Методи розділення та очистки речовин

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

КУРСОВА РОБОТА

З ДИСЦИПЛІНИ "МАТЕРІАЛИ ЕЛЕКТРОННОЇ ТЕХНІКИ"

НА ТЕМУ "МЕТОДИ РОЗДІЛЕННЯ ТА ОЧИСТКИ РЕЧОВИН"

ЗМІСТ

Вступ

1. Спільна характеристика чистоти речовини

2. Класифікація процесів розділення і очистки

2.1 Процеси, що базуються на сорбції

2.2 Процеси, що базуються на екстракції

2.3 Кристалізаційні процеси

2.4 Перегонка через газову фазу

2.5 Очищення речовин за допомогою хімічних транспортних реакцій

2.6 Інші процеси розділення і очищення речовин

Висновки

Список використаної літератури

Вступ

В основі всіх способів глибокої очистки діелектричних і напівпровідникових матеріалів і їх компонентів використовується відмінність в хімічних, фізичних і фізико-хімічних властивостях компонентів, що розділяються. Звідси слідує що при істотній відмінності у властивостях компонентів, розділення може здійснюватися відносно легко, і навпаки, проблема очистки стає складною в тому випадку, якщо матеріал, що очищується, і домішка дуже близькі по своїх фізико-хімічних характеристиках.

Розроблена значна кількість процесів розділення і очистки речовин, у тому числі напівпровідникових і діелектричних матеріалів і їх компонентів, проте ще немає єдиної і чіткої класифікації цих процесів, що утруднює вибір оптимального процесу у кожному конкретному випадку.

Найбільшого поширення набула класифікація процесів розділення і очистки, заснована на діленні їх по фізико-хімічних властивостях речовини, використовуваних для розділення компонентів.

У курсовій роботі на основі цієї класифікації розглядаються фізико-хімічні основи процесів розділення і очистки матеріалів.

Мета роботи

Розглянути фізико-хімічні основи процесів розділення і очистки матеріалів.

1. Спільна характеристика чистоти речовини

Поняття хімічної чистоти матеріалів, а також способи її вираження різні і залежать від сфери застосування матеріалів. Речовину вважають достатньо чистою, якщо вміст домішок в ній не перевищує ту кількість, яка заважає використати цю речовину для заданої мети.

В хімічній і металургійній промисловості, в залежності від степені очистки речовини встановлюють слідуючі класи:

1) "чистий" (марки Ч, містить від до  домішок);

2) "чистий для аналізу" (марки ЧДА, містить від  до 0,4% домішок);

3) "хімічно чистий" марка ХЧ, містить від 5*10^(-6) до 0,5% домішок;

4) "особливо чистий" (марка ОСЧ, вміст домішок не більше 0,05%).

Неметали і хімічні сполуки відносять до високо чистих речовин, якщо вміст домішок, що лімітуються, в них не менше ніж на порядок нижче в порівнянні з відповідною маркою ХЧ і на два порядки – для марки ЧДА і на три порядки для марки Ч.

До високо чистих речовин відносяться метали і напівпровідникові матеріали, якщо вміст кожної з контрольованих домішок в ній не перевищує (по масі) ,а також гази, якщо вміст кожній з контрольованих домішок в них не перевищує (об'ємн.).

Високо чистим речовинам в залежності від кількості і сумарної концентрації контрольованих домішок присвоюються марки ВЭЧ ("вещества эталонной чистоты") і ОСЧ("особо чистые вещества").

В речовинах ВЭЧ лімітуються як загальний вміст домішок, так і на більш низькому рівні вміст деяких небажаних домішок. Перед позначенням ВЕЧ пишеться число, відповідне значенню загального вмісту домішок, а після - два числа через тире: перше показує кількість небажаних домішок, що лімітуються, а друге — негативний показник степеня суми вмісту цих домішок. Наприклад, маркування 003 ВЕЧ 4—5 означає що вміст основної речовини складає 99,997%, лімітується вміст чотирьох домішок і сума їх складає .

