化工厂有机废水处理设计探讨研究论文（共5则范文）

第一篇：化工厂有机废水处理设计探讨研究论文（共）

1工程概况

某化工厂的主要产品烧碱和聚氯乙烯，生产采用VCM装置和S-PVC装置。本工程设计为该厂有机废水处理系统（不含母液废水处理系统）设计，其废水主要为有机废水2000m3/d和厂区循环排污水4700m3/d。

2工艺设计

2.1设计进、出水水质

有机废水处理系统的设计规模为2000m3/d，24h运行，废水主要来源于VCM装置和S-PVC装置；循环排污水4700m3/d，24h运行，废水中含少量悬浮物。根据已经建成的实际生产装置，提出了有机废水设计进水水质指标，如表1所示；出水执行《山东省半岛流域水污染物综合排放标准》(DB37/676-2007)中一级标准。注：表中单位均为mg/L。

2.2工艺流程

根据有机废水设计进水水质和出水水质执行标准，采用“水解酸化+好氧+臭氧高级氧化+BAF”的工艺。循环排污水进入有机废水深度处理系统共同处理，若CODCr小于50mg/L时，直接进入BAF进行处理。剩余污泥排至厂外污泥处理系统进行处理，此处不作设计。具体工艺流程见图1。

2.3主要构筑物及设计参数

(1)调节池、冷却塔平台。调节池、冷却塔平台与提升泵房合建，主要冷却废水，调匀水质水量后提升至反应池，调节池尺寸为29.0m×16.0m×4.0m（长×宽×高，下同），冷却塔平台尺寸为5.0m×5.0m，提升泵房尺寸为7.5m×5.0m。池内设冷却塔1台（Q=140m3/h，N=7.5kW），提升泵2台（1用1备，Q=85m3/h，H=10m，N＝5.5kW），潜水搅拌机2台，超声波液位计1台，通过PLC传输至中控室。(2)反应池。在反应池内投加NaHSO4，去除废水中的NaClO，尺寸为3.0m×3.0m×3.0m，有效容积为22.5m，停留时间为15min，池内设搅拌机2台（N=0.75kW）。(3)水解酸化池。水解酸化池将难降解的复杂有机污染物分解为易降解的简单有机物，降低废水中SS的含量，尺寸为24.0m×9.0m×6.5m，有效水深为6.0m，停留时间为15h，池内设脉冲布水器2套（Q=50m3/h）。(4)好氧池。好氧池是生化处理系统的主要部分，废水经过好氧微生物菌群的作用，把有机物分解成无机物，使污染物得到去除，尺寸为24.0m×12.0m×6.0m，停留时间为19h，气水比约为20：1，池内设微孔曝气器680套（D=260，Q＝2～3m3/h），曝气风机2台（1用1备，Q=28.18m3/min，ΔPa=68.6kPa，N=55kW），DO仪2套（0~20mg/L）。(5)二沉池。二沉池将废水进行泥水分离，通过沉淀去除废水中的悬浮物，沉淀的污泥一部分回流到生化系统，剩余污泥排到污泥池，尺寸为Ф12.0m×4.5m（直径×高），表面负荷为0.75m3/m2h，池内设刮泥机1台（φ12m，N=0.75kW），污泥回流泵3台（2用1备，Q=85m3/h，H=11m，N=4kW）。(6)臭氧反应池。臭氧氧化反应是利用强氧化剂将微生物无法直接降解的大分子物质和微生物自身代谢产物的分子链氧化断开，污染物变性形成生物能够直接降解的小分子物质，使污染物得到进一步去除，尺寸为12.0m×8.0m×7.0m，停留时间为2h，设臭氧发生装置1套（臭氧产量Q=15kg/h），BAF提升泵2台（1用1备，Q=285m3/h，H=15m，N＝18.5kW），超声波液位计1台，通过PLC传输至中控室。(7)BAF。BAF将废水中的碳化有机物进行好氧生物降解，它包括缓冲配水室、曝气系统、承托层和滤料层、出水系统、反冲洗系统等，单座尺寸为4.0m×4.0m×6.0m，共3座，有机负荷为1.8kgBOD5/（m3滤料d），曝气速率为12m3/m2*h，采用气水联合反冲洗。池内设置陶料滤料120m3（Ф3-5mm），滤板27块（980mm×980mm×100mm），承托层14.5m3（Ф20-40mm），长柄滤头972个，曝气器972个（Q=0.2~0.4m3/(个.h)），BAF曝气风机2台（1用1备，Q=12.8m3/min，ΔPa=58.8kPa，N=22kW），反冲洗泵2台（1用1备，Q=300m3/h，H=15m，N＝18.5kW），反冲洗风机2台（1用1备，Q=11.5m3/min，ΔPa=68.6kPa，N=30kW）。

3设计特点

(1)有机废水主要来源于VCM装置和S-PVC装置，其主要影响排放的因素为CODCr、BOD5、SS，参考同类型化工厂的水质，此类废水中有机污染物含量较高，可生化性高，可通过生化系统降解有机物，通过深度处理确保污染物达标排放。(2)设置调节池。废水排放具有周期性，水质水量变化大，设置调节池并在池内加以搅拌，可确保水处理系统的稳定性，减轻对后续处理设施的压力。(3)生化系统前设置反应池，去除废水中的NaClO，可减少对生化系统的冲击。(4)进水水质cl-浓度为4000~6000mg/L，不会对生化系统造成损害。(5)循环排污水水质较好时超越臭氧反应池直接进入BAF，减少臭氧的投加量，有效降低运行费用。(6)本项目采用“水解酸化+好氧”作为生化处理工艺，采用“臭氧高级氧化+BAF”作为深度处理工艺，保障出水稳定达标。

4项目运行情况

项目运行效果稳定良好，出水水质达标（见表2）。注：表中单位均为mg/L。5结语（1）采用“水解酸化+好氧+臭氧高级氧化+BAF”工艺处理有机废水具有处理效果好，系统运行稳定。（2）工程运行结果表明，该工艺处理烧碱和聚氯乙烯的生产线有机废水，出水水质稳定达到CODCr≤50mg/L，BOD5≤10mg/L，NH3-N≤5mg/L，SS≤20mg/L的要求，为同类型的有机废水处理提供借鉴。

作者:何俊 单位:广东省环境科学研究院

参考文献：

[1]马冬.烧碱—聚氯乙烯化工生产过程的废水综合处理.中国化工贸易，2011，(12）：49,64.[2]达娟，张军.某工业园区污水处理改造工程设计实例.中国给水排水，2015，31（16）：65-67.

第二篇：造纸废水处理工艺研究

造纸废水处理工艺研究

目前，造纸行业是世界六大工业污染源之一，它产生的废水量约占国内工业总废水量的10％。造纸废水按其产生环节分为制浆废液、中段水和纸机白水。制浆废液通过常规的碱回收工艺可以得到回收利用；纸机白水通过气浮或多盘真空过滤等处理后可直接回用于生产；通常所说的造纸废水主要指的是中段水，它含有木素、半纤维素、糖类、残碱、无机盐、挥发酸、有机氯化物等，具有排放量大、COD高、pH变化幅度大、色度高、有硫醇类恶臭气味、可生化性差等特点，属于较难处理的工业废水。为有效控制造纸行业带来的水环境恶化和缓解水资源日趋紧缺的局面，世界各国不断加大对造纸行业的环境执法力度，既要求排放废水水质达标、主要污染物排放总量达标，又要对吨产品新鲜水用量进行控制。

为了降低造纸废水处理的运行成本，提高去除效果众多学者在造纸废水处理技术方面进行了大量研究，其中常用于造纸废水处理的工艺有以下几种。吸附法

吸附法具有处理效果好、操作简单、运行费用低等优点。田淑卿等通过正交试验，对粉煤灰处理造纸废水的影响因素进行了研究，结果表明：对粉煤灰进行活化，能增加其对造纸废水化学需氧量(COD)的去除效果；最佳的试验设计方案为：粉煤灰经40％硫酸活化、粒度160—200目、投加量为30g/100ml；影响COD去除率的大小顺序为：投加量影响最大，粒度次之，活化方式影响最小。絮凝沉淀法

絮凝沉淀法具有工艺简单、易于操作管理、有较高COD去除率，又可以避免二次污染，成本低且处理效果好，具有较好的经济效益和环境效益。张福宁等将壳聚糖与硫酸铝进行配比制得复合净水剂处理废水，COD的去除率可达85％以上。高飞等用复合聚铁絮凝剂FPAS处理造纸厂中段废水，结果表明COD去除率可达88％左右，优于传统的絮凝剂。

在最佳混凝效果控制方面，李臻采用聚硅酸铝混凝剂处理COD为860～920 mg/L的造纸废水，在pH 7.80、100 mL废水中加人质量分数1％的聚硅酸铝水溶液0.2 mL、搅拌速率45 r/min、搅拌时间15 s、沉降时间15min的最佳条件下，COD去除率达88％ ；石中亮等采用壳聚糖处理造纸废水，在50mL废水中加入2 mL质量分数1％ 的壳聚糖醋酸溶液、pH 6.5～6.7、搅拌速率120 r/rain、絮凝时间12 h的最佳条件下，COD去除率达65％。高级氧化技术

