Производството на 6N (чистотија ≥99,9999%) ултра-високо чист сулфур бара повеќестепена дестилација, длабока адсорпција и ултра-чиста филтрација за да се елиминираат траги од метали, органски нечистотии и честички. Подолу е прикажан процес на индустриско ниво кој интегрира технологии за вакуумска дестилација, прочистување со помош на микробранови и прецизна пост-третманска обработка.
I. Предтретман на суровини и отстранување на нечистотии
1. Избор на суровини и претходна обработка
- Барања: Почетна чистота на сулфур ≥99,9% (3N степен), вкупни метални нечистотии ≤500 ppm, содржина на органски јаглерод ≤0,1%.
- Топење со помош на микробранова печка:
Суровиот сулфур се преработува во микробранов реактор (фреквенција од 2,45 GHz, моќност од 10–15 kW) на 140–150°C. Ротацијата на дипол предизвикана од микробранови обезбедува брзо топење, а воедно ги разградува органските нечистотии (на пр., катрански соединенија). Време на топење: 30–45 минути; длабочина на пенетрација на микробранови: 10–15 cm - Перење со дејонизирана вода:
Растопениот сулфур се меша со дејонизирана вода (отпорност ≥18 MΩ·cm) во масен сооднос 1:0,3 во мешан реактор (120°C, притисок од 2 бари) во тек на 1 час за да се отстранат солите растворливи во вода (на пр., амониум сулфат, натриум хлорид). Водената фаза се декантира и повторно се користи 2-3 циклуси додека спроводливоста не достигне ≤5 μS/cm.
2. Повеќестепена адсорпција и филтрација
- Адсорпција на дијатомејска земја/активиран јаглерод:
Дијатомејска земја (0,5–1%) и активен јаглен (0,2–0,5%) се додаваат во стопениот сулфур под заштита од азот (130°C, 2 часа мешање) за да се адсорбираат метални комплекси и преостанати органски материи. - Ултра-прецизна филтрација:
Двостепена филтрација со употреба на титаниумски синтерувани филтри (големина на порите од 0,1 μm) при системски притисок од ≤0,5 MPa. Број на честички по филтрацијата: ≤10 честички/L (големина >0,5 μm).
II. Процес на повеќестепена вакуумска дестилација
1. Примарна дестилација (отстранување на метални нечистотии)
- Опрема: Дестилациска колона од кварц со висока чистота со структурирано пакување од не'рѓосувачки челик 316L (≥15 теоретски плочи), вакуум ≤1 kPa.
- Оперативни параметри:
- Температура на хранење: 250–280°C (сулфурот врие на 444,6°C под амбиентален притисок; вакуумот ја намалува точката на вриење на 260–300°C).
- Рефлуксен сооднос: 5:1–8:1; флуктуација на температурата на врвот на колоната ≤ ± 0,5°C.
- Производ: Чистота на кондензиран сулфур ≥99,99% (4N степен), вкупни метални нечистотии (Fe, Cu, Ni) ≤1 ppm.
2. Секундарна молекуларна дестилација (отстранување на органски нечистотии)
- Опрема: Молекуларен дестилатор со краток пат со јаз помеѓу испарувањето и кондензацијата од 10–20 mm, температура на испарување 300–320°C, вакуум ≤0,1 Pa.
- Разделување на нечистотии:
Органските материи со ниска точка на вриење (на пр., тиоетери, тиофен) се испаруваат и евакуираат, додека нечистотиите со висока точка на вриење (на пр., полиароматични материи) остануваат во остатоците поради разликите во слободниот молекуларен пат. - Производ: Чистота на сулфур ≥99,999% (5N степен), органски јаглерод ≤0,001%, стапка на остатоци <0,3%.
3. Терцијарна зонална рафинирање (постигнување чистота од 6N)
- Опрема: Хоризонтална зонална рафинерија со повеќезонска контрола на температурата (±0,1°C), брзина на движење на зоната 1–3 mm/h.
- Сегрегација:
Користење на коефициенти на сегрегација (K=Cцврста/CтечнаK=CцврстаCтечност), зоната 20–30 минува низ концентрирани метали (As, Sb) на крајот од инготата. Последните 10–15% од сулфурната ингота се отфрлаат.
