Выбор сорбентов . Ассортимент сорбентов для предварительной очистки воды, выпускаемых промышленностью, весьма разнообразен. Для очистки воды от органических веществ используют активированные угли, гелевые и макропористые аниониты и др. Активированные угли обладают замедленной кинетикой сорбции из растворов, что требует больших площадей фильтрации, плохой регенерируем остью с помощью реагентов (остаточная емкость после первой регенерации значительно меньше половины исходной), механической непрочностью, высокой зольностью.

Аниониты, особенно макропористые, свободны от многих перечисленных недостатков. Первичный выбор лучших из них проводят в статических условиях при контакте сорбентов с модельными растворами или с данной водой в течение часа.

После отбора лучших образцов (в данном случае ими оказались отечественные сорбенты полимеризационного типа АВ-171 и конденсационного типа ИА-1) проводят кинетические исследования. Их целью является определение характера стадии, лимитирующей процесс, нахождение коэффициентов диффузии и времени установления равновесия. Стадию, лимитирующую процесс, определяют по следующему признаку: если перемешивание раствора способствует ускорению сорбции, это свидетельствует о преимущественном влиянии внешней диффузии; прямое доказательство внутридиффузионного механизма дает опыт с «прерыванием». Если после перерыва возобновить сорбционный процесс и сорбционная активность твердой фазы возрастет, можно с уверенностью говорить о внутридиффузионном характере процесса.

Сорбция гумусовых веществ . Внутридиффузионная кинетика, по данным, лимитирует сорбцию гумусовых веществ, т. е. сорбционную предварительную очистку воды.

Анализ этого уравнения показывает, что потеря защитного действия, выраженная в линейных или объемных единицах сорбента, тем больше (а рабочий период колонки тем меньше), чем больше скорость потока, радиус зерен сорбента и заданная глубина очистки.

Из кинетических опытов определяют коэффициенты диффузии и время установления равновесия в системах ионит-раствор и строят изотермы сорбции. Изотермы сорбции гуминовых и фульвокислот анионитами ИА-1 и АВ-171 описываются уравнением Ленгмюра.

В работах сопоставлены результаты экспериментального определения сорбционнои емкости до проскока гумусовых веществ с сорбционной ёмкостью, рассчитанной по уравнениям; расхождения не превышают 10-15%. Изменяя скорость потока, глубину очистки, радиус зерна сорбента и сам сорбент, можно определить потерю времени защитного действия колонны для каждого варианта. В то же время следует помнить, что это возлагает очень большую ответственность на точность определения коэффициентов диффузии и равновесия в системах сорбент - раствор, дающих исходные данные для расчета динамики сорбции.

Итак, наилучшим сорбентом для предварительной очистки воды оказался макропористый анионит ИА-1, работающий в хлор-форме, при рН очищаемого раствора, равном 3,0-3,5. Что касается размера зерен, его выбор ограничен характером дренажной системы и желательной скоростью пропускания воды.

В природных водах присутствуют гуминовые и фульвокислоты. Первые сорбируются хуже, и их «проскок» практически лимитирует процесс очистки. Поэтому величину следует рассчитывать по содержанию в очищаемой воде гуминовых кислот. Если после коагуляционной очистки они отсутствуют, рабочий период сорбционной колонны рассчитывают по содержанию в воде фульвокислот.

То обстоятельство, что сорбция слабодиссоциирующих гуминовой и фульвокислот идет лучше в кислой среде и на анионите в солевой форме, указывает на неионообменный механизм поглощения этих веществ и подсказывает экономически и технологически выгодную схему предварительной очистки воды. Сорбционную колонну с ионитом ИА-1 следует устанавливать после катионита в Н-форме и следующего за ним декарбонизатора. Это освобождает от необходимости подкислять воду, так как она подкисляется самопроизвольно при катионировании. Таким образом, сорбционная колонна становится составной частью обессоливающей установки. При совмещении коагуляционной очистки с сорбционной вода на 80-85% освобождается от органических примесей. Дальнейшая, более глубокая очистка воды от органических примесей проводится на ионитах обессоливающей части установки.

Извлечение других органических веществ . Поверхностные и артезианские воды содержат органические вещества, относящиеся к различным классам соединений. Установлено, что такие вещества, как сахара, белковоподобные вещества, аминокислоты проходят через систему ионитовых колонн и попадают в глубокообессоленную воду. Причем их количество зависит от состава исходной воды и значительно превышает содержание минеральных примесей. Максимальное извлечение этих веществ из воды в ходе ее предварительной очистки сорбционным методом является необходимым.

В работе сопоставлена способность некоторых активированных углей и макропористых анионитов сорбировать различные аналитически определяемые органические соединения, растворенные в природных водах. Для этого через слой сорбента высотой 60 см со скоростью 7 м/ч пропускали по 100 объемов речных вод после их Н-катионирования, создающего наиболее благоприятные условия для сорбции.

Фульвокислоты извлекаются лучше смолами, чем углями, причем емкости ионообменников по фульвокислотам практически одинаковы. Но и в этом случае применение ионита ИА-1 целесообразнее, так как он регенерируется легче и с меньшими расходами реагентов.

Второй очень значительной группой соединений, которые, попадая в глубокообессоленную воду, могут влиять на ее удельное электрическое сопротивление, являются карбоновые кислоты. Для их сорбции наиболее пригодны уголь СКТ-ВТУ-2 и анионит АВ-171. Из этих двух сорбентов предпочтение, безусловно, следует отдать иониту, так как его емкость может быть восстановлена химическими реагентами. Для удаления простых и сложных аминокислот также следует применять анионит АВ-171.

Простые и сложные сахара, не влияющие на удельное электрическое сопротивление, обессоленной воды, в значительной степени сорбируются только углем БАУ. Поэтому при выборе сорбентов для очистки воды следует руководствоваться не только величиной их емкости и возможностью ее восстановления, но и необходимостью удаления из воды того или иного соединения.

Для ориентировочной оценки распределения органических веществ в слоях указанных сорбентов были сняты соответствующие выходные кривые. Загрузка ионитов в хлор-форме равнялась 1 л при высоте слоя 60 см; скорость протекания раствора 10 м/ч.

Фильтрат для анализа отбирали непрерывно фракциями по 10 л каждая. Продолжительность рабочего периода колонны выбрана равной 200 приведенным объемам; рН пропускаемой воды создавали предварительным катионироваиием исходной воды. Применяя различные сорбенты и их сочетания, можно удалить значительную часть органических веществ, растворенных в воде. Однако получить воду, полностью освобожденную от органических веществ с помощью перечисленного набора средств, вряд ли возможно.

Содержание и соотношение таких органических неэлектролитов, как сахара, белки, эфиры и т. п., изменяются не только от одной географической зоны к другой, но и в пределах одного региона. Поэтому нельзя ожидать, что при одинаковых технологических схемах и режимах деминерализации обессоленные воды будут совпадать по количественному и качественному содержанию органических веществ. В связи с этим следует относиться с осторожностью к попыткам нормирования сухого остатка высокоомной воды без учета состава исходной.

Удаление железа (обезжелезивание) . Железистыми называют воды, содержащие более 1 мг/л железа. Катионит сорбирует ионы двухвалентного железа примерно так же, как и ионы кальция, а ионы трехвалентного железа - еще более эффективно. Можно было ожидать, что при ионообменном обессоливании вода будет одновременно и «обезжелезиваться». Этому процессу мешают, однако, некоторые физико-химические особенности соединении железа, присутствующих в природных водах.

В открытых водоемах, хорошо аэрируемых, значительная часть железа находится в виде соединений Fe разной степени гидролизованности.

