ซีลีเนียมเป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์และวัตถุดิบทางอุตสาหกรรมที่สำคัญ มีประสิทธิภาพการทำงานที่ได้รับผลกระทบโดยตรงจากความบริสุทธิ์ของซีลีเนียม ในระหว่างกระบวนการทำให้บริสุทธิ์ด้วยการกลั่นสูญญากาศ สิ่งเจือปนของออกซิเจนเป็นหนึ่งในปัจจัยหลักที่ส่งผลต่อความบริสุทธิ์ของซีลีเนียม บทความนี้จะอธิบายโดยละเอียดเกี่ยวกับวิธีการและเทคนิคต่างๆ ในการลดปริมาณออกซิเจนระหว่างการทำให้บริสุทธิ์ของซีลีเนียมผ่านการกลั่นสูญญากาศ

I. การลดปริมาณออกซิเจนในขั้นตอนการเตรียมวัตถุดิบเบื้องต้น

1. การทำให้บริสุทธิ์เบื้องต้นของวัตถุดิบ

โดยทั่วไปแล้วซีลีเนียมดิบจะมีสิ่งเจือปนต่างๆ รวมถึงออกไซด์ ก่อนที่จะเข้าสู่ระบบการกลั่นสูญญากาศ ควรใช้วิธีการทำความสะอาดทางเคมีเพื่อกำจัดออกไซด์บนพื้นผิว สารทำความสะอาดที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่:

• สารละลายกรดไฮโดรคลอริกเจือจาง (ความเข้มข้น 5-10%) : ละลายออกไซด์ เช่น SeO₂ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ
• เอธานอลหรืออะซิโตน: ใช้ในการกำจัดสารปนเปื้อนอินทรีย์
• น้ำดีไอออนไนซ์: ล้างหลายครั้งเพื่อขจัดกรดที่ตกค้าง

หลังการทำความสะอาด ควรทำการอบแห้งภายใต้บรรยากาศก๊าซเฉื่อย (เช่น Ar หรือ N₂) เพื่อป้องกันการออกซิเดชันซ้ำ

2. การบำบัดวัตถุดิบก่อนการรีดักชัน

การลดการบำบัดของวัตถุดิบก่อนการกลั่นสูญญากาศสามารถลดปริมาณออกซิเจนได้อย่างมาก:

• การลดไฮโดรเจน: นำไฮโดรเจนที่มีความบริสุทธิ์สูง (ความบริสุทธิ์ ≥99.999%) มาใช้ที่อุณหภูมิ 200-300°C เพื่อลด SeO₂ ให้เป็นซีลีเนียมธาตุ
• การลดคาร์โบเทอร์มอล: ผสมวัตถุดิบซีลีเนียมกับผงคาร์บอนที่มีความบริสุทธิ์สูงและให้ความร้อนถึง 400-500°C ภายใต้สุญญากาศหรือบรรยากาศเฉื่อย ทำให้เกิดปฏิกิริยา C + SeO₂ → Se + CO₂
• การลดซัลไฟด์: ก๊าซเช่น H₂S สามารถลดออกไซด์ของซีลีเนียมได้ที่อุณหภูมิค่อนข้างต่ำ

II. การออกแบบและการเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของระบบการกลั่นสูญญากาศ

1. การเลือกและการกำหนดค่าระบบสูญญากาศ

สภาพแวดล้อมที่มีสูญญากาศสูงมีความสำคัญต่อการลดปริมาณออกซิเจน:

• ใช้ปั๊มกระจายตัว + ปั๊มกลไกรวมกัน โดยมีค่าสุญญากาศสูงสุดอย่างน้อย 10⁻⁴ Pa
• ระบบควรติดตั้งกับดักความเย็นเพื่อป้องกันการแพร่กลับของไอน้ำมัน
• การเชื่อมต่อทั้งหมดควรใช้ซีลโลหะเพื่อหลีกเลี่ยงการปล่อยก๊าซออกจากซีลยาง
• ระบบควรผ่านกระบวนการอบไล่แก๊สออกให้เพียงพอ (200-250°C, 12-24 ชั่วโมง)

2. การควบคุมอุณหภูมิและความดันของการกลั่นที่แม่นยำ

การรวมพารามิเตอร์กระบวนการที่เหมาะสมที่สุด:

• อุณหภูมิการกลั่น: ควบคุมไว้ในช่วง 220-280°C (ต่ำกว่าจุดเดือดของซีลีเนียมที่ 685°C)
• แรงดันระบบ: คงไว้ระหว่าง 1-10 Pa
• อัตราความร้อน: 5-10°C/นาที เพื่อหลีกเลี่ยงการระเหยและการพาที่รุนแรง
• อุณหภูมิโซนการควบแน่น: คงไว้ที่ 50-80°C เพื่อให้แน่ใจว่ามีการควบแน่นของซีลีเนียมอย่างสมบูรณ์

3. เทคโนโลยีการกลั่นหลายขั้นตอน

การกลั่นหลายขั้นตอนสามารถลดปริมาณออกซิเจนลงได้อย่างต่อเนื่อง:

• ขั้นตอนแรก: การกลั่นแบบหยาบเพื่อขจัดสิ่งเจือปนระเหยส่วนใหญ่
• ขั้นตอนที่สอง: ควบคุมอุณหภูมิที่แม่นยำเพื่อรวบรวมเศษส่วนหลัก
• ขั้นตอนที่สาม: การกลั่นที่อุณหภูมิต่ำและช้าเพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่มีความบริสุทธิ์สูง
  อุณหภูมิการควบแน่นที่แตกต่างกันสามารถใช้ได้ระหว่างขั้นตอนต่างๆ สำหรับการควบแน่นแบบเศษส่วน

