DE3885776T2 - Oxidierende Lösung von Galliumarsenid und Trennung von Gallium und Arsen. - Google Patents

Oxidierende Lösung von Galliumarsenid und Trennung von Gallium und Arsen.

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Description

  • Galliumarsenid findet zusammen mit seinen Derivaten wie Galliumaluminiumarsenid in einem weiten Bereich elektronischer und optischer Anwendungen Verwendung. Während der Herstellung von Galliumarsenidvorrichtungen werden soviel wie 90% des Galliumarsenids zu Abfall. Gallium ist nicht leicht aus Primärquellen erhältlich, aber es wird in relativ kleinen Mengen als Nebenprodukt aus Aluminium-, Zink- und Phosphorarbeitsgängen hergestellt. Da Gallium teuer und relativ knapp ist, stellt Galliumarsenidabfall eine wertvolle Quelle für Gallium dar.
  • Galliumarsenid ist ein sehr stabiles Material und Verfahren zu seiner Rückgewinnung umfassen oft sehr scharfe Maßnahmen, wie Vakuumthermalzersetzung oder eine Behandlung mit sehr reaktiven Mitteln. So offenbaren Abrjutin et al., US-Patent Nr. 4,362,560 ein Vakuumthermalzersetzungsverfahren zur Behandlung verschiedener hochqualitativer Galliumarsenidabfälle und erwähnen auch verschiedene bekannte Verfahren, einschließlich einer Oxidation von Galliumarsenid unter wasserfreien Bedingungen mit Chlor. Abrjutin et al. beschreiben weiterhin eine vorbereitende hydrochemische Behandlung zur Entfernung von Verunreinigungen, einschließlich einer Behandlung mit einer wäßrigen Lösung von Salzsäure in Gegenwart eines Oxidationsmittels. Salpetersäure oder Wasserstoffperoxid sind zur Verwendung als Oxidationsmittel bevorzugt. Die Galliumarsenidplatten werden nach dieser Hydrothermalbehandlung einer Vakuumthermalzersetzung unterworfen. Bird et al., "Production of High Purity Gallium from Scrap Gallium", SME Minisymposium über "The Hydrometallurgy of The Rarer Metals", Dallas, 1982, Seiten 59-64 beschreiben verschiedene Quellen von Galliumarsenidabfall bzw. -schrott und ein Verfahren zur Herstellung hochreinen Galliums davon; das Verfahren umfaßt eine Disassoziation mittels Auslaugen in heißem Königswasser (4 HCl : 1 HNO&sub3;), und Neutralisation der Säurelösung mit NaOH zur Fällung von Ga(OH)&sub3;. Die Nebenprodukte Salzlösungen, die Säuredämpfe und NOx-Emissionen machen die Handhabung derartiger Systeme sowohl vom gesundheitlichen Standpunkt als auch vom Standpunkt hinsichtlich der Umwelt schwierig. Die gelösten Arsen- und andere Metallionen (aus Dotiermitteln und Co-Metallen etc.) verursachen ernsthafte Probleme bei der Beseitigung des Reaktionsgemisches. Bei der Produktlösung, die nur etwa 1% an Gallium enthalten kann, muß deren gesamte Säure zur Rückgewinnung von Galliumhydroxid als Galliumhydroxidfeststoff neutralisiert werden. Auch ist der Feststoff gallertartig und extrem schwer zu filtrieren. Vgl. auch Charlton et al., US-Patent 4,094,753 zur Beschreibung eines Verfahrens zur Rückgewinnung von Gallium aus Galliumverbindungen, das die Schritte aufweist: Auslaugen der Galliumverbindungen mit einem Oxidationsmittel. Bilden einer Gallatlösung und Rückgewinnen des Galliums mittels Elektrolyse.
  • Es gibt umfassende Literatur zum chemischen Ätzen verschiedener Halbleitermaterialien, z.B. Werner Kern, "Chemical Etching of Silicon, Germanium, Gallium Arsenide, and Gallium Phosphide", RCA Review, Band 39, Juni 1978, Seiten 268-309, der bei der Diskussion allgemeiner Ätzmechanismen von Halbleitern angibt, daß diese typischerweise Oxidations-, Reduktions-Reaktionen umfassen, gefolgt von einer Auflösung der Oxidationsprodukte, häufig durch Komplexbildung. Im Falle von Silicium und Germanium ist das Oxidationsmittel häufig HNO&sub3; und der Komplexbildner ist HF. NaOH-H&sub2;O&sub2;- und H&sub2;SO&sub4;-H&sub2;O&sub2;-H&sub2;O-Lösungen sind unter den am gebräuchlichsten angewendeten Ätzmitteln für GaAs aufgeführt. "The Electrochemistry of Semiconductors", herausgegeben von P.J. Holmes, Academic Press, London und New York (1962), Seiten 367-375, besitzt einen Abschnitt zu "Etchants for the More Important Semiconductors" (Ätzmittel für die wichtigeren Halbleiter), und führt auf Seite 372 eine NaOH- und H&sub2;O&sub2;-Lösung und eine HCl-, HNO&sub3;- und H&sub2;O-Lösung unter denen für Galliumarsenid auf. Ein Rezept zum chemischen Polieren von Indiumtellurid umfaßt Br&sub2; und Essigsäure gesättigt mit Citronensäure. Ein Citronensäure-Wasserstoffperoxid-Wasser-System zum bevorzugten Ätzen von GaAs wird durch Otsubo et al., J. Electrochem. Soc., 125 (5), Seiten 676-680 beschrieben.
  • Einige Hydroxamsäuren sind in der Technik zu Extraktionszwecken verwendet worden. US-Patent 3,821,351, erteilt am 28. Juni 1974, M.F. Lucid, offenbart bestimmte N-substituierte Hydroxamsäuren, die als Extraktionsmittel für die Rückgewinnung von Kupfer, Molybdän, Uran, Eisen und Vanadium brauchbar sind. US-Patent 3,971,843, erteilt am 27. Juli 1976, J. Helgorsky et al., offenbart ein Lösungsmittelextraktionsverfahren, das verschiedene substituierte Hydroxyquinoline zur Rückgewinnung von Gallium aus wäßrigen alkalischen Lösungen einsetzt.
  • Xiang et al. beschreiben in Acta Metallurgica Sinica 18 (2), 221 (1982), die Verwendung einer bestimmten undefinierten Fetthydroxamsäure zur Rückgewinnung von Gallium aus wäßrigen Säurelösungen.
  • Iwaya, Japanisches Patent No. SHO60 (1985) 245736, Anmeldenummer Sho. 59(1984)-101504, veröffentlicht am 5. Dezember 1985, offenbart ein Verfahren zur Rückgewinming von Gallium unter Verwendung von Hydroxamsäuren, die mit -C(O)NHOH-Gruppen beschrieben werden, aus hochbasischen wäßrigen Natriumaluminatlösungen.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist insbesondere auf die Rückgewinnung von Gallium aus Galliumarsenid mittels eines eine Oxidation umfassenden Verfahrens und die Abtrennung von Gallium von Arsen gerichtet.
  • Wir haben nun ein Verfahren gefunden, das so ausgelegt werden kann, daß GaAs leicht unter Verwendung mild reaktiver Reagentien aufgelöst wird, und daß Gallium und Arsen getrennt werden ohne die Notwendigkeit einer Verwendung großer Mengen an Neutralisationsmitteln und mit minimalen (theoretisch Null) Emissionen gefährlicher Chemikalien in die Umgebung. Das Verfahren kann schädliche NOx-Emissionen vermeiden und eine Regeneration des Auflösungsmittels zur Wiederverwendung vorsehen.
  • Diese Erfindung stellt Verfahren zum Dissoziieren von Galliumarsenid bereit, die gekennzeichnet sind durch Inberührungbringen teilchenförmigen Galliumarsenids mit einem ein Oxidationsmittel enthaltenden, wäßrigen Medium, zur Bereitstellung von Arsenoxid und Galliumionen. Das wäßrige, Galliumionen-enthaltende Medium wird dann in Berührung gebracht mit einem mit Wasser nichtmischbaren organischen Lösungsmittel enthaltend eine Hydroxamsäure mit sehr niedriger Löslichkeit in dem wäßrigen Medium zum Extrahieren von Gallium in das organische Lösungsmittel als Komplex von Gallium und Hydroxamsäure. Bei derartigen Verfahren wird das Oxidationsmittel vorzugsweise aus Chlor, Brom, Iod Salpetersäure und Peroxid ausgewählt, und bei der Hydroxamsäure handelt es sich vorzugsweise um eine N-Alkylhydroxamsäure. Gallium wird bevorzugt rückgewonnen durch Abtrennen des organischen, den Komplex von Gallium und Hydroxamsäure enthaltenden Lösungsmittels aus dem wäßrigen Medium und Abstreifen oder Strippen des Galliums aus dem Komplex bei einem Ph von weniger als 0,5 oder größer als 11. Bei den Verfahren dieser Erfindung handelt es sich bei den Arsenoxiden vorzugsweise um wasserlösliche, d.h. arsenige Säure, Arsensäure oder deren Salze oder Gemische davon. Unter einem bevorzugten Aspekt der Erfindung enthält das wäßrige Medium auch ein Phosphorverbindungskomplexiermittel, das aus polybasischen Phosphaten und Phosphonaten mit zwei oder mehr Phosphonatgruppen ausgewählt wird.
  • Ein anderer Aspekt dieser Erfindung sieht neue Zwei-Phasen-Flüssiggemische vor, die aufweisen (a) ein wäßriges Medium enthaltend teilchenförmiges Galliumarsenid und ein Oxidationsmittel zur Bereitstellung von Arsenoxiden und Galliumionen in dem wäßrigen Medium, und (b) ein mit Wasser nichtmischbares organisches Lösungsmittel enthaltend eine Hydroxamsäure mit sehr niedriger Löslichkeit in dem wäßrigen Medium, zur Extraktion von Gallium in das organische Lösungsmittel als Komplex von Gallium und Hydroxamsäure. In einem bevorzugten Gemisch handelt es sich bei der Hydroxamsäure um eine N-Alkylhydroxamsäure.
