CN110344081B - 一种湿法化学-电化学组合精炼制备高纯镓的方法 - Google Patents

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Abstract

一种湿法化学‑电化学组合精炼制备高纯镓的方法，包括以下步骤：先进行电化学造液，在阴极电流密度下进行预电解，制备获得50‑100 g/L镓酸钠溶液，作为镓电解精炼用电解液；进行化学洗，然后采用高纯水逐步稀释酸，并清洗5‑15次，获得电解精炼用阳极镓；铂片为阴极，进行电解精炼，在阴极区获得提纯镓；进行二段化学洗，然后用高纯水逐步稀释清洗5‑12次，获得7N镓。本发明优点是，粗镓提纯过程采用全湿法工艺，设备简单，投资小，操作容易；镓精炼工艺周期短、镓损失率小、成本低。

Description

一种湿法化学-电化学组合精炼制备高纯镓的方法
技术领域
本发明涉及材料制备领域，特别涉及一种超高纯金属镓湿法制备方法。
背景技术
镓(Ga)是一种与铝同族熔点仅为29.8℃的稀散金属，以氮化镓、砷化镓的形式在半导体领域已得到广泛应用。近年来，随着新能源、3D打印、柔性器件、LED、5G通信等高新技术产业的快速发展，对金属镓的需求日益增加，特别是急需高纯金属镓产品。目前，金属镓主要是从铝土矿生产氧化铝过程的循环母液中提出，通过离子交换富集和电积组合工艺，可以获得99.99％的粗镓。然而，为了满足高新技术产业发展要求，必须对粗镓进行精炼提纯，获得高纯金属镓。
目前，高纯金属镓(>99.9999％)的制备基本是通过湿法和火法多工艺结合。许开华等(200310115208.X)提出了一种低温电解和区域熔炼组合提纯制备高纯镓的方法，但区域熔炼设备复杂，操作工艺苛刻，且提纯周期长；王岭等(四川有色金属,2000,3:8-11)确立了一种化学处理、电解精炼、真空蒸馏、拉单晶的高纯镓生产工艺，同样存在周期长、生产效率低、设备和工艺要求苛刻、成本高等问题。
鉴于此，开发一种操作简单、周期短、成本低的高纯金属镓制备方法，具有重要的意义，将有望推动镓及其应用产业的快速发展。
发明内容
本发明目的是提供一种湿法化学-电化学组合精炼制备高纯镓的方法，具有设备简单、操作容易、提纯周期短和成本低的特点。
为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种湿法化学-电化学组合精炼制备高纯镓的方法，其特征在于包括以下步骤：
(a)电化学造液：在5-20％优级纯NaOH溶液中，30-50℃下，以99.99％粗镓为阳极，在0.05-1A/cm2阳极电流密度下进行电化学造液，进一步在阴极电流密度下进行预电解，制备获得50-100g/L镓酸钠溶液，作为镓电解精炼用电解液；
(b)一段化学洗：以99.99％粗镓为原料，采用0.1-0.8N优级纯酸在30-50℃下进行一段化学洗，时间2-30分钟，然后采用高纯水逐步稀释酸，并清洗5-15次，至溶液颜色由黑色至澄清，获得电解精炼用5N阳极镓；
(c)电解精炼：以步骤(a)的溶液为电解液，步骤(b)获得5N镓为阳极，铂片为阴极，进行电解精炼，温度30-50℃，阴极电流密度0.01-0.1A/cm2，阳极镓搅拌速率100-400rpm，在阴极区获得6N镓；
(d)二段化学洗：以步骤(c)获得的6N镓为原料，采用0.05-0.5N优级纯酸在30-40℃下进行二段化学洗，时间2-10分钟，然后采用高纯水逐步稀释，并清洗5-12次，获得7N镓。
所述电化学造液，溶液NaOH含量优选8-15％，阳极电流密度优选0.1-0.5A/cm2，预电解阴极电流密度0.4-0.8A/cm2；