III. Пост-третман и ултра-чисто формирање
1. Екстракција со ултра чист растворувач
- Екстракција со етер/јаглерод тетрахлорид:
Сулфурот се меша со етер со хроматографски квалитет (сооднос волумен 1:0,5) под ултразвучна помош (40 kHz, 40°C) 30 минути за да се отстранат трагите од поларни органски материи. - Обновување со растворувач:
Адсорпцијата со молекуларно сито и вакуумската дестилација ги намалуваат остатоците од растворувачот на ≤0,1 ppm.
2. Ултрафилтрација и јонска размена
- PTFE мембранска ултрафилтрација:
Растопениот сулфур се филтрира низ 0,02 μm PTFE мембрани на 160–180°C и притисок ≤0,2 MPa. - Јонски разменувачки смоли:
Хелатните смоли (на пр., Amberlite IRC-748) ги отстрануваат металните јони на ниво на ppb (Cu²⁺, Fe³⁺) со брзина на проток од 1–2 BV/h.
3. Формирање на ултра чиста средина
- Атомизација на инертен гас:
Во чиста просторија од класа 10, стопениот сулфур се атомизира со азот (притисок од 0,8–1,2 MPa) во сферични гранули од 0,5–1 mm (влажност <0,001%). - Вакуумско пакување:
Финалниот производ е вакуумски запечатен во алуминиумска композитна фолија под ултрачист аргон (чистота ≥99,9999%) за да се спречи оксидација.
IV. Клучни параметри на процесот
| Фаза на процесот | Температура (°C) | Притисок | Време/Брзина | Основна опрема |
| Топење во микробранова печка | 140–150 | Амбиент | 30–45 мин | Микробрански реактор |
| Перење со дејонизирана вода | 120 | 2 бари | 1 час/циклус | Мешан реактор |
| Молекуларна дестилација | 300–320 | ≤0,1 Па | Континуирано | Молекуларен дестилер со краток пат |
| Зонско рафинирање | 115–120 | Амбиент | 1–3 mm/ч | Хоризонтална зона рафинирање |
| PTFE ултрафилтрација | 160–180 | ≤0,2 MPa | Проток од 1–2 м³/ч | Филтер за висока температура |
| Атомизација на азот | 160–180 | 0,8–1,2 МПа | Гранули од 0,5–1 мм | Кула за атомизација |
V. Контрола на квалитет и тестирање
- Анализа на траги од нечистотии:
- GD-MS (Масена спектрометрија со сјајно празнење): Детектира метали при ≤0,01 ppb.
- TOC анализатор: Мери органски јаглерод ≤0,001 ppm.
- Контрола на големината на честичките:
Ласерската дифракција (Mastersizer 3000) обезбедува отстапување од D50 ≤ ± 0,05 mm. - Чистота на површината:
XPS (X-зрачна фотоелектронска спектроскопија) потврдува дебелина на површинскиот оксид ≤1 nm.
VI. Безбедносен и еколошки дизајн
- Превенција од експлозии:
Инфрацрвените детектори за пламен и системите за поплавување со азот одржуваат нивоа на кислород <3% - Контрола на емисиите:
- Кисели гасови: Двостепеното чистење со NaOH (20% + 10%) отстранува ≥99,9% H₂S/SO₂.
- ИОС: Роторот на зеолит + RTO (850°C) ги намалува неметанските јаглеводороди на ≤10 mg/m³.
- Рециклирање на отпад:
Редукцијата со висока температура (1200°C) ги обновува металите; содржината на сулфур во резидуалот е <0,1%.
VII. Техно-економски метрики
- Потрошувачка на енергија: 800–1200 kWh електрична енергија и 2–3 тони пареа на тон 6N сулфур.
- Принос: Обновување на сулфур ≥85%, стапка на остатоци <1,5%.
- Цена: Трошоци за производство ~120.000–180.000 CNY/тон; пазарна цена 250.000–350.000 CNY/тон (полупроводнички квалитет).
Овој процес произведува 6N сулфур за полупроводнички фоторезисти, супстрати од III-V соединенија и други напредни апликации. Мониторингот во реално време (на пр., LIBS елементарна анализа) и калибрацијата на чисти простории ISO Класа 1 обезбедуваат конзистентен квалитет.
Фусноти
- Референца 2: Стандарди за прочистување на индустриски сулфур
- Референца 3: Напредни техники на филтрација во хемиското инженерство
- Референца 6: Прирачник за обработка на материјали со висока чистота
- Референца 8: Протоколи за хемиско производство од полупроводнички квалитет
- Референца 5: Оптимизација на вакуумска дестилација
Време на објавување: 02.04.2025