PT1893385E - Processo e dispositivo para tratamento de lamas residuais abrasivas esgotadas para recuperação dos seus componentes reutilizáveis - Google Patents

Description

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DESCRIÇÃO

"PROCESSO E DISPOSITIVO PARA TRATAMENTO DE LAMAS RESIDUAIS ABRASIVAS ESGOTADAS PARA RECUPERAÇÃO DOS SEUS COMPONENTES REUTILIZÁVEIS" A presente invenção diz respeito a um processo e respectivo dispositivo para o tratamento de lamas residuais abrasivas esgotadas para a recuperação dos seus componentes reutilizáveis. Mais especificamente, a invenção diz respeito a um processo, com o equipamento necessário para a sua implementação, para recuperar os componentes reutilizáveis contidos numa lama abrasiva utilizada no corte de materiais cristalinos de silício, de quartzo ou cerâmicos quando está esgotada e enriquecida com resíduos matéria de indesejados. 0 processo permite a recuperação dos grãos abrasivos ainda reutilizáveis contidos na lama residual esgotada bem como a recuperação total do líquido de suspensão da lama residual abrasiva, com vista a reutilizar ambos os componentes no processo de fabricação.

Como é sabido, a produção de componentes para aplicações no campo da energia fotovoltaica e electrónica faz uso de discos de silício finos ("wafers" = "pastilhas") obtidos quer a partir de lingotes de silício monocristalino ou policristalino quer de lingotes por corte do lingote perpendicular ao seu comprimento. Normalmente, esta 2 ΡΕ1893385 operação de corte é realizada por meio de um cortador ou de uma serra de fio, na qual um fio de metal com um comprimento considerável e com resistência mecânica adequada, enrolado no seio de um sistema de rolos e bobinas, é contactado enquanto se move com o lingote, perpendicularmente ao comprimento do lingote, nos pontos em que o corte é para ser feito. Ao mesmo tempo, a lama residual contendo grãos abrasivos ou partículas (lama residual abrasiva) vai alimentar a área de contacto entre o fio de corte e o lingote.

As lamas residuais abrasivas convencionais utilizadas para o corte de lingotes de silício, de quartzo ou de outro material cerâmico, com um fio de serra consistem de um fluido suspenso, lubrificante ou de arrefecimento, tal como um óleo mineral, ou líquidos orgânicos solúveis em água de elevado peso molecular (em particular, polietileno polietileno glicol, PEG), em que as partículas abrasivas de dureza adequada, geralmente de carboneto de silício (SiC), são suspensas. enriquecida torna-se

Durante a operação de corte, parte dos grãos abrasivos perdem a sua capacidade para auxiliar no processo de corte, uma vez que elas se partem em partículas mais pequenas e portanto já não adequados para a operação de corte: isto é demonstrado pelo facto de que a distribuição do tamanho de grãos das partículas abrasivas diminui para valores médios mais baixos. Ao mesmo tempo, a lama residual abrasiva torna-se enriquecida com partículas finas 3 ΡΕ1893385 provenientes a partir do lingote de silício ao ser cortado e também a partir do fio de corte (na maior parte ferro), bem como a partir dos tubos de metal do próprio dispositivo. À medida que a quantidade de partículas finas aumenta, a lama residual abrasiva perde as suas características mecânicas e a eficiência da operação de corte decresce, na medida em que a lama residual se torna ineficaz e deverá ser descartada e substituída por nova lama residual abrasiva. A lama residual abrasiva esgotada que é descartada pode ser eliminada por destruição térmica, mas isso implica inconvenientes evidentes não só devido à perda de componentes reutilizáveis, mas também no que diz respeito ao impacto ambiental. Na verdade, a destruição térmica é uma técnica de eliminação de resíduos que não está isenta de efeitos negativos, tanto no que diz respeito a poluição ambiental e atmosférica, pela possível presença de substâncias nocivas nos gases de combustão emitidos ou nas cinzas, e assim como no que respeita à inevitável contribuição para o efeito de estufa devido à produção de dióxido de carbono originado pela combustão de substâncias orgânicas.

Como alternativa à incineração, a lama residual abrasiva pode ser enviada para as estações de tratamento biológico dos resíduos municipais ou industriais, mas o 4 ΡΕ1893385 lodo resultante deverá então ser depositado num aterro.

Em ambos os casos atrás referidos, para além do problema ambiental devido à necessidade de eliminar os produtos residuais, existe o considerável inconveniente económico de perder uma quantidade ainda considerável de grãos abrasivos reutilizáveis contidos na lama residual esgotada, isto é, esses grãos que ainda se encontram no tamanho certo para serem utilizados numa lama residual abrasiva. Para além disso, há também a perda do produto liquido que constitui o fluido de suspensão ou de corte. Este último (o qual pode ser à base de óleo mineral ou de um liquido orgânico, tal como o PEG), se eficientemente purificado a partir das finas partículas em suspensão de residuos de metal e de silicio, bem como a partir de grãos abrasivos não reutilizáveis, seria perfeitamente reutilizável no processo, pois mantém inalteradas as suas caracteristicas próprias, durante o próprio processo.

Uma vez que a necessidade de separar e recuperar os componentes de uma lama residual abrasiva esgotada é um problema amplamente sentido no terreno, várias técnicas têm sido propostas com vista a aplicar esta recuperação, pelo menos em parte. Tanto no caso de lamas residuais abrasivas à base de óleo e como no das lamas residuais abrasivas à base de liquidos orgânicos solúveis em água, todos os métodos propostos invarialvelmente combinam as seguintes operações básicas: 5 ΡΕ1893385 a) redução de modo preliminar da viscosidade da lama residual esgotada, e em particular por adição de um solvente ou por aquecimento, com vista a prepará-lo para as operações seguintes; b) separação dos grãos abrasivos por calibragem molhada, tal como por centrifugação ou pela passagem da lama residual através de um hidrociclone (um separador estático de partículas sólidas arrastadas por um liquido, que explora a acção da força centrífuga); c) filtragem das fases liquidas resultantes da separação de grãos abrasivos; d) destilação das misturas liquidas de solvente e fluido de arrefecimento realizado o produto filtrado; e) secagem dos grãos abrasivos reutilizáveis.

