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Key Words:   Germanium, Germanium dioxide, Fractional distillation, Arsenic   自50年代以来, 从氯化蒸馏到最后金属锗锭的生产工艺变化不大[1,2]。 但随着电子工业的发展, 对锗纯度的要求越来越高, 虽然有最后的区域精炼把关除杂, 但锗的纯度仍取决于前段工艺中除杂的程度。 本文重点考察了影响锗纯度的主要杂质在蒸馏过程中的行为及净化除杂的方法。 1 原料及装置   为考察杂质在蒸馏过程中的行为, 在纯GeO2中按0.1%的元素量加入以下主要杂质化合物: As2O3、 Sb2O3、 SnCl2 . 2H2O、 SeO2、 TeO2、 CuO、 PbO、 ZnO、 Al2O3、 FeCl3 . 6H2O、 MgO、 CaCl2。   氯化反应在大烧瓶中进行, 用电炉加热。 馏出液经两个冷凝温度分别为10℃和-15℃的冷凝柱冷却后回收到小烧瓶中。 盐酸蒸汽用水吸收。 2 氯化蒸馏过程中杂质的行为   图1[1]列出了主要杂质氯化物的蒸气压与温度的关系。 从图可看出, 只有硼和硅的氯化物先于GeCl4挥发。 但由于其沸点比GeCl4的沸点低得多, 因而分馏的方法易于将其与GeCl4分离。 重金属 氯化物具有相对较高的沸点, 只有一小部分可能进入GeCl4馏出液中。 高价锡和低价砷氯化物的沸点与GeCl4接近, 其氯化物随GeCl4大量进入馏出液中。 一般来说, 粗GeO2含砷较高而只含少量锡, 因此制取高纯锗的关键是从GeCl4中分离砷。 图1 氯化物的蒸汽压与温度的关系 (a) 1-BCl3, 2-SiCl4, 3-GeCl4, 4-SnCl4, 5-AsCl3; (b) 1-PCl5, 2-AlCl3, 3-GaCl3, 4-SbCl3; (c) 1-FeCl3, 2-TeCl4, 3-BiCl3, 4-SnCl2, 5-ZnCl2, 6-PbCl2 3 氯化蒸馏 3.1 温度   图2为氯化蒸馏过程的温度曲线。 在曲线的转折点处, 氯化反应开始迅速进行。 当温度达到110℃时不再上升。 此时蒸馏液的盐酸浓度在6.0 mol/L左右变化不大。 这一现象与盐酸在110℃、 6.0 mol/L左右时形成恒沸的事实相符。 因此, 应在此 时结束蒸馏。 3.2 盐酸浓度   试验结果见表1。 表1 盐酸浓度对蒸馏的影响 蒸馏前 蒸馏后 Ge回收率/% HCl损失率/% GeO2 盐酸 GeO2 盐酸 g mol . L-1 V/ml g mol . L-1 V/ml 200 10 1900 7 6.2 1770 97 3 200 12 1270 80 5.7 1080 75 29   一般来说, GeO2的溶解度随盐酸浓度的增加而加大。 然而从表1中可看出, 当盐酸浓度太高时, 由于大量HCl在蒸馏过程中挥发损失, 从而降低了蒸馏液的有效HCl浓度, 由此造成锗的回收率较低。 为获得较好的蒸馏效果, 氯化蒸馏的盐酸初始浓度一般选在9~10 mol/L范围内。 图2 氯化蒸馏过程的温度曲线 3.3 温度对杂质分布的影响   为考察温度对馏出液中杂质含量的影响, 在同一蒸馏试验中于不同温度条件下取样分析馏出液中杂质的含量, 其结果见表2。 表2 不同温度下馏出液中杂质的含量 温度/℃ 杂 质 含 量 / mg . L-1 As Cu Al Pb Zn Sn Fe Se Te 85 23 0.015 0.24 0.035 0.25 0.8 0.1 <0.005 <0.005 110 33 0.12 0.26 0.027 0.23 0.017 0.10 <0.005 <0.005   从表2中可以看出, 两个样品中的杂质含量差别不大, 因此不必在不同的温度阶段分离馏出液。 