锌冶炼过程中提取镓的技术研究及其进展

针对镓从锌冶炼过程中回收占比低的问题,总结分析了锌冶炼过程中镓回收技术研究进展.在鼓风炉炼锌(ISP)工艺中,镓主要富集在鼓风炉炉渣里,其质量分数通常在0.025%~0.031%,从鼓风炉炉渣中回收镓主要有还原蒸发法、高温氯化挥发法、硫酸浸出法、碱熔–浸出法、还原熔炼–电解法和还原熔炼–熔融造渣法等方法,但这些工艺普遍流程长,回收率低,加工成本偏高,部分工艺环境污染大,难以工业化应用.传统的湿法炼锌工艺中,大于93.5%的镓富集在浸出渣中,浸出渣处理以火法还原挥发工艺为主,在回转窑挥发浸出渣工艺中90%的镓保留在窑渣中,导致镓的回收流程长且回收率低,湿法处理浸出渣存在镓和铁分离的难题,至今未得到有效解决.氧压浸出炼锌工艺中,镓主要富集在锌粉置换渣里,锌粉置换渣采用酸性浸出和萃取工艺分离富集镓,最终制备金属镓,镓的综合回收率达到71%.通过对火法和湿法炼锌中镓回收工艺进行分析,对镓回收工艺中存在的关键问题和分离技术进行了总结,提出萃取分离、乳状液膜和树脂吸附有望成为锌冶炼过程中回收镓的绿色高效短流程关键技术.

镓精矿氢氧化钠浸出过程镓的浸出行为

从湿法炼锌工艺中得到的镓精矿是制备金属镓重要的中间产品,氢氧化钠浸出镓精矿制备电积前液是制备高品质金属镓的生产关键环节。通过研究氢氧化钠浸出镓精矿过程中添加剂的种类、添加剂用量、氢氧化钠浓度、浸出液固比、反应温度和浸出时间等工艺参数,分析了各工艺参数在镓精矿浸出过程中对Ga、Al的浸出率及浸出滤液过滤性能的影响。结果表明,在添加剂CaO 15%、NaOH浓度3 mol/L、液固比L/S=10、反应温度80℃、浸出时间120 min的最优条件下,Ga的浸出率为98.15%,Al的浸出率为53.01%,浸出滤液过滤速度为108.88 mL/min,添加剂CaO在反应过程中生成的铝酸钙作为滤饼支撑骨架,有效改善了浸出滤液的过滤性能。

锌粉置换渣浸出过程中镓的溶解行为及改善方法

针对丹霞冶炼厂锌粉置换渣浸出过程中镓浸出率偏低问题,采用ICP-AES、XRD与SEM-EDS对不同批次锌粉置换渣化学成分、物相与形貌进行详细分析。与正常生产锌粉置换渣相比,异常锌粉置换渣中镓主要赋存于黄钾铁矾之中,造成镓浸出困难。对锌粉置换渣氧压浸出过程进行分析,镓、砷和铁溶出规律较为一致:增大硫酸浓度和液固比有利于镓、铁和砷的浸出,但提高温度和氧气分压对镓、铁和砷溶出不利。依据上述研究结果,提出强化镓浸出效率的改善措施,弱化一段氧压浸出(分别降低反应温度和压缩空气总压至90℃和0.2 MPa)与强化三段常压浸出(分别提高硫酸浓度和反应温度至160 g/L和85℃),镓的浸出效率由77.83%提高至96.46%。

用于定标海表测温辐射计的镓黑体辐射源

设计了镓黑体对海表测温辐射计进行定标。首先,介绍了该黑体的结构与工作原理,对黑体发射率进行仿真,并开展发射率的测量实验,讨论其不确定度的来源。然后,开展了电加热和水浴加热下镓的相变复现实验,讨论电加热功率对镓相变复现的影响。最后,通过红外海面温度自主辐射计实验对该黑体进行验证。结果表明:该黑体基于蒙特卡罗软件仿真的发射率优于0.9988,实验测得的黑体辐射源发射率结果与仿真结果较为吻合,测量重复性(标准偏差)达0.1%;相变温度坪台的复现性均优于±0.03 K;相变温坪附近时,红外海面温度自主辐射计和FLUKE 1524测温仪测得的黑体腔附近温度的数据差值均在±0.15 K以内。设计的镓黑体可以应用到海表测温辐射计进行校准,为发展自主知识产权的海表测温设备提供校准源。

