De productie van 6N (≥ 99,9999% zuiverheid) ultrazuivere zwavel vereist meertrapsdestillatie, diepe adsorptie en ultrazuivere filtratie om sporenmetalen, organische verontreinigingen en deeltjes te verwijderen. Hieronder ziet u een proces op industriële schaal dat vacuümdestillatie, microgolfondersteunde zuivering en precisienabehandelingstechnologieën integreert.
I. Voorbehandeling van grondstoffen en verwijdering van onzuiverheden
1. Selectie en voorbehandeling van grondstoffen
- Vereisten: Initiële zwavelzuiverheid ≥99,9% (3N-kwaliteit), totale metaalverontreinigingen ≤500 ppm, organische koolstofgehalte ≤0,1%.
- Magnetronondersteund smelten:
Ruwe zwavel wordt verwerkt in een microgolfreactor (frequentie 2,45 GHz, vermogen 10-15 kW) bij 140-150 °C. Microgolfgeïnduceerde dipoolrotatie zorgt voor een snelle smelting en ontbindt organische verontreinigingen (bijv. teerverbindingen). Smelttijd: 30-45 minuten; microgolfpenetratiediepte: 10-15 cm - Gedeïoniseerd water wassen:
Gesmolten zwavel wordt gemengd met gedeïoniseerd water (weerstand ≥ 18 MΩ·cm) in een massaverhouding van 1:0,3 in een geroerde reactor (120 °C, 2 bar druk) gedurende 1 uur om in water oplosbare zouten (bijv. ammoniumsulfaat, natriumchloride) te verwijderen. De waterige fase wordt afgegoten en gedurende 2-3 cycli hergebruikt totdat de geleidbaarheid ≤ 5 μS/cm is.
2. Meertraps adsorptie en filtratie
- Diatomeeënaarde/geactiveerde kool adsorptie:
Diatomeeënaarde (0,5–1%) en actieve kool (0,2–0,5%) worden toegevoegd aan gesmolten zwavel onder stikstofbescherming (130°C, 2 uur roeren) om metaalcomplexen en resterende organische stoffen te adsorberen - Ultraprecisiefiltratie:
Twee-trapsfiltratie met titanium gesinterde filters (poriegrootte 0,1 μm) bij een systeemdruk ≤ 0,5 MPa. Aantal deeltjes na filtratie: ≤ 10 deeltjes/l (grootte > 0,5 μm).
II. Meertraps vacuümdestillatieproces
1. Primaire destillatie (verwijdering van metaalverontreinigingen)
- Apparatuur: Destillatiekolom van kwarts met hoge zuiverheid en gestructureerde pakking van roestvrij staal 316L (≥15 theoretische platen), vacuüm ≤1 kPa.
- Operationele parameters:
- Voedingstemperatuur: 250–280°C (zwavel kookt bij 444,6°C onder omgevingsdruk; vacuüm verlaagt het kookpunt tot 260–300°C).
- Refluxverhouding: 5:1–8:1; temperatuurschommeling bovenaan de kolom ≤±0,5°C.
- Product: Zuiverheid van gecondenseerde zwavel ≥99,99% (4N-kwaliteit), totale metaalverontreinigingen (Fe, Cu, Ni) ≤1 ppm.
2. Secundaire moleculaire destillatie (verwijdering van organische onzuiverheden)
- Apparatuur: Moleculaire destilleerder met korte weg en een verdampings-condensatieafstand van 10–20 mm, verdampingstemperatuur 300–320°C, vacuüm ≤0,1 Pa.
- Scheiding van onzuiverheden:
Laagkokende organische stoffen (bijv. thioethers, thiofeen) worden verdampt en afgevoerd, terwijl hoogkokende onzuiverheden (bijv. polyaromaten) in de residuen achterblijven vanwege verschillen in het moleculaire vrije pad. - Product: Zuiverheid zwavel ≥99,999% (5N-kwaliteit), organische koolstof ≤0,001%, residupercentage <0,3%.
3. Raffinage in de tertiaire zone (bereiken van een zuiverheid van 6N)
- Apparatuur: Horizontale zone-verfijner met temperatuurregeling in meerdere zones (±0,1 °C), zonesnelheid 1–3 mm/u.
- Segregatie:
Gebruikmakend van segregatiecoëfficiënten (K=Csolid/CliquidK=Cvast/CDe 20-30 zone passeert geconcentreerde metalen (As, Sb) aan het uiteinde van de ingot. De laatste 10-15% van de zwavelingot wordt weggegooid.
