Текст реферата: страница 6
Исходные компоненты отвешивали в рассчитанных соотношениях на аналитических весах АДВ – 200 с точностью до 0,0001 г. Затем проводили твёрдофазный синтез шихты при 820 °С в течении 30 часов.
Для идентификации фаз применялся метод рентгенофазового анализа. Образцы анализировались на двукружном дифрактометре типа ДРОН - 2.0 (CuK ? в интервале углов 2° < 2Q < 70°).
3.7 Нанесения эпитаксиального слоя.
Эпитаксиальные плёнки получали методом окунания монокристаллической германосилленитовой подложки в расплав. Платиновый тигель с шихтой помещали в кристаллизационную камеру. Для выравнивания радиального градиента над поверхностью расплава, тигель накрывали диафрагмой из термостойкой керамики. Затем опускали шток с прикреплённой к нему платиновой проволочкой подложкой. Для наращивания эпитаксиальных плёнок Ge0,94Cr0,06Bi12O39,97 использовались подложки Bi12GeO20 с ориентацией [111] и [100]. Шток с подложкой ориентировали таким образом, чтобы подложка находилась точно над центром тигля. Затем температуру с помощью ручного регулятора плавно поднимали до 899 °С за 40 – 50 минут. Это делалось для того, чтобы подложка и нагреватель не подвергались термоудару. После того как шихта расплавлялась, температуру выводили на заданное значение и выдерживали в течение 30 мин. для установления теплового режима. Подложку держали непосредственно над расплавом для прогрева.
Далее подложку опускали в расплав при вращающемся штоке и выдерживали её там в течение 10 ё 30 мин. Затем включали подъём штока. После того как подложка с нанесённой на неё плёнкой вытягивается из расплава, её вручную поднимали на 2 ё 3 мм над расплавом и, выключив вращение и подъём штока, выдерживали в течении 1,5 часов. Затем плавно начинали снижать температуру в печи до комнатной. Затем подложку с нанесённой на неё плёнкой извлекали из печи.
Процесс жидкофазной эпитаксии проводился при скоростях подъёма штока 12 мм/час и скорости вращения 47 Об/мин.
После наращивания проводился отжиг эпитаксиальных плёнок в течение 5 – 6 часов при температуре 850 °С.
Температура наращивания плёнок изменялась в пределах от 899 до 914 °С.
3.8 Определение влияния температуры на толщину эпитаксиального слоя.
Для приборов магнитооптики требуются плёнки толщиной не менее 20 мкм. На толщину получаемых эпитаксиальных плёнок основное влияние оказывают температура расплава, скорость подъёма штока и время эпитасиального наращивания плёнки.
Для определения толщины эпитаксиального слоя, из пластин с нанесённой плёнкой изготовлялся срез вдоль оси роста. Измерение толщины производилось с использованием микроскопа МИН-8. Измерение под микроскопом производилось с помощью винтового окулярного микрометра. Он позволяет проводить замеры с большой точностью, нежели линейный. При 20Х объективе цена одного деления барабана составляет 0,375 мкм.
Экспериментальные данные показали, что при скорости менее 12 мм/час происходит налипание расплава на подложку. При постоянных скорости вытягивания и времени наращивания плёнки, основное влияние на ее толщину оказывает температура.
Влияние температуры на толщину плёнки представлено на рис. 2.8.1.
Рис. 2.8.1. Зависимость толщины эпитаксиальной плёнки от температуры при постоянной скорости вытягивания (12 мм/час. и 10- минутной выдержке подложки в расплаве).
На основании эксперимента выбран оптимальный температурный режим выращивания плёнок при скорости вытягивания 12 мм/час.
Важное влияние на толщину получаемых плёнок оказывает время эпитаксиального наращивания.(Рис. 2.8.2.)
Рис. 2.8.2. Зависимость толщины плёнок от времени эпитаксии при разных температурах расплава:
1. 914 °С.
2. 907 °С.
3. 900 °С.
Плёнки оптимальной толщины получались в интервале от 855 до 873 °С и времени эпитаксии 10 мин.
3.9 Выявление микроструктуры эпитаксиальных плёнок.
Изучение микроструктуры полученных плёнок производили кристаллооптическим методом на микроскопе МИН – 8 с 160 кратным увеличением.
Определяли положение монокристаллических блоков на поверхности подложки, их форму и размеры в зависимости от ориентации подложки. Определение размеров кристаллических блоков проводилось по методике, изложенной в главе 2.8. На каждом образце производилось 25 – 30 замеров. Результаты усреднялись.
В зависимости от ориентации подложки и температуры расплава, получались монокристаллические блоки различной величины и формы.
На подложках с ориентацией {100} получались кристаллические блоки вытянутые вдоль оси роста. При уменьшении температуры до 904 °С происходило увеличение размеров кристаллических блоков, а при достижении области температур ниже 904 °С происходило их нарастание друг на друга (рис. 2.9.1.).
На подложке с ориентацией {111} при прочих равных условиях, кристаллические блоки имели меньшие размеры и не столь явно выраженную направленность.(рис. 2.9.2.)
На рис. 2.9.3 представлен график зависимости средних размеров кристаллических блоков от температуры наращивания.
Рис. 2.9.1 Кристаллические блоки на подложке с ориентацией {100}.
Рис. 2.9.2. Мелкие кристаллические блоки на подложке с ориентацией {111}.
Рис. 2.9.3 Зависимость средних размеров монокристаллических зёрен от температуры расплава.
3.10 Результаты работы и выводы.
1. Получены плёнки твёрдого раствора Bi12GeO20 : 6 мольн. % Cr4+ со структурой силленита на германосилленитовой подложке.
