การเจริญเติบโตและการทำให้บริสุทธิ์ของผลึกเทลลูเรียม 7N

การเจริญเติบโตและการทำให้บริสุทธิ์ของผลึกเทลลูเรียม 7N

I. การเตรียมวัตถุดิบเบื้องต้นและการทำให้บริสุทธิ์เบื้องต้น

1. การคัดเลือกวัตถุดิบและการบด

• ความต้องการวัสดุ: ใช้แร่เทลลูเรียมหรือเมือกขั้วบวก (ปริมาณ Te ≥5%) โดยควรใช้เมือกขั้วบวกสำหรับการถลุงทองแดง (ประกอบด้วย Cu₂Te, Cu₂Se) เป็นวัตถุดิบ
• กระบวนการเตรียมการล่วงหน้า:
• การบดหยาบให้มีขนาดอนุภาค ≤5มม. ตามด้วยการบดด้วยลูกบอลให้มีขนาด ≤200 เมช
• การแยกแม่เหล็ก (ความเข้มของสนามแม่เหล็ก ≥0.8T) เพื่อกำจัด Fe, Ni และสิ่งเจือปนแม่เหล็กอื่น ๆ
• การแยกฟอง (pH = 8-9, ตัวเก็บแซนเทต) เพื่อแยก SiO₂, CuO และสิ่งเจือปนที่ไม่เป็นแม่เหล็กอื่นๆ
• ข้อควรระวัง‌: หลีกเลี่ยงการนำความชื้นเข้ามาในระหว่างการบำบัดเบื้องต้นแบบเปียก (ต้องทำให้แห้งก่อนคั่ว); ควบคุมความชื้นโดยรอบให้ ≤30%

1. การคั่วด้วยความร้อนและการออกซิเดชัน

• พารามิเตอร์กระบวนการ:
• อุณหภูมิการคั่วออกซิเดชัน: 350–600°C (การควบคุมแบบขั้นตอน: อุณหภูมิต่ำสำหรับการกำจัดซัลเฟอร์ อุณหภูมิสูงสำหรับออกซิเดชัน)
• ระยะเวลาการคั่ว: 6–8 ชั่วโมง โดยมีอัตราการไหลของ O₂ 5–10 ลิตร/นาที
• สารเคมี: กรดซัลฟิวริกเข้มข้น (98% H₂SO₄) อัตราส่วนมวล Te₂SO₄ = 1:1.5
• ปฏิกิริยาเคมี:
  Cu2Te+2O2+2H2SO4→2CuSO4+TeO2+2H2OCu2​Te+2O2​+2H2​SO4​→2CuSO4​+TeO2​+2H2​O
• ข้อควรระวัง‌: ควบคุมอุณหภูมิ ≤600°C เพื่อป้องกันการระเหยของ TeO₂ (จุดเดือด 387°C); บำบัดก๊าซไอเสียด้วยเครื่องฟอก NaOH

II. การกลั่นด้วยไฟฟ้าและการกลั่นสูญญากาศ

1. การกลั่นไฟฟ้า

• ระบบอิเล็กโทรไลต์:
• องค์ประกอบของอิเล็กโทรไลต์: H₂SO₄ (80–120g/L), TeO₂ (40–60g/L), สารเติมแต่ง (เจลาติน 0.1–0.3g/L);
• การควบคุมอุณหภูมิ: 30–40°C, อัตราการไหลเวียน 1.5–2 m³/ชม.
• พารามิเตอร์กระบวนการ:
• ความหนาแน่นกระแสไฟฟ้า: 100–150 A/m², แรงดันเซลล์ 0.2–0.4V;
• ระยะห่างระหว่างอิเล็กโทรด: 80–120 มม. ความหนาของการสะสมแคโทด 2–3 มม./8 ชม.
• ประสิทธิภาพในการกำจัดสิ่งเจือปน: Cu ≤5ppm, Pb ≤1ppm
• ข้อควรระวัง‌: กรองอิเล็กโทรไลต์เป็นประจำ (ความแม่นยำ ≤1μm); ขัดพื้นผิวขั้วบวกด้วยกลไกเพื่อป้องกันการเกิดเฉื่อย

1. การกลั่นสูญญากาศ

• พารามิเตอร์กระบวนการ:
• ระดับสุญญากาศ: ≤1×10⁻²Pa, อุณหภูมิการกลั่น 600–650°C ;
• อุณหภูมิโซนคอนเดนเซอร์: 200–250°C, ประสิทธิภาพการควบแน่นไอระเหย Te ≥95%
• เวลาในการกลั่น: 8–12 ชม. ความจุต่อชุด ≤50 กก.
• การกระจายสิ่งเจือปน: สิ่งเจือปนที่มีจุดเดือดต่ำ (Se, S) จะสะสมที่ด้านหน้าคอนเดนเซอร์ สิ่งเจือปนที่มีจุดเดือดสูง (Pb, Ag) จะยังคงอยู่ในสารตกค้าง
• ข้อควรระวัง‌: ระบบสูญญากาศปั๊มล่วงหน้าที่ ≤5×10⁻³Pa ก่อนการให้ความร้อนเพื่อป้องกันการเกิดออกซิเดชันของ Te