При коагуляционной и последующей сорбционной очистках вода освобождается не только от окрашенных (главным образом, гумусовых соединений), но и от коллоидных и комплексных форм железа. Таким образом, очистка от органических веществ является одновременно актом обезжелезивания воды.

Предприятиям, потребляющим особо чистую обессоленную воду, рекомендуется всюду (где возможно) получать ее из подземных вод, свободных, как правило, от органических загрязнений. Известно, что более 25% всех водопроводов получают подземную воду с содержанием железа от 1 до 5 мг/л.

В подземных водах, лишенных кислорода, железо большей частью находится в форме раствора бикарбоната частично гидролизованного. Если бы это вещество поступало на катионит в неокисленном и негидролизованном виде или не окислялось бы в самом катионитовом фильтре, можно было бы ожидать практически полного обмена ионов железа на ионы водорода. Однако наряду с реакцией ионного обмена, скорость которой определяется диффузионными процессами, идут реакции гидролиза солей железа, окисления и перехода в слабодиссоциирующие и практически нерастворимые соединения, способные к образованию коллоидов. Совокупность таких процессов приводит к тому, что вода, содержащая, например, в равновесном состоянии 0,16 мг/л железа в ионной форме, может характеризоваться общим содержанием железа на уровне 2 мг/л. Катионит же поглотит только ионную форму железа и растворит с поглощением часть наименее стойких продуктов гидролиза.

Выделение ионов водорода при работе катионита могло бы сдерживать реакцию и даже сдвигать ее влево, тем более, что количество ионов водорода в Н-катионированной воде определяется общим содержанием солей, которое практически на два порядка больше количества ионов железа в воде.

По мере срабатывания верхних слоев катионита два обстоятельства будут способствовать сдвигу реакции вправо: наличие в слое ионов Fe(II), каталитически ускоряющих их превращение в ионы Fe(III), и частичное поглощение катионитом ионов водорода, обменивающихся на ионы натрия и кальция, которыми заполнен отработанный слой смолы. Образующиеся в этих условиях гидроксид Fe(III) и другие продукты гидролиза уже не будут участвовать в ионном обмене и транзитом пройдут в Н-катионированную воду, так же, как и та часть подобных соединений железа, которая присутствовала в исходной воде.

Количественное описание этих процессов пока затруднительно. В то же время присутствие железа в неионной форме в Н-катионированной и обессоленной водах удовлетворительно объясняется предложенной концепцией и свидетельствует о необходимости удаления железа из железистых подземных вод перед их подачей на обессоливающую ионообменную установку. Приведенное выше уравнение подсказывает основные пути удаления железа из воды. Это аэрация (насыщение кислородом) и подщелачивание (связывание ионов водорода). В бикарбонатных водах последнее проходит самопроизвольно с выделением стехиометрического количества диоксида углерода. Аэрацию можно проводить продувкой воздухом, разбрызгиванием воды в воздухе или подачей озона; в качестве других окислителей можно использовать активный хлор, перманганат калия. Под действием окислителей иониты «стареют», поэтому желательно проводить обезжелезивание безреагентным методом.

Удалению железа из подземных вод посвящена монография, в которой обобщены как теоретические, так и технологические аспекты проблемы. Учитывая специфику получения сравнительно небольших объемов особо чистой обессоленной воды для производственных иужд и специфику самих производств, потребляющих такую воду, следует остановиться на методе упрощенной аэрации с последующим фильтрованием.

Над открытым фильтром через отверстия в подающих трубах разбрызгивается вода. Толщина слоя песка в фильтре обычно не менее 1,2 м, а размер зерен от 0,8 до 1,6 мм. Большей грязеемкостью отличаются фильтры с двухслойной загрузкой общей толщиной 1,2-1,5 м и толщиной верхнего слоя 0,5 м. Для нижнего слоя используют кварцевый песок размером зерен 0,8-1,2 мм, а для верхнего - антрацитовую крошку размером 0,9-2,4 мм. Скорость фильтрования иа открытых фильтрах достигает 10 м/ч. Как правило, с уменьшением скорости пропускания воды грязеемкость фильтров повышается, и поэтому открытые фильтры надо рассчитывать на скорость, не превышающую 5-7 м/ч.

В зависимости от принятой скорости фильтрования, исходного содержания железа в воде и других факторов, продолжительность работы фильтров, естественно, различна. При скорости фильтрования 5-7 м/ч и исходном содержании железа в воде 3-4 мг/л цикл работы установки 60-100 ч. После этого фильтры промывают противотоком интенсивностью 15-18 л/(с-м2) в течение 10-15 мин.

Объем промывных вод для фильтров на участке обезжелезивания воды достигает 4% от объема очищенной воды. Когда работа обезжелезивающей установки данного типа хорошо отлажена, содержание железа в фильтрате составляет 0,05-0,1 мг/л.

В отличие от дистиллята, содержащего до 5 мкг/л железа, технический конденсат бывает обогащен продуктами коррозии. При получении из такого конденсата особо чистой обессоленной воды необходимо предварительное обезжелезивание. Для этого используют сульфоугольные фильтры, работающие с эффективностью 25-50%, или более эффективные магнетитовые фильтры, намывные целлюлозные фильтры, намывные ионитовые фильтры (носящие за рубежом название powdex). Предложены анионитовые фильтры, где удаление железа основано на коагулирующем действии анионита в ОН-форме. Намывные ионитовые фильтры работают с эффективностью, приближающейся к 100% за счет практически мгновенной кинетики процесса. Здесь наряду с сорбцией ионов из жидкой фазы происходит механическое задержание частиц твердой фазы, коагуляция и образование комплексов с анионитом, если для намывного слоя берут смесь катионов и анионообменников.

Опыты показали пригодность намывных ионитовых фильтров для извлечения из воды гумусовых веществ, комплексующих железо и другие металлы.

Острота проблемы обезжелезивания как этапа предварительной очистки воды особенно выявилась в связи с необходимостью использования ультрачистой воды для производств микроэлектроники. Для финишной очистки воды перед ее подачей на отмывку деталей приборов используют микрофильтр с порами 0,2 мкм, задерживающий микробные тела. Если из обессоленной воды недостаточно удалено железо на предшествующих этапах, то микрофильтры быстро забиваются.

Умягчение воды. При частичном обессоливании воды электродиализным методом или с помощью обратного осмоса в ряде случаев необходимо предварительно умягчить воду, т. е. освободить ее от катионов кальция и магния, способных при соответствующем анионном составе воды образовывать осадки на ионитных мембранах или на мембранах (волокнах), используемых в аппаратах обратного осмоса.

Умягчение как этап предварительной очистки при обессоливании относительно небольших масс воды целесообразно проводить ионообменным способом. Регенерация катионита, т. е. перевод его в натриевую форму, проводится пропусканием через отработавший слой сорбента 6-10%-ного раствора хлорида натрия и последующей отмывкой водой.

По причинам, которые будут рассмотрены ниже, расход поваренной соли для регенерации превышает стехиометрический в 2,5-5 раз. При работе с водой, имеющей высокое содержание солей, для умягчения целесообразно использовать сильнокислотный катионит типа КУ-2. При этом по сравнению с такими катионнообменниками, как сульфоуголь или КУ-1, довольно значительно сокращается расход соли на регенерацию.

Водородного восстановления.

Процесс водородного восстановления элементов из их галогенидов (чаще всего хлоридов) широко используют в промышленности для получения эпитаксиальных слоев кремния, германия и полупроводниковых соединений, поликристаллического
кремния и целого ряда других элементов высокой степени чистоты. По сравнению с другими восстановителями (углерод, оксид углерода и др.) водород обладает рядом достоинств. К ним
относится высокая восстановительная способность, обусловлен¬
ная большой величиной нормального сродства водорода к га¬
лоидам; простота дозировки и подачи в зону реакции; возмож¬
ность глубокой очистки водорода и связанная с этим меньшая
вероятность загрязнения в процессе получаемого материала.
Однако высокая стоимость высокочистого водорода приводит к
большому его вкладу в общие расходы по получению полупро¬
водниковых материалов.

