Анализ процессов гальванического никелирования корпусов транзисторов на примере завода "Микрон"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Основные понятия о полупроводниковых приборах

1.1 Корпуса полупроводниковых приборов

1.1.1 Требования, предъявляемые к корпусам полупроводниковых приборов

1.2 Процесс никелирования

1.2.1 Гальваническое покрытие деталей и узлов корпусов полупроводниковых приборов

1.2.2 Подготовка изделий к гальваническому покрытий

1.2.3 Обезжиривание

1.2.4 Травление

1.3 Никель

1.3.1 Базовый состав электролитов никелирования

1.3.2 Химическое никелирование

1.4 Рациональное водопотребление на промывочных операциях

1.4.1 Характеристика систем промывки

1.4.2 Дополнительные меры по рационализации систем промывки действующего гальванического цеха

2. Воздействие гальванического никелирования на окружающую среду

2.1 Методы регенерации ценных компонентов, содержащихся в сбросных водах

2.1.1 Реагентный метод очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов

2.1.2 Электрокоагуляционный метод

2.1.3 Метод электрофлотации

2.1.4 Ионообменная очистка

2.2 Воздействие компонентов растворов и электролитов гальванического никелирования на окружающую среду

2.2.1 Источники поступления соединений никеля в сточные воды

2.2.2 Основные правила использования никелевых электролитов

3. Социо-эколого-экономический эффект процессов гальванического никелирования корпусов транзисторов на примере предприятия «Микрон»

3.1 Нормативно-правовое обоснование внедрения химико-технологической инновации на предприятии «Микрон»

3.2 Схема субъект-объектный отношений при внедрении природоохранной химико-технологической инновации по очистке сточных вод предприятия «Микрон» г. Зеленоград

3.3 Определение социо-эколого-эконномического эффекта химико - технологической инновации на завод «Микрон»

Введение

Актуальность данной темы заключается в том, что гальваническое производство своими сточными водами оказывает негативное воздействие на окружающую среду, загрязняя главным образом поверхностные и подземные воды. Сточные воды гальванического производства содержат примеси тяжелых металлов, поверхностно-активных веществ и других высокотоксичных соединений, а также большое количество твердых отходов, особенно от реагентного способа обезвреживания сточных вод, содержащих тяжелых металлы в малорастворимой форме.

Кроме перечисленных загрязнителей, к загрязнителям водной среды можно отнести неорганические кислоты и основания, обуславливающие широкий диапазон рН промышленных стоков (1,0 - 11,0) и способных изменять рН водной среды до значений 5,0 или выше 8,0, тогда как рыба в пресной и морской воде может существовать только в интервале рН 5,0 - 8,5. Соединения металлов, выносимые сточными водами гальванического производства, весьма вредно влияют на экосистему водоем-растение-животный мир-человек. При этом, ежегодно в сточных водах гальванических цехов теряется более 0,46 тысяч тонн меди, 3,3 тысяч тонн цинка, десятки тысяч тонн кислот и щелочей.

Многие химические вещества, поступающие в окружающую среду, в том числе в водоемы и через питьевую воду в организм человека, помимо технического действия обладают канцерогенным (способны вызвать злокачественные новообразования), мутагенным (могут вызывать изменения наследственности) и тератогенным действием (способы вызывать уродства у рождающихся детей). Установлено, что соединения меди и цинка даже при малых концентрациях (0,001 г/л) тормозят развитие, а при больших (более 0,004 г/л) вызывают токсическое воздействие на водную фауну. Канцерогенное действие на теплокровных животных при поступлении в организм с питьевой водой оказывают мышьяк, селен, цинк и палладий, а при поступлении в организм другими путями - хром, бериллий, свинец, ртуть, кобальт, никель, серебро, платина. Многие неорганические соединения даже в очень малых концентрациях оказывают вредное воздействие на рыб и их кормовые ресурсы. гальванический никелирование корпус транзистор

Целью работы является социо-эколого-экономическое обоснование внедрения превентивной химико-технологической инновации, которая поможет уменьшить отрицательное воздействие гальванического производства на окружающую среду.

Задачи:

1) Познакомиться с нормативно-правовыми документами по охране водных ресурсов, и внедрению химико-технологической инновации для повышения эффективности очистки сточных вод;

2) Определить субъект-объектные отношения при внедрении химико-технологической инновации в процессе очистки сточных вод на предприятии «Микрон»;

3) Сформировать дерево целей для обеспечения минимилизации нагрузки на водные ресурсы города Зеленоград;

4) Рассчитать показатели социо-эколого-экономического эффекта внедрения предлагаемой превентивной химико-технологической инновации;

5) Рассмотреть возможные экогенные заболевания у людей, работающих на заводе и проживающих рядом с заводом «Микрон» г. Зеленоград;

6) Предложить внедрить на предприятие «Микрон» химико-технологическую инновацию;



1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРАХ

1.1 Корпуса полупроводниковых приборов

Основу полупроводникового прибора составляет кристалл полупроводникового материала с одним или несколькими электронно-дырочными «переходами». Электронно-дырочный переход представляет собой систему, состоящую из двух полупроводников с разными типами проводимости -- электронной и дырочной, разделенных запорным слоем.

По числу переходов полупроводниковые приборы разделяют на диоды и транзисторы (триоды). Диоды имеют один р--n-переход и две неоднородные области: базовую область исходного полупроводникового материала (например, n-типа проводимости) и эмиттерную область с другим типом проводимости (р-типа). Транзисторы имеют два р--n-перехода и три области (например, р--n--р или n --р-- n) -- эмиттерную, базовую и коллекторную. Полупроводниковые приборы могут иметь и большее количество р-n-переходов и неоднородных областей. Транзисторы предназначены для генерирования и усиления электрических колебаний, усиления мощности, преобразования напряжения, переключения в различных схемах.

Для защиты от воздействия окружающей среды кристаллы с электронно-дырочными переходами помещают в герметичные корпуса.

Корпус транзистора (рис. 1) имеет три вывода, которые при сборке соединяют с эмиттерной, базовой и коллекторной областями электронно-дырочных переходов. Некоторые корпуса высокочастотных транзисторов имеют четыре вывода. Четвертый вывод соединяют с корпусом транзистора.



