BRPI1003984A2 - process for producing high purity metallurgical grade metal silicon from purification with metals and other compounds, followed by leaching - Google Patents
process for producing high purity metallurgical grade metal silicon from purification with metals and other compounds, followed by leaching Download PDFInfo
- Publication number
- BRPI1003984A2 BRPI1003984A2 BRPI1003984A BRPI1003984A2 BR PI1003984 A2 BRPI1003984 A2 BR PI1003984A2 BR PI1003984 A BRPI1003984 A BR PI1003984A BR PI1003984 A2 BRPI1003984 A2 BR PI1003984A2
- Authority
- BR
- Brazil
- Prior art keywords
- silicon
- leaching
- high purity
- purification
- metals
- Prior art date
Links
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 75
- 239000010703 silicon Substances 0.000 title claims abstract description 74
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 52
- 238000002386 leaching Methods 0.000 title claims abstract description 42
- 230000008569 process Effects 0.000 title claims abstract description 40
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 39
- 239000002184 metal Substances 0.000 title claims abstract description 39
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 title claims abstract description 21
- 238000000746 purification Methods 0.000 title claims abstract description 21
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 title claims abstract description 18
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 79
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 28
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 claims abstract description 28
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 27
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 26
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 25
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 claims abstract description 25
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 23
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 claims abstract description 23
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims abstract description 19
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims abstract description 19
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 12
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims abstract description 12
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 12
- 238000011109 contamination Methods 0.000 claims abstract description 10
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 9
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 claims abstract description 7
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims abstract description 7
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims abstract description 7
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 6
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 6
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims abstract description 6
- 239000002893 slag Substances 0.000 claims abstract description 6
- 238000007711 solidification Methods 0.000 claims abstract description 5
- 230000008023 solidification Effects 0.000 claims abstract description 5
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical compound [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 4
- -1 argon Chemical compound 0.000 claims abstract description 4
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 claims abstract description 4
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 150000004760 silicates Chemical class 0.000 claims abstract description 4
- 229910052784 alkaline earth metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 3
- 150000001342 alkaline earth metals Chemical class 0.000 claims abstract description 3
- WUKWITHWXAAZEY-UHFFFAOYSA-L calcium difluoride Chemical compound [F-].[F-].[Ca+2] WUKWITHWXAAZEY-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims abstract description 3
- 239000010436 fluorite Substances 0.000 claims abstract description 3
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 claims abstract description 3
- 238000007670 refining Methods 0.000 claims abstract description 3
- 230000035899 viability Effects 0.000 claims abstract description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract 2
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 claims abstract 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 15
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 10
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 7
- MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N Hydrogen peroxide Chemical compound OO MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 5
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 125000004435 hydrogen atom Chemical class [H]* 0.000 claims description 5
- 239000004575 stone Substances 0.000 claims description 5
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 4
- 238000013019 agitation Methods 0.000 claims description 4
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims description 4
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 4
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 4
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 claims description 3
- 150000001639 boron compounds Chemical class 0.000 claims description 3
- 238000000265 homogenisation Methods 0.000 claims description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 3
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 2
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 claims description 2
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 claims description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000010992 reflux Methods 0.000 claims description 2
- 238000009489 vacuum treatment Methods 0.000 claims description 2
- 238000003883 substance clean up Methods 0.000 claims 2
- 238000007654 immersion Methods 0.000 claims 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 claims 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 abstract description 3
- 238000001035 drying Methods 0.000 abstract description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 11
- 239000000047 product Substances 0.000 description 8
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 7
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 6
- 239000002023 wood Substances 0.000 description 6
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000003610 charcoal Substances 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N silicon monoxide Chemical compound [Si-]#[O+] LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 4
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 4
- 229910021422 solar-grade silicon Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 description 3
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 3
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 3
- BZSXEZOLBIJVQK-UHFFFAOYSA-N 2-methylsulfonylbenzoic acid Chemical compound CS(=O)(=O)C1=CC=CC=C1C(O)=O BZSXEZOLBIJVQK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910001021 Ferroalloy Inorganic materials 0.000 description 2
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N Fluorane Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 2
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 2
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 2
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 2
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 2
- 239000003574 free electron Substances 0.000 description 2
- 229910052736 halogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000002367 halogens Chemical class 0.000 description 2
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 2
- 239000011044 quartzite Substances 0.000 description 2
- POFFJVRXOKDESI-UHFFFAOYSA-N 1,3,5,7-tetraoxa-4-silaspiro[3.3]heptane-2,6-dione Chemical compound O1C(=O)O[Si]21OC(=O)O2 POFFJVRXOKDESI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021532 Calcite Inorganic materials 0.000 description 1
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N Calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-M Fluoride anion Chemical compound [F-] KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N Nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N Orthosilicate Chemical compound [O-][Si]([O-])([O-])[O-] BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000676 Si alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000005708 Sodium hypochlorite Substances 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 1
- 229910052783 alkali metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001340 alkali metals Chemical class 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021417 amorphous silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 230000003851 biochemical process Effects 0.000 description 1
- 230000005587 bubbling Effects 0.000 description 1
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 1
- 239000011575 calcium Substances 0.000 description 1
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 150000001805 chlorine compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000006482 condensation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001143 conditioned effect Effects 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000002939 deleterious effect Effects 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 238000005188 flotation Methods 0.000 description 1
