一種制備高純鎵的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于高純鎵的制備設(shè)備和制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種制備高純鎵的裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有高純鎵的制備方法主要分為兩種:一種是間接提純法，其中包括:化學萃取法、三氯化鎵法、金屬有機物合成法及微生物降解法等，例如專利CN103114214A公開了一種采用有機化合物純化一熱分解工藝間接生產(chǎn)高純鎵的方法，專利US4666575公開了一種米用粗嫁一二氯化嫁一尚純嫁工藝間接制備尚純嫁的方法，綜合看來，間接提純法制備過程繁瑣、不易控制，而且該類方法生產(chǎn)規(guī)模較小，產(chǎn)量受到限制，在工業(yè)上多被用于再生嫁的制備。另一種尚純嫁的制備方法為直接提純法，其中包括電解精煉法(專利CN1619018A)、真空精煉法(專利US4362560A1)、結(jié)晶法等。部分結(jié)晶法是通過液態(tài)金屬鎵部分凝固，利用雜質(zhì)元素在不同的相態(tài)中分布不同，使雜質(zhì)在液態(tài)鎵和固態(tài)鎵中重新分布而得到較純的金屬鎵，達到提純的目的。一般需要多次的重結(jié)晶，使產(chǎn)品達到所需要求，因此該法又被稱為重結(jié)晶法；該方法對設(shè)備要求簡單，操作過程簡便，生產(chǎn)周期短，利于實現(xiàn)超高純鎵的工業(yè)化生產(chǎn)。
[0003]目前已公開的技術(shù)和發(fā)明提供了很多用結(jié)晶法制備高純鎵的有益資料，但現(xiàn)有的結(jié)晶法技術(shù)中仍存在如下問題:1、液態(tài)鎵達到凝固比例后，殘留液態(tài)鎵分離不便，需每次用吸管吸出或通過某種手段倒出，不利于簡化操作過程，例如專利CN101082086A ;2、提純過程需在無塵車間或者真空手套箱內(nèi)進行，不利于降低生產(chǎn)成本，例如專利CN101082086A和專利 CN1287575A。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有高純鎵制備技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明提供一種制備高純鎵的裝置及方法，該設(shè)備采用內(nèi)外膽組合式的結(jié)晶容器，通過部分結(jié)晶的形式使低純度鎵在容器內(nèi)反復結(jié)晶，從而獲得高純鎵。
[0005]一種制備高純鎵的裝置，包括內(nèi)膽、外膽和蓋子；所述內(nèi)膽的底部設(shè)置有引流管；外膽的底部設(shè)置有引流管穿出孔；所述外膽密封套裝于內(nèi)膽外部，內(nèi)外膽之間設(shè)置有空腔，內(nèi)膽的引流管通過外膽的引流管穿出孔穿過外膽；所述蓋子固定于裝置的頂部；
[0006]上述的制備高純鎵的裝置，所述內(nèi)膽引流管上設(shè)置有開關(guān)；
[0007]上述的制備高純鎵的裝置，所述外膽的底部內(nèi)側(cè)設(shè)置有支撐柱；
[0008]上述的制備高純鎵的裝置，所述內(nèi)膽材質(zhì)為非極性塑料，例如，聚丙烯或聚四氟乙稀;
[0009]上述的制備高純鎵的裝置，所述蓋子材質(zhì)為透明材料，例如有機玻璃、石英或其它便于觀察裝置內(nèi)部情況的材料；
[0010]上述的制備高純鎵的裝置，所述內(nèi)膽、外膽均為柱型或臺型，可以是上下表面形狀尺寸相同的圓柱、棱柱，也可以上下表面尺寸不同的圓臺或棱臺形；
[0011]上述的制備高純鎵的裝置，所述裝置上還設(shè)置有晶種添加孔，進水口和出水口以及保護氣體進氣口和出氣口；
[0012]上述的制備高純鎵的裝置，所述的晶種添加孔位于裝置內(nèi)膽的側(cè)壁；所述的進水口和出水口位于裝置外膽；所述的保護氣體進氣口和出氣口位于裝置蓋子上；
[0013]上述的制備高純鎵的裝置，所述蓋子上設(shè)置有與內(nèi)膽的晶種添加孔相對應的通孔；
[0014]上述的制備高純鎵的裝置，較好的，所述晶種添加孔呈管狀均勻分布于內(nèi)膽內(nèi)壁上；所述支撐柱均勻分布于外膽的底部內(nèi)側(cè)；所述進水口和出水口位于外膽側(cè)壁上；所述內(nèi)外膽之間的空腔體積與內(nèi)膽體積的比例為0.42:1?0.75:1。
[0015]一種制備高純鎵的方法，采用上述的裝置，包括如下步驟:
[0016]1、將熔融狀態(tài)的粗鎵移至裝置的內(nèi)膽中，蓋上蓋子并向內(nèi)膽中通入惰性保護氣體；
[0017]2、通過進水口向內(nèi)外膽之間的空腔通入18?26°C的冷卻水；
[0018]3、待上述的粗鎵的溫度降至結(jié)晶的臨界溫度時，通過晶種添加孔對粗鎵嫁接晶種；
