Материалы и технологии интегральной и волоконной оптики

1.

Материалы и технологии
интегральной и волоконной
оптики
Джанджгава Нана Теймуразовна
Начальник оптической лаборатории
Завод оптоволоконных компонентов
[email protected]

2.

Рекомендуемая литература
• Никоноров Н.В., Сидоров А.И., Материалы и технологии
волоконной оптики: оптическое волокно для систем
передачи информации, СПбГУ ИТМО
• Никоноров Н.В., Сидоров А.И., Материалы и технологии
волоконной оптики: специальные оптические волокна,
СПбГУ ИТМО
• Сидоров А.И., Никоноров Н.В., Материалы и технологии
интегральной оптики , СПбГУ ИТМО
• Иванов Г.А., Первадчук В.П., Технология производства и
свойства кварцевых оптических волокон
• Технология полупроводниковых приборов и изделий
микроэлектроники (10 томов)
• Клюев Д.С., Осипов О.В. Физическая и интегральная
оптика. Конспект лекций. — Самара: ФГОБУ ВПО

3.

История развития оптических систем
передачи информации.
Чистые помещения. Подготовка воды.
Распространение ЭМВ в вакууме и
диэлектрических средах.
Преломление/ Отражение ЭМВ на
границе раздела 2-х диэлектриков.
Законы геометрической оптики

4.

История развития оптических систем передачи информации.
• Передача светового сигнала по воздуху известна с древнейших времен.
Например, в древней Греции использовались “метод факелов и сосудов”.
• 1700 г. – Ньютон открывает дифракцию света и возможность разложения на
спектральные составляющие
• XVII в. – сигнальная аппаратура Гука, основанная на использовании
зрительных труб
• XVIII в. – оптический телеграф (“семафор”) Шаппа
• В России оптический код изобрел Кулибин («дальнеизвещающая машина»,
конец XVIII в.)
• 1800 г. – астроном Уильям Гершель (Англия) открывает инфракрасное
излучение
• начало XIX в. – Огюстен Жан Френель строит математическую модель
описания света синусоидальными волнами
• 1854 г. – опыт Джона Тиндаля по передаче света по струе воды
• 1864 г. – Джеймс Максвелл публикует статью, содержащую систему
уравнений, описывающих распространение электромагнитных волн
• 1880 г. – фотофон А. Белла, модуляция света звуком
• 1895 г. – Анри Сент-Рен, система тонких изогнутых стеклянных стержней
для передачи изображения
4

5.

• 1898 г. – Дэвид Смит патентует лампу со световодом для использования в
хирургии
• 20-30-е гг. XX в. – Джон Бэйрд, Кларенс Хэнселл, Генрих Ламм – передача
изображений по стеклянным прозрачным нитям
• 1934 г. – Норман Френч, первый патент по передаче света в волокне
•1954 г. – Нариндер Сингх Капани и Гарольд Хопкинс в Англии и независимо
Абрахам Ван Хеель в Голландии изобретают оптоволокно (непокрытое и
покрытое лаком соответственно).
• 1956 г. – появление термина “волоконная оптика”
• конец 50-х гг. – Лоуренс Кертис, США, производит целиком стеклянное
волокно и уменьшает потери.
• 1961 г. – Элиас Снитцер, США, теория одномодовых волокон
• 1964-1966 г. – Чарльз Као показывает, что потери в оптоволокнах вызваны
примесями
• 1965 г. – группа Андерсона изготавливает планарные волноводы для работы
в инфракрасной области спектра методом фотолитографии
• 1969 г. – С. Е. Миллер публикует статью “Интегральная оптика: введение”
• 1970 г. – американская компания Corning Glass Works производит первое
коммерческое волокно из высокочистого кварца (20 дб/км)
• 1973 г. – в Bell Labs изобретают метод MCVD
• 1974 г. – разработано градиентное многомодовое волокно
5
• 1976 г. – первая промышленная установка по производству волокна

6.

