于站良，謝克強(qiáng)，鄭葉芳，陳家輝，馬文會(huì)，謝 剛

(1. 昆明冶金研究院 冶金研究所，昆明 650031；2. 昆明理工大學(xué) 真空冶金國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，昆明 650093；3. 湖南武岡市第二中學(xué)，武岡 422400)

從冶金級(jí)硅中加壓去除雜質(zhì)鋁的動(dòng)力學(xué)

于站良1,2，謝克強(qiáng)2，鄭葉芳3，陳家輝1,2，馬文會(huì)2，謝 剛1

(1. 昆明冶金研究院 冶金研究所，昆明 650031；2. 昆明理工大學(xué) 真空冶金國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，昆明 650093；3. 湖南武岡市第二中學(xué)，武岡 422400)

研究加壓浸出過(guò)程中鹽酸溶液提純冶金級(jí)硅過(guò)程的動(dòng)力學(xué)特征以及去除雜質(zhì)Al時(shí)顆粒粒度、反應(yīng)溫度、總壓強(qiáng)、鹽酸初始濃度等因素對(duì)動(dòng)力學(xué)的影響。結(jié)果表明：反應(yīng)過(guò)程符合核收縮模型的固態(tài)產(chǎn)物層擴(kuò)散方程；反應(yīng)過(guò)程中，表觀反應(yīng)活化能為34.067 kJ/mol，表觀反應(yīng)級(jí)數(shù)為0.346。硅粉粒度、溫度、壓強(qiáng)和鹽酸濃度共同對(duì)Al去除率的影響的動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型經(jīng)過(guò)不同條件下實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，使用該模型計(jì)算所得結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

冶金級(jí)硅；高壓浸出；動(dòng)力學(xué)；雜質(zhì)；Al去除

太陽(yáng)能由于具備了其他常規(guī)能源所不具備的優(yōu)點(diǎn)，如絕對(duì)的安全性、充分的清潔性、資源的充足性和相對(duì)廣泛性等，使其得到了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注，并處于快速的發(fā)展中。受當(dāng)前國(guó)際金融危機(jī)的擴(kuò)散和蔓延，常規(guī)能源日益枯竭，世界各國(guó)均把大力發(fā)展新能源和可再生能源作為重振經(jīng)濟(jì)的重要途徑。為對(duì)抗經(jīng)濟(jì)不景氣，還要兼顧未來(lái)發(fā)展，近期世界各發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛推出了以節(jié)能減碳為主軸的環(huán)保新能源產(chǎn)業(yè)方針，為太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來(lái)了更多新機(jī)遇[1]。傳統(tǒng)的西門子法及硅烷熱分解法等多晶硅生產(chǎn)工藝存在價(jià)格昂貴、環(huán)境壓力大等不足，且西門子法和硅烷法的關(guān)鍵技術(shù)目前還處在國(guó)外幾家大型企業(yè)的掌控之中，他們對(duì)多晶硅的市場(chǎng)形成了壟斷經(jīng)營(yíng)。因此，有必要尋找一條不依賴于現(xiàn)有多晶硅工藝的低成本低能耗的工藝。近年來(lái)，低成本、低能耗的太陽(yáng)能級(jí)硅制備新技術(shù)新工藝有很多報(bào)道，其中，冶金法制備太陽(yáng)能級(jí)硅技術(shù)已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[2?4]。

在冶金法制備太陽(yáng)能級(jí)硅的工藝中，一般采用兩個(gè)步驟進(jìn)行生產(chǎn)。第一步最好在冶金級(jí)硅工業(yè)上進(jìn)行，冶金級(jí)硅被經(jīng)過(guò)預(yù)處理后得到所謂的超冶金級(jí)硅(Upgrade metallurgical grade silicon, UMG-Si)[5?6]。目前，預(yù)處理的方法主要采用濕法浸出的方式去除冶金級(jí)硅中大部分的金屬雜質(zhì)。第二步為超冶金級(jí)硅進(jìn)一步提純至太陽(yáng)能硅。

SANTOS等[7]從硅中雜質(zhì)分布特性入手，討論了硅粉粒度、時(shí)間、溫度、浸出液濃度等因素對(duì)雜質(zhì)浸出效果的影響。采用鹽酸能夠去除85%的雜質(zhì)，而最后采用氫氟酸能夠得到純度為99.9%的硅粉。

