Selen, jakožto důležitý polovodičový materiál a průmyslová surovina, má svůj výkon přímo ovlivněn svou čistotou. Během procesu čištění vakuovou destilací jsou kyslíkové nečistoty jedním z hlavních faktorů ovlivňujících čistotu selenu. Tento článek podrobně pojednává o různých metodách a technikách snižování obsahu kyslíku během čištění selenu vakuovou destilací.

I. Snížení obsahu kyslíku ve fázi předúpravy surovin

1. Předběžné čištění surovin

Surový selen obvykle obsahuje různé nečistoty, včetně oxidů. Před vstupem do vakuového destilačního systému by se měly povrchové oxidy odstranit chemickými metodami čištění. Mezi běžně používané čisticí roztoky patří:

• Zředěný roztok kyseliny chlorovodíkové (koncentrace 5–10 %): Účinně rozpouští oxidy, jako je SeO₂
• Ethanol nebo aceton: Používá se k odstranění organických kontaminantů
• Deionizovaná voda: Vícenásobné opláchnutí k odstranění zbytkové kyseliny

Po čištění by mělo být sušení provedeno v atmosféře inertního plynu (např. Ar nebo N₂), aby se zabránilo reoxidaci.

2. Předredukční úprava surovin

Redukční úprava suroviny před vakuovou destilací může významně snížit obsah kyslíku:

• Redukce vodíkem: Zavedení vysoce čistého vodíku (čistota ≥99,999 %) při teplotě 200–300 °C k redukci SeO₂ na elementární selen
• Karbotermická redukce: Smíchejte selen jako surovinu s vysoce čistým uhlíkovým práškem a zahřejte na 400–500 °C ve vakuu nebo inertní atmosféře, čímž vyvoláte reakci C + SeO₂ → Se + CO₂
• Redukce sulfidů: Plyny jako H₂S mohou redukovat oxidy selenu při relativně nízkých teplotách

II. Návrh a provozní optimalizace vakuového destilačního systému

1. Výběr a konfigurace vakuového systému

Pro snížení obsahu kyslíku je zásadní prostředí s vysokým vakuem:

• Použijte kombinaci difuzní vývěvy a mechanické vývěvy s maximálním vakuem dosahujícím alespoň 10⁻⁴ Pa.
• Systém by měl být vybaven odlučovačem chladu, aby se zabránilo zpětné difúzi olejových par.
• Všechna připojení by měla používat kovová těsnění, aby se zabránilo uvolňování plynů z pryžových těsnění.
• Systém by měl podstoupit dostatečné odplynění vypalováním (200–250 °C, 12–24 hodin)

2. Přesná regulace teploty a tlaku destilace

Optimální kombinace procesních parametrů:

• Destilační teplota: Kontrolovaná v rozmezí 220–280 °C (pod bodem varu selenu 685 °C)
• Tlak v systému: Udržován mezi 1-10 Pa
• Rychlost ohřevu: 5–10 °C/min, aby se zabránilo prudkému odpařování a strhávání
• Teplota kondenzační zóny: Udržována na 50–80 °C pro zajištění úplné kondenzace selenu

3. Technologie vícestupňové destilace

Vícestupňová destilace může postupně snižovat obsah kyslíku:

• První stupeň: Hrubá destilace k odstranění většiny těkavých nečistot
• Druhá fáze: Přesná regulace teploty pro sběr hlavní frakce
• Třetí stupeň: Nízkoteplotní, pomalá destilace pro získání vysoce čistého produktu
  Pro frakční kondenzaci lze mezi jednotlivými stupni použít různé kondenzační teploty.

III. Pomocná procesní opatření

1. Technologie ochrany před inertními plyny

Přestože pracuje ve vakuu, vhodné zavedení vysoce čistého inertního plynu pomáhá snižovat obsah kyslíku:

• Po evakuaci systému jej naplňte vysoce čistým argonem (čistota ≥99,9995 %) na tlak 1000 Pa.
• Používejte dynamickou ochranu proti průtoku plynu a nepřetržitě zavádějte malé množství argonu (10–20 sccm)
• Na vstupech plynu instalujte vysoce účinné čističky plynu, které odstraní zbytkový kyslík a vlhkost.

2. Přidání lapačů kyslíku

Přidání vhodných lapačů kyslíku do suroviny může účinně snížit obsah kyslíku:

• Hořčík: Silná afinita k kyslíku, tvořící MgO
• Hliníkový prášek: Může současně odstraňovat kyslík a síru
• Kovy vzácných zemin: Jako například Y, La atd., s vynikajícími účinky na odstraňování kyslíku
  Množství látky zachycující kyslík je obvykle 0,1–0,5 hmotnostních % suroviny; nadměrné množství může ovlivnit čistotu selenu.

3. Technologie filtrace roztavených kapalin

Filtrace roztaveného selenu před destilací:

• Používejte křemenné nebo keramické filtry s velikostí pórů 1–5 μm
• Regulujte teplotu filtrace na 220–250 °C
• Může odstraňovat pevné oxidové částice
• Filtry by měly být předem odplyněny za vysokého vakua

IV. Následná úprava a skladování

1. Sběr a manipulace s produkty

• Kondenzační sběrač by měl být navržen jako odnímatelná konstrukce pro snadné vyjímání materiálu v inertním prostředí.
• Sebrané selenové ingoty by měly být baleny v argonové rukavicové skříni.
• V případě potřeby lze provést leptání povrchu k odstranění potenciálních oxidových vrstev.

2. Kontrola skladovacích podmínek

• Skladovací prostředí by mělo být suché (rosný bod ≤ -60 °C)
• Používejte dvouvrstvý uzavřený obal naplněný vysoce čistým inertním plynem
• Doporučená skladovací teplota pod 20 °C
• Vyhněte se vystavení světlu, abyste zabránili fotokatalytickým oxidačním reakcím

V. Kontrola a testování kvality

1. Technologie online monitorování

• Instalace analyzátorů zbytkových plynů (RGA) pro sledování parciálního tlaku kyslíku v reálném čase
• Použití kyslíkových senzorů k řízení obsahu kyslíku v ochranných plynech
• Využijte infračervenou spektroskopii k identifikaci charakteristických absorpčních píků vazeb Se-O

2. Analýza hotového výrobku

• Použití metody fúze inertních plynů s infračervenou absorpcí pro stanovení obsahu kyslíku
• Hmotnostní spektrometrie sekundárních iontů (SIMS) pro analýzu distribuce kyslíku
• Rentgenová fotoelektronová spektroskopie (XPS) pro detekci chemických stavů povrchu

Díky výše popsaným komplexním opatřením lze během vakuové destilace selenu regulovat obsah kyslíku pod 1 ppm, což splňuje požadavky pro aplikace s vysoce čistým selenem. V reálné výrobě by měly být procesní parametry optimalizovány na základě podmínek zařízení a požadavků na produkt a měl by být zaveden přísný systém kontroly kvality.