Комплексные проблемы техносферной безопасности. материалы V Международной научно-практической конференции. Колодяжный С.А

ния. Установлено, что непосредственно вблизи области контакта ЛГР с поверхностью наблюдается осаждение продуктов травления. Это значит, что без активации поверхности материала плазмой, которая может заключаться в бомбардировке поверхности ионами и ее нагреве, травление не идет. Какова роль непосредственно физического распыления продуктов травления ионами и какова их роль как основного фактора локально нагрева поверхности является открытым. В любом случае ионы играют важную роль в процессе ТЛГР.

В [8] представлены результаты исследований электрофизических характеристик ЛГР проведенных при f = 13,56 MHz .

ПРИМЕНЕНИЕ Представляемая нами технология может быть успешно использована при производст-

ве микросистемой техники, изделий микроэлектроники, роботостроении и различных устройств, изготовляемых путем изменения топологии поверхностей материалов, в том числе, путем формирования объемных конфигураций. Представляемая технология имеет огромные перспективы и уже сейчас можно обозначить несколько направлений ее применения.

Во-первых, для размерного травления различных элементов на поверхности материалов без использования масок. Проведенные в работе [4] впервые были представлены результаты негативного травления рисунка в пленке SiO2 на Sic разрешением 5m.

Во-вторых, с помощью ТЛГР можно проводить обработку открытых поверхностей с большими скоростями эффективно используя электроэнергию и плазмообразующий газ.

В-третьих, метод позволяет проводить планаризацию поверхности, т.е. выравнивание, например, при изготовлении структур с многослойной металлизацией в микроэлектронном производстве.

В-четвертых, позитивное травление сложных структур с большими скоростями через накладные маски [9]. При этом разряд горит только над открытыми участками поверхности.

В-пятых, напыление ферромагнитных материалов при формировании гибридных наноструктур на полупроводниковой и диэлектрической подложке, как технология базовых элементов спинтроники [10, 11].

Литература

1.Абрамов А.В. Спектральные исследования нестационарного ВЧ разряд в тетрафториде углерода и гексафториде серы / А.В. Абрамов, Е. А. Абрамова, Ю. И. Дикарев, И. С.

Суровцев.//ЖПС, Т.71, No. 5, 2004, С. 655-659.

2.Пат. 2091904 Российская Федерация, 6 Н 01L 21/3065. Способ локального плазмохимического травления материал [Текст]/ Абрамов А.В.; заявитель и патентообладатель ГО-

УВПО ВГУ. - №95108003/25; заявл. 17.05.1995; опубл. 27.09.1997, Бюл.№27. - 4 с.

3.Абрамов, А. В. Травление материалов локализованным газовым разрядом / А.В. Абрамов, Е.А. Абрамова, И.С. Суровцев // Письма в ЖТФ. – 2001. – Т. 27. № 3. – С. 45-48.

4.Пат. 2436185 Российская Федерация, МПК Н 01L 21/3065. Способ локального плазмохимического травления материалов [Текст]/ заявители и патентообладатели Абрамов А.В., Панкратова Е.А., Суровцев И.С. - №2010127594/28; заявл. 02.07.2010; опубл. 10.12.2011, Бюл. №34. -3 с.

5.Abramov, A. V. Dimensional Etching of Silicon and Silicon Dioxide in a Localized Gas Discharge/A. V. Abramov, E. A. Abramova, I. S. Surovtsev// Technical Physics.- 2005.- Vol. 50, No.7.- P. 886-890.

6.Райзер, Ю. П. Физика газового разряда / Ю.П. Райзер. – М.: Наука, 1987. – 592 с.

7.Abramov, A. V. Rate of Localized Gas Discharge Etching of Silicon. /A. V. Abramov, E. A. Abramova, I. S. Surovtsev// Technical Physics.- 2014.- Vol. 59, No. 10.- Р. 1452–1456.

