السيلينيوم، باعتباره مادةً شبه موصلة مهمة ومادةً خامًا صناعية، يتأثر أداؤه مباشرةً بنقائه. خلال عملية التنقية بالتقطير الفراغي، تُعدّ شوائب الأكسجين أحد العوامل الرئيسية المؤثرة على نقاء السيلينيوم. تُقدّم هذه المقالة مناقشةً مُفصّلةً لمختلف الطرق والتقنيات المُستخدمة لتقليل محتوى الأكسجين أثناء تنقية السيلينيوم بالتقطير الفراغي.

أولا: تقليل محتوى الأكسجين في مرحلة المعالجة الأولية للمواد الخام

1. التنقية الأولية للمواد الخام

يحتوي السيلينيوم الخام عادةً على شوائب متنوعة، بما في ذلك الأكاسيد. قبل دخوله نظام التقطير الفراغي، يجب استخدام طرق التنظيف الكيميائية لإزالة الأكاسيد السطحية. من محاليل التنظيف الشائعة الاستخدام:

• محلول حمض الهيدروكلوريك المخفف (تركيز 5-10%): يذيب بشكل فعال أكاسيد مثل SeO₂
• الإيثانول أو الأسيتون: يستخدم لإزالة الملوثات العضوية
• الماء منزوع الأيونات: شطفات متعددة لإزالة الحمض المتبقي

بعد التنظيف، يجب أن يتم التجفيف في جو من الغاز الخامل (مثل Ar أو N₂) لمنع إعادة الأكسدة.

2. المعالجة المسبقة للمواد الخام

إن المعالجة الاختزالية للمواد الخام قبل التقطير الفراغي يمكن أن تقلل بشكل كبير من محتوى الأكسجين:

• اختزال الهيدروجين: إدخال الهيدروجين عالي النقاء (نقاء ≥99.999%) عند درجة حرارة تتراوح بين 200 و300 درجة مئوية لاختزال SeO₂ إلى السيلينيوم العنصري
• الاختزال بالكربون الحراري: خلط مادة السيلينيوم الخام مع مسحوق الكربون عالي النقاء وتسخينه إلى 400-500 درجة مئوية تحت الفراغ أو في جو خامل، مما يؤدي إلى تفاعل C + SeO₂ → Se + CO₂
• اختزال الكبريتيد: يمكن للغازات مثل H₂S أن تقلل أكاسيد السيلينيوم عند درجات حرارة منخفضة نسبيًا

II. تصميم وتحسين تشغيل نظام التقطير الفراغي

1. اختيار وتكوين نظام الفراغ

تعتبر البيئة ذات الفراغ العالي أمرًا بالغ الأهمية لتقليل محتوى الأكسجين:

• استخدم مزيجًا من مضخة الانتشار والمضخة الميكانيكية، مع وصول الفراغ النهائي إلى 10⁻⁴ باسكال على الأقل
• يجب أن يكون النظام مزودًا بفخاخ بارد لمنع الانتشار الخلفي لبخار الزيت
• يجب أن تستخدم جميع الوصلات أختامًا معدنية لتجنب انبعاث الغازات من الأختام المطاطية
• يجب أن يخضع النظام لعملية إزالة الغازات الكافية (200-250 درجة مئوية، 12-24 ساعة)

2. التحكم الدقيق في درجة حرارة التقطير والضغط

مجموعات معلمات العملية المثالية:

• درجة حرارة التقطير: يتم التحكم فيها ضمن نطاق 220-280 درجة مئوية (أقل من نقطة غليان السيلينيوم البالغة 685 درجة مئوية)
• ضغط النظام: يتم الحفاظ عليه بين 1-10 باسكال
• معدل التسخين: 5-10 درجة مئوية/دقيقة لتجنب التبخر العنيف والانجراف
• درجة حرارة منطقة التكثيف: يتم الحفاظ عليها عند 50-80 درجة مئوية لضمان تكثيف السيلينيوم بالكامل

3. تقنية التقطير متعدد المراحل

يمكن للتقطير متعدد المراحل أن يقلل تدريجياً من محتوى الأكسجين:

• المرحلة الأولى: التقطير الخشن لإزالة معظم الشوائب المتطايرة
• المرحلة الثانية: التحكم الدقيق في درجة الحرارة لجمع الكسر الرئيسي
• المرحلة الثالثة: التقطير البطيء بدرجة حرارة منخفضة للحصول على منتج عالي النقاء
  يمكن استخدام درجات حرارة التكثيف المختلفة بين المراحل للتكثيف الجزئي

