중요한 반도체 소재이자 산업 원료인 셀레늄은 순도에 따라 성능에 직접적인 영향을 받습니다. 진공 증류 정제 공정에서 산소 불순물은 셀레늄 순도에 영향을 미치는 주요 요인 중 하나입니다. 본 논문에서는 진공 증류를 통한 셀레늄 정제 과정에서 산소 함량을 줄이는 다양한 방법과 기법에 대해 자세히 설명합니다.

I. 원료 전처리 단계에서 산소 함량 감소

1. 원료의 예비 정제

원료 셀레늄은 일반적으로 산화물을 포함한 다양한 불순물을 함유하고 있습니다. 진공 증류 시스템에 투입하기 전에 화학적 세척 방법을 사용하여 표면 산화물을 제거해야 합니다. 일반적으로 사용되는 세척액은 다음과 같습니다.

• 묽은 염산 용액(5-10% 농도): SeO₂와 같은 산화물을 효과적으로 용해합니다.
• 에탄올 또는 아세톤: 유기 오염물질 제거에 사용
• 탈이온수: 잔류산을 제거하기 위해 여러 번 헹굼

세척 후에는 재산화를 방지하기 위해 불활성 가스(예: Ar 또는 N₂) 분위기에서 건조를 실시해야 합니다.

2. 원료의 사전 환원 처리

진공 증류 전 원료의 환원 처리를 통해 산소 함량을 크게 줄일 수 있습니다.

• 수소 환원: SeO₂를 원소 셀레늄으로 환원하기 위해 200~300°C에서 고순도 수소(순도 ≥99.999%)를 도입합니다.
• 탄소열환원: 셀레늄 원료와 고순도 탄소 분말을 혼합하고 진공 또는 불활성 분위기에서 400~500°C로 가열하여 C + SeO₂ → Se + CO₂ 반응을 유도합니다.
• 황화물 환원: H₂S와 같은 가스는 비교적 낮은 온도에서 셀레늄 산화물을 환원할 수 있습니다.

II. 진공 증류 시스템의 설계 및 운영 최적화

1. 진공 시스템의 선택 및 구성

산소 함량을 줄이려면 고진공 환경이 중요합니다.

• 최대 진공도가 최소 10⁻⁴ Pa에 도달하는 확산 펌프 + 기계식 펌프 조합을 사용하십시오.
• 시스템에는 오일 증기의 역확산을 방지하기 위한 냉각 트랩이 장착되어야 합니다.
• 모든 연결은 고무 씰에서 가스가 새는 것을 방지하기 위해 금속 씰을 사용해야 합니다.
• 시스템은 충분한 베이크아웃 탈기(200-250°C, 12-24시간)를 거쳐야 합니다.

2. 증류 온도 및 압력의 정밀 제어

최적의 공정 매개변수 조합:

• 증류 온도 : 220~280°C 범위 내에서 제어(셀레늄의 비등점 685°C 이하)
• 시스템 압력: 1~10 Pa 사이로 유지
• 가열 속도: 격렬한 증발 및 유입을 방지하기 위해 5-10°C/분
• 응축 구역 온도: 셀레늄 응축을 완전히 보장하기 위해 50~80°C로 유지

3. 다단계 증류 기술

다단계 증류는 점진적으로 산소 함량을 줄일 수 있습니다.

• 첫 번째 단계: 대부분의 휘발성 불순물을 제거하기 위한 거친 증류
• 2단계 : 주요 분획을 수집하기 위한 정밀한 온도 제어
• 3단계: 저온, 완만한 증류를 통해 고순도 제품을 얻습니다.
  분수 응축을 위해 단계 간에 서로 다른 응축 온도를 사용할 수 있습니다.

III. 보조 공정 조치

1. 불활성 가스 보호 기술

진공 상태에서 작동하더라도 고순도 불활성 가스를 적절히 주입하면 산소 함량을 줄이는 데 도움이 됩니다.

• 시스템을 비운 후 고순도 아르곤(순도 ≥99.9995%)을 1000 Pa까지 채웁니다.
• 동적 가스 흐름 보호 기능을 사용하여 소량의 아르곤(10-20sccm)을 지속적으로 주입합니다.
• 가스 유입구에 고효율 가스 정화기를 설치하여 잔류 산소 및 수분을 제거합니다.

2. 산소 제거제 추가

원료에 적절한 산소 제거제를 첨가하면 산소 함량을 효과적으로 줄일 수 있습니다.

• 마그네슘 금속: 산소와의 강한 친화력으로 MgO를 형성
• 알루미늄 분말 : 산소와 유황을 동시에 제거할 수 있음
• 희토류 금속 : Y, La 등 산소 제거 효과가 우수함
  산소 제거제의 양은 일반적으로 원료의 0.1-0.5중량%입니다. 과도한 양은 셀레늄 순도에 영향을 미칠 수 있습니다.

3. 용융 여과 기술

증류 전 용융 셀레늄 여과:

• 기공 크기가 1~5μm인 석영 또는 세라믹 필터를 사용하세요.
• 여과 온도는 220~250°C로 조절
• 고체산화물 입자를 제거할 수 있습니다
• 필터는 고진공 상태에서 사전 탈기되어야 합니다.

IV. 후처리 및 보관

1. 제품 수집 및 취급

• 응축기 수집기는 불활성 환경에서 재료를 쉽게 회수할 수 있도록 분리 가능한 구조로 설계되어야 합니다.
• 수집된 셀레늄 잉곳은 아르곤 글러브 박스에 포장되어야 합니다.
• 필요한 경우 잠재적인 산화층을 제거하기 위해 표면 에칭을 수행할 수 있습니다.

2. 보관 조건 관리

• 보관 환경은 건조하게 유지되어야 합니다(이슬점 ≤-60°C)
• 고순도 불활성 가스가 채워진 이중 밀봉 포장을 사용하십시오.
• 권장 보관 온도는 20°C 이하입니다.
• 광촉매 산화 반응을 방지하려면 빛 노출을 피하십시오.

V. 품질 관리 및 테스트

1. 온라인 모니터링 기술

• 실시간으로 산소 분압을 모니터링하기 위해 잔류 가스 분석기(RGA)를 설치합니다.
• 산소 센서를 사용하여 보호 가스의 산소 함량을 제어합니다.
• 적외선 분광법을 사용하여 Se-O 결합의 특징적인 흡수 피크를 식별합니다.

2. 완제품 분석

• 불활성 가스 융합-적외선 흡수법을 사용하여 산소 함량을 결정합니다.
• 산소 분포 분석을 위한 2차 이온 질량 분석법(SIMS)
• 표면 화학 상태 감지를 위한 X선 광전자 분광법(XPS)

위에서 설명한 포괄적인 조치를 통해 셀레늄의 진공 증류 정제 과정에서 산소 함량을 1ppm 미만으로 제어하여 고순도 셀레늄 응용 분야의 요건을 충족할 수 있습니다. 실제 생산 시에는 장비 조건 및 제품 요구 사항을 기반으로 공정 매개변수를 최적화하고 엄격한 품질 관리 시스템을 구축해야 합니다.