Социо-эколого-экономический анализ технологии очистки сточных вод, образующихся в процессах травления полупроводников

Действие на кожу. При частом соприкосновении с этиловым спиртом наблюдается сухость кожи, изредка -- образование трещин. Денатурированный спирт раздражает кожу значительно сильнее.

Поступление в организм, распределение, превращения и выделение. В верхних дыхательных путях кролика задерживается в среднем 80% этилового спирта. В дыхательных путях человека задерживается около 62% этилового спирта, содержащегося во вдыхаемом воздухе. Всасывание через кожу практического значения не имеет. Всасывание из желудка в основном заканчивается через 2--3 час.

Равновесие между кровью и органами с хорошим кровоснабжением печень, почки, мозг) устанавливается в течение нескольких минут. Концентрация этилового спирта в тканях определяется содержанием в них воды.

Глицерин [6]Предельно допустимая концентрация 0,005 мг/л

Токсическое действие. Резко раздражает слизистые оболочки. При вдыхании поражает преимущественно бронхи и легкие. При непосредственном контакте нарушает кожные покровы и слизистые оболочки глаз. Длительное воздействие глицерина к концентрациям, близких к насыщающим (0,2-0,3 мг/л) вызывает тяжелые изменения, главным образом в дыхательных путях и почках, и гибель части животных.

Растворы щелочей [6]Предельно допустимая концентрация 0,5 мг/м³

На ткани действуют прижигающим образом, растворяя белки с образованием щелочных альбуминатов. При попадании раствора на кожу и слизистые образуется мягкий струп. Могут проникать и в более глубокие ткани. При длительном хроническом воздействии приводят к кожным заболеваниям. При попадании даже в малых количествах в глаза поражается роговица и более глубокие части глаза.

Азотная кислота HNО₃ [6]Предельно допустимая концентрация 5 мг/м³

Токсическое действие. При непоследовательном контакте с кожей вызывает кислотный ожог. Кислотные ожоги часто сопровождаются повышение температуры, изменениями в крови. HNО₃ вызывает опасные повреждения глаз, вплоть до омертвения роговицы. При дыхании паров слабое отравление выражается в бронхите и сравнительно легком бронхиолите, головной боли, головокружении, шуме в ушах, сонливости. При средней степени отравления присоединяются начальные явления отека легких. При тяжелых формах - отек легких.

Действие на кожу. Концентрированная HNO₃ вызывает тяжелые ожоги; струп окрашен в характерный желтый цвет. Разбавленные растворы могут быть причиной экземы.

Плавиковая кислота HF [10]Предельно допустимая концентрация 0,5 мг/м³

При остром отравлении плавиковой кислотой наблюдаются и её парами наблюдаются ожоги и раздражения слизистых оболочек носовые кровотечения и опухание слизистых оболочек носа, cyxoй удушливый кашель, хрипота, спазмы дыхания. При хроническом действии нарушение зубов, развитие астматических заболеваний, тошнота и рвота (в первые месяцы, затем наступает некоторое привыкание). При поступлении в организм фтора наблюдается во всех тканях, более всего в железах внутренней секреции, скелете, зубах.

Бром Вr₂ [6]

При длительном воздействии концентрация брома не должна превышать , при концентрациях от 3 до необходимо пользоваться респиратором. Концентрации от 11 до вызывают сильный кашель; содержание брома от 30 до считается чрезвычайно опасным для человека, а вызывает быструю смерть.

Обладающий кумулятивными свойствами бром попадает в ткани в виде бромидов и замещает другие галогены (йод и хлор). Длительное воздействие приводит к поражению центральной нервной системы

Люди, подвергавшиеся в течение 1 года воздействию брома в концентрациях, в 3 - 6 раз превышавших предельно допустимые, жаловались на головные боли, боли в области сердца, повышенную раздражительность потерю аппетита, боли в суставах и диспепсию. В течение пятого или шестого года работы может наблюдаться отсутствие роговичных рефлексов, фарингит, вегетативные нарушения и гиперплазия щитовидной железы, сопровождающаяся ее дисфункцией. Сердечно-сосудистые нарушения проявляются в форме дегенерации миокарда и гипотонии; могут также отмечаться функциональные и секреторные нарушения деятельности пищеварительного тракта. В крови наблюдаются признаки блокировки образования лейкоцитов лейкоцитоз. Концентрация брома в крови колеблется от 0,15 мг на до 1,5 мг на независимо от степени интоксикации.

Хлороводород HCl [6]Предельно допустимая концентрация 5 мг/м³

Из-за чрезвычайно высокой растворимости в воде отравление происходит туманом соляной кислоты. Основная область поражения - верхние дыхательные пути, где нейтрализуется большая часть кислоты

Картина отравления:

Раздражения слизистой оболочки, в особенности носа; болезненность кожи лица; воспаление слизистой оболочки глаз; помутнение роговицы; охриплость, чувство удушья; покалывание в груди; насморк; кашель; иногда: кровь в мокроте.

При хроническом отравлении: катары дыхательных путей; разрушение зубов (начинается с появления коричневых пятен), чаще резцов; изъязвление слизистой носа вплоть до прободения носовой перегородки; желудочно-кишечные расстройства.

Дозы:

Безвредной при постоянной работе считается концентрация 15 мг/м³. Концентрации 50 - 75 мг/м³ переносятся с трудом, хотя привычные люди могут переносить в течении нескольких минут даже 1 - 2 г/м³.На основании анализа токсикологических свойств хлороводород следует отнести к 4 классу опасности.

Гидразин гидрат [6]Предельно допустимая концентрация 0,1 мг/м³

Вызывает раздражение слизистых оболочек верхних дыхательных путей и глаз, нарушение функций центральной нервной системы, изменения крови, поражение внутренних органов. Обладает кумулятивным действием.

