企業(yè)用小型超純水系統(tǒng)的工藝選擇

　　電子產(chǎn)業(yè)是現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)之一，體現(xiàn)了一個(gè)國家的科技工業(yè)水平和綜合國力。其中在半導(dǎo)體行業(yè)內(nèi)，產(chǎn)品制造工藝對(duì)生產(chǎn)用水的水質(zhì)要求很高。

　　電子行業(yè)的超純水系統(tǒng)通常由預(yù)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(shù)去除水中的各類陰陽離子。當(dāng)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(yù)處理+兩級(jí)RO+電去離子膜堆(Electrodeionization，EDI)+精處理系統(tǒng)(簡稱兩級(jí)RO系統(tǒng)) ; 以離子交換為主，預(yù)處理+陽床(Cation bed)+脫碳塔+陰床( Anion bed)+單級(jí)RO+混床(Mixed bed)+精處理系統(tǒng)(簡稱2B3T系統(tǒng)) 。半導(dǎo)體行業(yè)對(duì)純水系統(tǒng)采用的設(shè)備與控制系統(tǒng)投資費(fèi)用很高，而且水、電等能源的消耗巨大，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(fèi)用、運(yùn)行費(fèi)用和管理難度等尤其受到企業(yè)的關(guān)注。本文以江蘇省某半導(dǎo)體企業(yè)的小型純水站為例(設(shè)計(jì)產(chǎn)水量: 3m3/h) ，通過工藝路線、總體投資和運(yùn)行費(fèi)用、維護(hù)管理和二次污染排放與治理等方面的對(duì)比，為企業(yè)選擇適宜的純水制備工藝提供參考。

　　材料與方法

　　以江蘇省某半導(dǎo)體企業(yè)的超純水系統(tǒng)為例，開展不同工藝的對(duì)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(hù)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(zhì)指標(biāo)要求) ，供水壓力3kg/cm2，水溫25±3℃。制備超純水的原水來自當(dāng)?shù)厥姓詠硭?，主要指?biāo)如表2所示。

　　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(xiàng)目設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)性分析。兩種工藝的流程示意圖分別見圖1和圖2。

　　一次性投資費(fèi)用對(duì)比分析(按3m3/h 計(jì)算)根據(jù)兩套工藝方案分別測(cè)算了投資成本，包括設(shè)備材料費(fèi)(設(shè)備、儀表、電氣和型材等) 、安裝調(diào)試費(fèi)、水質(zhì)檢測(cè)費(fèi)、安全文明施工費(fèi)和其他費(fèi)用等。在相同設(shè)備品牌的條件下，兩者的投資成本對(duì)比見表3。

　　運(yùn)行成本對(duì)比分析

　　運(yùn)行費(fèi)用按照工程可行性、工程造價(jià)總價(jià)包干為依據(jù)進(jìn)行估算。

　　動(dòng)力消耗比較動(dòng)力需求包含: 市政供水、電、工藝壓縮空氣CDA、氮?dú)?99. 999%)等。市政供水: 在兩級(jí)RO工藝中，一級(jí)RO產(chǎn)水率選取70% 、二級(jí)產(chǎn)水率選取80% 、CEDI的產(chǎn)水率選取90%等設(shè)計(jì)計(jì)算，在終端用水量為3m3/h的條件下原水的進(jìn)水量為5m3/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(duì)于2B3T工藝而言，RO產(chǎn)水率采取85% ，因此原水的進(jìn)水量為3. 5m3/h。壓縮空氣CDA: 多介質(zhì)過濾器、活性炭過濾器、陰陽床和混床均設(shè)置氣動(dòng)閥進(jìn)行罐體的產(chǎn)水、反洗、再生和正洗的自動(dòng)閥門切換。氣動(dòng)閥門由壓縮空氣CDA提供氣源。氮?dú)?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(shè)置氮封保護(hù)。

　　兩套工藝方案對(duì)動(dòng)力需求的對(duì)比結(jié)果見表4

　　化學(xué)藥劑消耗量及廢水處理比較

　　RO系統(tǒng)和CEDI單元在正常運(yùn)行中都不需要消耗化學(xué)藥品，一般只在進(jìn)水中投加阻垢劑以及二級(jí)RO進(jìn)水加堿調(diào)節(jié)pH到8.3。2B3T方案中，樹脂塔的樹脂運(yùn)行失效后，需要及時(shí)注入再生劑恢復(fù)。

