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金属镓的主要应用是什么

第四周期ⅢA族元素,符号为Ga。1875年由法国的P.E.L.de布瓦博德朗在用光谱分析从闪锌矿得到的提取物时发现,为了纪念该发现者的祖国而将其命名为gallium,因法国的古代名称为Gallia。镓是一种稀有且分散的元素,自然界中常以微量分散于铝土矿、闪锌矿等矿石中。固体为蓝灰色,熔点为29.78℃,沸点为2403℃,相对密度为5.907,外表与锌相仿,液态为银白色,很像汞。它是近室温(21~30℃)下为液态的3种金属(汞、铯、镓)之一。

其固体具有复杂结构,纯液态镓有显著的过冷趋势,可过冷到-120℃,可以在冰浴内几天不结晶。它质软、性脆,在空气中稳定。加热可溶于酸和碱,与沸水反应剧烈,室温时仅与水略有反应,高温时能与大多数金属作用。由液态转化为固态时,膨胀率为3.1%,宜存放于塑料容器中。镓常用做光学玻璃、真空管、半导体的原料,特别是其液态温度范围极宽,可用来制作高温测量用温度计。镓加入铝中可制得可热处理的合金,镓和金的合金应用在装饰和镶牙方面,也用做有机合成的催化剂。它的几种化合物,如砷化物、锑化物、磷化物,具有半导体性能,用于电气和激光器、微波发生器、场致发光器件等固体装置上。镓可由锌矿熔炼出锌后的富集物中制得。


金属镓


1. 金属镓的全球分布及储量

全球金属镓主要分布在中国、加拿大、德国、法国、日本、哈萨克斯坦、澳大利亚和俄罗斯等国。2008年,镓的世界资源储量约18万吨。国外镓的资源储量约4~5万吨,国内镓的储量约13~14万吨,我国金属镓的资源储量约占世界总量的75%。2010年,内蒙古准格尔发现了一个世界上独特的与煤伴生的超大型镓矿床,据估算该矿床镓的保有储量为85.7万吨,这一发现改变金属镓的全球储量巨变,中国镓资源储量占世界总量的95%以上。

2. 金属镓的中国分布

中国金属镓主要分布在广西,贵州,河南,山西,云南等地。2005年,代世峰等人发现内蒙古准格尔矿区高铝粉煤灰、煤矸石中金属镓的含量在12-230μg/g,极具开发价值。2010年探明储量后,使得我国镓的资源分布发生了巨大变化。从镓资源分布类型来看,内蒙古的镓主要赋存在粉煤灰及煤矸石中,广西、贵州、河南、山西、吉林、山东等省区的镓主要存在于铝土矿中,云南、黑龙江等省的镓主要存在于锡矿或煤矿中,湖南等省区的镓主要存在于闪锌矿中。

应用领域:

镓常用作光学玻璃、真空管、半导体的原料。特别是它的液态温度范围大(熔点29.8℃,沸2403℃),可用来制作测高温的温度计。镓加入铝中可制得易受热处理的合金,镓和金的合金应用在装饰和镶牙方面,也用来作有机合成的催化剂。镓的几种化合物,如砷化物、锑化物、磷化物具有半导体性能,用于电器和激光器、微波发生器、场致发光器件等固体装置上。镓可由锌矿中熔炼出锌后的富集物中制得。

金属镓的用途与当今世界经济发展所倡导的低碳经济、绿色能源等发展有着密切的关系,与现代科技的很多高新产业密不可分。鉴于金属镓的重要性,越来越多的企业致力于镓产品的开发。目前我国金属镓的消费领域包括半导体和光电材料、太阳能电池、磁性材料、石油化工、医疗器械、新型合金等,其中半导体行业已成为镓*大的消费领域,约占总消费量的80%。随着镓行业的快速发展,尤其是半导体和太阳能电池行业,以及我国政府对LED行业发展规划的推动,金属镓市场将会面临更大的机遇和挑战,据欧盟预测显示在未来10~20年内,金属镓的全球消费量将会增加四倍。此外,我国国内金属镓回收能力较小,所以对镓的需求全部依靠原生镓支撑,这也将推动我国对镓回收技术研发。

1)从铝冶炼工业副产物中提取

金属镓目前,世界上约90%的金属镓是从炼铝工业的副产物中得到的。由于镓和元素铝的地球化学性质十分相似,所以自然界中的镓绝大部分以伴生的形式存在于铝土矿中。在对铝土矿进行溶解处理提取铝的过程中,镓与铝一起被溶解,以镓酸钠形式与铝酸钠一起进入溶液,从这种铝酸钠溶液中可获得金属镓。研究了用盐酸溶解铝土矿从中提取镓的工艺条件。含镓铝土矿磨细至200目,在500℃温度条件下焙烧3h,然后用6mol/L的盐酸溶液在液固体积质量比2.5∶1条件下浸出12h,镓以GaCl-4配离子形式进入溶液,浸出率大于94%。