乔维川等研究了用臭氧法深度处理制浆造纸废水的工艺条件，结果表明：臭氧与废水接触时间为5min、pH值8左右、臭氧的浓度为42.55mg/L时，废水CODCr的去除率为80％以上，色度的去除率为93.34％。刘剑玉等采用臭氧预氧化一曝气生物滤池(BAF)工艺对某钞票纸厂废水进行深度处理。结果表明，臭

氧预氧化处理能提高废水的可生化性，废水经臭氧预氧化BAF工艺处理后(臭氧用量l00mg/L，臭氧与废水接触时间5min，BAF水力停留时间2．0h)出水CODCr浓度约40mg/L，色度几乎完全去除，能够达到较高的废水排放标准或作为中水回收利用。

王兆江等采用Fenton体系氧化一絮凝工艺深度处理制浆造纸废水，废水经UV/Fenton体系氧化一絮凝处理后，色度、COD、BOD污染负荷基本去除，达到制浆造纸工业水污染物排放标准，红外光谱分析表明：废水中木素结构被UV/Fenton氧化降解，苯环结构开裂转化为脂肪族羧酸类物质。

刘学文等以过渡金属氧化物CuO为活性组分，采用催化湿式氧化法处理造纸废水，考察Cu负载量、催化剂用量、反应温度对废水COD去除率的影响。结果表明：固定氧气分压在2.5MPa和反应时间3h，催化剂用量为3g，Cu负载量为4％，反应温度为220℃，500mL浓度为3250mg/L造纸废水的COD去除率为90％，色度去除率为89％，pH值由9.6变为7.8。

欧阳明等以复合表面活性剂为模板剂，微波法制备不同Ce掺杂量的介~Lwo3光催化剂，采用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、UV—VisDRS和BET等对所得样品进行表征。实验表明，当Ce掺杂量为1％时，造纸废水的光催化降解效果最佳。以1％Ce/W03为催化剂，光催化降解造纸废水12h，废水的色度和COD去除率分别为100％和83.4％。生态废水处理技术

基于生态学原理的人工湿地污水处理技术是一项新型的废水处理技术，通过对人工湿地系统的合理规划与设计，可以实现污染的零排放，并最终使污水资源化。李丽娜等利用垂直复合流模拟人工湿地系统对废纸造纸废水进行处理实验研究，结果表明，废纸造纸废水经氧化塘系统处理后的pH值7.2～7.4，BOD5、CODCr、SS平均浓度分别为416mg/L、543mg/L、429mg/L，水负荷0．053m3/(m2.d)的条件下，经人工湿地处理后BOD5、CODCr、SS的去除率分别为94.9％、91.4％、98.0％，系统性能稳定，连续稳定运行12个月，处理后的尾水主要指标达到制浆造纸工业水污染物排放标准，可用于农灌。

发达国家从20世纪9O年代起广泛采用人工湿地处理工业废水，出水COD、BOD 分别能达30 mg/L和10 mg/L以下。江苏双灯纸业有限公司利用当地沿海滩涂资源优势，河南聚源纸业有限公司利用厂区闲置土地较多的优势，均采用生态法对造纸废水进行深度处理，取得了良好的环境效益和经济效益。生物法

好氧法主要包括活性污泥法和生物膜法等两种方法。

SBR活性污泥废水处理制装造纸SBR(Sequencing Batch Reactor)即序批式反

应器，是一种间歇式活性污泥处理系统，它已经成为一种简单可靠、经济有效和多功能的生化处理工艺，普通活性污泥法的BOD和悬浮物去除率都很高，达到90～95％左右，COD去除率达80％以上。

胡维超采用浸没式膜生物反应器S-MBR进行了造纸废水的中试处理试验，结果表明COD去除率高达95％。季明采用膜生物反应器对造纸废水生化池出水进行深度处理。研究发现，将生化池的出水直接进入反应器，解决由于营养低而难以提高污泥浓度的问题，从而提高了CODCr，去除效率；提出了优化运行参数，在停留时间l 0小时，污泥浓度89/1时，CODCr，去除效率可以达到45％以上。

厌氧生物处理技术是对普遍存在于自然界的微生物过程的人为控制与强化技术，是处理有机污染和废水的有效手段。造纸废水含大量有机物及难降解物质，适宜用厌氧法进行预处理。IC反应器是在UASB反应器的基础上发展起来的第三代高效厌氧反应器，它具有处理量大，投资少，处理效率高，抗冲击能力强，能耗低，占地省等优点，拥有良好的产业化发展前景，通过采用强制外循环IC反应器完成了造纸废水的启动研究，其COD去除率维持在73％一75g之间，其应用范围已成为废水厌氧生物处理的热点之一。

李燕,刁智俊采用爆破制浆工艺生产高墙瓦楞纸，具有浆得率高、污染物排放少的特点，排放的造纸废水含有较高的糖类物质，BOD/COD较高，可采用UASB一好氧的废水处理工艺，提高废水排放的水质标准，可达到了《污水综合排放标准》一级排放标准。

吴香波等研究了白腐菌采绒革盖菌Coriolusversicolor漆酶对木素聚合的影响，在有氧条件下，通过添加漆酶和少量ABTS介体到水样中，用紫外分光光度计测定了其中木素浓度变化，利用凝胶色谱法分析了酶催化聚合木素前后的分子量的变化，结果表明：酶处理6h以后，废水中木素浓度从93.1mg/L下降到17.2mg/L，酶处理2h以后，从造纸厂污水分离的木素的分子量从31251上升到586l0，造纸废水中木素及其衍生物被聚合后通过絮凝沉淀除去，从而实现废水色度与COD降低，进而为造纸废水回用提供可能。组合工艺

目前造纸废水的联合处理法较多。Alfred等 采用臭氧氧化一固定床生物膜反应器工艺提高外排水的水质，发现该工艺对COD、色度和AOX的去除效果较好，且需要的臭氧量较少。化学絮凝一气浮串联生物接触氧化工艺处理再生纸生产废水的研究结果表明，该工艺能够将中段水的回用率提高至88％。李颖等采用还原铁床与固定化曝气生物滤池联合工艺深度处理中段水，COD由320 mg/L降至30 mg/L左右，色度由251倍降至18倍。

毕芳等采用ABR(折流板反应器)&BAF(曝气生物滤池)组合工艺处理造纸废

水，运行结果表明：在进水CODcr400～500mg/L，BOD5200～300mg/L时，处理后出水水质可达到 制浆造纸工业水污染物排放标准(GB3544—2008)第二时段一级标准之现有企业水污染排放限值：CODcr≤100mg/L，BOD5≤30mg/L，该工艺简单，占地面积小，运行方便，运行费用低。广纸南沙污水处理厂采用“IC(内循环)厌氧反应器-SBR一气浮”三级处理工艺处理制浆造纸废水，处理效果稳定，各项出水考核指标(BOD、COD、SS)均能够达到设计值，就目前污水处理的技术水平来说，是较理想的处理工艺。

综上所述，造纸废水处理技术较多，各种技术都有一定的不足之处，在实际应用中多采用组合工艺，取长补短，达到经济性和实用性的统一，随着现代科技水平的不断发展，将有更多更先进的造纸废水处理技术应用于实践，这些处理技术，必将对造纸废水处理技术的系统研究奠定坚实的基础。

第三篇：电厂废水处理控制系统的设计与研究范文

电厂废水处理控制系统的设计与研究

一、项目简介

本电厂废水处理控制系统项目所在地位于山西省霍州市。霍州发电厂于1967年1月由水利电力部批准筹建，采用火力发电，装机容量40万千瓦，年发电量25亿千瓦·时，主要担负着山西中南部地区工农业生产及人民生活用电，是山西电网的主力电厂。

霍州发电厂建设时正处于中国发展的特殊年代，在选厂、设计、设备选购、施工、安装和投产发电等方面追求简易发电，给安全经济生产留下先天缺陷。由于火力发电厂是工业用水大户，因此每天的工业废水如果直接排放，不仅浪费水资源，而且会造成严重的环境污染。

以 往的废水处理系统采用人工手动控制，造成人员工作强度大，控制效率低，控制工艺落后。本次项目采用全新的自动控制系统和监控技术可以克服以前人工控制精度 低、运行操作繁琐、误操作可能性大等缺点，该系统的废水处理工艺流程具有一定的先进性，达到了电厂废水零排放，大大提高了水的利用率。同时可以通过网络把 监控数据融入整个电厂的自动化管理中，节省人力物力，便于集中管理。通过本自动控制系统把处理过的废水再纳入整个电厂的水循环中，提高电厂用水的效率，节 约成本，提高了整体的经济效益。使电厂的自动化管理和自动化控制生产方面达到一个新的高度。

图1 霍州发电厂污水处理池外景

二、系统介绍

1． 项目工艺简介

本次项目的主要任务包括含煤废水的回放、化学再生废水收集、主厂房内系统优化消防、生活水系统隔离、生活污水及工业废水回用工程。采用一定的污水处理工艺，并通过自动化控制达到预期规定的控制指标。整个废水处理系统由收集池、调节水池、净化器、污泥池、清水池等部分组成，在废水处理过程中，我们将系统划分为五个子系统来处理，分别为：净水系统、储药系统、过渡调节系统、清水回用系统以及污泥浓缩系统。电厂的废水处理系统工艺流程图如图2所示：图中的圆代表收集水泵；长方形代表集水池；长圆罐代表一体化净化器，系统中共有四个净化器，其余三个在图中省略。箭头的指向代表废水的流向，其流向为从左往右。

