Тарабанов В.Н. Критическое материаловедение

Подождите немного. Документ загружается.

181

устройствах для очистки дымов используются электрофильтры,

тканевые фильтры, промывные установки.

Обработка отходов высоко температурной сушкой позволяет

не только обеззаразить отходы, но и использовать обработанные

отходы в качестве вторичного сырья или удобрения. Ликвидация

нефтематериалов и масел осуществляют с применением

поверхностно- активных веществ (ПАВ). Для обеззараживания

сточных вод можно использовать электронно - ионную

технологию

(магнитный импульсный ускоритель, γ-излучением,

УФ- облучение и др.).

Для обработки отходов пластмасс и отработанных

автомобильных шин является метод пиролиза, при котором

производят воздействие на отходы высокой температурой в

отсутствии кислорода. После проведения пиролиза получают два

основных продукта:

• твердый остаток;

• коксовый газ.

Для захоронения опасных отходов используют метод

фиксации и заключения отходов в капсулы.

Фиксацией отходов называется метод ограничения

подвижности загрязнителей в отходах в результате их

растворимости или ограничения подвижности контакта с

растворителями. Заключение в капсулы представляет собой

обволакивание отдельных блоков отходами непроницаемыми для

ограничения контакта с растворителями.

Различают:

• фиксация с помощью цемента;

• фиксация с помощью извести;

• фиксация термопластических материалов;

• термопластическая фиксация;

• фиксация с использованием органических полимерных

материалов;

• фиксация в стекле;

• техника поверхностного обволакивания.

Для захоронения отходов в некоторых странах используют

сверхглубокие скважины. В них можно закачивать отходы высокой

концентрации.

182

Материалы, применяемые в устройствах для хранения

химически опасных веществ. Устройства для снятия избыточного

давления (12 атм., при температуре от - 35

°С до +200°С)

предохраняют технологические устройства переработки химически

опасных веществ и устройств для хранения от разрыва. К таким

устройствам относятся муфты, сальники из тефлона. Разрывные

мембраны (которые разрываются при значении давления меньшем,

чем расчетное значение давления) изготавливаются из никеля,

серебра, тантала, часто используется графит. Емкости для

транспортировки и хранения химически опасных веществ должны

обладать химической и коррозионной прочностью, выдерживать

рабочее давление до 15 кг/см

. К таким материалам относятся

нержавеющие магнитные и немагнитные высокотемпературные

стали, системы из титана, композиционные материалы: сталь-

цветные металлы, сталь-углеродные материалы и др.

Материалами, стойкими к сухому и влажному газообразному

хлору при нормальной температуре, являются стекло, камень

(бетон), керамика, эбонит, асбест.

В устройствах получения, переработки и хранения аммиака

используются те

же материалы, что и для хлора. Не допускается

использование меди и сплавов, содержащих медь. Широко

используются аустенитные стали, которые не подвержены

разрушению при малой деформации в условиях низких температур.

В качестве изолирующих материалов используются

высокоогнеупорные материалы: стеклопена, вспененный

изоцианурат, полиуретан, нитрильный и неопреновый каучук,

бутиловый и этилен-пропиленовый каучук, т.

к менее подвержены

набуханию, полиэтилен, нейлон, политетрафторэтилен.

Материалы для трубопроводов. В последнее время в

химической промышленности для транспортировки кислот и

других агрессивных жидкостей применяют трубопроводы из

углерод – углеродистых композиционных материалов (УУКМ),

которые характеризуются повышенной прочностью при высоких

температурах, химической инертностью, малой плотностью и

стойкостью в агрессивных средах. Применение УУКМ для

изго-

товления труб для химической промышленности возможно при

использовании углеродного тканевого наполнителя Урал ТМ-4 и

бакелитового связующего ЛБС-20. В случае изготовления труб по

технологическому процессу, который включает в себя операции

183

отверждения, предварительной карбонизации, карбонизации,

пропитки пеком под давлением, насыщения материала заготовки

пироуглеродом из газовой фазы, можно реализовать повышение

герметичности или снижение проницаемости труб из УУКМ

минимально в 3 раза в сравнении с другими технологическими

процессами, исследованными в указанной работе. Однако в

некоторых случаях достигнутый уровень газопроницаемости

материала не удовлетворяет требованиям, которые предъявляются

к химическим трубопроводам.