2.4 Отмывка

После операции обезжиривания и химического травления на поверхности полупроводников всегда остаются следы растворителя (толуол, ацетон, четыреххлористый углерод) и продукты травления (оксиды, соли и др.), а также остатки самого травителя. Для их удаления протравленный материал отмывают водой. В ходе этой операции «корзину» с материалом сначала медленно извлекают из травильного или обезжиренного раствора, что способствует более полному его стеканию. Затем для предотвращения высыхания раствора (высыхание может способствовать образованию на поверхности полупроводника стойких к удалению загрязнений) «корзину» быстро переносят в ванну с водой.

Качество отмывки зависит от способа ее осуществления и температуры воды. Наибольший эффект обеспечивает промывка полупроводниковых материалов в проточной деионизованной воде, проводимая последовательно в нескольких ваннах, расположенных каскадом, аналогично блоку ванн, используемых на операции обезжиривания. Схема такой установки, включенной в систему получения сверхчистой воды с рециркуляцией, приведена на рис. 7. [7]

Для экономии высокочистой воды объем каждой ванны должен быть минимальным, а скорость потока воды через нее максимальной. Слишком высокая температура промывной воды может привести к гидролизу продуктов травления и закреплению их на поверхности полупроводника. Оптимальной температурой считается 50--60 °С. Ультразвуковое перемешивание воды также способствует улучшению процесса отмывки, который контролируют по величине удельного сопротивления отходящей промывной воды. Резкое падение удельного сопротивления соответствует моменту погружения «корзины» с промываемым материалом в первую ванну. По истечении некоторого времени величина удельного сопротивления возрастает, что свидетельствует о полноте промывки.

Поверхность полупроводников, насыщенная свободными валентными связями, образовавшимися в результате обрыва кристаллической решетки, обладает высокой активностью, в частности высокой адсорбционной способностью. Поэтому после обработки полупроводников в травильных и промывных растворах на их поверхности адсорбируется значительное количество (10¹¹ - 10¹³ см^-2) атомов и ионов металлических примесей, зависящее от концентрации примесей в растворах и от разности химических потенциалов примеси и полупроводника EMBED Equation.DSMT4 . Последняя изменяется в ряду Zn>In>Hg>Ag>Cu>Sb. Чем выше величина EMBED Equation.DSMT4 , тем больше металлических примесей адсорбируется на поверхности полупроводника. Исключение составляет золото, ионы которого образуют устойчивые комплексы с азотной кислотой и продуктами ее реакции с полупроводниками.

Увеличение кислотности раствора (уменьшение рН) делает электрохимический потенциал полупроводника более отрицательным. В результате EMBED Equation.DSMT4 возрастает. Поэтому адсорбция металлических примесей на поверхности полупроводников в кислых растворах больше, чем в щелочных.

Адсорбированные в ионном или атомарном состоянии металлические примеси практически не удаляются промывкой полупроводников в воде. Даже после ультразвуковой промывки на поверхности полупроводников остается более 80 % металлических примесей, адсорбированных в ионном состоянии, и 30--40%--в атомарном.

Наилучшим способом десорбции примесей металлов с поверхности полупроводников является перевод их в устойчивые комплексные соединения. Для этой цели используют растворы плавиковой кислоты, ацетонитрила, трилона-Б, триоксина и др. Плавиковая кислота особенно эффективна для десорбции металлических примесей с окисленной поверхности полупроводников, так как она хорошо растворяет оксидную пленку. Однако лишняя операция обработки полупроводников в растворах кислоты влечет за собой дополнительные потери полупроводника в результате растворения и перехода его в раствор. Поэтому необходимо использование особо чистой (деионизированной воды) для предотвращения дополнительных потерь.

Отмытые и обработанные комплексообразующими реактивами материалы сушат в две стадии: первая -- путем ополаскивания чистым спиртом, проводимого кратковременным погружением в ванну со спиртом; вторая -- в вакууме или токе чистых инертных газов при температурах, не превышающих 300 °С, что необходимо для предотвращения окисления элементарных и разложения сложных полупроводников.

2.5 Методы очистки производственных сточных вод

Жизнедеятельность человека без воды практически невозможна. Однако применение современных моющих средств, а также жир, пыль и грязь даже чистую воду делают абсолютно непригодной для употребления. Поэтому методы очистки сточных вод в наши дни жизненно необходимы.Современная HYPERLINK "http://www.topas-eko.ru" \o "очистка сточных вод"очистка сточных вод подразумевает полное или максимально возможное удаление загрязнений, примесей и вредных веществ. Бесспорно, в наши дни методы очистки сточных вод, полностью, зависят от имеющегося характера загрязнений, а также от вредности содержащихся в сточных водах примесей, и в каждом отдельно взятом случае оптимальный метод подбирается в индивидуальном порядке.

Можно отметить, что все имеющиеся и широко применяемые в настоящее время методы очистки сточных вод подразделяются на несколько основных видов: [15]

2.5.1 Реагентный метод

Суть метода заключается в переводе ионов тяжелых металлов, находящихся в растворе, в нерастворимые в воде соединения (гидроксиды или основные карбонаты) при нейтрализации воды с помощью щелочных реагентов (гидроксидов или карбонатов Са, Na, Mg, оксидов Са). При этом остаточная концентрация ионов металлов (Fe, Zn, Cr, Ni, At, Cu, Cd, Mn) составляет 0,05+2,5 мг/л. В процессе нейтрализации рН раствора растет, но должен оставаться ниже величины рН, при котором образовавшиеся осадки начнут растворяться. Например, Fe(OH)₂ начинает осаждаться при рН 7,5, после полного осаждения рН достигает 9,7, при рН 13,5 осадок начинает растворяться.

