VLSI超纯水站设计

　　清华大学微电子所超纯水站产水用于超大规模集成电路(VLSI)的清洗工艺，其产水量为10m3/h(24 h运行)。超纯水站原水温度≥13 ℃，压力为0.2～0.5 MPa，原水水质见表1，产水水质(超滤出口)见表2。
表1　原水水质

指标	数值	指标	数值
K+(mg/L)	2.51	HCO3-(mg/L)	127.31
Na+(mg/L)	19.14	Cl-(mg/L)	23.1
Ca2+(mg/L)	37.5	F-(mg/L)	0.55
Mg2+(mg/L)	15.50	SiO2(mg/L)	18.1
Fe2+、Fe3+(mg/L)	0.05	CO2(mg/L)	4.43
Zn2+(mg/L)	0.04	总硬度(德国度)	9.3
Mn2+(mg/L)	0.02	COD(mg/L)	2.296
pH	7.66

表2　出水水质

项目	数值
电阻率(MΩ·cm，25℃)	≥18
微粒＞0.1 μm(个/mL)	≤5
微量离子如K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Mn2+、Fe2+、Fe3+、Zn2+、Cl-(μg/L)	≤0.5
总金属(μg/L)	≤1
细菌(个/mL)	≤0.01
SiO2(μg/L)	≤5
TOC(μg/L)	≤10
溶解氧(μg/L)	≤30
出水水压(MPa)	≥0.25

