Экология производства материалов и компонентов электронной техники

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение 
4 

1. Источники загрязнения окружающей среды 
5 

2. Общая экологическая характеристика производства 
материалов и компонентов электроники 
24 

3. Газы, используемые в производстве материалов и 
компонентов электроники, и их мониторинг 
32 

4. Техника защиты окружающей среды 
36 

5. Очистка газов от пыли методом фильтрации 
43 

6. Оборудование для фильтрации газа 
45 

7. Очистка атмосферы от газов и паров 
50 

8. Очистка атмосферы методом адсорбции 
55 

9. Каталитический метод очистки газов 
62 

10. Защита гидросферы от загрязнения 
67 

11. Физико-химические методы очистки сточных вод 
74 

12. Очистка стоков методом экстракции 
78 

13. Очистка сточных вод ионообменом 
82 

14. Электрохимические методы очистки воды 
90 

15. Защита литосферы от промышленных загрязнений 
95 

16. Отходы предприятий электронной промышленности, их 
улавливание и переработка 
102 

Приложение 
106 

3 

ВВЕДЕНИЕ 

XX век ознаменован многими достижениями в различных областях науки и техники - автомобилестроении, самолетостроении, ракетной технике, атомной энергетике, электронике. Многие производства используют токсичные вещества, связаны с повышенной радиацией. Достижения века породили проблему защиты окружающей 
среды от вредных воздействий на нее развивающегося промышленного производства. Недаром Юбилейная сессия ООН одним из главных вопросов рассматривала экологическое состояние среды обитания человека. 

Экологическое образование в вузе предусматривает несколько аспектов рассмотрения этой проблемы. На ранних курсах изучается 
влияние различных факторов на физиологию человека. Настоящий 
курс рассматривает технику защиты окружающей среды от антропологического воздействия на нее на примере производства материалов 
и компонентов электроники. 

В курсах специальности «Микроэлектроника и твердотельная 
электроника» (200100) уделяется внимание конкретным вопросам 
защиты окружающей среды при осуществлении различных технологических процессов. В дипломной работе этому посвящается специальный раздел. 

В основу курса положены следующие пособия: 
1. Родионов А.И., Клушин В.К, Тарачешников КС. Техника защиты окружающей среды. М.: Химия, 1989. 

2. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. М.: Госхимиздат, 1962. 

3. Плановский А.Н., Николаев НИ. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. М.: Химия, 1972. 

Курс рассчитан на 34 часа лекционных и 17 часов практических 
занятий, включающих расчеты аппаратуры для улавливания и переработки отходов производства. Зачетной работой является разработка средств защиты окружающей среды применительно к производству того или иного материала электронной техники. 

4 

1.источники ЗАГРЯЗНЕНИЯ 
ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ 

Среда обитания человека - биосфера - простирается на 25 км выше 
уровня Земли- атмосфера и на 2 км вглубь Земла- литосфера. За 
4 млрд лег в биосфере установилось равновесие основных элементов 
органического мира- О, N, Н, С. Например, кругооборот кислорода: 
кислород воздуха - образование СОг - поглощение растениями С - выделение Ог. Установившееся равновесие нарушается в результате жизнедеятельности человека (антропологическое воздействие на природу). 

Локальное нарушение равновесия приводит к локальным катастрофам. Аварии в Чернобыле, Челябинске привели к радиационному 
заражению окружающего пространства. Прорыв дамбы в Румынии у 
золотоизвлекающего предприятия привел к попаданию цианистых 
соединений в Дунай, чтл вызвало гибель рыб и отравление воды. 
Аварии танкеров при перевозке нефтепродуктов загрязняют большие 
водные пространства, попадание диоксина в питьевую воду явилось 
причиной смерти большого числа людей и т. д. 