После взаимодействия кислотно-щелочных стоков со щелочным агентом, поступающим из дозатора 2, в реакторе 1 происходит отстаивание образовавшихся нерастворимых осадков в отстойниках 5 (не менее 2-х). Для ускорения осветления воды в раствор, выходящий из реактора, может добавляться флокулянт (полиакриламид). Влажность полученного осадка составляет 98 - 99%. Осадок из отстойников 5 направляется на фильтр 6, где содержание влаги в нем доводится до 60-70%, и полученный в результате шлам Ме(ОН)n идет на дальнейшую переработку. Вода из отстойников 5 и из фильтра 6 поступает в нейтрализатор 8, где к воде добавляют кислоту из дозатора 4 для нейтрализации, содержащейся в ней щелочи. На выходе из нейтрализатора - чистая вода. Для циркуляции растворов в указанной схеме используют насосы 7.

Показанная на рис. 6. принципиальная схема реагентного метода, является принципиальной, поскольку на основании ее могут быть разработаны очистные сооружения для удаления того или иного иона. Применяемые на практике схемы отличаются от представленной используемыми реагентами и количеством отдельных аппаратов.

2.5.2 Электрокоагуляционный метод

В данном методе примеси в воде превращаются в грубодисперсное состояние. Процесс протекает в несколько этапов:

* создание ионов металлов на поверхности электрода;

* миграция ионов в объем раствора;

* образование малорастворимых соединений металлов с компонентами раствора;

* формирование коллоидных частиц.

Чаще всего этот метод используется для очистки стоков от ионов шести валентного хрома.

В результате растворения стальных анодов образуются ионы Fe²⁺ . которые способствуют восстановлению Сг⁶⁺ до Сг³⁺ и образованию малорастворимых соединений, которые взаимодействуют с коллоидными частицами, имеющими противоположный заряд поверхности. При необходимости доочистки воды от оставшихся ионов Сг³⁺ производят нейтрализацию с целью осаждения гидроокиси хрома:

Сr³⁺ + ЗОН EMBED Equation.DSMT4 Сr(ОН)₃

В представленной на рис. 7 - схеме собственно электрокоагулятор 3 включает две секции: пластинчатый электролизер и отстойники (осветлители) различных типов.

Добавление NaCl из дозатора 5 необходимо, чтобы избежать пассивации поверхности анодов содержащимися в сточных водах ионами NO₂^-, NO₃^-, PO₄^3- и др. Хромовые стоки накапливаются в резервуаре 1 и подаются в электрокоагулятор 3 насосом 2, 4 - блок питания электрокоагулятора.

Очистка от хрома достигает 90- 95% при концентрациях, не превышающих 30 мг/л.

2.5.3 Обратный осмос

Метод заключается в фильтрации жидкости через специальные мембраны под давлением. Иногда этот метод называют гиперфильтрацией.Осмос - это способность молекул воды проникать через полупроницаемую мембрану для установления равновесия в системе (выравнивания концентрации во всех частях системы) в том случае, если в частях системы, разделенных мембраной, концентрации раствора не одинаковы. При этом возникает, так называемое осмотическое давление и уровень раствора в части системы с исходно большей концентрацией повышается. Когда давление столба раствора в этой части системы превысит осмотическое давление, самопроизвольный переход молекул воды (осмос) через мембрану прекратится. Если к раствору в этой части системы приложить давление, больше осмотического, будет протекать обратный процесс - вода из более концентрированного раствора начнет переходить через мембрану в обратном направлении. Это называется обратным осмосом. В этом случае только молекулы воды будут проходить через мембрану, концентрация раствора еще повысится, а на противоположной стороне мембраны можно получить чистую воду. Таким образом, если обратному осмосу подвергнуть сточные воды, то из них достаточно эффективно можно удалить воду, а содержащиеся в них примеси сконцентрировать. На рис. 8 представлена двухступенчатая схема очистки стоков с помощью обратного осмоса.

2.5.4 Ионообменный метод

Ионообменная очистка применяется для извлечения из сточных вод металлов (цинка, меди, хрома, никеля, свинца, кадмия, ртути, и т. д.), а также соединений мышьяка, фосфора и цианистых соединений. Этот метод очистки воды широко используют для получения сверхчистой (деионизованной) воды для нужд полупроводникового производства Метод предназначен для очистки сточных вод с содержанием солей не более 3 г/л, так как при большем их содержании он становится неэффективным из-за необходимости частой регенерации ионообменных смол.

Схема метода представлена на рис. 9 [1]

В данной схеме стоки из накопителя 1 насосом 2 подаются в фильтры 3 и 4, предназначенные для предварительной очистки стоков от взвешенных частиц и некоторых загрязнений. Очистка от солей производится в двух катионообменных 5 и двух анионообменных колоннах 6. Колонны 5 заполнены катионообменной смолой (катионитом), представляющей собой сложное соединение, имеющее радикал и присоединенный атом водорода (R-H), который может замещаться ионами металлов, находящимися в воде:

Следовательно, катионы диссоциированных в воде солей связываются катионом, и в ней остаются анионы, которые связываются в колоннах 6 с анионообменной смолой (анионитом), имеющей формулу R-ОH:

Далее, образовавшиеся ионы гидроксила и водорода объединяются по реакции:

В результате вода очищается от растворенных в ней солей. С течением времени остается все меньше не прореагировавших катионитов и анионитов, и эффективность очистки воды снижается в предельном случае до нуля. Поэтому периодически смолы должны регенерироваться. Катионитовые колонны 5 промываются кислотой, анионитовые - щелочью. При этом образуются насыщенные растворы - элюаты, которые могут направляться на извлечение из них ценных компонентов.

2.5.5 Адсорбционный метод

Сорбцией называют процесс поглощения твердым телом или жидкостью (сорбентом) какого-либо вещества из окружающей среды. Различают три основные разновидности сорбции - адсорбцию, абсорбцию и хемосорбцию.

