La production de soufre ultra-pur 6N (pureté ≥ 99,9999 %) nécessite une distillation en plusieurs étapes, une adsorption profonde et une filtration ultra-propre pour éliminer les traces de métaux, les impuretés organiques et les particules. Voici un procédé industriel intégrant la distillation sous vide, la purification assistée par micro-ondes et des technologies de post-traitement de précision.
I. Prétraitement des matières premières et élimination des impuretés
1. Sélection et prétraitement des matières premières
- ExigencesPureté initiale du soufre ≥ 99,9 % (qualité 3N), impuretés métalliques totales ≤ 500 ppm, teneur en carbone organique ≤ 0,1 %.
- Fusion assistée par micro-ondes:
Le soufre brut est traité dans un réacteur à micro-ondes (fréquence de 2,45 GHz, puissance de 10 à 15 kW) à 140-150 °C. La rotation dipolaire induite par les micro-ondes assure une fusion rapide tout en décomposant les impuretés organiques (par exemple, les composés de goudron). Temps de fusion : 30 à 45 minutes ; profondeur de pénétration des micro-ondes : 10 à 15 cm. - Lavage à l'eau déionisée:
Le soufre fondu est mélangé à de l'eau déionisée (résistivité ≥ 18 MΩ·cm) dans un rapport massique de 1:0,3 dans un réacteur agité (120 °C, pression de 2 bars) pendant 1 heure afin d'éliminer les sels hydrosolubles (par exemple, sulfate d'ammonium, chlorure de sodium). La phase aqueuse est décantée et réutilisée pendant 2 à 3 cycles jusqu'à ce que la conductivité soit ≤ 5 μS/cm.
2. Adsorption et filtration en plusieurs étapes
- Adsorption de terre de diatomées/charbon actif:
De la terre de diatomées (0,5 à 1 %) et du charbon actif (0,2 à 0,5 %) sont ajoutés au soufre fondu sous protection d'azote (130 °C, agitation de 2 heures) pour adsorber les complexes métalliques et les matières organiques résiduelles. - Filtration ultra-précise:
Filtration en deux étapes avec filtres frittés en titane (taille des pores : 0,1 µm) à une pression système ≤ 0,5 MPa. Nombre de particules après filtration : ≤ 10 particules/L (taille > 0,5 µm).
II. Procédé de distillation sous vide à plusieurs étapes
1. Distillation primaire (élimination des impuretés métalliques)
- ÉquipementColonne de distillation en quartz de haute pureté avec garnissage structuré en acier inoxydable 316L (≥15 plateaux théoriques), vide ≤1 kPa.
- Paramètres opérationnels:
- Température d'alimentation: 250–280 °C (le soufre bout à 444,6 °C sous pression ambiante ; le vide réduit le point d'ébullition à 260–300 °C).
- Rapport de reflux: 5:1–8:1 ; fluctuation de la température du haut de la colonne ≤±0,5°C.
- ProduitPureté du soufre condensé ≥ 99,99 % (qualité 4N), impuretés métalliques totales (Fe, Cu, Ni) ≤ 1 ppm.
2. Distillation moléculaire secondaire (élimination des impuretés organiques)
- Équipement: Distillateur moléculaire à court trajet avec espace d'évaporation-condensation de 10 à 20 mm, température d'évaporation 300 à 320 °C, vide ≤ 0,1 Pa.
- Séparation des impuretés:
Les composés organiques à bas point d'ébullition (par exemple, les thioéthers, le thiophène) sont vaporisés et évacués, tandis que les impuretés à point d'ébullition élevé (par exemple, les polyaromatiques) restent dans les résidus en raison des différences de libre parcours moléculaire. - ProduitPureté du soufre ≥ 99,999 % (qualité 5N), carbone organique ≤ 0,001 %, taux de résidus < 0,3 %.
3. Raffinage en zone tertiaire (obtention d'une pureté de 6N)
- Équipement: Raffineur à zone horizontale avec contrôle de température multizone (±0,1°C), vitesse de déplacement de zone 1–3 mm/h.
- Ségrégation:
En utilisant les coefficients de ségrégation (K = Csolide/CliquideK=Csolide/Cliquide), la zone 20–30 traverse les métaux concentrés (As, Sb) à l'extrémité du lingot. Les 10 à 15 % restants du lingot de soufre sont éliminés.
