СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КРЕМНИЯ ИЗ ОБОГАЩЕННЫЙ ПЕСОК МЕСТОРОЖДЕНИЯ “ТУРКОКСОЙ”

АННОТАЦИЯ

В данной статье представлены результаты экспериментов по процессам обогащения кварцитового минерального сырья и извлечения кремния рудника “Туркоксой”, расположенного в Сурхандарьинской области.

ABSTRACT

This article presents the results of experiments on the processes of quartzite mineral enrichment and silicon extraction of the “Turkoksoy” mine located in the Surkhandarya region.

Ключевые слова: кварц, кварцит, минерал, кремний, восстановительный, магний, алюминий, углерод, электропечь, сито, бить.

Keywords: quartz, quartzite, mineral, silicon, reducing, magnesium, aluminum, carbon, electric furnace, sieve, beat.

Введение

Постоянно растущий спрос на электроэнергию во всем мире приводит к уменьшению традиционных источников сырья. Это приводит к более широкому использованию возобновляемых источников энергии (ВИЭ) [1]. Одним из видов ВИЭ является прямое преобразование солнечной энергии в электрическую с использованием полупроводниковых материалов с p-n переходом. Это явление называется фотоэлектрическим эффектом [2-3].

Основным полупроводниковым материалом для производства солнечного электричества фотогальваническим методом является кремний, который является самым распространенным элементом на Земле после кислорода. Она составляет 27,6% массы земной коры. В природе в основном встречается в виде оксида кремния (IV) и солей кремниевых кислот - силикатов. Они составляют основную часть земной коры. Соединения кремния также встречаются в растениях и животных. Получение чистого кремния очень затратный процесс. В природе кремний обычно встречается в виде сложных силикатов, т.е. соединений оксида кремния с оксидами металлов, составляющих до 90% массы земной коры, а также в виде чистого SiO₂, кварца. Тот же диоксид кремния, только мелкие кристаллы, является основным компонентом обычного песка [3-4].

Кроме того, в силу своих свойств любой метод дает только 90-99% чистый продукт, при этом примеси в виде металлов и углерода все равно остаются. Поэтому приема вещества недостаточно. Его также следует очистить от посторонних элементов.

В целом производство кремния осуществляется двумя основными способами.

1. Из белого песка это чистый оксид кремния SiO₂. При прокаливании с активными металлами (чаще всего с магнием) появляется свободный элемент в виде аморфной модификации. Чистота этого метода высокая, продукт получают с выходом 99%.
2. Распространенным способом в промышленных масштабах является измельчение песчано-коксовых растворов в специализированных тепловых печах. Этот метод был разработан русским ученым Н. Бекетовым [3].

Применяемый в промышленности кремний получают путем переработки такого песка. Наиболее распространенным современным способом получения элементарного кремния является восстановление диоксида кремния коксом в электропечах. Смесь песка и кокса поступает в кратер печи, где нагревается до 2000°С за счет электрической дуги, образующейся между угольными электродами. При таких температурах углероды кокса и электродов взаимодействуют с оксидом кремния, превращаясь в угарный газ и возвращая песок в элементарный кремний:

SiO₂ + 2C → Si + 2CO [4].

Кварцевый песок, добываемый в шахтах, иногда используется непосредственно в производстве, а в некоторых случаях его приходится обогащать. Количество кремния в песке, добытом на разных рудниках, различно. Процентное содержание кремния в кварцевом песке показано ниже (Таблица 1).

Таблица 1.

Процентное содержание кремния в местных кварцевых песках

Цель исследования

Изучение способов обогащения песка и извлечения чистого кремния для использования в производстве полупроводниковых приборов.

Метод исследования и инструменты

Методом обогащения песка изучено количество кремния в песке, привезенном из разных районов Сурхандарьинской области. В качестве пробы был привезен песок из Turkoksoyского месторождения кварцитов Сурхандарьинской области, содержание кремния в нем определено методом обогащения и сопоставлено с имеющимися данными.

Песок - плодородный слой земли, не соединяющийся между собой, осадочная горная порода, состоящая из мелких частиц. Он состоит из мелких кусков (обломков) горных пород и круглых и остроконечных частиц различных минералов природного и искусственного происхождения (полученных путем дробления горных пород). В строительстве из песка и производстве строительных материалов; кварцевый песок используется в качестве сырья для производства стекла, фарфора, строительной керамики и литейных форм [5].

Кремний (Silicon), Si - химический элемент, относящийся к IV группе периодической системы Менделеева, порядковый номер 14, атомная масса 28,0855 м.б., Кремний - самый распространенный элемент в природе после кислорода. Она покрывает 27,6% земной коры по массе. Кристаллический кремний имеет температуру плавления 1423° С (объем уменьшается на 9% при сжижении), температуру кипения 3249°С, плотность 3,33 г/см³, электроотрицательность 1,8 по Полингу , радиус 0,133 нм, ионный радиус 0,040 нм, 0,054 нм, диамагнитные. В нормальных условиях кремний является хрупким веществом, выше 800°С он становится пластичным. В химических соединениях в основном четырехвалентен, инертен, при нагревании становится более активным [6].

