תהליך זיקוק וטיהור גופרית 6N בעל טוהר גבוה במיוחד עם פרמטרים מפורטים

ייצור גופרית 6N (ניקיון ≥99.9999%) בעלת ניקיון גבוה במיוחד דורש זיקוק רב-שלבי, ספיחה עמוקה וסינון נקי במיוחד כדי לחסל מתכות זעירות, זיהומים אורגניים וחלקיקים. להלן תהליך בקנה מידה תעשייתי המשלב זיקוק בוואקום, טיהור בסיוע מיקרוגל וטכנולוגיות טיפול לאחר החימום מדויקות.

א. טיפול מקדים בחומרי גלם והסרת זיהומים

1. בחירת חומרי גלם וטיפול מקדים

• ‌דרישותטוהר גופרית התחלתי ≥99.9% (דרגה 3N), סך זיהומי המתכת ≤500 ppm, תכולת פחמן אורגני ≤0.1%.
• ‌התכה בסיוע מיקרוגל‌:
  גופרית גולמית מעובדת בכור מיקרוגל (תדר 2.45 גיגה-הרץ, הספק 10-15 קילוואט) בטמפרטורה של 140-150 מעלות צלזיוס. סיבוב דיפול המושרה על ידי מיקרוגל מבטיח התכה מהירה תוך פירוק זיהומים אורגניים (למשל, תרכובות זפת). זמן התכה: 30-45 דקות; עומק חדירת מיקרוגל: 10-15 ס"מ.
• ‌שטיפת מים מזוקקים‌:
  גופרית מותכת מעורבבת עם מים מזוקקים (התנגדות ≥18 MΩ·cm) ביחס מסה של 1:0.3 בכור מעורבב (120°C, לחץ של 2 בר) למשך שעה אחת כדי להסיר מלחים מסיסים במים (למשל, אמוניום סולפט, נתרן כלורי). הפאזה המימית מוסקת ומשמשת שוב למשך 2-3 מחזורים עד שהמוליכות ≤5 μS/cm.

2. ספיחה וסינון רב-שלביים

• ‌ספיחה של אדמה דיאטומית/פחמן פעיל‌:
  אדמה דיאטומית (0.5-1%) ופחם פעיל (0.2-0.5%) מוסיפים לגופרית מותכת תחת הגנה מפני חנקן (130 מעלות צלזיוס, ערבוב של שעתיים) כדי לספוג קומפלקסים מתכתיים וחומרים אורגניים שיוריים.
• ‌סינון מדויק במיוחד‌:
  סינון דו-שלבי באמצעות מסנני טיטניום מסונטרים (גודל נקבוביות של 0.1 מיקרומטר) בלחץ מערכת של ≤0.5 MPa. ספירת חלקיקים לאחר הסינון: ≤10 חלקיקים/ליטר (גודל >0.5 מיקרומטר).

II. תהליך זיקוק ואקום רב-שלבי

1. זיקוק ראשוני (הסרת זיהומי מתכת)

• ‌צִיוּדעמודת זיקוק קוורץ בעלת טוהר גבוה עם אריזה מובנית מפלדת אל-חלד 316L (≥15 לוחות תיאורטיים), ואקום ≤1 kPa.
• ‌פרמטרים תפעוליים‌:
• ‌טמפרטורת הזנה250–280 מעלות צלזיוס (גופרית רותחת ב-444.6 מעלות צלזיוס בלחץ סביבתי; ואקום מפחית את נקודת הרתיחה ל-260–300 מעלות צלזיוס).
• ‌יחס ריפלוקסיחס של 5:1–8:1; תנודת טמפרטורה בחלק העליון של העמודה ≤±0.5°C.
• ‌מוּצָרטוהר גופרית מרוכזת ≥99.99% (דרגה 4N), סך זיהומי המתכת (Fe, Cu, Ni) ≤1 ppm.

2. זיקוק מולקולרי משני (הסרת זיהומים אורגניים)

• ‌צִיוּדמזקק מולקולרי קצר מסלול עם פער אידוי-עיבוי של 10-20 מ"מ, טמפרטורת אידוי 300-320 מעלות צלזיוס, ואקום ≤0.1 פאסל.
• ‌הפרדת טומאה‌:
  חומרים אורגניים בעלי רתיחה נמוכה (למשל, תיאואתרים, תיופן) מתאדים ומופנים, בעוד שזיהומים בעלי רתיחה גבוהה (למשל, פוליאארומטיים) נשארים בשאריות עקב הבדלים במסלול החופשי המולקולרי.
• ‌מוּצָרטוהר גופרית ≥99.999% (דרגה 5N), פחמן אורגני ≤0.001%, שיעור שאריות <0.3%.

3. זיקוק באזור שלישוני (השגת טוהר 6N)

• ‌צִיוּדזיקוק אזורי אופקי עם בקרת טמפרטורה רב-אזורית (±0.1°C), מהירות תנועה אזורית 1-3 מ"מ/שעה.
• ‌הַפרָדָה‌:
  שימוש במקדמי הפרדה (K=Cמוצק/Cנוזל)K=Cמוצק/Cנוזל), אזור 20-30 מעביר מתכות מרוכזות (As, Sb) בקצה המטיל. 10-15% הנותרים של מטיל הגופרית מושלכים.

