一种多组分金属物质的物理分离装置
技术领域
本实用新型涉及一种新的用于分离金属的装置，具体涉及一种多组分金属物质的物理分离装置，本实用新型中所涉及到的基础技术手段包括电子束技术、等离子体技术和磁质谱技术等，属于物质分离科学领域。
背景技术
随着家用电器和电子设备的应用普及，电子废弃物的处理问题已经成为一个亟待解决的日益严重的环境问题。电气电子设备种类繁多，制造工艺复杂，含有大量金属、塑料、玻璃以及其它化合物，其中包括许多有毒有害元素，如氯氟碳化合物、卤素阻燃剂、汞、硒、镍、镉、铅、铬等，如果处理不当会对环境造成严重的污染，而且其对处理技术和工艺要求又很高，但同时电子废弃物又是重要的再生资源，因此产生了对其分离回收技术的探索，形成新的研究领域——分离科学。
从电子废弃物中回收金属的技术研究可以追溯到20世纪60年代末。当时，美国矿业局尝试从废弃军事设备的破碎品中回收贵金属，并建成了处理量达0.23t/h的中试厂。由于电子废弃物种类繁多、成分复杂，其处理涉及到环境学、化学、矿物加工学、冶金、电子电力、机械等多学科领域，处理难度甚大，因此，美国国家矿业局在1986年组织起研究开发电子废弃物处理及贵金属回收的新工艺，包括手工拆卸、机械处理、火法冶金、湿法冶金等技术。与此同时，其他发达国家如瑞典、日本、德国等也积极开展这一领域的研究工作，并在工艺技术上取得了较大的进展，但这些技术均以回收贵金属为主。随着电子产品中的贵金属含量的不断减少，基本金属含量的逐渐增加，以及资源紧缺的日益加剧，回收技术的发展方向已开始转向稀贵金属和基本金属。
电子废弃物中主要是含有大量贱金属铜，同时还含有大量的稀贵金属。例如：金在电触点材料和导电材料(金丝、金箔、用金粉压制成的部件、金的合金、包金合金材料等)、金基焊料、电子浆料上获得广泛应用；锗是一种重要的半导体材料，用于制造晶体管及各种电子装置。铟因其光渗透性和导电性强，主要用于生产ITO靶材(用于生产液晶显示器和平板屏幕)，占全球铟消费量的70％。钽是芯片(CPU)中重要的贵金属(铜互连中TaN)，也可做电子管的电极、整流器、电解、电容，世界上钽金属的产量一半被用在钽电容的生产上。镓是制造半导体氮化镓、砷化镓、磷化镓、锗半导体掺杂元；镓化合物，尤其是砷化镓在电子工业已经引起了越来越多的关注。电子电器是用银量最大的行业，其使用分为电接触材料、复合材料和焊接材料，铑、钯等在电子电器中获得应有。同时，贵金属镀层在电子工业中应用却越来越多。其原因在于：其化学稳定性高、抗腐蚀性好、焊接性好、结合力强、接触电阻小、导电性能特别好等诸多优点。目前，国际上贵金属电镀技术发展较快，在提高镀层质量的条件下，努力探索降低电镀成本的措施，镀层成分由单一金属向多元化方向发展，取得了综合性能优良的多元合金。例如：金合金(比如金锡、金铋、金银、金钴……)，银合金(银镍、银锡……)，和钯合金电镀工艺，尽量减少稀贵金属如铑、铂和金的用量。通常情况下，一个镀层并不能达到如此效果，而是采用多种中间镀层才可能达到目的。
由于电子废弃物是多物质、多组分混合体系，首先对其进行破碎以达到各物料之间的解离，然后按物质物理性质的差异，采用重力分离、磁分离、电分离等物理分离方法实现物料直接的分离。然而，经分选结合破碎技术在电子废弃物拆解、物料的分离等预处理后获得多种金属混合体，含铜、重金属、金、银等稀贵金属等。如何环境友好地分离和提取与纯化多种金属混合体中铜、重金属(铅、镉等)、稀贵金属(金、银等)，使其成为附加值更高的二次资源，避免对环境的二次污染，是目前迫切需要解决而尚未解决的重要问题。
目前，从电子废弃物中回收金属的技术可以概括分为：机械处理技术、热处理技术、湿法冶金技术及生物处理技术等，但以上技术在工艺过程中会产生大量的废气、废水，需要严格的环保设施，同时能耗高，而且一些高熔点的金属钨钼钽等也无法高效的分离出来。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种高效的分离多组分金属混合物及金属间化合物的物理分离装置，采用该装置分离过程无废水产生，也不使用有毒添加剂，对环境无害。
为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：
一种多组分金属物质的物理分离装置，该装置包括电子束熔炼装置、等离子体发生器(包括射频空心阴极放电)、磁场发生器和离子收集板等，所述的等离子体发生器设置于电子束熔炼装置的熔炼坩埚上方，磁场发生器设置于电子束熔炼装置上部的外围，离子收集板设置于熔炼坩埚的周围。
