6N ülikõrge puhtusastmega väävli destilleerimis- ja puhastusprotsess koos üksikasjalike parameetritega

6N (≥99,9999% puhtusastmega) ülikõrge puhtusastmega väävli tootmine nõuab mitmeastmelist destilleerimist, sügavat adsorptsiooni ja ülipuhast filtreerimist, et eemaldada metallijälgi, orgaanilisi lisandeid ja tahkeid osakesi. Allpool on esitatud tööstusliku ulatusega protsess, mis ühendab vaakumdestillatsiooni, mikrolaineahjuga puhastamise ja täppis-järeltöötlustehnoloogiad.

I. Tooraine eeltöötlus ja lisandite eemaldamine

1. Tooraine valik ja eeltöötlus

• ‌Nõuded‌: Esialgne väävli puhtus ≥99,9% (3N klass), metallide lisandite kogusisaldus ≤500 ppm, orgaanilise süsiniku sisaldus ≤0,1%.
• ‌Mikrolaineahjuga sulatamine‌:
  Toorväävlit töödeldakse mikrolainereaktoris (sagedus 2,45 GHz, võimsus 10–15 kW) temperatuuril 140–150 °C. Mikrolaineahju poolt indutseeritud dipoolpöörlemine tagab kiire sulamise, lagundades samal ajal orgaanilisi lisandeid (nt tõrvaühendeid). Sulamisaeg: 30–45 minutit; mikrolaineahju läbitungimissügavus: 10–15 cm
• ‌Deioniseeritud vee pesemine‌:
  Sula väävel segatakse deioniseeritud veega (takistus ≥18 MΩ·cm) massisuhtes 1:0,3 segamisreaktoris (120 °C, rõhk 2 baari) 1 tund, et eemaldada vees lahustuvad soolad (nt ammooniumsulfaat, naatriumkloriid). Vesifaas dekanteeritakse ja kasutatakse uuesti 2–3 tsüklit, kuni juhtivus on ≤5 μS/cm.

2. Mitmeastmeline adsorptsioon ja filtreerimine

• ‌Kobediatomiit/aktiivsöe adsorptsioon‌:
  Sula väävlile lisatakse lämmastikukaitse all (130 °C, 2-tunnine segamine) diatomiitmulda (0,5–1%) ja aktiivsütt (0,2–0,5%), et adsorbeerida metallikomplekse ja jääkorgaanilisi aineid.
• ‌Ülitäpne filtreerimine‌:
  Kaheastmeline filtreerimine titaanist paagutatud filtrite abil (pooride suurus 0,1 μm) süsteemirõhul ≤0,5 MPa. Filtreerimisjärgne tahkete osakeste arv: ≤10 osakest/l (suurus >0,5 μm).

II. Mitmeastmeline vaakumdestillatsiooniprotsess

1. Esmane destilleerimine (metallist lisandite eemaldamine)

• ‌Varustus‌: Kõrge puhtusastmega kvartsist destillatsioonikolonn 316L roostevabast terasest struktureeritud täidisega (≥15 teoreetilist taldrikut), vaakum ≤1 kPa.
• ‌Tööparameetrid‌:
• ‌Sööda temperatuur‌: 250–280 °C (väävel keeb toatemperatuuril temperatuuril 444,6 °C; vaakumis langeb keemistemperatuur 260–300 °C-ni).
• ‌Refluksi suhe‌: 5:1–8:1; kolonni ülaosa temperatuuri kõikumine ≤±0,5 °C.
• ‌ToodeKondenseeritud väävli puhtus ≥99,99% (4N klass), metallide lisandite (Fe, Cu, Ni) kogusisaldus ≤1 ppm.

2. Teisene molekulaarne destilleerimine (orgaaniliste lisandite eemaldamine)

• ‌VarustusLühikese teekonnaga molekulaardestilleerija 10–20 mm aurustumis-kondensatsioonivahega, aurustumistemperatuur 300–320 °C, vaakum ≤0,1 Pa.
• ‌Lisandite eraldamine‌:
  Madala keemistemperatuuriga orgaanilised ühendid (nt tioeetrid, tiofeen) aurustatakse ja evakueeritakse, samas kui kõrge keemistemperatuuriga lisandid (nt polüaromaatsed ühendid) jäävad jääkidesse molekulaarse vaba tee erinevuste tõttu.
• ‌ToodeVäävli puhtus ≥99,999% (5N klass), orgaaniline süsinik ≤0,001%, jääkide määr <0,3%.

