一种锗烷收集纯化设备及方法

技术领域

本发明涉及锗烷收集技术领域，尤其涉及一种锗烷收集纯化设备及方法。

背景技术

锗烷，作为锗的一种气体化合物，锗烷在常温常压下为具有不愉快刺激臭的无色有毒气体。在室温稳定，在280℃左右开始分解，在350℃左右几乎全都分解成元素锗和氢。空气中能燃烧，燃烧时发出蓝红色火焰，但燃烧程度不如硅烷激烈。与氧或空气的混合物易爆炸。常温下在液氨中与碱金属反应。锗烷的自催化性强，一旦分解形成金属覆盖膜，就会急剧分解。因此，配管等材料的表面必须平滑，不溶于水，但可溶于次氯酸，微溶于热浓硫酸，能被硝酸分解，高纯锗烷，可以用于半导体、光伏太阳能和集成电路行业。由于金属锗是一种良好的半导体材料，锗烷主要用于生产半导体工业所用的高纯锗和锗外延片。在电子工业中主要用于金属有机化合物气相沉积(MOCVD)工艺，与硅烷一起制备各种不同的非晶硅锗合金，与硅相比，非晶a-SiGe合金具有更低的工艺温度、可调的禁带宽度、以及与现有光伏电池工艺技术完全兼容等优点，主要用于制作薄膜太阳能电池。

而现有的锗烷纯化工艺中，部分使用精馏塔，但精馏塔投资大，安全性难以保障；另有一部分使用冷冻法，但产品纯度难以达到半导体行业的质量标准，锗烷气体中往往含有二氧化碳气体，另一方面，锗烷的制备工艺中往往氯离子较多，不可避免的会含有少量的含氯离子的酸性气体，与锗烷气体中的二氧化碳气体杂质一样不易去除，但是非常的影响高纯锗烷在后续的生产应用中的使用效果；

另一方面，预处理后的气体中含有大量的水分，及其余诸如乙锗烷、丙锗烷、氯锗烷气体的杂质，水分可以通过冷凝的方式去除大部分，后续的水分及其余的杂质则通过在处理系统中安装纯化器进行纯化，按杂质的类型采取化学方法或冷冻方法或物理吸附方法去除杂质,达到气体纯化的目的；

在锗烷气体纯化时，如以上的锗烷气体中含有的较多的杂质，如果直接通过纯化器纯化，则容易导致较多的杂质无法去除，影响最终的锗烷纯度。

因此，有必要提供一种锗烷收集纯化设备及方法解决上述技术问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明是提供一种可对含有杂质的锗烷气体进行预处理，且预处理效果好的锗烷收集纯化设备及方法。

本发明提供的一种锗烷收集纯化设备，包括第一储气罐、冷凝器和纯化器，所述第一储气罐一侧设有预处理装置，且第一储气罐的排气口通过管道与预处理装置连通，所述预处理装置一侧设有冷凝器，所述预处理装置通过管道与冷凝器的进气口连通，所述冷凝器一侧设有纯化器，且冷凝器的排气口通过管道与纯化器的进气口连通，所述纯化器一侧设有第二储气罐，且纯化器的排气口通过管道与第二储气罐的进气口连通，所述预处理装置一侧设有储液箱，且储液箱的进液口通过管道与预处理装置连通；

所述预处理装置包括支架、处理罐、盖体、加液装置、打散装置、超声波震碎装置、排气管、环形分流管、进气管、喷气头和排液管，所述第一储气罐一侧设有支架，所述支架顶部固定有处理罐，所述处理罐顶部通过螺栓固定有盖体，所述盖体中部固定有加液装置，所述盖体一端固定有排气管，且排气管通过管道与冷凝器的进气口连通，所述处理罐内壁底部固定有环形分流管，所述环形分流管一端固定有进气管，所述进气管一端穿过处理罐通过管道与第一储气罐的排气口连通，所述环形分流管顶部等距固定有喷气头，所述处理罐底部固定有打散装置，所述处理罐内壁中部固定有超声波震碎装置，所述处理罐底部固定有排液管，且排液管与储液箱的进液口连通；

