კადმიუმის პროცესის ეტაპები და პარამეტრები

I. ნედლეულის წინასწარი დამუშავება და პირველადი გაწმენდა

1. ‌მაღალი სისუფთავის კადმიუმის ნედლეულის მომზადება‌

• ‌მჟავა რეცხვა‌: ზედაპირული ოქსიდებისა და მეტალის მინარევების მოსაშორებლად, სამრეწველო დანიშნულების კადმიუმის ზოდები ჩაუშვით 5%-10%-იან აზოტმჟავას ხსნარში 40-60°C ტემპერატურაზე 1-2 საათის განმავლობაში. ჩამოიბანეთ დეიონიზებული წყლით ნეიტრალური pH-ის მიღწევამდე და გააშრეთ მტვერსასრუტით.
• ‌ჰიდრომეტალურგიული გამორეცხვა‌: კადმიუმის შემცველი ნარჩენები (მაგ., სპილენძ-კადმიუმის წიდა) დაამუშავეთ გოგირდმჟავით (15-20%-იანი კონცენტრაციით) 80-90°C ტემპერატურაზე 4-6 საათის განმავლობაში, კადმიუმის გამორეცხვის ≥95%-იანი ეფექტურობის მისაღწევად. გაფილტრეთ და დაამატეთ თუთიის ფხვნილი (1.2-1.5-ჯერ სტექიომეტრიული თანაფარდობა) ღრუბლოვანი კადმიუმის მისაღებად.

1. ‌დნობა და ჩამოსხმა‌

• ღრუბელიანი კადმიუმი ჩაასხით მაღალი სისუფთავის გრაფიტის ტიგანებში, გაადნეთ არგონის ატმოსფეროში 320-350°C ტემპერატურაზე და ჩაასხით გრაფიტის ფორმებში ნელი გაგრილებისთვის. შექმენით ზოდები ≥8.65 გ/სმ³ სიმკვრივით.

II. ზონური გადამუშავება

1. ‌აღჭურვილობა და პარამეტრები‌

• გამოიყენეთ ჰორიზონტალური მცურავი ზონის დნობის ღუმელები 5-8 მმ დნობის ზონის სიგანით, 3-5 მმ/სთ გადაადგილების სიჩქარით და 8-12 რაფინირების გავლით. ტემპერატურის გრადიენტი: 50-80°C/სმ; ვაკუუმი ≤10⁻³ Pa‌
• ‌მინარევების გამოყოფაგანმეორებითი ზონა ჯოხის კუდში ტყვიის, თუთიის და სხვა მინარევების კონცენტრირებას ახდენს. მინარევებით მდიდარი ბოლო 15-20%-იანი მონაკვეთის მოცილებით, რაც საშუალო სისუფთავის ≥99.999%-ს აღწევს.

1. ‌კლავიშების კონტროლი‌

• გამდნარი ზონის ტემპერატურა: 400-450°C (კადმიუმის დნობის წერტილზე 321°C ოდნავ მეტი);
• გაგრილების სიჩქარე: 0.5-1.5°C/წთ ბადისებრი დეფექტების მინიმიზაციისთვის;
• არგონის ნაკადის სიჩქარე: 10-15 ლ/წთ დაჟანგვის თავიდან ასაცილებლად

III. ელექტროლიტური რაფინირება

1. ‌ელექტროლიტების ფორმულა‌

• ელექტროლიტის შემადგენლობა: კადმიუმის სულფატი (CdSO₄, 80-120 გ/ლ) და გოგირდმჟავა (pH 2-3), კათოდური დეპოზიტის სიმკვრივის გასაძლიერებლად დამატებული 0.01-0.05 გ/ლ ჟელატინით.

1. ‌პროცესის პარამეტრები‌

• ანოდი: ნედლი კადმიუმის ფირფიტა; კათოდი: ტიტანის ფირფიტა;
• დენის სიმკვრივე: 80-120 ამ/მ²; უჯრედის ძაბვა: 2.0-2.5 ვ;
• ელექტროლიზის ტემპერატურა: 30-40°C; ხანგრძლივობა: 48-72 საათი; კათოდის სისუფთავე ≥99.99%‌

IV. ვაკუუმური რედუქციული დისტილაცია

1. ‌მაღალი ტემპერატურის შემცირება და გამოყოფა‌

• კადმიუმის ზოდები მოათავსეთ ვაკუუმურ ღუმელში (წნევა ≤10⁻² Pa), დაამატეთ წყალბადი აღმდგენი აგენტის სახით და გააცხელეთ 800-1000°C-მდე, რათა კადმიუმის ოქსიდები აღდგეს აირად კადმიუმად. კონდენსატორის ტემპერატურა: 200-250°C; საბოლოო სისუფთავე ≥99.9995%

1. ‌მინარევების მოცილების ეფექტურობა‌

• ნარჩენი ტყვიის, სპილენძის და სხვა მეტალის მინარევები ≤0.1 ppm;
• ჟანგბადის შემცველობა ≤5 ppm‌

ვ. ჩოხრალსკი მონოკრისტალების ზრდა

1. ‌დნობის კონტროლი და დათესილი კრისტალების მომზადება‌

• მაღალი სისუფთავის კადმიუმის ზოდები ჩატვირთეთ მაღალი სისუფთავის კვარცის ტიგანებში, გაადნეთ არგონის ქვეშ 340-360°C ტემპერატურაზე. გამოიყენეთ <100>-ზე ორიენტირებული ერთკრისტალური კადმიუმის მარცვლები (დიამეტრი 5-8 მმ), წინასწარ გახურებული 800°C-ზე შიდა დაძაბულობის აღმოსაფხვრელად.

