סלניום, כחומר מוליך למחצה חשוב וחומר גלם תעשייתי, מושפע ישירות מטוהר שלו. במהלך תהליך טיהור זיקוק בוואקום, זיהומי חמצן הם אחד הגורמים העיקריים המשפיעים על טוהר הסלניום. מאמר זה מספק דיון מפורט בשיטות וטכניקות שונות להפחתת תכולת החמצן במהלך טיהור סלניום באמצעות זיקוק בוואקום.

א. הפחתת תכולת החמצן בשלב הטיפול המקדים בחומרי הגלם

1. טיהור ראשוני של חומרי גלם

סלניום גולמי מכיל בדרך כלל זיהומים שונים, כולל תחמוצות. לפני הכניסה למערכת זיקוק בוואקום, יש להשתמש בשיטות ניקוי כימיות כדי להסיר תחמוצות פני השטח. תמיסות ניקוי נפוצות כוללות:

• תמיסת חומצה הידרוכלורית מדוללת (ריכוז 5-10%): ממיסה ביעילות תחמוצות כגון SeO₂
• אתנול או אצטון: משמשים להסרת מזהמים אורגניים
• מים מזוקקים: שטיפות מרובות להסרת חומצה שיורית

לאחר הניקוי, יש לבצע ייבוש תחת אטמוספירת גז אינרטי (למשל, Ar או N₂) כדי למנוע חמצון חוזר.

2. טיפול טרום-חיזור של חומרי גלם

טיפול בחיזוק חומר הגלם לפני זיקוק בוואקום יכול להפחית משמעותית את תכולת החמצן:

• הפחתת מימן: הכנסת מימן בעל טוהר גבוה (טוהר ≥99.999%) בטמפרטורה של 200-300 מעלות צלזיוס כדי להפחית את SeO₂ לסלניום אלמנטרי.
• חיזור קרבותרמי: ערבבו חומר גלם של סלניום עם אבקת פחמן בעלת טוהר גבוה וחממו ל-400-500 מעלות צלזיוס תחת ואקום או אטמוספרה אינרטית, תוך גרימת התגובה C + SeO₂ → Se + CO₂
• חיזור גופרתי: גזים כמו H₂S יכולים להפחית תחמוצות סלניום בטמפרטורות נמוכות יחסית.

II. תכנון ואופטימיזציה תפעולית של מערכת זיקוק בוואקום

1. בחירה ותצורה של מערכת הוואקום

סביבה עם ואקום גבוה היא קריטית להפחתת תכולת החמצן:

• השתמשו בשילוב של משאבת דיפוזיה + משאבה מכנית, עם ואקום אולטימטיבי שמגיע לפחות ל-10⁻⁴ פאסל
• יש לצייד את המערכת במלכודת קור כדי למנוע דיפוזיה חוזרת של אדי שמן.
• כל החיבורים צריכים להיות באטמי מתכת כדי למנוע פליטת גזים מאטמי גומי
• יש לבצע ניקוז גזים מספק לאחר אפייה (200-250 מעלות צלזיוס, 12-24 שעות) מהמערכת.

2. שליטה מדויקת בטמפרטורת ולחץ הזיקוק

שילובי פרמטרים אופטימליים של תהליך:

• טמפרטורת זיקוק: נשלטת בטווח של 220-280 מעלות צלזיוס (מתחת לנקודת הרתיחה של סלניום של 685 מעלות צלזיוס)
• לחץ מערכת: נשמר בין 1-10 פאסל
• קצב חימום: 5-10°C/דקה כדי למנוע אידוי וסחיפה אלימה
• טמפרטורת אזור עיבוי: נשמרת על 50-80 מעלות צלזיוס כדי להבטיח עיבוי מלא של סלניום

3. טכנולוגיית זיקוק רב-שלבית

זיקוק רב-שלבי יכול להפחית בהדרגה את תכולת החמצן:

• שלב ראשון: זיקוק גס להסרת רוב הזיהומים הנדיפים
• שלב שני: בקרת טמפרטורה מדויקת לאיסוף השבר העיקרי
• שלב שלישי: זיקוק איטי בטמפרטורה נמוכה לקבלת מוצר בעל טוהר גבוה
  ניתן להשתמש בטמפרטורות עיבוי שונות בין שלבים עבור עיבוי חלקי

