精馏法处理粗锌制备高纯锌实验研究

杨述燕

（甘肃能源化工职业学院，甘肃 兰州 730207）

首先要明确的是，高纯锌作为一种高纯度的材料，是制造现代化技术不可或缺的一种原料。且伴随着科技的进步以及各行各业的发展，对于金属的耐腐蚀性、导电性以及延展性等有了更高层次的需求，直白来说既是对金属的纯度提出了更高的应用标准。高纯锌作为一种重要的金属材料，其应用是十分广泛的，其中纯度为5N-6N的高纯锌广泛地应用于半导体的制造、还原剂的制造以及各种精密器件的铸造。7N纯度的超高纯锌则用于纸杯II-VI族元素及其化合物中，其是电子、光电子的重要基础原料。例如氧化锌是直接跃迁半导体，由于其结合能很高，该种材料已成为光电子及光子装置的理想材料；硒化锌化合物可作为优良的荧光材料研究对象；硫化锌和硒化锌可用来制作光学器件的零部件。可以看到的是，高纯锌的国际市场需求量在不断的增大[1]。常见的三种提纯方式为电解法、真空蒸馏法与区域熔炼法，其中通过电解法获取高纯锌的技术虽然有所改善，但是由于其阴极部分总是会出现杂质物，且消耗的能量非常大，造作成本也十分的高；而区域熔炼法为了获得一个合适的短熔区间，由于金属锌的熔点较其他的金属元素来说较低，因此为了保持一个较低的温度，需付出较高的费用，且若想用该种方法来制备高纯锌，其对原材料的纯度要求是十分的高的，其通过熔炼来获得高纯锌的时间消耗也是非常久，所以其制备高纯锌仍具有一定的局限性，仅限于当锌的原材料本身就具有十分高的纯度时，才会考虑使用该种方法；真空蒸馏法具有非常高效的提纯功能，但是现有的技术条件，不能保证其工作的持续性与连续性，其旧有的传统手段导致了其生产中的时效率与间歇作业性,因此每次只能处理少量的样品，使得该种手段无法形成一个大的工业规模，同时经过实际的工厂作业可以得知，该技术手段无法单一地去制造7N级别的超高纯锌，必须与其他的技术手段相融合。由以上分析可知，高纯度锌的获取与制造是我国冶金行业面对的一个重大问题，如何高效率、低成本的获得高纯锌，是未来的研究课题以及重点发展方向，同时也是我国冶金行业获得快速发展的一个机遇，未来或可为冶金起来带来丰厚的利润，同时其发展也对于推动我国半导体的研发有着重大意义。

1 原理

简单查阅资料可得知，金属锌的熔沸点较其他的金属来说低很多，因此可以利用这个特点来进行金属元素的分离与提纯，可以行之有效的将锌元素提取出来，并使之保持一个高纯度的情况。其中粗锌常压精馏法因其所需时间短、产量高、易操作、经济成本低、所需劳动力少、所生产的锌纯度高等优点，所以得到广泛地使用，且该方法还可实现低温作业。利用精馏法对粗锌进行提纯，主要是利用金属锌的熔沸点与其中的杂质金属的熔沸点以及饱和蒸气压的差异性，在其进行挥发以及冷凝的时候除去不要的金属元素，从而达到提纯的目的。饱和蒸气压高而沸点比金属锌低的金属元素，在金属锌蒸发之前便已经开始蒸发；反之蒸气压和熔沸点较金属锌来说高的，则会因为熔沸点以及蒸气压的原因留在原液中[2]。经过查阅资料后可得知，大多数的重金属是容易分离的，仅少数金属元素较难除去。因此，在低温的情况下进行分段蒸馏对于杂质的分离是有利的。研究表明，挥发性较高的杂质将向塔上方移动，并在其较冷的位置进行富集；而挥发性较差的杂质则会向塔的下方移动，并在温度较高的部位进行富集。

2 操作与流程

金属锌的提纯是在蒸馏塔中展开的，其精馏提纯设备通常是使用一套脱铅塔以及一套脱镉塔，当然也可采用一个蒸馏塔对粗锌进行分段蒸馏。图1所示是一个分段真空蒸馏提纯装置，其蒸馏柱以高纯石墨为原材料，其内部包含有一个蒸馏专用的坩埚以及一个专门的冷凝器，冷凝器由若干个垂直紧扣的塔盘组合而成。塔盘分为多孔和单孔两种，两种塔盘进行交错的放置[3]。金属锌的提纯可选用的原材料较为广泛，本次讨论选取一种铁和铟含量较高的粗锌原材料进行讨论，其原材料组成成分为：锌（百分之九十八点五）、铟（一千六百克每吨）、铅（万分之五）、镉（万分之十八）、银（四十五克每吨）、锡（十万分之六十五）、铜（十万分之五）、铝（十万分之五）。