1. ‌კრისტალის გაყვანის პარამეტრები‌

• გაწევის სიჩქარე: 1.0-1.5 მმ/წთ (საწყისი სტადია), 0.3-0.5 მმ/წთ (სტაციონარული ზრდა);
• ტილოგრამის ბრუნვის სიჩქარე: 5-10 ბრ/წთ (საპირისპირო ბრუნვა);
• ტემპერატურის გრადიენტი: 2-5°C/მმ; მყარი-სითხე ინტერფეისის ტემპერატურის რყევა ≤±0.5°C‌

1. ‌დეფექტების აღმოფხვრის ტექნიკა‌

• ‌მაგნიტური ველის დახმარება‌: დნობის ტურბულენტობის ჩასახშობად და მინარევებით გამოწვეული ზოლების შესამცირებლად გამოიყენეთ 0.2-0.5 ტ ღერძული მაგნიტური ველი;
• ‌კონტროლირებადი გაგრილებაზრდის შემდგომი გაგრილების სიჩქარე 10-20°C/სთ მინიმუმამდე ამცირებს თერმული სტრესით გამოწვეულ დისლოკაციის დეფექტებს.

VI. შემდგომი დამუშავება და ხარისხის კონტროლი

1. ‌კრისტალების დამუშავება‌

• ‌ჭრა‌: ბრილიანტის მავთულის ხერხების გამოყენებით, 20-30 მ/წმ მავთულის სიჩქარით, 0.5-1.0 მმ-იან ვაფლებად დაჭერით;
• ‌გაპრიალებაქიმიური მექანიკური გაპრიალება (CMP) აზოტმჟავა-ეთანოლის ნარევით (1:5 მოცულობითი თანაფარდობით), ზედაპირის უხეშობის მიღწევით Ra ≤0.5 ნმ.

1. ‌ხარისხის სტანდარტები‌

• ‌სიწმინდეGDMS (ნათების განმუხტვის მას-სპექტრომეტრია) ადასტურებს Fe, Cu, Pb ≤0.1 ppm-ს;
• ‌წინაღობა‌: ≤5×10⁻⁸ Ω·მ (სისუფთავე ≥99.9999%);
• ‌კრისტალოგრაფიული ორიენტაცია‌: გადახრა <0.5°; დისლოკაციის სიმკვრივე ≤10³/სმ²

VII. პროცესის ოპტიმიზაციის მიმართულებები

1. ‌მიზანმიმართული მინარევების მოცილება‌

• იონგაცვლითი ფისების გამოყენება Cu, Fe და ა.შ. შერჩევითი ადსორბციისთვის, მრავალსაფეხურიან ზონურ რაფინირებასთან ერთად, 6N კლასის სისუფთავის (99.9999%) მისაღწევად.

1. ‌ავტომატიზაციის განახლებები‌

• ხელოვნური ინტელექტის ალგორითმები დინამიურად არეგულირებენ ამოღების სიჩქარეს, ტემპერატურის გრადიენტებს და ა.შ., რაც ზრდის მოსავლიანობას 85%-დან 93%-მდე;
• ტილოგრამის ზომის 36 ინჩამდე გაზრდა, რაც საშუალებას იძლევა ერთჯერადი პარტიის ნედლეულის 2800 კგ-მდე წარმოების, ენერგიის მოხმარების 80 კვტ.სთ/კგ-მდე შემცირების მიზნით.

1. ‌მდგრადობა და რესურსების აღდგენა‌

• მჟავა გამორეცხვის ნარჩენების რეგენერაცია იონური გაცვლის გზით (Cd აღდგენა ≥99.5%);
• გამონაბოლქვი აირების დამუშავება გააქტიურებული ნახშირბადის ადსორბციით + ტუტე სკრაბით (Cd ორთქლის აღდგენა ≥98%)‌

რეზიუმე

კადმიუმის კრისტალების ზრდისა და გაწმენდის პროცესი აერთიანებს ჰიდრომეტალურგიას, მაღალტემპერატურულ ფიზიკურ რაფინირებას და კრისტალების ზუსტი ზრდის ტექნოლოგიებს. მჟავა გამორეცხვის, ზონური რაფინირების, ელექტროლიზის, ვაკუუმური დისტილაციისა და ჩოხრალსკის ზრდის გზით - ავტომატიზაციასთან და ეკოლოგიურად სუფთა პრაქტიკასთან ერთად - ის საშუალებას იძლევა 6N კლასის ულტრამაღალი სისუფთავის კადმიუმის მონოკრისტალების სტაბილური წარმოებისა. ეს აკმაყოფილებს ბირთვული დეტექტორების, ფოტოელექტრული მასალების და მოწინავე ნახევარგამტარული მოწყობილობების მოთხოვნებს. მომავალი მიღწევები ფოკუსირებული იქნება ფართომასშტაბიანი კრისტალების ზრდაზე, მიზანმიმართულ მინარევების გამოყოფასა და დაბალი ნახშირბადის წარმოებაზე.