所述打散装置包括转筒、第一转轴、第一锥齿轮、锥齿轮环、驱动箱、第一伺服电机、第二锥齿轮、第一搅拌杆和第二搅拌杆，所述处理罐中部通过轴承转动连接有转筒，所述转筒内壁通过轴承转动连接有第一转轴，所述第一转轴底部固定有第一锥齿轮，所述转筒底部固定有锥齿轮环，所述处理罐底部固定有驱动箱，且第一锥齿轮和锥齿轮环位于驱动箱内壁，所述驱动箱一侧固定有第一伺服电机，所述第一伺服电机的输出端固定有第二锥齿轮，且第二锥齿轮与第一锥齿轮和锥齿轮环啮合连接，所述转筒远离锥齿轮环的一端等距固定有第一搅拌杆，所述第一转轴远离第一锥齿轮的一端等距固定有第二搅拌杆。

优选的，所述打散装置还包括内齿轮环、第二转轴、第一平齿轮和第三搅拌杆，四个所述第一搅拌杆一端固定有内齿轮环，所述第二搅拌杆一端通过轴承转动连接有第二转轴，所述第二转轴底部固定有第一平齿轮，且第一平齿轮与内齿轮环啮合连接，所述第二转轴远离第一平齿轮的一端固定有第三搅拌杆。

优选的，所述超声波震碎装置包括固定架、震动柱、过滤网、超声波换能器和连接柱，所述处理罐内壁中部等距固定有固定架，三个所述固定架中部固定有震动柱，三个所述固定架上表面分别固定有过滤网，且三个所述过滤网的孔径呈自下而上逐渐缩小设置，所述震动柱底部固定有超声波换能器，相邻的两个所述固定架之间等距固定有连接柱。

优选的，所述加液装置包括固定管、转管、喷液管、喷雾头、外齿轮环、第二伺服电机和第二平齿轮，所述盖体中部通过轴承转动连接有固定管，所述固定管底部穿过盖体通过机械密封转动连接有转管，所述转管两端对称固定有喷液管，所述喷液管底部等距固定有喷雾头，所述转管外侧固定有外齿轮环，所述盖体顶部固定有第二伺服电机，所述第二伺服电机的输出端穿过盖体固定有第二平齿轮，且第二平齿轮与外齿轮环啮合连接。

优选的，所述固定架由三个同心环组成，且同心环之间通过等距分布的固定杆连接，且连接柱和同心环与固定杆的连接点固定连接。

优选的，所述震动柱底部固定有保护壳，且超声波换能器位于保护壳内壁。

优选的，所述处理罐内壁固定有液位传感器和浓度传感器。

优选的，所述第一伺服电机和第二伺服电机均为一种减速电机。

本发明还包括一种锗烷收集纯化方法，依托于权利要求1-8所述任意一种锗烷收集纯化设备，所述纯化方法包括：

1）、含有杂质的锗烷收集在第一储气罐（1）内，并通过气泵抽送至预处理装置（2）内，通过预处理装置（2）内的进气管（29）和环形分流管（28）均匀喷出；

2）、处理罐（22）内加入反应溶液，通过反应溶液与锗烷气体内的杂质发生反应，所述反应溶液为3-10mol/L氢氧化钠溶液或者氢氧化钾溶液中的一种；

3）、通过反应溶液初步对锗烷内的酸性杂质进行处理后，将锗烷气体排进冷凝器（3）中冷凝，然后通过纯化器（4）将冷凝后形成气体进行脱水、吸附清理，得到纯化后的锗烷气体，纯化后的锗烷气体导入第二储气罐（5）进行收集。