Наиболее рациональным методом уменьшения

газопроницаемости является метод пропитки готового изделия

жидкими суспензиями, который позволяет заметно снизить по-

ристость и увеличить поверхностную плотность материала.

Нанесение покрытия с последующим пироуплотнением труб из

УУКМ - это процесс, который обеспечивает повышение их

герметичности. При этом закрываются открытые поры, на

поверхности трубки образуется пленка, которая имеет высокую

адгезию к основному материалу не изменяет его механические

свойства и обладает хорошей химической стойкостью.

Окончательный состав непроницаемого углеродного покрытия

после пироуплотнения: сажа -25%, пироуглерод - 70%, кокс

поливинилового спирта - 5%. Пропитка материала образцов

суспензией существенно уменьшила пористость, что позволило

повысить плотность материала с 1473 до 1520 кг/м и уменьшить

значение коэффициента фильтрации воздуха в среднем по всем

образцам в 47,9 раза. Средняя толщина наружных слоев пленочного

покрытия составила 6 мкм, а толщина внутренних слоев - 4 мкм.

§3. Материалы, вещества и технологии, применяемые при

ликвидации последствий разлива нефтепродуктов

Основы загрязнения территорий нефтью. Разливы, утечки

нефти и нефтепродуктов, как показывает практика, неизбежны при

их добыче, переработке и транспортировке. Особую опасность

представляют аварии на нефтепроводах. В отличие от локально

расположенных предприятий, на них практически невозможно

предусмотреть меры по защите

окружающей среды на всей их

протяженности, достигающей многие тысячи километров.

184

Нефть, попадая в почву и грунты, вызывает необратимые

изменения, связанные с их битуминизацией, гудронизацией,

цементацией, загрязнением и т.д. В результате нарушения

почвенного покрова и растительности усиливаются эрозия почв,

деградация. Происходит изменение фильтрационных и физико-

механических свойств грунтов.

Фильтрация нефтепродуктов в почву создает

хроматографический эффект, приводящий к ее дифференциации: в

гумусо

– аккумулятивных горизонтах сорбируются

высокомолекулярные компоненты, содержащие смолисто-

асфальтеновые и циклические соединения, а легкие углеводороды

проникают в нижние минеральные горизонты. Почвенные

горизонты выступают как геохимические барьеры. Кроме того,

опасность загрязнения и возможность самоочищения почв от

продуктов нефтедобыче в ландшафтных зонах и областях России

существенно различны. Опасность остаточного накопления

нефтепродуктов в почвах

возрастает с юга на север, а в пределах

отдельных биоклиматических зон от песчаных почв к суглинистым

и глинистым.

Нефтяное загрязнение, обусловленное аварией, отличается от

многих других техногенных воздействий тем, что оно дает не

постепенную, а, как правило, залповую нагрузку на среду, вызывая

быструю ответную реакцию. Обычно рекультивация загрязненных

земель при разливах

нефти проводится в два этапа: технический и

биологический.

Техническая рекультивация нефтезагрязненных почв и

грунтов предполагает следующие мероприятия: землевание,

сгребание и вывоз загрязненного слоя или выжигание.

Разлившуюся при аварии нефть отводят в естественные понижения,

защитные амбары, траншеи или оконтуривают дамбами. Иногда

отвод нефти в понижение нецелесообразен, так как происходит

загрязнение новых

площадей по направлению движения нефти.

Сечение защитных дамб принимается чаще трапециедальной

формы. Защитные дамбы из однородного грунта могут применяться

только в течение непродолжительного времени поскольку

возможны фильтрации нефти сквозь тело дамбы. В качестве

вспомогательных средств, которые могут задержать

распространение нефти, используют природные и искусственные

сорбенты: торф, полимерные материалы, песок.

