Selen, jako ważny materiał półprzewodnikowy i surowiec przemysłowy, ma bezpośrednio wpływ na swoje właściwości w zależności od czystości. Podczas procesu oczyszczania metodą destylacji próżniowej zanieczyszczenia tlenowe są jednym z głównych czynników wpływających na czystość selenu. Niniejszy artykuł zawiera szczegółową dyskusję na temat różnych metod i technik redukcji zawartości tlenu podczas oczyszczania selenu metodą destylacji próżniowej.

I. Zmniejszanie zawartości tlenu na etapie wstępnej obróbki surowca

1. Wstępne oczyszczanie surowców

Surowy selen zazwyczaj zawiera różne zanieczyszczenia, w tym tlenki. Przed wprowadzeniem do systemu destylacji próżniowej należy zastosować chemiczne metody czyszczenia w celu usunięcia tlenków powierzchniowych. Powszechnie stosowane roztwory czyszczące obejmują:

• Rozcieńczony roztwór kwasu solnego (stężenie 5-10%): Skutecznie rozpuszcza tlenki takie jak SeO₂
• Etanol lub aceton: Stosowane do usuwania zanieczyszczeń organicznych
• Woda dejonizowana: Wielokrotne płukanie w celu usunięcia resztek kwasu

Po oczyszczeniu należy przeprowadzić suszenie w atmosferze gazu obojętnego (np. Ar lub N₂), aby zapobiec ponownemu utlenieniu.

2. Obróbka surowców przed redukcją

Obróbka redukcyjna surowca przed destylacją próżniową może znacząco obniżyć zawartość tlenu:

• Redukcja wodoru: Wprowadzenie wodoru o wysokiej czystości (czystość ≥99,999%) w temperaturze 200–300°C w celu redukcji SeO₂ do pierwiastkowego selenu
• Redukcja karbotermiczna: Wymieszaj surowiec selenowy z proszkiem węglowym o wysokiej czystości i podgrzej do temperatury 400–500°C w próżni lub atmosferze obojętnej, wywołując reakcję C + SeO₂ → Se + CO₂
• Redukcja siarczków: Gazy takie jak H₂S mogą redukować tlenki selenu w stosunkowo niskich temperaturach

II. Projekt i optymalizacja działania układu destylacji próżniowej

1. Wybór i konfiguracja układu próżniowego

Środowisko o wysokiej próżni jest kluczowe dla redukcji zawartości tlenu:

• Użyj kombinacji pompy dyfuzyjnej i pompy mechanicznej, z próżnią końcową wynoszącą co najmniej 10⁻⁴ Pa
• System powinien być wyposażony w pułapkę zimna, aby zapobiec cofaniu się oparów oleju
• Wszystkie połączenia powinny być wyposażone w uszczelki metalowe, aby zapobiec wydzielaniu się gazów z uszczelek gumowych
• Układ powinien zostać poddany odpowiedniemu odgazowaniu i wypaleniu (200–250°C, 12–24 godziny)

2. Precyzyjna kontrola temperatury i ciśnienia destylacji

Optymalne kombinacje parametrów procesu:

• Temperatura destylacji: Kontrolowana w zakresie 220-280°C (poniżej temperatury wrzenia selenu 685°C)
• Ciśnienie w układzie: Utrzymywane w zakresie 1-10 Pa
• Szybkość nagrzewania: 5-10°C/min, aby uniknąć gwałtownego parowania i wciągania
• Temperatura strefy kondensacji: Utrzymywana na poziomie 50-80°C w celu zapewnienia całkowitej kondensacji selenu

3. Technologia destylacji wieloetapowej

Destylacja wieloetapowa pozwala stopniowo zmniejszać zawartość tlenu:

• Pierwszy etap: wstępna destylacja w celu usunięcia większości lotnych zanieczyszczeń
• Drugi etap: Precyzyjna kontrola temperatury w celu zebrania głównej frakcji
• Trzeci etap: Niskotemperaturowa, powolna destylacja w celu uzyskania produktu o wysokiej czystości
  W przypadku kondensacji frakcyjnej pomiędzy poszczególnymi etapami można stosować różne temperatury kondensacji

