本发明涉及一种氧化镓真空碳热还原制备金属镓的方法，属于稀散金属真空冶金技术领域，具体为一种金属镓的清洁、高效制备方法。
背景技术：
镓是7类主要稀散元素之一，在地壳中的含量为5×10-4%~1.5×10-3%，其熔点仅为29.78℃，被称为放在人的手中即可熔化的金属，熔化时为银白色液体，过冷至0℃时也不固化。镓属于两性物质，溶于强酸和强碱。镓在室温下较稳定，但在高于1000℃氧或空气中会氧化，且杂质越多越易氧化。常温下，镓在干燥空气中比较稳定，因为生成的氧化物薄膜会阻止其继续氧化，而在潮湿空气中会被氧化失去光泽，加热至500℃时则会燃烧。镓在约1000℃的空气中燃烧成为ga2o3，当表面形成低价氧化物gao或gao的薄膜后，就会保护镓不被继续氧化。“液态金属”镓在科技飞速发展进程中需求量不断增长。
镓是重要的稀散金属，在
光伏、信息通讯、电子科技、航空、军事等高新技术领域具有广泛应用，是我国战略性新兴产业发展的重要资源。镓及其化合物在
半导体材料的大规模应用，给照明工业带来革命性的变化，现又向电力电子和射频功率器件市场渗透；近年来，镓及其化合物在放射性药物化学的应用显著，镓(ga)是继铂之后第二种用于癌症治疗的金属离子，放射性镓用于诊断癌症，此外，镓还以硝酸镓、氯化镓等形式应用于医学及生物学领域，用于恶性肿瘤、晚期高血钙及某些骨病的诊断和治疗；镓的特殊用途之一，用作金属与陶瓷间的冷焊剂，特别适用于对温度、导热等敏感的薄壁金属管、板或片等与陶瓷器皿间的冷焊剂。
世界上90%以上的镓是从
氧化铝生产过程中作为副产品回收。镓的主要富集物为
铝土矿生产氧化铝过程中的铝酸钠母液、
湿法炼锌过程中的浸出渣、氯化蒸馏提锗过程中的氯化残液或残渣、(铅)锌生产过程中的方铁矿、钛钒铁矿中的钒渣和煤燃烧过程中的煤烟尘。镓的冶金提取技术主要包括电解法、萃取法、离子交换法和膜分离法等，镓在上述各种原料中赋存方式不同，提取方法也多样。提取过程中往往还要多次富集，通常需要多种方法联合使用。
镓在自然界的含量比较低，在地壳中其丰度与铅相当，含量为0.0015%。但镓在地壳中分布极其分散，几乎没有形成具有工业开采价值的独立矿床。迄今为止，世界上已知单独为提炼镓而开采的矿床仅有美国犹他州的apex矿。镓常以同晶型的杂质状态分散于铝土矿、闪锌矿、黄铜矿、煤和磷灰石中，与铝土矿、闪锌矿等矿物紧密共生。在制备镓新技术的研究上，真空精炼法通过真空治金将蒸气压比金属镓大的杂质通过挥发除去。对电解镓进行真空精炼可使镓的纯度提高一个等级。真空精炼提纯镓工艺过程简短，镓直收率高，同时镓的高沸点、低挥发致使镓与许多杂质得到相当大程度的分离。
技术实现要素：
针对现有金属镓制备技术存在的问题及不足，本发明提供了一种氧化镓真空碳热还原制备金属镓的方法，本发明以氧化镓为提取金属镓的原料，活性碳为还原剂，通过碳热还原过程使氧化镓转变生产气态金属镓，气态金属镓在压力1~10pa，保温60~150min条件下经冷凝后制得结晶良好的固体金属镓，本发明方法降低了金属镓的生产成本。
目前采用真空冶金技术制备金属镓的相关研究鲜有报道，本发明在前期氧化镓真空碳热还原温度场有限元模拟的基础上，采用真空冶金技术使得碳热还原反应在一定还原温度下有效发生，通过控制冷凝区温度，使得气态金属镓在冷凝盘中有效冷凝富集；本发明属于清洁生产工艺，全流程无废渣、废气产生，实验所得残渣可作为活性碳粉重复使用，且具有工艺流程短，操作简单等特点。
本发明氧化镓真空碳热还原制备金属镓的方法如下：
步骤1、将向氧化镓中配入活性碳、粘结剂，混合均匀得到混合物料，将混合物料以5mpa~15mpa压力压制成块状，在压力1pa~100pa、还原温度800~1200℃、保温时间60~150min下发生还原反应，得到的气态金属镓，其中活性碳的配入量为理论添加量的2~8倍；
（1）
步骤2、步骤1得到的气态金属镓扩散至冷凝盘中，在压力1~100pa下向凝聚态转变，如式(2)所示，冷凝区温度来源于还原区辐射传输的热量，通过控制还原温度进而控制冷凝区温度在350~550℃，在冷凝盘上获得易收集且结晶完好的金属镓；
（2）。
所述步骤1中的氧化镓纯度为99.99%、粒度小于38μm。
所述步骤1中的活性碳为纯度99%、粒度小于48μm的碳粉。
所述步骤1中的粘结剂的加入量为混合物料质量的5%~10%。
本发明的有益效果是：
本发明属于清洁生产工艺，热量由电能转化所得，实验过程中无需加入任何其他添加剂以及燃料等，全流程无废渣、废气产生，实验所得残渣可作为活性碳粉循环利用，且具有工艺流程短，操作简单等特点。
附图说明
图1是本发明工艺流程图；
图2是本发明实施例1~4冷凝得到的金属镓的xrd图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明保护范围不局限于所述内容。
实施例1
如图1所示，该氧化镓真空碳热还原制备金属镓的方法如下：
