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    金屬鎵的主要應用是什么

    2020-12-22 14:24:23

    第四周期ⅢA族元素,符號為Ga。1875年由法國的P.E.L.de布瓦博德朗在用光譜分析從閃鋅礦得到的提取物時發現,為了紀念該發現者的祖國而將其命名為gallium,因法國的古代名稱為Gallia。鎵是一種稀有且分散的元素,自然界中常以微量分散于鋁土礦、閃鋅礦等礦石中。固體為藍灰色,熔點為29.78℃,沸點為2403℃,相對密度為5.907,外表與鋅相仿,液態為銀白色,很像汞。它是近室溫(21~30℃)下為液態的3種金屬(汞、銫、鎵)之一。

    其固體具有復雜結構,純液態鎵有顯著的過冷趨勢,可過冷到-120℃,可以在冰浴內幾天不結晶。它質軟、性脆,在空氣中穩定。加熱可溶于酸和堿,與沸水反應劇烈,室溫時僅與水略有反應,高溫時能與大多數金屬作用。由液態轉化為固態時,膨脹率為3.1%,宜存放于塑料容器中。鎵常用做光學玻璃、真空管、半導體的原料,特別是其液態溫度范圍極寬,可用來制作高溫測量用溫度計。鎵加入鋁中可制得可熱處理的合金,鎵和金的合金應用在裝飾和鑲牙方面,也用做有機合成的催化劑。它的幾種化合物,如砷化物、銻化物、磷化物,具有半導體性能,用于電氣和激光器、微波發生器、場致發光器件等固體裝置上。鎵可由鋅礦熔煉出鋅后的富集物中制得。


    金屬鎵


    1. 金屬鎵的全球分布及儲量

    全球金屬鎵主要分布在中國、加拿大、德國、法國、日本、哈薩克斯坦、澳大利亞和俄羅斯等國。2008年,鎵的世界資源儲量約18萬噸。國外鎵的資源儲量約4~5萬噸,國內鎵的儲量約13~14萬噸,我國金屬鎵的資源儲量約占世界總量的75%。2010年,內蒙古準格爾發現了一個世界上獨特的與煤伴生的超大型鎵礦床,據估算該礦床鎵的保有儲量為85.7萬噸,這一發現改變金屬鎵的全球儲量巨變,中國鎵資源儲量占世界總量的95%以上。

    2. 金屬鎵的中國分布

    中國金屬鎵主要分布在廣西,貴州,河南,山西,云南等地。2005年,代世峰等人發現內蒙古準格爾礦區高鋁粉煤灰、煤矸石中金屬鎵的含量在12-230μg/g,極具開發價值。2010年探明儲量后,使得我國鎵的資源分布發生了巨大變化。從鎵資源分布類型來看,內蒙古的鎵主要賦存在粉煤灰及煤矸石中,廣西、貴州、河南、山西、吉林、山東等省區的鎵主要存在于鋁土礦中,云南、黑龍江等省的鎵主要存在于錫礦或煤礦中,湖南等省區的鎵主要存在于閃鋅礦中。

    應用領域:

    鎵常用作光學玻璃、真空管、半導體的原料。特別是它的液態溫度范圍大(熔點29.8℃,沸2403℃),可用來制作測高溫的溫度計。鎵加入鋁中可制得易受熱處理的合金,鎵和金的合金應用在裝飾和鑲牙方面,也用來作有機合成的催化劑。鎵的幾種化合物,如砷化物、銻化物、磷化物具有半導體性能,用于電器和激光器、微波發生器、場致發光器件等固體裝置上。鎵可由鋅礦中熔煉出鋅后的富集物中制得。

    金屬鎵的用途與當今世界經濟發展所倡導的低碳經濟、綠色能源等發展有著密切的關系,與現代科技的很多高新產業密不可分。鑒于金屬鎵的重要性,越來越多的企業致力于鎵產品的開發。目前我國金屬鎵的消費領域包括半導體和光電材料、太陽能電池、磁性材料、石油化工、醫療器械、新型合金等,其中半導體行業已成為鎵*大的消費領域,約占總消費量的80%。隨著鎵行業的快速發展,尤其是半導體和太陽能電池行業,以及我國政府對LED行業發展規劃的推動,金屬鎵市場將會面臨更大的機遇和挑戰,據歐盟預測顯示在未來10~20年內,金屬鎵的全球消費量將會增加四倍。此外,我國國內金屬鎵回收能力較小,所以對鎵的需求全部依靠原生鎵支撐,這也將推動我國對鎵回收技術研發。

    1)從鋁冶煉工業副產物中提取

    金屬鎵目前,世界上約90%的金屬鎵是從煉鋁工業的副產物中得到的。由于鎵和元素鋁的地球化學性質十分相似,所以自然界中的鎵絕大部分以伴生的形式存在于鋁土礦中。在對鋁土礦進行溶解處理提取鋁的過程中,鎵與鋁一起被溶解,以鎵酸鈉形式與鋁酸鈉一起進入溶液,從這種鋁酸鈉溶液中可獲得金屬鎵。研究了用鹽酸溶解鋁土礦從中提取鎵的工藝條件。含鎵鋁土礦磨細至200目,在500℃溫度條件下焙燒3h,然后用6mol/L的鹽酸溶液在液固體積質量比2.5∶1條件下浸出12h,鎵以GaCl-4配離子形式進入溶液,浸出率大于94%。

