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

I. Pengurangan Kandungan Oksigen pada Tahap Pretreatment Bahan Baku

1. Pemurnian Awal Bahan Baku

Selenium mentah biasanya mengandung berbagai kotoran, 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%): Secara efektif melarutkan oksida seperti SeO₂
• Etanol atau aseton: Digunakan untuk menghilangkan kontaminan organik
• Air deionisasi: Beberapa kali pembilasan untuk menghilangkan sisa asam

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

2. Perlakuan Pra Reduksi Bahan Baku

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

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

II. Perancangan dan Optimasi Operasional Sistem Distilasi Vakum

1. Pemilihan dan Konfigurasi Sistem Vakum

Lingkungan vakum tinggi sangat penting untuk mengurangi kandungan oksigen:

• Gunakan kombinasi pompa difusi + pompa mekanis, dengan vakum akhir mencapai setidaknya 10⁻⁴ Pa
• Sistem harus dilengkapi dengan perangkap dingin untuk mencegah difusi balik uap minyak.
• Semua sambungan harus menggunakan segel logam untuk menghindari keluarnya gas dari segel karet.
• Sistem harus menjalani degassing bake-out 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 685°C)
• Tekanan sistem: Dipertahankan antara 1-10 Pa
• Laju pemanasan: 5-10°C/menit untuk menghindari penguapan dan penyerapan yang hebat
• Suhu zona kondensasi: Dipertahankan pada 50-80°C untuk memastikan kondensasi selenium lengkap

3. Teknologi Distilasi Multi-Tahap

Distilasi multi-tahap dapat mengurangi kandungan oksigen secara progresif:

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

III. Tindakan Proses Tambahan

1. Teknologi Perlindungan Gas Inert

Meskipun beroperasi dalam kondisi vakum, pengenalan gas inert dengan kemurnian tinggi yang tepat membantu mengurangi kandungan oksigen:

• Setelah mengosongkan 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 pemurni gas efisiensi tinggi di saluran masuk gas untuk menghilangkan sisa oksigen dan kelembapan

2. Penambahan Penghisap Oksigen

Menambahkan pemulung oksigen yang tepat ke bahan baku dapat secara efektif mengurangi kandungan oksigen:

• Logam magnesium: Afinitas kuat terhadap oksigen, membentuk MgO
• Serbuk aluminium: Dapat menghilangkan oksigen dan sulfur secara bersamaan
• Logam tanah jarang: Seperti Y, La, dll., dengan efek penghilangan oksigen yang sangat baik
  Jumlah pemulung oksigen biasanya 0,1-0,5 wt% dari bahan baku; jumlah yang berlebihan dapat mempengaruhi kemurnian selenium

3. Teknologi Filtrasi Cair

Menyaring 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 didegas terlebih dahulu di bawah vakum tinggi

IV. Pasca-Perawatan dan Penyimpanan

1. Pengumpulan dan Penanganan Produk

• Kolektor kondensor harus dirancang sebagai struktur yang dapat dilepas untuk memudahkan pengambilan material di lingkungan inert.
• Batangan selenium yang dikumpulkan harus dikemas dalam kotak sarung tangan argon
• Pengetsaan permukaan dapat dilakukan jika diperlukan untuk menghilangkan lapisan oksida potensial

2. Kontrol Kondisi Penyimpanan

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

V. Kontrol Kualitas dan Pengujian

1. Teknologi Pemantauan Online

• Pasang penganalisis gas residual (RGA) untuk memantau tekanan parsial oksigen secara real-time
• Gunakan sensor oksigen untuk mengontrol kandungan oksigen dalam gas pelindung
• Gunakan spektroskopi inframerah untuk mengidentifikasi puncak serapan karakteristik ikatan Se-O

2. Analisis Produk Akhir

• Gunakan metode penyerapan inframerah fusi gas inert 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, kandungan oksigen dapat dikontrol 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 kontrol kualitas yang ketat harus ditetapkan.