6N proces destilacije i prečišćavanja sumpora ultra visoke čistoće s detaljnim parametrima

Proizvodnja 6N (≥99,9999% čistoće) sumpora ultra visoke čistoće zahtijeva višestepenu destilaciju, duboku adsorpciju i ultračistu filtraciju kako bi se eliminisali tragovi metala, organske nečistoće i čestice. U nastavku je prikazan proces industrijskog obima koji integriše vakuumsku destilaciju, prečišćavanje uz pomoć mikrotalasa i tehnologije precizne naknadne obrade.

I. Prethodna obrada sirovina i uklanjanje nečistoća

1. Odabir i predobrada sirovina

• ‌ZahtjeviPočetna čistoća sumpora ≥99,9% (3N stupanj), ukupne metalne nečistoće ≤500 ppm, sadržaj organskog ugljika ≤0,1%.
• ‌Topljenje uz pomoć mikrovalova:
  Sirovi sumpor se prerađuje u mikrovalnom reaktoru (frekvencija 2,45 GHz, snaga 10–15 kW) na temperaturi od 140–150°C. Rotacija dipola izazvana mikrovalovima osigurava brzo topljenje uz razgradnju organskih nečistoća (npr. spojeva katrana). Vrijeme topljenja: 30–45 minuta; dubina prodiranja mikrovalova: 10–15 cm
• ‌Pranje deioniziranom vodom:
  Rastopljeni sumpor se miješa s deioniziranom vodom (otpornost ≥18 MΩ·cm) u masenom omjeru 1:0,3 u reaktoru s miješanjem (120°C, pritisak od 2 bara) tokom 1 sata kako bi se uklonile soli topljive u vodi (npr. amonijum sulfat, natrijum hlorid). Vodena faza se dekantira i ponovo koristi 2-3 ciklusa dok provodljivost ne dostigne ≤5 μS/cm.

2. Višestepena adsorpcija i filtracija

• ‌Adsorpcija dijatomejske zemlje/aktivnog uglja:
  Dijatomejska zemlja (0,5–1%) i aktivni ugalj (0,2–0,5%) dodaju se rastopljenom sumporu pod zaštitom dušika (130°C, 2 sata miješanja) kako bi se adsorbirali metalni kompleksi i preostale organske tvari.
• ‌Ultra precizna filtracija:
  Dvostepena filtracija korištenjem sinterovanih titanijumskih filtera (veličina pora 0,1 μm) pri pritisku sistema ≤0,5 MPa. Broj čestica nakon filtracije: ≤10 čestica/L (veličina >0,5 μm).

II. Višestepeni proces vakuumske destilacije

1. Primarna destilacija (uklanjanje metalnih nečistoća)

• ‌Oprema‌: Kolona za destilaciju od visokočistog kvarca sa strukturiranim punjenjem od nehrđajućeg čelika 316L (≥15 teorijskih ploča), vakuum ≤1 kPa.
• ‌Operativni parametri:
• ‌Temperatura hrane250–280°C (sumpor ključa na 444,6°C pod sobnim pritiskom; vakuum smanjuje tačku ključanja na 260–300°C).
• ‌Omjer refluksa5:1–8:1; fluktuacija temperature vrha kolone ≤±0,5°C.
• ‌ProizvodČistoća kondenzovanog sumpora ≥99,99% (4N kvaliteta), ukupne metalne nečistoće (Fe, Cu, Ni) ≤1 ppm.

2. Sekundarna molekularna destilacija (uklanjanje organskih nečistoća)

• ‌OpremaMolekularni destilator kratkog puta s razmakom isparavanja i kondenzacije od 10–20 mm, temperatura isparavanja 300–320°C, vakuum ≤0,1 Pa.
• ‌Odvajanje nečistoća:
  Organske materije s niskom tačkom ključanja (npr. tioeteri, tiofen) isparavaju i evakuiraju, dok nečistoće s visokom tačkom ključanja (npr. poliaromati) ostaju u ostacima zbog razlika u slobodnom putu molekula.
• ‌ProizvodČistoća sumpora ≥99,999% (5N kvaliteta), organski ugljik ≤0,001%, stopa ostataka <0,3%.

3. Tercijarna zona rafiniranja (postizanje čistoće 6N)

• ‌OpremaHorizontalni zonski rafiner sa višezonskom kontrolom temperature (±0,1°C), brzina kretanja zone 1–3 mm/h.
• ‌Segregacija:
  Korištenjem koeficijenata segregacije (K=Cčvrsto/CtečnoK=CčvrstoCtečnost), zona od 20-30 prolazi kroz koncentrat metala (As, Sb) na kraju ingota. Preostalih 10-15% sumpornog ingota se odbacuje.

