淺析某微電子產業園制造廠房超純水處理系統案例

張澤超

山東建筑大學熱能工程學院

0 引言

隨著科技的進步，半導體芯片制造業得以快速發展，但由于其制造工藝的精密性和復雜性，對工藝中所用水質要求極高。超純水制備是通過一定的工藝使水中的導電介質幾近完全去除，并將膠體物質、氣體、有機物等降低到最低濃度，使經過處理的水不含雜質、無細菌、無含氯物質等［1］。常見的超純水工藝系統包括：預處理系統、反滲透系統、電除鹽系統、拋光混床系統［2］四部分。本文以青島市一芯片制造廠房為例，介紹了超純水系統的制備工藝，并應用節能降耗理念，優化節水節能措施。

1 項目概況

項目位于以芯片制造業為核心的青島市嶗山區青島微電子產業園，項目總建筑面積約50 000 m2，效果圖如圖1所示。根據設計，系統進水源為當地自來水。根據《生活飲用水衛生標準》GB 5749—2006［3］、青島市城市供水水質公報［4］、嶗山水廠水質調查情況繪制了變化折線圖，如圖2所示，工藝生產所需超純水水質標準如表1所示。

圖1 項目效果圖

圖2 水質變化折線圖

表1 超純水水質標準

2 工藝系統

該項目超純水制備及供應系統設計用水量為48 m3/h，主要工藝系統包括預處理系統、反滲透系統、電除鹽系統、拋光混床系統等，生產工藝流程圖如圖3所示。

圖3 超純水生產工藝流程圖

1）預處理系統

預處理系統包括ACF活性炭過濾器、自清洗過濾器及UF超濾裝置，主要作用為：對自來水進行粗加工，去除原水中的懸浮物，降低膠體濃度，使淤泥密度指數SDI降低至4以下；降低朗格利爾飽和指數LSI，有效避免碳酸鹽、硅酸鹽等發生結垢后堵塞兩級RO膜；去除原水中的氧化類物質，防止對反滲透膜造成損傷。

2）反滲透系統

反滲透系統包括保安過濾器及兩級RO反滲透膜。保安過濾器將進入RO反滲透膜的固體微粒粒徑限制在5μm以下，有效防止反滲透膜的污堵及防止高壓泵高壓出水導致的RO膜破損。兩級RO反滲透膜是一種半透膜，利用高壓離心泵提供的、與自然滲透流動方向相反的動力［5］來實現水的凈化，將水中絕大部分的微生物、有機物、無機鹽等去除。

3）電除鹽系統

電除鹽系統包括EDI過濾器及CEDI連續電除鹽系統，系統以直流電為驅動力，利用離子交換膜與離子交換樹脂進行深度脫鹽，使出產的超純水電阻率≥18 mΩ·cm。相較于傳統的EDI除鹽系統，CEDI連續電除鹽系統采用在濃水室添加特制樹脂的技術來降低模組電阻率，由于無需注入鹽水循環，運行成本更低，且降低了鹽內雜質對模塊的污染。

4）拋光混床系統

該項目在超純水自氮封水箱之后、工藝用點之前設置了3臺拋光混床罐，使用PE玻璃鋼作為罐體內襯，以去除水中小分子有機物，保證超純水水質的穩定性和一致性。但此類填料為不可再生樹脂，正常使用壽命約兩年，需按時更換。

3 運行和維護

超純水是芯片工業生產的命脈，因此在運行過程中需隨時對超純水系統各項參數進行監控，及時對不符合限定值參數的設備進行檢查，需重點關注的參數及措施如表2所示。

表2 重點關注的參數及措施

為提高設備使用壽命，該項目根據以往經驗，對純水系統的運行與維護進行了優化。

對UF系統，因為其啟停及反洗均由自控氣動閥執行，為防止空壓機停運導致氣動閥不動作，該項目從氮氣儲氣罐單接了一輸氣管作為氣動閥的備用氣源，此外為保證UF超濾膜組件的水通量，定期對膜組進行化學清洗。

對兩級反滲透RO系統，由于原水會隨季節變化而導致氯化消毒劑用量增多，因此應實時監測入水、出水及中間水箱的OPR值，調整NaOH加藥量；為防止出水量減少、壓差增大，每年至少一次對反滲透膜進行清洗。

對CEDI系統，因超濾水箱、一二級RO水箱內的水與空氣接觸會產生細菌和微生物，溶解CO2值也會偏高，因此需每年進行一次化學除垢，除垢后的CEDI不得立即投入使用，需帶電運行一段時間，在離子交換樹脂活躍重生后方可正常運行。

4 節水與節能優化措施

4.1 實施措施

超純水制造工藝由于其去離子工藝的復雜性，從原水到純水的回收率較低，水資源浪費較大，增加了系統的運行成本。該項目考慮各排水節點，針對超濾反洗排水、濃水排水環節制定了回收利用措施，并采用了集中和分散相結合的PLC集散型自動控制系統。

1）超濾反洗排水

除純水系統外，該項目還設置了制冷系統、供熱系統、空壓機系統、PCW系統、新風系統等，系統所需補水量較大。為提高水資源利用率，促進超濾反洗排水的回收利用，該項目設置了廢水處理站，將超濾反洗排水及其他系統的工藝廢水一同收集和處理，將處理后的廢水用于冷卻塔補水、綠植灌溉、道路沖刷等，最大限度地提高廢水利用率。

2）濃水排水

該項目一級RO系統水回收率為75%。濃水排水量雖較大，溶解性總固體TDS指標也較高，但懸浮顆粒物含量低，具有回收價值，為此單獨設置了一套收集水箱進行收集，將收集到的一部分一級RO系統濃水用于綠植灌溉、衛生沖洗，另一部分則進入二級RO反滲透系統進行二次濃縮。二級RO系統及CEDI連續電除鹽裝置產生的濃水進入超濾水箱，用于ACF活性炭過濾器及UF超濾系統的反洗，節省了自來水用量，降低了系統能耗，實現了水量平衡。該項目水量平衡原理如圖4所示。

圖4 水量平衡圖

3）自控系統

為了降低運行成本與能源消耗，保障純水制備的高效運行，該項目采用了分散式與集中式相結合的PLC控制系統，利用光纖作為傳輸介質，對水位、水質、流量等進行實時監控，并設定限定值對設備進行自動啟停，減少因空轉造成的能源消耗，延長了設備使用壽命，且使設備更安全地運行。

4.2 成本分析

該項目運行成本主要包括水費、加藥藥劑費及電費。根據設計，制備63 m3/h的超純水需消耗110 m3/h自來水，青島市目前非居民用水水價為5.4元/m3，用水水費594元/h；加藥藥劑平均消耗費用約為11元/h；設備總運行負荷為117 kWh，電費價格按照平均值0.8元/kWh計算，系統運行電費價格為93.6元/h。

綜上計算，該項目綜合運行費用約為698.6元/h，產出純水費用11.1元/m3（綜合運行費用僅為設備正常運行費用，不包含人工檢修維護費）。

5 結語

超純水是半導體制造業的工藝命脈，近年來超純水技術隨著半導體行業的發展在不斷進步，尤其是膜技術與拋光混床技術。該項目為工業廠房超純水制造提供了實際案例，為其他項目的建設和優化提供一定的參考和借鑒。