UVC और ओज़ोन से सतह की सफाई और सतह सक्रियण

प्रकाश-रासायनिक सतह सफाई में, 185 nm पर UVC विकिरण ऑक्सीजन को विभाजित करता है और ओज़ोन तथा अभिक्रियाशील ऑक्सीजन स्पीशीज़ उत्पन्न करता है। ये सतह पर मौजूद कार्बनिक संदूषकों का ऑक्सीकरण करते हैं, जबकि लघु-तरंग विकिरण साथ ही कार्बनिक आबंधों को तोड़ता है। परिणामस्वरूप एक स्वच्छ सतह, अधिक सतह ऊर्जा और पुनरुत्पादनीय रूप से छोटा संस्पर्श कोण प्राप्त होता है – जो आबंधन, कोटिंग और सीलिंग का आधार है।

ऑप्टिकल और अन्य घटकों की सफाई और ऑक्सीकरण कई हाई-टेक क्षेत्रों में अत्यंत महत्वपूर्ण है, विशेष रूप से अर्धचालक उद्योग, ऑप्टिकल विनिर्माण और एयरोस्पेस में। कार्बनिक संदूषकों को हटाने और सतह की गुणवत्ता में सुधार करने के लिए एक कारगर विधि 185 nm पर UV विकिरण और ओज़ोन* के संयोजन का उपयोग करते हुए प्रकाश-रासायनिक सफाई और ऑक्सीकरण है। 

इस प्रक्रिया के लिए BS-OX विकिरणन कक्ष उपलब्ध है।

यह विधि कार्बनिक संदूषकों को तोड़ने और सतहों को साफ करने के लिए ओज़ोन तथा अभिक्रियाशील ऑक्सीजन स्पीशीज़ उत्पन्न करने के लिए 185 nm UV विकिरण की उच्च ऊर्जा का उपयोग करती है। सतहों को अधिक ध्रुवीय चरित्र भी प्रदान किया जाता है, जिसका संस्पर्श कोण और सतह ऊर्जा दोनों पर सकारात्मक प्रभाव पड़ता है।

अनुप्रयोग क्षेत्र:

• लेंस, प्रिज्म और ऑप्टिकल फिल्टर की सफाई
• वेफर और माइक्रोचिप्स की सफाई
• फोटोरेसिस्ट अवशेषों को हटाना
• कोटिंग प्रक्रियाओं के लिए सब्सट्रेट की तैयारी
• बंधित जोड़ों का सतह सक्रियण
• कार्बनिक अवशेषों और फिंगरप्रिंट को हटाना 
• चिकित्सा उपकरणों और इम्प्लांट का निर्जर्मीकरण और सफाई

• रंगहीनीकरण और गंध निवारण

   

UVC और ओज़ोन से सतह सक्रियण के मूल सिद्धांत

प्रकाश-रासायनिक सफाई और ऑक्सीकरण साफ किए जाने वाले घटकों को 185 nm तरंगदैर्घ्य पर UVC विकिरण से विकिरणित करने पर आधारित है। यह तरंगदैर्घ्य UV-C वर्णक्रमीय परास में आता है।

प्रत्यक्ष फोटोलिसिस में, 185 nm UV विकिरण कार्बनिक अणुओं में सहसंयोजक आबंधों को विभाजित करता है। इससे विखंडन और वाष्पीकरण होता है।

< 242 nm तरंगदैर्घ्य वाले UV-C विकिरण में ऑक्सीजन अणुओं (O₂) को अभिक्रियाशील ऑक्सीजन परमाणुओं (O) में विभाजित करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा होती है। ओज़ोन के UV उत्पादन के लिए, तकनीकी अनुप्रयोगों में 185 nm और 172 nm का उपयोग किया जाता है या ओज़ोन जनरेटर का उपयोग किया जाता है। 185 nm की फोटॉन ऊर्जा 6.7 eV होती है और यह ओज़ोन-उत्पादक निम्न-दाब पारद लैंप द्वारा उत्पन्न होती है।

172 nm की फोटॉन ऊर्जा 7.2 eV होती है और यह ज़ीनॉन एक्साइमर लैंप द्वारा उत्पन्न होती है।

242 nm से कम तरंगदैर्घ्य वाले UV विकिरण से आणविक ऑक्सीजन के वियोजन के परिणामस्वरूप ओज़ोन उत्पन्न होता है; सबसे अधिक 175 nm और 200 nm के बीच तरंगदैर्घ्य वाले विकिरण के परिणामस्वरूप।