Высокочистый водород получают пропусканием его через
нагретые трубчатые палладиевые элементы. При этом водород
диффундирует через их стенки, а примеси (пары воды, кислород,
азот и др.) не проходят через фильтр и выбрасываются в атмо¬
сферу вместе с частью потока водорода. Чистоту водорода
контролируют по остаточному содержанию паров воды, которое
определяется по точке росы. Достаточно чистым считается во¬
дород с точкой росы -70° С, что соответствует содержанию па¬
ров воды 10_4%.

Билет №8

1. Характеристика технологических процессов переработки сырьевых материалов.

Тетр

1. 
   Метод пиролиза (термической диссоциации) в проточной системе (при атмосферном и пониженном давлении).

Термическая диссоциация используется для веществ с не¬
большой энергией связи молекул. К ним относятся соединения
элементов с водородом - гидриды (моносилан, арсин и т. д.),
металлоорганические соединения. Термическая диссоциация
моносилана в последнее время широко используется для полу¬
чения тонких эпитаксиальных слоев кремния. Многие из та¬
ких легко диссоциирующих веществ применяются в эпитакси¬
альной технологии полупроводниковых соединений и твердых
растворов на их основе. Пиролиз моносилана происходит по реакции

SiH4(г) «Si(тв) + 2H2(г)

и протекает при сравнительно низких температурах примерно 1000 °С, что обеспечивает получение слоев высокой чистоты за счет уменьшения диффузии примесей из подложки в растущий слой. Так, снижение температуры процесса от 1100 до 1000 °С уменьшает коэффициенты диффузии бора и фосфора в кремний в 10 раз. При пиролизе моносилана в системе реагентов не образуется галоидных соединений, способных переносить примеси из различных областей реакционной зоны к растущему слою.
Билет №9
1. Классификация основных процессов очистки п/п материалов и их соединений. Краткая характеристика процессов.

Общая характеристика и классификация методов очистки

В основе всех способов очистки материалов лежит различие физикохимических свойств разделяемых компонентов. Чем больше будет различие свойств компонентов, тем легче осуществляться их разделение. В настоящее время отсутствует четкая классификация методов очистки, это затрудняет выбор оптимального процесса в каждом конкретном случае. Наибольшее распространение получила следующая классификация основных процессов разделения и очистки материалов:

Процессы, основанные на сорбции (включают в себя адсорбционные процессы, процессы ионного обмена и хроматографии);

Процессы, связанные с экстракцией, в основном жидкостной ;

Кристаллизационные процессы;

Процессы, связанные с перегонкой через газовую фазу (включает в себя процессы сублимации, дистилляции, ректификации, а также химического транспорта);

Процессы, основанные на электролизе;

Процессы, основанные на различии коэффициентов диффузии;

Процессы избирательного осаждения, оксидирования и восстановления.

Выбор наиболее эффективного метода или их сочетания производят исходя из конкретных физико-химических свойств этого материала и его соединений. Например, для эффективной очистки кремния дистилляцией его переводят в четыреххлористый кремний и после дистилляции четыреххлористый кремний восстанавливают до исходного кремния. В общем случае очистку материалов проводят в две стадии. Вначале эти материалы переводят в промежуточные химические соединения и проводят их очистку. На второй стадии проводят восстановление химических соединений и, если необходимо, дополнительную очистку материалов, перечисленными способами, эффективность которых возрастает при работе с более чистыми материалами
2. Рост пленок полупроводниковых соединений из газовой фазы с

использованием химических транспортных реакций.
Ряд элементов (Al, Ga, In, Sn,
Pb, Mo, W и др.) имеет малое давление насыщенного пара при
достижимых в технологических процессах температурах (не
учитывая плазменных процессов), поэтому применение к ним
процесса кристаллизации из паровой фазы невозможно. Ряд
элементов не имеет химических соединений, из которых их мож¬
но легко восстановить.Это привело к разработке метода, когда перенос элемента в
зону осаждения происходит с помощью парообразного транспортирующего реагента. Им является или элемент-переносчик
или химическое соединение элемента-переносчика. При одной
температуре реактора в зоне источника транспортирующий реа¬
гент взаимодействует с находящимся в конденсированной фазе
переносимым элементом; при этом образуется летучее соедине¬
ние переносимого (транспортируемого) элемента, поступающее в
другую зону реактора - зону осаждения. В этой зоне протекает
реакция с образованием в твердой фазе переносимого элемента
и парообразных элемента-переносчика или исходного химичес¬
кого соединения этого элемента-переносчика или другого лету¬
чего соединения. Компоненты паровой (или парогазовой) фазы
зоны осаждения могут отводиться из реактора проточного типа
или использоваться многократно при их циркуляции в реакторе
закрытого типа (запаянной ампуле).

(GaAs) по хлоридной технологии. В реакто¬
ре проточного типа, выполненном из кварцевого стекла, в зо¬
не источника при температуре Т\ в лодочке из того же материа¬
ла находится предварительно подготовленный раствор-расплав
мышьяка в галлии. Подготовка этого источника проводится в
специальном реакторе, в который помещают лодочку с высо¬
кочистым галлием, при подаче на вход реактора парогазовой
смеси AsCU и Н2. Пар мышьяка, получаемый по реакции (7.8),


растворяется в жидкой фазе (процесс насыщения галлия
мышьяком). Температура этого процесса на несколько градусов
выше , чем Г, и растворимость несколько больше растворимости, соответствующей Т\ (см., например, рис. 12.1; принци¬
пиально диаграмма состояния Ga-GaAs не отличается от
представленной на этом рисунке). Поэтому в реакторе для
эпитаксии при температуре Т\ возникает пересыщение раствора-
расплава по мышьяку и кристаллизирующийся твердый арсенид
галлия, плотность которого меньше плотности расплава, обра¬
зует на поверхности источника тонкий слой («корочку») арсени¬
да галлия. В зону роста эпитаксиального слоя помещается под¬
ложка (или несколько подложек) арсенида галлия. В процессе
эпитаксии подложка нагревается до температуры Т2

Билет № 10

1. 
   Сорбционные методы очистки МЭТ.

Под сорбцией в общем случае понимают процессы поверхностного (адсорбция) и объемного (абсорбция) поглощения вещества на границе раздела двух фаз: твердой и жидкой, твердой и газообразной, жидкой и газообразной. Сорбционные процессы играют важную роль в современной технологии полупроводников и диэлектриков, поскольку позволяют разделять вещества с очень близкими физико-химическими свойствами (редкоземельные элементы, такие металлы, как цирконий и гафний, и т.д.).
Адсорбционная система состоит из адсорбента - вещества, на поверхности которого происходит поглощение, и адсорбата - вещества, молекулы которого поглощаются. По природе процессов различают физическую и химическую адсорбцию. При физической адсорбции молекулы адсорбата не вступают в химическое взаимодействие с адсорбентом и, таким образом, сохраняют свою индивидуальность на поверхности поглотителя; адсорбция в этом случае обусловлена действием сил Ван-дер-Ваальса. При химической адсорбции, или хемисорбции адсорбируемые молекулы вступают в химическую реакцию с адсорбентом с образованием на поверхности химических соединений. Обратный процесс - процесс удаления молекул с поверхности адсорбента называют десорбцией. Физическая адсорбция в отличие от хемисорбции обратима. Процесс десорбции также можно использовать как метод очистки. Адсорбция является избирательным процессом, т.е. на поверхности адсорбента адсорбируются только те вещества, которые понижают свободную энергию поверхностного слоя, или, другими словами, понижают поверхностное натяжение относительно окружающей среды. Таким образом, используя различную адсорбционную способность веществ, находящихся, например, в растворе, можно осуществить их разделение и очистку, поглотив одно из них адсорбентом и оставив другое в растворе. Количественной характеристикой адсорбционной системы является изотерма адсорбции. Она выражает связь между концентрацией вещества С в растворе и его количеством C s , адсорбированным единицей поверхности адсорбента при постоянной температуре в условиях адсорбционного равновесия. 1. Поверхность адсорбента имеет ограниченное число независимых адсорбционных мест, причем каждое место может адсорбировать только одну молекулу.