  • Unter den Hydroxamsäuren sind die N-Organohydroxamsäuren eine besonders nützliche Klasse. Die N-Organohydroxamsäuren sind sehr wirksam in Verbindung mit Oxidationsmitteln, um eine Reaktion von Galliumarsenid unter Umwandlung in lösliche Bestandteile herbeizuführen. Zusätzlich können die N-Organohydroxamsäuren so gewählt werden, daß sie wasserunlöslich sind, so daß sich das mit Hydroxamsäure chelatgebundene Gallium leicht von den wäßrigen bei der Oxidation von Galliumarsenid verwendeten Medien, und von den Arsensäuren trennt, die im wäßrigen Medium (zurück)bleiben. Somit ist es besonders vorteilhaft, N-Organohydroxamsäuren zu verwenden, die in organischen Lösungsmitteln löslich sind, aber eine sehr geringe Löslichkeit in dem wäßrigen Medium haben, insbesondere welche in Wasser unlöslich sind. Derartige im wesentlichen wasserunlösliche Hydroxamsäuren besitzen allgemein mindestens 8 Kohlenstoffatome und können durch die Formel R&sub1;C(O)N(OH)R&sub2; dargestellt werden. in der R&sub1; und R&sub2; Organogruppen sind oder R&sub1; Wasserstoff ist, und besitzen insgesamt mindestens 8 Kohlenstoffatome und vorzugsweise nicht mehr als 40 Kohlenstoftatome. R&sub1; und R&sub2; sind vorzugsweise Alkylgruppen wie in N-Alkylalkanhydroxamsäuren, können jedoch aromatische, Halogen- oder andere Gruppen enthalten, vorausgesetzt, daß die Verbindungen wasserunlöslich sind und die Gruppen nicht übermäßig die Funktionalität als Extraktionsmittel für Gallium beeinträchtigen. Beispiele von R&sub1; und R&sub2; umfassen lineare, verzweigte oder cycloaliphatische Gruppen, obwohl im Fall derartiger Cycloalkylgruppen, wie Cyclohexyl, darauf geachtet werden muß daß genügend hydrophobe Gruppen zur Bereitstellung der erwünschten Wasserunlöslichkeit vorliegen. Die Hydroxamsäuren und ihre Galliumkomplexe müssen eine geeignete Löslichkeit in organischen Medien besitzen. Die hierin verwendeten Extraktionsmittel besitzen auch eine hohe Löslichkeit in Kerosin und anderen im wesentlichen aliphatischen Erdöldestillaten. R&sub2; stellt häufig ein niederes Alkyl dar, insbesondere von 1 bis 3 Kohlenstoffatomen oder die Methylgruppe. R&sub1; kann auch zusätzliche N-Organohydroxamsäuregruppen besitzen, wie in Strukturen. wobei R&sub1; -(CHR&sub3;CH(R&sub4;)C(O)N(OH)R&sub5;) darstellt, die durch Dihydroxamsäuren von Succinylverbindungen veranschaulicht werden; in derartigen Verbindungen ist mindestens eines von R&sub3; und R&sub4; ein Organoradikal und das andere ist Wasserstoff, und R&sub5; ist ein Organoradikal, und die R&sub3;- R&sub4;- und R&sub5;- Organoradikale besitzen oft eine Gesamtkohlenstoffanzahl größer als 8 und sind bevorzugt Alkylradikale, die aus den Typen von Gruppen, die hierin oben beschrieben oder illustriert oder veranschaulicht wurden mit Bezug auf R&sub1; und R&sub2;, ausgewählt sind. Eine besondere Klasse von brauchbaren N-Organohydroxamsäuren wird durch die Formel CH&sub3;(CH&sub2;)mC(O)N(OH)(CH&sub2;)n CH&sub3; dargestellt, wobei m eine ganze Zahl von 6 bis 16 ist, und n eine ganze Zahl von 0 bis 6 ist. Derartige N-Organohydroxamsäuren, insbesondere durch N-Alkylalkanhydroxamsäuren veranschaulicht, die chelatbildende Extraktionsmittel sind, extrahieren Gallium reversibel über einen weiten Bereich von Bedingungen, wie in der Europäischen Patentanmeldung 87 870 166.3, James P. Coleman, Bruce F. Monzk und Charles R. Graham, eingereicht am 3. Dezember 1987, offenbart und beschrieben.
  • Diese Klasse von N-Organohydroxamsäuren, die insbesondere durch N- Alkylalkanhydroxamsäuren veranschaulicht wird, die chelatbildende Extraktionsmittel sind, extrahieren Gallium(III) reversibel über einen weiten Bereich von pH-Bedingungen. Es kommt vor, daß Gallium(III) in wäßriger Lösung in einer Anzahi verschiedener Hydroxidkomplexe existiert, deren relative Menge vom pH abhängt. Das Ga³&spplus;-Salz ist die vorherrschende Form unterhalb pH 2, aber sein Anteil sinkt rasch zwischen pH 2 und pH 4, während die Fraktion an Ga(OH)²&spplus; auf etwa 50% bei pH 3 steigt und dann auf nahe Null bei pH 5 sinkt das Ga(OH)&sub2;&spplus; wird oberhalb von pH 2 augenscheinlich, steigt auf etwa 65% bei pH 4 und sinkt dann bei pH 6; Ga(OH)&sub3; wird augenscheinlich bei pH 3, steigt auf fast 60% bei etwas oberhalb von pH 5 und sinkt dann auf nahe Null bei pH 7; Ga(OH)&sub4;&supmin; erscheint bei etwa pH 4 und wird die vorherrschende Form oberhalb von pH 7. Da die Trihydroxyspecies Ga(OH)&sub3; praktisch unlöslich in Wasser ist und im pH-Bereich von 3 bis 7 gebildet wird, ist daher eine natürliche Beschränkung für den pH von kommerziellen Gallium-haltigen Lösungen gegeben, die nicht löslich machende Chelatbildner verwenden.
  • Bei den hierin beschriebenen N-Alkylalkanhydroxamsäuren wurde gezeigt, daß sie Gallium(III) aus wäßriger Lösung schnell und selektiv im pH- Bereich von 0,5 bis 11 extrahieren und schnell von Gallium(III) mittels wäßriger Lösungen mit einem pH außerhalb dieses Bereichs abgestreift werden. Dieser pH-Bereich für eine Gallium(III)-Extraktion, gekoppelt mit zwei pH-Bereichen für Gallium(III)-Abstreifung, nämlich niedriger als 0,5 oder höher als 11, erlaubt die Verwendung dieser N-Alkylalkanhydroxamsäuren in einem Verfahren zur Gallium(III)-Extraktion aus entweder sauren oder alkalischen (Aus-)Laugelösungen und anschließende Rückgewinnung des Gallium(III) über Abstreifen mit entweder starker Säure oder starker Base. Tatsächlich gibt es allgemein etwas Überlappung bei den Extraktions- und Abstreifbedingungen, und ein Abstreifen kann, z.B. bei pH-Werten von etwa 11 oder 11,5 oder darüber durchgeführt werden. Jedoch wird die Wirksamkeit dadurch beeinflußt, daß eine Extraktion, z.B. eine niedrige Wirksamkeit unter Bedingungen besitzt, bei denen ein großer Anteil des Ga in der wäßrigen Phase verteilt ist. Bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung kann die Reaktion mit Galliumarsenid in Gegenwart von N-Organohydroxamsäure und einem wäßrigen Medium durchgeführt werden, und der pH kann anschließend vor einem Trennen der Phasen eingestellt werden, und die Phasentrennung kann vorteilhafterweise unter den wirksamsten Extraktionsbedingungen durchgeführt werden, wobei diejenigen, die hierin beschrieben sind, besonders geeignet sind. Das Abstreifen kann unter Bedingungen durchgeführt werden, die allgemein zum Abstreifen von Gallium aus Gallium- Hydroxamsäure-Chelaten in einer organischen Phase anwendbar sind.
  • Geeignete Lösungsmittel umfassen aliphatische und aromatische Kohlenwasserstoffe, z.B. Kerosin, Hexan, Toluol, Methylenchlorid, Chloroform, Kohlenstofftetrachlorid, Xylol, Benzin, Cyclohexan, Chevron Ionenaustauschlösungsmittel, Kermac 470-B. Solvesso 100 und ähnliches. Kerosin und andere niedrigviskose Erdöldestillate mit hohem Flammpunkt sind bevorzugt.
  • Für die N-H-Hydroxamsäuren geeignete Lösungsmittel umfassen Lösungsmittel von mittlerer Polarität, z.B. n-Butanol, 2-Ethylhexanol, flüssige Alkohole von etwa 4 bis 10 Kohlenstoffatomen, Methylenchlorid, etc. Auch verschiedene aromatische Kohlenwasserstoff- und Halogenkohlenwasserstofflösungsmittel, deren Verwendung mit Hydroxamsäuren in Extraktionsverfahren, z.B. Benzol, Toluol, Xylol oder Chloroform beschrieben wurde. Aliphatische Kohlenwasserstofflösungsmittel können in dem Ausmäß verwendet werden, in dem sie in der Lage sind die speziellen verwendeten N-H-Hydroxamsäuren, insbesondere diejenigen von verzweigter Struktur, aufzulösen. Im Fall von polaren Lösungsmitteln gibt es ein Potential für einen oxidativen Angriff durch das Oxidationsmittel auf das Lösungsmittel, und dies sollte berücksichtigt werden. Um einen Lösungsmittelabbau zu minimieren, kann es ratsam sein, oxidationsresistente polare Lösungsmittel, wie tertiär-Butylalkohol oder Tributylphosphat auszuwählen oder die Oxidationstemperatur so niedrig wie praktisch anwendbar zu halten.
  • Wenn eine flüssige Hydroxamsäureverbindung verwendet wird, kann sie rein als die organische Phase bei der Oxidations-Auflösungs-Reaktion und der anschließenden Extraktions-Trennung verwendet werden. Jedoch ist es oft bevorzugt ein organisches Lösungsmittel mit einer flüssigen Hydroxamsäure als Streckmittel zu verwenden, oder um die Viskosität zu senken oder die Absorption oder resultierende Verluste der Hydroxamsäure zu vermindern, oder die Phasentrennung zu fördern, und die organische Phase umfaßt oft ein flüssiges Kohlenwasserstofflösungsmittel mit der flüssigen Hydroxamsäure.
  • Ebenfalls kann im Fall hochverzweigter N-H-Hydroxamsäuren, die flüssig vorkommen, die Hydroxamsäure bei der GaAs-Oxidation ohne irgendein Lösungsmittel verwendet werden, und zwar in einer Weise, die gleich der Verwendung von flüssigen organischen N-Organohydroxamsäuren ist wie hierin beschrieben. Im allgemeinen können die N-H-Hydroxamsäuren, wenn sie in einer Flüssigkeit enthalten sind in Verfahren verwendet werden, die gleich denen sind, die hierin für N-Organohydroxamsäuren beschrieben wurden, wobei die wasserunlöslichen N-H-Hydroxamsäuren ähnliche Resultate wie jene mit wasserunlöslichen N-Organohydroxamsäuren ergeben. Auch ist die Verwendung von mit Wasser nichtmischbaren Lösungsmitteln mit wasserunlöslichen N-H-Hydroxamsäuren vorteilhaft zur Förderung der Abtrennung der resultierenden Galliumchelate aus wäßrigen Reaktionsmedien in einer Weise, die ähnlich vorteilhaft wie mit wasserunlöslichen N-Organohydroxamsäuren derartiger Lösungsmittel (oder der reinen N-Organohydroxamsäuren) ist. Weitere Extraktions- und Abstreifverfahren zur Rückgewinnung und Reinigung von Gallium können im allgemeinen mit den N-H-Hydroxamsäuren gemäß den hierin für N- Organohydroxamsäuren beschriebenen Verfahren durchgeführt werden, wobei man erkennt, daß geeignete organische Lösungsmittel mit ausreichender Befähigung zum Auflösen der N-H-Hydroxamsäuren ausgewählt werden sollten. Somit ist bei den verschiedenen Anwendungen für die Hydroxamsäuren, die hierin durch N-Alkyl- oder N-Organohydroxamsäuren veranschaulicht werden, zu erkennen, daß im allgemeinen N-H-Hydroxamsäuren mit möglicherweise etwas Modifikation bezüglich Lösungsmittelverwendung oder -auswahl ersetzt werden können.