图

2电厂废水处理系统工艺流程图

2．项目方案

为保证废水处理系统安全稳定的运行，该项目中控制器、执行器、监控组态部分均采用西门子系列产品，主要有以下几部分：

a.负载电源模块(PS)：PS 307 b.接口模块(IM)：IM360，IM361 c.中央处理单元(CPU)：CPU315-2DP

d.信号模块(SM)：数字量输入模块SM321，数字量输出模块SM322，模拟量输入模块SM331，模拟量输出模块SM332

e.执行器：MicroMaster430/420变频器

f.监控组态软件：WINCC(Windows Control Center)6.0

三、控制系统构成

控制系统的设计包括PLC控制系统部分，系统采集与执行器控制部分以及上位机的监控系统部分。系统结构设计图如图3所示。

图

3系统结构设计图

1． 系统硬件配置

在电厂污水处理控制系统中，根据用户要求及实际情况分析，我们采用西门子公司的S7-300系列产品来完成此项目。参照西门子公司提供的产品技术参数，以S7-300系列中的CPU315-2DP实现控制功能，由于该系统模拟及数字输入输出量较多，采用接口模块IM360、IM361（主机架使用IM360，扩展机架使用IM361）连接扩展的信号模块满足系统要求，其中信号模块包括若干数字量输入模块 SM321，数字量输出模块 SM322，模拟量输入模块SM331，模拟量输出模块SM332。

现场多台工作泵采用西门子MicroMaster430变频器，MicroMaster430变频器除了具有第四代变频器的特点以外，还具有应用于风机和泵类的硬件和软件特征，尤其适合用于风机和水泵负载的控制。使用此种型号的变频器可以节约能源消耗，降低运行噪声，对环境起到很好的保护作用。

电厂污水处理控制系统的输入输出信号主要分成4个部分，放在三个相连的导轨上：

 模拟量输入：一站集水池液位，二站集水池液位，清水池液位，污泥池液位，过渡水池液位，溶药箱液位，流量计和四个进化器的浊度和压差。

 模拟量输出：四个控制变频器（一站收集水泵、回用水泵、加药计量泵a、加药计量泵b）。 数字量输入：分为各个水泵风机的运行，故障反馈信号，手/自动选择信号；各个阀门的手动开，关控制信号，故障反馈信号和手/自动选择信号。

 数字量输出：分别为对各个水泵、风机的开、关、复位输出控制信号；各个阀门的开，关输出控制信号；变频器的启动，复位控制信号。

系统配置了操作员站和工程师站，操作员站的上位机采用研华科技的610H工控机，监控系统使用西门子WINCC监控组态软件，它不仅能很好的支持S7系列的CPU，还集成了多种网络连接方式，使上位机与自动化系统的连接工作非常方便。而且它提供了适用于工业的图形显示、消息报警、过程值归档以及报表打印等模块，具有高性能的过程耦合、快速的画面更新、以及可靠的数据管理功能。图4所示为WINCC组态示意图。

图4 WINCC组态示意图

2．控制方案选择

在采用本系统实施方案前，客户拟采用CPU315模块及通信处理器模块CP343-1实现系统要求，由于CP343-1有其自身的处理器可连接SIMATIC S7-300和工业以太网等，可独立处理数据通信，这样使得系统可扩展性增强。由于考虑到项目总体预算及成本，本方案将前方案中CPU315模块换为CPU315-2DP，并省去通信处理器模块CP343-1，这样既满足了系统要求，又减少了系统模块，综合计算后为项目开发节约了不少硬件开支。

四、控制系统完成的功能

1．控制系统功能及指标（1）软件实现

根据工艺，整个系统的程序由下列几个部分组成：1#集水池、2#集水池、清水池、调节水池、净化器正洗、净化器反洗、加药、净化器停止。每个程序都可以单独控制和单独运行，同时每个程序又是系统的组成部分，它们之间互相有数据的传输。它们组合在一起动作就构成了完整的PLC控制系统程序。下图5为工业部分现场图：

图5 工业现场

程序中编程采用STEP 7软件。这套软件不仅是一个简单的程序编写软件，还集成了硬件组态、网络组态、系统调试、项目管理等各种功能，使项目的实施更加方便。在本控制系统的完成过程中，主要进行了以下几部分的程序设计（如图6）：

图6 项目OB1中程序结构图

图6中：DB11-DB14： 对应四个净化器的正洗背景数据块

DB15-DB18： 对应四个净化器的反洗背景数据块 DB19-DB22： 对应四个净化器的停止背景数据块  由 废水处理的工艺流程可以知道，废水在经过一系列的水池后最终进入四个废水净化器，在净化器里经过工艺的处理后排放到清水池中。从程序角度看，四个废水净化 器的控制流程一致，因此没有必要为每个净化器编写一段代码，只需编写一个函数块，让它们都调用即可。为此，对于在净化器中的正洗、反洗和停止流程都编写了 一个程序块，分别是FB11，FB12，FB13。对于每个净化器来说只要分别调用相同的函数块就行，对于每个净化器中不同状态的数据是利用其不同的数据块来加以区别的。这样在整个程序中即保持了流程的统一性，即减少了程序代码，节约了存储空间，又方便维护和修改。

 模拟量信号因为其在传输过程中有可能会受到其它信号的干扰，而可能出现较大幅度的瞬间变化，而这些值对于系统来说是毫无用处的，甚至有些还可能引起系统的异常运行。由于模拟量总是随着时间连续变化的，所以可以利用滤波算法把瞬间变化的干扰信号过滤掉，把有用的数据传输给PLC控制系统处理。在废水处理控制系统中由于所要求数据处理速度不快，精度也是不要求太高，只是为了防止突然间信号的瞬间变化影响到系统中程序对水质，浊度的判断，所以在系统中使用算术平均滤波算法，算法处理简单，可靠性高，程序编写方便。在程序中定义了FB21作为滤波处理算法的功能块，相当于函数一样，参数的传递是Analog_in变量，返回值是Analog_out变量。事实证明这种算法已经能够满足现场的实际需要，取得了良好的效果。

 本控制系统使用的CPU 315-2DP中没有集成相应的系统功能块，故程序中使用FB41 “CONT_C”作为PID控制功能块。CONT_C可以在S7系列PLC中实现对于连续输入输出变量的PID控制。CONT_C中的PID控制环节为增量式PID环节，相关参数可以通过输入参数进行实时调整。PID控制程序块与模拟量滤波算法一样都放在定时中断OB35中，它们一个是输入滤波，一个是输出控制，这样可以准确地掌握程序运行时间，提高控制精度。

（2）硬件实现

电厂污水处理控制系统的输入输出信号主要分成4个部分，分别为模拟量输入、输出，数字量输入、输出，并放在三个相连的导轨上，如图7所示：

图7 实际系统的机架结构图

输入输出的硬件接口是也是系统设计的一部分，它反映的是PLC输入输出与现场设备之间的连接，只有正确连接安装才能使得PLC读取到数字量和模拟量，连接方法的不同可以有效地防止现场的干扰，保证数据的正确性。对于SM321的数字输入量模块，在15-25V直流电压以内都能检测到信号。由于现场的执行器也是发出的直流信号，因此把其直接和现场的开关设备连接来接收开关信号量，图8给出了的数字量输入模块接口示意图。

图8 数字量输入接线原理图

数字量输出选用晶体管输出模块SM322，晶体管输出的响应时间短、寿命长、输出口密度高，但是其只能带直流负载而且带载能力弱。同时为了使PLC的输出和现场回路之间隔离，在输出端使用了继电器，通过继电器触点控制现场负载。这样使控制器与现场达到了电气隔离的作用，大大提高了系统的安全性，同时也使输出口带载能力得到了大大的增强。在继电器旁边加二极管泄放反电势能量，起到保护输出口的作用。图9给出了数字量输出模块接口示意图。

图9 数字量输出接线原理图

SM331采用4-20mA电流输入连接到传感器上，采集系统模拟量数据。图10给出了模拟量输入模块接口示意图。

图10 模拟量输入接线原理图

SM332输出0-10v电压连接到变频器直接给控制信号。图11给出了模拟量输出模块接口示意图。

图11 模拟量输出接线原理图

2．系统的监控与管理

系统采用WINCC5.2监控组态软件在研华科技的610H工控机上实现监控与管理，为生产与安全带来极大的方便。

经过设计，整个监控系统提供了如下的功能：(1)在线自动监视

系统可对废水处理装置的各项仪表数据实时的在线监视，并且生动直观的反应在监控界面上面。系统的刷新数据是1秒，历史的保存间隔是2分钟。图12为废水处理系统工艺监控界面。

图12 废水处理系统工艺监控界面

(2)在线手动控制

系统可提供在线实时的对参与控制的各电动阀门和泵的手动控制操作。当系统运行中需要进行维护或执行其它控制时，可以在线实时的对各个设备手动的单独控制，而不影响其它设备的正常自动运行。

