电解法制砷烷的砷烷电解装置的制作方法

本实用新型涉及砷烷制备领域，具体而言，涉及一种电解法制砷烷的砷烷电解装置。

背景技术：

在半导体行业、太阳能行业、LED行业、平板显示行业和光纤行业快速发展的今天，砷烷等电子气体的工艺使用范围越来越广泛。电子气体一般都是有毒气体、易燃易爆气体，其中的杂质去除和提纯过程是很大的难题。电解法制砷烷直接采用高纯金属砷或高纯含砷原料，能够从原材料上减少杂质的引进，大大简化了砷烷的提纯工艺，因此电解法制砷烷是未来解决气体供应难题的一个比较好的途径。

电解法制砷烷的电解槽具有多种设置方式，以下以氧化砷为阴极为例进行说明。电解槽具有阴极室和阳极室，阳极室内安装有电解电极的阳极和阳极电解液，阳极电解液是纯水，加入少量的高纯NaOH作为导电电解质，NaOH不参与电解反应。阳极电解反应的反应方程式:

6H2O→3O2(g)+12e^-+12H⁺

阴极室内安装有电解电极的阴极和阴极电解液，阴极电解液是三价砷As2O3水溶液，也可以使用五价砷的水溶液，加入少量的高纯H2SO4作为导电电解质，H2SO4不参与电解反应。

As2O3(s)+12H⁺+12e^-→2AsH3+3H2O

电解电源负责向电解电极的阴极和阳极提供电压和电流，控制电解砷烷气体的产量。在阴极室和阳极室之间设计有离子半透膜，允许阳离子H⁺从阳极室渗透到阴极室，其他的离子和分子均不能渗透。离子半透膜是厚度仅为50～100个微米的薄膜，当阴极室和阳极室之间的压力过大时可以直接吹破离子半透膜。即使很小范围内的压力，也会导致离子半透膜在阴极室和阳极室之间反复的扩张和收缩，很容易因疲劳而破裂，若遇到阴极室或阳极室内部尖锐突起或毛刺，很容易刺破离子半透膜，造成阴极电解液和阳极电解液混合，或阳极室和阴极室电解产生的气体混合。这样阴极电解产生的砷烷气体就掺杂了氧气，需要深度除去氧气到20ppb以下才能使用，就失去了使用电解法制砷烷的根本目的，延长了砷烷气体的生产周期，也失去电解质制电子气体的价格优势。

由此可见，电解法制砷烷有一个难题就是如何保证能得到稳定流量和质量砷烷的气体，以及确保整体电解系统的安全可靠。上述问题是电解法制砷烷工程化的一个需要解决的难题，此难题不解决，工程应用就无从谈起。

技术实现要素：

本实用新型的主要目的在于提供一种电解法制砷烷的砷烷电解装置，以解决现有技术中的电解法制砷烷工艺砷烷气体流量和质量不稳定的问题。

为了实现上述目的，根据本实用新型的一个方面，提供了一种电解法制砷烷的砷烷电解装置，包括：电解槽，具有通过离子半透膜隔离的阴极室和阳极室，阴极室电解产生砷烷和氢气，阳极室电解产生氧气；阴极气体输送管路，与阴极室相连；阳极气体输送管路，与阳极室相连；阴极室还设置有阴极电解液温度控制设备，阳极室还设置有阳极电解液温度控制设备，阴极气体输送管路和阳极气体输送管路之间设置有第一压差传感器以监测阳极室和阴极室的压差。