2)从浸出液中提取镓通常可采用沉淀-电解法、

萃取法、树脂吸附法等。文献报道,向含Na2CO3120~376g/L、NaOH13~65g/L、Al2O36~32g/L、Ga0.01~0.1g/L的浸出液中通入CO2,维持温度在65~98℃范围内,搅拌2.5~7h,镓、铝以无定形水合物形式沉淀析出。从湿法炼锌渣中提取金属镓锌浸出渣是湿法炼锌的第yi副产物,由于其中富含镓、铟、锗等稀散金属,对其进行综合处理,具有较大的经济价值。文献报道,采用还原焙烧-磁选工艺,可有效地富集锌浸出渣中的镓。该方法是使锌浸出渣在1100℃下经回转窑焙烧15min,使渣中Zn、Pb等有价元素挥发析出,且使残渣尽可能不产生液相,以避免残渣中的镓等有价元素形成多元复杂化合物,然后将挥发残渣通过磁选分离富集Fe和Ga。研究表明,锌浸出渣中锌的挥发率达98.42%。挥发残渣经磁选所得精矿含铁90.16%,含镓2164g/t,铁、镓的回收率分别为87.78%和92.42%。窑渣或焙烧渣经酸浸,镓进入浸出液。从浸出液中富集镓可采用萃取法、树脂吸附法等。文献报道,以仲辛基苯氧基乙酸(简称CA-12)为萃取剂,在盐酸体系中可有效地萃取Ga3+。有机相为CA-12的煤油溶液,CA-12的浓度为4.6×10-3mol/L,有机相与水相的体积比为1∶1,pH=4.2,室温,萃取时间30min,镓的萃取率可达。除CA-12外,用2-乙基己基膦酸-单-2-乙基己基酯、有机磷化合物、Cyanex925等作萃取剂,均能有效地从浸出液中萃取Ga3+。

3)从刚玉渣中提取镓

刚玉渣是以铝矾土为原料,炼制棕刚玉时得到的低硅铁合金,其主要成分为:ΣFe68.8%,Si9.21%,Al2O311.61%,Ga0.034%。文献报道,以刚玉渣为原料,用硫酸浸出后,再中和沉淀除铁,然后用碱浸出、经电解提取金属镓。每吨渣中可提取金属镓0.25kg,同时可得到2.8t硫酸亚铁,100kgAl(OH)、370kgNa2CO3,43kg氧铁红。文献介绍了一种利用刚玉渣生产金属镓的装置。该装置由浸出塔、转盘萃取塔、反萃取塔、除杂萃取塔、蒸发罐等组成。将粉碎至40~60目的刚玉渣装入浸出塔中,用23%的盐酸溶液于60℃下浸出,浸出液用1∶1的磷酸三丁酯和甲苯溶液萃取,得到含镓有机相,然后在反萃取塔中用水反萃取,此时镓的质量浓度大于0.1g/L。加NaOH除铁后,再通过沉淀、电解即可得到金属镓。

4)从矿石中提取金属镓

以含镓和锗的复合矿石为原料,用硫酸直接浸出可提取金属镓。复合矿石中含Ga0.037%,Ge0.0965%,Fe16.9%,Zn1.52%,Si34.5%。矿石磨细后,经3段浸出得到富含有价金属Ga,Ge,Cu的浸出液。该浸出液用铁置换除铜,加H2S沉锗,溶剂萃取除铁后,加氨水使镓以Ga(OH)3形式沉淀析出。进一步溶解Ga(OH)3沉淀并纯化、电解即可得到金属镓。其中在3段浸出过程中,第1段采用40%的硫酸溶液,第2段采用连续通入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。经3步浸出,矿石中Ga和Ge的提取率分别达到98%和78%~80%。其中加入CaF2能促进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钠可从低品位复合矿石中直接提取Ga和Ge。文献报道,在含镓溶液中加入于500~800℃温度下焙烧活化过的含Al2O3的矿物如铝土矿作镓的萃取剂,利用铝和镓同族性质相似的特性,通过700~1400℃的高温作用,可实现镓的萃取,然后用纯碱或氢氧化钠溶液将Al、Ga溶解,得到含镓的偏铝酸钠溶液,或者用酸将Al、Ga溶解后,用氨水将Al、Ga沉淀析出,再用氢氧化钠溶液处理沉淀得到含镓的偏铝酸钠溶液。该溶液用一般的电解法处理即可得到金属镓。在用Al萃取镓时,需加入萃取加工助剂如硫酸铵或硫酸钙等。

5)从钒渣中提取金属镓

钒渣是钒钛磁铁矿(Ga的质量分数约0.004%)经雾化法提钒后得到的残渣。渣中镓可富集到0.01%~0.03%,是一种较好的提镓原料。文献报道,在含镓钒渣物料中,加入含有氯盐、碳粉、碳酸钠的焙烧剂,进行高温氯化焙烧,可将钒渣中的V、Ga分离,得到Ga质量分数0.18%以上的富集物,镓的提取率达80%以上。富集物经浸出、提纯、电解可得到纯度99.9%以上的金属镓。所用焙烧剂中的氯盐可以是NaCl,CaCl2或NH4Cl。焙烧剂的配比按料重的10%~60%加入,其中氯盐5%~40%,碳粉(或石油焦)3%~20%,碳酸钠5%~20%,氯化焙烧温度800~1300℃。


发布时间:2021-01-29
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