"Gallium" Staatsgefühl, obwohl reichhaltig

Feng Qiwei 1,2, Tulip 1*

1. Institut für Geochemische Forschung der chinesischen Akademie der Wissenschaften, Nationales Schlüssellabor für Geochemische Ablagerungen, Guiyang 550081;

Fakultät für Erd- und Planetenwissenschaften, Chengdu 610051

Zitieren Sie diesen Artikel: von Kiwi, Tulip.  2025.  "Gallium" Staatsgefühl, obwohl reichlich verbreitet. Geochemische Bulletin von Mineralsteinen, 44(2): 427-435.

Gallium (Ga) als "neues Nahrungsmittel für die Halbleiterindustrie" und "Rückgrat der Elektronikindustrie" wird in den Bereichen integrierte Schaltungen, Photovoltaik, Medizin und Militär weit verbreitet. Als größter Produzent und Exporteur von Gallium hat China 2016 Gallium als strategisches Reservemetall eingestuft und plant strategische Reserven, wenn nötig. Am 3. Juli 2023 veröffentlichten das chinesische Handelsministerium und das Generalzollamt die "Bekanntmachung über die Einführung von Exportkontrollen für Gallium und Germanium-verwandte Gegenstände" zur Einführung von Exportkontrollen für Gallium und Germanium-verwandte Gegenstände, was zum ersten Mal seit dem Handelskrieg 2018 die Ausfuhrkontrolle gegen westliche Länder verwendet hat. Gallium spielt eine wichtige Rolle in den wirtschaftlichen und strategischen Bereichen, und die Forschung über die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Gallium muss verstärkt werden, um die Entwicklung und Nutzung von Gallium in verschiedenen Bereichen wie Mineralien, Umwelt und Materialien zu fördern.

Entdeckung und Eigenschaften von 1 Gallium

1.1 Entdeckung von Gallium

Schon im Jahr 1871 sagte der russische Chemiker Mendeleev auf der Grundlage seiner erstellten Periodischen Tabelle der Elemente voraus, dass es nach Zink ein "aluminiumähnliches" Element geben sollte, das mit ähnlichen chemischen Eigenschaften wie das überliegende Aluminium und einer ungefähren Anordnung von Elektronen außerhalb des Atomkernes (Abbildung 1) ist. Dieses Aluminiumortige Element hat eine relative Atommasse von etwa 68 und eine Dichte von 5,9 g/cm3.

Bild 1 Mendeleews Originalmanuskript (links) und gedruckte Version (rechts). Das Bild mit dem Titel "Systemeinblicke in Elemente basierend auf Atommasse und chemischer Ähnlichkeit", in dem ein roter Rahmen das Element Gallium (Ga) prognostiziert, stammt von Wikimedia Commons

Im Jahr 1875 entdeckte der französische Chemiker Boisbaudan durch die Untersuchung der spektralen Eigenschaften der Atome in der Flashzinkmine, dass es ein Bestrahlungsmerkmal gab, das nicht mit einem bestehenden Element korrespondierte, und zu Ehren seines Heimatlandes nannte er das Element mit diesem unbekannten spektralen Merkmal Gallium (Gallia gallia, lateinischer Name für Frankreich). Die Präsenz von Gallium wurde schließlich durch die Trennung von Substanzen aus den Flashzinkmeinen nachgewiesen und das freie Metall von Gallium aus einer KOH-Lösung wurde in diesem Jahr elektrolysiert (Gray et al., 2013). Gleichzeitig war Gallium das erste Element, das durch das Elementarzyklusgesetz vorhergesagt wurde und später entdeckt wurde, um die wissenschaftliche Natur des Elementarzyklusgesetzes vollständig zu bestätigen.

1.2 Physikalische und chemische Eigenschaften von Gallium

In der Periodischen Tabelle der Elemente befindet sich Gallium in der vierten Reihenfolge III Hauptfamilie, mit der Atomnummer 31, relativer Atommasse 69,723, gehört zu den Elementen der Borgruppe, das Elementsymbol ist Ga, die extranukleare Elektronenkonfiguration ist 1s22s22p63s23p63d104s24p1, der Atomradius ist 1,81Å (Abbildung 2). Es gibt 14 Isotope von Gallium, nur 69Ga und 71Ga sind in der Natur stabil vorhanden. Es gibt drei Oxidationszustände von Gallium, +1, +2 und +3, von denen +3 am stabilsten ist. Ähnlich wie die benachbarten Elemente Aluminium und Zink reagieren sie chemisch mit Säuren und Alkalinen als beidgeschlechtliche Metalle (Gray et al., 2013; Yuan et al., 2016).