  • Wenn gleich die N-H-Hydroxamsäuren sehr wirksam in Kombination mit Oxidationsmitteln zur Herbeiführung der Dissoziation und Auflösung von GaAs sein können, ist die Verwendung von N-Organohydroxamsäuren wegen verschiedener Vorteile stark bevorzugt, einschließlich weniger oxidativer Abbau, größerer hydrolytischer Stabilität, niedrigerer Viskosität und leichterer Abstreifbarkeit von Gallium aus dem Chelat.
  • Während N-H-Hydroxamsäuren gewisse Nachteile besitzen, wie hierin diskutiert wird, sind sie bei der vorliegenden Erfindung brauchbar. Jedoch neigen derartige Verbindungen dazu. Feststoffe zu sein, und es ist notwendig, sie in flüssiger Form vorliegen zu haben, wie in Lösung oder seiner anderen flüssigen Phase, damit sie signifikant wirksam bei der vorliegenden Erfindung sind. N-H-Hydroxamsäuren mit bis zu sechs Kohlenstoffatomen sind wasserlöslich, obwohl sie im wesentlichen unlöslich in aliphatischen Kohlenwasserstofflösungsmitteln sind. Hydroxamsäuren, insbesondere geradkettige Hydroxamsäuren, mit mehr als sechs Kohlenstoffatomen neigen dazu, wasserunlöslich zu sein, aber sie können in Lösungsmitteln aufgelöst werden zur Anwendung in Kombination mit Oxidationsmitteln zum Disassoziieren und Auflösen von GaAs. Mit Wasser nichtmischbare Lösungsmittel werden hierin verwendet, da die Lösungsmittelphase mit den Galliumchelaten leicht von einer wäßrigen Phase abgetrennt werden kann, die die Arsenverbindungen auflöst.
  • Unter den verschiedenen, in der vorliegenden Erfindung brauchbaren Hydroxamsäuren sind z.B. N-Methylnonanhydroxamsäure, N-Methyl-naphthenhydroxamsäure, N-Methyl-2-hexyl-decanhydroxamsäure, N-Methyl-stearohydroxamsäure, N-Methyl-isostearohydroxamsäure, N-Methyl-neotridecanhydroxamsäure, N-Isopropyl-decanhydroxamsäure, N-Hexyldecanhydroxamsäure, N-(1-Nonyldecyl)-cyclohexanhydroxamsäure, N-Ethyl-naphthenhydroxamsäure, N-Methyl-neodecanhydroxamsäure, N-Phenyl-naphthenhydroxamsäure, N-Methyl-4-decylbenzohydroxamsäure, N-n-Propyl-naphthenhydroxamsäure, N,N'-Dimethyl-n-decylsuccinodihydroxamsäure. Die Wirksamkeiten der Hydroxamsäure variieren etwas, und die wasserlöslicheren Hydroxamsäuren trennen sich leichter vom wäßrigen Reaktionsprodukt ab. Jedoch werden diejenigen Hydroxamsäuren, die sehr niedrige Löslichkeit in dem wäßrigen Medium besitzen und leicht wasserlöslich sind oder sogar beträchtlich wasserlöslich sind, vom wäßrigen Medium mittels organischer Lösungsmittelextraktion abgetrennt wenn sie etwas Öllöslichkeit besitzen, wie es z.B. für N-Methyl-pentanhydroxamsäure der Fall ist.
  • Verschiedene N-H-Hydroxamsäuren sind zur Verwendung hierin geeignet sund repräsentative Verbindungen können insgesamt bis etwa 30 Kohlenstoffatome besitzen, wobei diejenigen mit etwa 7 oder mehr Kohlenstoffatomen wasserunlöslich sind. Beispiele geeigneter N-H-Hydroxamsäuren umfassen Naphthenhydroxamsäure, Nonanhydroxamsäure, Decanhydroxamsäure, Stearohydroxamsäure, Neotridecanhydroxamsäure und Modifikationen der verschiedenen, hierin offenbarten N-Organohydroxamsäuren, wobei jedoch die N-Alkyl- oder eine andere N-Organogruppe durch einen Wasserstoffsubstituenten ersetzt ist. Ähnlich kann bei den repräsentativen Formeln für Hydroxamsäuren, die hierin offenbart sind, der N-Organosubstituent durch einen Wasserstoffsubstituenten ersetzt werden, wie in R&sub1;C(O)N(OH)R&sub2;, wobei R&sub2; Wasserstoff wird, und R&sub1; mindestens 8 Kohlenstoffatome für wasserunlösliche Hydroxamsäuren besitzt.
  • Allgemein liegen die Hydroxamsäuren in der organischen Phase in einer Menge von mindestens 2 Gew-% vor. Vorzugsweise liegen die N-Alkylalkanohydroxamsäuren in der Menge von 2 bis 40 Gew-%, bevorzugter von 10 bis 35 Gew.-% vor, bezogen auf die gesamte organische Phase. Die Viskosität und/oder die Löslichkeit dient zum Fixieren der oberen Grenze des Gehalts an der Hydroxanisäure, was von der Struktur der verwendeten Verbindung abhängt. Normalerweise wird eine Menge von über 20 Gew.-% eingesetzt, obwohl so hohe Mengen wie 60% funktionell sein können. Bestimmte Strukturen, z.B. N-Methyl-isostearohydroxamsäure, besitzen eine ausreichend niedrige Viskosität, so daß sie rein verwendet werden können, d.h. ohne ein Lösungsmittel. Wo hohe Konzentrationen an komplexierenden Salzen, wie Phosphate, vorliegen, fällt die Extraktionsmittelwirksamkeit bei Extraktionsmittelkonzentrationen von weniger als 10% ab; während eine wirksame Extraktion bei sogar 2 bis 5% Konzentration in Abwesenheit von komplexierenden Salzen erzielt wird. Bei N-Alkylnaphthen-HA's sind etwa 20% bevorzugt, da höhere Konzentrationen dazu neigen, eine hohe Viskosität zu haben.
  • Verfahren zur Darstellung der N-Alkylalkanhydroxamsäuren sind bekannt. Derartige Verbindungen können durch die Umsetzung eines N-Alkylhydroxyamins mit einem Carbonsäurechlorid dargestellt werden.
  • Die hierin verwendeten N-Organohydroxamsäuren können im allgemeinen durch Umsetzung von N-substituierten Hydroxylaminen mit Carbonsäurechloriden dargestellt werden. Die Umsetzung kann durch Zugeben des Carbonsäurechlorids gleichzeitig mit einer Base, wie wäßriger NaOH, zu einer Lösung des N-Alkylhydroxylamins in einem organischen Lösungsmittel bewirkt werden. Das Produkt wird durch gründliches Waschen mit Wasser zur Entfernung von Nebenproduktsalzen gereinigt.
  • Es ist erwünscht, daß die Hydroxamsäure, insbesondere die N-Organohydroxamsäure, eine niedrige Löslichkeit in Wasser besitzt, um eine schnelle Abtrennung des chelatgebundenen Galliums vom wäßrigen Oxidationsmedium zu bewirken. In Tabelle 1 sind die wäßrigen Löslichkeiten einer Anzahl von in der vorliegenden Erfindung brauchbaren Hydroxamsäure berichtet. TABELLE 1 WÄSSRIGE LÖSLICHKEITEN VON N-ALKYLALKAN- UND N-H-HYDROXAMSÄUREN EXTRAKTIONSMITTEL LÖSLICHKEIT (25ºC) Molarität Versatohydroxamsäure (nicht N-Alkyl) Neotridecanhydroxamsäure (nicht N-Alkyl) N-Methyldecanhydroxamsäure N-Methylhexadecanhydroxamsäure N-Isopropyldecanhydroxamsäure N-Hexyldecanhydroxamsäure N-(1-Nonyldecyl)-cyclohexanhydroxamsäure N-Methylnonanhydroxamsäure
  • Man erkennt, daß die meisten der N-Alkylhydroxamsäuren sehr niedrige Löslichkeiten in wäßrigen Medien besitzen, wobei die Löslichkeit dazu neigt, mit abnehmender Anzahl an Kohlenstoffatomen in den Hydroxamsäuren zuzunehmen. Die N-Methylnonanhydroxamsäure besitzt eine relativ hohe wäßrige Löslichkeit; jedoch ist ihre Löslichkeit in einem typischen Phosphatgestein-Behandlungsstaub-Auszug bzw. -Ausgelaugtem (enthaltend hohe Konzentrationen an Al, Zn, Fe, Phosphat und anderen Ionen) deutlich niedriger, wobei sie 20 ppm (1,07 x 10&supmin;&sup4; Molarität) beträgt. Diese merkliche aber beschränkte Löslichkeit scheint verantwortlich zu sein für die Wirksamkeit der N-Methylnonanhydroxamsäure beim Extrahieren von Ga aus derartigen Auszügen und zwar bezüglich sowohl der Rate als auch des Ausmaßes der Extraktion, verglichen mit N-Alkylhydroxamsäuren höherer Kohlenstoffanzahl. Damit die Extraktion abläuft, ist es notwendig, daß das Extraktionsmittel eine leichte Löslichkeit in dem wäßrigen Ga-haltigen Medium besitzt.
  • Eine sehr kleine Wasserlöslichkeit ist im allgemeinen eine nützliche Eigenschaft von Extraktionsmitteln, und sie ist brauchbar bei der vorliegenden Erfindung, um eine Abtrennung vom wäßrigen Oxidationsmedium zu bewirken. Jedoch umfaßt die Erfindung augenscheinlich eine Extraktion des Galliums aus wäßrigen Medien, so daß es wesentlich ist, daß die Extraktionsmittel eine beschränkte Löslichkeit in derartigen Medien besitzen; aber es ist allgemein erwünscht, daß die Hydroxamsäurelöslichkeit in der wäßrigen Reaktionsphase nicht 300 ppm übersteigt. Die Löslichkeit variiert etwas mit der Konzentration an Metallsalzen in dem wäßrigen Medium wegen eines Aussalzeffektes. Zur Verbesserung der Löslichkeit des Extraktionsmittels in einer wäßrigen metallhaltigen Phase können N-Alkylhydroxamsäuren ausgewählt werden, die eine Zahl von Kohlenstoffatomen am unteren Ende eines Bereichs von 8 bis 20 Kohlenstoffatomen besitzen. Dennoch besitzen derartige Extraktionsmittel eine geringe Löslichkeit in Wasser, allgemein weniger als 0,1% und sie sind im wesentlichen wasserunlöslich.