As tecnologias até agora conhecidas, como será tornado mais claro abaixo com referência a alguns exemplos da tecnologia anterior, apresentam vários inconvenientes com uma maior ou menor extensão, incluindo uma insuficiente qualidade dos grãos abrasivos reutilizáveis em termos de tamanho ou em termos da presença de silício fino e/ou fina partícula de metal, uma excessiva complexidade do processo ou de um elevado número de operações necessárias, um consumo considerável de solvente que é adicionado para a separação, ou os extensos períodos de tempo necessários 6 ΡΕ1893385 para o tratamento e/ou baixos rendimentos dos vários componentes. 0 pedido de patente europeia EP-A-786317 (Shin-Etsu Handotai Co.) descreve um sistema para a reutilização de uma lama residual abrasiva esgotada à base de óleo em que água é primeiramente adicionada à lama residual esgotada com vista a reduzir a sua viscosidade, e em seguida a mistura resultante vai alimentar um hidrociclone para separar os grãos abrasivos reutilizáveis. Tal como é conhecido, a alimentação no seio do hidrociclone a ser tratada é alimentada a partir do topo a alta velocidade e tangencialmente para dentro do dispositivo, de modo gue a força centrífuga empurre as partículas mais pesadas na direcção das laterais do recipiente. Movendo-se em forma de espiral, as partículas mais pesadas são então recolhidas no fundo do recipiente cónico (transbordo inferior), enquanto que o líquido clarificado sai para o topo de uma conduta central (transbordo superior). Na solução apresentada no documento acima mencionado, o transbordo superior do hidrociclone, que contém o fluido de corte oleoso, água e todas aquelas partículas sólidas que não tenham para fora sido tríadas por passagem através do hidrociclone, é então fraccionado em três fases por centrifugação. Esta operação produz uma fase oleosa que é reutilizada no processo de corte, a água que é reutilizada na fase preliminar de diluição da lama residual esgotada, e uma suspensão de resíduos que contém os sólidos a serem descartados, que são enviados para a estação de tratamento de resíduos. 7 ΡΕ1893385 É óbvio que o processo descrito não permite a obtenção de uma elevada qualidade da fracção de grãos abrasivos recuperados do hidrociclone, no minimo porque esta fracção contém uma certa quantidade de partículas sólidas mais finas, incluindo uma quantidade de pó de silício e de metal (principalmente ferro), que são recolhidos na lama residual esgotada como resíduos da operação de corte. Os pós finos indesejados tendem a acumular-se na lama residual abrasiva, uma vez que é recuperada e reutilizada de acordo com o processo descrito no documento acima mencionado. 0 mesmo se aplica para a lama residual oleosa recuperada a partir da operação de centrifugação, o que inevitavelmente contém vestígios de finas partículas sólidas que retornam para o processo de corte e se acumulam no sistema.

Um processo muito semelhante ao mencionado acima é descrito no pedido de patente internacional No. WO 03143933 (Fraunhofer-Gesellschaft zur Fõrderung der angewandten Forschung e.V.), que descreve um método destinado a constituir uma melhoria do que já foi anteriormente descrito. As fases de operação são praticamente as mesmas que as descritas no documento EP-A-786317, mas o fluido do processo auxiliar que é adicionado na fase preliminar com vista a reduzir a viscosidade da lama residual esgotada (a qual era água no caso anterior da lama residual abrasiva à base de óleo) é seleccionado neste caso de modo a que seja miscível com o líquido de suspensão da lama residual abrasiva. Por isso, no caso de lamas ΡΕ1893385 residuais abrasivas à base de óleo, o liquido da diluição é seleccionado de entre os solventes lipofilicos (tais como hexano ou heptano), enquanto que no caso de lamas residuais à base de solúveis de água são utilizados solventes anfifilicos (como acetona). Isto permite a criação de uma suspensão estável de finas partículas a serem descartadas e a melhorar a separação dos grãos abrasivos, os quais são recuperados na primeira fase de calibragem molhada. A suspensão obtida após a separação dos grãos abrasivos reutilizáveis deve ser tratada por destilação, após a necessária filtragem dos sólidos finos em suspensão, dado que neste caso o líquido acrescentado é miscível com o fluido de suspensão.

Também neste caso, os grãos abrasivos recuperados não são completamente livres de grãos não reutilizáveis e de vestígios de metal fino e de partículas de silício (até 2%) , com uma redução evidente da qualidade do material abrasivo a ser recuperado e reutilizado no processo de corte. Para aém disso, também aqui, parte dos metais permanecem em solução no líquido de suspensão que é reutilizado no processo, e gradualmente se acumulam. A patente europeia EP 0791385 (Shin-Etsu Handotai Co. et al.) descreve um método para a separação e reutilização de lamas residuais abrasivas esgotadas semelhante aos dois métodos acima descritos, mas principalmente destinado a ser utilizado no caso de lamas 9 ΡΕ1893385 residuais à base de solúveis de água. Aqui, também, a primeira operação consiste em diluir a suspensão com água com vista a reduzir a sua viscosidade. Em seguida, a mistura é tratada por calibragem molhada para separar os grãos abrasivos reutilizáveis; aqui, também, o dispositivo preferido é um hidrociclone. A parte do processo que mais difere dos dois sistemas acima referidos diz respeito ao tratamento de recuperação e separação da suspensão liquida obtida a partir do transbordo superior do hidrociclone. Um agente coagulante é adicionado a esta suspensão liquida com vista a favorecer a separação de sólidos em suspensão, e em seguida todo o lote é objecto de destilação, a partir da qual a água é recuperada, como a fracção mais leve, a qual é reutilizada para a diluição inicial da lama residual esgotada. A mistura de lama residual solúvel em água, sólidos em suspensão e coagulante é objecto de um tratamento de separação sólido-liquido, de preferência por centrifugação, para se obter, por um lado, um residuo sólido a ser descartado e, por outro lado, a lama residual solúvel em água. Esta pode ser reutilizada no processo de corte após tratamentos adicionais, entre os quais a adição de um agente de dispersão para ajustar a viscosidade da lama residual.