185

Удаление нефти с поверхности почвы проводится с помощью

специальных насосов. Сгребание загрязненного слоя

осуществляется бульдозерами, экскаваторами, автомашинами или

тракторами, оборудованными танками для сбора нефти. После чего

происходит захоронение замазученного нефтью слоя почвы в

могильниках. При этом возникает проблема с выбором места их

расположения, так как сами могильники становятся источниками

вторичного загрязнения

Замена почвы проводится при разливе нефти на ограниченных

участках и проникновении ее на глубину более 10 см, но тогда

уничтожается плодородный слой.

Сжигание почвы производят в крайних случаях, так как оно

сопровождается образованием канцерогенных веществ. Механизм

самовосстановления экосистемы после нефтяного загрязнения

достаточно сложен. Процесс естественного самоочищения почвы

под влиянием природной микрофлоры

является длительным (более

10-25 лет) и зависит от физико-химических свойств почвы и нефти.

Сокращение этого периода достигается путем применения системы

биологической рекультивации, включающей в себя комплекс

агротехнических мер рыхления, известкование, внесение сорбентов

и удобрений.

Рыхление снижает дефицит и разрушает гидрофобную пленку

поверхностных нефтяных компонентов, тем самым реально ускоряя

физико-химическую

и микробиологическую деструкцию нефти.

При нефтяном загрязнении снижается количество поглощенного

кальция и магния, а внесение извести улучшает агрохимические

свойства почв и ускоряет разложение метано-нафтеновых структур.

На фоне известкования необходимо вносить минеральные

удобрения для увеличения активности природной микрофлоры.

Возможно также выделение из загрязненной среды

микроорганизмов – деструкторов нефти и наращивание их

биомассы

в лабораторных условиях с последующим внесением в

почвы. Кроме того, можно увеличить численность

микроорганизмов природных условиях, используя замкнутую

систему циркуляции воды, содержащей кислород и питательные

вещества, необходимые для их жизнедеятельности, и

проветривания почвы по вентиляционным каналам. Широко

применяется внесение готовых биопрепаратов, содержащих

углеводородопоглощающие микроорганизмы, не имеющие

186

отношения к микробной биоте загрязненного участка. Но, в

настоящий момент нет доступных методов отслеживания процесса

взаимодействия вносимых микроорганизмов с естественной

микрофлорой.

В результате исследования самоочищающей способности почв

установлено, что тяжелые фракции нефтепродуктов в почве

являются стойкими и мало подвергаются деструктивным

изменениям.

К настоящему времени значительная часть магистральных

трубопроводов на территории России

устарела – 30% газопроводов

и 46% нефтепроводов эксплуатируются более 30 лет, а 5%

газопроводов, 25% нефтепроводов и 34% продуктопроводов

построено более 30 лет назад, то есть для них уже превышен

расчетный ресурс. В таком же положении находятся 30%

перекачивающих агрегатов. По этой причине на магистральных

трубопроводах аварии, в том числе с тяжелыми экологическими

последствиями, происходят достаточно часто. В среднем

за год на

каждые 3000 км трубопроводов приходится по одной аварии.

Износ внутрипромысловых трубопроводов достигает 80%,

поэтому частота их порывов на два порядка выше, чем на

магистральных, и составляет 1,5-2 порыва на 1 км в год. Для

решения проблемы аварийности, например, из 9170 км

внутрипромысловых нефтепроводов ОАО

«Нижневатртовскнефтегаз» (Ханты-Мансийский автономный

округ) необходимо заменить 4370 км,

или почти 48%, а на

промыслах «Бугурусланнефть» (Оренбургская область) – свыше

45% таких трубопроводов.

Способы ликвидации последствий размывов

нефтепродуктов. Наибольшее загрязнение океана

нефтепродуктами наносят морской транспорт 34,9% и речные

стоки 26,2%. Значительные загрязнения нефтепродуктами

производится в результате индустриального сброса, а также сток

вод городов 14,7%.