所述优级纯酸为盐酸、硝酸、氢氟酸、磷酸中的一种或两种；
所述一段化学洗，优级纯酸浓度优选0.3-0.6N，时间优选3-10分钟，清洗次数优选8-10次；
所述电解精炼，温度优选35-45℃，阴极电流密度0.02-0.05A/cm2，阳极镓搅拌速率200-300rpm；
所述二段化学洗，优级纯酸浓度优选0.1-0.3N，时间优选4-6分钟，清洗次数优选6-8次。
相对于现有技术，本发明的优点如下：粗镓提纯过程采用全湿法工艺，设备简单，投资小，操作容易；镓精炼工艺周期短、镓损失率小、成本低。
附图说明
图1为本发明工艺流程图，
图2为7N高纯镓产品照片。
具体实施方式
参照具体实施例详细介绍本发明，但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，不仅仅限于本实施例。
表1为7N高纯镓杂质含量表
单位:ppm wt
元素 Na Mg Si Ca Cr Mn
含量 <0.001 <0.001 0.002 <0.005 <0.001 <0.001
元素 Fe Ni Cu Zn Sn Pb
含量 <0.001 0.001 0.03 0.04 <0.005 0.02
实施例1
在5％优级纯NaOH溶液中，50℃下，以99.99％粗镓为阳极，在0.05A/cm2阳极电流密度下进行电化学造液，进一步在阴极电流密度下进行预电解，制备获得50g/L镓酸钠溶液，作为镓电解精炼用电解液；以99.99％粗镓为原料，采用0.1N优级纯酸在50℃下进行一段化学洗，时间30分钟，然后采用高纯水逐步稀释酸，并清洗5次，至溶液颜色由黑色至澄清，获得电解精炼用阳极镓；铂片为阴极，进行电解精炼，温度30℃，阴极电流密度0.1A/cm2，阳极镓搅拌速率100rpm，在阴极区获得提纯镓；采用0.05N优级纯酸在40℃下进行二段化学洗，时间10分钟，然后采用高纯水逐步稀释，并清洗5次，获得7N镓。
实施例2
在20％优级纯NaOH溶液中，30℃下，以99.99％粗镓为阳极，在1A/cm2阳极电流密度下进行电化学造液，进一步在阴极电流密度下进行预电解，制备获得100g/L镓酸钠溶液，作为镓电解精炼用电解液；以99.99％粗镓为原料，采用0.8N优级纯酸在30℃下进行一段化学洗，时间2分钟，然后采用高纯水逐步稀释酸，并清洗15次，至溶液颜色由黑色至澄清，获得电解精炼用阳极镓；铂片为阴极，进行电解精炼，温度50℃，阴极电流密度0.01A/cm2，阳极镓搅拌速率400rpm，在阴极区获得提纯镓；采用0.5N优级纯酸在30℃下进行二段化学洗，时间2-分钟，然后采用高纯水逐步稀释，并清洗12次，获得7N镓。
实施例3
在10％优级纯NaOH溶液中，40℃下，以99.99％粗镓为阳极，在0.1A/cm2阳极电流密度下进行电化学造液，进一步在阴极电流密度下进行预电解，制备获得80g/L镓酸钠溶液，作为镓电解精炼用电解液；以99.99％粗镓为原料，采用0.3N优级纯酸在40℃下进行一段化学洗，时间5分钟，然后采用高纯水逐步稀释酸，并清洗8次，至溶液颜色由黑色至澄清，获得电解精炼用阳极镓；铂片为阴极，进行电解精炼，温度40℃，阴极电流密度0.02A/cm2，阳极镓搅拌速率200rpm，在阴极区获得提纯镓；采用0.1N优级纯酸在35℃下进行二段化学洗，时间6分钟，然后采用高纯水逐步稀释，并清洗6次，获得7N镓。
实施例4