  • Es ist weiter allgemein erwünscht, daß das wasserunlösliche Extraktionsmittel eine hohe Löslichkeit in organischen Medien besitzt, vorzugsweise einschließlich einer hohen Löslichkeit in aliphatischen Kohlenwasserstoffen, und die Extraktionsmittel sollten eine ausreichend hohe Anzahl an Kohlenstoffatomen besitzen, um eine derartige Löslichkeit sicherzustellen. Es ist weiter erwünscht, daß das wasserunlösliche Extraktionsmittel ein hohes Löslichkeitsverhältnis besitzt bezüglich der relativen Löslichkeit in einem verwendeten organischen Medium verglichen mit einem wäßrigen Medium, wie durch Verteilungsverhältnisse von organisch : wäßrig von > 10:1, und vorzugsweise > 20:1 und oft > 100:1 ausgedrückt wird.
  • Es kann angenommen werden, daß wasserlösliche Hydroxamsäuren in höherer Konzentration an der Oxidationsstelle eines wäßrigen Oxidationsmittels vorliegen könnten, aber die wasserunlöslichen N-Organohydroxamsäuren scheinen sehr wirksam zu sein zur Bereitstellung von Bedingungen für eine Oxidation von Galliumarsenid. Jedoch ist es möglich, eine N- Organohydroxamsäure von beschränktem hydrophobem Charakter zu verwenden, z.B. mit insgesamt 5 bis 7 Kohlenstoffatomen und begrenzter Wasserlöslichkeit, aber noch guter Öl- oder organischer Löslichkeit. Nach Verwendung derartiger Verbindungen bei einer Oxidation zur Bildung eines Chelates mit Gallium, kann das Chelat in organischen Medien extrahiert werden mittels Inberührungbringen der Reaktionsproduktlösung mit hohen Volumina an Kohlenwasserstofflösungsmittel, verglichen mit dem Volumen an Reaktionsproduktlösung.
  • Das Ausmaß der Hydrolyse einiger Hydroxamsäuren, die in einigen Galliumextraktions-, Wasch- und Abstreifarbeitsschritten verwendet wurden, wurde mittels spektrophotographischer Analyse der Lösung nach Beendigung der Arbeitsschritte bestimmt, mit Ergebnissen, wie in Tabelle 2 berichtet. TABELLE 2 Extraktionsmittel % Zersetzung N-H-Naphthenhydroxamsäure N-Methyl-naphthenhydroxamsäure N-Ethyl-naphthenhydroxamsäure N-Propyl-naphthenhydroxamsäure
  • Die Ergebnisse zeigen, daß die unsubstituierte Hydroxamsäure eine sehr hohe Zersetzung zeigte, 45%, während die N-Alkyl-substituierten Hydroxamsäuren sehr wenig Zersetzung zeigten. wobei die kleinen Varianzen von einer Null-Zersetzung (darüber oder darunter) innerhalb des Fehlerbereichs der Analyse liegen. Die Arbeitsschritte bzw. die Verfahren und weitere Informationen zur hydrolytischen Stabilität der N-Alkylhydroxamsäuren sind in der zuvor genannten Europäischen Anmeldung 87 870 166.3 berichtet. Die hydrolytische Stabilität der N-Alkylhydroxamsäuren ist ein Vorteil für ihre Verwendung in der vorliegenden Erfindung.
  • Die hierin verwendeten N-organosubstituierten Hydroxamsäuren besitzen verschiedene Vorteile als Extraktionsmittel gegenüber hervorragenden kommerziell erhältlichen oder in Entwicklung befindlichen Extraktionsmitteln, von denen viele eine begrenzte Anwendung besitzen. die eine Galliumextraktion nicht umfaßt. Während eine Betrachtung von mehr als einem Dutzend derartiger Typen von vorbekannten Mitteln anzeigt, daß einige von ihnen eine beträchtliche Anzahl der folgenden aufgelisteten Eigenschaften besitzen, besitzt keines von ihnen alle erwünschten Eigenschaften und selbst den vorbekannten N-H-Hydroxamsäuren mangelt es an manchen der erwünschten Eigenschaften. Die erwünschten Eigenschaften der N-Alkylhydroxamsäuren umfassen hohe Löslichkeit nicht nur in aromatischen Lösungsmitteln, sondern auch in Kerosin und anderen aliphatischen Lösungsmitteln, wodurch die Notwendigkeit für allgemein teuere aromatische Lösungsmittel vermieden wird; niedrige wäßrige Löslichkeit; hohe hydrolytische Stabilität; und eine hohe Stabilitätskonstante; Selektivität bezüglich Metallen; einen weiten Arbeits-pH-Bereich einschließlich Brauchbarkeit sowohl für Säure- als auch basische Abstreifmittel; schnelle Abstreifkinetiken; hohe Metallbeladung; schwachen Säurecharakter; Chelatbildungsmechanismus; labile Komplexe mit normal Substitutions-inerten Metallen; reversible Co-Extraktion; Umweltverträglichkeit und niedrige Toxizität; Modifizierung der Arbeitsweise durch Strukturmodifizierung; relativ niedrige Kosten: keine Säure- oder Ammoniakbeladung; Fehlen von Oberflächeneigenschaften, einschließlich Fehlen derartiger Eigenschaften von potentiellen Hydrolyseprodukten besonderer Klassen: keine Anionenübertragung; keine Beeinträchtigung durch Ca²&spplus;- Ionen; und keinen Bedarf zur Verwendung von Salzsäure.
  • Die organische Phase kann auch Modifizierer enthalten, bei denen es sich um langkettige aliphatische Alkohole handeln kann, wie Isodecanol oder Phosphatester, z.B. Tributylphosphat. Modifizierer dienen zur Verhinderung der Bildung einer dritten Phase, helfen bei der Phasenloslösung bzw. -trennung und/oder erhöhen die Extraktionsmittellöslichkeit in dem Kohlenwasserstofflösungsmittel. Wenn ein Modifizierer verwendet wird, kann er in Mengen von 0,5% bis 50% oder größer, bezogen auf das Volumen des Kohlenwasserstofflösungsmittels, bevorzugt etwa 5% verwendet werden. Bestimmte besondere Typen von Modifizierer, die hierin als Co-Extraktionsmittel bezeichnet werden, dienen zur Verbesserung der Wirksamkeit oder Geschwindigkeit der Extraktionen, wie hierin weiter beschrieben wird.
  • Bei der Durchführung des Extraktionsabschnittes dieser Erfindung wird die Gallium-haltige wäßrige Lösung diskontinuierlich oder kontinuierlich mit dem Extraktionsmittellösungsmittel, das mindestens 2 Gew-% der N- Organohydroxamsäure enthält, in Berührung gebracht. Die Gallium- und Arsenwerte können durch einfaches Trennen der organischen und wäßrigen Phasen nach der Oxidations-Auflösungs-Reaktion getrennt werden. Jedoch kann, wenn erwünscht, der Grad der Extraktion und die Vollständigkeit der Trennung durch zusätzliche Kontakte oder Extraktionsstufen oder andere vorteilhafte Extraktionsarbeitsschritte wie hierin beschrieben verbessert werden. Die wäßrige Gallium-haltige Eintragslösung kann zur Bereitstellung eines Gleichgewichts-pH-Wertes in einem geeigneten Bereich eingestellt werden , der von dem speziellen, verwendeten Hydroxamsäureextraktionsmittel und vom Typ der zu extrahierenden Laugelösung abhängt. Das Volumenverhältnis von wäßriger Phase zu organischer Phase kann so gewählt werden, um am wirksamsten das Gallium aus der wäßrigen Phase zu entfernen, ohne daß unmäßige Volumina an Materialien benötigt werden. Volumenverhältnisse von wäßriger Phase zu organischer Phase von 1:20 bis 20:1 werden für wirksam gehalten, obwohl sich andere Verhältnisse als wirksam erweisen können, in Abhängigkeit von den spezifischen Eigenschaften des Lösungsmittelextraktionsmittels und der Gallium-haltigen, eingesetzten wäßrigen Lösung. Ein Phasenkontakt kann unter Verwendung von z.B. Rührtanks oder Mixer-Settler erzielt werden. In dem Mixer bzw. Mischer wird eine Phase innerhalb der anderen mittels Rühren oder irgendwelcher anderen geeigneten Einrichtungen zum Rühren dispergiert. Das Extraktionsmittel bildet einen Komplex mit dem Gallium innerhalb der organischen Phase des Zwei-Phasen-Flüssiggemisches. Die Dispersion fließt dann zum Settler, wo eine Phasentrennung unter ruhenden Bedingungen stattfindet. Allgemein kann die Extraktion bei einer Temperatur im Bereich von 0ºC bis 90ºC oder höher ausgeführt werden, vorzugsweise im Bereich von 35ºC bis 70ºC. Temperaturen von 50 bis 60ºC sind am meisten bevorzugt.
  • Es kann erwünscht sein, die Gallium-beladene organische Phase zur Entfernung von co-extrahierten Metallionen und mitgerissener wäßriger Phase zu reinigen bzw. zu waschen, um die gewünschte Reinheit in Abhängigkeit von der speziellen Gallium-haltigen, verwendeten wäßrigen Eintragslösung zu erzielen. Dies wird durch Waschen des Gallium-haltigen Lösungsmittels mit Wasser, wäßrigem Ammoniak, verdünnter Säure und/oder einer wäßrigen Lösung eines Galliumsalzes erzielt.
  • Die aus der wäßrigen Reaktionslösung in die organische Phase extrahierten Galliumwerte können aus der beladenen organischen Phase ohne Zersetzung der Hydroxamsäure abgestreift werden mittels Inberührungbringen eines Volumenteils davon von 0,5 - 10 Volumenteile, bevorzugt 0,5 - 2,0 Volumenteile, von einer wäßrigen Lösung bei 0 - 80ºC, vorzugsweise 15ºC - 60ºC. Bei der für das Abstreifen der beladenen organischen Phase verwendeten wäßrigen Lösung kann es sich um eine Mineralsäure-, Ätz- oder Ammoniaklösung handeln. Geeignete Mineralsäuren umfassen Schwefel-, Salz-, Fluorwasserstoff-, Salpetersäure und ähnliches. Die bevorzugte Mineralsäurelösung ist Schwefelsäure, enthaltend 10-400 g Schwefelsäure pro kg Lösung, vorzugsweise 100-300 g pro kg Lösung. In Prozentzahlen sind dies 1 bis 40% Schwefelsäure und vorzugsweise 10 bis 30%. Geeignete wäßrige Ammoniaklösungen sind Lösungen, enthaltend 50-300 g Ammoniak pro Kilogramm Lösung, vorzugsweise 100-200 g pro Kilogramm Lösung. Geeignete Atzlösungen enthalten 5-400 g NaOH, vorzugsweise 5-80 g NaOH, pro Kilogramm Lösung oder 5-500 g pro Kilogramm Lösung KOH, vorzugsweise 5-100 g pro Kilogramm Lösung. Ein Phasenkontakt mit der Abstreiflösung kann mit Mixer-Settlern oder anderen geeigneten Vorrichtungen erzielt werden. Auf diese Weise wird das Gallium aus der organischen Phase in die Abstreiflösung als Galliumsalz rückgewonnen. Die Gallium-haltige Abstreiflösung kann mittels herkömmlicher Einrichtungen zur Rückgewinnung von Galliummetall, z.B. durch elektrolytische Reduktion einer wäßrigen Ätzlösung des Galliums, behandelt werden.