MARGARIDO等[8?9]就Fe-Si合金酸浸精煉過(guò)程的動(dòng)力學(xué)機(jī)理做了分析，研究指出，酸浸過(guò)程遵循裂化收縮模型，即合金顆粒(半徑R)外部受到液體酸的浸蝕引起裂縫，裂縫發(fā)生在邊沿并深入顆粒內(nèi)部直至使顆粒發(fā)生破裂，使原來(lái)較大的顆粒分解成為許多微粒(半徑r遠(yuǎn)小于R)，微粒與酸進(jìn)行反應(yīng)，過(guò)程受化學(xué)反應(yīng)控制。

MA等[10]和XIE等[11]比較了超聲波場(chǎng)作用和普通機(jī)械攪拌作用下冶金級(jí)硅粉分別經(jīng)過(guò)各種酸溶液處理后，主要金屬雜含量變化情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超聲波場(chǎng)作用能夠大大提高主要金屬雜質(zhì)的去除率。

目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)濕法提純冶金級(jí)硅的報(bào)道很多，但是采用加壓濕法冶金技術(shù)提純冶金級(jí)硅的研究報(bào)道不多，而針對(duì)動(dòng)力學(xué)方面的研究也很少。本文作者就加壓濕法冶金技術(shù)提純冶金級(jí)硅方面做了大量的前期工作[12?13]。在此，根據(jù)核收縮模型分析高壓浸出過(guò)程雜質(zhì)Al去除的動(dòng)力學(xué)特征，分別獲得顆粒粒度、反應(yīng)溫度、反應(yīng)總壓強(qiáng)、鹽酸濃度等影響因素的擬合動(dòng)力學(xué)方程；同時(shí)還發(fā)展冶金級(jí)硅中雜質(zhì)Al去除的總動(dòng)力學(xué)模型，并且為雜質(zhì)Al的去除提供了最佳的參數(shù)。

1 動(dòng)力學(xué)分析

本實(shí)驗(yàn)的動(dòng)力學(xué)研究是在滿足下列條件的情況下進(jìn)行的：

1) 液體反應(yīng)物或氣體反應(yīng)物的濃度在反應(yīng)過(guò)程中保持恒定。本實(shí)驗(yàn)中采用大液固比(1 L浸出液中加入50 g冶金級(jí)硅粉)，而冶金級(jí)硅粉中所含雜質(zhì)的量為10?6級(jí)。反應(yīng)消耗了的反應(yīng)物可以忽略不計(jì)，反應(yīng)液的濃度可以近似地認(rèn)為是恒定的。此外，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中氧分壓恒定，即保持氣體反應(yīng)物濃度恒定；

2) 反應(yīng)的固體是單粒級(jí)的顆粒。實(shí)驗(yàn)過(guò)程分別選取100～150 μm及75～100 μm的致密顆粒硅粉進(jìn)行；

3) 反應(yīng)過(guò)程中溫度與攪拌速度保持恒定。

本文作者通過(guò)擬合雜質(zhì)Al去除率與時(shí)間的關(guān)系，得到了反應(yīng)過(guò)程符合固態(tài)產(chǎn)物層擴(kuò)散控制的速度方程[12?13]：

式中：t為時(shí)間；x為雜質(zhì)Al的去除率；cA0為鹽酸溶液的初始濃度；a、b為化學(xué)計(jì)量系數(shù)；ρB為硅粉顆粒的密度；r0為硅粉顆粒的尺寸；Ds為有效擴(kuò)散系數(shù)。令

式中：kd為相關(guān)反應(yīng)系數(shù)。

因此，方程(1)可以轉(zhuǎn)換為

因此，從方程(4)可知，在化學(xué)反應(yīng)控制下，y與t呈線性關(guān)系。直線的斜率成正比。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 材料

