Proses Distilasi dan Pemurnian Belerang Ultra-Kemurnian Tinggi 6N dengan Parameter Terperinci

Produksi sulfur ultra-murni 6N (kemurnian ≥99,9999%) memerlukan distilasi multi-tahap, adsorpsi mendalam, dan filtrasi ultra-bersih untuk menghilangkan logam jejak, pengotor organik, dan partikulat. Berikut adalah proses skala industri yang mengintegrasikan distilasi vakum, pemurnian dengan bantuan gelombang mikro, dan teknologi pasca-perlakuan presisi.

I. Pra-perlakuan Bahan Baku dan Penghilangan Pengotor

1. Pemilihan dan Praperlakuan Bahan Baku

• ‌Persyaratan: Kemurnian sulfur awal ≥99,9% (grade 3N), total pengotor logam ≤500 ppm, kandungan karbon organik ≤0,1%.
• ‌Peleburan dengan Bantuan Gelombang Mikro:
  Belerang mentah diproses dalam reaktor gelombang mikro (frekuensi 2,45 GHz, daya 10–15 kW) pada suhu 140–150°C. Rotasi dipol yang diinduksi gelombang mikro memastikan peleburan cepat sekaligus menguraikan pengotor organik (misalnya, senyawa tar). Waktu peleburan: 30–45 menit; kedalaman penetrasi gelombang mikro: 10–15 cm
• ‌Pencucian dengan Air Deionisasi:
  Belerang cair dicampur dengan air deionisasi (resistivitas ≥18 MΩ·cm) dengan rasio massa 1:0,3 dalam reaktor berpengaduk (120°C, tekanan 2 bar) selama 1 jam untuk menghilangkan garam yang larut dalam air (misalnya, amonium sulfat, natrium klorida). Fase air didekantasi dan digunakan kembali selama 2–3 siklus hingga konduktivitas ≤5 μS/cm.

2. Adsorpsi dan Filtrasi Bertahap

• ‌Adsorpsi Tanah Diatom/Karbon Aktif:
  Tanah diatom (0,5–1%) dan karbon aktif (0,2–0,5%) ditambahkan ke belerang cair di bawah perlindungan nitrogen (130°C, pengadukan 2 jam) untuk mengadsorpsi kompleks logam dan senyawa organik sisa.
• ‌Filtrasi Ultra-Presisi:
  Filtrasi dua tahap menggunakan filter titanium sinter (ukuran pori 0,1 μm) pada tekanan sistem ≤0,5 MPa. Jumlah partikulat pasca-filtrasi: ≤10 partikel/L (ukuran >0,5 μm).

II. Proses Distilasi Vakum Multi-Tahap

1. Distilasi Primer (Penghilangan Impuritas Logam)

• ‌PeralatanKolom distilasi kuarsa kemurnian tinggi dengan kemasan terstruktur baja tahan karat 316L (≥15 pelat teoritis), vakum ≤1 kPa.
• ‌Parameter Operasional:
• ‌Suhu Umpan: 250–280°C (belerang mendidih pada suhu 444,6°C pada tekanan ambien; vakum menurunkan titik didih menjadi 260–300°C).
• ‌Rasio Refluks: 5:1–8:1; fluktuasi suhu puncak kolom ≤±0,5°C.
• ‌ProdukKemurnian sulfur terkondensasi ≥99,99% (grade 4N), total pengotor logam (Fe, Cu, Ni) ≤1 ppm.

2. Distilasi Molekuler Sekunder (Penghilangan Pengotor Organik)

• ‌Peralatan: Distilator molekuler jalur pendek dengan celah penguapan-kondensasi 10–20 mm, suhu penguapan 300–320°C, vakum ≤0,1 Pa.
• ‌Pemisahan Kotoran:
  Senyawa organik dengan titik didih rendah (misalnya, tioeter, tiofena) diuapkan dan dihilangkan, sedangkan pengotor dengan titik didih tinggi (misalnya, poliaromatik) tetap berada dalam residu karena perbedaan jalur bebas molekul.
• ‌Produk: Kemurnian sulfur ≥99,999% (grade 5N), karbon organik ≤0,001%, tingkat residu <0,3%.

3. Pemurnian Zona Tersier (Mencapai Kemurnian 6N)

• ‌Peralatan: Penghalus zona horizontal dengan kontrol suhu multi-zona (±0,1°C), kecepatan pergerakan zona 1–3 mm/jam.
• ‌Pemisahan:
  Memanfaatkan koefisien segregasi (K=Csolid/Cliquid)K=Cpadat/C(cair), zona 20–30 melewati konsentrat logam (As, Sb) di ujung ingot. 10–15% ingot belerang terakhir dibuang.

