從制水、用水談清潔生產(chǎn)和成本降低

蘇日古格

（天津普林電路股份有限公司，天津 300308）

0 前言

近年來(lái)，印制電路板（PCB）行業(yè)快速發(fā)展，助推了我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)。但由于PCB制程中產(chǎn)生含重金屬污染物排放，有機(jī)物排放等，所以也帶來(lái)了環(huán)境問(wèn)題。隨著我國(guó)環(huán)境問(wèn)題的突出，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的激烈，作為生產(chǎn)制造業(yè)不得不面對(duì)市場(chǎng)和環(huán)境兩方面的壓力。在提升產(chǎn)品品質(zhì)、產(chǎn)量的同時(shí)，還需提升企業(yè)生產(chǎn)制程的環(huán)境友好度，降低排放。

在三廢處理中，廢水的處理是重點(diǎn)，如何降低廢水產(chǎn)生量、降低排放水中各污染物的濃度以及降低廢水處理成本，成為清潔生產(chǎn)的主要課題。我公司從降低廢水產(chǎn)生量角度，對(duì)清潔生產(chǎn)這方面的工作投入了大量精力。

1 用水概述

PCB生產(chǎn)用水點(diǎn)位很多，隨著PCB制程的多序化，結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，每片PCB在制造過(guò)程中消耗掉的水量將會(huì)不斷提升。

行業(yè)中各個(gè)企業(yè)對(duì)于節(jié)水工程的管理力度并不相同，在單位面積電路板制造水量（用水單耗）參差不齊，業(yè)內(nèi)較高水平的印制電路企業(yè)，可以將用水單耗管理在0.7 t/m2～0.8 t/m2范圍內(nèi)，節(jié)水工作力度投入較小的工廠，也有用水單耗在1.5 t/m2～1.8 t/m2的情況，這會(huì)直接導(dǎo)致工廠整體成本上升，不僅用水多，而且也給廢水處理造成壓力。目前我國(guó)對(duì)于水資源的管理現(xiàn)狀，已經(jīng)更多趨向于排污管理的逐漸嚴(yán)格，因此本文更加注重的是PCB企業(yè)在降低廢水排放的同時(shí)減少整體制程的水資源消耗，從降低水資源的消耗過(guò)程實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)的目的，使企業(yè)更加符合國(guó)家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。PCB制造過(guò)程中需要使用大量的水，按照水質(zhì)大致可以分為三類(lèi)（見(jiàn)表1所示）。

其中過(guò)濾水制水工藝最簡(jiǎn)單，制水成本最低，應(yīng)用工序最廣，例如電鍍后水清洗、蝕刻后水清洗、阻焊后水清洗均采用過(guò)濾水。反滲透（RO）水可以被去離子（DI）水取代，但考慮整體消耗成本，部分工廠仍在顯影前水洗、條件后水洗等位置使用RO水。DI水制水成本最高，應(yīng)用面也較廣泛，尤其在我國(guó)北方大部分地區(qū)，新取水方式多為自來(lái)水廠供水，自來(lái)水水質(zhì)較差，必須通過(guò)去離子的方式來(lái)獲得DI水。

PCB制造企業(yè)在清潔生產(chǎn)方面的工作多著眼于生產(chǎn)環(huán)節(jié)，而忽視供應(yīng)環(huán)節(jié)的改善工作，純水制作便是其中一環(huán)。在上述的三種水，DI水的制水過(guò)程是最復(fù)雜的，而DI水又占PCB生產(chǎn)過(guò)程用水的很大一部分，故DI水制水過(guò)程產(chǎn)生的廢水排放也成了清潔生產(chǎn)的重要的可管控環(huán)節(jié)。

2 反滲透加EDI制純水工藝

傳統(tǒng)的DI水制水過(guò)程采用反滲透加混床的方式，這種方式不僅運(yùn)行成本高而且在樹(shù)脂再生過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生較大量的酸洗、堿洗廢水和沖洗廢水。由于混床制水工藝的特殊性，還有可能對(duì)樹(shù)脂造成磨損，導(dǎo)致部分樹(shù)脂伴隨廢水一同流入排水管路。

我司為了進(jìn)一步提高清潔生產(chǎn)工作效果，采用了反滲透加EDI（電滲析技術(shù)又稱(chēng)連續(xù)電解除鹽技術(shù)）制純水工藝（圖1）。