  • Das abgestreifte Gallium-freie, Hydroxamsäure-enthaltende Lösungsmittelextraktionsmittel kann einem Extraktionskreislauf zur weiteren Verwendung in einer Extraktion oder zur Behandlung zusätzlicher Galliumarsenidmaterialien mit wäßrigen Oxidationsmitteln rückgeführt werden. Diese Befähigung zur Rückführung erscheint einzigartig für N-Organohydroxamsäuren, da allgemein eine wesentliche Zersetzung durch Hydrolyse während des Abstreifens stattfindet, insbesondere unter sauren Bedingungen mit N-H-Hydroxamsäureverbindungen. N-H-Hydroxamsäuren werden auch durch die für GaAs-Auflösung benötigten Oxidationsmittel oxidiert.
  • Für eine wirksame Extraktion von Gallium unter sauren Bedingungen mit N-Alkylhydroxamsäuren ist der pH allgemein mindestens 1 oder 1,2 hoch, obwohl er etwas mit der speziellen Verwendung der Hxdroxamsäure variiert. Auch mit einem wirksamen, in der organischen Phase vorliegenden Modifizierer können erwünschte Ergebnisse bei pH-Bereichen erhalten werden, die 0,8 oder 0,9 tief liegen. Bei Abwesenheit eines Modifizierers in der organischen Phase beträgt ein erwünschter pH-Bereich für eine wirksame Entfernung von Ga aus Säurelösungen mit ziemlich hohem Gehalt an einem oder mehreren von vielen der anderen, potentiell vorhandenen Metallionen 1,2 bis 1,6. Ein pH von 1,2 oder darüber erlaubt eine wirksame Entfernung von Ga, während ein pH von 1,6 oder darunter dazu neigt, daß eine wesentliche Fällung vieler Metallionen vermieden wird. Wenn Bedingungen angewandt werden, die eine Fällung verursachen, sind die Lösungen schwieriger zu handhaben und zusätzliche Filtrationen können erforderlich sein. Wenn wesentliche Mengen an anderen Metallionen nicht vorliegen, können saure pH-Werte über 1,6 für die Extraktion ohne Schwierigkeiten angewandt werden. Bei der Rückgewinnung von Galliumarsenidmaterialien liegen die Metallverunreinigungen oft in sehr kleiner Menge vor, und es kann vorteilhaft sein, relativ hohe pH-Werte für die Extraktion von Gallium zu verwenden, z.B. über 1,8 und vorzugsweise im Bereich von 1,8 bis 2 oder 2,5. Die Verwendung dieser oder höherer pH-Bereiche macht es möglich, eine nahezu vollständige Galliumtrennung bei einem einzigen Kontakt zu erhalten, einfach wie durch eine Trennung der organischen und wäßrigen Phasen im Anschluß an eine Oxidations-Auflösungs-Reaktion. Die kleinen Mengen an Dotiermitteln oder Metallverunreinigungen, die häufig vorliegen, werden gewöhniicherweise kein Fällungsproblem verursachen. Dann können, wenn erwünscht, derartige Metallverunreinigungen, sowie sie extrahiert sind, aus den das Chelat-gebundene Gallium enthaltenden Lösungen mittels Waschen mit verdünnter Säurelösung, z.B. einer 1%igen Schwefelsäurelösung, entfernt werden. Solche Verunreinigungen wie Indium, Zinn, Blei, Zink und Aluminium können durch derartige Verfahren entfernt werden.
  • Nachdem das Gallium in organischen Medien mit einer Hydroxamsäure mit sehr niedriger Löslichkeit in dem wäßngen Medium, insbesondere einer wasserunlöslichen N-Organohydroxamsäure extrahiert worden ist, kann es aus dem organischen Medium mit einer sauren wäßrigen Lösung abgestreift werden, vorzugsweise von einem pH nicht größer als 0,5 für eine wirksame Extraktion, obwohl ein Abstreifen in einem gewissen Maße bei höheren pH-Werten bewirkt werden kann unter Verwendung großer Volumina an Abstreiflösung oder wiederholter Kontakte mit frischer Lösung zur Erzielung des erwünschten Grades an Extraktion.
  • Zum Arbeiten unter alkalischen Bedingungen kann man den pH der Lösung auf einen pH oberhalb von 7 im Anschluß an die Oxidations- Auflösungs-Reaktion mit Galliumarsenid einstellen und dann die organische, das Gallium enthaltende Hydroxamphase von der wäßrigen Phase abtrennen. Bei einem wirksamen Extraktions- und Rückgewinnungsverfahren kann man Ga mit N-Organohydroxamsäure bei einem pH von 7 bis 11 extrahieren und das Ga aus dem Extraktionsmittel mittels Abstreifen mit wäßrigem alkalischem Medium bei einem pH von etwa 11 oder darüber, insbesondere bei 11,5 bis 12, rückgewinnen. Bei den Extraktions- und Abstreifbereichen liegt etwas Überlappung vor, und manche Extraktion ist in pH-Bereichen bis etwa 12 erhältlich, jedoch ist eine Extraktion bei pH-Werten nahe 11 oder niedriger wirksamer. Jedoch können marginale Ergebnisse durch Verwendung höherer Konzentrationen an Hydroxamsäuren verbessert werden, und die Bereiche können etwas mit der speziellen Hydroxamsäure oder den speziellen Bedingungen variieren.
  • Die vorliegende Erfindung umfaßt eine Oxidation des Galliumarsenids. Die Oxidation hebt das Arsenion auf einen höheren Valenzzustand, z.B. von einem negativen Anion zu einem Oxid, in dem das Arsen eine positive Valenz, wie in AsO&sub3;³&supmin; oder AsO&sub4;³&supmin;, hat. Die eingesetzten Oxidationsmittel sind diejenigen, die zur Bewirkung der Oxidation in Gegenwart von bezeichneten Komplexbildnern befähigt sind, vorzugsweise in nahe stöchiometrischen Mengen und in einer annehmbar kurzen Reaktionszeit. Mittel, die eingesetzt werden können, umfassen Peroxidverbindungen, z.B., Wasserstoffperoxid, Natriumperoxid, freie Halogene, z.B., Brom, Chlor oder Iod, insbesondere in Gegenwart von Wasser, wäßrigem Alkali, z.B., Natriumhydroxidlösungen, Stickstoffoxiden, z.B., Salpetersäure. Die Oxidationsmittel können als solche bereitgestellt werden oder chemisch (oder elektrisch) aus verschiedenen Quellen erzeugt werden. Einige Oxidationsmittel, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, wie Salpetersäure sind, hochkorrosiv und geben unerwünschte Dämpfe ab und erzeugen Nebenprodukte, die ein Beseitigungsproblem darstellen. Zusätzlich erfordern Säuremittel große Mengen an Basen zur Neutralisation mit den damit verbundenen Kosten und Beseitigungsproblemen. Es ist daher ein großer Vorteil, ein mildes Oxidationsmittel zu verwenden, wie wäßriges Wasserstoffperoxid, das keine schädlichen Dämpfe umfaßt und ein unschädliches Nebenprodukt, Wasser, erzeugt. Halogenoxidationsmittel erfordern eine sorgfältigere Handhabung als Wasserstoffperoxid und erzeugen ein Wasserstoffhalogenid als Nebenprodukt das unerwünscht sein kann, abhängig von einer möglichen Verwendung für ein derartiges Produkt. Jedoch ist es möglich, wenn Halogenoxidationsmittel oder sogar Salpetersäure als Oxidationsmittel mit Hydroxamsäuren als chelatbildenden Extraktionsmitteln verwendet werden, die Hydroxamsäure zur weiteren Verwendung im Verfahren rückzugewinnen. Die Rückgewinnbarkeit der Hydroxamsäuren steht im Gegensatz zu der Tatsache, daß eine Anzahl anderer Typen von Mitteln reagiert oder Produkte bildet bei der Auflösung, was ihre Regenerierung schwierig macht. Es sollte weiter bemerkt werden, daß Halogene und Salpetersäure, wenn sie mit Hydroxamsäuren verwendet werden, in zu Galliumarsenid stöchiometrisch äquivalenten Mengen verwendet werden können, womit sie nur relativ kleine Mengen an Salzsäure für eine Neutralisation oder Beseitigung liefern. Dies steht im Gegensatz zu Verfahren, in denen eine relativ große Menge an Königswasser oder ähnlicher Lösung als Reaktionsmedium eingesetzt werden kann.
  • In einem beispielhaften und bevorzugten Prozeß der Erfindung umfaßt das Verfahren ein Vermischen eines Materials, das Galliumarsenid (oder Galliumaluminiumarsenid oder Galliumindiumarsenid, etc.) enthält, mit einer flüssigen N-Alkylalkanhydroxamsäure und dann Zugeben von Wasserstoffperoxid unter Rühren. Die Reaktionszeiten können 5 bis 10 Minuten ohne Erwärmen und weniger als 2 Minuten mit Erwärmen betragen. Nahezu sofortige Reaktionen sind unter adäquatem Erwärmen und Rühren erzielbar. Die Temperatur kann bei Erwärmen mild sein, z.B. etwa 50 bis 80ºC, oder bis etwa dem Siedepunkt des wäßrigen Gemisches, obwohl allgemein ein Verdampfen bzw. Verkochen von Reaktanten nicht erwünscht ist. Wenn erwünscht, können höhere Temperaturen bei höherem Druck angewandt werden, um die Reaktion zu beschleunigen, aber derartige Bedingungen sind üblicherweise nicht notwendig.
  • Es ist auch wert zu erwähnen, daß das beispielhafte Verfahren auf eine Verwendung mit einer breiten Vielfalt von Galliumarsenideintrags- oder - quellenmaterialien auslegbar ist.
  • Somit kann das Verfahren für relativ reinen Galliumarsenidabfall oder mit Materialien, in denen das Galliumarsenid nur einen kleinen Bruchteil des Gehalts darstellt, verwendet werden. Die Hydroxamsäure und das Wasserstoffperoxid können zur Rückgewinnung von Gallium und Arsen aus Abfall enthaltend große Mengen an anderen Materialien ohne einen übermäßigen Verlust an Reagenzien verwendet werden. Im Gegensatz dazu besitzen einige reaktivere Reagenzien eine größere Tendenz, mit anderen Bestandteilen des Abfalls unter Verlust von Reagenz zu reagieren und große Mengen an unter Umweltaspekten unerwünschtem Abfall aus den anderen Bestandteilen zu erzeugen. Das vorliegende beispielhafte Verfahren ergibt eine gute Abtrennung von Arsen unter milden Bedingungen und ist für einen weiten Bereich an Einträgen einschließlich denjenigen mit einem geringen GaAs- Gehalt auslegbar.
