低压和超低压反渗透膜在半导体工业水处理中的应用.doc

低压和超低压反渗透膜在半导体工业水处理中的应用 简介： 本文介绍了ESPA超低压膜主要特点。同时还列举了超低压ESPA膜和低压CPA2或NTR-759膜与醋酸纤维CA膜在操作压力、透过水量、脱盐率方面的比较，研究了各种方法和各种反渗透膜对TOC和细菌内毒素的去除效果比较，并成功的应用在空间材料制备用水、高纯化学试剂生产用水、机车电瓶用水及建材制板用水上，取得了很好的效果 半导体材料和器件的制备，需要高质量的高纯水，要求低TOC(5ppb)、低细菌内毒素(0.03EU/ml)，目前电子行业已广泛采用反渗透技术，下面就如何选用更合理的反渗透膜，简述于下：众所周知，反渗透（RO）是一种在压力驱动下，借助于半透膜的选择截流作用将溶液中的溶质与溶剂分开，无论低压复合膜1-2或超低压复合膜3-5，都是以水的透过速率大小、脱盐率高低来衡量膜的好坏，而水的透过速率即水通量的大小与驱动压力成正比，如能达到一定的水通量时，所需的驱动压力越低，则不仅降低能耗，同时也降低泵、压力容器及管材等设备投资。本文介绍了ESPA超低压膜主要特点。同时还列举了超低压ESPA膜和低压CPA2或NTR-759膜与醋酸纤维CA膜在操作压力、透过水量、脱盐率方面的比较，研究了各种方法和各种反渗透膜对TOC和细菌内毒素的去除效果比较，并成功的应用在空间材料制备用水、高纯化学试剂生产用水、机车电瓶用水及建材制板用水上，取得了很好的效果。一、 TOC、细菌、细菌内毒素、颗粒对大规模集成电路的影响随着电子工业的发展对高纯水提出了越来越高的要求。例如6，制作16K位DRAM允许水中TOC（总有机碳）为500ppb、金属离子为1ppb、0.2m的颗粒为100个/毫升；而制作16M位DRAM时，则要求TOC5ppb、金属离子0.2ppb、水中0.1m颗粒数为0.6个/升。1.1 TOC，细菌及细菌内毒素对大规模集成电路的影响。1.2 DRAM对颗粒和TOC的要求天然水、自来水等各种水源中都存在着热原。目前比较一致的认识是热原是指多糖类物质7，也就是细菌内毒素。细菌内毒素是革兰氏阴性菌的细胞壁外壁层上的特有结构脂多糖，所以，哪里有细菌，哪里就有细菌内毒素。其结构为单个粒子，其分子量在1000020000之间范围内，体积为150m，细菌内毒素在水中可以形成比较大的成团密集体，造成颗粒性污染。细菌内毒素含磷多糖体75%，磷脂1215%及有机磷酸盐67%，造成TOC污染，由于含很高的磷，在硅中是N型杂质，贡献导电电子，形成不可控制的污染，严重的影响器件的性能和成品率8。由于细菌及细菌内毒素都会产生颗粒性污染及TOC的污染，由图1、图2明显看出颗粒性污染及TOC的污染对大规模集成电路的影响，因此在兆位电路用水中对TOC、细菌及细菌内毒素的含量要严格控制。二、超低压卷式复合膜的主要特点 2.1 与CA膜和低压复合膜相比，ESPA、ES10、ES20膜达到同样产水量时所需的操作压力大为降低，换句话说在相同的操作压力下其产水量高出其它膜，见图3。图3 部分卷式反渗透膜性能比较由图1看出在压力一定时ESPA，ES20膜的产水量是CPA2或NTR-759HR，BW30膜产水量的一倍，而CPA2或NTR-759HR，BW30膜的产水量是CA膜的5倍，换句话说若同样的产水量，则所需的操作压力要求低很多。 2.2 低压和超低压膜，如CPA2，NTR-759膜和ESPA膜，脱除水中二氧化硅能力，均在98%以上，标准条件下二氧化硅的脱除率见图4。图4 不同压力时两种膜的脱硅效果测试条件 进水溶液：SiO2浓度41ppm，温度：18 2.3 化学稳定性，以ESPA膜，CPA2或NTR-759膜的耐氯性为例，如图5所示。图5 两种膜的耐氯性能通水条件 进水压力：1.0MPa；供给液游离氯浓度：100ppm；供给液pH=6测试条件 进水溶液：0.05%食盐水；进水压力：0.75MPa；pH值：6.5；温度：25由于ESPA膜没有改变复合膜材料的化学成分，因而保持了复合膜的所有优点。