8.Abramov, A. V. Characteristics of a Localized Gas Discharge/ A. V. Abramov, E. A. Abramova, I. S. Surovtsev, D.Y. Zolototrubov // Technical Physics.- 2016. - Т86, Вып.1.- С. 50-54.

420

9.Пат. 2439740 Российская Федерация, МПК Н 01L 21/3065. Способ локальной плазмохимической обработки материал через маску [Текст]/ Абрамов А.В.; заявитель и патенто-

обладатель ГОУВПО ВГАСУ. - №2010126073/28; заявл. 25.06.2010; опубл. 10.01.2012,

Бюл.№1.-5 с.

10.Лазарев, A.П.Формирование магнитных наноструктур силицида никеля методом локализованного газового разряда/А.П. Лазарев, Б.М. Даринский, А.В. Абрамов, А.В. Тучин

//Вестник воронежского технического университета.-2011.-Т.7, №11.1. С.55-58.

11.Mariotti, D. Microplasmas for nanomaterials synthesis / D. Mariotti and R M. Sankaran

//J. Phys. D: Appl. Phys. -2010. - 43, 323001 (21pp).

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

A.V. Abramov, E. A. Pankratova, I. S. Surovtsev, E. V. Alekseeva

TECHNOLOGY DIMENSIONAL ETCHING MATERIALS

LOCALIZED GAS DISCHARGE

A fundamentally new method of dimensional non-hourly processing of materials by localized gas discharge is presented. Its main features and differences from traditional methods of dry etching are considered. The possible directions of its practical application for the implementation of various tasks are shown.

Key words: localized gas discharge, chemically active particles, etching, ions.

Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Voronezh state technical University

421

УДК 691.175:662.61

А.Ф. Долженков1, А.В. Агарков2, А.А. Мельниченко3

ПОГЛОЩЕНИЕ ПРОДУКТОВ ГОРЕНИЯ РЕЗИНОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ ПУТЕМ ОРОШЕНИЯ ВОДОЙ

Исследована возможность поглощения вредных веществ дистиллированной водой и водой естественных водоемов при орошении многокомпонентной газовоздушной смеси образующейся в процессе термодеструкции образцов резинотехнических изделий.

Ключевые слова: резинотехнические изделия, газовоздушные смеси, константа диссоциации, термодеструкция, хлорид водорода, формальдегид, фенол.

Во время пожаров на складах и в других помещениях, опасность представляют аварии и аварийные ситуации, связанные с химическим загрязнением продуктами горения резинотехнических изделий (РТИ) [1]. Поэтому, особую опасность представляют аварии и аварийные ситуации, связанные с химическим загрязнением окружающей среды. Проблеме химического загрязнения окружающей среды продуктами горения РТИ различной степени опасности посвящен целый ряд публикаций [2-8]. При ликвидации пожаров применяются различные способы нейтрализации продуктов горения [4, 6, 9].

Целью работы является исследование возможности поглощения вредных веществ дистиллированной водой и водой естественных водоемов при орошении многокомпонентной газовоздушной смеси образующейся в процессе термодеструкции образцов РТИ.

Нами была исследована возможность поглощения вредных веществ дистиллированной водой и водой естественных водоемов при орошении многокомпонентной газовоздушной смеси, образующейся в процессе термодеструкции образцов РТИ: резиновые, резинотканевые, поливинилхлоридные изделия. При этом было учтено, что в реальных условиях, идет поглощение не чистого вещества, а смеси нескольких газов и на определение концентрации влияет присутствие других растворенных веществ. Конечный итог изысканий отображен в табл. 1.

Анализ результатов табл. 1 показал, что самая высокая степень поглощения дистиллированной водой наблюдается при орошении хлорида водорода, что объясняется необратимой диссоциацией при растворении в воде с образованием ионов НС1 → Н++ С1- и самой высокой константой диссоциации (КД = 1*107 моль/дм3). То есть‚ степень поглощения исследуемых вредных веществ водой, возрастает с увеличением их константы диссоциации.