•1975г. – ФИАН-ИХАН, Дианов Е.М., Девятых Г.Г. с сотр. – первые световоды с
потерями меньше 10 дБ/км, решение ВПК при СМ СССР о разработке ОВ для
целей связи.
• 1977 г. – в Corning изобретают метод внешнего парофазного осаждения
•1978 г. – первый завод по производству волокна
• 1978 г. – достигнуты 0.2 дб/км в третьем окне прозрачности
• 1981 г. – начало разработки волокон со смещенной дисперсией
• 1983 г. – стандартизировано одномодовое волокно с нулевой дисперсией (G653,
1.3 µm)
• 1987 г. – Дэвид Пэйн, Великобритания, предлагает схему волоконного
оптического усилителя.
• 1987 г. – начало работ со спектральным уплотнением
• 1988 г. – первая трансокеанская линия передачи (1.3 µm, одномод)
• начало 90-х гг. – создано одномодовое волокно со смещенной нулевой
дисперсией в третьем окне прозрачности (G655)
•1993 г. – начато использование волоконных усилителей
• 1995 г. – начато практическое использование каналов со спектральным
уплотнением
• 2000 г. – созданы волокна с низким поглощением в области водяного пика
• На ПНППК волокна для волоконно-оптических гироскопов выпускаются с
1996 г.
6

7.

Материалы, , используемые при
изготовлении полупроводниковых
Приборов, изделий
интегральной и волоконной оптики
1. основные материалы:
Полупроводниковые
материалы,
являющиеся
основой
при
изготовлении
полупроводниковых
приборов,
интегральных
микросхем, светоизлучающих приборов, фотопреобразователей,
солнечных батарей, твердотельных лазеров и многих других изделий.
7

8.

2. Технологические материалы:
Материалы различного назначения, применяемые в технологических
процессах производства микроэлектронных изделий. К ним относятся:
- абразивные материалы для механической обработки исходных
полупроводниковых слитков и пластин;
- химические материалы (растворители и травители) для обезжиривания и
травления полупроводниковых пластин, а также химические реагенты для
создания на их поверхности различных защитных диэлектрических
покрытий (пленок Si02, Si3N4, Аl203);
- фоторезисты, рентгенорезисты, электронорезисты - материалы,
позволяющие формировать на поверхности пластин рельефный рисунок
требуемой геометрической формы;
- диффузанты — вещества, необходимые для создания определенных
областей
в
полупроводниковых
пластинах
при
проведении
технологических процессов диффузии;
- легирующие материалы (акцепторные и донорные), применяемые для
изменения электрофизических свойств электродных сплавов;
- защитные материалы (лаки, эмали, компаунды и др.), используемые для
изоляции активных и пассивных элементов интегральных микросхем
(ИМС) от воздействий окружающей среды.
8

9.

3. Конструкционные материалы:
- Материалы,
используемые
для
изготовления
корпусов
полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, К ним
относятся металлы, сплавы, стекла, керамика, пластмассы и клеи.
4. Вспомогательные материалы
- Материалы, предназначенные в первую очередь для обеспечения
необходимых условий (газовых сред) при проведении многих
технологических операций производственного процесса (диффузии,
окисления, создания омических контактов, сушки, сборки, пайки,
герметизации и др.). К вспомогательным относят также материалы
для изготовления приспособлений и оснастки (кассет, лодочек, тиглей,
подставок, травильных устройств и др.). Кроме того, на многих
технологических операциях важную роль играет особо чистая вода.
Для придания готовым изделиям товарного вида используются
различные краски.
9

10.

Металлы
вещества,
обладающие
высокими
теплопроводностью, электропроводностью, ковкостью,
пластичностью и прочностью, характерным блеском.
Свойства металлов обусловлены строением их кристаллической
решетки. У большинства металлов ОЦК, ГЦК, ГПУ решетки.
В металлах валентные электроны обобществляются и свободно
перемещаются внутри кристаллической решетки, образуя так
называемый ’’электронный газ”. Атомы, отдав электроны, превращаются
в положительно заряженные ионы, которые удерживаются в узлах
кристаллической решетки электростатическим взаимодействием с
электронами.
Металлы образуют однофазные или многофазные смеси различных
металлов – металлические сплавы.
10

11.