- 150000002222 fluorine compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000011019 hematite Substances 0.000 description 1
- 229910052595 hematite Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002198 insoluble material Substances 0.000 description 1
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- LIKBJVNGSGBSGK-UHFFFAOYSA-N iron(3+);oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Fe+3].[Fe+3] LIKBJVNGSGBSGK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 1
- 231100000053 low toxicity Toxicity 0.000 description 1
- 238000007885 magnetic separation Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000011707 mineral Substances 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 229910017604 nitric acid Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 239000002006 petroleum coke Substances 0.000 description 1
- 150000003018 phosphorus compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000004886 process control Methods 0.000 description 1
- 238000005204 segregation Methods 0.000 description 1
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- SUKJFIGYRHOWBL-UHFFFAOYSA-N sodium hypochlorite Chemical compound [Na+].Cl[O-] SUKJFIGYRHOWBL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 238000007619 statistical method Methods 0.000 description 1
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B33/00—Silicon; Compounds thereof
- C01B33/02—Silicon
- C01B33/037—Purification
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Silicon Compounds (AREA)
Abstract
PROCESSO PARA PRODUçãO DE SILìCIO METáLICO GRAU METALúRGICO DE ELEVADA PUREZA A PARTIR DA PURIFICAçãO COM METAIS E OUTROS COMPOSTOS, SEGUIDA DE LIXIVIAçãO. A presente Patente apresenta um novo processo de produção de Silício metálico, em grau metalúrgico de elevada pureza, por meio da lixiviação do silício metálico, seguido de etapas posteriores de purificação. O Processo, objeto desta Patente, ao utilizar o processo de purificação do silício metálico a partir da introdução de metais e/ou outros compostos ao banho, e outras técnicas, seguida da lixiviação, lavagem e secagem faz avançar o Estado da Técnica por permitir a obtenção das seguintes vantagens: 1.Redução expressiva nos teores de contaminantes e de outros metais, no Silício, 2.Viabilidade económica na produção de Silício metálico, de grau metalúrgico de elevada pureza, quando comparada aos processos tradicionais; 3.Reduzido número de etapas processuais para obtenção de silício grau metalúrgico de elevada pureza; 4.Possibilidade de uso de produtos e/ou substâncias de baixo custo para formação e remoção de contaminações ou componentes indesejáveis. A presente Patente consiste basicamente de quatro etapas para obtenção de Silício metálico, grau metalúrgico de elevada pureza, com teores individuais de Boro e Fósforo inferiores a 1ppm: Primeira etapa: - adição de metais alcalinos e/ou alcalinos terrosos e/ou outros componentes como: fluorita, sílica, silicatos, escória sintética, antes, durante, ou, após a fusão do silício metálico. Segunda etapa: injeção simultânea e/ou consecutiva de gases sobre o banho com temperatura elevada, acima da temperatura de fusão do silício metálico, como argónio, argónio umidificado, vapor d'água, oxigênio, cloro, hidrogênio, hidróxidos, etc. Manutenção da injeção de gases sobre o banho em turbulência por tempo suficiente para que todo o volume/massa do metal tenha contato com a massa de gás direcionada ao banho. Terceira etapa:- purificação ou não, do produto, acima citado, em forno de refino, a plasma e/ou forno indutivo e/ou forno elétrico, forno de resistência, com uso simultâneo e/ou consecutivo de diversos procedimentos. Quarta etapa: - o Silício metálico com teores individuais de Boro e Fósforo inferiores a 0.5 ppm - obtido conforme acima descrito é submetido ao processo de refusão e solidificação direcional, com ou sem a presença de plasma térmico e injeção de gases. Estas etapas podem ocorrer de forma simultânea, conforme ordem descrita acima, mas também com alteração ou substituição na ordem de ocorrência, bem como freqüência e número de repetições de cada etapa.PROCESS FOR THE PRODUCTION OF METALLIC SILICIUM METALLURGICAL DEGREE OF HIGH PURITY FROM PURIFICATION WITH METALS AND OTHER COMPOUNDS, FOLLOWED BY Leaching. The present patent presents a new production process of metallic silicon, in high purity metallurgical grade, by leaching the metallic silicon, followed by further purification steps. The Process, object of this Patent, when using the process of purification of metallic silicon from the introduction of metals and / or other compounds to the bath, and other techniques, followed by leaching, washing and drying, advances the State of the Art by allowing the obtaining the following advantages: 1. Significant reduction in the contents of contaminants and other metals, in silicon, 2. Economic viability in the production of metallic silicon, of high purity metallurgical grade, when compared to traditional processes; 3. Reduced number of process steps to obtain high purity metallurgical grade silicon; 4. Possibility of using low-cost products and / or substances for the formation and removal of contaminations or undesirable components. The present patent basically consists of four stages to obtain metallic Silicon, metallurgical grade of high purity, with individual contents of Boron and Phosphorus below 1ppm: First stage: - addition of alkaline and / or alkaline earth metals and / or other components such as : fluorite, silica, silicates, synthetic slag, before, during, or after the melting of metallic silicon. Second stage: simultaneous and / or consecutive injection of gases into the bath with high temperature, above the melting temperature of metallic silicon, such as argon, humidified argon, water vapor, oxygen, chlorine, hydrogen, hydroxides, etc. Maintenance of gas injection over the bath in turbulence for a sufficient time so that the entire volume / mass of the metal has contact with the gas mass directed to the bath. Third stage: - purification or not, of the aforementioned product, in a refining oven, plasma and / or inductive oven and / or electric oven, resistance oven, with simultaneous and / or consecutive use of various procedures. Fourth stage: - Metal silicon with individual levels of Boron and Phosphorus below 0.5 ppm - obtained as described above is subjected to the process of reflow and directional solidification, with or without the presence of thermal plasma and gas injection. These steps can occur simultaneously, in the order described above, but also with change or replacement in the order of occurrence, as well as frequency and number of repetitions of each step.
Description
"PROCESSO PARA PRODUÇÃO DE SILÍCIO METÁLICO GRAU METALÚRGICO DE ELEVADA PUREZA A PARTIR DA PURIFICAÇÃO COM METAIS E OUTROS COMPOSTOS, SEGUIDA DE LIXIVIAÇÃO""PROCESS FOR PRODUCTION OF METAL SILICON OF HIGH PURITY METALURGICAL DEGREE FROM PURIFICATION WITH METALS AND OTHER COMPOUNDS, FOLLOWING Leaching"
Campos desta Patente:Fields of this Patent:
• Purificação de silício metálico grau metalúrgico, a partir da utilização de metais alcalinos, alcalinos terrosos, halogêneos, silicatos, escória sintética, sílica, fluoretos e outros.• Purification of metallurgical grade metallic silicon from the use of alkali, alkaline earth, halogen, silicate, synthetic slag, silica, fluoride and others.
• Processo de injeção ou adição de metais durante o tratamento metalúrgico, em panela, do silício metálico, para formação de compostos a base de boro e fósforo.• Process of injection or addition of metals during the metallurgical pan treatment of silicon metal to form boron and phosphorus based compounds.
• Processo de injeção ou adição de metais durante o tratamento metalúrgico, no próprio forno elétrico, que pode ocorrer antes ou após a formação do banho de silício metálico, ou fusão do metal.• Process of injection or addition of metals during metallurgical treatment in the electric furnace itself, which may occur before or after the formation of the silicon metal bath, or melting of the metal.
• Processo de purificação do Silício metálico grau metalúrgico, a partir do tratamento do silício fundido, seguido do resfriamento, solidificação e tratamento final por lixiviação do metal e remoção das impurezas.• Metallurgical grade metallic silicon purification process, from the treatment of molten silicon, followed by cooling, solidification and final treatment by metal leaching and removal of impurities.
• Processo de purificação do Silício metálico grau metalúrgico a partir de etapas consecutivas de tratamento: adição de metais e/ou compostos específicos para formação de ligas a base de Si e segregação de impurezas ou metais contaminantes, remoção das contaminações por lixiviação ácida do silício metálico, tratamento do silício metálico por plasma e/ou indução com injeção de gás para eliminação e volatilização dos compostos de boro residuais e solidificação direcional.• Metallurgical grade metallic silicon purification process from consecutive treatment steps: addition of metals and / or specific compounds for Si-based alloy formation and segregation of impurities or contaminant metals, removal of acidic leach contamination from metallic silicon , plasma silicon metal treatment and / or gas injection induction for elimination and volatilization of residual boron compounds and directional solidification.