2. Оптимальными условиями для получения качественных плёнок толщиной от 20 до 90 мкм. являются температурный интервал 904 – 914 °С и время эпитаксии 10 мин.
3. Величина кристаллических блоков изменяется от 15 до 70 мкм в температурном интервале от 904 до 914 °С.
4. Для получения эпитаксиальной плёнки твёрдого раствора Bi12GeO20 : 6 мольн. % Cr4+ со структурой силленита на германосилленитовой подложке. наиболее благоприятная ориентация подложки {100}
4 Экономическая часть .
[61].
4.1 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ обоснование проведения дипломной работы.
В последнее время развитие и совершенствование передовых технологий привело к широкому внедрению достижений науки и техники, в том числе и квантовой электроники, в медицину.
В современной медицине существуют несколько способов лечения онкологических заболеваний:
1. Химиотерапия. К недостаткам этого метода можно отнести вредность, используемых лекарств, а также их высокую стоимость, длительный период выведения лекарства из организма, побочные явления и невысокую эффективность.
2. Хирургическое вмешательство. Недостатки этого метода связаны с затратами на содержание человека в больнице и его длительной нетрудоспособностью в послеоперационный период.
Наиболее перспективными методами лечения в России и за рубежом считается методы с применением лазерной техники. Сейчас такие методы из-за их высокой стоимости доступны далеко не каждому больному. Данная дипломная работа является шагом в направлении уменьшения стоимости изготовления техники и, следовательно, большей ее доступности для потребителя.
Потребность современной техники в новых материалах, перспективных благодаря их необычным физическим свойствам, возрастает с каждым годом. Среди таких материалов важное место принадлежит неорганическим монокристаллам. Известные на сегодняшний день лазерные кристаллы удовлетворяют далеко не всем существующим потребностям: например КПД лучших из них не превышает 60%, порог генерации порядка 50 мВт, невысокое оптическое качество, связанное с неразрешёнными технологическими проблемами, такими как, например, подбор условий роста объёмных кристаллов.
В последние годы очень активно изучаются материалы, содержащие в качестве активатора хром в нетрадиционной для него степени окисления 4+. На их основе возможно создание лазеров с перестраеваемой частотой излучения в диапазоне 1,1–1,5 мкм.
На сегодняшний день, германосилленит (Bi12GeO20) активированный ионами хрома, является одним из перспективных материалов для перестраеваемых лазеров ближнего ИК диапазона. Благодаря наличию широкой области перестройки (около 200 нм) этот материал может быть использован в медицине для лечения онкологических заболеваний, так как область его перестройки захватывает длину волны 1,27 мкм, которая обладает высоким терапевтическим эффектом в борьбе с раковыми клетками. Основными методами получения монокристаллов германосилленита для лазерных применений являются методы Чохральского , оптической зонной плавки. Получение лазерных элементов этими методами сопряжено с большими материальными и энергетическими издержками, значительная часть монокристаллов теряется в процессе изготовления конечного продукта (до 50%) из-за дефектов, включений, двойников, дислокаций и т.д. На сегодняшний день основным производителем лазерных элементов на основе силленита является фирма Union Carbide Corporation, на долю которой приходится 40% производства. Себестоимость одного лазерного элемента составляет около $1500 ( по данным UC ) В связи со сложной экономической ситуацией в нашей стране производство лазерных элементов (НИИ "Полюс", АОЗТ "ИРЕА" ) полностью прекращено.
В последнее время ведутся интенсивные исследования в области миниатюрных лазерных компонентов, поскольку они дают значительные преимущества перед обьемными монокристаллами, например: высокий уровень легирования активного материала для получения высокой эффективности (КПД ориентировочно до 80%) при небольших энергиях накачки диода; высокая компактность и технологичность ( время изготовления лазерного элемента на основе обьемного кристалла составляет примерно 3-4 сут., а на основе пленки за 2 часа можно изготовить 80-100 элементов); размер лазерного элемента на основе пленки не превышает 1 мм2 ( для кристаллов 10-15 см3 ); низкие пороги генерации ( 17 мВт вместо 50 мВт для лучших образцов обьемных кристаллов.); соответственно более высокие КПД (80 % вместо 60 %); малые отходы при производстве конечного продукта и, как следствие, уменьшение себестоимости.
Основным преимуществом миниатюрных лазеров является возможность создания их в интегральном исполнении со стекловолокном и диодной системой накачки. Данное направление возможно реализовать исключительно с применением метода жидкофазной эпитаксии, чему и посвящена данная дипломная работа.
4.1.1 Оценка себестоимости лазерного элемента на основе монокристаллической пленки (по данным полученным в результате НИР )
Производство пленочного лазерного элемента состоит из трех основных стадий:
- наращивание трех слоев монокристаллической пленки на подложку из другого материала;
- полировка поверхностей;
- нанесение отражающих и защитных покрытий на элемент и сборка.
Рост состоит из трех этапов по 1 часу каждый, в результате чего получаем 100 шт элементов.
Стадия полировки длится 6 часов , при этом одновременно обрабатываются 100 шт элементов.
В собранном виде лазер включает в себя 1000 элементов обьемом 1 мм2 каждый. Следовательно для создания одного лазера необходимо провести 10 циклов наращивания-полировки.
Затраты на электроэнергию на один цикл производства лазерного элемента:
Стадия
Время на один цикл, час
Затрачиваемая мощность, кВт
Потребляемая мощность, кВт•час
Эпитаксиальное наращивание
3
1,5
4,5
Полировка
10
2
20
Сборка
1
0,5
0,5
Итого:
25
На 10 циклов наращивания-шлифовки лазерных элементов затраты электроэнергии составят: 25*10 = 250 кВт•час;
ЗЭЛ=250•0,42= 105 руб;
Затраты на заработную плату работников:
Род работы
Время на один цикл, час
З/п руб./час
З/п руб/цикл
Наращивание
3
10
30
Полировка
10
12
120
сборка
1
10
10
Итого:
160
За десять циклов расходы на З/п работников составят:
СЗП = 160•10=1600 руб.
