การเจริญเติบโตและการทำให้บริสุทธิ์ของผลึกเทลลูเรียม 7N

การเจริญเติบโตและการทำให้บริสุทธิ์ของผลึกเทลลูเรียม 7N

1. การเตรียมวัตถุดิบและการทำให้บริสุทธิ์เบื้องต้น

1. ‌การคัดเลือกและการบดวัตถุดิบ‌

• ‌ความต้องการวัสดุ: ใช้แร่เทลลูเรียมหรือตะกอนแอโนด (ปริมาณ Te ≥5%) โดยเฉพาะอย่างยิ่งตะกอนแอโนดจากการถลุงทองแดง (ที่มี Cu₂Te, Cu₂Se) เป็นวัตถุดิบ
• ‌กระบวนการเตรียมการก่อนการบำบัด:
• บดหยาบจนได้ขนาดอนุภาค ≤5 มม. ตามด้วยการบดด้วยลูกบอลจนได้ขนาดอนุภาค ≤200 เมช
• การแยกด้วยสนามแม่เหล็ก (ความเข้มสนามแม่เหล็ก ≥0.8T) เพื่อกำจัด Fe, Ni และสิ่งเจือปนแม่เหล็กอื่นๆ
• การลอยตัวด้วยฟอง (pH=8-9, สารดักจับแซนเทต) เพื่อแยก SiO₂, CuO และสิ่งเจือปนที่ไม่ใช่แม่เหล็กอื่นๆ
• ‌ข้อควรระวัง: หลีกเลี่ยงการนำความชื้นเข้ามาในระหว่างการเตรียมการแบบเปียก (ต้องทำให้แห้งก่อนคั่ว); ควบคุมความชื้นในอากาศให้ไม่เกิน 30%

1. ‌การคั่วและการออกซิเดชันด้วยความร้อนสูง‌

• ‌พารามิเตอร์กระบวนการ:
• อุณหภูมิการคั่วออกซิเดชัน: 350–600°C (ควบคุมเป็นขั้นตอน: อุณหภูมิต่ำสำหรับการกำจัดกำมะถัน อุณหภูมิสูงสำหรับการออกซิเดชัน)
• ระยะเวลาในการคั่ว: 6–8 ชั่วโมง โดยใช้ปริมาณการไหลของออกซิเจน 5–10 ลิตร/นาที
• สารเคมีที่ใช้: กรดซัลฟิวริกเข้มข้น (98% H₂SO₄), อัตราส่วนมวล Te₂SO₄ = 1:1.5
• ‌ปฏิกิริยาเคมี:
  Cu2Te+2O2+2H2SO4→2CuSO4+TeO2+2H2OCu2​Te+2O2​+2H2​SO4​→2CuSO4​+TeO2​+2H2​O
• ‌ข้อควรระวัง: ควบคุมอุณหภูมิให้ไม่เกิน 600°C เพื่อป้องกันการระเหยของ TeO₂ (จุดเดือด 387°C); บำบัดก๊าซไอเสียด้วยเครื่องดักจับ NaOH

II. การกลั่นด้วยไฟฟ้าและการกลั่นแบบสุญญากาศ

1. ‌การกลั่นด้วยไฟฟ้า‌

• ‌ระบบอิเล็กโทรไลต์:
• ส่วนประกอบของอิเล็กโทรไลต์: H₂SO₄ (80–120 กรัม/ลิตร), TeO₂ (40–60 กรัม/ลิตร), สารเติมแต่ง (เจลาติน 0.1–0.3 กรัม/ลิตร)
• การควบคุมอุณหภูมิ: 30–40°C, อัตราการไหลเวียน 1.5–2 m³/h
• ‌พารามิเตอร์กระบวนการ:
• ความหนาแน่นกระแสไฟฟ้า: 100–150 A/m² แรงดันไฟฟ้าของเซลล์: 0.2–0.4V ;
• ระยะห่างระหว่างอิเล็กโทรด: 80–120 มม. ความหนาของการตกตะกอนที่แคโทด 2–3 มม./8 ชม.
• ประสิทธิภาพในการกำจัดสิ่งเจือปน: Cu ≤5 ppm, Pb ≤1 ppm
• ‌ข้อควรระวัง: กรองอิเล็กโทรไลต์อย่างสม่ำเสมอ (ความแม่นยำ ≤1 μm); ขัดผิวขั้วบวกด้วยเครื่องจักรเพื่อป้องกันการเกิดชั้นฟิล์มป้องกันการกัดกร่อน

1. ‌การกลั่นสุญญากาศ‌

• ‌พารามิเตอร์กระบวนการ:
• ระดับสุญญากาศ: ≤1×10⁻²Pa, อุณหภูมิการกลั่น 600–650°C ;
• อุณหภูมิบริเวณคอนเดนเซอร์: 200–250°C ประสิทธิภาพการควบแน่นของไอน้ำ Te ≥95%
• ระยะเวลาการกลั่น: 8–12 ชั่วโมง ความจุต่อครั้ง ≤50 กิโลกรัม
• ‌การกระจายตัวของสิ่งเจือปนสารเจือปนที่มีจุดเดือดต่ำ (Se, S) จะสะสมอยู่ที่ด้านหน้าของคอนเดนเซอร์ ส่วนสารเจือปนที่มีจุดเดือดสูง (Pb, Ag) จะยังคงอยู่ในกากตกค้าง
• ‌ข้อควรระวัง: ทำการดูดสุญญากาศระบบล่วงหน้าให้ได้ ≤5×10⁻³Pa ก่อนการให้ความร้อนเพื่อป้องกันการเกิดออกซิเดชันของเทลลูเรียม

