金屬嫁的生產(chǎn)、利用現(xiàn)狀及存在的問題

胡素麗

（貴州理工學院材料與冶金工程學院， 貴州 貴陽 550003）

金屬嫁的生產(chǎn)、利用現(xiàn)狀及存在的問題

胡素麗

（貴州理工學院材料與冶金工程學院， 貴州 貴陽 550003）

介紹了金屬鎵的分布、生產(chǎn)及利用現(xiàn)狀，針對目前國內(nèi)金屬鎵存在的問題進行詳細探討，主要包括回收利用少、高純鎵發(fā)展弱、再生鎵生產(chǎn)落后、鎵消耗量低等，建議應加大對鎵廢料的回收、高純鎵的制備技術(shù)以及其高端產(chǎn)品的研究和應用等，以提高高純鎵的產(chǎn)量，減少鎵的消耗，扭轉(zhuǎn)我國高價進口高純鎵的局面。

金屬鎵 鋁土礦 高純鎵 半導體

鎵，原子序數(shù)31，ⅢA族，硼族元素，是過渡元素之后的主族元素之一。其沸點極高（2 403℃），熔點極低（29.78℃），具有保持較大溫度范圍的液體狀態(tài)，且能吸收中子、控制反應速率、蒸汽壓低等，被廣泛應用于半導體、醫(yī)療器械、太陽能電池、石油化工、磁性材料等行業(yè)領(lǐng)域[1-7]。

鎵資源在全球范圍內(nèi)以中國儲量最大。2008年時國內(nèi)鎵資源儲量約有13～14萬t，國外約4～5萬t（主要分布在澳大利亞、日本、加拿大、德國、法國、哈薩克斯坦、俄羅斯等國）。2005年在內(nèi)蒙古準格爾礦區(qū)發(fā)現(xiàn)了世界上儲量最大的鎵礦，該鎵礦與煤礦伴生，并于2010年探明儲量85.7萬t[8-9]。這一發(fā)現(xiàn)改變了金屬鎵在全球儲量的巨變，并且使我國鎵資源儲量占世界總量的百分比由之前的75%提升到95%以上。

1 國內(nèi)金屬鎵的生產(chǎn)

鎵是典型的稀有分散金屬，沒有獨立的礦床，常以吸附狀態(tài)、類質(zhì)同象、微細粒獨立礦物伴生在鋁土礦、鉛鋅礦、煤礦等中。因此鎵常常在主礦物的提取過程中得以富集，例如生產(chǎn)氧化鋁過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物，鋅在濕法冶煉過程中產(chǎn)生的浸出渣，煤經(jīng)過燃燒后剩下的粉煤灰。

目前市場上從生產(chǎn)氧化鋁過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物中回收提取的鎵約有90%，采用的主要方法有堿處理法、溶劑萃取法，對萃淋樹脂法也有相應的研究。堿處理法的優(yōu)點在于其操作簡單，對于不同性質(zhì)的稀有金屬較易分離，但缺點是回收率低，對設(shè)備要求較高；溶劑萃取法中鎵金屬的回收率可以達到85.74%[10]，但是所需要的萃取劑價格較高或需要大量的酸；萃淋樹脂法相對以上兩種投資比較少，但該工藝還不成熟，樹脂破壞較大，操作復雜。目前生產(chǎn)的金屬鎵主要有原生鎵和再生鎵兩種，其中國內(nèi)主要以前者為主，國外在2005年開始對再生鎵進行研究，回收鎵產(chǎn)業(yè)已有一定的發(fā)展，并且占全球總消耗量的比例不斷增加，我國的鎵廢料回收也有一定的發(fā)展。