2. . МОС-гидридная эпитаксия полупроводников.
С помощью МОС-технологии может выращиваться большинство полупроводниковых соединений A 3 B 5 , A 2 B 6 и A 4 B 6 . В случае роста соединений A 3 B 5 вместо металлоорганических соединений элементов пятой группы могут использоваться гидриды соответствующих элементов. В этом случае принято использовать термин МОС-гидридная технология. Некоторые металлоорганические соединения: Ga(CH 3) 3 – триметилгаллий (ТМГ), Ga(C 2 H 5) 3 – триэтилгаллий (ТЭГ), In(CH 3) 3 – триметилиндий (ТМИ), In(C 2 H 5) 3 – триэтилиндий (ТЭИ), Al(CH 3) 3 – триметилалюминий (ТМА) (в общем виде – MR3, где M – металл, R 3 – (CH 3) или (C 2 H 5) – алкил). Гидриды: AsH 3 – арсин, PH 3 – фосфин.

Схематическое описание процессов при МОС-гидридной эпитаксии показано на рис. 2. Реакция происходит в газовом потоке при атмосферном или пониженном давлении в реакторе с холодными стенками. Газом-носителем обычно является водород. Отдельные стадии полной реакции имеют место уже в газовой фазе. Заключительные стадии и встраивание в решетку происходят на поверхности полупроводника. Типичные реакторы позволяют подключать несколько металлоорганических и гидридных источников, поэтому в едином ростовом цикле могут быть последовательно выращены чередующиеся слои разных материалов. Это дает возможность получать многослойные многокомпонентные эпитаксиальные структуры.

В технологическом процессе эпитаксии из металлоорганических соединений не участвуют травящие вещества, процесс роста при этом не является результатом конкуренции между осаждением и травлением, как в некоторых других методах эпитаксии из парогазовой фазы. Как следствие, обеспечиваются резкие границы между слоями, однородность растущих слоев по толщине и составу.

МОС-гидридная эпитаксия - самая простая из всех технологий получения эпитаксиальных слоев соединений A III B V из газовой фазы. Суммарной реакцией образования соединений является реакция типа

Ga(CH 3) 3 +AsH 3 →GaAs (тв) +3CH 4 ,

Билет №11

1. 
   Ионообменные методы очистки МЭТ.

Ионный обмен представляет собой обратимый взаимообмен ионов с одновременными зарядами, протекающий между жидким раствором и твердым нерастворимым веществом, находящимся в контакте с этим раствором. Твердое вещество, осуществляющее обмен ионов, называют ионитом или ионообменником, причем если обмен проходит только положительными ионами, то ионит является катионным ионообменником - катионитом, если же обмен осуществляется только отрицательными ионами, то это анионный ионообмен-ник, т.е. анионит. Амфотерные иониты способны одновременно осуществлять и катионный, и анионный обмен. Ионный обмен представляет собой стехиометрическое замещение: в обмен на каждый эквивалент одного иона , поглощенного из раствора, ионит отдает в раствор один эквивалент другого иона с зарядом того же знака. В этом заключается основное отличие ионного обмена от процесса адсорбции. При адсорбции, как было показано, адсорбент только поглощает растворенное вещество, не отдавая в раствор никакого другого вещества. На практике ионный обмен, как правило, всегда сопровождается адсорбцией, большая часть адсорбентов (например, оксид алюминия, активированный уголь и т.д.) могут проявлять себя как иониты. Ионит состоит из матрицы (рис. 2.3), обладающей положительным или отрицательным зарядом, обусловленным расположенными в нем так называемыми фиксированными ионами. Заряд фиксированных ионов компенсируется зарядом подвижных ионов противоположного знака, расположенными внутри пор матрицы и называемых противоионами. Поскольку противоионы подвижны внутри пор каркаса, то они могут быть заменены другими ионами того же знака, поступающими в поры из окружающего ионит раствора.
2. Вакуумное осаждение и молекулярно-лучевая эпитаксия.
Определение

Разновидность эпитаксии как одного из нанотехнологических методов получения полупроводниковых гетероструктур. Молекулярно-лучевое эпитаксиальное наращивание на подложке монокристаллических слоев полупроводниковых веществ заключается в осаждении испаренных компонентов на нагреваемую монокристаллическую подложку с одновременным взаимодействием между ними.
Описание

Каждый нагреватель установки МЛЭ содержит тигель, являющийся источником одного из компонентов пленки. Температура нагревателей определяется величиной давления паров испаряемых веществ, которое должно быть достаточным для формирования соответствующих молекулярных пучков. Испаряемое вещество переносится на подложку в условиях высокого вакуума. Нагреватели располагаются так, чтобы максимумы распределений интенсивности пучков пересекались в плоскости подложки. Подбор температуры нагревателей и подложки позволяет получать пленки сложного химического состава. Повышение температуры подложки до определенного предела обычно приводит к повышению качества эпитаксиальных слоев. Дополнительное управление процессом наращивания слоев осуществляется с помощью заслонок, расположенных между нагревателем и подложкой и позволяющих прерывать или возобновлять поступление любого из молекулярных пучков на подложку. Установки МЛЭ снабжены вакуумными шлюзами для смены образцов м могут содержать оборудование для анализа пленок in situ методами дифракции отраженных электронов , масс-спектрометрии и оже-спектрометрии с возможностью исследования оже-спектров распыленных ионов. Метод МЛЭ с использованием масок позволяет выращивать на поверхности локальные структуры различного рельефа. Уникальным свойством МЛЭ является возможность выращивания сверхрешеток - полупроводниковых гетероструктур с резкими границами, гладкими на атомарном уровне. +лекц

Билет №12

1. 
   Хроматографические методы разделения и очистки МЭТ.

Хроматография получила свое название от греческих слов «хрома» (цвет) и «графо» (пишу), что буквально означает «цветопись». Хроматография в на стоящее время широко применяется для глубокого разделения и очистки веществ. Все хроматографические методы основаны на различии в сорбируемости компонентов разделяемой смеси на сорбенте. Это приводит к различной скорости перемещения компонентов разделяемой смеси при движении ее через пористую сорбционную среду. Таким образом, обязательным условием разделения является избирательность и обратимость процесса сорбции компонентов смеси. Скорость передвижения каждого компонента смеси обратно пропорциональна степени сорбции. В результате различной скорости перемещения компонентов смесь делится на ряд полос и зон, образуя хроматограмму. Разделенные компоненты затем механически отделяют друг от друга. Процессы хроматографического разделения существенно различаются по форме осуществления. Основными методами жидкостно-адсорбционной хроматографии являются проявительный, вытеснительный и фронтальный. Рассмотрим их на примере разделения смеси, состоящей из двух компонентов А и В, причем вещество В адсорбируется сильнее, чем вещество А.

