상세 파라미터를 적용한 6N 초고순도 유황 증류 및 정제 공정

6N(순도 ≥99.9999%) 초고순도 유황을 생산하려면 미량 금속, 유기 불순물, 미립자를 제거하기 위해 다단계 증류, 심층 흡착, 그리고 초청정 여과 과정이 필요합니다. 아래는 진공 증류, 마이크로파 보조 정제, 그리고 정밀 후처리 기술을 통합한 산업 규모 공정입니다.

‌I. 원료 전처리 및 불순물 제거‌

‌1. 원료 선정 및 전처리‌

• ‌요구 사항‌: 초기 유황 순도 ≥99.9%(3N 등급), 총 금속 불순물 ≤500ppm, 유기탄소 함량 ≤0.1%.
• ‌전자레인지를 이용한 용융‌:
  조황은 140~150°C의 마이크로파 반응기(2.45GHz 주파수, 10~15kW 출력)에서 처리됩니다. 마이크로파 유도 쌍극자 회전은 유기 불순물(예: 타르 화합물)을 분해하면서 빠른 용융을 보장합니다. 용융 시간: 30~45분, 마이크로파 침투 깊이: 10~15cm
• ‌탈이온수 세척‌:
  용융 유황을 탈이온수(저항률 ≥18 MΩ·cm)와 1:0.3 질량비로 교반 반응기(120°C, 2 bar 압력)에서 1시간 동안 혼합하여 수용성 염(예: 황산암모늄, 염화나트륨)을 제거합니다. 수용액 상을 따라내고 전도도가 ≤5 μS/cm가 될 때까지 2~3회 반복합니다.

‌2. 다단계 흡착 및 여과‌

• ‌규조토/활성탄 흡착‌:
  용융 유황에 규조토(0.5~1%)와 활성탄(0.2~0.5%)을 질소 보호(130°C, 2시간 교반) 하에 첨가하여 금속 착물과 잔류 유기물을 흡착합니다.
• ‌초정밀 여과‌:
  ≤0.5 MPa 시스템 압력에서 티타늄 소결 필터(기공 크기 0.1 μm)를 사용한 2단계 여과. 여과 후 입자 수: ≤10개/L(크기 >0.5 μm).

II. 다단계 진공 증류 공정

‌1. 1차 증류(금속 불순물 제거)‌

• ‌장비‌: 316L 스테인리스 스틸 구조 패킹(이론단수 ≥15), 진공도 ≤1 kPa의 고순도 석영 증류탑.
• ‌작동 매개변수‌:
• ‌공급 온도‌: 250–280°C(유황은 주변 압력에서 444.6°C에서 끓습니다. 진공은 끓는점을 260–300°C로 낮춥니다).
• ‌환류 비율‌: 5:1–8:1; 컬럼 상단 온도 변동 ≤±0.5°C.
• ‌제품‌: 응축황 순도 ≥99.99%(4N등급), 총 금속불순물(Fe, Cu, Ni) ≤1ppm.

‌2. 2차 분자 증류(유기 불순물 제거)‌

• ‌장비‌: 10~20mm의 증발-응축 간격, 증발 온도 300~320°C, 진공 ≤0.1 Pa의 단거리 분자 증류기.
• ‌불순물 분리‌:
  끓는점이 낮은 유기물(예: 티오에테르, 티오펜)은 증발되어 배출되지만 끓는점이 높은 불순물(예: 폴리방향족 화합물)은 분자 자유 경로의 차이로 인해 잔류물에 남습니다.
• ‌제품‌: 유황 순도 ≥99.999%(5N 등급), 유기탄소 ≤0.001%, 잔류율 <0.3%.

‌3. 3차 구역 정제(6N 순도 달성)‌

• ‌장비‌: 다중 구역 온도 제어(±0.1°C), 구역 이동 속도 1–3mm/h를 갖춘 수평 구역 정제기.
• ‌분리‌:
  분리계수(K=Csolid/Cliquid)를 활용K=C고체/C액체), 20~30번 구역 통과를 통해 잉곳 끝부분에서 금속(As, Sb)을 농축합니다. 황 잉곳의 마지막 10~15%는 버립니다.