　　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(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。離子交換陽床注入4%鹽酸進(jìn)行陽樹脂交換再生，陰床注入3% 氫氧化鈉進(jìn)行陰樹脂交換再生，一般每天再生一次。混床設(shè)計(jì)每半個(gè)月再生一次，主要是注入4%鹽酸和3%氫氧化鈉進(jìn)行，洗脫后形成酸堿廢水，需要及時(shí)處理。

　　兩套工藝方案對(duì)化學(xué)藥劑的消耗及產(chǎn)生的廢水量對(duì)比見表5。

　　從表5可見，2B3T系統(tǒng)對(duì)酸堿等化學(xué)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(biāo)準(zhǔn)才能排放，每噸酸堿廢水的處理費(fèi)用約為0.5元。兩級(jí)RO系統(tǒng)排放水為濃鹽水可以直排地溝，不需要進(jìn)行進(jìn)一步處理，沒有廢水處理費(fèi)用。

　　電力消耗對(duì)比

　　經(jīng)計(jì)算，RO+EDI工藝系統(tǒng)的電耗高，達(dá)到417KWh/d，而2B3T工藝系統(tǒng)的電耗每天為186KWh。

　　綜合運(yùn)行成本費(fèi)對(duì)比

　　根據(jù)超純水系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行進(jìn)行預(yù)測(cè)兩者的綜合運(yùn)行成本的差異性。通常，在兩級(jí)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(fèi)用(含人工、折舊、藥劑費(fèi)等)經(jīng)測(cè)算分別為: RO+EDI工藝為6. 46元、2B3T工藝為9. 22元。

　　兩者占地面積的比較綜合考慮設(shè)備搬運(yùn)通道、檢修通道、安全防護(hù)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18m2 ·h/m3。說明兩級(jí)RO系統(tǒng)的設(shè)備更緊湊。

　　兩種工藝在運(yùn)行維護(hù)與管理方面的比較綜合兩個(gè)工藝系統(tǒng)在運(yùn)行管理方面的比較詳見表6。

　　該企業(yè)兩種工藝的實(shí)際對(duì)比結(jié)果

　　該半導(dǎo)體公司的3m3/h純水站最終采用兩級(jí)RO工藝，且目前已穩(wěn)定運(yùn)行一年，出水水質(zhì)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(yùn)行一年多。以這兩套超純水制備系統(tǒng)為例，考察多項(xiàng)指標(biāo)的對(duì)比結(jié)果，見表7。

　　在一年質(zhì)保期內(nèi)，3m3/h純水站中，兩級(jí)RO系統(tǒng)制備每噸純水的實(shí)際投資費(fèi)用約為18萬元，每噸純水實(shí)際運(yùn)行費(fèi)(含人工、折舊、藥劑費(fèi)等)用為6. 35元，無二次污染及治理費(fèi)用，每噸純水實(shí)際占地面積約14m2。對(duì)于2B3T系統(tǒng): 每制備1噸純水的實(shí)際投資費(fèi)用約為30萬元，每噸純水實(shí)際運(yùn)行費(fèi)(含人工、折舊、藥劑費(fèi)等)為7. 98元，產(chǎn)生的廢水處理費(fèi)用約0. 5元，每噸純水實(shí)際占地面積約18m2。

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

　　通常工業(yè)用小型純水站，建設(shè)周期短，在合理減少初期投資以及滿足生產(chǎn)的需求下，對(duì)設(shè)計(jì)和施工安裝的靈活、簡便性提出了較高的要求，希望達(dá)到占地面積小、布局緊湊，施工安裝和運(yùn)輸便利。

　　超純水站除了對(duì)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(dān)，人員操作以及生產(chǎn)過程對(duì)周圍環(huán)境的影響。

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

　　對(duì)比研究表明，針對(duì)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(yùn)行，滿足用水要求，在技術(shù)都是可行的。從運(yùn)行管理和維護(hù)來看，兩級(jí)RO+EDI工藝的自動(dòng)化程度高，操作更加簡潔; 從占地面積來看，兩級(jí)RO系統(tǒng)更容易形成模塊化設(shè)備，充分利用空間布局，節(jié)省占地面積。

　　從經(jīng)濟(jì)指標(biāo)看，兩級(jí)RO系統(tǒng)一次性投資成本遠(yuǎn)低于2B3T方案，每日運(yùn)行成本低，且大幅度節(jié)省了化學(xué)用品使用量，避免了造成二次污染。

　　根據(jù)企業(yè)實(shí)際投資和運(yùn)行費(fèi)用的案例分析同樣表明了小水量條件下采用兩級(jí)RO方案制備超純水更具有技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性，是企業(yè)純水站的首選。