將和離子交換技術(shù)科學(xué)的融為一體。該技術(shù)是二十世紀(jì)八十年代以來(lái)逐漸興起的新技術(shù)。經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，EDI技術(shù)已經(jīng)在北美及歐洲占據(jù)了相當(dāng)部分的超純水市場(chǎng)。

EDI裝置將離子交換樹(shù)脂充夾在陰、陽(yáng)離子交換膜之間形成EDI單元。EDI單元中間充填了離子交換樹(shù)脂的間隔為淡水室。EDI單元中陰離子交換膜只允許陰離子透過(guò)，不允許陽(yáng)離子透過(guò)；而陽(yáng)離子交換膜只允許陽(yáng)離子透過(guò)，不允許陰離子透過(guò)。

在EDI組件中將一定數(shù)量的EDI單元羅列在一起形成單元組。單元組中每個(gè)單元間用網(wǎng)狀物隔開(kāi)，形成濃水室。與此同時(shí)在單元組兩端設(shè)置陰、陽(yáng)電極，在直流電的推動(dòng)下，通過(guò)淡水室水流中的陰陽(yáng)離子分別穿過(guò)陰陽(yáng)離子交換膜，進(jìn)入到濃水室而被從淡水中去除。而通過(guò)濃水室的水將離子帶出系統(tǒng)，形成濃水。

EDI這種純水制作工藝的優(yōu)勢(shì)在于不采用混床樹(shù)脂工藝，這樣避免了樹(shù)脂的再生過(guò)程，也進(jìn)一步避免了樹(shù)脂再生過(guò)程產(chǎn)生的廢酸堿液排放。EDI制水過(guò)程中的濃水電導(dǎo)率在20 μs/cm～40 μs/cm左右，可以應(yīng)用在離子清潔度要求較低的用水環(huán)節(jié)，加之EDI制出的純水電導(dǎo)率可以達(dá)到5 μs/cm以下甚至1 μs/cm，可應(yīng)用于對(duì)離子濃度要求比較苛刻的工藝中。

EDI制水技術(shù)也有一定的缺點(diǎn)，與混床制水一樣，均需要先做反滲透處理。EDI進(jìn)水電導(dǎo)率要求在10 μS/cm以下，以保證EDI樹(shù)脂塊去離子速度滿足生產(chǎn)要求。通常此問(wèn)題可以通過(guò)更換高脫鹽率反滲透膜的方式來(lái)滿足供水要求，這方面的設(shè)備改造程度較小，資金投入較低。

除此之外EDI制水工藝還有運(yùn)行成本極低，人員工時(shí)消耗極低的優(yōu)勢(shì)，EDI模塊在正常生產(chǎn)情況下，基本不產(chǎn)生物料消耗，僅用電即可。

按照我司半年內(nèi)DI水供水能力35 t/h計(jì)算?？傻贸龀杀緦?duì)比如表2所示。

由此可見(jiàn)，EDI技術(shù)和混床技術(shù)相比，全年節(jié)約成本28.19%左右，加之EDI制水水質(zhì)較混床優(yōu)秀許多，兩者相比，EDI在印制電路行業(yè)的應(yīng)用有十分巨大的潛力。

表1 用水類(lèi)型簡(jiǎn)介

我公司應(yīng)用EDI技術(shù)后，EDI產(chǎn)水部分，DI水電導(dǎo)率明顯提升，運(yùn)行成本逐漸降低，再生混床時(shí)產(chǎn)生的廢舊酸堿液量從每月10噸左右直接降低為0。

3 降低用水量和水排放

3.1 溢流水洗計(jì)算模型介紹

溢流水洗是PCB制造設(shè)備商經(jīng)常采用的一種洗滌方式（見(jiàn)圖2），這種方式有利于在一定潔凈度要求下，實(shí)現(xiàn)節(jié)水管控的目的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，溢流水洗水量在PCB生產(chǎn)工廠內(nèi)，占全廠水用量的40%～50%。溢流水洗本身是一種很好的節(jié)水方法，若能再控制流量，節(jié)水的效果會(huì)更加明顯。溢流水洗時(shí)水流量的設(shè)定值，是許多同行正在考慮的問(wèn)題。根據(jù)文獻(xiàn)參考，酸性藥水業(yè)內(nèi)普遍采用1次/小時(shí)的循環(huán)量，堿性藥水普遍采用1.5次/小時(shí)的循環(huán)量。這個(gè)經(jīng)驗(yàn)值具有一定的實(shí)用效果，但若想進(jìn)一步降低用水單耗，需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)模型來(lái)指導(dǎo)研究方向見(jiàn)圖2所示。

