6. Общая характеристика процессов разделения и очистки

В основе процессов глубокой очистки материалов электронной техники используются различия в химических, физических и физико-химических свойствах разделяемых компонентов.

К основным процессам разделения и очистки относятся:

– процессы, основанные на сорбции. Включают в себя адсорбционные процессы, процессы ионного обмена и хроматографии;

– процессы, связанные с экстракцией, в основном жидкостной;

– кристаллизационные процессы;

– процессы, связанные с перегонкой через газовую фазу. Включают в себя процессы сублимации, дистилляции, ректификации, а также процессы химического транспорта;

– процессы, основанные на электролизе;

– процессы, основанные на различии коэффициентов диффузии;

– процессы избирательного осаждения, окисления и восстановления.

В общем случае очистку полупроводниковых и диэлектрических материалов и их компонентов обычно ведут в две стадии. На первой стадии компоненты этих материалов переводят в промежуточные химические соединения и производят очистку, используя практически все процессы, представленные в классификации. На второй стадии производят восстановление компонентов из промежуточных соединений с последующей очисткой.

Для количественной характеристики процессов разделения и очистки пользуются коэффициентами распределения и разделения.

Коэффициент распределения К – это отношение концентраций С определенного компонента (примеси) в двух граничащих фазах

. (2.1)

Коэффициент разделения β – это отношение коэффициентов распределения К двух компонентов (А и В) в системе из двух граничащих фаз

, (2.2)

где ; .

7. Сорбционные процессы

Сорбция – процесс поверхностного (адсорбция) и объемного (абсорбция) поглощения вещества на границе раздела двух фаз: твердой и жидкой, твердой и газообразной, жидкой и газообразной. Основными сорбционными процессами являются адсорбция, ионный обмен и хроматография.

Сущность адсорбции. Адсорбционная система состоит из адсорбента – вещества, на поверхности которого происходит поглощение, и адсорбата – вещества, молекулы которого поглощаются. По природе процессов адсорбцию делят на физическую и химическую.

При физической адсорбции молекулы адсорбата не вступают в химическое взаимодействие с адсорбентом и, таким образом, сохраняют свою индивидуальность на поверхности поглотителя; адсорбция в этом случае обусловлена действием сил Ван-дер-Ваальса. При химической адсорбции (хемосорбции) адсорбируемые молекулы вступают в химическую реакцию с адсорбентом с образованием на поверхности химических соединений.

Обратный процесс – удаление молекул с поверхности адсорбента – называется десорбцией. Физическая адсорбция в отличие от хемосорбции обратима. Процесс десорбции также может использоваться как метод очистки.

Адсорбция является избирательным процессом, то есть на поверхности адсорбента поглощаются только те вещества, которые понижают свободную энергию поверхностного слоя или, другими словами, понижают поверхностное натяжение относительно окружающей среды. Таким образом, используя различную адсорбционную способность веществ, находящихся, например, в растворе, можно осуществить их разделение и очистку, поглотив одно из них адсорбентом и оставив другое а растворе.

К наиболее распространенным на практике типам сорбентов можно отнести силикагели, активированные угли, а также различные виды сильно пористых или высокодисперсных алюминосиликатов.

Сущность ионного обмена. Ионный обмен представляет собой обратимый взаимообмен ионов с одноименными зарядами, протекающий между жидким раствором и твердым нерастворимым веществом, находящимся в контакте с этим раствором.

Твердое вещество, осуществляющее обмен ионов, называют ионитом или ионообменником, причем, если обмен происходит только положительными ионами, то ионит является катионным ионообменником – катионитом, ели же обмен осуществляется отрицательными ионами, то это анионный ионообменник, то есть анионит. Амфотерные иониты способны одновременно осуществлять катионный и анионный обмен.

Ионный обмен представляет собой стехиометрическое замещение в обмен на каждый эквивалент одного тона, поглощаемого из раствора, ионит отдает в раствор один эквивалент другого иона с зарядом того же знака. В этом заключается основное отличие ионного обмена от процесса адсорбции. При адсорбции, как было сказано выше, адсорбент только поглощает растворенное вещество, не отдавая в раствор никакого другого вещества.

Ионный обмен протекает по уравнению

А¹⁺ + В¹⁺ ↔ В¹⁺ + А¹⁺, (2.3)

где твердая фаза подчеркнута, он является строго стехиометрическим процессом.

Ионный обмен используется для получения деионизированной воды, когда ионит обменивает катионы примесей воды на ионы водорода Н⁺, а анионы – на гидроксильные ионы ОН^–.

Важнейшими ионитами являются синтетические смолы и угли, алюмосиликаты, оксиды.

Хроматографические методы очистки основаны на различии в сорбируемости компонентов разделяемой смеси на сорбенте. При движении через пористую среду компоненты смеси движутся с разными скоростями. Скорость движения компонента обратно пропорциональна степени сорбции. Поэтому смесь делится на полосы и зоны, образуя хроматограмму. Разделенные компоненты механически отделяют друг от друга.