6N postopek destilacije in čiščenja žvepla ultra visoke čistosti s podrobnimi parametri

Proizvodnja žvepla ultra visoke čistosti 6N (≥99,9999 % čistosti) zahteva večstopenjsko destilacijo, globoko adsorpcijo in ultra čisto filtracijo za odstranitev sledov kovin, organskih nečistoč in delcev. Spodaj je prikazan industrijski postopek, ki združuje vakuumsko destilacijo, čiščenje s pomočjo mikrovalov in tehnologije natančne naknadne obdelave.

I. Predobdelava surovin in odstranjevanje nečistoč

1. Izbira in predobdelava surovin

• ‌ZahteveZačetna čistost žvepla ≥99,9 % (razred 3N), skupne kovinske nečistoče ≤500 ppm, vsebnost organskega ogljika ≤0,1 %.
• ‌Taljenje s pomočjo mikrovalov:
  Surovo žveplo se predeluje v mikrovalovnem reaktorju (frekvenca 2,45 GHz, moč 10–15 kW) pri 140–150 °C. Vrtenje dipolov, ki ga povzročajo mikrovalovi, zagotavlja hitro taljenje, hkrati pa razgrajuje organske nečistoče (npr. katranske spojine). Čas taljenja: 30–45 minut; globina prodiranja mikrovalov: 10–15 cm
• ‌Pranje z deionizirano vodo:
  Staljeno žveplo se v mešalnem reaktorju (120 °C, tlak 2 bara) 1 uro meša z deionizirano vodo (upornost ≥18 MΩ·cm) v masnem razmerju 1:0,3, da se odstranijo vodotopne soli (npr. amonijev sulfat, natrijev klorid). Vodna faza se dekantira in ponovno uporabi 2–3 cikle, dokler prevodnost ni ≤5 μS/cm.

2. Večstopenjska adsorpcija in filtracija

• ‌Adsorpcija diatomejske zemlje/aktivnega oglja:
  Staljenemu žveplu se pod zaščito dušika (130 °C, 2-urno mešanje) doda diatomejska zemlja (0,5–1 %) in aktivno oglje (0,2–0,5 %) za adsorpcijo kovinskih kompleksov in preostalih organskih snovi.
• ‌Ultra natančna filtracija:
  Dvostopenjska filtracija z uporabo sintranih titanovih filtrov (velikost por 0,1 μm) pri sistemskem tlaku ≤ 0,5 MPa. Število delcev po filtraciji: ≤ 10 delcev/L (velikost > 0,5 μm).

II. Večstopenjski postopek vakuumske destilacije

1. Primarna destilacija (odstranjevanje kovinskih nečistoč)

• ‌Oprema‌: Visoko čista kremenova destilacijska kolona s strukturirano polnitvijo iz nerjavečega jekla 316L (≥15 teoretičnih estrihov), vakuum ≤1 kPa.
• ‌Operativni parametri:
• ‌Temperatura dovoda‌: 250–280 °C (žveplo vre pri 444,6 °C pod sobnim tlakom; vakuum zniža vrelišče na 260–300 °C).
• ‌Refluksno razmerje5:1–8:1; nihanje temperature vrha kolone ≤±0,5 °C.
• ‌IzdelekČistost kondenziranega žvepla ≥99,99 % (razred 4N), skupne kovinske nečistoče (Fe, Cu, Ni) ≤1 ppm.

2. Sekundarna molekularna destilacija (odstranjevanje organskih nečistoč)

• ‌OpremaMolekularni destilator s kratko potjo z režo med izhlapevanjem in kondenzacijo 10–20 mm, temperatura izhlapevanja 300–320 °C, vakuum ≤ 0,1 Pa.
• ‌Ločevanje nečistoč:
  Organske snovi z nizkim vreliščem (npr. tioetri, tiofen) se uparijo in evakuirajo, medtem ko nečistoče z visokim vreliščem (npr. poliaromati) ostanejo v ostankih zaradi razlik v prosti poti molekul.
• ‌IzdelekČistost žvepla ≥99,999 % (razred 5N), organski ogljik ≤0,001 %, delež ostankov <0,3 %.

3. Terciarna cona rafiniranja (doseganje čistosti 6N)

• ‌Oprema‌: Horizontalni conski rafiner z večconskim nadzorom temperature (±0,1 °C), hitrost gibanja cone 1–3 mm/h.
• ‌Segregacija:
  Z uporabo koeficientov segregacije (K=Ctrdna snov/CtekočinaK=Ctrdna/Ctekočina), 20–30-stopinjska cona prehaja skozi koncentrirane kovine (As, Sb) na koncu ingota. Preostalih 10–15 % žveplovega ingota se zavrže.