С учетом отчисления в фонд социального страхования:
1600 • 1,39 = 2224 руб.
Затраты на сырье и материалы
Масса лазерного элемента около 50 мг, при средней стоимости сырья 1500 руб /кг (ОСЧ 9-12), стоимость материалов для 1000 шт элементов:
СМ = 1000•50•10-6•1500 = 75 руб.
Дополнительные затраты на вспомогательные реактивы ( 10% от основных ):
75•10 = 7,5 руб.
Накладные и прочие затраты на производство лазерных элементов (10% от фонда З/П):
СН = 2224•0,1 = 222,4 руб.
Амортизационные отчисления
Общая стоимость оборудования около 460000 руб. при норме амортизации 20 % отчисления на амортизацию производственного оборудования составят :
САМ = 460 000 • 0,2 = 92000 руб.
Годовой обьем продукции составляет около 60 лазеров. На единицу продукции лазера на основе монокристаллических пленок:
САМ = 92 000/60 = 1533,3 руб.
Затраты на содержание производственного здания учитываются в стоимости арендной платы, которая составит около 55 000 руб/год. для помещения площадью 50 кв м.
На единицу продукции затраты на арендную плату составят:
САР = 55000/60 = 916,7 руб.
Итого себестоимость монокристаллических пленок для одного лазера составляет :
С = 105+2224+75+7,5+222,4+1533,3+916,7 = 5083,9 руб.
В переводе на долларовой эквивалент: (по курсу 22 руб. за 1$ ).
$231
Оценим экономический эффект, c точки зрения потребителя, от замены лазерных элементов на основе обьемных кристаллов на пленочные лазерные элементы.
Себестоимость лазерного элемента на основе обьемных монокристаллов составляет $1500 ,. стоимость лазеной установки на ее основе $20000. т.е стоимость лазерного элемента составляет 7,5 % . Это связано со сложной аппаратурной схемой такого типа лазера, требованием точности юстировки и большой мощности лампы накачки и приводит к тому, что срок службы такого лазера 8 лет. ( по данным UC ).
В стоимости прибора для лечения стоимость плёнки составляет ~ 30 %, отсюда стоимость прибора ~1000 $ ( из учёта себестоимости монокристаллических плёнок для одного лазера себестоимость прибора для лечения ~ 770 $).
Оценим экономический эффект от замены лазерной установки на обьемных монокристаллах на установку с пленочными монокристаллическими лазерами.
Онкологический центр, лечение в котором проходят 1000 человек, больных раком, приобретает 5 лазерных установок.
4.1.2 лазерная установка на основе обьемных монокристаллов:
стоимость установки 440000 руб.
затраты на з/п обслуживающего специалиста 12•6000 = 72000 руб.
затраты на эл. энергию 5•6800•0,4•0,42 = 5712 руб
Затраты, приходящиеся на одного больного:
ЗОБ = (72000+5712 + 5•440000/8)/1000 = 352,7 руб/чел•год
4.1.3 лазерная установка на основе пленочных лазеров:
стоимость установки 22000 руб.
затраты на эл. энергию 5•6800•0,2•0,42 = 2856 руб.
затраты приходящиеся на одного больного:
ЗПЛ = (2856 + 5•22000/20)/1000 = 8,35 руб.
Экономический эффект от замены лазерной установки на обьемных монокристаллах на лазерную установку на основе пленочных лазеров приходящийся на одного больного составит:
Э = 352,7 – 8,35 = 344,35 руб / чел.
что означает уменьшение на 97,6 %.
Экономический эффект с учётом затрат на НИР: (Таблица 1.2.6.1)
Э = 344,35 Ч 1000 – 38630 = 340486,94 руб
4.2 Расчет затрат на проведение научно-исследовательской работы.
4.2.1 Расчет затрат на реактивы, сырье, материалы.
В следующей таблице приведен полный перечень всех используемых при проведении работы реактивов и химических веществ.
таблица 1.2.1.1.,затраты на реактивы
Название
расход, кг
цена, руб./кг
сумма, руб.
Bi2O3
99,6•10-3
350
34,86
GeO2
0,76•10-3
230
0,17
Cr2O3
18,5•10-6
860
0,02
Итого:
35,05
4.2.2 Расчет энергетических затрат.
ЗЭ = М•К•Т•Ц , где
ЗЭ – затраты на электроэнергию;
М – паспортная мощность , кВт;
К – коэффициент использования мощности (0,7-0,9);
Т – время работы прибора, час.;
Ц – цена 1 кВт/час. электроэнергии , Ц = 0,42 руб.
Затраты на электроэнергию приведены в таблице
таблица 1.2.2.1,затраты на эл. энергию
Наименование оборудования
М, кВт
К
Т, час.
Ц, руб.
ЗЭ, руб.
Установка эпитаксильного роста
1,5
0,9
68
0,42
38,55
итого:
Прочие затраты принимаем равными 10% от общих затрат.
ЗЭ, ОБЩ = ЗЭ + ЗПРОЧ =38,55 + 3,855 = 42,41 руб.
4.2.3 Расчет заработной платы.
Расчет основной заработной платы.
Проводится исходя из месячной стипендии и числа отработанных месяцев:
ЗПИССЛ = 250 • 7 = 1750 руб.
Расчет основной заработной платы руководителя.
ЗПРУК = 270 • 7 + 480 • 7 = 5250 руб.