3.4 氧化除砷   如前所述, 由于AsCl3的沸点与GeCl4相近, 故在蒸馏过程中AsCl3随GeCl4一道进入馏出液中。 若在蒸馏液中加入 氧化剂 , 将低价砷氧化成高价砷, 则由于高价砷化合物的沸点较高而可残留在蒸馏渣中, 从而达到砷与锗分离的目的。   试验条件: GeO2 200 g, 盐酸浓度10 mol/L, 每种杂质含量0.1%, 蒸馏终点温度110℃, 氧化剂Cl2。   氧化除砷试验结果见表3。 表3 氧化除砷结果 编号 杂 质 含 量 / mg . L-1 备注 As Cu Al Pb Zn Sn Fe Se Te Ca Mg D-1 100 0.01 0.15 0.03 0.04 0.004 0.29 0.11 <0.005 0.33 0.35 无氧化剂 D-2 30 - - - - - - - - - - 通入Cl2     从表3可看出, 由于在蒸馏过程中通入Cl2, 低价砷氯化物按下式氧化成高价的砷酸, 从而降低了其在馏出液中的含量。   AsCl3+4H2O+Cl2H3AsO4+5HCl   在实际操作中亦可用MnO2作为除砷的氧化剂。 最近的研究结果表明, 用H2O2作氧化剂除砷效果更好。 4 GeCl4的净化 4.1 精馏   精馏是将GeCl4提纯到99.999%以上的高纯GeCl4的关键工艺。 利用GeCl4与AsCl3之间的沸点差且无化学反应这一原理进一步除砷, 使纯GeCl4中砷的含量小于20 mg/L。   精馏试验所用粗GeCl4为氯化蒸馏试验所得的D-1馏出液。 其精馏结果见表4。 表4 粗GeCl4精馏结果 编号 杂质含量 / mg . L-1 备注 As Cu Al Pb Zn Sn Fe Se Te Ca Mg R-1 27 0.008 0.029 0.008 <0.005 0.011 0.42 0.036 <0.005 0.6 0.08 无填料精馏 R-2 17 0.003 0.058 0.0075 <0.005 <0.002 0.63 0.048 <0.005 0.75 0.08 填料精馏     从表4中可看出, 装有填充物的精馏柱精馏效果要好一些。 实际生产中一般在精馏塔中填加铜环或铜粉以提高除砷效率。 4.2 盐酸萃取   根据GeCl4和AsCl3在盐酸中溶解度的差异 (见图3和4), 用盐酸萃取法亦可达到除砷净化的目的。   萃取条件: 盐酸浓度 12 mol/L, 体积比 1.0, 温度 20℃, 混合10 min, 静置分离2 h。   盐酸萃取结果: 第一次萃取GeCl4中砷含量为72 mg/L, 第二次萃取为51 mg/L。 HCl萃取后GeCl4中的砷含量有所降低, 但其净化效果不如精馏。 实际生产中可采用萃取与精馏相结合的提纯方法进行深度除砷。 图3 GeCl4在盐酸中的溶解度 (25℃) 图4 AsCl3在盐酸中的溶解度 (25℃) 5 水解   将纯GeCl4用蒸馏水进行水解, 即可得到纯GeO2。 水解反应如下:   GeCl4+2H2O=GeO2+4HCl+112.9 kJ   此水解反应为放热反应, 因此需保持较低的温度使水解反应能进行完全。 另外, 从图5中可看出, 水解溶液的终点HCl浓度应在4.5~5.5 mol/L范围内, 以避免造成GeO2的损失。 图5 GeO2在盐酸中的溶解度   水解条件: 体积比 (GeCl4/H2O) 1∶6.5, 温度 15℃, 时间 1.0 h。   水解试验结果列于表5和6中。 G-1、 G-2、 G-3 和G-4分别为D-1、 D-2、 R-1和R-2的水解产物。 从表7中可看出, 水解产物GeO2中的主要杂质仍是砷, 在水解过程中砷随锗一起进入固相。 故前段工序除砷的程度直接影响到最终产物的纯度。 