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1、1 XXXXX 学院学院 学生课程设计（论文）学生课程设计（论文） 题目：镓的提炼原理及工艺设计 学生姓名：XXXX学号：XXXXXXXXXXXXXX 所在院(系)：材料工程学院 专业：材料科学与工程 班级：科学与工程（一）班 指 导 教 师：XXX职称：XXXX 2013 年 12 月 16 日 XXX 学院教务处制 2 XXXXXX 学院本科学生课程设计任务书学院本科学生课程设计任务书 题题目目 镓的提炼原理及工艺设计 1、课程设计的目的、课程设计的目的 熟悉产品镓的生产工艺，培养学生的动手能力、分析问题和解决实际问题的能 力。为进一步进行该产品深入学习打基础。 2、课程设计的内容和要求课
2、程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等） 设计内容： (1)设计从铝土矿中用碳酸化法、汞电解法螯、合物直接萃取法提取镓的工艺 (2)设计从闪铝矿中用硫酸处理在进行沉淀后电解的方法提取镓的工艺 (3)设计从铝酸钠溶液中用烧结法和溶剂萃取法提取镓的工艺 设计要求： (1)设计依据详细可靠 (2)对实际应用有指导意义 (3)格式规范 3、主要参考文献、主要参考文献 冶金和金属材料 金属镓的回收 从氧化铝生产回收镓的生产现状和发展趋势 4、课程设计工作进度计划、课程设计工作进度计划 12 月 2 日下发设计任务 12 月 5 日初期指导 12 月 9 日中期指导 12 月 11 日定稿
3、指导 12 月 16 日完成设计任务 指导教师指导教师（签字）日期日期年月日 教研室意见：教研室意见： 年月日 学生学生（签字） ： 接受任务时间：年月日 3 课程设计（论文）指导教师成绩评定表课程设计（论文）指导教师成绩评定表 题目名称题目名称 评分项目评分项目 分分 值值 得得 分分 评价内涵评价内涵 工作 表现 20% 01学习态度6 6 遵守各项纪律，工作刻苦努力，具有良好的科 学工作态度。 02科学实践、调研7 7 通过实验、试验、查阅文献、深入生产实践等 渠道获取与课程设计有关的材料。 03课题工作量7 7按期圆满完成规定的任务，工作量饱满。 能力 水平 35% 04综合运用知识的
4、能力1010 能运用所学知识和技能去发现与解决实际问 题，能正确处理实验数据，能对课题进行理论 分析，得出有价值的结论。 05应用文献的能力5 5 能独立查阅相关文献和从事其他调研；能提出 并较好地论述课题的实施方案；有收集、加工 各种信息及获取新知识的能力。 06 设计（实验）能力，方案 的设计能力 5 5 能正确设计实验方案，独立进行装置安装、调 试、操作等实验工作，数据正确、可靠；研究 思路清晰、完整。 07计算及计算机应用能力5 5 具有较强的数据运算与处理能力；能运用计算 机进行资料搜集、加工、处理和辅助设计等。 08 对计算或实验结果的分析 能力（综合分析能力、技 术经济分析能力）
5、 1010 具有较强的数据收集、分析、处理、综合的能 力。 成果 质量 45% 09 插图（或图纸）质量、篇 幅、设计（论文）规范化 程度 5 5 符合本专业相关规范或规定要求；规范化符合 本文件第五条要求。 10设计说明书（论文）质量3030 综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分， 结论严谨合理；实验正确，分析处理科学。 11创新1010对前人工作有改进或突破，或有独特见解。 成绩成绩 指导指导 教师教师 评语评语 指导教师签名：年月日 4 1 绪绪 论论 1.1 前言 镓主要用于制备-V 族化合物半导体材料。在微波器件领域内，砷化镓是最 有前途的半导体材料。用镓砷磷、镓铝砷制成的红色发
