Способ и устройство для получения галлия из отходов полупроводникового фосфида галлия

 

Изобретение относится к технологии переработки отходов полупроводникового фосфида галлия с целью извлечения дорогостоящего и дефицитного галлия. Способ для получения галлия из отходов полупроводникового фосфида галлия включает вакуумтермическое разложение его при нагреве в графитовом тигле при температуре 1050-1200С при остаточном давлении 0,133-6,666 Па (110^-3-510^-2 мм рт.ст.) с отделением образующегося фосфора от галлия в зоне разложения путем конденсации паров фосфора в конденсаторе с последующим окислением до фосфорного ангидрида и растворением его в воде. Способ осуществляют с помощью устройства, которое включает нагреватель, кварцевый реактор, графитовый тигель, расположенный в реакторе, вакуумную систему, металлический водоохлаждаемый конденсатор, линии подачи кислорода и инертного газа. При этом входной патрубок вакуумной системы расположен после конденсатора, а входной патрубок подачи кислорода - перед конденсатором. Способ и устройство позволяют повысить степень извлечения галлия из отходов полупроводникового фосфида галлия и уменьшить количество отходов. 2 с.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к способам и устройствам переработки отходов соединений А^IIIB^V, в частности полупроводникового фосфида галлия и может быть использовано в электронной промышленности, цветной металлургии и других отраслях, занимающихся переработкой галлийсодержащего сырья.

Известен способ (С 22 В 58/00, 30/04, 7/00, RU 2078842, опубл. 10.05.97, авт. Абрютин В.Н., Калашник О.Н.), по которому получение галлия из отходов арсенида галлия проводят вакуумтермическим разложением при температуре 1100-1250С и остаточном давлении n(10^-1-10^-2) мм рт.ст.

Основным недостатком способа является низкая степень извлечения галлия и повышенный расход электроэнергии, обусловленные высокой температурой процесса 1100-1250С (при температуре выше 1200С начинает заметно испаряться галлий из зоны разложения) и не достаточно глубоким вакуумом. Известно, что для разлагающихся соединений, например, фосфида галлия GaP, арсенида галлия GaAs, арсенида индия InAs, скорость и полнота диссоциации зависит от остаточного давления в зоне разложения, и чем оно меньше, тем больше скорость и полнота диссоциации.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является способ (С 22 В 7/00, US 6126719 А, опубл. 03.10.2000), по которому получение галлия из отходов полупроводникового фосфида галлия GaP производят вакуумтермическим разложением при нагреве при температуре 1250-1475С и остаточном давлении 10^-5-10^-1 мм рт.ст. в графитовом тигле, с отделением образующегося фосфора от галлия в зоне разложения путем конденсации паров фосфора в конденсаторе, его окисление и растворение, причем окисление проводят водным раствором соли переходного металла, например, водным раствором сульфата меди.

Известно устройство, наиболее близкое по технической сущности к заявляемому (С 22 В 7/00, US 6126719 А, опубл. 03.10.2000), включающее нагреватель, кварцевый реактор, графитовый тигель, расположенный в реакторе, вакуумную систему и водоохлаждаемый конденсатор. Реактор соединен с водоохлаждаемым конденсатором и вакуумной системой трубопроводами.

Основным недостатком данного способа и устройства является низкая степень извлечения галлия и образование большого количества отходов.

При вакуумтермическом разложении, которое проводят при температуре 1250-1475С происходит значительное испарение галлия из зоны разложения, так как уже при температуре 1329С давление пара галлия над его расплавом составляет 110^-3 ат (Иванова Р.В. Химия и технология галлия. - М.: Металлургия, 1973, c.327).

Применение в качестве окислителя фосфора водного раствора соли переходного металла, например, сульфата меди приводит к образованию большого количества жидких (смесь водных растворов окислителя и продуктов реакции) и твердых (смесь восстановленного металла с остатками непрореагировавшего окислителя и продуктов реакции) отходов.

Техническим результатом настоящего изобретения является получение галлия из отходов полупроводникового фосфида галлия GaP с более высокой степенью извлечения галлия и уменьшение количества отходов.

