[发明专利]稀土合金与海绵钛混剂对氩、氮、氢气提纯及回收的方法

说明书

技术领域

本发明涉及氩气、氮气、氢气的提纯及回收，尤其涉及一种采用稀土合金与海绵钛混剂对氩、氮、氢气提纯及回收的方法。

背景技术

惰性气体包括（0族元素）Home 氦（He）、氖（Ne）、氩（Ar）、氪（Kr）、氙（Xe）、氡（Rn）。它们不与任何物质发生化学反应。由于空气中氩含量较多，常作为保护气、载气、稀释气、标准气等广泛的应用于国民经济的许多行业。以下以氩气作为论述代表，工艺技术也适用于其它惰性气体。

目前市售工业规模气体产品一般纯度标准为（氩、氮、氢大体相近）：工业纯度≥99.9～99.99%, 高纯气的纯度≥99.999～99.9999%，高纯气的纯度为工厂在线检测数据，实际上由于气体输送过程中不可避免的污染，高纯气用气点的纯度应在99.999～99.9995%之间。

国内外对氩、氮、氢等气体的终端提纯方法有很多种，用得比较多的有以下方法：1.选择吸附法；2.变压吸附法；3.催化反应法；4.深冷分离法；5.膜分离法；6.金属吸气法等等。同一种气体在不同的应用情况下对气体中杂质含量要求不同，采用的方法也不同，许多纯化剂只对特定的杂质有脱除效应。全面脱杂，常常采用多种纯化剂、多级集成的方法。如果工艺选择不当，将大大增加工艺操作复杂性和成本。

专利号ZL 200510136041.4名称为“单晶硅制备中稀土镧系基合金吸气剂提纯氩气与氩气回收工艺”的发明专利（与本专利为同一申请人）中公开了一种稀土镧系基合金吸气剂（以下简称CF01剂），CF01剂及工艺设计要点是针对单晶硅制备，考虑到单晶硅制备中氮、氢气体对硅没有影响，在某些工艺过程中甚至人为掺氮，而早期的区熔单晶硅是在氢气保护下生长。因此对氩中的氮、氢气体无吸除要求，而且实际上氮、氢含量微乎其微。采用单一CF01剂对单晶硅制备中氩气提纯，在常压下控制温度一般为350-450℃时即可满足拉制高质量单晶硅要求，将对影响单晶硅制备的杂质气体除尽，采用单一的CF01剂及低温工艺主要目的是保证单晶硅质量的前提下简化工艺，降低成本。采用单一的CF01剂不能实现对多种气体提纯，如氮气和氢气。因此，如何采用一种纯化剂、最简单的一级工艺、最低的成本同样制造出与采用多种纯化剂，多级集成工艺相同甚至更高纯度的高纯氩、氮、氢气体是近年来一直在不断攻关的课题。

发明内容

本发明的目的是研发一种采用稀土合金与海绵钛混剂对氩、氮、氢气提纯及回收的方法。为实现该方法，本发明的另一个目的是研发一种均采用稀土合金与海绵钛混剂可通用于对氩、氮、氢气提纯的净化机及净化回收机。

本发明采用的稀土合金为CF01剂，用CF01剂与海绵钛组成的混合剂作为纯化剂（以下简称稀钛混剂），采用稀钛混剂在同一多温度区域炉管中对惰性气体、氮气、氢气提纯及回收，实现了一机多用的设计方案。

本发明采用的稀钛混剂是以CF01剂为基础增加了纯海绵钛，其目的是在不同工艺条件下从提纯惰性气体氩进一步扩大应用于提纯氮气和氢气。本发明除了仍可用于单晶硅制备的氩气提纯外，还广泛应用于提纯氮、氢气的多种行业，如手套箱、分析仪器、高纯金属制备及半导体等许多行业中。

CF01剂组分及特性在专利号ZL 200510136041.4发明专利中已有详细论述，在此不再赘述。实践和实验证明：CF01剂可以在不同温度下产生较其它金属或合金更强的吸附效能，从而激发和加速反应。利用CF01剂对保护气体中杂质特别是性能较活泼的极性杂质气体强的吸附效应，从而达到提纯保护气体目的，制备高纯气体。在CF01剂中加入海绵钛能进一步提高纯化剂吸气性能，并在氩气中除氢及氢气提纯中发挥独特的作用。

热还原法生产出的钛呈海绵状，是制造金属钛及钛产品的中间产品，高质量海绵钛纯度一般为99.1～99.7%，杂质元素 (质量)总量为0.3～0.9%。

钛及海绵状在常温下其表面覆盖着一层氧化物，主要是二氧化钛，钛的氧化物阻碍不同气体与钛发生化学反应。因此可以长期存放于空气中。研究表明，温度升高将造成膜出现裂口，随着温度的不断升高，除惰性气体以外的气体与钛反应速度及扩散速度加快，加上海绵钛的巨大的多孔表面积所具有的表面能，更加快了反应速度及扩散速度，由于这些气体与钛化合反应生成钛的化合物而使该气体数量减少，常称之为所谓吸气效应，钛或其它同类物品（包括CF01剂）称为吸气剂。钛与气体生成稳定的各种钛化合物，温度对钛与气体反应起主要作用。