DD287468A5 - METHOD FOR THE PRODUCTION OF FINE-COAL, HIGH-PURITY, REACTIONALLY SILICIUM - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von feinstkoernigem, hochreinem, reaktionsfaehigem Silicium, das vorwiegend als Grundmaterial zur Herstellung von Siliciumnitrid, zur pulvermetallurgischen Herstellung von hochwertigen Konstruktionskeramikbauteilen und als Grundmaterial fuer Solarzellen und Halbleiterbauelemente verwendet wird. Das Ausgangsprodukt wird gegebenenfalls durch an sich bekannte Verfahren trocken bei hoher Beanspruchungsintensitaet zerkleinert und nach an sich bekannten Verfahren naszchemisch gereinigt, wobei das metallurgische Silicium unter Zusatz von mindestens einem Modifizierungsmittel auf die gewuenschte Feinheit ohne verfestigte Agglomerate aufgemahlen, das feinstkoernige Silicium in Anwesenheit von mindestens einem Modifizierungsmittel naszchemisch unter Ausbildung eines grobstrukturierten, schnell zerfallenden Schaumes gereinigt und anschlieszend einem Wasch- und Trocknungsprozesz unterzogen wird.{Silicium, feinstkoernig, hochrein, reaktionsfaehig; Trockenmahlung; Reinigung, naszchemisch; Modifizierungsmittel; Agglomerate; Schaum, grobstrukturiert und schnell zerfallen}The invention relates to a process for the production of feinstkoernigem, high-purity, responsive silicon, which is mainly used as a base material for the production of silicon nitride, for powder metallurgy production of high-quality construction ceramic components and as a base material for solar cells and semiconductor devices. The starting material is optionally comminuted dry at high stress intensity by methods known per se and nasal-chemically purified by methods known per se, wherein the metallurgical silicon with the addition of at least one modifier ground to the desired fineness without solidified agglomerates, the very fine-grained silicon in the presence of at least one Modified modifier nas-chemically to form a coarse structured, rapidly disintegrating foam and then subjected to a washing and drying process. {Silicon, feinstkoernig, high purity, reactive; dry grinding; Cleaning, nasochemical; Modifiers; agglomerates; Foam, coarse textured and decay quickly}
Description
Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von feinstkörnigem, hochreinem, reaktionsfähigem Silicium aus metallurgischem Silicium, das vorwiegend als Grundmaterial zur Herstellung von Siliciumnitrid, zur pulvermetallurgischen Herstellung von hochwertigen Konstruktionskeramikbauteilen und als Grundmaterial für Solarzellen und Halbleiterbauelemente verwendet wird.The invention relates to a process for the production of fine-grained, high-purity, reactive silicon metallurgical silicon, which is mainly used as a base material for the production of silicon nitride, for powder metallurgy production of high-quality construction ceramic components and as a base material for solar cells and semiconductor devices.
Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art
Nach Angaben in der Literatur sind zur trockenen Feinstmahlung von Silicium in Kugel- und Schwingmühlen längere Mahldauern von über 15h erforderlich, wobei das Mahlprodukt einen großen Anteil gröberer Teilchen enthält. Berichtet wird in der Literatur auch über das Auftreten von Agglomeratbildungen im Mahlprodukt (R. P. Herbell, T. K. Glasgow, N.W. Orth: „Demonstration of a Silicon Nitride Attrition Mill for Production of Fine Pure Si and Si3N4 Powders", Ceramic Bulletin 63 [1984) Nr.9, S. 1176-1178; PCT WO 84/01373; GB 1452578). Diese Agglomeratbildung kann sogar zur Verhinderung des Mahlguttransportes bei kontinuierlich arbeitenden Mühlen führen.According to data in the literature, for ultrafine grinding of silicon in ball and vibratory mills, longer grinding times of more than 15 h are required, the milled product containing a large proportion of coarser particles. The literature also reports on the occurrence of agglomeration in the milled product (RP Herbell, TK Glasgow, NW Orth: "Demonstration of a Silicon Nitride Attrition Mill for Production of Fine Pure Si and Si 3 N 4 Powders", Ceramic Bulletin 63 [1984 No. 9, pp. 1176-1178; PCT WO 84/01373; GB 1452578) .This agglomeration can even lead to the prevention of regrind transport in continuous mills.