Кроме локальных катастрофических воздействий на природу происходит постепенное нарушение установившегося равновесия. К 
числу возможных губительных явлений следует отнести: 

- нарушение озонового слоя над землей может вызвать гибель 
животного мира под воздействием ультрафиолетовых лучей; 

- образование слоя СОг над земным покровом, создающее парниковый эффект и приводящее к расплавлению ледников Гренландии и затоплению суши земного шара; 

- нарушение баланса воды, ведущее к высыханию водоемов 
(Аральское море). 

Рассмотрим основные виды антропогенного воздействия на среду 
обитания. 

Рост народонаселения планеты. В XX в. народонаселение планеты увеличилось в четыре раза (с 1,5 до 6,0 млрд чел.), причем наблюдался экспоненциальный рост. Однако, по мнению СП. Капицы, 
далее темп роста должен снижаться и к 2012 г. численность народонаселения может достичь 12 млрд человек. 

Рост народонаселения требует увеличения производства продуктов питания, удовлетворения комфортности условий жизни (жилье, 
электричество, транспорт) и приводит к росту промышленного производства в два раза каждые 15 лет. 

5 

Рост промышленного производства обусловливает: 
1. Увеличение добычи сырья из недр Земли. На сегодня общее количество добываемой руды составляет около 800 млрд т. Из них выплавляется 100 млрд т металла. При изготовлении изделий из этого 
металла 25 млрд т уходит в отходы. Таким образом, из добытого сырья лишь 9 % полезно используется, а 91 % уходит в отходы. Так образуется огромное количество отходов вокруг заводов и шахт. 

Решение этой проблемы кроется в создании безотходных технологий. В качестве примера можно привести достижение высокого 
выхода металла из сырья да заводах, выпускающих благородные и 
редкие металлы, где вода от мойки полов и стирки спецодежды выпаривается и сухой остаток перерабатывается. Тряпки и старая спецодежда сжигаются, а зола поступает также на переработку. Все эти 
меры обеспечивают извлечение металла свыше 99 %. 

2. Опережающее развитие производства электроэнергии. Ее производство удваивается каждые 12 лет. Основным источником ее получения пока является углеродистое топливо, при сжигании которого 
образуются СОг, пыль и шлаки. Но, по оценкам специалистов, его 
хватит еще на 100-150 лет. 

Строительство гидростанций привело к зарастанию водохранилищ водорослями, потребляющими из воды кислород, что приводит 
к гибели рыбного стада. 

Атомные станции обеспечены радиоактивными источниками 
примерно на 300-350 лет. Эксплуатация атомных электростанций 
связана с возможным повышением радиации вокруг них, поэтому 
ряд стран отказывается от их использования. 

Актуальным является использование нетрадиционных источников 
электроэнергии: ветровые установки, морские приливы, солнечные 
батареи, термоэлектрические преобразователи должны получить 
большее распространение. 

Вся полученная электроэнергия в конце концов переходит в тепло. Мировое тепловыделение оценивается в Ю'' Вт. Тепловое излучение Солнца оценивается в Ю" Вт; его хватит на тысячелетие. 

3. Возрастание использования различных элементов в промышленности приводит к применению новых соединений, среди которых 
есть и вредные. Если в начале века использовалось 35, то в конце уже 90 элементов из 118 известных в таблице Менделеева. Общее 
число используемых соединений превышает 1,5 млн. 

4. Большим достижением века является создание полимерных материалов. Использование их позволяет сократить расход древесины и 

6 

металла. Однако переработка их отходов (например, полихлорвинила) представляет определенные трудности. Естественное разложение 
бумажных отходов происходит за два года, жестяных консервных 
банок - 90 лет, алюминиевых - за 500 лет, полиэтилена - за 200 лет. 

5. Широкое применение химикатов для средств повышения урожайности в сельском хозяйстве. Легко разлагающиеся органические 
удобрения заменяются минеральными. На поля вывозится ежегодно 
500 тыс. т химикатов, из них 40 тыс. т - вредных для здоровья человека, а 12 тыс. т - ядовитых. Смываемые с полей дождем химикаты 
загрязняют водоемы. 