У речовинах марки ОСЧ на дуже низькому рівні лімітується вміст великого числа небажаних домішок. У позначенні марки після букв ОСЧ приводяться два числа через тире: перше показує, скільки домішок лімітується в даній особливо чистій речовині а друге — негативний показник степеня суми вмісту цих домішок. Наприклад, для особливо чистого нормується десять домішок (Аl, В, Fe, Ca, Mg, Na, P, Ti, Sn, Pb), причому спільний вміст їх не перевищує (по масі). Марку такої речовини позначають ОСЧ 10—5.

У зарубіжній літературі прийнято кваліфікувати речовини по чистоті числом (n) атомів (молекул) домішок, що доводяться на 1000 атомів (молекул) основної речовини, що позначається n °/оо (n promille);  атомів (молекул) основної речовини – n ppt (n parts per million);  атомів (молекул) основної речовини — n ppb (n parts per billion). Так, матеріал з концентрацією домішки 1 ррt містить 1 атом домішки на  атомів основного компоненту.

Окрім такої кваліфікації для позначення речовин високого ступеня чистоти використовують символ N і розрізняють речовини за якістю цифровими індексами. Цифра, що стоїть перед N, означає повну кількість "дев'яток" у числі, що виражає концентрацію основного компоненту у відсотках (зазвичай по масі), а цифра що стоїть після N, є останньою цифрою в даному числі. Позначення ступеня чистоти знаком 5N8 відповідає вмісту основної речовини 99,9998 %; 2N5 – 99,5 %; 3N3 - 99,93% і так далі Якщо при здобутті особливо чистої речовини використовувався метод зонної плавки то до позначення ступеня чистоти цієї речовини додається буква Z, наприклад символ 6n(Z) відповідає чистоті продукту 99,9999 %.

2. Класифікація процесів розділення і очистки

В основах всіх методів глибокої очистки матеріалів використовується відмінність в хімічних, фізичних та фізико-хімічних властивостях, що підлягають розділенню. Звідси слідує, що чим більша відмінність властивостей компонентів, тим легше їх розділити і навпаки. Тому і класифікація методів базується на поділі по властивостям речовин, що використовуються для розділення компонентів і має слідуючий вигляд:

1. Процеси, що базуються на сорбції.

2. Процеси, що базуються на екстракції.

3. Кристалізаційні процеси.

4. Перегонка через газову фазу.

5. Очищення речовин за допомогою хімічних транспортних реакцій.

6. Інші процеси розділення і очищення речовин.

Вибір найбільш ефективного методу (або комбінації методів) для очистки кожного індивідуального матеріалу проводять, виходячи з конкретних фізико-хімічних властивостей цього матеріала і його сполук. Так, якщо матеріал, що очищається (кремній) при прийнятних температурах очищення має недостатньо високий тиск пари, щоб можна було ефективно здійснити дистиляційний процес, то в цьому випадку матеріал переводять в його легколетючі з'єднання (наприклад, SiCl) які після здійснення дистиляційного очищення відновлюють назад до початкового матеріалу (кремнію).

У загальному випадку очищення напівпровідникових і діелектричних матеріалів і їх компонентів зазвичай ведуть в дві стадії. На першій стадії компоненти цих матеріалів переводять в проміжні хімічні сполуки і проводять їх очищення, використовуючи практично всі процеси, представлені в класифікації. На другій стадії проводять відновлення компонентів з проміжних з'єднань з подальшим їх очищенням. Застосовують способи, засновані на тих же процесах, ефективність яких в окремих випадках різко зростає при роботі з чистішими компонентами. Спосіб вибирається виходячи з фізико-хімічних властивостей компоненту, якості отримуваного матеріалу і продуктивності процесу. Часто, особливо при розділенні і очищенні компонентів з близькими фізико-хімічними властивостями (наприклад, рідкоземельні метали), використання одного з методів як на першій так і на другій стадіях виявляється недостатнім і процес розділення і очищення проводять на основі поєднання різних методів.

2.1 Сорбційні процеси

Під сорбцією в загальному випадку розуміють процеси поверхневого (адсорбція) і об'ємного (абсорбція) поглинання речовини на межі розділу двох фаз: твердої і рідкої, твердої і газоподібної, рідкої і газоподібної.

Адсорбційна система складається з адсорбента-речовини, на поверхню якої йде поглинання і адсорбата-речовини, молекули якої поглинаються. Зворотній процес-видалення молекул з поверхні адсорбента - називається десорбцією. За природою процесів адсорбцію ділять на фізичну і хімічну.