Abbildung 2 Physikalisch-chemische Eigenschaften von Gallium (Yuan et al., 2021)

Gallium ist das Metall mit dem weitesten Flüssigkeitstemperaturbereich, mit einem Schmelzpunkt von nur 29,78 ° C und einem Siedepunkt von 2204,8 ° C. Der extrem niedrige Schmelzpunkt ermöglicht es Gallium, sich in flüssiger Form in andere Metalle zu verbreiten und korrosiv zu wirken (Goldfarb, 2014). Bei Raumtemperatur wirkt Gallium mit seinem Nulldampfdruck und seinen niedrig giftigen und antibakteriellen Eigenschaften, so dass es sicher behandelt werden kann und ein umweltfreundliches Material wird. Gallium ist im festen Zustand dehnbar, ziemlich stabil in der trockenen Luft, die Oberfläche bildet Oxide und zeigt das Phänomen der Passivierung; Bei feuchter Luft reagiert leicht mit Wasser und die Oberfläche verliert ihren Glanz. Flüssiges Gallium ist silberweiß, Dichte 6,0947g / cm3; Festgallium ist aufgrund der Oxidation der Oberfläche blau-weiß mit einer Dichte von 5,937 g/cm3 und einer weicheren Textur (Abbildung 3). Wenn Gallium von Feststoff in Flüssigkeit verwandelt wird, dehnt sich das Volumen um 3,1% aus und kann nicht in Metall- oder Glasbehältern gelagert werden, in der Regel in Kunststoffbehältern.

Abbildung 3 Metallgallium Foto. Quelle: Techno-Science.net

1.3 Unabhängige Mineralien von Gallium

Gallium ist in der Natur häufiger als Homogene oder in Form von Adsorption vorhanden und es gibt nur wenige unabhängige Mineralien, bisher wurden nur zehn Arten von Gallium-unabhängigen Mineralien gefunden, die meist in Afrika und vor allem in den Tsumeb-Ablagerungen in Namibia gefunden wurden (Tabelle 1).

Tabelle 1 Unabhängige Mineralien von Gallium und Hauptgallium-reiche Mineralien

Hinweis: "-" bedeutet keine Informationen.

1.4 Gallium-Isotope

In der Natur gibt es zwei stabile Isotope von Gallium, 69Ga und 71Ga, mit einem Überfluss von 60,1% bzw. 39,9%. Zwölf weitere Isotope, die in der Natur nicht stabil vorhanden sind, haben eine relative Atommasse von 63 bis 76. Zurzeit wird das stabilisierte Isotoptest von Gallium hauptsächlich durch die Zweisäulenharzmethode gereinigtes Gallium aus biologischen oder geologischen Proben getrennt und anschließend mit dem Multi-Empfangs-Induktionskopplings-Plasma-Massenspektrometer MC-ICP-MS die 71Ga- und 69Ga-Isotope und ihre Verhältnisse bestimmt, die Ergebnisse werden in der Regel in δ71Ga ausgedrückt (Yuan et al., 2016; Kato et al., 2017). Derzeit gibt es keine einheitlichen Isotopen-Standards für Gallium, hauptsächlich NBS 984, NIST SRM 994 und Ga IPGP.

δ71Ga/‰=[（71Ga/69Ga）sample/（71Ga/69Ga）standard−1]×1000

Die Analyse der Zusammensetzung von Gallium-Isotopen auf dem Mond, Meteoriten und der gesamten SilikatErde Bulk Silicate Earth (BSE) ergab, dass die BSE keine deutlicher Massenpartition von Gallium-Isotopen während der Magmaevolution entdeckte als der Mond und Meteoriten, wobei die Gallium-Isotopen-Zusammensetzung von BSE etwa 1,38 ± 0,06 betrug (NIST SRM 3119a) (Kato et al., 2017) (Abbildung 4).

Abbildung 4 Zusammensetzung der Gallium-Isotope. Die Daten stammen von Kato und Majnier (2017a, 2017b), Kato et al. (2017), Render et al. (2023), Wimpenny et al. (2022)

Die Zusammensetzung der Gallium-Isotope wird derzeit hauptsächlich für die Quellenanweisung von Gallium verwendet, um den Prozess der Differenzierung der Schalenmantel und das paläotische Klima und die Evolution der Erdoberflächenventilierung zu erforschen. Radioisotope von Gallium, die hauptsächlich in der Medizin eingesetzt werden: wie 67Ga durch den Zerfallprozess freigegebene Gammastrahlen, werden für die Phasediagnose von Lymphomen verwendet; 66Ga und 68Ga können als Bestandteile von Folsäure-Rezeptor-Targetingsmitteln eingesetzt werden, die während ihres Zerfalls Positronen freisetzen und in Kombination mit Positronen-Emissions-Tomografie (PET) eine PET-Bildgebung für Krebserkennung und Krebszellmetastase ermöglichen (Hennrich und Benešová, 2020; Nelson et al.，2022）。