Технический результат, обеспечиваемый изобретением, достигается тем, что в способе получения галлия из отходов полупроводникового фосфида галлия GaP, включающем вакуумтермическое разложение его при нагреве при остаточном давлении 0,133-6,666 Па (110^-3-510^-2 мм рт.ст.) в графитовом тигле, с отделением образующегося фосфора от галлия в зоне разложения путем конденсации паров фосфора в конденсаторе, его окисление и растворение, вакуумтермическое разложение фосфида галлия проводят при температуре 1050-1200С, окисление фосфора ведут кислородом с получением фосфорного ангидрида, который направляют на растворение в воде, а также устройством, включающим нагреватель, кварцевый реактор, графитовый тигель, расположенный в реакторе, вакуумную систему, металлический водоохлаждаемый конденсатор, и снабженным линией подачи кислорода, при этом входной патрубок вакуумной системы расположен после конденсатора, а входной патрубок линии подачи кислорода - перед конденсатором.

Получение галлия из отходов полупроводникового фосфида галлия с более высокой степенью извлечения достигается благодаря предотвращению испарения образовавшегося галлия в результате вакуумтермического разложения фосфида галлия. Это возможно благодаря тому, что вакуумтермическое разложение проводят при температуре 1050-1200С. При этой температуре практически не происходит испарение галлия из зоны разложения. В способе-прототипе процесс вакуумтермического разложения проводят при температуре 1250-1475С. При этом происходит заметное испарение галлия из зоны разложения и последующая конденсация в более холодных частях устройства, например, трубопроводах или конденсаторе. Конденсат, представляющий собой двухфазную смесь фосфида галлия и галлия (фосфид галлия будет образовываться за счет обратного взаимодействия паров галлия и фосфора), попадая в трубопровод, может служить центрами дальнейшей конденсации фосфида галлия и галлия. Это может привести к полному перекрытию внутреннего сечения трубопровода, резкому возрастанию давления в зоне разложения и прекращению процесса вакуумтермического разложения, что тоже приведет к снижению степени извлечения галлия.

Это возможно благодаря тому, что устройство снабжено линией подачи кислорода в конденсатор, таким образом, что входной патрубок вакуумной системы расположен после конденсатора, а входной патрубок подачи кислорода расположен перед конденсатором.

Патрубок вакуумной системы расположен после конденсатора для того, чтобы пары фосфора, выделяющиеся в процессе вакуумтермического разложения, конденсировались в конденсаторе, и не проникали в вакуумную систему. Патрубок линии подачи кислорода расположен перед конденсатором, поэтому образующиеся при окислении пары фосфорного ангидрида Р₂О₅ будут уноситься газовым потоком в поглотитель, не загрязняя другой продукт реакции - галлий.

Окисление фосфора в способе-прототипе проводят водным раствором соли переходного металла, например, сульфатом меди. При этом происходит окисление фосфора, перевод его в раствор и восстановление катиона металла до металлического состояния. Авторы предлагают использовать полученный раствор в качестве удобрения или подвергать утилизации. Использование в виде удобрения предполагает выполнение дополнительных операций по отделению восстановленного металла от раствора и выделению из раствора избытка исходного окислителя. Для утилизации полученного раствора также необходимы дополнительные операции и реагенты, например, для нейтрализации или переводу в малорастворимые соединения.

В заявляемом способе окисление фосфора проводят кислородом с образованием фосфорного ангидрида Р₂О₅. Поток газообразного фосфорного ангидрида затем взаимодействует с водой с образованием ортофосфорной кислоты Н₃РО₄, которая является товарным продуктом без применения дополнительных операций, например, в химической промышленности, таким образом технологический процесс является безотходным.

Экспериментально получено, что скорость процесса вакуумтермического разложения фосфида галлия при температуре ниже 1050С недостаточна для выполнения процесса. При температуре выше 1200С происходит испарение галлия из зоны разложения, что приводит к снижению степени извлечения.

При остаточном давлении менее 0,133 Па происходит испарение галлия из зоны разложения, что также приводит к снижению степени извлечения. При остаточном давлении более 6,666 Па процесс разложения проходит очень медленно, что требует дополнительных затрат электроэнергии.

Заявляемый способ был реализован в устройстве, приведенном на чертеже.

Устройство состоит из графитового тигля 1, расположенного в кварцевом реакторе 2, нагревателя 3, водоохлаждаемого конденсатора 4, соединенного с кварцевым реактором 2, вакуумной системы 5-9, входной патрубок которой расположен после водоохлаждаемого конденсатора, линии подачи кислорода, которая осуществляется с помощью вентиля 12, причем входной патрубок линии подачи кислорода расположен перед водоохлаждаемым конденсатором, линии наполнения внутреннего объема устройства инертным газом с вентилем 10, поглотителя 13, водяного насоса 14 и камеры контроля полноты поглощения 15.