Таблица 1

Поглощение вредного вещества из газовоздушной смеси, образующейся при термодеструкции образца РТИ (орошение дистиллированной водой)

_________________________________

© Долженков А.Ф., Агарков А.В., Мельниченко А.А., 2019

422

Бесспорно, продемонстрированные компоненты в табл. 1 вступают в реакции взаимодействия с водой и подвергаются при растворении электролитической диссоциации, поэтому имеют более высокую степень поглощения по сравнению с оксидом углерода. Сероводород (Н2S) и диоксид серы (SО2) при растворении в воде образуют слабые кислоты, имеющие невысокие значения константы диссоциации (для Н2S: КД1= 6*10-8 моль/дм3 и КД2 = 1*10-14 моль/дм3; для SО2: КД1 = 1,58*10-2 моль/дм3 и КД2=6,31*10-8 моль/дм3).

Поскольку, ключевым аспектом оказывающим воздействие на процесс поглощения, является время пребывания вредного вещества в зоне орошения, было исследовано влияние времени орошения на степень поглощения (табл. 2). Исходную концентрацию хлорида водорода получали испарением в условиях вынужденной конвекции под действием воздушного потока в замкнутом объеме, в котором проводили орошение.

Анализ результатов табл. 2 показывает, что за первые 6 с орошения происходит поглощение почти 55 % хлорида водорода водой естественных водоемов и более 70 % дистиллированной водой. После 16 с орошения водой естественных водоемов поглощается более 82 % хлорида водорода, дистиллированной водой – 94 %. То есть, поглощение дистиллированной водой идет быстрее и более эффективно. Дальнейшее орошение не приводит к существенному повышению поглощения.

Таблица 2 Зависимость от степени поглощения хлорида водорода от времени орошения

С* – концентрация вредного вещества в воздухе; СП** – концентрация вредного вещества после поглощения.

При горении основных полимерных материалов, образуются значительные количества хлорида водорода, концентрация которого при пожарах превышает значения ПДК. Поэтому, поглощение хлорида водорода представляется одной из наиболее важных задач. Наряду с этим, выделяются формальдегид и фенол, в связи с чем, были исследованы процессы поглощения этих вредных веществ. Моделирование неорганизованных выбросов пыли и газов в атмосферу при взрывных работах на карьерах горно-обогатительных комбинатов проведены авторами работ [6, 10-14].

Как показали исследования (табл. 3), поглощение водой естественных водоемов фенола и формальдегидов менее эффективно по сравнению с дистиллированной водой, вероятно, за счет присутствия в ней большого количества катионов натрия, калия и кальция и анионов хлора которые по отношению к фенолу и формальдегиду обладают высаливающим действием, что приводит к снижению поглотительной способности воды.

Была установлена зависимость (1), взаимосвязывающая результаты измерений, описывающие особенности адсорбции токсичных компонентов предметами внешнего мира, во-

423

дяным потоком орошения и химической лигатурой к нему, характеристики аэрационных струй и мельчайших частиц воды в поле силы тяжести:

, (1)

где К – критерий моделирования, характеризующий столкновения капель жидкости со стенами помещения; М – критерий подобия, характеризующий силы гравитации; N, N0, N1 – эталоны аналогии при имитации реализации адсорбции токсичных материалов стенами помещения, мельчайшими частицами водяной пыли и примесной химической лигатурой в ней.

Таблица 3

Поглощение вредного вещества из газовоздушной смеси, образующейся при термодеструкции РТИ, водой естественных водоемов и дистиллированной водой

Анализ уравнения (1) полученного при разработке математической модели поглощения вредных веществ, показал, что степень поглощения может быть увеличена за счет введения в воду специальных реагентов.

Итог построенной модели адсорбции токсичных компонентов в относительных координатах без существования и привнесении водяного потока орошения с примесной химической лигатурой к нему и без примесных добавок (рисунок).

Эталоны аналогии при имитации реализации адсорбции токсичных материалов по-

стулированы: К = 0,5; М = 1; N = 0,05; N0 = 0 – 0,1; N1 = 0 – 0,4.