Die trockene Feinstmahlung des vorzerkleinerten Materials erfolgt hierbei in Kugel-, Strahl- oder Schwingmühlen bei vergleichsweise geringer Beanspruchungsintensität. Bekannt ist, daß durch trockene Feinstmahlung von vorzerkleinertem Silicium bei hoher Beanspruchungsintensität z.B. in Schwingmühlen eine wesentliche Verkürzung der Mahldauer erreicht werden kann. Die Probleme durch Anwesenheit von Überkornanteilen und Agglomeraten sind jedoch auch dann noch vorhanden und stellen ein Hindernis für die effektive technische Durchführung der trockenen Feinstmahlung von Silicium dar. So ist beispielsweise ein zusätzlicher Klassierprozeß erforderlich, um ein gewünschtes Kornband ausreichender Feinheit zu erreichen.The dry fine grinding of the pre-shredded material takes place here in ball, jet or vibratory mills at comparatively low stress intensity. It is known that, by dry pulverization of pre-shredded silicon at high stress intensity, e.g. In vibratory mills a significant shortening of the grinding time can be achieved. However, the problems due to the presence of oversize particles and agglomerates are still present and present an obstacle to the effective technical implementation of the dry micronization of silicon. For example, an additional classification process is required to achieve a desired grain size range of sufficient fineness.
Zur Vermeidung der störenden Agglomeratbildung bei der Mahlung von Metallen ist auch ein Verfahren vorgeschlagen worden, bei dem wasserlösliche Verbindungen wie z. B. NaCI dem Mahlgut zugesetzt und dann aus dem Mahlprodukt eusgelaugt werden. Durch die erforderlichen hohen Zusatzmengen steigt jedoch der Mahlonergieverbrauch, und der Durchsatz von Silicium sinkt. Außerdem tritt bereits hier ein Materialverlust durch Umsetzen des Laugungsmittels mit dem Silicium unter Bildung von Wasserstoff und Silanen ein, und es entstehen besondere Aufwendungen zur Behandlung der Lösungen mit den ausgelaugten Verbindungen (DD-59464).To avoid the disturbing agglomeration in the milling of metals, a method has been proposed in which water-soluble compounds such. B. NaCl added to the millbase and then eusgelaugt from the ground product. However, the required high levels increase the milling energy consumption and the throughput of silicon decreases. In addition, loss of material already occurs by reacting the leaching agent with the silicon to form hydrogen and silanes, and there are special expenses for the treatment of the solutions with the leached compounds (DD-59464).
Bekannt ist auch die Verwendung von Mahlhilfsmitteln wie z. B. Fettsäuren und ihrer Salze bei der Mahlung von Metallen zur Verhinderung der Agglomeration (W.E. Kuhn: „Ultrafina Particles", published by Wiley in 1963). Der Nachteil ist aber, daß dabei Pulver mit niedriger spezifischer Oberfläche erzeugt werden (US-3476326).Also known is the use of grinding aids such. B. Kuhn: "Ultrafina Particles", published by Wiley in 1963.) The disadvantage, however, is that it produces powders with a low specific surface area (US-3476326). ,
Zur Herstellung von hochreinem Siliciumpulver aus metallurgischem Silicium als Grundmaterial für keramische Pulver oder kompakte Formkörper sowie für Solarzellen und Halbleiterbauelemente ist ein aufwendiger intensiver chemischerFor the production of high-purity silicon powder of metallurgical silicon as a base material for ceramic powder or compact molded body as well as for solar cells and semiconductor devices is a complex intensive chemical
-2- 286 468-2- 286 468
Reinigungsprozeß erforderlich. Bei der naßchemischen Reinigung werden nach Angaben in der Literatur bevorzugt Mineralsäuren, vor allem Flußsäure sowie Flußsäure-Mineralsäure-Gemische eingesetzt (N. P. Tucker: „Alloys of Iron Research, Part VII: Preparation of high purity Silicon" J. Iron and Steel Inst., London, 115 (1927), S. 412-416; US-2972521; J. M. Juveja, T. K. Mukherjeo: „A Study of the Purification of Metallurgical Grade Silicon", Hydrometallurgy 16 (1986)1, S. 69-75; DE-2933164; US-4304763; US-4379777; DE-2722783; DD-240728; DD-240729; DD-240730; DE-3317286; US-4588571; US-4539194). Durch chemische Reaktion der Verunreinigungen im Silicium mit den Laugungsmitteln kommt es zur Entwicklung von Wasserstoff und Silanen. Bei der naßchemischen Reinigung von'feinstkörnigem Silicium bildet sich dadurch im Reaktionsgefäß ein stabiler Schaum, der auch einen großen Anteil von Silicium-Teilchen an seinen Grenzflächen anlagert und der sich der Einwirkung des Laugungsmittels entzieht. Dieser Schaum bewirkt einen relativ langsamen Verlauf des Reinigungsprozesses, so daß Laugungszeiten von mehreren Tagen erforderlich sind. Im technischer. Prozeß dor naßchemischen Siliciumreinigung werden die Durchführung sowie der Durchsatz von Silicium durch die Schaumbildung stark begrenzt.Cleaning process required. In the case of wet-chemical cleaning, mineral acids, especially hydrofluoric acid and hydrofluoric-mineral acid mixtures are preferably used according to the literature (NP Tucker: "Alloys of Iron Research, Part VII: Preparation of High Purity Silicon" J. Iron and Steel Inst. London, 115 (1927), pp. 412-416; US-2972521; JM Juveja, TK Mukherjeo: "A Study of the Purification of Metallurgical Grade Silicon", Hydrometallurgy 16 (1986) 1, pp. 69-75; No. 4,333,174, US-4,304,763, US-4,379,777, DE-2722783, DD-240728, DD-240729, DD-240730, DE-3317286, US-4588571, US-4539194). The chemical reaction of the impurities in the silicon with the leaching agents leads to the development of hydrogen and silanes. In the wet-chemical cleaning of fine-grained silicon, a stable foam is thereby formed in the reaction vessel, which also accumulates a large proportion of silicon particles at its interfaces and which eludes the action of the leaching agent. This foam causes a relatively slow course of the cleaning process, so that leaching times of several days are required. In the technical. Process of wet chemical silicon cleaning greatly limits the performance and throughput of silicon through foam formation.