[0019]4、繼續(xù)通冷卻水，開始第一次結(jié)晶；由于晶種嫁接在內(nèi)膽側(cè)壁，鎵會由內(nèi)膽外周向中心方向結(jié)晶；
[0020]5、當內(nèi)膽內(nèi)的鎵的凝固率達到90?97%時，開啟引流管上的開關(guān)，使剩余液態(tài)鎵由引流管流出；
[0021]6、關(guān)閉引流管上的開關(guān)，并將進水口處通入的冷卻水切換成45?60°C的熱水，使內(nèi)膽內(nèi)凝固的鎵全部熔融；
[0022]7、將進水口處的熱水再次切換成18?26°C的冷卻水，重復步驟2?6，至內(nèi)膽內(nèi)的鎵重復結(jié)晶6?8次，得到6N或7N高純鎵。
[0023]上述方法中，所述惰性保護氣體保護為高純氮氣、高純氬氣、高純氦氣或其它惰性氣體；
[0024]上述方法中，當制備6N高純鎵時，采用的初始晶種為6N或7N高純鎵；當制備7N高純鎵時，采用的初始晶種為7N高純鎵。
[0025]上述方法中，高純鎵的收率為60?75%。
[0026]本發(fā)明的原理是:通過處于過冷狀態(tài)的液態(tài)金屬鎵的部分凝固，雜質(zhì)元素在液態(tài)和固態(tài)中的重新分布而獲得純度較高的金屬鎵，經(jīng)過反復取出雜質(zhì)含量較高的低純度鎵，從而達到精制提純的目的。
[0027]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)勢在于:
[0028]1、本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)簡單，安裝使用方便。
[0029]2、本裝置的使用方法操作簡便，得到的鎵純度高，收率高，具有良好的應用前景。
[0030]3、本裝置通過控制內(nèi)外膽之間的空腔體積與內(nèi)膽體積的比例，提高了鎵的結(jié)晶和熔融速度，提高了鎵的純化效率。
【附圖說明】
[0031]圖1為本發(fā)明中裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]其中，1、內(nèi)膽，2、外膽，3、蓋子，4、進水口，5、出水口，6、引流孔管，7、開關(guān)，8、晶種添加孔，9、進氣口，10、出氣口，11、支撐柱，13、螺栓螺母，14、晶種添加通孔；
[0033]圖2為本發(fā)明中裝置內(nèi)膽的俯視示意圖；
[0034]其中，15、內(nèi)膽通孔；
[0035]圖3為圖2沿AA方向的剖視圖；
[0036]圖4為本發(fā)明中裝置外膽的俯視示意圖；
[0037]其中，12、引流管穿出孔；
[0038]圖5為圖4沿BB方向的剖視圖；
[0039]圖6為本發(fā)明中裝置蓋子的俯視示意圖；
[0040]其中，16、蓋子通孔；
[0041]圖7為圖6沿CC方向的剖視圖。
【具體實施方式】
[0042]本發(fā)明實施例中采用的4N粗鎵的純度為99.9987%。
[0043]本發(fā)明實施例中獲得的6N高純鎵的純度彡99.999986%。
[0044]本發(fā)明實施例中獲得的7N高純鎵的純度彡99.9999967%。
[0045]本發(fā)明實施例中鎵的純度分析方法為輝光放電質(zhì)譜(GDMS)法。
[0046]本發(fā)明實施例中獲得的6N或7N高純鎵的第三方檢測單位為埃文斯材料科技(上海)有限公司。
[0047]實施例1
[0048]一種制備高純鎵的裝置，包括內(nèi)膽1、外膽2和蓋子3，內(nèi)外膽均為柱型或臺型，可以是圓柱、棱柱、圓臺或棱臺；內(nèi)膽I的底部設(shè)置有引流管6，引流管6上設(shè)置有開關(guān)7，內(nèi)膽I的內(nèi)壁設(shè)置有管狀的晶種添加孔8，晶種添加孔8均勻的分布于內(nèi)膽內(nèi)壁上，內(nèi)膽I上沿均勻分布著帶螺紋的內(nèi)膽通孔15 ;外膽2的側(cè)壁設(shè)置有進水口和4出水口 5，外膽2的底部設(shè)置有引流管穿出孔12，外膽2的底部內(nèi)側(cè)均勻分布著用于支撐內(nèi)膽I的支撐柱11 ;蓋子3上設(shè)置有保護氣體進氣口 9、出氣口 10、與晶種添加孔8相對應的晶種添加通孔14以及與內(nèi)膽通孔15相對應的帶螺紋的蓋子通孔16 ;外膽2套裝于內(nèi)膽I外部，引流管6通過引流管穿出孔12穿出外膽，內(nèi)外膽之間設(shè)置有供冷熱水交替流通的空腔，內(nèi)膽I和外膽2分別在二者的上沿處以及引流管6與引流管穿出孔12處用密封膠進行密封連接；蓋子3利用螺栓螺母13通過內(nèi)膽通孔15和蓋子通孔16固定于裝置的頂部；
[0049]內(nèi)膽I的材質(zhì)為聚四氟乙烯，壁厚為1.5mm;外膽2的材質(zhì)為聚四氟乙烯；蓋子3的材質(zhì)為有機玻璃；
[0050]內(nèi)外膽之間的空腔體積與內(nèi)膽體積的比例為0.75:1。
[0051]采用上述裝置制備高純鎵的方法為:
[0052]1、將熔融狀態(tài)的4N粗鎵移至裝置的內(nèi)膽中，蓋上蓋子并向內(nèi)膽中通