(3)工艺参数在线实时设定

系统可以提供在线的实时参数修改，当在运行过程中发现工艺需要改进或其它问题，可以由操作员在线改变系统的参数，以使系统工作在最优的控制状态中，如图13。

图13 工艺参数设定

(4)故障诊断和报警 系统可对以下故障自动诊断，并发出预防性的报警。

报警高限：实时参数异常偏大，大于设定值，是该监测点处于高报警。报警底限：实时参数异常偏小，小于设定值，是该监测点处于低报警。

报警：当实时参数出现异常时，相应的监测点通过颜色的变化，提醒操作员注意，进行相关的操作，若需要可以配合声音报警。故障报警界面如图14。

图14 故障报警界面

(5)利用历史曲线查询分析远程模拟量的情况

利用历史曲线，可随时针对各个运行点的情况，结合本时间各监测点的数据，分析系统的运行情况，净水器的运行状态。

运行过程中，系统将自动生成数据报表，并将数据报表保存在历史数据库中，以便随时查询历史记录。图15所示为趋势曲线界面。

图15 趋势曲线界面

(6)报表的打印

报表打印可以根据操作员的要求，生成符合要求的系统报表，并且打印。也可以设定让系统自动的根据间隔的时间实时的打印报表。图16所示为报表打印界面。

图16 报表打印界面

(7)系统指标 系统的数字量输入点为227个 系统的数字量输出点为125个 系统的模拟量输入点为15个通道 系统的模拟量输出点为4个通道 系统监测数据刷新时间为1秒

历史数据的保存及报表显示：根据硬盘存储器的大小来决定保存的时间。保存的间隔为2分钟，初步估计可以有效存储13年左右。

3．项目亮点及难点实现(1)WINCC定时器问题

在定时器的使用过程中，由于设定的定时时间是需要根据实际的工艺来调整的，为此不能在定时器中使用常量定时时间。要新建DB25数据块，建立变量的参数时间选择TIME数据类型，它是一个32位的数据，T#1D_1H_1M_1S_1MS，前面是一个标准的例子，表示定时时间为1天1小时1分1秒1毫秒。使用可变参数是为了和WINCC中通讯，使得现场操作员可以根据当前水质等一系列变化调整时间值，由于在WINCC中没有TIME这个数据类型，只能用DWORD32位整型类型来操作，这就涉及到了两个数据类型的转换的问题。根据实际情况所得TIME中的1s=1000(DWORD型)。为了减少STEP7中数据的处理量，在WINCC中使用C脚本对数据进行了处理。WINCC中的时间以分为单位，因此1M=1s*60=1000*60=60000(DWORD型)。

(2)数据网上发布平台

本项目中设计了系统数据的网上发布平台，在这里有两种方案可以考虑，一是利用西门子公司提供的WINCC Web Navigator软件开发网上的数据传送系统；二是利用Delphi软件来开发网络浏览系统。由于项目经费限制，我们采取了第二种方案。通过这种方案，界面的设计，和本地化系统的集成就都掌握在设计者手中，使得最后的系统能过符合客户的要求，人性化，易用性都比较高，而开发成本也在控制之中。

（3）WINCC中动态报表的设计

在实际项目中虽然WINCC提供了变量趋势显示、报表功能，满足了简单的归档数据访问要求，但不能完成该废水处理工程项目提出的复杂数据处理要求（如：进行有条件的查询和打印，任意时间、任意区段的查询等）。因此，在设计过程中对归档数据复杂查询技术进行了研究。WINCC是一个全面开放的组态软件，它可方便地集成标准Windows应用的对象、函数和文档；提供了访问所有WINCC功能的API编程接口；集成了OLE/OCX和ActiveX对象；它允许通过标准接口（标准SQL数据库）访问归档数据库；通过DDE、OPC接口与其它Windows程序进行数据交换。这些开放性为自行扩展和进一步丰富WINCC软件的功能、解决该工程问题提供了可能。在本项目中应用ActiveX技术实现WINCC归档数据复杂查询解决该工程问题是可行的：根据用户对控制系统有条件查询、打印的要求，运用Delphi设计ActiveX控件，然后在WINCC中调用该控件，最终实现WINCC不能完成的复杂归档数据访问任务。

图ActiveX控件的界面

五、结束语

系统于2004年10月投入运行，两年来系统运行良好，未进行任何维修，电厂废水达到了零排放，大大提高了水的利用率。

六、应用体会

在项目进行的过程中，西门子在工控领域中安全、可靠、成熟、高效的产品及解决方案为项目的顺利进行提供了保证和保障。西门子的TIA理念及产品特点，着眼于整个工厂的控制和管理，采用统一的数据管理、统一的编程组态平台、统一的通讯规范和灵活的结构配置，从另一侧面保证了项目的顺利完成。

本项目使用了WINCC监控软件，由于软件优越的开放性，解决了项目中的监控方面的难点问题，如WINCC中动态报表的设计等功能。而统一的国际标准编程语言及现场总线技术的应用，以及项目中软硬件设计的模块化，更体现了本系统的可扩展性与可维护性。附：参考文献 肖萍．火电厂排放废水的处理与回用．江苏环境科技．1998(3)：18-19 2 STEP 7 V5.2 编程手册．SIEMENS AG．2002 S7-300可编程序控制器硬件和安装手册．SIEMENS AG．2004 4 WINCC编程指南．SIEMENS AG．1998 求是科技．Visual Basic 6.0数据库开发技术与工程实践．人民邮电出版社，2004

第四篇：化纤造纸废水处理工艺研究

化纤造纸废水处理工艺研究

摘 要：本文介绍了处理化纤废水的工艺和流程、工程参数以及处理工艺的调试和实际运行状况。

关键词：化纤造纸废水；市政污水处理工艺；设计方式

一、造纸废水概况

污水处理厂面对的排污企业，主要为化纤和印染制造厂、造纸厂、各种类型的化工厂等。此外，污水处理厂还负责处理市区居民日常生活中排放的废水。通过测量工业污水的总量，并分析处理项目调查结果，可以得知处理厂的设计规模，以及进入废水处理流程的工业污水比重大小。

市区内的化纤造纸企业为了使排放的污水符合质量指标，在污水进入市政处理环节之前，已经对污水预先进行了处理。对企业排放污水的调查结果显示：化纤废水的质量浮动明显，色度比其他种类的废水高；同时，污水中含有的各种化学元素含量也较高。

纤维废水中含有的污染物质，主要包括各种难以溶解的纤维、色素和有机污染物等。这种颜色较深、含有许多悬浮物质，且成分复杂的纤维废水，是污水处理的主要对象。在洗涤和漂白阶段，产生的废水中含有大量的纤维素、木质素和难以被生物分解的树脂酸盐。从抄纸机内流出的纤维污水中，也含有较多纤维成分，以及在造纸流程中添入的胶料和其他填料。

我们对某市政污水处理项目进行了调查。这一项目需要处理的废水量较大，且生活废水对这种工业污水的稀释作用又不强。在进行混合之后，污水中BOD和COD的比值仍然低于0.3。这说明此类污水属于难以被降解的废水，接收到的工业污水已经通过了第一道程序的生化处理，余下的污染物质多为有机物，含有很难被降解的较稳定苯环和氮含量较多的杂环物质。这些几乎无法处理的聚合类物质，会对水质造成很大干扰。工业污水中含有较多的粘胶状纤维和化纤，颜色程度较高。即便是被生活污水稀释之后，这种废水自身的色度仍然在150倍左右。

从造纸废水的特征中，可以大致提炼出设计技术方面的重点：由于待处理的废水成分复杂，包含了多种很难降解的有机成分，且色度很高，因此，要选择针对性强的工艺流程，确保污水处理符合标准。我们可以将处理工艺的对比和处理厂设计方式作为研究重点。

二、工艺中试环节

排入市政管道的工业废水，所含成分往往十分复杂，处理起来比较困难。因此，造纸废水进入市政处理环节之前，需要符合特定的要求；处理废水的专业化技术应当满足标准。工业污水的处理效果，涉及到环境效益、经济效益，以及处理过程对周围环境的影响。在对处理工艺进行具体设计之前，需要中试同种类市政处理厂的处理效益，在此基础上确定可行性强的处理方案。

（一）操作步骤

第一步是对污水进行预先处理。为了确保这一处理步骤的顺利进行，并实现理想的处理效益，应当首先对污水进行预先处理，提高废水的可生化特性。建议选择水解酸化的处理方式，因为这种方式可以借助厌氧的微生物，来分泌出一种酶物质，加速大分子的污染物质向小分子的物质转变，提升污水的降解几率，加强可生化性。这种工艺流程有效利用了某些厌氧物质的化学反应，缩短了水解过程和酸化过程的时间。用来进行水解处理和酸化处理的细菌，基本是厌氧型和兼氧型的细菌。因此，这种化学反应所需要的氧气含量低，能够节约资源，且对于有机负荷的承受能力较强。

第二步是采用生化方式进一步处理。二级生化处理过程的主要任务，是去除较多的COD。因此，强化生化处理是处理流程的重要部分。对于这种技术的模拟，目标是对技术方案进行比较，并选择合适的一种方案。