Металлы
Твердые растворы – фазы переменного состава, в
которых атомы различных элементов расположены в
общей кристаллической решётке. При этом сохраняется
кристаллическая решетка металла-растворителя. Металлы, имеющие
одинаковые типы кристаллической решетки, смешиваются друг с другом
в любых пропорциях, образуя непрерывный ряд твердых растворов.
Типы твердых растворов:
- Растворы замещения: атомы растворенного металла замещают в узлах
кристаллической решетки атомы металла-растворителя, распределяясь
среди них по определенному закону.
- Растворы внедрения: атомы растворенного металла располагаются в
межатомных промежутках его кристаллической решетки.
- Растворы вычитания: образуется при недостатке одного из
компонентов сплава.
11

12.

Металлы
Примеры искажения решётки в растворах замещения:
Рис. 1. Искажение строения твердого раствора замещения при атомных
радиусах растворителя больше (а, б) и меньше (в, г) атомных радиусов
растворенных элементов.
12

13.

ДИЭЛЕКТРИКИ
вещества, которые практически не проводят
электрический ток. Диэлектрики бывают твердыми,
жидкими и газообразными.
При помещении диэлектрика во внешнее электрическое поле, в нем
происходит процесс поляризации, характеризующийся возникновением
электрического дипольного момента каждого элементарного объема
диэлектрика.
Сегнетоэлектрики - Диэлектрики, в которых поляризация возникает
без влияния внешнего электрического поля - самопроизвольно.
Приложение механических напряжений к диэлектрику также может
вызвать поляризацию
13

14.

Характеристики диэлектриков
-
Диэлектрическая
проницаемость
–
определяется
отношением емкости конденсатора, в котором в качестве изолятора
использован исследуемый диэлектрик, к емкости такого же
конденсатора, изолятором в котором является вакуум.
Диэлектрическая
восприимчивость
–
показывает
способность диэлектрика поляризоваться в электрическом поле.
Поверхностная электропроводность - процесс, протекающий
на
поверхности
диэлектрика,
связанный
с
образованием
адсорбированных слоев влаги и газов поверхностью диэлектрика. Для
обнаружения заметной поверхностной электропроводности достаточно,
чтобы на поверхности диэлектрика был тонкий слой влаги.
Поверхностная электропроводность диэлектриков существенно зависит
от количества и характера загрязнений, дефектов поверхности, а также
от относительной влажности среды, в которой проводят измерения. Для
снижения
поверхностной
электропроводности
диэлектриков
необходимо тщательно обрабатывать их поверхность и очищать ее от
14
загрязнений.

15.

ПОЛУПРОВОДНИКИ
- вещества, электропроводность которых лежит в
промежутке между электропроводностью металлов и
диэлектриков,
электропроводность
которых
значительно зависит от температуры, концентрации
примесей и дефектов, от воздействия различных видов
излучения.
Полупроводники делятся на собственные и примесные.
- Собственные – полупроводники, в котором влиянием остаточных
примесей при определенной температуре можно пренебречь.
Собственный полупроводник при температуре абсолютного нуля (—273
°С) не обладает электропроводностью, так как все его валентные
электроны не являются свободными, т.е. в этом случае собственный
полупроводник ведет себя как диэлектрик. При тепловом воздействии
в собственном полупроводнике образуются свободный электрон и
незаполненная связь - дырка. Причем количество образовавшихся
15
электронов равно количеству образовавшихся дырок.

16.

ПОЛУПРОВОДНИКИ
- Примесные – полупроводники, изготовленные с помощью внесения
примесей.
Виды примесных полупроводников:
- n-типа (электронные, или донорные),
- p-типа (дырочные, или акцепторные)
Рис. 2. Структура примесных полупроводников:
а — 4-хвалентного кремния, легированного 5-валентным фосфором,
б – 4-хвалентного кремния, легированного 3-валентным бором
16

17.

ПОЛУПРОВОДНИКИ
- Вырожденные – Полупроводники с такой высокой концентрацией
введенной примеси, при которой образовавшаяся примесная зона
перекрывается с зоной проводимости. вырожденный полупроводник
обладает высокой электропроводностью.
Рис. 3. Зависимости концентрации носителей заряда полупроводников с
различной концентрацией донорной примеси от температуры:
Полупроводник с небольшой концентрацией: 1-2 и 2-3 – носители заряда
примеси, 3-6 – собственного диэлектрика,
Вырожденный полупроводник: 5-4 – носители заряда примеси, 4-6 собственные
17

18.