• Processo de purificação do Silício metálico grau metalúrgico a partir da introdução de metais alcalinos, alcalinos terrosos, halogêneos, silicatos, escória sintética, sílica, fluoretos e outros para formação de compostos a base de fósforo, que são segregados na escória. Simultaneamente à injeção de gases no banho em elevada temperatura, para formação e volatilização de compostos a base de boro. Seguida de escorificação e eliminação dos elementos deletérios à preparação de células solares.• Metallurgical grade metallic silicon purification process from the introduction of alkali metals, alkaline earth, halogens, silicates, synthetic slag, silica, fluorides and others to form phosphorus-based compounds, which are segregated in the slag. Simultaneously to the injection of gases in the bath at high temperature, for formation and volatilization of boron based compounds. Followed by scorification and elimination of deleterious elements to the preparation of solar cells.
Refere-se a presente Patente de Invenção a um processo de produção de silício metálico de elevado grau de pureza, obtido a partir da adição de metais e/ou outros compostos ao banho líquido, ou mesmo antes da fusão; seguida de outras etapas de purificação; obtendo-se dessa forma, silício com baixíssimos teores de impurezas.The present invention relates to a process of producing high purity metallic silicon obtained from the addition of metals and / or other compounds to the liquid bath or even prior to melting; followed by further purification steps; thus obtaining silicon with very low levels of impurities.
Estado da Técnica.State of the art.
A carga utilizada em cada carregamento dos fornos para a produção de silício metálico consiste em quartzo e/ou quartzito, carvão vegetal, coque de petróleo e/ou carvão vegetal, além de cavacos de madeira e/ou biomassa. Para obtenção de um bom desempenho do forno, as matérias primas são previamente bitoladas em faixas granulométricas determinadas. Para obtenção de um produto de alta qualidade a matéria prima é rigorosamente selecionada procurando-se evitar ao máximo a presença de impurezas principais tais como Ferro, Cálcio, Alumínio, Titânio, Tungstênio, em especial Boro e Fósforo.The load used on each furnace loading for the production of metallic silicon consists of quartz and / or quartzite, charcoal, petroleum coke and / or charcoal, as well as wood chips and / or biomass. To obtain a good oven performance, the raw materials are previously gauged in certain particle size ranges. In order to obtain a high quality product, the raw material is rigorously selected, trying to avoid the presence of major impurities such as Iron, Calcium, Aluminum, Titanium, Tungsten, especially Boron and Phosphorus.
A produção de Silício Metálico é obtida essencialmente pela redução da sílica, com carbono, presente no carvão vegetal.The production of metal silicon is obtained essentially by reducing the silica with carbon present in charcoal.
Sob o ponto de vista estequiométrico, a relação que descreve o processo é a seguinte:From a stoichiometric point of view, the relationship describing the process is as follows:
SiO2(I) + 2C(S) = Si(i) + 2C0................................................................(1)SiO2 (I) + 2C (S) = Si (i) + 2C0 .................................. ..............................(1)
Entretanto, esta é apenas a equação estequiométrica final; o processo de redução da sílica pelo carbono é mais complexo do que o mostrado pela equação (1), incluindo vários estágios intermediários, como podem ser visualizados de forma sucinta abaixo:However, this is only the final stoichiometric equation; The process of reducing silica by carbon is more complex than shown by equation (1), including several intermediate stages, as can be summarized below:
SiO2(I) + 3C(S) = SiC(g) + 2C0(g) ........................................... (2)SiO2 (I) + 3C (S) = SiC (g) + 2C0 (g) ........................... ............ (2)
2SiC(g) + SiO2w = 3Si(i) + 2C0(g) ....................................................(3)2SiC (g) + SiO2w = 3Si (i) + 2C0 (g) .............................. .................. (3)
2SiC(S) + 3Si02(s) = Si(i) + 3SiO(g) + C0(g) ......................................(4)2SiC (S) + 3Si02 (s) = Si (i) + 3SiO (g) + C0 (g) .......................... ............ (4)
Na ausência de carbono os gases podem reagir para gerar produtos condensados, conforme as reações: SiO(g)+CO(g) = 2SÍ0(g) + SÍC(g) ........................................ (5)In the absence of carbon the gases may react to generate condensed products, according to the reactions: SiO (g) + CO (g) = 2 Si (g) + SiC (g) .............. .......................... (5)
Si0(g) + CO(g) = Si02(g) + C ........................................ (6)Si0 (g) + CO (g) = Si02 (g) + C .............................. ...... (6)
2SiO(g)= Si(I) + SiO2(S) ........................................ (7)2SiO (g) = Si (I) + SiO2 (S) .................................... .... (7)
Na presença de carbono, a reação SiO + 2C = SiC + C0(9) é preferencial acima de cerca de 1500°C, e as reações 5, 6 e 7 de condensação se processam em temperaturas inferiores.In the presence of carbon, the SiO + 2C = SiC + C0 (9) reaction is preferred above about 1500 ° C, and condensation reactions 5, 6 and 7 proceed at lower temperatures.
Um controle adequado de carga enfornada é necessário para uma boa operação do forno, evitando altas perdas de oxido de silício nos gases e a formação de carbonato de silício que origina incrustações e diminui o tempo de vida útil dos componentes do forno.Proper control of the hanging load is required for proper furnace operation, avoiding high losses of silicon oxide in the gases and the formation of silicon carbonate which causes fouling and shortens the life of the furnace components.
A função dos cavacos de madeira ou biomassa em um forno elétrico de redução é de atuar como condicionadores de carga e tem como objetivo melhorar a porosidade e reduzir a condutividade, além de contribuir como fonte de carbono.The function of wood or biomass chips in an electric reduction furnace is to act as load conditioners and aims to improve porosity and reduce conductivity, as well as contributing as a carbon source.
A contribuição primordial deste cavaco, na composição da carga dos fornos de ferro-ligas e silício metálico é, então, de promover a estabilização e distribuição do fluxo de gás de forma equilibrada durante o processo, através da evolução de gás uniformemente por todas as camadas, fornecendo uma multiplicidade de canais de baixa pressão para escape dos gases. Uma vazão uniforme dos gases pelo topo do forno otimiza a penetração dos eletrodos e com isso a performance do forno e permeabilidade da carga.The primary contribution of this chip in the charge composition of ferroalloy and silicon furnaces is to promote the stabilization and distribution of the gas flow evenly throughout the process by uniformly evolving gas throughout the layers. , providing a multitude of low pressure channels for exhaust gases. Uniform gas flow through the top of the furnace optimizes electrode penetration and thereby furnace performance and charge permeability.
Ligas a base de silício metálico e/ou ferro-ligas são processados de forma semelhante, porém além do uso de quartzo e/ou quartzito como matéria- prima, utilizam-se também outros minerais como hematita, calcita, etc.Metallic silicon alloys and / or ferroalloys are similarly processed, but in addition to the use of quartz and / or quartzite as a raw material, other minerals such as hematite, calcite, etc. are also used.
