Seleniul, ca material semiconductor important și materie primă industrială, are performanța direct afectată de puritatea sa. În timpul procesului de purificare prin distilare în vid, impuritățile de oxigen sunt unul dintre principalii factori care influențează puritatea seleniului. Acest articol oferă o discuție detaliată a diferitelor metode și tehnici de reducere a conținutului de oxigen în timpul purificării seleniului prin distilare în vid.

I. Reducerea conținutului de oxigen în etapa de pretratare a materiei prime

1. Purificarea preliminară a materiilor prime

Seleniul brut conține de obicei diverse impurități, inclusiv oxizi. Înainte de a intra în sistemul de distilare în vid, trebuie utilizate metode chimice de curățare pentru a îndepărta oxizii de suprafață. Soluțiile de curățare utilizate în mod obișnuit includ:

• Soluție diluată de acid clorhidric (concentrație 5-10%): Dizolvă eficient oxizi precum SeO₂
• Etanol sau acetonă: Folosit pentru îndepărtarea contaminanților organici
• Apă deionizată: Clătiri multiple pentru îndepărtarea acidului rezidual

După curățare, uscarea trebuie efectuată sub o atmosferă de gaz inert (de exemplu, Ar sau N₂) pentru a preveni reoxidarea.

2. Tratamentul pre-reducere al materiilor prime

Tratamentul de reducere a materiei prime înainte de distilarea în vid poate reduce semnificativ conținutul de oxigen:

• Reducerea hidrogenului: Introducerea de hidrogen de înaltă puritate (puritate ≥99,999%) la 200-300°C pentru a reduce SeO₂ la seleniu elementar
• Reducere carbotermică: Se amestecă materia primă de seleniu cu pulbere de carbon de înaltă puritate și se încălzește la 400-500°C în vid sau atmosferă inertă, inducând reacția C + SeO₂ → Se + CO₂
• Reducerea sulfurilor: Gazele precum H₂S pot reduce oxizii de seleniu la temperaturi relativ scăzute

II. Proiectarea și optimizarea operațională a sistemului de distilare în vid

1. Selectarea și configurarea sistemului de vid

Un mediu cu vid ridicat este esențial pentru reducerea conținutului de oxigen:

• Se utilizează o combinație de pompă de difuzie + pompă mecanică, cu un vid termin care atinge cel puțin 10⁻⁴ Pa
• Sistemul trebuie să fie echipat cu o trapă de frig pentru a preveni difuzia inversă a vaporilor de ulei.
• Toate conexiunile trebuie să utilizeze etanșări metalice pentru a evita degazarea de la etanșările de cauciuc.
• Sistemul ar trebui să fie supus unei degazări suficiente la coacere (200-250°C, 12-24 ore)

2. Control precis al temperaturii și presiunii de distilare

Combinații optime ale parametrilor de proces:

• Temperatura de distilare: Controlată în intervalul 220-280°C (sub punctul de fierbere al seleniului de 685°C)
• Presiunea sistemului: Menținută între 1-10 Pa
• Viteză de încălzire: 5-10°C/min pentru a evita evaporarea violentă și antrenarea
• Temperatura zonei de condensare: Menținută la 50-80°C pentru a asigura condensarea completă a selenului

3. Tehnologia de distilare în mai multe etape

Distilarea în mai multe etape poate reduce progresiv conținutul de oxigen:

• Prima etapă: Distilare brută pentru îndepărtarea majorității impurităților volatile
• A doua etapă: Control precis al temperaturii pentru colectarea fracției principale
• A treia etapă: Distilare lentă la temperatură scăzută pentru obținerea unui produs de înaltă puritate
  Pentru condensarea fracționată se pot utiliza temperaturi diferite de condensare între etape

III. Măsuri auxiliare de proces

1. Tehnologie de protecție împotriva gazelor inerte

Deși funcționează în vid, introducerea corespunzătoare a unui gaz inert de înaltă puritate ajută la reducerea conținutului de oxigen:

• După evacuarea sistemului, umpleți cu argon de înaltă puritate (puritate ≥99,9995%) până la 1000 Pa
• Utilizați protecția dinamică a fluxului de gaz, introducând continuu o cantitate mică de argon (10-20 sccm)
• Instalați purificatoare de gaz de înaltă eficiență la intrările de gaz pentru a elimina oxigenul rezidual și umezeala.

2. Adăugarea de agenți de eliminare a oxigenului

Adăugarea de agenți de absorbție a oxigenului adecvați la materia primă poate reduce eficient conținutul de oxigen:

• Magneziu metalic: Afinitate puternică pentru oxigen, formând MgO
• Pulbere de aluminiu: Poate elimina simultan oxigenul și sulful
• Metale de pământuri rare: cum ar fi Y, La etc., cu efecte excelente de eliminare a oxigenului
  Cantitatea de agent de eliminare a oxigenului este de obicei 0,1-0,5% din greutatea materiei prime; cantitățile excesive pot afecta puritatea seleniului.

3. Tehnologia de filtrare topită

Filtrarea seleniului topit înainte de distilare:

• Folosiți filtre de cuarț sau ceramice cu dimensiuni ale porilor de 1-5 μm
• Controlul temperaturii de filtrare la 220-250°C
• Poate îndepărta particulele solide de oxid
• Filtrele trebuie pre-degazate sub vid înalt

IV. Post-tratare și depozitare

1. Colectarea și manipularea produselor

• Colectorul condensatorului trebuie proiectat ca o structură detașabilă pentru o recuperare ușoară a materialului într-un mediu inert.
• Lingourile de seleniu colectate trebuie ambalate într-o cutie cu mănuși cu argon.
• Gravarea suprafeței poate fi efectuată, dacă este necesar, pentru a îndepărta potențialele straturi de oxid.

2. Controlul condițiilor de depozitare

• Mediul de depozitare trebuie păstrat uscat (punct de rouă ≤-60°C)
• Folosiți ambalaje sigilate cu strat dublu, umplute cu gaz inert de înaltă puritate
• Temperatura de depozitare recomandată sub 20°C
• Evitați expunerea la lumină pentru a preveni reacțiile de oxidare fotocatalitică

V. Controlul calității și testarea

1. Tehnologie de monitorizare online

• Instalați analizoare de gaze reziduale (RGA) pentru a monitoriza presiunea parțială a oxigenului în timp real
• Utilizarea senzorilor de oxigen pentru a controla conținutul de oxigen din gazele protectoare
• Folosește spectroscopia în infraroșu pentru a identifica vârfurile de absorbție caracteristice ale legăturilor Se-O

2. Analiza produsului finit

• Utilizarea metodei de absorbție în infraroșu cu fuziune de gaze inerte pentru a determina conținutul de oxigen
• Spectrometrie de masă cu ioni secundari (SIMS) pentru analiza distribuției oxigenului
• Spectroscopia fotoelectronică cu raze X (XPS) pentru detectarea stărilor chimice de suprafață

Prin măsurile complete descrise mai sus, conținutul de oxigen poate fi controlat sub 1 ppm în timpul purificării seleniului prin distilare în vid, îndeplinind cerințele pentru aplicațiile cu seleniu de înaltă puritate. În producția reală, parametrii procesului ar trebui optimizați în funcție de condițiile echipamentului și de cerințele produsului și ar trebui stabilit un sistem strict de control al calității.