淺析某微電子產(chǎn)業(yè)園制造廠房超純水處理系統(tǒng)案例

張澤超

山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院

0 引言

隨著科技的進(jìn)步，半導(dǎo)體芯片制造業(yè)得以快速發(fā)展，但由于其制造工藝的精密性和復(fù)雜性，對工藝中所用水質(zhì)要求極高。超純水制備是通過一定的工藝使水中的導(dǎo)電介質(zhì)幾近完全去除，并將膠體物質(zhì)、氣體、有機(jī)物等降低到最低濃度，使經(jīng)過處理的水不含雜質(zhì)、無細(xì)菌、無含氯物質(zhì)等［1］。常見的超純水工藝系統(tǒng)包括：預(yù)處理系統(tǒng)、反滲透系統(tǒng)、電除鹽系統(tǒng)、拋光混床系統(tǒng)［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(tǒng)的制備工藝，并應(yīng)用節(jié)能降耗理念，優(yōu)化節(jié)水節(jié)能措施。

1 項目概況

項目位于以芯片制造業(yè)為核心的青島市嶗山區(qū)青島微電子產(chǎn)業(yè)園，項目總建筑面積約50 000 m2，效果圖如圖1所示。根據(jù)設(shè)計，系統(tǒng)進(jìn)水源為當(dāng)?shù)刈詠硭?。根?jù)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》GB 5749—2006［3］、青島市城市供水水質(zhì)公報［4］、嶗山水廠水質(zhì)調(diào)查情況繪制了變化折線圖，如圖2所示，工藝生產(chǎn)所需超純水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

圖1 項目效果圖

圖2 水質(zhì)變化折線圖

表1 超純水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)

2 工藝系統(tǒng)

該項目超純水制備及供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計用水量為48 m3/h，主要工藝系統(tǒng)包括預(yù)處理系統(tǒng)、反滲透系統(tǒng)、電除鹽系統(tǒng)、拋光混床系統(tǒng)等，生產(chǎn)工藝流程圖如圖3所示。

圖3 超純水生產(chǎn)工藝流程圖

1）預(yù)處理系統(tǒng)

預(yù)處理系統(tǒng)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(jìn)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(shù)SDI降低至4以下；降低朗格利爾飽和指數(shù)LSI，有效避免碳酸鹽、硅酸鹽等發(fā)生結(jié)垢后堵塞兩級RO膜；去除原水中的氧化類物質(zhì)，防止對反滲透膜造成損傷。

2）反滲透系統(tǒng)

反滲透系統(tǒng)包括保安過濾器及兩級RO反滲透膜。保安過濾器將進(jìn)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(dǎo)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(xiàn)水的凈化，將水中絕大部分的微生物、有機(jī)物、無機(jī)鹽等去除。

3）電除鹽系統(tǒng)

電除鹽系統(tǒng)包括EDI過濾器及CEDI連續(xù)電除鹽系統(tǒng)，系統(tǒng)以直流電為驅(qū)動力，利用離子交換膜與離子交換樹脂進(jìn)行深度脫鹽，使出產(chǎn)的超純水電阻率≥18 mΩ·cm。相較于傳統(tǒng)的EDI除鹽系統(tǒng)，CEDI連續(xù)電除鹽系統(tǒng)采用在濃水室添加特制樹脂的技術(shù)來降低模組電阻率，由于無需注入鹽水循環(huán)，運(yùn)行成本更低，且降低了鹽內(nèi)雜質(zhì)對模塊的污染。

4）拋光混床系統(tǒng)

該項目在超純水自氮封水箱之后、工藝用點(diǎn)之前設(shè)置了3臺拋光混床罐，使用PE玻璃鋼作為罐體內(nèi)襯，以去除水中小分子有機(jī)物，保證超純水水質(zhì)的穩(wěn)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(yùn)行和維護(hù)

