利用純度為99.7%粗銦為原料,采用真空蒸餾的方法從粗銦中直接脫除鎘、鋅、鉈、鉛。分別進行了蒸餾溫度、蒸餾時間、投料量等的條件實驗。結果表明,控制真空度1~5 Pa,蒸餾溫度950℃,蒸餾120 min,可將粗銦中鎘、鋅、鉈、鉛可除至6N高純銦要求。并且以實驗結果為依據計算出產物中各種雜質的揮發系數、分離系數、活度系數,對銦的熱力學數據的完善有一定的參考意義。

　　關鍵詞：銦;真空蒸餾;分離系數;活度系數

　　銦主要應用在半導體、透明導電涂層( ITO) 、電子器件、有機金屬化合物等方面。這些材料的生產和加工均需要高純的金屬In[1], 如電子器件、有機金屬化合物中要求產品雜質含量不超過10 Lg#g- 1。銦作為Ó-V 族化合物半導體材料, 在成品元件中大約1019 個Ó-V 族化合物原子中出現1 個異質原子,這就要求純銦材料中的雜質含量小于0101 Lg#g- 1,即要求銦的純度達99.999% , 甚至要求達99.9999%以上[2] 。因此, 高純金屬銦的研制和開發是一個急需解決的問題。

　　目前, 粗銦的精煉一般都采用電解的方法。電解精煉的過程是利用控制電位的原理分離雜質元素, 對于較銦更正或更負的元素, 分離效果較好, 但對于與銦的電位較接近的元素如鎘、鉈等, 在電解過程中則難以脫除。且對于電位較銦負的元素, 如鋅、鉛等, 其溶解于電解液中并在電解液中積累, 對電解液造成污染。在粗銦電解精煉過程中很難將鎘、鉈除去, 而鋅、鉛等將污染電解液, 增加電解液凈化難度和成本[3-4] 。因而, 如果能在粗銦電解精煉之前,采用一定的方法脫除鋅、鉛、鎘、鉈等雜質元素, 無疑對銦的精煉有著重要意義。在現有的報道中, 粗銦中鎘、鉈的脫除一般都采用特殊試劑法。文獻[5] 報道了粗銦精煉中采用甘油碘化鉀-電解聯合法可獲得991995% 以上的銦。

　　文獻[6] 報道了粗銦精煉中采用甘油碘化鉀法除鎘和氯化除鉈的研究。文獻[7] 對粗銦電解過程中酸度、乳化現象、一價銦離子的溶出等異常行為進行了研究, 并提出了控制和消除異常電解行為的措施。文獻[8] 研究了電解精煉-區域熔煉法制備高純銦,控制較低的區熔速度, 可獲得99.9999% 以上的高純銦。文獻[9] 研究了粗銦電解過程中錫離子的行為,并提出了二價錫離子在陰極析出的可能機理和控制錫離子的方法。文獻[10] 研究了粗銦電解過程中電解液成分, 槽電壓等對精銦產品質量的影響, 且控制理電解條件下, 可產出99.993% 的精銦。本文采用真空蒸餾的方法從粗銦中直接脫除鎘、鋅、鉈、鉛,取代了傳統試劑法除雜質, 不但雜質脫除率高, 操作簡單, 且大大改善了勞動的環境, 整個實驗過程在密閉真空爐中進行, 無氣體、灰塵排放, 對環境無污染,屬于綠色冶金方法[11-12] 。

實驗

　　實驗在自制的真空設備電阻爐上進行, 實驗設備如圖1。用電子天平準確稱量試樣, 裝入高純石墨坩堝中, 將坩堝放入電阻爐反應區, 密封并抽真空達到預定真空度之后, 調整可控硅, 對電阻爐進行升溫, 達到一定預定溫度后保溫。一定時間后降溫, 對反應室放氣, 取出冷凝物如圖2 和殘余物如圖3, 稱量, 化驗。所用原料試樣化學成分如表1 所示。根據真空分離粗銦中雜質的主要因素分析, 實驗進行了溫度、恒溫時間、料量等參數的條件實驗。樣品采用德國ThennoScientific 公司生產的ELEMENT GD 檢測。

結論

　　(1) 真空蒸餾法提純粗銦工藝可行, 將粗銦在真空中蒸餾可以有效的除去銦中的Zn, Cd, Tl, Pb, 在最佳化工藝條件下, 一次蒸餾后產物中Zn, Cd, Tl,Pb 的含量達到6N 銦的國家標準。

　　(2) 條件實驗表明, 溫度是影響粗銦真空蒸餾除雜的主要因素, 隨溫度增高, 雜質脫除率明顯增高。同時, 延長蒸餾時間和降低料層厚度也有利于雜質的脫除。

　　(3) 在粗銦精煉過程中, 可以先采用真空蒸餾的方法脫除粗銦中的雜質元素Cd, Tl, 然后再進行電解的工藝。對目前只依靠甘油碘化法脫除Cd, Tl 的工藝是一個極大的改進。

　　(4) 計算了各雜質在800, 850, 900, 950 e 時Zn,Cd,Tl, Pb 在銦中的分離系數和活度系數, 計算結果見表2, 對銦的熱力學數據的完善有一定的參考意義。

　　(5) 整個實驗過程在密閉真空爐中進行, 操作簡單, 無氣體、灰塵排放, 對環境無污染, 屬于綠色冶金方法。

　　Abstract: A novel technology has been successfully developed to purify the 99.7% crude indium by removing the Cd,Zn,Tl and Pb impurities in vacuum distillation.The impacts of the distillation conditions,including the distillation temperature and time,thickness of the molten crude indium,and pressure,on the purity of indium were evaluated.Various parameters of basic interest,such as the volatile and separation coefficients as well as the activity quotient of the different impurities,were derived.The results show that under the optimized conditions:1～5 Pa,950℃,120 min,the content of Cd,Zn,Tl and Pb could be reduce to the standard of 6N by vacuum distillation.Possible mechanisms responsible for impurity evaporation were also tentatively discussed.

　　Keywords: Indium,Vacuum distillation,Separation factor,Activity quotient

　　基金項目: 云南省科技創新強省計劃(2009AA003);; 國家提高自主創新能力和高技術產業專項項目計劃

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