6. Развитие коммуникаций привело к развитию транспорта, особенно автотранспорта с двигателями внутреннего сгорания. Выхлопные газы содержат отравляющие соединения СО, С2Н2, N0. 

Из всего количества потребляемой воды 97% возвращается в виде 
отходов, загрязненных вредными примесями: тяжелыми металлами 
(Hg, Си, РЬ, Zn, Cd и др.), органическими соединениями, твердыми 
отходами, количество которых достигает 17 млрд т в год. Вредные 
отходы попадают в водоемы, загрязняя их и делая воду непригодной 
для употребления. Смываемые твердые отходы приводят к заиливанию водоемов. Так, почти все реки России содержат вредные вещества в концентрации, много превышающей ПДК. 

Очистка воды для использования ее человеком требует больших 
затрат. Такова общая картина экологической обстановки, ее перспективы. Если не принять противодействующих мер, то человек может 
погубить сам себя (рис. 1.1). 

Организация защиты окружающей среды. Для предотвращения 
вредного воздействия на окружающую среду разработан комплекс 
мер на государственном и местном уровнях. 

1. Обязательное составление экологического паспорта предприятия, как действующего, так и вновь вводимого в действие. В нем по 
каждому переделу определяются количество и состав отходов, методы их улавливания и переработки (обезвреживания). 

2. За выбросы вредных веществ в атмосферу, гидросферу и литосферу взимаются штрафы, накладно отражающиеся на стоимости 
продукции. 

3. На предприятиях организованы специальные службы, контролирующие состав выбросов и отвечающие за соблюдение экологических норм. 

4. Организуется общественный контроль над экологией (движение «зеленых», Гринпис). 

7 

5. Проводится массовая разъяснительная работа и учебные занятия в школах, вузах, организациях и на предприятиях. 

6. Развивается производство средств защиты от загрязнения и 
очистки воздуха, воды. 

На основании вышесказанного для технолога, разрабатывающего 
производство какого-либо изделия, могут быть сделаны общие рекомендации: 

1) использовать процессы, позволяющие разрабатывать безотходную технологию; 

2) применять герметичное оборудование; 
3) использовать робототехнику, особенно при осуществлении пожаро- и взрывоопасных процессов; 

4) оснащать установки и рабочие помещения контрольной и сигнальной аппаратурой, следящей за содержанием вредных и взрывоопасных веществ. 

Структура и состав атмосферы. Атмосфера - газовая оболочка 
Земли. Ее масса около 5,9-10>^ т, она имеет слоистое строение и состоит из нескольких сфер, между которыми располагаются переходные слои - паузы. В сферах изменяются количество воздуха и температура. 

Наиболее плотный слой воздуха, прилегающий к земной поверхности, носит название тропосферы. Толщина ее в средних широтах 
составляет 10... 12 км над уровнем моря, на полюсах 7... 10, над экватором 16... 18 км. В тропосфере сосредоточено более 4/5 массы земной атмосферы. Из-за неравномерности нагрева земной поверхности 
в ней образуются мощные вертикальные токи воздуха, отмечаются 
неустойчивость температуры, относительной влажности, давления и 
т.д. Температура воздуха в тропосфере по высоте уменьшается на 
0,6 град на каждые 100 м и колеблется от +40 до -50Т. 

Выше тропосферы находится стратосфера, а между ними расположена тропопауза. В разных широтных зонах имеются два и иногда 
три уровня тропопаузы с разрывом по высоте между ними. Различают тропическую с высотой от 15 до 18 км и полярную тропопаузу 
высотой примерно 10 км. Граница разрыва между тропической и полярной тропопаузами постоянно меняется, но чаще всего она лежит 
между 35 и 50° широты в северном и южном полушариях. Третья 
тропопауза иногда появляется на промежуточных широтах и называется межширотной. Место разрыва ее с тропической тропопаузой 
приходится примерно на 30° широты, а с полярной - на 45°. 