第一种方案是在处理池中加入生物性质的助剂，如功能特殊的菌种或这些细菌产生的蛋白酶物质。生物性质的助剂已经被推广采用，其处理成效明显。例如：某造纸厂排放的污水，在加入助剂之前，去除COD的含量仅达到了60%；但是在加入了助剂之后，可以除掉约为75%的COD。

第二种方案是加入活性的炭物质。对于近似处理厂的调查显示：废水的可生化特征不显著，微生物不能取得容易被降解的碳物质，因此，微生物的繁殖会被抑制，生物含量会下降，水池中污泥的含量低，难以满足要求。基于这样的考虑，可以在处理池中加入特定量的活性炭物质，用来去除污染物中的有机物，并作为微生物附着的载体。充足的反应时间，可以确保生化降解过程在炭物质的缝隙中实现，降解一些成分多样的有机物，产生出针对性强的特殊菌种。

第三步是深度处理造纸废水。这种处理的目标，是除掉废水的色度，并对残留的COD进行进一步去除。通常情况下，可以遵循混凝沉淀——消毒——过滤的处理流程。

（二）操作方案

通过对处理对象的深入研究，依据可行性强、节约资金的基本原则，可以确定具体中试方案：水解酸处理——对氧化沟进行改良——进入沉淀池处理。将试验装置的流量设定为每小时100L，进入装置的水源来自沉砂池流出的水，污泥来自处理厂内部各种构筑物的残留物。

研究中试结果的目的包括：确定各种技术方案的优势和缺陷；选取合适的阶段性设计参数，并确定合理的药物投放含量，为下一步的设计方式提供科学根据；比较不同工艺设计方式的资金消耗，综合衡量方案的可行性与经济性；依据分析结果，选择最适合本次处理的工艺设计方式。

（三）操作结果

如果不加入药剂，则经过处理的废水中COD含量浮动范围为每升56毫克到84毫克，色度浮动范围为25倍到40倍。经过处理的废水中COD达标天数较少，主要原因是：生化处理池中含有的微生物较少，处理效率不高；进入处理厂的水源含有很难被降解的有机聚合物质，这种物质适合采用吸附方式除掉，经过深度处理之后，去掉混凝沉淀物质的比例较小。造纸废水的平均色度超过了标准，经过试验和分析，得知产生色度的物质多数为很难形成微粒的溶于水的染料，余下的指标都相对稳定。改良性质的氧化沟在去除氮和磷方面成效明显，生化系统本身的缓冲作用也不容忽视。

能够影响生化处理效果的物质还包括助剂物质。如果投入少量的生物助剂，能够提升约为4%的COD去除量。这种处理方式，除去个别的高含量天数之外，都能够符合处理标准，但是不利于去掉色度。由于化纤污水中含有很多有机成分的染料，这些染料内部分子构成相差较大，而助剂只能针对单一种类的染料，因此，总体的处理效果并不十分理想，对于色度的降低幅度也不够大。

将活性炭加入到改良性质的氧化沟之后，可以有效提升COD的去除概率，以及废水中微生物的含量数值。这是因为炭物质可以吸附大量的纤维、聚合物以及有机分子。这部分炭物质可以作为微生物附着的载体，反复流动在氧化沟内部，经历氧的交互环节，实现强化反应的目标。在有效除去废水中的COD和色度之后，可以稳定住出水的质量指标，进而确保工艺流程的顺利实现。

造纸废水的色度和COD具有某些相关性，加入活性炭可以产生双重的处理效果。每一种设计方案在投入的资金总量上差别不大，只是药剂价格方面有差异，但是这部分差异在总体资金中所占的比例较低。因此，我们需要综合对比设计方案产生的费用，以及运行流程的经济程度。

图1

三、常见问题及解决

作为调查对象的市政污水处理厂从投入运行开始，没有出现严重问题，保证了造纸厂废水处理程序的顺畅。用于处理污水的设施整体上处于良好运行状态，然而，仍然有一些需要解决的问题：

首先是清液的回流问题，主要包括浓缩池和淤泥脱水产生的清液。如果将这两种清液回流到格栅之前，和进入系统的污水一起流入生化处理环节，则会导致液体中的化学成分不断堆积在氧化沟内部，改变微生物得以存在的化学环境。例如：聚合物PAM不容易被降解，且这种物质的单体有毒害作用。这就破坏了微生物的活性，导致从处理厂流出的污水质量不佳。对于这种情况，可以将液体引入密度较高的沉淀池内部，在配水井内进行物化处理，经过循环改善微生物生存的液体环境。其次是在PAM中加入药物的问题。在加入处理药物时，要确保药物浓度符合特定数值，并采用单独的管线来加入药物。在系统运行过程中，如果管道被阻塞，则会阻断药物的投入，影响到沉淀池对于污水的处理作用。在某些时段内，从系统中流出的污水达不到标准。为了增强药物投入系统运行的稳定性，可以考虑采用两根管线来添加药物。为了提升淤泥处理设备的脱水效率，可以加设污泥浓缩装置，限定浓缩所消耗的时间。这样做能区分生化性质的淤泥和化学成分的淤泥，将它们分开处理，防止彼此干扰。

结语

通过完善市政处理化纤污水的工艺，改进了处理方式，节约了污水处理的资金，并提升了污水处理和回收利用的效率。经过处理之后，化纤造纸污水中有害的化学成分被分解，污水质量已经符合地方标准。目前，大部分城市地区处理化纤废水的设备还不够先进，处理工艺也有待改进。应当总结污水处理工作的经验教训，以此为基础来设计更加高效的处理方式，保护市区环境清洁和居民健康。

参考文献

[1]陈桂霞，孙显锋.市政污水处理工艺的研究分析[J].吉林画报 新视界，2011（04）.[2]王福政，杨丹丹.浅谈市政污水处理工艺[J].中国新技术新产品，2010（23）.[3]黄晓波.关于市政污水处理工艺及回用技术的研究[J].建材与装饰，2012（33）.

第五篇：有机场效应晶体管和研究

有机场效应晶体管的研究

摘要：有机场效应晶体管(Organic Field Effect Transistors,OFETs)是以有机半导体材料作为有源层的晶体管器件。和传统的无机半导体器件相比，由于其可应用于生产大面积柔性设备而被人们广泛的研究，在有机发光、有机光探测器、有机太阳能电池、压力传感器、有机存储设备、柔性平板显示、电子纸等众多领域具有潜在而广泛的应用前景。文中对OFET结构和工作原理做了简要介绍，之后重点讨论了最近几年来OFET中有机材料和绝缘体材料的发展状况，接着总结了OFET制备技术，最后对OFET发展面临问题及应用前景做了归纳和展望。关键词：有机半导体材料；有机场效应晶体管；迁移率;绝缘体材料；柔性面板显示

0引言

场效应晶体管(Field Effect Transistor FET)是利用电场来控制固体材料导电性能的有源器件。由于其所具有体积小、重量轻、功耗低、热稳定性好、无二次击穿现象以及安全工作区域宽等优点，现已成为微电子行业中的重要元件之一。

目前无机场效应晶体管已经接近小型化的自然极限，而且价格较高，在制备大表面积器件时还存在诸多问题。因此，人们自然地想到利用有机材料作为FET的活性材料。自1986年报道第一个有机场效应晶体管(OFET)以来，OFET研究得到快速发展，并取得重大突破。由于OFET具有以下突出特点而受到研究人员的高度重视：材料来源广，工作电压低，可与柔性衬底兼容，适合低温加工，适合大批量生产和低成本，可溶液加工成膜等。从使用共扼低聚物成功地制造出第一个有机场效应晶体管，到全有机全溶液加工的光电晶体管的诞生，这些突破性进展对有机半导体材料的发展无论从理论上还是工业生产上都起到了巨大的推动作用。

1器件结构、工作原理及性能评定

1.1有机场效应晶体管基本结构

传统的有机场效应晶体管的主要包括底栅和顶栅两种结构，其中底栅和顶栅结构又分别包括顶接触和底接触两种结构，如图1所示。

图1典型的OFET结构

OFET 一般采用栅极置底的底栅结构，即图 1(a)、(b)所示的两种结构，它们分别是底栅-顶接触结构和底栅-底接触结构。二者最大的区别就是有机层是在镀电极之前(a顶接触)还是之后(b底接触)。顶接触结构的源、漏电极远离衬底，有机半导体层和绝缘层直接相连，在制作的过程中可以采取对绝缘层的修饰改变半导体的成膜结构和形貌，从而提高器件的载流子迁移率。同时该结构中半导体层受栅极电场影响的面积大于源、漏电极在底部的器件结构，因此具有较高的载流子迁移率。底接触型OFET的主要特点是有机半导体层蒸镀于源、漏电极之上，且源、漏电极在底部的器件结构可以通过光刻方法一次性制备栅极和源、漏电极，在工艺制备上可以实现简化。而且对于有机传感器来说，需要半导体层无覆盖地暴露在测试环境中，此时利用底结构就有较大的优势。而底接触由于半导体层与金属电极之间有较大的接触电阻，导致载流子注入效率降低从而影响到其性能。目前这方面缺陷也有改进，如使用镀上聚乙撑二氧噻吩和聚苯乙烯磺酸款(PEDOT：PSS)材料的金电极可以减少与有机半导体并五苯材料之间的接触电阻。二者之间载流子注入的阻力由0.85 eV直接降到0.14 eV，导致场迁移率从0.031 cm2 /(V·s)增加到0.218 cm2 /(V·s)。

