કેડમિયમ પ્રક્રિયાના પગલાં અને પરિમાણો

I. કાચા માલની પૂર્વ-સારવાર અને પ્રાથમિક શુદ્ધિકરણ

1. ‌ઉચ્ચ શુદ્ધતાવાળા કેડમિયમ ફીડસ્ટોકની તૈયારી‌

• ‌એસિડ ધોવા‌: સપાટીના ઓક્સાઇડ અને ધાતુની અશુદ્ધિઓ દૂર કરવા માટે ઔદ્યોગિક-ગ્રેડ કેડમિયમ ઇંગોટ્સ 5%-10% નાઈટ્રિક એસિડ દ્રાવણમાં 40-60°C પર 1-2 કલાક માટે બોળી રાખો. તટસ્થ pH અને વેક્યુમ સુકાઈ જાય ત્યાં સુધી ડીયોનાઇઝ્ડ પાણીથી ધોઈ લો.
• ‌હાઇડ્રોમેટલર્જિકલ લીચિંગ‌: કેડમિયમ ધરાવતા કચરા (દા.ત., કોપર-કેડમિયમ સ્લેગ) ને સલ્ફ્યુરિક એસિડ (૧૫-૨૦% સાંદ્રતા) સાથે ૮૦-૯૦°C તાપમાને ૪-૬ કલાક માટે ટ્રીટ કરો, જેનાથી ≥૯૫% કેડમિયમ લીચિંગ કાર્યક્ષમતા પ્રાપ્ત થાય છે. સ્પોન્જ કેડમિયમ મેળવવા માટે ડિસ્પ્લેસમેન્ટ માટે ફિલ્ટર કરો અને ઝીંક પાવડર (૧.૨-૧.૫ ગણો સ્ટોઇકિયોમેટ્રિક રેશિયો) ઉમેરો.

1. ‌મેલ્ટિંગ અને કાસ્ટિંગ‌

• સ્પોન્જ કેડમિયમને ઉચ્ચ-શુદ્ધતાવાળા ગ્રેફાઇટ ક્રુસિબલ્સમાં લોડ કરો, 320-350°C પર આર્ગોન વાતાવરણમાં પીગળો, અને ધીમા ઠંડક માટે ગ્રેફાઇટ મોલ્ડમાં રેડો. ≥8.65 ગ્રામ/સેમી³ ઘનતાવાળા ઇંગોટ્સ બનાવો.

II. ઝોન રિફાઇનિંગ

1. ‌સાધનો અને પરિમાણો‌

• ૫-૮ મીમી પીગળેલા ઝોન પહોળાઈ, ૩-૫ મીમી/કલાકની ટ્રાવર્સ સ્પીડ અને ૮-૧૨ રિફાઇનિંગ પાસ સાથે આડી ફ્લોટિંગ ઝોન મેલ્ટિંગ ફર્નેસનો ઉપયોગ કરો. તાપમાન ઢાળ: ૫૦-૮૦°C/સેમી; વેક્યુમ ≤૧૦⁻³ Pa‌
• ‌અશુદ્ધિ અલગતા‌: પુનરાવર્તિત ઝોન ઇન્ગોટ પૂંછડી પર કેન્દ્રિત સીસું, ઝીંક અને અન્ય અશુદ્ધિઓ પસાર કરે છે. અંતિમ 15-20% અશુદ્ધિ-સમૃદ્ધ ભાગ દૂર કરો, મધ્યવર્તી શુદ્ધતા ≥99.999% પ્રાપ્ત કરો.

1. ‌કી નિયંત્રણો‌

• પીગળેલા ઝોનનું તાપમાન: 400-450°C (કેડમિયમના ગલનબિંદુ 321°C થી થોડું ઉપર);
• ઠંડક દર: 0.5-1.5°C/મિનિટ જાળીની ખામીઓને ઘટાડવા માટે;
• આર્ગોન પ્રવાહ દર: ઓક્સિડેશન અટકાવવા માટે 10-15 લિટર/મિનિટ

III. ઇલેક્ટ્રોલિટીક રિફાઇનિંગ

1. ‌ઇલેક્ટ્રોલાઇટ ફોર્મ્યુલેશન‌

• ઇલેક્ટ્રોલાઇટ રચના: કેડમિયમ સલ્ફેટ (CdSO₄, 80-120 g/L) અને સલ્ફ્યુરિક એસિડ (pH 2-3), કેથોડ ડિપોઝિટ ઘનતા વધારવા માટે 0.01-0.05 g/L જિલેટીન ઉમેરવામાં આવે છે.