圖1 EDI內(nèi)部原理簡(jiǎn)圖

溢流水洗在連續(xù)生產(chǎn)的情況下持續(xù)進(jìn)水，這種方式使得整個(gè)水槽內(nèi)的污染物存在一個(gè)平衡濃度，在水槽大小恒定，板面污染物帶出量恒定的情況下，這個(gè)平衡濃度的值就會(huì)和進(jìn)水量成反比關(guān)系見(jiàn)圖3所示。

表2 純水車(chē)間EDI與混床成本對(duì)比表

圖2 溢流水洗方式示意圖

即在一臺(tái)固定的生產(chǎn)設(shè)備中，持續(xù)進(jìn)水的情況下，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的連續(xù)生產(chǎn)，污染物濃度會(huì)達(dá)到平衡值（有效近似值）并不再變化。在這個(gè)過(guò)程中溢流水洗槽各個(gè)參數(shù)的變化服從如式（1）。

τ——平衡濃度到達(dá)時(shí)間

CK——該槽平衡濃度有效近似值

ω——進(jìn)板量（面積）

V——板面附含污水量

V0——洗滌槽有效容積

C1——進(jìn)水污染物濃度

在正常生產(chǎn)的情況下，必然是產(chǎn)量越大越有利于設(shè)備開(kāi)動(dòng)率的提升，故進(jìn)板量應(yīng)為一個(gè)常數(shù)，板面帶有的污水量受到車(chē)速和設(shè)備設(shè)計(jì)的影響也為常數(shù)。結(jié)合進(jìn)水量越低、成本越低，從公式中可以得出，改變進(jìn)板量和清水進(jìn)水量可以改變平衡濃度，即提高清洗水的潔凈度；同時(shí)若減小有效的設(shè)備盛水容積，既可降低平衡濃度也能達(dá)到縮短平衡時(shí)間的效果。故在水洗槽污染物濃度和印制電路板產(chǎn)量恒定的情況下，降低水槽有效容積可以達(dá)到降低進(jìn)水量的效果。但同時(shí)應(yīng)考慮設(shè)備啟動(dòng)時(shí)需要的水量，以避免循環(huán)泵空轉(zhuǎn)。

綜上所述，在沖水洗水槽清潔度不變的情況下，降低水洗槽體積可以相應(yīng)地降低持續(xù)進(jìn)水的水量，同時(shí)不影響設(shè)備產(chǎn)能。

3.2 用水管控

根據(jù)企業(yè)設(shè)備的特點(diǎn)，從供水環(huán)節(jié)和用水環(huán)節(jié)水線設(shè)計(jì)上進(jìn)行改進(jìn)（積水滾輪材質(zhì)，電磁閥位置等）；我公司生產(chǎn)線大多數(shù)為連續(xù)進(jìn)料情況，我們?cè)诳傔M(jìn)水管道安裝電磁閥控制閥門(mén)，電磁閥在設(shè)備運(yùn)行時(shí)自動(dòng)開(kāi)啟，在設(shè)備停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)自動(dòng)關(guān)閉。部分龍門(mén)生產(chǎn)線體由于設(shè)計(jì)古老，僅在總進(jìn)水位置加裝了電磁閥。通過(guò)我司對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行改造——在分管路上均增加電磁閥，實(shí)現(xiàn)了在制板進(jìn)入某槽體內(nèi)時(shí)，該槽自動(dòng)打開(kāi)進(jìn)水電磁閥；而當(dāng)在制板離開(kāi)該槽體時(shí)不產(chǎn)生用水消耗的效果。

在設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，也可根據(jù)實(shí)際情況酌情進(jìn)行改造。例如化學(xué)清洗線，全線24 h滿負(fù)荷生產(chǎn)，這樣的生產(chǎn)線沒(méi)有必要在支路上安裝電磁閥；而某些生產(chǎn)線是專(zhuān)門(mén)用于首枚產(chǎn)品試生產(chǎn)，這種設(shè)備進(jìn)板不連續(xù)，加裝支路電磁閥是有必要的。