Рис. Относительное изменение концентрации вредного вещества в шахтном воздухе с расстоянием от источника выделения: 1 – без использования водяной завесы;

2 – поглощение водой; 3 – поглощение водным раствором с химической добавкой

424

При данных обстоятельствах, возможно, сократить концентрацию токсичных компонентов до максимально (МДК) или предельно допустимого уровня (ПДК) с применением водяной завесы без химических добавок не удаётся (рисунок).

Таким образом, для снижения концентрации вредных веществ в помещениях за водяной завесой необходимо разработать и проверить в лабораторных условиях составы водных композиций, обладающих поглотительной способностью по отношению к основным вредным веществам.

Литература

1.Беляева Л.С. Конвейерные ленты – источник токсичных веществ при пожарах / Л.С. Беляева ‚ Н.Н. Бойко, О.А Жадан. – Уголь Украины. – 2001. – №1. – С. 34–35.

2.Киреев А.А. Экспериментальное определение массовой скорости выгорания резины / А.А. Киреев, А.Б. Каракулин, К.В. Жерноклёв / НУГЗУ. – Сборник научных трудов.

Выпуск 35, 2014. – С. 82–87.

3.Тарасова Т.Ф. Экологическое значение и решение проблемы переработки изношенных автошин / Т.Ф. Тарасова, Д.И. Чапалда: Вестник Оренбургского государственного университета. – 2006. – Т. 2. – № 2. – С. 130–135.

4.Звягинцева А.В., Болдырева О.Н., Федянин В.И. Прогнозирование развития чрезвычайных ситуаций при нарушении экологического и технологического регламента производства (статья) Технология гражданской безопасности. Научно-технический вестник МЧС России. Москва, 2006, № 2(8), с. 93-95.

5.Звягинцева А.В., Федянин В.И., Чекашов К.В. Анализ техногенного загрязнения природной среды (статья) Технология гражданской безопасности. Научно-технический вестник МЧС России. Москва, 2006, № 2(8), с. 96-98.

6.Звягинцева А.В., Федянин В.И., Яковлева А.И. Оценка биолого-социальных последствий горения нефти и нефтепродуктов на поверхности водоемов (статья) Вестник ВГТУ. Серия «Системы и средства безопасности в ЧС». Воронеж: ГОУВПО «ВГТУ», т.3,

№2, 2007, с. 50

7.Звягинцева А.В. Мониторинг стихийных бедствий конвективного происхождения по данным дистанционного зондирования с метеорологических космических аппаратов: монография / А.В. Звягинцева, А.Н. Неижмак, И.П. Расторгуев. Воронеж: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2013. 162 с.

8.Звягинцева А.В., Расторгуев И.П., Соколова Ю.П. Прогнозирование опасных метеорологических явлений в определении характера и масштабов стихийных бедствий: монография /под общ. ред. И.П. Расторгуева. Воронеж: ГОУВПО «ВГТУ», 2009. - 247 с

9.Hammer Ch. Управление комплексного обращения с отходами: штат Калифорния: реферат 10 / Ch. Hammer, T.A. Gray / Ресурсосберегающие технологии. Экспрессинформация. ВИНИТИ. – 2008. – № 3. – С. 14–31.

10.Звягинцева, А.В. Моделирование неорганизованных выбросов пыли и газов в атмосферу при взрывных работах на карьерах горно-обогатительных комбинатов / А.В. Звягинцева, С.А. Сазонова, В.В. Кульнева // Моделирование систем и процессов. - 2019. - Т.

12.- № 2. - С. 17-25.

11.Звягинцева, А.В. Моделирование процессов и разработка мероприятий по сокращению пылегазовыделения на карьерах горно-обогатительного комбината / А.В. Звягинцева, С.А. Сазонова, В.В. Кульнева // Моделирование систем и процессов. - 2019. - Т. 12. - № 2. -

С. 26-32.

