กระบวนการกลั่นและการทำให้บริสุทธิ์กำมะถันที่มีความบริสุทธิ์สูงพิเศษ 6N พร้อมพารามิเตอร์โดยละเอียด

การผลิตกำมะถันที่มีความบริสุทธิ์สูงเป็นพิเศษ 6N (≥99.9999%) ต้องใช้การกลั่นหลายขั้นตอน การดูดซับอย่างล้ำลึก และการกรองที่สะอาดเป็นพิเศษ เพื่อกำจัดโลหะหนัก สิ่งเจือปนอินทรีย์ และอนุภาคต่างๆ ด้านล่างนี้คือกระบวนการในระดับอุตสาหกรรมที่ผสานการกลั่นสูญญากาศ การทำให้บริสุทธิ์ด้วยไมโครเวฟ และเทคโนโลยีหลังการบำบัดที่แม่นยำ

‌I. การเตรียมวัตถุดิบเบื้องต้นและการกำจัดสิ่งเจือปน‌

1. การคัดเลือกวัตถุดิบและการเตรียมการเบื้องต้น

• ความต้องการ‌: ความบริสุทธิ์ของกำมะถันเริ่มต้น ≥99.9% (เกรด 3N) สิ่งเจือปนโลหะทั้งหมด ≤500 ppm ปริมาณคาร์บอนอินทรีย์ ≤0.1%
• การละลายด้วยไมโครเวฟ:
  กำมะถันดิบจะถูกประมวลผลในเครื่องปฏิกรณ์ไมโครเวฟ (ความถี่ 2.45 GHz, พลังงาน 10–15 กิโลวัตต์) ที่อุณหภูมิ 140–150°C การหมุนไดโพลที่เหนี่ยวนำด้วยไมโครเวฟช่วยให้เกิดการหลอมละลายอย่างรวดเร็วในขณะที่สลายสิ่งเจือปนอินทรีย์ (เช่น สารประกอบทาร์) เวลาหลอมละลาย: 30–45 นาที ความลึกในการทะลุผ่านไมโครเวฟ: 10–15 ซม.
• การซักด้วยน้ำดีไอออน:
  กำมะถันหลอมเหลวจะถูกผสมกับน้ำที่ผ่านการดีไอออนไนซ์ (มีค่าต้านทานไฟฟ้า ≥18 MΩ·cm) ที่อัตราส่วนมวล 1:0.3 ในเครื่องปฏิกรณ์แบบกวน (120°C, ความดัน 2 บาร์) เป็นเวลา 1 ชั่วโมง เพื่อกำจัดเกลือที่ละลายน้ำได้ (เช่น แอมโมเนียมซัลเฟต โซเดียมคลอไรด์) เฟสของน้ำจะถูกเทออกและนำกลับมาใช้ใหม่ 2–3 รอบจนกว่าค่าการนำไฟฟ้าจะ ≤5 μS/cm

2. การดูดซับและการกรองหลายขั้นตอน

• การดูดซับดินเบา/คาร์บอนกัมมันต์:
  เติมดินเบา (0.5–1%) และคาร์บอนกัมมันต์ (0.2–0.5%) ลงในกำมะถันหลอมเหลวภายใต้การป้องกันไนโตรเจน (130°C กวนเป็นเวลา 2 ชั่วโมง) เพื่อดูดซับสารเชิงซ้อนของโลหะและสารอินทรีย์ที่เหลือ
• การกรองที่แม่นยำเป็นพิเศษ:
  การกรองสองขั้นตอนโดยใช้ตัวกรองไททาเนียมซินเตอร์ (ขนาดรูพรุน 0.1 ไมโครเมตร) ที่ความดันระบบ ≤0.5 MPa จำนวนอนุภาคหลังการกรอง: ≤10 อนุภาค/ลิตร (ขนาด >0.5 ไมโครเมตร)

‌II. กระบวนการกลั่นสูญญากาศหลายขั้นตอน‌

1. การกลั่นขั้นต้น (การกำจัดสิ่งเจือปนโลหะ)