  • Verwendet man HA zur Bezeichnung einer Hydroxamsaure, ein &supmin;&supmin; über einer Verbindung zur Bezeichnung einer organischen Phasenlöslichkeit und einen &submin; unter einer Verbindung zur Bezeichnung von unlöslichen Feststoffen, scheinen die Hauptreaktionen beim beispielhaften Verfahren zu sein:
  • GaAs + 3H&sub2;O&sub2; + T + H&sub3;AsO&sub3; + 3H&sub2;O, oder wenn genug H&sub2;O&sub2; zur weiteren Oxidation der arsenigen Säure verwendet wird, GaAs + 4H&sub2;O&sub2; + T + H&sub3;AsO&sub4; + 4H&sub2;O
  • Da die Ausgangsreagenzien beim beispielhaften Verfahren von niedriger Azidität oder Basizität sind (der pKa von Hydroxamsäuren beträgt etwa 9 und der für Wasserstoffperoxid beträgt etwa 12), sind die Reagenzien mild. (Der pH während der Reaktion derartiger Mittel kann 0,5 bis 1 betragen, bedingt durch die erzeugte Arsen- und/oder arsenige Säure, er wird jedoch mit Säuren, Alkali oder anderen Mitteln, die verwendet werden, variieren.) Das Wasserstoffperoxid wird in Wasser umgewandelt und jeder Überschuß an Wasserstoffperoxid zersetzt sich leicht zu Wasser und Sauerstoff, beides umweltverträgliche Materialien. Das Gallium und Arsen werden getrennt, wenn das Rühren des Reaktionsgemisches angehalten wird, da GaA&sub3; öllöslich und wasserunlöslich ist, während H&sub3;AsO&sub3; oder H&sub3;AsO&sub4; (oder im allgemeinen deren Salze) wasserlöslich sind. Das Gallium kann aus der Hydroxamsäure mittels des hierin beschriebenen Abstreifverfahren rückgewonnen werden. Das Arsen kann rückgewonnen werden mittels Verdampfung von Wasser und Trocknen zur Erzeugung von As&sub2;O&sub3; oder As&sub2;O&sub5;, die als solche brauchbare Produkte sind, oder welche in elementares Arsen umgewandelt werden können. Alternativ kann das Arsen in wasserunlösliche Metallarsenatsalze, wie Kupferarsenat, Calciumarsenat oder Eisen(III)-arsenat umgewandelt werden. Diese können selber brauchbare Produkte sein oder leicht auf umweitverträgliche Weise aufgrund ihrer sehr hohen Wasserunlöslichkeit beseitigt werden.
  • Das beispielhafte Verfahren umfaßt ein nichtmischbares heterogenes System mit festen GaAs-Partikeln in Kontakt mit zwei nichtmischbaren flüssigen Phasen. Abgesehen davon, ob die Oxidation an einer Grenzfläche oder in eine der flüssigen Phasen abläuft, scheint es, daß das Zwei-Phasen-Flüssiggemisch der Erfindung mit einer Hydroxamsäure, vorzugsweise einer N-Organohydroxamsäure, in flüssigem Kontakt mit dem GaAs eine günstige Umgebung für die Oxidation von GaAs bereitstellt. Auch führt das Verfahren zu einem Zwei-Phasen-Flüssiggemisch der Erfindung, in dem eine organische Phase (b) eine Hydroxamsäure, vorzugsweise eine N-Organohydroxamsäure, ein Chelat von Gallium aufweist, und die wäßrige Phase (a) eine oder mehrere Säuren des Arsens aufweist, und die Phasen können leicht zur Trennung des Galliums und Arsens getrennt werden. Da das Produkt aus der Zersetzung von GaAs resultiert, werden das Galliumchelat und die Arsensäuren allgemein im äquimolarem Verhältnis sein.
  • Die Reaktionen hierin können geeigneterweise mit stöchiometrischen Mengen an Reagenzien oder einem Überschuß von etwa 10 bis 20% an Oxidationsmittel und Hydroxamsäure verglichen mit dem Galliumarsenid, ausgeführt werden, obwohl ein 2- oder 3facher Überschuß oder größer verwendet werden kann, wenn erwünscht. Falls eine weniger als stöchiometrische Menge an Hydroxamsäure verwendet wird, wird die Reaktion von GaAs allgemein unvollständig sein, aber derartige Mengen können verwendet werden, wenn eine partielle Reaktion akzeptabel ist.
  • Die vorliegende Erfindung wird nützlich sein zur Rückgewinnung von Gallium aus verschiedenen Quellen von Galliumarsenid, entweder im wesentlichen reines Galliumarsenid, Galliumaluminiumarsenid, Galliumindiumarsenid, oder Galliumarsenid kontaminiert mit verschiedenem Metall oder anderen Verunreinigungen oder Dotiermitteln. Derartige mögliche Quellen umfassen, z. B., diejenigen, die in der oben genannten Veröffentlichung von Bird et al. beschrieben werden, wobei es sich um Abfall(-) oder Schrottmaterialien handelt, die während der Galliumarsenid-Wafer-Herstellung und Verarbeitung zu Halbleitervorrichtungen erzeugt werden, und als Hirn- bzw. Endschnitte, Waferausschuß, Sägekerbe, Läppaste etc., beschrieben sind, und der Abfall kaim Fe, Al, Si, Zn und andere metallische und nicht-metallische, in der Veröffentlichung aufgelistete Abfälle enthalten. Während die Betonung bei der vorliegenden Erfindung auf der Abtrennung von Gallium von Arsen liegt, kann die Erfindung auch eine Abtrennung von Gallium von anderen Metallen und eine weitere Reinigung von Gallium umfassen. Insbesondere sind mit Wasser nichtlösliche N-Alkylhydroxamsäuren selektive Extraktionsmittel und das Verfahren kann auf die Bewirkung einer Abtrennung von Gallium von vielen Metallen ausgelegt werden, insbesondere durch geeignete Einstellung des pH; oder Waschlösungen können verwendet werden zur Entfernung von Metallverunreinigungen aus Lösungen, die Galliumhydroxamatchelate enthalten. Bei relativ niedrigem pH sind viele der Metalle wasserlöslich, während das Galliumhydroxamsäurechelat in organische Medien extrahiert wird. Wenn erwünscht, können die Oxidations-, Auflösungs-, Extraktions- und Wascharbeitsschritte hierin zur Erzeugung sehr hochreinen Galliums ausgelegt werden. Alternativ kann auch das bei der vorliegenden Erfindung erhaltene Gallium weiteren chemischen oder physikalischen Behandlungen für eine weitere Reinigung unterworfen werden, wie elektrolytische Abscheidung, Vakuumthermalabscheidung, chemische Auflösung, Extraktion. Filtration, einschließlich, z. B., verschiedene Verfahren bzw. Arbeitsschritte, wie in dem oben Bezug genommenem "Production of High Purity Gallium from Scrap Gallium" und dem Abrjutin et al. Patent Nr. 4,362,560 offenbart.
  • Einige Galliumarsenidquellen enthalten nur kleine Mengen an Galliumarsenid, z. B. 1 oder 2 Gewichts-Prozent, und das beispielhafte Verfahren hierin, das Wasserstoffperoxid und N-Organohydroxamsäure verwendet, ist besonders nützlich zur Rückgewinnung aus Abfall- bzw. Schrottmaterial, das nur kleine Mengen an Galliumarsenid enthält.
  • Die vorliegende Erfindung ist besonders mit der Rückgewinnung von Gallium aus Galliumarsenid befaßt. Da jedoch die offenbarten Reagenzsysteme zur Disassoziation und Auflösung von Galliumarsenid führen, können sie auch zum Ätzen und Polieren, etc., von Galliumarsenid verwendet werden, und die Anwendung neuer Reagenzsysteme hierin für eine derartige Verwendung ist in der Erfindung eingeschlossen. Insbesondere kann eine Kombination von Wasserstoffperoxid und N-Alkylhydroxamsäure eine wertvolle Anwendung als mildes System zum Ätzen oder Polieren von Galliumarsenid finden.
  • Die Extraktions- und Abstreifverfahren, wie sie hierin beschrieben sind, können auch im allgemeinen zur Entfernung von Gallium aus wäßrigen arsenhaltigen Lösungen verwendet werden, die aus dem Oxidieren von Galliumarsenid in Gegenwart eines wasserlöslichen Komplexbildners, z. B., Natriumtripolyphosphat, resultieren. Somit kann Galliumarsenid mit einem Oxidationsmittel, z. B., wäßrigem Wasserstoffperoxid, und einem wasserlöslichen Chelatbildner behandelt werden, z. B., einer polybasischen Phosphorverbindung, zur Oxidation und Auflösung von Galliumarsenid, und die resultierende Lösung wird mit einem organischen Extraktionsmittel in Berührung gebracht, das eine Hydroxamsäure mit sehr geringer Löslichkeit in dem wäßrigen Medium, insbesondere eine N-Organohydroxamsäure, zur Extraktion des Galliums enthält; das Gallium kann dann aus dem organischen Medium mit einer sauren oder alkalischen wäßrigen Flüssigkeit abgestreift werden, wobei die Hydroxamsäure entfernt wird, und in der organischen Phase (zurück)bleibt.
  • Unter vielen wasserlöslichen Komplexbildnern, die bei der Oxidation von Galliumarsenid brauchbar sind, sind bestimmte Salze und Säuren von Phosphor. Geeignete Phosphorverbindungen sind im allgemeinen Chelatbildner, aufgrund dessen, daß sie zwei oder mehr Phosphorsäureanteile besitzen, oder daß sie drei Wasserstoffe in einer Phosphorsäure besitzen, die durch Metallionen, wie in Alkalimetalltriphosphaten, ersetzt sind. Einige andere Salze von dibasischen oder polybasischen Säuren sind ähnlich wirksam bei der Reaktion, z. B., Natriumoxalat. Die Säuren, allgemein Polycarbonsäuren können in Säureform verwendet werden, aber die Alkalimetallsalze sind allgemein wasserlöslicher und zweckdienlicher in der Verwendung. Phosphorsalze und ähnliche Komplexbildner erzeugen allgemein wasserlösliche Galliumkomplexe, die sich gewöhnlich nicht von seinem wäßrigen oxidierenden Medium abtrennen. Die Rückgewinnung der Galliumwerte erfordert dann den separaten Schritt einer Lösungsmittelextraktion mit einem Hydroxamsäureextraktionsmittel mit sehr niedriger Löslichkeit in dem wäßrigen Medium unter Verwendung von Verfahren, wie sie hierin beschrieben sind, und weiter in der zuvor genannten europäischen Anmeldung 87 870 166.3 beschrieben sind. Wegen des zusätzlichen Schritts, der bei Verwendung von wasserlöslichen Komplexbildnern involviert ist, ist es gewöhnlich bevorzugt, wasserunlösliche N- Organohydroxamsäurekomplexbildner zu verwenden.
