富集-电解法回收氧化铝循环母液中镓的电流效率及杂质影响问题研究

摘要

镓及其化合物是半导体工业的重要原料。镓资源稀散，目前主要生产途径是从氧化铝生产循环母液中富集回收得到富镓碱液后进行电化学还原而得到金属镓。然而在实际生产过程中，由于阴极析氢副反应的竞争和大量存在杂质的干扰，镓沉积的电流效率较低，甚至出现“烧极板”现象导致生产不能正常进行。为了解决上述问题，本论文提出新型铜基镀镓(Cu/Ga)电极，对其在碱性介质中析氢和析镓电极过程研究表明该电极有利于提高电解回收镓的电流效率，进而在优化电解条件下考察了从循环母液中可能引入的杂质对电解回收镓效率的影响。主要研究结果如下:
　　(1)对不同阴极材质影响镓电解沉积过程的研究发现，不锈钢(SUS304)、镍、铜、钛、石墨、铅等阴极材料表面镓沉积过程受析氢反应影响严重，镓不能正常沉积;而利用低温合金法制备的铜基镀镓(Cu/Ga)电极表现高的析氢过电位和低的析镓过电位，从而有效提高析镓电流效率。
　　(2)考察了电流密度、电解温度、搅拌速度、电极间距、碱浓度等电解条件对Cu/Ga电极电解回收镓效率的影响。最优化电解条件为:电流密度300 A·m-2，电解温度20℃，碱浓度为120 g·L-1，而搅拌速度、电极间距影响不大。
　　(3)考察了钒、钙、铜、铁、铅、铝、硅等7种来自循环母液的杂质对镓电解效率的影响。研究发现，铝、硅杂质影响微弱;铜、铁、铅杂质会使电流效率下降但影响较小;而钒与钙杂质的影响最为显著。当钒杂质含量为10 ppm时便会使电流效率明显下降，当钒杂质含量达150 ppm时，电流效率由88.64％降为6.48％，分析主要原因是钒杂质的存在减小了析氢过电位。相反地，钙杂质的存在有利于镓的电化学沉积，当钙杂质含量为50 ppm时电流效率由88.64％上升至95.46％，推测是钙杂质的存在改变了镓的电化学还原沉积过程。
　　(4)对分别来自广西和河南氧化铝企业的实际含镓碱液（镓含量约40g·L-1，钒杂质含量约100 ppm）在未除杂的条件下进行电解实验，结果表明:采用不锈钢电极时没有观察到镓的析出;采用Cu/Ga电极时电解过程可以连续正常进行，电流效率分别为48.54％（电解后镓浓度约7 g·L-1）和39.34％（电解后镓浓度约2 g·L-1）;产物纯度分别为99.32％和96.61％。
　　本论文研究结果解决了电解回收镓生产中存在的杂质影响和电流效率低等问题，可以实现在未深度除杂前提下高效率地从循环母液中电解回收镓，具有工业应用前景。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 镓的理化性质

1．1．1 镓的物理性质

1．1．2 镓的化学性质

1．2 镓的来源与分布

1．3 镓的用途

1．4 镓的生产

1．4．1 富集回收流程

1．4．2 除杂净化流程

1．4．3 电解沉积流程

1．5 研究思路与主要内容

第二章 阴极材质的选择及析氢析镓行为研究

2．1 前言

2．2 实验部分

2．2．1 实验仪器与材料

2．2．2 实验装置

2．2．3 分析方法

2．2．4 实验内容和方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 阴极材质的选择

2．3．2 析氢析镓行为研究

2．4 本章小结

第三章 电解条件的选择

3．1 前言

3．2 实验部分

3．2．1 实验仪器与材料

3．2．2 实验装置

3．2．3 分析方法

3．2．4 实验内容和方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 电流密度的选择

3．3．2 电解温度的选择

3．3．3 搅拌速度的选择

3．3．4 电极间距的选择

3．3．5 碱浓度的选择

3．4 本章小结

第四章 主要杂质对镓电解沉积的影响

4．1 前言

4．2 实验部分

4．2．1 实验仪器与材料

4．2．2 实验装置

4．2．3 分析方法

4．2．4 实验内容和方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 单一杂质对镓电解沉积过程的影响

4．3．2 V杂质的影响范围及机理探究

4．3．3 Ca杂质的影响范围及机理探究

4．4 本章小结

第五章 实际含镓碱液电解沉积效果研究

5．1 前言

5．2 实验部分

5．2．1 实验仪器与材料

5．2．2 实验装置

5．2．3 分析方法

5．2．4 实验内容和方法

5．3 结果与讨论

5．3．1 Cu／Ga电极对GX样品电解沉积效果

5．3．2 Cu／Ga电极对HN样品电解沉积效果

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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