• อุปกรณ์‌: คอลัมน์กลั่นควอตซ์ที่มีความบริสุทธิ์สูงพร้อมโครงสร้างบรรจุสแตนเลส 316L (แผ่นทฤษฎี ≥15 แผ่น) สุญญากาศ ≤1 kPa
• พารามิเตอร์การทำงาน:
• อุณหภูมิการป้อนอาหาร: 250–280°C (กำมะถันเดือดที่ 444.6°C ภายใต้ความดันบรรยากาศ สุญญากาศจะลดจุดเดือดลงเหลือ 260–300°C)
• อัตราส่วนการไหลย้อน‌: 5:1–8:1; ความผันผวนของอุณหภูมิส่วนบนคอลัมน์ ≤±0.5°C
• ผลิตภัณฑ์‌: ความบริสุทธิ์ของกำมะถันควบแน่น ≥99.99% (เกรด 4N) สิ่งเจือปนโลหะทั้งหมด (Fe, Cu, Ni) ≤1 ppm

2. การกลั่นโมเลกุลรอง (การกำจัดสิ่งเจือปนอินทรีย์)

• อุปกรณ์‌: เครื่องกลั่นโมเลกุลแบบเส้นทางสั้นที่มีช่องว่างการระเหย-การควบแน่น 10–20 มม. อุณหภูมิการระเหย 300–320°C สุญญากาศ ≤0.1 Pa
• การแยกสิ่งเจือปน:
  สารอินทรีย์ที่มีจุดเดือดต่ำ (เช่น ไทโออีเธอร์ ไทโอฟีน) จะถูกทำให้ระเหยและอพยพออก ในขณะที่สิ่งเจือปนที่มีจุดเดือดสูง (เช่น โพลีอะโรมาติกส์) ยังคงอยู่ในสารตกค้างเนื่องจากความแตกต่างในเส้นทางอิสระของโมเลกุล
• ผลิตภัณฑ์: ความบริสุทธิ์ของกำมะถัน ≥99.999% (เกรด 5N), คาร์บอนอินทรีย์ ≤0.001%, อัตราการตกค้าง <0.3%

3. การปรับปรุงโซนตติยภูมิ (บรรลุความบริสุทธิ์ 6N)

• อุปกรณ์‌: เครื่องกลั่นโซนแนวนอนพร้อมระบบควบคุมอุณหภูมิหลายโซน (±0.1°C) ความเร็วการเดินทางของโซน 1–3 มม./ชม.
• การแบ่งแยก:
  โดยใช้ค่าสัมประสิทธิ์การแยก (K=Csolid/CliquidK=Cของแข็ง/Cของเหลว​) โซน 20–30 ผ่านโลหะเข้มข้น (As, Sb) ที่ปลายแท่งโลหะ แท่งโลหะกำมะถัน 10–15% สุดท้ายจะถูกทิ้ง

III. การบำบัดหลังการผลิตและการขึ้นรูปที่สะอาดเป็นพิเศษ

1. การสกัดด้วยตัวทำละลายบริสุทธิ์พิเศษ

• การสกัดอีเธอร์/คาร์บอนเตตระคลอไรด์:
  กำมะถันถูกผสมกับอีเธอร์เกรดโครมาโทกราฟี (อัตราส่วนปริมาตร 1:0.5) ภายใต้ความช่วยเหลือจากอัลตราโซนิก (40 kHz, 40°C) เป็นเวลา 30 นาที เพื่อกำจัดสารอินทรีย์ที่มีขั้วปริมาณเล็กน้อย
• การกู้คืนตัวทำละลาย:
  การดูดซับตะแกรงโมเลกุลและการกลั่นสุญญากาศช่วยลดปริมาณตัวทำละลายตกค้างเหลือ ≤0.1 ppm

2. การกรองระดับอัลตราฟิลเตรชันและการแลกเปลี่ยนไอออน

• เมมเบรน PTFE Ultrafiltration:
  กำมะถันหลอมเหลวจะถูกกรองผ่านเมมเบรน PTFE 0.02 μm ที่อุณหภูมิ 160–180°C และความดัน ≤0.2 MPa
• เรซินแลกเปลี่ยนไอออน:
  เรซินคีเลต (เช่น Amberlite IRC-748) กำจัดไอออนโลหะในระดับ ppb (Cu²⁺, Fe³⁺) ที่อัตราการไหล 1–2 BV/ชม.