Характеристики полупроводников
- Фотопроводимость полупроводников –
изменение их
электропроводности при освещении светом. Фотопроводимость
полупроводников зависит от интенсивности и длины волны падающего
света.
Термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС) – возникающая
в полупроводниках под действием разности температур разность
потенциалов. При неравномерном нагреве однородного по
распределению примесей кристалла полупроводника возникает
разность концентрации носителей заряда, которая приводит к
появлению их диффузионного потока из нагретой области в более
холодную,
ЭДС Холла {эффект Холла) – наблюдается в неравномерно
нагретом образце полупроводника (с возникшим в нем термо-ЭДС), при
прохождении электрического тока через образец в определенном
направлении и одновременном воздействии на него магнитного поля,
направленного перпендикулярно току, на боковых гранях образца
18
возникает разность потенциалов,

19.

Характеристики полупроводников
Подвижность носителей заряда – это отношение их средней
скорости направленного движения к напряженности электрического
поля. Под действием электрического поля носители заряда приобретают
некоторую скорость направленного движения (дрейфа) и создают
электрический ток. В полупроводниках n- и p-типов различают
подвижность электронов и подвижность дырок.
Время жизни носителей заряда – это время, в течение
которого их избыточная концентрация уменьшается в е раз. это время
существования носителя заряда от момента его возникновения
(генерации) до момента исчезновения (рекомбинации).
Диффузионная длина — это расстояние, на котором в
полупроводнике при отсутствии электрического и магнитного полей
избыточная концентрация носителей заряда уменьшается в е раз. это
расстояние, на которое носитель заряда продвинется за счет диффузии
за время своей жизни.
19

20.

Чистые производственные помещения
Чистое помещение (clean room)
– это помещение, в котором
обеспечивается расчетная концентрация аэрозольных частиц, и которое
построено и используется так, чтобы свести к минимуму поступление,
генерацию и накопление частиц внутри этого помещения и позволяющее, по
мере необходимости, контролировать другие параметры, например,
температуру, влажность и давление.
- Первые чистые помещения начали создаваться в больницах более века назад.
Отсутствовала приточная вентиляция с фильтрацией подаваемого воздуха.
- Разработка первых чистых помещений для промышленного производства
была обусловлена попытками повышения качества и надежности узлов и
деталей различных видов вооружения (со Второй мировой войны).
- Сначала копировали конструкции операционных и опыт их эксплуатации.
Затем появилась концепция, что отсутствие микроорганизмов и отсутствие
частиц - это не одно и то же.
Значительные усилия были направлены на внедрение материалов,
поверхность которых не выделяет частиц. Со временем пришло понимание
того, что распространение по воздуху множества частиц, выделяемых
оборудованием и персоналом, можно уменьшить за счет подачи в помещение
20
больших объемов чистого воздуха.

21.

Чистые производственные помещения
- Начались систематические исследования аэродинамики аэрозольных частиц, и
принудительная вентиляция помещений стала внедряться именно с целью
борьбы с загрязнениями.
- Были созданы высокоэффективные воздушные фильтры, необходимые для
очистки воздуха от опасных микробиологических или радиоактивных
аэрозольных загрязнений.
- Помещения с большими объемами хорошо очищенного воздуха, подаваемого
через потолочные воздухораспределители, стали строиться в период с 1955 г. до
начала 1960-х годов. Часть из них предназначалась для производства гироскопов.
- В 1961 г.
была разработана вентиляция с "однонаправленным", или
"ламинарным", потоком воздуха в лаборатории корпорации Sandia (г. Альбукерк,
Нью-Мехико, США; Уиллис Уитфилд).
- Определяющие характеристики турбулентно вентилируемых помещений:
картина распределения воздушных потоков в зависимости от места
расположения и типа воздухораспределителей и решеток вытяжной вентиляции,
влияние разницы в температуре поступающего и находящегося в помещении
воздуха, влияние объема поступающего воздуха на степень разбавления
аэрозольных загрязнений, эффективность воздушных фильтров и принципов
контроля движения воздуха между различными зонами.
21

22.