Проявительный метод (метод промыванием) состоит в том, что в верхнюю часть колонки с адсорбентом вводят разделяемую смесь А+В, которая тутже адсорбируется. Затем через колонку пропускают жидкость (проявитель Е ), адсорбирующуюся слабее обоих компонентов смеси В. Проходя через слой, содержащий адсорбированные компоненты А и В, проявитель будет вымывать постепенно из него оба компонента, но преимущественно компонент А, поскольку он адсорбируется слабее. В результате через некоторое время будет наблюдаться разделение компонентов А и В по различным зонам адсорбции (рис. 2.4,а). В конце концов компоненты А и В выводятся из колонки промывающей жидкостью порциями, отделенными одна от другой чистым проявителем.

Вытеснительный метод (или вытеснительное проявление) отличается от предыдущего тем , что в качестве промывающей применяется жидкость (вытеснитель D), которая адсорбируется сильнее, чем компоненты А и В . Вследствие этого происходит вытеснение жидкостью D обоих компонентов А и В с адсорбента, причем компонент А вытесняется быстрее. Это приводит к разделению компонентов (рис. 2.4,б), причем наряду с зонами, содержащими компоненты А и В в отдельности, будет существовать и промежуточная зона, где они содержатся оба. При дальнейшем проведении процесса вытеснения некоторую часть компонентов на выходе из колонки можно получить в чистом виде, но некоторая часть так и останется в смеси.

Фронтальный метод заключается в пропускании через колонку только разделяемой смеси. Вследствие меньшей адсорбции компонента А в колонке достигается распределение компонентов, показанное на рис. 2.4,в. Такой метод дает возможность получить в чистом виде некоторое количество только слабо адсорбируемого компонента А. Хроматографический метод разделения нашел широкое применение для разделения сложных смесей на компоненты, для выделения нужных веществ из весьма разбавленных растворов, для разделения близких по свойствам ионов (например, редкоземельных, металлов) и т.д.

Февраль 3, 2005

В настоящее время для очистки промышленных сточных вод используются различные технологии. В наиболее распространенной является реагентная, при которой ионы тяжелых металлов (Cr 3+ , Ni 2+ , Cu 2+ , Zn 2+ , Cd 2+ , Fe 3+ и др.) с помощью щелочного реагента переводятся в практически нерастворимые гид­роксиды этих металлов и выделяются из водной среды отстаиванием и фильтрованием. В качестве щелочных реагентов, вво­димых в очищаемый сток, ис­пользуются сода (кальцинированная или каустическая) или гашеная известь Са(ОН) 2 (известковое молоко).

Реагентный метод очистки сточных вод имеет ряд недостатков.

Во-первых, кон­центрация ионов тяжелых металлов и водородный показатель (рН) в сточных водах постоянно изменяются. Технология корректировки рН весьма инерционна и не может обеспечить своевременное изменение требуемой дозы щелочного реагента. Это обстоятельство приводит к неполному переводу ионов тяжелых металлов в их гидроксиды и проскоку этих ионов за пределы очистных сооружений в составе очищенных сточных вод. Причем концентрации тяжелых металлов при их проскоках в виде ионов могут в десятки раз превышать ПДК. Во-вторых, при применении реагентов возрастает и без того высокое солесодержание очищенных сточных вод, что может служить дополнительным препятствием при повторном их использовании в технологических операциях.

Перевод ионов тяжелых металлов в их гидроксиды сам по себе хороший технологический способ, но реализация его посредством добавления щелочного реагента с последующим отстаиванием и фильтрованием через обычные песчаные фильтры значительно снижает эффективность и надежность Как правило, очищенные сточные воды повторно использоваться не могут из-за низкого их качества.

Проблема обеспечения высококачественной очистки загрязненных сточных вод должна решаться путем упрощения технологической схемы, конструктивного оформления и эксплуатации водоочистных сооружений при одновременном повышении степени очистки, универсальности, надежности, а также экологической безопасности технологического процесса, возможности максимальной и даже полной автоматизации его.

В свете изложенных требований среди известных методов очистки сточных вод гальванических цехов до заданных нормативов (ионообменный, мембранный, сорбционный) наи­более перспективным представляется сорбционный при условии, что применяемый в технологическом процессе очистки адсорбент способен длительное время (месяцами и даже годами) выполнять свои функции водоочистителя, т. е. очищать фильтруемую через него воду от всего комплекса находящихся в ней вредных примесей при восстановлении сорбционной активности адсорбента посредством регенерации, осуществляемой непосредственно в фильтровальном сооружении.

Сорбционный метод очистки природных и сточных вод с использованием активированных углей и цеолитов известен давно. Однако широкого распространения он не нашел вследствие того, что данные адсорбенты являются фильтрующими материалами разового использования. Регенерация активированных углей и цеолитов дорогостоящая и трудоемкая операция и в условиях действующих водоочистных сооружений практически не осуществима, потому что требуются выгрузка материала из фильтра, активация его за пределами водоочистной станции на специальной установке, доставка отрегенерированного материала обратно на водоочистную станцию и загрузка его в фильтровальное сооружение. Если пойти по пути разового использования адсорбентов, то кроме колоссальных затрат на замену материала возникает вероятность экологической опасности, так как для надежного захоронения отработанного загрязненного адсорбента в огромном количестве требуются большие экономические затраты.

Недостатки сорбционного метода очистки сточных вод

Эксплуатационные и экономические недостатки сорбционного метода очистки природных и сточных вод традиционными адсорбентами устраняются при использовании в технологическом процессе водоочистки адсорбента, обладающего высокой поверхностной активностью зерен, позволяющего восстанавливать сорбционную способность посредством технологически не­сложной, непродолжительной по времени регенерации, проводимой непосредственно в фильтровальном сооружении. Наиболее эффективной основой для получения адсорбентов с целенаправленно ре­гулированными свойствами могут служить алюмосиликатные минералы, так как в их структуру можно вводить практически любые добавки органического и минерального происхождения, которые будут придавать поверхности зерен требуемые свойства.

Отличительным и положительным свойством этих минералов является «дефектность» их кристаллической решетки и способность к катионному замещению. Слоистая тетраэдооктаэдрическая структура алюмосиликатов позволяет принимать катионы не только в свою кристаллическую решетку, но и в межслоевые и межплоскостные пространства, а также на базальные плоскости частиц минерала. В качестве таких обменных ка­тионов могут служить магний и кальций, которые имеют слабые связи с поверхностью частиц ми­нерала и в водной среде достаточно легко переходят в раствор.

Катионы магния и кальция, как показали многолетние иссле­дования на кафедре «Водоснабжение и водоотведение» Пе­тербургского государственного университета путей сообщения, выполняют основную роль в ходе процесса сорбционного извлечения загрязнений сточных вод, участвуя вначале (посредством химического воздействия) в образовании новых соединений, а затем в создании коллоидных структур этих соединений на по­верхности зерен адсорбента и в межзерновом поровом пространстве. Поэтому при изготовлении алюмосиликатного адсорбента в сырье в качестве активирующей добавки вводят соединения магния и кальция.

Важными технологическими особенностями активированного алюмосиликатного адсорбента являются:

• способность к ионному обмену щелочноземельных и щелочных металлов (Mg 2+ , Ca 2+ , Na +) благодаря «дефектности» кристаллической решетки катионита, из которого изготавливается адсорбент;
• увеличение водородного показателя до 9 в профильтрованной через адсорбент воде;
• возникновение положительного ζ -потенциала на границе раздела «зерно адсорбента – жидкость» при фильтровании воды через слой адсорбента;
• восстановление сорбционной активности активированного алюмосиликатного адсорбента по отношению к ионам тяжелых металлов путем регенерации, проводимой непосредственно в фильтровальном сооружении.