Рис.1 Корпус транзистора:

1-баллон

2-фланец

3-буса (таблетка)

4-коллекторный вывод

Выводы маломощных транзисторов делают гибкими для удобства монтажа в аппаратуре. Жесткие выводы обычно делают у мощных полупроводниковых приборов. Для создания надежных электрических соединений приборов при монтаже в аппаратуре вывода обслуживают.

В большинстве конструкций корпусов транзисторов кристалл с электронно-дырочными переходами монтируют на кристаллодержателе, который надежно крепят к выводам ножки, а в мощных транзисторах - непосредственно на фланце ножки. Ножка представляет собой узел, получаемый при спаивании фланца и выводов со стеклянной таблеткой или бусой (см. рис. 1). В транзисторах р-n - переходы соединены только с ножкой. Роль баллона 1 сводится к защите р-n - переходов от внешних воздействий. Монтаж кристалла с р-n - переходами на одном узле (ножке) удобен для сборки транзисторов.

При разработке корпусов для высокочастотных приборов стремятся уменьшить массу металла деталей, чтобы снизить емкость между электродами готовых приборов.

Корпуса приборов изготавливают из металлов, устойчивых против коррозии, или покрывают их защитными и изоляционными лакокрасочными покрытиями.

Для поглощения влаги в корпусах приборов применят геттеры (вглагопоглотители - цеолиты). Геттеры (в виде таблеток) закрепляют в баллонах корпусов.

Для защиты от воздействия окружающей среды р-n - переходы помещают в корпуса различных конструкций: стеклянные, металлостеклянные, металлокерамические, пластмассовые.

Герметизация корпусов полупроводниковых приборов осуществляется пайкой, контактной электросваркой и холодной сваркой. Наибольшее распространение в настоящее время получили контактная электросварка и холодная сварка. Герметизация полупроводниковых приборов контактной электросваркой обеспечивает вакуумно-плотный сварной шов, почти не увеличивает габариты приборов, позволяет применять тонкий сортамент металлов. Но при контактной электросварке происходит нагрев корпуса, возможны выплески металлов и попадание их на р-n - переход. Газовыделения, кроме того, свариваемые материалы должны иметь высокое электрическое сопротивление, что ограничивает их выбор.

Герметизация полупроводниковых приборов холодной сваркой обеспечивает получение вакуумно-плотного сварного шва. При герметизации этим методом свариваемые детали не разогреваются, нет газовыделений и выплесков металла. Применение холодной сварки ограничивает выбор материалов как по толщине, так и по свойствам. Холодная сварка металла толщиной менее 0,3 мм еще не освоена. Один из металлов, свариваемых холодной сваркой, должен быть пластичным. Значительные деформации металлов при сварке увеличивают габариты приборов.

1.1.1 Требования, предъявляемые к корпусам полупроводниковых приборов

Корпус полупроводникового прибора представляет собой герметичную оболочку с электрически изолированными выводами, которая защищает помещенный нутрии нее кристалл полупроводника с электронно-дырочным переходом (или переходами) от механических, климатических и других воздействий.

В эксплуатационных условиях на корпус полупроводниковых приборов воздействуют те же механические и климатические факторы, что и на полупроводниковые приборы, но корпуса непосредственно воспринимают воздействия внешней среды и механические нагрузки. Поэтому требования, предъявляемые к полупроводниковым приборам, справедливы и для их корпусов, за исключением требований, непосредственно относящихся к р-n - переходами.

Корпуса полупроводниковых приборов должны отвечать следующим требованиям:

-защищать р-n - переходы от воздействия окружающей среды и механических повреждений;

-поддерживать чистоту и стабильность состояния атмосферы, окружающей р-n - переходы;

-отводить тепло

-обеспечивать надежное электрическое соединение электродных выводов;

-обеспечивать удобство и надежность монтажа кристалла с р--n-переходами;

-выдерживать допустимые для р-- n -переходов электрические нагрузки;

-обеспечивать надежное крепление прибора при монтаже в аппаратуре;

-обладать коррозионной стойкостью;

-обладать высокой надежностью, быть простыми и дешевыми в изготовлении.

Корпус полупроводникового прибора должен быть герметичным, и прибор при помещении в камеру влажности при температуре 40±5°С и относительной влажности 95--98% в течение нескольких суток не должен изменять своих электрических параметров (р-- n -переход очень чувствителен к влаге, и при попадании влаги параметры прибора резко ухудшаются).

Полупроводниковые приборы, а следовательно, и их корпуса должны быть работоспособны при изменениях температуры окружающей среды от --55 до +70° С (германиевые) и от--55до + 100° С (кремниевые).

Корпус полупроводникового прибора должен быть светонепроницаемым, так как попадание световых лучей на р-- n -переходы может вызвать изменение параметров прибора в результате возникновения фотоэффекта. Для устранения этого явления изоляторы делают из цветного стекла или изоляторы из прозрачного стекла закрашивают черной краской.

1.2 ПРОЦЕСС НИКЕЛИРОВАНИЯ

1.2. 1Гальваническое покрытие деталей и узлов корпусов полупроводниковых приборов

Гальваника - электролитическое осаждение тонкого слоя металла на поверхности какого-либо металлического предмета для защиты его от коррозии, повышения износоустойчивости, предохранения от цементации, в декоративных целях и т. д. Получаемые гальванические покрытия - осадки - должны быть плотными, а по структуре - мелкозернистыми. Чтобы достигнуть мелкозернистого строения осадков, необходимо выбрать соответствующие состав электролита, температурный режим и плотность тока.

Гальванические покрытия деталей и узлов корпусов полупроводниковых приборов выполняют для получения высокой чистоты деталей и узлов, защиты их от коррозии и возможности травления электронно-дырочных переходов на ножке (держателе), а также для создания хрупкой защитной пленки на свариваемых поверхностях при герметизации методом холодной сварки и улучшения внешнего вида корпусов.

