Le sélénium, matériau semi-conducteur et matière première industrielle important, voit ses performances directement affectées par sa pureté. Lors du processus de purification par distillation sous vide, les impuretés oxygénées sont l'un des principaux facteurs influençant la pureté du sélénium. Cet article présente en détail différentes méthodes et techniques permettant de réduire la teneur en oxygène lors de la purification du sélénium par distillation sous vide.

I. Réduction de la teneur en oxygène lors de l'étape de prétraitement des matières premières

1. Purification préliminaire des matières premières

Le sélénium brut contient généralement diverses impuretés, notamment des oxydes. Avant d'entrer dans le système de distillation sous vide, des méthodes de nettoyage chimique doivent être utilisées pour éliminer les oxydes de surface. Les solutions de nettoyage couramment utilisées sont :

• Solution d'acide chlorhydrique diluée (concentration de 5 à 10 %) : Dissout efficacement les oxydes tels que SeO₂
• Éthanol ou acétone : Utilisé pour éliminer les contaminants organiques
• Eau déionisée : rinçages multiples pour éliminer l'acide résiduel

Après le nettoyage, le séchage doit être effectué sous une atmosphère de gaz inerte (par exemple, Ar ou N₂) pour éviter la réoxydation.

2. Traitement de pré-réduction des matières premières

Le traitement de réduction de la matière première avant la distillation sous vide peut réduire considérablement la teneur en oxygène :

• Réduction de l'hydrogène : introduire de l'hydrogène de haute pureté (pureté ≥ 99,999 %) à 200-300 °C pour réduire le SeO₂ en sélénium élémentaire
• Réduction carbothermique : Mélanger la matière première de sélénium avec de la poudre de carbone de haute pureté et chauffer à 400-500 °C sous vide ou sous atmosphère inerte, induisant la réaction C + SeO₂ → Se + CO₂
• Réduction des sulfures : les gaz tels que H₂S peuvent réduire les oxydes de sélénium à des températures relativement basses

II. Conception et optimisation opérationnelle du système de distillation sous vide

1. Sélection et configuration du système de vide

Un environnement à vide poussé est essentiel pour réduire la teneur en oxygène :

• Utiliser une combinaison pompe à diffusion + pompe mécanique, avec un vide limite atteignant au moins 10⁻⁴ Pa
• Le système doit être équipé d'un piège à froid pour éviter la rétrodiffusion des vapeurs d'huile
• Toutes les connexions doivent utiliser des joints métalliques pour éviter le dégazage des joints en caoutchouc
• Le système doit subir un dégazage suffisant (200-250°C, 12-24 heures)

2. Contrôle précis de la température et de la pression de distillation

Combinaisons optimales de paramètres de processus :

• Température de distillation : Contrôlée dans la plage de 220 à 280 °C (en dessous du point d'ébullition du sélénium de 685 °C)
• Pression du système : Maintenue entre 1 et 10 Pa
• Vitesse de chauffage : 5-10°C/min pour éviter l'évaporation et l'entraînement violents
• Température de la zone de condensation : Maintenue à 50-80°C pour assurer une condensation complète du sélénium

3. Technologie de distillation à plusieurs étapes

La distillation en plusieurs étapes peut réduire progressivement la teneur en oxygène :

• Première étape : distillation grossière pour éliminer la plupart des impuretés volatiles
• Deuxième étape : Contrôle précis de la température pour collecter la fraction principale
• Troisième étape : distillation lente à basse température pour obtenir un produit de haute pureté
  Différentes températures de condensation peuvent être utilisées entre les étapes pour la condensation fractionnée

III. Mesures auxiliaires du procédé

1. Technologie de protection par gaz inerte

Bien que fonctionnant sous vide, l'introduction appropriée de gaz inerte de haute pureté permet de réduire la teneur en oxygène :

• Après avoir évacué le système, remplissez-le d'argon de haute pureté (pureté ≥ 99,9995 %) à 1000 Pa
• Utiliser une protection dynamique du flux de gaz, en introduisant en continu une petite quantité d'argon (10-20 sccm)
• Installer des purificateurs de gaz à haute efficacité aux entrées de gaz pour éliminer l'oxygène et l'humidité résiduels

2. Ajout de capteurs d'oxygène

L’ajout de piégeurs d’oxygène appropriés à la matière première peut réduire efficacement la teneur en oxygène :

• Magnésium métallique : Forte affinité pour l'oxygène, formant MgO
• Poudre d'aluminium : peut éliminer simultanément l'oxygène et le soufre
• Métaux des terres rares : tels que Y, La, etc., avec d'excellents effets d'élimination de l'oxygène
  La quantité de piégeur d'oxygène est généralement de 0,1 à 0,5 % en poids de la matière première ; des quantités excessives peuvent affecter la pureté du sélénium.

3. Technologie de filtration en fusion

Filtration du sélénium fondu avant distillation :

• Utilisez des filtres en quartz ou en céramique avec des pores de 1 à 5 μm
• Contrôler la température de filtration à 220-250°C
• Peut éliminer les particules d'oxyde solide
• Les filtres doivent être pré-dégazés sous vide poussé

IV. Post-traitement et stockage

1. Collecte et manutention des produits

• Le collecteur du condenseur doit être conçu comme une structure détachable pour faciliter la récupération des matériaux dans un environnement inerte
• Les lingots de sélénium collectés doivent être emballés dans une boîte à gants à argon
• Une gravure de surface peut être effectuée si nécessaire pour éliminer les couches d'oxyde potentielles

2. Contrôle des conditions de stockage

• L'environnement de stockage doit être maintenu au sec (point de rosée ≤-60°C)
• Utiliser un emballage scellé à double couche rempli de gaz inerte de haute pureté
• Température de stockage recommandée inférieure à 20°C
• Éviter l’exposition à la lumière pour prévenir les réactions d’oxydation photocatalytique

V. Contrôle de la qualité et tests

1. Technologie de surveillance en ligne

• Installer des analyseurs de gaz résiduels (RGA) pour surveiller la pression partielle d'oxygène en temps réel
• Utiliser des capteurs d'oxygène pour contrôler la teneur en oxygène dans les gaz de protection
• Utiliser la spectroscopie infrarouge pour identifier les pics d'absorption caractéristiques des liaisons Se-O

2. Analyse du produit fini

• Utiliser la méthode de fusion de gaz inerte-absorption infrarouge pour déterminer la teneur en oxygène
• Spectrométrie de masse des ions secondaires (SIMS) pour analyser la distribution de l'oxygène
• Spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS) pour détecter les états chimiques de surface

Grâce aux mesures complètes décrites ci-dessus, la teneur en oxygène peut être maintenue en dessous de 1 ppm lors de la purification du sélénium par distillation sous vide, répondant ainsi aux exigences des applications de sélénium de haute pureté. En production réelle, les paramètres du procédé doivent être optimisés en fonction des conditions de l'équipement et des exigences du produit, et un système de contrôle qualité strict doit être mis en place.