稀貴金屬火法純化暨資源化技術

 

刊登日期:2017/11/5
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稀有暨貴重金屬(簡稱為稀貴金屬(Rare Precious Metals; RPMs)),具有優異之光、電、磁特性,已廣泛應用於能源、電子、機械、石化等產業,近年來已成為國際公認之關鍵材料。由稀貴金屬所製備之高功能性材料與零組件,包括靶材、鍵合線、導線、觸媒、導電接點與焊接材料,乃至關連廣泛之半導體相關之設備組耗件(支撐架、蒸鍍坩堝等)皆是重要指標。

火法冶金精煉純化技術與稀貴金屬資源化
工研院材化所從1987年特殊合金計畫開始,無間斷之長期投入自行設計、改裝與建置火法精煉純化技術與設備,已具備相當程度之產線設計自主能力。工研院材化所為同時兼備電漿熔煉設備與電子束精煉設備之研究單位,並以此為基礎,擴大應用在超高純度材料開發及有害事業廢棄物無害回收與處理上。

大部分之過渡金屬,皆可藉由HCl及HNO3等濕式處理,將雜質金屬反應成可溶性金屬鹵化物或硝酸鹽去除;部分低熔點高蒸氣壓雜質與氣體雜質(如C、O、N、H),經由電子束精煉處理,可有絕佳之純化表現。圖五為廢鉬靶雜質分類狀況與純化資源化程序之示意圖。目前材化所廢鉬靶材資源化製程組合中,大部分表面汙染與過渡金屬是由酸製程處理。

圖五、工研院材化所廢鉬靶雜質分類狀況與純化資源化程序示意圖
圖五、工研院材化所廢鉬靶雜質分類狀況與純化資源化程序示意圖

經過分析、濕式處理與電子束精煉後,廢鉬靶材可由<1N純化至>5N,純化測試中,純度雖可經濕法由<1N→3N8、再經火法由~3N8→5N,但階段性雜質之變化與脫除目標,常因入料系統分類錯誤,或製程汙染造成困擾,例如由於電子束精煉之操作程序,發生燈絲汙染並可能造成W汙染多達100 ppmw,因此適當之操作條件與程序控制,是高價高值稀貴金屬資源化另需注意之魔鬼細節。

在稀土金屬精煉及純化技術方面,可分為濕法冶金及火法冶金兩部分,生產流程圖(以NdFeB為例)如圖六所示。稀土礦在開採時具有一項重要特色,即多個稀土元素會混合於同一稀土礦源中,因此從採礦到純化的過程,通常採取濕法冶金方式。使用適當之萃取劑,將各個稀土元素逐一分離,分離出之稀土將以鹽類型式存在,經焙燒後可製得稀土氧化物,或再經鹽酸或氯化銨於真空環境下加熱反應後製得稀土氯化物。稀土氧化物之化學組態穩定,易於一般環境中保存,且用途廣泛、牌價透明、市場流通性佳;而稀土氯化物之化學反應活性高,且熔點低,易於後續稀土金屬之還原。

目前主流之稀土金屬製備方式為使用火法冶金之方式,針對稀土前驅物(氧化物或鹵化物)進行還原及純化兩階段製程。表二為稀土精煉純化技術比較,稀土火法還原技術依各廠家之策略選擇上略有不同,常見的方式為金屬熱還原法及熔融鹽電解法。在世界先進國家中,許多稀土金屬利用金屬鈣熱還原技術,將稀土氧化物、氯化物及氟化物還原為稀土金屬。這是稀土金屬製備的重要方式,所用的還原金屬主要為鈣(少部分國家用鋰或鎂),此鈣熱還原技術適用於大部分的稀土元素。

表二、稀土精煉純化技術比較
表二、稀土精煉純化技術比較

使用金屬還原劑還原稀土化合物,反應方程式之反應自由能必須為負值,此反應才可進行,視為自發反應(Spontaneous Process),故利用鎂、鈣、鋰等活性金屬還原稀土氧化物時,鎂金屬與稀土氧化物間之反應自由能通常為正值或具有…....以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

作者:方聖予、曹申/工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」371期,更多資料請見下方附檔。


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