從熒光粉廢料中回收鎵的研究①

李 康，劉鴻飛，殷 亮，朱 劉

（國家稀散金屬工程技術研究中心廣東先導稀材股份有限公司，廣東 清遠 511517）

鎵作為一種重要的稀散金屬，在航空、軍工、半導體等行業中廣泛應用。提取鎵的原料主要來源于提取鋁和提取鉛鋅工藝中產出的副產品［1］。隨著科學技術不斷發展，鎵的應用領域不斷擴寬，各種各樣含鎵廢料也相應產生，從含鎵廢料中回收鎵日益得到重視［2－3］。發光二極管（LEDs）為熟知的能夠產生光的固態照明裝置，通過發光材料圍繞單色LED可產生白光，在藍色LED／黃色熒光燈下，藍色LED產生具有主波長約445～470 nm的發射，熒光粉產生具有峰值波長約550 nm的黃色熒光來應對藍光發射。一些藍光通過熒光粉而沒有降頻轉換，同時大部分光被熒光吸收，并發射黃光，藍光與黃光組合可對觀察者呈現出冷白色，為了使冷白光變得更加“溫暖”，可在釔鋁石榴石熒光粉晶格中代入鎵［4］。本文研究對象即為此種含鎵熒光粉。

目前，國內外專家學者對熒光粉廢料的無害化處理和資源化利用技術進行了大量研究，涉及酸浸法、堿浸法、堿熔法和聯合法等多種工藝［5－12］。釔鋁鎵石榴石結構的熒光粉化學性質穩定，酸浸、堿浸很難將其中鎵元素分離。基于此，本文采用堿熔法從含鎵熒光粉中回收鎵，研究不同工藝條件對鎵分離率的影響，由于沉鋁與電解鎵都屬于工業上比較成熟的工藝，本文主要研究熒光粉堿熔工序，找出堿熔最優工藝條件，以期提高熒光粉中鎵的回收率。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

原料來自江蘇博睿光電有限公司，其化學成分見表1。

表1 熒光粉廢料主要元素成分（質量分數）／%

1.2 設備與儀器

實驗所用主要設備有：馬弗爐，恒溫水浴鍋，電熱恒溫鼓風烘箱，循環水式多用真空泵。

1.3 實驗原理

釔鋁鎵石榴石組成的黃粉晶體結構穩定，無法在酸、堿溶液中溶解，導致熒光粉中鎵的回收較為困難。本文通過在高溫下以熔融態的NaOH破壞熒光粉的晶體結構，使得熒光粉中的Al、Ga與NaOH反應，生成可溶于水的鋁酸鈉、鎵酸鈉（見式（1）），從而實現Al、Ga與稀土的分離；再通過添加鈣鹽使溶液中的鋁離子形成沉淀（見式（2）），從而使鎵鋁分離，含鎵液進入電解鎵工序。

1.4 實驗方法

堿熔：將熒光粉廢料放入粉碎機進行粉碎，粉碎后的熒光粉用超聲波篩分機進行篩分，稱取10 g篩下物放入鎳坩堝中，然后按照實驗條件加入固體NaOH顆粒并混合均勻，再將坩堝放于馬弗爐內。開啟馬弗爐，加熱至預定溫度并保溫反應一定時間。

水浸：取出鎳坩堝中物料進行粉碎研磨，然后加入純水，液固質量比20∶3，80℃保溫攪拌2 h。過濾后的浸出液為富鎵液，濾渣為富稀土氧化物，實驗中所用試劑均為分析純。

實驗流程見圖1。

圖1 熒光粉廢料中回收鎵的工藝流程

2 實驗結果與討論

實驗設計中選取的主要影響因素包括堿料質量比、熒光粉粒度、反應溫度和時間，采用每進行一組同因素不同水平實驗即確定一個最優因素條件的方法進行實驗。

2.1 堿量對鎵分離率的影響

熒光粉廢料粒度－0.075 mm，分別稱取熒光粉10 g裝入鎳坩堝中，再分別加入質量比1.5倍、2倍、2.5倍的氫氧化鈉，蓋上坩堝蓋子，放入馬弗爐中，在600℃下保溫反應3 h；堿熔渣加入200 mL純水，在80℃攪拌2 h，檢測水浸液中的鎵含量。堿量對鎵分離率的影響如圖2所示。由圖2可見，鎵分離率隨堿量增加而提高。1.5倍堿量時，鎵分離率達到97.4%，鎵的浸出不夠完全，實驗過程中發現熔體比較黏稠，難以攪拌，這種情況不利于工業化生產；2倍堿量時，鎵分離率達到99.25%；2.5倍堿量時，鎵分離率比2倍堿量提升較小。最優堿量為2倍堿量。

圖2 堿量對鎵分離率的影響

2.2 熒光粉粒度對鎵分離率的影響

加入2倍堿量，其他條件不變，熒光粉粒度對鎵分離率的影響見表2。由表2可知，鎵分離率隨熒光粉粒度減小而提高。熒光粉粒度為－0.075 mm時，鎵分離率達到99.25%；當熒光粉磨細至－0.046 mm時，鎵分離率提升較小。選擇熒光粉粒度為－0.075 mm。

表2 熒光粉粒度對鎵分離率的影響

2.3 堿熔溫度對鎵分離率的影響

熒光粉廢料粒度－0.075 mm，其他條件不變，堿熔溫度對鎵分離率的影響見圖3。由圖3可知，鎵分離率隨溫度升高而提高。600℃時，鎵分離率大于99%，再繼續升高溫度對鎵分離率影響不大。選擇堿熔溫度600℃。

圖3 堿熔溫度對鎵分離率的影響

2.4 堿熔時間對鎵分離率的影響

堿熔溫度600℃，其他條件不變，堿熔時間對鎵分離率的影響見圖4。由圖4可知，鎵分離率隨堿熔時間增加而提高。堿熔3 h時，鎵分離率達到99.25%，再延長堿熔時間對鎵分離率提升較小。選擇堿熔時間3 h。

圖4 堿熔時間對鎵分離率的影響

2.5 綜合實驗

采用熔融的氫氧化鈉溶解含釔鋁鎵石榴石的熒光粉廢料，適宜的條件為：料堿質量比1∶2，熒光粉粒度－0.075 mm，在600℃反應3 h，該條件下鎵分離率達到了99.25%。

3 結 語

1）采用熔融的氫氧化鈉溶解含釔鋁鎵石榴石的熒光粉廢料，適宜的條件為：料堿質量比1∶2，熒光粉粒度－0.075 mm，在600℃反應3 h，此時鎵分離率99.25%。

2）料堿質量比1∶1.5時，堿量已經遠大于反應所需理論量，但考慮到生產實際中熔體的黏度，料堿比選擇1∶2較好。

3）該工藝操作簡單、處理量大，回收過程鎵的損失率小；水浸渣烘干后存儲，可作為稀土回收原料。