其化学稳定性和脱盐率均与低压复合膜相同。三、用一级反渗透RO、双级RO、蒸馏法、紫外法、活性碳吸附法、离子交换法、超声法等除去水中的TOC和细菌内毒素的比较1.1 用RO法，蒸馏法，185紫外法，除去TOC和细菌内毒素，见表1。表1 用RO法，蒸馏法，185紫外法，除去TOC和细菌内毒素的比较方 法源 水产 品 水TOC(ppb)细菌内毒素(EU/ml)*TOC(ppb)细菌内毒素(EU/ml)*一级RO(CA膜)4200101200.03一级RO(TFC膜)42000.3500.030.03市售蒸馏水5000325000.25二次蒸馏水25000.255000.1三次蒸馏水50011000.03双级RO(TFC膜)500.03200.03双级RO+185nmUV300.0350.03 * EU=Endotoxin Unit（内毒素单位）美国1993年9ASTM-E1级水中规定内毒素含量0.03EU/ml，ASTM-E2级水，内毒素要求0.25EU/，在我国高纯水国标中，暂未定此标准，由表1明显看出，用双级RO+185nmUV制取高纯水，TOC降至5ppb和细菌内毒素0.03EU/ml完全符合亚微米电路用高纯水要求。1.2 几种反渗透膜对水中细菌内毒素的去除效果比较，见表2。表2 几种膜对细菌内毒素的去除效果比较透过膜水样细菌内毒素含量EU/ml进水出水CA膜30.03NTR-759膜30.03CPA2膜30.03ESPA膜30.03由表2所示，经低压和超低压复合膜反渗透的水，其细菌内毒素含量，均0.03EU/ml，完全符合超大规模集成电路和医药用水标准的要求。1.3 用其它方法去除水中的细菌内毒素，见表3。表3 用其它方法去除水中的细菌内毒素方 法细菌内毒素含量（EU/ml）活性碳吸附3离子交换法0.250.5超声法0.25254nm紫外法0.030.25由表3看出用其它方法去除水中的细菌内毒素均不理想。我们还将低压反渗透和185紫外灯及PVDF管材一起用，除去高纯水中的TOC和细菌内毒素，这样制得的高纯水，能使TOC5ppb和细菌内毒素0.03EU/ml，完全符合兆位电路高纯水的要求。同时低压和超低压反渗透复合膜还能除去水中的THM（三卤化物）10。例如NTR-759HR膜，能除去水中的CHCl371%、CHBr390%、CCl499%，CH3CCH398%。四、 LF10低压复合膜LF10膜是低压反渗透膜的一种，它具有脱盐率高，水通量大，抗污染强，抗细菌侵蚀等特点，由于它特殊的表面结构，表面电位为中性，亲水性好，不象一般的反渗透膜易吸附表面活性物质，被污物堵塞，因此是新型的用于各种废水处理中的理想反渗透膜。 4.1 在不同的PH值下LF10，NTR759HR，ESPA膜表面电荷的比较，见图6。图6 在不同的pH值LF10，NTR759HR，ESPA膜表面电荷的比较由图6看出LF10膜在不同的PH值下，膜的表面电荷接近中性。4.2 LF10与NTR759HR膜在废水处理中水通量的比较。 LF10膜除具有低压膜的优点外，其耐污垢特性好，与常规RO膜相比，LF10膜处理含表面活性物质的废水时，其水通量不会明显降低。见图7。图7 LF10与NTR759HR膜处理废水时水通量的比较操作条件 产水通量：1.5L/min；浓水流量：0.9L/min；RO进水电导率：30004000s/min；温度：68；pH：7.7五、应用我们将CPA2膜的反渗透器，前级用多介质过滤器，活性碳过滤器，后级用离子交换混床，紫外灯或臭氧杀菌，0.2m膜过滤器，出水水质达ASTM-E1级标准，用于空间材料的制备及1800个车箱机车电瓶用水，又将NTR-759膜用于化学试剂制备、ESPA膜用于纤维板生产，达到了水质好、脱盐率高、产水量大、节约能耗的目的，取得了很好的效果。六、结论综上所述，低压复合膜和超低压复合膜较醋酸纤维素膜有大的比表面积，操作压力低，产水量大，脱盐、脱硅率高，节约系统的运行成本和设备投资