图1(c),(d)为顶栅结构，即首先在衬底上制作有机半导体层，然后制作源、漏电极，随后再制作绝缘层，最后在绝缘层上面制作栅极。这两种栅极位于最顶部的顶栅结构在文献报道中并不是很多。

图2是垂直沟道OFET结构，是以缩短沟道长度为目的的一类新型场效应晶体管。它以半导体层为沟道长度，依次蒸镀漏-源-珊电极，通过改变栅电压来控制源、漏电极的电流变化。

图2垂直沟道OFET结构

这种结构的主要特点是：沟道长度由微米量级降低至纳米量级，极大的提高了器件的工作电流，降低了器件的开启电压。这类晶体管的不足之处在于漏-源-栅极在同一竖直面内，彼此间寄生电容的存在使得零点电流发生漂移，一般通过放电处理后可以避免这种现象。1.2工作原理

以P型有机场效应0体管(见图3)为例来说明OFET的工作原理。

图3 p型OFET工作原理图

有机场效应晶体管在结构上类似一个电容器，源、漏电极和有机半导体薄膜的导电沟道相当于一个极板，栅极相当于另一个极板。当在栅、源之间加上负电压从VGS后，就会在绝缘层附近的半导体层中感应出带正电的空穴，栅极处会积祟带负电的电子。此时在源、漏电极之间再加上一个负电压VDS，就会在源漏电极之间产生电流IDS通过调节VGS和V ns可以调节绝缘层中的电场强度，而随着电场强度的不同，感应电荷的密度也不同。因而，源、漏极之间的导电通道的宽窄也就不同，进而源、漏极之间的电流也就会改变。由此，通过调节绝缘层中的电场强度就可以达到调节源漏极之间电流的目的。保持VDS不变，当VGS较小时IDS很小，称为“关”态；当VGS较大时，IDS达到一个饱和值，称为“开”态。1.3主要性能指标

对有机半导体层的要求主要有以下几个方面：第一，具有稳定的电化学特性和良好的π共扼体系，只有这样才有利于载流子的传输，获得较高迁移率；第二，本征电导率必须较低，这是为了尽可能降低器件的漏电流，从而提高器件的开关比。此外，OFET半导体材料还应满足下列要求：单分子的最低未占分子轨道(LUMO)或最高已占分子轨道(HOMO)能级有利于电子或空穴注入；固态晶体结构应提供足够分子轨道重叠，保证电荷在相邻分子间迁移时无过高能垒。因此，评价OFET的性能指标主要有迁移率、开—关电流比、阈值电压3个参数。场迁移率是单位电场下电荷载流子的平均漂移速度，它反映了在不同电场下空穴或电子在半导体中的迁移能力；开—关电流比定义为在“开”状态和“关”状态时一的漏电流之比，它反映了在一定栅极电压下器件开关性能的优劣。为了实现商业应用，OFET的迁移率一般要求达到0.O1 cm2 /(V·s)，开—关比大于10。对于阈值电压，要求尽量低。OFET发展至今，电压由最初的几十甚至上百伏下降到5 V甚至更低。开关电流比由102~103提高到109，器件载流子迁移率也由最初的10-5 cm2 /(V·s)提高到了15.4 cm2/(V • s)。

器件性能通常用输出特性曲线和转移特性曲线来表征。

图4是以聚合物PDTT为半导体材料的顶结构OFET输出特性曲线(a)和转移特性曲线(b)图。从图4(a)可以看出漏电流ID在VD绝对值小于20 V范围内随VD绝对值的增大而增大。图4(b)中，ID随着VG负电压绝对值的增大而增大。最终计算出该器件的迁移率为2.2x10 3 cm2 /(V·s)。

图4顶结构OFET输出特性曲线及转移特性曲线图

2有机半导体材料

目前研究较多的是单极性有机场效应晶体管，根据有机半导体层材料的不同可将其分为p型材料和n型材料两大类。2.1 p-沟道有机半导体材料

p型半导体材料又称空穴型半导体材料，即空穴浓度远大于自由电子浓度的杂质半导体材料，p型有机材料又分为p型高聚物、p型低聚物、p型小分子3类。常见的p型有机半导体材料结构见图5。

图 5典型 p 型有机半导体材料化学结构

2.1.1 p沟道高聚物

高分子聚合物(如烷基取代的聚噻吩等)优势在于可使用涂膜甩膜、LB膜等方法制备。这些制备方法优点是工艺简单、成木低廉，缺点是有机材料难于提纯且有序度较低，从而导致了高分子材料较低的迁移率。聚噻吩(PTh)经过真空干燥后作为活性材料空穴迁移率为0.25 cm2 /(V·S)。基于噻吩的聚合物，poly(3-hexylthiophene)(P3HT)被广泛的研究。烷基可以通过头-尾(H-T)相连和头-头(H-H)相连两种方式被引入聚噻吩链。引入烷基的聚噻吩链与基底接触展不了高度有序的自适应薄膜结构。经H-T方式引入烷基的P3HT迁移率接近0.2 cm2 /(V • s)，开关电流比接近106。使用LB成膜技术的P3HT迁移率为0.02cm2 /(V•s)。

Takashi Kushida等人对(P3HT)材料做了进一步的研究，他们通过旋涂的方法制成的OFET迁移率仅有1.3x10-4cm2 /(V·s)，通过改变成膜方法，采用微接触打印技术之后，得到1.6x10-2 cm2 /(V•s)的迁移率，比旋涂成膜方法提高了两个数量级。性能的提高归因于微接触打印方法生成的P3HT薄膜表面高度有序，有利于载流子的横向传输。2.1.2 p-沟道低聚物

常见的低聚物有噻嗯齐聚物和噻吩齐聚物等，与高分子聚合物相比，低聚物用于OFET有许多优点，如可通过调整分子的结构和长度来控制载流子的传输等。相关报道表明，星形低聚噻吩迁移率为2x10-4 cm2 /(V•s)，开关电流比达到102。一系列星形低聚噻吩衍生物也可作为OFET材料。如通过氯仿溶液旋涂得到薄膜，场迁移率达到1.03x10-3cm2/(V•s)，开关电流比103。以三基化胺为中心以π共扼噻吩为分支的混合材料也被合成出来，其空穴迁移率为0.011 cm2 /(V•s)。2.1.3 p-沟道小分子

有机小分子拥有聚合物无法比拟的优点：易于提纯，减少杂质对晶体完整性的破坏，达到器件所要求的纯度；一定的平面结构大大降低了分子势垒，有利于载流子高速迁移；易形成自组装多晶膜，降低晶格缺陷，提高有效重叠；较容易得到单晶，极大地提高了场效应迁移率。金属酞菁小分子因具有以上优点而被广泛研究，近几年取得了很大进展。2005年Yasuda等用Ca做电极制备的CuPc(酞菁铜)FET显示出电子和空穴两种载流子传输性质。2007年Opitz等人又提出用酞菁铜和富勒烯混合膜制备OFET的思想，并讨论了两种化合物不同的混合比率所对应的各种迁移率和阈值电压。利用5，50-bis-(7-dodecyl-9H-fluoren-2-yl)-2，20-hithiophene(DDFTTF)作为活性材料制成的OTFT器件空穴迁移率为0.11 cm2 /(V • s)，开关电流比为3.1x106cm2 /(V • s)，具有很高的灵敏度，可用于传感器材料研究。晶态并苯化合物的禁带宽度随着芳环数目的增加而降低，有很强的电荷注入能力，表现出很高的载流子迁移率。载流子的传输效率随着分子的有序调整或者晶体取向的改善而提高。并苯小分子表现出很好的性能也一直是研究的热点，尤其是并五苯材料。2008年中科院化学所采用20 nm厚的聚乙烯基咔唑(PVK)薄膜作为缓冲层，修饰并五苯与SiO2：的界面，制备了并五苯OFETs。结果表明，PVK缓冲层的加入明显提高了器件迁移率和开关比(迁移率约为0.5 cm2 /(V•s)，开关比约为107；同时显著降低了器件的夹断电压(器件的夹断电压的绝对值都小于20v)。不过有机小分子溶液粘度太低，难于用溶液法加工成膜，且多数有机小分子半导体对环境较敏感。Raphael等人研究了dithiophene}etrathiafulvalene(DT-TTF)单晶材料的性能，分别制作了以DT-TTF为有机半导体材料的顶接触和底接触OFET两种器件结构。对比发现顶接触结构的性能优于底接触器件结构，研究结果符合晶体形态学。2.2 n-沟道有机半导体材料

n沟道有机半导体材料也可称为电子型半导体。n型半导体即自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体。第一个n型OFET在1990年被报道。它采用双酞菁铬为场效应材料，但器件性能一般，载流子迁移率为2x10-4cm2 /(V·s)。n型有机半导体材料对氧和湿度较敏感，尤其是有机阴离子(特别是碳阴离子)很容易和氧发生反应，从而造成场效应迁移率低和晶体管工作性能不稳定。正因如此，n型有机场效应材料在数目上大大少于p型有机场效应材料。因此才找高性能，高稳定度的n型有机半导体材料已经成为了一项具有挑战性的工作。n型有机半导体材料也分为n型高聚物、n型低聚物、n型小分子3类。2.2.1 n沟道高聚物

n型高聚物所表现的性能参数并不是很理想，因此对其研究的相关报道很少。梯形聚合物BBL，经路易斯酸AlCl3或GaCl3掺杂后迁移率达到0.06cm2/(v·s)。PCBM 和 PCBM 与 P3HT 的混合物(1∶ 2)作为太阳能电池材料而被广泛研究，在室温下的电子迁移率分别为10-3cm2/(V·s)和10-4cm2/(v·s)。2.2.2 n沟道低聚物