Ressourcenverteilung von 2 Gallium

2.1 Verteilung der Elemente

Obwohl Gallium ein dünnes Metall ist, ist seine Fülle nicht gering. In der Erdkruste ist Gallium in einem Fülle von 15 μg/g auf Platz 16 unter allen Elementen, das reichlicher ist als Blei, Silber, Antimon, Molybden und Palladium. Die Tendenz zur Anreicherung von Gallium in der Erdkruste ist kaum vorhanden; Auch im Mantel liegt der Überfluss an Gallium bei nur 4 μg/g.

Bei verschiedenen Arten von Meteoriten ist der Gehalt an Gallium mit seiner steinfilen Eigenschaft verbunden. Der durchschnittliche Gehalt an Gallium in den Chondriaten beträgt etwa 5 bis 10 μg/g (Kato et al., 2017). Der Galliumgehalt von Kohlenstoff-Meteoriten (CI: 10 μg/g, CV: 6 μg/g) ist deutlich höher als der von Eisenmeteoriten (1,7 bis 2,5 μg/g).
Die Veränderung des Galliumgehalts wird hauptsächlich durch seine physikalisch-chemischen Eigenschaften kontrolliert. Im Feuergestein ist der Gehalt an Gallium im neutralen sauren Gestein relativ hoch. In Ablagegesteinen ist der Galliumgehalt niedriger als Magmastein, Siliziumgehalt von Gallium (9 μg / g) erreicht nur die Hälfte des Galliumgehalts im Magmastein, der Galliumgehalt im Carbonatgestein beträgt nur 0,06 μg / g, und der Galliumgehalt im Ton ist relativ hoch, bis zu 22,4 μg / g.

In der Nahrungskette ist der Gehalt an Gallium nicht sehr hoch. Japanische Wissenschaftler fanden 1976 heraus, dass der Gehalt an Gallium in Meeresalgen 0,02 bis 0,64 μg / g beträgt, was im Durchschnitt 0,14 μg / g ist, während der Gehalt an Gallium im Wasser weniger als 1 μg / g ist und der Gehalt an Gallium in den Innenorganen und den Verdauungsorganen deutlich höher ist als in anderen Organen.

2.2 Vorräte
Die weltweiten Visionsreserven von Gallium liegen bei über einer Million Tonnen. Die US Geological Survey zählt derzeit nur etwa 279.000 Tonnen weltweit nachgewiesener Galliummetallreserven, von denen China 190.000 Tonnen Galliummetallreserven hat, die weltweit an erster Stelle stehen, die US-Reserven 0,45.000 Tonnen, Südamerika 114.000 Tonnen, Afrika 53.000 Tonnen und Europa 195.000 Tonnen (Zhou Ringji et al., 2008) (Abbildung 5). Gallium ist ein disperses Element, das in der Regel keine unabhängigen Ablagerungen bildet und hauptsächlich in begleitender Form in Aluminium, Blei-Zink und Kohle vorkommt (Abbildung 6). Nach unvollständigen Statistiken stammen mehr als 50% des weltweiten Galliums aus Aluminium, nicht mehr als 40% des Galliums aus Blei-Zink und weniger als 10% der übrigen Arten.

