فرآیند تقطیر و خالص‌سازی گوگرد با خلوص فوق‌العاده بالای 6N به همراه پارامترهای دقیق

تولید گوگرد با خلوص فوق‌العاده بالای 6N (با خلوص ≥99.9999%) نیازمند تقطیر چند مرحله‌ای، جذب عمیق و فیلتراسیون فوق‌العاده تمیز برای حذف فلزات کمیاب، ناخالصی‌های آلی و ذرات است. در زیر یک فرآیند در مقیاس صنعتی که تقطیر در خلاء، خالص‌سازی با کمک مایکروویو و فناوری‌های دقیق پس از تصفیه را با هم ترکیب می‌کند، آورده شده است.

۱. پیش‌فرآوری مواد اولیه و حذف ناخالصی‌ها

۱. انتخاب مواد اولیه و آماده‌سازی اولیه

• ‎‏‎ ...الزاماتخلوص اولیه گوگرد ≥۹۹.۹٪ (درجه ۳N)، کل ناخالصی‌های فلزی ≤۵۰۰ ppm، میزان کربن آلی ≤۰.۱٪.
• ‎‏‎ ...ذوب به کمک مایکروویو‎:‎
  گوگرد خام در یک راکتور مایکروویو (فرکانس ۲.۴۵ گیگاهرتز، توان ۱۰ تا ۱۵ کیلووات) در دمای ۱۴۰ تا ۱۵۰ درجه سانتیگراد فرآوری می‌شود. چرخش دوقطبی القا شده توسط مایکروویو، ذوب سریع را تضمین می‌کند و در عین حال ناخالصی‌های آلی (مانند ترکیبات قیر) را تجزیه می‌کند. زمان ذوب: ۳۰ تا ۴۵ دقیقه؛ عمق نفوذ مایکروویو: ۱۰ تا ۱۵ سانتی‌متر.
• ‎‏‎ ...شستشو با آب دیونیزه‎:‎
  گوگرد مذاب با آب دیونیزه (مقاومت ویژه ≥18 MΩ·cm) با نسبت جرمی 1:0.3 در یک راکتور همزن‌دار (120 درجه سانتیگراد، فشار 2 بار) به مدت 1 ساعت مخلوط می‌شود تا نمک‌های محلول در آب (مانند سولفات آمونیوم، کلرید سدیم) حذف شوند. فاز آبی تخلیه شده و برای 2 تا 3 چرخه تا رسیدن به رسانایی ≤5 μS/cm دوباره استفاده می‌شود.

۲. جذب و فیلتراسیون چند مرحله‌ای

• ‎‏‎ ...جذب سطحی با خاک دیاتومه/کربن فعال‎:‎
  خاک دیاتومه (0.5-1٪) و کربن فعال (0.2-0.5٪) به گوگرد مذاب تحت حفاظت نیتروژن (130 درجه سانتیگراد، هم زدن 2 ساعته) اضافه می‌شوند تا کمپلکس‌های فلزی و مواد آلی باقیمانده را جذب کنند.
• ‎‏‎ ...فیلتراسیون فوق دقیق‎:‎
  فیلتراسیون دو مرحله‌ای با استفاده از فیلترهای تیتانیوم سینتر شده (اندازه منافذ 0.1 میکرومتر) در فشار سیستم ≤0.5 مگاپاسکال. تعداد ذرات پس از فیلتراسیون: ≤10 ذره در لیتر (اندازه >0.5 میکرومتر).

دوم. فرآیند تقطیر چند مرحله‌ای در خلأ

۱. تقطیر اولیه (حذف ناخالصی‌های فلزی)

• ‎‏‎ ...تجهیزاتستون تقطیر کوارتز با خلوص بالا با پکینگ ساختار یافته از جنس استیل ضد زنگ ۳۱۶L (≥۱۵ صفحه تئوری)، خلاء ≤۱ کیلوپاسکال.
• ‎‏‎ ...پارامترهای عملیاتی‎:‎
• ‎‏‎ ...دمای خوراک۲۵۰ تا ۲۸۰ درجه سانتیگراد (گوگرد در فشار محیط در دمای ۴۴۴.۶ درجه سانتیگراد می‌جوشد؛ خلاء نقطه جوش را به ۲۶۰ تا ۳۰۰ درجه سانتیگراد کاهش می‌دهد).
• ‎‏‎ ...نسبت رفلاکس۵:۱-۸:۱؛ نوسان دمای بالای ستون ≤±۰.۵ درجه سانتی‌گراد.
• ‎‏‎ ...محصولخلوص گوگرد تغلیظ شده ≥99.99% (درجه 4N)، کل ناخالصی‌های فلزی (آهن، مس، نیکل) ≤1 ppm.