第一个n型低聚物OFET是由全氟烷基低聚噻吩衍生物DFH-6T制备的，在真空条件下其载流子迁移率达0.24 cm2 /(V·s)。同时，该小组设计并合成了全氟芳基低聚噻吩F一衍生物，在溶液加工条件下制备的OFET室温时载流子迁移率达0.08 cm2 /(V • s)。这些低聚物表现出独特的填充特性，通过溶液处理的低聚物为高度有序的薄膜表现出单晶形态特性。2005年，Yoon等人合成了含有碳基的n-沟道低聚噻吩。例如DFHCO-4TCO，迁移率大致为0.O1 cm2 /(V·s)，而通过真空蒸镀成膜DFHCO-4T，电子迁移率达0.6 cm2 /(V·s)。溶液旋涂发成膜的DFPCO-4T，也达到0.24 cm2 /(V • s)的电子迁移率。2.2.3 n-沟道小分子

n沟道小分子的研究主要集中在并五苯，萘，二萘嵌苯，金属酞菁，萘酞亚胺，富勒烯以及其衍生物上。最初Katz等人对萘酞亚胺进行了研究，但迁移率较低。利用具有可溶特性的萘二酞亚胺(NDI)和花二亚酞胺(PDI)的衍生物制成的场效应晶体管电子迁移率分别可达10-2cm2/(V • s)和5x10-4 cm2/(V•s)。并且基于PDI衍生物的场效应晶体管显示出双极性特性。而 Chesterfield等人报道二烃基取代的二萘嵌苯衍生物PDI8在真空中电子迁移率达0.6 cm2/(V • s)，开关电流比大于105。同样PDI13通过140 0C锻烧之后迁移率达2.1cm2/(V·s)。2，4，6-tris(4-cyano-1，2，5-thiadiazol-3-yl)-1，3，5-triazine(TCTDT)材料由于具有较低的LUMO轨道，有利于电子的注入和传导，并且TCTDT原子半径较小，更有利于电子祸合作用力等优点而被广泛研究和报道。利用TCTDT材料制成的顶接触OFET器件电子迁移率为0.04 cm2 /(V•s)，开关电流比为102，阈值电压为-18V，并且器件在空气中具有很高的稳定型和重复性。carbonyl-bridged conjugated compound(C-BTz)材料具有较低的LUMO能级，其分子结构有利于载流子的传输。具有较高的空气稳定性。以C-BTz作为活性材料制成的OFET器件载流子迁移率为0.06cm2 /(V•s)，开关电流比106。n型球状小分子C60是一种性能很好的材料，具有很好的各相同性固体，不需要像其它有机半导体一样特别控制其分子取向。通过溶液加工处理的方法以C60及C70衍生物为半导体材料制成的场效应管电子迁移率分别为0.21 cm2/(V·s)和0.1 cm2/(V·s)。C60-ferrocene共扼分子也被作为OFET活性材料研究，使用C60-ferrocene共扼分子制成的OFET器件电子迁移率0.04 cm2 /(V•s)阈值电压为-22 V。进一步研究表明，当使用C60-ferroce，共扼分子制成n型OFET器件载流子迁移率高于P型OFET器件，这是因为C60作为电子受体，而ferrocene是电子受体，二者之间的传送带使得载流子传送效率更高。

图6列出了几种常见的n型有机半导体结构图。

图6典型n型有机半导体材料分子结构 3绝缘层材料

早期有机场效应晶体管通常采用无机材料作为介电层材料。例如：Si，SiO2，TiO2，Al2O3等无机材料具有较高的介电常数、好的热力学稳定性、不易被击穿、耐高温等优点。但是由于无机材料不能适应柔性加工，不能采用溶液成膜的印刷生产技术，且其加工尺寸已经接近极限，以及成膜太薄会产生较大的漏电流等缺点。因此，为了实现未来低成本、大面积、可柔性加工的工业生产目标，使用高性能有机绝缘体材料来代替无机材料已成为未来发展的必然趋势。对OFET有机绝缘层材料的选取主要有以下几点：(1)由于绝缘体是夹在有机半导体层和栅极之间的三明治结构，所以首先要保证与二者都能很好的相容。(2)要防止静电荷或者动态电荷注入绝缘层界。(3)具有低的表面陷阱密度，低粗糙度，低掺杂浓度，以及滞后现象尽量小。(4)能适应大面积、常温、柔性、低成本的溶液加工技术。另外，加工制作时应尽量将栅极全部覆盖，这样可以有效防止漏电流。

聚苯乙烯PS和聚甲基丙烯酸甲酯PMMA已被用来作为绝缘层材料。但是它们的电容特性并不理想。聚乙烯醇(PVA)和聚乙烯苯酚(PVP)是两种应用广泛的聚合物绝缘体材料。2008年Yang等人利用P3 HT作为有机半导体层，使用PVP和poly(melamine-co-formaldehyde)(PMF)混合物在经过200℃热处理后作为绝缘层材料制成的P3HT-0FET测得载流子迁移率为0.1cm2/(V·s)，阈值电压2 V，开-关电流比1.2 x 104。同时他们又研究了在PVP与PMF混合的绝缘层中以不同比例加入PAG(Photo-acid generator)利用120℃光处理过程制成的OFET，结果发现载流子迁移率可达0.06 cm2/(V•s)阈值电压降至1.4 V，开关电流比也提高至3.0×104。高介电常数的聚合物cyanoethylpullulan(K = 12)也被用来作为绝缘层材料。苯并环丁烯(BCB)作为绝缘体材料表现出了很低的漏电流特性，但是由于它的高温需求，使它尚不能被用于生产。Parylene C作为绝缘材料的顶栅和底栅设备迁移率分别为0.1 cm2 /(V·s)和0.4 cm2 /(V•s)，顶栅结构的迁移率较小是面粗糙度所致。使用聚氧化乙烯(PEO)-高氯酸锂做为绝缘材料的顶栅结构OFET具有很高的电容特性。近几年，杂化材料作为绝缘层材料也成为研究的热点。2008年Kim等人研究了以并五苯为有机材料，以SnO2 /PVA混合的杂化材料作为绝缘层制成的有机薄膜晶体管。证明了有机-无机杂化材料可以对晶体管起到很好的防护作用，增强设备的长期稳定性。同年，我国吉林大学也在绝缘层研究上有突破。该研究小组利用酞菁铜作为有机半导体材料，研究了以P(MMA-co-GMA)共聚材料作为绝缘层材料制成的晶体管迁移率、开-关电流比、阈值电压分别为(1.22×10-

2、7×103、一8V)。性能明显优于仅使用PMMA作为绝缘层材料的晶体管(5.89×10－

3、2 ×103、－15 V)。这些性能的提高是因前者增强了酞菁铜表面的结晶度所致。常见的有机绝缘体材料如图7所示。

图7典型有机绝缘体材料分子结构 OFET的制备技术

有机半导体材料的选取对于有机场效应晶体管的性能影响固然至关重要，但是器件特性以及性能的好坏在很大程度上也取决于有机薄膜的结构与表面形态。高度有序的有机共扼分子的π键在源漏电极方向上得以最大的重叠，以而提高载流子传输效率，从而使器件具有较好的性能。有机薄膜的制备方法通常有真空技术、溶液处理成膜技术、单晶技术等几种。通常按照原材料的化学结构和性能来选取合适的方法。4.1真空镀膜

真空镀膜方法是目前使用最为普遍的方法之一。这种技术的优点是通过控制蒸镀速率来控制膜的纯度和厚度，并实现膜的高度有序。真空技术通常包括物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、脉冲激光沉积(PLD)、离子溅射四种方法。其中最重要且使用最多的方法是PVD技术。它是液体或固体物质受热蒸发或升华转化为气体后在沉积在基底表面形成薄膜的方法。许多有机小分子如并五苯很难找到合适的溶剂将其溶解，很难用溶液加工成膜，真空技术就可以用来成膜。利用并五苯作为有机材料制成的沟道长度为1 μm的顶接触OFET在300 k和5.8 k的场迁移率分别为1.11cm2 /(V•s)和0.34 cm2 /(V•s)。开关电流比分别为107和105，这说明场迁移率也受温度的影响。但是真空蒸镀技术仪器设备复杂，成本较高，不适合大面积的工业化生产。4.2溶液处理成膜

溶液处理成膜技术被认为是制备OFET最具有发展潜力的技术。它适用于可溶性的有机半导体材料，结合大面积印刷技术可以大大地降低成本。常用的溶液处理成膜技术主要包括电化学沉积技术、甩膜技术、铸膜技术、预聚物转化技术、L-B膜技术、分子自组装技术、印刷技术等。前4种技术成膜的有序性较差，我们这里主要介绍目前在OFET制备中最具有发展前景的，成膜有序性较好的后3种技术。