采用钛阴极从碱液中旋流电积回收镓

为了抑制浓差极化并提高电流效率,提出一种旋流电解法回收镓的工艺。通过电化学研究确定GaO_(2)^(-)在120 g/L NaOH溶液中的扩散系数为1.65×10^(-7)cm^(2)/s。考察各种参数对镓电积的影响,确定电积的最佳条件为:钛阴极、电流密度750 A/m^(2)、镓浓度39.9 g/L、NaOH浓度120 g/L、循环流量200L/h。在这些条件下,电积的电流效率和镓回收率分别为47.9%和90.2%。析出的镓较易从阴极上分离,经过洗涤后的镓最终纯度为99.993%。镓旋流电积能耗约为9048 kW·h/t。该研究表明旋流电积是一种具有高电流效率和低能耗的有前途的镓生产工艺。

碱溶液中电积回收镓的工艺研究

针对碱性条件下,镓电积过程中不锈钢阴极易发生析氢反应,致使电流效率低这一难题,重点研究了电积镓过程电流密度、初始NaOH浓度、Ga^(3+)浓度、电积温度对电流效率的影响,优化了电积镓工艺条件。实验结果表明,采用镀镓不锈钢作为阴极,较优的电积工艺参数为温度45℃、电流密度500 A/m^(2)、初始NaOH浓度140 g/L、初始Ga^(3+)浓度150 g/L;在优化工艺参数下,可以有效地减少镓电积过程中氢气的析出,电流效率稳定在75%以上,产品纯度达99.995%。

碱浸-还原挥发工艺回收镓锗置换渣中镓、锗

镓、锗是重要的稀散金属,从锌冶炼过程中综合回收镓、锗成为该原生金属产量的重要来源。目前主要采用酸浸工艺从镓锗置换渣回收镓、锗,回收率较低,资源利用率低。本文利用镓、锗两性物质的属性,采用碱浸-还原挥发工艺进行了回收镓锗置换渣中镓、锗的试验研究,得到以下主要结论。碱浸试验单因素最佳工艺条件为NaOH浓度4 mol/L、反应温度90℃、液固比8 mL/g、搅拌速度400 r/min,在此条件下,镓锗置换渣中镓、锗浸出率分别达到91.25%和78.95%;强化球磨浸出对镓、锗的浸出率没有改善作用;还原挥发试验的单因素最佳工艺条件为温度1200℃、粉煤配入量30%、挥发时间4 h,在此条件下,碱性浸出残渣中锗的挥发率达到91.02%。该工艺产生的挥发残渣和砷酸钙渣返回火法炼铅系统综合回收铜、砷等有价金属,实现了渣的无害化处理。本文回收镓、锗的方法可为同类企业从锌冶炼工序中回收镓、锗提供参考。

新型磷酸二氢铝镓金属无机骨架结构的合成及其催化乙醛制备丁醇醛的研究

通过水热法制备了一种新型磷酸二氢铝镓(GAHPO)金属无机骨架结构,并通过单晶XRD、粉末XRD、红外,以及TG-DSC等分析手段对其进行充分表征。单晶XRD解析表明,该晶体属于三方晶系、Rc3空间群。Al(Ga)O_(6)八面体与PO_(4)四面体结构交替连接形成一维链状金属骨架,并由氢键堆叠成三维金属无机骨架结构。TG-DSC分析显示,GAHPO热稳定性良好,初始分解温度达到240℃。相比磷酸铝,Ga^(3+)的引入使磷酸铝晶格畸变,削弱了Al—O的强度,增大了Al—O键长,使更多酸性位点暴露,从而提高GAHPO的催化活性。实验结果表明,反应温度在60℃,催化剂用量为10%时,GAHPO催化乙醛缩合制备丁醇醛具有良好的转化率(47%)和优异的选择性(>99%)。酸/碱中和催化剂、NH_(3)-TPD,以及大位阻基团取代乙醛反应位点的实验验证了GAHPO的催化乙醛缩合的反应机理。本工作为新型铝基无机骨架结构及其催化应用提供了可行途径。