12.Звягинцева, А.В. Моделирование процессов и совершенствование мероприятий по улучшению условий труда на горно-обогатительном комбинате / А.В. Звягинцева, С.А. Сазонова, В.Ф. Асминин // Моделирование систем и процессов. - 2019. - Т. 12. - № 2. - С. 10-16.

13.Звягинцева, А.В. Моделирование неорганизованных выбросов пыли и газов в атмосферу при взрывных работах на карьерах горно-обогатительных комбинатов / А.В. Звя-

425

гинцева, С.А. Сазонова, В.В. Кульнева // Моделирование систем и процессов. - 2019. - Т.

12.- № 2. - С. 17-25.

14.Звягинцева, А.В. Моделирование процессов и разработка мероприятий по сокращению пылегазовыделения на карьерах горно-обогатительного комбината / А.В. Звягинцева, С.А. Сазонова, В.В. Кульнева // Моделирование систем и процессов. - 2019. - Т. 12. - № 2. -

С. 26-32.

1Государственный научно-исследовательский институт горноспасательного дела, пожарной безопасности и гражданской защиты «Респиратор» МЧС ДНР 2Государственный научно-исследовательский институт горноспасательного дела, пожарной безопасности и гражданской защиты «Респиратор» МЧС ДНР

3ГОУ ВПО «Донбасская национальная академия строительства и архитектуры»

A.F. Dolzhenkov1, A.V. Agarkov2, A.A. Melnichenko3

ABSORPTION OF COMBUSTION PRODUCTS OF INDUSTRIAL RUBBER GOODS BY MEANS OF WATER SPRAYING

The possibility of absorption of harmful substances with distilled water and water of natural reservoirs when spraying the multicomponent gas-air mixture forming in the process of thermal destruction of specimens of the industrial rubber goods was investigated.

Key words: industrial rubber goods, gas-air mixtures, dissociation constant, thermal destruction, hydrogen chloride, formaldehyde, phenol.

1The «Respirator» State Scientific Research Institute of Mine-rescue Work,

Fire Safety and Civil Protection of the MChS DРR

2The «Respirator» State Scientific Research Institute of Mine-rescue Work,

Fire Safety and Civil Protection of the MChS DРR

3The State Educational Institution of Higher Occupational Education

«The Donbas National Academy of Civil Engineering and Architecture» of the MChS DРR

426

УДК:554.634.076.326

В.И. Дроздов

РОЛЬ «ПРОВАЛА» ВАЛЕНТНОГО ЭЛЕКТРОНА В ФОРМИРОВАНИИ ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ ПОТЕНЦИАЛОВ

В статье в сокращённом виде показаны основные факторы, определившие потенциал электрода в элекрохимическом процессе, на примере электродов первого рода. Исследование базируется на математическом подходе к опубликованным данным. Предполагается приоритет за электронным переносом на границе металл – раствор. Процесс, который мало исследован в современной науке. Предложен двойственный путь перемещения электрона в окислительно – восстановительном процессе. В качестве исходного образца для исследования взята электронная структура атома золота, в котором электрон находится в жёстких условиях, так как действует запрет Паули. Это позволило выявить основные критерии процесса, помимо энергии ионизации, такие, как валентность,число электронов на подслое и расстояние между двумя верхними электронными слоями. Подобраны металлы с наилучшими условиями «провала» и наихудшими условиями, и проведено качественное сравнение смещения металлов в положительную сторону. Установлено полное совпадение гипотезы с экспериментом. Показана диаграмма дополнительного прироста потенциалов, которая даёт числовое значение прироста в Вольтах. Выявлено влияние окислителя на исследуемый процесс и установлена последовательность анионов, что позволяет преобразовать ряд потенциалов в таблицу потенциалов. Проведено математическое исследование «провала» , отдельных его компонентов и построены аналитические формулы элементарных функций, что позволило написать общую формулу в виде ряда Тейлора, в которой показана математически точная зависимость потенциалов от электронной структуры атомов.