进一步地，上述阴极气体输送管路上设置有第一自动压力控制器，第一自动压力控制器与第一压差传感器电连接，用以接收第一压差传感器的信号调整阴极室和阳极室之间的压差。

进一步地，上述阴极气体输送管路设置有第一压力传感器。

进一步地，上述阴极气体输送管路上还设置有第一压力开关。

进一步地，上述阳极气体输送管路上设置有第二压力传感器。

进一步地，上述阳极气体输送管路上还设置有第二压力开关。

进一步地，上述砷烷电解装置还包括阴极气体输送支管，阴极气体输送支管与阴极气体输送管路相连，阴极气体输送支管上设置有第一泄压阀。

进一步地，上述砷烷电解装置还包括阳极气体输送支管，阳极气体输送支管与阳极气体输送管路相连，且阳极气体输送支管上设置有第二泄压阀。

进一步地，上述阴极电解液温度控制设备包括阴极电解液冷机。

进一步地，上述阳极电解液温度控制设备包括阳极电解液冷机。

应用本实用新型的技术方案，在阴极气体输送管路和阳极气体输送管路之间设置有第一压差传感器以监测阳极室和阴极室的压差，当压差过大超过限定时调整阳极室和/或阴极室内气体压力，比如通过调整调整气体流速、电压大小等，以避免压差过大对离子半透膜的损坏，同时通过阴极电解液温度控制设备和阳极电解液控制设备来控制阴极室和阳极室的温度稳定，避免了因电解反应放出的热量导致的阴极室和阳极室的升温，从而使得电解速率稳定，以上两方面保证了阴极室所生成以及所流出气体质量稳定，不需要进行深度提纯保证了后续应用是气体流量的稳定，进而保证了砷烷电解装置的安全稳定运行。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本实用新型的一种实施例的砷烷电解装置的结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

11、阴极室；12、离子半透膜；13、阳极室；14、电源；111、阴极电解液温度控制设备；131、阳极电解液温度控制设备；

20、第一压差传感器；

30、阴极气体输送管路；31、第一压力传感器；32、第一压力开关；33、第一自动压力控制器；

40、阳极气体输送管路；41、第二压力传感器；42、第二压力开关；43、变频风机；

50、阴极气体输送支管；51、第一泄压阀；

60、阳极气体输送支管；61、第二泄压阀；

70、阴极干式尾气处理装置；

80、阳极干式尾气处理装置。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

如本申请背景技术所分析的，现有技术的阳极室和阴极室的压差不稳定，当阴极室和阳极室之间的压力过大时可以直接吹破离子半透膜，或者很小范围内的压差波动也会导致离子半透膜在阴极室和阳极室之间反复的扩张和收缩很容易因疲劳而破裂，导致阴极室和阳极室的气体混合，进而导致由阴极室流出的气体中砷烷质量不稳定，使得砷烷需要进一步深度提纯才能利用，增加砷烷制备成本。为了解决该问题，本申请提供了一种电解法制砷烷的砷烷电解装置。

本申请的电解法制砷烷的砷烷电解装置包括电解槽、阴极气体输送管路30和阳极气体输送管路40，如图1所示，电解槽具有通过离子半透膜12隔离的阴极室11和阳极室13，阴极室11电解产生砷烷和氢气，阳极室13电解产生氧气；阴极气体输送管路30与阴极室11相连；阳极气体输送管路40与阳极室13相连；阴极室11还设置有阴极电解液温度控制设备111，阳极室13还设置有阳极电解液温度控制设备131，阴极气体输送管路30和阳极气体输送管路40之间设置有第一压差传感器20以监测阳极室13和阴极室11的压差。

在阴极气体输送管路30和阳极气体输送管路40之间设置有第一压差传感器20以监测阳极室13和阴极室11的压差，当压差过大超过限定时调整阳极室13和/或阴极室11内气体压力，比如通过调整调整气体流速、电压大小等，以避免压差过大对离子半透膜12的损坏，同时通过阴极电解液温度控制设备111和阳极电解液温度控制设备131来控制阴极室11和阳极室13的温度稳定，避免了因电解反应放出的热量导致的阴极室11和阳极室13的升温，从而使得电解速率稳定，以上两方面保证了阴极室11所生成以及所流出气体质量稳定，不需要进行深度提纯保证了后续应用是气体流量的稳定，进而保证了砷烷电解装置的安全稳定运行。

以上压差过大超过限定时，可以人工调整气体流速、电压大小等，为了提高砷烷电解装置运行的自动化程度，优选如图1所示，上述阴极气体输送管路30上设置有第一自动压力控制器33，第一自动压力控制器33与第一压差传感器20电连接，用以接收第一压差传感器20的信号调整阴极室11和阳极室13之间的压差。