图5 全球镓金属储量分布情况

Abbildung 6 Verteilung der typischen galliumreichen Lagerstätten (Minengebiete) der Welt. 1—Zinkgruvan； 2—Lautenthal； 3—Freiberg； 4—Saint-Salvy； 5—PAZ； 6—Bragança；7—Aveiro； 8—Badovc； 9—Pcheloyad； 10—St Philippos； 11—Djebel Gustar； 12—Mutamba； 13—Kipushi； 14—Tsumeb； 15—Korudere； 16—Angouran； 17—Taebaeksan； 18—Soripesa； 19—Balcoom and Dry River Sout； 20—Mt Carlton； 21—Red dog； 22—Black Angel； 23—Timberville； 24—Central Kentucky； 25—Kentucky-Illinois； 26—Tennessee； 27—Round Top； 28—Cerro de Maimon； 29—María Teresa； 30—Hualgayoc； 31—Sayapullo； 32—Shalipayco； 33—Morococha； 34—Poopó；35—Huanuni； 36—Capillitas； 37—Ariege； 38—Southeast France； 39—Imotski； 40—Srnetica Mountain； 41—Lištica； 42—Nissi； 43—Khiona； 44—Tikhvin； 45—Puzla； 46—Timsher； 47—Ural； 48—Boé；49—Kimbo； 50—Bamiléké Plateau； 51—Maşatdaği；52—Çatmakaya； 53—Doğankuzu； 54—Jammu； 55—Jamnagar； 56—Shahdol； 57—Palamau； 58—Lohardaga； 59—Amarkantak； 60—Ringewadi； 61—Belgaum； 62—Bolaven Plateau； 63—Sematan； 64—Arunkun； 65—Weipa； 66—Darling Range； 67—Northland； 68—Pulaski； 69—Saint Elizabeth； 70—Saint Ann； 71—Manchester； 72—Pijiguaos； 73—Linden； 74—Pitinga； 75—Porto Trombetas； 76—Tucuruí；77—Paragominas； 78—Cataguases； 79—Swallow Wood； 80—South Midlands； 81—Schirnding； 82—Bełchatów；83—Turów；84—Egypt； 85—Tanzania； 86—Hwange； 87—South Africa； 88—South of Kuznetsk； 89—Pavlovsk； 90—Echvayam； 91—Jammu； 92—Morpa； 93—Springfield and Danville； 94—Fire Clay； 95—Santa Catarina。 Die wichtigsten galliumreichen Vorräte Chinas in Abbildung 7

China ist das reichste Land der Welt an Galliumressourcen mit einer Reserve von 28865,64 Tonnen, die das Ministerium für natürliche Ressourcen 2023 ermittelt. Im Inland ist es hauptsächlich in Guangxi (11974,80 Tonnen), Jiangxi (6808,71 Tonnen), Guizhou (5074,07 Tonnen), Shanxi (3050,07 Tonnen) und Xinjiang (1045,55 Tonnen) verteilt. Aus der Sicht der Art der Anreicherung sind die galliumreichen Baustein-Lagerstätten hauptsächlich in den Provinzen Guangxi, Henan, Guizhou und Shanxi (autonome Region) verteilt, wobei die vier Provinzen (autonome Region) gefunden haben, die 91,46% der nationalen Baustein-Ressourcen ausmachen; Galliumreiche Kohleberglager befinden sich hauptsächlich in Shanxi, der Inneren Mongolei, Xinjiang, Shaanxi, Guizhou und anderen Provinzen (autonome Region), sechs Provinzen (autonome Region) entdeckte Kohlebergwerke machen 80,4% der nationalen Kohlebergwerksressourcen aus, der Rest der Region sieht nur die sporadische Verteilung von Anomalien des Kohlensystems von Gallium; Zink-Ablagerungen von begleitendem Gallium sind hauptsächlich in den Provinzen Guizhou, Yunnan, Sichuan, Hunan, Guangdong und Jiangxi verteilt (Abbildung 7). Die chinesischen Galliumreserven sind reich, die Arten der Anreicherung sind vielfältig, und die effiziente und umfassende Nutzung kann die wirtschaftliche Entwicklung beschleunigen.

Abbildung 7 Verteilung typischer galliumreicher Lagerstätten in China. 1. Wiederherstellung; 2 - Monttaulege; 3 - kleine Rotsteine; 4. Der Berg der Goldenen Bohnen; 5 - Ablauf; 6 - Rotland-Laden; 7 - Waldbäume; 8 - Der Berg; 9 - Der Berg; 10 - Große Steintür; 11 - Silberner Berg; 12 - Der Wald; 13 - das Haus; 14 - Lange Steigung; 15. jeden Mund; 16 - Der große Berg; 17 - Teeloch; 18 - Alte Anlage; 19 - Entspannung; 20 - Fünffingerberge; 21 - Freude; 22 — Schweinebogen Teich; 23 - Der Rasen; 24 - Freude; 25 - Vermietung; 26 - Große Strahlen; 27 - Zasicon; 28 - Liu Jiazhuang; 29 - Weißes Haus; 30 — Sand-Pfirsichblüten; 31 - Der Berg des Lichts; 32 - Land; 33 - Lohn; 34 - Drei Tore; 35 — Yuzhou-Baofeng-Lushan; 36 — Seoul-Bronze-川; 37 - Neue Leute; 38. Richtige Richtung; 39 - Rotlichtdamm; 40 - die Ziegelbäume; 41 — Bitter Li Well - Fischlöcher; 42 - Großland; 43 - Kleiner Damm; 44 - Bearbeitung; 45 - Früchte; 46 - Neues Gebäude; 47 - Roter Scheck; 48 - Geburtsbrücke; 49 — Große Eisen-Winkel; 50 - der Scheiß; 51 - Pfeiler; 52 - im Osten; 53 - Toha; 54 - Der große Südsee; 55 - Seistenberg; 56 — Ulaanbaatar; 57 - Holz; 58 - Imina; 59 - Der große Blaue Berg; 60 — Quasi-Gerhard-Trenn; 61 — Quasi-Gerhalus; 62 - das Tal; 63 — Hanguzhuang - Schauspielbecken; 64 - die gleiche; 65 — Ningwu Pingshuo; 66 — Süden von Ningwu; 67 - der Fluss; 68 - Westliche Berge; 69 - die Sonnenbrunnen; 70 - Siewuburg; 71 - Wasser; 72 - die hohe Burg; 73 - Großstadt; 74 — Xingtai Ge Quan; 75 - die Festlegung; 76 - Der Berg ist aufgeregt; 77 - Bezirk Teng; 78 - die Rüste; 79 - Schleifbahn; 80 - Mittelberge; 81 - Goldener Sand; 82 - Der große Fluss; 83 - das Mondfeld; 84 - Wurzelfelder; 85 - Gut zu sein; 86 - Befriedigung