A produção do silício metálico grau metalúrgico de elevada pureza está condicionada mais à qualidade de suas matérias-primas, do que ao controle do processo propriamente. As fontes de contaminações podem ser endógenas ou exógenas. As contaminações endógenas caracterizam-se por serem intrínsecas às matérias-primas, ou seja, fazem parte de sua composição química (impurezas). As contaminações exógenas são todas as demais fontes.The production of high purity metallurgical grade metallic silicon is conditioned more on the quality of its raw materials than on the process control itself. The sources of contamination can be endogenous or exogenous. Endogenous contaminations are characterized by being intrinsic to the raw materials, ie, they are part of their chemical composition (impurities). Exogenous contamination is all other sources.
0 silício grau metalúrgico de elevada pureza consiste em um produto potencial para uso na indústria fotovoltaica. Ou seja, é um produto capaz de substituir o silício grau eletrônico na confecção de células solares, com eficiência semelhante.High purity metallurgical grade silicon is a potential product for use in the photovoltaic industry. That is, it is a product capable of replacing electronic grade silicon in solar cell making with similar efficiency.
Dentre as principais contaminações no silício grau solar ou metalúrgico de elevada pureza, estão o boro e o fósforo. Estes elementos devem idealmente ser nulos ou possuírem teores inferiores a 5ppm. Acima deste percentual, estes elementos prejudicam a eficiência da célula solar.Among the major contaminations in high purity solar or metallurgical grade silicon are boron and phosphorus. These elements should ideally be null or less than 5ppm. Above this percentage, these elements impair the efficiency of the solar cell.
Tanto o B quanto o P são dopantes do Si, dependendo da concentração presente no material podem funcionar também como impurezas. A presença destes elementos dá caráter à lâmina, ou seja, o Si com maior concentração de Boro é do tipo p, e o Si ou lâmina com maior concentração de Fósforo é do tipo n. Medidas de resistividade e tempo de vida de portadores juntamente com a análise química são usadas para caracterizar o material. Lâminas com baixo valor de resistividade, da ordem de 0,08 ohm.cm indicam que o material ainda possui muitas impurezas, que podem ser metálicas, ou ainda possuem altos níveis de B e P.Both B and P are Si dopants, depending on the concentration present in the material can also function as impurities. The presence of these elements gives character to the blade, that is, the Si with higher concentration of Boron is of type p, and the Si or blade with higher concentration of Phosphorus is of type n. Resistivity and carrier life measurements along with chemical analysis are used to characterize the material. Slides with a low resistivity value of 0.08 ohm.cm indicate that the material still has many impurities, which may be metallic, or even have high levels of B and P.
O efeito fotovoltaico dá-se em materiais da natureza denominados semicondutores que se caracterizam pela presença de bandas de energia onde é permitida a presença de elétrons (banda de valência) e de outra onde totalmente "vazia" (banda de condução). O semicondutor mais usado é o silício. Seus átomos se caracterizam por possuírem quatro elétrons que se ligam aos vizinhos, formando uma rede cristalina. Ao adicionarem-se átomos com cinco elétrons de ligação, como o fósforo, por exemplo, haverá um elétron em excesso que não poderá ser emparelhado e que ficará "sobrando", fracamente ligado a seu átomo de origem. Isto faz com que, com pouca energia térmica, este elétron se livre, indo para a banda de condução. Diz-se assim, que o fósforo é um dopante doador de elétrons e denomina-se dopante η ou impureza n. Se, por outro lado, introduzem-se átomos com apenas três elétrons de ligação, como é o caso do boro, haverá uma falta de um elétron para satisfazer as ligações com os átomos de silício da rede. Esta falta de elétron é denominada buraco ou lacuna e ocorre que, com pouca energia térmica, um elétron de um sítio vizinho pode passar a esta posição, fazendo com que o buraco se desloque. Diz-se, portanto, que o boro é um aceitador de elétrons ou um dopante p.The photovoltaic effect occurs in materials of nature called semiconductors that are characterized by the presence of energy bands where the presence of electrons (valence band) and another where totally "empty" (conduction band) is allowed. The most commonly used semiconductor is silicon. Their atoms are characterized by having four electrons that bind to their neighbors, forming a crystal lattice. By adding atoms with five bonding electrons, such as phosphorus, for example, there will be an excess electron that cannot be paired and will be "left over," loosely attached to its parent atom. This causes, with little thermal energy, this electron to break free, going into the conduction band. Thus it is said that phosphorus is an electron donor dopant and is called dopant η or impurity n. If, on the other hand, atoms with only three bonding electrons are introduced, such as boron, there will be a lack of one electron to satisfy the bonds with the silicon atoms in the network. This lack of electron is called a hole or gap and it occurs that with low thermal energy, an electron from a neighboring site can move to this position, causing the hole to move. Therefore, boron is said to be an electron acceptor or a dopant p.
Se partindo de um silício puro, forem introduzidos átomos de boro em uma metade e de fósforo na outra, será formado o que se chama junção pn. O que ocorre nesta junção é que elétrons livres do lado η passam ao lado ρ onde encontram os buracos que os capturam; isto faz com que haja um acúmulo de elétrons no lado p, tornando-o negativamente carregado e uma redução de elétrons do lado n, que o torna eletricamente positivo. Estas cargas aprisionadas dão origem a um campo elétrico permanente que dificulta a passagem de mais elétrons do lado η para o lado p; este processo alcança um equilíbrio quando o campo elétrico forma uma barreira capaz de barrar os elétrons livres remanescentes no lado n. Se uma junção pn for exposta a fótons com energia maior que o gap, ocorrerá a geração de pares elétron-lacuna; se isto acontecer na região onde o campo elétrico é diferente de zero, as cargas serão aceleradas, gerando assim, uma corrente através da junção; este deslocamento de cargas dá origem a uma diferença de potencial ao qual chamamos de Efeito Fotovoltaico. Se as duas extremidades do "pedaço" de silício forem conectadas por um fio, haverá uma circulação de elétrons. Esta é a base do funcionamento das células fotovoltaicas.If starting from pure silicon, boron atoms are introduced in one half and phosphorus in the other, the so-called pn junction will be formed. What happens at this junction is that free electrons from side η pass side ρ where they find the holes that capture them; This causes an accumulation of electrons on the p-side, making it negatively charged, and a reduction in electrons on the n-side, which makes it electrically positive. These trapped charges give rise to a permanent electric field that makes it difficult for more electrons to pass from side η to side p; This process achieves an equilibrium when the electric field forms a barrier capable of barring the remaining free electrons on the n side. If a pn junction is exposed to photons with energy greater than the gap, electron-gap pair generation occurs; if this happens in the region where the electric field is nonzero, the charges will be accelerated, thus generating a current through the junction; This shifting of charges gives rise to a potential difference we call the Photovoltaic Effect. If the two ends of the silicon "piece" are connected by a wire, there will be an electron circulation. This is the basis of the operation of photovoltaic cells.