我國是鎵資源儲量大國，同時也是全球鎵的生產(chǎn)大國之一。隨著科技的進步以及對金屬鎵提取工藝研究的進展，工業(yè)上生產(chǎn)鎵的能力逐漸提高，到目前我國鎵產(chǎn)能出現(xiàn)嚴重過剩現(xiàn)象。據(jù)不完全統(tǒng)計，在2012年我國鎵產(chǎn)量270 t，實際產(chǎn)能達330 t，2015年鎵的產(chǎn)量444t，實際產(chǎn)能約596t。由于市場上對金屬鎵的需求遠趕不上其產(chǎn)量，這種供求關(guān)系導致金屬鎵的價格在2013-2015年出現(xiàn)長時間的下行走勢，就2015年一年，國內(nèi)工業(yè)鎵價格已由1200～1250元/kg下滑至750～800元/kg[11-12]。為保障我國產(chǎn)業(yè)鎵的可持續(xù)發(fā)展，在面對市場上長期存在的金屬鎵惡性競爭和庫存壓力的問題，2016年上半年，我國主要生產(chǎn)鎵的多家企業(yè)采取產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，全面開啟減停產(chǎn)模式，把現(xiàn)有庫存鎵消耗掉，以重振金屬鎵的價位和市場。到2016年7—8月，國內(nèi)金屬鎵市場基本保持平靜，10月后，國內(nèi)主要供應商庫存基本見底，均處于惜售狀態(tài)，金屬鎵的價格走勢逐漸得到鞏固，并開始起穩(wěn)回升[13]。

2 鎵的利用現(xiàn)狀

由于金屬鎵的特殊性而被廣泛應用于半導體、醫(yī)療器械、太陽能電池、石油化工、磁性材料等行業(yè)領(lǐng)域[1-7]。其中砷化鎵作為半導體重要原件，占全球鎵消費量的80%，已成為金屬鎵消耗的最大領(lǐng)域；氮化鎵是制備LED和雷達的重要材料，占全球鎵消費量的7%，是鎵的第二大消費領(lǐng)域；銅銦鎵硒太陽能薄膜電池是金屬鎵的新消耗行業(yè)，約占全球鎵消費的5%，其他行業(yè)消耗占剩余的8%。

對于金屬鎵消耗的第一大領(lǐng)域的砷化鎵主要被用于制作無線通訊（衛(wèi)星通訊、移動通訊）、光纖通訊、汽車電子等用的微波器件，其中無線通訊的消耗量約占80%。手機作為無線通訊的主要器材，對砷化鎵在無線通訊領(lǐng)域的應用貢獻突出，再加上近幾年智能手機的升級換代以及智能手機在銷售總量所占的比重越來越大，將會加大對砷化鎵的發(fā)展和需求量。

鎵是制備LED芯片的必備材料，多用于LED燈、液晶顯示屏等。目前市場上出現(xiàn)的發(fā)出不同顏色的LED燈，手機、相機、筆記本等液晶顯示屏都被廣泛接受和采用，例如LED燈具有發(fā)光效率高、使用壽命長、響應時間短、環(huán)保、電壓低等優(yōu)點，在不久的將來將逐步替代大多數(shù)白熾燈。

作為第三代太陽能電池的銅銦鎵硒太陽能薄膜電池，是金屬鎵的新消耗行業(yè)，因其生產(chǎn)、安裝、使用成本低，且光電轉(zhuǎn)換率高等優(yōu)勢，成為近幾年發(fā)展最快、發(fā)展?jié)摿薮蟮奶柲茈姵?。但因銦、硒是非常稀缺的稀有金屬資源，從長遠來看該電池的發(fā)展受到銦、硒產(chǎn)量的制約。

3 國內(nèi)存在的問題

3.1 回收利用少，資源浪費

我國是鎵資源儲量最大的國家，占世界總量的95%以上。但目前全球有90%的鎵是從氧化鋁生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)物中提取的，在提取過程中存有資源浪費現(xiàn)象，例如：國內(nèi)學者對鋁土礦中伴生元素重視不夠且研究程度較低，就連國內(nèi)六大氧化鋁廠中鎵的回收率都未達到1/3，有些甚至尚未進行鎵的回收。濕法煉鋅過程中的浸出渣、煤燃燒過程中的粉煤灰中伴生的稀散元素的研究程度相對更低，回收率占總量的10%左右。