2.3 Hauptbegleitende Galliumslagertypen

Gallium ist ein disperses Element, das in der Regel keine unabhängigen Ablagerungen bildet und hauptsächlich in begleitender Form vorhanden ist. Aluminium und Blei-Zink-Polymetallsulfid-Ablagerungen sind die wichtigsten galliumreichen Ablagerungen; Kohle-Ablagerungen, Vanadium-Titan-Magnet-Ablagerungen und Kupferablagerungen im Gelbeisen-Typ sind ebenfalls wichtige Quellen für Gallium; Darüber hinaus sind auch geringe Mengen von Great Crystal-Ablagerungen, Ablagerungen von Eisen und Mint-Ablagerungen in unterschiedlichem Maße an Gallium angereichert (Wen et al., 2020). In China sind industriell bedeutende Gallium-Begleitvorräte hauptsächlich Aluminium, Blei-Zink und Kohle.

Aluminiumbaum

Aluminiumoxid ist eine rückständige Ablagerung, die sich in feuchten, warmen tropischen und subtropischen Gebieten durch die Entwindung von Rohsteinen bildet, ist eine der Hauptquellen von Gallium, dessen Galliumgehalt von 20 bis 80 μg / g ist, durchschnittlich etwa 59 μg / g (Qi et al., 2023), derzeit werden mehr als 90% des ursprünglichen Galliums im Produktionsprozess von Aluminiumoxid extrahiert. Ähnliche geochemische Eigenschaften von Aluminium und Gallium machen es leichter, Gallium in Aluminiumsilikat-Mineralien anzureichern, und die Migrationsfähigkeit von Aluminium und Gallium ist schwach, während der Luftung mit dem schnellen Verlust von alkalischen und alkalischen Erdelementen Gallium und Aluminium allmählich in Aluminium angereichert werden (Dittrich et al., 2011; Yuan et al., 2021). Über den Zustand von Gallium in Baustein gibt es mehr Forschung, aber es gibt immer noch viele Kontroversen. Die Struktur von Gallium-Ionen ähnelt der von Aluminium-Ionen, so dass Gallium-Elemente in Aluminium-Lithium hauptsächlich homogen Ersatz für Tonminerale und Aluminium in Aluminium-Mineralien (Triwasser-Aluminium, Monowasser-Aluminium, Baum), aber nicht ausschließen, dass es gallium-unabhängige Mineralien gibt (Qi et al., 2023).

Die Arten von Baustein sind hauptsächlich in Gesteinslösung (Karst) und Rot-Erde-Typ unterteilt. Gallium in der roten Erde-Aluminium-Bitrate ist in der Regel in Form von Adsorption vorhanden, der Gehalt liegt zwischen 40 und 80 μg / g; Gallium in felsenlöslichem Baustein ist hauptsächlich in Form von GaO (OH) in monowasserhartem Aluminium und Baum vorhanden, mit einem Gehalt zwischen 20 und 80 μg / g (Qi et al., 2023). Insgesamt unterscheiden sich jedoch die beiden Arten von Stein- und Erdbaum nicht deutlich über dem durchschnittlichen Galliumgehalt (Tabelle 2).