Por este motivo, o silício utilizado como semicondutor deve ter o máximo teor de pureza possível, pois qualquer contaminação metálica pode roubar elétrons e prejudicar o efeito de formação da corrente, especialmente os elementos boro e fósforo que são os metais doadores/receptores e, portanto devem ser dopados de forma homogênea entre as acamadas η e p. De outra forma, ou seja; presentes na lâmina de Si de forma aleatória, eles criam resistência e reduzem de forma significativa a eficiência do efeito fotoelétrico. Dentre as matérias-primas utilizadas, o carvão vegetal consiste na principal fonte de boro e fósforo como contaminantes do Silício. E estes elementos são as impurezas ou contaminações mais complexas de serem removidas e também mais danosas à célula solar, uma vez que usualmente substituem o átomo de silício na estrutura cristalina. O teor de boro no carvão pode variar entre 5 e 30 ppm; e a relação entre a carga de carvão vegetal por tonelada de Silício metálico é de 1,2. A sílica possui em torno de 1 a 20 ppm de boro e sua proporção na produção é de 2,5 toneladas de quartzo por tonelada de silício produzido. Já para no cavaco de madeira, a concentração de boro está em torno de 3ppm e sua relação é de 1,5 toneladas de cavaco por tonelada de silício metálico. Dessa forma, dentre os principais constituintes da reação, o carvão, proveniente da biomassa é o principal agente contaminante ou principal fonte de componentes indesejáveis na produção de silício metálico.For this reason, silicon used as a semiconductor should be as pure as possible, as any metallic contamination can steal electrons and impair the effect of current formation, especially the boron and phosphorus elements that are the donor / receptor metals and therefore should be doped homogeneously between the bedrings η and p. Otherwise, ie; present in the Si blade at random, they create resistance and significantly reduce the efficiency of the photoelectric effect. Among the raw materials used, charcoal is the main source of boron and phosphorus as silicon contaminants. And these elements are the most complex impurities or contaminants to remove and also most damaging to the solar cell, as they usually replace the silicon atom in the crystal structure. The boron content of coal may range from 5 to 30 ppm; and the ratio between the charge of charcoal per ton of metallic silicon is 1.2. Silica has about 1 to 20 ppm boron and its production ratio is 2.5 tons of quartz per ton of silicon produced. For wood chips, the boron concentration is around 3ppm and its ratio is 1.5 tons of chips per ton of metallic silicon. Thus, among the main constituents of the reaction, coal from biomass is the main contaminating agent or main source of undesirable components in the production of metallic silicon.
Em um processo convencional, o teor de boro e o teor de fósforo no silício metálico grau metalúrgico oscila em torno de 10 e 40 ppm, respectivamente. No entanto, o mercado mundial, exige concentrações destes elementos abaixo de 1ppm, em alguns casos abaixo de 0,2ppm. O que constitui um significativo avanço na tecnologia de processamento e obtenção do silício metálico; que de forma significativa é, atualmente, obtido a partir do feedstock ou rejeito do processo de produção do silício grau eletrônico, portanto possui um elevado e muitas vezes inviável custo produtivo.In a conventional process, the boron content and phosphorus content in the metallurgical grade silicon oscillate around 10 and 40 ppm, respectively. However, the world market requires concentrations of these elements below 1ppm, in some cases below 0.2ppm. This is a significant advance in the technology of processing and obtaining metallic silicon; which is significantly obtained today from the feedstock or tailings of the electronic grade silicon production process, so it has a high and often unviable production cost.
Infere-se que a indústria fotovoltaica tem crescido rápida e constantemente, sendo pertinente salientar que a demanda prevista para 2020 é de 72.000t de silício grau solar (SGS), cujo teor de pureza é de 99,999%; e uma capacidade potencial de geração de energia a partir de painéis solares em torno de 40GW. Dentre as tecnologias promissoras, para se atingir esta expectativa estão a produção de filmes finos, silício amorfo e em especial a produção de silício grau metalúrgico de elevada pureza.It is inferred that the photovoltaic industry has been growing rapidly and steadily, and it is pertinent to point out that the forecast demand for 2020 is 72,000t of solar grade silicon (SGS), whose purity content is 99.999%; and a potential power generation from solar panels around 40GW. Among the promising technologies, to achieve this expectation are the production of thin films, amorphous silicon and in particular the production of high purity metallurgical grade silicon.
Críticas ao Estado da Técnica.Criticism of the State of the Art.
Como na quase totalidade dos processos químicos, metalúrgicos, farmacêuticos e bioquímicos nos quais se busca produtos com teores de pureza maiores que 99,999% - ou, em visão por outro ângulo, de teores de contaminantes menores que 10 partes por milhão - a experiência indica que a melhor forma técnica e econômica é utilizar-se de matérias primas de maior pureza possível.As in almost all chemical, metallurgical, pharmaceutical and biochemical processes in which products with purity levels greater than 99.999% are sought - or, from a different angle, contaminant content of less than 10 parts per million - experience indicates that The best technical and economical way is to use the highest possible raw materials.
No caso da contaminação, por Boro e Fósforo, dos principais insumos destinados à produção de Silício de Grau Solar - sílica e madeira - as técnicas de separação físicas como a flotação, separação magnética, etc. são geralmente pouco efetivas para remoção de boro e fósforo e podem, com vantagens, serem substituídas por lixiviação.In the case of contamination by Boron and Phosphorus of the main inputs for the production of Solar Grade Silicon - silica and wood - physical separation techniques such as flotation, magnetic separation, etc. They are generally ineffective for boron and phosphorus removal and may advantageously be replaced by leaching.
Inovações introduzidas por esta Patente no Estado da Técnica.Innovations introduced by this patent in the prior art.
Nos dias atuais há constantes e incansáveis buscas por novas tecnologias na produção e co-geração de energia renovável. Neste mesmo caminho, verifica-se que vêm sendo desenvolvidos diversos projetos nos campos de energia eólica, energia solar, energia das marés, hidrelétricas entre outras, como fonte de energia limpa e sustentável.Nowadays there are constant and tireless search for new technologies in the production and cogeneration of renewable energy. Along the same path, it is verified that several projects are being developed in the fields of wind energy, solar energy, tidal energy, hydroelectric power plants, among others, as a source of clean and sustainable energy.
A presente Patente apresenta um novo processo de produção de Silício metálico, em grau metalúrgico de elevada pureza, por meio da lixiviação do silício metálico, seguido de etapas posteriores de purificação.The present patent discloses a novel process of producing high purity metallurgical grade metal silicon by leaching the metallic silicon followed by further purification steps.