Таким образом основная заработная плата составит:
ЗПОСН = ЗПИССЛ + ЗПРУК = 1750 + 5250 = 7000 руб.
Дополнительная заработная плата.
Дополнительная заработная плата составит 20% от суммы основной заработной платы:
ЗПДОП = 0,2 • 7000 = 1400 руб.
Отчисления в фонд социального страхования.
ОСОЦ.СТРАХ = 0,39 • (7000 + 1400) = 3276,8 руб.
4.2.4 Накладные расходы.
Накладные расходы принимаем в размере 70% от суммы основной и дополнительных заработных плат:
РН = 0,7 •(7000+1400) = 5880 руб.
4.2.5 Расчет амортизационных отчислений.
Амортизационные отчисления рассчитываются по формуле:
А = Ф • НА • Т/(100 • 12), где
Ф – стоимость оборудования и приборов, т.руб.
НА – годовая норма амортизации, составляет 12%.
Т – время использования оборудования, мес.
таблица 1.2.5.1.,амортизационные расходы
Наименование оборудования
Кол-во едениц
стоимость, т.руб.
установка
1
300
итого:
300
Расчет амортизационных затрат :
А = 300 • 12 • 7/(100•12) = 21,0 т.руб.
4.2.6 Смета затрат на проведение исследования.
Таблица 1.2.6.1.,смета затрат на проведение исследования.
№
наименование затрат
сумма, т.руб.
удельный вес отдельных статей, %
1
Материалы, сырье, реактивы
0,035
0,09
2
Энергетические затраты:
Электроэнергия
0,0386
0,1
3
Основная зарплата:
Исследователя
руководителей
1,75
5,25
4,53
13,59
Итого:
7,0736
4
Дополнительная зарплата
1,4
3,62
5
Отчисление на социальное страхование
3,277
8,48
6
Амортизационные отчисления
21
54,36
7
Накладные расходы
5,88
15,22
Всего:
38,6306
100
5 Охрана труда.
5.1 Введение
Охрана труда в химической промышленности является общеинженерной дисциплиной, изучающей правовые, теоретические и практические мероприятия по обеспечению безопасных условий труда на производстве мероприятий предупреждающих пожары и взрывы.
В химической лаборатории охрана труда имеет большое значение, так как работающие соприкасаются с вредными и опасными веществами, оказывающими нежелательное влияние на организм. Знание физико-химических свойств веществ, правил техники безопасности и противопожарной безопасности являются обязательными для всех работающих и важнейшим условием безаварийной работы.
В данной дипломной работе существуют следующие вредные производственные факторы:
- высокое электрическое напряжение 220/380 В и сила тока до 200 А;
- высокие температуры до 900 С°;
- мелкодисперсный порошок оксида германия (GeO2), оксида висмута (Bi2O3);
- пары легколетучей жидкости соляной кислоты (HCl).
5.1.1 Характеристика применяемых реактивов и препаратов.
GeO2 – белый порошок; М = tпл = 1115°С, плотность – 4,7 г./см3. Растворимость в воде составляет 0,4 % (при 20 °С). В щелочах растворяется с образованием германатов.
Предельно допустимая концентрация GeO2 в воздухе – 2 мг/м3.
Токсичность.
При продолжительном вдыхании GeO2 могут наблюдаться стойкие заболевания лёгких называемые силикозом.
Bi2O3 – порошок лимонно - жёлтого цвета, М = 465,96; tпл = 820°С, плотность – 8,9 г./см3. Не растворим в воде.
Токсичные свойства Bi2O3 не изучены.
Соляная кислота HCl.
М = 36,5. Бесцветная негорючая жидкость tпл = 17°С, кипит с разложением. Концентрированная кислота (37 %) имеет плотность – 1,183 г./см3.Растворима в воде.
Туман соляной кислоты вызывает резкую болезненность кожи лица. При высокой концентрации паров кислоты – раздражение слизистых оболочек, в особенности носа, конъюктивит, помутнение роговицы, охриплость,насморк.
ПДК в воздухе рабочей зоны 5 мг/м3. Класс опасности – 2. ПДК в воде водоёмов санитарно-бытового водопользования – 10 мг/л.
5.1.2 Категорирование лабораторного помещения
На основании приведенных выше свойств, применяемых в работе веществ лабораторное помещение можно отнести к пожароопасной категории В.
Здание кирпичное, степень огнестойкости II, следовательно, число этажей и расстояния между ними не ограничены.
5.1.3 Классификация по ПУЭ.
По ПУЭ лаборатория относится к классу помещений В-Iб. В помещениях данного класса возможно образование горючих паров и газов, имеющих высокий НКПВ и резкий запах, легко обнаруживаемый органолептически, а также помещения, в которых образование взрывоопасных концентраций возможно на отдельных участках, и помещения, в которых горючие газы и жидкости имеются в небольших количествах. В помещениях класса В-Iб допускаются установка не взрывозащищенного оборудования, которое, однако, должно быть брызгозащищенным, не искрящим по условиям работы. Электрические светильники могут быть в закрытом и открытом исполнениях.
5.1.4 Меры электробезопасности.
В лаборатории используется переменный ток промышленной частоты 50 Гц, напряжением 220 В. По опасности поражения людей электрическим током лабораторное помещение относится к I категории – без повышенной опасности. Она характеризуется следующими признаками:
- – относительная влажность воздуха не менее 80%,
- – температура окружающей среды менее 27°C.
Для обеспечения безопасности условий работы токоведущие части электрооборудования тщательно изолируются, элементы установки, которые могут оказаться под напряжением, заземляются медным проводом на электрический щит, причем сопротивление заземления не более 4 Ом.
5.1.5 Производственная санитария.
