СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОКСИДА ГАЛЛИЯ
METHOD OF GALLIUM OXIDE PRODUCTION

Изобретение относится к способам получения окиси галлия, которая может быть использована для изготовления специальных оптических стекол и сложных оксидных соединений.
-4
-4
-4
-4
4
3
Известен способ получения оксида галлия, включающий растворение технического галлия марки Гл-1 в 30% щавелевой кислоте марки ХЧ при нагревании до 100°С. Растворение ведут в течение 6-ти часов при перемешивании и поддержании постоянным уровня раствора. Затем раствор фильтруют, упаривают досуха и прокаливают в муфельной печи в течение 3-х часов при температуре 800°С. Полученный оксид галлия имел следующий примесный состав, мас.%: Cu 1·10, Ni 1·10, Fe 5·10, Al 5·10, SO и NO - не обнаружены.
Такой оксид галлия соответствует марке ОСЧ. (См. а.с. СССР №916404, C01G 15/00, опубл. 30.03.82 г.).
Преимуществом способа является то, что из технического галлия получают оксид галлия марки ОСЧ.
Недостатком способа является многостадийность процесса, высокие энергозатраты.
Известен способ получения оксида галлия путем взаимодействия металлического галлия с водой в автоклаве при температуре свыше 200°С при давлении 200-300 бар с получением гидроокиси галлия и его последующей прокалкой (см. патент ФРГ №2517292, C01G 15/00, 1976 г.).
Недостатком способа является сложное аппаратурное оформление процесса, невозможность получения оксида галлия высокой чистоты из-за загрязнения оксида контейнерным материалом автоклава.
Известен способ получения гидроокисей рассеянных элементов, в частности галлия, включающий автоклавную обработку исходного галлия 2н соляной кислотой в присутствии 30% перекиси водорода, при соотношении кислоты и перекиси водорода 1:1, при температуре 180°C в течение 2,5 часов (см. а.с. СССР №447367, C01G 15/00, 1974 г.).
Известен способ получения оксида галлия, включающий электроискровое диспергирование металлического галлия в воде при напряжении 150-200 В и емкости конденсатора разрядного контура 0,1-1,0 мкф, при температуре воды 20-25°C с получением суспензии гидроокиси галлия. Суспензию отстаивают и помещают в кварцевый сосуд, установленный в автоклаве. Нагревают автоклав до 200°С, устанавливают давление 75-80 бар, через 10 мин нагрев прекращают и затем полученный продукт прокаливают до оксида галлия (см. a.c. CCCP №1013408, C01G 15/00, 1983 г.). Способ принят за прототип.
Оба указанные выше способа получения оксида галлия имеют общие недостатки - автоклавный процесс, сложное аппаратурное оформление, высокая энергоемкость, использование кислот, наличие вредных выбросов и, что самое главное, невысокое качество получаемого оксида галлия.
Техническим результатом заявленного изобретения является получение ультрадисперсного порошка оксида галлия, упрощение аппаратурного оформления процесса, существенное снижение энергоемкости, повышение качества получаемого оксида галлия, за счет снижения содержания примесных компонентов до получения продукта с содержанием оксида галлия не менее 99,999% по массе.
Технический результат достигается тем, что в способе получения оксида галлия, включающем взаимодействие расплавленного металлического галлия с водой при диспергировании с получением гидрооксосоединения галлия, прокаливание полученного продукта до получения оксида галлия, согласно изобретению взаимодействие галлия с водой проводят в одну стадию при соотношении галлия к воде (0,8-1,0):(1,2-1,5), а диспергирование ведут при подаче с равномерной скоростью 200-250 мл/ч перекиси водорода на килограмм расплавленного галлия в течение 3-6 часов до окисления галлия с образованием кристаллогидрата галлия, после чего кристаллогидрат галлия сушат и прокаливают до получения оксида галлия. При этом используют перекись водорода с концентрацией более 30 мас.%, подачу перекиси водорода ведут с равномерной скоростью, а прокалку осуществляют при температуре 1000-1100°С.
Сущность способа заключается в следующем.
Заявленная совокупность признаков, а именно окисление расплавленного галлия водой с одновременным диспергированием и подачей в зону реакции перекиси водорода, обеспечивает возможность проводить процесс окисления без использования автоклава, а соотношение галлия и воды и количество вводимой перекиси водорода приводят к полному окислению галлия в более мягких условиях и в одну стадию, по сравнению с прототипом, где процесс ведут в две стадии, сначала окисление проводят с использованием электроискрового диспергирования металлического галлия в воде, а потом в автоклаве.
3
2
Другой особенностью изобретения является окисление галлия не до гидроокиси галлия с формулой Ga(ОН) как в прототипе, а до кристаллогидрата с формулой GaOH. Это отличие играет существенную роль в достижении технического результата.
Так, прокаливание кристаллогидрата галлия приводит к получению ультрадисперсного оксида галлия с выходом фракции менее 1 мкм выше 85%.
Заявленные параметры процесса позволяют достичь полного окисления галлия в одну стадию и получить оксид галлия с остаточным содержанием галлия менее 0,0001 мас.%.
Обоснование параметров.