Tanto no que diz respeito à qualidade dos grãos 10 ΡΕ1893385 abrasivos recuperados como no que diz respeito à pureza da lama residual que de retorno vai alimentar o processo de corte, persistem as mesmas considerações tais como as feitas para os dois processos anteriores acima mencionados. A patente US No. 6,010,010 (Elektroschmelzwerk Kempten) propõe um processo completamente diferente para o tratamento de lamas abrasivas esgotadas do que os métodos até aqui considerados. Neste caso, na primeira fase todo o componente sólido é secado, tal como por via de evaporação sob vácuo ou por secagem por pulverização de spray, que envolve o aquecimento até certo ponto da lama residual esgotada. Em seguida, as partículas abrasivas reutilizáveis são separadas a partir do material residual mais fino enquanto seco através de métodos convencionais de triagem. O líquido evaporado, em grande medida constituído por fluido em suspensão de lama residual abrasiva, é condensado e pode ser reutilizado no processo de corte. A proposta tecnológica de secar totalmente os sólidos em suspensão na lama residual esgotada, e em seguida evaporando e recondensando ciclicamente o líquido em suspensão, é evidentemente inconveniente no que respeita ao consumo de energia, e também expõe o líquido em suspensão a pressões de calor que podem favorecer a sua degradação. Se o líquido em suspensão é óleo, a estrutura do produto condensado pode ser diferente da do novo óleo, enquanto que se o líquido for de polietileno glicol (PEG), o processo não funcionaria já que PEG, tendo um peso 11 ΡΕ1893385 molecular elevado, não pode ser evaporado sem danificar a sua estrutura devido à alta temperatura necessária para a evaporação. Para além disso, o processo de evaporação de temperatura elevada cria aglomerados de ferro-silicato que não são separáveis e permanecem abrasivos.

Para além disso, a separação do sólido seco com qualquer método de triagem a seco (rastreamento, peneiragem, separação pneumática através do ciclone) oferece um rendimento pobre em termos da recuperação de partículas abrasivas reutilizáveis e, também neste caso, não evita a contaminação por finos pós de silício e de metal. A patente europeia EP 0968801 (MEMC Electronics Materials and Garbo Servizi) descreve um método destinado a regenerar uma lama residual abrasiva esgotada do tipo à base de solúveis em água, em que a abrasiva esgotada é em primeiro lugar aquecida para reduzir a sua viscosidade e, em seguida submetida a uma separação inicial por filtragem. Isto produz um líquido clarificado composto em grande parte do líquido de corte com vestígios de pós finos, e um aglomerado de pós molhados que contêm, juntamente com uma pequena quantidade de líquido de corte, quase todos os sólidos em suspensão na lama residual esgotada. Os pós molháveis são de seguida diluídos com água e separados utilizando um hidrociclone, que produz uma fracção de grãos de tamanho maior (transbordo inferior) que contém essencialmente os grãos abrasivos reutilizáveis, e uma 12 ΡΕ1893385 fracção de "transbordo superior" composto por partículas finas (abrasivas não-reutilizáveis, pó de silício e pós de metal) em suspensão na água, misturada com uma quantidade menor de fluido em suspensão. A fracção que contém os grãos abrasivos é seca em estufa, enquanto que a fracção de transbordo superior do hidrociclone é filtrada, recuperando o fluxo aquoso que serve para diluir os pós molhados antes do processo de separação por hidrociclone e a obtenção de um resíduo sólido essencialmente constituído por pó de silício e metais. 0 líquido em suspensão, o qual é recuperado a partir da primeira filtragem da lama residual esgotada quente, é libertado de vestígios adicionais de pó por meio de uma operação de filtragem adicional, após a qual é enviado para o processo de corte.

No que diz respeito à qualidade dos grãos abrasivos recuperados, nem o processo descrito na patente EP 0968801 permite a obtenção de uma eliminação praticamente completa das partículas finas, que se mantêm numa quantidade de cerca de 2% nos grãos abrasivos enviados de volta para o processo de corte. Um outro inconveniente não negligenciável no processo em análise, para além da necessidade de antecipadamente aquecer a lama residual esgotada com vista a reduzir a sua viscosidade, é a necessidade de adicionar quantidades consideráveis de água para que os pós molhados obtidos a partir da primeira filtragem com vista a realizar o processo de separação no 13 ΡΕ1893385 seio do hidrociclone. Finalmente, também se deve notar que uma menor quantidade de fluido de corte é perdido porque é deixado no estado sólido depois da primeira filtragem.

Um outro processo proposto para o tratamento de lamas residuais abrasivas esgotadas que tem por base um liquido solúvel em água (e, mais especificamente, o polietileno glicol, PEG) é descrito no pedido de patente internacional No. WO 02/096611 (MEMC Electronics Materials and Garbo Servizi), em que a lama residual esgotada é primeiramente dividida numa fracção sólida e numa fracção liquida em grande parte isenta de sólidos, por meio de filtragem. Os sólidos separados, os quais incluem grãos abrasivos reutilizáveis, grãos não reutilizáveis e pós finos de silício e de metal, bem como uma quantidade menor de líquido em suspensão, são lavados em água e em seguida tratados com uma solução de hidróxido de sódio (agente de lixiviação alcalino) com vista a efectuar a dissolução das partículas finas de silício e eliminá-las. O produto filtrado obtido a partir da referida operação é então tratado com um agente de lixiviação de ácido (tal como uma solução de ácido sulfúrico) com vista a efectuar a dissolução dos pós de metal e eliminá-los, obtendo-se apenas uma mistura de grãos reutilizáveis e não reutilizáveis de material abrasivo, após lavagem da fracção sólida. Esta fracção sólida, livre de contaminantes finos por decapagem, pode ser separada de acordo com o tamanho do grão em grãos reutilizáveis e grãos esgotados - por meio de tratamento no seio de um hidrociclone, obviamente mediante 14 ΡΕ1893385 uma diluição adequada com água.

Resumindo, ao contrário dos outros métodos acima descritos, esta complexa série de operações permite a eliminação completa das partículas finas indesejadas normalmente restantes nos grãos abrasivos recuperados da lama residual esgotada e de realimentação para o processo.

Deve notar-se que, depois de cada uma das referidas operações de decapagem quimica, lavagem e filtragem, o residuo sólido deve ser levado do equipamento de filtragem e ir alimentar a fase seguinte, algo que também tem a inconveniente de causar desgaste adicional dos grãos abrasivos a serem recuperados.

No que se refere à recuperação da fracção de líquido inicialmente separada por filtragem a partir da lama residual esgotada, o pedido de patente WO 02/096611 relata que a referida fracção pode ser reutilizada directamente no processo de corte, como um fluido de corte. Esta fracção é misturada com uma mais pequena quantidade de líquido recuperado pela lavagem da crosta da primeira filtragem, de modo que pode ser considerado que a recuperação da lama residual solúvel em água é praticamente 100%.

