探索锗的奥秘：发现、利用与二次富集技术

在1872年，俄国著名的化学家门捷列夫在研究元素周期表时，预言了一个“类硅”的元素应该存在于硅（Si）和锡（Sn）元素之间。随后，在1865年，德国化学家文克勒（Winkler）在分析硫银锗矿时发现了锗，他通过硫化锗与氢共热的方法，成功制出了锗，从而正式确定了锗元素的存在。为了纪念文克勒，并从德国的拉丁名germania中得到启发，锗（Germanium）得以命名，其元素符号为Ge，原子序数32，在化学元素周期表中位于第4周期、第IVA族。

锗长期以来未能实现工业规模开采，并非因为其在地壳中的含量稀少，而是因为它是地壳中最分散的元素之一。因此，锗被称为稀散金属，其外形如图1所示。

图1 金属锗外形图

锗在半导体方面的应用

锗最早在电子工业中的应用是制造生产二极管和晶体管等半导体，这些半导体器件所使用的材料主要是单晶锗。1947年，贝尔实验室成功制造了世界上第一个“晶体管”，这一突破性的发明采用了锗材料。锗的这一现象的发现，标志着现代半导体产业的诞生。自1947年起，锗在半导体原件制造业中迅速占据了主要地位，为电子工业的发展奠定了重要基础。

锗在光纤方面的应用

锗在光纤方面的应用主要是用于生产掺锗（GeCl₄）的光导纤维，起到光纤掺杂和光电转化的作用。随着光纤到户（FTTP）和4G网络的广泛普及，光纤光缆行业对锗的需求呈现出持续增长的趋势。目前，锗在光纤通信方面的消费量已经达到了以吨为单位的显著水平，而在不远的将来，光纤通信领域预计将成为锗应用增长最快的领域之一。

图2 掺锗光纤外形图

锗在红外光学方面的应用

锗作为一种红外光学材料，因其红外折射率高、红外透过波段范围宽、吸收系数小、色散率低以及易加工等优点，在红外光学应用中扮演着重要角色。特别是在军事领域，锗的应用尤为突出，主要采用的是红外热成像技术。这种材料特别适用于军工及重大民用中的热成像仪、红外雷达以及其他红外光学装置的窗口、透镜、棱镜和滤光片等部件。

由于锗资源的稀缺性和分布的广泛性，以及锗尘中锗品位低的问题，锗尘中锗的二次富集及提取技术成为实现锗资源高效利用的关键。目前，高温火法二次富集和湿法提取是两种主要的富集技术。未来，随着技术的进步和环保要求的提高，开发更加高效、环保的锗富集和提取技术将是研究的重点。

锗高温火法二次富集

采用高温火法进行二次富集，通过控制气氛、温度等条件，使锗再次还原并富集到更高品位的锗富集物中。实验表明，锗的火法富集最佳工艺参数为：配碳量3%，锗尘碱度为1.0，在1600℃高温下，处理时间为1h。

锗的湿法提取

1. 探明了内蒙古胜利煤田含锗褐煤燃烧后除尘灰中锗的存在方式。

2. 探明了高温处理时GeO₂与氧化物之间的相互作用规律及其对锗湿法提取的影响。

3. 开发了锗尘的造球技术，锗球强度可达7.9kN。

4. 开发了锗尘中锗的二次火法富集技术。锗的火法二次富集最佳条件为碱度为1.0，含C量为3%，温度为1600℃保温时间1h。富集物中锗含量为16.65%，酸溶锗回收率为89.55%。富集产物中锗主要以Ca₂Ge₇O₁₆、Ca₂GeO₄等形式存在。

5. 开发了锗尘的微波浸出蒸馏技术，液固比低，回收率高，为锗尘的后续利用提供了基础数据。