一种制备高纯镓的设备和方法技术

本发明专利技术涉及高纯镓制备领域，公开了一种制备高纯镓的设备和方法。本发明专利技术涉及制备高纯镓的设备，该设备包括具有锥形底部的封闭的结晶槽1，所述结晶槽1内部设置有沿着轴向设置的吸管12、围绕该吸管12设置的循环热水管13和围绕该循环热水管13设置的第一循环冷水管14，其中，该吸管12的下端靠近所述结晶槽1的锥形底部的锥点，该吸管12的上端向上延伸出所述结晶槽1。本发明专利技术还涉及制备高纯镓的方法。采用的本发明专利技术的设备和方法进行金属镓结晶，能够提高金属镓的纯度和收率，并可缩短结晶时间。

Equipment and method for preparing high-purity gallium

The invention relates to the field of high-purity gallium preparation, and discloses a device and a method for preparing high-purity gallium. The present invention relates to the preparation of high purity gallium equipment, the device includes a conical bottom closed crystallization tank 1, the crystallization tank 1 is arranged along the axial Straw circulating hot water set 12, around the 12 Straw pipes arranged in 13 and around the circulating hot water pipe 13 is provided with a first circulating water pipe 14 among them, the cone point, the lower end of the Straw 12 near the bottom of the groove 1 crystalline cone, the upper end of the Straw 12 extends upward from the crystallization tank 1. The invention also relates to a method for preparing high-purity gallium. The equipment and the method of the invention can be used for the crystallization of gallium metal, and the purity and the yield of the gallium gallium can be improved, and the crystallization time can be shortened.