Общая площадь лаборатории составляет 42,2 м2, высота – 3,6 м, объем – 151,9 м3.
Согласно СН 245-71 объем помещения на каждого работающего должен составлять не менее 15 м3, а площадь производственного помещения, выделанного стенами или глухими перегородками, должен быть не менее 4.5 м2 на каждого работающего.
Таким образом, в лаборатории могут работать 6 человек.
5.1.6 Вентиляция.
В лаборатории предусмотрена естественная и искусственная вытяжная вентиляция. Для обеспечения безопасности работы с вредными веществами в лаборатории установлены три вытяжных шкафа. Скорость движения воздуха в вытяжном шкафу обеспечивает возможность работы с веществами I и II классов опасности. В лабораторном помещении кратность воздухообмена по норме 3–5 час-1.
5.1.7 Освещение.
Для рациональной организации труда на рабочем месте важное значение имеет правильное освещение.
Освещение лаборатории естественное (имеются два окна общей площадью 19,89 м2) и искусственное – люминесцентными лампами дневного света. Коэффициент естественной освещенности для лаборатории КЕО = 1,5%, что соответствует СН и П. Для искусственного освещения минимальная освещенность по нормам для работ IV класса точности должна составлять 300 лк.
Отопление.
В холодное время года – система водяного центрального отопления, обеспечивающего температуру 17-25°C.
Источником водоснабжения служит городской водопровод. Водоснабжение – хозяйственно-питьевого качества.
В лаборатории имеется канализация с гидрозатвором. Все вредные вещества собираются в специальной емкости для последующей утилизации и нейтрализации.
5.1.8 Водоснабжение.
В лаборатории имеется хозяйственно-бытовая канализация с гидрозатвором. Вредные вещества собираются в специальные емкости для последующей утилизации и нейтрализации. Слив их в канализацию запрещен.
Пожарная профилактика.
Для обеспечения безопасности токоведущие части электрооборудования изолируются, нагревательные элементы защищаются слоем теплоизолирующего материала.
В целях противопожарной безопасности в лаборатории имеются:
– внутренний пожарный водопровод,
– ящик с песком,
– помпы, огнетушители (ОУ-5 в количестве 2 шт. и один ОХП-10),
– асбестовая кошма.
5.1.9 Режим личной безопасности.
Для индивидуальной защиты используются резиновые перчатки, х/б халаты, защитные очки, марлевые повязки, респираторы. Для оказания первой помощи – аптечка. Работающим выдается молоко. Персонал должен пройти вводный и первичный инструктаж, а затем стажировку на рабочем месте в течение не менее 10 дней с последующим экзаменом.
6 Охрана окружающей среды от промышленных загрязнений.
[60].
6.1 ВВЕДЕНИЕ.
Одной из проблем, стоящих перед инженером – технологом, является охрана окружающей среды. Решение сегодняшних экологических проблем заключается в создании экологически безопасных, малоотходных и безотходных технологических процессов, производств и территориально-производственных комплексов, т.е. технологических процессов и производств, вписывающихся в природные системы и отличающиеся высокой степенью инженерно-экологического совершенства, с надёжными методами прогнозирования последствий технических решений и чёткой системой контроля выбросов.
Все проекты на строительство и реконструкцию промышленных предприятий должны подвергаться экологической экспертизе и не утверждаться без всех вопросов охраны окружающей среды в связи с высоким современным уровнем развития науки и техники.
Охрана окружающей среды является составной частью программы рационального использования природных богатств. На сегодняшний день развитие научно-технического прогресса и связанные с ним грандиозные масштабы человеческой деятельности привели к резкому ухудшению состояния окружающей среды.
Электронная промышленность является одной из наиболее прогрессивных в научно-техническом плане. Основная задача – создание таких технологических схем, в которых предусматривается практически полная ликвидация вредных выбросов в окружающую среду. В результате использования новых технологий и материалов можно увеличить срок службы приборов, уменьшить процент брака, габариты приборов, что даёт возможность уменьшить количество отходов и затрат на их переработку.
6.2 Экологическая характеристика темы работы.
Данная дипломная работа заключается в получении плёнок германосилленита, легированных хромом методом жидкофазной эпитаксии. На разных этапах работы в качестве загрязнителей окружающей среды могут выступать следующие соединения:
- пыль GeO2, Bi2O3, Cr2O3 . Она образуется на всех этапах подготовки шихты, улавливается системами вытяжной вентиляции и выбрасывается в атмосферу.
- соляная кислота, которая используется для отмывки тиглей и подложек от остатков расплава.
Данная работа является исследовательской, в связи с этим выбросы в окружающую среду минимальны.
6.3 Токсикологическая характеристика сырья, реагентов, промежуточных и конечных продуктов.
Оксид хрома (III) Cr2O3
Тёмно – зелёный порошок, ТП.Л.=2235 оС, , ?=5,21 г/см3
При длительном воздействии низких концентраций поражение слизистой носовой перегородки ограничивается поверхностной эрозией. Наиболее характерны поражения печени, страдают также и почки.
При воздействии хрома на организм развиваются сильные поражения дыхательных путей с развитием бронхоспазма и бронхиальной астмы в результате сенсибилизации; аллергические заболевания кожи: дерматиты, язвы. Длительное вдыхание аэрозолей соединений хрома (IV) (III) ведет к субаттрофическим изменениям слизистых оболочек дыхательных путей, поражению органов дыхания вплоть до развития пневмосклероза.
ПДКР.З. = 1,0 мг/м3, , ПДК С.С..=0,01 мг/м3
Оксид германия GeO2
GeO2 – белый порошок; М = tпл = 1115°С, плотность – 4,7 г./см3. Растворимость в воде составляет 0,4 % (при 20 °С). В щелочах растворяется с образованием германатов.