冶金級(jí)硅中金屬雜質(zhì)的分布情況和形貌如如圖1(SEM/EDS線掃描圖)所示。當(dāng)測(cè)試線進(jìn)入淺色部位時(shí)，冶金級(jí)硅的EDS分析結(jié)果出現(xiàn)了很明顯的變化，硅的含量迅速下降，而其他雜質(zhì)含量相繼上升，隨著顏色的不同，各雜質(zhì)含量有著明顯的不同。當(dāng)測(cè)試線離開(kāi)淺色部位回到深色部位的硅基體時(shí)，硅的含量又重新上升到100%附近。通過(guò)此線掃描分析進(jìn)一步得知，雜質(zhì)在硅中不僅發(fā)生了偏析，同時(shí)也在雜質(zhì)內(nèi)部發(fā)生了偏析。其主要原因是金屬元素如Fe、Al、Mg、Sb、Sn、Zn、Cu、Au、Ni、Ti等在Si中擁有很高的分凝系數(shù)[2]。在熔體硅中，這些元素能夠很好地溶解在其中，而在固體硅中，其溶解能力卻非常弱，因此，在熔體硅的凝固過(guò)程中，大部分溶解能力弱的雜質(zhì)將在固體硅中的晶體界面或裂縫處沉積下來(lái)。當(dāng)冶金級(jí)硅被粉碎以后，大多數(shù)的晶體界面被暴露出來(lái)。如果冶金級(jí)硅塊被粉碎到多晶硅晶粒相同大小的尺寸時(shí)，大部分出現(xiàn)在晶粒表面的金屬雜質(zhì)被暴露在外面，在酸浸除雜的過(guò)程中效果會(huì)提高很多。

圖1 冶金級(jí)硅雜質(zhì)的SEM像和EDS線分析Fig.1 SEM image and EDS line analysis of impurity distribution of MG-Si

實(shí)驗(yàn)所用原料(冶金級(jí)硅)的雜質(zhì)元素含量ICP-AES分析情況如表1所列。主要金屬雜質(zhì)為Fe (0.218 7%)，Al(0.112%)、Ca(0.032%)、Ti(0.02%)。其他雜質(zhì)的含量水平均比較低，諸如B、C、P等非金屬雜質(zhì)。由于這些非金屬元素不能與酸溶液發(fā)生反應(yīng)，因此，不能直接采用濕法冶金去除，而是采用其他的方法。

表1 實(shí)驗(yàn)所用的冶金級(jí)硅主要雜質(zhì)含量Table 1 Chemical composition in MG-Si (mass fraction, %)

2.2 樣品準(zhǔn)備與浸出實(shí)驗(yàn)

冶金級(jí)硅經(jīng)過(guò)粉碎、篩分后得到不同粒級(jí)硅粉。稱取50 g硅粉于2 L的鋯材高壓釜中，按照一定比例加入一定濃度的鹽酸溶液，控制反應(yīng)溫度與反應(yīng)壓強(qiáng)進(jìn)行反應(yīng)。通過(guò)采用分光光度計(jì)分析液體中雜質(zhì)Al的含量，并采用ICP-AES分析固體中Al的殘余量。雜質(zhì)Al的去除率按照方程(5)進(jìn)行計(jì)算。

式中：x為雜質(zhì)Al的去除率；m0為原料硅中雜質(zhì)Al的含量；m1為反應(yīng)后硅中雜質(zhì)Al含量。

3 結(jié)果與討論

3.1 硅粉粒度對(duì)雜質(zhì)Al去除率影響

一般說(shuō)來(lái)，雜質(zhì)Al的去除率隨著顆粒尺寸的減少而增加并存在一定的線性關(guān)系。在鹽酸濃度為1.0 mol/L、反應(yīng)溫度120 ℃、攪拌速度為600 r/min、反應(yīng)壓強(qiáng)為1.60 MPa等條件下，進(jìn)行不同粒度對(duì)冶金級(jí)硅粉中雜質(zhì)Al去除率x的影響實(shí)驗(yàn)，其變化規(guī)律如圖2(a)所示。圖2(a)表明，硅粉粒度對(duì)Al去除率的影響是顯著的，在粒度小于75 μm時(shí)，Al的去除率可明顯提高。

將圖2(a)的結(jié)果按式(4)進(jìn)行擬合，得到圖2(b)。由圖2(b)得知，y與時(shí)間t具有良好的線性關(guān)系。將圖2(b)中各直線斜率對(duì)粒度平方的倒數(shù)作圖，將圖2(b)中各直線斜率對(duì)粒度平方的倒數(shù)作圖，得到k′與1/r02的關(guān)系圖2(c)。從圖2(c) 即可得到硅粉粒度對(duì)Al去除率影響的動(dòng)力學(xué)方程為