优选的，所述反应溶液的温度在45-80°之间。

与相关技术相比较，本发明提供的锗烷收集纯化设备及方法具有如下有益效果：

本发明提供锗烷收集纯化设备及方法：

1、通过在纯化之前，加入预处理装置，对锗烷气体进行初步过滤净化，可大大提高工作效率，提高纯化器的纯化效果，使得锗烷的纯度更高；

2、通过第一伺服电机驱动第一锥齿轮和锥齿轮环反向旋转，进而可驱动第一搅拌杆和第二搅拌杆反向旋转，对反应溶液进行搅拌，且在第一搅拌杆和第二搅拌杆旋转的过程中，使得第三搅拌杆进行自转旋转，大大提高搅拌效率和均匀度，提高杂质与反应溶液的接触面积，并且通过超声波换能器发出高频震动，将打碎后的泡泡进一步粉碎，可进一步提高杂质与反应溶液的接触面积，提高除杂效果；

3、通过设置加液装置，使得第二伺服电机转动，进而通过外齿轮环和第二平齿轮驱动转管旋转，进而可带动喷液管旋转，使得喷液管上的喷雾头在喷雾的同时，绕着转管进行旋转，使得持续喷出水雾均匀扩散，在加液的同时还能起到与锗烷气体接触的作用，进一步提高反应效果。

附图说明

图1为本发明提供的整体结构示意图；

图2为本发明提供的预处理装置结构示意图之一；

图3为本发明提供的预处理装置结构示意图之二；

图4为本发明提供的液位传感器结构示意图；

图5为本发明提供的预处理装置内部结构示意图；

图6为本发明提供的打散装置结构示意图之一；

图7为本发明提供的打散装置结构示意图之二；

图8为本发明提供的加液装置结构示意图；

图9为本发明提供的超声波震碎装置结构示意图；

图10为本发明提供的固定架结构示意图。

图中标号：1、第一储气罐；2、预处理装置；21、支架；22、处理罐；23、盖体；24、加液装置；241、固定管；242、转管；243、喷液管；244、喷雾头；245、外齿轮环；246、第二伺服电机；247、第二平齿轮；25、打散装置；251、转筒；252、第一转轴；253、第一锥齿轮；254、锥齿轮环；255、驱动箱；256、第一伺服电机；257、第二锥齿轮；258、第一搅拌杆；259、第二搅拌杆；2510、内齿轮环；2511、第二转轴；2512、第一平齿轮；2513、第三搅拌杆；26、超声波震碎装置；261、固定架；2611、同心环；2612、固定杆；262、震动柱；263、过滤网；264、超声波换能器；265、连接柱；266、保护壳；27、排气管；28、环形分流管；29、进气管；210、喷气头；211、排液管；212、液位传感器；213、浓度传感器；3、冷凝器；4、纯化器；5、第二储气罐；6、储液箱。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。

请结合参阅图1和图2，其中，图1为本发明提供的整体结构示意图；图2为本发明提供的预处理装置结构示意图之一；图3为本发明提供的预处理装置结构示意图之二；图4为本发明提供的液位传感器结构示意图；图5为本发明提供的预处理装置内部结构示意图；图6为本发明提供的打散装置结构示意图之一；图7为本发明提供的打散装置结构示意图之二；图8为本发明提供的加液装置结构示意图；图9为本发明提供的超声波震碎装置结构示意图；图10为本发明提供的固定架结构示意图。