图1 真空蒸馏装置示意图

其中精馏塔除去已介绍的部件之外，还拥有着熔化炉和精炼炉，其中前者主要是对原材料进行熔化并保持其温度，使原材料能够维持一定的温度，并能够持续而的进入精馏塔中进行精馏以及冷凝操作；精炼塔则是为了对产生的B#锌进行二次精炼，从而将B#中的铁和铅等杂质去除。

方法：

（1）首先将原材料置入熔化炉中，保持液态或者固态都可，并在其内部进行熔化与混合，加热使其温度保持在600度上下，温差不要太高；然后使呈液态的金属锌以一个固定的流量匀速的进入到精馏塔中，此时需要控制精馏塔燃烧室的温度，使其温度在1200度上下，呈现为液态的金属通过精馏塔内部的蒸发装置以及回流装置，使得绝大多数的金属锌以及小部分的杂质汽化，锌镉蒸汽通过冷却后进入到储存锌的槽位中变为含镉锌，其可进入到镉塔进行金属镉与金属锌的提纯分离；同时在锌镉蒸汽中存在着的沸点较高的金属元素Pd、Fe则通过进行热交换被冷却并停留下来，剩余的液态金属Zn与其他沸点较高的杂质则由精馏塔的下方进入到精炼炉，并在精炼炉内进行精炼，从而形成硬锌、粗锌以及B#锌。

（2）对流入精炼炉内的高沸点金属元素以及还有金属锌的原材料进行保温，并控制其温度处于500度上下，使得精炼炉内产生固态、液态与废渣并存的情形，顶对其进行处理，从而进行初步的提纯。

（3）对于在精馏过程中产生的B#锌，应将其置入精馏塔以进行二次蒸馏，控制精馏塔燃烧室的温度，使其温度在1200度上下，呈现为液态的金属通过精馏塔内部的蒸发装置以及回流装置，使得绝大多数的金属锌汽化，锌镉蒸汽通过冷却后进入到储存锌的槽位成为高纯锌，在将其进行相关工艺操作铸造成金属锭后，可以面向市场进行销售；同时在锌镉蒸汽中存在着的沸点较高的金属元素Pd、Fe则通过进行热交换被冷却并停留下来，剩余的液态金属Zn与其他沸点较高的杂质则由精馏塔的下方进入到精炼炉，并在精炼炉内进行二次精炼，从而形成硬锌、粗锌以及B#锌。

（4）将高纯锌置入到保温炉中，并合理控制其温度，加入NH4CL进行残渣的滤除，并对获得的金属锌进行相应的工艺操作后，铸造成大小合适、纯度为5N的金属锭。

（5）为了保持锌液的纯度，在其蒸馏、熔析以及运输过程中，所使用的设备都使用石墨或者木质材料制作，以防止金属杂质混入到锌液当中。

3 结论

经过上述的多重精馏流程所制作出的高纯锌，其纯度可在5N级别，同时其杂质成分分别为：铁（千万分之八）、铅（百分之三）、镉（千万分之八）、铜（千万分之八）、锡（千万分之八）、铝（千万分之八）。

同时该工艺流程不仅可以将锌提纯到5N级别，还可以将稀有金属In相对富裕地集中在副产物的粗锌中，其比例可达到百分之三到百分之十，因此可称为提取In的高质量原材料。其中硬锌的成分为：锌（百分之八十六点五）、铟（百分之三点二五）、铁（百分之四点五）、铅（百分之三）。B#锌的成分为：锌（百分之八十三点五）、铟（百分之六点五）、铁（百分之零点七）、铅（百分之五点二）。该产物可进入镉塔从而进行进一步的分离提纯，以获得精锌与高镉锌，其成分含量如下：锌（百分之九十九点七五）、铁（千万分之六）、铅（百万分之三）、镉（百分之零点二三）。

4 结语

经过实际的生产操作可以得知，本次选用的高In高Fe粗锌原材料在经过精馏操作后，其纯度可以达到5N的级别，且当数值操作得当，控制较好时，甚至可以得到6N级别的高纯锌；但超高纯锌的仍是难以制取的，如果想制取7N级别的超高纯锌，则需要使用多段蒸馏，或者搭配其他精炼手段与技术，相互配合并相互协调，才能达到7N级别的产能要求。

总体来说，精馏法因其产量高、所需要的时间短、技术成熟、操作简便、所需要的劳动力少等优点，是一项优质的制锌工艺，通过与其他的制高纯锌的技术手段相结合，将是未来制作高纯锌的主要发展道路与目标。