制造高純度氧化鋁的方法
【專利說明】制造高純度氧化鋁的方法
[0001]相關申請的引用
[0002]本申請要求2012年12月17日提交的美國臨時專利申請第61/737，925號的權益，通過引用的方式將其整體并入本文。
[0003]發明背景
[0004]高純度氧化鋁或者氧化鋁粉可被用來制造高壓鈉燈的半透明管、表鏡的藍寶石、高強度陶瓷工具、磁帶的研磨劑、作為GaN的基片制造發光二極管、光電子件的硅微陣列芯片、飛行器的窗以及通風罩、車前照燈的保護窗、移動電話以及其他電子設備、停止信號、夕卜科用解剖刀、醫用光纖探針的微型光學元件、條形碼的光學掃描儀、紫外CD以及DVD的光學系統、棱鏡、透鏡、光盤、可視以及紅外音域的光學系統、移動電話、移動設備以及光纖系統顯示窗、惡劣以及高溫環境下用于化學制造的設備:管、坩禍、漏斗、化學用玻璃器皿、研磨劑、電池組件、軸承以及寶石。
[0005]目前，最常用的制造用于制造LED基片藍寶石的高純度氧化鋁的方法是鋁-銨-硫酸鹽熱分解法，鋁-銨-碳酸鹽熱分解法以及鋁-異丙氧化物水解法。然后，高純度氧化鋁被用于焰熔法以制造裂紋或者被壓縮進致密圓盤、顆粒或者珠子，用于在藍寶石鑄錠爐中融化。
[0006]這些方法眾所周知。需要能使用較少能量的低成本方法來制造高純度氧化鋁，用于生產低成本的藍寶石，例如可用于制造LED藍寶石基片。
[0007]氧化鋁純化領域的大部分過去的工作使用氫氧化鋁、鋁土礦、三水鋁礦、鋁氧化物、或者含有氧化鋁的礦石作為方法的起始原料。由于控制酸與鋁的反應速率很難，因此使用鋁作為起始原料來制備高純度氧化鋁是非常困難的。高純度鋁與酸反應十分緩慢，并且之后能夠十分迅速地加速到快速放熱反應。在方法的每一步，給料都能被反應容器、恪爐或者盛放容器污染。為了用低成本達到高純度，在方法中使用正確的材料并且控制每一步的反應及溫度以防止污染是十分重要的。由于鋁的純度越高、與酸的反應越慢，在過去將高純鋁經濟地溶于酸是有困難的。使用具有非常高表面積的鋁將增加成本，并且由于放熱反應可能引起反應失控。
[0008]大部分過去所做的利用酸從富含鋁的礦石中制備氧化鋁的研宄都是為了制造生產初始鋁的給料。這些方法涉及到達到霍爾-赫勞爾特電解煉鋁法的純度極限，而不關注于達到制造藍寶石級LED基片的4-6N純度要求或者其它高純度應用的氧化鋁。常規的高純度氧化鋁通常含有下列雜質:恥〈10??11^、？6〈5??11^、5丨〈10、11〈3、]\%〈2、0&〈2，具有99.99%或者4N的氧化鋁純度。作為藍寶石錠給料的5N純度的氧化鋁能夠提高藍寶石錠的制造方法以及LED的制造方法的收率和通過量。
[0009]發明概述
[0010]一種生產高純度氧化鋁粉的批量方法，所述方法包括:
[0011]a)在上述受控反應中，使高純度酸或者高純度酸與高純度鋁的組合在高純度水中反應;
[0012]b)任選地，過濾液體以去除雜質；
[0013]c)加熱液體或者向液體中注入酸性氣體以形成鋁鹽晶體以及母液；
[0014]d)將母液從鋁鹽晶體中分離；
[0015]e)任選地，向鋁鹽晶體中加水，以及重復重復步驟b)、c)以及d);和
[0016]f)加熱鋁鹽晶體以將鋁鹽晶體轉變為α氧化鋁。
[0017]附圖簡要說明
[0018]在附圖中，相似的數字能夠被用于描述貫穿幾個視圖的相似的元件。具有不同字母后綴的相似數字能夠被用于代表相似元件的不同視圖。附圖大體上通過具體的方式而非限制的方式說明在本文中討論的不同實例。
[0019]圖1為生產高純度氧化鋁的示例性方法的流程圖。
[0020]發明詳細描述