Предельно допустимая концентрация GeO2 в воздухе – 2 мг/м3.
Токсичность.
При продолжительном вдыхании GeO2 могут наблюдаться стойкие заболевания лёгких называемые силикозом.
Оксид висмута Bi2O3
Bi2O3 – порошок лимонно - жёлтого цвета, М = 465,96; tпл = 820°С, плотность – 8,9 г./см3. Не растворим в воде.
Токсичные свойства Bi2O3 не изучены.
Соляная кислота HCl.
М = 36,5. Бесцветная негорючая жидкость tпл = 17°С, кипит с разложением. Концентрированная кислота (37 %) имеет плотность – 1,183 г./см3.Растворима в воде.
Туман соляной кислоты вызывает резкую болезненность кожи лица. При высокой концентрации паров кислоты – раздражение слизистых оболочек, в особенности носа, конъюктивит, помутнение роговицы, охриплость,насморк.
ПДК в воздухе рабочей зоны 5 мг/м3. Класс опасности – 2. ПДК в воде водоёмов санитарно-бытового водопользования – 10 мг/л.
6.4 Переработка и обезвреживание твердых отходов.
Остатки шихты после выращивания пленок силленита выплавлялись и шли на утилизацию .
6.5 Переработка и обезвреживание жидких отходов.
Используемую для отмывки пленок соляную кислоту собираем в предназначенную для этого емкость и в дальнейшем нейтрализовываем содой перед сливом в канализацию.
6.6 Укрупненная оценка экономического ущерба от загрязнения атмосферы .
В процессе проведения дипломной работы в атмосферу могут попасть незначительные количества веществ, используемых для приготовления шихты. Расчет возможного ущерба от загрязнения атмосферы рассчитывается по формуле:
, где
– удельный ущерб от выброса в атмосферу одной условной тонны загрязняющих веществ, = 2,4 руб./усл.т
М –приведенная масса годового выброса, , где
mi – количество поступающего в атмосферу вещества i-го типа;
– показатель относительной агрессивности.
Для определения показателей относительной агрессивности пользуются формулой:
, где
ai – характеризует относительную опасность присутствия примеси в воздухе, вдыхаемом человеком;
?i – поправка, учитывающая вероятность накопления исходной примеси или вторичных загрязняющих веществ в компонентах окружающей среды и цепях питания, а также поступление примеси в организм человека не ингаляционным путем;
?i – поправка, характеризующая вредное воздействие примеси на остальных реципиентов ( кроме человека );
?i – поправка на вероятность вторичного заброса примеси в атмосферу после их оседания на поверхности ( для пылей );
?i – поправка на вероятность образоваия из исходных примесей, выброшенных в атмосферу, ( вторичных ) загрязняющих веществ, более опасных, чем исходные ( для легких углеводородов );
Показатель ai задает уровень опасности для человека вещества i-го типа по отношению к уровню опасности оксида углерода:
ai = ((ПДКС.С со • ПДК Р.З со)/( ПДКС.С i • ПДК Р.З i))0.5 = (60/(ПДКС.С i • ПДК Р.З i))0.5
ПДКС.С i и ПДК Р.З i взяты из справочника [ 74 ].
Вещество
ПДКС.С , мг / м3
ПДКР.З , мг / м3
GeO2
0,005
2
Bi2O3
0,004
2
Gr2O3
0,015
0,01
Пример расчета ai:
ACr2O3 = (60/0,015•0,010)0.5 = 4472,14
расчет остальных аналогичен приведенному.
Вещество
ai ,усл.т/т
?i
?i
?i
?i
Ai
GeO2
77,46
1
2
1
1
154,92
Bi2O3
86,6
1
2
1
1
173
Gr2O3
632,46
1
5
1
1
3162,3
Примем , что за время проведения дипломной работы образовалось около 0,5 гр. каждого компонента.
=(154,92 + 173 + 3162,3 )•5•10-7 = 17451,1Ч10-6 т
т.к. институт расположен в центре города =8
скорость оседания частиц для тонкодисперсных порошков примем V< 20 м/с
разность температур внутри помещения и в окружающей атмосфере составляет 150С
Для учета подьема факела используем поправку:
?= 1+?t/75 = 1+15/75 = 1,2
Высота трубы – 32 м
Величина поправки на характер рассеивания примеси :
f = f2 = [1000/(60+?•h)]0.5•[4/(1+U)]
U – значение модуля скорости ветра на уровне флюгера принимаем равным 3 м/с
f = f2 =[1000/(60+1,2•32)]0.5•[4/(1+3)] = 3,188
УАТМ = 2,4•8•3,188•174511•10-7 = 1,06 руб.
Как видно из расчета, ущерб от выброса в атмосферу пыли используемых веществ, незначителен.
6.7 Укрупненная оценка ущерба от загрязнения водоемов.
Ущерб окружающей среде в данной дипломной работе может быть нанесен в результате неправильного обращения с жидкими отходами например с соляной кислотой, которая используется для промывки подложек от остатков шихты и должна быть затем нейтрализована.
Расчет ущерба производим по формуле:
, где М – приведенная масса загрязняющих веществ рассчитывается по формуле:
Расчет производим для HCl , общее количество которого 250 гр. в пересчете на 100%
АHCl = 1/ПДКHCl = 1/0,005 = 200
М = 200 • 250•10-6 = 0,05 усл.т
УВОД = 400 • 2,6 • 0,05 = 52 руб.
6.8 Выводы.
Проведение дипломной работы не наносит существенного ущерба окружающей среде. Возможный ущерб составляет 53,06 руб. В результате обезвреживания жидких отходов исключается загрязнение водоемов. Фактический ущерб – 1,06 руб., предотвращённый ущерб – 52 руб.
