ITO废靶回收金属铟

黄作 郑飞熊

【摘 要】本文探讨了影响盐酸溶解、分离铟锡和电解置换的多种因素。采用盐酸溶解法，最佳用量为理论用量的1.6倍到3.5倍，溶解的温度为80℃时，可最快溶解废靶。溶液的温度为55℃时，用金属铟置换出溶液中的锡离子，再用薄铝片置换出溶液中的铟离子，此时粗铟的回收率可到96%。电解回收粗铟的最佳条件是[In]=40 g·L-1到105g·L-1，具体温度35℃，PH值大小3.5，电流的密度是55 A·m-2到85A·m-2之间，槽电压是320 mV到360mV，此时可以获得纯度高达99.95%的金属铟，此时金属铟总回收率超过了94%。

【关键词】ITO废靶;金属铟;回收技术

一、引言

铟是一种行业需求很高的稀有金属，生活中常见的那些包含金属铟的物品就是用在平面显示器上的透明电极，而一般都会以铟锡氧化物（Indium—Tin—Oxide，简称ITO）的形态出现，尤其是电子信息行业对于金属铟的需求非常高，因为薄膜晶体管需要用到金属铟，还有日常的液晶显示器制作也需要金属铟，还有金属铟也是等离子显示器的重要组成部分。可是金属铟在地壳中的丰度是非常小的，不存在专属于金属铟的矿床，金属铟大多数都是同铅、锌、铜、锡等矿物共同存在，是这些矿物冶炼的副产品。现阶段工业上生产出来的ITO薄膜，通常采用的是铟锡氧化物靶材磁控溅射镀膜法，可是，铟锡氧化物靶材溅射镀膜的利用率不会超过35%，其余的部分都称之为废靶材料，其次在靶材生产的過程中，也会有多余的边角需要切割，进而产生更多废靶材料，因此如何高效回收废靶材料重金属铟，就变成再生铟的重要源头。本篇文章深入探究一种将ITO废靶材当作原材料，盐酸溶解后置换出高纯度金属铟的方法，通过电解精炼可以确保回收的金属铟纯度为99.995%以上。

二、实验的整体过程

（一）实验物品和所需试剂以及实验研究方法

实验要用到的物品和所需试剂为：ITO废靶材料，还有铟锭（In，99.9995%），锌颗粒、铝制的线、薄的铝制片，分析纯试剂的氢氧化钠，明胶（亲水胶体），分析纯试剂的硫脲，纯浓的HCl，浓度高的HNO3，以及浓度高的H2SO4，电阻值超过11mΩ的去离子水。运用美国PE公司创造的ICP-AES研究法测算金属铟的回收纯度，选择以电感耦合技术为基本原理的P1100等离子体原子发射光谱仪，分解探析粗制铟、粗制锡和电解铟各自的纯度。采用以日本理学为理论基础的Dmax2600xRD技术，精准地测算出熔渣中物相的具体情况。

（二）实验基本原理与操作步骤

用去掉离子的水和稀释过的盐酸把ITO废靶材的表面清洗干净，尤其是表面残留的细小粉碎颗粒。在取固定质量的废靶材料时，必须要用称精准量取，用酸性的溶解对ITO废靶材料进行浸泡处理，此操作可将废靶材料所蕴含的氧化铟和氧化锡浸泡出来，随后调控溶液中的pH值大小，In能置换出Sn4+Al可置换出In3+将海绵铟进行熔炼操作就可获得粗制铟。对粗铟进行电解提纯精炼的过程中，需要把粗铟当作阳极，而精铟当作阴极，在In2（S04）3-H2SO4电解液系统之中电解110h。阴阳两极的电极具体反应如下：