同時(shí)，員工節(jié)水意識(shí)的培養(yǎng)也是用水管理的重要環(huán)節(jié)，同時(shí)還可以從給一線生產(chǎn)員工制定適當(dāng)?shù)挠盟笜?biāo)、使得目標(biāo)量化的方式，來(lái)達(dá)到節(jié)水的目的。這樣也可以培養(yǎng)員工環(huán)境保護(hù)和資源節(jié)約的意識(shí)，將工作具體到實(shí)際利益。

3.3 供水方面其他行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)介紹

PCB企業(yè)大部分采用集中供水的方式進(jìn)行供水管理，在供水末端（設(shè)備端）采用流量計(jì)進(jìn)行管控，這種方式雖然整體規(guī)劃方便，管理便捷，但是不利于全廠管控，在供水壓力一定的情況下，全廠設(shè)備的開(kāi)動(dòng)率就直接影響了用水單耗的變化。

4 處理水回用

PCB制造企業(yè)的廢水處理工藝一般為化學(xué)沉淀法，這種廢水處理方法在類(lèi)似的涉重金屬生產(chǎn)行業(yè)內(nèi)也被廣泛采用。沉淀池處理后的廢水一般為堿性，這部分廢水需要在最終調(diào)節(jié)池回調(diào)pH值才能進(jìn)行排放，但由于廢水量巨大，調(diào)節(jié)此堿性廢水需要投入大量化學(xué)藥品和資金。

相對(duì)于PCB制造企業(yè)的堿性廢水，大多數(shù)PCB制造環(huán)節(jié)使用酸性化學(xué)藥品進(jìn)行板面圖形蝕刻的方式，部分生產(chǎn)線的前處理還需要稀硫酸進(jìn)行微蝕沖洗，因此類(lèi)處理環(huán)節(jié)而產(chǎn)生的廢氣大多為酸性廢氣，這部分產(chǎn)生的硫酸霧和氯化氫氣體，需要進(jìn)行堿液噴淋吸收的方式才能去除。

結(jié)合PCB制造行業(yè)產(chǎn)生堿性廢水和酸性廢氣的現(xiàn)狀，將堿性的中水應(yīng)用于處理酸性廢氣的處理塔中，不僅降低了廢氣塔中堿液的添加量，同時(shí)也降低了中水在調(diào)節(jié)pH環(huán)節(jié)的酸液添加量，降低了用藥成本；加之因廢氣塔噴淋塔配藥取用的新鮮水減少，一定程度上也降低了廢水的排放量；總體上實(shí)現(xiàn)了廢水回用和資源節(jié)約。

經(jīng)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，在長(zhǎng)期使用中水噴淋的過(guò)程中，由于溶解性總固體（TDS）過(guò)高，廢氣塔中的泰勒環(huán)極易滋生細(xì)菌形成結(jié)晶，從而降低廢氣的風(fēng)量甚至堵塞廢氣處理塔。定期使用高壓水槍對(duì)廢氣塔中的泰勒環(huán)進(jìn)行沖洗可以解決該問(wèn)題，由于環(huán)上結(jié)晶疏松，高壓水槍可以輕易地將結(jié)晶和細(xì)菌沖洗掉，不會(huì)增加過(guò)多的維修保養(yǎng)壓力。

5 總結(jié)

環(huán)保、節(jié)能和減排工作中節(jié)約用水和減少?gòu)U水排放一直是重點(diǎn)，PCB行業(yè)，也多次響應(yīng)并推動(dòng)清潔生產(chǎn)、節(jié)能降耗的工作開(kāi)展。在清潔生產(chǎn)的改進(jìn)過(guò)程中，我公司在充分發(fā)揮節(jié)約資源的同時(shí)也學(xué)習(xí)其他行業(yè)的領(lǐng)先經(jīng)驗(yàn)，對(duì)現(xiàn)有制水、供水環(huán)節(jié)進(jìn)行了改造，改造成果顯著。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度看，隨著推進(jìn)綠色發(fā)展，循環(huán)發(fā)展，低碳發(fā)展的不斷深入，我國(guó)在污染物排放標(biāo)準(zhǔn)、核定排放總量以及資源降耗方面加強(qiáng)加嚴(yán)控制水平。故我們更應(yīng)盡早、盡快、盡所能地落實(shí)國(guó)家法規(guī)，執(zhí)行相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，在廢水排放、資源消耗等方面投入更多精力，研發(fā)新技術(shù)、新工藝以求節(jié)水減排，同時(shí)以清潔生產(chǎn)為基準(zhǔn)，給企業(yè)帶來(lái)資源節(jié)約方面最直觀的收益。