【技术实现步骤摘要】
一种制备高纯镓的设备和方法
本专利技术涉及高纯镓制备领域，具体地，涉及一种制备高纯镓的设备和方法。
技术介绍
高纯镓是一种重要的稀散金属材料，广泛应用于半导体行业、电子信息和新能源(例如太阳能光伏，LED照明)等领域。目前全球高纯镓的消耗量约为200吨/年，且每年以超过20％的速度迅速增加。神华集团拥有全球最大的镓矿资源，储量高达85万吨，占全球已探明储量的82％。2013年3月3号，神华准能公司氧化铝中试厂生产出第一批纯度为99.99％(4N)的金属镓。而太阳能光伏领域铜铟镓硒薄膜所需要的高纯镓纯度至少为5N，半导体行业需要的纯度至少为6N。现有技术中对于纯度可以高达5N至7N的高纯镓的制备方法已有报道，其中，具体的制备方法大致可以分为电解纯化法、区域熔融法、拉晶法、通过熔体固化的再晶体法等，例如专利申请CN101386923A公开了一种高纯镓的制备方法，该方法为拉晶法，具体地，其制备方法包括用电子级去离子水清洗有机容器后，烘干；将2kg-25kg的镓原料加热熔融，将熔融的液态镓加入圆柱形有机容器内；环境温度控制在20℃-25℃，将圆柱形有机容器置于15℃-25℃的循环水浴中，镓液的液面高度低于水浴液面高度，且将循环水的流速控制在1.0L/h-3.0L/h；将5g-10g、纯度≥7N的镓均匀涂敷于圆柱形杆的一端，制成籽晶；将圆柱形杆的另一端与天平的称重端连接；步骤5：将圆柱形杆上涂有籽晶的部分置于镓液中心后，利用镓凝固时发生的体积膨胀，精确获得凝固镓的凝固质量和凝固质量分数；当凝固质量分数达到60％-90％时，取出固体镓，将液体倒出进行固液分离；获得的固体Ga，并以此作为镓原料；步骤7：重复步骤(1)-(6)两至七次，得到6N-8N的高纯镓。该方法的缺陷在于结晶的速度较低和结晶量较少，无法实现较大规模的连续生产，同时操作的稳定性也较差。另外，专利申请CN1566380A公开了一种用于制造化合物半导体的高纯度镓的纯化方法，具体公开了，该方法包括：一边搅拌装在容器内的液体状态的镓原料，一边使筒状的凝固界面从该容器的内壁面朝着容器中央的方法逐渐缩径地进行凝固，并在容器内的全部原料凝固之前使存在于容器中央部分的液相与液固相分离。其中，其搅拌是通过在结晶器内放置的转子的磁力搅拌来实现的，但是，结晶器内中间位置设置有吸管，转子可能会碰到吸管的下端，从而导致结晶过程中转子无法正常工作，结晶操作的可靠性较低。综上所述，目前已公布的几种镓提纯方法存在操作不稳定、效率低下等问题，急需一种可靠性较高且能够提高金属镓纯度的结晶方法和设备。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术中金属镓纯度较低且结晶的可靠性较低的缺陷，提供一种制备高纯镓的设备和方法。因此，为了实现上述目的，本专利技术提供一种制备高纯镓的设备，该设备包括具有锥形底部的封闭的结晶槽，所述结晶槽内部设置有沿着轴向设置的吸管、围绕该吸管设置的循环热水管和围绕该循环热水管设置的第一循环冷水管，其中，该吸管的下端靠近所述结晶槽的锥形底部的锥点，该吸管的上端向上延伸出所述结晶槽。优选地，所述设备还包括称重装置，所述称重装置包括残液容器和称重部件，所述吸管的上端向上延伸至与所述残液容器连通。更优选地，所述称重装置还包括用于调节所述残液容器内部压力的压力调节部件。优选地，所述结晶槽的锥形底部的锥角为5-80度，优选为10-60度，更优选为20-50度。优选地，所述循环热水管和所述第一循环冷水管各自为围绕着所述结晶槽轴向排布的螺旋管。优选地，作为第一循环冷水管的螺旋管的上边缘与所述结晶槽的顶部的垂直距离为结晶槽高度的2-20％。优选地，作为循环热水管的螺旋管与作为第一循环冷水管的螺旋管的螺旋直径之比为1：1.5-5，更优选为1：2-4；优选地，作为第一循环冷水管的螺旋管的螺旋直径与结晶槽的径向尺寸之比为1：8-30，更优选为1：10-20。优选地，作为第一循环冷水管的螺旋管的下边缘位于所述结晶槽的锥形底部以上。优选地，该设备还包括设置在所述结晶槽外壁上的第二循环冷水管。优选地，该设备还包括用于放置结晶槽并使得结晶槽锥形底部中的金属镓保持液态的热水水浴槽。另一方面，本专利技术提供了一种采用上述设备制备高纯镓的方法，该方法包括：在惰性气氛下，将液态的金属镓原料加入结晶槽中进行结晶，其中，在结晶的过程中，利用循环热水管中的循环热水和第一循环冷水管中的循环冷水调控结晶槽中的温度，产生的残液通过吸管排出结晶槽。优选地，所述方法还包括：在将液态的金属镓原料加入结晶槽之前，利用循环热水管中的循环热水和第一循环冷水管中的循环冷水将结晶槽内的温度调节至大于35℃。优选地，在结晶的过程中，控制第一循环冷水管中的循环冷水的温度为0-15℃。优选地，在结晶的过程中，所述循环热水管中的循环热水的入水温度为35-80℃，流量为5-30L/h；所述第一循环冷水管中的循环冷水的入水温度为2-25℃，流量为10-80L/h。优选地，根据通过吸管排出的残液的重量的检测结果来判断单次结晶的终点；更优选地，当排出的残液的重量占加入结晶槽中的金属镓原料重量的1.4-2％时，停止结晶。优选地，该方法还包括：在停止结晶之后，通过提高所述第一循环冷水管中的循环冷水的温度使得第一循环冷水管外壁附着的结晶熔化，并通过保持所述结晶槽的锥形底部的温度使得沉积在结晶槽的锥形底部中的结晶熔化，然后重复结晶过程。优选地，结晶过程中不加入晶种。本专利技术提供了一种控制结晶方向沿结晶槽轴向由上至下、沿着结晶槽径向由第一循环冷水管开始向内外反复熔融再结晶的高纯镓制备工艺，采用本专利技术的设备和结晶方法，可以实现金属镓的进一步提纯(金属镓纯度大于4N其中，4N表示99.99重量％的纯度)。相比于现有技术，本专利技术的方法和设备主要具有以下优势：(1)取消磁力搅拌，通过结晶过程反复抽吸及返回残液，实现过程的搅拌，并优选通过称取残液重量，来实时监测结晶程度与控制结晶终点；(2)采用具有锥形底部的结晶槽，由于该底部为锥形，具有一定斜度，因此，可以尽可能使结晶残液依靠自身重力流到结晶槽底部。另外，由于将中心管尽可能接近结晶槽的锥形底部的锥点，因此，可以尽可能抽取全部结晶残液，同时减少了结晶过程反复移动原中心吸液管的复杂操作。本专利技术的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。附图说明图1是本专利技术一种优选实施方式的制备高纯镓的设备和方法示意图；图2是本专利技术一种具体实施方式的第一循环冷水管和循环热水管的示意图；图3本专利技术一种具体实施方式的结晶槽测温点的设置方式；其中，图3a是结晶槽测温点设置的俯视图，图3b是结晶槽测温点设置的侧视图；图4是本专利技术实施例1中金属镓结晶实验过程中结晶槽内各测温点的温度变化曲线；图5是本专利技术实施例1中原料和产品中杂质含量的比较图。附图标记说明1结晶槽11盖子12吸管13循环热水管14第一循环冷水管15惰性气体入口16惰性气体出口17进料口18第二循环冷水管19热水水浴槽131循环热水管入口管线132循环热水管螺旋部分133循环热水管出口管线141第一循环冷水管入口管线142第一循环冷水管螺旋部分143第一循环冷水管出口管线2称重装置21残液容器22称重部件23压力调节部件具体实施方式以下对本专利技术的具体实施方式进行详细说明。应当本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备高纯镓的设备，其特征在于，该设备包括具有锥形底部的封闭的结晶槽(1)，所述结晶槽(1)内部设置有沿着轴向设置的吸管(12)、围绕该吸管(12)设置的循环热水管(13)和围绕该循环热水管(13)设置的第一循环冷水管(14)，其中，该吸管(12)的下端靠近所述结晶槽(1)的锥形底部的锥点，该吸管(12)的上端向上延伸出所述结晶槽(1)。