Ziel der ErfindungObject of the invention
Ziel der Erfindung ist ein effektives Verfahren zur Herstellung von feinstkörnigem, hochreinem, reaktionsfähigem Silicium aus metallurgischem Silicium, das sich durch eine kurzzeitige trockene Feinstmahlung sowie geringe Laugungszeiten auszeichnet.The aim of the invention is an effective process for the production of fine-grained, high-purity, reactive silicon metallurgical silicon, which is characterized by a short-term dry Feinstmahlung and low leaching times.
Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von feinstkörnigem, hochreinem, reaktionsfähigem Silicium aus metallurgischem Silicium zu entwickeln, wobei das Ausgangsprodukt gegebenenfalls durch an sich bekannte Verfahren trocken bei hoher Beanspruchungsintensität zerkleinert und nach an sich bekannten Verfahren naßchemisch gereinigt wird, wobei im feinstkörnigen Silicium keine verfestigten Agglomerate auftreten, bei relativ geringem Mahlaufwand sehr hohe spezifische Oberflächen erreicht werden können, nur eine begrenzte Oberflächenoxydation stattfindet und die Laugungszeit bedeutend verkürzt wird.The invention has for its object to develop a process for the production of fine-grained, high-purity, reactive silicon from metallurgical silicon, wherein the starting material optionally comminuted by known per se dry at high stress intensity and purified by wet-chemical methods known per se, wherein Fine-grained silicon no solidified agglomerates occur, with relatively little Mahlaufwand very high specific surface areas can be achieved, only a limited surface oxidation takes place and the leaching time is significantly shortened.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß gegebenenfalls das metallurgiscche Silicium unter Zusatz von mindestens einem Modifizierungsmittel auf die gewünschte Feinheit ohne verfestigte Agglomerate aufgemahlen und das feinstkörnige Silicium in Anwesenheit von mindestens einem Modifizierungsmittel naßchemish unter Ausbildung eines grobstrukturierten, schnell zerfallenden Schaumes gereinigt und anschließend einem Wasch- und Trocknungsprozß unterzogen wird. Wenn das Ausgangsmaterial ausreichend fein vorliegt, kann das Modifizierungsmittel auch erst bei der naßchemischen Reinigung zugesetzt werden. Erfindungswesentlich ist, daß als Modifizierungsmittel nichtionogene Tenside eingesetzt werden, vorzugsweise Alkylphenylpolyglykolether und/oder Alkylpolyglykolether. Weiterhin ist erfindungswesentlich, daß bei der Mahlung das Modifizierungsmittel oder das Gemisch von Modifizierungsmitteln in einer Konzentration von 0,2 bis 5 Masseanteilen in %, bezogen auf das Mahlgut, zugesetzt wird und daß bei der naßchemischen Reinigung mit Mineralsäuren in wäßrigen Medien das Modifizierungsmittel oder das Gemisch von Modifizierungsmitteln in einer Konzentration von 0,1 bis 5 Masseanteilen in %, bezogen auf den Feststoff, zugesetzt oder nachdosiert wird. Kennzeichnend ist außerdm, daß bei der naßchemischen Reinigung die Abtrennung der gelösten Verunreinigungen und des Laugungsmittels durch Querstrommembran· oder Diafiltration mit nachfolgendem lonenaustauschprozeß erfolgt.According to the invention, this object is achieved in that optionally the metallurgical silicon with the addition of at least one modifier ground to the desired fineness without solidified agglomerates and the very fine-grained silicon in the presence of at least one modifier wet chemical to form a coarse structured, rapidly disintegrating foam and then a wash and drying process. If the starting material is sufficiently fine, the modifier can also be added only during the wet-chemical cleaning. It is essential to the invention that the modifying agents used are nonionic surfactants, preferably alkylphenyl polyglycol ethers and / or alkylpolyglycol ethers. Furthermore, it is essential to the invention that during the grinding, the modifier or the mixture of modifying agents in a concentration of 0.2 to 5 parts by mass in%, based on the millbase, is added and that in the wet-chemical cleaning with mineral acids in aqueous media, the modifying agent or Mixture of modifiers in a concentration of 0.1 to 5 parts by mass in%, based on the solid, added or postdosed. In addition, it is characteristic that in wet-chemical cleaning the separation of the dissolved impurities and of the leaching agent takes place by cross-flow membrane or diafiltration with subsequent ion exchange process.