O PROCESSO PARA PRODUÇÃO DE SILÍCIO METÁLICO GRAU METALÚRGICO DE ELEVADA PUREZA A PARTIR DA PURIFICAÇÃO COM METAIS E OUTROS, SEGUIDA DE LIXIVIAÇÃO objeto desta Patente, ao utilizar o processo de purificação do silício metálico a partir da introdução de metais e/ou outros compostos ao banho, e outras técnicas, seguida da lixiviação, lavagem e secagem faz avançar o Estado da Técnica por permitir a obtenção das seguintes vantagens:THE PROCESS FOR PRODUCING METAL SILICITY OF HIGH PURITY METALURGIC FROM PURIFICATION WITH METALS AND OTHERS FOLLOWED by this Patent when using the process of purifying metallic silicon from the introduction of metals and / or other compounds into the bath , and other techniques, followed by leaching, washing and drying advance the state of the art by enabling the following advantages to be obtained:
1. Redução expressiva nos teores de contaminantes e de outros metais, no Silício;1. Significant reduction in the levels of contaminants and other metals in silicon;
2. Viabilidade econômica na produção de Silício metálico, de grau metalúrgico de elevada pureza, quando comparada aos processos tradicionais; 3. Reduzido número de etapas processuais para obtenção de silício grau metalúrgico de elevada pureza;2. Economic viability in the production of high purity metallurgical grade metallic silicon when compared to traditional processes; 3. Reduced number of process steps to obtain high purity metallurgical grade silicon;
4. Possibilidade de uso de produtos e/ou substâncias de baixo custo para formação e remoção de contaminações ou componentes indesejáveis.4. Possibility of using low cost products and / or substances to form and remove unwanted contamination or components.
Descrição do "PROCESSO PARA PRODUÇÃO DE SILÍCIO METÁLICO GRAU METALÚRGICO DE ELEVADA PUREZA A PARTIR DA PURIFICAÇÃO COM METAIS E OUTROS COMPOSTOS SEGUIDA DE LIXIVIAÇÃO", objeto desta Patente.DESCRIPTION OF THE "PROCESS FOR PRODUCTION OF METAL SILICON OF HIGH PURITY METALURGICAL DEGREE FROM PURIFICATION WITH METALS AND OTHER COMPOSITIONS FOLLOWED BY Leaching", object of this Patent
A presente Patente consiste basicamente de quatro etapas para obtenção de Silício metálico, grau metalúrgico de elevada pureza, com teores individuais de Boro e Fósforo inferiores a 1ppm:The present patent consists basically of four steps to obtain high purity metallurgical grade metallic silicon with individual boron and phosphorus contents of less than 1ppm:
Primeira etapa: - adição de metais alcalinos e/ou alcalinos terrosos e/ou outros componentes como: fluorita, sílica, silicatos, escória sintética, antes, durante, ou, após a fusão do silício metálico.First step: - Addition of alkaline and / or alkaline earth metals and / or other components such as fluorite, silica, silicates, synthetic slag before, during or after melting of the metallic silicon.
• Estas substâncias poderão ser adicionadas na forma de material moído, pulverizado, britado, ou mesmo, como grãos, pedras, etc.• These substances may be added in the form of ground, pulverized, crushed material or even as grains, stones, etc.
• Durante a adição ou alimentação de uma e/ou algumas destas substâncias, pode-se otimizar o processo pela agitação ou movimentação do banho, objetivando melhor contato entre os reagentes e maior homogeneização das reações. Pode-se para tanto utilizar injeção de gases inertes, como argônio; ou mesmo outros gases para purificação, como vapor d'água, hidrogênio, oxigênio, nitrogênio, etc.• During the addition or feeding of one and / or some of these substances, the process can be optimized by shaking or moving the bath, aiming for better contact between reagents and greater homogenization of reactions. One can therefore use inert gas injection, such as argon; or even other purifying gases such as water vapor, hydrogen, oxygen, nitrogen, etc.
Segunda etapa: - lixiviação do silício em pedras e/ou após processo de cominuição, utilizando reagentes ácidos e oxidantes como: ácido clorídrico, ácido fluorídrico, ácido nítrico, ácido sulfúrico, hipoclorito de sódio, clorato de sódio, água oxigenada, entre outros.Second stage: - leaching of silicon in stones and / or after comminution process, using acid and oxidant reagents such as hydrochloric acid, hydrofluoric acid, nitric acid, sulfuric acid, sodium hypochlorite, sodium chlorate, hydrogen peroxide, among others.
• Uma solução otimizada, com elevada produtividade, elevada taxa de liberação de calor, elevada energia de Gibbs, pode ser representada pela reação entre silício metálico, ácido clorídrico e clorato de sódio.• An optimized solution with high productivity, high heat release rate, high Gibbs energy can be represented by the reaction between metal silicon, hydrochloric acid and sodium chlorate.
• Dentre os produtos desta reação, tem-se: silício com elevado teor de pureza, em torno de 99,9999%; além de outros sub-produtos como cloretos.• Among the products of this reaction are: high purity silicon, around 99.9999%; in addition to other by-products such as chlorides.
• Neste caso não há geração ou liberação de compostos gasosos, como hidrogênio, o processo apresenta baixo custo, elevada eficiência e alta produtividade.• In this case there is no generation or release of gaseous compounds, such as hydrogen, the process has low cost, high efficiency and high productivity.
• Redução nos teores individuais de Boro e Fósforo no silício, para valores inferiores a 1ppm.• Reduction in individual levels of Boron and Phosphorus in silicon to values below 1ppm.
Terceira etapa:- purificação ou não, do produto, acima citado, em forno de refino, a plasma e/ou forno indutivo e/ou forno elétrico, forno de resistência, com uso simultâneo e/ou consecutivo dos seguintes procedimentos:Third step: - Purification or otherwise of the above product in a refining oven, plasma and / or inductive oven and / or electric oven, resistance oven, with simultaneous and / or consecutive use of the following procedures:
• Injeção de gases, como cloro, oxigênio, hidrogênio, vapor d'água, e/ou outros;• Injection of gases such as chlorine, oxygen, hydrogen, water vapor, and / or others;
• Injeção simultânea de gases redutores sob ação de plasma térmico, com objetivo de se atingir a ionização dos gases, promovendo uma ação mais reativa na formação de compostos a base de Boro, especialmente;• Simultaneous injection of reducing gases under the action of thermal plasma, aiming to achieve gas ionization, promoting a more reactive action in the formation of boron-based compounds, especially;
• Tratamento a vácuo pra volatilização de compostos a base de Fósforo e boro;• Vacuum treatment for volatilization of phosphorus and boron compounds;
• Após a utilização dos recursos técnicos acima citados, consegue-se produzir Silício metálico com teores - individuais de Boro e Fósforo inferiores a 0.5 ppm.• After using the above technical resources, it is possible to produce metal silicon with individual Boron and Phosphorus contents below 0.5 ppm.