Устройство работает следующим образом. За счет вакуумной системы 5-9 устройства, вход которой расположен сразу после конденсатора 4, термическое разложение ведут в условиях динамического вакуума. Газообразный кислород подается с помощью вентиля 12, который расположен перед конденсатором, для окисления фосфора после того, как завершен процесс вакуумтермического разложения и конденсации фосфора в конденсаторе 4. Продукт окисления фосфора поступает в поглотитель 13, где происходит его улавливание водой с образованием фосфорной кислоты. Примером конкретного выполнения данного способа в устройстве для его осуществления может служить получение галлия из отходов полупроводникового фосфида галлия.

Процесс проводят следующим образом. Взвешивают отходы фосфида галлия в количестве 5,0 кг, загружают их в графитовый тигель 1, помещают в кварцевый реактор 2, находящийся в нагревателе 3. Производят соединение кварцевого реактора 3 с водоохлаждаемым конденсатором 4 через вакуумное уплотнение 5. Затем к выходному фланцу конденсатора через вакуумное уплотнение 6 присоединяют трубопровод вакуумной системы, включающей механический вакуумный насос 7, вакуумметр 8 и вентиль 9. Подают воду для охлаждения конденсатора. Включают механический вакуумный насос 7, открывают вентиль 9 и откачивают внутренний объем устройства до остаточного давления 0,133 Па (110^-3 мм рт.ст.), которое контролируется с помощью вакуумметра 8. Подают электропитание на нагреватель 3 и производят его нагрев до температуры 1050С. Процесс вакуумтермического разложения проводят в течение четырех часов. По истечении этого времени производят отключение электропитания нагревателя. После остывания нагревателя до температуры 40-60С закрывают вентиль 9, отключают механический вакуумный насос 7. Внутренний объем устройства заполняют инертным газом, например, азотом до атмосферного давления с помощью вентиля 10, после этого вентиль 10 закрывают. Открывают вентили 11 и 12 и начинают процесс окисления (сжигания) фосфора, сконденсированного в водоохлаждаемом конденсаторе 4 кислородом. Образующийся в результате этого фосфорный ангидрид Р₂О₅ газовым потоком переносится в поглотитель 13, где происходит его поглощение водой с образованием ортофосфорной кислоты Н₃РО₄. Поглотитель 13 снабжен насосом 14 для циркуляции поглотителя - воды и камерой контроля полноты поглощения 15. После окончания процесса окисления фосфора прекращают подачу кислорода, закрыв вентили 11 и 12. Производят отделение конденсатора 4 от кварцевого реактора 2, раскрывая вакуумные уплотнения 5 и 6, и вынимают графитовый тигель 1 из кварцевого реактора 2, выгружают из него полученный галлий, взвешивают и определяют степень извлечения галлия, которая составляет 99,60 мас.%. Остальные примеры на граничные пределы технологических режимов заявляемого способа представлены в таблице.

Из данных таблицы следует, что заявляемый способ и устройство позволяют получить галлий с высокой степенью извлечения из отходов полупроводникового фосфида галлия.

Формула изобретения

1. Способ получения галлия из отходов полупроводникового фосфида галлия GaP, включающий вакуум-термическое разложение его при нагреве при остаточном давлении 0,133-6,666 Па (110^-3-510^-2 мм рт.ст.) в графитовом тигле, с отделением образующегося фосфора от галлия в зоне разложения путем конденсации паров фосфора в конденсаторе, его окисление и растворение, отличающийся тем, что вакуум-термическое разложение фосфида галлия проводят при температуре 1050-1200С, окисление фосфора ведут кислородом с получением фосфорного ангидрида, который направляют на растворение в воде.

2. Устройство для получения галлия из отходов полупроводникового фосфида галлия, содержащее нагреватель, кварцевый реактор, графитовый тигель, расположенный в реакторе с вакуумной системой, металлический водоохлаждаемый конденсатор, отличающееся тем, что оно снабжено линией подачи кислорода, входной патрубок вакуумной системы расположен после конденсатора, а входной патрубок линии подачи кислорода - перед металлическим конденсатором.

РИСУНКИ

Рисунок 1