4.2.1 Langmuir-Blodgett(L-B)膜技术

具有表面活性的两亲分子溶于易挥发的溶剂中形成的溶液可以通过在水面上铺展，而在空气/水界面形成不溶于水的铺展膜，通过控制表面压力将这层膜转移到固体基底上，从而制备单层L-B膜，进行多次转移，就可以制备多层膜。它是一种可以在分子水平上精确控制薄膜厚度的成膜技术。

2009年初我国山东大学和济南大学共同发表了一篇以酞菁染料铺的络合物为原料，使用L-B成膜技术设计制成的有机场效应晶体管的文章。参见图8，以亲水的冠醚(a)置于底部，疏水的辛基(b)置于顶部，金属铺位于中间，制成的三明治结构图8(c)。

图8亲水的酞蓄染料冠醚衍生物(a)，疏水的酞蓄染料辛基衍生物(b)及(a)(b)组

成的三明治结构(c)利用L-B膜技术分别制成的以(HMDS)处理过的SiO2 /Si为基底和以(OTS)处理过SiO2 /Si为基底的顶结构有机场效应晶体管。图9是它们的原子力显微技术图像(AFM)。

图9以SiO2/Si为基底的AFM图像(a)，以HMDS处理过的SiO2/Si为基底的AFM图像(b)，以OTS处理过的SiO2/Si为基底的AFM图像(c)他们对比讨论了两种不同基底OFET性能的差别，可以看出图9(c)以octadecyltrichlorlsilane(OTS)处理过SiO2 /Si基底更有利于薄膜形态的有序性，因此显示了更好的性能。该结构空穴迁移率为0.33 cm2 /(V•s)，开关电流比为7.91×105。但由于L-B膜技术在材料设计上要求材料具有两亲性，使得对材料的选取和适用上受到了一定的限制。4.2.2分子自组装技术

自组装分子(SAMs)是分子与分子在一定条件下，通过分子与分子间或分子中某一片段与另一片段之间的分子识别，依靠分子间的相互作用力，自发连接成结构稳定的、具有特定排列顺序的分子聚集体的过程。分子间相互作用力为分子的自组装提供必需的能量。自组装成膜技术较L-B成膜技术具有操作更简单、膜的热力学性质好、对基质没有特殊限制，且成膜材料广泛、膜稳定等优点，因而它是一种更具广阔应用前景的成膜技术。有机薄膜分子的有序程度受接触面相互作用的影响。使用分子自组装技术可以对界面进行修饰，从而提高分子排列的有序性进而提高器件性能。2008年日本的Hayaka-wa小组使用OTS自组装分子对SiO2界面进行修饰，与没经修饰的OFET进行详细对比，结果发现经OTS-SAM修饰的界面薄膜生长高度有序。其原子力显微镜图像对比如图10所示。晶体管性能也有很大的提高。然而分子自组装技术还会受到多种因素的影响，如成膜厚度、基片表面性质、溶液性质等。而构筑多层膜时分子自组装技术也不如L-B膜高度有序。

图10 AFM 图像(15×15μm2)[(a)－(c)] SiO2表面，[(d)－(f)] OTS表面 4.2.3印刷成膜技术

寻找简单、低成本、可大面积生产的印刷成膜技术将是未来非常有挑战性且有意义的工作。印刷技术主要有喷墨打印、微接触打印两种。碳纳米管能够适合室温的喷墨打印生产因而作为制备碳纳米管晶体管的材料而被研究。利用超纯的高密度的碳纳米管作为载流子传输层，离子凝胶作为绝缘层，PEDOT作为栅极材料，全部利用喷墨打印技术，在室温下以聚酰亚胺为衬底材料制成顶栅结构的薄膜晶体管。整个过程没有进行任何表面预处理工作，最后晶体管展示出很高的工作频率(大于5GHZ)开关电流比也超过100。这种能适应全室温全柔性的技术有希望应用于有机电子电路中。接触打印技术是将待成膜的有机半导体或绝缘体材料的溶液蘸在已设计的固定图案印章上，然后在衬底上生长出特定图案薄膜。由于要使用固定图案，对柔性基底的适应性就不好。并且打印多层结构时的精确性不好。4.3单晶技术

传统方法制备的OFET半导体层一般都是多晶薄膜，而多晶薄膜的晶界有许多缺陷，造成费米能级钉扎，产生电荷势垒，降低载流子迁移率，影响OF-ET器件性能。而单晶技术因具有以下优点而成为近两年研究的热点：(1)高能量带电粒子，固有的等离子体沉积技术，决定了有机半导体表面光滑且高度有序；(2)整个过程可以在常温下进行；(3)不需要高真空要求，适合低成本技术生产；(4)沉积过程速度快；(5)有机半导体单晶与多晶薄膜相比，晶界和缺陷都很少。因此有机单晶晶体可以避免一些多晶甚至非晶有机半导体薄膜中的缺陷、晶界等因素的干扰而获得有机半导体材料的本征性质。其载流子迁移率通常比多晶薄膜要高。有机单晶酞菁铁、酞菁铜、红荧烯都显示了双极性特性。Podzorov等人利用红荧烯单晶制备的有机单晶晶体管的场效应载流子迁移率高达8cm2/(V·S)。使用溶液法很难制备高纯度、低缺陷的单晶薄膜。一般单晶薄膜可以通过电化学沉积、扩散沉积、气相沉积等方法来制备。其中又以气相法最为常用。离子液体具有可在室温下工作、化学稳定性不断提高、防水、无毒、不挥发等特性，利用它的离子迅速扩散性能，可以制备出高性能的有机单晶晶体管。已有报道有机单晶半导体被应用于低成本微电极电路中，比如矩阵显T传感等领域。日本电力中央研究所与大阪大学联手开发出了采用离子液体的高性能有机单晶晶体管，基本结构见图11。

图11有机单晶离子晶体管基本结构

利用PDMS制成弹性体基底，使有机红荧烯单晶吸附在上面，在有机单晶体红荧烯与栅极间夹入了低粘滞度和高离子导电率离子液体1-ethyl-3-methyl-imidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide作为栅极绝缘体。外加栅极电压，离子就会发生迁移，在栅极与离子液体之间的界面和离子液体与有机单晶体之间的界面上，由离子蓄积而形成双电荷层。此时，由于离子液体中的离子与有机单晶体电极的距离只有1nm，外加微弱电压就实现了高电场。该开发晶的工作电压(约0.2 V)，为现有有机FET的约1/500~1/100。电荷迁移率更是高达10cm2 /(V•s)，达到了采用双电荷层的有机FET中的最大值。超过了非晶硅的电荷迁移率((1.0 cm2/(V·s)左右)，可满足有机柔性显示器所需的性能。另外，在0.1~1MHz的宽频率下具有高电解电容，并具备高速开关性能。Ono等人分析比较了也报道了加入五种不同阴离子液体制成的红荧烯单晶体管的性能。Nakanotani等人也报道了使用金-钙不对称电极介于BSB-Me单晶制成的具有双极性特性的晶体管，虽然只有0.005 cm2 /(V·s)的迁移率，但是由于BSB-Me具有很高的发光效率因而BSB-Me单晶晶体管也展示了很好的发光性能，有望用来制备蓝光固体激光器。

5结论与展望

从第一个具有真正意义上的有机场效应晶体管产生以来，它已获得了巨大的发展，OFET以其柔性好、成木低、质量轻等优点展现出良好的应用前景，并已经在一些低端市场取得应用。目前有机场效应晶体管面临的主要问题和发展趋势有以下几方面：

(1)在材料方面，类型过于单一，n型有机半导体材料较少，开关速度不稳定，大多数有机材料载流子迁移率过低。限制了有机场效应晶体管的进一步发展。因此，探索高迁移率且具有良好工作性能的新材料是OFET所要解决的问题之一。

(2)在器件制备技术方面，OFET器件的各层几乎都要涉及成木昂贵的真空技术，因此研制出新的成膜技术和更为简单、成木更低的制作工艺是近年来发展的一个方向。

(3)在制作工艺上，OFET的沟道长度很难进一步降低且器件存在开启电压大、工作电流低等缺点。

(4)从外界影响因素看，如材料的纯度、不同介电常数的绝缘层以及衬底温度等，如何排除干扰，提高器件的稳定性和寿命也应得到高度币视。

(5)从产业化角度看，要实现真正的产业化，有机电子器件在很多方面还需要不断的改进，例如，室温及大气环境下制备的器件性能还有待进一步提高，大气环境下器件稳定性和寿命也有待提高才能满足商业化的需求。

目前有机场效应晶体管材料和器件的发展面临着以上种种困难，尚不能与无机硅半导体材料相提并论。今后的研究仍然要以材料、器件工艺、器件稳定性和寿命为主要研究方向。另外，有机场效应晶体管目前仍然在延续使用无机MOSFET的载流子传输理论和模型，尚没有统一的有机半导体载流子传输机理。因此，探索一种适用于OFET的载流子传输机理和模型也是当前有待解决的难题。

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