В водных растворах молекулы солей, кислот и щелочей диссоциируют на электрически заряженные положительно и отрицательно частицы -- ионы.

Под действием э. д с. положительные ионы движутся к катоду и осаждаются на нем, а отрицательные ионы-- к аноду, где происходит их рекомбинация и переход в раствор металла электрода в виде положительных ионов. Перенос ионов под действием э. д. с. называют электролизом.

Катодами электролитических ванн являются подвергаемые покрытию детали, соединяемые с отрицательным полюсом источника тока. В качестве анодов, как правило, применяют пластины или стержни из металла, которым покрывают детали. Применение анодов, изготовленных из металла, осаждаемого на деталях, удобно тем, что в процессе электролиза происходит растворение металла анодов и некоторое поддержание уровня ионов осаждаемого металла в гальванической ванне.

При использовании нерастворимых анодов концентрацию ионов осаждаемых металлов поддерживают, вводя дополнительные количества солей в ванны.

Если металл покрытия имеет по сравнению с основным металлом более отрицательный потенциал, такое покрытие называют анодным. В этом случае металл покрытия и основной металл детали образуют гальваническую пару, в которой металл покрытия, являясь анодом, разрушается и предупреждает разрушение основного металла.

Покрытие, имеющее по сравнению с основным металлом детали более положительный потенциал, называют катодным. В этом случае металл деталей и осаждаемый металл образуют гальваническую пару, анодом в которой является основной металл деталей. Если влага через разрушенное покрытие попадает между металлом покрытия и основным металлом детали, основной металл разрушается.

Кислотность раствора рН определяется концентрацией в нем водородных ионов, выраженных в грамм-ионах в 1 л. Так как концентрация ионов водорода достигает стотысячных долей грамм-иона в 1 л раствора, принято выражать кислотность через показатель степени, взятый со знаком плюс.

Дистиллированная вода имеет рН=7 и представляет собой нейтральную среду. При уменьшении рН от 7 до 0 кислотность растворов повышается, а при увеличении рН от 7 до 14 повышается щелочность растворов.

Плотность тока на катоде или аноде и выход по току являются основными параметрами, характеризующими процесс электролиза.

Плотность тока на катоде или аноде -- отношение силы тока к площади электрода, погруженного в электролит. Плотность тока обычно выражается в a/дм2 (ампер на дециметр квадратный).

Осаждение металлов на катоде или растворение их на аноде происходит в соответствия с законами Фарадея.

Первый закон Фарадея говорит о том, что весовое количество вещества, высаженного на катоде или перешедшего с анода в раствор, прямо пропорционально количеству прошедшего через электролит электричества.

Согласно второму закону Фарадея при пропускания одинакового количества электричества через раствори различных электролитов количество каждого из выделившихся веществ пропорционально их электрохимическим эквивалентам (табл.1).

Таблица 1 Электрохимические эквиваленты металлов

Осаждаемый металл	Валентность	Электрохимический эквивалент, г/а-ч
Никель	2	1,095
Золото	1	7,37
Золото	3	2,451

1.2.2 Подготовка изделий к гальваническому покрытию

1.2.3 Обезжиривание

Качество гальванических покрытий во многом зависит от состояния поверхности обрабатываемых деталей. В корпусах полупроводниковых приборов гальваническим покрытиям подвергают детали и узлы, изготовленные из ковара (сплав никеля, кобальта и железа), стали и меди.

При изготовлении на поверхностях деталей корпусов образуются различные загрязнения. Чтобы удалить их, детали и узлы корпусов проходят ряд подготовительных операций: обезжиривание и травление.

Обезжиривание обычно выполняют в органических растворителях или электрохимическим методом в ваннах.

Минеральные масла растворяются в органических растворителях, а жиры животного и растительного происхождения -- в щелочных растворах.

Детали полупроводниковых приборов, изготовленные штамповкой или токарным способом, обезжиривают в четыреххлористом углероде, многократно погружая их в 2--3 ванны. Ванны должны быть установлены в вытяжном шкафу.

Щелочные растворы обладают высокой устойчивостью, не подвержены выпадению порошкообразного никеля.

В состав щелочного обезжиривания должны входить вещества, способные нейтрализовать жирные кислоты, а также эмульгаторы, снижающие межфазное натяжение на границе масла с поверхностью детали и с раствором. Кроме того вещества, входящие в обезжиривающий раствор, не должны вызывать коррозию металла и должны легко удаляться при промывке водой. В большей степени этим требованиям соответствуют силикаты и фосфаты щелочных металлов, в меньшей - едкий и углекислый натрий (калий). Фосфаты, особенно полифосфаты, за счет образования комплексов с солями кальция и магния способствуют уменьшению жесткости воды, обладают высокими диспергирующими свойствами и хорошей смываемостью с поверхности деталей. Силикат натрия при гидролизе образует Н₂SiO₃ в коллоидном состоянии, которая повышает способность обезжиривающих растворов диспергировать загрязнения, хорошо смывается водой, но оставляет тонкую пленку, предохраняющую поверхность некоторых металлов (алюминия, цинка) от разъедания щелочами, а также от потускнения и коррозии металлов между процессами обезжиривания и последующими операциями. Карбонат натрия и щелочь обеспечивают щелочность растворов обезжиривания и омыление жиров, однако значительное повышение их концентрации может привести к снижению эффективности действия фосфатов. Кроме того растворы Na₂CO₃ и NaOH хуже всего смываются и обладают повышенной агрессивностью по отношению к таким металлам, как алюминий, цинк и их сплавы.

Базовый состав обезжиривания (г/л):

Натр едкий……………………………………………………………15-35

Тринатрийфосфат…………………………………………………….15-35

Сода кальцинированная……..………………………………..15-35

Синтамид-5……………………………………………………….2-3

В процессе обезжиривания на поверхности деталей полупроводниковых приборов создаются слои растворителя, которые необходимо удалить. Поэтому вторым этапом в процессе отмывки поверхности деталей полупроводниковых приборов после их обезжиривания является процесс промывки их в особо чистой воде.