O₂ +UV (λ < 242 nm) → 2 O·

परमाण्विक ऑक्सीजन रैडिकल्स फिर अन्य ऑक्सीजन अणुओं के साथ अभिक्रिया करके ओज़ोन बनाते हैं: O· + O₂ + M → O₃ + M (जहाँ M एक संघट्ट भागीदार है)

बनी हुई ओज़ोन कार्बनिक अशुद्धियों के साथ अत्यधिक प्रभावी ढंग से अभिक्रिया करती है और उदाहरण के लिए उन्हें CO₂ और H₂O में ऑक्सीकृत करती है।

नमी की उपस्थिति में, ओज़ोन हाइड्रॉक्सिल रैडिकल्स के निर्माण की ओर भी ले जा सकती है, जिनका भी प्रबल ऑक्सीकारक प्रभाव होता है: 

O₃ + H₂ O + UV → 2 OH· + O₂

O· + H₂O →2 OH· (जल में) 

H₂O + UV→OH· +H· (जल में)

O₃ + H₂O + UV → O₂ + H₂O₂ (गैस चरण में)

OH रैडिकल्स का ऑक्सीकरण विभव बहुत उच्च (2.8 V) होता है 

हाइड्रोजन परॉक्साइड और टाइटेनियम डाइऑक्साइड का उपयोग जल और अपशिष्ट जल उपचार में किया जाता है।

हाइड्रोजन परॉक्साइड को UV विकिरण द्वारा दो हाइड्रॉक्सिल रैडिकल्स में विभाजित किया जाता है: 

H₂O₂ + hν → 2 ·OH

हाइड्रोजन परॉक्साइड का मिलाया जाना भी हाइड्रॉक्सिल रैडिकल्स (·OH) के निर्माण पर आधारित है, जो ज्ञात सबसे प्रबल ऑक्सीकारकों में से हैं और बड़ी संख्या में कार्बनिक तथा अकार्बनिक प्रदूषकों को तोड़ने में सक्षम हैं।

टाइटेनियम डाइऑक्साइड एक प्रकाश उत्प्रेरक के रूप में कार्य करता है और UV (<280 nm) द्वारा सक्रिय होता है, जिससे इलेक्ट्रॉन-होल युग्म बनते हैं: 

TiO₂ + hν → e- + h+ 

ये ·OH और O· जैसी अभिक्रियाशील स्पीशीज़ के निर्माण की ओर ले जाते हैं।

सामान्य रूप से, UV विकिरण और ओज़ोन का संयोजन सतहों की गहन सफाई और सक्रियण को सक्षम बनाता है। UV विकिरण कार्बनिक यौगिकों को तोड़ता है, जबकि ओज़ोन उन्हें आगे ऑक्सीकृत करती है और उन्हें गैसीय उत्पादों में परिवर्तित करती है जिन्हें सतह से आसानी से हटाया जा सकता है।

200 से 260 nm तरंगदैर्घ्य के बीच का UV विकिरण भाग, उदाहरण के लिए, प्राथमिक चरण में कार्बन-कार्बन आबंध को विभाजित करने के लिए, या क्लोरीनयुक्त हाइड्रोकार्बन के मामले में मुख्यतः कार्बन-क्लोरीन आबंध को विभाजित करने के लिए पर्याप्त ऊर्जावान होता है। 

निम्नलिखित आरेख विभिन्न रासायनिक आबंधों के लिए इलेक्ट्रॉन वोल्ट (eV) में ऊर्जा (E) और नैनोमीटर (nm) में तरंगदैर्घ्य (लैम्ब्डा) के बीच संबंध दर्शाता है।

x-अक्ष 100 nm से 400 nm तक तरंगदैर्घ्य को दर्शाता है, जबकि y-अक्ष 0 eV से 14 eV तक ऊर्जा को दर्शाता है।

वक्र पर बंधों की व्यवस्था दर्शाती है कि N≡N और C≡C जैसे त्रिक बंधों की ऊर्जा सबसे अधिक होती है, इसके बाद द्विक बंध और अंत में एकल बंध आते हैं। यह त्रिक से द्विक से एकल बंधों की घटती बंध शक्ति के अनुरूप है।

आण्विक बंधन ऊर्जाएँ निम्नलिखित तालिका में दी गई हैं:

यूवी और ओज़ोन के साथ उन्नत ऑक्सीकरण प्रक्रिया (AOP)