[0021]在以下詳細描述中參考附圖，附圖為本文的一部分。附圖以舉例說明的形式顯示了一個具體實例，其中可以實施生產高純度氧化鋁的方法。用充分的細節描述了實施例以使本領域技術人員能夠實踐，并且應當理解，能夠利用其它實施方案以及在不脫離本申請范圍的情況下能夠進行這樣的改變。因此，以下詳細描述不應理解為限制的含義，并且本申請的范圍由所附權利要求以及它們的等同方案界定。
[0022]圖1顯示了生產高純度氧化鋁的示例性方法10的流程圖，所述高純度氧化鋁例如可用于合成藍寶石的生產。可提供鋁給料12。在一個實例中，鋁給料12能夠包括來自三層電解方法(又稱為Hoope方法)的高純度鋁。鋁給料能夠具有99.98wt.%的鋁純度或者更高，例如99.99wt.%鋁純度或者更高，例如99.995wt.%鋁純度或者更高。在一個實例中，總雜質的少于0.02wt.%是金屬雜質。在一個實例中，每種金屬元素雜質少于0.0lwt.%。高純度廢鋁也能夠用作鋁給料12，如電導線。在一個實例中，鋁給料12能夠具有低于20ppmw的金屬以及喊雜質。銷給料12能夠以徒、鑄塊或者塊的形式。
[0023]任選地，能夠洗滌(14)鋁給料12表面以提供洗滌過的鋁16。能夠通過酸、堿、月巴皂、溶劑或者醇類處理表面來洗滌(14)鋁給料12。能夠接下來用高純度水沖洗處理過的表面，例如，通過去離子化、過濾、反滲透以及蒸餾中的一項或者任意組合純化后的水。在一個實例中，水能夠具有至少約99.999wt.%水純度。水能夠具有少于約0.5ppmw的總雜質，例如少于約0.2ppmw的總雜質。在一個實例中，通過使鋁給料12的表面與鹽酸(HCl)反應來清潔鋁給料的表面。
[0024]洗滌的鋁16能夠與一種或者多種酸20反應(18)。酸能夠具有高純度，例如具有所有元素雜質少于Ippmw的酸。在一個實例中，酸能夠包含少于約Ippmw的Na、Ca、L1、Fe、Zn，、Cu、T1、Cr、K以及Mg。一種或者多種酸20能夠是工業級的酸，例如通過過濾、離子交換方法、蒸餾、擴散透析方法中的一種或者多種方法純化的工業級HCl。
[0025]在反應18進行前或者過程中，能夠用水22將酸稀釋至期望濃度。隨著鋁16被浸率(leaching)，能夠將一種或者多種酸20以及水22加至反應18。水能夠具有高純度，例如通過去離子化、過濾、反滲透或者蒸餾中的一種或者任意組合的方式純化的水。在一個實例中，水能夠具有至少約99.999wt.%的水純度。水能夠具有少于約0.5ppmw的總雜質，例如少于約0.2ppmw的總雜質。一種或者多種酸20能夠包括但不限于下述酸的一種或者任意組合:硫酸(H2SO4)、硝酸(HNO3)、磷酸(H3PO4)、鹽酸(HCl)、以及氫氟酸(HF)。
[0026]在水22中一種或者多種酸20與鋁16的反應18能夠導致水合鋁鹽溶液24的形成。一種或者多種酸20與鋁16的反應18能夠被稱為浸率鋁16。鋁16能夠溶解于酸20以形成水合鋁鹽24。一種或者多種酸20以及水22能夠以足夠量添加，以使得基本上所有的水合鋁鹽24能夠在液體中溶解。能夠以稀釋的高純度酸或者直接為高純度水的形式添加具有高純度的另外的水。
[0027]在酸20包括HCl的實例中，水合鋁鹽24能夠包括水合氫氯酸鋁，也被稱為聚氯化銷，它是具有通式AlnCl(3n_m) (OH)m的一類鋁鹽。
[0028]反應能夠進行直到酸20中所有的或者基本上所有的可用的氫以氫氣(H2)的形式釋放。一旦所有的酸已經反應，由反應18形成的水合鋁鹽24 (例如聚氯化鋁)能夠具有從約1.26grams/cm3( “g/cc”)以及約1.36g/cc的密度。反應18能夠進行約6小時?約72小時使所有的酸20發生反應形成水合鋁鹽24。
