Penghasilan sulfur ketulenan ultra tinggi 6N (≥99.9999%) memerlukan penyulingan berbilang peringkat, penjerapan mendalam dan penapisan ultra bersih untuk menghapuskan logam surih, bendasing organik dan zarahan. Berikut ialah proses berskala perindustrian yang menggabungkan penyulingan vakum, penulenan berbantukan gelombang mikro dan teknologi rawatan pasca ketepatan.
I. Prarawatan Bahan Mentah dan Penyingkiran Kekotoran
1. Pemilihan Bahan Mentah dan Prarawatan
- Keperluan: Ketulenan sulfur awal ≥99.9% (gred 3N), jumlah bendasing logam ≤500 ppm, kandungan karbon organik ≤0.1%.
- Peleburan Berbantukan Ketuhar Gelombang Mikro:
Sulfur mentah diproses dalam reaktor gelombang mikro (frekuensi 2.45 GHz, kuasa 10–15 kW) pada suhu 140–150°C. Putaran dipol yang disebabkan oleh gelombang mikro memastikan pencairan yang cepat sambil menguraikan bendasing organik (contohnya, sebatian tar). Masa pencairan: 30–45 minit; kedalaman penembusan gelombang mikro: 10–15 cm - Pencucian Air Ternyahion:
Sulfur cair dicampurkan dengan air ternyahion (rintangan ≥18 MΩ·cm) pada nisbah jisim 1:0.3 dalam reaktor yang dikacau (120°C, tekanan 2 bar) selama 1 jam untuk menyingkirkan garam larut air (contohnya, ammonium sulfat, natrium klorida). Fasa akueus dinyahkan dan digunakan semula selama 2–3 kitaran sehingga kekonduksian ≤5 μS/cm.
2. Penjerapan dan Penapisan Berbilang Peringkat
- Penjerapan Karbon Diatom/Bumi Diatom:
Tanah diatom (0.5–1%) dan karbon teraktif (0.2–0.5%) ditambah kepada sulfur cair di bawah perlindungan nitrogen (130°C, pengacauan 2 jam) untuk menyerap kompleks logam dan sisa organik. - Penapisan Ultra-Ketepatan:
Penapisan dua peringkat menggunakan penapis sinter titanium (saiz liang 0.1 μm) pada tekanan sistem ≤0.5 MPa. Kiraan zarah pasca penapisan: ≤10 zarah/L (saiz >0.5 μm).
II. Proses Penyulingan Vakum Berbilang Peringkat
1. Penyulingan Primer (Penyingkiran Kekotoran Logam)
- Peralatan: Lajur penyulingan kuarza ketulenan tinggi dengan pembungkusan berstruktur keluli tahan karat 316L (≥15 plat teori), vakum ≤1 kPa.
- Parameter Operasi:
- Suhu Suapan: 250–280°C (sulfur mendidih pada 444.6°C di bawah tekanan ambien; vakum mengurangkan takat didih kepada 260–300°C).
- Nisbah Refluks: 5:1–8:1; turun naik suhu atas lajur ≤±0.5°C.
- Produk: Ketulenan sulfur terkondensasi ≥99.99% (gred 4N), jumlah bendasing logam (Fe, Cu, Ni) ≤1 ppm.
2. Penyulingan Molekul Sekunder (Penyingkiran Bendasing Organik)
- Peralatan: Penyuling molekul laluan pendek dengan jurang penyejatan-kondensasi 10–20 mm, suhu penyejatan 300–320°C, vakum ≤0.1 Pa.
- Pemisahan Kekotoran:
Bahan organik mendidih rendah (contohnya, tioeter, tiofena) diuapkan dan dikosongkan, manakala bendasing mendidih tinggi (contohnya, poliaromatik) kekal dalam sisa disebabkan oleh perbezaan dalam laluan bebas molekul. - Produk: Ketulenan sulfur ≥99.999% (gred 5N), karbon organik ≤0.001%, kadar sisa <0.3%.
3. Penapisan Zon Tersier (Mencapai Ketulenan 6N)
- Peralatan: Penapis zon mendatar dengan kawalan suhu berbilang zon (±0.1°C), kelajuan perjalanan zon 1–3 mm/j.
- Pengasingan:
Menggunakan pekali pengasingan (K=Cpepejal/CcecairK=Cpepejal/Ccecair), zon 20–30 melepasi logam pekat (As, Sb) di hujung jongkong. 10–15% terakhir jongkong sulfur dibuang.
III. Rawatan Selepas dan Pembentukan Ultra-Bersih
1. Pengekstrakan Pelarut Ultra Tulen
- Pengekstrakan Eter/Karbon Tetraklorida:
Sulfur dicampurkan dengan eter gred kromatografi (nisbah isipadu 1:0.5) di bawah bantuan ultrasonik (40 kHz, 40°C) selama 30 minit untuk menyingkirkan surih organik polar. - Pemulihan Pelarut:
Penjerapan penapis molekul dan penyulingan vakum mengurangkan sisa pelarut kepada ≤0.1 ppm.