Quarta etapa: - o Silício metálico com teores individuais de Boro e Fósforo inferiores a 0.5 ppm - obtido conforme acima descrito é submetido ao processo de refusão e solidificação direcional, com ou sem a presença de plasma térmico e injeção de gases.Fourth stage: - Metallic silicon with individual Boron and Phosphorus contents below 0.5 ppm - obtained as described above is subjected to the process of refluxing and directional solidification, with or without the presence of thermal plasma and gas injection.
• Com resultados dos processos acima descritos consegue-se a produção de Silício metálico, grau metalúrgico de elevada pureza, portanto aptos a serem utilizados, na indústria de Silício grau solar e produção de painéis solares.• The results of the processes described above lead to the production of high purity metallurgical metal silicon, which is therefore suitable for use in the solar grade silicon industry and the production of solar panels.
O processo de lixiviação consiste na remoção seletiva de um componente solúvei em solução de outro(s) não solúveis. A mistura pode ocorrer por meio de difusão, dissolução, deslocamento ou simples lavagem. Os constituintes solúveis podem estar incorporados, absorvidos, combinados quimicamente ou mantidos mecanicamente na estrutura porosa do material insolúvel. O mecanismo de lixiviação, conforme descrito por Robert H. Perry (Chemical Engineers' Handbook), pode envolver uma solução ou dissolução física ativada por uma reação química. Portanto a taxa da reação química pode afetar a taxa da lixiviação. A solução ou fluxo que contêm o soluto lixiviado é denominado overflow e a solução sem o soluto underflow. Como estes fluxos não são imiscíveis, o conceito de equilíbrio para a lixiviação não se aplica como nas demais operações/separações baseadas na transferência de massa. Então, na prática o equilíbrio na lixiviação é atingido quando as concentrações entre o overflow e o underflow são as mesmas.The leaching process consists of the selective removal of one soluble component in solution from other non-soluble one (s). Mixing may occur by diffusion, dissolution, displacement or simple washing. Soluble constituents may be incorporated, absorbed, chemically combined or mechanically maintained in the porous structure of the insoluble material. The leaching mechanism, as described by Robert H. Perry (Chemical Engineers' Handbook), may involve a physical solution or dissolution activated by a chemical reaction. Therefore the rate of chemical reaction may affect the rate of leaching. The solution or flow containing the leachate solute is called overflow and the solution without the underflow solute. As these flows are not immiscible, the concept of equilibrium for leaching does not apply as with other mass transfer operations / separations. So in practice the leaching equilibrium is achieved when the concentrations between overflow and underflow are the same.
A lixiviação pode ocorrer de forma paralela e/ou simultânea, podendo ser por meio de correntes paralelas, cruzadas e/ou contra-corrente, em meio básico, neutro ou ácido e ainda em um ou mais estágios.Leaching may occur in parallel and / or simultaneously, and may be through parallel, cross and / or counter current currents, in basic, neutral or acidic medium and in one or more stages.
Durante a lixiviação pode-se contar com sistema de vibração megasônica, que auxilia no rompimento das ligações de Van der Waals e no transporte das impurezas até a superfície da madeira e interface soluto/solvente. O efeito dominante desta técnica consiste na formação de cavitações no volume da lenha, promovido pelo borbulhamento de micro-gases, interferindo e potencializando a remoção das impurezas em suas formas cristalinas originais.During leaching a megasonic vibration system can be used, which assists in breaking Van der Waals bonds and in transporting impurities to the wood surface and solute / solvent interface. The dominant effect of this technique is the formation of cavitation in the wood volume, promoted by the bubbling of micro-gases, interfering and enhancing the removal of impurities in their original crystalline forms.
A presente técnica de lixiviação aqui proposta consiste em imergir o silício metálico em pedras e/ou britas e/ou moído, em um tanque de lixiviação, com sistema de agitação para homogeneização do banho e possibilidade de injeção de água oxigenada líquida e/ou sólida para aumento da temperatura e conseqüente otimização da produtividade e eficiência.The present leaching technique proposed here is to immerse the metallic silicon in stones and / or gravel and / or ground, in a leaching tank, with stirring system for bath homogenization and possibility of injection of liquid and / or solid hydrogen peroxide. for temperature increase and consequent optimization of productivity and efficiency.
A técnica de lixiviação proposta apresenta resultados práticos, industriais, com otimização comprovada por análises estatísticas em função da condução de consecutivos eventos e direcionamento estatístico, a partir de diversas combinações dos seguintes parâmetros:The proposed leaching technique presents practical, industrial results, with optimization proven by statistical analysis due to the conduction of consecutive events and statistical guidance, from several combinations of the following parameters:
• Tempo de residência e/ou contato entre soluto e solvente;• Residence time and / or contact between solute and solvent;
• Temperatura e pressão de processamento; • Freqüência de agitação e/ou vibração megasônica durante a reação de lixiviação.• Temperature and processing pressure; • Frequency of agitation and / or megasonic vibration during the leaching reaction.
Entre as características para definição do solvente foram observadas ou ressaltadas:Among the characteristics for definition of the solvent were observed or highlighted:
• Baixo custo,• Low cost,
• Elevado limite de saturação para o soluto (compostos a base de Boro e Fósforo)• High saturation limit for solute (Boron and Phosphorus compounds)
• Estabilidade química,• chemical stability,
• Baixa viscosidade,• Low viscosity,
• Baixa pressão de vapor,• Low vapor pressure,
• Baixa toxicidade e flamabilidade,• Low toxicity and flammability,
• Baixa densidade,• Low density,
• Baixa tensão superficial,• Low surface tension,
• Possibilidade de reutilização,• Possibility of reuse,
Na presente Patente de Invenção, o processo de lixiviação pode ocorrer em um processo contracorrente, da seguinte forma:In the present invention patent the leaching process may occur in a countercurrent process as follows:
• O silício metálico não reagido é Iixiviado por uma solução proveniente da última lixiviação;• Unreacted metal silicon is leached by a solution from the last leach;
• O silício metálico que já passou por todas as etapas ou seqüências de lixiviação é finalmente Iixiviado por uma solução nova;• Metal silicon that has gone through all the leaching steps or sequences is finally leached by a new solution;
• O número de lixiviações fica a critério da qualidade, ou seja, podem ser feitas tantas séries quantas forem necessárias para se atingir o padrão de pureza desejado;• The number of leaches is at the discretion of the quality, ie as many series can be made as necessary to achieve the desired purity standard;
• Após cada etapa de lixiviação, todo o banho é encaminhado para um sistema de separação, que pode ser por meio de uma centrífuga, um filtro prensa, um filtro prensa pressurizado, etc;• After each leaching step, the entire bath is routed to a separation system, which may be by means of a centrifuge, a filter press, a pressurized filter press, etc .;
• Após esta filtragem, o material sólido ou semi-seco segue para a próxima lixiviação e a solução residual também segue para a próxima lixiviação, sempre em sentidos opostos, ou seja, solução i no silício i-1 e silício i na solução i+1.• After this filtration, the solid or semi-dry material proceeds to the next leaching and the residual solution also proceeds to the next leaching, always in opposite directions, ie solution i in silicon i-1 and silicon i in solution i +. 1.
