ПОЛУЧЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ ИЗ ОБОГАЩЕННОГО ПЕСКА МЕСТОРОЖДЕНИЯ «ТУРКОКСОЙ»

АННОТАЦИЯ

В данной исследовательской работе изучены методы извлечения технического кремния из кварцевых песков. В качестве объекта исследования были выбраны кварцевые пески месторождения “Джерданак”, расположенного в Шерабадском районе Сурхандарьинской области. Первоначально песок измельчали на наномолоте. Затем смешивают с порошком магния в соотношении 1:2 моль, чтобы получился брикет диаметром 20 см. Технический кремний был извлечен магниотермическим методом в безвоздушной среде в течение 4 часов при 900℃. При этом в результате реакции образовывались технический кремний, оксид магния и силицид магния. Образование кремния было определено рентгенофазным анализом, образование оксида магния и силицида магния - их реакцией с хлористоводородной кислотой. В результате был получен технический кремний чистотой 98%.

ABSTRACT

In this research work, methods for extracting technical Silicon from quartz sands have been studied. Quartz sands of the “Jerdanak” mine, located in the Sherabad District of Surkhandaya region, have been selected as the object of the study. Originally sand was ground in nanotegirmon. Then, a briquette with a diameter of 20 cm was prepared, mixed with magnesium powder in a ratio of 1:2 moles. Technical Silicon was isolated by the method of magniothermy in an airless environment for 4 hours at 900℃. As a result of the reaction, technical silicon, magnesium oxide and magnesium silicide were formed. The formation of silicon was determined by X-ray phase analysis, the formation of magnesium oxide and magnesium silicide by their reaction with hydrochloric acid. As a result, technical silicon with a purity of 98% was obtained.

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. Экологические проблемы, растущий спрос на электроэнергию и устойчивый прогресс в технологиях возобновляемых источников энергии создают новые возможности для использования возобновляемых источников энергии. Солнечная энергия-самый богатый, неисчерпаемый и чистый из всех возобновляемых источников энергии. Солнечная энергия, поступающая на поверхность Земли, составляет около 1,8ꞏ10¹¹ МВт в год, что в несколько раз превышает текущее потребление энергии. Фотоэлектрические технологии, как известно, являются одним из наиболее эффективных способов использования солнечной энергии [1-3].

 Электроэнергия является важным фактором экономического развития и улучшения условий жизни человечества. Ограниченные ископаемые ресурсы и связанные с ними экологические проблемы создают необходимость использования возобновляемых источников энергии. В научной литературе высказываются мнения, что солнечная энергия в настоящее время является одним из наиболее эффективных источников энергии [4-6]. Кристаллический кремний наиболее широко используется в фотоэлектрических (ФЭ) элементах, на долю которых в 2008 году приходилось почти 90% мирового производства фотоэлектрических элементов. Известно, что диоксид кремния должен быть преобразован в чистый “кремний металлургического класса” (MGS), прежде чем его можно будет использовать в солнечной панели. Для производства 1 килограмма кремния, предназначенного для металлургии, требуется 14-16 кВт/ч электроэнергии, что примерно эквивалентно количеству энергии, получаемой при использовании домашней печи в течение 7 часов. Кремний, используемый для изготовления солнечных панелей, должен иметь чистоту, близкую к 100%. Для этого нам необходимо преобразовать кремний в более чистый металлический поликремний с помощью процесса, в котором используются соляная кислота и газообразный водород.

Кремний из оксида кремния

                                           (1)

                                     (2) 

Получение чистого кремния из технического кремния: 

 [7-9].

Карботермическое восстановление SiO₂, химическая инновация девятнадцатого века, было одним из основных процессов в Кремниевой промышленности. Эта реакция проводилась в электрических дуговых печах при T ≤ 1900°C в качестве восстановительных эквивалентов графитовых углеродов [10-12]. Индийский ученый А. Sundaramoorthy et al. выполнили процесс извлечения кремнезема из кварцевого песка в два этапа, причем на первом этапе для получения наночастиц кремния использовались процессы экстракции гидроксида в кварцевом песке и осаждения в кислоте. На втором этапе реакции магнитотермического и модифицированного магнитотермического восстановления проводились на частицах нано-кремнезема для получения наночастиц Si. Для выполнения вышеперечисленных процессов природный минеральный кварцевый песок промывали 35% раствором кислоты HCl. На его месте кварцевый песок перегоняли еще дважды (D.Г) промывают водой и очищают от солей других металлов. Затем порошки магния (Mg) и очищенные частицы nano SiO₂ извлекали в соотношении 1:1 и нагревали при 923°С в течение 3 часов (реакция 2).

