Crescita e purificazione dei cristalli di tellurio 7N

Crescita e purificazione dei cristalli di tellurio 7N

I. Pretrattamento delle materie prime e purificazione preliminare

1. ‌Selezione e frantumazione delle materie prime‌

• ‌Requisiti dei materiali‌: Utilizzare come materia prima minerale di tellurio o fango anodico (contenuto di Te ≥5%), preferibilmente fango anodico di fusione del rame (contenente Cu₂Te, Cu₂Se).
• ‌Processo di pretrattamento‌:
• Frantumazione grossolana fino a particelle di dimensioni ≤5 mm, seguita da macinazione a sfere fino a ≤200 mesh;
• Separazione magnetica (intensità del campo magnetico ≥0,8 T) per rimuovere Fe, Ni e altre impurità magnetiche;
• Flottazione con schiuma (pH=8-9, collettori di xantato) per separare SiO₂, CuO e altre impurità non magnetiche.
• ‌Precauzioni‌: Evitare di introdurre umidità durante il pretrattamento a umido (richiede l'essiccazione prima della tostatura); controllare l'umidità ambientale ≤30%.

1. ‌Arrostimento e ossidazione pirometallurgica‌

• ‌Parametri di processo‌:
• Temperatura di tostatura per ossidazione: 350–600°C (controllo graduale: bassa temperatura per la desolforazione, alta temperatura per l'ossidazione);
• Tempo di tostatura: 6–8 ore, con portata di O₂ di 5–10 L/min;
• Reagente: Acido solforico concentrato (98% H₂SO₄), rapporto di massa Te₂SO₄ = 1:1,5.
• ‌Reazione chimica‌:
  Cu2Te+2O2+2H2SO4→2CuSO4+TeO2+2H2OCu2​Te+2O2​+2H2​SO4​→2CuSO4​+TeO2​+2H2​O
• ‌Precauzioni‌: Temperatura di controllo ≤600°C per impedire la volatilizzazione del TeO₂ (punto di ebollizione 387°C); trattamento dei gas di scarico con scrubber di NaOH.

II. Elettroraffinazione e distillazione sotto vuoto

1. ‌Elettroraffinazione‌

• ‌Sistema elettrolitico‌:
• Composizione elettrolitica: H₂SO₄ (80–120 g/L), TeO₂ (40–60 g/L), additivo (gelatina 0,1–0,3 g/L);
• Controllo della temperatura: 30–40°C, portata di circolazione 1,5–2 m³/h.
• ‌Parametri di processo‌:
• Densità di corrente: 100–150 A/m², tensione della cella 0,2–0,4 V;
• Spaziatura degli elettrodi: 80–120 mm, spessore di deposizione del catodo 2–3 mm/8 ore;
• Efficienza di rimozione delle impurità: Cu ≤5 ppm, Pb ≤1 ppm.
• ‌Precauzioni‌: Filtrare regolarmente l'elettrolita (precisione ≤1μm); lucidare meccanicamente le superfici dell'anodo per evitarne la passivazione.

1. ‌Distillazione sotto vuoto‌

• ‌Parametri di processo‌:
• Livello di vuoto: ≤1×10⁻²Pa, temperatura di distillazione 600–650°C;
• Temperatura della zona del condensatore: 200–250°C, efficienza di condensazione del vapore Te ≥95%;
• Tempo di distillazione: 8–12 ore, capacità del singolo lotto ≤50 kg.
• ‌Distribuzione delle impurità‌: Le impurità bassobollenti (Se, S) si accumulano nella parte anteriore del condensatore; le impurità altobollenti (Pb, Ag) rimangono nei residui.
• ‌Precauzioni‌: Pre-pompare il sistema di vuoto a ≤5×10⁻³Pa prima del riscaldamento per evitare l'ossidazione del Te.

III. Crescita dei cristalli (cristallizzazione direzionale)

1. ‌Configurazione dell'apparecchiatura‌

• ‌Modelli di forni per la crescita dei cristalli‌: TDR-70A/B (capacità 30 kg) o TRDL-800 (capacità 60 kg);
• Materiale del crogiolo: grafite ad alta purezza (contenuto di ceneri ≤5 ppm), dimensioni Φ300×400mm;
• Metodo di riscaldamento: riscaldamento a resistenza di grafite, temperatura massima 1200°C.

1. ‌Parametri di processo‌

• ‌Controllo della fusione‌:
• Temperatura di fusione: 500–520°C, profondità del bagno di fusione 80–120 mm;
• Gas di protezione: Ar (purezza ≥99,999%), portata 10–15 L/min.
• ‌Parametri di cristallizzazione‌:
• Velocità di trazione: 1–3 mm/h, velocità di rotazione del cristallo 8–12 giri/min;
• Gradiente di temperatura: assiale 30–50°C/cm, radiale ≤10°C/cm;
• Metodo di raffreddamento: base in rame raffreddata ad acqua (temperatura dell'acqua 20–25°C), raffreddamento radiativo superiore.

1. ‌Controllo delle impurità‌

• ‌Effetto segregazione‌: Impurità come Fe, Ni (coefficiente di segregazione <0,1) si accumulano ai bordi dei grani;
• ‌Cicli di rifusione‌: 3–5 cicli, impurità totali finali ≤0,1 ppm.

1. ‌Precauzioni‌:

• Coprire la superficie fusa con piastre di grafite per sopprimere la volatilizzazione del Te (tasso di perdita ≤0,5%);
• Monitorare il diametro del cristallo in tempo reale utilizzando misuratori laser (precisione ±0,1 mm);
• Evitare fluttuazioni di temperatura >±2°C per prevenire l'aumento della densità di dislocazione (obiettivo ≤10³/cm²).

IV. Ispezione di qualità e parametri chiave

V. Protocolli ambientali e di sicurezza

1. ‌Trattamento dei gas di scarico‌:

• Gas di scarico della tostatura: neutralizzare SO₂ e SeO₂ con scrubber NaOH (pH≥10);
• Scarico della distillazione sotto vuoto: condensazione e recupero del vapore di Te; gas residui adsorbiti tramite carbone attivo.

1. ‌Riciclaggio delle scorie‌:

• Melma anodica (contenente Ag, Au): recupero tramite idrometallurgia (sistema H₂SO₄-HCl);
• Residui di elettrolisi (contenenti Pb, Cu): Ritorno agli impianti di fusione del rame.

1. ‌Misure di sicurezza‌:

• Gli operatori devono indossare maschere antigas (il vapore di Te è tossico); mantenere una ventilazione a pressione negativa (tasso di ricambio dell'aria ≥10 cicli/h).

Linee guida per l'ottimizzazione dei processi

1. ‌Adattamento delle materie prime‌: Regolare dinamicamente la temperatura di tostatura e il rapporto acido in base alle fonti di melma anodica (ad esempio, fusione di rame rispetto a piombo);
2. ‌Abbinamento del tasso di estrazione dei cristalli‌: Regolare la velocità di trazione in base alla convezione di fusione (numero di Reynolds Re≥2000) per sopprimere il sottoraffreddamento costituzionale;
3. ‌Efficienza energetica‌: Utilizzare il riscaldamento a doppia zona di temperatura (zona principale 500 °C, sottozona 400 °C) per ridurre del 30% il consumo energetico della resistenza alla grafite.