Um grande inconveniente com o processo acima descrito, além da complexidade da série de operações necessárias para a recuperação e purificação da fracção 15 ΡΕ1893385 sólida, é o elevado consumo de agentes químicos na solução necessária para a fase de lixiviação.

Com base nesta anterior tecnologia, um objecto da presente invenção é portanto proporcionar um método para o tratamento de lamas residuais abrasivas esgotadas, do tipo utilizado para cortar pastilhas de silício por meio de máquinas de fio de serra, de modo a recuperar componentes reutilizáveis, método esse que permite uma recuperação praticamente completa dos grãos abrasivos e ainda reutilizáveis e líquidos em suspensão, por meio de um processo economicamente conveniente de gestão não complexa. 0 método deve igualmente garantir a completa eliminação - a partir do material recuperado e reutilizável - de componentes indesejados de pó fino vindos do processo de corte e do material abrasivo discriminado e dispendido.

Começando a partir dos processos conhecidos e previamente ilustrados, e nomeadamente dos métodos que visam, como a primeira operação na separação da lama residual esgotada, a recuperação de grãos abrasivos reutilizáveis do resto da suspensão por meio de calibragem molhada num hidrociclone, de acordo com a presente invenção o sistema foi concebido com vista a que esta separação húmida seja realizada de uma maneira óptima não num específico hidrociclone, mas - depois de uma separação inicial por centrifugação da maior parte do líquido de corte, juntamente com uma parte dos sólidos finos - numa bateria de hidrociclones convenientemente conectados em 16 ΡΕ1893385 série .

Os hidrociclones, que também podem ser substituídos por uma bateria semelhante de centrifugadores conectados em série, são alimentados em contra-corrente com uma suspensão líquida clarificada reciclada a partir de uma das fases subsequentes de tratamento do líquido de suspensão e adequadamente aquecida. Na bateria de hidrociclones proposta, a suspensão enriquecida de grãos abrasivos obtidos como transbordo inferior (UF) ((UF) "underflow") a partir do fundo de um específico hidrociclone alimenta o hidrociclone seguinte na série, e a partir do transbordo inferior do último destes é obtida uma suspensão de partículas abrasivas de tamanho granular optimizado. A lama residual esgotada que vai alimentar o centrifugador inicial separador de sólido-líquido não necessita de qualquer tratamento preliminar de diluição ou de aquecimento, e a quantidade de fluido solvente introduzido no processo (normalmente a água, no caso de uma suspensão à base de solúvel em água) corresponde unicamente ao solvente necessário para a substituição da, embora insignificante, quantidade perdida a jusante.

De acordo com um outro aspecto inovador da invenção, a suspensão UF recuperada a partir da bateria de hidrociclones é adicionalmente tratada de modo a recuperar disso a quantidade residual nele contida de líquido em suspensão e solvente, e para purificar ainda mais os grãos abrasivos, realizando todas as operações necessárias dentro 17 ΡΕ1893385 de um único dispositivo de filtragem multifuncional sem ter que transferir o sólido entre uma operação e a seguinte. Nesta fase de filtragem e tratamento dos grãos abrasivos recuperados, a suspensão proveniente da bateria de hidrociclones é filtrada e a crosta de filtragem é submetida às operações subsequentes de lavagem a quente, a lixiviação por decapagem quimica - quer ácida quer alcalina - das partículas finas ainda contidas no aglomerado sólido, e, em seguida ainda mais lavagem e secagem dos então grãos purificados, sem nunca remover o material sólido do dispositivo. Isto leva a uma considerável poupança de tempo e de custos de processamento, e a uma melhor qualidade dos grãos abrasivos obtidos. Obviamente, como este tipo de dispositivo opera com um ciclo descontínuo, deve ser desconectado do tratamento anterior contínuo de calibragem molhada. Para este propósito, o processo prevê um tanque de retenção para o UF da bateria hidrociclone, a partir da qual a suspensão é levada para o seu tratamento posterior no dispositivo de filtragem multifuncional.

Por conseguinte, de modo específico a presente invenção proporciona um processo de acordo com a reivindicação 1. 0 separador de centrifugação líquido-sólido ao realizar o primeiro tratamento com a lama residual abrasiva esgotada separa-a em duas suspensões, uma rica em sólidos que contém uma média de 10 a 30% de líquido em suspensão e partículas sólidas acima de 2 ym de tamanho, e a outra uma 18 ΡΕ1893385 suspensão essencialmente líquida contendo 70 a 90% do líquido em suspensão e as partículas sólidas mais pequenas e mais finas.

Ao contrário dos sistemas conhecidos da tecnoloqia anterior, a lama residual esqotada vai directamente alimentar a secção de calibragem molhada, sem a adição de qualquer líquido, com vista a recuperar-se a fracção que contém os grãos abrasivos reutilizáveis. A quantidade de líquido solvente que é adicionado ao sistema, numa outra secção do dispositivo apenas serve para substituir a, embora menor, quantidade de solvente perdido a partir do sistema.

Outras modalidades de realização do processo de acordo com a invenção são definidas nas reivindicações dependentes. A partir do exposto, é exibido o processo de acordo com a presente invenção que pode ser idealmente dividido em três secções. A primeira secção consiste num separador de centrifugação sólido-líquido (centrífugador) e uma bateria de hidrociclones ou de centrífugadores, enquanto que a segunda completa o tratamento da recuperação dos grãos abrasivos com as várias operações realizadas com dois filtros e com um recipiente adicional onde as reacções químicas são realizadas, ou, melhor, no dispositivo multifuncional específico. A terceira secção consiste numa série de operações realizadas no transbordo superior a 19 ΡΕ1893385 partir do hidrociclone ou bateria centrifugadora integrada com a fracção de liquido separado pelo separador de centrifugação sólido-liquido inicial, de modo a eliminar as partículas finas indesejáveis e de ser capaz de reutilizar o liquido em suspensão no processo de corte.

Deve ser notado que o processo de acordo com a presente invenção pode ser implementado tanto para o tratamento de lamas residuais abrasivas à base de óleo e para o tratamento de lamas residuais abrasivas à base de solúveis em água, que são actualmente mais difundidos. Neste último caso, o liquido em suspensão preferido é o polietileno glicol (PEG) e o solvente liquido é a água.