Адсорбция - поглощение вещества из газовой или жидкой среды поверхностным слоем твердого тела или жидкости (адсорбента).Адсорбцию широко применяют для глубокой очистки сточных вод от растворенных органических веществ после биологической очистки, значительно реже - для очистки от ионов тяжелых металлов. Использование адсорбции для удаления гетерогенных примесей экономически не оправдано и не практикуется. Блок адсорбционной очистки, как правило, включают в схему на заключительной стадии обезвреживания воды, когда из неё отстаиванием, фильтрацией, коагуляцией уже удалена основная масса взвешенных частиц, эмульгированных смол и масел, и вода освобождена от крупных мицелл коллоидных систем.

Адсорбционная очистка эффективна во всем диапазоне концентраций примесей в воде, однако более всего её преимущества сказываются на фоне других методов очистки при низких концентрациях загрязнений. Основные области применения адсорбционных процессов в очистке воды - подготовка питьевой воды и доочистка сточных вод.

При адсорбции из растворов происходит поглощение адсорбентом как молекул загрязнения так и воды. Кроме того при очистке водных растворов происходит конкуренция двух видов межмолекулярных взаимодействий: гидратация молекул загрязнителя, т.е. взаимодействие их с молекулами воды в растворе, и взаимодействие молекул загрязнителя с адсорбентом.

Конкуренция процессов гидратации и адсорбции молекул загрязнителя и адсорбции молекул воды лежит в основе разграничения сорбентов для удаления из воды органических и неорганических веществ. Для адсорбции органических веществ применяют углеродные пористые материалы - активные угли, дробленые материалы различного органического происхождения: уголь, кокс, топливные шлаки, сорбенты на основе целлюлозы и резины, синтетические полимеры. Полярные гидрофильные материалы - иониты, глины, силикагели, алюмогель, цеолиты, оксиды и гидроксиды для адсорбции органических веществ малопригодны, так как величина энергии взаимодействия их с молекулами воды равна величине энергии сорбции молекул органических загрязнений или превышает её. Эти гидрофильные материалы используют для удаления из воды неорганических соединений, присутствующих в ней, как правило, в ионной форме.

Наиболее универсальными из адсорбентов являются активированные угли. С их помощью возможно практически полное удаление из растворов почти всех органических соединений, а при определенных условиях и эффективная очистка воды от некоторых токсичных ионов неорганических веществ, в том числе ионов тяжелых металлов. Сорбционная емкость активированного угля по отношению к ионам тяжелых металлов значительно повышается в том случае, если уголь гранулируется, а затем на его поверхность наносится активный компонент, состоящий из тиолтриазинового производного. Для приготовления такого адсорбента гранулированный активированный уголь перемешивают в растворе или суспензии тиолтриазинового производного и доводят рН смеси до величины EMBED Equation.DSMT4 3 в водной фазе.

Очистка сточных вод на гранулированных сорбентах проводится в адсорберах с плотным, взрыхленным, движущимся и псевдоожиженным слоем. Одно- и многослойные адсорберы с плотным слоем гранулированного активного угля работают с восходящим и нисходящим потоками воды, по параллельной и последовательной схемам.

Сорбцию загрязнений на пылевидных сорбентах ведут либо в аппаратах с перемешиванием воздухом или мешалкой, либо на намывных фильтрах. Во всех случаях могут применяться одна или несколько последовательных ступеней с неограниченным числом параллельных технологических линий.

На таблице 1 (приложение 1) Представлены затраты на осуществление передачи стоков в городскую канализацию при их загрязнении ниже уровня ПДК и выше.

Использование одного из перечисленных выше методов недостаточно для полной очистки промышленных сточных вод. Сравнительная характеристика методов представлена в таблице 3. [1]

Таблица 3. Сравнительные характеристики методов очистки производственных сточных вод

МЕТОД	ДОСТОИНСТВА	НЕДОСТАТКИ
1	2	3
1. Реагентный	1.Широкий интервал начальных концентраций. 2.Универсальность. 3.Простота. 4.Наиболее широкое распространение.	1.Не обеспечивает ПДК для рыбохозяйственных водоемов. 2. Громоздкость. З.Большой расход реагентов. 4. Потребность больших площадей
2.Электрокоагуляционный	1.Высокая производительность. 2.Простота. З.Занимает небольшие площадки. 4.Малый расход реагентов.	1. Не достигается ПДК для выбросов в воды водоемов.2.Энергозатратен.3. необходимость предварительного разбавления стоков
3.06ратный осмос	1.Возможность утилизации ценных компонентов	1.Не достигается ПДКдля рыбохозяйственныхводоемов.2.Неэкономичность очисткиразбавленных стоков.3.Используется редко.
4.Ионообменный	1.Возврат до 95% воды в оборот. 2.Возможна утилизация тяжелых металлов	1 .Необходимость предочистки стоков. 2.Большой расход реагентов для регенерации. З.Дороговизна. 4.Громоздкость оборудования
5. Адсорбционный метод	1. Очистка до ПДК2. Возможность совместного удаления различных по природе примесей3. Отсутствие вторичного загрязнения очищаемых вод4. Возможность рекуперации сорбированных веществ5. Возможность возврата очищенной воды после корректировки рН.	1. Дороговизна и дефицитность сорбентов2. Природные сорбенты применимы для ограниченного круга примесей и их концентраций3. Громоздкость оборудования4. Большой расход реагентов для регенерации сорбентов5. Образование вторичных отходов, требующих дополнительной очистки

Из таблицы 3. следует, что практически ни один метод самостоятельно не обеспечивает полной очистки сложных стоков. Таким образом, преобразование их комбинаций.

