سلنیوم، به عنوان یک ماده نیمه‌هادی مهم و ماده خام صنعتی، عملکردش مستقیماً تحت تأثیر خلوص آن قرار دارد. در طول فرآیند خالص‌سازی تقطیر در خلاء، ناخالصی‌های اکسیژن یکی از عوامل اصلی مؤثر بر خلوص سلنیوم هستند. این مقاله بحث مفصلی در مورد روش‌ها و تکنیک‌های مختلف برای کاهش محتوای اکسیژن در طول خالص‌سازی سلنیوم از طریق تقطیر در خلاء ارائه می‌دهد.

۱. کاهش میزان اکسیژن در مرحله پیش تصفیه مواد اولیه

۱. خالص‌سازی اولیه مواد اولیه

سلنیوم خام معمولاً حاوی ناخالصی‌های مختلفی از جمله اکسیدها است. قبل از ورود به سیستم تقطیر در خلاء، باید از روش‌های شیمیایی برای حذف اکسیدهای سطحی استفاده شود. محلول‌های تمیزکننده‌ای که معمولاً استفاده می‌شوند عبارتند از:

• محلول رقیق اسید هیدروکلریک (غلظت ۵-۱۰٪): اکسیدهایی مانند SeO₂ را به طور موثر حل می‌کند.
• اتانول یا استون: برای حذف آلاینده‌های آلی استفاده می‌شود.
• آب دیونیزه: چندین بار شستشو برای حذف اسید باقیمانده

پس از تمیز کردن، خشک کردن باید تحت اتمسفر گاز بی‌اثر (مثلاً Ar یا N₂) انجام شود تا از اکسیداسیون مجدد جلوگیری شود.

۲. عملیات پیش احیا مواد اولیه

عملیات احیایی مواد اولیه قبل از تقطیر در خلاء می‌تواند میزان اکسیژن را به میزان قابل توجهی کاهش دهد:

• کاهش هیدروژن: هیدروژن با خلوص بالا (خلوص ≥99.999%) را در دمای 200-300 درجه سانتیگراد وارد کنید تا SeO₂ به سلنیوم عنصری کاهش یابد.
• کاهش کربوترمال: ماده خام سلنیوم را با پودر کربن با خلوص بالا مخلوط کرده و تحت خلاء یا اتمسفر خنثی تا دمای ۴۰۰-۵۰۰ درجه سانتیگراد حرارت دهید و واکنش C + SeO₂ → Se + CO₂ را القا کنید.
• کاهش سولفید: گازهایی مانند H₂S می‌توانند اکسیدهای سلنیوم را در دماهای نسبتاً پایین کاهش دهند.

II. طراحی و بهینه‌سازی عملیاتی سیستم تقطیر در خلاء

۱. انتخاب و پیکربندی سیستم خلاء

یک محیط با خلاء بالا برای کاهش محتوای اکسیژن بسیار مهم است:

• از ترکیب پمپ دیفیوژن + پمپ مکانیکی استفاده کنید، با حداکثر خلاء حداقل 10⁻⁴ پاسکال
• سیستم باید به یک تله سرد مجهز باشد تا از انتشار معکوس بخار روغن جلوگیری شود.
• تمام اتصالات باید از آب‌بندهای فلزی استفاده کنند تا از خروج گاز از آب‌بندهای لاستیکی جلوگیری شود.
• سیستم باید به اندازه کافی گاززدایی شود (200-250 درجه سانتیگراد، 12-24 ساعت)

۲. کنترل دقیق دما و فشار تقطیر

ترکیبات بهینه پارامترهای فرآیند:

• دمای تقطیر: کنترل شده در محدوده ۲۲۰ تا ۲۸۰ درجه سانتیگراد (پایین‌تر از نقطه جوش سلنیوم ۶۸۵ درجه سانتیگراد)
• فشار سیستم: بین ۱ تا ۱۰ پاسکال حفظ می‌شود
• نرخ گرمایش: ۵-۱۰ درجه سانتیگراد در دقیقه برای جلوگیری از تبخیر شدید و حباب‌زایی
• دمای ناحیه تراکم: برای اطمینان از تراکم کامل سلنیوم، در دمای ۵۰ تا ۸۰ درجه سانتیگراد نگهداری می‌شود.

۳. فناوری تقطیر چند مرحله‌ای

تقطیر چند مرحله‌ای می‌تواند به تدریج میزان اکسیژن را کاهش دهد:

• مرحله اول: تقطیر خشن برای حذف اکثر ناخالصی‌های فرار
• مرحله دوم: کنترل دقیق دما برای جمع‌آوری بخش اصلی
• مرحله سوم: تقطیر آهسته و با دمای پایین برای به دست آوردن محصول با خلوص بالا
  برای چگالش کسری، می‌توان از دماهای چگالش مختلف بین مراحل استفاده کرد.