Tabelle 2 Die wichtigsten galliumreichen Aluminium-Bitumen der Welt

Gemäß den Statistiken des US Geological Survey für das Jahr 2024 liegen die weltweiten Erzstoffressourcen zwischen 55 Milliarden und 75 Milliarden Tonnen, der Gehalt an Gallium wird auf mehr als eine Million Tonnen geschätzt. Aluminium wird hauptsächlich in Afrika (32 %), Ozeanien (23 %), Südamerika und der Karibik (21 %), Asien (18 %) und anderen Regionen (6 %) verbreitet, die sich zwischen 30° nördlicher und 30° südlicher Breite befinden und hauptsächlich in Ländern wie Guinea, Australien, Brasilien und Indien im Äquator sind. Guinea hat mit 7,4 Milliarden Tonnen die weltweite Nummer 1-Reserven von Aluminium; Vietnam, Australien, Brasilien und Jamaika belegen mit 5,8, 3,5, 2,7 und 2 Milliarden Tonnen den vierten und fünften Platz. Chinas Baustein ist hauptsächlich von Steinlösungen, die Reserven sind nur 710 Millionen Tonnen, im Vergleich zu den großen Ländern der Baustein-Ressourcen ist die Reservenluft groß und die Art ist relativ einheitlich. Um Galliumressourcen zu speichern, hängt China hauptsächlich von den Importen von Baustein ab, um primäres Gallium zu produzieren, daher wird die chinesische Galliumproduktion von Angebots- und Nachfragepreisschwankungen für Baustein beeinflusst werden.

Blei-Zink-Ablagerungen

In Blitzzinkmeinen kann der Galliumgehalt 0,01% ~ 0,02% erreichen, so dass Blei-Zink-Ablagerungen eine beträchtliche Menge an Galliumressourcen enthalten. Aufgrund technischer Einschränkungen ist heute nur eine geringe Menge an Gallium in Blei-Zink-Minen recycelbar. ZnS und GaS sind der gleiche Kristalltyp, der Galliumgehalt kann eng mit der Temperatur in Beziehung stehen, der Galliumgehalt in der Tieftemperatur-Flash-Zinkmeine beträgt 100 ~ 1000 μg / g, der Galliumgehalt in der Hochtemperatur-Probe ist weniger als 10 μg / g. In Blei-Zink-Ablagerungen kann Gallium auch die Eisenelemente in Gelbeisen ersetzen und sich anreichern. Darüber hinaus ist die Recycling von Gallium aus Nebenprodukten von Zinksulfid-Erz eine der wichtigsten Quellen für industrielles Gallium.

Durch die Untersuchung von Flash-Zink-Minen in großen Blei-Zink-Ablagerungen wurde festgestellt, dass der Galliumgehalt von Flash-Zink-Minen in Blei-Zink-Minen des Typs Mississippi Valley (MVT) bis zu 42 μg / g beträgt; Volcanic-hosted massive sulfide (VHMS) Blei-Zink-Ablagerungen mit einem Gehalt an Glitzzink-Gallium von 19 μg/g; Die drei Arten von Blei-Zink-Minen (VEIN), Sediment-hosted massive sulfid (SHMS) und High-temperature hydrothermal replacement (HTHR) weisen einen relativ niedrigen Galliumgehalt von 14 μg/g, 11 μg/g und 3,1 μg/g auf (Tabelle 3). Obwohl Blei-Zink-Ablagerungen des Typs MVT und VHMS nur 13% bzw. 14% der weltweiten Gesamtreserven von Blei-Zink-Ablagerungen ausmachen, ist die Menge an Gallium in diesen beiden Ablagerungen aufgrund ihres hohen Galliumgehalts immer noch nicht zu unterschätzen (Frenzel et al., 2016; Wen et al., 2020).

Tabelle 3 Durchschnittlicher Galliumgehalt von Flash-Zinkmeinen in verschiedenen Arten von Blei-Zinkmeinen (nach Frenzel et al., 2016)

Die weltweiten Zinkreserven sind enorm, 190.000 Tonnen wurden bereits identifiziert, aber die Extraktion und Nutzung des darin enthaltenen Galliums ist langsam. Kanada, Japan, die Slowakei und die USA haben bereits Gallium aus Zinkabfällen recycelt, und jetzt hat China begonnen, Gallium aus Zink-Nebenprodukten zu recyceln.

