企業(yè)用小型超純水制備系統(tǒng)的最適工藝選擇探討

何嘉慧，陳洪斌

(同濟大學 環(huán)境科學與工程學院，上海 200092)

1 前 言

電子產(chǎn)業(yè)是現(xiàn)代經(jīng)濟的重要支柱產(chǎn)業(yè)之一，體現(xiàn)了一個國家的科技工業(yè)水平和綜合國力。其中在半導體行業(yè)內，產(chǎn)品制造工藝對生產(chǎn)用水的水質要求很高。如美國電子和半導體行業(yè)用水標準ASTMD5127-07(表1)將微電子級超純水分成不同的等級，對純水要求有所差異。

電子行業(yè)的超純水制備系統(tǒng)通常由預處理、脫鹽處理和精處理等3部分組成，其中脫鹽處理是核心，主要通過反滲透(RO)或離子交換技術去除水中的各類陰陽離子[1]。當前基于電阻率不低于18MΩ.cm的超純水系統(tǒng)的工藝主要有兩種：以RO膜分離為主，采用預處理+兩級RO+電去離子膜堆(Electrodeionization，EDI)+ 精處理系統(tǒng)(簡稱兩級RO系統(tǒng))；以離子交換為主，預處理+陽床(Cation bed)+脫碳塔+陰床(Anion bed)+單級RO+混床(Mixed bed)+精處理系統(tǒng)(簡稱2B3T系統(tǒng))。半導體行業(yè)對純水系統(tǒng)采用的設備與控制系統(tǒng)投資費用很高，而且水、電等能源的消耗巨大[2]，系統(tǒng)產(chǎn)生的廢水還需要處理。如何選擇最合適的純水制備工藝系統(tǒng)，以降低投資費用、運行費用和管理難度等尤其受到企業(yè)的關注。本文以江蘇省某半導體企業(yè)的小型純水站為例(設計產(chǎn)水量：3m3/h)，通過工藝路線、總體投資和運行費用、維護管理和二次污染排放與治理等方面的對比，為企業(yè)選擇適宜的純水制備工藝提供參考。

表1 電子半導體行業(yè)水質要求Tab.1 Water quality requirement in electronic semiconductor industry

2 材料與方法

以江蘇省某半導體企業(yè)的超純水系統(tǒng)為例，開展不同工藝的對比研究。該企業(yè)的主要產(chǎn)品為瞬態(tài)電壓抑制二極管和閘流體等超壓保護器件，其中BE車間所需超純水功能需求：水量3m3/h，電阻率不低于18MΩ.cm(無其它水質指標要求)，供水壓力3kg/cm2，水溫25±3℃。制備超純水的原水來自當?shù)厥姓詠硭?，主要指標如?所示。

表2 江蘇某地自來水水質Tab.2 Tap water quality in Jiangsu province

2.1 兩種純水制備工藝的工藝流程

分別以膜分離和離子交換為主的工藝系統(tǒng)為該企業(yè)純水項目設計和經(jīng)濟性分析。兩種工藝的流程示意圖分別見圖1和圖2。

圖1 兩級RO+EDI系統(tǒng)的技術路線Fig.1 Technical route for two-stage RO+EDI system

圖2 2B3T+混床系統(tǒng)技術路線Fig.2 Technical route for 2B3T+MB system

2.2 技術經(jīng)濟分析方法

研究方式是采用相同的原水水質、出水要求和用水量的條件下，制定兩套不同的工藝流程，通過對投資成本和運行成本、污染排放與治理等方面的對比，分析工藝實施的可行性與可靠性、經(jīng)濟差異性；再以企業(yè)實際運行的兩套純水制備系統(tǒng)的實際運行狀況為例，總結和歸納總結并提出適合小水量條件下的最適工藝路線。

3 結果與討論

3.1 兩種純水制備工藝的主要設備和操作單元

3.1.1 兩級RO工藝系統(tǒng)的主要單元和設備

3.1.1.1 多介質過濾器。多介質過濾是將原水通過一定厚度的粒狀或非粒狀材料，有效地除去水中濁度，是水凈化的過程。當濾層中截留的雜質過多時，濾層中孔隙被堵，水流的阻力增大，過濾速度變小，為恢復原過濾速度，必須定期用清水反洗。多介質過濾器濾料粒徑是由小到大以次排列，各自的粒徑為:無煙煤:1.2～0.8mm，粗砂:2～3mm，細砂:1～0.35mm。多介質過濾器由碳鋼襯膠過濾罐及相關儀表、閥門、管路等組成。

