脱氧金刚石线锯硅废料在皮江法中的应用：绿色镁生产新策略

　　为解决皮江法(Pidgeon process)高能耗及硅铁(Si-Fe)还原剂成本高的问题，研究人员创新性地利用光伏产业金刚石线锯硅废料(DWSSW)作为还原剂，并通过NH4 F+HCl溶液脱氧处理将氧含量降至1.31%，使镁还原转化率提升6.7%。该研究为镁工业节能降耗提供了新思路，同时实现了硅废料的高值化利用。

　　

在全球能源转型背景下，镁作为轻量化材料需求激增，但传统皮江法(Pidgeon process)生产镁的能耗高达4.511吨标煤/吨镁，其中52%的能耗来自硅铁(Si-Fe)还原剂。与此同时，光伏产业每年产生超35万吨金刚石线锯硅废料(DWSSW)，其表面包裹的纳米级SiO₂
层阻碍了资源化利用。如何通过绿色化学方法实现DWSSW的高效脱氧，并替代硅铁成为皮江法的新型还原剂，成为破解镁工业高能耗困局的关键。

针对这一挑战，来自西安交通大学的研究团队在《Journal of Magnesium and Alloys》发表创新成果。他们开发了一种基于氟化铵(NH₄
F)和盐酸(HCl)溶液的室温脱氧工艺，通过表征发现处理后DWSSW的SiO₂
层厚度从3.1 nm降至1.65 nm，氧含量从6.03%显著降低至1.31%。当脱氧后的DWSSW作为还原剂时，皮江法的镁还原转化率达到97.25%，较原始DWSSW提升6.7%，且比传统硅铁还原剂降低能耗4.301 tce/t_Mg
。

研究团队运用了多项关键技术：通过X射线光电子能谱(XPS)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)解析表面化学状态；采用像差校正透射电镜(AC-TEM)观测SiO₂
层厚度变化；结合热力学软件Factsage 7.3模拟不同温度下的反应路径；最后通过工业级真空电阻炉验证实际生产效果。

【结果与发现】

1. 脱氧机制创新：NH₄
   F溶液与SiO₂
   反应生成可溶性(NH₄
   )₂
   SiF₆
   ，HCl的加入将pH控制在4.92，有效抑制硅的二次氧化。FTIR检测到1525 cm^-1
   处NH₄
   ⁺
   特征峰和477 cm^-1
   处SiF₆
   ^2-
   振动峰，证实了反应路径。

2. 结构性能关联：TEM显示脱氧后SiO₂
   层厚度减少47%，XPS计算得出Si-NH样品的A_Si
   /A_O
   峰面积比降至0.14，表明表面氧化层被有效去除。

3. 工业应用验证：使用Si-NH的还原转化率比硅铁提高3.2%，且反应生成的Ca₂
   SiO₄
   渣相更易粉化。EDS mapping证实DWSSW颗粒（D50=0.788 μm）能均匀分散在煅烧白云石中，而硅铁颗粒则存在团聚现象。

4. 热力学分析：Factsage模拟揭示，当温度>700°C时，SiO₂
   会优先与CaO反应消耗原料，而低氧DWSSW能减少Ca₃
   Mg(SiO₄
   )₂
   等副产物生成，使镁蒸气产量提升10%。

这项研究的意义在于：一是开创了室温湿法脱氧DWSSW的新策略，避免了传统高温法或氢氟酸(HF)处理的安全风险；二是首次实现DWSSW在皮江法中的规模化应用，单吨镁生产成本可降低超1000元；三是从热力学角度阐明了SiO₂
对硅热反应的影响机制，为优化工艺参数提供理论支撑。该成果不仅推动镁工业向绿色化发展，也为光伏硅废料的资源化利用开辟了新途径。