基于煤矸石中锂、镓元素赋存状态的高梯度磁选预富集试验

我国山西、内蒙古部分矿区煤矸石中蕴藏着锂、镓等战略性关键金属,其锂、镓元素富集逐渐成为研究热点。然而煤矸石中锂、镓含量很低,直接浸出需消耗大量化学药剂,高效、经济的富集锂、镓元素仍存在很大挑战。为提高煤矸石中锂、镓富集效率,针对山西朔州地区煤矸石中锂、镓元素赋存状态和预富集方法展开研究。采用逐级化学提取法、矿物物相组成、矿物解离分析、电感耦合等离子体质谱法、扫描电子显微镜和能量色散光谱,研究了煤矸石中锂、镓元素的赋存状态,利用高梯度磁选探究通过抛除黄铁矿对煤矸石中锂、镓元素预富集的可行性。结果表明,煤矸石主要由高岭土、黄铁矿、石英、方解石、白云母等矿物组成,锂、镓元素主要赋存于硅酸盐类矿物中,黄铁矿中含量较少。原矿中锂质量分数146.37μg/g,镓质量分数25.04μg/g。通过磁选方法抛除黄铁矿可对煤矸石中锂、镓元素预富集,1000 mT时,预富集效果最佳,磁选尾矿中锂质量分数210.63μg/g,为原矿中锂含量的1.45倍,锂回收率88.00%。镓质量分数31.88μg/g,高于原矿中镓元素,镓回收率80.07%。

杂质镓对纯铝表面锆钛转化膜的组织及耐腐蚀性能的影响

目的探究杂质镓对纯铝锆钛转化膜的生长规律和防护性能的影响。方法采用扫描电化学显微镜(SECM)技术表征了含镓纯铝表面锆钛转化膜在3.5%(质量分数)NaCl溶液中局部腐蚀的演变过程,结合X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电镜(SEM)等技术分析了镓对纯铝锆钛转化膜的组织及成分的影响规律,采用开路电位法(OCP)、电化学阻抗技术(EIS)以及极化曲线(Tafel)等探究了杂质镓对纯铝表面转化膜的生长和耐腐蚀性能的影响规律。结果锆钛转化膜主要由冰晶石Na3AlF6、氧化物(如TiO_(2)、ZrO_(2)、Al_(2)O_(3))和有机金属络合物组成;杂质镓的添加会抑制铝表面转化膜的生长,破坏膜层的完整性。随镓含量(质量分数)从0%增大到0.5%,锆钛转化膜阻抗值从4.75×10^(4)Ω·cm^(2)不断减小到2.49×10^(3)Ω·cm^(2),自腐蚀电流密度由0.45μA增加到13.4μA,腐蚀电位从-0.485 V降低到-0.890 V,耐腐蚀性能逐渐降低。在锆钛转换膜的SECM微区腐蚀演变过程中,膜层自修复行为会降低膜层的被腐蚀倾向,但富集在表面的镓会抑制自修复膜层的形成,导致基体被严重腐蚀。结论铝中的杂质镓能够直接影响锆钛膜的完整性,降低对铝基体的保护,导致了铝基体局部腐蚀溶解的发生。

氧化镓单晶的磨削材料去除机理和损伤演化研究

为了探究氧化镓单晶在磨削过程中材料去除机理和亚表面损伤演化规律,通过变切深纳米划痕试验模拟单颗磨粒去除材料的过程来探究磨削过程中的材料去除机理,使用粒度分别为SD600、SD1500和SD5000的金刚石砂轮对氧化镓单晶进行磨削试验,分析磨削表面形貌和亚表面的损伤演化规律.使用扫描电子显微镜和透射电子显微镜作为主要表征手段,采用有限元法分析划痕过程中的应力分布.研究结果表明,氧化镓单晶在材料去除过程中沿不同晶向扩展的交错滑移带可能导致不规则的破碎坑,取向裂纹受到(-3-10)滑移面的严重影响.随着砂轮粒径的减小,磨削表面形貌表现为破碎坑和取向裂纹主导的脆性表面逐渐演化为完全塑性表面.

