Рішення питань охорони праці та захисту навколишнього середовища при використанні комплексної технології електрохімічного та термічного формування надпровідних структур Nb3GexAl1-x

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рішення питань охорони праці та захисту навколишнього середовища при використанні комплексної технології електрохімічного та термічного формування надпровідних структур

Для рішення питань охорони праці та захисту навколишньго середовища при використанні комплексної технології електрохімічного формування компонентів надпровідних (НП) структур з водно-неводних розчинів наведена коротка інформація з особистих досліджень, яка визначає в цілому запропонований алгоритм технологічного процесу, а саме: досліджено та обґрунтовано можливість електролітичного осадження Германію з розчинів спиртів з малими додатками (добавками) води, а Алюмінію - з ксилольних розчинів в умовах гранично безпечного забезпечення технологічного циклу. Дані результати використані для складання алгоритму (схеми) технологічного процесу утворення субмікрокристалічних полішарових металічних структур типу Nb/Ge/Al та отримання НП фази . Технологічний процес реалізований у режимі безвідходного виробництва: усі розчини промивання зразків, електролітичних ван осадження Ge, Al піддаються обробці та корегуванню з метою подальшого використання у робочому процесі по заданому алгоритму. Оператори використовують індивідуальні засоби захисту дихальних шляхів та шкірних покровів на технологічних стадіях, на яких невикористання необхідних норм безпеки призводить до виникнення надзвичайних ситуацій.

Досягнення в галузі формування тонких, надпровідних при температурі рідкого Гелію тонкошарових структур типу неможливо реалізувати у прикладній (практичній) технології без рішення питань охорони праці та захисту навколишньго середовища у зоні виробництва виробів для техніки і фізики низьких температур. Тому наукова інформація доповіді складається з двох розділів: у першому розділі представлено технологічний процес (алгоритм процесу) виробництва НП - покриттів; у другому - засоби забезпечення безпечної праці на апаратах технологічного циклу та захисту навколишнього середовища від токсичних речовин, які можуть трансформуватися в процесі технологічного циклу в атмосферу і систему каналізації. Універсальним рішенням проблеми полного захисту навколишньго середовища у даній технології є використання принципу маловідходних або безвідходних циклів, тому у роботі пропонується інформація про можливості використання цього універсального рішення, з метою повного виключення попадання токсичних продуктів технологічного циклу в оточуюче середовище, яку представлено у вигляді схеми забезпечення безпечних умов праці та надійного захисту атмосфери і каналізаційної системи.

Виходячи з вищезазначеного, задача дослідження включає наведення наукових основ технологічного процесу та розробки охоронних заходів, які забезпечують захист навколишнього середовища від впливу токсичних інгридієнтів, які утворюються на певних етапах технологічного циклу. При цьому застосовані необхідні інформаційні матеріали, які отримані особисто авторами та представлені в спеціалізованих наукових виданнях України.

З початку розглянемо результати особистих досліджень, які лежать в основі формування загального технологічного циклу (алгоритму).

Згідно [1] інтерметалічна сполука Nb₃Ge зі структурою типу А-15 є надпровідником (НП), що має досить високу температуру переходу в надпровідний стан Т_с (22,7 - 23,2 К), високе значення критичної густини струму j_c>(3-5)_10⁶ A/см², а також високі твердість та стійкість до самовільного розпаду, тобто не вступає в хімічнч реакції з компонентами середовища (О₂, Н₂О) під час циклування в інтервалі 4,2 - 298 К та не змінює своїх критичних параметрів. Однак, відомі методи отримання інтерметаліду є дорогими та вимагають застосування спеціальних пристроїв. що забезпечують дуже високі швидкості охолодження (1073-1273 К_с^-1) для фіксації НП-фази при Т < 800 К. Тому нами був обраний інший шлях формування НП-фаз на основі Nb та Ge - введення у вихідну двокомпонентну систему (Nb - Ge) третього компоненту - металу, який виконує функції стабілізатора НП-фази Nb₃Ge, але при цьому декілька знижуються її крітичні параметри [1].