III. Naknadna obdelava in ultra čisto oblikovanje

1. Ekstrakcija z ultra čistim topilom

• ‌Ekstrakcija etra/ogljikovega tetraklorida:
  Žveplo se 30 minut meša s kromatografsko čistim etrom (razmerje 1:0,5 v prostornini) pod ultrazvočno pomočjo (40 kHz, 40 °C), da se odstranijo sledi polarnih organskih snovi.
• ‌Rekuperacija topil:
  Molekularna sita adsorpcija in vakuumska destilacija zmanjšata ostanke topila na ≤0,1 ppm.

2. Ultrafiltracija in ionska izmenjava

• ‌Ultrafiltracija PTFE membrane:
  Staljeno žveplo se filtrira skozi 0,02 μm PTFE membrane pri 160–180 °C in tlaku ≤ 0,2 MPa.
• ‌Ionske izmenjevalne smole:
  Kelatne smole (npr. Amberlite IRC-748) odstranjujejo kovinske ione na ravni ppb (Cu²⁺, Fe³⁺) pri pretokih 1–2 BV/h.

3. Oblikovanje ultra čistega okolja

• ‌Atomizacija z inertnim plinom:
  V čisti sobi razreda 10 se staljeno žveplo atomizira z dušikom (tlak 0,8–1,2 MPa) v sferične granule velikosti 0,5–1 mm (vlaga <0,001 %).
• ‌Vakuumsko pakiranje:
  Končni izdelek je vakuumsko zatesnjen v aluminijasto kompozitno folijo pod ultra čistim argonom (čistost ≥99,9999 %), da se prepreči oksidacija.

IV. Ključni procesni parametri

V. Nadzor in testiranje kakovosti

1. ‌Analiza sledov nečistoč:

• ‌GD-MS (masna spektrometrija s tlečim razelektritvijo)Zazna kovine pri ≤ 0,01 ppb.
• ‌Analizator TOCMeri organski ogljik ≤ 0,001 ppm.

1. ‌Nadzor velikosti delcev:
   Laserska difrakcija (Mastersizer 3000) zagotavlja odstopanje D50 ≤ ± 0,05 mm.
2. ‌Čistoča površin:
   XPS (rentgenska fotoelektronska spektroskopija) potrjuje debelino površinskega oksida ≤ 1 nm.

VI. Varnostna in okoljska zasnova

1. ‌Preprečevanje eksplozij:
   Infrardeči detektorji plamena in sistemi za poplavljanje z dušikom vzdržujejo raven kisika <3 %
2. ‌Nadzor emisij:

• ‌Kisli pliniDvostopenjsko čiščenje z NaOH (20 % + 10 %) odstrani ≥99,9 % H₂S/SO₂.
• ‌HOSZeolitni rotor + RTO (850 °C) zmanjša nemetanske ogljikovodike na ≤ 10 mg/m³.

1. ‌Recikliranje odpadkov:
   Visokotemperaturna redukcija (1200 °C) pridobi kovine; vsebnost žvepla v ostanku < 0,1 %.

VII. Tehno-ekonomske metrike

• ‌Poraba energije‌: 800–1200 kWh električne energije in 2–3 tone pare na tono 6N žvepla.
• ‌PrinosIzkoristek žvepla ≥85 %, delež ostankov <1,5 %.
• ‌StroškiProizvodni stroški ~120.000–180.000 CNY/tono; tržna cena 250.000–350.000 CNY/tono (polprevodniška kakovost).

Ta postopek proizvaja 6N žveplo za polprevodniške fotoreziste, substrate spojin III-V in druge napredne aplikacije. Spremljanje v realnem času (npr. elementarna analiza LIBS) in kalibracija čistih prostorov po standardu ISO razreda 1 zagotavljata dosledno kakovost.

Opombe

1. Referenca 2: Industrijski standardi čiščenja žvepla
2. Referenca 3: Napredne tehnike filtracije v kemijskem inženirstvu
3. Referenca 6: Priročnik za predelavo visoko čistih materialov
4. Referenca 8: Protokoli za proizvodnjo kemikalij polprevodniškega razreda
5. Referenca 5: Optimizacija vakuumske destilacije