2. Ultrafiltrasi dan Pertukaran Ion
- Ultrapenapisan Membran PTFE:
Sulfur cair ditapis melalui membran PTFE 0.02 μm pada suhu 160–180°C dan tekanan ≤0.2 MPa. - Resin Penukar Ion:
Resin pengkelat (contohnya, Amberlite IRC-748) menyingkirkan ion logam aras ppb (Cu²⁺, Fe³⁺) pada kadar aliran 1–2 BV/j.
3. Pembentukan Persekitaran Ultra-Bersih
- Atomisasi Gas Inert:
Dalam bilik bersih Kelas 10, sulfur cair diatomkan dengan nitrogen (tekanan 0.8–1.2 MPa) menjadi granul sfera 0.5–1 mm (kelembapan <0.001%). - Pembungkusan Vakum:
Produk akhir dimeterai vakum dalam filem komposit aluminium di bawah argon ultra tulen (≥99.9999% ketulenan) untuk mencegah pengoksidaan.
IV. Parameter Proses Utama
| Peringkat Proses | Suhu (°C) | Tekanan | Masa/Kelajuan | Peralatan Teras |
| Pencairan Ketuhar Gelombang Mikro | 140–150 | Ambien | 30–45 minit | Reaktor Ketuhar Gelombang Mikro |
| Pencucian Air Ternyahion | 120 | 2 bar | 1 jam/kitaran | Reaktor Terkacau |
| Penyulingan Molekul | 300–320 | ≤0.1 Pa | Berterusan | Penyuling Molekul Laluan Pendek |
| Penapisan Zon | 115–120 | Ambien | 1–3 mm/j | Penapis Zon Mendatar |
| Penapisan Ultra PTFE | 160–180 | ≤0.2 MPa | Aliran 1–2 m³/j | Penapis Suhu Tinggi |
| Pengatoman Nitrogen | 160–180 | 0.8–1.2 MPa | Granul 0.5–1 mm | Menara Pengatomisasi |
V. Kawalan dan Pengujian Kualiti
- Analisis Kekotoran Jejak:
- GD-MS (Spektrometri Jisim Pelepasan Cahaya): Mengesan logam pada ≤0.01 ppb.
- Penganalisis TOC: Mengukur karbon organik ≤0.001 ppm.
- Kawalan Saiz Zarah:
Pembelauan laser (Mastersizer 3000) memastikan sisihan D50 ≤±0.05 mm. - Kebersihan Permukaan:
XPS (Spektroskopi Fotoelektron Sinar-X) mengesahkan ketebalan oksida permukaan ≤1 nm.
VI. Reka Bentuk Keselamatan dan Alam Sekitar
- Pencegahan Letupan:
Pengesan nyalaan inframerah dan sistem banjir nitrogen mengekalkan tahap oksigen <3% - Kawalan Pelepasan:
- Gas Asid: Penggosokan NaOH dua peringkat (20% + 10%) menyingkirkan ≥99.9% H₂S/SO₂.
- VOC: Pemutar zeolit + RTO (850°C) mengurangkan hidrokarbon bukan metana kepada ≤10 mg/m³.
- Kitar Semula Sisa:
Pengurangan suhu tinggi (1200°C) memulihkan logam; kandungan sulfur sisa <0.1%.
VII. Metrik Tekno-Ekonomi
- Penggunaan Tenaga: elektrik 800–1200 kWh dan 2–3 tan stim setiap tan 6N sulfur.
- Hasil: Pemulihan sulfur ≥85%, kadar residu <1.5%.
- Kos: Kos pengeluaran ~120,000–180,000 CNY/tan; harga pasaran 250,000–350,000 CNY/tan (gred semikonduktor).
Proses ini menghasilkan sulfur 6N untuk fotoresis semikonduktor, substrat sebatian III-V dan aplikasi lanjutan lain. Pemantauan masa nyata (contohnya, analisis unsur LIBS) dan penentukuran bilik bersih ISO Kelas 1 memastikan kualiti yang konsisten.
Nota kaki
- Rujukan 2: Piawaian Penulenan Sulfur Perindustrian
- Rujukan 3: Teknik Penapisan Lanjutan dalam Kejuruteraan Kimia
- Rujukan 6: Buku Panduan Pemprosesan Bahan Ketulenan Tinggi
- Rujukan 8: Protokol Pengeluaran Kimia Gred Semikonduktor
- Rujukan 5: Pengoptimuman Penyulingan Vakum
Masa siaran: 02-Apr-2025