制造高纯度氧化铝的方法
【专利说明】制造高纯度氧化铝的方法
[0001]相关申请的引用
[0002]本申请要求2012年12月17日提交的美国临时专利申请第61/737，925号的权益，通过引用的方式将其整体并入本文。
[0003]发明背景
[0004]高纯度氧化铝或者氧化铝粉可被用来制造高压钠灯的半透明管、表镜的蓝宝石、高强度陶瓷工具、磁带的研磨剂、作为GaN的基片制造发光二极管、光电子件的硅微阵列芯片、飞行器的窗以及通风罩、车前照灯的保护窗、移动电话以及其他电子设备、停止信号、夕卜科用解剖刀、医用光纤探针的微型光学元件、条形码的光学扫描仪、紫外CD以及DVD的光学系统、棱镜、透镜、光盘、可视以及红外音域的光学系统、移动电话、移动设备以及光纤系统显示窗、恶劣以及高温环境下用于化学制造的设备:管、坩祸、漏斗、化学用玻璃器皿、研磨剂、电池组件、轴承以及宝石。
[0005]目前，最常用的制造用于制造LED基片蓝宝石的高纯度氧化铝的方法是铝-铵-硫酸盐热分解法，铝-铵-碳酸盐热分解法以及铝-异丙氧化物水解法。然后，高纯度氧化铝被用于焰熔法以制造裂纹或者被压缩进致密圆盘、颗粒或者珠子，用于在蓝宝石铸锭炉中融化。
[0006]这些方法众所周知。需要能使用较少能量的低成本方法来制造高纯度氧化铝，用于生产低成本的蓝宝石，例如可用于制造LED蓝宝石基片。
[0007]氧化铝纯化领域的大部分过去的工作使用氢氧化铝、铝土矿、三水铝矿、铝氧化物、或者含有氧化铝的矿石作为方法的起始原料。由于控制酸与铝的反应速率很难，因此使用铝作为起始原料来制备高纯度氧化铝是非常困难的。高纯度铝与酸反应十分缓慢，并且之后能够十分迅速地加速到快速放热反应。在方法的每一步，给料都能被反应容器、恪炉或者盛放容器污染。为了用低成本达到高纯度，在方法中使用正确的材料并且控制每一步的反应及温度以防止污染是十分重要的。由于铝的纯度越高、与酸的反应越慢，在过去将高纯铝经济地溶于酸是有困难的。使用具有非常高表面积的铝将增加成本，并且由于放热反应可能引起反应失控。
[0008]大部分过去所做的利用酸从富含铝的矿石中制备氧化铝的研宄都是为了制造生产初始铝的给料。这些方法涉及到达到霍尔-赫劳尔特电解炼铝法的纯度极限，而不关注于达到制造蓝宝石级LED基片的4-6N纯度要求或者其它高纯度应用的氧化铝。常规的高纯度氧化铝通常含有下列杂质:恥〈10??11^、？6〈5??11^、5丨〈10、11〈3、]\%〈2、0&〈2，具有99.99%或者4N的氧化铝纯度。作为蓝宝石锭给料的5N纯度的氧化铝能够提高蓝宝石锭的制造方法以及LED的制造方法的收率和通过量。
[0009]发明概述
[0010]一种生产高纯度氧化铝粉的批量方法，所述方法包括:
[0011]a)在上述受控反应中，使高纯度酸或者高纯度酸与高纯度铝的组合在高纯度水中反应;
[0012]b)任选地，过滤液体以去除杂质；
[0013]c)加热液体或者向液体中注入酸性气体以形成铝盐晶体以及母液；
[0014]d)将母液从铝盐晶体中分离；
[0015]e)任选地，向铝盐晶体中加水，以及重复重复步骤b)、c)以及d);和
[0016]f)加热铝盐晶体以将铝盐晶体转变为α氧化铝。
[0017]附图简要说明
[0018]在附图中，相似的数字能够被用于描述贯穿几个视图的相似的元件。具有不同字母后缀的相似数字能够被用于代表相似元件的不同视图。附图大体上通过具体的方式而非限制的方式说明在本文中讨论的不同实例。
[0019]图1为生产高纯度氧化铝的示例性方法的流程图。