氧化镓悬臂式薄膜日盲探测器及其电弧检测应用

金属-半导体-金属(MSM)型氧化镓薄膜探测器的性能高度依赖于氧化镓薄膜的均匀性,工艺难度较高,对规模化、量产化薄膜探测器提出了挑战.本文首次在量产化悬臂式薄膜芯片表面物理沉积氧化镓薄膜,实现了一个五对叉指电极结构的MSM型氧化镓薄膜日盲探测器.得益于微机电系统(MEMS)工艺制备的悬臂式电极结构保护了内部电路与探测薄膜的完整均匀性,所获得的氧化镓薄膜虽然是非晶结构,但探测器仍然具备良好的紫外探测性能.在18 V偏压下其探测率达到7.9×10^(10) Jones,外量子效率达到1779%,上升和下降时间分别为1.22 s和0.24 s,接近晶体氧化镓薄膜的探测性能.该探测器在无任何光学聚焦系统的情况下,实现了对户外日光环境下脉冲电弧的灵敏检测,将在日盲探测领域具有良好的潜在应用价值.本工作基于MEMS工艺的悬臂式电极结构开发的敏感功能薄膜沉积技术,避免了功能薄膜大面积均匀性对刻蚀电路的影响,为MSM型薄膜探测器的制备提供了新的技术方法和工艺路线.

金薄膜辅助玻璃与砷化镓阳极键合

采用磁控溅射技术在砷化镓(GaAs)表面沉积一层厚度为1μm的金薄膜,将其作为中间层成功实现了Borofloat(BF33)玻璃与GaAs的连接。阳极键合实验结果表明键合电流在短时间内达到峰值,之后迅速降低并且稳定在一个很小的数值范围内,且键合电流峰值随着键合温度与键合电压的升高而增大。通过扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)对玻璃-GaAs键合界面进行微观形貌观察。结果表明键合界面良好,在400℃、700 V的条件下,玻璃-GaAs键合强度可达到1.53 J/m^(2),且键合强度随着键合温度与键合电压的升高而增大。

含镓锗硫酸盐溶液中砷铁的高效脱除

砷和铁是湿法炼锌系统回收镓、锗工艺中主要的杂质元素,萃取分离工艺可实现砷铁的高效脱除,但得到的反萃液为高砷铁溶液,且含有少量镓、锗。为实现镓、锗的高效回收,采用中和沉淀法实现砷、铁与镓、锗的分离,考察沉淀终点pH、反应温度、反应时间、搅拌速度等参数对各金属离子沉淀率的影响。结果表明,在沉淀终点pH=2.5、反应温度25℃、反应时间1 h、搅拌速度240 r/min的最优条件下,铁和砷的脱除率分别为92.80%、98.13%,镓、锗的损失率分别为45.61%、7.35%。中和渣中损失的镓、锗可用弱酸溶液洗涤,酸洗液与中和后液共同返回到萃取系统回收镓和锗,提高综合回收过程中镓和锗的直收率。

磷化镍修饰磷掺杂氧化镓可见光催化水分解产氢

以Ga_(2)O_(3)半导体为前驱体,用浸渍加低温磷化法制备了P掺杂Ga_(2)O_(3)表面修饰Ni_(2)P光催化剂(x-Ni_(2)P/Ga_(2)O_(3)-P_(y),x代表Ni^(2+)和Ga_(2)O_(3)的物质的量之比,y代表NaH_(2)PO·H_(2)O与Ga_(2)O_(3)的物质的量之比)。5%-Ni_(2)P/Ga_(2)O_(3)-P_(6)催化剂展现出在纯水中光催化析氢的高活性,在430 nm光照下的光量子效率为0.22%。机理研究结果表明Ni_(2)P修饰和P掺杂扩展了催化剂的光响应范围,同时提升了载流子分离迁移效率,其长周期光催化反应稳定性明显优于未磷化催化剂。

基于硅酸镓镧高温压电剪切加速度计的设计与制备

随着航空航天、原子能技术、汽车电子、冶金与石油化工等工业的迅猛发展,迫切需要能够在高温环境下对振动、压力及噪声等进行监测的传感器。本文设计并制备了基于硅酸镓镧(LGS)压电单晶材料的压电加速度传感器。实验结果表明,该传感器的谐振频率约为3 kHz,在常温~800℃,工作频率为80~1 000 Hz范围内,传感器的电荷灵敏度保持稳定,平均值为0.081 pC/g_(n)。该传感器能在800℃高温下稳定工作。