通过第一自动压力控制器33与第一压差传感器20进行电连接，第一自动压力控制器33接收到第一压差传感器20的信号后，通过调整阴极气体输送管路30中气体的流速来调整阴极室11的温度，进而控制阴极室11和阳极室13的压差在安全范围。上述第一压差传感器20、第一自动压力控制器33之间的位置关系可以有多种，优选第一压差传感器20与阴极气体输送管路30的接口为第一接口，第一自动压力控制器33设置在第一接口下游。

在本申请一种优选的实施例中，如图1所示，上述阴极气体输送管路30设置有第一压力传感器31。利用第一压力传感器31监测阴极室11的压力变化，根据压力变化情况判断电解速率、气体流动等情况，确保砷烷电解装置的安全运行。优选地，上述砷烷电解装置还具有安全控制单元，第一压力传感器31与安全控制单元电连接。将第一压力传感器31监测结果传送至安全控制单元，安全控制单元根据监测结果做出相应的动作。比如当检测到阴极室11的压力波动较大时，控制单元发出分等级的报警信号，工作人员接收到低等级的报警信号时对砷烷电解装置的电解槽各运行结构进行查验，如果可以采用调整电压或气流可以消除报警，工作人员则进行相应调整，当一旦发现有危险发生将进行停机控制。若安全控制单元发出高等级的报警信号设备自动启动停机程序，保护设备和操作人员的安全。

由于砷烷电解装置在长时间工作后，第一压差传感器20、第一自动压力控制器33等工作的灵敏度下降甚至在工作人员未察觉的情况下失效，为了避免压力监测不到位引起安全问题，优选如图1所示，上述阴极气体输送管路30上还设置有第一压力开关32。利用第一压力开关32监测阴极室11压力并且当监测到压力超过预设值时进行断电保护。

在阴极气体输送管路30上设置第一自动压力控制器33对阴极室11的压力进行自动控制，同样为了对阳极室13的压力实现自动控制，优选如图1所示，上述阳极气体输送管路40上设置有变频风机43，变频风机43与第一压差传感器20电连接用以接收第一压差传感器20的信号调整阴极室11和阳极室13之间的压差。第一压差传感器20与阳极气体输送管路40的接口为第二接口，变频风机43设置在第二接口的下游。

即使阳极产生的气体组成对于砷烷的应用影响不大，但是为了避免阳极室13压力波动太大导致砷烷电解装置运行不稳定，优选如图1所示，上述阳极气体输送管路40上设置有第二压力传感器41。利用第二压力传感器41监测阳极室13的压力变化，根据压力变化情况判断电解速率、气体流动等情况，确保电解砷烷电解装置的安全运行。优选地，第二压力传感器41与安全控制单元电连接。将第二压力传感器41的监测结果传送至安全控制单元，安全控制单元根据监测结果做出相应的动作。比如当检测到阳极室13的压力波动较大时，安全控制单元发出报警信号，工作人员接收到报警信号时对砷烷电解装置的电解槽各运行结构进行查验，如过可以采用调整电压或气流可以消除报警，工作人员则进行相应调整，当一旦发现有危险发生将进行停机控制。

由于砷烷电解装置在长时间工作后，第二压力传感器41、第一自动压力控制器33等工作的灵敏度下降甚至在工作人员未察觉的情况下失效，为了避免压力监测不到位引起安全问题，优选如图1所示，上述阳极气体输送管路40上还设置有第二压力开关42。利用第一压力开关32监测阴极室11压力并且当监测到压力超过预设值时进行断电保护。

由于砷烷为有毒气体因此为了保证安全，优选如图1所示，砷烷电解装置一般还包括阴极干式尾气处理装置70，阴极干式尾气处理装置70具有第一尾气进口，第一尾气进口与阴极气体输送管路30相连，且阴极干式尾气处理装置70设置在阴极气体输送管路30的末端。利用阴极干式尾气处理装置70对阴极气体进行处理，使其达到排放要求。