Классификация чистых помещений
1. Турбулентно вентилируемое чистое помещение. Их также называют
чистыми с обычной вентиляцией. Отличаются традиционным методом
подачи воздуха - через воздухораспределители или фильтры на потолке.
2. Чистое помещение с однонаправленным воздушным потоком
(ламинарный поток). Чистый воздух подается в помещение через систему
высокоэффективных фильтров и проходит через помещение, сохраняя
направление движения.
3. Чистое помещение со смешанным потоком. Этот тип представляет
собой турбулентно вентилируемое чистое помещение, но там, где продукт
может подвергнуться загрязнению, используется лабораторный шкаф (бокс)
с однонаправленным воздушным потоком.
4. Изоляторы или минизоны. Используются внутри чистого помещения,
чтобы обеспечить более высокий уровень защиты от загрязнений. Они могут
быть с однонаправленным воздушным потоком, но возможно
использование и турбулентно вентилируемых изоляторов.
22

23.

Ламинарные системы
лабораторный шкаф (бокс)
Группа компаний
Изоляторы или минизоны
23

24.

Классификация чистых помещений
24

25.

Нормативы по запылённости в ЧПП ЗОК
Количество частиц – штук частиц/литр
25

26.

Одежда для персонала ЧПП ЗОК
Персонал
Персонал
постоянный
Класс чистоты
помещения
ИСО 6, ИСО 7, ИСО 8
Персонал
временный
ИСО 6, ИСО 7, ИСО 8
Персонал
приглашенный
Посетители
ИСО 6, ИСО 7, ИСО 8
ИСО 7, ИСО 8
Форма одежды
Комплект одежды № 1:
брюки, куртка, сабо,
шапочка, пододежный
комплект
Комплект одежды № 2:
халат, брюки, сабо,
шапочка, пододежный
комплект
Халат, брюки, тапочки,
шапочка
Халат, брюки, тапочки,
шапочка
Количество частиц – штук частиц/литр
26

27.

Одежда для персонала ЧПП ЗОК
27

28.

Фильтр тонкой очистки воздуха — HEPA
диаметр волокон 0,5-6,5 микрон, расстояние между ними 10-40 микрон
28

29.

Частицы улавливаются волокнами фильтров в результате действия следующих
эффектов:
1. Эффект зацепления (interception) проявляется если линия тока воздуха проходит
близко (на расстоянии порядка толщины волокна или ближе) к фильтровальному
волокну. Частицы прилипают к волокнам.
2. Эффект инерции (impact) проявляется для крупных частиц. Благодаря большой
инерции частицы большого диаметра не способны огибать волокна, следуя по
искривлённой траектории в потоке воздуха, и задерживаются в одном из них. Поэтому
они продолжают прямолинейное движение до непосредственного столкновения с
препятствием. Этот эффект увеличивается с уменьшением пространства между
волокнами и увеличением скорости воздушного потока.
3. Эффект диффузии (diffusion) представляет собой столкновение мельчайших частиц
загрязнений, с диаметром меньше 0,1 мкм, с частицами газа с последующим
замедлением первых при прохождении через фильтр. Такие частицы начинают
совершать движения в стороны от линий воздушного потока на расстояния,
превышающие их диаметр. При низких скоростях воздушного потока этот механизм
становится доминирующим.
Диффузионный механизм преобладает при фильтрации частиц с диаметрами меньше
0,1 мкм. Зацепление и инерция преобладают для частиц более 0,4 мкм в диаметре.
Частицы размером порядка 0,2-0,3 мкм фильтруются не столь эффективно, они
называются Most Penetrating Particle Size (MPPS). Класс фильтра определяется именно по
MPPS.
29

30.