III. 후처리 및 초청정 성형

‌1. 초순수 용매 추출‌

• ‌에테르/사염화탄소 추출‌:
  유황은 초음파 지원(40kHz, 40°C) 하에 크로마토그래피 등급 에테르(1:0.5 부피비)와 30분 동안 혼합되어 미량의 극성 유기물을 제거합니다.
• ‌용매 회수‌:
  분자체 흡착 및 진공 증류를 통해 용매 잔류물을 ≤0.1ppm으로 줄입니다.

‌2. 초여과 및 이온 교환‌

• ‌PTFE 멤브레인 초여과‌:
  용융 유황은 160~180°C, ≤0.2 MPa 압력에서 0.02 μm PTFE 막을 통해 여과됩니다.
• ‌이온 교환 수지‌:
  킬레이트 수지(예: Amberlite IRC-748)는 1~2 BV/h 유량에서 ppb 수준의 금속 이온(Cu²⁺, Fe³⁺)을 제거합니다.

‌3. 초청정 환경 형성‌

• ‌불활성 가스 분무‌:
  10등급 청정실에서는 용융 유황을 질소(0.8~1.2MPa 압력)로 분무하여 0.5~1mm 구형 과립(수분 <0.001%)으로 만듭니다.
• ‌진공 포장‌:
  최종 제품은 산화를 방지하기 위해 초고순도 아르곤(순도 ≥99.9999%) 가스로 알루미늄 복합 필름에 진공 밀봉됩니다.

IV. 주요 공정 매개변수

‌V. 품질 관리 및 테스트‌

1. ‌미량 불순물 분석‌:

• ‌GD-MS(글로우 방전 질량 분석법)‌: ≤0.01 ppb의 금속을 감지합니다.
• ‌TOC 분석기‌: 유기탄소 ≤0.001 ppm을 측정합니다.

1. ‌입자 크기 제어‌:
   레이저 회절(Mastersizer 3000)을 통해 D50 편차가 ≤±0.05mm로 보장됩니다.
2. ‌표면 청결도‌:
   XPS(X선 광전자 분광법)를 통해 표면 산화물 두께가 ≤1 nm임을 확인했습니다.

‌VI. 안전 및 환경 설계‌

1. ‌폭발 방지‌:
   적외선 화염 감지기와 질소 주입 시스템은 산소 수준을 3% 미만으로 유지합니다.
2. ‌배출 제어‌:

• ‌산성 가스‌: 2단계 NaOH 스크러빙(20% + 10%)으로 ≥99.9% H₂S/SO₂를 제거합니다.
• ‌휘발성 유기 화합물(VOC)‌: 제올라이트 로터 + RTO(850°C)는 비메탄 탄화수소를 ≤10 mg/m³로 감소시킵니다.

1. ‌폐기물 재활용‌:
   고온 환원(1200°C)으로 금속을 회수하고 잔류 유황 함량은 <0.1%입니다.

‌VII. 기술경제 지표‌

• ‌에너지 소비: 6N 유황 1톤당 800~1200kWh의 전기와 2~3톤의 증기.
• ‌생산하다‌: 유황 회수율 ≥85%, 잔류율 <1.5%.
• ‌비용‌: 생산 비용 ~120,000~180,000 CNY/톤; 시장 가격 250,000~350,000 CNY/톤(반도체 등급).

이 공정은 반도체 포토레지스트, III-V 화합물 기판 및 기타 첨단 응용 분야에 사용되는 6N 황을 생산합니다. 실시간 모니터링(예: LIBS 원소 분석) 및 ISO 1등급 클린룸 교정을 통해 일관된 품질을 보장합니다.

각주

1. 참고문헌 2: 산업용 유황 정제 표준
2. 참고문헌 3: 화학공학의 고급 여과 기술
3. 참고문헌 6: 고순도 재료 가공 핸드북
4. 참고문헌 8: 반도체 등급 화학 생산 프로토콜
5. 참고문헌 5: 진공 증류 최적화