7 Cписок литературы.
1. А.А. Ballman, J. Cryst. Growth; 1961, I,37/
2. S.C. Abrahams; P.B. Jamieson; J.L. Bershtein; J. Chem. Phys. 1967,47,4034.
3. L.G. Sillen; Arkiv Kemi, Mineralogy and Geology 12A, 1-13, 1937.
4. E.M. Levin; J. Am. Cer. Soc. 46(1), 59-60, 1963.
5. А.А. Майер, Диссертация на соискание учёной степени д. х. н., М. 1974.
6. Т.А. Бабонас, Е.А. Жогова, Ю.Г. Зарецкий, Г.А. Курбатов, Ю.И. Уханов, Ю.В. Шмарцев, Физика твёрдого тела (ФТТ), 1982, 24, № 7.
7. S. Venugopalan, A.K. Ramdas, Phys. Pev., 5, 1972.
8. E.M. Levin; J. Am. Cer. Soc. 46(1), 2005-2015, 1963.
9. P.V. Lenzo, Spenser, Ballman, Appl, Phys., Let., 9, 290, 1966.
10. P.V. Lenzo, Spenser, Ballman, Appl, Phys., Opt., 5, 1688, 1965.
11. P.V. Lenzo, Spenser, Ballman, Phys., Rev., Let., 19, 641, 1961
12. P.V. Lenzo, Spenser, Ballman, Proc., J.E.E.E., 55, 2074, 1967.
13. Е.И. Сперанская, А.А. Аршакуни, Система Bi2O3 – GeO2 .// ЖНХ. – 1964. – Т.9, № 2. – с. 414 – 421.
14. Е.И. Сперанская, В.М. Скориков, Г.М. Сафронов, Г.Д. Миткина, Система Bi2O3 – SiO2.// Изв. АН СССР. Сер.: Неорг. Мат-лы.- 1968. – Т. 4, № 8 – с. 1374 – 1375.
15. Г.М. Сафронов, В.Н. Батог, Ю.И. Красилов, В.И. Пахомов, П.М. Фёдоров, В.И. Бурков, В.М. Скориков, Изв. АН СССР, серия “ Неорганич. материалы”, 4, 2, 1965.
16. L. Vitert, J. Amer. Cer. Soc., 48, 2 1965
17. А.С. Сонин, А.С. Василевская, Электрооптические кристаллы, М., 1971.
18. Л.Н. Дмитрук, Влияние некоторых технологических параметров на процесс роста и свойства монокристаллов со структурой силленита (силикат, германат, титанат висмута)// Кандидат. диссертация, МХТИ, 1970,177 с.
19. С.С. Каринский, Устройство обработки сигналов на ультразвуковых поверхностных волнах.// Советское радио. – 1975. – стр. 163.
20. В.И. Речицкий, Линии задержки на поверхностных акустических волнах. // Зарубежная радиоэлектроника. – 1979. - №10 стр. 59 – 71.
21. Н.И. Кацавец, Е.И. Леонов, И. Муминов, В.М. Орлов, Фотопроводимость легированных кристаллов Bi12TiO20 и твёрдых растворов Bi12SixTi1-xO20.// Письма в ЖТФ. 1984.- т.10, № 15, -стр. 932 – 936.
22. В.Н. Батог, В.И. Бурков, “ Кристаллография ”, 15, 5, 928, 1969.
23. Г.Н. Сафронов, В.Н. Батог, Известия АН СССР, Неорганические материалы., 6, 2, 284, 1970.
24. В.А. Кизиль, В.И. Бурков, и др. “Оптика и спектроскопия”, 34, 6, 1973.
25. A. Feldman, W.S. Brover, J. and D. Hovowity, Appl. Phys. Let. 16, 5, 1970.
26. В.Н. Батог, В.И. Бурков, В.А. Кизиль, “Кристаллография”, 11, 5, 1969.
27. G. Donglas, R. Litter, , J. Appl. Phys. 39, 4 ,2133-5, 1968.
28. Н.В. Левин, Дипломная работа, МХТИ, 1981.
29. Е.П. Мустель, В.Н. Парыгин, “Методы модуляции и сканирования света”, М. Наука, 1970.
30. P.V. Lenzo, Phys., Rev., Let., 12, 11, 1967.
31. E.L. Venturini, E.G. Spenser, A.A. Ballman, Elasto- Optic Properties of Bi12GeO20 and SrxBa1-xNb2O6.// J. Appl. Phys. – 1969. – V.40,№ 4. – p. 1622 – 1624.
32. E.A. Omotoso, K.A. McCartny, Ultrasonic attamiation in sindle crystals Bi12GeO20 at low temperatures. // J. Acoust. Soc. Am. – 1981. – V.70, №6 – p. 1707-1712.
33. Акустические кристаллы./ под ред. М.П. Шаскольской// М.: Наука. – 1982. – 632 с.
34. Z. Kleszcewski Wlasnosci niektorych materialow akustoopticznych.// Archiwum Akustyki/ - 1978. – V.13, №3. – p. 235-244.
35. Проект 97-02-17671, рук. А.А.Чабан.
36. Ю. Б. Афанасьев, В.В. Куликов, Е.В. Мокрушина, А.А. Петров, И.А. Соколов Фотопроводящие свойства силленитов, выращенных в бескислородной атмосфере.// Письма в ЖТФ, 1997, том 23, No 17,12 сентября 06;02;12
37. Н.Г. Горащенко, Ж.С. Кучук, А.А. Майер, Получение плёнок ферро- и кобальтового силленитов методом жидкофазной эпитаксии.
38. Л. Майселл, Р. Глэнг, технология тонких плёнок, Справочник, М. “Советское радио”, 1977.