3. การสร้างสภาพแวดล้อมที่สะอาดเป็นพิเศษ

• การทำให้เป็นละอองด้วยก๊าซเฉื่อย:
  ในห้องคลีนรูมระดับ 10 กำมะถันที่หลอมละลายจะถูกทำให้เป็นละอองร่วมกับไนโตรเจน (ความดัน 0.8–1.2 MPa) เป็นเม็ดทรงกลมขนาด 0.5–1 มม. (ความชื้น <0.001%)
• การบรรจุสูญญากาศ:
  ผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายจะถูกปิดผนึกสูญญากาศในฟิล์มอลูมิเนียมคอมโพสิตภายใต้อาร์กอนที่มีความบริสุทธิ์สูง (ความบริสุทธิ์ ≥99.9999%) เพื่อป้องกันการเกิดออกซิเดชัน

‌IV. พารามิเตอร์กระบวนการหลัก‌

‌V. การควบคุมคุณภาพและการทดสอบ‌

1. การวิเคราะห์สิ่งเจือปน:

• GD-MS (การตรวจวัดมวลแบบปล่อยแสง)‌: ตรวจจับโลหะที่ ≤0.01 ppb
• เครื่องวิเคราะห์สารบัญ‌: วัดปริมาณคาร์บอนอินทรีย์ ≤0.001 ppm

1. การควบคุมขนาดอนุภาค:
   การเลี้ยวเบนของแสงเลเซอร์ (Mastersizer 3000) รับประกันความเบี่ยงเบน D50 ≤±0.05 มม.
2. ความสะอาดของพื้นผิว:
   XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) ยืนยันความหนาของออกไซด์บนพื้นผิว ≤1 นาโนเมตร

VI. การออกแบบด้านความปลอดภัยและสิ่งแวดล้อม

1. การป้องกันการระเบิด:
   เครื่องตรวจจับเปลวไฟอินฟราเรดและระบบไนโตรเจนท่วมช่วยรักษาระดับออกซิเจนให้น้อยกว่า 3%
2. การควบคุมการปล่อยมลพิษ:

• ก๊าซกรด: การขัด NaOH สองขั้นตอน (20% + 10%) กำจัด H₂S/SO₂ ได้ ≥99.9%
• สารอินทรีย์ระเหยง่าย‌: โรเตอร์ซีโอไลต์ + RTO (850°C) ช่วยลดไฮโดรคาร์บอนที่ไม่ใช่มีเทนลงเหลือ ≤10 mg/m³

1. การรีไซเคิลขยะ:
   การรีดิวซ์ที่อุณหภูมิสูง (1,200°C) ช่วยกู้คืนโลหะ โดยมีปริมาณกำมะถันตกค้างน้อยกว่า 0.1%

VII. ตัวชี้วัดด้านเทคโนโลยีและเศรษฐกิจ

• การบริโภคพลังงาน: ไฟฟ้า 800–1200 กิโลวัตต์ชั่วโมง และไอน้ำ 2–3 ตันต่อกำมะถัน 6N หนึ่งตัน
• ผลผลิต: การกู้คืนกำมะถัน ≥85%, อัตราการตกค้าง <1.5%
• ค่าใช้จ่าย: ต้นทุนการผลิต ~120,000–180,000 หยวน/ตัน ราคาตลาด 250,000–350,000 หยวน/ตัน (เกรดเซมิคอนดักเตอร์)

กระบวนการนี้ผลิตกำมะถัน 6N สำหรับโฟโตรีซิสต์เซมิคอนดักเตอร์ สารตั้งต้นประกอบ III-V และการใช้งานขั้นสูงอื่นๆ การตรวจสอบแบบเรียลไทม์ (เช่น การวิเคราะห์ธาตุ LIBS) และการสอบเทียบห้องปลอดเชื้อ ISO Class 1 ช่วยให้มั่นใจในคุณภาพที่สม่ำเสมอ

เชิงอรรถ

1. เอกสารอ้างอิง 2: มาตรฐานการทำให้บริสุทธิ์กำมะถันในอุตสาหกรรม
2. อ้างอิง 3: เทคนิคการกรองขั้นสูงในวิศวกรรมเคมี
3. เอกสารอ้างอิง 6: คู่มือการแปรรูปวัสดุที่มีความบริสุทธิ์สูง
4. อ้างอิง 8: โปรโตคอลการผลิตสารเคมีระดับเซมิคอนดักเตอร์
5. เอกสารอ้างอิง 5: การเพิ่มประสิทธิภาพการกลั่นสูญญากาศ