  • Die hierin brauchbaren Phosphorkomplexbildner sind dadurch gekennzeichnet, daß es sich um polybasische Phosphate, vorzugsweise tribasische Phosphate handelt; oder Polyphosphonate mit zwei oder mehr Phosphonatgruppen und Chelatbildungsfähigkeit. d.h., - -PO&sub3; = Gruppen, in denen die Gruppen Salze oder Säuren sein können, insbesondere Alkalimetallsalze; und umfassen, z. B., tribasisches Natriumorthophosphat, Na&sub3;PO&sub4;, tribasisches Kaliumorthophosphat, K&sub3;PO&sub4;, Natriumpyrophosphat, Na&sub2;PO&sub3;-O-PO&sub3;Na&sub2;, Natriumtripolyphosphat, Na&sub5;P&sub3;O&sub1;&sub0;, Ethylendiphosphonsäure, H&sub2;PO&sub3;CH&sub2;CH&sub2;PO&sub3;H&sub2;, und bestimmte Wasserbehandlungsverbindungen mit dem Markennamen Dequest , die von Monsanto vertrieben werden, einschließlich
  • Dequest 2010,
  • Dequest 2000,
  • Dequest 2041, (H&sub2;O&sub3;PCH&sub2;)&sub2;NCH&sub2;CH&sub2;N(CH&sub2;PO&sub3;H&sub2;)&sub2;
  • und Dequest 2061,
  • Die Dequest -Wasserbehandlungsverbindungen können in entweder Säure- oder partieller oder vollständiger Metallsalzform verwendet werden. Von den Dequest -Verbindungen funktioniert Dequest 2010 gut, während die anderen genannten Dequest -Verbindungen zur Galliumarsenidauflösung führen, aber bei einer relativ langsamen Rate und unter etwas Zersetzung der Verbindungen, möglicherweise durch Oxidation. Ein dibasisches Natriumphosphat, Na&sub2;HPO&sub4; war auch wirksam bei der Herbeiführung einer Auflösung, aber bei einer langsamen Rate und unter Bildung von etwas weißem Niederschlag.
  • BEISPIEL 1
  • Gallium wurde aus Läppschlamm mittels gleichzeitiger Auflösung und Trennung rückgewonnen. Der Läppschlamm war ein Rückstand einer gepulverten Aluminiumoxid-Polierverbindung, die zum Polieren von Galliumarsenid-Wafern verwendet wurde und kleine Mengen an Galliumarsenid enthielt, die zu 17,7 mg Ga/g und 13,4 mg As/g analysiert wurden. Eine 20,03 g-Menge des Läppschlammes wurde in einen 500 ml-Kolben zusammen mit 42,4 g N-Methylnonanhydroxamsäure (85,4 % Reinheit) und 50 ml aliphatisches Kohlenwasserstofflösungsmittel (Kermac 470B Erdöldestillat) eingebracht. Eine 64,2 g-Menge von 30 %-iger wäßrigem H&sub2;O&sub2; wurde dann in drei gleichen Anteilen in 10 Minuten-Intervallen unter Rühren und leichtem Erwärmen zugegeben. Die Reaktion erschien nach der zweiten Zugabe beendet (durch Verlust der schwarzen GaAs- Farbe). Der pH wurde durch Zugabe einer 50 ml-Menge 29 %-iger wäßriger Ammoniaklösung unter Rühren erhöht. Aufgrund von überschüssigem Wasserstoffperoxid fand einige Gasentwicklung statt und man ließ sie vollständig ablaufen. Die Flüssigkeiten wurde in einen Scheidetrichter dekantiert, und die organischen und wäßrigen Phasen wurden getrennt. Die organische Phase wurde dreimal mit 200 ml-Portionen Wasser gewaschen. Weder Arsen noch Gallium waren in den Waschlösungen detektierbar (Detektionsgrenze weniger als 1 ppm für jedes Element). Die organische Phase wurde mit einer 150 ml-Portion 30 %- iger H&sub2;SO&sub4; eine Stunde vermischt und die Phasen, die sich dann bildeten, wurden getrennt. Die Behandlung der organischen Phase wurde mit zusätzlichen 150 ml 30 %-iger H&sub2;SO&sub4; wiederholt, und die wäßrigen Säureabstreiflösungen wurden zusammengebracht und man fand, daß sie 1100 ppm Ga und nur 15 ppm As enthielten. Dies stellt 17,8 mg Ga pro g Ausgangsschlamm dar, was eine vollständige Auflösung und Abtrennung des Ga im Ausgangsschlamm anzeigt.
  • Die Feststoffe, von denen die Flüssigkeiten vom Reaktionsgemisch abdekantiert worden waren, wurden mit 150 ml 5 %-iger Salpetersäure aufgeschlämmt und dann filtriert, und die Feststoffe wurden dann hintereinander mit Wasser, Ethanol und Aceton gewaschen, und auf ein Gewicht von 18,05 g luftgetrocknet. Die verdünnte Salpetersäure und andere Waschlösungen wurden mit der wäßrigen Phase zusammengebracht, die von der organischen Phase nach der Reaktion abgetrennt worden war, und man fand, daß die resultierende Lösung 2510 ppm As und nur 114 ppm Ga enthielt. Dies stellt 17,3 mg As/g vom Ausgangsschlamm dar, oder mehr als die Ausgangskonzentration. was eine gute Auflösung und Rückgewinnung des Arsens anzeigt. (Es sei bemerkt, daß die Analyse von Arsen im Ausgangsmaterial niedrig gewesen sein mag, da sie vermutlich gleich dem Gallium sein würde bezogen auf Atombasis und nur leicht darunter bezogen auf relative Atomgewichte; und es bestand gute Übereinstimmung zwischen dem Ausgangs- und rückgewonnenem Gallium). In der Tat läßt dieses Ergebnis vermuten, daß das Verfahren der Erfindung wirksamer zur Rückgewinnung des Arsens aus Lap-Schlamm sein kann als das für die Basenanalyse verwendete Königswasserverfahren.
  • Bei dem obigen Verfahren wurde Ammoniak zur Einstellung des pH vor dem Abtrennen der organischen und wäßrigen Phasen verwendet. Dies dient dazu, die Extraktion des Gallium-Hydroxamsäure-Komplexes in die organische Phase zu erhöhen. Eine derartige Extraktion wird allgemein durch Erhöhen des pH auf 1 bis 1,2 oder höher verbessert. Andere alkalische Materialien können für eine derartige pH-Einstellung verwendet werden, z. B. Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid oder andere ätzende Materialien. Die Behandlung der Feststoffe beim obigen Verfahren mit verdünnter Salpetersäure wurde vorsichtshalber für eine mögliche Verbesserung der Löslichkeit von Salzen von Metallverunreinigungen durchgeführt einschließlich Arsenatsalzen für analytische Zwecke, kann jedoch bei einem Produktionsverfahren weggelassen werden.
  • Beim obigen Verfahren wurde das Gallium aus dem organischen Medium in eine Schwefelsäurelösung abgestreift. Das Gallium kann dann aus der Schwefelsäure mittels verschiedener Verfahren, z. B. durch Umwandlung in eine Ätzlösung zur elektrolytischen Reduktion und Rückgewinnung des Galliums, rückgewonnen werden. Beim obigen Verfahren war die Galliumrückgewinnung sehr gut. In Fällen jedoch, bei denen die Galliumextraktion bei der anfänglichen Trennung nicht vollständig ist, kann die wäßrige Phase einer weiteren Extraktionsbehandlung unterworfen werden, unter Verwendung von, z. B., etwa einem gleichen Volumen an Kohlenwasserstofflösungsmittel enthaltend etwa 2 bis 40 Gewichts-% Hydroxamsäureextraktionsmittel, z. B. 20 %, und die organischen Extrakte können zum Abstreifen zusammengebracht werden. Ein Abstreifen kann mit, z. B. etwa gleichen Volumina an Schwefelsäure, von Konzentrationen, vorzugsweise im Bereich von 10 bis 30 %, z. B. 30 %, ausgeführt werden. Nach dem Abstreifarbeitsschritt kann das Kohlenwasserstoffmedium. das nun freies Hydroxamsäureextraktionsmittel enthält, rückgeführt werden zur Verwendung bei der Oxidations-Auflösungs-Reaktion oder zur Verwendung in Extraktionsverfahren für Lösungen, die direkt oder indirekt aus der Oxidations-Auflösungs-Reaktion erzeugt wurden.
  • BEISPIEL 2
  • Eine Serie von Arbeitsschritten wurde durchgeführt, um die Wirksamkeit verschiedener Komplexbildner mit Wasserstoffperoxid zur Oxidation und Bewirkung der Auflösung von Galliumarsenid zu testen. Eine 0,5 g- Menge GaAs-Pulver wurde zu einem 50 ml-Becher mit 20 ml entionisiertem Wasser zugegeben. Der Komplexbildner wurde unter Rühren zugegeben, gefolgt von einer Zugabe von 5 ml 30%-igem Wasserstoffperoxid in Wasser unter Rühren. Das Rühren wurde für etwa 10 Minuten unter allmählichem Erwärmen auf einer heißen Platte auf 85 ºC fortgesetzt, unter Beobachtung der Reaktion. Die Gemische ließ man dann bei Raumtemperatur etwa 4 Tage unter Beobachtung auf weitere Änderungen stehen, und der Prozentsatz an Ausgangsgallium, das gelöst worden war, wurde mittels Analyse der Flüssigkeit durch Atomabsorption bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 berichtet. TABELLE 3 Test Komplexbildungsverbindung Menge Anfängliches Ergebnis % Ga in Lösung nach 4 Tagen N-Methylnonanhydroxamsäure Kelex 100 4-Nonylphenol LIX -65N SME-529 Acorga P-5100 Naphthensäure Di-(2-Ethylhexyl)-phosphorsäure Oxin (8-Hydroxyquinolin) Ethylen-diamin-tetraessigsäure Dequest 2010 (60 % aktiv) Dequest 2041 Vollständige Reaktion in 8'30" keine Reaktion, Min. Bildung von Feststoffen Niederschlag vollständige Reaktion, Min., Sek. keine Reaktion, Min. oder Std. Test Komplexbildungsverbindung Menge Anfängliches Ergebnis % Ga in Lösung nach 4 Tagen Poly(acrylamid-HA), wasserlösliche polare -C(O)NHOH-Gruppen Natriumtartrat Natriumtriphosphat monobasisches Natriumphosphat (NaH&sub2;PO&sub4;) Natriumcitrat (10% Lösung, 20 ml H&sub2;O weggelassen) Natriumpyrophosphat Na&sub4;P&sub2;O&sub7; Kaliumphosphat (K&sub3;PO&sub4;) NaH&sub2;PO&sub4; H&sub2;O (Nach-Test von S) dibasisches Natriumphosphat (Na&sub2;HPO&sub4;) Natriumoxalat keine Reaktion, 11,5 Min., Zugabe von 2,98 g N-Methyl-naphthen-HA verursachte vollständige Auflösung in 60 Sek. GaAs suspendiert, keine Reaktion vollständige Reaktion, 3 Min., weißer Niederschlag keine Reaktion, Min. vollständige Reaktion, Min., Sek. eine kleine Reaktion nach 6 Min., 41 Sek., vollständig nach 11 Min., 30 Sek. langsame Auflösung von weißen Niederschlag, unvollständig, 25 Min. vollständige Reaktion, 60 Sek.; etwas Niederschlag 100 im Niederschlag Test Komplexbildungsverbindung Menge Anfängliches Ergebnis % Ga in Lösung nach 4 Tagen Natrium-nitrilotriacetat Acetohydroxamsäure (Erwärmen weggelassen) N-Methyl-acetohydroxamsäure (Erwärmen weggelassen) Dodecanhydroxamsäure mit 10 ml 2-Ethylhexanol (Erwärmen weggelassen) Octanhydroxamsäure (Erwärmen weggelassen) vollständige Reaktion in 3 Min. keine Reaktion, 10 Min. vollständige Reaktion nach wenigen Sek. der Zugabe von NaOH zu heißer Lösung vollständige Auflösung in 25 Min., klare farblose Lösung vollständige Auflösung in 5 Min. etwas Reaktion in 15 Min. (mild exotherm), vollständige Reaktion in 6 Std. 80% reagierten in 30 Min. 52,5% in 24 Std. aufgelöst 100 nach Zugabe von 10 ml n-BuOH
  • Bei den meisten Tests betrifft die in Lösung berichtete Menge eine einzige wäßrige Phase, aber, wenn eine separate organische Phase vorlag, z.B. in Test A mit einer Hydroxamsäure, lag die berichtete Menge in der organischen Lösung vor.