3.1.1.2 活性炭過濾器。因自來水中含有一定余氯，為防止對RO膜性能產(chǎn)生影響，采用物理吸附的方式去除水中的余氯。自來水進入RO設備前需要設計活性炭過濾器，不僅可以吸附水中余氯，還可以降低水中的有機物、濁度、色度以及造成管路腐蝕的鐵、錳離子和溶解氧等，隨著運行時間的延長，內部結構慢慢飽和。一旦飽和，需要通過更換活性炭才能重新達到處理效果?；钚蕴课狡饔商间撘r膠吸附罐及相關儀表、閥門、管路等組成。

3.1.1.3 RO單元。反滲透是指在濃溶液一邊加上比自然滲透壓更高的壓力，將濃溶液中的溶劑(水)壓到半透膜的另一邊的過程[3]。反滲透可去除水中超過99%的懸浮物、膠體、98%以上的溶解鹽，大部分微生物和各類有機物TOC。為了得到穩(wěn)定的、符合要求的去離子水，反滲透進水SDI15<5，濁度<1NTU以及COD<15mg/L[4]等。根據(jù)原水水質，設計RO系統(tǒng)采用兩級兩段式，一級RO膜型號選用海德能的CPA3-LD，排布方式：2V+1V；兩級RO膜型號選用海德能的ESPA2，排布方式：1V+1V。

3.1.1.4 EDI單元。連續(xù)電去離子膜堆(CEDI)技術是電滲析和離子交換技術的結合，可實現(xiàn)清潔生產(chǎn)。設備運行的同時自行再生，相當于連續(xù)獲得再生的離子交換柱，從而實現(xiàn)了對進水連續(xù)深度脫鹽[5]。CEDI技術的產(chǎn)水水質穩(wěn)定且良好，日常運行管理方便，在滿足相關進水水質的前提下，出水電阻率>16MΩ.cm。連續(xù)電去離子膜堆CEDI選擇西門子的IP-LXM30Z型號。

3.1.1.5 拋光混床單元

拋光混床處于精處理階段的最后單元(后面只有微濾或超濾)，是達到純水電阻率和微量電解質指標要求的最后一道關口，要求拋光混床既最終去除微量電解質又不能產(chǎn)生新的微污染物，采用非再生式離子交換樹脂[5]。拋光樹脂選用羅門哈斯的UP-6150。

3.1.2 2B3T工藝系統(tǒng)的主要單元和設備

3.1.2.1 多介質過濾器和活性炭過濾器：與兩級RO系統(tǒng)的預處理方式相同。

3.1.2.2 離子交換陽床。離子交換樹脂是一類帶有活性基團的網(wǎng)狀結構高分子化合物，活性基團遇水可以離解，并能在一定范圍內自由移動，與周圍水中的其它帶有同種電荷離子進行交換反應[6]。陽床內裝載的是陽樹脂，陽樹脂在水中離解的H+將水中的其它陽離子如Ca2+、Mg2+等交換，并將其從水中去除。運行一段時間后，陽樹脂上吸附水中的陽離子飽和，需要往陽床注射酸進行再生，用酸中的氫離子將樹脂上吸附的陽離子置換出來。陽床一般24h再生一次，再生后清洗樹脂，將陽床中殘留的酸液清洗排掉，置換下來的陽離子和清洗后的廢酸通過管道排向廢水站。陽離子樹脂選擇朗盛的LEWATIT S80。陽床由碳鋼襯膠過濾罐及相關儀表、閥門、管路等組成。

3.1.2.4 離子交換混床。混床離子交換除鹽，就是把以H型存在的陽離子交換樹脂和以OH型存在的陰離子交換樹脂放入同一個交換器內混合均勻，陰陽離子交換過程中所產(chǎn)生的H+和OH-立即中和，因此，反離子濃度影響小，出水水質好，能達到17MΩ.cm?；齑餐ǔ?5d再生一次，再生清洗后會排放酸堿廢水?；齑灿商间撘r膠過濾罐及相關儀表、閥門、管路等組成。