在具体实施过程中，如图1所示，一种锗烷收集纯化设备，包括第一储气罐1、冷凝器3和纯化器4，第一储气罐1一侧设有预处理装置2，且第一储气罐1的排气口通过管道与预处理装置2连通，预处理装置2一侧设有冷凝器3，预处理装置2通过管道与冷凝器3的进气口连通，冷凝器3一侧设有纯化器4，且冷凝器3的排气口通过管道与纯化器4的进气口连通，纯化器4一侧设有第二储气罐5，且纯化器4的排气口通过管道与第二储气罐5的进气口连通，预处理装置2一侧设有储液箱6，且储液箱6的进液口通过管道与预处理装置2连通，在使用时，气体收集在第一储气罐1内，通过放入预处理装置2中，对锗烷气体内的杂质部分进行反应处理，在此我们主要是采用3-10mol/L的强碱溶液，比如氢氧化钠溶液或者氢氧化钾溶液中的一种对锗烷气体中的二氧化碳及含氯离子的酸性气体进行强有效的去除尽可能的提高锗烷的纯度，这一步骤是本发明的整个技术方案的重点步骤，通过本发明的技术结构的设计可以有效的去除锗烷气体中的二氧化碳及含氯离子的酸性气体；使得锗烷气体较为纯净的进入冷凝器3内进行冷凝，然后进入纯化器4内进行彻底纯化，得到纯化后的锗烷气体，然后再进入第二储气罐5内进行储存；

参考图2、图3、图4和图5所示，预处理装置2包括支架21、处理罐22、盖体23、加液装置24、打散装置25、超声波震碎装置26、排气管27、环形分流管28、进气管29、喷气头210和排液管211，第一储气罐1一侧设有支架21，支架21顶部固定有处理罐22，处理罐22顶部通过螺栓固定有盖体23，盖体23中部固定有加液装置24，盖体23一端固定有排气管27，且排气管27通过管道与冷凝器3的进气口连通，处理罐22内壁底部固定有环形分流管28，环形分流管28一端固定有进气管29，进气管29一端穿过处理罐22通过管道与第一储气罐1的排气口连通，环形分流管28顶部等距固定有喷气头210，处理罐22底部固定有打散装置25，处理罐22内壁中部固定有超声波震碎装置26，处理罐22底部固定有排液管211，且排液管211与储液箱6的进液口连通，通过在处理罐22内加入反应溶液，然后通过将第一储气罐1内的锗烷气体通过进气管29通入环形分流管28内，然后通过喷气头210喷出，使得锗烷气体与反应溶液接触，通过反应溶液即采用3-10mol/L的强碱溶液将锗烷气体内的杂质如二氧化碳及含氯离子的酸性气体中和反应从而有效的去除。

参考图6和图7所示，打散装置25包括转筒251、第一转轴252、第一锥齿轮253、锥齿轮环254、驱动箱255、第一伺服电机256、第二锥齿轮257、第一搅拌杆258和第二搅拌杆259，处理罐22中部通过轴承转动连接有转筒251，转筒251内壁通过轴承转动连接有第一转轴252，第一转轴252底部固定有第一锥齿轮253，转筒251底部固定有锥齿轮环254，处理罐22底部固定有驱动箱255，且第一锥齿轮253和锥齿轮环254位于驱动箱255内壁，驱动箱255一侧固定有第一伺服电机256，第一伺服电机256的输出端固定有第二锥齿轮257，且第二锥齿轮257与第一锥齿轮253和锥齿轮环254啮合连接，转筒251远离锥齿轮环254的一端等距固定有第一搅拌杆258，第一转轴252远离第一锥齿轮253的一端等距固定有第二搅拌杆259；打散装置25还包括内齿轮环2510、第二转轴2511、第一平齿轮2512和第三搅拌杆2513，四个第一搅拌杆258一端固定有内齿轮环2510，第二搅拌杆259一端通过轴承转动连接有第二转轴2511，第二转轴2511底部固定有第一平齿轮2512，且第一平齿轮2512与内齿轮环2510啮合连接，第二转轴2511远离第一平齿轮2512的一端固定有第三搅拌杆2513，通过第一伺服电机256转动带动第二锥齿轮257转动，进而可同时带动锥齿轮环254和第一锥齿轮253转动，且旋转方向相反，进而可带动转筒251和第一转轴252反向旋转，使得第一搅拌杆258和第二搅拌杆259反向旋转，实现对反应溶液的搅拌，并且在第二搅拌杆259转动的同时，带动第二转轴2511公转，由于第二转轴2511上的第一平齿轮2512与内齿轮环2510啮合，使得第一平齿轮2512进行自转，进而通过第二转轴2511带动第三搅拌杆2513自转，可提高对反应的强碱溶液的搅拌效果，并能打散喷气头210喷出的气泡，使得气泡能均匀向上飘动。