6、光管，用磷化镓制成的绿 色发光管等，已在电子计算机及其他电子仪器中广泛应用。砷化镓、镓铝砷还可 作固体激光器材料，用于光导纤维通信，还能用作太阳能电池的材料以及制作大 规模高速集成电路。镓有很高的光反射能力，可把它挤压在两块玻璃板之间制成 镜子。镓化合物可用作分析化学、医药和有机合成的催化剂。 日本是镓的最大需求国，其次是美国，95%的镓消耗在砷化镓上，模拟集成 电路是最大的用途，光电设备次之。 镓的国际市场行情从 2006 年秋季开始上扬，2007 年开始由于需求增加，供应 减少，价格有加速上涨的趋势。 1.1.1镓的物理性质 镓属稀散金属,自然界中没有独立的成矿,主要存在于铝的各种矿物晶格
7、中, 据相关资料统计,世界上 90%以上的镓储存在铝土矿中,估计在 100 万 t 以上,我 国的铝土矿中Ga2O3含量为0.1006%0.1015%,新上马的云南文山氧化铝生产项 目的铝土矿中镓的含量大致也在此范围。所以镓的提取,主要是从氧化铝生产过 程中回收,即对拜耳法生产氧化铝过程中过滤氢氧化铝后的种分母液通入 CO2进 行碳酸化处理和混联法处理。 镓主要应用于尖端科技,如半导体电子材料、激光器、功能合金材料、低温 超导材料、原子能工业等领域,由于其熔点低,(29198),沸点极高(2403),金 属保持液态的温度范围大,蒸汽压又低,能吸收中子控制反应速度等特殊性能,被 广泛用作原子能工
8、业上的热交换剂。 镓的物理性质见表 1，表 2： 表 1镓的物理性质 原子量熔点/沸点/密度比热容比潜热 69.7229.7824035.907330.7688.22 热导 率 线胀系数电阻率热函融 化 潜 热 蒸汽 压 硬度外观 颜色 29131 w/m k 181310 6 131710 2 mm2/m 23 J/mol 38135 kJ/mol 11333 Pa 115银白 色 5 表 2亚稳态和高压态的物理性质 性质常压下亚稳态高压态高压态 熔点，-16.3-19.4-28.6-35.6 熔化热， J/g 38.037.036.234.9 熔点是密 度， g/cm 3 6.226.21
9、6.20 晶体结构单斜晶 系 三角晶 系 斜方晶 系 立方晶 系 四角晶系 压力， Gpa2.82.6 1.1.2镓的化学性质 镓（Ga），第 31 号元素，化学性质和铝相似，A 族，银白色金属，在干 燥的空气中稳定，在潮湿的空气中失去光泽，与碱反应放出氢气;能被浓盐酸侵 蚀；高温时能与多数非金属反应；溶于酸和碱中，微溶于汞。 镓在化学反应中存在+1、+2 和+3 化合价，其中+3 为其主要化合价。镓的金 属活动性类似锌，却比铝低。镓是两性金属，既能溶于酸(产生 Ga 3 )也能溶于碱 (生成镓酸盐)。镓在常温下，表面产生致密的氧化膜阻止进一步氧化，在冷的硝 酸中钝化。加热时和卤素、硫迅速反应
10、，和硫的反应按计量比不同产生不同的硫 化物。 镓在加热下也能和硒反应： Ga + Se GaSe(棕色) 2 Ga + Se Ga2Se(黑色) 镓即使在 1000也不能和氮气反应，而在略高于此温度时能和氨气反应， 产生疏松的灰色粉末状的氮化镓，它能被热的浓碱分解，放出氨气。 1.21.2 镓的概述镓的概述 镓是灰蓝色或银白色的金属。熔点很低，沸点很高。纯液态镓有显著的过冷 的趋势，在空气中很稳定。镓主要用于电子工业和通讯领域，是制取各种镓化合 物半导体的原料，硅、锗半导体的掺杂剂等。 镓在巴黎由布瓦博得朗于 1875 年发现。他在闪锌矿矿石（ZnS）中提取的锌的 原子谱上观察到了一个新的紫色
11、线。他知道这意味着一种未知的元素出现了。 6 布瓦博得朗没有意识到的是它的存在和属性，都已经被门捷列夫成功预言了， 他的元素周期表显示出在铝下面有个间隙尚未被占据。 他预测这种未知的元素原 子量大约是 68，它的密度是 5.9 g/cm。 在 1875 年 11 月，布瓦博得朗提取并提纯了这种新的金属，并证明了它像铝。 在 1875 年 12 月，他向法国科学院宣布了它。 1.3 镓的分布 自然界中常以微量分散于铝于矿、闪锌矿等矿石中。由铝土矿中提取制得。 在高温灼烧锌矿时，镓就以化合物的形式挥发出来，在烟道里凝结，镓常与铟和 铊共生。经电解、洗涤可以制得粗镓，再经提炼可得高纯度镓。 世界 9
