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水處理工藝技術提供商

企業用小型超純水系統的工藝選擇

  電子產業是現代經濟的重要支柱產業之一,體現了一個國家的科技工業水平和綜合國力。其中在半導體行業內,產品制造工藝對生產用水的水質要求很高。

  電子行業的超純水系統通常由預處理、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) 或離子交換技術去除水中的各類陰陽離子。當前基于電阻率不低于18MΩ.cm的超純水系統的工藝主要有兩種:

  以RO膜分離為主,采用預處理+兩級RO+電去離子膜堆(Electrodeionization,EDI)+精處理系統(簡稱兩級RO系統) ; 以離子交換為主,預處理+陽床(Cation bed)+脫碳塔+陰床( Anion bed)+單級RO+混床(Mixed bed)+精處理系統(簡稱2B3T系統) 。半導體行業對純水系統采用的設備與控制系統投資費用很高,而且水、電等能源的消耗巨大,系統產生的廢水還需要處理。

 

表2.png

 

  如何選擇最合適的純水制備工藝系統,以降低投資費用、運行費用和管理難度等尤其受到企業的關注。本文以江蘇省某半導體企業的小型純水站為例(設計產水量: 3m3/h) ,通過工藝路線、總體投資和運行費用、維護管理和二次污染排放與治理等方面的對比,為企業選擇適宜的純水制備工藝提供參考。

  材料與方法

  以江蘇省某半導體企業的超純水系統為例,開展不同工藝的對比研究。該企業的主要產品為瞬態電壓抑制二極管和閘流體等超壓保護器件,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(無其它水質指標要求) ,供水壓力3kg/cm2,水溫25±3℃。制備超純水的原水來自當地市政自來水,主要指標如表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為該企業純水項目設計和經濟性分析。兩種工藝的流程示意圖分別見圖1和圖2。

 

超純水系統工藝對比

 

  一次性投資費用對比分析(按3m3/h 計算)根據兩套工藝方案分別測算了投資成本,包括設備材料費(設備、儀表、電氣和型材等) 、安裝調試費、水質檢測費、安全文明施工費和其他費用等。在相同設備品牌的條件下,兩者的投資成本對比見表3。

 

表3.png

 

  運行成本對比分析

  運行費用按照工程可行性、工程造價總價包干為依據進行估算。

  動力消耗比較動力需求包含: 市政供水、電、工藝壓縮空氣CDA、氮氣(99. 999%)等。市政供水: 在兩級RO工藝中,一級RO產水率選取70% 、二級產水率選取80% 、CEDI的產水率選取90%等設計計算,在終端用水量為3m3/h的條件下原水的進水量為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。

  對于2B3T工藝而言,RO產水率采取85% ,因此原水的進水量為3. 5m3/h。壓縮空氣CDA: 多介質過濾器、活性炭過濾器、陰陽床和混床均設置氣動閥進行罐體的產水、反洗、再生和正洗的自動閥門切換。氣動閥門由壓縮空氣CDA提供氣源。氮氣:純水制造過程中為防止CO2和O2融入水中降低電阻率,純水箱設置氮封保護。

  兩套工藝方案對動力需求的對比結果見表4

 

表4.png

 

  化學藥劑消耗量及廢水處理比較

  RO系統和CEDI單元在正常運行中都不需要消耗化學藥品,一般只在進水中投加阻垢劑以及二級RO進水加堿調節pH到8.3。2B3T方案中,樹脂塔的樹脂運行失效后,需要及時注入再生劑恢復。

  樹脂的交換能力,再生劑的消耗在很大程度上決定著系統運行的經濟性。離子交換陽床注入4%鹽酸進行陽樹脂交換再生,陰床注入3% 氫氧化鈉進行陰樹脂交換再生,一般每天再生一次?;齑苍O計每半個月再生一次,主要是注入4%鹽酸和3%氫氧化鈉進行,洗脫后形成酸堿廢水,需要及時處理。

  兩套工藝方案對化學藥劑的消耗及產生的廢水量對比見表5。

 

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  從表5可見,2B3T系統對酸堿等化學品的消耗量大,生成的酸堿廢水不能直排地溝或污水管網,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準才能排放,每噸酸堿廢水的處理費用約為0.5元。兩級RO系統排放水為濃鹽水可以直排地溝,不需要進行進一步處理,沒有廢水處理費用。

  電力消耗對比

  經計算,RO+EDI工藝系統的電耗高,達到417KWh/d,而2B3T工藝系統的電耗每天為186KWh。

  綜合運行成本費對比

  根據超純水系統的實際運行進行預測兩者的綜合運行成本的差異性。通常,在兩級RO系統中,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,兩套超純水系統每制備1t純水的總成本費用(含人工、折舊、藥劑費等)經測算分別為: 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備搬運通道、檢修通道、安全防護距離以及人工操作空間,以3m3/h水量為例,RO系統每噸純水占地面積不超過14m2 ·h/m3,而2B3T系統每噸純水占地面積大于18m2 ·h/m3。說明兩級RO系統的設備更緊湊。

 

表6.png

 

  兩種工藝在運行維護與管理方面的比較綜合兩個工藝系統在運行管理方面的比較詳見表6。

  該企業兩種工藝的實際對比結果

  該半導體公司的3m3/h純水站最終采用兩級RO工藝,且目前已穩定運行一年,出水水質滿足用水要求。該廠另一條采用2B3T工藝的純水處理系統處理規模為40m3/h,也穩定運行一年多。以這兩套超純水制備系統為例,考察多項指標的對比結果,見表7。

  在一年質保期內,3m3/h純水站中,兩級RO系統制備每噸純水的實際投資費用約為18萬元,每噸純水實際運行費(含人工、折舊、藥劑費等)用為6. 35元,無二次污染及治理費用,每噸純水實際占地面積約14m2。對于2B3T系統: 每制備1噸純水的實際投資費用約為30萬元,每噸純水實際運行費(含人工、折舊、藥劑費等)為7. 98元,產生的廢水處理費用約0. 5元,每噸純水實際占地面積約18m2。

  綜合各方面因素,該半導體公司的3m3/h純水站采用兩級RO工藝,綜合費用更節省。

  通常工業用小型純水站,建設周期短,在合理減少初期投資以及滿足生產的需求下,對設計和施工安裝的靈活、簡便性提出了較高的要求,希望達到占地面積小、布局緊湊,施工安裝和運輸便利。

 

表7.png

 

  超純水站除了對初期的一次性投資有所要求,還要考慮工藝連續生產給企業帶來的成本承擔,人員操作以及生產過程對周圍環境的影響。

  可見,對于純水水質要求達到18MΩ. cm的小規模水量的企業純水站,采用兩級RO工藝是最合適的系統方案,適用于有同樣水質使用要求的TFT-LCD面板行業、PCB行業等。不過,對于大水量、且水質要求更加復雜的電子行業超純水系統,采用兩級RO工藝是否最合適,尚需進一步探討。

  對比研究表明,針對小規模超純水站,兩種超純水制備工藝方案都能穩定運行,滿足用水要求,在技術都是可行的。從運行管理和維護來看,兩級RO+EDI工藝的自動化程度高,操作更加簡潔; 從占地面積來看,兩級RO系統更容易形成模塊化設備,充分利用空間布局,節省占地面積。

  從經濟指標看,兩級RO系統一次性投資成本遠低于2B3T方案,每日運行成本低,且大幅度節省了化學用品使用量,避免了造成二次污染。

  根據企業實際投資和運行費用的案例分析同樣表明了小水量條件下采用兩級RO方案制備超純水更具有技術經濟可行性,是企業純水站的首選。

 

 

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關于潔峰

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