Kohlenlager

Gallium wird auch häufig in Kohlebergwerken angereichert, mit einer Gesamtressourcenmenge von 10 Millionen Tonnen, aber aufgrund technischer Einschränkungen wird derzeit kein skalierter Bergbau durchgeführt. Gallium kann in Kohlebergen sowohl an organischer als auch an anorganischer Substanz angereichert werden. In der anorganischen Substanz ist Gallium hauptsächlich in Form von Homogenen in Mineralien wie Baumstein und Kallingstein vorhanden; In organischer Substanz wird Gallium durch Gelierung kontrolliert und ist hauptsächlich als Spiegelgruppenkomponente vorhanden. Qin et al. (2015) und Long et al. (2023) haben eine systematische Zusammenfassung des Zustands und der Gründe für die Anreicherung von Gallium in Kohlebergwerken (Tabelle 4), die in anorganischer Form mit höheren Gehalten an Gallium zugewiesen sind und hauptsächlich landbasiert sind; Gallium in organischer Substanz ist meist in Form von Verbindungen vorhanden; Die Quelle von Gallium in gemischter Kohle ist komplexer.

Tabelle 4 Hauptträger und Ursachen von Gallium in Kohle (nach Qin et al., 2015; Long et al.，2023）

Hinweis: "-" bedeutet keine Daten.

Das Gallium-Element in der Kohle wird hauptsächlich aus der durch den Verbrennungsprozess erzeugten Pulverasche gewonnen, aber aufgrund der Verschmutzung und des geringen Gehaltes der Kohlenverbrennung und der zu hohen Extraktionskosten ist nur China in der industriellen chemischen Extraktion von Gallium-Elementen in der Kohle (Seredin, 2012). Die synthetische Nutzung von Gallium in Kohle muss nur durch die Untersuchung der Art und Weise erreicht werden, wie es in Kohle zugeordnet wird.

3 Anwendung und Bedeutung von Gallium

Aufgrund der Anwesenheit von Oxidmembranen auf der Oberfläche wurde Gallium ursprünglich nicht systematisch angewandt. Mit der schnellen Entwicklung der modernen Wissenschaft und Technologie hat die Anwendung von Gallium im Bereich der High-Tech es allmählich zu einem wichtigen Material gemacht, dessen Angebot und Nachfrage zunehmend schwierig werden. Heute wird Gallium hauptsächlich in Halbleitermaterialien, Katalysatoren, Kernreaktoren (Wärmeträger), Medizin und Hochtemperaturthermometern eingesetzt (Tabelle 5).

Tabelle 5 Hauptanwendungsbereiche von Gallium

3.1 Halbleiterbereich

Gallium selbst ist kein Halbleiter, aber es kann galliumbasierte Verbindungen mit Arsen, Stickstoff, Selen, Radium, Phosphor und Antimon bilden. Diese Verbindungen sind qualitativ hochwertige Halbleitermaterialien, die zur Herstellung von integrierten Schaltkreisen, Detektoren, optoelektrischen Materialien und großen elektronischen Geräten verwendet werden können. Der Galliumverbrauch im Bereich der Halbleiter macht mehr als 80% des Gesamtvolumens aus, dank seiner hohen Elektronenmigration, seiner Widerstandsfähigkeit gegen Tieftemperaturen und seiner hohen Ausgangsleistung.

Die Geschichte der Entwicklung von Halbleitern wurde auch mit der Ankunft von Gallium aktualisiert. Galliarsenid (GaAs) ist ein zweiter Generation Halbleitermaterial mit den Vorteilen der hohen Frequenz, der hohen Effizienz und der Beständigkeit gegen extreme Temperaturen und wird weit verbreitet in Bereichen wie Halbleiter-Leuchtdioden, Lasersender für sichtbares Licht und Nahinfrarot sowie Solarzellen. Galliumnitrid (GaN) ist ein Halbleitermaterial der dritten Generation, dessen Stabilität, hohe Härte und hoher Schmelzpunkt eines der weltweit hochwertigen Halbleitermaterialien sind und häufig in Radar- und Elektronikkämpfen verwendet werden. Galliumoxid (Ga2O3) ist die vierte Generation von Halbleitermaterialien, die eine breitere Bandwidte und Leuchtkraft haben, wird weit verbreitet in der Herstellung von Geräten wie Dünnfilmverlängerung, hohe Helligkeit UV-LEDs und anderen, ist der internationale Forschungsheitspunkt im Bereich der ultrabreiten Bandwidte Halbleiter.

3.2 Der Bereich der Photovoltaik

Kupfer-Indium-Gallium-Selen-Cu (In, Ga) Se2 (CIGS) -Legierung wird für dünnfilmige Solarzellen verwendet, die effizient und stabil sind und etwa 30% Ga enthalten. Das Hauptprinzip besteht darin, dass In in der Kupfer-Indium-Gallium-Selen-Legierung (CIGS) durch Ga ersetzt wird, wodurch die Bandbreite des Verbands angepasst wird und die Effizienz der photoelektrischen Umwandlung bei Raumtemperatur bis zu 27,48% erhöht wird (Bouabdelli et al., 2020). Kupfer-Indium-Gallium-Selen-Dünnfilm-Solarzellen im Bereich der Photovoltaik-Stromerzeugung deutlich besser als Silizium-basierte, nicht-kristalline Silizium als Hauptmaterial der Solarzellen, und in den letzten Jahren technologische Entwicklung, Kostensenkung, die Nachfrage nach Gallium in der Branche wird auch steigen, das Entwicklungspotenzial ist groß.