超純水是芯片工業(yè)生產(chǎn)的命脈，因此在運(yùn)行過程中需隨時對超純水系統(tǒng)各項參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，及時對不符合限定值參數(shù)的設(shè)備進(jìn)行檢查，需重點(diǎn)關(guān)注的參數(shù)及措施如表2所示。

表2 重點(diǎn)關(guān)注的參數(shù)及措施

為提高設(shè)備使用壽命，該項目根據(jù)以往經(jīng)驗，對純水系統(tǒng)的運(yùn)行與維護(hù)進(jìn)行了優(yōu)化。

對UF系統(tǒng)，因為其啟停及反洗均由自控氣動閥執(zhí)行，為防止空壓機(jī)停運(yùn)導(dǎo)致氣動閥不動作，該項目從氮?dú)鈨夤迒谓恿艘惠敋夤茏鳛闅鈩娱y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(jìn)行化學(xué)清洗。

對兩級反滲透RO系統(tǒng)，由于原水會隨季節(jié)變化而導(dǎo)致氯化消毒劑用量增多，因此應(yīng)實時監(jiān)測入水、出水及中間水箱的OPR值，調(diào)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(jìn)行清洗。

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

4 節(jié)水與節(jié)能優(yōu)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(fù)雜性，從原水到純水的回收率較低，水資源浪費(fèi)較大，增加了系統(tǒng)的運(yùn)行成本。該項目考慮各排水節(jié)點(diǎn)，針對超濾反洗排水、濃水排水環(huán)節(jié)制定了回收利用措施，并采用了集中和分散相結(jié)合的PLC集散型自動控制系統(tǒng)。

1）超濾反洗排水

除純水系統(tǒng)外，該項目還設(shè)置了制冷系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)、空壓機(jī)系統(tǒng)、PCW系統(tǒng)、新風(fēng)系統(tǒng)等，系統(tǒng)所需補(bǔ)水量較大。為提高水資源利用率，促進(jìn)超濾反洗排水的回收利用，該項目設(shè)置了廢水處理站，將超濾反洗排水及其他系統(tǒng)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(bǔ)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(tǒng)水回收率為75%。濃水排水量雖較大，溶解性總固體TDS指標(biāo)也較高，但懸浮顆粒物含量低，具有回收價值，為此單獨(dú)設(shè)置了一套收集水箱進(jìn)行收集，將收集到的一部分一級RO系統(tǒng)濃水用于綠植灌溉、衛(wèi)生沖洗，另一部分則進(jìn)入二級RO反滲透系統(tǒng)進(jìn)行二次濃縮。二級RO系統(tǒng)及CEDI連續(xù)電除鹽裝置產(chǎn)生的濃水進(jìn)入超濾水箱，用于ACF活性炭過濾器及UF超濾系統(tǒng)的反洗，節(jié)省了自來水用量，降低了系統(tǒng)能耗，實現(xiàn)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(tǒng)

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

4.2 成本分析

該項目運(yùn)行成本主要包括水費(fèi)、加藥藥劑費(fèi)及電費(fèi)。根據(jù)設(shè)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(fèi)594元/h；加藥藥劑平均消耗費(fèi)用約為11元/h；設(shè)備總運(yùn)行負(fù)荷為117 kWh，電費(fèi)價格按照平均值0.8元/kWh計算，系統(tǒng)運(yùn)行電費(fèi)價格為93.6元/h。

綜上計算，該項目綜合運(yùn)行費(fèi)用約為698.6元/h，產(chǎn)出純水費(fèi)用11.1元/m3（綜合運(yùn)行費(fèi)用僅為設(shè)備正常運(yùn)行費(fèi)用，不包含人工檢修維護(hù)費(fèi)）。

5 結(jié)語

超純水是半導(dǎo)體制造業(yè)的工藝命脈，近年來超純水技術(shù)隨著半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展在不斷進(jìn)步，尤其是膜技術(shù)與拋光混床技術(shù)。該項目為工業(yè)廠房超純水制造提供了實際案例，為其他項目的建設(shè)和優(yōu)化提供一定的參考和借鑒。