高纯砷的生产方法技术

高纯砷的生产方法。涉及一种半导体基础材料超高纯α型砷的生产方法。本发明专利技术采用了以下几个步骤：首先是将砷和铅按１∶１．５～４的比例形成铅砷合金；然后，通过将铅砷合金在真空环境中通过加热进行分离，制得纯度为９９．９９９％砷和铅砷合金；再将上述砷在氢气氛中升华制得纯度为９９．９９９９９％的砷。本发明专利技术综合了铅熔池法和氯化精馏还原法的优点，并克服了它们的缺点。提出先形成砷铅合金，再从砷铅合金中把砷升华分离出来，分离出的砷在氢气氛中升华得到纯度为７Ｎ砷；与本发明专利技术的生产方法配套的专用合成坩埚、真空罐、锥形筒、氢气氛石英升华管，成本低，投资少，其性能保证了本发明专利技术在产业化生产中投资小、产能高、成本低、质量好。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种非金属材料的提纯生产方法，尤其涉及一种半导体基础材料超高纯α型砷的生产方法。
技术介绍
高纯α型砷是制备光电子、微电子砷化镓；红外光纤、红外透镜As2Se3、As2Te3等红外透视玻璃；感光鼓膜As-Se合金的必备材料，材料纯度越高越能显示出材料的本征特性，越能发挥材料的应用价值，以高纯α型砷为基础材料的砷化镓、红外透视玻璃和电子工业用含砷合金的民用普及使高纯砷的需求以每年25％-30％的速度递增。目前，全世界高纯α型砷的生产方法主要以氯化精馏法为主，其次有铅熔池升华法、砷化氢裂解法进行小批量生产，各有其优缺点。氯化精馏还原法是生产高纯砷通用经典的方法。其优点①从原料进料到产品出料都在管道里完成工艺，对生产车间的洁净条件要求不严，只需保证出产品的局部区域空气环境达到超净；②6N产品质量比较稳定。其缺点①三氯化砷是强腐蚀强氧化剂，制作三氯化砷精馏塔的材料只有石英玻璃能抗三氯化砷的腐蚀，国际上建立一套年产20吨的精馏塔投资不少于2500万美元(仅有德国能加工这样的石英塔，日本古河年产20吨的精馏塔德国制造，投资2500万美元)，国内由于石英加工水平限制，所有产家都使用φ10壁厚5mm左右小塔，产能低、塔容易损坏，产品综合成本高，产品质量不稳定；②国内石英精馏塔不能制做成整体塔，连接部份三氯化砷气体容易泄漏造成污染，并有大量反应釜高组分三氯化砷废料，同时还原尾气有大量盐酸蒸气，处理不好极易对环境产生破坏性影响或人员伤亡；③反应釜中三氯化砷杂质浓度高时容易发生跳沸，使精馏塔产生震动，造成石英塔身破坏性损坏，对操作人员安全及环境带来破坏性影响。铅熔池法该方法于1965年上海冶金研究所提出并研制出6N砷，其方法是砷在融熔的铅里升华。其优点工艺过程为物理过程，工艺在负压真空系统里完成工艺，出料进料均为固体，彻底解决了高纯砷生产的污染问题，是安全无污染的生产方法。其缺点铅的比重是砷的比重的2倍，当铅熔化时砷快速的浮向铅熔液表面，对砷中的杂质提纯效果不明显，在砷为100～200g范围的试验质量很好，砷＞200g的杂质含量达不到质量要求，不能用于产业化生产。砷化氢裂解法该方法优点是质量比其它任何方法生产的高纯砷质量都好，成本与氯化精馏相当。其缺点是砷化氢为无色无味的剧烈毒气，一旦发生泄漏对生产工人及环境带来极大的安全隐患。目前仅国外用于小范围生产高纯α型砷，没有实现产业化。
技术实现思路
本专利技术针对以上问题，提供了一种对操作人员及环境不会有影响，设备投资小，产品纯度高，加工成本低的。本专利技术的技术方案是采用以下步骤1)、按照1比1.5～4的重量比例将原料砷和原料铅在坩埚中加热，加热温度为330～550℃，至充分合成，冷却后制得铅砷合金；2)、在上述装有合金的坩埚口部连接一锥形筒，将其置入真空罐，调整罐内压力至5～500Pa，对真空罐加热，真空罐对应坩埚部位加热温度为320～500℃，真空罐对应锥形筒部位加热温度为250～350℃，持续约7.5~10小时，砷凝结在筒上部的侧壁上，制得纯度为99.999％的砷，在坩埚内制得铅砷合金；3)、将上述的砷取出，置入一容器，该容器设进、出气口，往进气口输入氩气，排除容器中的空气，将容器加热至610～650℃，形成砷蒸气及微量杂质蒸气，再由进气口输入压力为0.04～0.05Mpa、流量为0.5L/S的氢气，形成混合气体，容器的出气口连接一长石英反应管道A；4)、上述混合气体进入长石英反应管A，对管道A进行加热至温度为750～1100℃，气体通过石英反应管A进入一与石英反应管A连接的石英管B；5)、对石英管B加热至温度为350～400℃，在石英管B内壁凝结纯度为99.99999％的α型砷，在石英管B后连接石英管C；6)、石英管C不加热，石英管B内的气体继续通过石英管C，上述气体中余留的砷蒸气在石英管C内壁凝结，形成β、γ型砷；7)、石英管C后连接一排气管，排出尾气；8)、最后，尾气通入熔碱，处理，排放。所述的坩埚在加热时密封，并转动。所述的容器的材质为石英。所述的石英反应管A内交错设置石英隔板。本专利技术综合了铅熔池法和氯化精馏还原法的优点，并克服了它们的缺点。