Crescimento e purificação de cristais de telúrio 7N

Crescimento e purificação de cristais de telúrio 7N

‌I. Pré-tratamento e purificação preliminar da matéria-prima‌

1. ‌Seleção e britagem de matéria-prima‌

• ‌Requisitos de material‌: Use minério de telúrio ou lama de ânodo (teor de Te ≥5%), de preferência lama de ânodo de fundição de cobre (contendo Cu₂Te, Cu₂Se) como matéria-prima.
• ‌Processo de pré-tratamento‌:
• Britagem grosseira até tamanho de partícula ≤5mm, seguida de moagem de bolas até malha ≤200;
• Separação magnética (intensidade do campo magnético ≥0,8T) para remover Fe, Ni e outras impurezas magnéticas;
• Flotação de espuma (pH=8-9, coletores de xantato) para separar SiO₂, CuO e outras impurezas não magnéticas.
• ‌Precauções‌: Evite introduzir umidade durante o pré-tratamento úmido (requer secagem antes da torrefação); controle a umidade ambiente ≤30%.

1. ‌Torrefação e Oxidação Pirometalúrgica‌

• ‌Parâmetros do Processo‌:
• Temperatura de torrefação por oxidação: 350–600°C (controle em estágios: baixa temperatura para dessulfuração, alta temperatura para oxidação);
• Tempo de torrefação: 6–8 horas, com vazão de O₂ de 5–10 L/min;
• Reagente: Ácido sulfúrico concentrado (98% H₂SO₄), razão de massa Te₂SO₄ = 1:1,5.
• ‌Reação Química‌:
  Cu2Te+2O2+2H2SO4→2CuSO4+TeO2+2H2OCu2​Te+2O2​+2H2​SO4​→2CuSO4​+TeO2​+2H2​O
• ‌Precauções‌: Controle a temperatura ≤600°C para evitar a volatilização de TeO₂ (ponto de ebulição 387°C); trate os gases de escape com depuradores de NaOH.

II. Eletrorrefinação e Destilação a Vácuo

1. ‌Eletrorrefino‌

• ‌Sistema Eletrolítico‌:
• Composição eletrolítica: H₂SO₄ (80–120g/L), TeO₂ (40–60g/L), aditivo (gelatina 0,1–0,3g/L);
• Controle de temperatura: 30–40°C, vazão de circulação 1,5–2 m³/h.
• ‌Parâmetros do Processo‌:
• Densidade de corrente: 100–150 A/m², tensão da célula 0,2–0,4 V;
• Espaçamento dos eletrodos: 80–120 mm, espessura de deposição do cátodo 2–3 mm/8h;
• Eficiência de remoção de impurezas: Cu ≤5ppm, Pb ≤1ppm.
• ‌Precauções‌: Filtrar regularmente o eletrólito (precisão ≤1μm); polir mecanicamente as superfícies do ânodo para evitar a passivação.

1. ‌Destilação a vácuo‌

• ‌Parâmetros do Processo‌:
• Nível de vácuo: ≤1×10⁻²Pa, temperatura de destilação 600–650°C;
• Temperatura da zona do condensador: 200–250°C, eficiência de condensação de vapor de Te ≥95%;
• Tempo de destilação: 8–12h, capacidade de lote único ≤50kg.
• ‌Distribuição de Impurezas‌: Impurezas de baixo ponto de ebulição (Se, S) acumulam-se na frente do condensador; impurezas de alto ponto de ebulição (Pb, Ag) permanecem nos resíduos.
• ‌Precauções‌: Pré-bombeie o sistema de vácuo para ≤5×10⁻³Pa antes do aquecimento para evitar a oxidação do Te.

III. Crescimento de cristais (cristalização direcional)

1. ‌Configuração do equipamento‌

• ‌Modelos de Fornos de Crescimento de Cristais‌: TDR-70A/B (capacidade de 30 kg) ou TRDL-800 (capacidade de 60 kg);
• Material do cadinho: Grafite de alta pureza (teor de cinzas ≤5ppm), dimensões Φ300×400mm;
• Método de aquecimento: Aquecimento por resistência de grafite, temperatura máxima de 1200°C.

1. ‌Parâmetros do Processo‌

• ‌Controle de derretimento‌:
• Temperatura de fusão: 500–520°C, profundidade da poça de fusão 80–120mm;
• Gás de proteção: Ar (pureza ≥99,999%), vazão 10–15 L/min.
• ‌Parâmetros de Cristalização‌:
• Taxa de extração: 1–3 mm/h, velocidade de rotação do cristal 8–12 rpm;
• Gradiente de temperatura: Axial 30–50°C/cm, radial ≤10°C/cm;
• Método de resfriamento: Base de cobre resfriada a água (temperatura da água 20–25°C), resfriamento radiativo superior.

1. ‌Controle de Impurezas‌

• ‌Efeito de segregação‌: Impurezas como Fe, Ni (coeficiente de segregação <0,1) acumulam-se nos contornos dos grãos;
• ‌Ciclos de Refusão‌: 3–5 ciclos, impurezas totais finais ≤0,1ppm.

1. ‌Precauções‌:

• Cubra a superfície de fusão com placas de grafite para suprimir a volatilização de Te (taxa de perda ≤0,5%);
• Monitore o diâmetro do cristal em tempo real usando medidores a laser (precisão ±0,1 mm);
• Evite flutuações de temperatura >±2°C para evitar aumento da densidade de deslocamento (meta ≤10³/cm²).

IV. Inspeção de Qualidade e Métricas Principais

‌V. Protocolos Ambientais e de Segurança‌

1. ‌Tratamento de gases de escape‌:

• Exaustão da torrefação: Neutralizar SO₂ e SeO₂ com depuradores de NaOH (pH≥10);
• Exaustão da destilação a vácuo: condensa e recupera vapor de Te; gases residuais adsorvidos via carvão ativado.

1. ‌Reciclagem de escória‌:

• Lodo de ânodo (contendo Ag, Au): Recuperar via hidrometalurgia (sistema H₂SO₄-HCl);
• Resíduos de eletrólise (contendo Pb, Cu): Retornar aos sistemas de fundição de cobre.

1. ‌Medidas de segurança‌:

• Os operadores devem usar máscaras de gás (o vapor de Te é tóxico); manter ventilação com pressão negativa (taxa de troca de ar ≥10 ciclos/h).

Diretrizes de otimização de processos

1. ‌Adaptação de Matéria-Prima‌: Ajuste a temperatura de torrefação e a proporção de acidez dinamicamente com base nas fontes de lodo do ânodo (por exemplo, fundição de cobre vs. chumbo);
2. ‌Correspondência da taxa de extração de cristais‌: Ajuste a velocidade de extração de acordo com a convecção de fusão (número de Reynolds Re≥2000) para suprimir o super-resfriamento constitucional;
3. ‌Eficiência Energética‌: Use aquecimento de zona de temperatura dupla (zona principal 500°C, subzona 400°C) para reduzir o consumo de energia da resistência de grafite em 30%.