способ получения индия высокой чистоты

Формула изобретения

Способ получения индия высокой чистоты, включающий вакуум-термическую обработку индия, отличающийся тем, что вакуум-термическую обработку проводят в две стадии, причем на первой стадии при температуре 1000-1350°С получают три конденсированные фракции, одна из которых обогащена труднолетучими примесями, другая содержит сконденсированные возгоны, обогащенные легколетучими примесями, а третья очищена от труднолетучих и легколетучих примесей, при этом третью фракцию направляют на вторую стадию вакуум-термической обработки при температуре 1100-1200°С, на которой металлический индий очищают от примесей со средней степенью летучести с получением продукта, содержащего индия не менее 99,9999 мас. %.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии редких и рассеянных элементов и может быть использовано при получении индия высокой чистоты.

При использовании индия для синтеза соединений, применяемых в электронной промышленности, предъявляются высокие требования к чистоте материала. Чистота металлического индия определяется по содержанию индия. Для электронной промышленности требуется индий с содержанием индия не менее 99,9999% по массе. Чистота индия напрямую влияет на свойства синтезируемых соединений.

Известны различные способы получения индия высокой чистоты, включающие химические, электрохимические, вакуумную дистилляцию и кристаллофизические методы очистки.

Так, например, известен способ получения индиевого порошка высокой чистоты, включающий перевод индия в хлорид индия (I), последующую обработку вспомогательными веществами, промывку полученного осадка и его сушку, отличающийся тем, что в качестве вспомогательных веществ последовательно используют бидистиллят при объемном соотношении бидистиллят : индий = (3,5 4,5): 1 и раствор уксусной кислоты с рН 2,0-2,5 при объемном соотношении уксусная кислота: индий = (4-5): 1 (см. патент RU № 2218244, опубл. 10.02.2004 г., С22В 58/00).

Недостатком способа является его многостадийность и невысокая чистота индиевого порошка - на уровне 99,999% по массе.

Известен способ получения индия и галлия высокой чистоты методом электропереноса в магнитном поле. Метод основан на электропереносе в жидких металлах, помещенных в поперечное постоянное магнитное поле, получены индий и галлий высокой чистоты (7N). Определены значения относительного остаточного сопротивления (интегральной характеристики чистоты материалов) полученных индия (25000 отн. ед.) и галлия (85000 отн. ед.) и проведено их сравнение с другими марками этих металлов. Разработан способ эффективной финишной очистки высокочистых материалов для микро - и наноэлектроники с помощью поперечного электропереноса в магнитном поле. (Preparation of high-purity indium and gallium via electrotransfer in a magnetic field. Trunin E.B., Trunina O.E. Inorganic Materials. 2003. Т. 39. № 8. С.798-801.).

Недостатками способа являются невозможность использования в качестве исходного металла индия марки чистотой 99,99% по массе и более грязного, низкая производительность.

Имеется информация о возможности получения высокочистого индия сочетанием вакуумной дистилляции и зонной плавки. Удаление примесей активизируется, во-первых, по причине различной скорости испарения компонентов, во-вторых, паровой перегонкой примесей вблизи конденсирующей подложки в условиях осаждения примесей при определенной температуре. По теоретическим оценкам, приведенным в работе, достижимая интегральная чистота индия при содержании примесей в рафинируемом индии более 1·10^-1 весовых процентов будет на уровне 99,91% по массе. (Журнал «Труды молодых ученых», № 1, 2009 г., РАН, Владикавказский научный центр, Ачеева Э.А., Созаев В.А., Гринюк В.Н. «О возможности получения высокочистого индия сочетанием вакуумной дистилляции и зонной плавки»).

Недостатком этого процесса является низкая чистота очищенного индия - на уровне 99,91% по массе.

Известен способ вакуум-термической (дистилляционной) очистки индия. Способ используется в качестве завершающей стадии получения индия высокой чистоты. При вакуум-термической (дистилляционной) очистке индия, описанной в данном способе, примеси более летучие, чем индий, прежде всего примеси с достаточно высоким парциальным давлением при температурах 600-1000°С, при которых испарение индия незначительно, испаряются из индия и удаляются. Очистка индия от труднолетучих примесей по этому способу не происходит. («Индий. Технологии получения». Л.А.Казанбаев, П.А.Козлов, В.Л.Кубасов, В.Ф.Травкин (ИД "Руда и Металлы", 2004 г., с.145-153).

Недостатком способа является необходимость глубокой очистки индия, подвергаемого вакуум-термической (дистилляционной) очистке от трудноудаляемых примесей, таких как Sn, Pb, Сu и др.

Способ принят за прототип.

Техническим результатом заявленного изобретения является получение металлического индия с содержанием индия не менее 99,9999% по массе.