提出先形成砷铅合金，并在试验中总结出砷和铅的最佳配比，砷铅比为1比1.5～4，再从砷铅合金中把砷升华分离出来，分离出的砷在氢气氛中升华得到纯度为7N砷，与本专利技术的生产方法配套的专用合成坩埚、真空罐、锥形筒、氢气氛石英升华管，成本低，投资少，其性能保证了本专利技术在产业化生产中投资小、产能高、成本低、质量好。本专利技术还解决了高纯砷生产投资规模大的问题，用很少的投资就可实现产业化。砷和铅在可360°转动的炉子里均匀的形成合金，保证了砷中杂质充分与铅形成合金，从而改变了砷中杂质的物性，提高了主元素砷与杂质的温度梯度，使分离出来的砷杂质浓度除杂质铅外达到氯化精馏法的同样水平，经氢气氛升华除去砷中的杂质铅，同时使砷中合成时残余的微量硫、碲、氧等杂质除得更干净，得到7N超高纯砷，本专利技术将产生以下积极效果。首先，本专利技术主要为物理过程，不产生有毒有害的中间化合物，彻底解决了污染问题和安全隐患，实现了绿色无污染生产高纯砷。其次，本专利技术除氧气氛升华使用石英外，合成及分离设备全部为可重复使用的特种金属材料制造，不再使用易损块的石英玻璃，使投资大大降低，以投资年产20吨7N高纯砷生产线为例，氯化精馏仅国内制造设备要投资2000万左右，而本专利技术仅需500万左右，投资比氯化精馏法节省75％。然后，氯化精馏生产综合成本约55万元/吨，本专利技术由于大量减少石英损耗，同时分离后的尾料可做产品出售，生产成本为25万元/吨，比氯化精馏成本降低55％。最后，氯化精馏没有7N产品专有工艺，产品中根据经验中部1/3为7N，头尾为6N，容易出现7N产品不稳定，本专利技术为7N产品专用工艺，所出产品全部为7N产品，产品附加值提高30％。氯化精馏和本专利技术的质量检测比较表单位PPm 年产10吨7N高纯砷投资、原材料消耗、吨成本及污染比较表 附图说明图1是本专利技术中主元素砷与其他元素的蒸气压、温度对照2是本专利技术中主元素砷与硒化铅、硫化铅的蒸气压、温度对照图具体实施方式实施例1首先，原料砷和原料铅按照1比1.5的重量比例配制，其中的砷为1～2cm的颗粒状，将两者置入坩埚，密封坩埚，对坩埚加热，加热温度为330℃，在加热过程中对坩埚中的物质进行搅拌或将坩埚转动，至充分合成，冷却后制得铅砷合金；将坩埚置入一可转动的电炉内，电炉中部的两外侧壁上设有转轴，该转轴的轴线水平，且垂直于电炉的轴线。砷的升华温度为613℃，铅的溶化温度为327.4℃。设铅砷总质量为10Kg，加热温度为330℃时，合成时间约为8~10小时。制得铅砷合金。然后，在上述装有合金的坩埚口部连接一锥形金属筒，该筒的形状上大下小，与坩埚连成一体，置入一真空罐，抽真空，并对真空罐加热，当压力为5Pa时，对应坩埚部位加热温度为320℃，对应锥形筒部位加热温度为250℃，通过热辐射，使物料受热。根据物料质量，选取不同的加热时间，当物料为10Kg时，加热时间约7.5~10小时，砷凝结在筒上部的侧壁上，制得纯度为99.999％的砷。在坩埚内制得铅砷合金。此时，5N砷中的杂质主要以Pb为主，砷蒸气在熔融的铅里本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高纯砷的生产方法，其特征在于，采用以下步骤：１）、按照１比１．５～４的重量比例将原料砷和原料铅在坩埚中加热，加热温度为３３０～５５０℃，至充分合成，冷却后制得铅砷合金；２）、在上述装有合金的坩埚口部连接一锥形筒，将其置入 真空罐，调整罐内压力至５～５００Ｐａ，对真空罐加热，真空罐对应坩埚部位加热温度为３２０～５００℃，真空罐对应锥形筒部位加热温度为２５０～３５０℃，持续约７．５～１０小时，砷凝结在筒上部的侧壁上，制得纯度为９９．９９９％的砷，在坩埚内制得铅砷合金；３）、将上述的砷取出，置入一容器，该容器设进、出气口，往进气口输入氩气，排除容器中的空气，将容器加热至６１０～６５０℃，形成砷蒸气及微量杂质蒸气，再由进气口输入压力为０．０４～０．０５Ｍｐａ、流量为０．５Ｌ／Ｓ的氢气，形成混合 气体，容器的出气口连接一长石英反应管道Ａ；４）、上述混合气体进入长石英反应管Ａ，对管道Ａ进行加热至温度为７５０～１１００℃，气体通过石英反应管Ａ进入一与石英反应管Ａ连接的石英管Ｂ；５）、对石英管Ｂ加热至温度为３５０～４００℃ ，在石英管Ｂ内壁凝结纯度为９９．９９９９９％的α型砷，在石英管Ｂ后连接石英管Ｃ；６）、石英管Ｃ不加热，石英管Ｂ内的气体继续通过石英管Ｃ，上述气体中余留的砷蒸气在石英管Ｃ内壁凝结，形成β、γ型砷；７）、石英管Ｃ后连接一排气管， 排出尾气；８）、最后，尾气通入熔碱，处理，排放。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张世才，杨华民，
申请(专利权)人：扬州高能新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]