6N postupak destilacije i pročišćavanja sumpora ultra visoke čistoće s detaljnim parametrima

Proizvodnja 6N (≥99,9999% čistoće) sumpora ultra visoke čistoće zahtijeva višestupanjsku destilaciju, duboku adsorpciju i ultračistu filtraciju kako bi se uklonili tragovi metala, organske nečistoće i čestice. U nastavku je prikazan industrijski proces koji integrira vakuumsku destilaciju, pročišćavanje uz pomoć mikrovalova 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%.
• ‌Taljenje uz pomoć mikrovalova:
  Sirovi sumpor se prerađuje u mikrovalnom reaktoru (frekvencija 2,45 GHz, snaga 10–15 kW) na 140–150 °C. Mikrovalovima inducirana dipolna rotacija osigurava brzo taljenje uz razgradnju organskih nečistoća (npr. spojeva katrana). Vrijeme taljenja: 30–45 minuta; dubina prodiranja mikrovalova: 10–15 cm
• ‌Pranje deioniziranom vodom:
  Rastaljeni sumpor se miješa s deioniziranom vodom (otpornost ≥18 MΩ·cm) u masenom omjeru 1:0,3 u reaktoru s miješanjem (120 °C, tlak od 2 bara) tijekom 1 sata kako bi se uklonile soli topljive u vodi (npr. amonijev sulfat, natrijev klorid). Vodena faza se dekantira i ponovno koristi 2-3 ciklusa dok vodljivost ne dostigne ≤5 μS/cm.

2. Višestupanjska adsorpcija i filtracija

• ‌Adsorpcija dijatomejske zemlje/aktivnog ugljena:
  Dijatomejska zemlja (0,5–1%) i aktivni ugljen (0,2–0,5%) dodaju se rastaljenom sumporu pod zaštitom dušika (130 °C, 2 sata miješanja) kako bi se adsorbirali metalni kompleksi i preostale organske tvari.
• ‌Ultraprecizna filtracija:
  Dvostupanjska filtracija korištenjem sinteriranih filtera od titana (veličina pora 0,1 μm) pri tlaku sustava ≤0,5 MPa. Broj čestica nakon filtracije: ≤10 čestica/L (veličina >0,5 μm).

II. Višestupanjski postupak vakuumske destilacije

1. Primarna destilacija (uklanjanje metalnih nečistoća)

• ‌Oprema‌: Kolona za destilaciju od kvarca visoke čistoće s punjenjem od nehrđajućeg čelika 316L (≥15 teorijskih ploča), vakuum ≤1 kPa.
• ‌Operativni parametri:
• ‌Temperatura ulaza250–280 °C (sumpor vrije na 444,6 °C pod sobnim tlakom; vakuum smanjuje vrelište na 260–300 °C).
• ‌Omjer refluksa5:1–8:1; fluktuacija temperature vrha kolone ≤±0,5 °C.
• ‌ProizvodČistoća kondenziranog sumpora ≥99,99% (4N stupanj), 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 tvari s niskim vrelištem (npr. tioeteri, tiofen) isparavaju i evakuiraju se, dok nečistoće s visokim vrelištem (npr. poliaromati) ostaju u ostacima zbog razlika u slobodnom putu molekula.
• ‌ProizvodČistoća sumpora ≥99,999% (5N stupanj), organski ugljik ≤0,001%, stopa ostataka <0,3%.

3. Tercijarna zona rafiniranja (postizanje čistoće 6N)

• ‌OpremaHorizontalni zonski pročišćavač s višezonskom kontrolom temperature (±0,1 °C), brzina zonskog kretanja 1–3 mm/h.
• ‌Segregacija:
  Korištenjem koeficijenata segregacije (K=Ckruto/CtekućinaK=CčvrstoCtekućina), zona od 20-30 prolazi kroz koncentrirane metale (As, Sb) na kraju ingota. Preostalih 10-15% sumpornog ingota se odbacuje.

III. Naknadna obrada i ultra čisto oblikovanje

1. Ekstrakcija ultračistim otapalima

• ‌Ekstrakcija etera/ugljikovog tetraklorida:
  Sumpor se miješa s kromatografskim eterom (volumni omjer 1:0,5) pod ultrazvučnom pomoći (40 kHz, 40 °C) tijekom 30 minuta kako bi se uklonili tragovi polarnih organskih tvari.
• ‌Oporavak otapala:
  Adsorpcija molekularnim sitom i vakuumska destilacija smanjuju ostatke otapala na ≤0,1 ppm.

2. Ultrafiltracija i ionska izmjena

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

3. Stvaranje ultračistog okoliša

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

IV. Ključni parametri procesa

V. Kontrola kvalitete i ispitivanje

1. ‌Analiza nečistoća u tragovima:

• ‌GD-MS (masena spektrometrija s tlijevim izbojem)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. ‌Sprječavanje eksplozije:
   Infracrveni detektori plamena i sustavi za navodnjavanje dušikom održavaju razinu kisika <3%
2. ‌Kontrola emisija:

• ‌Kiseli plinoviDvostupanjsko čišćenje s NaOH (20% + 10%) uklanja ≥99,9% H₂S/SO₂.
• ‌Hlapljivi organski spojevi (VOC)Zeolitni 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%.
• ‌TrošakTroškovi proizvodnje ~120.000–180.000 CNY/tona; tržišna cijena 250.000–350.000 CNY/tona (poluvodička kvaliteta).

Ovim postupkom se proizvodi 6N sumpor za poluvodičke fotoreziste, III-V spojeve i druge napredne primjene. Praćenje u stvarnom vremenu (npr. elementarna analiza LIBS-a) i kalibracija čiste sobe ISO klase 1 osiguravaju konzistentnu kvalitetu.

Fusnote

1. Referenca 2: Industrijski standardi za pročišćavanje sumpora
2. Referenca 3: Napredne tehnike filtracije u kemijskom inženjerstvu
3. Referenca 6: Priručnik za obradu materijala visoke čistoće
4. Referenca 8: Protokoli za kemijsku proizvodnju poluvodičke kvalitete
5. Referenca 5: Optimizacija vakuumske destilacije