2.6 Очистка сточных вод предприятия "Ангстрем"

2.6.1 Оценка экологической опасности стоков производства полупроводниковых микросхем

Экологическая опасность стоков производства полупроводниковых микросхем (после травления кремния) определяется, главным образом, вредным воздействием сточных вод, содержащих компоненты технологических растворов, на поверхностные водоемы. Для оценки степени воздействия на окружающую среду вводят понятие «экологический критерий (ЭК)», который определяется как отношение конечной концентрации компонента раствора в сбрасываемой очищенной воде (С_кон) к его предельно допустимой концентрации (ПДК) в воде (1):

Концентрация компонентов в сбрасываемой в водоемы воде С_кон зависит от эффективности работы очистных сооружений, которая определяется степенью очистки EMBED Equation.DSMT4 сточных вод от того или иного компонента раствора и зависит от концентрации компонентов в сточной воде, подаваемой на очистку (2):

Концентрация компонента технологического раствора в сточной воде, подаваемой на очистку (С_ст), в свою очередь зависит от расхода воды (Q, л/ч) на промывные операции по всему цеху и скорости уноса технологического раствора (q, л/ч) деталями из технологической ванны и определяется кратностью разбавления (q/С) (3) и (4):

Подставив полученное выражение в уравнение (1), получаем (6):

Значение экологического критерия должно быть не более 1, то есть очистку стоков необходимо осуществлять как минимум до достижения ПДК. В данном случае:

Таким образом, экологический критерий прямо пропорционально зависит от концентрации компонента в технологическом растворе кратности разбавления промывными водами выносимого из ванны раствора и обратно пропорционально зависит от степени очистки сточных вод. Чем больше значение экологического критерия для каждого из компонентов технологического раствора, тем большую экологическую опасность представляет тот или иной компонент в отдельности и используемый раствор в целом.

2.6.2 Принципиальная схема очистки сточных вод на предприятии "Ангстрем"

Рассмотрим формирование стоков на предприятии "Ангстрем", возникающих в результате технохимической обработки кремниевых пластин (рис 11).

В настоящее время на предприятии существует схема подготовки пластин, которая включает в себя: обезжиривание, промывку и химическое травление. Обезжиривание производят, в данном случае, четыреххлористым углеродом.

После обезжиривания в органическом растворе пластины проходят промывку в деонизированной воде, далее промывочная вода, содержащая органические растворители, поступают в сборник (6). Далее пластины поступают на химическое травление (3). Травление Si происходит по реакции: Si + 4HNO₃ + 18 HF = 3H₂[SiF₆] + 4NO + 8H₂O.

После травления пластины с остатками травителя проходят каскадную промывку в противотоке, которая состоит из двух ванн: предварительная промывка и финишная промывка. Пластины сначала промываются в ванне предварительной промывки (4), куда поступает загрязненная вода из второй ванны (2). Далее уже предварительно очищенная деталь проходит финишную промывку в чистой воде (5).

Стоки после промывки детали поступают в сборник (6), откуда идут на очистку. В качестве основного на предприятии используется реагентный метод (окислитель Са(ОН)₂). На этой ступени очистки протекают реакции:

Ca(OH)₂ + HNO₃ = CaNO₃(OH) + H₂O

Ca(OH)₂ + 2HF= CaF₂ + H₂O

2CH₃COOH + Ca(OH)₂ = 2(CH3COO)₂Ca + 2H₃O

На представлены величины уноса вредных веществ из соответствующих ванн, количество промывных вод и состав вредных веществ. Это необходимо для количественной оценки эффективности очистки.

Рассчитаем экологическую опасность стоков производства полупроводниковых микросхем после травления и обезжиривания пластин кремния:

Скорость уноса раствора деталями из ванны составляет 0,8 л/ч (q)Расход воды равен 18 л/ч (Q)Максимальная концентрация HF в растворе составляет 50 мл (С_0max)Степень очистки после реагентного метода равна 0,95 ( EMBED Equation.DSMT4 )

Так как в данном случае происходит суммарная очистка, для расчета используется минимальное значение ПДК веществ

ПДК HF в воде водоема равна 1,5 мг/л.

Для оценки экологической опасности используется понятие «Экологический критерий (ЭК)», который определяется как отношение сбрасываемой (очищенной) воды (С_кон) к его предельно допустимой концентрации (ПДК) в воде водоемов.

Рассчитаем ЭК = С_кон получаемую после использования реагентного метода:

Тогда экологический критерий:

Таким образом, после применения реагентного метода (окислитель Са(ОН)₂), экологический критерий значительно меньше 1, следовательно стоки полностью очищены от неорганических растворов. Но надо учесть, что в стоках присутствует органический растворитель (CCl₄), для которого реагентная очистка не эффективна. Поэтому мы предлагаем в качестве дополнительной очистки, метод обратного осмоса. Этот метод наиболее эффективен как для очистки от органических растворителей, так и для доочистки от неорганических растворов.После применения двух методов, мы достигаем такой очистки сточных вод, что они уже не представляют экологической опасности для водоемов.

3. Социо-эколого-экономическое обоснование внедрения данной природоохранной химико-технологической инновациипо очистке сточных вод

Методологической основой определения социо-эколого-экономической эффективности внедрения данной инновации является системный анализ.Системный анализ - совокупность методов и средств, используемых при обосновании решений при проектировании, создании и внедрении химических технологий, направленных на защиту окружающей среды.

Системный анализ используется в управлении социальными, экологическими, экономическими, человек - машинными и технологическими системами. Использование методов системного анализа для решения исследовательских и управленческих проблем такого рода необходимо, потому что, в процессе принятия решений приходиться делать выбор в условиях неопределенности. Она связанна с наличием факторов, неподдающимся строгой количественной оценки. Процедуры и методы системного анализа направлены на выдвижение альтернативных вариантов решений проблемы, выявления масштабов неопределенности по каждому из вариантов, и сопоставление вариантов по тем или иным критериям эффективности (эффекта, ущерба, риска). Согласно принципам системного анализа, возникающим перед предприятием (отраслью), та или иная многоаспектная проблема управления социо-эколого-экономической устойчивости развития должна быть рассмотрена как система во взаимодействии социальных, экологических, экономических компонентах. Для принятия решения по управлению этой системы необходимо определить её цель, цели её отдельных подсистем и ряд альтернатив достижения этих целей. Они сопоставляются по определенным критериям эффективности (эффекта, риска, ущерба) и в результате выбирается наиболее приемлемый для данной ситуации способ решения.