阳极：In-3e→In3+Φ0=-0.33V 阴极：In3+3e→In，Φ0=-0.33V

三、对于实验结论的探讨

（一）HCl酸性溶解和温度对于实验的影响

分别用硫酸、硝酸、盐酸，还有王水对ITO废靶材进行溶解。其中盐酸溶解后剩余的残渣是最少的，浸出率可以超出96%以上。在实验中采用盐酸溶解ITO废靶材料，可以发现盐酸的用量越多，溶解需要的时间就越少。虽然盐酸的用量影响溶解速率，可是过多的酸对于后期置换操作，也会产生很大的影响，酸液的最佳用量，应当控制在理论用量的1.6倍到3.5倍，此时溶解速率不会降低，而且溶解ITO废靶材也彻底，剩下的溶残渣也是很少，运用XRD技术对残渣进行检验，发现溶残渣实际上属于氧化锡。其次，溶解时的环境温度也会影响溶解的速率，酸的用量一致时，环境温度越高的，溶解所需要的时间就越少，当然温度最好控制在合适的范围内，通常把温度控制在小于90℃以内为最佳。

（二）调控浸出溶液pH值和锡铟的分离方法

调节浸出液体的pH值大小，需要用到氢氧化钠，最佳PH大小是1.1到1.6之间，随后加入金属铟置换溶液中的金属锡，置换的总用时大概控制在24h，在通过置换获得海绵锡后，海绵锡的熔炼可以得到粗锡，进而回收金属锡，用ICP—AES法算出粗锡纯度为96.21%，金属锡的回收率为 33%，含有的主要杂质包括Sb，Ca，In等。金属铟的耗损量略超出了理论的用量，说明有少量金属铟溶解了。

（三）In3+的置换

部分研究人员已经对这些操作做过深入的探究，运用锌板进行置换操作，但是锌板吸附上海绵铟后，必须在规定期限内将其剥离锌板，而且反应的速率也很慢。换了铝板进行置换操作后，海绵铟会悬浮于溶液表层，且容易于聚集成一团，表明了进行置换操作最好还是用铝板。分别用锌颗粒、铝制线和薄铝制板，对溶液中的In3+进行置换，对比下发现薄铝制板的置换速率是最快，置换的过程十分激烈，会有众多热量释放，溶液的温度迅速上升，当溶液的温度升到65℃以上，置换的效果便会开始变差，海绵铟不再那么容易聚集在一起并成团。所以溶液的温度需要把控在55℃的范围内，溶液的pH值大小要在1到1.5之间，置换时长控制在2h到4h之间，此时金属铟的置换率能够超出97%。

在电解精炼的时候，阳极和阴极分别发生不同的化学效应，在阳极上是钝化化学反应，整个过程会释放氧气，电极附近溶液的pH值会减小，而阴极上是铟和氢共析效应，所以电极附近溶液的pH值会增大。因此，在电解精炼的时候，电解液必须循环工作，保证电解液中局部pH值稳定在平衡状态。若是电解过程中，电解溶液的pH值下降突破了最低限值，可以慢慢地往溶液中加入氢氧化钠，而且不停地搅拌防止局部的碱含量过高，进而造成铟的水解，最终生成难溶解于电解液的物质。当电解液的pH值超出最高的限值时，需要缓慢地往电解液加入H2SO4溶液，将pH值调至3.5左右。

结语：

盐酸用量为理论用量的1.6倍到3.5倍，温度在80℃的时候，ITO废靶材料溶解最快且彻底，浸出率可以高达96%。利用铟锡分离技术，还有铝置换技术回收金属铟，粗铟的回收率可以高达98%。采用In2（SO4）3～H2SO4电解液体系，进行电解操作回收粗铟，电解的条件会影响到所精炼的铟质量，电解过程中电解液In的浓度为40 g·L-1到105g·L-1，温度为35℃，pH值为1.5～3.5，电流密度为55 A·m-2到85A·m-2，槽电压在320 mV到360mV。通过ICP-AES研究法进行剖析，电解精炼可得到纯度达99.995%的金属铟，铟的总回收率超过了预期的 95%。

参考文献：

[1]陈坚，姚吉升，周友元，等.ITO废靶回收金属铟[J].稀有金属，2003，27（1）：101.

[2]郭天立，李春军，刘大勇.铟的冶炼的生产实践[J].有色矿冶，2000，16（6）：18.