在15％优级纯NaOH溶液中，35℃下，以99.99％粗镓为阳极，在0.5A/cm2阳极电流密度下进行电化学造液，进一步在阴极电流密度下进行预电解，制备获得100g/L镓酸钠溶液，作为镓电解精炼用电解液；以99.99％粗镓为原料，采用0.6N优级纯酸在30℃下进行一段化学洗，时间3分钟，然后采用高纯水逐步稀释酸，并清洗10次，至溶液颜色由黑色至澄清，获得电解精炼用阳极镓；铂片为阴极，进行电解精炼，温度35℃，阴极电流密度0.05A/cm2，阳极镓搅拌速率300rpm，在阴极区获得提纯镓；采用0.3N优级纯酸在35℃下进行二段化学洗，时间4分钟，然后采用高纯水逐步稀释，并清洗8次，获得7N镓。
实施例5
在8％优级纯NaOH溶液中，45℃下，以99.99％粗镓为阳极，在0.3A/cm2阳极电流密度下进行电化学造液，进一步在阴极电流密度下进行预电解，制备获得60g/L镓酸钠溶液，作为镓电解精炼用电解液；以99.99％粗镓为原料，采用0.4N优级纯酸在40℃下进行一段化学洗，时间10分钟，然后采用高纯水逐步稀释酸，并清洗8次，至溶液颜色由黑色至澄清，获得电解精炼用阳极镓；铂片为阴极，进行电解精炼，温度40℃，阴极电流密度0.06A/cm2，阳极镓搅拌速率200rpm，在阴极区获得提纯镓；采用0.3N优级纯酸在40℃下进行二段化学洗，时间5分钟，然后采用高纯水逐步稀释，并清洗7次，获得7N镓。
需要说明的是，按照本发明上述各实施例，本领域技术人员是完全可以实现本发明独立权利要求及从属权利的全部范围的，实现过程及方法同上述各实施例；且本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种湿法化学-电化学组合精炼制备高纯镓的方法，其特征在于包括以下步骤：
(a)电化学造液：在5-20％优级纯NaOH溶液中，30-50℃下，以99.99％粗镓为阳极，在0.05-1A/cm2阳极电流密度下进行电化学造液，进一步在阴极电流密度下进行预电解，制备获得50-100g/L镓酸钠溶液，作为镓电解精炼用电解液；
(b)一段化学洗：以99.99％粗镓为原料，采用0.1-0.8N优级纯酸在30-50℃下进行一段化学洗，时间2-30分钟，然后采用高纯水逐步稀释酸，并清洗5-15次，至溶液颜色由黑色至澄清，获得电解精炼用阳极镓，镓溶损率低于4％；
(c)电解精炼：以步骤(a)的溶液为电解液，步骤(b)获得5N镓为阳极，铂片为阴极，进行电解精炼，温度30-50℃，阴极电流密度0.01-0.1A/cm2，阳极镓搅拌速率100-400rpm，在阴极区获得提纯镓；
(d)二段化学洗：针对步骤(c)获得的提纯镓，采用0.05-0.5N优级纯酸在30-40℃下进行二段化学洗，时间2-10分钟，然后采用高纯水逐步稀释，并清洗5-12次，获得7N镓。
2.如权利要求1所述一种湿法化学-电化学组合精炼制备高纯镓的方法，其特征在于，所述电化学造液，溶液NaOH含量为8-15％，阳极电流密度为0.1-0.5A/cm2，预电解阴极电流密度0.4-0.8A/cm2。
3.如权利要求1所述一种湿法化学-电化学组合精炼制备高纯镓的方法，其特征在于，所述优级纯酸为盐酸、硝酸、氢氟酸、磷酸中的一种或两种。
4.如权利要求1所述一种湿法化学-电化学组合精炼制备高纯镓的方法，其特征在于，所述一段化学洗，优级纯酸浓度为0.3-0.6N，时间为3-10分钟，清洗次数为8-10次。
5.如权利要求1所述一种湿法化学-电化学组合精炼制备高纯镓的方法，其特征在于，所述电解精炼，温度为35-45℃，阴极电流密度0.02-0.05A/cm2，阳极镓搅拌速率200-300rpm。
6.如权利要求1所述一种湿法化学-电化学组合精炼制备高纯镓的方法，其特征在于，所述二段化学洗，优级纯酸浓度为0.1-0.3N，时间为4-6分钟，清洗次数为6-8次。
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