Центральной процедурой системного анализа является построение дерева целей, отображающего связь подсистем и их цели, их результаты при внедрении предлагаемого природоохранного химико-технологического решения, рассмотренного во второй главе КРБ. Полученное дерево целей исследуется с точки зрения близости результатов, от внедрения химико-технологического решения к желаемому природоохранному результату, а так же с точки зрения сравнительных затрат ресурсов и социальных эффектов по каждому из вариантов. [11]

3.1 Нормативно-правовое обоснование разработки и внедрения данной природоохранной химико-технологической инновации

Правовой основой данной работы являются:

1. Конституция РФ от 12 декабря 1993 года (Статьи 42,53,58)

Статья 42

Каждый имеет право на благоприятную окружающую среду, достоверную информацию о ее состоянии и на возмещение ущерба, причиненного его здоровью или имуществу экологическим правонарушением.

Статья 53

Каждый имеет право на возмещение государством вреда, причиненного незаконными действиями (или бездействием) органов государственной власти или их должностных лиц.

Статья 58

Каждый обязан сохранять природу и окружающую среду, бережно относиться к природным богатствам.

2. Федеральный закон от 10 января 2002 г. №7-ФЗ "Об охране окружающей среды" (с изменениями от 22 августа, 29 декабря 2004 г., 9 мая, 31 декабря 2005 г., 18 декабря 2006 г., 5 февраля, 26 июня 2007 г.). Принят Государственной Думой 20 декабря 2001 года. Одобрен Советом Федерации 26 декабря 2001 года.

Статья 4. Объекты охраны окружающей среды.

Объектами охраны окружающей среды от загрязнения, истощения, деградации, порчи, уничтожения и иного негативного воздействия хозяйственной и иной деятельности являются:

земли, недра, почвы;

поверхностные и подземные воды;

леса и иная растительность, животные и другие организмы и их генетический фонд;

атмосферный воздух, озоновый слой атмосферы и околоземное космическое пространство.

Статья 16. Плата за негативное воздействие на окружающую среду.негативное воздействие на окружающую среду является платным;формы платы за негативное воздействие на окружающую среду определяются федеральными законами;

К видам негативного воздействия на окружающую среду относятся:

выбросы в атмосферный воздух загрязняющих веществ и иных веществ;

сбросы загрязняющих веществ, иных веществ и микроорганизмов в поверхностные водные объекты, подземные водные объекты и на водосборные площади;

загрязнение недр, почв;размещение отходов производства и потребления;загрязнение окружающей среды шумом, теплом, электромагнитными, ионизирующими и другими видами физических воздействий.

3. Водный кодекс Российской Федерации от 16 ноября 1995 г. N 167-ФЗ (с изменениями от 30 декабря 2001 г., 24 декабря 2002 г., 30 июня, 23 декабря 2003 г., 22 августа, 29 декабря 2004 г., 9 мая, 31 декабря 2005 г.) (Главы 1,2,3,7,9-15).

4. Уголовный кодекс РФ от 13 июня 1996 г. N 63-ФЗ (с изменениями от 27 мая, 25 июня 1998 г., 9 февраля, 15, 18 марта, 9 июля 1999 г., 9, 20 марта, 19 июня, 7 августа, 17 ноября, 29 декабря 2001 г., 4, 14 марта. 7 мая, 25 июня, 24, 25 июля, 31 октября 2002 г., 11 марта, 8 апреля, 4, 7 июля, 8 декабря 2003 г., 21, 26 июля, 28 декабря 2004 г., 21 июля, 19 декабря 2005 г., 5 января 2006 г.) (Глава 26, статья 250).

5. Федеральный закон РФ от 06.05.1998г. №71-ФЗ « О плате за пользования водными объектами».

6. Постановление Правительства РФ от 31.12.1995г. №1310 «О взимании платы за сброс сточных вод и загрязняющих веществ в системы канализации населенных пунктов

7. Приказ МПР РФ №70 от 23.03.2005г. «Об утверждении перечня видов специального водопользования».

8. ГОСТ 17.1.3.06-82 «Ох ана природы. Гидросфера. Общие требования к охране подземных вод».

9. СП 2.1.5.1059-01 «гигиенические требования к охране подземных вод от загрязнения». [10]

3.2 Ситуационная карта - план расположения предприятия «Ангстрем»

В городе Москве, в Зеленоградском административном округе (город Зеленоград) расположено предприятие по производству изделий электронной техники «Ангстрем». Предприятие располагается в Южной промзоне города Зеленограда. [14]

3.3 Схема субъект-объектных отношений и внедрение природоохранной химико-технологической инновации на предприятии «Ангстрем»

SHAPE \* MERGEFORMAT

SHAPE \* MERGEFORMAT

Субъекты, потенциально способные принять участие во внедрении рассматриваемых технологий

Субъекты отсутствующие, но необходимые для обеспечения внедрения рассматриваемых технологий

Объекты непосредственного экологически негативного воздействия [11]

3.4 Дерево целей по минимизации социо - эколого- экономического риска попадания вредных веществ в городскую канализацию

Любой риск - это категория вероятностная, тем более, когда имеются в виду множественные причинно-следственные факторы разнопорядковой сущности: как природной, так и социально-экономической. Поэтому при оценке социо-эколого-экономического риска (СЭЭР) всегда будет присутствовать большая степень неопределенности.

Предлагаемые подходы к оценке социо-эколого-экономического риска.