При изготовлении активированного алюмосиликатного адсорбента благодаря природной ионообменной способности алю­мосиликатной основы происходит замещение части трехвалентного алюминия катионами магния и кальция, входящими в состав активатора, а также заполнение «вакансий» в узлах кристаллической решетки и в межслоевом пространстве выше­указанными катионами. В результате такого целенаправленного модифицирования и активирования алюмосиликатного сырья получается гранулированный материал, который при фильтровании воды через зернистый слой образует слабощелочную среду и положительный электрокинетический потенциал. Предпосылкой для создания щелочной среды являются оксиды магния и кальция, образующиеся в структуре адсорбента в процессе его изготовления. Оксиды магния и кальция образуют в воде гидроксиды, повышая таким образом рН за счет избытка анионов ОН – . Катионы тяжелых металлов, попадая в щелочную среду, вступают в реакцию и образуют труднорастворимые гидроксиды по схеме:

Ме 2+ + 2ОН – ® Ме(ОН) 2 ¯;

Ме 3+ + 3ОН – ® Ме(ОН) 3 ¯.

Произведение растворимости гидроксидов тяжелых металлов значительно меньше (в десятки и в сотни раз) произведения растворимости гидроксидов магния и кальция, поэтому равновесие химического взаимодействия смещается в сторону образования труднорастворимых гидроксидов тяжелых металлов. Кроме того из адсорбента в воду диффундируют обменные катионы Mg 2+ и Ca 2+ , также способствующие повышению рН среды за счет избыточных анионов ОН – , связываемых в дальнейшем в гидроксиды тяжелых металлов. Диффузия катионов Mg 2+ и Ca 2+ возможна благодаря непрочности связей с кристаллической решеткой катионита. Таким образом, формируются мицеллы гидроксидов тяжелых металлов с дальнейшим укрупнением их в агрегаты, образованием и ростом коллоидной структуры за счет сил электростатического взаимодействия между положительно заряженной поверхностью зерен адсорбента и отрицательно заряженными мицеллами гидроксидов тяжелых металлов.

В процессе фильтрационного извлечения из воды ионов тяжелых металлов активная часть адсорбента, состоящая из катионов магния и кальция, продуцируя в водную среду, постепенно уносится вместе с фильтратом. Наступает момент, когда очистительные (защитные) функции адсорбента становятся недостаточными, и концентрация выносимых с фильтратом ионов тяжелых металлов превышает установленные ПДК. Требуется активация адсорбента, т. е. восполнение ушедших вместе с водой обменных катионов.

При выборе активатора для восстановления сорбционных свойств адсорбента учитывались три наиболее важных фактора:

1. во-первых, активатор должен растворяться в воде, чтобы активацию проводить раствором непосредственно в фильтровальном сооружении;
2. во-вторых, ионообменный катион в ряду активности катионов должен быть расположен выше, чем кальций и магний;
3. в-третьих, этот катион должен обладать щелочными свойствами и быть легко доступным для практического использования. Всем этим условиям в наибольшей степени отвечает катион натрия Na + в составе кальцинированной соды.

Как показала практика эксплуатации, обработка активированного алюмосиликатного адсорбента 3−4-процентным раствором кальцинированной соды в циркуляционном режиме в течение 30-35 мин восстанавливает защитные свойства адсорбента независимо от количества проведенных циклов регенерации, т. е. в течение длительного срока эксплуатации. Восстановление сорбционной активности фильтрующей загрузки осуществляется обработкой 3−4-процент­ным раствором кальцинированной соды в режиме циркуляции с интенсивностью 3 л×с/м 2 . Регенерационный раствор используется многократно. Перед восстановлением необходимо промыть фильтрующую загрузку водой с интенсивностью 14 л×с/м 2 .

В 2004 г. в ГУ «Городской ла­бораторный центр государствен­ного санитарно-эпидемиологиче­ского надзора» (С.-Петербург) были проведены исследования (торговая марка «Глинт»). Для исследования эффективности работы адсорбента «Глинт» в качестве исходной пробы использовалась дистиллированная вода, приготовленная с добавлением реактивов, содержащих металлы: сульфаты никеля, кадмия, марганца, цинка, меди и хрома, железо треххлористое, свинец азотнокис­лый. Как показывают результаты исследований, адсорбент «Глинт» обладает способностью значительно снижать концентрации ионов тяжелых металлов в водных растворах (таблица).

Технология очистки промыш­ленных сточных вод с использованием активированного алюмосиликатного адсорбента реализо­вана:

• для гальванического производства на ФГУП «Рязанский приборный завод»,
• для аккумуляторного завода в ЗАО «Электро­тяга» (С.-Петербург),
• ОАО «Завод по выпуску алмазного инструмента» (г. Томилино Московской обл.),
• АО «Муромский радиозавод» (г. Муром),
• ОАО «Ступинский металлургический комбинат» (г. Ступино Московской обл.),
• ОАО «Измеритель» (г. Смоленск)
• и на ряде других предприятий.

Например, в ОАО «Ступинская металлургическая компания» (г. Ступино Московской обл.) с 2000 г. эксплуатируются напорные фильтры производительностью 3500 м 3 /сут, загруженные активированным алюмосиликатным адсорбентом (пять фильтров по 16 м 2). Состав загрязнений, поступающих на фильтры, мг/л: нефтепродуктыдо 20, Cr 3+ до 10, Cu 2+ до 5, Fe 3+ до 10, Al 3+ до 5, Ni 2+ до 10, Zn 2+ до 5, рН 6-7,5. Состав фильтрата соответствует значениям ПДК вредных веществ для водоемов рыбохозяйственного назначения. Регенерация адсорбента производится через 5-7 суток 3-про­центным раствором кальцинированной соды. Износ адсорбента составляет около 5 %в год. Себестоимость очистки 1 м 3 сточных вод (по данным предприя­тия) – 4,5 руб.

На этом и других предприя­тиях используется активированный алюмосиликатный адсорбент со следующими характеристиками (по ГОСТ 51641−2000 «Материалы фильтрующие зернистые. Общие технические указания»): размер зерна 0,63–2 мм, объемная масса 0,95–1 г/см 3 , измельчаемость до 0,5, истираемость до 5, удельная рабочая по­верхность9-12 м 2 /г, минимальное значение рН фильтруемой воды6.

Выводы

Опыт промышленной эксплуатации указанных объектов показывает, что технологический процесс сорбционной очистки сточных вод отличается надежностью и экономичностью при высоком качестве. Как правило, очищенные сточные воды повторно используются на технологические нужды. Переход предприятий на замкнутый цикл водоснабжения улучшит экологическую обстановку в регионе, обеспечит рациональное использование водных ресурсов.

Е. Г. ПЕТРОВ, профессор (Петербургский государственный университет путей сообщения);
Д. С. КИРИЧЕВСКИЙ, директор ЗАО «Квант Минерал» (С.-Петербург)

Сорбционные фильтры — достаточно востребованные изделия для удаления разнообразных механических и хлорорганических примесей путём поглощения загрязнителя внутренней поверхностью зерна загрузки.

О выборе и установке сорбционных фильтров пойдет речь в этой статье.

Что такое адсорбция

Термином «адсорбция» именуется процесс поглощения загрязнения жидкости поверхностным слоем твёрдого тела. Он основан на диффузии молекул загрязняющих веществ через специальную жидкостную плёнку, которая окружает частицы адсорбента, к поверхности последнего, которая происходит при перемешивании очищаемой жидкости.

Затем диффузия продолжается со скоростью, определяемой строением применяемого адсорбента и величинами молекул собираемых веществ.

Данный процесс наиболее эффективен в тех случаях, когда жидкость имеет низкую концентрацию загрязняющих веществ (на стадии глубокой очистки). В таких случаях эффективность процесса позволяет получить на выходе практически нулевую концентрацию загрязняющих веществ.

Эффективность и скорость адсорбции прямо зависит от:

• структуры сорбента;
• концентрации загрязняющих веществ и их химической природы;
• активной реакции среды;
• температуры.

