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

背景技術：

鎵是7類主要稀散元素之一，在地殼中的含量為5×10-4%~1.5×10-3%，其熔點僅為29.78℃，被稱為放在人的手中即可熔化的金屬，熔化時為銀白色液體，過冷至0℃時也不固化。鎵屬于兩性物質，溶于強酸和強堿。鎵在室溫下較穩(wěn)定，但在高于1000℃氧或空氣中會氧化，且雜質越多越易氧化。常溫下，鎵在干燥空氣中比較穩(wěn)定，因為生成的氧化物薄膜會阻止其繼續(xù)氧化，而在潮濕空氣中會被氧化失去光澤，加熱至500℃時則會燃燒。鎵在約1000℃的空氣中燃燒成為ga2o3，當表面形成低價氧化物gao或gao的薄膜后，就會保護鎵不被繼續(xù)氧化?！耙簯B(tài)金屬”鎵在科技飛速發(fā)展進程中需求量不斷增長。

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

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

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

技術實現(xiàn)要素：

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

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

本發(fā)明氧化鎵真空碳熱還原制備金屬鎵的方法如下：

步驟1、將向氧化鎵中配入活性碳、粘結劑，混合均勻得到混合物料，將混合物料以5mpa~15mpa壓力壓制成塊狀，在壓力1pa~100pa、還原溫度800~1200℃、保溫時間60~150min下發(fā)生還原反應，得到的氣態(tài)金屬鎵，其中活性碳的配入量為理論添加量的2~8倍；

（1）

步驟2、步驟1得到的氣態(tài)金屬鎵擴散至冷凝盤中，在壓力1~100pa下向凝聚態(tài)轉變，如式(2)所示，冷凝區(qū)溫度來源于還原區(qū)輻射傳輸?shù)臒崃浚ㄟ^控制還原溫度進而控制冷凝區(qū)溫度在350~550℃，在冷凝盤上獲得易收集且結晶完好的金屬鎵；

（2）。

所述步驟1中的氧化鎵純度為99.99%、粒度小于38μm。

所述步驟1中的活性碳為純度99%、粒度小于48μm的碳粉。

所述步驟1中的粘結劑的加入量為混合物料質量的5%~10%。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明屬于清潔生產(chǎn)工藝，熱量由電能轉化所得，實驗過程中無需加入任何其他添加劑以及燃料等，全流程無廢渣、廢氣產(chǎn)生，實驗所得殘渣可作為活性碳粉循環(huán)利用，且具有工藝流程短，操作簡單等特點。

附圖說明

圖1是本發(fā)明工藝流程圖；

圖2是本發(fā)明實施例1~4冷凝得到的金屬鎵的xrd圖。

具體實施方式

下面通過附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明，但本發(fā)明保護范圍不局限于所述內(nèi)容。

實施例1

如圖1所示，該氧化鎵真空碳熱還原制備金屬鎵的方法如下：

1、向20g氧化鎵（氧化鎵純度為99.99%、粒度小于38μm）中加入15.46g碳以及3g粘結劑，然后研磨、混合均勻得到混合物料，將混合物料以12mpa壓力壓制成塊狀，在壓力為1~10pa、900℃條件下還原150min得到氣態(tài)金屬鎵；其中活性碳為純度99%、粒度小于48μm的碳粉；

2、步驟1得到的氣態(tài)金屬鎵擴散至冷凝盤中，在壓力1~10pa下氣態(tài)金屬鎵向凝聚態(tài)轉變，冷卻至室溫后在冷凝蓋上獲得金屬鎵液滴；制備得到的金屬鎵xrd圖譜如圖2(a)所示。

實施例2

如圖1所示，該氧化鎵真空碳熱還原制備金屬鎵的方法如下：

1、向20g氧化鎵（氧化鎵純度為99.99%、粒度小于38μm）中加入15.46g碳以及3g粘結劑，然后研磨、混合均勻得到混合物料，將混合物料以15mpa壓力壓制成塊狀，在壓力為1~10pa、1000℃條件下還原90min得到氣態(tài)金屬鎵；其中活性碳為純度99%、粒度小于48μm的碳粉；