1. ‌પ્રક્રિયા પરિમાણો‌

• એનોડ: ક્રૂડ કેડમિયમ પ્લેટ; કેથોડ: ટાઇટેનિયમ પ્લેટ;
• વર્તમાન ઘનતા: 80-120 A/m²; સેલ વોલ્ટેજ: 2.0-2.5 V;
• વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણ તાપમાન: ૩૦-૪૦°C; સમયગાળો: ૪૮-૭૨ કલાક; કેથોડ શુદ્ધતા ≥૯૯.૯૯%‌

IV. વેક્યુમ રિડક્શન ડિસ્ટિલેશન

1. ‌ઉચ્ચ-તાપમાન ઘટાડો અને વિભાજન‌

• કેડમિયમ ઇંગોટ્સને વેક્યુમ ફર્નેસમાં મૂકો (દબાણ ≤10⁻² Pa), હાઇડ્રોજનને રિડક્ટન્ટ તરીકે દાખલ કરો, અને કેડમિયમ ઓક્સાઇડને વાયુયુક્ત કેડમિયમમાં ઘટાડવા માટે 800-1000°C સુધી ગરમ કરો. કન્ડેન્સર તાપમાન: 200-250°C; અંતિમ શુદ્ધતા ≥99.9995%

1. ‌અશુદ્ધિ દૂર કરવાની અસરકારકતા‌

• શેષ સીસું, તાંબુ અને અન્ય ધાતુની અશુદ્ધિઓ ≤0.1 પીપીએમ;
• ઓક્સિજનનું પ્રમાણ ≤5 પીપીએમ‌

વી. ઝોક્રાલ્સ્કી સિંગલ ક્રિસ્ટલ ગ્રોથ

1. ‌પીગળવું નિયંત્રણ અને બીજ સ્ફટિક તૈયારી‌

• ઉચ્ચ-શુદ્ધતાવાળા કેડમિયમ ઇંગોટ્સને ઉચ્ચ-શુદ્ધતાવાળા ક્વાર્ટઝ ક્રુસિબલ્સમાં લોડ કરો, 340-360°C પર આર્ગોન હેઠળ ઓગાળો. આંતરિક તાણ દૂર કરવા માટે 800°C પર પ્રી-એનિલ કરેલ <100>-ઓરિએન્ટેડ સિંગલ-ક્રિસ્ટલ કેડમિયમ બીજ (વ્યાસ 5-8 મીમી) નો ઉપયોગ કરો.

1. ‌ક્રિસ્ટલ પુલિંગ પરિમાણો‌

• ખેંચવાની ગતિ: 1.0-1.5 મીમી/મિનિટ (પ્રારંભિક તબક્કો), 0.3-0.5 મીમી/મિનિટ (સ્થિર-સ્થિતિ વૃદ્ધિ);
• ક્રુસિબલ રોટેશન: 5-10 rpm (કાઉન્ટર-રોટેશન);
• તાપમાન ઢાળ: 2-5°C/mm; ઘન-પ્રવાહી ઇન્ટરફેસ તાપમાનમાં વધઘટ ≤±0.5°C‌

1. ‌ખામી દબાવવાની તકનીકો‌

• ‌ચુંબકીય ક્ષેત્ર સહાય‌: ઓગળેલા ટર્બ્યુલન્સને દબાવવા અને અશુદ્ધતાના સ્ટ્રાઇશન્સ ઘટાડવા માટે 0.2-0.5 T અક્ષીય ચુંબકીય ક્ષેત્ર લાગુ કરો;
• ‌નિયંત્રિત ઠંડક‌: ૧૦-૨૦°C/કલાકનો વૃદ્ધિ પછીનો ઠંડક દર થર્મલ સ્ટ્રેસને કારણે થતી ડિસલોકેશન ખામીઓને ઘટાડે છે.