Claims (7)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| BRPI1003984 BRPI1003984A2 (en) | 2010-12-01 | 2010-12-01 | process for producing high purity metallurgical grade metal silicon from purification with metals and other compounds, followed by leaching |
| PCT/BR2011/000465 WO2012071640A1 (en) | 2010-12-01 | 2011-12-01 | A method for producing high-purity metallurgical-grade silicon metal by means of purification with metals and other compounds, followed by leaching |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| BRPI1003984 BRPI1003984A2 (en) | 2010-12-01 | 2010-12-01 | process for producing high purity metallurgical grade metal silicon from purification with metals and other compounds, followed by leaching |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| BRPI1003984A2 true BRPI1003984A2 (en) | 2012-07-17 |
Family
ID=46171112
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| BRPI1003984 BRPI1003984A2 (en) | 2010-12-01 | 2010-12-01 | process for producing high purity metallurgical grade metal silicon from purification with metals and other compounds, followed by leaching |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| BR (1) | BRPI1003984A2 (en) |
| WO (1) | WO2012071640A1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113748086A (en) * | 2019-04-30 | 2021-12-03 | 瓦克化学股份公司 | Method for refining a crude silicon melt using a particulate mediator |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110589836B (en) * | 2019-09-24 | 2021-03-26 | 东莞东阳光科研发有限公司 | Method and system for removing boron in industrial silicon refining |
Family Cites Families (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA2232777C (en) * | 1997-03-24 | 2001-05-15 | Hiroyuki Baba | Method for producing silicon for use in solar cells |
| JPH10273311A (en) * | 1997-03-28 | 1998-10-13 | Kawasaki Steel Corp | Method and apparatus for purifying silicon for solar cells |
| BRPI0401057A (en) * | 2004-01-15 | 2006-01-10 | Rima Agropecuaria E Servicos L | Process of obtaining solar degree silence, starting from the metallurgical degree silicon |
| JP4024232B2 (en) * | 2004-07-13 | 2007-12-19 | シャープ株式会社 | Silicon purification method |
| CN101391772A (en) * | 2007-09-18 | 2009-03-25 | 晟茂(青岛)先进材料有限公司 | Method for preparing solar stage high purify nano silica flour and device system thereof |
| US8329133B2 (en) * | 2008-11-03 | 2012-12-11 | Gt Crystal Systems, Llc | Method and apparatus for refining metallurgical grade silicon to produce solar grade silicon |
| US8729435B2 (en) * | 2008-12-01 | 2014-05-20 | Inductotherm Corp. | Purification of silicon by electric induction melting and directional partial cooling of the melt |
| TW201033123A (en) * | 2009-03-13 | 2010-09-16 | Radiant Technology Co Ltd | Method for manufacturing a silicon material with high purity |
| CN101792143B (en) * | 2010-03-24 | 2011-12-21 | 姜学昭 | Method for purifying silicon |
-
2010
- 2010-12-01 BR BRPI1003984 patent/BRPI1003984A2/en not_active IP Right Cessation
-
2011
- 2011-12-01 WO PCT/BR2011/000465 patent/WO2012071640A1/en not_active Ceased
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113748086A (en) * | 2019-04-30 | 2021-12-03 | 瓦克化学股份公司 | Method for refining a crude silicon melt using a particulate mediator |
| CN113748086B (en) * | 2019-04-30 | 2024-02-06 | 瓦克化学股份公司 | Method for refining crude silicon melt using particulate mediator |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2012071640A1 (en) | 2012-06-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Ceccaroli et al. | Solar grade silicon feedstock | |
| EP2467330B1 (en) | Method of purifying silicon utilizing cascading process | |
| Pizzini | Advanced silicon materials for photovoltaic applications | |
| JP4856738B2 (en) | Manufacturing method of high purity silicon material | |
| CN101372334B (en) | A kind of preparation method of high-purity silicon | |
| CN101815671A (en) | Polycrystalline silicon and method for the production thereof | |
| Hachichi et al. | Silicon recovery from kerf slurry waste: a review of current status and perspective | |
| JP2009073728A (en) | Method for producing silicon | |
| JP2005247623A (en) | Method for removing boron from silicon | |
| NO171778B (en) | PROCEDURE FOR REFINING SILICONE | |
| RU2451635C2 (en) | Method of producing highly pure elementary silicon | |
| WO2010029894A1 (en) | High-purity crystalline silicon, high-purity silicon tetrachloride, and processes for producing same | |
| Yasuda et al. | Electrolytic reduction of a powder-molded SiO2 pellet in molten CaCl2 and acceleration of reduction by Si addition to the pellet | |
| CN114436266A (en) | Method for purifying quartz by microwave heating chlorination roasting | |
| ZHUANG et al. | Recovery of high purity silicon from SoG crystalline silicon cutting slurry waste | |
| KR20200100144A (en) | Silicon granules for trichlorosilane production and related manufacturing methods | |
| Ma et al. | Raman analysis and electrochemical reduction of silicate ions in molten NaCl–CaCl2 | |
| CN101302013A (en) | Preparation method of low phosphorus solar grade polysilicon | |
| BRPI1003984A2 (en) | process for producing high purity metallurgical grade metal silicon from purification with metals and other compounds, followed by leaching | |
| WO2003078319A1 (en) | Method of purifying silicon, silicon produced by the method and solar cell | |
| CN104291340B (en) | Method for removing phosphorus in industrial silicon | |
| Liu et al. | Making reusable reaction‐bonded silicon nitride crucibles for silicon casting from kerf‐loss silicon waste | |
| ES2353815T3 (en) | QUARTZ ELECTROLYSIS IN STATE FOUNDED AT LOW TEMPERATURE. | |
| JP4274728B2 (en) | Metal purification method | |
| JP4601645B2 (en) | Silicon purification method |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| B15G | Others concerning applications: unknown petition |
Free format text: NAO CONHECIDA A PETICAO NO 018110044444/SP DE 17/11/2011 EM VIRTUDE DO DISPOSTO NO ART. 219, INCISOII DA LPI. |
|
| B03A | Publication of an application: publication of a patent application or of a certificate of addition of invention | ||
| B150 | Others concerning applications: publication cancelled |
Free format text: REFERENTE A RPI 2163 DE 19/06/2012. |
|
| B08F | Application fees: dismissal - article 86 of industrial property law |
Free format text: REFERENTE A 4A ANUIDADE. |
|
| B08K | Lapse as no evidence of payment of the annual fee has been furnished to inpi (acc. art. 87) |
Free format text: REFERENTE AO DESPACHO 8.6 PUBLICADO NA RPI 2282 DE 30/09/2014. |