Соотношение между металлическим галлием и водой, а также объем и скорость подачи перекиси водорода определяют возможность интенсивного протекания окисления галлия и поддержания оптимальной скорости окисления за счет разогрева смеси в результате экзотермической реакции окисления галлия до кристаллогидрата. При уменьшении нижнего предела содержания расплавленного галлия менее 0,8 и увеличении верхнего предела содержания воды выше 1,5 снижается температура процесса и скорость окисления галлия, окисление осуществляется не полностью. При увеличении верхнего предела содержания расплавленного галлия более 1 и снижении нижнего предела содержания воды менее 1,2 диспергирование галлия ухудшается, что приводит к низкому выходу окисленного галлия.
Уменьшение расхода перекиси водорода ниже 200 мл/ч на килограмм расплавленного галлия приводит к снижению температуры процесса и степени окисления галлия, что препятствует полному окислению металлического галлия до кристаллогидрата. Увеличение расхода перекиси водорода выше 250 мл/ч на килограмм расплавленного галлия приводит к повышению температуры процесса, в результате происходит образование крупной фракции кристаллогидрата галлия, что приводит к укрупнению фракционного состава конечного оксида галлия.
Время диспергирования и введения перекиси водорода определяет полноту образования кристаллогидрата галлия. При проведении процесса менее трех часов возможна неполнота окисления. Осуществление процесса более шести часов нецелесообразно, так как идет непроизводительный расход реагентов.
Термическая обработка при температуре ниже 1000°С не позволяет полностью окислить следы металлического галлия в гидроокиси галлия, а превышение температуры более 1100°С способствует спеканию частиц оксида галлия, увеличению дисперсности конечного оксида галлия.
Помимо всего существенным преимуществом заявленного изобретения является простота осуществления его в промышленном масштабе. Так как, чем больше количество расплавленного галлия участвует в процессе, тем стабильнее протекает процесс окисления галлия и получения оксида. Это определяет высокую производительность процесса. Осуществление основной стадии процесса окисления галлия протекает без подвода тепла, а только за счет экзотермической реакции взаимодействия галлия с водой и перекисью водорода. Это определяет высокую экономическую выгоду изобретения. И это важное положительное свойство изобретения идет в добавление к низкой стоимости реагентов, простоте аппаратурного оформления и к наилучшим показателям по качеству получаемого оксида галлия.
Примеры осуществления способа.
Пример №1. Металлический галлий в количестве 1000 г расплавляли в воде при температуре 90°С и после расплавления диспергировали с помощью роторной мешалки при подаче в зону реакции перекиси водорода. После пяти часов окисления полученный кристаллогидрат галлия сушили и прокаливали. По окончании процесса готовый оксид галлия анализировали на содержание металлического галлия и дисперсный состав.
Результаты осуществления способа при различных значениях заявленных параметров представлены в таблице 1.
Таблица 1
№ опыта
Соотношение галлия к воде (по весу)
Перекись водорода, мл/ч
Температура прокалки кристаллогидрата, °С
Количество фракции оксида галлия менее 1 мкм
Содержание металлического галлия, % по весу
1
0,8:1,5
200
1000
86
<0,0001
2
1:1,2
250
1100
85
<0,0001
3
1:1.5
200
1000
85
<0,0001
4
0,8:1,5
250
1100
85
<0,0001
5
1,1:1,3
225
1000
80
0,02
6
0,5:1,5
200
1000
83
0,04
7
0,8:2
250
1100
80
<0,001
8
0,8:1
200
900
83
0,03
9
0,9:1,4
250
1200
80
0,0001
10
0,9:1,4
175
1000
84
0,03
11
0,9:1,4
275
1000
84
0,0001
Пример №2. Процесс получения оксида галлия осуществляли как в примере №1, но в качестве исходного брали 4000 г металлического галлия
Результаты осуществления способа при различных значениях заявленных параметров представлены в таблице 2.
Таблица 2
№ опыта
Соотношение галлия к воде (по весу)
Перекись водорода, мл/ч
Температура прокалки кристаллогидрата, °С
Количество фракции оксида галлия менее 1 мкм
Содержание металлического галлия, % повесу
1
0,8:1,5
800
1000
86
<0,0001
2
1:1,2
1000
1100
85
<0,0001
3
1:1,5
800
1000
85
<0,0001
4
0,8:1,5
1000
1100
85
<0,0001
5
1,1:1,3
900
1000
80
0,02
6
0,5:1,5
800
1000
83
0,04
7
0,8:2
1000
1100
80
<0,001
8
0,8:1
800
900
83
0,03
9
0,9:1,4
1000
1200
80
0,0001
10
0,9:1,4
700
1000
84
0,03
11
0,9:1,4
1100
1000
84
0,0001
Заявленный способ позволяет получить мелкодисперсную окись галлия с выходом фракции менее 1 мкм более 85% и с остаточным содержанием металлического галлия <0,0001%.
Таким образом, заявленное изобретение позволяет получить следующий положительный эффект.
1. Возможность получения ультрадисперсной окиси галлия с минимальным содержанием металлического галлия.
2. Существенное сокращение энергозатрат.
3. Существенное упрощение оборудования.
4. Исключение вредных стоков.