- Основные факторы, влияющие на работу - диаметр волокна и
толщина фильтра. Обычно используются стеклопластиковые
волокна с диаметром от 0,5 до 2 мкм. Применяются также
фильтрующие элементы из бумаги и синтетических материалов.
Все эти материалы эффективно задерживают микроскопические
частицы и не очень сильно тормозят воздушный поток.
- Фильтры HEPA необходимо заменять в среднем раз в 1-3 года,
далее эффективность их работы по мере их загрязнения снижается.
- Еще более совершенными по сравнению с HEPA являются
фильтры ULPA (Ultra Low Penetrating Air), способные улавливать до
99,999 % частиц диаметром свыше 0,1 мкм. Такие фильтры по
принципу действия не отличаются от моделей HEPA, но стоят
дороже и применяются
в
более
дорогих
моделях
воздухоочистителей.
30

31.

ЧПП фирмы Рост, Екатеринбург
1 - Глухая панель (алюминий, окраска эпоксидной эмалью); 2 - Частично
остекленная панель; 3,4 - Решетки вентиляционные;5 - Диффузор;
6 - Одностворчатая дверь; 7 - Панель с информационным табло;
8 - Передаточное окно; 9 - Плинтус округлый; 10 - Отбойник
11 – Потолок подвесной; 12 – Распределитель воздуха; 13 – Светильник
герметизированный; 14 – Подвес; 15 – Розетка герметичная;16 – Жалюзи
встроенные;17 – Панель съемная
31

32.

Подготовка воды
воду очищенную можно получить дистилляцией, ионным обменом, обратным осмосом, комбинацией этих методов, или другим способом.
Вода очищенная должна отвечать требованиям по ионной, органической, химической и
микробиологической чистоте.
Природная вода может содержать различные примеси:
— механические частицы (нерастворимые неорганические или органические
примеси);
— растворенные вещества (неорганические соли, ионы кальция, магния, натрия,
хлора, ионы серной, угольной кислот и др.);
— растворенные химически неактивные газы (кислород, азот);
— растворенные химически активные газы (диоксид углерода, аммиак);
— микроорганизмы (в т.ч. видимые, плесень, водоросли, цисты и пр.);
—
бактериальные
эндотоксины
(липополисахариды
клеточной
стенки
грамотрицательных микроорганизмов);
— органические вещества (природные органические вещества — гуминовая кислота и
др. и загрязняющие органические вещества — промышленные сбросы, удобрения,
пестициды и др.);
— коллоиды (железа Fe2О3 х yH2О, кремния SiO2 х yH2О, алюминия Al2О3 х yH2О,
образующие комплексные соединения с органическими веществами);
— остаточные дезинфицирующие вещества (хлор => хлорноватистая кислота <= >
гипохлорит-ион, хлорамины и др.).
32

33.

Подготовка воды
Выбор технологической схемы получения воды очищенной обусловлен:
— качеством исходной (подаваемой) воды;
— выбором конечной стадии получения воды;
— требованиями, предъявляемыми к воде.
1. Фильтрация воды
Для отсеивания частиц используются как грубые фильтры (гранулированный антрацит,
кварц, песок — многослойные или песчаные фильтры) так и мембранные фильтры для
удаления мельчайших частиц.
Современные фильтрующие системы представляют собой установки с трех- или
пятицикловым режимами работы с возможностью автоматического или ручного
управления;
При трехцикловом режиме работы фильтрационной установки предусмотрены:
получение воды очищенной, обратная и прямая промывка фильтрующей среды. Данный
режим используется в установках с засыпкой, не требующей регенерации
(многослойные фильтры, фильтры обезжелезивания, фильтры с активированным углем).
Пятицикловый режим работы подразумевает; получение воды очищенной, обратную
промывку, регенерацию/медленную промывку- быструю промывку и наполнение
солевого бака. Данный режим используется для фильтрационных установок, в которых
необходимо проведение регенерации фильтрующей среды (фильтры обезжелезивания
на основе марганцевого цеолита, фильтры умягчения).
33

34.

