CN106048262A - 一种镓的提纯方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种镓的提纯方法，包括：提供镓的提纯装置；将籽晶镓液投入所述籽晶凹槽中，冷却所述籽晶镓液至凝固；将粗镓液倒入所述结晶槽中，进行结晶，得到结晶镓；所述结晶过程中，所述风机的风速为0.3～0.8m/s；所述控温设备的温度为28～36℃；所述热交换液的温度为20～28℃。采用提纯装置控制上述特定的结晶条件，能够有效使粗镓提纯至高纯镓，相比于现有技术，将粗镓液重复提纯较少次数即可获得较高纯度的镓，省时省耗，效率高，操作简便易控，适于大批量工业生产。

Description

一种镓的提纯方法及装置

技术领域

本发明涉及贵金属技术领域，尤其涉及一种镓的提纯方法及装置。

背景技术

镓(Ga)是一种贵重的稀散金属，由于具有高沸点、良好的超导性、延展性等物理化学性能而被广泛应用到半导体、太阳能、合金和化工等领域，如：可与铟、铊、锡、铋、锌等组成一系列低熔合金；可用作温度测控、仪表中的代汞物；可用于金属涂层；可用于制作光学玻璃、真空管等；此外，镓的化合物更是广泛应用于电子与微电子工业、红外探测器、微波通讯、微波集成、发光二极管等等；镓盐可作为催化剂，用于制备治疗癌症及骨质疏松等病症的药物；且其还有一重要用途是与As、Sb、P等组成二元化合物，用作半导体材料。因此，镓已成为工业技术中非常重要的一种原料，其消费量和市场需求也日益增强。

尽管我国金属镓储量丰富，但其很少单独成矿，多为伴生矿，使用时往往需要从伴生矿中将镓提取出来，得到低纯粗镓，然而，大部分应用领域中如半导体领域要求必须采用6N(99.9999％)以上的高纯度镓，因此，金属粗镓的提纯便具有十分重要的意义。现有技术中镓的提纯方法通常有萃取法、电解法、减压蒸馏法、结晶法等，其中，结晶法由于环保、周期短而备受研究人员重视。但是，现有技术中的结晶提纯技术，有些难以获得高纯度，而有些则需要多次重复提纯操作才能获得高纯度，耗能耗时，不利于规模化生产。

发明内容

本发明的目的在于提供一种镓的提纯方法及装置，按照本申请的提纯方法，重复提纯较少次数便可获得较高纯度的镓，简单方便，节能节时，便于规模化生产。

本申请提供了一种镓的提纯方法，包括：

A)提供镓的提纯装置，包括：结晶系统和冷热循环系统；所述结晶系统包括结晶槽，控温设备和风机；所述控温设备用于控制所述结晶槽内的结晶温度；所述结晶槽底部设置有籽晶凹槽；所述冷热循环系统设置在所述结晶槽外围；所述冷热循环系统包括冷热循环管和热交换液，所述热交换液位于冷热循环管外部；