3.1.2.5 RO單元。在2B3T工藝中，陰床出水增加單級RO系統(tǒng)。在半導體行業(yè)超純水處理中，陽床+脫碳酸塔+陰床的處理作用同于兩級RO系統(tǒng)中的第一級RO系統(tǒng)作用，出水水質在10～20μs/cm；陰床后的RO系統(tǒng)處理效果和作用約等于兩級RO系統(tǒng)中的第二級RO系統(tǒng)，出水水質在5μs/cm左右。

3.1.2.6 拋光混床單元：與兩級RO系統(tǒng)的預處理方式相同。

3.2 一次性投資費用對比分析(按3m3/h計算)

根據(jù)兩套工藝方案分別測算了投資成本，包括設備材料費(設備、儀表、電氣和型材等)、安裝調試費、水質檢測費、安全文明施工費和其他費用等。在相同設備品牌的條件下，兩者的投資成本對比見表3。

表3 兩種工藝一次投資成本的比較Tab.3 Comparison of investment costs of two processes (萬元)

為了2B3T工藝的24h穩(wěn)定運行，樹脂床失效再生時需要啟動備用樹脂床正常產(chǎn)水運行，因此陰陽床和混床數(shù)量采用了一用一備，而兩級RO系統(tǒng)采取放大水箱容積滿足系統(tǒng)反洗時消耗的水量，因此兩級RO裝置不需要備用。

3.3 運行成本對比分析

運行費用按照工程可行性、工程造價總價包干為依據(jù)進行估算。

3.3.1 動力消耗比較

動力需求包含：市政供水、電、工藝壓縮空氣CDA、氮氣(99.999%)等。市政供水：在兩級RO工藝中，一級RO產(chǎn)水率選取70%、二級產(chǎn)水率選取80%、CEDI的產(chǎn)水率選取90%等設計計算，在終端用水量為3m3/h的條件下原水的進水量為5 m3/h，排放的濃鹽水量是2m3/h，這部分尾水僅鹽含量增加，故直接排放，無需廢水處理。對于2B3T工藝而言，RO產(chǎn)水率采取85%，因此原水的進水量為3.5 m3/h。壓縮空氣CDA：多介質過濾器、活性炭過濾器、陰陽床和混床均設置氣動閥進行罐體的產(chǎn)水、反洗、再生和正洗的自動閥門切換。氣動閥門由壓縮空氣CDA提供氣源。氮氣：純水制造過程中為防止CO2和O2融入水中降低電阻率，純水箱設置氮封保護。

兩套工藝方案對動力需求的對比結果見表4。

表4 兩種純水制備工藝的動力需求差異性Tab.4 Differences in power demand between two pure water preparation processes

3.3.2 化學藥劑消耗量及廢水處理比較

RO系統(tǒng)和CEDI單元在正常運行中都不需要消耗化學藥品，一般只在進水中投加阻垢劑以及二級RO進水加堿調節(jié)pH到8.3。2B3T方案中，樹脂塔的樹脂運行失效后，需要及時注入再生劑恢復樹脂的交換能力，再生劑的消耗在很大程度上決定著系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。離子交換陽床注入4%鹽酸進行陽樹脂交換再生，陰床注入3%氫氧化鈉進行陰樹脂交換再生，一般每天再生一次?；齑苍O計每半個月再生一次，主要是注入4%鹽酸和3%氫氧化鈉進行，洗脫后形成酸堿廢水，需要及時處理。兩套工藝方案對化學藥劑的消耗及產(chǎn)生的廢水量對比見表5。

表5 化學藥品消耗及廢水產(chǎn)生量統(tǒng)計表Tab.5 Chemical consumption and waste water production statistics (kg/d)

從表5可見，2B3T系統(tǒng)對酸堿等化學品的消耗量大，生成的酸堿廢水不能直排地溝或污水管網(wǎng)，需要通過管道排到廢水收集和處理站，酸堿中和處理后滿足城市污水納管標準才能排放，每噸酸堿廢水的處理費用約為0.5元。兩級RO系統(tǒng)排放水為濃鹽水可以直排地溝，不需要進行進一步處理，沒有廢水處理費用。

