Improving the quality of metallurgical-grade silicon by acid leaching

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

This work deals with the problem of hydrometallurgical refining of metallurgical-grade silicon. Samples of metallurgical-grade silicon after oxidative refining from JSC Silicon, RUSAL (Shelekhov, Irkutsk Oblast, Russia) were subjected to X-ray fluorescence and electron microprobe analysis. The conducted elemental analysis determined their following composition, wt%: Al – 0.53, Fe – 0.6094, Ti – 0.0491, Ca – 0.0628, V – 0.0066, Cr – 0.002, Mn – 0.014, Cu – 0.003, P – 0.010, Ba – 0.007, Ni – 0.007, and Zn – 0.002. The examined samples were found to comprise the following intermetallic compounds: AlFeSi2 (with an admixture of Ca), FeSi2 (with an admixture of Al), and FeSi2Ti (with an admixture of Zr). In order to purify silicon from impurities, 10% H2SO2, HCl, HNO3, as well as 4% HF in different ratios were used as solvents. The feasibility of interactions between the intermetallic compounds and the selected solvents was assessed by calculating changes in the Gibbs energy, which had negative values. Experiments on impurity leaching were carried out using silicon samples with a particle size of –200 µm under constant stirring with a magnetic stirrer under the temperature of 600С, the liquid-to-solid ratio of 5:1, and the leaching duration of 60 min. The highest degree of silicon purification (86.85%) was achieved under leaching with a mixture of sulfuric and hydrofluoric acids in a ratio of 1:1. The use of a mixture of sulfuric and hydrochloric acids at a ratio of 1:3 resulted in the silicon purification of 41.48%. Thus, optimal solvents allowing the maximum purification of silicon from impurities were determined.

About the authors

N. V. Nemchinova

Irkutsk National Research Technical University

Email: ninavn@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-9895-1709

A. A. Zaitseva

Irkutsk National Research Technical University

Email: vo1odkinaa@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0002-1107-7268