参考图9和图10所示，超声波震碎装置26包括固定架261、震动柱262、过滤网263、超声波换能器264和连接柱265，处理罐22内壁中部等距固定有固定架261，三个固定架261中部固定有震动柱262，三个固定架261上表面分别固定有过滤网263，且三个过滤网263的孔径呈自下而上逐渐缩小设置，震动柱262底部固定有超声波换能器264，其中超声波换能器264采用现有的超声波换能装置，并配套使用超声波发生器等配套电器，此为现有的已公开的技术，原理上不做赘述，震动柱262底部固定有保护壳266，且超声波换能器264位于保护壳266内壁，便于对超声波换能器264进行保护，相邻的两个固定架261之间等距固定有连接柱265，在气泡向上飘动后，气泡与过滤网263接触，通过过滤网263上的小孔，来对气泡进行切割，且三个过滤网263的孔径自下而上逐渐缩小，可分级对气泡进行粉碎，并且在气泡错过过滤网263的同时，通过超声波换能器264发出超声波震动，通过震动柱262和固定架261，将高频震动分散到过滤网263上，在气泡穿过过滤网263的同时，通过高频震动来将气泡震碎，可大大提高气泡与反应溶液的接触面积，使得反应的强碱溶液与锗烷气体有更加大的接触面，从而使得杂质的反应中和更加高效合有质，特别是对二氧化碳气体的去除是反复的作用去除的。

参考图3和图8所示，加液装置24包括固定管241、转管242、喷液管243、喷雾头244、外齿轮环245、第二伺服电机246和第二平齿轮247，盖体23中部通过轴承转动连接有固定管241，固定管241底部穿过盖体23通过机械密封转动连接有转管242，转管242两端对称固定有喷液管243，喷液管243底部等距固定有喷雾头244，转管242外侧固定有外齿轮环245，盖体23顶部固定有第二伺服电机246，第二伺服电机246的输出端穿过盖体23固定有第二平齿轮247，且第二平齿轮247与外齿轮环245啮合连接，处理罐22内壁固定有液位传感器212和浓度传感器213，其中，液位传感器212和浓度传感器213均采用现有的已公开的技术，原理上不做赘述，通过固定管241向喷液管243内持续注入反应溶液，并通过喷雾头244喷出，使得处理罐22内分布大量的反应溶液雾气，使得在反应溶液内出来的锗烷气体在进入排气管27之前，与反应溶液雾气接触，进一步与锗烷气体进行有效的接触从而提高反应效果，并通过第二伺服电机246转动带动第二平齿轮247转动，进而可带动外齿轮环245转动，使得转管242上的喷液管243旋转，使得雾气分布更加均匀，且反应溶液通过喷雾头244喷出，落在液体反应溶液内，可对处理罐22内的反应溶液进行补充，使得处理罐22内的反应溶液的浓度保持在一定合理的有效范围内，而多余的已反应过的反应溶液则通过排液管211排出，使得处理罐22内保持合适的液位。

参考图10所示，固定架261由三个同心环2611组成，且同心环2611之间通过等距分布的固定杆2612连接，且连接柱265和同心环2611与固定杆2612的连接点固定连接，通过同心环2611和固定杆2612使之形成一个整体，便于超声波的传递。