    2)從浸出液中提取鎵通??刹捎贸恋?電解法、

    萃取法、樹脂吸附法等。文獻報道,向含Na2CO3120~376g/L、NaOH13~65g/L、Al2O36~32g/L、Ga0.01~0.1g/L的浸出液中通入CO2,維持溫度在65~98℃范圍內,攪拌2.5~7h,鎵、鋁以無定形水合物形式沉淀析出。從濕法煉鋅渣中提取金屬鎵鋅浸出渣是濕法煉鋅的第yi副產物,由于其中富含鎵、銦、鍺等稀散金屬,對其進行綜合處理,具有較大的經濟價值。文獻報道,采用還原焙燒-磁選工藝,可有效地富集鋅浸出渣中的鎵。該方法是使鋅浸出渣在1100℃下經回轉窯焙燒15min,使渣中Zn、Pb等有價元素揮發析出,且使殘渣盡可能不產生液相,以避免殘渣中的鎵等有價元素形成多元復雜化合物,然后將揮發殘渣通過磁選分離富集Fe和Ga。研究表明,鋅浸出渣中鋅的揮發率達98.42%。揮發殘渣經磁選所得精礦含鐵90.16%,含鎵2164g/t,鐵、鎵的回收率分別為87.78%和92.42%。窯渣或焙燒渣經酸浸,鎵進入浸出液。從浸出液中富集鎵可采用萃取法、樹脂吸附法等。文獻報道,以仲辛基苯氧基乙酸(簡稱CA-12)為萃取劑,在鹽酸體系中可有效地萃取Ga3+。有機相為CA-12的煤油溶液,CA-12的濃度為4.6×10-3mol/L,有機相與水相的體積比為1∶1,pH=4.2,室溫,萃取時間30min,鎵的萃取率可達100%。除CA-12外,用2-乙基己基膦酸-單-2-乙基己基酯、有機磷化合物、Cyanex925等作萃取劑,均能有效地從浸出液中萃取Ga3+。

    3)從剛玉渣中提取鎵

    剛玉渣是以鋁礬土為原料,煉制棕剛玉時得到的低硅鐵合金,其主要成分為:ΣFe68.8%,Si9.21%,Al2O311.61%,Ga0.034%。文獻報道,以剛玉渣為原料,用硫酸浸出后,再中和沉淀除鐵,然后用堿浸出、經電解提取金屬鎵。每噸渣中可提取金屬鎵0.25kg,同時可得到2.8t硫酸亞鐵,100kgAl(OH)、370kgNa2CO3,43kg氧鐵紅。文獻介紹了一種利用剛玉渣生產金屬鎵的裝置。該裝置由浸出塔、轉盤萃取塔、反萃取塔、除雜萃取塔、蒸發罐等組成。將粉碎至40~60目的剛玉渣裝入浸出塔中,用23%的鹽酸溶液于60℃下浸出,浸出液用1∶1的磷酸三丁酯和甲苯溶液萃取,得到含鎵有機相,然后在反萃取塔中用水反萃取,再在除雜萃取塔中用乙醚萃取含鎵水相兩次,得到含鎵乙醚有機相,蒸發除去乙醚得到含鎵水相,此時鎵的質量濃度大于0.1g/L。加NaOH除鐵后,再通過沉淀、電解即可得到金屬鎵。

    4)從礦石中提取金屬鎵

    以含鎵和鍺的復合礦石為原料,用硫酸直接浸出可提取金屬鎵。復合礦石中含Ga0.037%,Ge0.0965%,Fe16.9%,Zn1.52%,Si34.5%。礦石磨細后,經3段浸出得到富含有價金屬Ga,Ge,Cu的浸出液。該浸出液用鐵置換除銅,加H2S沉鍺,溶劑萃取除鐵后,加氨水使鎵以Ga(OH)3形式沉淀析出。進一步溶解Ga(OH)3沉淀并純化、電解即可得到金屬鎵。其中在3段浸出過程中,第1段采用40%的硫酸溶液,第2段采用連續通入SO2的100~120g/L的硫酸溶液或0.5~7mol/LH2SO4和0.15mol/LNa2S2O3的混合溶液,第3段用325~350g/L的H2SO4和一定量CaF2溶液浸出。經3步浸出,礦石中Ga和Ge的提取率分別達到98%和78%~80%。其中加入CaF2能促進Ga和Ge的浸出。研究表明,采用硫酸和SO2或用硫酸和硫代硫酸鈉可從低品位復合礦石中直接提取Ga和Ge。文獻報道,在含鎵溶液中加入于500~800℃溫度下焙燒活化過的含Al2O3的礦物如鋁土礦作鎵的萃取劑,利用鋁和鎵同族性質相似的特性,通過700~1400℃的高溫作用,可實現鎵的萃取,然后用純堿或氫氧化鈉溶液將Al、Ga溶解,得到含鎵的偏鋁酸鈉溶液,或者用酸將Al、Ga溶解后,用氨水將Al、Ga沉淀析出,再用氫氧化鈉溶液處理沉淀得到含鎵的偏鋁酸鈉溶液。該溶液用一般的電解法處理即可得到金屬鎵。在用Al萃取鎵時,需加入萃取加工助劑如硫酸銨或硫酸鈣等。

    5)從釩渣中提取金屬鎵

    釩渣是釩鈦磁鐵礦(Ga的質量分數約0.004%)經霧化法提釩后得到的殘渣。渣中鎵可富集到0.01%~0.03%,是一種較好的提鎵原料。文獻報道,在含鎵釩渣物料中,加入含有氯鹽、碳粉、碳酸鈉的焙燒劑,進行高溫氯化焙燒,可將釩渣中的V、Ga分離,得到Ga質量分數0.18%以上的富集物,鎵的提取率達80%以上。富集物經浸出、提純、電解可得到純度99.9%以上的金屬鎵。所用焙燒劑中的氯鹽可以是NaCl,CaCl2或NH4Cl。焙燒劑的配比按料重的10%~60%加入,其中氯鹽5%~40%,碳粉(或石油焦)3%~20%,碳酸鈉5%~20%,氯化焙燒溫度800~1300℃。

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