Zeta Potential:
一般認為對於slurry中主要因子是電雙層理論,所以在slurry主導abrasive是否凝聚的指標是電雙層電位(Zeta potential)。
由於水中的膠體大半均帶負電,因此在其表面極易形成正離子聚集,而隨距離之增加其濃度漸減,此分布層稱之反離子分散層(指電荷與膠體相反者)或Stern layer,粒子表面能夠吸著一層水,稱之為固定層(fixed layer)或附著水層(bound water layer),此層與外界游離水層之界面稱為剛界面(rigid solution layer)或剪力面(plane of shear),反離子分散層與固定層合稱電雙層。水中膠體因電雙層之相斥而保持分散狀態,稱之為穩定狀態(stability state),通常以此解釋疏水性(hydrophobic)粒子之理由;而親水性(hyrophilic)粒子則因為表面吸水分子,而形成彼此接近時之障礙,造成穩定態。(如下圖)
Zeta Potential 的控制:
Zeta potential直接受到pH value, Temperature, Surfactant,...etc的變化而變化,所以避免相關因素的變化,便可避免Zeta potential的變化。很重要的一件事,且也是對反應動力較少接觸的人常忽略的一點,這些討論是動態而不是平衡狀態。
1.避免調配後或開封時間過久,以減少溶液內物質揮發,改變pH 或組成。
2.稀釋時 DI water加入的瞬間會改變小區域pH,(較先進的Slurry會有Buffer,主要也是抑制pH的變化),所以 DI water flow rate不可太大。
3.避免原料容量不正確,導致稀釋比誤差,pH value偏離。
4.改善 Buffer chemical,緩衝pH變化。
5.改善界面活性劑或分散劑,緩衝Zeta potential變化。
6.其實溫度變化直接影響溶解度,導致polish rate and
particle明顯變化,另外過低溫時 slurry容易結凍,將造成slurry敗壞。
其他造成 Abrasive的變化因素:
其實就機械性質的變化也會導致 abrasive的變化,聚集、沉積、破碎。
1.沈降原理有
a.單顆粒沈降:顧名思義就是單一粒子的沉澱。
b.混凝沈降:在文章第二頁提到過混凝理論,當具有混凝條件時,粒子經碰撞而聚集,再一同沉澱,在Slurry中的較大Abrasive碰撞機會大,更會結合成更大abrasive。
c.層沈降:當沉澱到有明顯的上層水層時稱之。例如
Al2O3/Fe(NO3)3(aq)在未使用或靜置一陣子時,都會有層沉降的產生。
d.壓密沈降:沉積後的顆粒相互擠壓,水份會被排擠出去,因而開始固化,這些常發生在我們supply unit的 pump, tube, valve的地方,由於固化後很難去除。最後不得不更換它們。
2.由上述理論得知,定期的 piping clean是非常需要的,然而DI water的
pH value與原 slurry的 pH value相去甚遠,確是因壓密沉降而積垢的禍首。
3.改善 piping的設計,避免過長,避免轉角太多。
4.改善迴流設計,目前由 polisher迴流 supply tank的
slurry, 在研磨時flow rate is 0.造成壓力變化,slurry靜置使Abrasive凝聚機會加大,沉積機會增加。
5.攪拌及pump的壓縮也會導致小區域壓力變化,會導致Abrasive凝聚或破碎;攪拌速不可太高
不沉澱、能均勻混合即可;Flow rate不能太大,只要不沈澱即可。一般來說 >0.3m/sec即可不沉降, <3m-6m/sec可保護管壁。
參考書目:
1.Environmental Chemistrey 6th Edition, S.E. Manahan. Lewis publishers, 1994
ISBN 0-8493-0250-1 中譯本 環境化學,楊英賢,孫嘉福,賴文淙,劉明昭,蔡瀛逸合譯,高立出版社 ISBN 957-99266-3-8
2.Process Chemistry for Water and Wastewater Treatment, L.D. Benefield, J.F. Judkins,
B.L. Weand.,1982,交大圖書館索書號TD353/B43,登錄號0093361 中譯本 水及廢水處理化學,楊萬發譯,茂昌圖書公司出版,交大圖書館索書號445.48/4641,登錄號C45028
3.水處理工程,黃政賢譯,曉園出版社,原著T.D. Reynolds. ISBN
957-12-0210-X
4.環境化學精修,鄭義榮編著,大總統文化事業有限公司出版.
5.環境化學講義、給水工程講義,台中國民補習班編輯.