На сегодняшний день лучшими сорбентами, предназначенными для очистки воды, считаются активированные угли разных марок. Эффективность последних определяется наличием микропор. Суммарный их объём является основной характеристикой и указывается для каждой марки.

При сорбционном процессе должно быть исключено попадание на уголь воды, в которой растворены коллоидные и взвешенные вещества, т.к. они экранируют поры активированного угля. Уголь, потерявший способность к сорбции, заменяют, либо регенерируют.

Добавление озона или хлора (окислителя) до того, как вода поступит на фильтр, увеличивает срок эксплуатации активированного угля до замены, улучшает качество воды на выходе и очищает её от имевшихся соединений азота.

Совместное выполнение озонирования и сорбции позволяет добиться синергетического эффекта, что почти в 3 раза повышает возможности активированного угля.

Если сорбция происходит после предварительно выполненного хлорирования, то из очищаемой жидкости удаляется аммонийный азот.

Если в качестве сорбентов применяются содержащие Mg и Са минералы природного происхождения, либо оксиды алюминия, из воды весьма эффективно удаляются соединения фосфора.

Назначение и область применения

Сорбционные фильтры различных марок используются для осуществления глубокой очистки воды в системах замкнутого водоснабжения, а также для очистки от органических загрязнителей (включая биологически жёсткие) сточных вод.

Очистка с использованием процесса сорбции считается одним из самых эффективных методов проведения тонкой очистки этих вод от загрязнений органического происхождения.

Наиболее эффективна технология при выполнении очистки стоков от красителей, гидрофобных и ароматических соединений группы алифатических, слабых электролитов и т.п.

Метод сорбции не используется для очистки стоков, загрязнённых исключительно веществами неорганического происхождения, либо органическими низкомолекулярными (альдегиды, спирты).

Технологии сорбционной очистки используются как самостоятельно, таки и в блоке с очисткой биологической на этапе глубокой предварительной доочистки.

Классификация установок сорбционной очистки

По типу процесса:

• периодический;

• непрерывный.

По гидродинамическому режиму:

• установки вытеснения;

• установки смешения;

• установки промежуточного типа.

По состоянию слоёв сорбента:

• движущийся;

• неподвижный.

По направлению фильтрации:

• противоточная;

• прямоточная;

• смешенного движения.

По контакту взаимодействующих фаз:

• ступенчатый;

• непрерывный.

По конструкции фильтра:

• колонная;

• емкостная.

Конструкция сорбционного фильтра

Сорбционный фильтр состоит из:

• корпуса, представляющего собой баллон из стеклопластика необходимых размеров;
• неподвижного слоя из активированного угля, имеющего гравийную подсыпку;
• управляющего клапана разных типов (вариант – задвижки механической);
• трубопровода, по которому подаётся сточная вода;
• трубопровода, по которому отводится вода очищенная;
• трубопровода, по которому подаётся вода взрыхляющая;
• дренажно-распределительной системы.

Линейная скорость выполнения фильтрации зависит во многом от степени загрязнения воды, подаваемой на очистку. Её значение может составлять от 1 до 10 м3/час. Размеры зерна сорбента колеблются от 1 до 5 мм.

Наиболее оптимальным вариантом очистки считается фильтрация, в процессе проведения которой жидкость подаётся снизу вверх. При этом равномерно заполняется вся площадь сечения фильтра, а поступившие с водой пузырьки воздуха вытесняются достаточно легко.

Фильтры, имеющие неподвижный слой сорбентов, применяются для регенеративной очистки стоков с одновременным решением задач утилизации имеющихся в них ценных компонентов. Десорбция выполняется с использованием химических растворителей либо водяного пара.

Принцип работы

Рассмотрим принцип работы сорбционного фильтра на примере модели серии ФСБ, используемого в технологических схемах ливневой канализации. Непосредственно на его входе монтируется пескоулавливатель и нефтеулавливатель, что позволяет снизить показатели по указанным типам загрязнений до разрешённых концентраций.

Вода, пройдя описанный выше предфильтр, поступает по подводящей трубе в сорбционный блок. Отсюда, через распределительно-разгрузочную трубу, вода перемещается в нижнюю распределительную зону.

Здесь она равномерно распределяется по всей площади заложенного сорбента, марка и объёмы которого зависят от начальной и конечной концентрации загрязняющих веществ и требуемой производительности. П

осле этого вода восходящим потоком направляется в сборный круговой лоток, а оттуда отводится через патрубок.

Монтаж сорбционного фильтра

Процесс монтажа:

• выкапывается котлован требуемых размеров;
• дно просыпается песком, слой которого достигает толщины 300мм, затем тщательно трамбуется;
• по этой подушке заливается железобетонная плита (300мм и более), геометрические размеры которой определяются величиной «диаметр корпуса фильтра + 1000мм»;
• на плиту строго вертикально монтируется корпус сорбционного блока доочистки;
• для устойчивости в корпус предварительно заливается вода примерно до уровня перфорированного днища;
• чтобы избежать сдвига корпуса при обратной засыпке, его предварительно крепят анкерами;
• слоями по 300мм котлован засыпается песком без камней, с тщательной трамбовкой каждого слоя. Подсыпка завершается после достижения уровня выходного и входного патрубков;
• подключаются трубопроводы (переливной, отводящий, подводящий). Далее процесс засыпки продолжается до верха корпуса фильтра. Необходимо контролировать работу вибратором в местах подсоединения трубопроводов, упомянутых выше, чтобы не повредить их;
• загрузка подаётся внутрь корпуса мешками. Причём следующий подаётся после равномерного распределения содержимого предыдущего по всей поверхности перфорированного днища;
• до момента ввода в эксплуатацию уложенную загрузку требуется тщательно отмыть.

Корпус в обязательном порядке необходимо заполнить загрузкой и чистой водой.

Чтобы выбранный вами сорбционный фильтр удалял максимально возможное количество типов загрязняющих веществ, к угольному фильтру в обязательном порядке следует добавлять различные ионообменные вещества, перечень которых определяется с учётом приоритетных загрязнителей на вашем предприятии (участке).

Сорбция (очистка сточных вод)

Сорбция – это процесс поглощения вещества из окружающей среды твердым телом или жидкостью. Различаюттри вида сорбции:

-абсорбция – объемное поглощение вещества всей массой жидкого или газообразного сорбента;

-адсорбция – поверхностное поглощение вещества поверхностным слоем твердого или жидкого сорбента;

-хемосорбция – сорбция, сопровождающаяся химическим взаимодействием сорбента с поглощаемым веществом.

Сорбцияпредставляет собой один из наиболееэффективных методовглубокой очистки от растворенных органических веществ сточных вод предприятий различныхотраслей промышленности: целлюлозно-бумажной, химической, нефтехимической, текстильной и других.

Метод сорбцииприменяется для извлечения из сточных водценных растворенных веществ (фенол, мышьяк, сероводород) с их последующейутилизацией и использованием очищенных сточных вод в системахоборотного водоснабжения.

Сорбционная очистка может применятьсясамостоятельно и совместно сбиологической очисткой.Преимуществами метода являются возможность адсорбции веществ многокомпонентных смесей, а также высокая эффективность очистки, особенно слабоконцентрированных сточных вод.

Адсорбция – процесс физического сцепления молекул с поверхностью твердого тела (адсорбента) без протекания химической реакции. Адсорбцияиспользуется для глубокой очистки вод замкнутого водопотребления и доочистки сточных вод от органических веществ, в том числе и от биологически жестких.

Адсорбционные методы широкоприменяют для глубокой очистки сточных вод от растворенных органических веществ после биохимической очистки, а также в локальных установках, если концентрация этих веществ в воде невелика, и они биологически не разлагаются или являются сильно токсичными.