ثالثًا. إجراءات العملية المساعدة

1. تقنية حماية الغاز الخامل

على الرغم من العمل تحت الفراغ، فإن الإدخال المناسب للغاز الخامل عالي النقاء يساعد على تقليل محتوى الأكسجين:

• بعد إخلاء النظام، املأه بالأرجون عالي النقاء (نقاء ≥99.9995%) حتى 1000 باسكال
• استخدم حماية تدفق الغاز الديناميكية، مع إدخال كمية صغيرة من الأرجون بشكل مستمر (10-20 سم مكعب قياسي)
• قم بتثبيت أجهزة تنقية الغاز عالية الكفاءة عند مداخل الغاز لإزالة الأكسجين المتبقي والرطوبة

2. إضافة كاسحات الأكسجين

إن إضافة مواد إزالة الأكسجين المناسبة إلى المواد الخام يمكن أن يقلل بشكل فعال من محتوى الأكسجين:

• معدن المغنيسيوم: له تقارب قوي مع الأكسجين، مما يؤدي إلى تكوين MgO
• مسحوق الألومنيوم: يمكنه إزالة الأكسجين والكبريت في وقت واحد
• المعادن الأرضية النادرة: مثل Y و La وما إلى ذلك، ذات تأثيرات إزالة الأكسجين الممتازة
  تبلغ كمية مزيل الأكسجين عادة 0.1-0.5% من وزن المادة الخام؛ وقد تؤثر الكميات الزائدة على نقاء السيلينيوم

3. تقنية الترشيح المنصهر

تصفية السيلينيوم المنصهر قبل التقطير:

• استخدم مرشحات الكوارتز أو السيراميك ذات أحجام مسام تتراوح من 1 إلى 5 ميكرومتر
• التحكم في درجة حرارة الترشيح عند 220-250 درجة مئوية
• يمكن إزالة جزيئات الأكسيد الصلبة
• يجب إزالة الغازات من المرشحات مسبقًا تحت فراغ عالٍ

رابعًا: المعالجة اللاحقة والتخزين

1. جمع المنتجات ومعالجتها

• يجب أن يكون مجمع المكثف مصممًا على شكل هيكل قابل للفصل لسهولة استرجاع المواد في بيئة خاملة
• يجب تعبئة سبائك السيلينيوم المجمعة في صندوق قفازات الأرجون
• يمكن إجراء الحفر السطحي إذا لزم الأمر لإزالة طبقات الأكسيد المحتملة

2. التحكم في حالة التخزين

• يجب أن تبقى بيئة التخزين جافة (نقطة الندى ≤-60 درجة مئوية)
• استخدم عبوة محكمة الغلق مزدوجة الطبقات مملوءة بغاز خامل عالي النقاء
• درجة حرارة التخزين الموصى بها أقل من 20 درجة مئوية
• تجنب التعرض للضوء لمنع تفاعلات الأكسدة الضوئية

الخامس. مراقبة الجودة والاختبار

1. تقنية المراقبة عبر الإنترنت

• قم بتثبيت أجهزة تحليل الغاز المتبقي (RGA) لمراقبة الضغط الجزئي للأكسجين في الوقت الفعلي
• استخدم أجهزة استشعار الأكسجين للتحكم في محتوى الأكسجين في الغازات الواقية
• استخدام مطيافية الأشعة تحت الحمراء لتحديد قمم الامتصاص المميزة لروابط Se-O

2. تحليل المنتج النهائي

• استخدام طريقة امتصاص الأشعة تحت الحمراء لاندماج الغاز الخامل لتحديد محتوى الأكسجين
• مطيافية الكتلة الأيونية الثانوية (SIMS) لتحليل توزيع الأكسجين
• مطيافية الأشعة السينية الضوئية الإلكترونية (XPS) للكشف عن الحالات الكيميائية السطحية

من خلال الإجراءات الشاملة المذكورة أعلاه، يُمكن التحكم في محتوى الأكسجين إلى أقل من جزء واحد في المليون أثناء تنقية السيلينيوم بالتقطير الفراغي، مما يُلبي متطلبات تطبيقات السيلينيوم عالي النقاء. في الإنتاج الفعلي، يجب تحسين معايير العملية بناءً على ظروف المعدات ومتطلبات المنتج، ووضع نظام صارم لمراقبة الجودة.