6N erittäin puhdas rikkitislaus- ja puhdistusprosessi yksityiskohtaisilla parametreilla

Erittäin puhtaan 6N-rikin (≥99,9999 %:n puhtaus) tuotanto vaatii monivaiheisen tislauksen, syväadsorption ja erittäin puhtaan suodatuksen hivenmetallien, orgaanisten epäpuhtauksien ja hiukkasten poistamiseksi. Alla on teollisen mittakaavan prosessi, jossa yhdistyvät tyhjötislaus, mikroaaltoavusteinen puhdistus ja tarkkuusjälkikäsittelytekniikat.

I. Raaka-aineen esikäsittely ja epäpuhtauksien poisto

1. Raaka-aineiden valinta ja esikäsittely

• ‌Vaatimukset‌: Alkuperäinen rikkipitoisuus ≥99,9 % (3N-laatu), metallien kokonaisepäpuhtaudet ≤500 ppm, orgaanisen hiilen pitoisuus ≤0,1 %.
• ‌Mikroaaltouunissa avustettu sulatus‌:
  Raakarikki käsitellään mikroaaltoreaktorissa (2,45 GHz:n taajuus, 10–15 kW:n teho) 140–150 °C:ssa. Mikroaaltojen aiheuttama dipolirotaatio varmistaa nopean sulamisen samalla, kun orgaaniset epäpuhtaudet (esim. tervayhdisteet) hajoavat. Sulamisaika: 30–45 minuuttia; mikroaaltojen tunkeutumissyvyys: 10–15 cm
• ‌Deionisoidun veden pesu‌:
  Sulaa rikkiä sekoitetaan deionisoituun veteen (resistiivisyys ≥18 MΩ·cm) massasuhteessa 1:0,3 sekoitusreaktorissa (120 °C, 2 baarin paine) 1 tunnin ajan vesiliukoisten suolojen (esim. ammoniumsulfaatin, natriumkloridin) poistamiseksi. Vesifaasi dekantoidaan ja käytetään uudelleen 2–3 sykliä, kunnes johtavuus on ≤5 μS/cm.

2. Monivaiheinen adsorptio ja suodatus

• ‌Piimaa/aktiivihiilen adsorptio‌:
  Piimaata (0,5–1 %) ja aktiivihiiltä (0,2–0,5 %) lisätään sulaan rikkiin typpisuojauksessa (130 °C, 2 tunnin sekoitus) metallikompleksien ja jäännösorgaanisten aineiden adsorboimiseksi.
• ‌Erittäin tarkka suodatus‌:
  Kaksivaiheinen suodatus titaanisintraussuodattimilla (huokoskoko 0,1 μm) ≤0,5 MPa:n järjestelmäpaineessa. Suodatuksen jälkeinen hiukkasmäärä: ≤10 hiukkasta/l (koko >0,5 μm).

II. Monivaiheinen tyhjiötislausprosessi

‌1. Ensisijainen tislaus (metalliepäpuhtauksien poisto)‌

• ‌Laitteet‌: Erittäin puhdas kvartsitislauskolonni, jossa on 316L ruostumattomasta teräksestä valmistettu täyte (≥15 teoreettista pohjalevyä), tyhjiö ≤1 kPa.
• ‌Toimintaparametrit‌:
• ‌Syöttölämpötila‌: 250–280 °C (rikki kiehuu 444,6 °C:ssa ympäristön paineessa; tyhjiössä kiehumispiste laskee 260–300 °C:seen).
• ‌Refluksisuhde‌: 5:1–8:1; kolonnin yläosan lämpötilan vaihtelu ≤±0,5 °C.
• ‌Tuote‌: Kondensoituneen rikin puhtaus ≥99,99 % (4N-laatu), metallien epäpuhtauksien kokonaismäärä (Fe, Cu, Ni) ≤1 ppm.

2. Toissijainen molekyylitislaus (orgaanisten epäpuhtauksien poisto)

• ‌Laitteet‌: Lyhytpolkuinen molekyylitislaaja, jossa on 10–20 mm:n haihtumis-kondensaatiorako, haihtumislämpötila 300–320 °C, tyhjiö ≤0,1 Pa.
• ‌Epäpuhtauksien erotus‌:
  Matalalla kiehuvat orgaaniset yhdisteet (esim. tioeetterit, tiofeeni) höyrystyvät ja imeytyvät pois, kun taas korkealla kiehuvat epäpuhtaudet (esim. polyaromaattiset yhdisteet) jäävät jäänteisiin molekyylien vapaan reitin erojen vuoksi.
• ‌TuoteRikkipitoinen ≥99,999 % (5N-laatu), orgaaninen hiili ≤0,001 %, jäännöspitoisuus <0,3 %.