Величина социо-эколого-экономического риска (СЭЭР) в самом общем EMBED Equation.DSMT4 виде может быть определена по формуле;

СЭЭР = ВР * EMBED Equation.DSMT4 У

Где ВР - вероятность риска

EMBED Equation.DSMT4 У - совокупность ущербов экономического (Эк), экологического (Эл) и социального (Сц) характера. При этом в основу классификации социо-эколого-экономических рисков можно положить:

1. Уровень проявления социо-эколого-экономических рисков;

2. Основные факторы возникновения социо-эколого-экономических рисков;

3. Характер возникновения причин социо-эколого-экономических рисков;

4. Время возникновения причин социо-эколого-экономических рисков;

5. Уровень возможных последствий социо-эколого-экономических рисков. Рассмотрим этот вопрос подробнее и в аспекте возможного применения при синдицированном кредитовании.

1. Социо-эколого-экономические риски различаются по уровню проявления, как:

* метаэкономические (если кредитуемый объект своим воздействием на среду провоцирует внешние социо-эколого-экономические издержки на территории двух или нескольких государств),

* макроэкономические (если кредитуемый объект своим воздействием на среду провоцирует внешние социо-эколого-экономические издержки на территории двух или нескольких регионов),

* микроэкономические (если объект своим воздействием на среду

2. По основным факторам возникновения социо-эколого-экономические риски различаются, как:

* геополитические, способствующие превращению страны в экологическую колонию;

* социально-политические, связанные с отсутствием, в частности, долговременной ориентации в формировании способов использования природных ресурсов страны;

* структурно-отраслевые, не позволяющие обеспечить последовательную глубокую переработку природного сырья с выходом на наукоемкую конечную продукцию потребительского назначения;

* техногенные (морально устаревшее оборудование, отсутствие профилактического ремонта и неисправность оборудования, изначальная экологическая не оптимальность техники);

* человеческие (отсутствие экологической грамотности, дисциплины, ответственности у персонала);

* локально-природные (климатическая дестабилизация, сели, наводнения и т.д.)

* космогенные (природные циклы и т.д.).

3. По характеру возникновения причин социо-эколого-экономические риски можно разделить на:

* внешние (непосредственно не связанные с деятельностью кредитуемого объекта и выходящие за пределы юрисдикции сторон, участвующих в синдикации),

* внутренние (обусловленные деятельностью данного кредитуемого объекта, а также отраслевого комплекса города, региона, страны).

4. По времени возникновения причин социо-эколого-экономических рисков их можно разделить на:

* ретроспективные (обстоятельства, связанные с характером деятельности в прошлые десятилетия),

* текущие,

* перспективные (прогнозируемые обстоятельства).

5. Уровень последствий социо-эколога-экономических рисков можно разделить на:

* точечный (касающиеся лишь данного хозяйствующего субъекта),

* региональный,

* государственный,

* межгосударственный,

* общепланетарный.

Для обеспечения социо-эколого-экономической устойчивости развития предприятия (региона, страны) необходимо стремиться к минимизации социо-эколого-экономического риска. Но эта минимизация возможна лишь в рамках макроэкономической стратегии СЭЭУР России.В таком случае управление социо-эколого-экономическим риском можно представить как систему макроэкономических мер, позволяющих в определенной степени достоверно прогнозируя вероятность и масштабы социо-эколого-экономического ущерба. По сути это возможно в случае реиндустриализации экономики на основе малоотходности и ресурсосбережения.

Дерево целей минимизации социо - эколого - экономического риска строится на базе индикаторов устойчивости отражает их взаимосвязь в рамках триединства социальной, экологической и экономической устойчивости.

Социальная компонента

1.1.Сокращение экогенных заболеваний у населения (не только пищевые отравления, но и злокачественные новообразования, мутагенные действие (изменение наследственности).

1.2 Сокращение оттока рабочих кадров предприятия "Ангстрем" в поисках работы

1.3 Рост числа обучающихся в учебных заведениях в связи с востребованностью специалистов по данной технологии

Экологическая компонента

2.1 Сокращение сбросов в воду загрязняющих веществ, таких как четырех хлористый углерод, толуол, этиловый спирт, трихлорэтилен, растворы неорганических кислот и щелочей (в том числе плавиковой и азотной кислот), бром, йод, гидразин гидрат.

2.2 Повышение качества воды прошедшей очистку

2.2.1. Сокращение в потребности в заборе чистой воды, благодаря использованию очищенной воды в технологических целях

Экономическая компонента

3.1 Сокращение штрафов за сбросы

3.2 Повышение заработной платы рабочих из-за экономии на штрафы

3.3 Сокращение расходов на воду, благодаря вторичному использованию

3.4 Расход дополнительных средств на внедрение предлагаемой технологии [11]

3.5 Расчет социо-эколого-экономической эффективности внедряемой установки обратного осмоса

Для того, что бы доказать необходимость внедрения данной природоохранной химико-технологической инновации необходимо рассчитать её эколого-экономическую эффективность на основе следующего коэффициента

Э_к = EMBED Equation.DSMT4 >1

Где: Э_к - коэффициент эффективности инвестиций в природоохранные мероприятия;

Э - совокупный эффект от природоохранного мероприятия

К- капитальные затраты

Капитальные затраты на очистное сооружение (К_ос) составляют 300000руб. Затраты на эксплутационные расход (зарплата 9000руб + реактивы 1000руб.) составляют 10000руб. тогда совокупные капитальные затраты (К_ос+ К_эр) будут 310000руб.

Для расчета экономической эффективности рассматриваемого природоохранного мероприятия необходимо определить основные составляющие эффекта от этого мероприятия и затем их суммировать. Первой составляющей эффекта будет экономия по платежам (Э_пл) вследствие прекращения сброса сточных вод, содержащих остатки травителя и растворы органических обезжиривателей, равна для нашего случая 434467руб.

