纤维素增强偶极相互作用工程提升多晶硅浆料过滤系统表面抗裂性能

针对多晶硅浆料过滤系统中滤饼表面开裂、过滤效率低等难题，研究人员提出纤维素改性硅藻土偶极相互作用增强(CE@D-IE)策略，通过增强滤饼内部相互作用和毛细阻力，实现50%过滤速率提升并显著改善抗裂性能，为复杂体系固液分离提供新方案。

　　

在半导体和光伏产业快速发展的背景下，多晶硅作为核心原料的需求激增，但其生产过程中产生的高活性多晶硅浆料（主要含SiCl₄和硅渣）却成为环保难题。这种非极性多相体系在过滤时面临滤饼开裂、分离效率低等挑战，传统过滤助剂虽能提升速率却难以解决结构失稳问题。新疆某多晶硅企业的实际生产数据显示，滤饼开裂导致30%以上的硅资源无法有效回收。

针对这一产业痛点，新疆大学（根据基金项目"天山博士计划51052401541"及作者单位推断）的研究团队创新性提出纤维素改性硅藻土偶极相互作用增强(CE@D-IE)策略。通过原子力显微镜(AFM)和分子动力学(MD)模拟揭示，该策略利用硅藻土的层级孔隙结构产生毛细阻力，同时通过纤维素链的拓扑缠结和增强的偶极相互作用，有效耗散SiCl₄挥发产生的内能。研究成果发表于《Journal of Environmental Chemical Engineering》，为解决复杂体系过滤提供了分子层面的设计思路。

关键技术包括：1）工业级多晶硅浆料采样与表征（激光粒度分析显示硅渣D₅₀=26.51μm）；2）纤维素改性硅藻土(CE@D)的溶胶-凝胶法制备；3）结合AFM力谱分析与MD模拟的相互作用机制研究；4）10-40°C温度区间的抗裂性能测试体系。

【分析滤饼开裂成因】通过XRD和FT-IR证实硅渣与SiCl₄间仅存在弱范德华力，MD模拟显示相互作用能低至-4.28 kcal/mol，导致滤饼在应力积累下易开裂。对比实验发现，未使用助剂的空白过滤(BF)策略滤饼裂纹密度达15.6条/cm²。

【CE@D-IE策略构建】硅藻土(DE)策略通过2-50 nm分级孔隙消耗气相SiCl₄动能，使裂纹密度降低62%。CE@D进一步引入纤维素羟基(-OH)，使偶极相互作用能提升至-9.17 kcal/mol，裂纹密度降至2.3条/cm²。

【过滤性能优化】CE@D-IE策略在保持滤液透光率>95%的同时，过滤速率达3.21 m³/(m²·h)，较BF策略提升50%。AFM力曲线显示CE@D改性后粘附力增加2.4倍，证实界面相互作用增强。

该研究创新性地将生物质材料（纤维素）与矿物材料（硅藻土）协同增效，通过分子水平设计解决了工程实践中的滤饼开裂难题。不仅为多晶硅浆料资源化提供了可行方案，其"毛细阻力-偶极增强-链缠结"的多级耗能机制，可拓展至锂电池浆料、化工催化剂等非极性体系的固液分离过程。研究获得新疆重点研发计划（2023B01012-1）等基金支持，第一作者Xiaoyun Hu和Jianfang Yang的贡献均体现在方法学创新与机制阐释方面。