Durch den Einsatz des Modifizierungsmittels wird ein Anbacken des Mahlgutes an den Mühlenwandungen verhindert und erst dadurch eine ungestörte Betriebsweise der Mühle ermöglicht. Es entsteht ein fließfähiges Mahlgut ohne verfestigte Agglomerate und Überkornanteile, so daß keine Klassieroperationen erforderlich sind. Das Modifizierungsmittel bewirkt, daß ein Mahlprodukt mit sehr hoher spezifischer Oberfläche bei relativ kurzer Mahldauer hergestellt werden kann. Dadurch können die im Silicium verteilten Verunreinigungen bei der anschließenden chemischen Reinigung weitgehender als bei nicht so fein aufgemahlenem Silicium entfernt werden. Auf diese Weise ist es möglich, Silicium von Solarqualität herzustellen. Bei der chemischen Reinigung mit Mineralsäuren in wäßrigen Medien bewirkt das Modifizierungsmittel eine Veränderung des bei der Laugung auftretenden Schaumes. Er wird großporig, entwässert schnell und zerfällt rasch. Damit ist der Ablauf der chemischen Reinigung in einer technologisch vernünftigen Zeit (ca, 4 bis 6 Stunden) zu realisieren. Demgegenüber ist ohne Modifizierungsmittelzusatz eine Laugungsze··. von 3 bis 4 Tagen nötig, weil dann ein Schaum entsteht, der sehr stabil ist und nur langsam zerfällt. Des weiteren wird durch den Modifizierungsmittelzusatz sowohl bei der Mahlung als auch bei der Laugung die Oberflächenoxydation durch Bedeckung der Feststoffoberfläche begrenzt. Gegenüber dem Stand der Technik weist die Erfindung u.a. folgende Vorteile auf:Through the use of the modifier caking of the ground material is prevented at the Mühlenwandungen and only thereby allows undisturbed operation of the mill. The result is a flowable ground material without solidified agglomerates and oversize particles, so that no Klassieroperationen are required. The modifier causes a very high surface area milled product to be produced with a relatively short milling time. As a result, the impurities distributed in the silicon can be removed during the subsequent chemical cleaning more than with not so finely ground silicon. In this way it is possible to produce silicon of solar quality. In chemical cleaning with mineral acids in aqueous media, the modifier causes a change in the foam occurring during leaching. It becomes large pores, drains quickly and disintegrates quickly. Thus, the process of chemical cleaning in a technologically reasonable time (about 4 to 6 hours) to realize. In contrast, without modifier addition a lye ··. from 3 to 4 days, because then a foam is formed, which is very stable and decomposes only slowly. Furthermore, the surface modification is limited by covering the solid surface by the Modifizierungsmittelzusatz both during grinding and during the leaching. Compared to the prior art, the invention u.a. following advantages:
- Verkürzung der Mahldauer und der Laugungszeit- Shortening of grinding time and leaching time
- Verhinderung der Bildung verfestigter Agglomerate des Mahlgutes- Prevention of the formation of solidified agglomerates of the ground material
- Begrenzung der Oberflächenoxydation- Limitation of surface oxidation
- Herstellung von hochreinem Silicium von Solarqualität möglich- Production of high-purity silicon of solar quality possible
- ungestörte Betriebsweise des Mahlaggregates bei hoher Beanspruchungsqualität. Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.- undisturbed operation of the grinding unit at high stress quality. The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment.
