Selenium, sebagai material semikonduktor dan bahan baku industri yang penting, kinerjanya dipengaruhi langsung oleh kemurniannya. Selama proses pemurnian distilasi vakum, pengotor oksigen merupakan salah satu faktor utama yang memengaruhi kemurnian selenium. Artikel ini memberikan pembahasan rinci tentang berbagai metode dan teknik untuk mengurangi kandungan oksigen selama pemurnian selenium melalui distilasi vakum.

I. Mengurangi Kandungan Oksigen pada Tahap Pra-perlakuan Bahan Baku

1. Pemurnian Awal Bahan Baku

Selenium mentah biasanya mengandung berbagai pengotor, termasuk oksida. Sebelum memasuki sistem distilasi vakum, metode pembersihan kimia harus digunakan untuk menghilangkan oksida permukaan. Larutan pembersih yang umum digunakan meliputi:

• Larutan asam klorida encer (konsentrasi 5-10%): Efektif melarutkan oksida seperti SeO₂
• Etanol atau aseton: Digunakan untuk menghilangkan kontaminan organik.
• Air deionisasi: Bilas beberapa kali untuk menghilangkan sisa asam.

Setelah dibersihkan, pengeringan harus dilakukan di bawah atmosfer gas inert (misalnya, Ar atau N₂) untuk mencegah oksidasi ulang.

2. Perlakuan Pra-Reduksi Bahan Baku

Perlakuan reduksi pada bahan baku sebelum distilasi vakum dapat secara signifikan mengurangi kandungan oksigen:

• Reduksi hidrogen: Masukkan hidrogen dengan kemurnian tinggi (kemurnian ≥99,999%) pada suhu 200-300°C untuk mereduksi SeO₂ menjadi selenium unsur.
• Reduksi karbotermal: Campurkan bahan baku selenium dengan bubuk karbon kemurnian tinggi dan panaskan hingga 400-500°C di bawah vakum atau atmosfer inert, sehingga memicu reaksi C + SeO₂ → Se + CO₂
• Reduksi sulfida: Gas seperti H₂S dapat mereduksi oksida selenium pada suhu yang relatif rendah.

II. Desain dan Optimalisasi Operasional Sistem Distilasi Vakum

1. Pemilihan dan Konfigurasi Sistem Vakum

Lingkungan vakum tinggi sangat penting untuk mengurangi kadar oksigen:

• Gunakan kombinasi pompa difusi + pompa mekanis, dengan vakum akhir mencapai setidaknya 10⁻⁴ Pa.
• Sistem tersebut harus dilengkapi dengan perangkap dingin untuk mencegah difusi balik uap minyak.
• Semua sambungan harus menggunakan segel logam untuk menghindari pelepasan gas dari segel karet.
• Sistem tersebut harus menjalani proses penghilangan gas dengan pemanasan yang cukup (200-250°C, 12-24 jam).

2. Kontrol Suhu dan Tekanan Distilasi yang Tepat

Kombinasi parameter proses yang optimal:

• Suhu distilasi: Dikendalikan dalam kisaran 220-280°C (di bawah titik didih selenium yaitu 685°C)
• Tekanan sistem: Dipertahankan antara 1-10 Pa
• Laju pemanasan: 5-10°C/menit untuk menghindari penguapan dan pengikatan yang berlebihan.
• Suhu zona kondensasi: Dipertahankan pada suhu 50-80°C untuk memastikan kondensasi selenium yang sempurna.

3. Teknologi Distilasi Multi-Tahap

Distilasi bertahap dapat secara progresif mengurangi kandungan oksigen:

• Tahap pertama: Distilasi kasar untuk menghilangkan sebagian besar pengotor yang mudah menguap.
• Tahap kedua: Pengendalian suhu yang tepat untuk mengumpulkan fraksi utama.
• Tahap ketiga: Distilasi suhu rendah dan lambat untuk mendapatkan produk dengan kemurnian tinggi.
  Suhu kondensasi yang berbeda dapat digunakan antar tahapan untuk kondensasi fraksional.

