Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы технологии электронной компонентной базы. Учебно-методическое пособие
.pdf
По оси ординат отложена доля превращения, показывающая отношение количества ионов, поглощенных ионитом в данный момент,
к максимальному количеству ионов, которые может поглотить ионит
в условиях проведения процесса (произведение ПДОЕ на массу ионита). При гелевой кинетике после перерыва скорость обмена возрастает за счет диффузии ионов в глубь ионита. В
случае пленочной
кинетики после перерыва вид кинетической кривой остается неизменным.
5.3.5. Кинетика ионообмена в колоннах
При пропускании раствора через колонну наблюдаются следующие явления (см. рис. 5.1). Первоначально (до пропускания раствора)
ионит в колонне насыщен противоионами А, которые должны замещаться ионами В. При пропускании раствора в колонне возникают I,
II и III
зоны. В зоне I ионит насыщен противоионами В до предельного значения концентрации. В зоне III ионит насыщен только противоионами А. В зоне II происходит взаимообмен между ионами А и
В. Эта зона является переходной. По мере пропускания новых порций раствора переходная зона, не изменяя своей высоты, перемещается в направлении движения
раствора вдоль колонны. Когда передний край переходной зоны достигает конца колонны, наблюдается
проскок ионов на выходе из колонны. Этот момент и соответствует
достижению ионитом ДОЕ. Расстояние между точками Г и Д выходной кривой (см. рис. 5.2) характеризует пик фронта ионов (высоту
переходной зоны). Пик фронта ионов, в свою очередь,
степень использования ионита
Q, равную отношению ДОЕ/ПДОЕ.
определяет
Чем больше острота фронта ионов, тем выше степень использования
ионита. Острота фронта замещаемых ионов повышается с увеличением общей скорости ионообмена, что наблюдается при применении
ионитов с меньшей степенью сшивки или при повышении температуры, при которой происходит процесс. Степень использования ионита увеличивается также при уменьшении
скорости протекания
раствора и его концентрации. Однако в последнем случае уменьшается производительность процесса. На практике считают оптимальными условия, при которых значение
Q = 0,7…0,8. При увеличении
скорости пропускания раствора переходная зона внутри колонны
расширяется (размывается фронт ионов), точка Д выходной кривой
смещается в направлении оси ординат и величина ДОЕ при этом
уменьшается.
51
Некоторое представление о лимитирующей стадии ионообмена в
колонне можно получить из анализа выходных кривых при изменении скорости пропускания раствора через колонну. Если увеличение
скорости пропускания раствора в колонне уменьшает ДОЕ, но не изменяет ПДОЕ, т.е. уменьшается
Q, то при этом наиболее вероятной
является гелевая кинетика, когда скорость движения раствора не оказывает влияния на диффузию ионов в зерне. ПДОЕ при этом достигает величины РСОЕ.
Если увеличение расхода раствора уменьшает ДОЕ, но увеличивает ПДОЕ, то наиболее вероятной в этом случае является пленочная
кинетика. Значение
Q здесь также уменьшается. ПДОЕ будет стре-
миться к ПОЕ за счет смещения равновесия при непрерывном отводе
продуктов реакции ионообмена. При пленочной кинетике возможно
одновременное увеличение ДОЕ и ПДОЕ с ростом скорости пропускания раствора, когда влияние скорости пропускания раствора сильнее влияет на коэффициент массоотдачи, чем на ширину переходной
зоны.
5.4. Конструкция установки,
используемые материалы
В работе проводится исследование процесса ионного обмена, протекающего в динамических условиях в колонне проточного типа,
представленного на рис. 5.1. При исследовании необходимо выявить
влияние скорости пропускания раствора постоянной концентрации
(0,05…0,1 г-экв/дм
ПДОЕ и
Q) и после сопоставления этих характеристик, полученных
при различных скоростях пропускания раствора, сделать заключение
о лимитирующей стадии процесса ионообмена.
В качестве ионита используется катионит КУ-2, через который
пропускается раствор CuSО
0,1…0,05 г-экв/дм
сополимера стирола и дивинилбензола. При этом образуются фиксированные ионы. КУ-2 представляет собой полупрозрачные сферические зерна радиусом 0,2 мм, стоек к щелочам, кислотам, органическим растворителям и окислителям, может работать при температурах до 100 °С. В данной работе он применяется в Н-форме, т.е.