Ausführungsbeispielembodiment
Metallurgisches Silicium mit 2,8 Masseanteilen in % Fe wurde unter Zusatz von 1 Masseanteil in % Alkylphenylpolyglykolether mit 72,5 Masseanteilen in % Ethoxygruppen kontinuierlich in einer Rohrschwingmühle unter Inertgasatmosphäre (N2) bei einem Durchsatz von 7,8kg/h, einer Mahlkörpcrfüllung von 75 Volumenanteilen in % Stahlkugeln und einer Schwingungsamplitude von 5 mm trocken gemahlen und anschließend mit 6%iger Flußsäure unter weiterem Zusatz von 0,45 Masseanteilen in % desMetallurgical silicon of 2.8 wt.% Fe was continuously added in a tubular vibrating mill under inert gas atmosphere (N 2) at a flow rate of 7.8 kg / h, a mill scale fill of 75 with the addition of 1 wt.% Of alkylphenyl polyglycol ether containing 72.5 wt.% Ethoxy groups Volume fractions in% steel balls and a vibration amplitude of 5 mm dry ground and then with 6% hydrofluoric acid with further addition of 0.45 parts by weight in% of
o.g. Modifizierungsmittels bei einem Feststoffgehalt von 300g/l einer Rührlaugung bei Raumtemperatur unterzogen. Im Gegensatz zur Mahlung und Laugung ohne Zusatzmittel bildete sich bei der Laugung ein grobstrukturierter, schnell zerfallender Schaum, der eine Senkung der Laugungszeit von 75h auf 4 h bewirkte. Danach erfolgte die Abtrennung des Siliciums durch Filtration und Waschen mit Laugungsmittel und deionisiertem Wasser. Abschließend wurde der Feststoff getrocknet. Ohne Zusatz des Modifizierungsmittels war eine Mahlung in der Rohrschwingmühle nicht möglich, da infolge starker Bildung verfestigter Agglomerate kein Materialtransport mehr erfolgte. Die Ausnutzung hoher Beanspruchungsintensität in einer ausschließlich diskontinuierlich betreibbaren Topfschwingmühle führto zwar zur gewünschten Feinheit, die Produktausbeute war dabei aber infolge von Anbackungen an der Mahltopfwand und den Mahlkugeln bedeutend vermindert und ökonomisch nicht vertretbarabove-mentioned Modifier at a solids content of 300g / l of a stirring leach at room temperature. In contrast to milling and leaching without additives, leaching produced a coarsely structured, rapidly disintegrating foam, which reduced the leaching time from 75 h to 4 h. Thereafter, the separation of the silicon was carried out by filtration and washing with leachant and deionized water. Finally, the solid was dried. Grinding in the tube mill was not possible without the addition of the modifier, since there was no more material transport due to the strong formation of solidified agglomerates. Although the utilization of high stress intensity in an exclusively discontinuously operable pot vibration mill leads to the desired fineness, the product yield was significantly reduced and economically unacceptable as a result of caking on the grinding pot wall and the grinding balls
Das gereinigte Siliciumpulver wies folgende Kennwerte auf- The purified silicon powder had the following characteristics:
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| DD32043588A DD287468A5 (en) | 1988-10-04 | 1988-10-04 | METHOD FOR THE PRODUCTION OF FINE-COAL, HIGH-PURITY, REACTIONALLY SILICIUM |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DD32043588A DD287468A5 (en) | 1988-10-04 | 1988-10-04 | METHOD FOR THE PRODUCTION OF FINE-COAL, HIGH-PURITY, REACTIONALLY SILICIUM |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DD287468A5 true DD287468A5 (en) | 1991-02-28 |
Family
ID=5602932
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DD32043588A DD287468A5 (en) | 1988-10-04 | 1988-10-04 | METHOD FOR THE PRODUCTION OF FINE-COAL, HIGH-PURITY, REACTIONALLY SILICIUM |
Country Status (1)
| Country | Link |
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| DD (1) | DD287468A5 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102007031471A1 (en) * | 2007-07-05 | 2009-01-08 | Schott Solar Gmbh | Process for the preparation of silicon material |
| WO2014053799A1 (en) * | 2012-10-01 | 2014-04-10 | Isis Innovation Limited | Composition for hydrogen generation |
-
1988
- 1988-10-04 DD DD32043588A patent/DD287468A5/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102007031471A1 (en) * | 2007-07-05 | 2009-01-08 | Schott Solar Gmbh | Process for the preparation of silicon material |
| WO2014053799A1 (en) * | 2012-10-01 | 2014-04-10 | Isis Innovation Limited | Composition for hydrogen generation |
| US9751759B2 (en) | 2012-10-01 | 2017-09-05 | Oxford University Innovation Limited | Composition for hydrogen generation |
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