В технології полішарового осадження Ge та Al - компонентів НП-фази нами використовувалися електрохімічні методи [2]. Оскільки осадження Ge та Al проводять з неводних розчинів, то розчинниками в електролітах германування були обрані спирти різної основності (метанол, етиленгліколь та гліцерин). Раніше було встановлено відсутність гідролізу в спиртах при вмісті води до 7 - 8% мас. [3]. Дослідженнями було показано, що ступінь гідролізу знижується з підвищенням атомності спиртів, що може бути повЧязано з їх фізико-хімічними властивостями, зокрема, з в?язкістю, яка зростає в ряду метанол, етиленгліколь, гліцерин [4]. Вивчено вплив основності спиртів та добавок Н₂О на вихід за струмом (ВС) германію. Показано, що вихід за струмом германію в етиленгліколі (без добавок Н₂О) вище, ніж в метанолі та гліцерині, та знижується (ВС) при наявності добавок Н₂О (до 30% ваг.) з 3,6% до 1%. Низький вихід за струмом пояснюється тим, що електричний струм під час електролізу витрачається на катоді на неосновну реакцію - розрядження молекул НCl, Н₂О до газоподібного водню Н₂.

Експерементально встановлено, що з етиленгліколієвого електроліту германування з добавками Н₂О (до 7%) на Nb катоді, під час контакту електроліту з атмосферою, осаджується Ge-покриття товщиною 1-2 мкм. Використання Ge-аноду забезпечує постійність концетрації Ge (ІV) в розчині.

Електроосадження стабілізатора - Алюмінію проведено з неводних розчинів AlBr₃ (2 моль/л) в о-ксилолі. Встановлено, що під час підкислення електроліту НBr (для збільшення його електропровідності) на катоді переважно виділяється газопобідній Н₂, що призводить до зниження виходу за струмом алюмінію (ВС_AI). Для підвищення ВС_Al (до 80%) розчин електроліту попередньо опрацьовувався струмом з Al-анодами для утворення сесквілбромідів алюмінію: CH₃AlBr₂, (CH₃)₂AlBr, (CH₃)₃Al, які розряджаються при малих величинах поляризації (?E). Початкове електролітичне опрацюванням складало.?5 А_годин/л (і_k = 2 мА/см²). Під час процесу «старіння» електроліту відбувається його розшарування, що призводить до погіршення якості Al-покриття та різкого зниження виходу за струмом алюмінію (до 0). Для покращення структури та якості отриманих електролітичнх шарів Al до ксилольних розчинів вводилися добавки парафіну (5 г/л), при цьому осади ставали більш дрібнокристалічними [2].

На основі результатів проведених досліджень процесів електролітичного осадження Ge та Al на Nb-основу розроблено алгоритм проведення технологічного процесу утворення субмікрокристалічних металевих структур типу Nb/Ge/Al та отримання НП-фази (рис. 1).

субмікрокристалічний електролітичний германій алюміній

Рисунок 1. Алгоритм проведення технологічного процесу утворення субмікрокристалевих полішарових металічних структур типу Nb/Ge/Al та отримання НП-фази Nb₃Ge_xAl_1-х

Згідно рис. 1 технологічний процес включає послідовне осадження на Nb-основу германію та алюмінію з указанням умов проведення (склади розчинів, режими (температура, час процесу, густина струму, товщина покриття (осаду) тощо)) одинадцяти стадійних процесів.

Рішення питань індивідуального захисту співробітників на технологічному циклі та захисту навколишньго середовища від токсичних компонентів демонструються схемою (рис 2). В технологічному процесі працюють дільниці водопідготовки та регенерації промивних травильних розчинів, підготовки та корегування водно - неводних розчинів електролітів германування та алюмінування, термодифузійної обробки та контролю параметрів надпровідних виробів. Служба засобів індивідуального захисту від протихімічної та електричної небезпеки забезпечує усі дільниці, включаючи співробітників, які обслуговують дільницю електропостачання та систему вентиляції над ваннами з фільтрами - абсорбентами компонент токсичних газів та парів неводних розчинів електрометалізації [5].

