本發(fā)明涉及屬于電子廢棄物中的金屬回收、再生及資源化技術領域，尤其是一種從砷化鎵芯片生產(chǎn)廢料中制備砷的硫化物的方法。

背景技術：

當前世界電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，以砷為主要成分的半導體芯片如砷化鎵、砷化銦等，由于其優(yōu)異的電學特性，在電子產(chǎn)品中扮演著越來越重要的角色，被廣泛應用于智能手機、計算機、光電產(chǎn)品以及發(fā)光二極管中。據(jù)美國地質調查局年報顯示，2014年，美國大約34噸的砷用于制造砷化鎵芯片。芯片生產(chǎn)主要有外延片生長、制作電極、減薄、劃片、測試等生產(chǎn)環(huán)節(jié)，由于技術水平的限制，生產(chǎn)過程不可避免地會產(chǎn)生邊角料及殘次品。對于這些生產(chǎn)廢料，合理的回收利用一方面可以實現(xiàn)資源再生，另一方面可以避免有害成分被釋放到環(huán)境中，對人體和環(huán)境造成危害。

目前，針對砷化鎵芯片的回收工藝已有涉及，例如真空法（劉大春，楊斌等，2004）、酸浸法（Chen, W. T.; Tsai, L. C.等，2012）和有機溶劑萃取（Ahmed, I.; El-Nadi, Y.等，2013）等方法。真空法對砷的回收率很高，但設備要求很高，操作復雜；而酸浸法和有機溶劑萃取的核心是濕法回收，該類方法一方面會大量消耗化學試劑，另外也會伴隨著大量廢液的產(chǎn)生，增加后續(xù)處理的成本和難度，對環(huán)境有潛在污染危害。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種從砷化鎵芯片生產(chǎn)廢料中制備砷的硫化物的方法，使砷以硫化物形式得以冷凝回收，同時砷化鎵中的鎵也以硫化物形式穩(wěn)定存在于坩堝中，有助于解決砷化鎵芯片生產(chǎn)廢料的資源浪費及潛在的環(huán)境污染問題，實現(xiàn)對砷化鎵芯片生產(chǎn)廢料的回收、再生和資源化處理。

本發(fā)明提出的一種從砷化鎵芯片生產(chǎn)廢料中制備砷的硫化物的方法，將砷化鎵芯片生產(chǎn)廢料經(jīng)過破碎、研磨，將芯片粉末與升華硫混合均勻，在氮氣氛圍下進行加熱、蒸發(fā)、冷凝、除硫，回收得到低毒性砷的硫化物。

本發(fā)明從砷化鎵芯片生產(chǎn)廢料中制備砷的硫化物的方法中，采用硫化蒸發(fā)分離方法處理砷化鎵芯片粉末，制備得到砷的硫化物；所述制備方法包括：

步驟1：將砷化鎵芯片生產(chǎn)廢料破碎、研磨成粉末；

步驟2：將步驟1得到的粉末與升華硫以質量比1:10-15的比例混合于坩堝中，然后置于管式爐內；

步驟3：管式爐內預先通氮氣10-15min排盡空氣，然后啟動加熱程序，全程保持氮氣氛圍，常壓；加熱至中間硫化溫度為120~240℃，保溫時間為20~80min；

步驟4：繼續(xù)加熱至終溫為600~900℃，保溫時間為60min，砷的硫化物蒸發(fā)冷凝在管壁上，冷凝溫度為400~650℃，過量的硫在升溫過程中就已經(jīng)逐漸蒸發(fā)冷凝在管壁上；

步驟5：在氮氣氛圍中對管壁上冷凝有砷的硫化物和過量硫的石英管進行加熱，加熱溫度為300℃，保溫時間為60min；蒸發(fā)溫度相對較低的硫被蒸發(fā)去除、回收，管壁上殘留著砷的硫化物，通過機械剝離得到所述粉末狀砷的硫化物。

本發(fā)明中，所述“砷化鎵芯片生產(chǎn)廢料”是指在外延片生長、制作電極、減薄、劃片以及測試等生產(chǎn)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的邊角料和殘次品。