[0029]反應18能夠在高溫穩定并抗酸反應容器(例如槽)中進行，并伴隨為在反應中形成的H2氣排氣(未顯示)。在一個實例中，反應容器能夠包括在至少25°C?約100°C的溫度下熱穩定的抗高溫塑料。反應容器能夠包括能夠抵抗反應18的化學條件而不以額外雜質污染進程的無污染材料，本文也稱為“無污染材料”、“無污染槽”或者“無污染容器”。在一個實例中，反應容器能夠容納約400L?約4000L。可能的反應容器材料的實例包括，但不限于:聚偏二氟乙烯(PVDF)，以商品名KYNAR出售；聚四氟乙烯(PTFE)，以商品名TEFLON出售；氟化乙烯丙烯(FEP)，以商品名TEFLON FEP出售；全氟烷氧基烷烴(PFA)，以商品名TEFLON PFA出售；聚丙烯(PP);聚乙烯(PE) ;VIT0N ;或者能夠抵抗溫度或者化學侵害的其它高溫塑料或者橡膠。反應容器也能夠包括具有氟化涂層(例如PTFE涂層或者PFA涂層或者兩者)、抗酸環氧樹脂涂層、橡膠涂層或者高溫塑料涂層(例如上述材料中的一種)的非化學抗性基底材料。
[0030]反應容器能夠在部分或者所有面是絕緣的，包括頂部和底部。反應容器能夠是封閉的容器，或者反應容器能夠包括向洗滌器或者排氣裝置排放的蓋。來自反應18的廢氣能夠通向洗滌器、冷凝器或者用于再循環水以及酸的其它裝置中的一種或者任意組合。廢氣能夠回流。反應容器能夠與空氣通風以將氫水平稀釋在低爆炸極限下。
[0031]能夠通過加至反應容器中的一種或者多種酸20的量來限制反應18。一種或者多種酸20能夠被全部一次性加入，隨時間計量加至反應容器，或者在反應18的開始加入并且然后隨時間進一步計量加入。至少化學計算量的鋁16能夠被加至反應容器用于反應18，但是也能夠將過量鋁16加至反應容器。過量的、未反應的鋁能夠留在反應容器中以進行后續下一批反應。在一個實例中，能夠將恒定或者基本恒定的鋁表面積在不同批次之間用于反應容器，以便能夠在每批之后加入鋁以替代在先前批次中反應的鋁。能夠首先將水22以及鋁16加至反應容器，然后向反應容器中計量加入一種或者多種酸20。
[0032]反應容器中的液體能夠加熱至約25°C?約130°C的溫度。能夠利用外熱和/或者容器中放熱反應產生的熱量來加熱容器。能夠利用在槽中的熱交換器、有涂層的發熱元件，或者由抵抗反應18的進行溫度以及反應容器中的化學物質的線圈泵送的熱流加熱容器。能夠在同一反應容器中制造鋁鹽溶液以及鋁鹽晶體。
[0033]反應容器中的液體能夠在反應18的過程中被混合，例如通過旋轉攪拌反應容器中的內容物，圍繞反應容器泵送液體或者其它方法。
[0034]或者，作為預先步驟，鋁16能夠溶解于高純度堿，例如NaOH(未顯示)。在一個實例中，堿能夠具有99 %或者更高的純度。能夠將產生的液體過濾以去除雜質，然后通過向液體中加入酸、CO氣體或者CO2氣體來降低濾過液的pH值。在NaOH作為堿的實例中，氫氧化鋁(Al(OH)3)能夠從液體沉淀。能夠將液體過濾并在高純度水中洗滌以移出氫氧化鋁，然后氫氧化鋁能夠與酸反應以形成能夠用于向反應10中剩余部分給料的水合鋁鹽。
[0035]當反應18以某些級別的鋁發生時，在含有水合鋁鹽24的液體中能夠看到小顆粒。這些小顆粒能夠通常是未溶于酸混合液的雜質。例如，如果鋁給料12中存在鐵雜質并且使用HCl作為酸20，則在反應溶液中能夠形成小的黑色顆粒的鐵(III)氯化物(FeCl3)。鋁給料12的純度越低，在