2、步驟1得到的氣態(tài)金屬鎵擴散至冷凝盤中，在壓力1~10pa下氣態(tài)金屬鎵向凝聚態(tài)轉變，冷卻至室溫后在冷凝蓋上獲得金屬鎵液滴；制備得到的金屬鎵xrd圖譜如圖2(b)所示。

實施例3

如圖1所示，該氧化鎵真空碳熱還原制備金屬鎵的方法如下：

1、向20g氧化鎵（氧化鎵純度為99.99%、粒度小于38μm）中加入7.77g碳以及3g粘結劑，然后研磨、混合均勻得到混合物料，將混合物料以10mpa壓力壓制成塊狀，在壓力為1~10pa，溫度1100℃的條件下還原80min得到氣態(tài)金屬鎵；其中活性碳為純度99%、粒度小于48μm的碳粉；

2、步驟1得到的氣態(tài)金屬鎵擴散至冷凝盤中，在壓力1~10pa下氣態(tài)金屬鎵向凝聚態(tài)轉變，冷卻至室溫后在冷凝蓋上獲得金屬鎵液滴；制備得到的金屬鎵xrd圖譜如圖2(c)所示。

實施例4

如圖1所示，該氧化鎵真空碳熱還原制備金屬鎵的方法如下：

1、向20g氧化鎵（氧化鎵純度為99.99%、粒度小于38μm）中加入30.98g碳以及5g粘結劑，然后研磨、混合均勻得到混合物料，將混合物料以6mpa壓力壓制成塊狀，在壓力為1~10pa、1200℃的條件下還原60min得到氣態(tài)金屬鎵；其中活性碳為純度99%、粒度小于48μm的碳粉；

2、步驟1得到的氣態(tài)金屬鎵擴散至冷凝盤中，在壓力1~10pa下氣態(tài)金屬鎵向凝聚態(tài)轉變，冷卻至室溫后在冷凝蓋上獲得金屬鎵液滴，制備得到的金屬鎵xrd圖譜如圖2(d)所示。

上面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作了詳細說明，但是本發(fā)明并不限于上述實施方式，在本領域普通技術人員所具備的知識范圍內(nèi)，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下作出各種變化。

技術特征：

1.一種氧化鎵真空碳熱還原制備金屬鎵的方法，其特征在于，具體步驟如下：

（1）向氧化鎵中加入活性碳以及粘結劑，混合均勻得到混合物料，將混合物料以5mpa~15mpa壓力壓制成塊狀，在壓力1pa~100pa、還原溫度800~1200℃、保溫時間60~150min條件下進行還原反應得到氣態(tài)金屬鎵，其中活性碳的添加量為理論添加量的2~8倍；

（2）步驟（1）得到的氣態(tài)金屬鎵揮發(fā)至冷凝盤內(nèi)，冷凝區(qū)溫度來源于還原區(qū)輻射傳輸?shù)臒崃?，氣態(tài)金屬鎵在壓力1pa~100pa下向凝聚態(tài)轉變，在冷凝盤上獲得易收集且結晶完好的金屬鎵。

2.根據(jù)權利要求1所述的氧化鎵真空碳熱還原制備金屬鎵的方法，其特征在于：步驟（1）中的氧化鎵純度為99.99%、粒度小于38μm。

3.根據(jù)權利要求1所述的氧化鎵真空碳熱還原制備金屬鎵的方法，其特征在于：步驟（1）中活性碳為純度99%、粒度小于48μm的碳粉。

4.根據(jù)權利要求1所述的氧化鎵真空碳熱還原制備金屬鎵的方法，其特征在于：步驟（1）中的粘結劑的添加量為混合物料質量的5%~10%。

技術總結

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

技術研發(fā)人員：謝克強;陳浩林;馬文會;呂國強;曲濤;黃海藝;紀文濤;閆時雨;袁曉磊;蘇開萌;毛志丹;楊斌;劉大春;戴永年

受保護的技術使用者：昆明理工大學

技術研發(fā)日：2020.03.19

技術公布日：2020.06.02