9 

Стратосфера имеет протяженность около 40 км. Воздух в ней разрежен, влажность невысокая. Температура воздуха от границы тропосферы до высоты 30 км постоянная (около -50°С), а затем начинает повышаться и на высоте 50 км достигает 10°С. В стратосфере под 
воздействием космического излучения и коротковолновой части 
ультрафиолетового излучения Солнца молекулы воздуха ионизируются, в результате чего образуется озон. Озоновый слой находится 
на высоте 25...40 км. 

Стратопауза отделяет стратосферу от лежащей выше мезосферы. 
Высокая температура стратосферы, вероятно, является результатом 
полного поглощения солнечной ультрафиолетовой и инфракрасной 
радиации озоновым слоем. В мезосфере количество озона уменьшается, поэтому средняя температура там значительно ниже. На высоте 
примерно 80 км она равна -70°С. В слое мезосферы наблюдаются 
серебристые облака. Выше мезосферы расположена термосфера (или 
ионосфера), между ними имеется мезопауза. Для термосферы характерно непрерывное повышение температуры с увеличением высоты. 
На высоте 150 км температура достигает 200...240°С, на уровне 
200 к м - 500°С, а на высоте 500...600 км превышает 1500°С. В термосфере газы очень разрежены, молекулы их движутся с большой 
скоростью, но редко сталкиваются между собой и поэтому не могут 
вызвать даже небольшого нагревания находящегося здесь тела. 

Под действием солнечной радиации протекает множество реакций, в 
которых участвуют кислород, озон, азот, оксид азота, пары воды, диоксид углерода. Ионизация в основном происходит на высоте 70...80 км; 
при этом образуются отрицательные (N", О", Ог", СОз", N02", NOs" и положительные N^ Н^ О^ 02^ и др.) ионы. Эти ионы образуют различные 
комплексы: N0"-N2; N0"-C02; N0"-H2; 02"-(Н20). 

Наиболее удалена от Земли экзосфера (от 800 и до 1600 км). В ней 
еще обнаруживаются газы атмосферы и происходит утечка атомов (в 
основном водорода и гелия) в мировое пространство. 

Состав воздуха в нижних слоях атмосферы приведен в табл. 1.1. 
До высоты 100 км химический состав воздуха существенно меняется. 
Выше атмосфера состоит в основном из кислорода и азота. На высоте 
ПО... 120 км почти весь кислород становится атомарным. Предполагается, что выше 400.. .500 км и другие газы, составляющие атмосферу, находятся в атомарном состоянии. Кислородно-азотный состав сохраняется 
примерно до высоты 400...600 км. Bbmie 600 км в атмосфере начинает 
преобладать гелий. «Гелиевая корона» Земли простирается примерно до 
высоты 1600 км, а выше 2000.. .3000 км преобладает водород. 

10 

Таблица 1.1 

Состав воздуха в нижних слоях атмосферы 

Компоненты 

Азот 
Кислород 
Аргон 
Диоксид углерода 
Неон 
Гелий 
Криптон 
Ксенон 

Содержание 

% масс. 
% объем 

75,52 
23,15 
1,28 
0,046 
1,2-10 3 
7,2-10 ' 
3,3-10^ 
3,9-10 ' 

78,09 
20,94 
0,93 
0,0330 
1,8-10 ' 
5,2-10^ 
1-10^ 
8-10 « 

Компоненты 

Оксид азота 
Водород 
Метан 
Диоксид азота 
Озон 
Диоксид серы 
Оксид углерода 
Аммиак 

Содержание 

% масс. 
1 % объем 

2,5-10 3 
3,5-10 « 
0,8-10' 
8-10' 

1 0 ^ - 1 0 ' 


2,5-10^ 
5-10' 
1,5-10^ 
1,5-10^ 
2-10^ 
2-10' 
1-10' 
1-10' 

Классификация загрязняющих атмосферу веществ. По агрегатному состоянию все загрязняющие атмосферу вещества делят на четыре 
группы: твердые, жидкие, газообразные и смешанные. Кроме того, промышленные выбросы в атмосферу могут классифицироваться: 

1) по организации отвода и контроля (организованные и неорганизованные); 

2) по режиму отвода (непрерывные и периодические); 
3) по температуре (нагретые, у которых температура газопылевой 
смеси выше температуры воздуха, и холодные); 

4) по локализации (в основном, вспомогательном и подсобном 
производствах); 

5) по признакам очистки (рис. 1.2): на выбрасываемые без очистки 
(организованные и неорганизованные) и после очистки (организованные). 