Процесс промывки в особо чистой воде служит для удаления с поверхности деталей полупроводниковых приборов остатков растворителя и частиц продуктов растворения. В зависимости от требований последующих технологических процессов промывку деталей полупроводниковых приборов проводят в деионизованной воде, удельное сопротивление которой выбирают равным 1--20 МОм-см. Промывку деталей проводят в ультразвуковых ваннах с подогревом и без подогрева воды.

Для повышения эффективности процесса промывки деталей наряду с ультразвуковыми ваннами часто используют гидромеханические приспособления в виде кистей и щеток, а также гидродинамические устройства с интенсивной подачей струи проточной воды.

О качестве промывки подложек судят по значению удельного сопротивления воды на входе и выходе промывочной камеры. Сопротивление воды на выходе тем выше, чем меньше в ней загрязнений.

1.2.4 Травление

После обезжиривания производят травление. Травление может быть химическим и электрохимическим. Электрохимические способы более эффективны, так как хорошо очищают поверхности, что обеспечивает надежную сцепляемость гальванического покрытия с поверхностью детали.

В полупроводниковом производстве обычно применяют химическое травление. При травлении с поверхности деталей снимают значительный слой окислов, образовавшихся при естественном окислении деталей на воздухе. Коваровые и стальные детали и узлы травят последовательно в крепкой азотной и соляной кислоте. Время травления в азотной кислоте 3-4 сек, а в соляной кислоте 30-35 сек (при комнатной температуре).

Травление ковара и меди для удаления пленок окислов обычно производят в два приема. Для предварительного травления применяют следующий состав:

азотная кислота (удельный вес 1,4) 1л

серная кислота (удельный вес 1,84) 1л

соль поваренная NaCl 1--2 г

рабочая температура 15--25°С

выдержка 3--4 сек

Окончательное, глянцевое травление производят в растворе следующего состава:

азотная кислота HN0₃ (удельный вес 1,4) 1л

серная кислота H₂S0₄ (удельный вес 1,84) 1л

соляная кислота HCI (удельный вес 1,19) ....20 мл

сажа голландская 3--5 г

рабочая температура 15--25°С

выдержка 1 --2 сек.

Процесс подготовки деталей к нанесению покрытия является необходимым и ответственным этапом при осуществлении гальванического никелирования .

1.3 Никель

В производстве корпусов полупроводниковых приборов никель применяют для изготовления выводов, баллонов и других деталей.

Характерной особенностью никеля является сочетание высокой прочности и пластичности. Никель удовлетворительно обрабатывается режущим инструментом, как он пластичен, хорошо штампуется, протягивается через волоку, прокатывается в холодном состоянии. Недостатком никеля является малая формоустойчивость при воздействии высоких температур.

Никелевые покрытия хорошо полируются и сохраняют свой блеск вследствие образования на его поверхности тончайшей пассивной пленки. В зависимости от температуры и продолжительности нагрева поверхность данного покрытия при высоких температурах покрывается твёрдой и эластичной плёнкой окиси никеля NiO с изменением оттенков от жёлтого и фиолетового до тёмно-зелёного. Вследствие своей пассивности никель обладает коррозионной стойкостью в растворах ряда органических кислот и минеральных солей. Он устойчив в растворах щелочей при всех концентрациях и температурах.

Наличие химической и термической стойкости в сочетании с хорошей способностью полироваться обусловливает широкое применение никелевых покрытий в химической промышленности, для покрытия матриц и клише полиграфической промышленности, а также для покрытия медицинских инструментов. Наиболее широкое применение никелирование в комбинации с другими гальваническими покрытиями получило защитно-декоративное покрытие.

1.3.1 Базовый состав электролитов никелирования

Характеристика основных материалов, необходимых для приготовления базовых электролитов никелирования:

Никель сернокислый

Молекулярный вес 280,86. Удельный вес 2.Прсдставляст собой кристаллы зеленого цвета. Растворимость на холоде около 300 г/л - он является основным компонентом никелевых электролитов. Технический сернокислый никель марки СН-1, в соответствии с ГОСТ ЦМ 960-39 может содержать вредные примеси: цинка и железа не выше 0.004%, меди не выше 0,008% и азотной кислоты не более 0,002%. Хранится в деревянных бочках.

Никель хлористый

Молекулярный вес 238. Удельный вес 2,5. Растворимость на холоде свыше 400 г/л. ГОСТ 6761/368 допускает большее содержание вредных примесей, чем в сернокислом никеле. Применяется в некоторых электролитах для лучшего растворения анодов (повышения электропроводимости).

Кислота борная

Молекулярный вес 62. Удельный вес 1,46. Растворимость в воде на холоде до 40 г/л. Представляет собой белые чешуйчатые кристаллы. По ГОСТ 3235 содержит ионы SO до 0,6%. Применяется для увеличения вязкости раствора, блескообразования. Существующие электролиты можно разделить на электролиты общего назначения, специальные электролиты, электролиты блестящего никелирования и электролиты для осаждения черного никеля.

Электролиты общего назначения служат для получения матовых, светлых и легко полирующихся никелевых покрытий. В их состав входят следующие электролиты: сернокислый никель в качестве основной соли, сернокислый натрий или сернокислый магний в качестве проводящей соли, борная кислота, вводимая для сохранения кислотности, и галоидные соединения натрия или калия для улучшения растворимости анодов.

Для никелирования корпусов полупроводниковых приборов базовый состав электролита никелирования (г/л) можно принять следующий:

Никель сернокислый	250-320
Никель хлористый	40-60
Кислота борная	25-40

Наилучшим считается никель хлористый.

Выбираем режим матового никелирования:

1)Температура раствора 20+55 °С;

2)рН раствора 4,0+5,5;

3)Катодная плотность тока 0,5+2,0 А/дм ²:

4)Для повышения пластичности покрытия допускается снизить содержание сернокислого никеля до 200 г/л и ввести сернокислый магний г/л;

1.3.2 Химическое никелирование

Химическому никелированию подвергают детали и узлы сложного профиля или мелкие детали, монтаж которых на подвески -- трудоемкая операция, а также детали, нуждающиеся в повышении поверхностной твердости. К таким узлам в корпусах полупроводниковых приборов относятся, например, ножки транзисторов ГТ108 и ГТ313.