磁性镓基液态金属复合材料的研究进展

镓基液态金属具有高导电性、高导热性、高流动性和优良的生物相容性,是一种具有很大发展和应用前景的功能材料。镓基液态金属与其他不同物理化学性质的材料组合而成的镓基液态金属复合材料为基础研究与应用研究提供了一个新的方向,为解决柔性电子、热调控和生物医学等各个领域的挑战性问题提供了新的思路并表现出重大潜力。磁性粒子的引入可以使镓基液态金属具有良好的磁性能。作为一种新兴的磁性功能材料或磁性智能材料,磁性镓基液态金属复合材料在柔性电子、微电机、靶向给药、热调控、屏蔽与吸波等领域已展现出初步的研究和应用价值。本文系统地总结和评述了磁性镓基液态金属复合材料的研究进展。从基础研究、磁力控制、磁热控温、屏蔽与吸波四个方面综述了磁性镓基液态金属复合材料的性能和应用,说明了这种复合策略的有效性。这可为磁性镓基液态金属复合材料的进一步研究与开发提供思路。

镓基氧化物薄膜日盲紫外探测器研究进展

日盲紫外探测器在国防和民用领域均具有广阔的应用前景。基于宽禁带半导体材料的日盲紫外探测器具有无需昂贵的滤光片、工作电压低、全固态、体积小、重量轻、抗干扰能力强、工作温度范围广等特点,是公认的新一代紫外探测器。在众多的宽禁带半导体材料中,以Ga_(2)O_(3)作为典型代表的镓基氧化物材料因其优异的电学和光电特性已经成为近年来微电子学和光电子学领域的研究热点,特别是其本征日盲、耐高温、耐高压、化学稳定性好等优异特点使得该类材料在日盲紫外光电探测领域展现出巨大的发展潜力。鉴于此,本文综述了不同晶体结构的Ga_(2)O_(3)、镓酸盐氧化物、镓锡氧化物、镓铝氧化物等镓基氧化物薄膜及其日盲紫外探测器研究进展。

砷化镓一维光子晶体加速度计理论性能研究

该系统与以往的光学传感器不同,系统中将一种新的材料—砷化镓—应用于光学微机电系统(MEMS)传感器。基于GaAs的特性和波长调制分析的特点,设计了一个适用于高频率领域的光学MEMS传感器。此外,还使用了ANSYS的有限元分析(FEA)方法和严谨的耦合波分析(RCWA)方法。与其他高频传感器的比较表明,所提出的传感器在测量范围广、灵敏度高、交轴轴灵敏度几乎为零等特性方面显示出优势。所提出的光学传感器的光学灵敏度为2.99276,机械灵敏度为0.54nm/g。第一共振频率为23658.6Hz,线性测量范围为±135g,传感系统的灵敏度为161.61nm/g,工作带宽为0~23.6kHz。

电感耦合等离子体质谱法同时测定锌精矿中镓、锗、铟的含量

为准确快速测定锌精矿样品中镓、锗、铟的含量,提出了提示方法,并在溶样体系、目标元素同位素、内标元素选择以及共存元素、试剂干扰及消除方面进行了探讨。将样品过筛后,用硝酸-氢氟酸-高氯酸体系加热溶样,在所得溶液中滴加25%(体积分数,下同)硫酸溶液后再加入50%(体积分数)硝酸溶液溶解盐类,定容,过滤,根据实际样品中目标元素和共存元素铜含量稀释滤液,供电感耦合等离子体质谱仪分析。结果显示:硝酸-氢氟酸-高氯酸体系可以充分溶解样品,避免了镓和锗挥发损失、硅化合物夹杂、包裹性硫球夹杂的影响;在待测溶液中滴加25%硫酸溶液,能避免了样品中铁形成铁氧化物析出;以内标元素同位素^(103)Rh校正^(71)Ga、^(74)Ge,^(187)Re校正^(115)In,消除了大部分共存元素带来的干扰;以进一步稀释样品溶液消除铜质量分数不小于8%时内标校正带来的偏差;以在线/离线公式校正了^(74)Se对^(74)Ge以及^(115)Sn对^(115)In的干扰。镓、锗、铟标准曲线的线性范围为0.20~50.00μg·L^(-1),检出限(3s)为0.0026~0.0105μg·g^(-1)。方法用于标准物质和实际样品的分析,标准物质中镓、锗、铟的测定值和认定值基本一致,加标回收率为95.0%~106%,测定值的相对标准偏差(n=11)为2.6%~8.2%。和文献方法进行比对,两种方法的测定值基本一致。