III. Nabehandeling en ultra-schone vormgeving
1. Ultrazuivere oplosmiddelextractie
- Ether/Koolstoftetrachloride-extractie:
Zwavel wordt gemengd met ether van chromatografische kwaliteit (volumeverhouding 1:0,5) onder ultrasone ondersteuning (40 kHz, 40°C) gedurende 30 minuten om sporen van polaire organische stoffen te verwijderen. - Oplosmiddelherstel:
Moleculaire zeefadsorptie en vacuümdestillatie reduceren oplosmiddelresten tot ≤0,1 ppm.
2. Ultrafiltratie en ionenuitwisseling
- PTFE-membraan ultrafiltratie:
Gesmolten zwavel wordt gefilterd door 0,02 μm PTFE-membranen bij 160–180°C en ≤0,2 MPa druk. - Ionenuitwisselingsharsen:
Chelaterende harsen (bijv. Amberlite IRC-748) verwijderen metaalionen op ppb-niveau (Cu²⁺, Fe³⁺) bij een stroomsnelheid van 1–2 BV/h.
3. Vorming van een ultra-schone omgeving
- Inert gas atomisatie:
In een cleanroom van klasse 10 wordt gesmolten zwavel verneveld met stikstof (0,8–1,2 MPa druk) tot bolvormige korrels van 0,5–1 mm (vochtgehalte <0,001%). - Vacuümverpakking:
Het eindproduct wordt vacuüm verpakt in een aluminium composietfolie onder ultrazuiver argon (≥99,9999% zuiverheid) om oxidatie te voorkomen.
IV. Belangrijkste procesparameters
| Procesfase | Temperatuur (°C) | druk | Tijd/Snelheid | Kernuitrusting |
| Magnetronsmelten | 140–150 | Omgeving | 30–45 minuten | Microgolfreactor |
| Gedeïoniseerd water wassen | 120 | 2 bar | 1 uur/cyclus | Geroerde reactor |
| Moleculaire destillatie | 300–320 | ≤0,1 Pa | Doorlopend | Korte-weg moleculaire distilleerder |
| Zone-raffinage | 115–120 | Omgeving | 1–3 mm/u | Horizontale zone-raffinaderij |
| PTFE-ultrafiltratie | 160–180 | ≤0,2 MPa | 1–2 m³/u stroming | Hogetemperatuurfilter |
| Stikstofatomisatie | 160–180 | 0,8–1,2 MPa | 0,5–1 mm korrels | Atomisatietoren |
V. Kwaliteitscontrole en testen
- Analyse van sporenverontreinigingen:
- GD-MS (Glow Discharge Mass Spectrometrie): Detecteert metalen met een dichtheid ≤0,01 ppb.
- TOC-analysator: Meet organische koolstof ≤0,001 ppm.
- Controle van de deeltjesgrootte:
Laserdiffractie (Mastersizer 3000) zorgt voor een D50-afwijking ≤±0,05 mm. - Oppervlaktereiniging:
XPS (röntgenfoto-elektronenspectroscopie) bevestigt een oppervlakteoxidedikte ≤1 nm.
VI. Veiligheid en milieuontwerp
- Explosiepreventie:
Infraroodvlamdetectoren en stikstofoverstromingssystemen zorgen ervoor dat het zuurstofgehalte <3% blijft - Emissiebeheersing:
- Zure gassen: Twee-staps NaOH-wassing (20% + 10%) verwijdert ≥99,9% H₂S/SO₂.
- VOC's: Zeolietrotor + RTO (850°C) reduceert niet-methaan koolwaterstoffen tot ≤10 mg/m³.
- Afvalrecycling:
Door reductie bij hoge temperatuur (1200°C) worden metalen teruggewonnen; restzwavelgehalte <0,1%.
VII. Techno-economische statistieken
- Energieverbruik: 800–1200 kWh elektriciteit en 2–3 ton stoom per ton 6N-zwavel.
- Opbrengst: Zwavelherstel ≥85%, residupercentage <1,5%.
- Kosten: Productiekosten ~120.000–180.000 CNY/ton; marktprijs 250.000–350.000 CNY/ton (halfgeleiderkwaliteit).
Dit proces produceert 6N-zwavel voor fotoresists in halfgeleiders, III-V-substraten en andere geavanceerde toepassingen. Realtime monitoring (bijv. LIBS-elementanalyse) en ISO-klasse 1 cleanroomkalibratie garanderen een consistente kwaliteit.
Voetnoten
- Referentie 2: Normen voor industriële zwavelzuivering
- Referentie 3: Geavanceerde filtratietechnieken in de chemische technologie
- Referentie 6: Handboek voor de verwerking van hoogzuivere materialen
- Referentie 8: Protocollen voor chemische productie van halfgeleiderkwaliteit
- Referentie 5: Optimalisatie van vacuümdestillatie
Plaatsingstijd: 02-04-2025