Он соединяется только с фтором при нормальной температуре. Благодаря образованию на своей поверхности защитной пленки (оксидной пленки) кремний стабилен даже при высоких температурах. Выше 400°С кремний окисляется до SiO₂ под действием кислорода. SiO₂ - самое простое и стабильное соединение кремния. Аморфный SiO₂ образует кремниевую кислоту. Кремний является одним из основных полупроводниковых металлов в электронике. Инструменты, изготовленные на его основе, выдерживают температуру до 200°С. Кремний используется для изготовления интегральных схем, диодов, транзисторов, солнечных элементов, фоторецепторов, детекторов в ядерной физике и различных линз. Кремний и его соединения используются в производстве кремнийорганических производных, силицидов. Кремний является биогенным элементом. Необходим для нормального роста и развития человека, животных, растений и микроорганизмов. При недостатке кремния в организме человека болят глаза, эрозируется зубная эмаль, ногти становятся тонкими и ломкими, кожа и волосы изменяются [7].

Обогащение, промывка - Кварцевые пески при промывке очищаются от грунта, количество свободных соединений железа в песке уменьшается на 25-30%.

Методика исследования

Обогащение, промывка - кварцевые пески при промывке очищаются от грунта, количество свободных соединений железа в песке уменьшается на 25-30%.

Процесс промывки длится 8-9 минут. Флотационная очистка осуществляется путем активного перемешивания с помощью флотомашин. Благодаря флотоагентам, находящимся в пульпе, частицы песка растворяются в воде и оседают, а соединения остаются на поверхности в вспененное состояние, потому что они не разбавлены. В этом методе оксид железа в песке удаляется. Количество может быть уменьшено на 0,02-0,04% [8].

Кремний получают восстановлением раствора SiO₂ коксом в доменной печи при температуре около 1800°С. Чистота кремния, полученного таким способом, может достигать 99,9 % (основные примеси - углерод и металлы) [9].

Экспериментальная часть

Полученный образец песка сначала промывали для его обогащения. Промывку проводили несколько раз на мелкоячеистых ситах. После полного удаления водорастворимых веществ ее сушили в сушильном шкафу. Высушенный песок реагировал с коксом в доменной печи при температуре 1800ºС. Этот метод в основном промышленный. Ацетилен и поток кислорода использовались для создания высоких температур во время эксперимента. Чистота кремния, полученного этим методом, составляла 99%. На следующем этапе он очищается для повышения уровня чистоты.

Анализ результатов

Проанализирован процесс обогащения песка. Установлено, что продолжительность процесса промывки и размер отверстий используемых сит оказывают прямое влияние на эффективность обогащения. Изучены условия реакции песка с коксом. При изучении влияния температуры на выход реакции было установлено, что оптимальная температура составляет 1800-1820ºС. Когда температура была ниже и выше этой, снижение выхода наблюдалось. Это связано с тем, что при низкой температуре реакция не завершается, а при высокой температуре образуется карбид кремния.

Рисунок 1. Влияние температуры на выход реакции

Как видно из графика, эффективность реакции низкая от 1400ºС до 1800ºС. Между 1800ºС и 1820ºС продуктивность возрастает и достигает максимума. При более высоких температурах, как упоминалось выше, производительность снижается из-за образования карбида кремния.

Выводы

Из проведенных исследований можно сделать вывод, что Туркоксойский минерал кварцит пригоден для получения технического кремния. Исследован процесс извлечения кремния из этого минерала реакцией с углеродом. Установлено, что выход реакции максимален в интервале 1800-1820ºС. Полученный кремний считается технически чистым и может подвергаться дальнейшей переработке для получения полупроводниковых материалов и использования в других областях.

Список литературы:

1. Стребков Д.С. Роль солнечней энергии в энергетике будущего // М.: Энергетическая политика, 2005.-№ 2.-С.27-36.
2. Алфёров Ж.И., Андреев В.М., Румянцев В.Д. Тенденции и перспективы развития солнечной фотоэнергетики // Физика и техника полупроводников, 2004.-Т.38.-Вып.8.-С.937-948.
3. Непомнящих А. И., Красин Б. А., Васильева И. Е., Елисеева И. А., Еремин В. П., Попов С. И., Синицкий В. В., Федосеенко В. А., Спиридонов А. М., Воробьев Е. И., Гнилуша В. А. Кремний для солнечной энергетики // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2000. Т. 303. № 2(12). С. 176—190. URL: http://earchive.tpu.ru/ bitstream/11683/3071/1/bulletin_tpu-2000-303-2-12.pdf (дата обращения: 03.01.2022).
4. Машин.А.И. Новые аллотропные формы кремния: Получение и свойства. ВАК РФ 01.04.10, доктор физико-математических наук,1999г
5. Ашуров Х.Б. Моносилановая технология получения поликристаллического кремния и ионно-стимулированные методы создания кремниевых структур. / Автореферат докторской диссертации, Ташкент, 2016. - 38с.
6. Атаев Э.К., Матьякубов А.А., Батманов.Б.Х. Обогащение Каракумского кварцевого песка. Мары, Туркменистан. 2022 г.
7. Национальная энциклопедия Узбекистана. 2000-2005
8. Шрайвер Д., Аткинс П. Кремний и его сплавы. Екатеринбург. 2005 г.
9. 9.Ревнивцев В.И,Шпектор А.А Обогащение формовочных песков. М, НИИМАШ,1972 г.
10. Уланов Г.В. кремний: от песка до компьютерного чипа // III Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся // М. 2020 г.
11. Получение и исследование модифицированных глифталевых смол с кремний органическим соединением // Universum: технические науки:электрон. научн. журн. Эшмуродов Х.Э. [и др.]. 2020. 12(81). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/11095 (дата обращения: 25.12.2020).