 Фазовые изменения и его кристаллическая природа были изучены с использованием дифракции рентгеновских лучей (XRD) чистого кремния в процессе преобразования металлургического кремния в чистый кремний (после магнитотермического и модифицированного магнитотермического восстановления) [13].

Индонезийские ученые также С.Сулистрия, Л.Йогантари и другие провели научную работу по получению кремнезема путем очистки вулканического песка горы Мерапи. Процесс промывки, очистки вулканического песка проводили с использованием царской водки, H₂SO₄ и HCl. Результаты характеристики XRD показывают, что оксид кремния (IV) (диоксид кремния или минерал) в образцах песка имеет аморфную структуру. Было обнаружено, что при химической обработке и промывке кислотой HCl концентрация очищенного кремния составляла 59% [14].

Целью исследования является извлечение технического кремния путем обогащения кварцевого песка, получение чистого кремния путем его синтеза соляной кислотой и его использование в производстве полупроводниковых инструментов. Полученный продукт анализируют рентгенофазным методом.

Инструменты и методика исследования

Кварцевый песок - это частицы кварца, полученные в результате дробления кварцевого камня. Кварцевый камень-это металл, который представляет собой твердый, термостойкий и химически стабильный силикатный минерал. В природе его основной минеральный компонент SiO₂ встречается в виде; кварцевый песок широко используется в области кварцевого стекла, кварцевой керамики, полупроводников, при приготовлении бетонно-кирпичных смесей из-за его стабильных физических и химических свойств [15-17]. В данном исследовании использованы кварцевые пески месторождения “Джерданак”, расположенного в Шерабадском районе Сурхандарьинской области.

Экспериментальная часть

В ходе нашей исследовательской работы песок с кварцевого месторождения “Джерданак” Шерабадского района Сурхандарьинской области измельчали до 200-300 Нм на планетарной шаровой наномолоте Retsch PM 400 немецкого производства. Был проведен анализ XRD и сканирующей электронной микроскопии.

Рисунок 1. Наномельница

Измельченный кварцевый песок просеивали на сите 0,63 мм. Затем из просеянного песка брали 6 г и смешивали с 4,8 г магния (в соотношении 1:2 моль).

Смесь брикетировали прессом и подвергали реакции в безвоздушной среде в течение 4 часов в реакторе на 900℃.

Продукт реакции промывали в дистиллированной воде 4 раза, HCl промывали в кислоте 2 раза. Во время каждой стирки его погружали в кислоту на 0,5 часа. Снова промывают 3 раза в дистиллированной воде и фильтруют на фильтровальной бумаге. Сушили в муфельной печи на 110℃.

Результаты и их обсуждение

В очищенном продукте был проведен рентгенофазовый анализ и анализ под сканирующим электронным микроскопом.

Как видно из рисунка 2, интенсивность SiO₂ была выше, когда природный кварцевый песок анализировался рентгенофазным методом, когда рентгеновский анализ проводился под углами 20º,20º-30º,50º,70º. Содержание SiO₂ составляет 98,7%.

При исследовании состава после обогащения и реакции с магнием было обнаружено, что он содержит 98% элементарного кремния (рис.3).

Рисунок 4. СЭМ анализ продукт реакции восстановления оксида кремния с магнием

Продукт реакции восстановления оксида кремния с магнием и СЭМ анализировались после его очистки. О том, что в результате реакции оксида кремния с магнием наряду с кремнием и оксидом магния образуется силицид магния, можно узнать на рисунках 4(а) и 4(б) по неровности поверхности частиц и неясности кристаллической структуры. Тот факт, что при промывке продукта реакции кислотой и дистиллированной водой силицид магния реагирует как с кислотой, так и с дистиллированной водой, выходя из смеси с образованием гидроксида магния, Силана и тетрахлорида кремния, был обнаружен по выделению газа в процессе промывки и по четкому виду кристаллов на рисунках 4(в) и 4(г).

Заключение

Подводя итог, можно сказать, что для выделения Si из состава кварцевого песка необходимо, чтобы песок сначала был хорошо обогащен, очищен. Повысить температуру реакции, увеличить процентное содержание и выход кремния можно путем промывки полученного продукта в кислоте. В этом исследовании оксид кремния в песке был восстановлен магнием. При этом в результате реакции образовывались технический кремний, оксид магния и силицид магния. Образование кремния было определено рентгенофазным анализом, образование оксида магния и силицида магния - их реакцией с хлористоводородной кислотой. В результате был получен технический кремний чистотой 98%.

