超高纯金属镓的制备方法.pdf

本发明提供一种超高纯金属镓的制备方法，其包括低温电解提纯和区域熔炼提纯两个过程，电解在0～15℃的低温下进行，通直流电，电流密度在0.2～0.05A/cm2，电解槽的槽电压为2.0～3.0V，电解液中NaOH的浓度为30～150g/L，NaCl的浓度为10～80g/L，Ga的浓度为20～100g/L。由粗镓制作的阳极和析出精制金属镓的阴极均处于固体状态。再将电解得精制镓作区域熔炼再次提纯，将阴极镓置于管式炉中，在管式炉外装置的加热环上通入电流2000～10000A、电压10～36V、频率10000Hz的高频电，加热环发出热量，使该加热环以1～3cm/hr的速度从管式炉的一端向另一端移动；该移动过程重复进行2～10次。在该两个过程中可以将99.99％的粗镓提纯到99.9999～99.99999％的超高纯金属镓。本方法可使电解设备结构变得简单，电解操作方便且易于控制。整体设备的投资仅是现有设备的1/5。

权利要求书
1、  一种超高纯金属镓的制备方法，其特征是包括两个过程：低温电解提纯和区域熔炼提纯：
在低温电解提纯过程中，以99.99％的镓为阳极，以精制镓为阴极，所述阳极和阴极均处于固体状态；以NaOH和NaCl混合液作电解液，电解设备中的温度始终控制在0～15℃，通直流电，控制电流密度在0.2～0.05A/cm2，电解槽的槽电压为2.0～3.0V，电解液中NaOH的浓度为30～150g/L，NaCl的浓度为10～80g/L，Ga的浓度为20～100g/L；
经过一次电化学反应，将阴极析出的金属镓制成阳极，并以精制镓为阴极，再重复上述电解过程一次；
接着，将阴极得到的金属镓进行区域熔炼提纯：
将阴极镓置于一管式炉中，在管式炉外装置的加热环上通入电流2000～10000A、电压10～36V、频率10000Hz的高频电，使加热环发出热量，然后使该加热环以1cm/hr～3cm/hr的速度从管式炉的一端向另一端移动；该移动过程重复进行2～10次。

说明书超高纯金属镓的制备方法
技术领域
本发明涉及超高纯金属镓的制备方法。
背景技术
现有技术中由99.99％的粗金属镓提纯制备6N-7N(99.9999～99.99999％)的高纯金属镓是用电解精炼、真空蒸馏、结晶以及熔炼拉晶等方法中的一种或几种组合进行的，例如，申请号为85102460的中国发明专利就公开了一种“电解—结晶联合法生产纯镓”。在其中，首先使用电解法，以熔融状的99.99％的镓作阳极，以熔融状的精制镓为阴极进行电解，在阴极得到6N纯度的金属镓，然后，再对阴极镓进行结晶分离，最后得到7N纯度的金属镓。上述方法有以下不足，首先，在电解中阳极和阴极均为熔融状态，这就使得实际操作不易控制，且所使用的制备设备结构也比较复杂，其工业可实施性变差。结晶法的缺点是：设备投资大，操作条件控制苛刻。
发明内容
本发明的目的在于解决金属镓提纯过程中操作复杂、工业化实施困难的问题，提供一种设备简单、便于操作、有利于工业化生产的超高纯金属镓的制备方法。
本发明的目的是这样实现的：
超高纯金属镓的制备方法包括两个过程：低温电解提纯和区域熔炼提纯。
在低温电解提纯过程中，以99.99％的镓为阳极，以精制镓为阴极，所述阳极和阴极均处于固体状态；以NaOH和NaCl混合液作电解液，电解设备中的温度始终控制在0～15℃，通过直流电，控制电流密度在0.2～0.05A/cm2，电解槽的槽电压为2.0～3.0V，电解液中NaOH的浓度为30～150g/L，NaCl的浓度为10～80g/L，Ga的浓度为20～100g/L。
经过一次电化学反应，在阴极析出的金属镓可达5N水平。
以上过程重复一次，在阴极析出的金属镓可达6N水平。
由于金属镓的熔点为29.93℃，在上述电解操作时，电解槽的温度控制在0～15℃之间，所以阳极和阴极均为固态而非熔融状，这样，就可以使电解设备结构大大简化，电解操作控制也比较方便，设备投资大大减小，直收率大大提高。
接着，将阴极得到的金属镓进行区域熔炼提纯：
将阴极镓置于一管式炉中，在管式炉外装置的加热环上通入电流2000～10000A、电压10～36V、频率10000Hz的高频电，使加热环发出热量，然后使该加热环以1cm/hr～3cm/hr的速度从管式炉的一端向另一端移动。该移动过程重复进行2～10次。
99.99％的粗金属镓中含有的金属杂质一般有Ca、Na、Mg、Al、Fe、Co、Ni、Pb、Cu、Ag、Zn和Si等，根据各种杂质与金属镓的电位差的大小可知，在电解过程中大部分杂质均可被除去，但Zn、Si等杂质由于与镓的电位差较小，则会较多地留在阴极镓中，而在区域熔炼中由于Zn、Si等杂质的熔点均大于金属镓，在管式炉中，加热环所到之处，一个区域内的物料熔化，镓首先熔化，固相和液相中金属镓和杂质重新分配，因此，经过区域熔炼，管式炉中的镓中的Zn、Si等杂质可富集到管式炉中物料的一端，而在另一端即可获得超高纯金属镓。
本发明提供的超高纯金属镓的制备方法中，通过低温电解和区域熔炼的联合，可以获得99.99999％～99.9999999％(7N～9N)的高纯金属镓，更重要的是，由于采用了低温电解，可使阳极和阴极处于固体状态，这可使镓提纯的电解设备结构变得简单，电解操作也方便和易于控制。而区域熔炼同蒸馏、结晶等方法比优点是：设备投资小，操作环境易解决。同样生产产量下，本发明的工艺所用设备的投资仅是现有技术设备投资的1/5以下。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明提供的方法进行详细描述。
要提纯的粗镓中所含有的杂质见表1。
在电解槽中加入电解液，其中NaOH的浓度为50g/L，NaCl的浓度为30g/L，用2000克99.99％的粗金属镓做阳极，用300克7N纯度的精制镓做阴极，阳极和阴极与直流电路电连接，控制电流密度为0.2A/cm2，测得槽电压为2.3V，电解槽的温度控制在3-5℃，电解液中Ga3+的浓度为30g/L。电解200小时后，阴极电解出1750g阴极镓，其纯度可达5N以上。一次电解得到的精制镓的含杂质情况见表1。
将阴极析出的阴极镓制成阳极，重复上述过程一次，电解200小时后，阴极电解出1400g阴极镓，其纯度可达6N。二次电解得到的精制镓的含杂质情况见表1。
将阴极镓置入区域熔炼的管式炉中，将阴极镓置于一管式炉中，在管式炉外装置的加热环上通入电流5000A、电压24V、频率10000Hz的高频电，使加热环发出热量，然后使该加热环以1.5cm/hr的速度从管式炉的一端向另一端移动。该移动过程重复进行3次。即可在管式炉的一端获得7N纯度的超高纯金属镓。三次区域熔炼得到地精制镓的含杂质情况见表1。
该移动过程重复6次，可得到8N纯度的超高纯金属镓。六次区域熔炼得到的精制镓的含杂质情况见表1。
表1  粗镓以及各个提纯阶段杂质分布情况