ओज़ोन स्वयं एक शक्तिशाली ऑक्सीकारक है और 254 nm पर यूवी विकिरण के संपर्क में आने पर या तापीय प्रक्रियाओं के माध्यम से आण्विक ऑक्सीजन और अभिक्रियाशील ऑक्सीजन रैडिकल्स में विघटित हो जाता है। ये अभिक्रियाशील स्पीशीज़ घटकों की सतहों पर कार्बनिक संदूषकों को विघटित करने में अत्यंत प्रभावी होती हैं। इसी कारण यूवी ऑक्सीकरण को उन्नत ऑक्सीकरण प्रक्रिया (Advanced Oxidation Process, AOP) भी कहा जाता है।

एक ओर, यूवी ऑक्सीकरण अणुओं में रासायनिक बंधों को तोड़ने की यूवी विकिरण की क्षमता पर आधारित है। यूवी-सी के साथ, विशेष रूप से वैक्यूम यूवी परिसर (172 nm और 185 nm) में विकिरणित करने पर, लंबी शृंखला वाले अणु सीधे प्रकाश-अपघटन (direct photolysis) द्वारा टूट जाते हैं।

इस प्रक्रिया के लाभों में रासायनिक-मुक्त सफाई, अवशेषों से बचाव, तथा जटिल आकृतियों का भी उपचार करने की क्षमता शामिल है। इस विधि को कक्ष तापमान पर भी किया जा सकता है, जो इसे संवेदनशील प्रकाशिक घटकों के लिए विशेष रूप से कोमल बनाता है।

वायु मुख्य रूप से इसके मुख्य घटकों नाइट्रोजन और ऑक्सीजन द्वारा अवशोषित होती है। पराबैंगनी (UV) परिसर में अवशोषण के लिए आण्विक ऑक्सीजन की शूमन-रुंगे बैंड्स विशेष रूप से महत्वपूर्ण हैं।

शूमन-रुंगे बैंड्स 175 से 204 nm तक के पराबैंगनी वर्णक्रमीय परिसर में ऑक्सीजन अणु की अवशोषण बैंड्स की एक श्रृंखला हैं।

इसलिए 172 nm और 185 nm पर वायु में अत्यंत तीव्र अवशोषण होता है और इसीलिए भेदन गहराई (पेनेट्रेशन डेप्थ) बहुत कम होती है।

242 nm से 320 nm तक के वर्णक्रमीय परिसर में ओज़ोन का यूवी अवशोषण हार्टली बैंड के रूप में जाना जाता है और इसका अधिकतम मान लगभग 255 nm पर होता है।

सामान्य भेदन गहराइयाँ इस प्रकार हैं

• 172 nm: भेदन गहराई लगभग 0.1 cm से अधिकतम 3 mm तक
• 185 nm: भेदन गहराई लगभग 10–20 mm 

ये मान स्पष्ट करते हैं कि इन तरंगदैर्घ्यों पर यूवी विकिरण वायुमंडल में अत्यंत तीव्रता से अवशोषित होता है और केवल बहुत ही कम भेदन गहराई तक पहुँचता है।

AOP संसाधन और प्रक्रिया अनुकूलन (यूवी और ओज़ोन)

तरंगदैर्घ्य पर अवशोषण की मात्रा की निर्भरता दर्शाती है कि ऑक्सीकरण प्रक्रिया में यूवी विकिरण की तरंगदैर्घ्य की बड़ी भूमिका होती है।  अल्प-तरंग विकिरण दूरी पर अत्यधिक निर्भरता दर्शाता है।

• ओज़ोन UVC लैंप के निकट उत्पन्न होता है। 
• ओज़ोन 300 nm से कम तरंगदैर्घ्य के विकिरण को अवशोषित करता है और लगभग 255 nm - 260 nm पर इसका अधिकतम अवशोषण होता है। 
• ओज़ोन अणुओं का जीवनकाल कई मिनट तक हो सकता है।

इसलिए प्रक्रिया प्राचल इस प्रकार हैं

• विकिरणन मात्रा
• यूवी लैंपों की शक्ति
• अवधि
• दूरी
• ऑक्सीजन मात्रा / O -आंशिक दाब₂

परिवेश वातावरण में ऑक्सीजन मात्रा प्रक्रिया की दक्षता में निर्णायक भूमिका निभाती है:

