رشد و خالص‌سازی بلور تلوریم 7N

رشد و خالص‌سازی بلور تلوریم 7N

۱. پیش‌فرآوری و خالص‌سازی اولیه مواد اولیه

1. ‎‏‎ ...انتخاب مواد اولیه و خردایش‎‏‎ ...

• ‎‏‎ ...الزامات مواد‌: از سنگ معدن تلوریم یا لجن آند (محتوای Te ≥5%)، ترجیحاً لجن آند ذوب مس (حاوی Cu₂Te، Cu₂Se) به عنوان ماده اولیه استفاده کنید.
• ‎‏‎ ...فرآیند پیش تصفیه‎:‎
• خردایش دانه‌های درشت تا اندازه ذرات ≤5 میلی‌متر، و سپس آسیاب گلوله‌ای تا اندازه ذرات ≤200 مش؛
• جداسازی مغناطیسی (شدت میدان مغناطیسی ≥0.8T) برای حذف آهن، نیکل و سایر ناخالصی‌های مغناطیسی؛
• شناورسازی کف (pH=8-9، کلکتورهای زانتات) برای جداسازی SiO₂، CuO و سایر ناخالصی‌های غیرمغناطیسی.
• ‎‏‎ ...موارد احتیاطاز ایجاد رطوبت در طول پیش‌تیمار مرطوب خودداری کنید (قبل از برشته کردن نیاز به خشک کردن دارد)؛ رطوبت محیط را کمتر یا مساوی ۳۰٪ کنترل کنید.

1. ‎‏‎ ...برشته‌کاری و اکسیداسیون پیرومتالورژی‎‏‎ ...

• ‎‏‎ ...پارامترهای فرآیند‎:‎
• دمای برشته کردن اکسیداسیون: ۳۵۰ تا ۶۰۰ درجه سانتیگراد (کنترل مرحله‌ای: دمای پایین برای گوگردزدایی، دمای بالا برای اکسیداسیون)؛
• زمان برشته کردن: ۶ تا ۸ ساعت، با سرعت جریان O₂ ۵ تا ۱۰ لیتر در دقیقه؛
• معرف: اسید سولفوریک غلیظ (98% H₂SO₄)، نسبت جرمی Te₂SO₄ = 1:1.5.
• ‎‏‎ ...واکنش شیمیایی‎:‎
  Cu2Te+2O2+2H2SO4→2CuSO4+TeO2+2H2OCu2Te+2O2+2H2​SO4​→2CuSO4+TeO2​+2H2​O
• ‎‏‎ ...موارد احتیاط‌: برای جلوگیری از تبخیر TeO₂ (نقطه جوش ۳۸۷ درجه سانتیگراد)، دمای ≤۶۰۰ درجه سانتیگراد را کنترل کنید؛ گاز خروجی را با اسکرابرهای NaOH تصفیه کنید.

دوم. پالایش الکتریکی و تقطیر در خلاء

1. ‎‏‎ ...پالایش الکتریکی‎‏‎ ...

• ‎‏‎ ...سیستم الکترولیت‎:‎
• ترکیب الکترولیت: H₂SO₄ (80-120 گرم در لیتر)، TeO₂ (40-60 گرم در لیتر)، افزودنی (ژلاتین 0.1-0.3 گرم در لیتر)؛
• کنترل دما: ۳۰-۴۰ درجه سانتیگراد، سرعت جریان گردش ۱.۵-۲ متر مکعب در ساعت.
• ‎‏‎ ...پارامترهای فرآیند‎:‎
• چگالی جریان: ۱۰۰-۱۵۰ آمپر بر متر مربع، ولتاژ سلول ۰.۲-۰.۴ ولت؛
• فاصله الکترودها: ۸۰ تا ۱۲۰ میلی‌متر، ضخامت رسوب کاتد ۲ تا ۳ میلی‌متر در ۸ ساعت؛
• راندمان حذف ناخالصی: مس ≤5ppm، سرب ≤1ppm.
• ‎‏‎ ...موارد احتیاطالکترولیت را مرتباً فیلتر کنید (دقت ≤1μm)؛ سطوح آند را به صورت مکانیکی صیقل دهید تا از غیرفعال شدن جلوگیری شود.

1. ‎‏‎ ...تقطیر در خلاء‎‏‎ ...

• ‎‏‎ ...پارامترهای فرآیند‎:‎
• سطح خلاء: ≤1×10⁻²Pa، دمای تقطیر 600-650 درجه سانتیگراد؛
• دمای ناحیه کندانسور: ۲۰۰ تا ۲۵۰ درجه سانتیگراد، راندمان چگالش بخار Te ≥۹۵٪؛
• زمان تقطیر: ۸ تا ۱۲ ساعت، ظرفیت تک‌مرحله‌ای ≤۵۰ کیلوگرم.
• ‎‏‎ ...توزیع ناخالصیناخالصی‌های با نقطه جوش پایین (Se، S) در جبهه کندانسور تجمع می‌یابند؛ ناخالصی‌های با نقطه جوش بالا (Pb، Ag) در باقیمانده‌ها باقی می‌مانند.
• ‎‏‎ ...موارد احتیاطقبل از گرم کردن، سیستم خلاء را تا ≤5×10⁻³Pa پمپ کنید تا از اکسیداسیون Te جلوگیری شود.