圖2 硅粉粒度對(duì)雜質(zhì)Al去除率影響的動(dòng)力學(xué)Fig.2 Kinetics of effect of particles sizes on Al removal rate

3.2 溫度對(duì)雜質(zhì)Al去除率的影響

取50 g粒度為0.096～0.150 mm冶金級(jí)硅粉，鹽酸濃度為1.0 mol/L、攪拌速度為600 r/min、反應(yīng)壓強(qiáng)為1.50 MPa。在該條件下，測(cè)定冶金級(jí)硅粉在不同溫度下的雜質(zhì)Al的去除率x隨反應(yīng)時(shí)間t的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及變化規(guī)律，其結(jié)果如圖3(a)所示。將圖3(a)結(jié)果用式(4)進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖3(b)所示。圖3(a)和(b)表明：溫度對(duì)冶金級(jí)硅中雜質(zhì)Al的浸出速率的影響較大。

式(1)中當(dāng)c與溫度保持恒定時(shí)，為常數(shù)，可稱為表觀速率常數(shù)，其值等于圖3(b)各直線的斜率。以不同溫度下反應(yīng)k′的對(duì)數(shù)對(duì)溫度的倒數(shù)作圖，得到Arrhenius線如圖3(c)所示。

圖3 反應(yīng)溫度對(duì)雜質(zhì)Al去除率影響的動(dòng)力學(xué)Fig.3 Kinetics of effect of reaction temperature on Al removal rate

由圖3(c)中的直線斜率可求出浸出反應(yīng)表觀活化能Ea=34.067 kJ/mol。從圖3(c)結(jié)果即可建立溫度對(duì)Al去除率影響的動(dòng)力學(xué)方程如下：

3.3 壓強(qiáng)對(duì)雜質(zhì)Al去除率的影響

取50 g粒度為0.096～0.150 mm冶金級(jí)硅粉，在鹽酸濃度為1.0 mol/L、攪拌速度為600 r/min、反應(yīng)溫度為120 ℃的條件下，測(cè)定冶金級(jí)硅粉在不同壓強(qiáng)p下雜質(zhì)Al的去除率x隨反應(yīng)時(shí)間t的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及其變化規(guī)律如圖4(a)所示。

圖4(a)結(jié)果表明，反應(yīng)壓強(qiáng)對(duì)Al去除率的影響比較顯著。隨著壓強(qiáng)的升高，Al去除達(dá)到平衡所需時(shí)間縮短，Al的去除率加快。壓力的大小對(duì)反應(yīng)溫度的提高有比較大的影響。隨著壓力的不斷增加，反應(yīng)溫度也在不斷升高。升高溫度有助于加快反應(yīng)。

由圖4(a)直線斜率取對(duì)數(shù)對(duì)壓力取對(duì)數(shù)作圖得到圖4(b)。對(duì)圖4(b)曲線進(jìn)行回歸，即可得到壓力對(duì)Al浸出率影響的動(dòng)力學(xué)方程為

3.4 鹽酸濃度對(duì)雜質(zhì)Al浸出率的影響

取50 g粒度為0.096～0.150 mm冶金級(jí)硅粉，在反應(yīng)溫度120 ℃、攪拌速度為600 r/min、反應(yīng)壓強(qiáng)為1.60 MPa的條件下，測(cè)定冶金級(jí)硅粉在不同鹽酸濃度初始濃度下的雜質(zhì)Al的去除率x隨反應(yīng)時(shí)間t的變化規(guī)律如圖5(a)所示。

結(jié)果表明：在實(shí)驗(yàn)采用的酸度條件下，隨著鹽酸濃度的增加，Al的去除率逐步升高。以式(1)的形式擬合圖5(a)的結(jié)果，得到y(tǒng)與酸濃度關(guān)系圖，如圖5(b)所示。用圖5(b)中各直線的斜率取對(duì)數(shù)對(duì)酸濃度取對(duì)數(shù)作圖，得到圖5(c)。圖5(c)表明，ln[HCl]與lnk′的關(guān)系為一直線，由直線斜率可求得反應(yīng)的表觀級(jí)數(shù)為0.346。由圖5(c)得到鹽酸濃度對(duì)Al浸出率影響的動(dòng)力學(xué)方程為

