6N-Destillations- und Reinigungsprozess für ultrahochreinen Schwefel mit detaillierten Parametern

Die Herstellung von 6N (≥99,9999 % Reinheit) ultrahochreinem Schwefel erfordert mehrstufige Destillation, Tiefenadsorption und ultrareine Filtration, um Spurenmetalle, organische Verunreinigungen und Partikel zu entfernen. Nachfolgend wird ein industrieller Prozess beschrieben, der Vakuumdestillation, mikrowellenunterstützte Reinigung und präzise Nachbehandlungstechnologien kombiniert.

I. Vorbehandlung des Rohmaterials und Entfernung von Verunreinigungen

‌1. Rohstoffauswahl und Vorbehandlung‌

• ‌Anforderungen: Anfängliche Schwefelreinheit ≥99,9 % (3N-Klasse), Gesamtmetallverunreinigungen ≤500 ppm, organischer Kohlenstoffgehalt ≤0,1 %.
• ‌Mikrowellenunterstütztes Schmelzen‌:
  Rohschwefel wird in einem Mikrowellenreaktor (2,45 GHz Frequenz, 10–15 kW Leistung) bei 140–150 °C verarbeitet. Die mikrowelleninduzierte Dipolrotation sorgt für schnelles Schmelzen und zersetzt gleichzeitig organische Verunreinigungen (z. B. Teerverbindungen). Schmelzzeit: 30–45 Minuten; Eindringtiefe der Mikrowellen: 10–15 cm
• ‌Waschen mit deionisiertem Wasser‌:
  Geschmolzener Schwefel wird in einem Rührreaktor (120 °C, 2 bar Druck) eine Stunde lang mit deionisiertem Wasser (Widerstand ≥ 18 MΩ·cm) im Massenverhältnis 1:0,3 gemischt, um wasserlösliche Salze (z. B. Ammoniumsulfat, Natriumchlorid) zu entfernen. Die wässrige Phase wird dekantiert und für zwei bis drei Zyklen wiederverwendet, bis die Leitfähigkeit ≤ 5 μS/cm erreicht ist.

‌2. Mehrstufige Adsorption und Filtration‌

• ‌Kieselgur/Aktivkohle-Adsorption‌:
  Kieselgur (0,5–1 %) und Aktivkohle (0,2–0,5 %) werden unter Stickstoffschutz (130 °C, 2 Stunden Rühren) zu geschmolzenem Schwefel hinzugefügt, um Metallkomplexe und organische Rückstände zu adsorbieren
• ‌Ultrapräzise Filtration‌:
  Zweistufige Filtration mit Titan-Sinterfiltern (0,1 μm Porengröße) bei einem Systemdruck von ≤ 0,5 MPa. Partikelanzahl nach der Filtration: ≤ 10 Partikel/l (Größe > 0,5 μm).

II. Mehrstufiger Vakuumdestillationsprozess

‌1. Primärdestillation (Entfernung metallischer Verunreinigungen)‌

• ‌Ausrüstung‌: Hochreine Quarzdestillationskolonne mit strukturierter Packung aus 316L-Edelstahl (≥15 theoretische Böden), Vakuum ≤1 kPa.
• ‌Betriebsparameter‌:
• ‌Vorlauftemperatur‌: 250–280 °C (Schwefel siedet unter Umgebungsdruck bei 444,6 °C; Vakuum senkt den Siedepunkt auf 260–300 °C).
• ‌Rückflussverhältnis‌: 5:1–8:1; Temperaturschwankung an der Säulenspitze ≤±0,5 °C.
• ‌Produkt‌: Reinheit des kondensierten Schwefels ≥99,99 % (4N-Klasse), Gesamtmetallverunreinigungen (Fe, Cu, Ni) ≤1 ppm.

‌2. Sekundäre Molekulardestillation (Entfernung organischer Verunreinigungen)‌

• ‌Ausrüstung‌: Kurzweg-Molekulardestillator mit 10–20 mm Verdampfungs-Kondensationsspalt, Verdampfungstemperatur 300–320°C, Vakuum ≤0,1 Pa .
• ‌Abtrennung von Verunreinigungen‌:
  Niedrigsiedende organische Verbindungen (z. B. Thioether, Thiophen) werden verdampft und abgesaugt, während hochsiedende Verunreinigungen (z. B. Polyaromaten) aufgrund von Unterschieden in der freien Weglänge in den Rückständen verbleiben.
• ‌Produkt‌: Schwefelreinheit ≥99,999 % (5N-Klasse), organischer Kohlenstoff ≤0,001 %, Rückstandsrate <0,3 %.

‌3. Tertiärzonen-Raffination (Erreichen der Reinheit 6N)‌

• ‌Ausrüstung‌: Horizontaler Zonenrefiner mit Mehrzonen-Temperaturregelung (±0,1°C), Zonengeschwindigkeit 1–3 mm/h.
• ‌Abgrenzung‌:
  Unter Verwendung von Entmischungskoeffizienten (K=Cfest/CflüssigK=Csolide/CFlüssig), 20–30 Zonendurchgänge konzentrieren Metalle (As, Sb) am Barrenende. Die letzten 10–15 % des Schwefelbarrens werden verworfen.