12、0%以上的原生镓都是在生产氧化铝过程中提取的，是对矿产资源的一 种综合利用，通过提取金属镓增加了矿产资源的附加值，提高氧化铝的品质降低 了废弃物“赤泥”的污染， 因此非常符合当前低碳经济以最小的自然资源代价获 取最大利用价值的原则。镓在其它金属矿床中的含量极低，经过一定富集后也只 能达到几百克/吨，因而镓的提取非常困难，另一方面，由于伴生关系，镓的产 量很难由于镓价格上涨而被大幅拉动，因此，原生镓的年产量极少，全球年产量 不足 300 吨，是原生铟产量的一半，如果这种状况不能得到改善，未来 20-30 年这些金属镓将会出现严重短缺。 1.4 镓的用途 一、镓的化合物半导体广泛用于电子与微电子工
13、业，作红外光学与红外探测 器件、微波通讯与微波集成、集成电路，作红、黄、蓝、绿与白色的发光二极管， GaAs 太阳能电池是迄今转换率最高的，美日打算用此建太空电站。民用的电脑、 彩电、音响及医疗设备也有需要。 二、镓与铟、铊、锡、铋、锌等可在 3到 65组成一系列低熔合金，用于 温度测控、仪表中的代汞物、珠定业作中支撑物、金属涂层、电子工业及核工业 的冷却回路。镓与铜、镍、锡、金等可组成冷焊剂，适于难焊接的异型薄壁，金 属间及其与陶瓷间的冷焊接与空洞堵塞。GaSnIn 或 GaIn 作的石英温度计 可测温至 1500而不像水银温度计那样会爆裂 7 2. 镓的提取 镓是稀散金属， 直接提取很不经
14、济， 它是在生产铝、 锌等金属时从其中提取。 2.1 从铝土矿中提取镓。 世界上 90%的镓是从氧化铝生产中回收。从铝土矿中生产氧化铝的方法有拜 尓法和烧结法。 在拜尓法生产过程中， 绝大多数镓富集于多次循环后的返回母液， 含镓量达 80-300mg/L。用烧结法处理铝土矿时，镓主要富集于碳酸化返回母液， 含镓量为 30-60mg/L。从上述返回母液中抽取部分提取回收镓，其方法有： 2.1.1 条件选择 1、试剂 Ca2O3，HNO3,HCl，二甲苯橙与抗坏血酸，固态，分析纯 721 型分光光度计 CS501 型超级恒温计，PH-3C 精密 PH 计，高温电炉 2、分析方法 二甲橙显色分光光度
15、法。具体步骤为：移取一定量含镓溶液于 25ml 容量瓶 中加入 1mol/L 的硝酸溶液 1ml 和 0.01mol/L 的二甲苯橙 4ml 用蒸馏水稀释至大 约 20ml，沸水浴加热 5min 后，置于温度为 25的恒温容器中恒温 30min 用 1cm 的比色皿在=530nm 处测吸光度若样品铁质量浓度较高时可加入 0.02g 抗坏血 酸防止干扰。 3、实验方法 取含镓铝土矿3kg左右用粉碎机将矿粉研磨取样3份用原子发射光谱仪测定 镓的质量分数。经测定，原料中镓的质量分数平均为 60ug/g 取原料矿粉每份 10g 用高温电驴定时焙烧冷却后用一定浓度的盐酸溶液冷浸， 然 后过滤。取一定量滤
16、液测定镓的质量浓度，用差减法计算镓的浸出率。计算公式 为： E=（）/（m w）100% 为滤出液中镓的质量浓度，mg/L；V 为浸出液体积，mL；m 为样品质量，g；w 为样品中镓的质量分数，ug/g。试验条件为浸出率评价。 4、铝土矿焙烧温度的选择 用分析天平称取 10g 铝土矿样品 12 份，分别置于高温电炉中焙烧温宿分别 为 400 500 550 600 650 700 750 800 850 和 900 （其中 一份不焙烧即在常温下） 均为 0.5h 然后均用 6moi 每升的盐酸溶液 25ml 浸出 24h 结果见图 1: 8 图 1焙烧温度度镓浸出率的影响 由图 1 可知在常温下不经焙烧时镓浸出率为 82.2%，而焙烧后，家的浸出率 变化很大，在 500时浸出率达到最高值 94.8%。在升高温度浸出率反而下降。 900是浸出率仅为 67.1%。因此，部分镓存在于粉末表面或一吸附心态存在易 被浸出而位于晶格中的镓难以与浸出液反应。经焙烧后晶格被破坏，使镓游离出