Если считать пленку нефти нерастяжимой, то в этом случае

пятна пленки

перемещаются быстрее элементов жидкости на

окружающей чистой воде. Ветровой дрейф несколько замедляется

волнением. Эксперименты в Каспийском море показали, что даже

после прекращения действия силы поверхностного натяжения

площадь пленки продолжает расти за счет воздействия

187

турбулентных вихрей. Установлена эмпирическая зависимость –

площадь пленки растет пропорционально кубу времени.

Дальнейшее поведение нефти неоднозначно и зависит от

особенностей физико-химических свойств сортов нефти и

гидрометеорологических условий: ветра, волнения, температуры

воды и воздуха, солнечной радиации и т.п. В одних ситуациях

нефть распространяется в виде сликов, в других весьма быстро

образуются

эмульсии.

Математическая модель этих явлений, учитывающая

энергетику дробления частиц нефти, была разработана

американским ученым В. Форрестером. Ему удалось объяснить

наблюдаемые распределения частиц нефти по их размерам.

Для разработки методов удаления нефтепродуктов в

лабораторных условиях были проведены эксперименты с

сорбентами, изготовленными из отходов производства

активированного угля. Активированный уголь имеет большую

площадь

поверхности на единицу массы (980-1400 м

/г) и

соответствующую пористую структуру, что и определяет его

высокую эффективность как адсорбента.

Во ВНИИ нефтехима. (г. Кириши, Лен. обл.) были поведены

лабораторные испытания образцов размерами 100

×40×1 мм

изготовленных из конструкционного слюдопластового материала

на основе алюмохромфосфатного связующего, которое связывало

расщепленную слюду. Образцы испытывались на стойкость к

воздействию сырой нефти методом погружения.

В ОАО ГАБО были проведены эксперименты на

водопроводной воде с пленкой дизельного топлива. Толщина

пленки 0,1 мм. Температура испытания 20

°С. После выдержки

оригинального сорбента, посыпанного на поверхность дизельного

топлива, в течение 1 часа насыщенный углеводородом сорбент

можно собрать в кучку и поджечь. Тонкая пленка дизельного

топлива не поддерживает горения. Собранная в кучку на сорбенте

поддерживает горение. Оригинальный сорбент техничен, его

можно распылять на поверхность воды любыми технологическими

способами, сорбент можно использовать

многократно, после

небольшой и недорогой обработки.

188

§4. Материалы для электроники и фотоники

Материалы для электроники. К концу нынешнего столетия

мировой объем продажи изделий электронной промышленности

составил более одного триллиона долларов. В табл. 26. показаны

этапы миниатюризации интегральных схем.

Миниатюризации электронных предметов, как видно из

приведенной таблицы, идет исключительно быстрыми темпами. По

мере того, как транзисторы становятся меньше,

их количество на

одном полупроводниковом кристалле увеличивается.

Таблица 26.

Этапы минитюаризации интегральных схем.

Уровень интеграции

Принятое

сокращение

Число

схемных

элементов

на

кристалл

Минималь

ный размер

элементов,

мкм

Время

разработки

Малые интегральные

схемы

МИС 1-100 10 60-е годы

Средние интегральные

схемы

СИС 100-1000 5 70-е годы

Большие

интегральные схемы

БИС 1000-10000 3-1 80-е годы

Сверхбольшие

интегральные схемы

СБИС

〉 10000 〉 1

80-е годы

Ультрабольшие

интегральные схемы

УБИС - 0,001 -

Молекулярная

электроника

– - 0,1-0,001 -

В табл. 27. показано широкое разнообразие материалов и

технологических процессов, что характерно для электронной

промышленности, выпускающей самые разнообразные изделия.

Черными точками отмечены материалы и методы, практически

применяемые в настоящее время; не закрашенными ромбиками

отмечены те области, где они могут использоваться в будущем.

В современной электронике наибольшее распространение

получили два типа транзисторов – биполярные

и полевые. И те, и

другие играют важную роль в вычислительной технике. И те, и

другие имеют один и тот же принцип работы. Транзисторы как

биполярные, так и полевые изготавливают из полупроводникового

материала кремния.

