Büyük Kimya: Ultra Saf Su | Hackaday

[ad_1]

Mezuniyetten sonraki ilk işim Cambridge, Massachusetts’teki bir biyoteknoloji şirketindeydi. Küçük bir kıyafetti ve herkesin, yapmak için tutuldukları bilime ek olarak bir “laboratuvar işi” vardı – laboratuvarın ortak alanlarını korumak için bir görev. Benim işim, herkesin çalışmak için bol miktarda saf, deiyonize suya sahip olmasını sağlayan su arıtma sistemlerini korumaktı. İş, esas olarak, musluk suyunu bilim için yeterince temizleyen son cilalama ünitelerinin filtre ve iyon değiştirme kartuşlarını değiştirmekten ibaretti.

Filtre paketlerini değiştirdiğimde, içlerindeki sümük ve tortu katmanları beni her zaman şaşırttı ve iğrendi. Charles nehrinin kıyısındaki pencereden dışarı bir bakış – o kirli suyu seviyorum – gördüklerimi açıklamaya yetti ve bu, içtiğiniz ve yemek pişirdiğiniz suya ne kadar başka şeyin karıştığı konusunda bir ders oldu. banyo yapmak

Biz insanlar genellikle makul derecede saf olarak değerlendirilen suyla oldukça iyi iş çıkarabilsek de, endüstriyel süreçlerimiz tamamen başka bir şeydir. Enerji santrallerinden ilaç üretim tesislerine kadar her şey çok, çok daha yüksek saflıkta suya ihtiyaç duyar, ancak hiçbir şey yarı iletken bir fabrikanın uzmanlaşmış, nanometre ölçekli işlemlerinden daha saf su gerektirmez. Fakat sıradan musluk suyu, kirletici maddelerin trilyonda bir parça olarak ölçüldüğü saflıkta bir kimyasala nasıl dönüşür? Ve fabrikalar ihtiyaçlarını karşılamak için bu ultra saf suyu nasıl üretiyor? Bazı büyük kimya ile.

Sadece Su, Lütfen

Standartlar sektöre göre değişse de, genel olarak ultra saf suyun (UPW) ulaştığı saflık düzeyi neredeyse inanılanın ötesindedir ve içme suyu gibi bir şeye kıyasla zarar görür. En saf içme suyu bile gerçekten suda çözünmüş mineral ve gazların karmaşık bir karışımıdır ve içinde çok sayıda partikül de asılıdır. UPW’nin içme suyundan ne kadar farklı olduğuna bir örnek olarak, ABD Çevre Koruma Ajansı, içme suyundaki krom sınırını milyonda sadece 0.1 parça olarak belirler. Ancak yarı iletken sınıfı UPW için sınır, kişi başına 2 parçadır. trilyon – 50.000 kat daha az!

Yarı iletken üretiminde yer alan ölçekleri düşündüğünüzde, katı UPW standartları çok mantıklı geliyor. Silikon levhalar üzerine kazınan özelliklerin boyutu, işlem düğümüne göre değişir, ancak mevcut işlemler, çapı yalnızca birkaç nanometre olan bir parçacık tarafından kolayca öldürülebilir. Ölçek için, bir koronavirüs parçacığı 100 nm mertebesindedir. UPW’deki partiküllerin kontrolü can sıkıcı olabilir, çünkü partiküller, arıtma prosesinde kullanılan kimyasalların boruları, tankları, pompaları ve fıçılarının hemen her yerinden gelebilir.

Parçacıklar, ele alınması gereken tek kirletici değildir. Fab fabrikanın UPW ekipmanının pürüzsüz, temiz yüzeyleri yaşamın gelişmesi için zayıf bir yer gibi görünse de, bakterilerin en olası ekolojik nişleri bile kolonize etme yeteneği kanıtlanmış. Biyofilmler UPW sistemleri için büyük bir sorun teşkil edebilir ve suyun birikmesine izin verilen herhangi bir yerde oluşabilirler. Biyofilmler hem partikül kontaminasyonuna hem de esasen ölü bakterilerin kalıntıları olan toplam oksitlenebilir karbona (TOC, yani toplam organik karbon) katkıda bulunabilir.