III. การเจริญเติบโตของผลึก (การตกผลึกแบบมีทิศทาง)

1. การกำหนดค่าอุปกรณ์

• แบบจำลองเตาเผาการเจริญเติบโตของคริสตัล: TDR-70A/B (ความจุ 30 กก.) หรือ TRDL-800 (ความจุ 60 กก.)
• วัสดุเบ้าหลอม: กราไฟท์ที่มีความบริสุทธิ์สูง (ปริมาณเถ้า ≤5ppm) ขนาด Φ300×400 มม.
• วิธีการให้ความร้อน: การให้ความร้อนด้วยความต้านทานกราไฟท์ อุณหภูมิสูงสุด 1,200°C

1. พารามิเตอร์กระบวนการ

• การควบคุมการละลาย:
• อุณหภูมิการหลอมละลาย: 500–520°C, ความลึกของสระหลอมละลาย 80–120 มม.
• ก๊าซป้องกัน: Ar (ความบริสุทธิ์ ≥99.999%) อัตราการไหล 10–15 L/นาที
• พารามิเตอร์การตกผลึก:
• อัตราการดึง: 1–3 มม./ชม. ความเร็วในการหมุนคริสตัล 8–12 รอบต่อนาที
• ความชันของอุณหภูมิ: แนวแกน 30–50°C/cm, แนวรัศมี ≤10°C/cm ;
• วิธีการทำความเย็น: ฐานทองแดงระบายความร้อนด้วยน้ำ (อุณหภูมิของน้ำ 20–25°C), ระบายความร้อนด้วยการแผ่รังสีจากด้านบน

1. การควบคุมสิ่งเจือปน

• ผลกระทบจากการแยกส่วน: สิ่งเจือปน เช่น Fe, Ni (ค่าสัมประสิทธิ์การแยก <0.1) สะสมที่ขอบเกรน
• วงจรการหลอมใหม่‌: 3–5 รอบ, สิ่งเจือปนรวมขั้นสุดท้าย ≤0.1ppm

1. ข้อควรระวัง:

• คลุมพื้นผิวหลอมเหลวด้วยแผ่นกราไฟท์เพื่อยับยั้งการระเหยของ Te (อัตราการสูญเสีย ≤0.5%)
• ตรวจสอบเส้นผ่านศูนย์กลางคริสตัลแบบเรียลไทม์โดยใช้เครื่องวัดเลเซอร์ (ความแม่นยำ ±0.1 มม.)
• หลีกเลี่ยงความผันผวนของอุณหภูมิ >±2°C เพื่อป้องกันการเพิ่มความหนาแน่นของการเคลื่อนตัว (เป้าหมาย ≤10³/cm²)

‌IV. การตรวจสอบคุณภาพและตัวชี้วัดหลัก‌

‌V. โปรโตคอลด้านสิ่งแวดล้อมและความปลอดภัย‌

1. การบำบัดก๊าซไอเสีย:

• การเผาไอเสีย: ทำให้ SO₂ และ SeO₂ เป็นกลางด้วยเครื่องฟอก NaOH (pH≥10)
• ไอเสียจากการกลั่นสูญญากาศ: ควบแน่นและกู้คืนไอระเหย Te; ก๊าซที่เหลือจะถูกดูดซับผ่านคาร์บอนกัมมันต์

1. การรีไซเคิลตะกรัน:

• เมือกขั้วบวก (ประกอบด้วย Ag, Au): กู้คืนโดยใช้ไฮโดรเมทัลลูร์จี (ระบบ H₂SO₄-HCl);
• เศษอิเล็กโทรไลซิส (ที่ประกอบด้วย Pb, Cu) กลับสู่ระบบการถลุงทองแดง

1. มาตรการด้านความปลอดภัย:

• ผู้ปฏิบัติงานจะต้องสวมหน้ากากป้องกันแก๊ส (ไอระเหยเป็นพิษ); รักษาการระบายอากาศให้แรงดันลบ (อัตราการแลกเปลี่ยนอากาศ ≥10 รอบ/ชม.)

แนวทางการปรับปรุงกระบวนการ

1. การปรับตัวของวัตถุดิบ‌: ปรับอุณหภูมิการคั่วและอัตราส่วนกรดแบบไดนามิกตามแหล่งที่มาของเมือกขั้วบวก (เช่น การถลุงทองแดงเทียบกับตะกั่ว)
2. อัตราการดึงคริสตัลที่ตรงกัน‌: ปรับความเร็วการดึงตามการพาความร้อนของของเหลวที่หลอมละลาย (หมายเลขเรย์โนลด์ Re≥2000) เพื่อระงับภาวะเย็นจัดตามธรรมชาติ
3. ประสิทธิภาพการใช้พลังงาน‌: ใช้ระบบทำความร้อนแบบโซนสองอุณหภูมิ (โซนหลัก 500°C, โซนย่อย 400°C) เพื่อลดการใช้พลังงานที่ต้านทานกราไฟต์ลง 30%