References

  1. Гасик М.И., Гасик М.М. Электротермия кремния. Днепропетровск: Национальная металлургическая академия Украины, 2011. 487 c.
  2. Schei А., Tuset J.Kr., Tveit H. Production of high silicon alloys. Trondheim: Tapir, 1998. 363 p.
  3. Miguez J.M., Perez A., Souto A., Dieguez J., Ordas R. New and future applications of different silicon qualities: how could we produce them // Silicon for the Chemical and Solar Industry XIII (Kristiansand, 13 –16 June 2016). Kristiansand, 2016. P. 15–22. https://doi.org/10.13140/RG.2.2.21782.34883.
  4. Sun Kaidi, Wang Tongtong, Gong Weibo, Lu Wenyang, He Xin, Eddings E.G., et al. Synthesis and potential applications of silicon carbide nanomaterials / nanocomposites // Ceramics International. 2022. Vol. 48. Iss. 22. P. 32571– 32587. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.07.204.
  5. Henstock J.R., Canham L.T., Anderson S.I. Silicon: the evolution of its use in biomaterials // Acta Biomaterialia. 2015. Vol. 11. P. 17–26. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2014.09.025.
  6. Колобов Г.А., Критская Т.В. Рафинирование кремния // Металургiя (Науковi працi ЗДIА). 2009. № 20. С. 77–83.
  7. Елисеев И.А., Непомнящих А.И. Разработка промышленной технологии удаления бора при рафинировании кремния // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2013. № 1. C. 95–101.
  8. Jiang Dachuan, Tan Yi, Shi Shuang, Dong Wei, Gu Zheng, Zou Ruixun. Removal of phosphorus in molten silicon by electron beam candle melting // Materials Letters. 2012. Vol. 78. P. 4–7. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2012.03.031.
  9. Wei Kuixian, Zheng Damin, Ma Wenhui, Yang Bin, Dai Yongnian. Study on Al removal from MG-Si by vacuum refining // Silicon. 2015. Vol. 7. Iss. 3. P. 269–274. https://doi.org/10.1007/s12633-014-9228-9.
  10. Nemchinova N.V., Tyutrin A.A., Zelinskaya E.V. Acidic-ultrasonic refining of silicon by carbothermic technology // Metallurgist. 2015. Vol. 59. Iss. 3. P. 258–263. https://doi.org/10.1007/s11015-015-0094-5.
  11. Xi Fengshuo, Li Shaoyuan, Ma Wenhui, Chen Zhengjie, Wei Kuixian, Wu Jijun. A review of hydrometallurgy techniques for the removal of impurities from metallurgical-grade silicon // Hydrometallurgy. 2021. Vol. 201. Р. 105553. https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2021.105553.
  12. Немчинова Н.В., Тютрин А.А., Хоанг В.В., Будько Т.В. О способах рафинирования кремния // Молодежный вестник ИрГТУ. 2022. Т. 12. № 4. С. 924–934.
  13. Xi Fengshuo, Li Shaoyuan, Ma Wenhui, Chen Zhengjie, Wei Kuixian, Wu Jijun. A review of hydrometallurgy techniques for the removal of impurities from metallurgical-grade silicon // Hydrometallurgy. 2021. Vol. 201. Р. 105553. https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2021.105553.
  14. Попов С.И. Металлургия кремния в трехфазных руднотермических печах. Иркутск: ЗАО «Кремний», 2004. 237 c.
  15. Bjørnstad E.L., Jung In-Ho, Van Ende M.A., Gabriella T. Oxidative refining of metallurgical grade silicon: lab-scale measurements on the overarching refining behavior of Ca and Al // Metallurgical and Materials Transactions B. 2022. Vol. 53. P. 1103–1111. https://doi.org/10.1007/s11663-022-02425-5.
  16. Næss M.K., Tranell G., Olsen J.E., Nils E.K., Kai T. Mechanisms and kinetics of liquid silicon oxidation during industrial refining // Oxidation of Metals. 2012. Vol. 78. P. 239–251. https://doi.org/10.13140/RG.2.2.13947.52005.
  17. Johnston M.D., Barati M. Distribution of impurity elements in slag–silicon equilibria for oxidative refining of metallurgical silicon for solar cell applications // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2010. Vol. 94. Iss. 12. P. 2085–2090. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2010.06.025.
  18. Тютрин А.А., Фереферова Т.Т. Применение современных методов анализа для исследования шлаков кремниевого производства // Вестник Иркутского технического университета. 2016. Т. 20. № 9. С. 139 –146. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2016-9-139-146.
  19. Чупарина Е.В., Смагунова А.Н., Елисеева Л.А. Исследование процессов образования фона в длинноволновой области рентгеновского спектра // Журнал аналитической химии. 2015. Т. 70. № 8. С. 828–834.
  20. Reed S.J.B. Electron microprobe analysis. Cambridge: Cambridge University Press, 1997. 350 p.
  21. Немчинова Н.В., Бузикова Т.А. Исследование фазово-химического состава печных шлаков кремниевого производства // Известия высших учебных заведений. Цветная металлургия. 2017. № 1. С. 31–39. https://doi.org/10.17073/00213438-2017-1-31-39.
  22. Немчинова Н.В., Тютрин А.А., Бузикова Т.А. Исследование шлаков пирометаллургии кремния // Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Техника и технологии. 2015. Т. 8. № 4. С. 457 –467.
  23. Немчинова Н.В. Исследование химического состава металлургического кремния // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2012. № 1. С. 129–134.
  24. Nemchinova N.V., Hoang V.V., Tyutrin A.A. Formation of impurity inclusions in silicon when smelting in ore-thermal furnaces // Materials Science and Engineering: IOP Conference Series. 2020. Vol. 969. Р. 012038. https://doi.org/10.1088/1757-899X/969/1/012038.
  25. Barin I. Thermochemical data of pure substances. 3d Edition. Weinheim: VCH Verlagsgesellschaft mbH, 1995. 1683 p. https://doi.org/10.1002/9783527619825.
  26. Зайцева А.А., Зырянов Н.В. Исследование возможности применения различных кислот при гидрометаллургическом рафинировании металлургического кремния // Перспективы развития технологии переработки углеводородных и минеральных ресурсов»: матер. XII Междунар. науч.-практ. конф. (г. Иркутск, 20–21 апреля 2022 г.). Иркутск, 2022. С. 88–91.
  27. Тамендаров М.Ф., Чумиков Г.Н., Токмолдин С.Ж. Исследование фосфорных шлаков для получения кремния солнечного качества // Химия и металлургия комплексной переработки минерального сырья: матер. междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 90-летию выдающегося ученого, академика АН КазССР, лауреата государственной премии СССР Букетова Евнея Арстановича (г. Караганда, 25–26 июня 2015 г.). Караганда, 2015. Караганда, 2015. С. 115–120.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).