Partiküller ve TOC dışında, UPW kontaminasyonuna diğer ana katkıda bulunanlar, mineraller ve gazlar gibi suda çözünür maddeler olma eğilimindedir. Sodyum büyük bir endişe kaynağıdır, çünkü esas olarak UPW’yi işlemek için kullanılan iyon değişim reçinelerinde önde gelen bir sorun göstergesi olma eğilimindedir – daha fazlası aşağıdadır. Silikatlar, çözünmüş gazlar gibi bir endişe kaynağıdır – oksijen oldukça reaktiftir ve bir çip oluşturmak için gereken metal katmanları kolayca oksitleyebilir ve karbondioksit suda kolayca ayrışarak karbonik asit oluşturur, bu da suyun iletkenliğini artırır ve zararlıdır. gofret işlemleri için.

Polonyalı koymak

Özetle, cips yapımında kullanılacak suyun mümkün olduğu kadar “sadece suya” yakın olması gerekir. Ancak bu şekilde elde etmek, kayda değer miktarda çaba gerektirir. Ve bu sadece saflık değil, aynı zamanda hacimdir. Bir yarı iletken fabrika, günde iki ila üç milyon galon (7 – 12 milyon litre) akıllara durgunluk veren miktarda UPW kullanır. Bu kadar suyu bu kadar katı gereksinimlere göre arıtabilen, ihtiyaç duyulana kadar bu saflıkta tutabilen ve mümkün olduğunda geri dönüştürebilen süreçler oluşturmak büyük bir zorluktur.

UPW üretimi, ham besleme suyunun toplu olarak işlenmesiyle başlar. Buradaki adımlar, çoğu belediye atık su arıtma tesisinde görülen süreçleri içerir – herhangi bir askıda katı maddeyi bir araya toplamak için topaklaştırıcı ve pıhtılaştırıcı bileşiklerin eklenmesi, kümelerin çökmesini sağlamak için çökeltme ve geri kalanı çıkarmak için toplu filtrasyon. Bu adımlar, en büyük, en kötü parçaları ortadan kaldırmaya hizmet eder – nispeten konuşursak; çoğu fabrika için besleme suyu, insan tüketimi için uygun olan belediye suyudur ve suyu, sırayla daha ince kirleticileri ortadan kaldıracak işlemler için hazırlar.

Bir sonraki adım genellikle bir veya iki ters ozmoz veya RO aşamasıdır. Adından da anlaşılacağı gibi, ters ozmoz, yarı geçirgen bir zar boyunca iki çözünen maddenin konsantrasyonu arasında bir dengesizlik olduğunda ortaya çıkan doğal ozmoz sürecinin tersidir. Çözücü, dengesizliği gidermek için düşük çözünen konsantrasyonu olan taraftan daha konsantre tarafa göç etme eğilimindedir. RO’da, ozmotik basıncın üstesinden bir pompa ile sisteme enerji verilerek aşılır, bu da çözücüyü (su) bir zardan daha düşük çözünen konsantrasyonuna sahip tarafa göç etmeye zorlar ve çözünenleri geride bırakır. Yarı geçirgen zar, polisülfon ve poliamid gibi, suyun geçebileceği, ancak daha büyük çözünen maddelerin geçemeyeceği bir bariyer oluşturan polimer katmanlarıyla kaplı dokunmamış bir kumaş destek katmanından yapılmıştır.

Ultraviyole ışık, UPW üretiminin birkaç aşamasında kullanılır. Doğru dalga boyundaki UV, yalnızca ön işlem adımlarından sonra kalan bakterileri öldürmekle kalmaz, aynı zamanda bakteri kalıntılarındaki proteinler, DNA ve RNA gibi biyopolimerleri de bozar. Bu makromoleküller bu aşamada ne kadar çok parçalanırsa, işlemenin sonraki aşamalarında ortadan kaldırılması o kadar kolay olacaktır.

UV su arıtma sisteminin kesit görünümü. Kaynak: Adobe Stock

Proses suyundan elektrik yüklü kirleticileri uzaklaştırmak için iyon değiştirme işlemi kullanılır. İyon değişimi, yüzeylerinde bağlanma yerleri olan özel polimer reçine boncukları kullanır. Bağlanma yerleri ya pozitif yüklü (katyon değiştirici) ya da negatif yüklüdür (anyon değiştirici). Proses suyu bir iyon değişim reçinesi teknesi üzerinden aktığında, çözeltideki yüklü iyonlar reçinedeki bölgelere zıt yük ile bağlanma eğilimi gösterir ve onları proses suyundan etkin bir şekilde temizler.

