[發明專利]一種氧化鎵真空碳熱還原制備金屬鎵的方法

在審

• 申請號: 202010197724.5
• 申請日: 2020-03-19
• 公開（公告）號: CN111218558A
• 公開（公告）日: 2020-06-02
• 發明（設計）人: 謝克強;陳浩林;馬文會;呂國強;曲濤;黃海藝;紀文濤;閆時雨;袁曉磊;蘇開萌;毛志丹;楊斌;劉大春;戴永年
• 申請（專利權）人: 昆明理工大學
• 主分類號: C22B5/10
• 分類號: C22B5/10;C22B58/00
• 代理公司: 昆明同聚專利代理有限公司 53214
• 代理人: 蘇蕓蕓

本發明公開了一種用氧化鎵真空碳熱還原制備金屬鎵的方法，屬于稀散金屬真空冶金技術領域；本發明方法是將氧化鎵中加入活性碳和粘結劑，混合均勻得到混合物料，將混合物料壓制成塊狀，在壓力為1Pa~100Pa、溫度800～1200℃的條件下還原得到氣態金屬鎵，通過控制冷凝區溫度，在冷凝蓋上獲得易收集且結晶完好的金屬鎵；本發明流程簡單，操作簡單，制備過程中無需加入任何其他添加劑以及燃料，且剩余的活性碳粉可重復使用，成本低，適于工業化生產和市場推廣應用。

技術領域

本發明涉及一種氧化鎵真空碳熱還原制備金屬鎵的方法，屬于稀散金屬真空冶金技術領域，具體為一種金屬鎵的清潔、高效制備方法。

背景技術

鎵是7類主要稀散元素之一，在地殼中的含量為5×10^-4%~1.5×10^-3%，其熔點僅為29.78℃，被稱為放在人的手中即可熔化的金屬，熔化時為銀白色液體，過冷至0℃時也不固化。鎵屬于兩性物質，溶于強酸和強堿。鎵在室溫下較穩定，但在高于1000℃氧或空氣中會氧化，且雜質越多越易氧化。常溫下，鎵在干燥空氣中比較穩定，因為生成的氧化物薄膜會阻止其繼續氧化，而在潮濕空氣中會被氧化失去光澤，加熱至500℃時則會燃燒。鎵在約1000℃的空氣中燃燒成為Ga₂O₃，當表面形成低價氧化物GaO或GaO的薄膜后，就會保護鎵不被繼續氧化。“液態金屬”鎵在科技飛速發展進程中需求量不斷增長。

鎵是重要的稀散金屬，在光伏、信息通訊、電子科技、航空、軍事等高新技術領域具有廣泛應用，是我國戰略性新興產業發展的重要資源。鎵及其化合物在半導體材料的大規模應用，給照明工業帶來革命性的變化，現又向電力電子和射頻功率器件市場滲透；近年來，鎵及其化合物在放射性藥物化學的應用顯著，鎵(Ga)是繼鉑之后第二種用于癌癥治療的金屬離子，放射性鎵用于診斷癌癥，此外，鎵還以硝酸鎵、氯化鎵等形式應用于醫學及生物學領域，用于惡性腫瘤、晚期高血鈣及某些骨病的診斷和治療；鎵的特殊用途之一，用作金屬與陶瓷間的冷焊劑，特別適用于對溫度、導熱等敏感的薄壁金屬管、板或片等與陶瓷器皿間的冷焊劑。

世界上90%以上的鎵是從氧化鋁生產過程中作為副產品回收。鎵的主要富集物為鋁土礦生產氧化鋁過程中的鋁酸鈉母液、濕法煉鋅過程中的浸出渣、氯化蒸餾提鍺過程中的氯化殘液或殘渣、(鉛)鋅生產過程中的方鐵礦、鈦釩鐵礦中的釩渣和煤燃燒過程中的煤煙塵。鎵的冶金提取技術主要包括電解法、萃取法、離子交換法和膜分離法等，鎵在上述各種原料中賦存方式不同，提取方法也多樣。提取過程中往往還要多次富集，通常需要多種方法聯合使用。

鎵在自然界的含量比較低，在地殼中其豐度與鉛相當，含量為0.0015%。但鎵在地殼中分布極其分散，幾乎沒有形成具有工業開采價值的獨立礦床。迄今為止，世界上已知單獨為提煉鎵而開采的礦床僅有美國猶他州的Apex 礦。鎵常以同晶型的雜質狀態分散于鋁土礦、閃鋅礦、黃銅礦、煤和磷灰石中，與鋁土礦、閃鋅礦等礦物緊密共生。在制備鎵新技術的研究上，真空精煉法通過真空治金將蒸氣壓比金屬鎵大的雜質通過揮發除去。對電解鎵進行真空精煉可使鎵的純度提高一個等級。真空精煉提純鎵工藝過程簡短，鎵直收率高，同時鎵的高沸點、低揮發致使鎵與許多雜質得到相當大程度的分離。

發明內容

針對現有金屬鎵制備技術存在的問題及不足，本發明提供了一種氧化鎵真空碳熱還原制備金屬鎵的方法，本發明以氧化鎵為提取金屬鎵的原料，活性碳為還原劑，通過碳熱還原過程使氧化鎵轉變生產氣態金屬鎵，氣態金屬鎵在壓力1~10Pa，保溫60~150min條件下經冷凝后制得結晶良好的固體金屬鎵，本發明方法降低了金屬鎵的生產成本。

目前采用真空冶金技術制備金屬鎵的相關研究鮮有報道，本發明在前期氧化鎵真空碳熱還原溫度場有限元模擬的基礎上，采用真空冶金技術使得碳熱還原反應在一定還原溫度下有效發生，通過控制冷凝區溫度，使得氣態金屬鎵在冷凝盤中有效冷凝富集；本發明屬于清潔生產工藝，全流程無廢渣、廢氣產生，實驗所得殘渣可作為活性碳粉重復使用，且具有工藝流程短，操作簡單等特點。