第一伺服电机256和第二伺服电机246均为一种减速电机，通过设置减速机构，可提高输出扭矩，降低转速。

在处理罐22内壁可不止安装换热器或者电加热丝，以便于对处理罐22内的反应溶液进行加热，提高反应速率。

其中，预处理装置2内的电器元件均通过控制器和单片机进行控制，本发明中涉及的电路以及控制均为现有技术，在此不进行过多赘述。

本发明还包括一种锗烷收集纯化方法，依托于权利要求1-8任意一种锗烷收集纯化设备，纯化方法包括：

1）、含有杂质的锗烷收集在第一储气罐1内，并通过气泵抽送至预处理装置2内，通过预处理装置2内的进气管29和环形分流管28均匀喷出；

2）、处理罐22内加入反应溶液，通过反应溶液与锗烷气体内的杂质发生反应，所述反应溶液为3-10mol/L氢氧化钠溶液或者氢氧化钾溶液中的一种；

3）、通过反应溶液初步对锗烷内的酸性杂质及二氧化碳进行处理后，将锗烷气体排进冷凝器3中冷凝，然后通过纯化器4将冷凝后形成气体进行脱水、吸附清理，得到纯化后的锗烷气体，纯化后的锗烷气体导入第二储气罐5进行收集。冷凝器3中冷凝可以脱除锗烷粗品中的大部分水分，锗烷气体经过冷凝器3后进入纯化器4，在纯化器4内进一步的进行脱水，并去除其余杂质如乙锗烷、丙锗烷、氯锗烷、环氧锗烷及少量的氢气。具体的去除本方案采用的是现有技术中的纯化装置，比如常用的去除以上相关杂质的吸附器及去除氢气的冷阱相组合形成的纯化装置，包括吸附器所采用的分子筛在内的条件具体的选择可以根据具体的工艺条件及杂质参数做出选择，属于现有技术并且不是本发明的要解决的技术问题因此在此不做赘述。

反应溶液的温度在45-80°之间，通过提高环境温度，使得分子之间较为活跃，可提高反应速率。

工作原理：

在使用时，通过在处理罐22内加入反应溶液，然后通过将第一储气罐1内的锗烷气体通过进气管29通入环形分流管28内，然后通过喷气头210喷出，使得锗烷气体与反应溶液接触，通过反应溶液将锗烷气体内的杂质中和反应，再此过程中，通过第一伺服电机256转动带动第二锥齿轮257转动，进而可同时带动锥齿轮环254和第一锥齿轮253转动，且旋转方向相反，进而可带动转筒251和第一转轴252反向旋转，使得第一搅拌杆258和第二搅拌杆259反向旋转，实现对反应溶液的搅拌，并且在第二搅拌杆259转动的同时，带动第二转轴2511公转，由于第二转轴2511上的第一平齿轮2512与内齿轮环2510啮合，使得第一平齿轮2512进行自转，进而通过第二转轴2511带动第三搅拌杆2513自转，可提高对反应溶液的搅拌效果，并能打散喷气头210喷出的气泡，使得气泡能均匀向上飘动，在气泡向上飘动后，气泡与过滤网263接触，通过过滤网263上的小孔，来对气泡进行切割，且三个过滤网263的孔径自下而上逐渐缩小，可分级对气泡进行粉碎，并且在气泡错过过滤网263的同时，通过超声波换能器264发出超声波震动，通过震动柱262和固定架261，将高频震动分散到过滤网263上，在气泡穿过过滤网263的同时，通过高频震动来将气泡震碎，可大大提高气泡与反应溶液的接触面积，使得反应溶液可将锗烷气体中的杂质有效的反应中和，通过固定管241向喷液管243内持续注入反应溶液，并通过喷雾头244喷出，使得处理罐22内分布大量的反应溶液雾气，使得在反应溶液内出来的锗烷气体在进入排气管27之前，与反应溶液雾气接触，进一步提高反应效果，并通过第二伺服电机246转动带动第二平齿轮247转动，进而可带动外齿轮环245转动，使得转管242上的喷液管243旋转，使得雾气分布更加均匀，且反应溶液通过喷雾头244喷出，落在液体反应溶液内，可对处理罐22内的反应溶液进行补充，使得处理罐22内的反应溶液的浓度保持在一定范围内，而多余的已反应过的反应溶液则通过排液管211排出，使得处理罐22内保持合适的液位。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。