真空蒸餾法從粗銦中脫除鎘鋅鉈鉛的研究

　　利用純度為99.7%粗銦為原料,采用真空蒸餾的方法從粗銦中直接脫除鎘、鋅、鉈、鉛。分別進(jìn)行了蒸餾溫度、蒸餾時(shí)間、投料量等的條件實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明,控制真空度1~5 Pa,蒸餾溫度950℃,蒸餾120 min,可將粗銦中鎘、鋅、鉈、鉛可除至6N高純銦要求。并且以實(shí)驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)計(jì)算出產(chǎn)物中各種雜質(zhì)的揮發(fā)系數(shù)、分離系數(shù)、活度系數(shù),對(duì)銦的熱力學(xué)數(shù)據(jù)的完善有一定的參考意義。
　　
　　關(guān)鍵詞：銦;真空蒸餾;分離系數(shù);活度系數(shù)
　　
　　銦主要應(yīng)用在半導(dǎo)體、透明導(dǎo)電涂層( ITO) 、電子器件、有機(jī)金屬化合物等方面。這些材料的生產(chǎn)和加工均需要高純的金屬In[1], 如電子器件、有機(jī)金屬化合物中要求產(chǎn)品雜質(zhì)含量不超過10 Lg#g- 1。銦作為Ó-V 族化合物半導(dǎo)體材料, 在成品元件中大約1019 個(gè)Ó-V 族化合物原子中出現(xiàn)1 個(gè)異質(zhì)原子,這就要求純銦材料中的雜質(zhì)含量小于0101 Lg#g- 1,即要求銦的純度達(dá)99.999% , 甚至要求達(dá)99.9999%以上[2] 。因此, 高純金屬銦的研制和開發(fā)是一個(gè)急需解決的問題。
　　
　　目前, 粗銦的精煉一般都采用電解的方法。電解精煉的過程是利用控制電位的原理分離雜質(zhì)元素, 對(duì)于較銦更正或更負(fù)的元素, 分離效果較好, 但對(duì)于與銦的電位較接近的元素如鎘、鉈等, 在電解過程中則難以脫除。且對(duì)于電位較銦負(fù)的元素, 如鋅、鉛等, 其溶解于電解液中并在電解液中積累, 對(duì)電解液造成污染。在粗銦電解精煉過程中很難將鎘、鉈除去, 而鋅、鉛等將污染電解液, 增加電解液凈化難度和成本[3-4] 。因而, 如果能在粗銦電解精煉之前,采用一定的方法脫除鋅、鉛、鎘、鉈等雜質(zhì)元素, 無疑對(duì)銦的精煉有著重要意義。在現(xiàn)有的報(bào)道中, 粗銦中鎘、鉈的脫除一般都采用特殊試劑法。文獻(xiàn)[5] 報(bào)道了粗銦精煉中采用甘油碘化鉀-電解聯(lián)合法可獲得991995% 以上的銦。
　　
　　文獻(xiàn)[6] 報(bào)道了粗銦精煉中采用甘油碘化鉀法除鎘和氯化除鉈的研究。文獻(xiàn)[7] 對(duì)粗銦電解過程中酸度、乳化現(xiàn)象、一價(jià)銦離子的溶出等異常行為進(jìn)行了研究, 并提出了控制和消除異常電解行為的措施。文獻(xiàn)[8] 研究了電解精煉-區(qū)域熔煉法制備高純銦,控制較低的區(qū)熔速度, 可獲得99.9999% 以上的高純銦。文獻(xiàn)[9] 研究了粗銦電解過程中錫離子的行為,并提出了二價(jià)錫離子在陰極析出的可能機(jī)理和控制錫離子的方法。文獻(xiàn)[10] 研究了粗銦電解過程中電解液成分, 槽電壓等對(duì)精銦產(chǎn)品質(zhì)量的影響, 且控制理電解條件下, 可產(chǎn)出99.993% 的精銦。本文采用真空蒸餾的方法從粗銦中直接脫除鎘、鋅、鉈、鉛,取代了傳統(tǒng)試劑法除雜質(zhì), 不但雜質(zhì)脫除率高, 操作簡(jiǎn)單, 且大大改善了勞動(dòng)的環(huán)境, 整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程在密閉真空爐中進(jìn)行, 無氣體、灰塵排放, 對(duì)環(huán)境無污染,屬于綠色冶金方法[11-12] 。
　　
　　實(shí)驗(yàn)
　　