De acordo ainda com um outro aspecto adicional, a presente invenção proporciona um dispositivo de acordo com a reivindicação 20.

Outras modalidades de realização do dispositivo de acordo com a invenção são definidas nas reivindicações dependentes.

De preferência, como já foi noticiado, o referido dispositivo multifuncional de filtragem e tratamento dos grãos abrasivos é um dispositivo de operação em lotes consistindo de um recipiente de pressão contendo um dispositivo de filtragem em que os grãos abrasivos estão alojados durante a filtragem e todas as fases subsequentes de lavagem, lixiviação e secagem. 20 ΡΕ1893385

As características específicas da presente invenção, bem como as suas vantagens e modalidades operacionais relativas, serão mais evidentes com referência à descrição detalhada abaixo, apresentada meramente para fins de exemplificação e em relação a alguns das modalidades de realização preferidas. O mesmo está ilustrado nos desenhos em anexo, em que: A Figura 1 mostra um diagrama de blocos geral de um primeiro processo para o tratamento de lamas residuais abrasivas esgotadas de acordo com a presente invenção; A Figura 2 mostra um diagrama de blocos geral de um segundo processo para o tratamento de lamas residuais abrasivas esgotadas de acordo com a presente invenção; A Figura 3 mostra uma um arranjo de dispositivos simplificado de uma bateria de hidrociclones conectados em série que, juntamente com o separador de centrifugação líquido-sólido, representam a primeira secção do dispositivo, assim como a primeira operação da terceira secção do dispositivo, que realiza a recuperação do líquido em suspensão; A Figura 4 mostra um arranjo simplificado de dispositivos de uma bateria de centrifugadores como uma alternativa à bateria de hidrociclones da Figura 3.

Como se mostra no diagrama de blocos da Figura 1 21 ΡΕ1893385 o processo de acordo com a presente invenção, e o dispositivo especialmente concebido para a sua implementação, são essencialmente compostos por três secções interconectadas, das quais as duas primeiras (representadas pela coluna do lado esquerdo do diagrama) são dedicadas à recuperação e purificação dos grãos reutilizáveis do material abrasivo enquanto a terceira secção (do lado direito da coluna) é dedicada ao tratamento e à recuperação do liquido em suspensão. A lama residual esgotada proveniente da secção de corte do lingote de silício tem um teor de sólidos de 50 a 55% de peso e, no caso aqui apresentado para fins de exemplificação, contém: • grãos abrasivos de carboneto de silício reutilizáveis que, para uma suspensão abrasiva de grão de tamanho grande (do tipo F500), tem tamanhos entre 4 e 35 ym, e para uma suspensão de grão de tamanho mais fino (do tipo JS 1500 ou tipo JS 2000) têm tamanhos entre 4 e 25 ym; no caso questão, estes são responsáveis por 34 a 39% de peso da lama residual esgotada; • grãos abrasivos não reutilizáveis, responsáveis por cerca de 7% de peso da suspensão, com tamanho de grão inferior a 4 ym; • finas partículas de silício, provenientes do processo de corte do lingote de silício como poeiras, que 22 ΡΕ1893385 são responsáveis por cerca de 7%, de peso da suspensão e que têm dimensões não superiores a 4 ym - estes valores são valores médios pois que o tamanho e a quantidade de finas partículas de silício dependerá das condições de corte, do estado de esgotamento da suspensão, do diâmetro do lingote de silício a ser cortado e assim por diante; • finas partículas de metal, em particular de ferro, provenientes do fio de metal do equipamento de corte e a partir de outras partes do mesmo dispositivo, que são responsáveis por cerca de 2% de peso da lama residual esgotada - aqui, também, a quantidade pode variar de acordo com as condições do processo de corte; • líquido em suspensão (fluido de corte), o qual pode ser à base de solúveis em água, tal como PEG, ou à base de óleo; no exemplo aqui relatado, a suspensão abrasiva é à base de PEG. A lama residual esgotada referida é enviada para um separador de centrifugação sólido-líquido (centrifugador), que alimenta a suspensão (a) enriquecida com sólidos obtidos a partir dele, contendo cerca de 30% de PEG, conjuntamente com os grãos de tamanho > 2 ym, para uma bateria de hidrociclone mostrada na Figura 1 como apenas um único bloco. A referida bateria, no exemplo mostrado com maior detalhe na Figura 3, inclui cinco hidrociclones, conectados em série, mais um hidrociclone de segurança. 23 ΡΕ1893385

Como mostrado na Figura 3, a bateria de hidrociclone recebe a lama residual esgotada no primeiro hidrociclone enquanto que o último hidrociclone da bateria recebe em contra-corrente uma porção (cerca de 40 a 90%, e de preferência 70 a 80%) do liquido clarificado obtido a partir da primeira operação (filtragem) do tratamento do transbordo superior da bateria de hidrociclone para a recuperação de PEG. Para esta filtragem de líquido que passa por aí também é adicionada a fracção de líquido recuperado da filtragem dos grãos abrasivos e da subsequente lavagem a quente realizada no seio da secção para tratamento de grãos abrasivos (ver a Figura 1) . Ao líquido clarificado reciclado é adicionada alguma da água que se realiza, no caso ilustrado, é de cerca de 5% da quantidade total da água que circula no sistema, e quantitativamente igual à água que se perde como humidade na fase final de secagem dos grãos abrasivos recuperados (ver a Figura 1).

Como já mencionado, o UF de cada hidrociclone vai alimentar o hidrociclone seguinte, suplementado com o transbordo superior a partir do hidrociclone mas do a seguir a este. A repartição de tamanhos da partícula da suspensão de grão abrasivo é progressivamente reduzida com a passagem de um hidrociclone para o outro até que, a partir do transbordo inferior do último hidrociclone, é obtida uma suspensão, que está praticamente livre de finas partículas de carboneto de silício, e que contém como sólidos indesejados apenas uma parte (cerca de 2 a 5%) das 24 ΡΕ1893385 finas partículas de silício e finas partículas metálicas. Como mostrado na Figura 3, antes de ser enviado para a secção de filtragem, o transbordo superior do primeiro hidrociclone é feito passar por um outro, o hidrociclone de segurança, o qual protege o sistema contra a saturação do primeiro hidrociclone. 0 transbordo superior do hidrociclone de segurança vai para filtragem, a qual como já foi observado, representa a primeira operação da terceira secção do processo, com vista a recuperar o PEG, enquanto que o seu transbordo inferior é combinado com o transbordo inferior do primeiro hidrociclone.