III. มาตรการกระบวนการเสริม

1. เทคโนโลยีการป้องกันก๊าซเฉื่อย

แม้ว่าจะทำงานภายใต้สุญญากาศ การนำก๊าซเฉื่อยที่มีความบริสุทธิ์สูงมาใช้ในปริมาณที่เหมาะสมจะช่วยลดปริมาณออกซิเจนได้:

• หลังจากดูดอากาศออกจากระบบแล้ว ให้เติมอาร์กอนที่มีความบริสุทธิ์สูง (ความบริสุทธิ์ ≥99.9995%) ให้มีความเข้มข้น 1,000 Pa
• ใช้การป้องกันการไหลของก๊าซแบบไดนามิก โดยใส่ก๊าซอาร์กอนปริมาณเล็กน้อย (10-20 sccm) อย่างต่อเนื่อง
• ติดตั้งเครื่องฟอกแก๊สประสิทธิภาพสูงที่ทางเข้าแก๊สเพื่อกำจัดออกซิเจนและความชื้นที่ตกค้าง

2. การเติมสารกำจัดออกซิเจน

การเติมสารกำจัดออกซิเจนที่เหมาะสมลงในวัตถุดิบสามารถลดปริมาณออกซิเจนได้อย่างมีประสิทธิภาพ:

• โลหะแมกนีเซียม: มีความสัมพันธ์กับออกซิเจนได้ดี ทำให้เกิด MgO
• ผงอลูมิเนียม: สามารถกำจัดออกซิเจนและกำมะถันได้พร้อมกัน
• โลหะหายาก เช่น Y, La เป็นต้น ซึ่งมีประสิทธิภาพในการกำจัดออกซิเจนได้ดีเยี่ยม
  ปริมาณสารกำจัดออกซิเจนโดยทั่วไปอยู่ที่ 0.1-0.5% ของวัตถุดิบ ปริมาณที่มากเกินไปอาจส่งผลต่อความบริสุทธิ์ของซีลีเนียม

3. เทคโนโลยีการกรองแบบหลอมละลาย

การกรองซีลีเนียมที่หลอมละลายก่อนการกลั่น:

• ใช้ตัวกรองควอตซ์หรือเซรามิกที่มีขนาดรูพรุน 1-5 μm
• ควบคุมอุณหภูมิการกรองที่ 220-250°C
• สามารถกำจัดอนุภาคออกไซด์ของแข็งได้
• ควรทำการไล่แก๊สออกจากตัวกรองก่อนภายใต้สภาวะสูญญากาศสูง

IV. หลังการรักษาและการเก็บรักษา

1. การรวบรวมและการจัดการผลิตภัณฑ์

• ควรออกแบบตัวเก็บประจุให้เป็นโครงสร้างแบบถอดออกได้เพื่อให้หยิบวัสดุได้ง่ายในสภาพแวดล้อมเฉื่อย
• แท่งเซเลเนียมที่เก็บรวบรวมควรบรรจุในกล่องถุงมือแบบอาร์กอน
• อาจดำเนินการกัดพื้นผิวหากจำเป็นเพื่อขจัดชั้นออกไซด์ที่อาจเกิดขึ้น

2. การควบคุมสภาพการเก็บรักษา

• ควรเก็บสภาพแวดล้อมในการจัดเก็บให้แห้ง (จุดน้ำค้าง ≤-60°C)
• ใช้บรรจุภัณฑ์ปิดผนึกสองชั้นที่บรรจุด้วยก๊าซเฉื่อยที่มีความบริสุทธิ์สูง
• อุณหภูมิการจัดเก็บที่แนะนำไม่เกิน 20°C
• หลีกเลี่ยงการสัมผัสแสงเพื่อป้องกันปฏิกิริยาออกซิเดชันแบบโฟโตแคทาไลติก

V. การควบคุมคุณภาพและการทดสอบ

1. เทคโนโลยีการติดตามแบบออนไลน์

• ติดตั้งเครื่องวิเคราะห์ก๊าซตกค้าง (RGA) เพื่อตรวจสอบความดันบางส่วนของออกซิเจนแบบเรียลไทม์
• ใช้เซ็นเซอร์ออกซิเจนเพื่อควบคุมปริมาณออกซิเจนในก๊าซป้องกัน
• ใช้การสเปกโตรสโคปีอินฟราเรดเพื่อระบุจุดดูดกลืนที่มีลักษณะเฉพาะของพันธะ Se-O

2. การวิเคราะห์ผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป

• ใช้หลักการดูดกลืนอินฟราเรด-ฟิวชันก๊าซเฉื่อยเพื่อตรวจวัดปริมาณออกซิเจน
• การตรวจวัดมวลไอออนรอง (SIMS) เพื่อวิเคราะห์การกระจายออกซิเจน
• การสเปกโตรสโคปีโฟโตอิเล็กตรอนแบบเอ็กซ์เรย์ (XPS) เพื่อตรวจจับสถานะทางเคมีบนพื้นผิว

ด้วยมาตรการที่ครอบคลุมดังที่กล่าวข้างต้น สามารถควบคุมปริมาณออกซิเจนให้ต่ำกว่า 1 ppm ในระหว่างการทำให้บริสุทธิ์ของซีลีเนียมด้วยการกลั่นสูญญากาศ ซึ่งตรงตามข้อกำหนดสำหรับการใช้งานซีลีเนียมที่มีความบริสุทธิ์สูง ในการผลิตจริง ควรปรับพารามิเตอร์ของกระบวนการให้เหมาะสมโดยพิจารณาจากสภาพอุปกรณ์และข้อกำหนดของผลิตภัณฑ์ และควรสร้างระบบควบคุมคุณภาพที่เข้มงวด