3.2 高純鎵工業(yè)發(fā)展較弱，需高價進口

高純鎵主要有 Ga-06、Ga-07、MBE三種級別號，市場上以Ga-06和Ga-07居多，其中國家標準對 Ga-07 高純鎵的要求是[14]，F(xiàn)e、Si、Pb、Zn、Sn、Mg、Cu、Mn、Cr、Ni、Na、Ca等雜質(zhì)含量（質(zhì)量分數(shù)）的總和不大于10×10-6，Cu和Mn分別不大于0.2×10-6和0.3×10-6，其他各雜質(zhì)均不大于0.5×10-6。目前國內(nèi)高純鎵的生產(chǎn)技術(shù)和能力相對較弱，雖有很多相關(guān)機構(gòu)對鎵的提純進行研究，但公開提純的方法很少。國內(nèi)高純鎵的生產(chǎn)不能滿足市場的需求，致使我國對高純鎵的需求大部分依靠高價進口。

3.3 再生鎵生產(chǎn)落后

目前生產(chǎn)的金屬鎵主要有原生鎵和再生鎵兩種。隨著科學技術(shù)的發(fā)展和對循環(huán)經(jīng)濟、資源重要性的深入認識，再加上再生鎵對原生鎵的替代性較好，2005年美、日、德開始著手研究再生鎵。目前全球鎵回收產(chǎn)業(yè)已有一定發(fā)展，主要回收國家有加拿大、德國、日本、英國、美國，我國對鎵廢料回收也有一定發(fā)展，但相對落后。

3.4 儲量、生產(chǎn)量大，卻消耗量低

在過去的若干年里，日本因半導體工業(yè)的發(fā)展，一直占據(jù)世界消耗金屬鎵的第一寶座，美國緊追其后，位于第二。據(jù)統(tǒng)計，2013年全球鎵消耗280 t，我國鎵消耗只有40 t，占全球鎵消耗的14%，而日本、美國兩個國家占全球鎵消耗總量的80%。我國雖然是鎵資源儲量和生產(chǎn)的大國，但不是鎵消耗的大國。

4 結(jié)語

隨著鎵行業(yè)的快速發(fā)展，未來對金屬鎵的需求將逐年增長。我國是鎵資源儲量大國，再加上內(nèi)蒙古準格爾礦區(qū)的發(fā)現(xiàn)，加大對鋁土礦、煤礦中伴生金屬鎵以及鎵廢料綜合回收的研究顯得尤為重要；應該設(shè)立相應的監(jiān)管制度和監(jiān)管部門，嚴厲打擊那些在煉鋁工業(yè)、濕法煉鋅、煤燃燒過程中未對富含伴生的稀散元素進行回收的企業(yè)和部門，防止鎵資源的過度浪費現(xiàn)象發(fā)生；高純鎵在價格和應用上都優(yōu)越于粗鎵，應提高高純鎵的產(chǎn)量，扭轉(zhuǎn)我國高價進口高純鎵的局面；對于鎵的消耗方面，應加大鎵在高端產(chǎn)量和制成品方面的研究和應用，例如國內(nèi)正在發(fā)展的LED市場和手機通訊燈等行業(yè)，其利潤將遠遠高于半成品和礦物提取方面。

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（編輯：王瑾）

Production,Current Situation and Existing Problems of Gallium

Hu Suli
（School of Materials and Metallurgical Engineering,Guizhou Institute of Technology,Guiyang Guizhou 550003）

The distribution,production and current situation of the metal gallium are introduced.In view of the existing problems in domestic gallium,mainly including less recycling,weak development of high purity gallium,backward production of regenerated gallium,low consumption of gallium,it is suggested that the recovery of gallium waste,the preparation technology of high-purity gallium and the research and application of high-end products should be increased,in order to improve the yield of high-purity gallium,reduce consumption of gallium,reverse the situation of China's imported high-purity gallium.

metallic gallium，bauxite,high-purity gallium,semiconductor

TF843.1

A

1672-1152（2017）04-0063-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2017.04.24

2017-07-02

胡素麗(1988—)，女，碩士，畢業(yè)于貴州大學，講師，研究方向為赤泥回收有價金屬。