III. Perawatan Pasca-Pembentukan dan Ultra-Bersih

1. Ekstraksi Pelarut Ultra Murni

• ‌Ekstraksi Eter/Karbon Tetraklorida:
  Sulfur dicampur dengan eter kualitas kromatografi (rasio volume 1:0,5) dengan bantuan ultrasonik (40 kHz, 40°C) selama 30 menit untuk menghilangkan sisa senyawa organik polar.
• ‌Pemulihan Pelarut:
  Adsorpsi saringan molekuler dan distilasi vakum mengurangi residu pelarut hingga ≤0,1 ppm.

2. Ultrafiltrasi dan Pertukaran Ion

• ‌Ultrafiltrasi Membran PTFE:
  Belerang cair disaring melalui membran PTFE 0,02 μm pada suhu 160–180°C dan tekanan ≤0,2 MPa.
• ‌Resin Penukar Ion:
  Resin pengkelat (misalnya, Amberlite IRC-748) menghilangkan ion logam tingkat ppb (Cu²⁺, Fe³⁺) pada laju aliran 1–2 BV/jam.

3. Pembentukan Lingkungan Ultra Bersih

• ‌Atomisasi Gas Inert:
  Di dalam ruang bersih Kelas 10, belerang cair diatomisasi dengan nitrogen (tekanan 0,8–1,2 MPa) menjadi butiran bulat berukuran 0,5–1 mm (kadar air <0,001%).
• ‌Pengemasan Vakum:
  Produk akhir disegel vakum dalam film komposit aluminium di bawah argon ultra-murni (kemurnian ≥99,9999%) untuk mencegah oksidasi.

IV. Parameter Proses Utama

V. Pengendalian dan Pengujian Mutu

1. ‌Analisis Impuritas Jejak:

• ‌GD-MS (Spektrometri Massa Pelepasan Pijar): Mendeteksi logam pada konsentrasi ≤0,01 ppb.
• ‌Penganalisis TOC: Mengukur karbon organik ≤0,001 ppm.

1. ‌Pengendalian Ukuran Partikel:
   Difraksi laser (Mastersizer 3000) memastikan deviasi D50 ≤±0,05 mm.
2. ‌Kebersihan Permukaan:
   XPS (Spektroskopi Fotoelektron Sinar-X) mengkonfirmasi ketebalan oksida permukaan ≤1 nm.

VI. Desain Keselamatan dan Lingkungan

1. ‌Pencegahan Ledakan:
   Detektor api inframerah dan sistem pengaliran nitrogen menjaga kadar oksigen di bawah 3%.
2. ‌Pengendalian Emisi:

• ‌Gas Asam: Pencucian NaOH dua tahap (20% + 10%) menghilangkan ≥99,9% H₂S/SO₂.
• ‌VOC: Rotor zeolit ​​+ RTO (850°C) mengurangi hidrokarbon non-metana hingga ≤10 mg/m³ .

1. ‌Daur Ulang Sampah:
   Reduksi suhu tinggi (1200°C) memulihkan logam; kandungan sulfur residu <0,1%.

VII. Metrik Tekno-Ekonomi

• ‌Konsumsi Energi: 800–1200 kWh listrik dan 2–3 ton uap per ton sulfur 6N.
• ‌Menghasilkan: Pemulihan sulfur ≥85%, tingkat residu <1,5%.
• ‌Biaya: Biaya produksi ~120.000–180.000 CNY/ton; harga pasar 250.000–350.000 CNY/ton (grade semikonduktor).

Proses ini menghasilkan sulfur 6N untuk fotoresist semikonduktor, substrat senyawa III-V, dan aplikasi canggih lainnya. Pemantauan waktu nyata (misalnya, analisis unsur LIBS) dan kalibrasi ruang bersih ISO Kelas 1 memastikan kualitas yang konsisten.

Catatan kaki

1. Referensi 2: Standar Pemurnian Belerang Industri
2. Referensi 3: Teknik Filtrasi Lanjutan dalam Teknik Kimia
3. Referensi 6: Buku Pegangan Pemrosesan Material Kemurnian Tinggi
4. Referensi 8: Protokol Produksi Bahan Kimia Kelas Semikonduktor
5. Referensi 5: Optimasi Distilasi Vakum