ITO廢靶回收金屬銦

黃作 鄭飛熊

【摘 要】本文探討了影響鹽酸溶解、分離銦錫和電解置換的多種因素。采用鹽酸溶解法，最佳用量為理論用量的1.6倍到3.5倍，溶解的溫度為80℃時，可最快溶解廢靶。溶液的溫度為55℃時，用金屬銦置換出溶液中的錫離子，再用薄鋁片置換出溶液中的銦離子，此時粗銦的回收率可到96%。電解回收粗銦的最佳條件是[In]=40 g·L-1到105g·L-1，具體溫度35℃，PH值大小3.5，電流的密度是55 A·m-2到85A·m-2之間，槽電壓是320 mV到360mV，此時可以獲得純度高達99.95%的金屬銦，此時金屬銦總回收率超過了94%。

【關鍵詞】ITO廢靶;金屬銦;回收技術

一、引言

銦是一種行業需求很高的稀有金屬，生活中常見的那些包含金屬銦的物品就是用在平面顯示器上的透明電極，而一般都會以銦錫氧化物（Indium—Tin—Oxide，簡稱ITO）的形態出現，尤其是電子信息行業對于金屬銦的需求非常高，因為薄膜晶體管需要用到金屬銦，還有日常的液晶顯示器制作也需要金屬銦，還有金屬銦也是等離子顯示器的重要組成部分。可是金屬銦在地殼中的豐度是非常小的，不存在專屬于金屬銦的礦床，金屬銦大多數都是同鉛、鋅、銅、錫等礦物共同存在，是這些礦物冶煉的副產品。現階段工業上生產出來的ITO薄膜，通常采用的是銦錫氧化物靶材磁控濺射鍍膜法，可是，銦錫氧化物靶材濺射鍍膜的利用率不會超過35%，其余的部分都稱之為廢靶材料，其次在靶材生產的過程中，也會有多余的邊角需要切割，進而產生更多廢靶材料，因此如何高效回收廢靶材料重金屬銦，就變成再生銦的重要源頭。本篇文章深入探究一種將ITO廢靶材當作原材料，鹽酸溶解后置換出高純度金屬銦的方法，通過電解精煉可以確保回收的金屬銦純度為99.995%以上。

二、實驗的整體過程

（一）實驗物品和所需試劑以及實驗研究方法

實驗要用到的物品和所需試劑為：ITO廢靶材料，還有銦錠（In，99.9995%），鋅顆粒、鋁制的線、薄的鋁制片，分析純試劑的氫氧化鈉，明膠（親水膠體），分析純試劑的硫脲，純濃的HCl，濃度高的HNO3，以及濃度高的H2SO4，電阻值超過11mΩ的去離子水。運用美國PE公司創造的ICP-AES研究法測算金屬銦的回收純度，選擇以電感耦合技術為基本原理的P1100等離子體原子發射光譜儀，分解探析粗制銦、粗制錫和電解銦各自的純度。采用以日本理學為理論基礎的Dmax2600xRD技術，精準地測算出熔渣中物相的具體情況。

（二）實驗基本原理與操作步驟

用去掉離子的水和稀釋過的鹽酸把ITO廢靶材的表面清洗干凈，尤其是表面殘留的細小粉碎顆粒。在取固定質量的廢靶材料時，必須要用稱精準量取，用酸性的溶解對ITO廢靶材料進行浸泡處理，此操作可將廢靶材料所蘊含的氧化銦和氧化錫浸泡出來，隨后調控溶液中的pH值大小，In能置換出Sn4+Al可置換出In3+將海綿銦進行熔煉操作就可獲得粗制銦。對粗銦進行電解提純精煉的過程中，需要把粗銦當作陽極，而精銦當作陰極，在In2（S04）3-H2SO4電解液系統之中電解110h。陰陽兩極的電極具體反應如下：