сыщен противоионами водорода, который входит в активную группу
H. Насыпная масса воздушно-сухой смолы 0,7…0,75 г/см3, набу-
SO
3
хаемость в воде 20…150 %, величина РСОЕ по однонормальным рас-
3
) на выходные характеристики процесса (ДОЕ,
с концентрацией (нормальностью)
3
. Катионит КУ-2 получают при сульфировании
4
на-
52
творам NaOH – 4,9…5,1 мг-экв/г сухого ионита, по однонормальным
μ+μ
растворам Na
Cl – 2,8…4,7 мг-экв/г. Водный раствор CuSO
пред-
4
ставляет собой полупрозрачную жидкость синего цвета.
При пропускании раствора CuSO
через ионит ионы меди из рас-
4
твора сорбируются ионитом с выделением ионов водорода в раствор.
В результате по мере пропускания раствора накапливается серная
кислота, практически полностью диссоциированная в основном на
ионы Н
этой стадии составляет 10
+
и HSO
–
, так как константа диссоциации серной кислоты на
4
3
. Таким образом, реакцию ионного обмена
можно представить в виде
2(R – SО
H) + Cu2+ + SО
3
2–
→ (R – SО3)2Сu + Н+ + HSО
4
–
. (5.6)
4
Ионообменная колонна (см. рис. 5.1) представляет собой стеклянную трубку с внутренним диаметром 8…10 мм с краном в нижней
части для регулирования скорости пропускания раствора. Внутри
трубки на слое стеклянной ваты толщиной около 10 мм помещается
ионит. Высота слоя ионита 80…120 мм. Вес сухого ионита определяется взвешиванием перед засыпкой в колонну с точностью 0,01
г.
После засыпки сухого ионита колонна заполняется дистиллированной водой. При контакте с водой происходит его постепенное набухание. Время полного набухания ионита под действием воды не
менее 6 часов. Для поддержания постоянной скорости подачи раствора в верхнюю часть колонны имеется кран с расширителем. Уровень раствора в нем необходимо поддерживать
постоянным с точностью ± 0,5 см. Для слива раствора из расширителя в верхней части
колонны предусмотрен дополнительный кран. Выходящий из колонны раствор в дозированных количествах (5 или 10 см
3
) собирается в
мерные колбы, из которых отбирается проба для определения в ней
концентрации ионов меди. Для этого используется кондуктометрический метод, основанный на изменении электропроводности раствора
в зависимости от содержания ионов.
Электропроводность исходного раствора CuSО
С = 0,1 г-экв/дм
3
степень его диссоциации близка к единице, описы-
с учетом, что при
4
вается выражением
– заряд электрона; п – число ионов каждого знака в единице
где е
объема раствора, причем п
2–
соответственно.
SО
4
(2 2 )enσ=
≈ С; μ
12
1
, (5.7)
и μ2 – подвижности ионов Сu2+ и
53
При ионном обмене из раствора в ионит уходят двухзарядные ио-
en en X
μ+μ
μ+μ−μ−μ
ны меди и появляются однозарядные ионы Н
+
и HSО4. При этом ме-
няется электропроводность раствора. Если долю от исходного количества ионов меди, оставшихся в растворе, обозначить
нов меди в исходном растворе – п
, то можно получить закон, по ко-
X, а число ио-
торому в ходе процесса будет изменяться электропроводность раствора:
и μ4 – подвижности ионов Н+ и HSО4 соответственно.
где μ
3
()(22 )
σ=
34 1 234
+
, (5.8)
Как видно из формулы 5.4, зависимость электропроводности вы-
ходящего из колонны раствора от содержания в нем ионов меди (
X)
будет прямолинейной (величины μj – практически постоянны).
Кондуктометрическая ячейка (см. рис. 5.1) представляет собой
стеклянную трубку с внутренним диаметром 6…8 мм, в которую на
расстоянии 5 см друг от друга впаяны металлические электроды.
Нижняя часть трубки оканчивается краном для слива раствора. В
верхней части имеется воронкообразное расширение для заливки исследуемого раствора. К электродам приложен переменный электрический
потенциал величиной 8 В. Применение в измерительной схеме переменного тока исключает возможность возникновения электролиза в растворе. Образующиеся при электролизе газовые пузырьки
могут искажать результаты измерений. Возникающий между электродами ток поступает на выпрямляющий диодный мост, снабженный
сглаживающим фильтром-конденсатором, и через балластное сопротивление R1 и делитель напряжения R2 поступает на электронный
по-
тенциометр КСП-1, шкала которого отградуирована в милливольтах.
