PL210945B1

PL210945B1 - Sposób oczyszczania kadmu oraz urządzenie do oczyszczania kadmu

Info

Publication number: PL210945B1
Application number: PL384033A
Authority: PL
Inventors: Andrzej Mycielski
Original assignee: Inst Fizyki Polskiej Akademii Nauk
Priority date: 2007-12-12
Filing date: 2007-12-12
Publication date: 2012-03-30
Also published as: PL384033A1

Description

RZECZPOSPOLITA

POLSKA

Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 210945 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 384033 ^{(51) Int.Cl.}

C22B 17/06 (2006.01) C22B 9/04 (2006.01) (22) Data zgłoszenia: 12.12.2007 (54) Sposób oczyszczania kadmu oraz urządzenie do oczyszczania kadmu

(43) Zgłoszenie ogłoszono: 22.06.2009 BUP 13/09	(73) Uprawniony z patentu: INSTYTUT FIZYKI POLSKIEJ AKADEMII NAUK, Warszawa, PL
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 30.03.2012 WUP 03/12	(72) Twórca(y) wynalazku: ANDRZEJ MYCIELSKI, Warszawa, PL

PL 210 945 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób oczyszczania kadmu poprzez destylację z fazy pary oraz urządzenie do oczyszczania kadmu.

Kadm jako pierwiastek chemiczny z drugiej kolumny układu okresowego używany jest w różnych zastosowaniach, ale też jako składnik związków półprzewodnikowych AII - BVI typu CdTe. Destylacja kadmu ma na celu ostateczne oczyszczanie tego pierwiastka, głównie z tlenków, jak również z innego typu domieszek jak magnez, siarka, metale lekkie typu lit (Li), sód (Na), potas (K), wapń (Ca), miedzi (Cu), a także z metali przejściowych typu mangan (Mn), żelazo (Fe) itd.

Znany jest sposób oczyszczania kadmu w oparciu o tak zwaną metodę topienia strefowego, w której ciekła strefa, jako część długiego pręta kadmu, przesuwa się powoli przez cały pręt (na skutek powolnego ruchu grzejącego ją pieca), zabierając ze sobą niektóre domieszki. Ten proces musi być kilkadziesiąt razy powtarzany i jest procesem bardzo długotrwałym i technicznie skomplikowanym. Innym znanym sposobem oczyszczania kadmu jest destylacja z fazy pary, przebiegająca (dla zmniejszenia kosztów) w jednorazowych specjalnie uformowanych rurach szklanych. Rury szklane do tego używane wykonywane są z czystego szkła laboratoryjnego typu „pyrek” firmy np. Sovirel lub Cavalier. Podstawową wadą tego sposobu jest to, że w celu wyjęcia materiału (kadmu) po procesie destylacji rurę tłucze się. Uzyskany w ten sposób kadm zawiera na swoich powierzchniach drobinki przyklejonego szkła, a poza tym w kilku mikronowej warstwie przypowierzchniowej (od strony szkła) zlokalizowane są domieszki wapnia, sodu i potasu będące składnikami szkła laboratoryjnego (nawet najczystszego).

Celem wynalazku jest opracowanie takiego sposobu oczyszczania kadmu, który byłby wydajniejszy od sposobów znanych a także technicznie prostszy.

Sposób oczyszczania kadmu według wynalazku oparty jest na destylacji kadmu z fazy pary. W sposobie tym najpierw „czysty” lub „czysty do analizy” kadm umieszcza się w pojemniku kwarcowym ze spektralnie czystego kwarcu. Następnie pojemnik ten łączy się z dwuczęściowym tyglem grafitowym o czystości „półprzewodnikowej” i umieszcza się w zamkniętej z jednej strony rurze kwarcowej. Rurę odpompowuje się do próżni < 1.3 x 10^-4 Pa po czym umieszcza się ją w piecu, podgrzewa się do temperatury 435 - 450°C i utrzymuje się w tej temperaturze przez co najmniej 4 godziny. Następnie schładza się do temperatury pokojowej, wyjmuje się oczyszczony kadm z tygla grafitowego i proces destylacji powtarza się co najmniej trzykrotnie.

Korzystnie jest, jeżeli temperaturę grzania w piecu utrzymuje się o 110 - 120°C wyższą od temperatury topnienia kadmu.

Urządzenie do oczyszczania kadmu posiada piec rurowy wyposażony w otwartą rurę kwarcową, wewnątrz której znajduje się pojemnik kwarcowy oraz połączony z nim tygiel grafitowy. Pojemnik kwarcowy ma postać rury, która z jednej strony jest zamknięta, a z drugiej strony posiada próg oraz otwarte przewężenie. Natomiast tygiel grafitowy ma postać dwóch zazębiających się w środkowej części rur grafitowych o średnicach wewnętrznych mniejszych na początku i na końcu tygla i większych w środkowej części. Korzystnie jest, jeżeli wewnętrzna średnica środkowej, zazębiającej się części tygla grafitowego jest o co najmniej 5% większa niż średnice na początku i na końcu tygla.

Sposób oczyszczania według wynalazku charakteryzuje się zwiększoną o 100-200% wydajnością w stosunku do znanych sposobów.

Wynalazek zostanie bliżej objaśniony na przykładzie oczyszczania kadmu „czystego do analiz (~ 99,9%) w urządzeniu pokazanym na rysunku.

