泥的材料組成中，碳化硅的比重為3.2g/cm3，在污泥的各材料比重中最高，并且與其他成分如硅酸鈣、游離碳和硅的比重相差較大。

2.2 工藝設(shè)計(jì)

采取浮選離心分離處理的方法，根據(jù)污泥中各成分比重的不同，碳化硅的比重與其他材料的比重相差較大的情況，利用旋流器將污泥中碳化硅與其他成分分離開［3］。

旋流分離器由進(jìn)料口、分離腔體、溢流口、底流口組成，分離腔體呈漸縮狀。污泥料漿在一定壓力下通過進(jìn)料口沿切向進(jìn)入旋流器分離腔體，在分離腔體內(nèi)向下運(yùn)動(dòng)的過程中，流動(dòng)斷面逐漸減小，內(nèi)層漿體轉(zhuǎn)而向上運(yùn)動(dòng)，料漿中的固體顆粒，由于離心慣性力的作用而產(chǎn)生向外運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，但由于漿體由外向內(nèi)的徑向流動(dòng)的阻礙，使得比重較小的顆粒因受離心力太小，不足以克服液流的阻力，只能隨向上的液流一起由溢流管排出，形成溢流口料；比重較大的顆粒則借助較大的離心慣性力克服向內(nèi)流動(dòng)漿體流的阻礙，向外運(yùn)動(dòng)隨向下的液流一起由底流口排出，形成底流口料。圖1為旋流分離器構(gòu)造示意圖。

污泥分離后的碳化硅微粉得到資源化回收返回到生產(chǎn)線，可以繼續(xù)作為晶硅片切割刃料使用。污泥分離后的硅酸鈣因其具有保溫隔熱性、耐熱震穩(wěn)定性以及耐腐蝕性可以應(yīng)用于耐火材料原料以及建筑材料等領(lǐng)域［4，5］，從而實(shí)現(xiàn)污泥的資源化回收處理目的。

圖1 旋流分離器構(gòu)造示意圖Fig.1 Structure of Hydrocyclone Separation

2.3 工藝流程

將污泥按一定的料漿濃度進(jìn)行造漿，然后進(jìn)入旋流器機(jī)組進(jìn)行離心浮選分離。經(jīng)過浮選分離，比重較大的碳化硅料從旋流器底流口流出，比重較小的硅酸鈣、硅和游離碳從溢流口流出。分別檢測(cè)溢流口及底流口出料成分，對(duì)旋流器對(duì)污泥中各成分的分離效果進(jìn)行分析。結(jié)果表明污泥經(jīng)旋流器分離后，溢流口出料富含硅酸鈣鹽?？勺鳛槟突鸩牧显弦约敖ㄖ牧鲜褂谩Ｎ勰嘟?jīng)旋流器分離后，底流口料富含碳化硅，經(jīng)檢測(cè)其碳化硅成分可達(dá)80%以上，再將該料進(jìn)行化學(xué)處理，包括酸洗處理、堿洗處理、溢流萃取等工序，對(duì)碳化硅進(jìn)行處理?；瘜W(xué)處理后的物料經(jīng)過刮刀離心機(jī)以及盤干機(jī)脫水干燥處理，除去物料中的水分，然后經(jīng)過風(fēng)力分級(jí)處理，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。工藝流程如圖2所示。

圖2 污泥資源化回收處理工藝流程Fig.2 Flow Chart of Sludge Resource Recycling Technology

該水處理污泥經(jīng)過以上資源化回收處理，使得企業(yè)的工業(yè)廢棄物得到充分合理的利用，一部分成為晶硅片切割刃料碳化硅微粉產(chǎn)品，另一部分應(yīng)用于耐材及建筑材料領(lǐng)域。這樣既可以避免對(duì)生態(tài)環(huán)境造成污染，同時(shí)也能降低企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本，達(dá)到工業(yè)廢棄物資源化回收利用的目的，保證環(huán)境安全并帶來經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)循環(huán)發(fā)展。

3 影響因素

3.1 溫度對(duì)浮選分離的影響

將污泥料漿加熱50℃后再通入旋流器進(jìn)行浮選離心分離與不加熱直接進(jìn)行分離的效果進(jìn)行對(duì)比，檢驗(yàn)溫度對(duì)浮選分離該污泥的影響，結(jié)果如表2所示。

表2 溫度對(duì)浮選分離的影響Tab.2 Effect of Temperature on Flotation Separation Sludge

分別對(duì)污泥料漿加熱50℃和不加熱兩種情況下，污泥中碳化硅的分離效果進(jìn)行檢測(cè)。試驗(yàn)表明，污泥料漿經(jīng)過50℃加熱后再進(jìn)入旋流器進(jìn)行浮選離心分離，碳化硅的成分達(dá)到95.7%，相比未加熱時(shí)碳化硅成分80.2%提高了19.3%，表明溫度對(duì)浮選分離具有較大的影響。