5.5. Порядок проведения работы и указания
по технике безопасности
В ходе работы студент должен получить две выходные кривые ионного обмена. Выходные кривые должны быть сняты при двух различных скоростях пропускания раствора одинаковой концентрации. По
выходным кривым рассчитываются ДОЕ, ПДОЕ и
римента используются для анализа кинетики процесса ионообмена между раствором и катионами КУ-2 в динамических условиях.
Перед работой необходимо ознакомиться с расположением деталей
и узлов установки, получить у лаборанта раствор CuSО
его исходной концентрации и навеске сухого ионита в колонне. Сле-
54
Q. Результаты экспе-
и данные о
4
дует помнить, что раствор CuSО4 и образующаяся в результате процесса серная кислота могут раздражающе действовать на кожные покровы и слизистую оболочку. В случае попадания их на незащищенные участки тела последние необходимо промыть холодной водой.
Во избежание электротравм, связанных с возможными неисправностями измерительной схемы, все ее металлические детали должны
быть надежно «занулены».
В течение всего периода эксплуатации
колонны для сохранения воспроизводимости характеристик ионит в
ней должен находиться в контакте с раствором или дистиллированной водой. (Перед работой ионит необходимо обязательно промыть,
и только после этого в колонну, заполненную дистиллированной водой, помещают ионит).
Для снятия выходной кривой ионного обмена необходимо сделать
следующее:
слить дистиллированную воду из колонны и залить исходный
•
раствор в расширитель ионообменника до метки. При этом краны в
нижней и верхней частях колонны должны быть закрыты;
• открыть краны ионообменника сначала – на выходе из расширителя, затем на выходе из колонны. Нижний кран следует открыть настолько, чтобы обеспечить требуемую (в
пределах 0,01…1 мл/с) ско-
рость пропускания раствора через колонну;
• слить первые 5…10 мл выходящего из колонны раствора для удаления оставшейся на поверхности ионита воды, после чего зафиксировать время начала процесса ионного обмена и отбирать порции раствора, выходящего из колонны, в мерные стаканы объемом 5…10 см
3
. При
этом фиксировать время отбора каждой порции в табл. 5.1;
• подготовить к работе кондуктометр. Для этого залить в кондук-
тометрическую ячейку пробу, отобранную от первой порции вышедшего из колонны раствора. В этой пробе полностью отсутствуют
ионы меди и содержится максимальное количество ионов Н
+
, обла-
дающих значительно большей подвижностью по сравнению с остальными ионами, которые могут присутствовать в растворе. Поэтому электропроводность первой порции раствора должна быть наиболее высокой. Проверить отсутствие воздушных пузырей между электродами кондуктометрической ячейки. При наличии пузырей их следует удалить путем слива небольшого количества раствора через
нижний
кран. Зафиксировать показания потенциометра U
для пол-
м
ностью очищенного от ионов меди выходящего из колонны раствора.
Для определения показаний потенциометра
U
, отвечающих макси-
м
мальной (исходной) концентрации ионов меди в растворе, в кондук-
55
тометрическую ячейку следует залить пробу исходного раствора
CCUUUU
CuSO
Значения
и зафиксировать по показаниям потенциометра величину U
4
U0 и U
занести в табл. 5.1 для проб под номерами «0» и
м
0
«1» соответственно;
• по мере получения очередных порций раствора заливать ото-
бранные от них пробы в кондуктометрическую ячейку и фиксировать
в табл. 5.1 значения
U, отвечающие содержанию в них ионов меди.
Для обеспечения постоянства скорости пропускания раствора в течение всего процесса необходимо следить за тем, чтобы уровень раствора в расширителе сохранялся в пределах ± 0,5 см. Обратить внимание на изменение окраски смолы в ходе процесса;
• в момент, когда концентрация ионов меди в растворе, выходящем из колонны, сравняется с концентрацией исходного раствора,
закрыть нижний и верхний краны ионообменника, слить раствор из
расширителя и промыть колонну дистиллированной водой;
• провести регенерацию ионита, пропуская через колонну со скоростью 0,1…0,5 см
3
/с раствор однонормальной НС1. Пропускание
НС1 прекратить после получения равномерной по всей высоте колонны коричневой окраски ионита;
• после регенерации колонну промыть дистиллированной водой,
после чего она будет готова к следующему опыту;
• сдать рабочее место лаборанту.