Никелируют эти детали в щелочных растворах, которые обладают определенными достоинствами по сравнению с кислыми растворами. Щелочные растворы обладают высокой устойчивостью, простотой корректирования состава раствора, не подвержены выпаданию порошкообразного никеля. Основой процесса химического никелирования является реакция восстановления никеля из водных растворов его солей гипофосфитом натрия.

Для химического никелирования применяют раствор следующего состава:

Хлористый никель…………………………………………………45 г\л

Гипофосфит натрия………………………………………………...20

Лимоннокислый натрий…………………………………………...45

Хлористый аммоний……………………………………………….50

Никелируют изделия в ванне из термостойкого стекла, периодически перемешивая раствор стеклянной палочкой. Толщину осаждения никеля проверяют по контрольным образцам. В процессе никелирования необходимо следить за окраской электролита. Если раствор будет принимать зеленый цвет, необходимо добавить аммиак до изменения цвета раствора на синий. Окончив никелирование, раствор сливают, а изделия промывают в проточной горячей воде, затем сушат на фильтровальной бумаге в сушильном шкафу.

При никелировании ванну помещают в вытяжной шкаф. Ванна подогревается электрической плиткой с нагревателем закрытого типа и определенная температура электролита поддерживается автоматически устройством с контактным термометром.



1.4 Рациональное водопотребление на промывочных операциях

1.4.1 Характеристика систем промывки

Гальваническое производство тесно связано с потреблением воды в качестве технологического сырья. Основными потребителями воды, являются промывочные операции.

Основное назначение промывки - снижение концентрации раствора на поверхности обрабатываемых деталей, выносимого из технологических ванн.

Системы промывки могут выполнять две функции - промывки и улавливания. При этом улавливание предполагает возврат уловленного раствора в технологическую ванну.

Основными способами промывки изделий являются:

-погружной;

-струйный.

Струйные промывки являются более экономичными по сравнению с промывкой погружным способом, так как при струйной промывке на поверхности деталей происходит не только процесс разбавления выносимого раствора, но и процесс удаления и замещения пленки раствора чистой водой за счет гидродинамического воздействия струи воды. Однако воздействие струи имеет явно выраженную направленность, поэтому струйная промывка применима только для промывки деталей простой конфигурации (листы, проволока) и с обязательной предварительной экспериментальной проверкой достигаемой полноты промывки. Струйная промывка может быть применена в качестве дополнительной промывки изделий, имеющих глухие или глубокие отверстия (трубки, втулки, калибры, пружины и т.п.). При этом детали сначала погружают в ванны промывки с проточной водой, а затем, при извлечении из ванны, промываются направленными струями воды. Основной областью применения струйной промывки является производство печатных плат, в гальванических цехах вследствие большого разнообразия форм и конфигурации обрабатываемых деталей ванны струйной промывки в настоящее время практически не нашли применения, поэтому в дальнейшем струйная промывка не рассматривается.

Наиболее распространенным является погружной способ промывки, который может осуществляться в непроточных и проточных условиях.

На рис. 2 представлены различные варианты организации слива промывной воды из ванн промывки, причем вариант "в" характеризуется более равномерным распределением загрязнений в промывной проточной ванне, а вариант "б" прост в изготовлении и наиболее удобен при ручном обслуживании ванн и сильной неравномерности загрузки ванны, когда необходимы частые смены промывной воды или имеется возможность организовать периодически непроточный режим промывки.

Ванну улавливания следует устанавливать в тех случаях, когда улавливаемые компоненты являются ценными веществами, подлежащими возврату в производство, или имеет место сильное испарение и достаточно высока концентрация компонентов в технологической ванне.

Рис.2 Варианты организации слив промывной воды из ванн промывки

При промывке в проточной воде применяют три основные схемы (рисунок 3): одноступенчатая промывка в одной ванне ("а"); многоступенчатая прямоточная промывка в нескольких последовательно устанавливаемых ваннах (ступенях) промывки, оборудованных самостоятельной системой подачи и слива воды ("б"); многоступенчатая (многокаскадная) противоточная промывка ("в" и "г"), при которой направление потока воды противоположно направлению движения деталей.

Многокаскадная противоточная промывка, при прочих равных условиях, обеспечивает меньший расход воды, но большие концентрации загрязнений в сточных водах, поступающих на очистку.

Рис.3 Варианты обвязки ванн промывки для повторного использования промывной воды: Т₁-ванна подготовительной операции, П-ванна промывки, Т₂-ванна основной операции; «А» - перекачка промывной воды с помощью эрлифта, вариант «Б» - соединение промывных ванн по схеме сообщающихся сосудов

Однако, широкое внедрение многокаскадной противоточной промывки сдерживается по следующим причинам:

1) Недостаток производственных площадей в действующих цехах.

2) Отсутствие серийно и централизованно изготавливающихся линии с многоступенчатыми промывными ваннами (более двух ступеней).

3) Установка дополнительных промывочных ванн при проектировании новых цехов гальванопокрытий экономически более выгодна.

Другим способом сокращения водопотребления, не требующим ни дополнительных площадей, ни дополнительных капитальных затрат, ни дополнительного оборудования, является использование периодически непроточного режима работы промывных ванн.

Данный способ заключается в том, что на определенный промежуток времени прекращают подачу и слив промывной воды из ванны проточной помывки, а после достижения в последней "чистой" ступени промывки предельной концентрации отмываемого компонента промывная вода из первой "грязной" ступени сливается на станцию очистки, из второй ступени переливается в первую, из третьей - во вторую и т.д. Последняя "чистая" ступень промывки наполняется свежей водой. Через определенный промежуток времени цикл повторяется. Упрощенный вариант данного способа отличается тем, что по окончании цикла непроточного режима работы не производится перелив промывной воды из ступени в ступень, а сливается вода на очистные сооружения из всех ступеней.

