способ электрохимического рафинирования галлия

Формула изобретения

Способ электрохимического рафинирования галлия, включающий перевод чернового галлия в электролит путем анодного растворения в щелочном электролите в электролизере, разделенном на катодное и анодное пространства, восстановление ионизированного галлия на катоде, отличающийся тем, что анодное и катодное пространства разделяют пористой электропроводящей диафрагмой с размером пор от 50 до 500 мкм при подсоединении ее к отрицательному электроду при подаче напряжения от независимого источника с силой тока, составляющей 0,1-0,4 части от силы тока на электролизере.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам рафинирования галлия и может быть использовано в электронной промышленности, цветной металлургии и других отраслях, занимающихся переработкой галлийсодержащего сырья.

Известен способ (Н.А.Любимов, Н.А.Фомина, Н.П.Селехова, Н.С.Горбачева, Л.П.Рузинов. «Научные труды ГИРЕДМЕТа», 1972, с.119-134), включающий проведение процессов электрохимического рафинирования галлия в термостатируемых электролизерах, анодное и катодное пространства которых разделены капроновой диафрагмой.

Основным недостатком предлагаемого способа является низкая степень очистки катодного галлия. Это объясняется тем, что капроновая диафрагма используется только для отделения катодной области от взвеси шлама, образующегося в процессе электролиза в анодной области. Примеси, перешедшие в электролит из анодной области в виде ионов, восстанавливаются на катоде. Это приводит к загрязнению продукта - катодного галлия.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является способ электрохимической очистки галлия и его сплавов от примесей (С 22 В 58/00, С 25 С 1/22 SU 1170793 A заявл. 09.06.83. авторов: С.П.Яценко, В.Н.Диев, Э.Н.Диева, В.Г.Хаяк, А.С.Панов и Г.М.Рубинштейн), включающий анодное растворение исходного материала в щелочном электролите в электролизере, где анод помещен в капроновые мешочки и чехлы из оргстекла с проделанными отверстиями, с выделением на катоде очищенного металла. С целью повышения степени очистки галлия от цинка процесс осуществляют с введением в электролит сульфид-иона в количестве 1,0-4,5% при циркуляции электролита с кратностью обмена 0,5-2,0 об/час.

Основным недостатком способа является низкая степень очистки от электроположительных примесей, например от Sn, In, Cu, Pb, а введение в электролит сульфид-иона позволяет повысить степень очистки только от одной примеси - цинка. На эффективность очистки от других примесей введение сульфид-иона не влияет. Кроме того, в этом способе затруднена операция регенерации электролита после окончания процесса электролиза.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение степени очистки галлия от электроположительных примесей, например от Sn, In, Cu, Pb.

Технический результат, обеспечиваемый изобретением, достигается тем, что в данном способе электрорафинирования галлия, включающем перевод чернового галлия в электролит путем анодного растворения в щелочном электролите в электролизере, разделенном на катодное и анодное пространства, восстановление ионизированного галлия на катоде, при этом анодное и катодное пространства разделены электропроводящей пористой диафрагмой с размером ячеек от 50 мкм до 500 мкм при подсоединении ее к отрицательному электроду при подаче напряжения от независимого источника с силой тока, составляющей 0,1-0,4 части от силы тока на электролизере.

При использовании электрохимического рафинирования в щелочном электролите в анодной области происходит ионизация галлия. Примеси, имеющие электродный потенциал более положительный чем у галлия, например олово, индий, никель, свинец, медь, серебро, теллур и т.д., при этом не ионизируются и накапливаются в анодном остатке. При накоплении более предела растворимости они переходят постепенно в шлам, представляющий собой смесь этих примесей и их окислов в галлии. Известно, что качество катодного галлия зависит от качества анодного галлия и чем больше примесей в анодном галлии, тем хуже качество катодного галлия. Это объясняется тем, что при высоком содержании примесей в анодном галлии потенциал ионизации галлия смещается в более положительную область и становится возможной ионизация более электроположительных, чем галлий, примесей (Иванова Р.В. Химия и технология галлия. М., «Металлургия», 1973, с.333-334.). Использование электропроводящей диафрагмы при подсоединении ее к отрицательному электроду позволяет осадить эти ионизированные электроположительные примеси. Увеличение степени очистки галлия от примесей достигается тем, что анодная и катодная области разделены между собой пористой электропроводящей диафрагмой с размером ячеек 50-500 мкм, при подсоединении ее к отрицательному электроду, на которую подается напряжение от независимого источника, причем сила тока на диафрагме составляет 0,1-0,4 части от силы тока на электролизере. Положительный электрод помещен в электролит в анодной области. Диафрагма установлена в специальном приемнике, в котором накапливается галлий с примесями.

Применение диафрагмы с размером ячеек менее 50 мкм приводит к резкому снижению выхода по току катодного галлия. Это объясняется уменьшением скорости диффузии ионизированного галлия через диафрагму. При использовании диафрагмы с размером ячеек более 500 мкм эффективность очистки уменьшается, потому что увеличивается вероятность проскока ионизированных примесей через диафрагму в катодную область с последующим разрядом на катоде.

При силе тока на диафрагме менее 0,1 части от силы тока на электролизере потенциал диафрагмы недостаточен для выделения примесей, имеющих близкий потенциал к потенциалу галлия (цинк, хром, германий). При силе тока на диафрагме более 0,6 части от силы тока на электролизере уменьшается производительность процесса из-за значительного выделения галлия на диафрагме совместно с примесями.

Пример конкретного выполнения способа.

В анодное пространство электролизера помещали 10 кг рафинируемого галлия с исходным содержанием примесей, мас.%: олово - 1*10^-2; индий - 3*10^-2; цинк - 5*10^-3; медь - 1*10^-3; свинец - 5*10^-4. В катодное пространство помещали 0,5 кг галлия марки 6N. В качестве электролита использовали 20% водный раствор гидроксида натрия квалификации о.с.ч. Между анодным и катодным пространством в специальном приемнике устанавливали пористую диафрагму из никеля с размером ячеек 100 мкм и присоединяли ее к отрицательному электроду. Процесс очистки проводили при температуре 55-60°С и силе тока 25 А. Геометрические размеры электролизера обеспечивали при этом плотность анодного и катодного тока 0,05 А/см² и 0,5 А/см² соответственно. От независимого источника тока на диафрагму подавали напряжение, обеспечивающее силу тока 7,5 А, что составляет 0,3 части от силы тока на электролизере. В качестве анода использовали пластину из никеля, которую помещали в электролит в анодной области электролизера.

Остальные примеры на граничные условия приведены в таблице.

Из таблицы видно, что предлагаемый способ позволяет существенно повысить степень очистки галлия от электроположительных примесей (Sn, In, Cu, Pb, Zn).