本發(fā)明在適宜的操作條件下，所述砷的提取率達到85%以上。本發(fā)明提取過程中，砷化鎵芯片生產(chǎn)廢料中砷和鎵以硫化物形式被分離，砷以硫化物形式冷凝在管壁上被提取，鎵以硫化物形式存在于坩堝中被富集。

本發(fā)明使砷化鎵芯片生產(chǎn)廢料中砷以硫化物形式冷凝回收，鎵以硫化物形式富集，后續(xù)簡單還原處理即可得到砷、鎵的單質，既實現(xiàn)了生產(chǎn)廢料的資源化利用，同時又大大地降低了其所可能帶來的環(huán)境風險。本發(fā)明砷化鎵芯片生產(chǎn)廢料中制備砷的硫化物的方法，具有成本低、高效、無污染等特點；砷化鎵芯片生產(chǎn)廢料中的各組分都得到了妥善的資源化處置；相比于真空法、濕法、火法焙燒等傳統(tǒng)回收電子廢棄物中相關組分的方法，本發(fā)明成本低，環(huán)境風險小，操作簡單，具有顯著優(yōu)勢。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的流程示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明作進一步的詳細說明，本發(fā)明的保護內容不局限于以下實施例。在不背離發(fā)明構思的精神和范圍下，本領域技術人員能夠想到的變化和優(yōu)點都被包括在本發(fā)明中，并且以所附的權利要求書為保護范圍。實施本發(fā)明的過程、條件、試劑、實驗方法等，除以下專門提及的內容之外，均為本領域的普遍知識和公知常識，本發(fā)明沒有特別限制內容。

圖1為本發(fā)明從砷化鎵芯片生產(chǎn)廢料中制備砷的硫化物的方法的示意圖。圖中描述了本發(fā)明的流程，首先砷化鎵芯片生產(chǎn)廢料經(jīng)過破碎、研磨，將芯片粉末與過量的升華硫混合均勻；然后將該混合物置于管式爐內，在氮氣氛圍下經(jīng)過硫化、蒸發(fā)、冷凝、除硫等步驟，在適宜的操作參數(shù)下，得到砷的硫化物冷凝產(chǎn)物。

其中，“砷化鎵芯片生產(chǎn)廢料”是指在外延片生長、制作電極、減薄、劃片以及測試等生產(chǎn)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的邊角料和殘次品。

其中，“適宜的操作參數(shù)”是指中間硫化溫度120~240℃，中間恒溫時間20~80min，終溫600~900℃，終溫保溫時間60min。

實施例1

首先將砷化鎵芯片生產(chǎn)廢料破碎、研磨成粉末，取芯片粉末0.5012g與5.8117g的升華硫充分混合，加入到坩堝中，置于管式爐內。為了排除空氣干擾，程序開始前預先通氮氣10min左右，然后啟動升溫程序。整個實驗過程處于氮氣氛圍中。溫度上升到120℃后，保持溫度不變，使砷化鎵和硫之間充分反應，保溫時間20min。硫化階段結束后，溫度繼續(xù)上升至700℃，恒溫60min，此時所生成的砷的硫化物以及過量的硫均被蒸發(fā)并冷凝到管壁上，二者冷凝區(qū)域有部分重疊，砷的硫化物冷凝溫度區(qū)間在430~550℃。將管壁冷凝物在氮氣氛圍中、300℃下加熱60min，其中混雜的硫被蒸發(fā)去除，剩余物僅為砷的硫化物。本實驗例中，砷的回收率為85.1%。

實施例2

首先將砷化鎵芯片生產(chǎn)廢料破碎、研磨成粉末，取芯片粉末0.5071g與7.3818g的升華硫充分混合，加入到坩堝中，置于管式爐內。為了排除空氣干擾，程序開始前預先通氮氣10min左右，然后啟動升溫程序。整個實驗過程處于氮氣氛圍中。溫度上升到180℃后，保持溫度不變，使砷化鎵和硫之間充分反應，保溫時間40min。硫化階段結束后，溫度繼續(xù)上升至800℃，恒溫60min，此時所生成的砷的硫化物以及過量的硫均被蒸發(fā)并冷凝到管壁上，二者冷凝區(qū)域有部分重疊，砷的硫化物冷凝溫度區(qū)間在520~650℃。將管壁冷凝物在氮氣氛圍中、300℃下加熱60min，其中混雜的硫被蒸發(fā)去除，剩余物僅為砷的硫化物。本實驗例中，砷的回收率為88.2%。