189

Таблица 27.

Разнообразие материалов и технологических процессов, что характерно для

электронной промышленности.

Материалы

ЦП

Дис

ки

Лен

ты

Аппар

атура

связи

Терми

налы

Дис

плеи

Прин

теры

Копиру

ющие

устрой

ства

ПОЛУПРОВОДН

ИКИ

•

◊

СВЕРХПРОВОД

НИКИ

◊ ◊

◊

МАГНИТНЫЕ

МАТЕРИАЛЫ

•

◊ ◊

МЕТАЛЛЫ

• • • •

• •

КЕРАМИКА

• • • ◊

◊ ◊

ПОЛИМЕРЫ

• • •

•

ТЕХНОЛОГИЧ

ЕСКИЕ

МЕТОДЫ

ВАКУУМНОЕ

КАТОДНОЕ

НАПЫЛЕНИЕ

• •

• ◊

◊

ЭЛЕКТРООСАЖ

ДЕНИЕ

•

◊

• ◊

ИОННАЯ

ИМПЛАНТАЦИ

• ◊

•

ИОННОЕ

ТРАВЛЕНИЕ

• •

•

ЛАЗЕРНАЯ

РЕЗКА И

СВАРКА

•

◊

Вырастить кристаллы кремния больших размеров очень

трудно, так как возникающие в расплаве потоки приводят к

образованию неоднородностей в структуре кристалла. Потоки в

расплаве создаются за счет наличия в нем градиентов температуры

и плотности. Чтобы замедлить движение жидкости на тигель с

расплавом воздействуют магнитным полем. Поскольку

гравитационное поле является одной из причин

возникновения

потоков в расплаве, перспективной является идея выращивания

кристаллов сверх больших диаметров на борту космической

станции.

190

Выращенный кристалл разрезают на пластины, которые затем

полируют (шероховатость поверхности не превышает 10Å). После

полировки пластины готовы для производства интегральных схем.

Пластина нагревается в атмосфере кислорода до 800К, в результате

на поверхности пластины образуется тонкий слой диоксида

кремния. Затем пленка покрывается фоторезистором (специальным

полимером), затем создается рисунок интегральной схемы путем

удаления непокрытой

части диоксида кремния под ним,

воздействуя на него электронным излучением или заряженными

частицами (пучком ускоренных электронов или рентгеновскими

лучами, плазменным способом).

На следующей стадии пластина лакируется лаками

(заряженными атомами), чтобы непосредственно под поверхностью

создать области с заданными электронными свойствами,

отличными от свойств других областей в толще пластины. Затем на

пластину

осаждают различные металлы и сплавы (используя

вакуумное напыление, катодное напыление и химическое

осаждение из газовой фазы). Далее пластины разрезают на

отдельные кристаллики (каждый из которых содержит до 1млн.

транзисторов – блок памяти). Кристаллы собирают в керамические

корпуса. Для исключения нежелательных последствий

электромиграций, токопроведенные линии в современных

микросхемах делают из сплава меди

с алюминием.

Для повышения быстродействия приборов используется

полупроводниковый материал арсенид галлия вместо кремния.

Перспективным способом изготовления приборов является способ

гетероэпитаксии, заключающийся в последовательном

наращивании на кристаллической подложке тонких пленок из

различных материалов. Новым направлением в электронике

является баллистические транзисторы, т.е. приборы, в которых

используется баллистический эффект переноса электронов (т.е

иметь очень высокие скорости перемещения электронов при подаче

сигнала на базу или затвор).

Вызывает большой интерес транзистор с высокой

подвижностью электронов ( ВПЭ-транзистор). Он состоит из

нескольких слоев, например арсенида галлия, состав которых

изменяется от слоя к слою. Быстродействие интегральных схем

можно увеличить, если снизить их рабочую температуру, так как

по

мере понижения температуры уменьшается вероятность рассеяния