Przykładowe urządzenie do oczyszczania kadmu posiada ruchomy piec rurowy 6 wyposażony w otwartą rurę kwarcową 4, wewnątrz której znajduje się pojemnik kwarcowy 2 oraz tygiel grafitowy 3. Przeznaczony do oczyszczania kadm 1 umieszcza się w pojemniku 2, w którym także zbiera się kadm rozpuszczany w czasie trwania procesu destylacji. Pojemnik 2 ma postać rury zamkniętej z jednej strony, z drugiej strony posiadającej deformację w postaci progu 7, który uniemożliwia wypływ roztopionego kadmu, oraz posiadającej otwarte przewężenie pełniące rolę dyszy dla parującego kadmu. Tą częścią pojemnik 2 jest połączony z tyglem grafitowym 3, składającym się z dwóch zazębiających się w środkowej części rur grafitowych o średnicach wewnętrznych mniejszych na początku i na końcu tygla i większych w środkowej części (zazębiającej się). W przykładowym urządzeniu wewnętrzna średnica środkowej części tygla grafitowego 3 jest o ok. 5% większa niż średnice na początku i końca tygla. Taka konstrukcja powoduje, że osadzający się na ściankach tygla 3 kadm 5 możemy łatwo wydobyć rozsuwając obie części tygla.

PL 210 945 B1

W przykładowym sposobie przeznaczony do oczyszczenia kadm umieszcza się w pojemniku kwarcowym ze spektralnie czystego kwarcu (SiO2 o czystości ~ 6N), a następnie pojemnik ten łączy się z dwuczęściowym tyglem grafitowym o czystości „półprzewodnikowej (~ 6N tzn. 99,9999%) i razem umieszcza się w zamkniętej z jednej strony rurze kwarcowej, po czym odpompowuje się. Po odpompowaniu do wysokiej próżni ~ 1,3 x 10^-4 Pa, rurę kwarcową zawierającą pojemnik kwarcowy z kadmem i tyglem grafitowym umieszcza się w piecu, podgrzewa się do temperatury 440°C i utrzymuje się w tej temperaturze przez 4 godziny. W przykładowym sposobie temperatura oczyszczanego kadmu jest o 115°C wyższa niż temperatura topnienia kadmu (~ 325°C), a parujący kadm kondensuje i osadza się w środkowej, chłodniejszej części grafitowego tygla. Po zakończeniu procesu termicznego rurę kwarcową z pojemnikiem kwarcowym i tyglem grafitowym ochładza się do temperatury pokojowej, wyjmuje się z tygla grafitowego oczyszczony kadm i w ten sam sposób powtarza się proces destylacji trzykrotnie.

W trakcie takiego procesu destylacji pierwiastki (domieszki) mają ce niską prężność par pozostają w pojemniku kwarcowym, a pierwiastki (domieszki) mające wyższą niż kadm prężność par przemieszczają się w ramach tygla grafitowego poza miejsce kondensacji czystego kadmu. Oczyszczany kadm nie ma kontaktu ze szkłem, które go zanieczyszczało, a używany kwarc i grafit są wielokrotnego użycia. Wysoka dynamiczna próżnia utrzymywana podczas procesu zabezpiecza kadm przed utlenianiem. Pojedynczy, przykładowy proces oczyszczenia/destylacji 400 g kadmu trwa 6 godzin. W tym 1 godzina to czas niezbę dny na uzyskanie wysokiej próż ni i wł a ś ciwej temperatury, 4 godziny to czas destylacji i 1 godzina to chłodzenie. Końcowa czystość trzykrotnie destylowanego kadmu wynosi 6N tzn. 99,9999%, a uzysk około 70% kadmu poddanego pierwotnie oczyszczaniu. Po zakończeniu procesu oczyszczania w pojemniku kwarcowym, w miejscu gdzie był kadm wsadowy pozostają tlenki i róż nego typu ciężkie domieszki, a na końcu tygla grafitowego, blisko brzegu pieca (od strony aparatury pompującej), osadzony jest materiał, którego nawet pobieżna analiza wzrokowa wykazuje, że zawiera liczne obce domieszki. Prawdziwie czysty kadm znajduje się w środkowej części grafitowego tygla, a ponieważ nie przykleja się do grafitu to jest łatwy do wyjęcia po rozsunięciu obu części tygla.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób oczyszczania kadmu przez destylację z fazy pary, znamienny tym, że „czysty” lub „czysty do analizy” kadm umieszcza się w pojemniku kwarcowym ze spektralnie czystego kwarcu, następnie pojemnik ten łączy się z dwuczęściowym tyglem grafitowym o czystości „półprzewodnikowej i umieszcza się w jednostronnie zamkniętej rurze kwarcowej, rurę odpompowuje się do próżni < 1,3 x 10^-4 Pa, po czym umieszcza się ją w piecu, podgrzewa się do temperatury 435 - 450°C i utrzymuje w tej temperaturze przez co najmniej 4 godziny, później schładza się do temperatury pokojowej, wyjmuje się oczyszczony kadm z tygla grafitowego i powtarza się proces destylacji co najmniej trzykrotnie.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że temperaturę grzania w piecu utrzymuje się o 110 - 120°C wyższą od temperatury topnienia kadmu.

3. Urządzenie do oczyszczania kadmu, znamienne tym, że posiada piec rurowy /6/ wyposażony w otwartą rurę kwarcową /4/, wewnątrz której znajduje się pojemnik kwarcowy /2/ oraz połączony z nim tygiel grafitowy /3/, przy czym pojemnik /2/ ma postać rury, która zamknięta jest z jednej strony, a z drugiej strony posiada próg /7/ oraz otwarte przewężenie, natomiast tygiel /3/ ma postać dwóch zazębiających się w środkowej części rur grafitowych o średnicach wewnętrznych mniejszych na początku i na końcu tygla i większych w środkowej części.

4. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że wewnętrzna średnica środkowej, zazębiającej się części tygla grafitowego /3/ jest o co najmniej 5% większa niż średnice na jego końcach.