عنصر ژرمانیوم
1
1-تاریخچه
ژرمانیم ( از واژه لاتین Germania به معنی آلمان ) یکی از عناصری بود که Dmitri Mendeleev در سال 1871 وجود آن را به عنوان یک آنالوگ گم شده گروه سیلیکون پیش بینی کرده بود ( مندلیف آن را "ekasilicon " نامید) . وجود این عنصر را Clemens Winkler در سال 1886 اثبات نمود. این کشف تاییدیه مهمی برای نظریه مندلیف در مورد وضعیت تناوبی عناصر بود.
ساخت ترانزیستورهای ژرمانیم مقدمه استفاده های بی شمار از علم الکترونیک solid-state گشت. از سال 1950 تا اوایل دهه 80 این حوزه بازار روزافزونی برای ژرمانیم به وجود آورد اما بعد از آن سیلیکون خالص کم کم در ترانزیستورها، دیودها و یکسو کننده ها جایگزین ژرمانیم شد. سیلیکون خصوصیات الکتریکی برتری دارد اما نمونه های بسیار خالص تری نیاز دارد- درجه خلوصی که در روزهای اولیه به صورت تجاری قابل دستیابی نبود- درحالی که نیاز به ژرمانیم در شبکه های ارتباطی فیبر نوری، سیستم های مادون قرمز دید در شب و کاتالیزورهای پلیمریزاسیون شدیداً افزایش یافت. این کاربردهای نهایی، 85% مصرف جهانی ژرمانیم را در سال 2000 تشکیل می دهد.
2
2-خواص عنصر
ژرمانیم عنصری سخت و به رنگ سفید مایل به خاکستری است که دارای درخشش فلزی و ساختار بلوری همانند الماس می باشد. توجه به این نکته ضروری است که ژرمانیم یک نیمه هادی با ویژگیهای الکتریکی بین فلز و عایق است. نوع خالص این شبه فلز ، بلورین و شکننده بوده و در دمای اطاق درخشش خود در هوا را حفظ می کند. روشهای تصفیه منطقه ای باعث تولید ژرمانیم بلورین برای نیمه هادیها گشته که فقط دارای یک جزء در 1010 ناخالصی هستند.
3
4
2-1 خواص عمومی عنصر
2-2 خواص فیزیکی
5
2-3خواص مکانیکی
6
2-4 خواص شیمیایی
7
3- قیمت عنصر در 10 سال گذشته و پیش بینی قیمت در آینده
میانگین قیمت سالانه فلز ژرمانیوم (حداقل %۹۹.۹۹ فلزی) و دی اکسید ژرمانیوم و برآورد قیمت ژرمانیوم موجود در دی اکسید ژرمانیوم (با در نظر گرفتن %۶۹ حاوی ژرمانیوم) از سال ۲۰۰۶ تا ۲۰۱۵
8
با توجه به آمارها می توان نتیجه گرفت که مصرف ژرمانیوم به عنوان یک فلز استراتژیک رو به افزایش است. از همین رو مقدار تولید این ماده و ترکیبات آن در حال افزایش است. کشور چین یکی از بزرگترین تولید کنندگان ژرمانیوم در جهان است. افزایش تولید موجب کاهش قیمت این ماده در بازه هایی زمانی کوتاهی در سال ها اخیر گشته است. اما با گسترش کاربردهای جدید این عنصر باعث رونق قیمت جهانی شده است. به نحوی که قیمت آن به ازای هر یک کیلو در حدود 1757/3 دلار در اواخر سال 2017 رسیده است. در سال های آتی پیش بینی میشود که این رقم افزایش پیدا کند.
9
4-تناژ مصرفی عنصر میزان تولید ژرمانیوم در سال 2017 در حدود 157/5 تن است که بخش اعظم آن در کشور چین تولید شده است.
10
5-ترکیبات مختلف مصرفی
ترکیبات دیگر عنصر ژرمانیوم عبارتند از :
تترا هیدرید ژرمانیم GeH4 و هگزا هیدرید دی ژرمانیم Ge2H6
اکسید ژرمانیم GeO و دی اکسید ژرمانیم GeO2
دی کلرید ژرمانیم GeCl2 و تترا کلرید ژرمانیم GeCl4
ژرمانیوم مونوسولفید
ژرمانیم سلنید (Germanium selenide)
11
GERMANIUM TETRACHLORIDE
GERMANIUM Pure
GERMANIUM
DIOXIDE
12
6- روش های تولید
ژرمانیم بصورت تجاری از پردازش سنگ معدن مذاب روی و از سوختن محصولات جانبی زغال سنگ های خاصی بدست می آید.
این شبه فلز را می توان به وسیله تقطیر جزئی تتراکلرید فرار آن از فلزات دیگر نیز تهیه نمود. این روش باعث تولید ژرمانیم با خلوص بسیار بالا می شود.
13
14
فرآیند استخراج و تولید ژرمانیوم و ترکیبات آن
7- منابع تامین
مقدار متوسط ژرمانیوم در پوسته زمین در حدود 0/00014% است و ذخایر روی و زغال دو منبع اصلی استحصال این عنصر هستند و ذخیره معدنی خاص مجزایی از ژرمانیوم وجود ندارد. از مهمترین منابع استحصال این عنصر میتوان به پسماندهای کارخانه های روی و همچنین باطله وخاکستر زغال اشاره نمود . ژرمانیوم به طور قابل ملاحظه ای درکانسارهای :
سرب و روی به مقدار ppm160-100 .