वायु में ऑक्सीजन मात्रा 20.9% होती है।

1. बढ़ी हुई ऑक्सीजन मात्रा: 
   • ऑक्सीजन मात्रा को 20.9% से अधिक बढ़ाने से ओज़ोन उत्पादन में वृद्धि हो सकती है।
   • हालांकि, अत्यधिक उच्च O2 सांद्रता यूवी संचरण को बाधित कर सकती है और इस प्रकार सीधे प्रकाश-अपघटन को कम कर सकती है।
2. घटी हुई ऑक्सीजन मात्रा: 
   • 20% से कम ऑक्सीजन सांद्रता पर ओज़ोन उत्पादन घट जाता है।
   • इस स्थिति में सीधा प्रकाश-अपघटन अधिक महत्वपूर्ण हो जाता है।
3. नियंत्रित वातावरण: 

   • कुछ अनुप्रयोगों में, प्रक्रिया दक्षता को अधिकतम करने के लिए अनुकूलित O2 मात्रा वाले नियंत्रित वातावरण का उपयोग किया जा सकता है। कुछ cm की दूरी पर 1% ऑक्सीजन स्तर सामान्य हैं।

      

भेदन गहराई और सतही प्रभाव: 185 nm यूवी विकिरण और ओज़ोन की भेदन गहराई सीमित होती है, जो इस प्रक्रिया को मुख्य रूप से सतह-उन्मुख बनाती है:

1. यूवी विकिरण (185 nm): 
   • सामान्य दाब पर वायु में भेदन गहराई केवल कुछ मिलीमीटर होती है।
   • ठोस पदार्थों और तरल पदार्थों में, भेदन गहराई और भी कम होती है, अक्सर नैनोमीटर परिसर में।
2. ओज़ोन: 
   • ओज़ोन यूवी विकिरण की तुलना में पदार्थों में अधिक गहराई तक प्रवेश कर सकता है।
   • भेदन गहराई पदार्थ की सरंध्रता और रासायनिक संघटन पर निर्भर करती है।
   • कांच या धातुओं जैसे सघन पदार्थों में, प्रभाव सतह तक ही सीमित रहता है।
3. सतह संशोधन: 
   • सीमित भेदन गहराई चयनात्मक सतह संशोधन की ओर ले जाती है।
   • यह सतहों की सफाई और सक्रियण के लिए लाभदायक है, बिना बल्क गुणों को प्रभावित किए।
4. ज्यामितीय कारक: 
   • उपचार की दक्षता सफाई किए जाने वाले भागों की ज्यामिति पर बहुत अधिक निर्भर करती है।
   • जटिल आकृतियाँ या अंडरकट्स छाया प्रभाव (शैडोइंग) उत्पन्न कर सकते हैं।

फोटोकेमिकल सफाई और ऑक्सीकरण की दक्षता को अधिकतम करने के लिए, निम्नलिखित प्राचलों को अनुकूलित किया जा सकता है:

• यूवी तीव्रता और उद्भासन समय: 
• यूवी लैंप और उपचार वस्तु के बीच की दूरी
• ऑक्सीजन मात्रा और आर्द्रता
• सभी सतहों के समान उपचार के लिए भागों का घूर्णन या संचलन।

निम्नलिखित चित्र एक विकिरणन कक्ष में UVC और ओज़ोन के साथ सतह की सफाई और सतह सक्रियण तथा ओज़ोन निर्माण की प्रक्रिया दर्शाता है। सीधे यूवी विकिरणन और ओज़ोन निर्माण के संयोजन से प्रभावी सतह सफाई और सतह सक्रियण संभव होता है।

 * सही सांद्रता में ओज़ोन एक अत्यंत विषैली गैस है। TRGS 900 के अंतर्गत जर्मनी में ओज़ोन के लिए कोई बाध्यकारी व्यावसायिक एक्सपोज़र सीमा नहीं है। 0.1 ppm (पार्ट्स पर मिलियन) का ऐतिहासिक MAK मान, जो हवा के प्रति m³ में 0.2 mg 0₃ के बराबर है, अभी भी एक संदर्भ बिंदु के रूप में कार्य करता है; जोखिम मूल्यांकन BAuA मूल्यांकन मानदंडों और संचालक की अपनी सीमाओं द्वारा नियंत्रित होता है। इसकी विशिष्ट गंध के कारण, यह इतनी कम सांद्रता में भी अनुभव की जा सकती है, जिससे प्रभावित व्यक्ति स्वयं आवश्यक सुरक्षात्मक उपाय कर सकते हैं, जैसे निकास वेंटिलेशन। हालांकि, यह विशिष्ट गंध केवल थोड़े समय के लिए ही अनुभव की जा सकती है।