3.3 Medizinischer Bereich

Gallium ist das zweite Element nach Platin, das wirksam gegen Krebs wirkt. Bei der Diagnose und Behandlung von bösartigen Tumoren hat 68Ga-FAPI-PET mit radioaktivem 68Ga im Kern eine sehr hohe Fähigkeit, Tumoren bei der Bildgebung von primären und metastatischen Läsionen bei Patienten verschiedener Typen von Tumoren zu bilden und primäre Tumoren und metastatische Läsionen gut zu zeigen (Hennrich und Benešová, 2020). Seine diagnostische Wirkung ist besser als 18F-FDG PET, insbesondere bei Lebermetastasen, Peritoneenkrebs und Hirntumoren, bessere Diagnose und bessere Erkennungsrate. Giesel et al. (2019) verglichen die Abbildung von sechs verschiedenen Tumoren über einen Zeitraum von neun Tagen und zeigten, dass 68Ga-FAPI, die selektiv auf FAP-positives Gewebe ausgerichtet ist, eine bessere Abbildung hat und eine höhere Nachweisrate hat als 8F-FDG, das auf den Wirkungsmechanismus der Glukose basiert (Abbildung 8).

Abbildung 8 Bildvergleich von sechs verschiedenen Tumoren mit 18F-FDG PET und 68Ga FAPI PET (Giesel et al., 2019)

Galliumsalze wie Galliumnitrat und Galliumchlorid haben gute Anwendungsaussichten für die Behandlung von Krankheiten. Es gibt Studien, die zeigen, dass Galliumnitrat [Ga (NO3) 3] zur Behandlung von Krankheiten wie klinisch tumorbedingter Hyperkalzie und Osteoarthrose verwendet werden kann, mit ausgezeichneter therapeutischer Wirkung; Darüber hinaus kann Gallium die Absorption von Eisen durch Krebszellen verringern und somit Krebszellen töten.

3.4 Andere Bereiche

Gallium Schmelzpunkt niedrig, nicht giftig ist nicht leicht flüchtig, Gallium-Indium, Gallium-Zinn flüssige Metalle können Quecksilber ersetzen, um sichere, nicht giftige Körperthermometer zu machen; Die ausgezeichnete Leitfähigkeit und Stabilität des flüssigen Metalls Gallium Indium macht es zu einer Materialsicherheit für die Therapie und Forschung des Nervensystems; Gleichzeitig ermöglicht der niedrige Schmelzpunkt, dass Galliumlegierungen für automatische Feuerlöschengeräte verwendet werden können. Darüber hinaus hat Gallium eine starke Absorptionsfähigkeit von Neutronen, was es auch als Wärmeträger in Kernreaktoren ermöglicht. Gallium kann sich an der Grenze des Aluminiums ansammeln, was zu einer erheblichen Verschlechterung der Aluminiumaktivität führt. Diese Gallium-Aluminium-Legierung ist für den Vorbereitungsprozess und den Lagertransport von Wasserstoffenergie geeignet, um die Sicherheit, die Umweltschutz und die Wirtschaftlichkeit zu verbessern.

4 Gallium Angebot und Nachfrage

In Bezug auf die Positionierung von Gallium haben die USA, Japan und die EU es bereits lange als Schlüsselmetall eingestuft und entsprechende Maßnahmen in Bezug auf ihre Import- und Exportprobleme ergriffen. Ebenso im Jahr 2011 veröffentlichten das Büro des Finanzministeriums und das ehemalige Büro des Ministeriums für Inlandsressourcen gemeinsam die "Mitteilung zur Erklärung von Leitlinien für die Einsparung und die umfassende Nutzung von Mineralressourcen für 2011", in der klargestellt wurde, dass sich die Belohnungsfonds "durch einen Preis ersetzt" auf die Unterstützung von Öl und Gas, Nichtmetallen und anderen Mineralien konzentrieren. Ab 2019 beginnt China, höhere Zölle auf den Export von Gallium zu erheben. Das chinesische Handelsministerium und die Generalzollamt haben am 3. Juli 2023 die Ausfuhrkontrolle für gallium- und germaniumsbezogene Gegenstände veröffentlicht.