‌III. Nachbehandlung und ultrareine Formgebung‌

‌1. Ultrareine Lösungsmittelextraktion‌

• ‌Ether/Tetrachlorkohlenstoff-Extraktion‌:
  Schwefel wird 30 Minuten lang mit Ether in Chromatographiequalität (Volumenverhältnis 1:0,5) unter Ultraschallunterstützung (40 kHz, 40 °C) gemischt, um Spuren polarer organischer Stoffe zu entfernen.
• ‌Lösungsmittelrückgewinnung‌:
  Durch Molekularsiebadsorption und Vakuumdestillation werden Lösungsmittelrückstände auf ≤0,1 ppm reduziert.

‌2. Ultrafiltration und Ionenaustausch‌

• ‌PTFE-Membran-Ultrafiltration‌:
  Geschmolzener Schwefel wird bei 160–180 °C und einem Druck von ≤ 0,2 MPa durch 0,02 μm PTFE-Membranen gefiltert.
• ‌Ionenaustauscherharze‌:
  Chelatharze (z. B. Amberlite IRC-748) entfernen Metallionen im ppb-Bereich (Cu²⁺, Fe³⁺) bei Durchflussraten von 1–2 BV/h.

‌3. Bildung einer ultrareinen Umgebung‌

• ‌Inertgaszerstäubung‌:
  In einem Reinraum der Klasse 10 wird geschmolzener Schwefel mit Stickstoff (0,8–1,2 MPa Druck) in 0,5–1 mm große kugelförmige Körnchen (Feuchtigkeit <0,001 %) zerstäubt.
• ‌Vakuumverpackung‌:
  Das Endprodukt wird unter ultrareinem Argon (Reinheit ≥ 99,9999 %) in einer Aluminiumverbundfolie vakuumversiegelt, um Oxidation zu verhindern.

IV. Wichtige Prozessparameter

V. Qualitätskontrolle und Prüfung

1. ‌Spurenverunreinigungsanalyse‌:

• ‌GD-MS (Glimmentladungs-Massenspektrometrie)‌: Erkennt Metalle bei ≤0,01 ppb.
• ‌TOC-Analysator‌: Misst organischen Kohlenstoff ≤0,001 ppm.

1. ‌Partikelgrößenkontrolle‌:
   Durch Laserbeugung (Mastersizer 3000) wird eine D50-Abweichung von ≤±0,05 mm gewährleistet.
2. ‌Oberflächenreinheit‌:
   XPS (Röntgen-Photoelektronenspektroskopie) bestätigt eine Oberflächenoxiddicke von ≤1 nm.

VI. Sicherheits- und Umweltdesign

1. ‌Explosionsschutz‌:
   Infrarot-Flammenmelder und Stickstoffflutungssysteme halten den Sauerstoffgehalt unter 3 %
2. ‌Emissionskontrolle‌:

• ‌Saure Gase‌: Zweistufige NaOH-Wäsche (20 % + 10 %) entfernt ≥99,9 % H₂S/SO₂.
• ‌Flüchtige organische Verbindungen‌: Zeolithrotor + RTO (850 °C) reduziert Nicht-Methan-Kohlenwasserstoffe auf ≤ 10 mg/m³.

1. ‌Abfallrecycling‌:
   Durch Hochtemperaturreduktion (1200 °C) werden Metalle zurückgewonnen; Restschwefelgehalt <0,1 %.

‌VII. Technoökonomische Kennzahlen‌

• ‌Energieverbrauch‌: 800–1200 kWh Strom und 2–3 Tonnen Dampf pro Tonne 6N-Schwefel.
• ‌Ertrag‌: Schwefelrückgewinnung ≥85 %, Rückstandsrate <1,5 %.
• ‌Kosten‌: Produktionskosten ~120.000–180.000 CNY/Tonne; Marktpreis 250.000–350.000 CNY/Tonne (Halbleiterqualität).

Dieser Prozess erzeugt 6N-Schwefel für Halbleiter-Fotolacke, III-V-Verbindungssubstrate und andere fortschrittliche Anwendungen. Echtzeitüberwachung (z. B. LIBS-Elementaranalyse) und Reinraumkalibrierung nach ISO-Klasse 1 gewährleisten gleichbleibende Qualität.

Fußnoten

1. Referenz 2: Industrielle Schwefelreinigungsstandards
2. Referenz 3: Fortgeschrittene Filtrationstechniken in der chemischen Verfahrenstechnik
3. Referenz 6: Handbuch zur Verarbeitung hochreiner Materialien
4. Referenz 8: Protokolle zur Herstellung von Chemikalien in Halbleiterqualität
5. Referenz 5: Optimierung der Vakuumdestillation