III. การเจริญเติบโตของผลึก (การตกผลึกแบบมีทิศทาง)

1. ‌การกำหนดค่าอุปกรณ์‌

• ‌แบบจำลองเตาเผาสำหรับการเจริญเติบโตของผลึก: รุ่น TDR-70A/B (รับน้ำหนักได้ 30 กก.) หรือ รุ่น TRDL-800 (รับน้ำหนักได้ 60 กก.)
• วัสดุเบ้าหลอม: กราไฟต์บริสุทธิ์สูง (ปริมาณเถ้า ≤5 ppm) ขนาด Φ300×400 มม.
• วิธีการให้ความร้อน: การให้ความร้อนด้วยความต้านทานกราไฟต์ อุณหภูมิสูงสุด 1200°C

1. ‌พารามิเตอร์กระบวนการ‌

• ‌การควบคุมการหลอมละลาย:
• อุณหภูมิหลอมเหลว: 500–520°C ความลึกของแอ่งหลอมเหลว 80–120 มม.
• ก๊าซป้องกัน: อาร์กอน (ความบริสุทธิ์ ≥99.999%), อัตราการไหล 10–15 ลิตร/นาที
• ‌พารามิเตอร์การตกผลึก:
• อัตราการดึง: 1–3 มม./ชม., ความเร็วรอบการหมุนของผลึก: 8–12 รอบต่อนาที;
• การไล่ระดับอุณหภูมิ: ตามแนวแกน 30–50°C/cm, ตามแนวรัศมี ≤10°C/cm ;
• วิธีการระบายความร้อน: ฐานทองแดงระบายความร้อนด้วยน้ำ (อุณหภูมิน้ำ 20–25°C) ระบายความร้อนด้วยการแผ่รังสีจากด้านบน

1. ‌การควบคุมสิ่งเจือปน‌

• ‌ผลกระทบจากการแบ่งแยก: สารเจือปน เช่น Fe, Ni (ค่าสัมประสิทธิ์การแยกตัว <0.1) สะสมอยู่ที่ขอบเกรน
• ‌วัฏจักรการหลอมใหม่: 3–5 รอบการทำงาน ปริมาณสิ่งเจือปนรวมสุดท้าย ≤0.1 ppm

1. ‌ข้อควรระวัง:

• ปิดผิวหน้าของโลหะหลอมเหลวด้วยแผ่นกราไฟต์เพื่อยับยั้งการระเหยของเทลลูเรียม (อัตราการสูญเสีย ≤0.5%)
• ตรวจสอบเส้นผ่านศูนย์กลางของผลึกแบบเรียลไทม์โดยใช้เครื่องวัดเลเซอร์ (ความแม่นยำ ±0.1 มม.)
• หลีกเลี่ยงการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่เกิน ±2°C เพื่อป้องกันการเพิ่มขึ้นของความหนาแน่นของดิสโลเคชัน (เป้าหมาย ≤10³/cm²)

IV. การตรวจสอบคุณภาพและตัวชี้วัดหลัก

V. ระเบียบปฏิบัติด้านสิ่งแวดล้อมและความปลอดภัย

1. ‌การบำบัดก๊าซไอเสีย:

• ไอเสียจากการคั่ว: ทำให้ SO₂ และ SeO₂ เป็นกลางด้วยสารขจัดของ NaOH (pH≥10)
• ไอเสียจากการกลั่นแบบสุญญากาศ: ควบแน่นและนำไอเทลลูเรียมกลับมาใช้ใหม่ ก๊าซที่เหลือจะถูกดูดซับผ่านถ่านกัมมันต์

1. ‌การรีไซเคิลตะกรัน:

• ตะกอนแอโนด (ประกอบด้วย Ag, Au): นำกลับมาใช้ใหม่โดยใช้กระบวนการไฮโดรเมทัลลurgy (ระบบ H₂SO₄-HCl)
• กากที่เหลือจากการอิเล็กโทรไลซิส (ประกอบด้วยตะกั่วและทองแดง): นำกลับไปใช้ในระบบถลุงทองแดง

1. ‌มาตรการความปลอดภัย:

• ผู้ปฏิบัติงานต้องสวมหน้ากากป้องกันแก๊สพิษ (ไอระเหยของ Te เป็นพิษ) และต้องรักษาการระบายอากาศแบบแรงดันลบ (อัตราการแลกเปลี่ยนอากาศ ≥10 รอบ/ชั่วโมง)

แนวทางการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการ

1. ‌การปรับตัวของวัตถุดิบ: ปรับอุณหภูมิการคั่วและอัตราส่วนกรดแบบไดนามิกตามแหล่งที่มาของตะกอนแอโนด (เช่น การถลุงทองแดงเทียบกับการถลุงตะกั่ว)
2. ‌การจับคู่อัตราการดึงคริสตัล: ปรับความเร็วในการดึงตามการพาความร้อนของโลหะหลอมเหลว (เลขเรย์โนลด์ Re≥2000) เพื่อยับยั้งการเย็นตัวเกินตามธรรมชาติ
3. ‌ประสิทธิภาพการใช้พลังงาน: ใช้ระบบทำความร้อนแบบสองอุณหภูมิ (โซนหลัก 500°C, โซนรอง 400°C) เพื่อลดการใช้พลังงานของตัวต้านทานกราไฟต์ลง 30%