陽極：In-3e→In3+Φ0=-0.33V 陰極：In3+3e→In，Φ0=-0.33V

三、對于實驗結論的探討

（一）HCl酸性溶解和溫度對于實驗的影響

分別用硫酸、硝酸、鹽酸，還有王水對ITO廢靶材進行溶解。其中鹽酸溶解后剩余的殘渣是最少的，浸出率可以超出96%以上。在實驗中采用鹽酸溶解ITO廢靶材料，可以發現鹽酸的用量越多，溶解需要的時間就越少。雖然鹽酸的用量影響溶解速率，可是過多的酸對于后期置換操作，也會產生很大的影響，酸液的最佳用量，應當控制在理論用量的1.6倍到3.5倍，此時溶解速率不會降低，而且溶解ITO廢靶材也徹底，剩下的溶殘渣也是很少，運用XRD技術對殘渣進行檢驗，發現溶殘渣實際上屬于氧化錫。其次，溶解時的環境溫度也會影響溶解的速率，酸的用量一致時，環境溫度越高的，溶解所需要的時間就越少，當然溫度最好控制在合適的范圍內，通常把溫度控制在小于90℃以內為最佳。

（二）調控浸出溶液pH值和錫銦的分離方法

調節浸出液體的pH值大小，需要用到氫氧化鈉，最佳PH大小是1.1到1.6之間，隨后加入金屬銦置換溶液中的金屬錫，置換的總用時大概控制在24h，在通過置換獲得海綿錫后，海綿錫的熔煉可以得到粗錫，進而回收金屬錫，用ICP—AES法算出粗錫純度為96.21%，金屬錫的回收率為 33%，含有的主要雜質包括Sb，Ca，In等。金屬銦的耗損量略超出了理論的用量，說明有少量金屬銦溶解了。

（三）In3+的置換

部分研究人員已經對這些操作做過深入的探究，運用鋅板進行置換操作，但是鋅板吸附上海綿銦后，必須在規定期限內將其剝離鋅板，而且反應的速率也很慢。換了鋁板進行置換操作后，海綿銦會懸浮于溶液表層，且容易于聚集成一團，表明了進行置換操作最好還是用鋁板。分別用鋅顆粒、鋁制線和薄鋁制板，對溶液中的In3+進行置換，對比下發現薄鋁制板的置換速率是最快，置換的過程十分激烈，會有眾多熱量釋放，溶液的溫度迅速上升，當溶液的溫度升到65℃以上，置換的效果便會開始變差，海綿銦不再那么容易聚集在一起并成團。所以溶液的溫度需要把控在55℃的范圍內，溶液的pH值大小要在1到1.5之間，置換時長控制在2h到4h之間，此時金屬銦的置換率能夠超出97%。

在電解精煉的時候，陽極和陰極分別發生不同的化學效應，在陽極上是鈍化化學反應，整個過程會釋放氧氣，電極附近溶液的pH值會減小，而陰極上是銦和氫共析效應，所以電極附近溶液的pH值會增大。因此，在電解精煉的時候，電解液必須循環工作，保證電解液中局部pH值穩定在平衡狀態。若是電解過程中，電解溶液的pH值下降突破了最低限值，可以慢慢地往溶液中加入氫氧化鈉，而且不停地攪拌防止局部的堿含量過高，進而造成銦的水解，最終生成難溶解于電解液的物質。當電解液的pH值超出最高的限值時，需要緩慢地往電解液加入H2SO4溶液，將pH值調至3.5左右。

結語：

鹽酸用量為理論用量的1.6倍到3.5倍，溫度在80℃的時候，ITO廢靶材料溶解最快且徹底，浸出率可以高達96%。利用銦錫分離技術，還有鋁置換技術回收金屬銦，粗銦的回收率可以高達98%。采用In2（SO4）3～H2SO4電解液體系，進行電解操作回收粗銦，電解的條件會影響到所精煉的銦質量，電解過程中電解液In的濃度為40 g·L-1到105g·L-1，溫度為35℃，pH值為1.5～3.5，電流密度為55 A·m-2到85A·m-2，槽電壓在320 mV到360mV。通過ICP-AES研究法進行剖析，電解精煉可得到純度達99.995%的金屬銦，銦的總回收率超過了預期的 95%。

參考文獻：

[1]陳堅，姚吉升，周友元，等.ITO廢靶回收金屬銦[J].稀有金屬，2003，27（1）：101.

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