39. R.M. Tichane, Bull Am. Ceram. Soc., 42, 441, 1963.
40. J.D. Filby and S. Nielson, J. Electrochem. Soc., 112, 957,1965.
41. T. Putner, Brit. J. Appl. Phys., 10, 332,1959.
42. L. Holland, “The Properties of Class Surfaces”, Chapman Hall, Ltd., London, 1964.
43. Е.Ю. Бельмач, В.П. Бузовкин, И.В. Губаревич, Г.Г. Угланова. Избирательное травление кристаллов со структурой силленита.// Тезисы докл. II Всесоюзной конференции по физ.- хим. Основам технологии сигнетоэлектрических и родственных материалов. – Звенигород: Наука. – 1983. – с. 270 – 271.
44. A.A. Ballman, P.K. Tien Optical Wavequiding Devices Using Monocrystalline Materials of the Sillenite Family of Bismuth Oxides.// United States Patent №3.810.688, May 14, 1974.
45. V.J. Silvestry, T.O. Sedgwick, J.B. Zanderman. J. of Crystal Growth, 1973, 20, p. 165 – 168.
46. В.А. Детиненко, О.В. Жбанов и др. – Автометрия, 1976, 4, с. 53-55.
47. A.A. Ballman, United States Patent 602b 5/14, May 14, 1974.
48. В.А. Нечипоренко и др. Тезисы докл. Республ. Конф. Структура и физические свойства тонких плёнок. Ужгород. 1977.
49. Ю.А. Томашпольский, Г.Л. Платонов, Сигнетолектрические плёнки металлов. М., “Металлургия”, 1978.
50. Ю.М. Смирнов, А.Д. Щуклов. К термодинамике роста монокристаллов. // Физика кристаллизации. – Калинин. – 1978, Вып. 1. – с. 32 – 36.
51. Ю.М. Смирнов, С.В. Афанасьев. Стадийность роста кристаллов из расплава.// Вопросы физики формообразования и фазовых превращений. – Калинин. – 1983. – Вып.6. – с.39 –49.
52. “Applied Physics Letters” vol. 20, p. 36. 1972
53. И.С. Роз, Л.Б. Майснер, А.И. Сафонов, С.А. Барышников, Т.А. Плотинская, В.П. Клюев. Кристаллография, 1970, 6, 1168.
54. Ю.Л. Копылов, В.Б. Кравченко, В.В. Куча. Влияние легирования на свойства монокристаллов Bi12SiO20 // Письма в ЖТФ. – 1982. – т. 8, № 4. – с. 205 –207.
55. К.С. Александров, А.Т. Анистратов. Ю.И. Грехов, Н.Г. Малышевский, А.Г. Сизых. Оптические свойства монокристаллов Bi12GeO20, легированных алюминием и бором.// Автометрия. – 1980. - № 1. – с. 99 – 101.
56. T. Mori, T. Okamoto, M. Saito. Suppretion of the Photoconductivity of the Bi12GeO20 and its Application to Electrooptic Light Valve // J. of Electronic Materials. – 1979. – V.8, №3. – p. 261 – 267.
57. М.В. Шилова, В.М. Орлов, Е.И. Леонов, Е.Е. Колосов, И.А. Карпович. Фотопроводимость кристаллов Bi12SiO20 , Легированного марганцем и хромом.// Изв. АН СССР. Сер.: Неорг. Мат-лы. – 1986. – т. 22, № 1. – с. 103 – 105.
58. М.Г. Ермаков, А.В. Хомич, П.И. Петров, И.А. Горн., В.В. Куча. Локализованные центры в кристаллах силиката висмута.// Микроэлектроника. – 1982. – т.11, № 5. – с. 424 – 427.
59. Методические указания по определению эколого-экономической эффективности технологических процессов и производств в дипломных проектах.– МХТИ,1985.– 52 с.
60. Н.П.Тарасова, А.В.малков, Т.В.Гусева.– Выполнение раздела дипломной работы (проекта ) "Охрана окружающей среды от промышленных загрязнений"/ Учебное пособие.– РХТУ им. Д.И.Менделеева., М.,1997.
61. Методические указания по экономическому обоснованию дипломных работ по специальности "Технология редких и рассеяных элементов".– М.:МХТИ им. Д.И.Менделеева, 1987.– 32 с.
62. Методические указания по разделу "Охрана труда" в дипломных проектах и работах.– М.,1990.
63. Вредные вещества в химической промышленности./ Под ред. Н.В. Лазарева.–М.:Химия, 1977.
64. Справочник по пожаро-взрывоопасности веществ и материалов и средства их тушения./ Под ред. А.Н. Баратора, А.Я. Корольченко.,т1 и т2.–М:Химия,1990.
65. Охрана труда в химической промышленности./Под ред. Г.В.Макарова.–М.:Химия,1989.
66. Сборник руководящих документов государственной противопожарной службы.– М.,1998, часть 3.
67. СНиП II-32-74./ Канализация, наружные сети и сооружения.–М.,1975.
68. Санитарные правила организации технологических процессов и гигиенические требования к производственному оборудованию.– М.,1972.
69. СниП 2.09.02-85./Производственные здания.– М.,1998.
70. Внутренние санитарно-технические устройства./ Под ред. К.Староверова./ выписки-кратность воздухообмена в вытяжных шкафах.
71. СниП II-33-75./ Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха.– М.,1982.
72. СниП 23-05-95./ Естественное и искусственное освещение.– М.,1998.
73. СН 460-74./ Внутренний водопровод и канализация.– М.,1975.
74. Г.П. Беспамятнов, Ю.А. Кротов.– ПДК химических веществ в окружающей среде.–Л.:Химия, 1985.