另外，当前述的各压力传感器或压力开关均失效时(该情况发生的机会很低)，为了保证砷烷电解装置的安全，优选如图1所示，上述砷烷电解装置还包括阴极气体输送支管50，阴极气体输送支管50与阴极气体输送管路30相连，阴极气体输送支管50上设置有第一泄压阀51。当阴极室11内压力过大时，第一泄压阀51打开进行泄压，确保电解槽中阴极室11不会超压。优选上述阴极干式尾气处理装置70还具有第二尾气进口，第二尾气进口通过阴极气体输送支管50与阴极气体输送管路30相连。泄压时放出的气体被送入阴极干式尾气处理装置70中进行处理。

为了避免阳极气体中掺杂有砷烷外排造成环境污染，一般砷烷电解装置还包括阳极干式尾气处理装置80，阳极干式尾气处理装置80与阳极气体输送管路40相连且设置在阳极气体输送管路40的末端。同样利用阳极干式尾气处理装置80对阳极需要排放的气体进行处理，使其达到排放要求。

同样地，如图1所示，优选上述砷烷电解装置还包括阳极气体输送支管60，阳极气体输送支管60与阳极气体输送管路40相连，且阳极气体输送支管60上设置有第二泄压阀61。当阳极室13内压力过大时，利用第一泄压阀51进行泄压，确保电解槽中阳极室13不会超压。优选地，上述阳极气体输送支管60与阳极干式尾气处理装置80相连，当第一泄压阀51打开后，可将气体送入阳极干式尾气处理装置80中进行处理。

如前所述，电解反应是一个放热反应，一般情况下当电解工作开始之前需要对阴极电解液进行加温，确保阴极电解液在最佳的工作温度状态下工作。电解开始后热量逐渐产生，上述阴极电解液温度控制设备111用于控制阴极室温度，可以实现阴极电解液温度控制设备111的方式有多种，比如在阴极室内置盘管式换热器或列管式换热器，利用水为换热介质实现温度控制，为了提高温度调节的及时性和精确性，优选上述阴极电解液温度控制设备111包括阴极电解液冷机。阴极电解液配置有阴极电解液冷机，在电解过程中可以调节阴极电解液温度到最佳电解工艺状态。阴极电解液温度控制设备111可以控制阴极电解液的温度在5～80℃之间调节，可以满足阴极电解液对温度控制的需求。

同样地，一般情况下当电解工作开始之前需要对阳极电解液进行加温，确保阳极电解液在最佳的工作温度状态下工作。电解开始后热量逐渐产生，上述阳极电解液温度控制设备131用于控制阴极室温度，可以实现阳极电解液温度控制设备131的方式有多种，比如在阳极室内置盘管式换热器或列管式换热器，利用水为换热介质实现温度控制，为了提高温度调节的及时性和精确性，优选阳极电解液温度控制设备131包括阳极电解液冷机。阳极电解液配置有阳极电解液冷机，在电解过程中可以调节阳极电解液温度到最佳电解工艺状态。阳极电解液温度控制设备131可以控制阳极电解液的温度在5～80℃之间调节，可以满足阳极电解液对温度控制的需求。

电解法制砷烷的阴极材料和阴极使用的催化剂对电解过程中产生的砷烷和氢气的比例有很大的影响，电解电极的电流也对砷烷和氢气产生的比例有很大的影响，气体因素影响砷烷和氢气产生的比例比较小。当电解电极的阴极材料和阴极使用催化剂与电极电流固定下来不变后，电解产生的砷烷和氢气产生的比例波动范围就比较小了。因此优选电解槽的电源14为恒流电源，这样理论上保证阴极室11和阳极室13在单位时间内产生的气体总量是一个恒定的数值。

从以上的描述中，可以看出，本实用新型上述的实施例实现了如下技术效果：

在阴极气体输送管路和阳极气体输送管路之间设置有第一压差传感器以监测阳极室和阴极室的压差，当压差过大超过限定时调整阳极室和/或阴极室内气体压力，比如通过调整调整气体流速、电压大小等，以避免压差过大对离子半透膜的损坏，同时通过阴极电解液温度控制设备和阳极电解液控制设备来控制阴极室和阳极室的温度稳定，避免了因电解反应放出的热量导致的阴极室和阳极室的升温，从而使得电解速率稳定，以上两方面保证了阴极室所生成以及所流出气体质量稳定，不需要进行深度提纯保证了后续应用是气体流量的稳定，进而保证了砷烷电解装置的安全稳定运行。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。