Второй составляющей будет экономия воды за счет использования оборотного водоснабжения и далее экономия по платежам за воду

Э_в = Ц_в * (V_до - V_после)

Где Ц_в - цена 1 м³ воды (15,86руб); V_до,V_после - объём приобретаемой предприятием воды до и после внедрения природоохранного мероприятия с учетом возвращения в производство 90% первично используемой воды. Тогда:

Э_в = 15,86 руб/м³ * (4536 - 453,6)м³ = 647447руб.

Эффективность рассматриваемого природоохранного мероприятия (Э_к) составляет:

EMBED Equation.DSMT4

А срок окупаемости инвестиционных затрат:

EMBED Equation.DSMT4

Заключение

В данной работе были проанализированы процессы, происходящие на участке технохимической обработки кремниевых пластин при изготовления полупроводниковых микросхем. При этом был проанализирован технохимический участок предприятия «Ангстрем» с социо-эколого-экономической точки зрения, а так же был предложен путь повышения социо-эколого-экономической эффективности этого предприятия. На основании проделанной работы можно сделать следующие выводы:

Проведен анализ технологических этапов технохимической обработки полупроводниковых пластин на предприятии «Ангстрем» и показано, что основными вредными веществами в сточных водах являются кислоты, щелочи, органические растворы.Проведен анализ методов очистки промышленных стоков и показано, что для очистки сложных стоков необходима комбинация нескольких методов их очистки.

Предложена схема очистки стоков после операции химического травления Si.

Проведен расчет эффективности предложенной схемы очистки стоков и показано, что содержание вредных примесей в очищенных стоках существенно ниже их ПДК.

Определено «Дерево целей» по минимизации социо-эколого-экономического риска попадания вредных веществ в городскую канализацию.

Проведена оценка предотвращенного ущерба от выброса вредных веществ в городскую канализацию.

Приложение

Расчет плановых сумм платежей за ожидаемый сброс загрязняющих веществ в канализационные сети на 2001год

№№ п/п	Наименование загрязняющего вещества	Норматив платы за согласованный сброс
__В пределах ПДК, т./г	Сверх ПДК, т./г
1	2	3	4
1	Азот амонийный	7,800	39,100
2	Азот нитратный	0,300	1,700
3	Взвешенные вещества	4,200	20,800
4	Кремний	8000,000	40000,000
5	Железо	31,300	156,300
6	Марганец	312,700	1563,300
7	Натрий	0,030	0,100
8	Фосфаты	15,600	78,200
9	Фториды	4,200	20,800
	ИТОГО	8376,13	41880,3

Резюме

Halbleiter-Fertigung beeinflusst im Wesentlichen eine Umgebung im breitesten Sinn. So erscheint der stдrkste Einfluss auf der Wasserumgebung wegen der Anwesenheit groЯer Volumina von schдdlichen Abflussrohren. So sind Abflussrohre einerseits eine Quelle von sehr gefдhrlichen und schдdlichen Substanzen und kцnnen andererseits in einigen Fдllen Basis des sekundдren Rohstoffs bilden, von dem es mцglich ist, nьtzliche Bestandteile fьr einen Wiedergebrauch zu nehmen.

In der gegebenen Arbeit sind die Prozesse, die auf einer Seite der Technochemical-Verarbeitung von Silikontellern an der Herstellung von Halbleiter-Mikroschaltkreisen vorkommen, analysiert worden. So ist die Technochemichal-Seite des wissenschaftlichen Forschungsinstituts "Polus" von der sozialen Цkologie Wirtschaftsgesichtspunkt ist analysiert worden und als der Weg der Zunahme der sozialen Цkologie-Wirtschaftlichkeit dieses Unternehmens, angeboten worden.

An der Analyse von vorhandenen Methoden der Abwasser-Behandlung fehlt, und Vorteile jeder Methode sind alle offenbart worden. Auf der Grundlage von der gegebenen Analyse-Einfьhrung der Installation der Rьckkehr wurde осмоса angeboten.

Diese chemische Technologie erlaubt, bis zu 90% zurьckzugeben, Wasser im technologischen Prozess, dass zu waschen, die Anklage von Wassermitteln zu reduzieren und auf Zahlungen fьr Mьllkippen zu sparen.Die getane soziale Цkologie-Wirtschaftsanalyse der zusдtzlichen Reinigung des Abwassers, mit einer Methode der Rьckkehr, die осмоса Leistungsfдhigkeit der gegebenen Natur-Schutzchemischen technischen Innovation, und die Zeit der Wiederherstellung von Geldauslagen von Investitionsausgaben gezeigt hat, wird 7 Monate machen.

загрязнитель очистка полупроводниковая подложка сточная вода

Библиографический список используемой литературы

Виноградов С.С. «Экологически безопасное гальваническое производство». М., «Глобус»,1998

Гаврилов Р.А., Скворцов А.М. «Технология производства полупроводниковых приборов»

Евгеньев С.Б., Зиновьев В.Г., Лиходед В.Н. «Техника и технология защиты окружающей среды». МИТХТ им М.В. Ломоносова, 2006

Коледов Л.А. «Технология и конструкции микросхем, микропроцессов и микросборок». СПб.: Издательство «Лань», 2009

Курносов А.И., Юдин В.В производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем». М., «. «Технология Высшая школа», 1986

Лазарева Н.В. «Вредные вещества в промышленности». М., «Химия», 1969

Нашельский А.Я. «Технология полупроводниковых материалов». М., «Металлургия», 1987

Парфенов О.Д. «Технология микросхем». М., «Высшая школа», 1977

Самсонов. Г. В. Силициды и их использование в технике. Киев, Изд-во АН УССР, 1959. 204 стр. с илл.

Санитарные правила и нормы охраны поверхностных вод от загрязнений, № 4630-88

Сухорукова С.М. «Методика определения социо-эколого-экономической эффективности технологических инноваций». ИПЦ МИТХТ им М.В. Ломоносова, 2000

Черняев В.Н. «Технология производства интегральных микросхем и микропроцессов», М.: Радио и связь, 1987

Размещено на аllbest.ru