　　實(shí)驗(yàn)在自制的真空設(shè)備電阻爐上進(jìn)行, 實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖1。用電子天平準(zhǔn)確稱量試樣, 裝入高純石墨坩堝中, 將坩堝放入電阻爐反應(yīng)區(qū), 密封并抽真空達(dá)到預(yù)定真空度之后, 調(diào)整可控硅, 對(duì)電阻爐進(jìn)行升溫, 達(dá)到一定預(yù)定溫度后保溫。一定時(shí)間后降溫, 對(duì)反應(yīng)室放氣, 取出冷凝物如圖2 和殘余物如圖3, 稱量, 化驗(yàn)。所用原料試樣化學(xué)成分如表1 所示。根據(jù)真空分離粗銦中雜質(zhì)的主要因素分析, 實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了溫度、恒溫時(shí)間、料量等參數(shù)的條件實(shí)驗(yàn)。樣品采用德國(guó)ThennoScientific 公司生產(chǎn)的ELEMENT GD 檢測(cè)。
　　
　　結(jié)論
　　
　　(1) 真空蒸餾法提純粗銦工藝可行, 將粗銦在真空中蒸餾可以有效的除去銦中的Zn, Cd, Tl, Pb, 在z*佳化工藝條件下, 一次蒸餾后產(chǎn)物中Zn, Cd, Tl,Pb 的含量達(dá)到6N 銦的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
　　
　　(2) 條件實(shí)驗(yàn)表明, 溫度是影響粗銦真空蒸餾除雜的主要因素, 隨溫度增高, 雜質(zhì)脫除率明顯增高。同時(shí), 延長(zhǎng)蒸餾時(shí)間和降低料層厚度也有利于雜質(zhì)的脫除。
　　
　　(3) 在粗銦精煉過程中, 可以先采用真空蒸餾的方法脫除粗銦中的雜質(zhì)元素Cd, Tl, 然后再進(jìn)行電解的工藝。對(duì)目前只依靠甘油碘化法脫除Cd, Tl 的工藝是一個(gè)極大的改進(jìn)。
　　
　　(4) 計(jì)算了各雜質(zhì)在800, 850, 900, 950 e 時(shí)Zn,Cd,Tl, Pb 在銦中的分離系數(shù)和活度系數(shù), 計(jì)算結(jié)果見表2, 對(duì)銦的熱力學(xué)數(shù)據(jù)的完善有一定的參考意義。
　　
　　(5) 整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程在密閉真空爐中進(jìn)行, 操作簡(jiǎn)單, 無氣體、灰塵排放, 對(duì)環(huán)境無污染, 屬于綠色冶金方法。
　　
　　Abstract: A novel technology has been successfully developed to purify the 99.7% crude indium by removing the Cd,Zn,Tl and Pb impurities in vacuum distillation.The impacts of the distillation conditions,including the distillation temperature and time,thickness of the molten crude indium,and pressure,on the purity of indium were evaluated.Various parameters of basic interest,such as the volatile and separation coefficients as well as the activity quotient of the different impurities,were derived.The results show that under the optimized conditions:1～5 Pa,950℃,120 min,the content of Cd,Zn,Tl and Pb could be reduce to the standard of 6N by vacuum distillation.Possible mechanisms responsible for impurity evaporation were also tentatively discussed.
　　
　　Keywords: Indium,Vacuum distillation,Separation factor,Activity quotient
　　
　　基金項(xiàng)目: 云南省科技創(chuàng)新強(qiáng)省計(jì)劃(2009AA003);; 國(guó)家提高自主創(chuàng)新能力和高技術(shù)產(chǎn)業(yè)專項(xiàng)項(xiàng)目計(jì)劃
　　
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