При фізичній адсорбції молекули адсорбата не вступають в хімічну взаємодію з адсорбентом і, таким чином, зберігають свою індивідуальність на поверхні поглинача; адсорбція в цьому випадку обумовлена дією сил Ван-дер-Вальса. При хімічній адсорбції (хемосорбції) адсорбовані молекули вступають в хімічну реакцію з адсорбентом з утворенням на поверхні хімічних сполук.

Адсорбція являється вибірковим процесом, тобто на поверхні адсорбента поглинаються тільки ті речовини, які зменшують вільну енергію поверхневого шару або іншими словами, знижують поверхневий натяг відносно навколишнього середовища.

Кількісні характеристики адсорбційної системи:

1)                            ізотерма адсорбції (мал.1.) – виражає зв'язок між концентрацією речовини (С) в розчині і її кількістю (С), поглинутою одиницею поверхні адсорбента при постійній температурі в умовах рівноваги.

2)                            Теплота адсорбції – фізична адсорбція простих молекул – 4-20 МДж/кмоль і складних молекул – 40-80 МДж/кмоль при хімічній адсорбції 40-400 МДж/кмоль.

мал.1. Ізотерма адсорбції.

Як випливає з представленої залежності (мал.1.), підвищення концентрації речовини в розчині приводить до збільшення кількості його в адсорбованому стані. На початковій ділянці ізотерми (ділянка 1) цей зв'язок прямо пропорційний але при подальшому збільшенні концентрації речовини в зовнішній фазі залежність стає пологішою (ділянка 2) і при великих концентраціях ізотерма прагне до асимптоти С (ділянка3). Характер ізотерми обумовлений поступовим насиченням поверхні адсорбенту речовиною, що поглинається.

До найбільш поширених на практиці типів сорбентів можна віднести силікагелі, активоване вугілля, а також різні види сильно пористих або високодисперсних алюміносилікатів.

Силікагель – висушений гель кремнієвої кислоти, має глобулярну структуру, сформовану зі сферичних часток, що дотикаються і зрослися. Добре поглинає полярні речовини і відомий в першу чергу як хороший осушувач, добре сорбує пари органічних речовин, сірководень, аміак, сірнистий газ. Спостерігається ефективна адсорбція полярних домішок із неполярних розчинів. Наприклад, очистка неполярних SiCl i GeCl від мікро домішок хлоридів металів.

Активоване вугілля має кристалічну будову і складається із кристалічних агрегатів, які формують розвинуту систему пор. Особливо активними центрами являються ребра і кути кристалітів. Застосовується активоване вугілля на кінцевій стадії очистки від домішок.

Сутність іонного обміну. Іонний обмін являє собою зворотній взаємо обмін іонами з однойменними зарядами між рідким розчином і твердою нерозчинною речовиною, що контактує з цим розчином. Тверда речовина називається іоніт або іонообмінник. Основна відмінність іонного обміну від простої адсорбції полягає в тому, що при іонному обміні проходить стехіометричне заміщення: в обмін на кожний еквівалент одного іона, поглинутого з розчину, іоніт віддає в розчин один еквівалент іншого іона з зарядом того ж знаку. Використовуючи іоніти, можна повністю відділяти іони певного типу із розчинів. Наприклад, типова реакція катіонного обміну з виділенням іонів кальцію із розчину має вигляд:

2NaX + CaCl  CaX + 2NaCl

(тверді фази підкреслено; Х – фіксована група іоніта). Пропускання розчину через шар твердого іоніта NaX буде супроводжуватися поглинанням із розчину іонів Ca в обмін на іони Na, що переходять в розчин.

Мал.2. Схематичний розподіл компонентів суміші А+В, що розділяється, в колонках трьох методів хроматографії: а – проявниковий; б – витиснювальний; в – фронтальний.

Хроматографія – це метод розділення, при якому компоненти, що розділяються, розподіляються між двома фазами – нерухомим шаром твердого поглинача з сильно розвинутою поверхнею і потоком рідкого розчину або газової суміші, що фільтруються при проходженні через нерухомий шар.