  • Kelex-100 in der obigen Tabelle ist eine Handelsbezeichnung für eine Phenolverbindung, die die 1976er - oder frühere - Version von der Formel war:
  • wobei R darstellt:
  • SME-529 ist Shell Metall-Extraktionsmittel 529, ein Lösungsmittelextrak. tionsreagenz vom Hydroxyoxim-Typ für Kupfer, basierend auf einer in den Shell-Laboratorien in Amsterdam entwickelten Gruppe von Hydroxyoximen, in denen die aktive Komponente 2-Hydroxy-5-t-nonyl-acetophenon-oxim ist.
  • LIX 65N-Reagenz ist ein wasserunlösliches substituiertes Oxim, 2-Hydroxy-5-nonylphenyl-phenylketoxim, das wasserunlösliche Komplexe mit metallischen Kationen bildet.
  • Acorga P-5100 ist eine formulierte Chemikalie, die 5-Nonyl-salicylaldoxim und Nonylphenol mit einem geringen Grad an Kerosin enthält.
  • Aus Tabelle 3 ist ersichtlich, daß mit H&sub2;O&sub2; unter milden Bedingungen, N-Methylnonarihydroxamsäure ein wirksamer Komplexbildner (Test A) war, wobei die Reaktion und Auflösung des GaAs in relativ kurzer Zeit stattfand, während die Reaktion unter den Testbedingungen bei einer Anzahl von bekannten Komplexbildnern nicht ablief, aber mit einigen anderen ablief. Jedoch sind Mittel, wie Natriumcitrat, wasserlöslich und führen nicht zu sofortiger Trennung der Gallium- und Arsenprodukte. Es ist von Interesse, daß eine Reaktion nicht mit einer N-H-Hydroxamsäure, Dodecanhydroxamsäure (Test N) ablief, aber daß der Zusatz von N- Alkylhydroxamsäure, N-Methyl-naphtenhydroxamsäure, zur Testlösung zur schnellen Reaktion und Auflösung des Galliumarsenids führte. Dodecanhydroxamsäure wurde erfolgreich mit einem Lösungsmittel (Test ε) mit etwa 6 Stunden für vollständige Reaktion eingesetzt. Eine Anzahl von Verbindungen mit Phosphatanteilen war brauchbar und eine Reaktion des Galliumarsenids fand statt. Auch zeigten die Salze der verschiedenen Polycarbonsäuren variierende Grade an Wirksamkeit. Bei dem Test mit dem polymerem Material (Test O) kann das verwendete Polymer nicht das spezifizierte gewesen sein, und im Prinzip sollte das spezifizierte Polymer positive Ergebnisse im Hinblick auf die positiven Ergebnisse mit verwandten Materialien ergeben.
  • Das mit verschiedenen wasserlöslichen Mitteln komplexierte Gallium, das in einigen der obigen Tests erzeugt wurde, kann mittels Verwendung einer Hydroxamsäure extrahiert werden. Die Rate der Galliumübertragung vom wasserlöslichen Mittel zur Hydroxamsäure hängt vom verwendeten wasserlöslichen Mittel ab. Je höher die Zähnigkeit des wasserlöslichen Mittels, desto langsamer wird die Rate der Galliumübertragung zur Hydroxamsäure sein. Zum Beispiel, kann die wäßrige, in Test R unter Verwendung von Natriumtriphosphat erhaltene Lösung extrahiert werden mit etwa einem gleichen Volumen an Kohlenwasserstofflösungsmittel enthaltend 2 bis 40% Hydroxamsäureextraktionsmittel, z.B. 20% N-Methylnonanhydroxamsäure, wobei das Gallium extrahiert wird und die Arsensäuren in der wäßrigen Phase verbleiben. Das Gallium und die Hydroxamsäure können dann mittels Abstreifens, wie in der Diskussion von Beispiel 1 beschrieben, rückgewonnen werden.
  • BEISPIEL 3
  • Unter Anwendung des Verfahrens von Beispiel 2 mit allgemein etwas über 3 g Dequest 2010 (59,6% aktiv) als Komplexbildner wurde eine Anzahl von verschiedenen Oxidationsmitteln mit Galliumarsenid, mit den Ergebnissen eingesetzt, wie in Tabelle 4 berichtet. TABELLE 4 Oxidationsmittel Test Anfängliches Ergebnis % Ga in Lösung nach 4 Tagen Verbindung Menge flüssiges Brom 5% Na-OCl in Wasser Cl&sub2;-Gas Ozon 130 ml (20 ml H&sub2;O weggelassen) Lösung für eine 1 Std. gesättigt gehalten durchgeblasen bei 0,8 mMol/Min. keine Reaktion, 13 Min. vollständige Reaktion vor 5 Min. keine Reaktion, 10 Min; Cl neigte zum Verdampfen Reaktion war stetig und erschien proportional zur Rührrate. Vollständig < 10 Min. unter kräftigem Rühren. Keine Reaktion in 17 Min. bei Raumtemperatur, oder 10 Min. mit Wärme; oder 15 Min. in Methanol mit Wärme.
  • Aus Tabelle 4 ist ersichtlich, daß Halogenoxidationsmittel im allgemeinen wirksam waren. Während ACl-60 anscheinend nicht reagierte. zeigte eine Analyse 60,2% des aufgelösten Galliums an. Das Versagen von NaOCl (Test CC), positive Ergebnisse in diesem Test zu zeigen, ist vielleicht ein Konzentrationseffekt, da Chlor erzeugt und abgegeben wurde, und man fand Chlor als wirksam in Test DD. Höhere Konzentrationen an NaOCl sind wahrscheinlich wirksam.
  • BEISPIEL 4
  • Unter Anwendung des Verfahrens von Beispiel 2 und 3,0 ml N-Methyl- nonanhydroxamsäure als Komplexbildner wurde eine Anzahl von Oxidationsmitteln mit Galliumarsenid mit Ergebnissen eingesetzt wie in Tabelle 5 berichtet. TABELLE 5 Oxidationsinittel Test Ergebnis Verbindung Menge II (Vergleichsversuch) Kaliumpersulfat Iod HNO&sub3; konzentriert HNO&sub3; konzentriert, aber kein Komplexbildner Brom keine Reaktion, 10 Min. vollständige Auflösung der Feststoffe vollständige Reaktion, 50 Sek. vollständige Reaktion, Sek. kein Erwärmen
  • Eine Anzahl der Oxidationsmittel in Tabelle 5 war wirksam und ergab kurze Reaktionszeiten. Die Verteilung eines guten Komplexbildners kann ersehen werden durch Vergleichen der 50-Sekunden-Reaktion mit Salpetersäure und einer N-Alkylhydroxamsäure (Test HH) mit der 20-Minuten- Reaktion mit Salpetersäure in Abwesenheit eines Komplexbildners (Test II). Es sollte bemerkt werden, daß die 5 ml konzentrierte Salpetersäure durch die 20 ml entionisiertes Wasser, das im Verfahren verwendet wurde, verdünnt wurden.
  • BEISPIEL 5
  • Eine Oxidation von Galliumarsenid mit Brom in Abwesenheit von Wasser wurde durchgeführt sowohl mit einer als auch ohne eine (Vergleichsversuch) N-Alkylhydroxamsäure. Eine etwa 0,5 g Menge von fein verteiltem GaAs wurde verwendet, und die Bestandteile wurden gemischt und erwärmt, wie in in Beispiel 2. Bei der Hydroxamsäure handelte es sich um die N-Methyl-nonanhydroxamsäure. Die Ergebnisse sind in Tabelle 6 berichtet. TABELLE 6 Menge HA Menge Br&sub2; Ergebnis keine (Vergleichsbeispiel) heftige Reaktion vollständige GaAs-Auflösung; keine Funken oder Entzündung Das GaAs entzündete sich und brannte unter Funken und Verglühen.
  • Mit dem kräftigen Oxidationsmittel Br&sub2; lief die Oxidation ohne eine Hydroxamsäure ab. Der Hydroxamsäure kommt noch eine Funktion zu, derart daß es das Galliumprodukt auflöste, und daß Gallium und Arsen durch Zugabe von Wasser zur Bereitstellung von zwei Phasen getrennt werden können.

Claims (8)

1. Zwei-Phasen-Flüssiggemisch, aufweisend (a) ein wäßriges Medium enthaltend teilchenförmiges Galliumarsenid und ein Oxidationsmittel zur Bereitstellung von Arsenoxiden und Galliumionen in dem wäßrigen Medium, und (b) ein mit Wasser nichtmischbares organisches Lösungsmittel enthaltend eine Hydroxamsäure mit sehr niedriger Löslichkeit in dem wäßrigen Medium, zur Extraktion von Gallium aus dem wäßrigen Medium in das organische Lösungsmittel als Komplex von Gallium und Hydroxamsäure.
2. Zwei-Phasen-Flüssiggemisch nach Anspruch 1, wobei die Hydroxamsäure eine N-Alkylhydroxamsäure ist.
3. Verfahren zum Dissoziieren von Galliumarsenid, gekennzeichnet durch Inberühmngbringen teilchenförmigen Galliumarsenids mit einem ein Oxidationsmittel enthaltenden wäßrigen Medium zur Bereitstellung von Arsenoxiden und Galliumionen, und Inberührungbringen des Galliumionen enthaltenden wäßrigen Mediums mit einem mit Wasser nichtmischbaren organischen Lösungsmittel enthaltend eine Hydroxamsäure mit sehr niedriger Löslichkeit in dem wäßrigen Medium, zum Extrahieren von Gallium in das organische Lösungsmittel als Komplex von Gallium und Hydroxamsäure.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Oxidationsmittel aus Chlor, Brom, Iod, Salpetersäure und Peroxid ausgewählt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Hydroxamsäure eine N-Alkylhyroxamsäure ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das organische Lösungsmittel vom wäßrigen Medium abgetrennt wird und Gallium aus dem Komplex von Gallium und Hydroxamsäure bei einem pH von weniger als 0,5 oder größer als 11 abgestreift oder gestrippt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 3, wobei es sich bei dem Arsenoxid um wasserlösliche arsenige Säure, Arsensäure oder deren Salze oder Gemische davon handelt.
8. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das wäßrige Medium auch ein Phosphorverbindungskomplexierungsmittel enthält, das aus polybasischen Phosphaten und Phosphonaten mit zwei oder mehr Phosphonatgruppen ausgewählt wird.
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