Ключевые слова: электрон, переход на подуровень (падение), орбиталь, энергия ионизации, потенциал.

ВВЕДЕНИЕ Один из фундаментальных законов химии и электрохимии – ряд стандартных окисли-

тельно-восстановительных потенциалов остаётся не расшифрованным до настоящего времени. Впервые решение задачи предпринято с позиции электронного переноса.

Совершенно очевидно, что расстановка металлов в ряду должна зависеть от энергии ионизации. Статистика распределения подтверждает это обстоятельство. В правой части ряда собраны металлы с высокой энергией ионизации, а в левой с малой. Но локально просматриваются многочисленные аномалии, нет чёткой функциональной зависимости.

Механизм окислительно-восстановительного процесса детально исследован в теории Маркуса, как переход валентного электрона с орбитали металла на орбиталь окислителя, путём перекрывания поверхностей потенциальных энергий. Однако выводы из этой теории не согласуются с экспериментом.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Причина непонимания заключается в том, что наука рассматривает только один путь

перемещения электрона. Но, согласно раздела квантовой механики -теории возмущений, электрон имеет так же возможность «провалиться» в подуровни атома и избежать участь окисления. По этому наличие вероятности двух путей для электрона накладывает существенные коррективы на окислительно-восстановительный процесс.

Исследование вероятности «провала» валентного электрона начинается с металлов с наиболее жёсткими условиями, у которых ближайший подуровень заполнен полностью и действует запрет Паули. Процесс рассматривается на примере атома золота. См. рис.1. При подготовке статьи были рассмотрены работы [1-21].

_________________________________

© Дроздов В.И., 2019

427

На рисунке 2 показан прирост потенциалов относительно водорода. Совершенно очевиден высокий прирост у золота, металла с хорошими условиями «провала», и слабый прирост у бериллия, металла с плохими условиями провала.

Рис.2. Прирост потенциалов относительно водорода

Так же хорошо это видно на примере металлов с одинаковой энергией ионизации (рис. 3), где магний, никель и серебро имеют одинаковую энергию ионизации – 7,6. э-Вольт.

7,6 э-В

Рис. 3. Металлы с одинаковой энергией ионизации

Mg из этих трёх элементов имеет меньшую вероятность “провала” и меньшее смещение в положительную область, так как имеет на подуровне меньшее число электронов - 6, наибольшее расстояние между уровнями- 1,032А0, и он двухвалентен.

Ni имеет больше электронов на подуровне- 8, короче расстояние между уровнями- 0,814А0, так же двухвалентен.

Ag имеет наибольшую из сравниваемых элементов вероятность “провала”, так как на подуровне 10 электронов, расстояние между уровнями кратчайшее- 0,75А0 и серебро одновалентно. Их потенциалы изменяются именно в такой последовательности:

Mg = -2,363В, Ni = -0,25В, g = 0,799В, что точно подтверждает предположение. Поскольку “провал” возможен у всех металлов, с разной вероятностью, то необходи-

мо предположить, что все металлы сместились в положительную область относительно того положения, которое они бы занимали, если б их потенциал был определён только энергией ионизации, но с разным расстоянием перемещения.

Проанализируем влияние отдельных параметров. Электрон в атоме находится в потенциальной яме. Если увеличить энергию, перевести электрон в возбуждённое состояние, то, при достижении энергетического нуля, электрон покидает атом и становится свободным электроном проводимости. На этом рубеже электрохимия заканчивается.

Водород не имеет подуровня и потенциал сформирован только энергией ионизации. Тогда потенциал нулевого энергетического уровня равен -13,6 В. Это база, отрицательнее которой потенциал быть не может. Если нулевому энергетическому уровню присвоить потенциал 0, то потенциал водорода будет равен 13,6 В. В такой шкале потенциал золота

13,6 + 1,66 = 15,26 В. Из них 9,2 В сформировала энергия ионизации, а остальное 6,06В прирост созданный провалом.

429