در کانسارهایی که حاوی ژرمانیت می باشد ppm 200-100.
در زغال سنگ ها و خاکستر باقی مانده از حاصل سوخت آن ها به مقدار ppm150 .
در موارد باقی مانده تصفیه نفت خام به مقدار بسیار کم وجود دارد.
15
7- منابع تامین
با توجه به آمارهای موجود، حدود 35 درصد از تولید جهانی ژرمانیوم از منابع ثانویه و بازیافتی بوده و حدود 60 درصد ژرمانیوم که در صنایع اپتیک به مصرف میرسد، به صورت بازیافت تامین شده است ؛ به نوعی می توان گفت منبع دیگر ژرمانیوم بازیافت وسایل الکترونیکی می باشد.
ژرمانیوم در حالت طبیعی یافت نمی شود و به طور گسترده ای و عموما در غلظت های پایین در طبیعت پخش شده است. مطالعات کانی شناسی تا امروز فقط 16 کانی مربوط به ژرمانیوم را به ثبت رسانده است که فقط کانی ژرمانیتCu3(Ge,Fe)S برای استخراج ژرمانیوم مورد استفاده قرار می گیرد.
16
8-روش های استحصال و بازیابی
. با توجه به اهمیت این عنصر، در سالهای گذشته مطالعات مختلفی برای استحصال آن در سایر کشورها با استفاده از روشهای شیمیایی انجام شده است. معمولا روشهای تبادل آنیونی و کاتیونی، روشهای کمپلکس سازی و همچنین استخراج حلالی و استفاده از رزین برای استحصال این عنصر مطالعه شده اند.
در مقالات کار شده و همچنین روش های استخراج ژرمانیوم از خاکستر زغال سنگ، مقدار مالیات در حدودppm ۴۳۰ اشاره شده است. در عیار ppm ۴۳۰ روشهای نوین؛ هیدرو متالورژی (تبادل یونی، ترسیب و استخراج با حلال) فلوتاسیون یونی قادر به استحصال ژرمانیوم از خاکستر می باشند
17
18
9- کاربردهای مختلف عنصر و ترکیبات آن
این عنصر تعداد بسیار زیادی از ترکیبات آلی- فلزی را تشکیل داده وماده نیمه هادی مهمی در ترانسیزتورها و نورسنج ها به حساب می آید. همچنین از ژرمانیوم در ساخت فیبرهای نوری نیز استفاده می شود.از آن می توان در صنعت شیشه های IR , لنز ها و تکنولوژی دید در شب در خودروهای نظامی بهره برد.
19
9- کاربردهای دیگر
ژرمانیوم فضای پنجره های 5-3 و 8-12میکرون را پوشش میدهد. به علاوه، ضریب شکست بالا آن، لنزها و دریچه های Ge را به قطعات نوری بسیار مفیدی برای کاربردهای تصویربرداری و گرماسنجی حرارتی مادون قرمز تبدیل میکند.
ژرمانیوم الماس قابل چرخش برای ساخت لنزهای غیرکروی پیشرفته است.
درجه EMI پنجره های ژرمانیومی برای محافظت در برابر سیگنالهای نویزی در کاربردهای نظامی مدرن استفاده می شود.
ژرمانیوم برای تولید منشورهای با بازتاب کلی ضعیف ( (AR ، با توجه به ضریب شکست بالا و خواص شیمیایی پایدار جهت استفاده در طیف سنجی، انتخاب مناسبی است.
سختی ژرمانیوم تقریبا دو برابر فلوراید منیزیم است، و می تواند با الماس لایه نشانی شده، و برای کاربردهای اپتیک ناهموار ایده آل شود
ژرمانیوم جزء زیرلایه های رایج در پنجره های دتکتورها، پلاریزه کننده ها و فیلترهای IR است.
20
21
10- تهیه جدول مقایسه ایی
22
مراجع
High Purity Germanium, a Review on Principle Theories and Technical Production Methodologies. Danilo C. Curtolo, Semiramis Friedrich*, Bernd Friedrich- Journal of Crystallization Process and Technology, 2017, 7, 65-84
Mineral Commodity Profiles –Germanium -By W.C. Butterman and John D. Jorgenson.
2015 Minerals Yearbook GERMANIUM [ADVANCE RELEASE]- U.S. Department of the InteriorU.S. Geological Survey.
Germanium Recycling in the United States in 2000 -By John D.Jorgenson- U.S. Geological Survey Circular1196–V.
ارزیابی ژرمانیوم موجود در زغال سنگ سنگرود و البرز مرکزی و امکان سنجی استحصال ژرمانیوم – غلامحسین نورمحمدی، سمیه شایانفر، غلامرضا کریمی-فصلنامه علمی پژوهشی زمین شناسی محیط زیست سال هفتم، شماره ۲۵، زمستان ۱۳۹۲.
ارزیابی منابع معدنی ژرمانیوم در کشور و بررسی روش های بهینه استحصال ژرمانیوم از منابع اثبات شده- فاطمه سلیمی- پایان نامه تحصیلی کارشناسی ارشد رشته مهندسی معدن گرایش فراوری مواد معدنی- بهمن 1391 .
بررسی جدایش ژرمانیوم از محلول آبی با استخراج حلالی و اثر سینرژیسم -مهدی قراباغی.
www.minar-ga.ir
http://www.businesschemistry.org
23