B)将籽晶镓液投入所述籽晶凹槽中，冷却所述籽晶镓液至凝固；

C)将粗镓液倒入所述结晶槽中，进行结晶，得到结晶镓；

所述结晶过程中，所述风机的风速为0.3～0.8m/s；所述控温设备的温度为28～36℃；所述热交换液的温度为20～28℃。

优选的，所述步骤C)还包括：

结晶至固液体积比为70％～95％，将剩余粗镓液去除，得到结晶镓。

优选的，所述步骤C)后还包括：

向所述冷热循环管中通入热液，使所述结晶镓融化，得到结晶镓液；

将所述结晶镓液取出，重复步骤B)～C)的操作。

优选的，所述步骤C)中，所述控温设备的温度与所述热交换液的温度差为8～12℃。

优选的，所述步骤B)具体包括：将籽晶镓液投入所述籽晶凹槽中，向所述冷热循环管中通入冷液，冷却所述籽晶镓液至凝固。

优选的，所述步骤B)中，所述籽晶镓液的纯度为6～7N。

优选的，所述步骤C)中，所述粗镓液的纯度为4N。

本申请还提供了一种镓的提纯装置，包括：

结晶系统和冷热循环系统；

所述结晶系统包括结晶槽，控温设备和风机；所述控温设备用于控制所述结晶槽内的结晶温度；

所述结晶槽底部设置有籽晶凹槽；

所述冷热循环系统设置在所述结晶槽外围；所述冷热循环系统包括冷热循环管和热交换液，所述热交换液位于冷热循环管外部。

与现有技术相比，本申请提供的提纯方法包括：A)提供镓的提纯装置，包括：结晶系统和冷热循环系统；所述结晶系统包括结晶槽，控温设备和风机；所述控温设备用于控制所述结晶槽内的结晶温度；所述结晶槽底部设置有籽晶凹槽；所述冷热循环系统设置在所述结晶槽外围；所述冷热循环系统包括冷热循环管和热交换液，所述热交换液位于冷热循环管外部；B)将籽晶镓液投入所述籽晶凹槽中，冷却所述籽晶镓液至凝固；C)将粗镓液倒入所述结晶槽中，进行结晶，得到结晶镓；所述结晶过程中，所述风机的风速为0.3～0.8m/s；所述控温设备的温度为28～36℃；所述热交换液的温度为20～28℃。采用本申请的工艺方法对粗镓进行提纯，只需重复提纯较少次数，便能够获得高纯度镓，操作简单方便，省时省耗，节约成本，便于规模化应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的镓的提纯装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请提供了一种镓的提纯装置，包括：

结晶系统和冷热循环系统；

所述结晶系统包括结晶槽，控温设备和风机；所述控温设备用于控制所述结晶槽内的结晶温度；

所述结晶槽底部设置有籽晶凹槽；

所述冷热循环系统设置在所述结晶槽外围；所述冷热循环系统包括冷热循环管和热交换液，所述热交换液位于冷热循环管外部。

参见图1，图1为本申请实施例提供的镓的提纯装置的结构示意图。其中，(1)为风机，(2)为控温设备，(3)为结晶槽，(4)为籽晶凹槽，(5)为冷热循环管，(6)为热交换液。

本申请提供的提纯装置包括结晶系统；所述结晶系统包括结晶槽(3)，控温设备(2)和风机(1)。在本发明的某些实施例中，所述结晶槽(3)可以为半球形槽体。所述结晶槽(3)底部设置有籽晶凹槽(4)；即所述结晶槽(3)的底部向外凸起，形成籽晶凹槽(4)。所述控温设备(2)用于控制所述结晶槽(3)内的结晶温度。所述风机(1)能够为结晶槽(3)提供一定的风速，有利于结晶槽(3)内传温均匀；在本发明的某些实施例中，所述风机(1)可以为万级洁净过滤风机。

本申请提供的提纯装置包括冷热循环系统；所述冷热循环系统设置在所述结晶槽(3)外围；即所述冷热循环系统将所述结晶槽(3)的外表面包裹，通过结晶槽(3)的外表面向结晶槽(3)传温。所述冷热循环系统包括冷热循环管(5)和热交换液(6)，所述热交换液(6)位于冷热循环管(5)外部；即所述冷热循环系统中包括若干冷热循环管(5)，所述冷热循环管(5)之间的空腔以及冷热循环管(5)与冷热循环系统的周壁之间的空腔填满热交换液(6)，可以通过向所述冷热循环管(5)内通入冷、热流体，控制冷热循环管(5)外部的热交换液(6)的温度，从而向所述结晶槽(3)外壁传温。在本发明的某些实施例中，所述热交换液(6)可以为水。

本申请提供了一种提纯装置，包括结晶系统和冷热循环系统，结晶系统内设置有结晶槽，控温设备和风机，所述冷热循环系统包括冷热循环管和热交换液，通过控温设备和风机来精准控制结晶槽内的结晶氛围，通过冷热循环系统向结晶槽外壁传温，使结晶时形成特定的温度梯度和环境氛围，从而提高提纯效果，使粗镓液重复提纯较少次数即可获得较高纯度镓，省时省耗，效率高，适于大批量工业生产。

本申请还提供了一种镓的提纯方法，包括：

A)提供镓的提纯装置，包括：结晶系统和冷热循环系统；所述结晶系统包括结晶槽，控温设备和风机；所述控温设备用于控制所述结晶槽内的结晶温度；所述结晶槽底部设置有籽晶凹槽；所述冷热循环系统设置在所述结晶槽外围；所述冷热循环系统包括冷热循环管和热交换液，所述热交换液位于冷热循环管外部；