Рисунок 2. Схема забезпечення хімічної та електробезпеки операторів, допоміжного персоналу технологічного циклу утворення НП-покриття з фазою Nb₃Ge_xAl_1-х

Становиться очевидним факт, оскільки працюють системи регенерації і коректровки відпрацьованих розчинів, що технологічний процесс отримання виробів з НП властивостями реалізується в режимі безвідходного або маловідходного технологічного циклу.

Оператори (співробітники) технологічного циклу обовЧязково мають усі засоби індивідуального захисту (спецодяг, взуття, распіратори, засоби електрозахисту при роботі на електролізерах (п. 6,8 рис 2). По закінченні роботи зміни проводиться дегазація використаних індивідуальних засобів захисту згідно існуючої інструкції обробки.

Висновки:

1) Встановлено та обгрунтовано природу електрохімічних процесів на катодах у випадках розряду Ge - або Al-містячих компонентів в аліфатичних (Ge) та циклічних (Al) спиртах. Експериментально встановлено, що практична цінність результатів данного дослідження полягає у можливості електроосадження Ge та Al на конструкційно провідну основу (Nb) з електролітичних ван в умовах контакту електролітів з атмосферою, що значно здешевлює процес та спрощує обладнання за рахунок виключення використання складних захисних пристроїв.

2) Наведено алгоритм проведення комплексного технологічного процесу отримання тонких (10² - 10³ нм) шарів надпровідних інтерметалідів, та схема забезпечення проведення цих процесів в умовах повного захисту операторів та працівників від хімічної та електричної небезпеки, а також виключення прояву токсичних компонент в атмосфері каналізаційній системі.

3) Отримані результати з формування тонких шарів надпровідників електрохімічним методом дозволили суттіво знизити матеріалоємність та енерговитрати на виробництво продукції, та можуть бути використані у технологіях отримання пристроїв, які функціонують на основі надпровідності та криогенній техніці.

Література

субмікрокристалічний електролітичний германій алюміній

1. Савицкий Е.М. Физико-химические основы получения сверхпроводящих материалов / Е.М. Савицкий, Ю.В. Ефимов, Я.И. Кружляк. - М.: Металлургия, 1981. - 480 с.

2. Калугин В.Д. Физико-химические основы электрохимической технологии нанесения полислойных субмикрокристаллических структур металлических компонент для получения сверхпроводников / В.Д. Калугин, Н.С. Опалева, О.В. Сидоренко, М.В. Кустов // Тез. докл. XV междунар. совещания «Совершенствование технологии гальванических покрытий». Киров: ВГПУ, 2012. - С. 38 - 40.

3. Кустов М.В Физико-химические основы технологии получения микроэмульсий и полислойных субмикрокристаллических структур сверхпроводников и полупроводников / М.В. Кустов, А.В. Прусский, О.В. Сидоренко, Н.С. Опалева, В.Д. Калугин, О.А. Бешенцева // Вісник НТУ «ХПІ», 2010. - №47. - С. 53 - 62.

4. Калугін В.Д. Електрохімічне відновлення метанолу, етиленгліколю та гліцерину в присутності води / В.Д. Калугін, О.О. Кірєє, М.В. Кустов, О.В. Сидоренко, Н.С. Опалєва // Укр. хім. журн. - 2016. - №3 - 4. - С. 45 - 48.

5. Запольський А.К. Основі екології / А.К. Запольський, А.І. Салюк // Підручник за ред К.М. Ситник // 4-те вид., допов. і переробл. - К.: Вища шк., 2010. - 399 с.

Размещено на Allbest.ru