III. رشد بلور (تبلور جهت‌دار)

1. ‎‏‎ ...پیکربندی تجهیزات‎‏‎ ...

• ‎‏‎ ...مدل‌های کوره رشد کریستالTDR-70A/B (ظرفیت ۳۰ کیلوگرم) یا TRDL-800 (ظرفیت ۶۰ کیلوگرم)؛
• جنس بوته: گرافیت با خلوص بالا (میزان خاکستر ≤5ppm)، ابعاد Φ300×400mm؛
• روش گرمایش: گرمایش مقاومتی گرافیتی، حداکثر دما ۱۲۰۰ درجه سانتیگراد.

1. ‎‏‎ ...پارامترهای فرآیند‎‏‎ ...

• ‎‏‎ ...کنترل ذوب‎:‎
• دمای ذوب: ۵۰۰-۵۲۰ درجه سانتیگراد، عمق حوضچه مذاب ۸۰-۱۲۰ میلی‌متر؛
• گاز محافظ: آرگون (خلوص ≥99.999%)، سرعت جریان 10-15 لیتر در دقیقه.
• ‎‏‎ ...پارامترهای تبلور‎:‎
• نرخ کشش: ۱ تا ۳ میلی‌متر در ساعت، سرعت چرخش کریستال ۸ تا ۱۲ دور در دقیقه؛
• گرادیان دما: محوری 30-50 درجه سانتیگراد بر سانتی‌متر، شعاعی ≤10 درجه سانتیگراد بر سانتی‌متر؛
• روش خنک‌کننده: پایه مسی خنک‌شده با آب (دمای آب ۲۰ تا ۲۵ درجه سانتیگراد)، خنک‌کننده تابشی از بالا.

1. ‎‏‎ ...کنترل ناخالصی‎‏‎ ...

• ‎‏‎ ...اثر جداسازیناخالصی‌هایی مانند آهن، نیکل (ضریب جدایش کمتر از ۰.۱) در مرز دانه‌ها تجمع می‌یابند؛
• ‎‏‎ ...چرخه‌های ذوب مجدد۳ تا ۵ چرخه، ناخالصی نهایی کمتر یا مساوی ۰.۱ ppm.

1. ‎‏‎ ...موارد احتیاط‎:‎

• سطح مذاب را با صفحات گرافیتی بپوشانید تا از تبخیر Te جلوگیری شود (میزان اتلاف ≤0.5%)؛
• قطر کریستال را به صورت بلادرنگ با استفاده از گیج‌های لیزری (دقت ±0.1 میلی‌متر) اندازه‌گیری کنید.
• برای جلوگیری از افزایش چگالی نابجایی‌ها (هدف ≤10³/cm²) از نوسانات دما >±2°C خودداری کنید.

چهارم. بازرسی کیفیت و معیارهای کلیدی

پنجم. پروتکل‌های زیست‌محیطی و ایمنی

1. ‎‏‎ ...تصفیه گاز اگزوز‎:‎

• خروجی کوره: SO₂ و SeO₂ را با اسکرابرهای NaOH (pH≥10) خنثی کنید.
• خروجی تقطیر در خلاء: بخار Te را متراکم و بازیابی کنید؛ گازهای باقیمانده از طریق کربن فعال جذب می‌شوند.

1. ‎‏‎ ...بازیافت سرباره‎:‎

• لجن آندی (حاوی نقره، طلا): بازیابی از طریق هیدرومتالورژی (سیستم H₂SO₄-HCl)؛
• باقیمانده‌های الکترولیز (حاوی سرب، مس): به سیستم‌های ذوب مس بازگردانده می‌شوند.

1. ‎‏‎ ...اقدامات ایمنی‎:‎

• اپراتورها باید ماسک گاز بزنند (بخار گاز سمی است)؛ تهویه با فشار منفی را حفظ کنند (نرخ تبادل هوا ≥10 سیکل در ساعت).

دستورالعمل‌های بهینه‌سازی فرآیند

1. ‎‏‎ ...تطبیق مواد اولیهدمای برشته‌کاری و نسبت اسید را به صورت پویا بر اساس منابع لجن آند (مثلاً ذوب مس در مقابل ذوب سرب) تنظیم کنید.
2. ‎‏‎ ...تطبیق نرخ کشش کریستالسرعت کشش را بر اساس همرفت مذاب (عدد رینولدز Re≥2000) تنظیم کنید تا از فوق سرمایش ذاتی جلوگیری شود.
3. ‎‏‎ ...بهره‌وری انرژی‌: از گرمایش ناحیه‌ای با دو دما (ناحیه اصلی ۵۰۰ درجه سانتیگراد، ناحیه فرعی ۴۰۰ درجه سانتیگراد) برای کاهش ۳۰ درصدی مصرف برق مقاومت گرافیتی استفاده کنید.