ג. אמצעי עזר לתהליך

1. טכנולוגיית הגנה מפני גז אינרטי

למרות שפועלים תחת ואקום, החדרה נכונה של גז אינרטי בעל טוהר גבוה מסייעת להפחית את תכולת החמצן:

• לאחר פינוי המערכת, יש למלא בארגון בעל טוהר גבוה (טוהר ≥99.9995%) עד ללחץ של 1000 פאסל.
• השתמש בהגנה דינמית על זרימת גז, תוך הכנסת כמות קטנה של ארגון באופן רציף (10-20 sccm)
• התקינו מטהרי גז יעילים במיוחד בכניסות הגז כדי להסיר חמצן ולחות שיוריים.

2. הוספת נוגדי חמצן

הוספת חומרי ניקוי חמצן מתאימים לחומר הגלם יכולה להפחית ביעילות את תכולת החמצן:

• מתכת מגנזיום: זיקה חזקה לחמצן, ויוצרת MgO
• אבקת אלומיניום: יכולה להסיר בו זמנית חמצן וגופרית
• מתכות אדמה נדירות: כגון Y, La וכו', עם אפקטים מצוינים להסרת חמצן
  כמות נוגד החמצן היא בדרך כלל 0.1-0.5% משקלי מחומר הגלם; כמויות עודפות עלולות להשפיע על טוהר הסלניום.

3. טכנולוגיית סינון מותך

סינון סלניום מותך לפני זיקוק:

• השתמשו במסנני קוורץ או קרמיקה עם גודל נקבוביות של 1-5 מיקרומטר
• בקרת טמפרטורת סינון ב-220-250°C
• יכול להסיר חלקיקי תחמוצת מוצקים
• יש לנקז גזים מראש מהמסננים תחת ואקום גבוה

IV. טיפול לאחר הטיפול ואחסון

1. איסוף וטיפול במוצר

• יש לתכנן את קולט המעבה כמבנה נשלף לאחזור קל של חומר בסביבה אינרטית
• יש לארוז מטילי סלניום שנאספו בתא כפפות ארגון.
• ניתן לבצע איכול פני השטח במידת הצורך כדי להסיר שכבות תחמוצת אפשריות

2. בקרת תנאי אחסון

• יש לשמור על סביבת האחסון יבשה (נקודת טל ≤-60°C)
• השתמש באריזה אטומה דו-שכבתית מלאה בגז אינרטי בעל טוהר גבוה
• טמפרטורת אחסון מומלצת מתחת ל-20°C
• הימנעו מחשיפה לאור כדי למנוע תגובות חמצון פוטו-קטליטיות

ה. בקרת איכות ובדיקות

1. טכנולוגיית ניטור מקוונת

• התקנת מנתחי גז שיורי (RGA) לניטור לחץ חלקי של חמצן בזמן אמת
• השתמש בחיישני חמצן כדי לשלוט בתכולת החמצן בגזים מגנים
• שימוש בספקטרוסקופיית אינפרא אדום כדי לזהות שיאי בליעה אופייניים של קשרי Se-O

2. ניתוח מוצר מוגמר

• שימוש בשיטת היתוך גז אינרטי-בליעה אינפרא אדום כדי לקבוע את תכולת החמצן
• ספקטרומטריית מסות יונים משניות (SIMS) לניתוח התפלגות חמצן
• ספקטרוסקופיית פוטואלקטרונים של קרני רנטגן (XPS) לגילוי מצבים כימיים של פני השטח

באמצעות האמצעים המקיפים שתוארו לעיל, ניתן לשלוט בתכולת החמצן מתחת ל-1 ppm במהלך טיהור סלניום בזיקוק ואקום, ובכך לעמוד בדרישות ליישומי סלניום בעלי טוהר גבוה. בייצור בפועל, יש למטב את פרמטרי התהליך בהתבסס על תנאי הציוד ודרישות המוצר, ויש להקים מערכת בקרת איכות קפדנית.