III. Środki pomocnicze w procesie

1. Technologia ochrony gazem obojętnym

Mimo że urządzenie działa w próżni, odpowiednie wprowadzenie gazu obojętnego o wysokiej czystości pomaga zmniejszyć zawartość tlenu:

• Po ewakuacji układu należy napełnić go argonem o wysokiej czystości (czystość ≥99,9995%) do ciśnienia 1000 Pa
• Stosuj dynamiczną ochronę przepływu gazu, stale wprowadzając niewielką ilość argonu (10-20 sccm)
• Zainstaluj wysokowydajne oczyszczacze gazu na wlotach gazu, aby usunąć resztki tlenu i wilgoci

2. Dodanie pochłaniaczy tlenu

Dodanie odpowiednich pochłaniaczy tlenu do surowca może skutecznie obniżyć zawartość tlenu:

• Magnez metaliczny: silne powinowactwo do tlenu, tworząc MgO
• Proszek aluminiowy: Może jednocześnie usuwać tlen i siarkę
• Metale ziem rzadkich: takie jak Y, La itp., które wykazują doskonałe właściwości usuwania tlenu
  Ilość środka pochłaniającego tlen wynosi zazwyczaj 0,1–0,5% wag. surowca; nadmiar może mieć wpływ na czystość selenu

3. Technologia filtracji stopionej

Filtrowanie stopionego selenu przed destylacją:

• Stosuj filtry kwarcowe lub ceramiczne o wielkości porów 1-5 μm
• Kontroluj temperaturę filtracji w zakresie 220-250°C
• Może usuwać stałe cząstki tlenku
• Filtry należy wstępnie odgazować w warunkach wysokiej próżni

IV. Po leczeniu i przechowywaniu

1. Zbiór i obsługa produktu

• Kolektor skraplacza powinien być zaprojektowany jako konstrukcja odłączalna, umożliwiająca łatwe wydobycie materiału w środowisku obojętnym
• Zebrane sztabki selenu należy pakować w komorze rękawicowej wypełnionej argonem
• W razie konieczności można wykonać trawienie powierzchni w celu usunięcia potencjalnych warstw tlenków

2. Kontrola warunków przechowywania

• Środowisko przechowywania powinno być suche (temperatura punktu rosy ≤ -60°C)
• Stosuj dwuwarstwowe uszczelnione opakowania wypełnione gazem obojętnym o wysokiej czystości
• Zalecana temperatura przechowywania poniżej 20°C
• Unikaj ekspozycji na światło, aby zapobiec reakcjom utleniania fotokatalitycznego

V. Kontrola jakości i testowanie

1. Technologia monitorowania online

• Zainstaluj analizatory gazów resztkowych (RGA) w celu monitorowania ciśnienia parcjalnego tlenu w czasie rzeczywistym
• Użyj czujników tlenu do kontrolowania zawartości tlenu w gazach ochronnych
• Zastosowanie spektroskopii w podczerwieni w celu identyfikacji charakterystycznych pików absorpcji wiązań Se-O

2. Analiza gotowego produktu

• Do określenia zawartości tlenu należy zastosować metodę absorpcji podczerwieni w wyniku syntezy gazów obojętnych
• Spektrometria mas jonów wtórnych (SIMS) do analizy rozkładu tlenu
• Spektroskopia fotoelektronów rentgenowskich (XPS) do wykrywania stanów chemicznych powierzchni

Dzięki kompleksowym środkom opisanym powyżej, zawartość tlenu może być kontrolowana poniżej 1 ppm podczas oczyszczania selenu metodą destylacji próżniowej, spełniając wymagania dotyczące zastosowań selenu o wysokiej czystości. W rzeczywistej produkcji parametry procesu powinny być optymalizowane w oparciu o warunki sprzętu i wymagania produktu, a także należy ustanowić ścisły system kontroli jakości.