III. Langkah-langkah Proses Tambahan

1. Teknologi Perlindungan Gas Inert

Meskipun beroperasi di bawah kondisi vakum, penambahan gas inert dengan kemurnian tinggi yang tepat membantu mengurangi kandungan oksigen:

• Setelah mengevakuasi sistem, isi dengan argon kemurnian tinggi (kemurnian ≥99,9995%) hingga 1000 Pa.
• Gunakan perlindungan aliran gas dinamis, terus menerus memasukkan sejumlah kecil argon (10-20 sccm)
• Pasang alat pemurni gas berkinerja tinggi di saluran masuk gas untuk menghilangkan oksigen dan uap air yang tersisa.

2. Penambahan Penangkap Oksigen

Menambahkan penangkap oksigen yang sesuai pada bahan baku dapat secara efektif mengurangi kandungan oksigen:

• Logam magnesium: Memiliki afinitas yang kuat terhadap oksigen, membentuk MgO.
• Bubuk aluminium: Dapat menghilangkan oksigen dan sulfur secara bersamaan.
• Logam tanah jarang: Seperti Y, La, dll., dengan efek penghilangan oksigen yang sangat baik.
  Jumlah penangkap oksigen biasanya 0,1-0,5% berat dari bahan baku; jumlah berlebih dapat memengaruhi kemurnian selenium.

3. Teknologi Filtrasi Lelehan

Penyaringan selenium cair sebelum distilasi:

• Gunakan filter kuarsa atau keramik dengan ukuran pori 1-5 μm.
• Kontrol suhu filtrasi pada 220-250°C.
• Dapat menghilangkan partikel oksida padat.
• Filter harus dihilangkan gasnya terlebih dahulu di bawah vakum tinggi.

IV. Perawatan Pasca-Pengolahan dan Penyimpanan

1. Pengumpulan dan Penanganan Produk

• Kolektor kondensor harus dirancang sebagai struktur yang dapat dilepas agar material mudah diambil dalam lingkungan inert.
• Batangan selenium yang telah dikumpulkan harus dikemas dalam kotak sarung tangan argon.
• Pengukiran permukaan dapat dilakukan jika perlu untuk menghilangkan lapisan oksida potensial.

2. Pengendalian Kondisi Penyimpanan

• Lingkungan penyimpanan harus dijaga agar tetap kering (titik embun ≤-60°C)
• Gunakan kemasan tertutup dua lapis yang diisi dengan gas inert kemurnian tinggi.
• Suhu penyimpanan yang disarankan di bawah 20°C.
• Hindari paparan cahaya untuk mencegah reaksi oksidasi fotokatalitik.

V. Pengendalian dan Pengujian Mutu

1. Teknologi Pemantauan Online

• Pasang alat analisis gas residu (RGA) untuk memantau tekanan parsial oksigen secara real-time.
• Gunakan sensor oksigen untuk mengontrol kadar oksigen dalam gas pelindung.
• Gunakan spektroskopi inframerah untuk mengidentifikasi puncak serapan karakteristik ikatan Se-O.

2. Analisis Produk Jadi

• Gunakan metode fusi gas inert-absorpsi inframerah untuk menentukan kandungan oksigen.
• Spektrometri massa ion sekunder (SIMS) untuk menganalisis distribusi oksigen
• Spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS) untuk mendeteksi keadaan kimia permukaan.

Melalui langkah-langkah komprehensif yang dijelaskan di atas, kadar oksigen dapat dikendalikan di bawah 1 ppm selama pemurnian selenium dengan distilasi vakum, sehingga memenuhi persyaratan untuk aplikasi selenium dengan kemurnian tinggi. Dalam produksi aktual, parameter proses harus dioptimalkan berdasarkan kondisi peralatan dan persyaratan produk, dan sistem pengendalian mutu yang ketat harus diterapkan.