Como mostrado na Figura 1, o fluxo de grão abrasivo enriquecido obtido a partir da bateria de hidrociclone vai alimentar o tanque de retenção, o qual desconecta o processo contínuo realizado no seio da bateria de hidrociclone a partir de um outro descontínuo realizado no dispositivo multifuncional de filtragem e tratamento dos grãos abrasivos recuperados.

De acordo com uma solução alternativa da primeira secção do processo, a mesma série de tratamentos de calibragem molhada realizada no seio da bateria de hidrociclone da Figura 3 pode ser efectuada de uma forma semelhante no seio de uma bateria de centrifugadores do tipo ilustrado na Figura 4, com um sistema semelhante de conexão dos vários dispositivos.

Passando à Figura 1, a suspensão de grãos 25 ΡΕ1893385 abrasivos reutilizáveis é então retirada do tanque de retenção para ser tratada no dispositivo multifuncional de acordo com a presente invenção, em que por pressão é primeiro filtrada, produzindo uma fracção sólida que contém essencialmente os grãos abrasivos reutilizáveis, que permanecem no dispositivo, e uma fracção liquida que contém essencialmente água, PEG e finas particulas de carboneto de silício. Esta fracção vai realimentar a secção de filtragem do líquido de suspensão obtido como transbordo superior da bateria de hidrociclone.

Deve ser notado que na Figura 1 são realçados em cinzento todos os blocos respeitantes às operações levadas a cabo sem transferência do sólido no interior do dispositivo multifuncional da presente invenção.

Após a filtragem, a massa de grãos abrasivos é lavada em água quente proveniente a partir da terceira secção do sistema, recuperada por destilação da mistura com PEG e em seguida condensando o vapor obtido. Além disso, o líquido obtido a partir da lavagem vai realimentar a secção de filtragem PEG. Os grãos abrasivos deixados no interior do dispositivo multifuncional são então tratados, em duas fases consecutivas, com uma solução aquosa de soda cáustica ou de potássio cáustico com vista a obter-se a decapagem das partículas de silício, e em seguida lavados com água proveniente a partir de um circuito externo. Em seguida, eles são tratados numa solução ácida de ácido oxálico (ou ácido nítrico, ácido clorídrico, ácido sulfúrico ou ácido 26 ΡΕ1893385 tartárico), com vista a obter-se a decapagem das partículas de metal ainda absorvidas nos grãos, e em seguida lavados com água proveniente a partir de um circuito externo. Os cursos de líquido obtidos a partir destas operações de decapagem cáustica e de decapagem ácida são misturados e descartados como resíduos salinos, enquanto que o curso de líquido obtido a partir da lavagem após a decapagem cáustica é misturado com uma nova solução de hidróxido de sódio ou de potássio e utilizado para decapagem cáustica. Da mesma forma, o curso de líquido de lavagem obtido a partir da decapagem ácida é misturado com uma nova solução de ácido oxálico suplementado com ácido sulfúrico/ácido clorídrico e utilizado para decapagem ácida. A última fase da recuperação dos grãos abrasivos, reutilizáveis ainda realizada no seio do mesmo dispositivo, consiste em secar os grãos purificados - uma operação que pode ser realizada forçando ar quente para sobre o leito de grãos. 0 conteúdo máximo de humidade dos grãos recuperados não é superior a 0,05%, enquanto que o rendimento total dos grãos abrasivos recuperáveis no processo está compreendido no intervalo de 85 a 95%.

Para além da vantagem já observada de não ser necessária qualquer transferência de material granular a partir de um dispositivo para um outro, para realizar os vários tratamentos necessários, o dispositivo multifuncional proposto de acordo com a presente invenção tem também a vantagem - por trabalhar sob pressão - de permitir 27 ΡΕ1893385 a adopção de mesmo de altas temperaturas de trabalho (até 180° C) , sem conduzir a problemas de ebulição do líquido submetido a tratamento. Para além disso, tem um consumo de água, que é cerca de 1/10 do consumo de um filtro contínuo convencional, ele também pode ser usado mesmo para as partículas muito finas de material abrasivo, sem correr o risco de entupimento da crosta do filtro, e, por fim, requer que as operações de limpeza do filtro sejam muito simples em comparação com as que teriam de ser usadas se as mesmas operações fossem efectuadas em vários recipientes.

Ainda com referência à Figura 1, a terceira secção do processo, dedicada à recuperação do líquido de suspensão e do solvente, inclui - como já foi referido e de acordo com a solução alternativa ilustrada nesta figura - a filtragem do transbordo superior proveniente da bateria de hidrociclone (ou seja, a partir do topo do hidrociclone de segurança da bateria). Esta suspensão, no exemplo ilustrado, contém finas partículas de carboneto de silício, bem como 95 a 98% de finas partículas metal e de partículas de silício, numa mistura de PEG e água. A relação entre água e PEG está na gama (1 a 5) : 1, e de preferência é igual a cerca de 3:1. Como já foi mencionado, esta suspensão é adicionada também com algumas porções da alimentação de retorno de suspensão para o sistema a partir das primeiras fases da secção de tratamento de grãos abrasivos.

Uma quantidade de cerca de 4 0 a 90% (de 28 ΡΕ1893385 preferência 70 a 80%) do líquido obtido a partir de filtragem é para realimentação - enquanto adição de água de compensação realizada - no seio da bateria de hidrociclone, após o aquecimento adequado, enquanto que o líquido remanescente é enviado para as fases seguintes de PEG e de recuperação de água. O líquido, que é junto à fracção líquida, que contém 70 a 90% de PEG presente na lama residual esgotada, separado pelo separador de centrifugação inicial, é primeiramente adicionado com uma solução de hidróxido de sódio com vista a alcalinizar-se o filtrado para um pH entre 9 e 10, e em seguida é objecto de microf iltragem. Isto elimina as finas partículas de hidróxido de ferro precipitadas. Em seguida, a suspensão é neutralizada com ácido clorídrico ou ácido sulfúrico e submetida a destilação. A partir desta operação, a água evaporada poderá ser recuperada por condensação com vista a ser reutilizada na lavagem a quente dos grãos abrasivos recuperados na segunda secção do dispositivo. O componente remanescente com elevado ponto de ebulição é composto de anidricos PEG como um resíduo da destilação, o qual deve ser filtrado para eliminar o sal (cloreto de sódio/sulfato), formado na operação de neutralização.