[0020]发明详细描述
[0021]在以下详细描述中参考附图，附图为本文的一部分。附图以举例说明的形式显示了一个具体实例，其中可以实施生产高纯度氧化铝的方法。用充分的细节描述了实施例以使本领域技术人员能够实践，并且应当理解，能够利用其它实施方案以及在不脱离本申请范围的情况下能够进行这样的改变。因此，以下详细描述不应理解为限制的含义，并且本申请的范围由所附权利要求以及它们的等同方案界定。
[0022]图1显示了生产高纯度氧化铝的示例性方法10的流程图，所述高纯度氧化铝例如可用于合成蓝宝石的生产。可提供铝给料12。在一个实例中，铝给料12能够包括来自三层电解方法(又称为Hoope方法)的高纯度铝。铝给料能够具有99.98wt.%的铝纯度或者更高，例如99.99wt.%铝纯度或者更高，例如99.995wt.%铝纯度或者更高。在一个实例中，总杂质的少于0.02wt.%是金属杂质。在一个实例中，每种金属元素杂质少于0.0lwt.%。高纯度废铝也能够用作铝给料12，如电导线。在一个实例中，铝给料12能够具有低于20ppmw的金属以及喊杂质。销给料12能够以徒、铸块或者块的形式。
[0023]任选地，能够洗涤(14)铝给料12表面以提供洗涤过的铝16。能够通过酸、碱、月巴皂、溶剂或者醇类处理表面来洗涤(14)铝给料12。能够接下来用高纯度水冲洗处理过的表面，例如，通过去离子化、过滤、反渗透以及蒸馏中的一项或者任意组合纯化后的水。在一个实例中，水能够具有至少约99.999wt.%水纯度。水能够具有少于约0.5ppmw的总杂质，例如少于约0.2ppmw的总杂质。在一个实例中，通过使铝给料12的表面与盐酸(HCl)反应来清洁铝给料的表面。
[0024]洗涤的铝16能够与一种或者多种酸20反应(18)。酸能够具有高纯度，例如具有所有元素杂质少于Ippmw的酸。在一个实例中，酸能够包含少于约Ippmw的Na、Ca、L1、Fe、Zn，、Cu、T1、Cr、K以及Mg。一种或者多种酸20能够是工业级的酸，例如通过过滤、离子交换方法、蒸馏、扩散透析方法中的一种或者多种方法纯化的工业级HCl。
[0025]在反应18进行前或者过程中，能够用水22将酸稀释至期望浓度。随着铝16被浸率(leaching)，能够将一种或者多种酸20以及水22加至反应18。水能够具有高纯度，例如通过去离子化、过滤、反渗透或者蒸馏中的一种或者任意组合的方式纯化的水。在一个实例中，水能够具有至少约99.999wt.%的水纯度。水能够具有少于约0.5ppmw的总杂质，例如少于约0.2ppmw的总杂质。一种或者多种酸20能够包括但不限于下述酸的一种或者任意组合:硫酸(H2SO4)、硝酸(HNO3)、磷酸(H3PO4)、盐酸(HCl)、以及氢氟酸(HF)。
[0026]在水22中一种或者多种酸20与铝16的反应18能够导致水合铝盐溶液24的形成。一种或者多种酸20与铝16的反应18能够被称为浸率铝16。铝16能够溶解于酸20以形成水合铝盐24。一种或者多种酸20以及水22能够以足够量添加，以使得基本上所有的水合铝盐24能够在液体中溶解。能够以稀释的高纯度酸或者直接为高纯度水的形式添加具有高纯度的另外的水。
[0027]在酸20包括HCl的实例中，水合铝盐24能够包括水合氢氯酸铝，也被称为聚氯化销，它是具有通式AlnCl(3n_m) (OH)m的一类铝盐。
[0028]反应能够进行直到酸20中所有的或者基本上所有的可用的氢以氢气(H2)的形式释放。一旦所有的酸已经反应，由反应18形成的水合铝盐24 (例如聚氯化铝)能够具有从约1.26grams/cm3( “g/cc”)以及约1.36g/cc的密度。反应18能够进行约6小时?约72小时使所有的酸20发生反应形成水合铝盐24。