В качестве ступеней промывки могут служить ванны улавливания, одинарные ванны проточной промывки, ступени прямоточных и отдельные каскады противоточных ванн промывки и т.п. Ванну улавливания следует устанавливать в тех случаях, когда улавливаемые компоненты являются ценными веществами, подлежащими возврату в производство, или имеет место сильное испарение и достаточно высока концентрация компонентов в технологической ванне.

Промывка в непроточных ваннах с периодическим сливом промывной воды осуществляется при мелкосерийном производстве с большими интервалами времени между промывками, а также в случае малых, нерегулируемых (менее 50 л/ч) расходах воды. Наличие нескольких ванн, работающих в таком периодически непроточном режиме промывки, позволяет увеличить время от заполнения промывочной ванны до слива из нее промывной воды до нескольких суток и даже недель.

Для более полного использования промывной воды в целях подпитки технологической ванны, так, чтобы значение расхода промывной воды было меньше величины потерь воды из технологической ванны (из-за нагревания и уноса в вентиляцию) наиболее применим периодически непроточный режим промывки. Причем, при промывке в 4-х и более ваннах улавливания расход промывной воды меньше, чем ее теряется на испарение и в вентиляцию, поэтому всю промывную воду можно возвратить в основную ванну. Бессточную операцию матового никелирования деталей в нашем случае осуществляют следующим образом: через 353 часа воду из первой промывной ванны сливают во всю промывную воду можно возвратить в основную ванну. Бессточную операцию матового никелирования деталей в нашем случае осуществляют следующем образом: через 353 часа воду из первой промывной ванны сливают в сборник для последующей корректировки уровня электролита в ванне никелирования, из второй ванны воду переливают в первую, из третьей - во вторую и т.д. - в четвертую ванну улавливания добавляют дистиллированную воду или конденсат (см. рисунок 4б). В сборнике промывную воду подкисляют соляной кислотой до рН 3,5-4. Превышение расчетных значений величин потерь над её расходом на промывку (2,6- 2,3=0,3 л/ч) нивелирует погрешность расчетов; на практике в случае необходимости увеличивают частоту смены воды в ваннах улавливания по мере опорожнения сборника, что лишь улучшает качество промывки.

При изменении производительности технологической ванны прямо пропорционально изменяется расход промывных вод и обратно пропорционально продолжительность непроточного режима промывки.



Рис.4б. Материальный баланс бессточной операции никелирования :Ni-ванна никелирования (3 м²/ч), Ул-ванны промывки (по 800 л), работающие в периодически непроточном режиме, Сб-сборник промывной воды.



Для сокращения числа ванн улавливания необходимо увеличить потери воды на испарение - либо за счет увеличения температуры электролита никелирования, либо за счет организации нагрева в ваннах улавливания или в объем потерь воды на испарение, как из технологической ванны, так и из дополнительного подогреваемой ванны.

В случае периодически непроточного режима работы двух- и трех- и четырехступенчатой промывки по сравнению с ваннами противоточной двух- и трехкаскадной промывки расход воды сокращается на 30-50%. Однако, не это является главным преимуществом периодически непроточного режима работы промывочных ванн. Организация периодически непроточного режима работы промывочных ванн является одним из способов организации нормированного водопотребления. В действующих гальванических цехах осуществление нормированного расхода воды на промывку связано с рядом организационно- технических мероприятий, которые в силу как объективных, так и субъективных причин практически не осуществимы. К таким мероприятиям относятся установка на трубопроводах ротаметров или других расходомеров осуществление автоматического регулирования расхода воды на каждую операцию промывки, а также корреляция расхода воды с величиной загрузки линии, особенно при неритмичной работе, формирование заинтересованности работников цеха в сокращении водопотребления. Осуществление периодически непроточного режима промывки с успехом заменяет выше перечисленные мероприятия, т.к. в данном случае расход воды на промывку определяется частотой смены воды в промывных ваннах и объемом этих ванн. Таким образом, для организации нормированного водопотребления необходимо составить и соблюдать график смены воды в промывных ваннах. Причем необходимо учитывать, что время непроточного цикла рассчитано для предельно допустимых концентраций загрязнений в воде "чистой" ступени промывки. На практике не рекомендуется доводить до предельных значения концентраций, для этого время непроточного режима уменьшают на 10-20%.

1.4.2 Дополнительные меры по рационализации систем промывки действующего гальванического цеха

Рациональной система промывки считается в том случае, если она обеспечивает достижение требуемого качества промывки с наименьшими капитальными и эксплуатационными затратами при безопасных условиях труда и без экологического ущерба окружающей среде.

Кроме подбора соответствующих ванн промывки, можно предложить ряд мероприятий, осуществление которых не требует значительных дополнительных капитальных затрат, но которые значительно рационализируют существующие в цехе системы промывки. К таким мероприятиям относятся сокращение выноса раствора из технологических ванн, подпитка технологических ванн водой из ванн улавливания, повторное использование промывной воды на других операциях промывки, использование охлаждающей воды, интенсификация промывки.

Сокращение выноса раствора.

Минимальный вынос раствора из технологических ванн осуществляется за счет выбора оптимальных конструкций подвесок, барабанов и деталей, устройства между технологическими и промывными ваннами козырьков с наклоном в сторону технологических ванн, выдерживание деталей над поверхностью ванны максимально возможное время, а также с применением обдува, встряхивания и т.п. Только увеличение времени выдержки деталей над ваннами 4 до 16 секунд сокращает вынос раствора в 3 раза.

Подпитка технологических ванн из ванн улавливания

Ванны улавливания устанавливают в том случае, если суточное уменьшение объема электролита в технологических ваннах составляет не менее 20% объема ванны улавливания. Основной причиной уменьшения объема раствора в технологической ванне является нагрев электролитов.

Повторное использование промывной воды

На рисунке 5 показана схема многократного использования промывной воды в линии матового никелирования. Промывная вода последовательно проходит через ванны промывки после никелирования, декапирования (активации) и обезжиривания, после чего сбрасывается на очистные сооружения.

Подача воды на промывку осуществляется только в последнюю ванну промывки, а слив в канализацию - только из первой промывочной ванны.

Внедрение повторного использования воды требует лишь незначительных работ по изменению обвязки трубопроводов на ваннах промывки, но позволяет снизить расход воды по отдельным линиям покрытия в 2-4 раза в зависимости от количества и типа объединенных ванн промывки.