實施例3

首先將砷化鎵芯片生產(chǎn)廢料破碎、研磨成粉末，取芯片粉末0.5062g與6.9901g的升華硫充分混合，加入到坩堝中，置于管式爐內。為了排除空氣干擾，程序開始前預先通氮氣10min左右，然后啟動升溫程序。整個實驗過程處于氮氣氛圍中。溫度上升到210℃后，保持溫度不變，使砷化鎵和硫之間充分反應，保溫時間40min。硫化階段結束后，溫度繼續(xù)上升至700℃，恒溫60min，此時所生成的砷的硫化物以及過量的硫均被蒸發(fā)并冷凝到管壁上，二者冷凝區(qū)域有部分重疊，砷的硫化物冷凝溫度區(qū)間在450~610℃。將管壁冷凝物在氮氣氛圍中、300℃下加熱60min，其中混雜的硫被蒸發(fā)去除，剩余物僅為砷的硫化物。本實驗例中，砷的回收率為86.5%。

實施例4

首先將砷化鎵芯片生產(chǎn)廢料破碎、研磨成粉末，取芯片粉末0.5045g與6.3117g的升華硫充分混合，加入到坩堝中，置于管式爐內。為了排除空氣干擾，程序開始前預先通氮氣10min左右，然后啟動升溫程序。整個實驗過程處于氮氣氛圍中。溫度上升到240℃后，保持溫度不變，使砷化鎵和硫之間充分反應，保溫時間60min。硫化階段結束后，溫度繼續(xù)上升至800℃，恒溫60min，此時所生成的砷的硫化物以及過量的硫均被蒸發(fā)并冷凝到管壁上，二者冷凝區(qū)域有部分重疊，砷的硫化物冷凝溫度區(qū)間在400~650℃。將管壁冷凝物在氮氣氛圍中、300℃下加熱60min，其中混雜的硫被蒸發(fā)去除，剩余物僅為砷的硫化物。本實驗例中，砷的回收率為85.7%。

技術特征：

1.一種從砷化鎵芯片生產(chǎn)廢料中制備砷的硫化物的方法，其特征在于，該方法包括以下具體步驟：

步驟1：將砷化鎵芯片生產(chǎn)廢料破碎、研磨成粉末；

步驟2：將步驟1得到的粉末與升華硫以質量比1:10-15的比例混合于坩堝中，然后置于管式爐內；

步驟3：管式爐內預先通氮氣10-15min排盡空氣，然后啟動加熱程序，全程保持氮氣氛圍，常壓；加熱至中間硫化溫度為120~240℃，保溫時間為20~80min；

步驟4：繼續(xù)加熱至終溫為600~900℃，保溫時間為60min，砷的硫化物蒸發(fā)冷凝在管壁上，冷凝溫度為400~650℃，過量的硫在升溫過程中逐漸蒸發(fā)冷凝在管壁上；

步驟5：在氮氣氛圍中對管壁上冷凝有砷的硫化物和過量硫的石英管進行加熱，加熱溫度為300℃，保溫時間為60min；蒸發(fā)溫度相對較低的硫被蒸發(fā)去除、回收，管壁上殘留著砷的硫化物，通過機械剝離得到所述粉末狀砷的硫化物。

技術總結

本發(fā)明公開了一種從砷化鎵芯片生產(chǎn)廢料中制備砷的硫化物的方法，將砷化鎵芯片生產(chǎn)廢料經(jīng)過破碎、研磨，將芯片粉末與升華硫混合均勻，在氮氣氛圍下進行加熱、蒸發(fā)、冷凝、除硫，制備得到低毒性砷的硫化物。本發(fā)明不僅有效提取了砷化鎵芯片生產(chǎn)廢料中的砷，而且在提取過程中，鎵也以硫化物形式穩(wěn)定殘留在坩堝中，得到富集。本發(fā)明在減少環(huán)境污染和提高資源利用率方面優(yōu)勢突出，具有成本低、高效、無污染等特點。

技術研發(fā)人員：詹路;李建國

受保護的技術使用者：華東師范大學

文檔號碼：201610908388

技術研發(fā)日：2016.10.11

技術公布日：2017.02.15