Подготовка воды
Фильтры обезжелезивания на основе фильтрующих сред Birm и марганцевого цеолита
применяются для удаления присутствующих в воде примесей железа и марганца. Кроме
того, с помощью марганцевого цеолита удаляется растворенный в воде сероводород. В
результате процессов химического каталитического окисления на
поверхности
фильтрующей среды, растворенное железо и марганец переходят в нерастворимую
форму (гидроксид) и в виде хлопьевидного осадка выводятся из фильтра путем
обратной промывки.
При использовании фильтрующей среды Birm важным условием является наличие в
воде растворенного кислорода в концентрации, большей концентрации растворенного
железа на 15%. Марганцевый цеолит по мере использования теряет свои
каталитические свойства, поэтому необходимым является его периодическая (или
постоянная) регенерация раствором калия перманганата. При высоких концентрациях
железа и марганца в воде, необходимо предварительно использовать системы аэрации
воды.
Одними из широко используемых фильтров в фармацевтической практике являются
фильтры с активированным углем, адсорбирующим и удаляющим из воды органические
вещества с низким молекулярным весом и хлор.
с момента удаления активного хлора вода лишается какого-либо бактерицидного агента
и, как правило, происходит стремительный рост микроорганизмов. Поэтому в качестве
фильтрующей среды применяется активированный уголь, импрегнированный серебром,
34
применяемым для снижения микробиологического роста.

35.

Подготовка воды
2. Умягчение воды
Умягчение является частным случаем ионного обмена. Умягчители воды удаляют
такие катионы, как магний и кальций, т.е. позволяют понизить жесткость воды.
Умягчение позволяет значительно снизить содержание ионов перед подачей воды
для очистки на ионообменники и мембраны обратного осмоса.
В большинстве случаев используются автоматические колонки-умягчители,
заполненные катионитом, в которых происходит обмен катионов солей жесткости на
катионы натрия.
Умягчение используется в системе водоподготовки чаше всего в трех случаях:
— перед обратным осмосом и дистилляцией;
— для получения воды, используемой для регенерации установки ионного обмена;
— в тех случаях, когда достаточно получения только умягченной воды (применение
воды в автоклавах, моечных и т.п.).
Умягчители удаляют поливалентные ионы из, исходной воды, снижая потенциальную
возможность образования нерастворимого осадка на мембранах обратного осмоса и
внутренних поверхностях дистиллятора.
35

36.

Подготовка воды
3. Ионный обмен
Является одним из эффективных методов удаления из воды анионов и катионов.
Ионный обмен основан на использовании ионитов — сетчатых полимеров разной
степени сшивки, гелевой микро- или макропористой структуры, ковалентно связанных с
ионогенными группами.
Диссоциация этих групп в воде или в растворах дает ионную пару — фиксированный на
полимере ион и подвижный противоион, который обменивается на ионы одноименного
заряда (катионы или анионы) из раствора. При химическом обессоливании обмен ионов
является обратимым процессом между твердой и жидкой фазами. Включение в состав
смол различных функциональных групп приводит
к образованию смол избирательного действия.
Ионообменные смолы делятся на анионообменные и катионообменные.
Катионообменные смолы содержат функциональные группы, способные к обмену
положительных ионов, анионообменные — к обмену отрицательных.
Существует два типа ионообменных аппаратов, как правило, колоночных:
— с раздельным слоем катионита и анионита;
— со смешанным слоем.
Аппараты первого типа состоят из двух последовательно расположенных колонн, первая
из которых по ходу обрабатываемой воды заполнена катионитом, а вторая —
анионитом. Аппараты второго типа состоят из одной колонны, заполненной смесью этих
ионообменных смол. Катионит регенерируется 5% соляной кислотой; анионит — 4%
36
гидроксидом натрия.

37.

Подготовка воды
Одной из разновидностей ионного обмена является электродеионизация. Системы
электродеионизации используют комбинацию смол, выборочно проницаемых мембран
и электрического заряда для обеспечения непрерывного потока (продукта и
концентрированных отходов) и непрерывной регенерации.
4. Обратный осмос
Обратный осмос — это процесс перехода растворителя (воды) из раствора через
полупроницаемую мембрану под действием внешнего давления. Избыточное рабочее
давление солевого раствора в этом случае намного больше осмотического. Движущей
силой обратного осмоса является разность давлений. Для получений воды методом
обратного осмоса нужно, создавая избыточное давление, превышающее осмотическое,
«заставить" молекулы диффундировать через полупроницаемую мембрану в
направлении противоположном прямому осмосу, т.е. со стороны
высокоминерализрванной воды в отсек чистой воды, увеличивая ее объем.
Обратный осмос обеспечивает самый тонкий уровень фильтрации, Обратноосмотическая
мембрана действует как барьер для всех растворимых солей, неорганических молекул,
органических молекул с молекулярной массой более 100.
Обратный осмос обычно используется в системах получения воды в следующих случаях:
— перед установками ионного обмена для снижения расхода кислоты и щелочи,
необходимой для регенерации;
— для получения воды очищенной;
— как подготовительный этап перед дистилляцией
37

38.