Рис.5 Схема многократного использования промывной воды:

Т₁-ванна обезжиривания, Т₂-ванна декапирования, П - ванны промывки,Т₃-ванна никелирования.

При многократном использовании промывной воды в ней накапливаются компоненты всех объединенных общим трубопроводом технологических ванн, поэтому необходимо учитывать возможность попадания ионов и веществ, находящихся в промывной воде, в технологические растворы, что может негативно сказаться на их работоспособности и на качестве обработки поверхности деталей. Например, при объединении промывочных ванн после кислого декапирования и щелочного обезжиривания, содержащего силикаты, на поверхности деталей может образовываться пленка нерастворимой кремниевой кислоты, которая будет препятствовать дальнейшему нанесению покрытия.



2. Воздействие гальванического никелирования на окружающую среду

2.1 Методы регенерации ценных компонентов, содержащихся в сбросных водах

Эти методы условно можно разделить на две группы. К первым относятся те, которые позволяют непосредственно сконцентрировать по возможности все содержащиеся в промывных водах полезные компоненты и одновременно получить пригодную для использования воду. К методам данной группы вделся упаривание раствора (с одновременным получением конденсата), электродиализ (процесс изменения концентрации электролита в растворе под действием электрического тока), обратный осмос.

Очевидно, что для реализации возможности возврата получаемых при этом концентратов в рабочую ванну указанные методы можно применять только в режиме локальной регенерации конкретных промывных растворов. Но и в этом случае получающийся концентрат, как правило, нуждается в дополнительной очистке и корректировке по некоторым компонентам, а также в других подготовительных операциях, что в совокупности не всегда делает экономичным ero прямое использование для возврата в рабочую ванну.

Методы другой группы позволяют извлечь из промывных растворов наиболее ценные компоненты, в первую очередь ионы тяжелых металлов, а также обезвредить другие приоритетные токсиканты и тем самым резко снизить требования к дальнейшему обезвреживанию этих растворов. К таким методам относятся электрохимическое извлечение металлов (в сочетании с анодным окислением цианидов, органических веществ и других подобных токсикантов), электрохимическое регулирование рН с выделением гидроксидов, реагентные, ионообменные, экстракционные методы и другие.



2.1.1 Реагентный метод очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов

Очистка сточных вод от ионов тяжелых металлов осуществляется путем перевода ионов тяжелых металлов в малорастворимые соединения (гидроксиды или основные карбонаты) при нейтрализация сточных вод с помощью различных щелочных реагентов (гидроксидов или карбонатов кальция, натрия, магния, оксидов кальция).

В табл. 2 представлены значения рН осаждения гидроксидов металлов и остаточные концентрации ионов металлов в сточной воде.

При нейтрализации кислых сточных вод известковым молоком, содержащим значительное количество известняка, а также растворами соды некоторые ионы тяжелых металлов (например, цинк, медь и др.) осаждаются в виде соответствующих основных карбонатов. Последние менее растворимы в воде чем соответствующие гидроксиды. Поэтому при образовании основных карбонатов происходит более полный переход ионов тяжелых металлов в малорастворимую форму. Кроме того, основные карбонаты большинства металлов начинают осаждаться при более низких значениях рН, чем соответствующие гидроксиды.

Таблица 2 Значения величины рН осаждения гидроксидов металлов и остаточная концентрация ионов металлов

Формула гидроксида	Величина рН начала осаждения при исходной концентрации осаждаемого иона 0,01 М	Величина рН полного осаждения (остаточная концентрация менее 10 -5 М)	Величина рН начала растворен13,5ия	Остаточная концентрация иона металла, наблюдаемая на практике при рН 8,5-9,0 мг/л
Fe(OH)2	7,5	9,7	13,5	0,3-1,0
Fe(OH)3	2,3	4,1	14,0	0,3-0,5
Zn(OH)2	6,4	8,0	10,5	0,1-0,05
Cr(OH)3	4,9	6,8	12,0	0,1-0,05
Ni(OH)2	7,7	9,5-10,0	-	0,25-0,75
Al(OH)3	4,0	5,2	7,8	0,1-0,5
Cd(OH)2	8,2	9,7-10,5	-	2,5
Cu(OH)2	5,5	8,0-10,0	-	0,1-0,15
Mn(OH)2	8,8	10,4	14,0	1,8-2,0

Практикой очистки сточных вод установлено также, что при совместном осаждении гидроксидов двух или нескольких металлов при одной и той же величине рН достигаются лучшие результаты, чем при раздельном осаждении каждого из металлов. При локальном обезвреживании кадмий -, никель -, цинксодержащих потоков в качестве щелочного реагента рекомендуется использовать известь (лучше третьего сорта, содержащую СаСО₃). При этом расход извести составляет на 1 весовую часть (в.ч.) кадмия - 0,5 в.ч. СаО, никеля - 0,8 в.ч. СаО, цинка - 1,2 в.ч. СаО. На рис.6 представлена принципиальная схема реагентной очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов. При; объемах сточных вод до 30 м³/ч обычно рекомендуется периодическая схема очистки, а при больших - смешанная или непрерывная.

Рис.6. Принципиальная схема реагентной очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов: 1-реактор-нсйтрализатор кисло-щслочных стоков, 2-дозатор щелочного агента, 3-дозатор флокулянта, 4-дозатор раствора кислоты, 5-отстойник, 6-механическнй фильтр, 7-насос, 8-нейтрализатор очищенной воды.



Осаждение образующихся в процессе реагентной нерастворимых соединений осуществляется в отстойниках (предпочтительно вертикальных с нисходяще-восходящим движением воды, можно в тонкослойных полочных отстойниках). Число отстойников принимается не менее двух, оба рабочие. Продолжительность отстаивания составляет не менее 2-х часов.

Влажность осадка после отстойников 98-99,5%. Для снижения влажности осадка рекомендуется дополнительное отстаивание в течение 3-5 суток. Влажность осадка после шламоуплотнителя 95-97%. Осадок из шламоуплотнителя подается на узел обезвоживания, после которого выходит уже с влажностью 65-70%.