‌3. Tertiäärisen vyöhykkeen jalostus (6N-puhtauden saavuttaminen)‌

• ‌Laitteet‌: Vaakasuora vyöhykeravin, jossa on monivyöhykkeinen lämpötilansäätö (±0,1 °C), vyöhykkeen kulkunopeus 1–3 mm/h.
• ‌Erottelu‌:
  Käyttämällä segregaatiokertoimia (K=Ckiinteä/CnesteK=Ckiinteä​/Cneste), 20–30 vyöhyke kulkee rikastettujen metallien (As, Sb) läpi valanteen päässä. Loput 10–15 % rikkivalanteesta hylätään.

III. Jälkikäsittely ja erittäin puhdas muovaus

1. Erittäin puhdas liuotinuutto

• ‌Eetteri/hiilitetrakloridiuutto‌:
  Rikkiä sekoitetaan kromatografialaatuisen eetterin kanssa (tilavuussuhde 1:0,5) ultraäänen avustuksella (40 kHz, 40 °C) 30 minuutin ajan polaaristen orgaanisten jäämien poistamiseksi.
• ‌Liuottimien talteenotto‌:
  Molekyyliseula-adsorptio ja tyhjötislaus vähentävät liuotinjäämiä ≤0,1 ppm:ään.

2. Ultrasuodatus ja ioninvaihto

• ‌PTFE-kalvon ultrasuodatus‌:
  Sula rikki suodatetaan 0,02 μm:n PTFE-kalvojen läpi 160–180 °C:n lämpötilassa ja ≤0,2 MPa:n paineessa.
• ‌Ioninvaihtohartsit‌:
  Kelatointihartsit (esim. Amberlite IRC-748) poistavat ppb-tason metalli-ioneja (Cu²⁺, Fe³⁺) 1–2 BV/h virtausnopeuksilla.

3. Erittäin puhtaan ympäristön muodostuminen

• ‌Inertin kaasun sumutus‌:
  Luokan 10 puhdastilassa sulaa rikkiä sumutetaan typellä (paine 0,8–1,2 MPa) 0,5–1 mm:n pallomaisiksi rakeiksi (kosteus <0,001 %).
• ‌Tyhjiöpakkaus‌:
  Lopputuote tyhjiösinetöidään alumiinikomposiittikalvoon erittäin puhtaassa argonissa (≥99,9999 %:n puhtaus) hapettumisen estämiseksi.

IV. Keskeiset prosessiparametrit

V. Laadunvalvonta ja testaus

1. ‌Jäljellä olevien epäpuhtauksien analyysi‌:

• ‌GD-MS (hohtopurkausmassaspektrometria)Havaitsee metallit ≤0,01 ppb:n pitoisuuksilla.
• ‌TOC-analysaattoriMittaa orgaanista hiiltä ≤0,001 ppm.

1. ‌Hiukkaskoon hallinta‌:
   Laserdiffraktio (Mastersizer 3000) varmistaa D50-poikkeaman ≤±0,05 mm.
2. ‌Pinnan puhtaus‌:
   XPS (röntgenfotoelektronispektroskopia) vahvistaa pintaoksidin paksuuden ≤1 nm.

VI. Turvallisuus- ja ympäristösuunnittelu

1. ‌Räjähdyksenesto‌:
   Infrapunaliekinilmaisimet ja typpitulvitusjärjestelmät pitävät happitasot alle 3 %:ssa
2. ‌Päästöjenhallinta‌:

• ‌Happamat kaasutKaksivaiheinen NaOH-pesu (20 % + 10 %) poistaa ≥99,9 % H₂S/SO₂:ta.
• ‌VOC-yhdisteetZeoliittiroottori + RTO (850 °C) vähentää metaanittomat hiilivedyt arvoon ≤10 mg/m³.

1. ‌Jätteiden kierrätys‌:
   Korkean lämpötilan pelkistys (1200 °C) ottaa talteen metalleja; jäännösrikkipitoisuus <0,1 %.

VII. Teknoekonomiset mittarit

• ‌Energiankulutus‌: 800–1200 kWh sähköä ja 2–3 tonnia höyryä per tonni 6N rikkiä.
• ‌SaantoRikin talteenotto ≥85 %, jäännöspitoisuus <1,5 %.
• ‌MaksaaTuotantokustannukset ~120 000–180 000 CNY/tonni; markkinahinta 250 000–350 000 CNY/tonni (puolijohdelaatuinen).

Tämä prosessi tuottaa 6N rikkiä puolijohdefotoresisteille, III-V-yhdistealustoille ja muille edistyneille sovelluksille. Reaaliaikainen valvonta (esim. LIBS-alkuaineanalyysi) ja ISO-luokan 1 puhdastilakalibrointi takaavat tasaisen laadun.

Alaviitteet

1. Viite 2: Teollisuuden rikinpuhdistusstandardit
2. Viite 3: Edistyneet suodatustekniikat kemiantekniikassa
3. Viite 6: Erittäin puhtaiden materiaalien käsittelyn käsikirja
4. Viite 8: Puolijohdelaatuisten kemikaalien tuotantoprotokollat
5. Viite 5: Tyhjiötislauksen optimointi