Технический результат достигается тем, что в способе получения индия высокой чистоты вакуум-термической обработкой индия, согласно изобретению вакуум-термическую обработку проводят в две стадии: на первой стадии при температуре 1000-1350°С получают три конденсированные фракции, одну фракцию, обогащенную труднолетучими примесями, другую - сконденсированные возгоны, обогащенные легколетучими примесями, и третью фракцию, очищенную от труднолетучих и легколетучих примесей, которую направляют на вторую стадию и подвергают вакуум-термической обработке при температуре 1100-1200°С, где металлический индий очищается от примесей со средней степенью летучести с получением продукта, содержащего 99,9999% масс. индия.

Сущность способа заключается в следующем. Металлический индий подвергают вакуум-термической обработке в вакуумной камере (рис.1) с нагревателем (4), графитовыми тиглями, расположенными в ней один над другом (1,2), в две стадии: на первой стадии индий (3), размещенный в тигле № 1, подвергают термообработке при температуре 1100-1350°С в вакууме с остаточным давлением 5х10^-2-5х10^-3 мм рт.ст. и получают три фракции: одну фракцию в тигле № 1 (кубовый остаток), обогащенную труднолетучими примесями, другую - сконденсированные возгоны в тигле № 2, очищенную от труднолетучих и легколетучих примесей, и третью фракцию, обогащенную легколетучими примесями, сконденсированными на холодной поверхности вакуумной камеры (5). На первой стадии осуществляется очистка металлического индия от труднолетучих примесей, таких как Sn и Сu, и концентрирование их в кубовом остатке, и от легколетучих As, Cd, Zn, сконденсированных на холодной поверхности вакуумной камеры. Сконденсированные возгоны на первой стадии в тигле № 2, содержащие примеси (Pb, Sb, Tl, Bi), после охлаждения перемещают в тигель № 1, предварительно выгрузив из него кубовый остаток и подвергают вакуум-термической обработке на второй стадии при температуре 1100-1200°С в вакууме с остаточным давлением 5х10^-2 -5х10^-3 мм рт.ст. На этой стадии индий очищается от примесей, очистка от которых не происходит на первой стадии (Pb, Sb, Tl, Bi).

Продолжительность вакуум-термической обработки зависит от количества загружаемого металлического индия и должна обеспечивать на первой стадии очистки количество возгонов не более 90% от исходного количества, загруженного на вакуум-термическую обработку индия. А на второй стадии вакуум-термической обработки индия количество возгонов не менее 10% от исходного количества, загруженного на вторую стадию вакуум-термической обработки индия.

В результате проведения вакуум-термической дистилляционной очистки индия получают индий с содержанием индия не менее 99,9999% по массе.

Обоснование заявленных параметров процесса

Проведение первой стадии термообработки индия при температуре ниже 1000°С не позволяет отделить труднолетучие примеси от основной массы очищаемого индия из-за низкой летучести индия при температуре ниже 1000°С, что приводит к снижению производительности процесса. Увеличение температуры выше 1350°С приводит к повышению концентрации труднолетучих примесей в очищенной фракции на первой стадии и повышенной концентрации труднолетучих примесей в очищенном металле на второй стадии. Содержание металлического индия в очищенном индии при температуре выше 1350°С не превышает 99,999% по массе.

Проведение второй стадии термообработки индия при температуре ниже 1100°С приводит к повышению среднелетучих примесей в очищенном индии, и содержание металлического индия в очищенном индии не превышает 99,999% по массе. Увеличение температуры выше 1200°С приводит к снижению выхода очищенного индия из-за его перераспределения с возгонами, содержащими примеси.

Пример осуществления способа

Вакуум-термическую дистилляционную очистку индия проводили в графитовых тиглях, соосно расположенных друг над другом. Схематически вакуумная камера с нагревателем и графитовыми тиглями представлена на рис.1. Пять килограммов индия с содержанием индия 99,9% по массе загружали в тигель № 1 и откачивали вакуум до степени 5х10^-2 мм рт.ст. Температуру в зоне тигля № 1 поднимали до 1300°С. Процесс вакуум-термической обработки проводили в течение 6 часов. После охлаждения сконденсированный материал из тигля № 2 в количестве четырех килограммов 567 граммов перемещали в тигель № 1, предварительно выгрузив из него кубовый остаток. Вторую стадию вакуум-термической обработки индия проводили при температуре 1100°С, в вакууме 5х10^-2 мм рт.ст. и продолжительности процесса 2 часа. Полученный в тигле № 1 индий в количестве четырех килограммов 145 граммов анализировали методом масс-спектроскопии. Содержание индия в металле после дистилляционной очистки не менее 99,9999% по массе, а уровень лимитируемых примесей не превышает уровня соответствующего металлическому индию марки Ин0000.

Из приведенных данных видно, что использование предлагаемого способа по сравнению с известным позволяет получать металлический индий с содержанием индия не менее 99,9999% по массе, а уровень лимитируемых примесей не превышает уровня примесей, соответствующих металлическому индию марки Ин0000.