3.5 雜質(zhì)Al去除動(dòng)力學(xué)方程的建立

上述相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，式(7)、(8)、(9)以線性關(guān)系存在。根據(jù)文獻(xiàn)[12]得知，按照方程lny=β0+β1x1，(x1=1/x)，可以將變量擬合成為一種總的線性方程。這個(gè)線性方程通過(guò)最后的回歸分析可以獲得基本的線性關(guān)系。通過(guò)SPSS統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)所有變量進(jìn)行聯(lián)合回歸，得到方程為

圖4 總壓強(qiáng)對(duì)雜質(zhì)Al去除率影響的動(dòng)力學(xué)Fig.4 Kinetic of effect of total pressure on Al removal rate

式中：T為溫度，K；p為總壓力，MPa；c為鹽酸濃度，mol/L。

根據(jù)方程(3)和方程(10)，得到各影響因素共同對(duì)雜質(zhì)Al去除率影響的數(shù)學(xué)模型為

圖5 鹽酸初始濃度對(duì)雜質(zhì)Al去除率影響的動(dòng)力學(xué)Fig.5 Kinetic of effect of initial concentration of hydrochloric acid on Al removal rate

式中：r0為硅粉初始半徑，mm；t為浸出時(shí)間，min。

根據(jù)式(10)計(jì)算不同條件下的Al的去除率，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果作為橫坐標(biāo)，以計(jì)算結(jié)果為縱坐標(biāo)作圖，并與y=x進(jìn)行比較，考察實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的吻合情況，所得結(jié)果如圖6所示。由圖6可見(jiàn)，用該模型計(jì)算所得結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

圖6 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Result of validation experiment

4 結(jié)論

1) 硅粉粒度的減小有利于雜質(zhì)Al去除率的提高，浸出速率與硅粉的初始半徑r02成反比關(guān)系。建立了硅粉粒度對(duì)Al去除率的動(dòng)力學(xué)方程：

2) 反應(yīng)溫度升高有助于雜質(zhì)Al的去除，隨著反應(yīng)溫度升高，Al浸出達(dá)到平衡時(shí)間縮短。溫度對(duì)Al去除率影響的動(dòng)力學(xué)方程如下：lnk'=8.081 7-4.0975×103/T；Al去除的表觀反應(yīng)活化能為：Ea= 34.067 kJ/mol；

3) 壓強(qiáng)提高有助于Al的去除。隨著壓強(qiáng)的升高，Al去除達(dá)到平衡所需時(shí)間縮短， Al的去除率加快。反應(yīng)總壓強(qiáng)對(duì)Al去除率影響的動(dòng)力學(xué)方程：lnk′=1.050lnp-2.846；

4) 在鹽酸濃度為0.5～4 mol/L范圍內(nèi)，Al去除率隨酸度的增加而增加。鹽酸濃度對(duì)Al去除率影響的動(dòng)力學(xué)方程：lnk′=0.346lnc-2.291；Al去除的表觀反應(yīng)級(jí)數(shù)為0.346。

5) 建立了硅粉粒度、溫度、壓強(qiáng)和鹽酸濃度共同對(duì)Al去除率影響的動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型：

經(jīng)過(guò)不同條件下實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，用該模型計(jì)算所得結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合甚好。

REFERENCES

[1]魯 瑾. 金融危機(jī)下我國(guó)多晶硅行業(yè)面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)[J].新材料產(chǎn)業(yè), 2009, 5: 7?11. LU Jing. The opportunities and challenges facing China’polysilicon industry on the financial crisis[J]. Advanced Materials Industry, 2009, 5: 7?11.

[2]MORITA K, MIKI T. Thermodynamics of solar grade silicon refining[J]. Intermetallics11, 2003, 11: 1111?1117.

[3]WODITSCHA P, KOCH W. Solar grade silicon feedstock supply for PV industry[J]. Solar Energy Materials & Solar Cells, 2002, 72(1): 11?26.

[4]PIRES J C S, BRAGA A F B, MEI P R. The purification of metallurgical grade silicon by electron beam melting[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2005, 169(1): 16?20.