B)将籽晶镓液投入所述籽晶凹槽中，冷却所述籽晶镓液至凝固；

C)将粗镓液倒入所述结晶槽中，进行结晶，得到结晶镓；

所述结晶过程中，所述风机的风速为0.3～0.8m/s；所述控温设备的温度为28～36℃；所述热交换液的温度为20～28℃。

本申请的提纯方法中，提供了一种提纯装置，包括：结晶系统和冷热循环系统；所述结晶系统包括结晶槽，控温设备和风机；所述控温设备用于控制所述结晶槽内的结晶温度；所述结晶槽底部设置有籽晶凹槽；所述冷热循环系统设置在所述结晶槽外围；所述冷热循环系统包括冷热循环管和热交换液，所述热交换液位于冷热循环管外部。所述提纯装置与上述提纯装置一致，在此不再赘述，在该提纯装置上进行提纯操作。

本发明中，将籽晶镓液投入所述籽晶凹槽中，冷却所述籽晶镓液至凝固。所述籽晶镓液的纯度可以为6～7N，在本发明的某些实施例中，所述籽晶镓液的纯度可以为7N；所述籽晶镓液在籽晶凹槽中的灌装量没有特殊限制，在本发明的某些实施例中，在向籽晶凹槽中加入籽晶镓液时，可以灌装至籽晶凹槽满口为止。将籽晶镓液投入籽晶凹槽后，冷却所述籽晶镓液直至所述籽晶镓液凝固。在本发明的某些实施例中，将籽晶镓液投入籽晶凹槽后，向所述冷热循环管内通入冷液，冷却冷热循环系统内的热交换液，从而使籽晶凹槽受冷，将籽晶凹槽内的籽晶镓液凝固。所述通入冷热循环管内的冷液的温度没有特殊限制，能够将籽晶镓液凝固即可，在本发明的某些实施例中，所述冷液的温度小于20℃。

本发明中，将籽晶凹槽内的籽晶镓液凝固后，将粗镓液倒入所述结晶槽中，进行结晶，得到结晶镓。在本发明的某些实施例中，所述粗镓液的纯度可以为4N；倒入粗镓液进行结晶的过程中，优选通过控温设备控制结晶槽内的温度为28～36℃；在本发明的某些实施例中，可以通过控温设备控制结晶槽内的温度为28℃、30℃、33℃、35℃或36℃。

本发明在结晶过程中，优选控制风机的风速为0.3～0.8m/s；在本发明的某些实施例中，可以控制风机的风速为0.5～0.8m/s；如在本发明的某些实施例中，可以控制风机的风速为0.5m/s或0.8m/s。

本发明在结晶过程中，优选控制冷热循环系统中热交换液的温度为20～28℃；在本发明的某些实施例中，可以控制冷热循环系统中热交换液的温度为20℃、22℃、24℃、25℃或27℃。

在本发明的某些实施例中，结晶过程中，所述控温设备的温度与所述热交换液的温度差可以为8～12℃。

本发明控制一定的结晶条件，既能避免镓的自发成核，也可避免结晶过程夹杂镓液，从而能够有效进行结晶提纯，并使结晶镓达到高纯度要求，若破坏所述结晶氛围，则会严重影响镓的纯度以及提纯效率。

本发明中，优选结晶至结晶槽内的固液体积比为70％～95％时，将剩余未结晶的粗镓液去除，得到结晶镓。所述去除的方式没有特殊限制，能够将结晶镓与剩余未结晶的粗镓液分离即可，如可以将剩余粗镓液吸出。

本发明中，在去除剩余粗镓液，得到结晶镓后，优选使结晶镓融化，得到结晶镓液。在本发明的某些实施例中，在去除剩余粗镓液，得到结晶镓后，可以通过向冷热循环管内通入热液，使所述结晶镓融化，得到结晶镓液。所述热液的温度没有特殊限制，能够将结晶镓融化即可，如可以为40～50℃。

本发明中，得到结晶镓液后，优选将所述结晶镓液作为粗镓液，重复上述结晶操作过程。本发明中，重复结晶操作2次，即可得到纯度为6N的高纯镓，重复结晶操作3次，即可得到纯度为7N的高纯镓。

