浅谈多晶硅生产副产物四氯化硅的综合利用

陶崇花(浙江精功新材料技术有限公司 浙江省杭州市 310018)

由于传统的石油、天然气等非再生能源难以满足人口和经济不断增长的需求， 使得探寻可再生能源成为社会发展的重心和焦点。其中多晶硅作为光伏太阳能产业的基石，成为众多国家寻求可再生资源的重点之一。我国的多晶硅产业的发展源于上世纪六十年代，并于二十世纪初，在光伏产业的推动和国家经济政策的优惠下，多晶硅产业的发展开始进入批量式生产。但多晶硅产业的发展在满足社会发展需求的同时，也必然导致多晶硅生产过程中的副产品四氯化硅的增多。四氯化硅由于腐蚀性大、污染性强，因此会严重阻碍多晶硅的健康持续的发展。因此，本文在介绍四氯化硅概况的基础上，进一步分析多晶硅生产副产品四氯化硅的综合利用，以便使多晶硅得到长远地发展。

一、四氯化硅的概况

1.四氯化硅的危害

四氯化硅是一种带有无色或淡黄色具有性气味的液体，当它遇热或遇水时容易分解，并放出有毒的腐蚀性烟气。在多晶硅生产的副产物中，每生产1吨多晶硅，就会产生10吨左右的四氯化硅。此外，如果将副产物四氯化硅填埋到土地里，就会使土地变得常年寸草不生。可见，四氯化硅不仅腐蚀性较大，而且环境污染也很严重。

2.多晶硅生产中四氯化硅成分的来源

多晶硅是单质硅的一种形态，属于极为重要的优良半导体材料之一。由于它既是单晶硅生产的直接原材料，又能与任何其他的化学材料发生作用，因此它被誉为“微电子大厦的基石”。作为目前我国自动控制、信息处理及人工智能等半导体器件的电子信息基础性材料，在生产发展过程中产生具有一定污染性的四氯化硅化合物。其具体的来源见图1：

图1 多晶硅生产中四氯化硅的来源分析

二、多晶硅生产副产物四氯化硅的综合利用

多晶硅生产的副产物四氯化硅可以从提纯为光纤级四氯化硅、合成气相二氧化硅、氢化还原成三氯氢硅及合成为硅酸酯四个方面来综合利用。下面主要是对这四种方法和技术的介绍：

1.提纯为光纤级四氯化硅

随着社会科技的快速发展，光纤通信由于其自身的通信容量大、抗干扰性能强等优点，因此成为通信网络的重心。光纤生产主要是以四氯化硅为主要原料，因此，光纤通信网络的发展无疑使得四氯化硅的需求得到突飞猛进地发展。光纤原料的纯度是整个光纤产品质量的核心和关键，好的光纤原料有助于降低光纤的损耗，从而降低成本，提高市场竞争力。而四氯化硅作为光纤技术发展的核心，在发展过程中，可以有效利用极性吸附剂将四氯化硅内含有的少量杂质，如氯化铁、氯化铝等极性物质吸附出来，从而保证了四氯化硅的纯度。此外，通过粗四氯化硅提纯获取的光纤级四氯化硅主要是有氯气和硅粉的自然反应生成，但四氯化硅的提纯度不高。而运用吸附、络合等方法对多晶硅生产中所产生的四氯化硅进行提纯的办法，既能避免氯气和硅粉的浪费，解决了成本，又能科学合理地处理四氯化硅，使之为光纤产业发展的做贡献。

2.合成气相水合二氧化硅

水合二氧化硅俗称为“白炭黑”，它是一种无毒流动性强的白色絮状粉体物质。由于它具有耐高温、化学稳定性强、电力绝缘性好等优点，因此在塑料、造纸、食品、化妆品、涂料等行业中可以用于对产品的补强、增稠、消光等。此外，水合二氧化硅作为重要的补强填料和功能添加剂，享有世界级真正的工业纳米材料的荣誉。

气相二氧化硅的合成，首先是通过在1800度的高温氢氧焰中将其分解，具体的反应方程为：

在1800度的高温溶解过程中，四氯化硅通过释放出大量的热气，从而自动生成粒径约为7纳米至40纳米的二氧化硅的原生粒子，再通过将原生粒子进行冷却和聚集后，最后得出二氧化硅的粉体。其具体的流程见图2：

图2 合成气相水合二氧化硅的工艺流程

可见，利用多晶体生产副产物四氯化硅不仅有利于推动气相二氧化硅的生产发展，而且还有助于环保，使多晶硅的生产发展也更加节能和环保，从而有效实现了资源循环利用的目的。

3.氢化还原成三氯氢硅

市场的不断发展使得三氯氢硅的需求量持续增长，因此如何将副产物四氯化硅转换成三氯氢硅，从而实现资源的可持续循环利用是具有十分现实意义。目前，我国四氯化硅转化成三氯氢硅主要是在有镍触媒的前提条件下，合理利用氢气还原成三氯氢硅。其化学反应公式为：

4.合成为硅酸酯

硅酸脂作为一种重要的精细化工产品之一，常被用于高温耐火材料及硅酸盐陶瓷等方面。硅酸脂主要是通过将四氯化硅与低级脂肪醇混合一起，从而通过酯化反应而得到。由于目前硅酸脂需求量不高，每年大约只需5000吨，而每吨硅酸脂只需1吨左右的四氯化硅。可见，四氯化硅在合成硅酸脂的过程中需求量十分有限。

结束语

一方面社会经济的快速发展，需要大规模的生产多晶硅以满足市场的需求；而另一方面多晶硅生产的发展难免会产生大量的副产物四氯化硅。因此如何科学合理地处置四氯化硅成为多晶硅发展过程中的关键环节。以上从四个方面提出了四氯化硅的综合利用办法，但现有的技术和条件远不能满足实际的需求，因此只有在不断吸收和引进国内外先进技术的基础上，大力创新，从而寻找出解决多晶硅副产物四氯化硅综合利用的根本途径和方法。

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