۲. تقطیر مولکولی ثانویه (حذف ناخالصی‌های آلی)

• ‎‏‎ ...تجهیزاتدستگاه تقطیر مولکولی مسیر کوتاه با فاصله تبخیر-میعان ۱۰ تا ۲۰ میلی‌متر، دمای تبخیر ۳۰۰ تا ۳۲۰ درجه سانتی‌گراد، خلاء ≤۰.۱ پاسکال.
• ‎‏‎ ...جداسازی ناخالصی‎:‎
  مواد آلی با نقطه جوش پایین (مثلاً تیواترها، تیوفن) تبخیر و تخلیه می‌شوند، در حالی که ناخالصی‌های با نقطه جوش بالا (مثلاً پلی‌آروماتیک‌ها) به دلیل تفاوت در مسیر آزاد مولکولی، در باقیمانده‌ها باقی می‌مانند.
• ‎‏‎ ...محصولخلوص گوگرد ≥۹۹.۹۹۹٪ (درجه ۵N)، کربن آلی ≤۰.۰۰۱٪، میزان باقیمانده کمتر از ۰.۳٪.

۳. پالایش ناحیه سوم (دستیابی به خلوص ۶N)

• ‎‏‎ ...تجهیزات‌: تصفیه‌کننده ناحیه افقی با کنترل دمای چند ناحیه‌ای (±۰.۱ درجه سانتیگراد)، سرعت حرکت ناحیه ۱ تا ۳ میلی‌متر در ساعت.
• ‎‏‎ ...جداسازی‎:‎
  با استفاده از ضرایب تفکیک (K=Csolid/Cliquid)K=Cجامد/Cمایع)، منطقه ۲۰-۳۰ فلزات کنسانتره (As، Sb) را در انتهای شمش عبور می‌دهد. ۱۰-۱۵٪ نهایی شمش گوگرد دور ریخته می‌شود.

III. عملیات پس از ساخت و شکل‌دهی فوق‌العاده تمیز

۱. استخراج با حلال فوق خالص

• ‎‏‎ ...استخراج اتر/تتراکلرید کربن‎:‎
  گوگرد با اتر کروماتوگرافی (نسبت حجمی ۱:۰.۵) تحت کمک اولتراسونیک (۴۰ کیلوهرتز، ۴۰ درجه سانتیگراد) به مدت ۳۰ دقیقه مخلوط می‌شود تا مواد آلی قطبی ناچیز حذف شوند.
• ‎‏‎ ...بازیابی حلال‎:‎
  جذب سطحی با غربال مولکولی و تقطیر در خلاء، باقیمانده حلال را به کمتر از 0.1 ppm کاهش می‌دهد.

۲. اولترافیلتراسیون و تبادل یونی

• ‎‏‎ ...اولترافیلتراسیون غشایی PTFE‎:‎
  گوگرد مذاب از طریق غشاهای PTFE با ضخامت 0.02 میکرومتر در دمای 160 تا 180 درجه سانتیگراد و فشار ≤0.2 مگاپاسکال فیلتر می‌شود.
• ‎‏‎ ...رزین‌های تبادل یونی‎:‎
  رزین‌های کیلیت‌ساز (مثلاً Amberlite IRC-748) یون‌های فلزی در سطح ppb (Cu²⁺، Fe³⁺) را با سرعت جریان ۱ تا ۲ BV/h حذف می‌کنند.