本发明提供了一种镓的提纯方法，包括：提供镓的提纯装置，将籽晶镓液投入所述籽晶凹槽中，冷却所述籽晶镓液至凝固；将粗镓液倒入所述结晶槽中，进行结晶，得到结晶镓；所述结晶过程中，所述风机的风速为0.3～0.8m/s；所述控温设备的温度为28～36℃；所述热交换液的温度为20～28℃。采用提纯装置控制上述特定的结晶条件，能够有效使粗镓提纯至高纯镓，相比于现有技术，本发明将粗镓液重复提纯较少次数即可获得较高纯度的镓，省时省耗，效率高，操作简便易控，适于大批量工业生产。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

实施例1

将7N籽晶镓液倒入籽晶槽中，满口为止；将冷热循环管中通入冷液，使籽晶镓液凝固；将4N粗镓液倒入结晶槽中，开启过滤风机，保持风速为0.5m/s，开启控温设备，保持结晶槽内结晶温度为30℃，同时控制冷热循环管外部的水的温度为22℃，进行结晶。结晶达到固液体积比为90％后，把剩余粗镓液吸出，向冷热循环管中通入热液，使结晶镓融化，得到结晶镓液，吸出。将结晶镓液重新作为粗镓液，重复上述结晶操作2次，即可得到纯度为6N的高纯镓；重复上述结晶操作3次，即可得到纯度为7N的高纯镓。

实施例2

将7N籽晶镓液倒入籽晶槽中，满口为止；将冷热循环管中通入冷液，使籽晶镓液凝固；将4N粗镓液倒入结晶槽中，开启过滤风机，保持风速为0.7m/s，开启控温设备，保持结晶槽内结晶温度为33℃，同时控制冷热循环管外部的水的温度为25℃，进行结晶。结晶达到固液体积比为85％后，把剩余粗镓液吸出，向冷热循环管中通入热液，使结晶镓融化，得到结晶镓液，吸出。将结晶镓液重新作为粗镓液，重复上述结晶操作2次，即可得到纯度为6N的高纯镓；重复上述结晶操作3次，即可得到纯度为7N的高纯镓。

实施例3

将7N籽晶镓液倒入籽晶槽中，满口为止；将冷热循环管中通入冷液，使籽晶镓液凝固；将4N粗镓液倒入结晶槽中，开启过滤风机，保持风速为0.8m/s，开启控温设备，保持结晶槽内结晶温度为35℃，同时控制冷热循环管外部的水的温度为27℃，进行结晶。结晶达到固液体积比为90％后，把剩余粗镓液吸出，向冷热循环管中通入热液，使结晶镓融化，得到结晶镓液，吸出。将结晶镓液重新作为粗镓液，重复上述结晶操作2次，即可得到纯度为6N的高纯镓；重复上述结晶操作3次，即可得到纯度为7N的高纯镓。

实施例4

将7N籽晶镓液倒入籽晶槽中，满口为止；将冷热循环管中通入冷液，使籽晶镓液凝固；将4N粗镓液倒入结晶槽中，开启过滤风机，保持风速为0.8m/s，开启控温设备，保持结晶槽内结晶温度为36℃，同时控制冷热循环管外部的水的温度为24℃，进行结晶。结晶达到固液体积比为70％后，把剩余粗镓液吸出，向冷热循环管中通入热液，使结晶镓融化，得到结晶镓液，吸出。将结晶镓液重新作为粗镓液，重复上述结晶操作2次，即可得到纯度为6N的高纯镓；重复上述结晶操作3次，即可得到纯度为7N的高纯镓。

实施例5

将7N籽晶镓液倒入籽晶槽中，满口为止；将冷热循环管中通入冷液，使籽晶镓液凝固；将4N粗镓液倒入结晶槽中，开启过滤风机，保持风速为0.8m/s，开启控温设备，保持结晶槽内结晶温度为28℃，同时控制冷热循环管外部的水的温度为20℃，进行结晶。结晶达到固液体积比为95％后，把剩余粗镓液吸出，向冷热循环管中通入热液，使结晶镓融化，得到结晶镓液，吸出。将结晶镓液重新作为粗镓液，重复上述结晶操作2次，即可得到纯度为6N的高纯镓；重复上述结晶操作3次，即可得到纯度为7N的高纯镓。