3. Kolmanda taseme rafineerimine (6N puhtuse saavutamine)

• ‌VarustusHorisontaaljahuti mitmetsoonilise temperatuuri reguleerimisega (±0,1 °C), tsooni liikumiskiirus 1–3 mm/h.
• ‌Segregatsioon‌:
  Kasutades eralduskoefitsiente (K=Ctahke/CvedelK=Ctahke/Cvedelik), 20–30 tsoonis läbib valuploki otsas kontsentreeritud metalle (As, Sb). Viimased 10–15% väävlivaluplokist visatakse ära.

III. Järeltöötlus ja ülipuhas vormimine

1. Ülipuhas lahustiekstraktsioon

• ‌Eetri/süsiniktetrakloriidi ekstraheerimine‌:
  Väävlit segatakse ultraheli abil (40 kHz, 40 °C) 30 minuti jooksul kromatograafilise puhtusastmega eetriga (mahusuhe 1:0,5), et eemaldada polaarsete orgaaniliste ainete jäljed.
• ‌Lahusti taaskasutus‌:
  Molekulaarsõelte adsorptsioon ja vaakumdestillatsioon vähendavad lahusti jääke ≤0,1 ppm-ni.

2. Ultrafiltratsioon ja ioonvahetus

• ‌PTFE membraaniga ultrafiltratsioon‌:
  Sula väävel filtreeritakse läbi 0,02 μm PTFE membraanide temperatuuril 160–180 °C ja rõhul ≤0,2 MPa.
• ‌Ioonvahetusvaigud‌:
  Kelaativad vaigud (nt Amberlite IRC-748) eemaldavad ppb-tasemel metalliioone (Cu²⁺, Fe³⁺) voolukiirusel 1–2 BV/h.

3. Ülimalt puhta keskkonna loomine

• ‌Inertgaasi pihustamine‌:
  10. klassi puhasruumis pihustatakse sula väävel lämmastikuga (rõhk 0,8–1,2 MPa) 0,5–1 mm suurusteks sfäärilisteks graanuliteks (niiskus <0,001%).
• ‌Vaakumpakend‌:
  Lõpptoode vaakumtihendatakse alumiiniumkomposiitkilesse ülipuhta argooni keskkonnas (puhtus ≥99,9999%), et vältida oksüdeerumist.

IV. Peamised protsessiparameetrid

V. Kvaliteedikontroll ja testimine

1. ‌Lisandite jälgede analüüs‌:

• ‌GD-MS (hõõglahendusmassispektromeetria)Tuvastab metalle ≤0,01 ppb kontsentratsioonil.
• ‌TOC analüsaatorMõõdab orgaanilise süsiniku sisaldust ≤0,001 ppm.

1. ‌Osakeste suuruse kontroll‌:
   Laserdifraktsioon (Mastersizer 3000) tagab D50 hälbe ≤±0,05 mm.
2. ‌Pinna puhtus‌:
   XPS (röntgenfotoelektronspektroskoopia) kinnitab pinnaoksiidi paksust ≤1 nm.

VI. Ohutus ja keskkonnadisain

1. ‌Plahvatuste ennetamine‌:
   Infrapuna leegidetektorid ja lämmastiku üleujutussüsteemid hoiavad hapnikutaset <3%
2. ‌Heitkoguste kontroll‌:

• ‌Happelised gaasidKaheastmeline NaOH puhastamine (20% + 10%) eemaldab ≥99,9% H₂S/SO₂.
• ‌LOÜ-dTseoliitrootor + RTO (850 °C) vähendab metaanist erinevate süsivesinike sisaldust ≤10 mg/m³-ni.

1. ‌Jäätmete ringlussevõtt‌:
   Kõrgtemperatuuril (1200 °C) redutseerimisel saadakse metallid tagasi; jäägi väävlisisaldus <0,1%.

VII. Tehnoökonoomilised näitajad

• ‌Energiatarve800–1200 kWh elektrit ja 2–3 tonni auru tonni 6N väävli kohta.
• ‌SaagikusVäävli taaskasutus ≥85%, jääkide määr <1,5%.
• ‌MaksumusTootmiskulud ~120 000–180 000 CNY/tonn; turuhind 250 000–350 000 CNY/tonn (pooljuhtide klass).

See protsess toodab 6N väävlit pooljuhtide fotoresistide, III-V ühendite substraatide ja muude täiustatud rakenduste jaoks. Reaalajas jälgimine (nt LIBS-i elementanalüüs) ja ISO 1. klassi puhasruumi kalibreerimine tagavad järjepideva kvaliteedi.

Joonealused märkused

1. Viide 2: Tööstusliku väävli puhastamise standardid
2. Viide 3: Täiustatud filtreerimistehnikad keemiatehnikas
3. Viide 6: Kõrge puhtusastmega materjalide töötlemise käsiraamat
4. Viide 8: Pooljuhtide klassi kemikaalide tootmisprotokollid
5. Viide 5: Vaakumdestillatsiooni optimeerimine