【技术特征摘要】
1.一种制备高纯镓的设备，其特征在于，该设备包括具有锥形底部的封闭的结晶槽(1)，所述结晶槽(1)内部设置有沿着轴向设置的吸管(12)、围绕该吸管(12)设置的循环热水管(13)和围绕该循环热水管(13)设置的第一循环冷水管(14)，其中，该吸管(12)的下端靠近所述结晶槽(1)的锥形底部的锥点，该吸管(12)的上端向上延伸出所述结晶槽(1)。2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备还包括称重装置(2)，所述称重装置(2)包括残液容器(21)和称重部件(22)，所述吸管(12)的上端向上延伸至与所述残液容器(21)连通。3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述称重装置(2)还包括用于调节所述残液容器(21)内部压力的压力调节部件(23)。4.根据权利要求1-3中任意一项所述的设备，其中，所述结晶槽(1)的锥形底部的锥角为5-80度，优选为10-60度，更优选为20-50度。5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述循环热水管(13)和所述第一循环冷水管(14)各自为围绕着所述结晶槽(1)轴向排布的螺旋管。6.根据权利要求5所述的设备，其中，作为第一循环冷水管(14)的螺旋管的上边缘与所述结晶槽(1)的顶部的垂直距离为结晶槽高度的2-20％。7.根据权利要求5所述的设备，其中，作为循环热水管(13)的螺旋管与作为第一循环冷水管(14)的螺旋管的螺旋直径之比为1：1.5-5，优选为1：2-4；作为第一循环冷水管(14)的螺旋管的螺旋直径与结晶槽(1)的径向尺寸之比为1：8-30，优选为1：10-20。8.根据权利要求5所述的设备，其中，作为第一循环冷水管(14)的螺旋管的下边缘位于所述结晶槽(1)的锥形底部以上。9.根据权利要求1所述的设备，其中，该设备还包括设置在所述结晶槽(1)外壁上的第二循环冷水管(18)。10...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵兴雷，李国涛，马瑞，钟振成，翁力，
申请(专利权)人：神华集团有限责任公司，北京低碳清洁能源研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11