Подготовка воды
5. Дистилляция
Существует три вида процессов дистилляции:
• одноколоночная, преимуществом которого является простая конструкция и невысокая
цена установок, недостатком – высокое энергопотребление, при нагреве от 15 до 100 оС
(85 ккал/кг или 356 кДж/кг) и еще больше при превращении воды в пар( 539 ккал/кг или
2258 кДж/кг).
• термокомпрессионная, суть которого состоит в следующем: принудительное сжатие
пара компрессором приводит к росту давления пара и его температуры. Повышенное
теплосодержание {энтальпия) пара используется для нагрева и превращения исходной
воды в пар. Недостатками этого метода являются возможность попадания в чистую воду
посторонних частиц, высокий уровень шума и необходимость в постоянном техническом
обслуживании.
• многоколоночная, при которой энергия нагретой воды используется наиболее полно и
эффективно.
Метод многоколоночной дистилляции является естественным и надежным по своей
природе стерильным процессом, проходящим при высокой температуре, сочетает
непрерывность и надежность очистки воды за счет двух факторов, обеспечивающих
разделение:
— гравитации,
— центробежных сил
38

39.

Подготовка воды
В основе работы многоколоночного дистиллятора заложен принцип многократного
выпаривания и конденсации предварительно подготовленной воды. Установка состоит из
нескольких колонн, соединенных последовательно, выносных конденсаторов, хладителя
дистиллята, бака для воды с насосом. Дистилляторы снабжаются стандартными
дренажными и вентиляционными устройствами.
Колонна состоит из двух сосудов, работающих под высоким давлением. Конструкция
колонны и ее элементов выполнена таким образом, что она работает как испаритель и
сепаратор одновременно.
Исходная вода в дистилляторную установку подается из резервуара насосом, расход воды
регулируется автоматически.
Исходная вода и образующийся пар в системе движутся противотоком. При этом вода,
проходя через охладитель дистиллята и конденсаторы, максимально аккумулирует
вторичное тепло пара (направление движения воды справа налево). В конденсаторе
первой колонны вода подогревается заводским паром до температуры 160 "С. Высокая
температура гарантирует высокое биологическое качество дистиллята.
Подогретая исходная вода поступает в верхнюю часть левой крайней колонны. Эта
колонна также обогревается заводским паром. За счет возникающей в колонне разницы
температур происходит вскипание перегретой воды с образованием пара. Колонна
рассчитана таким образом, что образующийся пар достигает ее дна с высокой
скоростью и изменяет направление своего движения на 180°. При этом от пара
отделяется неиспаривщаяся вода.
39

40.

Подготовка воды
Чистый пар с большой скоростью поднимается по спиралеобразному желобу, совершая
круговое движение. Благодаря центробежным силам, возникающим при таком
движении, отделяются оставшиеся в паре частицы и капли, в том числе и эндотоксины.
Это простое и в то же время оригинальное решение обеспечивает более надежное
сепарирование, чем при известных методах выпаривания.
Полученный пар поступает в следующую колонну, здесь конденсируется и отводится в
охладитель дистиллята. Неиспаривщаяся вода и отсепарированные частицы также
поступают в эту колонну на повторное вскипание.
В этой и последующих колоннах процесс повторяется по аналогии с первой колонной.
Отработанная вода выводится из последней колонны.
Принцип работы многоколоночного
дистиллятора фирмы Finn-Aqua
40

41.

Технологические материалы:
аргон
Основной материал: GeCl4
Входной контроль материалов. Д.б. паспорта безопасности и сертификаты
качества
41

42.

Введение в оптику
Свет – электромагнитная волна
Шкала электромагнитных волн