[5]馬曉東. 冶金法去除工業(yè)硅中雜質(zhì)的研究[D]. 大連: 大連理工大學(xué), 2009. MA Xiao-dong. Research on removal of impurities in metallurgical grade silicon by metallurgical method[D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2009.

[6]SARTI D, EINHAUS R. Silicon feedstock for the multicrytalline photovoltaic industry[J]. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2002, 72: 27?40.

[7]SANTOS I C, GONCALVES A P, SANTOS C S, ALMEIDA M, AFONSO M H, CRUZ M J. Purification of metallurgical grade silicon by acid leaching[J]. Hydrometallurgy, 1990, 23: 237?246.

[8]MARGARIDO F, FIGUEIREDO M O, MARTINS J P. The structural effect on the kinetics of acid leaching refining of Fe-Si alloys[J]. Materials Chemistry and Physics, 1994, 38: 342?347.

[9]MARGARIDO F, MARTINS J P, FIGUEIREDO M O, BASTOS M H. Kinetics of acid leaching refining of an industrial Fe-Si alloy[J]. Hydrometallurgy, 1993, 34(1): 1?11, 58, 59

[10]馬曉東, 張 劍, 吳亞萍, 李廷舉. 超聲場(chǎng)濕法提純冶金級(jí)硅的研究[J]. 功能材料, 2008, 39(7): 1071?1073. MA Xiao-dong, ZHANG Jian, WU Ya-ping, LI Ting-ju. Research on hydrometallurgical purification of metallurgical grade silicon under ultrasonic field[J]. Journal of Functional Materials, 2008, 39(7): 1071?1073.

[11]MA X D, ZHANG J, WANG T M, LI T J. Hydrometallurgical purification of metallurgical grade silicon[J]. Rare Metals, 2009, 28(3): 221?225.

[12]XIE K Q, YU Z L, MA W H, ZHOU Y, DAI Y N. Removal of iron from metallurgical grade silicon with pressure leaching[J]. Material Science Forum, 2011, 675/677: 873?876.

[13]YU Z L, XIE K Q, MA W H, YANG Z, GANG X, DAI Y N. Kinetics of iron removal from metallurgical grade silicon with pressure leaching[J]. Rare Metals, 2011, 30(6): 688?694.

[14]SOHN H Y, WADSWORTH M E. Rate process of extractive metallurgy[M]. New York: Plenum Press, 1979.

[15]ABDEL-AAL E A, RASHAD M M. Kinetic study on the leaching of spent nickel oxide catalyst with sulfuric acid[J]. Hydrometallurgy, 2004, 74: 189?195.

[16]XUE W. SPSS統(tǒng)計(jì)軟件分析方法與應(yīng)用[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2004: 233?235. XUE W. SPSS statistical analytical method and application[M]. Beijing: Electronics Industry, 2004: 233?235.

(編輯 李艷紅)

Kinetics of aluminum removal from metallurgical grade silicon with pressure leaching

YU Zhan-liang1,2, XIE Ke-qiang2, ZHENG Ye-fang3, CHEN Jia-hui1,2, MA Wen-hui2, XIE Gang1
(1. Department of Metallurgy Research, Kunming Metallurgy Research Institute, Kunming 650031, China; 2. National Engineering Laboratory for Vacuum Metallurgy, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China; 3. The Second Middle School of Wugang City, Wugang 422400, China)

The kinetics of pressure leaching of purification of metallurgical grade silicon with hydrochloric acid was investigated. The effects of particle size, temperature, total pressure and acid concentration on the kinetics and mechanism of aluminum removal were studied. The results show that the reaction kinetic model follows the shrinking core model and the apparent activation energy (Ea) of the leaching reaction is 4.067 kJ/mol, and the apparent reaction order of aluminum removal with pressure leaching is 0.346. The kinetic equations for the effect of particle size, temperature, total pressure and acid concentration are obtained and a mathematical model of aluminum removal rate from metallurgical grade Si (MG-Si) is developed. The equation estimates the aluminum removal with very good agreement between experimental and calculated values.

metallurgical grade silicon; pressure leaching; kinetics; purity; aluminum removal

TQ177

A

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(NSFC(51064014))

2011-09-16；

2012-03-29

于站良，工程師，博士；電話：0871-5154344；傳真：0871-5154344；E-mail: yzl3313@163.com

1004-0609(2012)10-2970-07