2.1.2 Электрокоагуляционный метод

Электрокоагуляция как метод превращения примесей в грубодисперсное состояние основывается на множестве физико-химических процессов, протекающих в жидкости под воздействием электрического тока:

-электростатическая (поляризационная) коагуляция - диполь- дипольное взаимодействие коллоидных частиц за счет дальнодействующих сил притяжения, возникающих при наложении электрического поля;

-электрохимическая коагуляция - взаимодействие частиц при изменении их заряда или толщины двойного электрического слоя за счет изменения физико-химических свойств раствора (рН и Eh) в межэлектродном объёме или приэлектродных слоях;

-электролитическая коагуляция - взаимодействие частиц при введении потенциалообразующих ионов металлов за счет электрохимического растворения электродов;

-гидродинамическая коагуляция - слипание частиц за счет увеличения числа их столкновений при перемешивании жидкости в электролизере (перемешивание жидкости может осуществляться как продуктами электрохимических реакций, гак и за счет конструктивных приемов);

-концентрационная коагуляция - увеличение числа столкновений частиц, приводящих к их слипанию, за счет повышения локальных концентраций частиц в межэлектродном объёме при их транспорте, осаждении на электродах и т.п.

В результате электролитического растворения стальных анодов при рН>2 образуются ионы Fe^{2 +} но следующей схеме:

1) Fe + ОН^--FeOH(адс) + e^-;

2) FeOH⁺(адс)+ ОН^- - Fe(OH)₂(адс) ;

3) Fe(OH)₂(адс) >Fe(OH)₂(водн);

4) Fe(OH)₂ (водн) -FeOH⁺ + ОН^-;

5) FeOH⁺ - Fe²⁺ + OH^-.

В настоящее время существуют две основные концепции теоретического обоснования механизма коагуляции, обусловленной введением положительных многозарядных ионов железа, гидролизующихся в воде с образованием гидроксидов и других промежуточных соединений:

-специфическая сорбция многозарядных ионов (А1³⁺, Fe³⁺;Fe²⁺ и др.) на частицы с последующим изменением заряда её поверхности, что приводит к коагуляции;

-образование малорастворимых соединений ионов металла с компонентами раствора, которые взаимодействуют с коллоидными частицами, имеющими противоположный заряд поверхности.

Необходимо отметить, что обе концепции теоретически и экспериментально недостаточно обоснованы. Однако многочисленными экспериментами доказано, что скорость коагуляции значительно выше при формировании малорастворимых соединений. Можно предположить преимущественное влияние адгезионного механизма взаимодействия противоположно заряженных поверхностей частиц и гидроксидов. Исходя из этого процесс электрокоагуляции можно разделить на следующие стадии:

-генерация ионов металла на поверхности электрода;

-миграция ионов металла с поверхности в объём раствора;

-образование малорастворимых соединений металла с компонентами раствора;

-адгезия коллоидных частиц примесей и образовавшихся малорастворимых соединений.

Удельный расход металлического железа и расход электричества для обезвреживания ионов тяжелых металлов представлены в таблице 3

Таблица 3

Удельные расходы железа и электричества

Металл	Расход железа, г/г удаляемого металла	Теоретический расход электричесва,А•ч\г удаляемого металла
Цинк	2,5-3,0	2,30-2,88
Медь	3,0-3,5	2,88-3,36
Кадмий	4,0-4,5	3,84-4,32
Никель	5,5-6,0	5,30-5,75

Расход металлического железа, необходимый для обработки сточных вод, определяется ,в основном, содержанием катиона металла, для удаления которого должно быть затрачено наибольшее количество металлического железа.

Электрокоагулятор включает в себя две секции :пластичный электролизер вертикального исполнения с подводом очищаемой воды снизу вверх и осветитель.

Электролиз проводят при следующих параметрах :плотность тока на аноде 0,6-1,5 А/дм³ для концентрированных вод и 0,15-0,8 А/дм³ для разбавленных (>100мг/л) стоков, напряжение на электродах 12-24 В (при солесодержании менее 500 мг/л), 6-12 В (при солесодержании более 500 мг/л); продолжительность обработки 60 - 180 с; материал электродов - низкоуглеродистая сталь (Ст.3, Ст.4 и др.); толщина электродов 3-8 мм; расстояние между электродами 6- 12 мм. Процесс электрокоагуляции может быть значительно интенсифицирован при повышении температуры обрабатываемой воды до 60-80° С и анодной плотности тока 2-2,5 А/дм2. При этом твердая фаза гидроксидов меняет свою структуру и приобретает ферромагнитные свойства. При электрокоагуляции фторсодержащих сточных вод применяют алюминиевые электроды. В последние годы предложено несколько конструкций электролизеров с засыпными анодами из отходов металлообработки.

В качестве осветлителя используют отстойники, флотаторы - отстойники, флотаторы-осветлители. Так как в электродной секции происходит усиленное насыщение воды пузырьками выделяющегося водорода, то в осветлителе часть скоагулированной твердой фазы всплывает на поверхность воды, а часть оседает на дно. Для уменьшения объёма осадка и ускорения процесса осветления в обрабатываемую воду добавляют раствор полиакриламида в количестве 30 мг/л.

При соблюдении указанных условий и исходной концентрации каждого из ионов тяжелых металлов, не превышающей 30мг/л, степень очистки от них сточных вод составляет 90-95%.После 24-часового уплотнения объем осадка уменьшается на 20-30 %,влажность его при этом достигает 98,2-98,5 %.

2.1.3 Метод электрофлоации

При электрофлоации электролитически полученные газовые пузырьки, всплывая в объеме жидкости, взаимодействуют с частицами загрязнений, в результате чего происходит их взаимное слипание, обусловленное уменьшением поверхностной энергии флотируемой частицы и пузырька газа на границе раздела фаз «жидкость -газ».Плотность образующихся агрегатов меньше плотности воды ,что обуславливает их транспорт на поверхность жидкости и накопление там флотошлама ,который периодически удаляется из аппарата.