Список литературы:

1. Parida B., Iniyan S., Ranko Goic. // A review of solar photovoltaic technologies // Renewable and Sustainable Energy Reviews Volume 15, Issue 3, April 2011, Pages 1625-1636 https://doi.org/10.1016/j.rser.2010.11.032
2. Atul Sharma, A comprehensive study of solar power in India and World., Renewable and Sustainable Energy Reviews Volume 15, Issue 4, May 2011, Pages 1767-1776. https://doi.org/10.1016/j.rser.2010.12.017
3. Hosenuzzaman M., Rahim N.A., Selvaraj J., M. Hasanuzzaman, A.B. M.A. Malek, A. Nahar // Global prospects, progress, policies, and environmental impact of solar photovoltaic power generation// Renewable and Sustainable Energy Reviews Volume 41, January 2015, Pages 284-297 https://doi.org/10.1016/j.rser.2014.08.046
4. Atul Sharma, A comprehensive study of solar power in India and World., Renewable and Sustainable Energy Reviews Volume 15, Issue 4, May 2011, Pages 1767-1776. https://doi.org/10.1016/j.rser.2010.12.017
5. Vijay Devabhaktuni, Mansoor Alam, Soma Shekara Sreenadh Reddy Depuru, Robert C. Green II, Douglas Nims, Craig Near // Solar energy: Trends and enabling technologies// Renewable and Sustainable Energy Reviews Volume 19, March 2013, Pages 555-564. https://doi.org/10.1016/j.rser.2012.11.024
6. Charlie Hoffs //How Are Solor Panels Made//, October 19,2022 7. Saga, T. Advances in crystalline silicon solar cell technology for industrial mass production. NPG Asia Mater 2, 96–102 (2010). https://doi.org/10.1038/asiamat.2010.82
7. Нордсет, О., Кумар Р., Бергум К., Фара Л., Фосс С., Хауг Х., Дрэган Ф., Крэчунеску Д., Стериан П., Чилибон И., Василиу К., Башир Л., Савастру Д., Монахов Э. и Свенссон Б. (2017) Оптический анализ субэлемента ZnO/Cu 2 O в солнечном элементе с тандемным гетеропереходом на основе кремния. Зеленая и устойчивая химия, 7, 57-69. дои: https://doi.org/10.4236/gsc.2017.71005
8. Будагян Б.Г., Шерченков А.А., Бердников А.Е., Черномордик В.Д. Высокоскоростной метод осаждения аморфного кремния. Микроэлектроника, 2000, т. 29, вып. 6, с. 442-448.
9. S. Maldonado //The Importance of New “Sand-to-Silicon” Processes for the Rapid Future Increase of Photovoltaics//Cite this: ACS Energy Lett. 2020, 5,11,3628–3632 https://doi.org/10.1021/acsenergylett.0c02100
10. Aбдурахманов Б.М., Ашуров М.Х., Ашуров Х.Б., Кадыров А.Л., Курбанов М.Ш., Оксенгендлер Б.Л. Проблемы и перспективы кремниевого производства в Центральной Азии Худжанд, Нури маърифат, 2016, 420 с.
11. Arunmetha Sundaramoorthy., Vinoth Murugan., S.R. Srither., Karthik Arumugam// Study on Production of Silicon Nanoparticles from Quartz Sand for Hybrid Solar Cell Applications// September 2017, Journal of Electronic Materials 47(1) https://doi.org/10.1007/s11664-017-5794-0
12. Sulistiyani Sulistiyani, Erfan Priyambodo, Larasti Yogantari // Silika purification form merapi volcano sand as photovoltaic raw materials // Sains Dasar, 10.21831/jsd.v4i2.9087, DOI: https://doi.org/10.21831/jsd.v4i2.9087
13. S. Platias, K.I. Vatalis, G. Charalampides//Suitability of Quartz Sands for Different Industrial Applications//Procedia Economics and Finance. Volume 14, 2014, Pages 491-498, https://doi.org/10.1016/S2212-5671(14)00738-2
14. Xiaodong Pan, Suqin Li, Yongkui Li, Penghui Guo, Xin Zhao, Yinshi Cai// Resource, characteristic, purification and application of quartz//Minerals Engineering Volume 183, 15 June 2022, https://doi.org/10.1016/j.mineng.2022.107600
15. Гелдиев Ю.А., Тураев Х.Х., Умбаров И.А., Эшмуродов Х.Э., АТ Джалилов //Cинтез и исследование нового соединения на основе поликремниевой кислоты, модифицированной моноэтаноламином// Universum: химия и биология, 78-81, 2021.
16. Kirschner M; Chemical Profile: Hydrochloric Acid, January 9-15, 2006. Chemical Market Reporter, 269(1): 38 (2006)
17. Жиянова С.И., Тураев Х.Х., Эшмуродов Х.Э. Способ получения кремния из обогащенный песок месторождения “Tуркоксой” // Universum: технические науки: электрон. научн. журн. 2022. 11(104). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/14517 (дата обращения:29.11.2022).