III. اقدامات فرآیند کمکی

۱. فناوری حفاظت از گاز بی‌اثر

اگرچه تحت خلاء کار می‌کند، اما استفاده مناسب از گاز بی‌اثر با خلوص بالا به کاهش میزان اکسیژن کمک می‌کند:

• پس از تخلیه سیستم، آن را با آرگون با خلوص بالا (خلوص ≥99.9995%) تا 1000 پاسکال پر کنید.
• از محافظ جریان گاز دینامیک استفاده کنید و به طور مداوم مقدار کمی آرگون (10-20 sccm) وارد کنید.
• نصب تصفیه‌کننده‌های گاز با راندمان بالا در ورودی‌های گاز برای حذف اکسیژن و رطوبت باقیمانده

۲. افزودن جاذب‌های اکسیژن

افزودن جاذب‌های اکسیژن مناسب به مواد اولیه می‌تواند به طور مؤثر میزان اکسیژن را کاهش دهد:

• فلز منیزیم: میل ترکیبی قوی با اکسیژن، تشکیل MgO
• پودر آلومینیوم: می‌تواند همزمان اکسیژن و گوگرد را حذف کند
• فلزات خاکی کمیاب: مانند Y، La و غیره، با اثرات عالی در حذف اکسیژن
  مقدار جاذب اکسیژن معمولاً 0.1 تا 0.5 درصد وزنی ماده خام است؛ مقادیر اضافی ممکن است بر خلوص سلنیوم تأثیر بگذارد.

۳. فناوری فیلتراسیون مذاب

فیلتر کردن سلنیوم مذاب قبل از تقطیر:

• از فیلترهای کوارتز یا سرامیک با اندازه منافذ ۱ تا ۵ میکرومتر استفاده کنید.
• دمای فیلتراسیون را روی ۲۲۰-۲۵۰ درجه سانتیگراد کنترل کنید
• می‌تواند ذرات اکسید جامد را حذف کند
• فیلترها باید تحت خلاء بالا از قبل گاززدایی شوند.

IV. عملیات پس از تصفیه و نگهداری

۱. جمع‌آوری و جابجایی محصول

• کلکتور کندانسور باید به صورت یک سازه جداشونده طراحی شود تا بازیابی مواد در یک محیط خنثی آسان باشد.
• شمش‌های سلنیوم جمع‌آوری‌شده باید در جعبه دستکش آرگون بسته‌بندی شوند.
• در صورت لزوم، برای حذف لایه‌های اکسیدی احتمالی، ممکن است اچینگ سطحی انجام شود.

۲. کنترل شرایط انبارداری

• محیط نگهداری باید خشک نگه داشته شود (نقطه شبنم ≤-60 درجه سانتیگراد)
• از بسته‌بندی دولایه مهر و موم شده پر شده با گاز بی‌اثر با خلوص بالا استفاده کنید
• دمای نگهداری توصیه شده زیر 20 درجه سانتیگراد
• برای جلوگیری از واکنش‌های اکسیداسیون فوتوکاتالیستی، از قرار گرفتن در معرض نور خودداری کنید.

V. کنترل کیفیت و آزمایش

۱. فناوری نظارت آنلاین

• نصب آنالایزرهای گاز باقیمانده (RGA) برای نظارت بر فشار جزئی اکسیژن به صورت بلادرنگ
• استفاده از حسگرهای اکسیژن برای کنترل میزان اکسیژن در گازهای محافظ
• از طیف‌سنجی مادون قرمز برای شناسایی پیک‌های جذبی مشخصه پیوندهای Se-O استفاده کنید.

۲. تحلیل محصول نهایی

• برای تعیین میزان اکسیژن از روش جذب مادون قرمز همجوشی گاز بی‌اثر استفاده کنید
• طیف‌سنجی جرمی یون ثانویه (SIMS) برای تجزیه و تحلیل توزیع اکسیژن
• طیف‌سنجی فوتوالکترون اشعه ایکس (XPS) برای تشخیص حالت‌های شیمیایی سطح

از طریق اقدامات جامع شرح داده شده در بالا، می‌توان میزان اکسیژن را در طول خالص‌سازی سلنیوم با تقطیر در خلاء، زیر ۱ ppm کنترل کرد و الزامات کاربردهای سلنیوم با خلوص بالا را برآورده ساخت. در تولید واقعی، پارامترهای فرآیند باید بر اساس شرایط تجهیزات و الزامات محصول بهینه شوند و یک سیستم کنترل کیفیت دقیق ایجاد شود.