3.3.3 電力消耗對比

經(jīng)計算，RO+EDI工藝系統(tǒng)的電耗高，達到417KWh/d，而2B3T工藝系統(tǒng)的電耗每天為186KWh。

3.3.4 綜合運行成本費對比

根據(jù)超純水系統(tǒng)的實際運行進行預測兩者的綜合運行成本的差異性。通常，在兩級RO系統(tǒng)中，濾料更換周期為2年，拋光樹脂更換周期為1年，RO膜和EDI裝置的使用周期為5年；在2B3T系統(tǒng)中，濾料更換周期為2年，拋光樹脂更換周期為1年，陰陽樹脂使用周期為1年。在該使用周期下，兩套超純水系統(tǒng)每制備1t純水的總成本費用(含人工、折舊、藥劑費等)經(jīng)測算分別為：RO+EDI工藝為6.46元、2B3T工藝為9.22元。

3.4 兩者占地面積的比較

綜合考慮設備搬運通道、檢修通道、安全防護距離以及人工操作空間，以3m3/h水量為例，RO系統(tǒng)每噸純水占地面積不超過14m2·h /m3，而2B3T系統(tǒng)每噸純水占地面積大于18 m2·h /m3。說明兩級RO系統(tǒng)的設備更緊湊。

3.5 兩種工藝在運行維護與管理方面的比較

綜合兩個工藝系統(tǒng)在運行管理方面的比較詳見表6。

表6 兩種工藝的運行管理特點 Tab.6 Operation management characteristios of the two prcesses

3.6 該企業(yè)兩種工藝的實際對比結果

該半導體公司的3m3/h純水站最終采用兩級RO工藝，且目前已穩(wěn)定運行一年，出水水質滿足用水要求。該廠另一條采用2B3T工藝的純水處理系統(tǒng)處理規(guī)模為40m3/h，也穩(wěn)定運行一年多。以這兩套超純水制備系統(tǒng)為例，考察多項指標的對比結果，見表7。

表7 某企業(yè)兩種脫鹽系統(tǒng)的實際運行效果Tab.7 The actual operation effects of two desalination systems in the enterprise

在一年質保期內，3m3/h純水站中，兩級RO系統(tǒng)制備每噸純水的實際投資費用約為18萬元，每噸純水實際運行費(含人工、折舊、藥劑費等)用為6.35元，無二次污染及治理費用，每噸純水實際占地面積約14m2。對于2B3T系統(tǒng)：每制備1噸純水的實際投資費用約為30萬元，每噸純水實際運行費(含人工、折舊、藥劑費等)為7.98元，產(chǎn)生的廢水處理費用約0.5元，每噸純水實際占地面積約18 m2。

綜合各方面因素，該半導體公司的3m3/h純水站采用兩級RO工藝，綜合費用更節(jié)省。

通常工業(yè)用小型純水站，建設周期短，在合理減少初期投資以及滿足生產(chǎn)的需求下，對設計和施工安裝的靈活、簡便性提出了較高的要求，希望達到占地面積小、布局緊湊，施工安裝和運輸便利[7]。超純水站除了對初期的一次性投資有所要求，還要考慮工藝連續(xù)生產(chǎn)給企業(yè)帶來的成本承擔，人員操作以及生產(chǎn)過程對周圍環(huán)境的影響。

可見，對于純水水質要求達到18MΩ.cm的小規(guī)模水量的企業(yè)純水站，采用兩級RO工藝是最合適的系統(tǒng)方案，適用于有同樣水質使用要求的TFT-LCD面板行業(yè)、PCB行業(yè)等。不過，對于大水量、且水質要求更加復雜的電子行業(yè)超純水系統(tǒng)，采用兩級RO工藝是否最合適，尚需進一步探討。

4 結論與建議

4.1 對比研究表明，針對小規(guī)模超純水站，兩種超純水制備工藝方案都能穩(wěn)定運行，滿足用水要求，在技術都是可行的。從運行管理和維護來看，兩級RO+EDI工藝的自動化程度高，操作更加簡潔；從占地面積來看，兩級RO系統(tǒng)更容易形成模塊化設備，充分利用空間布局，節(jié)省占地面積。

4.2 從經(jīng)濟指標看，兩級RO系統(tǒng)一次性投資成本遠低于2B3T方案，每日運行成本低，且大幅度節(jié)省了化學用品使用量，避免了造成二次污染。

4.3 根據(jù)企業(yè)實際投資和運行費用的案例分析同樣表明了小水量條件下采用兩級RO方案制備超純水更具有技術經(jīng)濟可行性，是企業(yè)純水站的首選。

4.4 針對大型用水量或者采用不同原水水質、或者用水要求更嚴苛的超純水系統(tǒng)中，其最佳的工藝技術路線選擇還需要深入探討。