III. Naknadna obrada i ultra čisto oblikovanje

1. Ekstrakcija ultračistim rastvaračima

• ‌Ekstrakcija etera/ugljikovog tetrahlorida:
  Sumpor se miješa s etrom hromatografskog kvaliteta (omjer volumena 1:0,5) pod ultrazvučnom pomoći (40 kHz, 40°C) tokom 30 minuta kako bi se uklonili tragovi polarnih organskih materija.
• ‌Oporavak rastvarača:
  Adsorpcija molekularnim sitom i vakuumska destilacija smanjuju ostatke rastvarača na ≤0,1 ppm.

2. Ultrafiltracija i ionska izmjena

• ‌Ultrafiltracija PTFE membrane:
  Rastopljeni sumpor se filtrira kroz PTFE membrane od 0,02 μm na temperaturi od 160–180°C i pritisku ≤0,2 MPa.
• ‌Ionsko-izmjenjivačke smole:
  Helirajuće smole (npr. Amberlite IRC-748) uklanjaju metalne ione na nivou ppb (Cu²⁺, Fe³⁺) pri protoku od 1–2 BV/h.

3. Formiranje ultra čistog okruženja

• ‌Atomizacija inertnog gasa:
  U čistoj sobi klase 10, rastopljeni sumpor se atomizira dušikom (pritisak 0,8–1,2 MPa) u sferne granule veličine 0,5–1 mm (vlaga <0,001%).
• ‌Vakuumsko pakovanje:
  Konačni proizvod je vakuumski zapečaćen u aluminijsku kompozitnu foliju pod ultračistim argonom (čistoća ≥99,9999%) kako bi se spriječila oksidacija.

IV. Ključni parametri procesa

V. Kontrola i testiranje kvalitete

1. ‌Analiza tragova nečistoća:

• ‌GD-MS (Masena spektrometrija sa sijajućim pražnjenjem)Detektira metale na ≤0,01 ppb.
• ‌Analizator TOC-aMjeri organski ugljik ≤0,001 ppm.

1. ‌Kontrola veličine čestica:
   Laserska difrakcija (Mastersizer 3000) osigurava odstupanje D50 ≤±0,05 mm.
2. ‌Čistoća površine:
   XPS (rendgenska fotoelektronska spektroskopija) potvrđuje debljinu površinskog oksida ≤1 nm.

VI. Sigurnosni i ekološki dizajn

1. ‌Sprečavanje eksplozije:
   Infracrveni detektori plamena i sistemi za navodnjavanje dušikom održavaju nivo kisika <3%
2. ‌Kontrola emisija:

• ‌Kiseli plinoviDvostepeno čišćenje NaOH-om (20% + 10%) uklanja ≥99,9% H₂S/SO₂.
• ‌VOC-oviZeolitni rotor + RTO (850°C) smanjuje nemetanske ugljikovodike na ≤10 mg/m³.

1. ‌Recikliranje otpada:
   Redukcija na visokoj temperaturi (1200°C) izdvaja metale; sadržaj sumpora u ostatku <0,1%.

VII. Tehno-ekonomske metrike

• ‌Potrošnja energije800–1200 kWh električne energije i 2–3 tone pare po toni 6N sumpora.
• ‌PrinosIskorištenje sumpora ≥85%, stopa ostataka <1,5%.
• ‌CijenaTroškovi proizvodnje ~120.000–180.000 CNY/toni; tržišna cijena 250.000–350.000 CNY/toni (poluprovodnički kvalitet).

Ovaj proces proizvodi 6N sumpor za poluprovodničke fotoreziste, III-V spojne podloge i druge napredne primjene. Praćenje u stvarnom vremenu (npr. LIBS elementarna analiza) i kalibracija čistih soba ISO klase 1 osiguravaju konzistentan kvalitet.

Fusnote

1. Referenca 2: Industrijski standardi za prečišćavanje sumpora
2. Referenca 3: Napredne tehnike filtracije u hemijskom inženjerstvu
3. Referenca 6: Priručnik za obradu materijala visoke čistoće
4. Referenca 8: Protokoli za proizvodnju hemikalija poluprovodničkog kvaliteta
5. Referenca 5: Optimizacija vakuumske destilacije