　　1　工艺流程及设备选型
　　根据出水水质要求，采用过滤器、两级反渗透(RO)加EDI装置的新工艺，其中EDI装置为国内第一次使用。系统工艺流程如下：
　　原水→水箱→多介质过滤器→254 nm紫外线(UV)杀菌装置→一级RO装置→二级RO装置→中间水箱→EDI装置→脱氧膜组装置→氮封纯水箱→185 nm除TOCUV装置→抛光混床→超滤装置→用水点
　　该工艺设计与传统工艺的不同之处在于精处理工艺使用了EDI装置。传统的混床离子交换再生时消耗大量酸碱，操作管理不便，劳动强度大且污染环境，而电渗析是一项新型膜法水处理技术，它处理含盐量为500～30000 mg/L的水时，比离子交换法经济。填充床电渗析又称电脱离子法(Electrodeionization)，简称EDI，它利用电渗析过程中的极化现象对离子交换填充床进行电化学再生，集中了电渗析和离子交换法的优点，克服了两者的弊端。
　　EDI装置比传统DI混床技术先进：(1)属于环保型，基本无化学废物排放；(2)可连续再生；(3)启动、运行和维护简单；(4)出水纯度高，其电阻率≥16.8 MΩ·cm；(5)回收率高，降低了SiO2和TOC指标，且不受入口水质波动的影响；(6)占地面积小；(7)性价比高；(8)无渗漏设计，组件更换容易，无须停机 ；(9)多种组合，适应各种流量范围；(10)适应恶劣环境的工业化设计；(11)技术成熟，在国外应用广泛。
　　根据各工段的作用机理，该工艺流程可分成预处理系统、二级(RO)脱盐系统、EDI去离子系统、脱氧膜除氧系统及循环精处理系统。
　　1.1预处理系统
　　预处理系统包括原水箱、水泵、絮凝剂加药泵、管道混合器和多介质过滤器及反洗水泵等设备及其相关的管道和仪表。为调节原水的供应、稳定系统的进水压力，采用15m3 FRP水箱一台。水泵为预处理工段提供动力，采用立式多级泵，共2台，一用一备，单台额定流量Q＝17.5m3/h，H=539 kPa。
　　絮凝剂加药系统采用PAC絮凝剂，设计投加量为10 mg/L，质量分数为5%。絮凝剂计量泵选用电磁驱动隔膜计量泵。管道混合器使原水与絮凝剂快速充分混合。
　　多介质过滤器主要去除水中的悬浮物和胶体。通过在进水管道投加絮凝剂，采用直流凝聚方式，使水中大部分悬浮物和胶体变成微絮体在多介质滤层中截留而去除。多介质过滤器共2台，每台规格为1 500，每台过滤量为17.6m3/h，一用一备，滤速为8 m/h，反洗强度为12L/(m2·s)。
　　多介质过滤器的反洗可根据累计流量来决定，反洗水采用原水，反洗泵采用立式多级泵(1台)，每次反洗时间为10 min。
　　预处理系统应保证出水SDI值(微粒浓度指数)＜5。
　　1.2　RO系统
　　包括两级RO装置、清洗系统和中间水箱。
　　RO主要去除水中溶解盐类，同时去除一些大分子和前阶段未去除的小颗粒等。选用ESPA3膜并采用两级RO工艺可有效去除水中离子，同时使出水满足后续EDI装置工艺进水要求。RO装置包括1台5 μm过滤器，2台高压泵和5根压力容器，每根压力容器装有5支膜，一级RO按2∶1排列，二级RO按1∶1排列。一级RO装置产水量为13.2m3/h，回收率75%；二级RO产水量为11.2m3/h，回收率为85%。
　　为确保RO装置的稳定运行，在RO前设置了UV消毒器和阻垢剂加药系统。UV消毒器1台，处理量为17.6m3/h，主要作用是杀死水中的细菌，避免RO膜受到污堵。紫外灯发射波长为254 nm，强度为30000 μWs/cm2，杀菌率为99%。
　　为防止RO装置中浓水侧结垢，须在进水中投加阻垢剂，阻垢剂采用FLOCON260，设计投加量为2.4 mg/L。或采用PTP0100阻垢剂，设计投加量为1 mg/L。
　　为去除水中的CO2，在两级RO之间投加NaOH调节一级RO出水的pH值为7.83，NaOH的设计投加量为4.5 mg/L。
　　RO清洗系统为撬装设备，包括清洗箱、5 μm过滤器和清洗泵。当RO系统发生结垢或污堵时可对RO装置进行清洗，同时也可清洗EDI。
　　中间水箱的功能为储存RO产水、调节水量，使系统运行可以灵活调节。
　　两级RO系统产水的电导率＜10 μs/cm，SiO2含量＜500 μg/L，TOC＜50 μg/L。
　　1.3　EDI去离子系统和脱氧膜系统
　　包括中间水泵、EDI装置、脱氧膜组、真空泵。
　　中间水泵为EDI装置和脱氧膜组提供动力。采用立式多级泵2台，一用一备，单台流量Q＝11.2m3/h，H=490 kPa。
　　选用流量为11.46m3/h的EDI机组，产水量为10.7m3/h，回收率为95%，产水电阻率稳定在17.5 MΩ·cm以上，SiO2＜20 μg/L。
　　系统设有一台脱氧膜组，产水量为10.7m3/h，包括6根脱氧膜元件，脱氧膜元件为4×28—X40型，分成两组，每组三级串联，除氧率为99.58%，出水含氧量＜30 μg/L，脱氧膜配有一台2BV5型液环式真空泵，真空值为6.65 kPa，抽真空体积流量为120m3/h。
　　1.4循环精处理系统
　　循环精处理系统包括超纯水箱、超纯水泵，去除TOC的185 nmUV装置、超纯水抛光混床，超滤装置、回水UV杀菌灯、回水背压阀等。
　　超纯水泵采用立式多级泵共2台，一用一备，单台流量Q＝13.8m3/h，H=735 kPa。根据用户用水量的变化，采用变频装置调节水泵的转速恒定，供水压力保持在0.25 MPa。去除TOC的UV杀菌灯单台处理量为13.8 m3/h，照射强度＞180 000 μWs/cm2，出水TOC＜10 μg/L。超纯水抛光混床共6台，分两级，每级3台串联，单台产水量为5m3/h，设计流速为40 m/h，出水电阻率＞18 MΩ·cm。
　　终端采用超滤装置可保证出水的颗粒物含量指标满足要求。采用NTU—3306—K6R型超滤膜一支，最大产水量为15m3/h，截留相对分子质量为6 000。回水UV杀菌灯单台处理量为3m3/h，照射强度＞30 000 μWs/cm2，使用寿命为8 750 h，杀菌率＞99%。回水背压阀可保证用户用水点的水压。
　　2　关键工艺设计思想及注意事项
　　①采用进口优质名牌产品以保证系统运行稳定。
　　②设备、管材、阀门的材质选择应确保水的纯度。超纯水箱采用PVDF内衬、并设氮气保护，管材阀门选用时首先考虑没有析出物，EDI前选用优质UPVC管道，EDI后选用日本Clean—UPVC管道。金属管件选用电抛光316SS，阀门选用Clean—UPVC、PVC或316SS材质。
　　③树脂滤芯均选用高纯产品。抛光混床选用Sybron的NM—60SG半导体级混床树脂，没有TOC的析出。超滤膜采用中空纤维式滤膜。
　　④采用避免滋生细菌TOC的管道接口。管道连接尽量避免采用丝扣；采用法兰连接时，垫片选用EPDM、FPM材质。UV进出口采用316LSS金属弯头，避免紫外线破坏UPVC管道，造成TOC的析出。二期预留接口采用盲板，使死水区尽量小。
　　⑤设备设计。设备设计包括滑架类设备、压力容器和设备支架。滑架均采用Q235A结构钢，做到精巧而坚固。压力容器外壳采用Q235A材质，内衬二层天然橡胶，内壁采用碳钢衬胶。所有设备与滑架金属外表均采用三层环氧树脂漆防腐。
　　3　结语
　　清华大学微电子所超纯水站率先采用了国内第一条自主设计的由预处理→两级RO→EDI装置组成的超纯水生产线，由于采用了世界领先的EDI装置和工艺上独到的设计，使出水水质：TOC≤2 μg/L,电阻率≥18.1 MΩ·cm,溶解氧≤4 μg/L，完全满足了出水指标要求，工艺先进，设计合理。