III. Post-traitement et formage ultra-propre
1. Extraction par solvant ultra-pur
- Extraction d'éther/tétrachlorure de carbone:
Le soufre est mélangé à de l'éther de qualité chromatographique (rapport volumique 1:0,5) sous assistance ultrasonique (40 kHz, 40 °C) pendant 30 minutes pour éliminer les traces de composés organiques polaires. - Récupération de solvants:
L'adsorption par tamis moléculaire et la distillation sous vide réduisent les résidus de solvant à ≤ 0,1 ppm.
2. Ultrafiltration et échange d'ions
- Ultrafiltration par membrane PTFE:
Le soufre fondu est filtré à travers des membranes PTFE de 0,02 μm à 160–180 °C et une pression ≤ 0,2 MPa. - Résines échangeuses d'ions:
Les résines chélatantes (par exemple, Amberlite IRC-748) éliminent les ions métalliques de niveau ppb (Cu²⁺, Fe³⁺) à des débits de 1 à 2 BV/h.
3. Formation d'un environnement ultra-propre
- Atomisation par gaz inerte:
Dans une salle blanche de classe 10, le soufre fondu est atomisé avec de l'azote (pression de 0,8 à 1,2 MPa) en granulés sphériques de 0,5 à 1 mm (humidité < 0,001 %). - Emballage sous vide:
Le produit final est scellé sous vide dans un film composite en aluminium sous argon ultra-pur (pureté ≥ 99,9999 %) pour éviter l'oxydation.
IV. Paramètres clés du processus
| Étape du processus | Température (°C) | pression | Temps/Vitesse | Équipement de base |
| Fusion au micro-ondes | 140–150 | Ambiant | 30 à 45 minutes | Réacteur à micro-ondes |
| Lavage à l'eau déionisée | 120 | 2 bars | 1 heure/cycle | Réacteur agité |
| Distillation moléculaire | 300–320 | ≤ 0,1 Pa | Continu | Distillateur moléculaire à court trajet |
| Raffinage de zone | 115–120 | Ambiant | 1–3 mm/h | Raffineur à zone horizontale |
| Ultrafiltration PTFE | 160–180 | ≤ 0,2 MPa | Débit de 1 à 2 m³/h | Filtre haute température |
| Atomisation d'azote | 160–180 | 0,8–1,2 MPa | Granulés de 0,5 à 1 mm | Tour d'atomisation |
V. Contrôle qualité et tests
- Analyse des traces d'impuretés:
- GD-MS (spectrométrie de masse à décharge luminescente): Détecte les métaux à ≤ 0,01 ppb.
- Analyseur de COT: Mesure le carbone organique ≤ 0,001 ppm.
- Contrôle de la taille des particules:
La diffraction laser (Mastersizer 3000) garantit un écart D50 ≤±0,05 mm. - Propreté de la surface:
La XPS (spectroscopie photoélectronique à rayons X) confirme l'épaisseur de l'oxyde de surface ≤ 1 nm.
VI. Sécurité et conception environnementale
- Prévention des explosions:
Les détecteurs de flamme infrarouge et les systèmes d'injection d'azote maintiennent les niveaux d'oxygène < 3 % - Contrôle des émissions:
- Gaz acides: Le lavage à la soude en deux étapes (20 % + 10 %) élimine ≥ 99,9 % de H₂S/SO₂.
- COV: Le rotor en zéolite + RTO (850°C) réduit les hydrocarbures non méthaniques à ≤10 mg/m³.
- Recyclage des déchets:
La réduction à haute température (1200°C) permet de récupérer les métaux ; teneur en soufre résiduel <0,1%.
VII. Indicateurs technico-économiques
- Consommation d'énergie: 800–1200 kWh d’électricité et 2–3 tonnes de vapeur par tonne de soufre 6N.
- Rendement: Récupération de soufre ≥ 85 %, taux de résidus < 1,5 %.
- CoûtCoût de production ~120 000–180 000 CNY/tonne ; prix du marché 250 000–350 000 CNY/tonne (qualité semi-conductrice).
Ce procédé produit du soufre 6N pour les photorésines semi-conductrices, les substrats composés III-V et d'autres applications avancées. La surveillance en temps réel (par exemple, l'analyse élémentaire LIBS) et l'étalonnage en salle blanche ISO Classe 1 garantissent une qualité constante.
Notes de bas de page
- Référence 2 : Normes de purification du soufre industriel
- Référence 3 : Techniques avancées de filtration en génie chimique
- Référence 6 : Manuel de traitement des matériaux de haute pureté
- Référence 8 : Protocoles de production de produits chimiques de qualité semi-conducteur
- Référence 5 : Optimisation de la distillation sous vide
Date de publication : 02/04/2025