Quy trình chưng cất và tinh chế lưu huỳnh siêu tinh khiết 6N với các thông số chi tiết‌

Việc sản xuất lưu huỳnh siêu tinh khiết 6N (≥99,9999%) đòi hỏi phải chưng cất nhiều giai đoạn, hấp phụ sâu và lọc siêu sạch để loại bỏ kim loại vết, tạp chất hữu cơ và các hạt. Dưới đây là quy trình quy mô công nghiệp tích hợp chưng cất chân không, tinh chế hỗ trợ vi sóng và công nghệ xử lý sau chính xác.

‌I. Xử lý sơ bộ nguyên liệu thô và loại bỏ tạp chất‌

‌1. Lựa chọn nguyên liệu thô và xử lý sơ bộ‌

• ‌Yêu cầu: Độ tinh khiết lưu huỳnh ban đầu ≥99,9% (cấp 3N), tổng tạp chất kim loại ≤500 ppm, hàm lượng cacbon hữu cơ ≤0,1%.
• ‌Sự tan chảy được hỗ trợ bằng lò vi sóng‌:
  Lưu huỳnh thô được xử lý trong lò phản ứng vi sóng (tần số 2,45 GHz, công suất 10–15 kW) ở nhiệt độ 140–150°C. Sự quay lưỡng cực do vi sóng tạo ra đảm bảo quá trình nóng chảy nhanh trong khi phân hủy các tạp chất hữu cơ (ví dụ, hợp chất hắc ín). Thời gian nóng chảy: 30–45 phút; độ sâu thâm nhập của vi sóng: 10–15 cm
• ‌Rửa bằng nước khử ion‌:
  Lưu huỳnh nóng chảy được trộn với nước khử ion (điện trở suất ≥18 MΩ·cm) theo tỷ lệ khối lượng 1:0,3 trong lò phản ứng khuấy (120°C, áp suất 2 bar) trong 1 giờ để loại bỏ các muối hòa tan trong nước (ví dụ, amoni sulfat, natri clorua). Pha nước được gạn và tái sử dụng trong 2–3 chu kỳ cho đến khi độ dẫn điện ≤5 μS/cm.

‌2. Hấp phụ và lọc nhiều giai đoạn‌

• ‌Đất diatomit/Sự hấp thụ than hoạt tính‌:
  Đất diatomit (0,5–1%) và than hoạt tính (0,2–0,5%) được thêm vào lưu huỳnh nóng chảy dưới sự bảo vệ của nitơ (130°C, khuấy trong 2 giờ) để hấp thụ các hợp chất kim loại và chất hữu cơ còn sót lại
• ‌Lọc siêu chính xác‌:
  Lọc hai giai đoạn sử dụng bộ lọc thiêu kết titan (kích thước lỗ 0,1 μm) ở áp suất hệ thống ≤0,5 MPa. Số lượng hạt sau khi lọc: ≤10 hạt/L (kích thước >0,5 μm).

‌II. Quá trình chưng cất chân không nhiều giai đoạn‌

‌1. Chưng cất sơ cấp (Loại bỏ tạp chất kim loại)‌

• ‌Thiết bị: Cột chưng cất thạch anh có độ tinh khiết cao với cấu trúc đóng gói bằng thép không gỉ 316L (≥15 đĩa lý thuyết), chân không ≤1 kPa.
• ‌Thông số hoạt động‌:
• ‌Nhiệt độ thức ăn‌ : 250–280°C (lưu huỳnh sôi ở 444,6°C dưới áp suất môi trường xung quanh; chân không làm giảm điểm sôi xuống 260–300°C).
• ‌Tỷ lệ trào ngược‌ : 5:1–8:1; biến động nhiệt độ đỉnh cột ≤±0,5°C.
• ‌Sản phẩm‌: Độ tinh khiết lưu huỳnh ngưng tụ ≥99,99% (cấp 4N), tổng tạp chất kim loại (Fe, Cu, Ni) ≤1 ppm.

‌2. Chưng cất phân tử thứ cấp (Loại bỏ tạp chất hữu cơ)‌

• ‌Thiết bị: Máy chưng cất phân tử đường ngắn với khoảng cách bay hơi-ngưng tụ 10–20 mm, nhiệt độ bay hơi 300–320°C, chân không ≤0,1 Pa.
• ‌Tách tạp chất‌:
  Các chất hữu cơ có nhiệt độ sôi thấp (ví dụ, thioete, thiophene) được hóa hơi và thoát ra ngoài, trong khi các tạp chất có nhiệt độ sôi cao (ví dụ, polyaromatic) vẫn còn trong cặn do sự khác biệt về đường đi tự do của phân tử.
• ‌Sản phẩm: Độ tinh khiết lưu huỳnh ≥99,999% (cấp 5N), cacbon hữu cơ ≤0,001%, tỷ lệ cặn <0,3%.