1、向20g氧化镓（氧化镓纯度为99.99%、粒度小于38μm）中加入15.46g碳以及3g粘结剂，然后研磨、混合均匀得到混合物料，将混合物料以12mpa压力压制成块状，在压力为1~10pa、900℃条件下还原150min得到气态金属镓；其中活性碳为纯度99%、粒度小于48μm的碳粉；
2、步骤1得到的气态金属镓扩散至冷凝盘中，在压力1~10pa下气态金属镓向凝聚态转变，冷却至室温后在冷凝盖上获得金属镓液滴；制备得到的金属镓xrd图谱如图2(a)所示。
实施例2
如图1所示，该氧化镓真空碳热还原制备金属镓的方法如下：
1、向20g氧化镓（氧化镓纯度为99.99%、粒度小于38μm）中加入15.46g碳以及3g粘结剂，然后研磨、混合均匀得到混合物料，将混合物料以15mpa压力压制成块状，在压力为1~10pa、1000℃条件下还原90min得到气态金属镓；其中活性碳为纯度99%、粒度小于48μm的碳粉；
2、步骤1得到的气态金属镓扩散至冷凝盘中，在压力1~10pa下气态金属镓向凝聚态转变，冷却至室温后在冷凝盖上获得金属镓液滴；制备得到的金属镓xrd图谱如图2(b)所示。
实施例3
如图1所示，该氧化镓真空碳热还原制备金属镓的方法如下：
1、向20g氧化镓（氧化镓纯度为99.99%、粒度小于38μm）中加入7.77g碳以及3g粘结剂，然后研磨、混合均匀得到混合物料，将混合物料以10mpa压力压制成块状，在压力为1~10pa，温度1100℃的条件下还原80min得到气态金属镓；其中活性碳为纯度99%、粒度小于48μm的碳粉；
2、步骤1得到的气态金属镓扩散至冷凝盘中，在压力1~10pa下气态金属镓向凝聚态转变，冷却至室温后在冷凝盖上获得金属镓液滴；制备得到的金属镓xrd图谱如图2(c)所示。
实施例4
如图1所示，该氧化镓真空碳热还原制备金属镓的方法如下：
1、向20g氧化镓（氧化镓纯度为99.99%、粒度小于38μm）中加入30.98g碳以及5g粘结剂，然后研磨、混合均匀得到混合物料，将混合物料以6mpa压力压制成块状，在压力为1~10pa、1200℃的条件下还原60min得到气态金属镓；其中活性碳为纯度99%、粒度小于48μm的碳粉；
2、步骤1得到的气态金属镓扩散至冷凝盘中，在压力1~10pa下气态金属镓向凝聚态转变，冷却至室温后在冷凝盖上获得金属镓液滴，制备得到的金属镓xrd图谱如图2(d)所示。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
技术特征：
1.一种氧化镓真空碳热还原制备金属镓的方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）向氧化镓中加入活性碳以及粘结剂，混合均匀得到混合物料，将混合物料以5mpa~15mpa压力压制成块状，在压力1pa~100pa、还原温度800~1200℃、保温时间60~150min条件下进行还原反应得到气态金属镓，其中活性碳的添加量为理论添加量的2~8倍；
（2）步骤（1）得到的气态金属镓挥发至冷凝盘内，冷凝区温度来源于还原区辐射传输的热量，气态金属镓在压力1pa~100pa下向凝聚态转变，在冷凝盘上获得易收集且结晶完好的金属镓。
2.根据权利要求1所述的氧化镓真空碳热还原制备金属镓的方法，其特征在于：步骤（1）中的氧化镓纯度为99.99%、粒度小于38μm。
3.根据权利要求1所述的氧化镓真空碳热还原制备金属镓的方法，其特征在于：步骤（1）中活性碳为纯度99%、粒度小于48μm的碳粉。
4.根据权利要求1所述的氧化镓真空碳热还原制备金属镓的方法，其特征在于：步骤（1）中的粘结剂的添加量为混合物料质量的5%~10%。
技术总结
本发明公开了一种用氧化镓真空碳热还原制备金属镓的方法，属于稀散金属真空冶金技术领域；本发明方法是将氧化镓中加入活性碳和粘结剂，混合均匀得到混合物料，将混合物料压制成块状，在压力为1Pa~100Pa、温度800～1200℃的条件下还原得到气态金属镓，通过控制冷凝区温度，在冷凝盖上获得易收集且结晶完好的金属镓；本发明流程简单，操作简单，制备过程中无需加入任何其他添加剂以及燃料，且剩余的活性碳粉可重复使用，成本低，适于工业化生产和市场推广应用。
技术研发人员：谢克强;陈浩林;马文会;吕国强;曲涛;黄海艺;纪文涛;闫时雨;袁晓磊;苏开萌;毛志丹;杨斌;刘大春;戴永年
受保护的技术使用者：昆明理工大学
技术研发日：2020.03.19
技术公布日：2020.06.02
声明：
“氧化镓真空碳热还原制备金属镓的方法与流程” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：昆明理工大学
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2024年11月22日 ~ 24日 