ג. טיפול לאחר עיבוד ועיצוב נקי במיוחד

1. מיצוי ממסים טהורים במיוחד

• ‌מיצוי אתר/פחמן טטרכלוריד‌:
  גופרית מעורבבת עם אתר בדרגת כרומטוגרפיה (יחס נפחים של 1:0.5) תחת סיוע אולטרסאונד (40 קילוהרץ, 40°C) למשך 30 דקות כדי להסיר עקבות של חומרים אורגניים קוטביים.
• ‌שחזור ממס‌:
  ספיחה באמצעות מסננת מולקולרית וזיקוק בוואקום מפחיתים את שאריות הממס ל-≤0.1 ppm.

2. אולטרה-סינון וחילוף יונים

• ‌סינון אולטרה של ממברנת PTFE‌:
  גופרית מותכת מסוננת דרך ממברנות PTFE בעובי 0.02 מיקרון בטמפרטורה של 160-180 מעלות צלזיוס ולחץ של ≤0.2 MPa.
• ‌שרפי חילוף יונים‌:
  שרפי כלציה (למשל, Amberlite IRC-748) מסירים יוני מתכת ברמת ppb ‏(Cu²⁺, Fe³⁺) בקצבי זרימה של 1-2 BV/h.

3. יצירת סביבה נקייה במיוחד

• ‌אטומיזציה של גז אינרטי‌:
  בחדר נקי מסוג Class 10, גופרית מותכת עוברת אטומיזציה עם חנקן (לחץ של 0.8-1.2 מגה פסקל) לגרגירים כדוריים של 0.5-1 מ"מ (לחות <0.001%).
• ‌אריזת ואקום‌:
  המוצר הסופי אטום בוואקום בסרט אלומיניום מרוכב תחת ארגון טהור במיוחד (ניקיון ≥99.9999%) כדי למנוע חמצון.

IV. פרמטרים מרכזיים של התהליך

ה. בקרת איכות ובדיקות

1. ‌ניתוח עקבות זיהום‌:

• ‌GD-MS (ספקטרומטריית מסות פריקה זוהרת)מזהה מתכות בריכוז של 0.01 ppb ≤.
• ‌מנתח תוכן ענייניםמודד פחמן אורגני ≤0.001 ppm.

1. ‌בקרת גודל החלקיקים‌:
   דיפרקציית לייזר (Mastersizer 3000) מבטיחה סטיית D50 ≤±0.05 מ"מ.
2. ‌ניקיון פני השטח‌:
   XPS (ספקטרוסקופיית פוטואלקטרונים של קרני רנטגן) מאשרת שעובי תחמוצת פני השטח ≤1 ננומטר.

ו. תכנון בטיחותי וסביבתי

1. ‌מניעת פיצוץ‌:
   גלאי להבה אינפרא אדום ומערכות הצפת חנקן שומרים על רמות חמצן <3%
2. ‌בקרת פליטה‌:

• ‌גזים חומצייםקרצוף NaOH דו-שלבי (20% + 10%) מסיר ≥99.9% H₂S/SO₂.
• ‌תרכובות נדיפות נדיפות (VOCs)רוטור זאוליט + RTO (850°C) מפחית פחמימנים שאינם מתאן ל-≤10 מ"ג/מ"ק.

1. ‌מיחזור פסולת‌:
   רדוקציה בטמפרטורה גבוהה (1200°C) משחזרת מתכות; תכולת גופרית בשאריות <0.1%.

VII. מדדים טכנו-כלכליים

• ‌צריכת אנרגיה800–1200 קוט"ש חשמל ו-2–3 טון קיטור לכל טון של גופרית 6N.
• ‌תְשׁוּאָה‌: שחזור גופרית ≥85%, שיעור שאריות <1.5%.
• ‌עֲלוּתעלות ייצור: ~120,000–180,000 יואן סיני/טון; מחיר שוק 250,000–350,000 יואן סיני/טון (דרגת מוליכים למחצה).

תהליך זה מייצר גופרית 6N עבור פוטורזיסטים של מוליכים למחצה, מצעים מורכבים III-V ויישומים מתקדמים אחרים. ניטור בזמן אמת (למשל, ניתוח אלמנטרי LIBS) וכיול חדר נקי ISO Class 1 מבטיחים איכות עקבית.

הערות שוליים

1. מקור 2: תקני טיהור גופרית תעשייתיים
2. מקור 3: טכניקות סינון מתקדמות בהנדסה כימית
3. מקור 6: מדריך לעיבוד חומרים בעלי טוהר גבוה
4. מקור 8: פרוטוקולי ייצור כימיקלים ברמת מוליכים למחצה
5. הפניה 5: אופטימיזציה של זיקוק בוואקום