Um esquema de processo alternativo para a terceira secção do processo de acordo com a presente 29 ΡΕ1893385 invenção, isto é, a secção de recuperação de PEG, é mostrada na Figura 2. Este respeita a fases semelhantes aos mostrados na Figura 1 para as duas primeiras secções, e difere apenas para a terceira secção. Neste caso, não é alcalinizado o curso de liquido proveniente a partir da microfiltragem, para o qual é adicionada a fracção de liquido proveniente do separador da centrifugação inicial, mas é directamente submetido a uma filtragem que elimina as partículas de metal fino (essencialmente ferro) . Os vestígios adicionais de metais dissolvidos e de outras impurezas são eliminados pela passagem do fluxo de liquido nos leitos de resinas de permuta iónica. De preferência, em vez de utilizar leitos mistos, o curso de liquido é feito passar primeiro por cima de um leito de resinas catiónicas e em seguida sobre um leito de resinas aniónicas.

No final deste tratamento, o fluxo de liquido consiste exclusivamente de uma mistura binária de PEG e água, a partir da qual a água pode ser recuperada por evaporação, deixando o PEG purificado e totalmente livre de sólidos. Este pode ser directamente introduzido no processo de corte. 0 rendimento total da suspensão de liquido está na gama de 85 a 95%, entendida como a razão entre o PEG obtido como um produto final da terceira secção do processo descrito e de uma entrada com lama residual abrasiva esgotada. A presente invenção foi descrita com referência particular a algumas modalidades de realização especificas 30 ΡΕ1893385 da mesma, mas deve ser entendido que podem ser feitas modificações e alterações por pessoas com competências na tecnologia sem se afastarem do âmbito da invenção tal como definido nas reivindicações anexas.

Lisboa, 26 de Outubro de 2012

Claims (26)