ओज़ोन विशेष रूप से फेफड़ों को नुकसान पहुंचा सकता है। कई घंटों तक 1 से 2 ppm तक की सांद्रता सिरदर्द, छाती में दर्द, ऊपरी श्वसन तंत्र में सूखापन और जलन का कारण बन सकती है। इससे भी अधिक सांद्रता फुफ्फुसीय शोथ (पल्मोनरी एडिमा) का कारण बन सकती है, जिसके दीर्घकालिक स्वास्थ्य प्रभाव होते हैं।

यह प्रक्रिया विनिर्माण में कहाँ स्थान रखती है, यह अनुप्रयोग पृष्ठों सेमीकंडक्टर विनिर्माण में यूवी सफाई और यूवी एक्सपोज़र (वेफर पर 172 nm पर VUV सक्रियण) और ऑप्टिक्स और सटीक घटकों (जोड़ने से पहले अवशिष्ट संदूषण) पर दर्शाई गई है।

क्या 185 nm विकिरण को 254 nm विकिरण से अलग मापा जा सकता है?
नहीं। ब्रॉडबैंड विकिरणमापियों (रेडियोमीटर) से 185 nm और 254 nm का अलग-अलग मापन संभव नहीं है। ऐसे उपयुक्त लघु-तरंग प्रकाशिक फ़िल्टर उपलब्ध नहीं हैं जो 185 nm विकिरण को 254 nm विकिरण से विश्वसनीय रूप से अलग कर सकें।

172 nm और 185 nm में क्या अंतर है?
दोनों तरंगदैर्घ्य ओज़ोन उत्पन्न करते हैं, लेकिन फोटॉन ऊर्जा और सीमा में भिन्न हैं। 185 nm ओज़ोन-उत्पादक पारद निम्न-दाब लैंपों से आता है और इसमें 6.7 eV होती है; वायु में इसकी भेदन गहराई लगभग 10 से 20 mm तक होती है। 172 nm ज़ेनॉन एक्साइमर लैंपों से आता है और इसमें 7.2 eV होती है, परंतु यह वायु में इतनी प्रबलता से अवशोषित होती है कि केवल 0.1 cm से अधिकतम 3 mm तक ही उपयोगी रह जाती है। इसका कारण 175 से 204 nm के बीच आणविक ऑक्सीजन का शूमान-रुंगे अवशोषण है। इसलिए 172 nm पर कार्य दूरी को मिलीमीटर सीमा में रखना आवश्यक है।

ऑक्सीजन सामग्री की क्या भूमिका है?
यह तय करती है कि प्रक्रिया मुख्यतः ओज़ोन के माध्यम से होती है या प्रत्यक्ष प्रकाश-अपघटन के माध्यम से। वायु में 20.9 % ऑक्सीजन होती है। अधिक अनुपात ओज़ोन निर्माण को बढ़ाता है, लेकिन साथ ही यूवी संचरण को और इस प्रकार प्रत्यक्ष प्रकाश-अपघटन को क्षीण करता है। लगभग 20 % से नीचे, ओज़ोन निर्माण घटता है और प्रत्यक्ष प्रकाश-अपघटन का महत्व बढ़ता है। कुछ सेंटीमीटर की कार्य दूरी पर लगभग 1 % ऑक्सीजन सामग्री सामान्य होती है। ऑक्सीजन सामग्री के अलावा, विकिरण मात्रा, लैंप शक्ति, उद्भासन समय और दूरी भी परिणाम को निर्धारित करते हैं।

बनने वाला ओज़ोन कितना खतरनाक है?
पर्याप्त सांद्रता पर ओज़ोन एक अत्यंत विषैली गैस है। जर्मनी TRGS 900 के अंतर्गत ओज़ोन के लिए कोई बाध्यकारी व्यावसायिक अनावरण सीमा निर्धारित नहीं करता; ऐतिहासिक MAK मान 0.1 ppm, जो 0.2 mg ओज़ोन प्रति घन मीटर वायु के बराबर है, संदर्भ बिंदु के रूप में कार्य करता है। कई घंटों तक 1 से 2 ppm तक की सांद्रता सिरदर्द, छाती में दर्द तथा ऊपरी वायुमार्ग की शुष्कता और जलन का कारण बन सकती है; अधिक सांद्रता दीर्घकालिक प्रभावों के साथ फुफ्फुसीय शोफ (एडिमा) का कारण बन सकती है। विशिष्ट गंध कम सांद्रता पर भी महसूस होती है, परंतु केवल संक्षिप्त समय के लिए – इसलिए निष्कासन (एक्सट्रैक्शन) स्थापना का हिस्सा है।