‌3. Tinh chế vùng bậc ba (Đạt độ tinh khiết 6N)‌

• ‌Thiết bị‌: Bộ tinh chỉnh vùng ngang với khả năng kiểm soát nhiệt độ đa vùng (±0,1°C), tốc độ di chuyển vùng 1–3 mm/h.
• ‌Phân loại‌:
  Sử dụng hệ số phân tách (K=Csolid/CliquidK=Crắn​/Cchất lỏng​), 20–30 vùng đi qua kim loại cô đặc (As, Sb) ở đầu thỏi. 10–15% thỏi lưu huỳnh cuối cùng bị loại bỏ.

‌III. Xử lý sau và tạo hình siêu sạch‌

‌1. Chiết xuất dung môi siêu tinh khiết‌

• ‌Chiết xuất Ether/Carbon Tetrachloride‌:
  Lưu huỳnh được trộn với ete cấp sắc ký (tỷ lệ thể tích 1:0,5) dưới sự hỗ trợ của siêu âm (40 kHz, 40°C) trong 30 phút để loại bỏ các chất hữu cơ phân cực dạng vết.
• ‌Phục hồi dung môi‌:
  Quá trình hấp phụ sàng phân tử và chưng cất chân không làm giảm lượng dung môi còn lại xuống ≤0,1 ppm.

‌2. Siêu lọc và trao đổi ion‌

• ‌Màng siêu lọc PTFE‌:
  Lưu huỳnh nóng chảy được lọc qua màng PTFE 0,02 μm ở nhiệt độ 160–180°C và áp suất ≤0,2 MPa.
• ‌Nhựa trao đổi ion‌:
  Nhựa tạo phức (ví dụ: Amberlite IRC-748) loại bỏ các ion kim loại ở mức ppb (Cu²⁺, Fe³⁺) ở tốc độ dòng chảy 1–2 BV/h.

‌3. Hình thành môi trường siêu sạch‌

• ‌Nguyên tử hóa khí trơ‌:
  Trong phòng sạch Cấp 10, lưu huỳnh nóng chảy được phun cùng nitơ (áp suất 0,8–1,2 MPa) thành các hạt hình cầu có kích thước 0,5–1 mm (độ ẩm <0,001%).
• ‌Đóng gói chân không‌:
  Sản phẩm cuối cùng được hút chân không trong màng nhôm composite dưới khí argon siêu tinh khiết (độ tinh khiết ≥99,9999%) để chống oxy hóa.

‌IV. Các thông số chính của quy trình‌

‌V. Kiểm soát chất lượng và thử nghiệm‌

1. ‌Phân tích tạp chất vết‌:

• ‌GD-MS (Phổ khối phóng điện phát sáng)‌: Phát hiện kim loại ở mức ≤0,01 ppb.
• ‌Máy phân tích TOC‌ : Đo lượng cacbon hữu cơ ≤0,001 ppm.

1. ‌Kiểm soát kích thước hạt‌:
   Khúc xạ laser (Mastersizer 3000) đảm bảo độ lệch D50 ≤±0,05 mm.
2. ‌Độ sạch bề mặt‌:
   XPS (Phổ quang điện tử tia X) xác nhận độ dày oxit bề mặt ≤1 nm.

‌VI. Thiết kế an toàn và môi trường‌

1. ‌Phòng chống cháy nổ‌:
   Máy dò ngọn lửa hồng ngoại và hệ thống ngập nitơ duy trì mức oxy <3%
2. ‌Kiểm soát khí thải‌:

• ‌Khí axit‌: Quá trình rửa bằng NaOH hai giai đoạn (20% + 10%) loại bỏ ≥99,9% H₂S/SO₂.
• ‌VOC‌: Rotor Zeolite + RTO (850°C) làm giảm lượng hydrocarbon không phải metan xuống ≤10 mg/m³.

1. ‌Tái chế rác thải‌:
   Giảm nhiệt độ cao (1200°C) thu hồi được kim loại; hàm lượng lưu huỳnh còn lại <0,1%.

‌VII. Các chỉ số kinh tế kỹ thuật‌

• ‌Tiêu thụ năng lượng: 800–1200 kWh điện và 2–3 tấn hơi nước cho mỗi tấn lưu huỳnh 6N.
• ‌Năng suất: Thu hồi lưu huỳnh ≥85%, tỷ lệ cặn <1,5%.
• ‌Trị giá‌: Chi phí sản xuất ~120.000–180.000 CNY/tấn; giá thị trường 250.000–350.000 CNY/tấn (cấp bán dẫn).

Quá trình này tạo ra lưu huỳnh 6N cho chất cản quang bán dẫn, chất nền hợp chất III-V và các ứng dụng tiên tiến khác. Giám sát thời gian thực (ví dụ: phân tích nguyên tố LIBS) và hiệu chuẩn phòng sạch ISO Class 1 đảm bảo chất lượng nhất quán.

Chú thích

1. Tài liệu tham khảo 2: Tiêu chuẩn tinh chế lưu huỳnh công nghiệp
2. Tài liệu tham khảo 3: Kỹ thuật lọc tiên tiến trong kỹ thuật hóa học
3. Tài liệu tham khảo 6: Sổ tay chế biến vật liệu có độ tinh khiết cao
4. Tài liệu tham khảo 8: Giao thức sản xuất hóa chất cấp bán dẫn
5. Tài liệu tham khảo 5: Tối ưu hóa chưng cất chân không