1. ΡΕ1893385 1 REIVINDICAÇÕES 1. Um processo para o tratamento de lamas residuais abrasivas esgotadas, que inclui um líquido de suspensão, grãos abrasivos reutilizáveis, grãos abrasivos finos, partículas de silício finas e partículas de metal finas, compreendendo as seguintes etapas: a separação da lama abrasiva esgotada por tratamento de calibragem molhada num centrífugador em uma primeira suspensão de líquido contendo parte do líquido de suspensão e os grãos abrasivos reutilizáveis, e uma segunda suspensão de líquido contendo a parte remanescente do líquido de suspensão e os grãos abrasivos finos, bem como as partículas de silício finas e as partículas de metal finas; proporcionar uma bateria de pelo menos dois separadores em série, os separadores sendo ou hidrociclones ou centrífugadores, respectivamente, em que o transbordo inferior do respectivo separador anterior vai alimentar o respectivo separador seguinte e o transbordo superior do respectivo separador seguinte vai alimentar o respectivo separador anterior, a primeira suspensão de líquido vai a alimentar o 2 ΡΕ1893385 primeiro separador da bateria, uma terceira suspensão de liquido é obtida a partir do transbordo superior do primeiro separador da bateria, sujeitar da terceira suspensão de liquido à filtragem para obter uma quarta suspensão de liquido e junção de uma porção da quarta suspensão de liquido à segunda suspensão de liquido para proporcionar uma quinta suspensão de liquido; um liquido que compreende a porção restante da quarta suspensão de liquido ao qual é adicionado um solvente, para alimentar para o último separador da bateria, obtenção a partir do fluxo inferior do último separador de bateria de uma sexta suspensão de liquido que contém os grãos abrasivos reutilizáveis e estando substancialmente isento dos grãos abrasivos finos, a sexta suspensão de liquido é adicionalmente tratada de modo a obter grãos abrasivos no estado sêco, purificados de vestígios de grãos finos e de partículas, num dispositivo multifuncional que implementa as seguintes etapas consecutivas sem qualquer transferência de material: i) filtragem da sexta suspensão de líquido, ii) lavagem dos grãos resultantes e iii) lixiviação a partir deles, por decapagem química, de qualquer silicone fino e de partículas de metal e, finalmente, iv) a secagem dos grãos 3 ΡΕ1893385 de material abrasivo purificado. a recuperação do liquido de suspensão a partir da quinta suspensão de liquido por meio de tratamentos de separação sólido-liquido em combinação com destilação de solvente liquido.
2. 2. Um processo de acordo com a reivindicação 1, em que a bateria de separadores é composta de 3 a 6 hidrociclones ou centrifugadores conectados em série.
3. 3. Um processo de acordo com a reivindicação 2, em que os detalhes das consecutivas operações efectuadas no dispositivo multifuncional são como se segue A) filtragem da sexta suspensão de liquido contendo os grãos abrasivos reutilizáveis obtidos a partir do transbordo inferior do último separador da bateria; B) lavagem da fracção sólida resultante da operação A), utilizando-se o solvente liquido; C) lixiviação, por decapagem quimica, do silicio fino e das partículas metálicas da fracção sólida resultante da operação B) , com a produção de soluções de silicatos e de soluções de sais de impurezas metálicas, dissolvidos num liquido residual; D) lavagem da fracção sólida resultante da 4 ΡΕ1893385 operação C), utilizando-se um solvente liquido; E) secagem dos grãos abrasivos que constituem a fracção sólida resultante da operação D).
4. 4. Um processo de acordo com a reivindicação 3, em que a operação C) de lixiviação por decapagem quimica é realizada nas consecutivas duas etapas seguintes: Cl) decapagem cáustica das partículas finas de silício por tratamento da fracção sólida resultante da operação B) com uma solução de agente alcalino; C2) decapagem ácida das partículas finas de metal por tratamento da fracção sólida resultante da operação Cl) com uma solução de agente ácido.
5. 5. Um processo de acordo com a reivindicação 4, em que o agente de lixiviação ácida é escolhido a partir do grupo que consiste em ácido nítrico, ácido clorídrico, ácido oxálico, ácido sulfúrico, ácido cítrico e ácido tartárico, ou das suas misturas, e o referido agente de lixiviação alcalina é escolhido a partir do grupo que consiste de soda cáustica ou de hidróxido de potássio.
6. 6. Um processo de acordo com a reivindicação 3, em que a porção remanescente do líquido obtido a partir da operação A) e o líquido obtido a partir da operação B) são incluídos para a terceira suspensão de líquido. 5 ΡΕ1893385
7. 7. Um processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, em que a terceira suspensão de liquido é tratada num hidrociclone ou centrifuqador de segurança, e a suspensão obtida a partir do transbordo superior do hidrociclone ou centrifugador de segurança é objecto de filtragem.
8. 8. Um processo de acordo com a reivindicação 7, em que a porção restante da quarta suspensão de liquido é maior do que a porção da quarta suspensão de liquido.
9. 9. Um processo de acordo com a reivindicação 8, em que a porção remanescente da quarta suspensão de liquido constitui 40 a 90% da quarta suspensão de liquido.
10. 10. Um processo de acordo com a reivindicação 8 ou 9, em que a porção remanescente da quarta suspensão de liquido é aquecida antes de ir alimentar a bateria de separadores.
11. 11. Um processo de acordo com a reivindicação 8, em que a quinta suspensão de liquido é alcalinizada com pH de 9 a 10 por adição de uma solução alcalina.
12. 12. Um processo de acordo com a reivindicação 11, em que a fracção de liquido alcalinizado é objecto de microfiltragem para eliminar hidróxido de ferro, que é formado após a alcalinização. 6 ΡΕ1893385
13. 13. Um processo de acordo com a reivindicação 12, em que o liquido clarificado a partir da microfiltragem é neutralizado pela adição de uma solução ácida e é objecto de destilação com vista a separar por meio de evaporação o referido solvente a partir do liquido de suspensão.
14. 14. Um processo de acordo com a reivindicação 13, em que o liquido de suspensão é ainda purificado por filtragem, com vista a eliminar o sal que é formado a partir da neutralização.
15. 15. Um processo de acordo com a reivindicação 8, em que a quinta suspensão de liquido é objecto de microfiltragem para eliminar a maior parte das partículas de metal fino para se obter um líquido clarificado.
16. 16. Um processo de acordo com a reivindicação 15, em que o líquido clarificado obtido a partir da microfiltragem é objecto de um tratamento adicional com resinas de permuta iónica para eliminar vestígios de metais e de outras impurezas do referido líquido clarificado, compreendendo um primeiro tratamento com resinas catiónicas e um segundo tratamento com resinas aniónicas.
17. 17. Um processo de acordo com a reivindicação 16, em que o líquido clarificado obtido o tratamento com resinas de permuta iónica, é objecto de destilação para separar, por meio de evaporação, o referido solvente a partir do líquido de suspensão. 7 ΡΕ1893385
18. 18. Um processo de acordo com as reivindicações 13 ou 17, em que o solvente é então condensado e reutilizado nas fases de lavagem B) e/ou D) dos grãos abrasivos no referido dispositivo multifuncional.
19. 19. Um processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, em que o liquido de suspensão da lama residual abrasiva é o polietileno glicol (PEG) e o solvente líquido é a água.
20. 20. Um dispositivo para o tratamento de lamas residuais abrasivas esgotadas de acordo com o processo tal como definido na reivindicação 1, com os seguintes elementos interligados: - um primeiro centrifugador, - uma bateria de pelo menos dois separadores a serem ou pelo menos dois hidrociclones ou pelo menos, dois centrifugadores ligados em série, em que o transbordo inferior do separador anterior respectivo vai alimentar o separador respectivo seguinte e o transbordo superior do respectivo separador seguinte vai alimentar o respectivo separador anterior, - um filtro, - um dispositivo multifuncional para a filtragem e o tratamento dos grãos abrasivos, e ΡΕ1893385 - uma secção de tratamento para a recuperação de líquido de suspensão, a secção de tratamento que compreende meios para tratamento de separação sólido-líquido e os meios de destilação de solvente líquido; em que o transbordo inferior do primeiro centrifugador está conectado à entrada do primeiro separador de bateria, o transbordo superior do primeiro centrifugador está ligado à secção de tratamento, o transbordo superior do primeiro separador da bateria está ligado ao filtro, a saída de líquido do filtro é conectada à entrada do último separador da bateria e à secção de tratamento, e o transbordo inferior do último separador da bateria é ligado à entrada do dispositivo multifuncional o qual é concebido para realizar as seguintes consecutivas etapas sem qualquer transferência de material sólido entre uma operação e a seguinte: i) filtragem dos grãos abrasivos que contêm o transbordo inferior do último separador da bateria, ii) lavagem subsequente dos grãos abrasivos resultantes e iii) lixiviação a partir deles, por decapagem química, do silício e de partículas finas de metal e, finalmente, iv) a secagem dos grãos abrasivos purificados.
21. 21. Um dispositivo de acordo com a reivindicação 20, em que um hidrociclone ou centrifugador de segurança está conectado ao transbordo superior do primeiro separador da bateria, e o transbordo superior do hidrociclone ou centrifugador de segurança está conectado ao filtro. 9 ΡΕ1893385
22. 22. Um dispositivo de acordo com a reivindicação 21, em que o dispositivo multifuncional para a filtragem e o tratamento dos grãos abrasivos é um dispositivo de operação por lotes, que consiste de um recipiente de pressão que contém um mecanismo de filtro no qual os grãos abrasivos estão alojados durante a filtragem e todas as fases subsequentes de lavagem, de lixiviação e de secagem.
23. 23. Um dispositivo de acordo com a reivindicação 22, em que entre o transbordo inferior do último separador da bateria e o dispositivo multifuncional é proporcionado um tanque de retenção.
24. 24. Um dispositivo de acordo com a reivindicação 23, em que a secção de tratamento inclui um mecanismo de microfiltragem e um evaporador adequado para separar o solvente sob a forma de vapor a partir do liquido de suspensão.
25. 25. Um dispositivo de acordo com a reivindicação 24, em que a secção de tratamento inclui um mecanismo de filtro para a eliminação dos residuos salinos a partir do liquido de suspensão resultante da referida destilação.
26. 26. Um dispositivo de acordo com a reivindicação 24, em que a secção de tratamento também inclui um ou mais 10 ΡΕ1893385 27. mecanismos para tratamento por resinas de permuta iónica. Lisboa, 26 de Outubro de 2012