Таблица 5.1
Результаты эксперимента
№
Исходная кон-
экспе-
центрация ионов
ри-
меди в растворе,
мента
г-экв/дм3
№
про-
бы
Время с
начала
процесса, с
Объём
пропущен-
ного рас-
твора, см3
Показания
потенцио-
метра U,
мВ
Концентрация
раствора на вы-
ходе из колонны
С, г-экв/дм3
.
5.6. Обработка результатов эксперимента
По полученным значениям U рассчитать концентрацию ионов ме-
ди в пробах. Для этого можно воспользоваться уравнением, вытекающим из соотношений, приведенных в разд. 3:
где
U0 и Uм – показания потенциометра, отвечающие соответственно
концентрациям ионов меди в растворе, равной исходной (С
56
()/( )
=− −
0 мм0
, (5.9)
) и нулю.
0
По полученным данным построить выходные кривые. Рассчитать
средний расход раствора через колонну. Рассчитать ДОЕ, ПДОЕ и
Q в
соответствии с рис. 5.2. Оценить погрешность определения экспериментальных и расчетных величин. Результаты расчетов занести в табл. 5.2.
Таблица 5.2
Результаты расчётов
№ экспе-
римента
__________
*
Δ – относительная погрешность измерений
Концентрация ис-
ходного раствора,
г-экв/дм3
Скорость пропускания рас-
твора, см3/с ± Δ*
ДОЕ ± Δ,
мг-экв/г
ПДОЕ ± Δ,
мг-экв/г
5.7. Требования к отчету
Отчет должен содержать:
1) название;
2) описание цели работы;
3) краткое введение;
4) методику;
5) результаты измерений и расчетов в виде табл. 5.1 и 5.2;
6) выводы.
Контрольные вопросы
1. В чем заключается сущность ионообменных процессов?
2. Что такое иониты?
3. Что понимают под термином «емкость ионита»?
4. Как можно определить емкость ионитов?
5. Как изменяется ход выходных кривых ионного обмена в зави-
симости от условий его проведения?
6. Какие стадии могут лимитировать ионообменные процессы?
7. Как можно выявить лимитирующую стадию процесса ионного
обмена?
8. Какими уравнениями можно описать скорость ионного обмена
при различных лимитирующих стадиях процесса?
9. Для каких целей используется процесс ионного обмена при по-
лучении материалов микроэлектроники?
10. Как в ходе работы определяется концентрация ионов меди в
растворе?
57
11. От чего зависит острота фронта ионов в ионообменной колонне?
12. Как может измениться степень использования ионита при различных лимитирующих стадиях процесса ионного обмена?
13. Как будет изменяться равновесная обменная емкость ионитов
в зависимости от рН раствора?
14. Как подготовить ионит к использованию в процессе ионного
обмена?
Библиографический список
Kрапухин В.В., Соколов И.А., Кузнецов Г.Д. Технология материа-
лов электронной техники. М.: МИСиС, 2002. С. 206–220.
Зеликман
таллургических процессов. М.: Металлургия, 2003. С. 235–270.
А.Н., Вольдман Г.М, Беляевская Л.В. Теория гидроме-
58
Учебное издание
Рабинович Олег Игоревич
Крутогин Дмитрий Григорьевич
Маренкин Сергей Федорович
Подгорная Светлана Владимировна
ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ЭЛЕТКРОННОЙ
КОМПОНЕНТНОЙ БАЗЫ
Учебно-методическое пособие
Редактор И
Компьютерная верстка М
Подписано в печать 26.11.15 Бумага офсетная
Формат 60 × 90 1/
Рег. № 626 Тираж 60 экз. Заказ 4802
Национальный исследовательский
технологический университет «МИСиС»,
119049, Москва, Ленинский пр-т, 4
Издательский Дом МИСиС,
119049, Москва, Ленинский пр-т, 4
Тел. (495) 638-45-22
Отпечатано в типографии Издательского Дома МИСиС
119049, Москва, Ленинский пр-т, 4
Тел. (499) 236-76-17, тел./факс (499) 236-76-35
.Н. Машакина
16
.А. Шамарина
Печать офсетная Уч.-изд. л. 3,7
59
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]