2.2 Процеси рідинної екстракції

Екстракція в загальному випадку процес вибіркового видобування речовини в рідку фазу. Екстракцію газа рідиною називають абсорбція, твердих речовин рідкими – вилуджування, екстракція розчиненої речовини із одної рідкої фази в іншу – рідинна екстракція або просто екстракція.

Часто використовують воду, як речовину, з якої проводять екстракцію розчиненої речовини. Рідина (екстрагент), з допомогою якої проводять екстрагування, в більшості випадків органічного походження.

Деколи до складу водного розчинника, із якого екстрагують розчинену речовину, вводять висолювач – речовину, що має однойменний іон з екстрагованою сполукою і тому зменшує її розчинність, що тим самим приводить до підвищення степені видобування її з водного розчину.

Для розділення суміші рідин А і С складу F (мал.3.) до них додають розчинник (екстрагент), що змішується з сумішшю не повністю і здатний вибірково розчиняти один з компонентів, в нашому випадку С. Фігуративна точка, фігуративна точка, що відповідає складу суміші трьох компонент, переміщується по прямій FВ. В приведеному прикладі склад потрійної системи відповідає точці М. Склад гетерогенної фази, що утворилася в результаті розшарування потрійної системи, визначається положенням коноди PQ, яка проведена через точку М. Фаза Q має високий вміст розчинника і називається фазою екстракта (або фазою розчинника). Фаза Р з малою концентрацією розчинника називається фазою рафіната (залишка).

Мал.3. Склад і кількість продуктів, що одержують одноступенчатою екстракцією.

Після розділення фаз Q і Р і виділення з них розчинника (дистиляцією або промивкою), одержують відповідно фази складів Е і R. В порівнянні з вихідною сумішшю F суміш Е має більш високий, а суміш R – більш низький вміст компонента С.

Лімітує процес екстракції, як правило, дифузія екстрагованої речовини при змішуванні суміші і екстрагента, тому процес рідинної екстракції проводиться при інтенсивному перемішуванні.

Рідинна екстракція має широке застосування в технології напівпровідників і діелектриків. З її допомогою можна, наприклад, суміші двох речовин розділити з концентруванням кожної з них в різних розчинниках і таке інше.

2.3 Кристалізаційні процеси

Кристалізацією називається перехід речовини з рідкого в твердий кристалічний стан. Кристалізаційні методи очистки базуються на різній розчинності домішок в рідкій і твердій фазах.

В наш час кристалізація із розплавів широко застосовується для очистки напівпровідникових і діелектричних матеріалів. Цей метод, як правило, використовується на кінцевій стадії технологічного процесу очистки речовини. При цьому разом з високою степінню очистки матеріалу від домішок досягається і необхідна досконалість кристалічної структури (фізична чистота), тобто матеріал отримують в вигляді високочистого монокристала.

Для забезпечення максимального очищення кристалізація повинна починатися в строго заданих місцях і відбуватися в визначених напрямках. Така кристалізація називається направленою.

Локалізацію місця і напряму кристалізації на практиці здійснюють завданням градієнта зовнішнього параметра, що викликає кристалізацію. Найчастіше як такий параметр виступає температура, тобто задається градієнт температури що забезпечує направлене відведення теплоти і направлене просування фронту кристалізації. Досить широка по конструктивному оформленню група методів напрямленої кристалізації може бути зведена до трьох основних:

а) витягування кристалів з розплаву (метод Чохральського);

б) нормальної напрямленої кристалізації (метод Бріджмена);

в) зонної перекристалізації або плавки ( вперше запропонований Пфанном ).

Мал.4. 1) 2) 3)

1) Схема вирощування кристала методом витягування з розплаву: 1 – затравка; 2 – шийка кристала: 3 – фронт кристалізації; 4 – переохолджена область розплаву; 5 – тигель; 6 –нагрівник;

2) розподіл температури в печках для вирощування кристлів методом нормальної направленої кристалізації;

3) . Схема вирощування кристала методом зонної плавки:

а – горизонтальна зонна плавка; б – вертикальна безтигельна зонна плавка (1 – затравка; 2 – кристал: 3 – розплавлена зона; 4 – початковий матеріал; 5 – стінки герметичної камери; 6 – індуктор: 7 – кристаллотримач; 8 – тигль).

Страницы: 1, 2