3.2 壓力對(duì)浮選分離的影響

設(shè)定不同的旋流器分離壓力，分別為0.15、0.20、0.25 MPa，檢驗(yàn)壓力對(duì)浮選分離該污泥的影響，結(jié)果如表3所示。

表3 壓力對(duì)浮選分離的影響Tab.3 Effect of Pressure on Flotation Separation Sludge

試驗(yàn)表明不同的壓力對(duì)污泥浮選分離效果影響較大，隨著分離壓力增大，污泥分離回收的碳化硅成分升高。當(dāng)壓力從0.15 MPa升至0.20 MPa時(shí)，碳化硅成分從69.9%提高至88.7%，碳化硅的成分含量得到較大提升，提高了21.2%。當(dāng)壓力從0.20 MPa升至0.25 MPa時(shí)，碳化硅成分從88.7%提高至90.5%，碳化硅的成分含量略有提高，提高了2.0%，表明此時(shí)壓力的升高對(duì)碳化硅分離效果的影響有限?？紤]生產(chǎn)實(shí)際情況，當(dāng)旋流器分離壓力在0.20 MPa時(shí)，即可獲得比較理想的分離效果。

3.3 旋流速度和時(shí)間對(duì)浮選分離的影響

將污泥料漿分別以5、10、15 m/s的進(jìn)料速度打入旋流分離器對(duì)其進(jìn)行分離，檢驗(yàn)進(jìn)料速度對(duì)污泥浮選分離的影響，結(jié)果如表4所示。

表4 旋流速度和時(shí)間對(duì)浮選分離的影響Tab.4 Effect of Swirling Flow and Time on Flotation Separation Sludge

試驗(yàn)表明旋流分離器不同的進(jìn)料速度對(duì)污泥浮選分離效果的影響較大，隨著分離速度的增大，污泥分離回收的碳化硅成分逐漸升高；而速度的增加，縮短了料漿在旋流分離器內(nèi)的停留時(shí)間，使得料漿中固體顆粒獲取的離心力變大，從而獲得較好的旋流分離效果。當(dāng)進(jìn)料速度較低時(shí)，污泥經(jīng)旋流器分離后的碳化硅成分較低，僅為48.5%。當(dāng)速度從5 m/s升至10 m/s時(shí)，碳化硅成分從48.5%提高至77.3%，碳化硅的成分含量隨著分離速度的增加得到較大提升。當(dāng)速度從10 m/s升至15 m/s時(shí)碳化硅成分從77.3%提高至93.2%，碳化硅的成分提高了20%。

3.4 料漿濃度對(duì)浮選分離的影響

污泥料漿濃度分別為質(zhì)量比35%、25%、15%時(shí)，經(jīng)旋流器對(duì)其進(jìn)行分離，檢驗(yàn)料漿濃度對(duì)污泥浮選分離的影響，結(jié)果如表5所示。

表5 料漿濃度對(duì)浮選分離的影響Tab.5 Effect of Slurry Concentration on Flotation Separation Sludge

試驗(yàn)表明料漿濃度對(duì)污泥浮選分離具有較大影響，污泥經(jīng)浮選離心分離后，旋流器底流口得到的碳化硅成分隨著料漿濃度的降低而升高，當(dāng)料漿濃度從35%降至25%時(shí)，碳化硅成分有較大的提升，從62.7%升高至86.8%，提高了38.4%。當(dāng)料漿濃度從25%降至15%時(shí)，碳化硅成分從86.8%提高至91.3%，提高了5.1%，碳化硅成分提高幅度不大。當(dāng)料漿濃度在25%時(shí)，即可獲得比較理想的分離效果。

4 結(jié)論

(1)采用浮選離心分離技術(shù)，利用旋流器對(duì)晶硅片切割刃料水處理污泥進(jìn)行資源化回收處理，既避免對(duì)生態(tài)環(huán)境造成污染，又變廢為寶，得到的碳化硅微粉可作為晶硅片切割刃料產(chǎn)品，得到的硅酸鈣可作為耐火材料和建筑材料，從而達(dá)到工業(yè)廢棄物資源化回收利用的目的，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)循環(huán)發(fā)展。

(2)溫度、壓力、旋流速度和時(shí)間、料漿濃度均會(huì)對(duì)浮選分離資源化回收處理污泥帶來一定的影響。

(3)資源化回收處理污泥時(shí)，當(dāng)溫度為50℃、分離壓力為0.20 MPa、分離速度為15 m/s、污泥料漿濃度質(zhì)量比25%時(shí)，浮選離心分離回收污泥可獲得較佳的處理效果。

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