При этом под очисткой газа понимается отделение от газа или превращение в безвредное состояние загрязняющего вещества, поступающего от промышленного источника. 

Организованный промышленный выброс - это выброс, поступающий в атмосферу через специально сооруженные газоходы, воздуховоды, трубы. Неорганизованным называется промышленный выброс, 
поступающий в атмосферу в виде ненаправленных потоков газа в 
результате нарушения герметичности оборудования, отсутствия или 
неудовлетворительной работы оборудования по отсосу газа в местах 
загрузки, выгрузки и хранения продуктов. 

Промышленные выбросы в атмосферу подразделяют также на 
первичные и вторичные. Первичные — это выбросы, непосредственно поступающие в атмосферу от тех или иных источников, а вторичные, будучи продуктами образования первичных, могут быть более 
токсичными и опасными, чем первичные. Типичное превращение 
некоторых веществ — их фотохимическое окисление. 

11 

Рис. 1.2. Классификация отходящих вредных веществ по признакам 
очистки и использования 

Источники загрязнения. Существуют два главных источника загрязнения атмосферы: естественный и искусственный (антропогенный) (рис. 1.3). 

Рис. 1.3. Классификация загрязнений 

12 

Космическая пыль образуется из остатков сгоревших метеоритов 
при их прохождении через атмосферу. Ежегодно ее выпадает на Землю 2... 5 млн т. Природная пыль является постоянной составной частью земной атмосферы и представляет собой мельчайшие твердые 
взвешенные в воздухе частицы радиусом 10-^...10-^ см и ядра конденсации со средним радиусом З-Ж' см. Частицы природной пыли 
имеют органическое и неорганическое происхождение и образуются 
в результате разрушения и выветривания горных пород и почвы, 
вулканических извержений, лесных, степных и торфяных пожаров, 
испарения с поверхности морей. Одним из источников пыли в нижних слоях атмосферы являются безводные пустыни и степи. Кроме 
того, она образуется аэропланктоном - бактериями, спорами растений, плесневыми и другими грибами, продуктами гниения, брожения 
и разложения растений и животных. 

Атмосферный воздух над океаном включает мельчайшие кристаллы солей магния, натрия, калия, кальция, образующиеся в результате высыхания в воздухе брызг воды. Как правило, естественное загрязнение не угрожает отрицательными последствиями биогеоценозам и обитающим в них живым организмам, хотя кратковременные последствия возможны. 

Атмосферная пыль имеет большое значение для процессов, происходящих на Земле. Она способствует конденсации водяных паров, 
а следовательно, и образованию осадков. Кроме того, она поглощает 
прямую солнечную радиацию и защищает организмы от солнечного 
излучения. Академик В.И.Вернадский отмечал, что атмосферная 
пыль играет огромную роль в жизни планеты. 

Биологическое разложение веществ на Земле, в том числе жизнедеятельность почвенных бактерий, ведет к образованию больших 
количеств сероводорода, аммиака, углеводородов, оксидов азота 
(N2O, N0, NO2), оксида и диоксида углерода. Все они попадают в 
атмосферу. 

Источниками антропогенного загрязнения атмосферы примесями 
служат теплоэнергетика, промышленность, нефте- и газопереработка, транспорт, испытания термоядерного оружия. Каждый из этих 
источников (и каждая отрасль производства) связан с выделением 
специфических примесей, состав которых насчитывает десятки тысяч веществ, иногда сразу не поддающихся идентификации. Однако 
наиболее обычные загрязняющие вещества, поступающие в атмосферу в массе и называемые поэтому многотоннажными, сравни
13