۳. تشکیل محیط فوق العاده تمیز

• ‎‏‎ ...اتمیزه کردن با گاز بی‌اثر‎:‎
  در یک اتاق تمیز کلاس ۱۰، گوگرد مذاب با نیتروژن (فشار ۰.۸ تا ۱.۲ مگاپاسکال) به صورت دانه‌های کروی ۰.۵ تا ۱ میلی‌متری (رطوبت <۰.۰۰۱٪) اتمیزه می‌شود.
• ‎‏‎ ...بسته بندی وکیوم‎:‎
  محصول نهایی در فیلم کامپوزیت آلومینیومی تحت آرگون فوق خالص (با خلوص ≥99.9999%) وکیوم می‌شود تا از اکسیداسیون جلوگیری شود.

چهارم. پارامترهای کلیدی فرآیند

پنجم. کنترل کیفیت و آزمایش

1. ‎‏‎ ...تجزیه و تحلیل ناخالصی‌های جزئی‎:‎

• ‎‏‎ ...طیف‌سنجی جرمی تخلیه تابشی (GD-MS)فلزات را در غلظت ≤0.01 ppb تشخیص می‌دهد.
• ‎‏‎ ...آنالایزر TOCکربن آلی را ≤0.001 ppm اندازه‌گیری می‌کند.

1. ‎‏‎ ...کنترل اندازه ذرات‎:‎
   پراش لیزر (Mastersizer 3000) انحراف D50 ≤±0.05 میلی‌متر را تضمین می‌کند.
2. ‎‏‎ ...تمیزی سطح‎:‎
   XPS (طیف‌سنجی فوتوالکترون اشعه ایکس) ضخامت اکسید سطحی ≤1 نانومتر را تأیید می‌کند.

ششم. طراحی ایمنی و محیطی

1. ‎‏‎ ...پیشگیری از انفجار‎:‎
   آشکارسازهای شعله مادون قرمز و سیستم‌های سیل نیتروژن، سطح اکسیژن را کمتر از ۳٪ حفظ می‌کنند.
2. ‎‏‎ ...کنترل انتشار‎:‎

• ‎‏‎ ...گازهای اسیدیشستشوی دو مرحله‌ای با NaOH (20% + 10%)، ≥99.9% H₂S/SO₂ را حذف می‌کند.
• ‎‏‎ ...ترکیبات آلی فرار (VOC)روتور زئولیتی + RTO (با دمای ۸۵۰ درجه سانتیگراد) هیدروکربن‌های غیر متانی را تا کمتر یا مساوی ۱۰ میلی‌گرم بر متر مکعب کاهش می‌دهد.

1. ‎‏‎ ...بازیافت زباله‎:‎
   احیای دما بالا (۱۲۰۰ درجه سانتیگراد) فلزات را بازیابی می‌کند؛ میزان گوگرد باقیمانده کمتر از ۰.۱٪ است.

هفتم. معیارهای فنی-اقتصادی

• ‎‏‎ ...مصرف انرژی۸۰۰ تا ۱۲۰۰ کیلووات ساعت برق و ۲ تا ۳ تن بخار به ازای هر تن گوگرد ۶N.
• ‎‏‎ ...بازدهبازیابی گوگرد ≥۸۵٪، میزان باقیمانده کمتر از ۱.۵٪.
• ‎‏‎ ...هزینههزینه تولید حدود ۱۲۰،۰۰۰ تا ۱۸۰،۰۰۰ یوان چین در هر تن؛ قیمت بازار ۲۵۰،۰۰۰ تا ۳۵۰،۰۰۰ یوان چین در هر تن (درجه نیمه‌هادی).

این فرآیند گوگرد 6N را برای فتورزیست‌های نیمه‌هادی، زیرلایه‌های ترکیبی III-V و سایر کاربردهای پیشرفته تولید می‌کند. پایش بلادرنگ (مثلاً آنالیز عنصری LIBS) و کالیبراسیون اتاق تمیز کلاس 1 ISO کیفیت ثابت را تضمین می‌کند.

پاورقی‌ها

1. مرجع ۲: استانداردهای تصفیه گوگرد صنعتی
2. مرجع ۳: تکنیک‌های پیشرفته فیلتراسیون در مهندسی شیمی
3. مرجع ۶: کتابچه راهنمای پردازش مواد با خلوص بالا
4. مرجع ۸: پروتکل‌های تولید مواد شیمیایی در سطح نیمه‌هادی
5. مرجع ۵: بهینه‌سازی تقطیر در خلاء