另外, 水解产物GeO2中的Ca、 Mg含量也较高, 这可能是由于环境及所用容器的污染造成的。 故欲得到高纯GeO2, 水解时应使用清洁容器及在干净的环境中进行。 表5 纯GeCl4水解结果 编号 GeCl4体积/ml GeO2重量/g 终点HCl浓度/mol . L-1 Ge回收率/% G-1 50 45 5.0 99 G-2 100 90 5.0 99 G-3 100 90 4.7 99 G-4 50 45 4.5 99 表6 GeO2中杂质含量 编号 杂 质 含 量 / g . t-1 As Cu Al Pb Zn Sn Fe Se Te Ca Mg G-1 90 0.9 <0.2 <0.1 1.1 <0.1 2.3 <0.1 <0.1 49 4.9 G-2 70 0.3 <0.2 <0.1 1.0 <0.1 1.8 <0.1 <0.1 50 5.3 G-3 35 0.5 <0.2 <0.1 0.8 <0.1 1.9 <0.1 <0.1 97 7.2 G-4 35 0.4 <0.2 <0.1 0.7 <0.1 2.2 <0.1 <0.1 58 6.1 表7 GeO2还原及熔化的试验条件及结果 GeO2/g 还原 熔化 气体流量 锗锭重 g 锗回收率 % 备注 温度/℃ 时间/min 温度/℃ 时间/min N2/L . min-1 H2/L . min-1 10 650 90 1000 15 50 30 6.85 99.2 无涂层石英舟 20 650 60 1000 10 50 30 13.5 99.6 涂碳烟石英舟 6 氢气还原   用氢气还原GeO2可制得金属锗。 其反应如下:        GeO2+H2=GeO+H2O       (1)       GeO+H2=Ge+H2O    (2)       GeO2+2H2=Ge+2H2O    (3)   反应式 (3) 的自由能与温度的关系为:   ΔGT=13750-15.60T   当T>600℃, ΔGT<0, 开始发生还原反应, 但由于GeO升华会造成Ge的损失。 还原温度不应超过700℃, 一般控制在650~675℃范围内。   还原反应的产品是金属锗粉, 一般是将锗粉熔化成锭。 熔化温度为1000℃。   还原试验在管式炉中进行。 将装有纯GeO2的石英舟放入炉内的高温区, 以使还原和熔化的平均温度分别高于600℃和锗的熔点 (937.4℃)。   还原及熔化的试验条件及结果见表7。   由于金属锗在凝固时体积会膨胀, 有可能粘在石英舟表面上而将其损坏。 使用涂有碳烟的石英舟可解决这一问题。 7 结论   粗GeO2通过氯化蒸馏、 净化和水解, 可制得高纯GeO2。 在蒸馏过程中应加入适当的氧化剂除砷, 并用浓盐酸萃取法和精馏法进行深度除砷净化GeCl4。 水解时应使用清洁容器及在干净的环境中进行, 以避免从外界带入杂质。 用氢气还原GeO2可制得金属锗, 若要制取超纯金属锗则还需进行区域精炼。 作者简介: 徐凤琼,女,46岁,工程师。 作者单位: 徐凤琼 刘云霞 昆明冶金研究院 昆明 650031 参考文献  1 吴锗礼. 锗及其冶金. 北京: 冶金工业出版社, 1988, 137, 183.  2 Games E. Hoffmann. J. Metals, 1987, 6. 1998年2月10日收稿 查看更多 4个回答 . 2人已关注
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简介
职业:浙江浙大水业有限公司 - 设备维修
学校:烟台南山学院 - 自动化工程学院
地区:江苏省
个人简介:我跟富二代唯一的共同点就是“二”。查看更多
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