对比例1

将7N固体籽晶镓晶种倒入籽晶槽中，满口为止；将4N粗镓液倒入结晶槽中，开启过滤风机，保持风速为0.5m/s，开启控温设备，保持结晶槽内结晶温度为30℃，同时控制冷热循环管外部的水的温度为22℃，进行结晶。结晶达到固液体积比为90％后，把剩余粗镓液吸出，向冷热循环管中通入热液，使结晶镓融化，得到结晶镓液，吸出。将结晶镓液重新作为粗镓液，重复上述结晶操作3次，最终得到纯度为6N的高纯镓；继续重复结晶操作，至重复结晶5次，得到纯度为7N的高纯镓。

对比例2

将7N籽晶镓液倒入籽晶槽中，满口为止；将冷热循环管中通入冷液，使籽晶镓液凝固；将纯度为4N、温度为35℃的热粗镓液倒入结晶槽中，开启过滤风机，保持风速为0.5m/s，同时控制冷热循环管外部的水的温度为22℃，进行结晶。结晶达到固液体积比为90％后，把剩余粗镓液吸出，向冷热循环管中通入热液，使结晶镓融化，得到结晶镓液，吸出。将结晶镓液重新作为粗镓液，重复上述结晶操作5次，最终得到纯度为6N的高纯镓；继续重复结晶操作，至重复结晶9次，得到纯度为7N的高纯镓。

对比例3

将7N籽晶镓液倒入籽晶槽中，满口为止；将冷热循环管中通入冷液，使籽晶镓液凝固；将纯度为4N、温度为35℃的热粗镓液倒入结晶槽中，同时控制冷热循环管外部的水的温度为8℃，进行结晶。结晶达到固液体积比为90％后，把剩余粗镓液吸出，向冷热循环管中通入热液，使结晶镓融化，得到结晶镓液，吸出。将结晶镓液重新作为粗镓液，重复上述结晶操作4次，最终得到纯度为6N的高纯镓；继续重复结晶操作，至重复结晶8次，得到纯度为7N的高纯镓。

对比例4

将7N籽晶镓液倒入籽晶槽中，满口为止；将冷热循环管中通入冷液，使籽晶镓液凝固；将4N粗镓液倒入结晶槽中，开启过滤风机，保持风速为1.5m/s，开启控温设备，保持结晶槽内结晶温度为38℃，同时控制冷热循环管外部的水的温度为18℃，进行结晶。结晶达到固液体积比为90％后，把剩余粗镓液吸出，向冷热循环管中通入热液，使结晶镓融化，得到结晶镓液，吸出。将结晶镓液重新作为粗镓液，重复上述结晶操作5次，最终得到纯度为6N的高纯镓；继续重复结晶操作，至重复结晶9次，得到纯度为7N的高纯镓。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种镓的提纯方法，其特征在于，包括：

A)提供镓的提纯装置，包括：结晶系统和冷热循环系统；所述结晶系统包括结晶槽，控温设备和风机；所述控温设备用于控制所述结晶槽内的结晶温度；所述结晶槽底部设置有籽晶凹槽；所述冷热循环系统设置在所述结晶槽外围；所述冷热循环系统包括冷热循环管和热交换液，所述热交换液位于冷热循环管外部；

B)将籽晶镓液投入所述籽晶凹槽中，冷却所述籽晶镓液至凝固；

C)将粗镓液倒入所述结晶槽中，进行结晶，得到结晶镓；

所述结晶过程中，所述风机的风速为0.3～0.8m/s；所述控温设备的温度为28～36℃；所述热交换液的温度为20～28℃。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤C)还包括：结晶至固液体积比为70％～95％，将剩余粗镓液去除，得到结晶镓。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤C)后还包括：

向所述冷热循环管中通入热液，使所述结晶镓融化，得到结晶镓液；

将所述结晶镓液取出，重复步骤B)～C)的操作。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤C)中，所述控温设备的温度与所述热交换液的温度差为8～12℃。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤B)具体包括：将籽晶镓液投入所述籽晶凹槽中，向所述冷热循环管中通入冷液，冷却所述籽晶镓液至凝固。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤B)中，所述籽晶镓液的纯度为6～7N。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤C)中，所述粗镓液的纯度为4N。

8.一种镓的提纯装置，包括：

结晶系统和冷热循环系统；

所述结晶系统包括结晶槽，控温设备和风机；所述控温设备用于控制所述结晶槽内的结晶温度；

所述结晶槽底部设置有籽晶凹槽；

所述冷热循环系统设置在所述结晶槽外围；所述冷热循环系统包括冷热循环管和热交换液，所述热交换液位于冷热循环管外部。