Адсорбциюиспользуют для обезвреживания сточных вод от фенолов, гербицидов, пестицидов, ароматических нитросоединений, ПАВ красителей и др.Достоинством метода является высокая эффективность, возможность очистки сточных вод, содержащих несколько веществ, а также рекуперации этих веществ.

Адсорбцию осуществляют следующимиспособами :

К сточной воде добавляютсорбент в размельченном виде, полученную смесь перемешивают, затем отстаивают и фильтруют;

Сточные воды непрерывно пропускают черезфильтр , загруженный сорбентом.

Адсорбенты , применяемые для очистки воды, представляют собой измельченныепорошкообразные материалы или гранулы диаметром 0,5 – 1 мм. Их добавляют в воду, которая находится в осветлителе – в этом случае коагуляцию совмещают с адсорбцией. Гранулированные адсорбенты используют в аппарате, имеющем устройство, подобное напорномуфильтру .

В качествесорбентов применяют различные искусственные и природныепористые материалы: активированные угли, цеолиты (алюмосиликаты), золу, шлак, коксовую мелочь, торф, опилки.

Активность сорбентахарактеризуется количеством поглощаемого вещества на единицу объема или массы сорбента (кг/м 3 , кг/кг).Адсорбционныесвойства активированных углей в значительной мерезависят от структуры пор, их величины, распределения по размерам.

Макропоры (0,1 – 0,2 мкм) и переходные поры (0,004 – 0,1) играют, как правило, роль транспортирующих каналов, асорбционная способностьактивированных углей определяется в основноммикропористой структурой(микропоры имеют размер менее 0,004 мкм).

Наиболееэффективными сорбентами для извлечения органических веществ из водных растворов являютсяактивные угли углиразличных марок. Пористость углей составляет 60 – 75%, а удельная площадь поверхности – 400 – 900 м 2 /г.

Активированный уголь представляет собойпористое вещество, состоящее из углерода с небольшим количеством примесей, которые играют очень важную роль при адсорбции.Уголь , образующийся в результате нагревания разнообразных органических веществ без доступа воздуха, содержит примесисмол , которые закупоривают его поры. Для удаления смол и увеличения пористости уголь подвергается обработке, получившей названиеактивирования .

В зависимости отусловий этой обработки активированный уголь можетадсорбировать преимущественно кислоты или, наоборот, основания. Свойством адсорбироватькислоты обладает уголь, активированный при температуре 900 о С. Уголь, нагретый до 450 – 500 о С, наоборот, хорошо адсорбируетоснования и не адсорбирует кислоты. Этообъясняется тем, что на поверхности угля при обработке образуются поверхностные соединения оксидов, имеющих основных или кислый характер.

Активированный уголь имеет рядпреимуществ перед другими сорбентами:

Жесткая пористая структура;

Достаточная механическая прочность;

Химическая и термическая стойкость;

Гидрофобность;

Способность адсорбировать многие органические вещества, которые не удаляются при биологической очистке. Такие вещества содержатся, например, в сточных водах нефтеперерабатывающих заводов. В этом случае метод адсорбции на активированном угле является наиболее надежным и дешевым.

Исследования , проводимые по очистке сточных вод методами адсорбции с использованием активных углей, показывают высокуюэффективность очистки сточных вод.Доза угля зависит от его адсорбционной способности, вида загрязняющих веществ в поступающих сточных водах и требуемого эффекта очистки.

Очистка сточных вод на активированном угле имеет своиособенности . Концентрацияорганических веществ в сточных водах может быть очень высокой. В такой системе угольадсорбирует от 0,2 до 0,4 кг вещества на 1 кг собственной массы. После завершения процесса адсорбции органические веществавыжигают в регенеративной печи. Угольвосстанавливают и направляют вновь на адсорбцию. При этомпотери угольного адсорбента составляют примерно 5%.

Назаводах компонуют большиеустановки , состоящие изфильтров для очистки сточных вод и аппаратов для проведениярегенерации .

Для очистки производственных сточных вод все большее применение находятнеуглеродные сорбенты естественного и искусственного происхождения. Использование сорбентов на основеприродных материалов (глинистые породы, цеолиты и другие материалы)обусловлено сравнительно низкой стоимостью, доступностью, высокой сорбционной емкостью, а также ионообменными свойствами некоторых из них.

В адсорбционной технике кроме угля широко применяется так называемыйсиликагель – обезвоженный гель кремниевой кислоты, он адсорбирует преимущественнооснования .

Среди минеральных сорбентов природного происхождения наибольшее распространение получилиглинистые породы, в состав которых обычно входят материалы с регулярной структурой. В последнее время большое внимание уделяетсяцеолитам .

Для получения прочных и водостойких фильтрующихматериалов из природныхцеолитов ихпрогревают в печах при температуре 1000 о С с хлоридом и карбонатом натрия. При быстром нагреве цеолитывспениваются , в результате чего их объем и пористость увеличиваются в 5…20 раз. Природные цеолиты используются в видепорошков и фильтрующих материалов дляочистки воды от ПАВ, ароматических соединений, красителей, пестицидов, коллоидных и бактериальных примесей.

Стоимость естественных сорбентов в десятки раз ниже, чем искусственных, поэтому их, как правило,не регенерируют . Предварительная обработка может существенно увеличить стоимость природных сорбентов. Поэтому целесообразность их использования определяется с учетом технологических, экологических, экономических и других факторов.

В настоящее время существует промышленное производствосинтетических пористых материалов, часть которых по физико-химическим свойствам отнесена к адсорбентам. Пористая структура полимеров достигается введением в смесь реагентов при полимеризации инертного растворителя, после удаления которого образуется сложная система пор.

Адсорбционная очистка может бытьрегенеративной , т.е. с извлечением вещества из адсорбента и его утилизацией, идеструктивной, при которой извлеченные из сточных вод вещества уничтожаются вместе с адсорбентом.Регенерацию сорбентов – восстановление адсорбционной способности чаще применяют для гранулированныхактивных углей вследствие их высокойстоимости . При этом некоторая часть адсорбированных веществ (до 20%) необратимоудерживается в его порах.Активность углей от цикла к циклу постепенноуменьшается .

В тех случаях, когда адсорбированные вещества не представляют утилитарной ценности, или затраты на их утилизацию превосходят их стоимость, применяютдеструктивные технологии регенерации сорбентов. Деструктивная регенерация сорбента обычно осуществляетсятермическими илихимическими методами. При выборе технологии использования сорбентов необходимо учитывать, что в структурезатрат на сорбционную очистку стоимостьсорбентов составляет 30…35%.

Наиболее простымадсорбером являетсянасыпнойфильтр . Обычносорбционнаяустановка состоит из нескольких параллельно работающихсекций , состоящих из трех-пяти последовательно расположенных фильтров.

Адсорберы снеподвижным слоем сорбента (сорбционные фильтры) конструктивно выполняются открытыми (безнапорными) и закрытыми (напорными). Обычно устанавливают не менее трех адсорбционных аппаратов, соединенных так, чтобы два работали последовательно, а третий можно было отключать напромывку или регенерацию.

Аппаратынепрерывного действия позволяют существенно уменьшить объем активного угля.Принцип действия аппаратов заключается в том, что очищаемая жидкость движется снизу вверх, а плотный слой реагента перемещается ей навстречу под действием силы тяжести или с помощью различных механических устройств.

Для адсорбционного удаления растворенных органических загрязнений из воды на очистных станциях большой производительности используются аппараты со взвешенным (псевдоожиженным) слоем активного угля. Это дает возможность использовать зерна адсорбента относительномалых размеров (0,2 – 1 мм) с развитой внешней поверхностью. В аппаратах присутствуетпротивоточное движение взаимодействующих фаз.

Эффективность адсорбционной очистки достигает 80 – 95%.