[0029]反应18能够在高温稳定并抗酸反应容器(例如槽)中进行，并伴随为在反应中形成的H2气排气(未显示)。在一个实例中，反应容器能够包括在至少25°C?约100°C的温度下热稳定的抗高温塑料。反应容器能够包括能够抵抗反应18的化学条件而不以额外杂质污染进程的无污染材料，本文也称为“无污染材料”、“无污染槽”或者“无污染容器”。在一个实例中，反应容器能够容纳约400L?约4000L。可能的反应容器材料的实例包括，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；全氟烷氧基烷烃(PFA)，以商品名TEFLON PFA出售；聚丙烯(PP);聚乙烯(PE) ;VIT0N ;或者能够抵抗温度或者化学侵害的其它高温塑料或者橡胶。反应容器也能够包括具有氟化涂层(例如PTFE涂层或者PFA涂层或者两者)、抗酸环氧树脂涂层、橡胶涂层或者高温塑料涂层(例如上述材料中的一种)的非化学抗性基底材料。
[0030]反应容器能够在部分或者所有面是绝缘的，包括顶部和底部。反应容器能够是封闭的容器，或者反应容器能够包括向洗涤器或者排气装置排放的盖。来自反应18的废气能够通向洗涤器、冷凝器或者用于再循环水以及酸的其它装置中的一种或者任意组合。废气能够回流。反应容器能够与空气通风以将氢水平稀释在低爆炸极限下。
[0031]能够通过加至反应容器中的一种或者多种酸20的量来限制反应18。一种或者多种酸20能够被全部一次性加入，随时间计量加至反应容器，或者在反应18的开始加入并且然后随时间进一步计量加入。至少化学计算量的铝16能够被加至反应容器用于反应18，但是也能够将过量铝16加至反应容器。过量的、未反应的铝能够留在反应容器中以进行后续下一批反应。在一个实例中，能够将恒定或者基本恒定的铝表面积在不同批次之间用于反应容器，以便能够在每批之后加入铝以替代在先前批次中反应的铝。能够首先将水22以及铝16加至反应容器，然后向反应容器中计量加入一种或者多种酸20。
[0032]反应容器中的液体能够加热至约25°C?约130°C的温度。能够利用外热和/或者容器中放热反应产生的热量来加热容器。能够利用在槽中的热交换器、有涂层的发热元件，或者由抵抗反应18的进行温度以及反应容器中的化学物质的线圈泵送的热流加热容器。能够在同一反应容器中制造铝盐溶液以及铝盐晶体。
[0033]反应容器中的液体能够在反应18的过程中被混合，例如通过旋转搅拌反应容器中的内容物，围绕反应容器泵送液体或者其它方法。
[0034]或者，作为预先步骤，铝16能够溶解于高纯度碱，例如NaOH(未显示)。在一个实例中，碱能够具有99 %或者更高的纯度。能够将产生的液体过滤以去除杂质，然后通过向液体中加入酸、CO气体或者CO2气体来降低滤过液的pH值。在NaOH作为碱的实例中，氢氧化铝(Al(OH)3)能够从液体沉淀。能够将液体过滤并在高纯度水中洗涤以移出氢氧化铝，然后氢氧化铝能够与酸反应以形成能够用于向反应10中剩余部分给料的水合铝盐。
[0035]当反应18以某些级别的铝发生时，在含有水合铝盐24的液体中能够看到小颗粒。这些小颗粒能够通常是未溶于酸混合液的杂质。例如，如果铝给料12中存在铁杂质并且使用HCl作为酸20，则在反应溶液中能够形成小的黑色颗粒的铁(III)氯化物(FeCl3)。铝给料12的纯度越低，在