所述的电子束熔炼装置为真空电子束熔炼炉，其中，电子枪设置在坩埚的上方。
等离子体发生器可以是空心阴极放电枪设置于电子束熔炼装置上方。
磁场发生器设置于电子束熔炼装置上部的外围，在等离子体发生器上方形成正交磁场。
采用上述装置进行多组分金属物质的物理分离，包括如下步骤：
(1)将含有多组分金属及金属间化合物的原料加入真空电子束炉中的坩埚内，抽真空；
(2)采用电子束熔炼的方法进行加热，由于温度急剧上升和真空环境，金属粒子被汽化，形成金属蒸汽，其温度和压力由金属元素种类决定；
(3)利用持续的射频空心阴极放电的方法，电离形成的金属蒸汽，使其形成低温等离子体，此时由于电子枪所形成的电场，等离子体中的金属离子获得少量初速度；
(4)在步骤(3)形成的等离子体周围施加正交的磁场，其大小也视金属元素而定，由于不同金属离子的质荷比不同，会在相同的正交磁场内形成不同的路径，以此来达到分离不同金属的目的；
(5)在坩埚周围设置金属离子接收板，以收集不同种类金属离子飞出后形成的金属粉末，分离完成。
上述方法步骤(1)中，坩埚种类可根据不同原材料选用不同的坩埚；如铜水冷坩埚、石墨坩埚等。抽真空的真空度为10-2～10-3pa。
步骤(2)中，采用电子束熔炼的方法进行加热，可根据金属元素种类来调整。
步骤(3)中，使金属蒸汽电离的方法也视不同金属元素可选用不同的方法，空心阴极仅为较为常用的最容易实现的例子。射频空心阴极放电的方法中采用的装置为空心阴极放电枪。
本实用新型是一种新的实现多组分金属混合物及金属间化合物的物理分离的装置，利用高能量密度电子束汽化金属原料，形成金属蒸汽；再利用等离子体技术，其金属蒸汽电离形成等离子体；利用磁场对不同金属元素离子的色散作用，分离不同金属离子。整个过程是物理分离过程，环境友好，易于实现自动化工业生产。
本实用新型的优点：
1.本实用新型仅利用不同金属元素本身物理性质的不同来实现分离，整个过程不产生新的废气废水等有毒有害物质，同时可以对原料本身存在的非金属杂质有很好的脱除，原料本身所产生的废气可以进行收集，统一无害化处理，所需环保措施简单，可以做到零污染零排放。
2.本实用新型整个过程无需添加耗材，仅电子枪所采用的热阴极材料需要定期更换。
3.本实用新型对原料的利用率较高，所得的最终产物纯度也较高。
4.本实用新型对多组分金属原料可以实现多种金属元素同时分离，工艺过程相对简单，易于实现自动化控制和可持续工业化生产。
附图说明
图1是本实用新型的分离装置的示意图。
主要附图标记说明：
1 坩埚 2 电子束
3 空心阴极放电枪 4 磁场
5 离子轨迹 6 离子收集板
7 原料
具体实施方式
如图1所示，本实用新型的多组分金属物质的物理分离装置，包括电子束熔炼装置、空心阴极放电枪3、磁场发生器和离子收集板等，空心阴极放电枪3设置于电子束熔炼装置的熔炼坩埚1上方，磁场发生器设置于电子束熔炼装置上部的外围，在等离子体发生器上方形成正交磁场；离子收集板设置于熔炼坩埚1的周围。电子束熔炼装置为真空电子束熔炼炉，其中，电子枪设置在坩埚1的上方。
采用上述装置进行物理分离，包括如下步骤：
(1)将多组分金属及金属间化合原料7加入真空电子束炉中的铜水冷坩埚1内，抽真空，真空度为10-2～10-3pa；
(2)将步骤(1)的原料采用电子束熔炼的方法进行加热，电子束2对坩埚内的原料7进行扫描熔炼，由于温度急剧上升和真空环境，金属粒子可以被汽化，形成金属蒸汽，其温度和压力由金属元素种类决定；
(3)利用持续的射频空心阴极放电的方法，电离形成的金属蒸汽，采用空心阴极放电枪3使其形成低温等离子体，此时由于放电枪所形成的电场，等离子体中的金属离子获得少量初速度；
(4)在步骤(3)形成的等离子体周围施加正交的磁场4，其大小也视金属元素而定，由于不同金属离子的质荷比不同，会在相同的正交磁场内形成不同的离子轨迹5，以此来达到分离不同金属的目的；
(5)在坩埚周围设置金属离子收集器--离子收集板6，以收集不同种类金属离子飞出后形成的金属粉末，分离完成。
以上实施例仅用以说明而非限制本实用新型的技术方案，尽管上述实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的相关技术人员应当理解：凡是利用本实用新型说明书内容所做的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，但不脱离本实用新型精神和范围的任何修改和替换均应涵盖在本实用新型的保护范围内。