Elektro deiyonizasyon (EDI) adı verilen iyon değişimi üzerinde bir varyasyon da bazen kullanılır. EDI, proses suyundan iyonları uzaklaştırmak için yarı geçirgen membranlarla ayrılmış çoklu reçine yataklarından geçen bir elektrik akımı kullanarak, temel olarak ters ozmoz ve elektroliz ile iyon değişimini birleştirir.

Ölçülemeyeni Ölçmek

Son bir gaz giderme adımından sonra, UPW nihayet fab proseslerine girmek için yeterince saftır. Yoksa öyle mi? Bunu bilmek zor, çünkü üretim süreci gereksinimlerini karşılayacak kadar temiz olan UPW, mevcut herhangi bir teknolojiyle ölçülemeyecek kadar temiz. Bu, mühendisleri zor bir duruma sokar, çünkü UPW sürecinin kusurlu olup olmadığını bilmenin tek güvenilir yolu, talaş veriminde bir düşüş görmek ve en hafif tabirle pahalı ve savurgan tahlillerdir.

Buna rağmen, UPW sürecini izlemek için kullanılan bazı metroloji yöntemleri vardır. Birincil ölçüm, bir dizi kirleticinin varlığını yargılamak için kullanılabilen suyun iletkenliğidir. Pratik nedenlerden dolayı, iletkenlik, özdirenç, genellikle 25°C’de 18.18 MΩ⋅cm saf su okunarak ölçülür. Direnç son derece hassas olabilir – milyarda sadece 0.1 parçaya sodyum eklenmesi direnci 18.11 MΩ⋅cm’ye düşürür ve böyle bir düşüş, yukarı yönde bir iyon değişim yatağının dikkat edilmesi gerektiğini gösterebilir. Ve daha önce de belirtildiği gibi sistemdeki hava kaçakları CO’nun neden olduğu direnç değişikliği ile tespit edilebilir.2 sistemde çözülür.

Ancak partikülleri ölçmek söz konusu olduğunda, fab dereceli UPW için gerekli olan bu tür seyreltik ve çok küçük partikülleri tespit edebilecek pek çok yöntem mevcut değildir. Yaklaşan bir teknoloji, bir su örneğinden polarize lazer ışığını sektiren dinamik ışık saçılımıdır (DLS). Saçılan ışık, saçılan ışığın anlık görüntüsünün alındığı bir dedektöre giderken başka bir polarizörden geçer. İşlem kısa bir süre sonra mikrosaniyeden nanosaniyeye kadar tekrarlanır ve görüntüler karşılaştırılır. İki görüntü arasındaki fark, numunedeki parçacıklar ne olursa olsun Brownian hareketine ve parçacıkların hareketlerinin neden olduğu yapıcı veya yıkıcı girişime atfedilebilir. Bu, partikül sayısının ve boyut dağılımının, potansiyel olarak alt nanometre aralığına kadar bir ölçümüyle sonuçlanır.

Fabrika proseslerinde kullanıldıktan sonra atık yüklü suyu alan ve daha fazla kullanım için geri kazanan inanılmaz derecede karmaşık geri dönüşüm sistemleri de dahil olmak üzere fabrikalar için UPW sistemlerinde çok daha fazlası vardır. UPW standartları da çok hareketli bir hedeftir. Geçmişteki daha büyük işlem düğümlerinde fark edilmeyecek olan kirleticiler artık 5 nm düğümler için öldürücü parçacıklar olarak kabul ediliyor, bu nedenle, süreç düğümleri ilerledikçe UPW standartlarının daha da katı hale gelmesi gerekeceği mantıklı. Ve mühendisler ayak uydurmak zorunda kalacaklar, bir şekilde ölçülemeyecek kadar saf su okyanusları üretebilecek sistemler inşa edecekler.

[ad_2]
Kaynak : https://hackaday.com/2022/07/07/big-chemistry-ultrapure-water/

Yorum yapın

SMM Panel PDF Kitap indir