VI. પોસ્ટ-પ્રોસેસિંગ અને ગુણવત્તા નિયંત્રણ

1. ‌ક્રિસ્ટલ મશીનિંગ‌

• ‌કટીંગ‌: 20-30 મીટર/સેકન્ડ વાયરની ઝડપે 0.5-1.0 મીમી વેફરમાં કાપવા માટે હીરાના વાયરના કરવતનો ઉપયોગ કરો;
• ‌પોલિશિંગ‌: નાઈટ્રિક એસિડ-ઇથેનોલ મિશ્રણ (1:5 વોલ્યુમ રેશિયો) સાથે કેમિકલ મિકેનિકલ પોલિશિંગ (CMP), સપાટીની ખરબચડી Ra ≤0.5 nm પ્રાપ્ત કરે છે.

1. ‌ગુણવત્તા ધોરણો‌

• ‌શુદ્ધતા‌: GDMS (ગ્લો ડિસ્ચાર્જ માસ સ્પેક્ટ્રોમેટ્રી) Fe, Cu, Pb ≤0.1 ppm ની પુષ્ટિ કરે છે;
• ‌પ્રતિકારકતા‌: ≤5×10⁻⁸ Ω·m (શુદ્ધતા ≥99.9999%);
• ‌ક્રિસ્ટલોગ્રાફિક ઓરિએન્ટેશન‌: વિચલન <0.5°; સ્થાનાંતરણ ઘનતા ≤10³/cm²

VII. પ્રક્રિયા ઑપ્ટિમાઇઝેશન દિશાઓ

1. ‌લક્ષિત અશુદ્ધિ દૂર કરવી‌

• 6N-ગ્રેડ શુદ્ધતા (99.9999%) પ્રાપ્ત કરવા માટે મલ્ટી-સ્ટેજ ઝોન રિફાઇનિંગ સાથે મળીને Cu, Fe, વગેરેના પસંદગીયુક્ત શોષણ માટે આયન-વિનિમય રેઝિનનો ઉપયોગ કરો.

1. ‌ઓટોમેશન અપગ્રેડ્સ‌

• AI અલ્ગોરિધમ્સ ગતિશીલ રીતે ખેંચવાની ગતિ, તાપમાનના ગ્રેડિયન્ટ્સ વગેરેને સમાયોજિત કરે છે, જેનાથી ઉપજ 85% થી 93% સુધી વધે છે;
• ક્રુસિબલનું કદ 36 ઇંચ સુધી વધારવું, 2800 કિગ્રાનો સિંગલ-બેચ ફીડસ્ટોક સક્ષમ બનાવવો, ઊર્જા વપરાશ 80 kWh/kg સુધી ઘટાડવો

1. ‌ટકાઉપણું અને સંસાધન પુનઃપ્રાપ્તિ‌

• આયન વિનિમય દ્વારા એસિડ વોશ કચરાને ફરીથી ઉત્પન્ન કરો (Cd પુનઃપ્રાપ્તિ ≥99.5%);
• સક્રિય કાર્બન શોષણ + આલ્કલાઇન સ્ક્રબિંગ (Cd વરાળ પુનઃપ્રાપ્તિ ≥98%) સાથે એક્ઝોસ્ટ વાયુઓની સારવાર કરો.

સારાંશ

કેડમિયમ સ્ફટિક વૃદ્ધિ અને શુદ્ધિકરણ પ્રક્રિયા હાઇડ્રોમેટલર્જી, ઉચ્ચ-તાપમાન ભૌતિક શુદ્ધિકરણ અને ચોકસાઇ સ્ફટિક વૃદ્ધિ તકનીકોને એકીકૃત કરે છે. એસિડ લીચિંગ, ઝોન રિફાઇનિંગ, ઇલેક્ટ્રોલિસિસ, વેક્યુમ ડિસ્ટિલેશન અને ઝોક્રાલ્સ્કી વૃદ્ધિ દ્વારા - ઓટોમેશન અને પર્યાવરણને અનુકૂળ પદ્ધતિઓ સાથે જોડાયેલ - તે 6N-ગ્રેડ અલ્ટ્રા-હાઇ-પ્યુરિટી કેડમિયમ સિંગલ સ્ફટિકોનું સ્થિર ઉત્પાદન સક્ષમ બનાવે છે. આ પરમાણુ ડિટેક્ટર, ફોટોવોલ્ટેઇક સામગ્રી અને અદ્યતન સેમિકન્ડક્ટર ઉપકરણોની માંગને પૂર્ણ કરે છે. ભવિષ્યની પ્રગતિ મોટા પાયે સ્ફટિક વૃદ્ધિ, લક્ષિત અશુદ્ધિ અલગતા અને ઓછા કાર્બન ઉત્પાદન પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કરશે.