中国福建光电信息科学与技术创新实验室
发布时间：2025-07-29 浏览：次
实验室 50 吨 / 天的半导体超纯水设备，核心目标是满足半导体行业超纯水标准（如 SEMI F47、ASTM D1193），具体要求包括：电阻率≥18.2MΩ・cm（25℃）、总有机碳（TOC）≤10ppb、颗粒（0.1μm）≤1 个 /mL、离子浓度（如 Na⁺、Cl⁻、Si⁴⁺等）≤1ppb，且需严格控制微生物、溶解氧、胶体等污染物。
基于半导体超纯水的极致纯度要求，工艺需通过 “预处理→深度脱盐→精处理→循环防护” 四级串联，实现从原水（市政自来水或地下水）到超纯水的全流程净化：
预处理系统→初级脱盐系统（RO）→深度脱盐系统（EDI + 混床）→精处理系统→产水储存与循环系统
目的：去除原水中的悬浮物、胶体、余氯、有机物、微生物等，避免污染反渗透（RO）、EDI 等核心膜组件，延长其寿命。
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多介质过滤器：
- 填充石英砂（底层，粒径 2-4mm）+ 无烟煤（中层，粒径 1-2mm）+ 石榴石（顶层，粒径 0.5-1mm），通过梯度过滤截留泥沙、铁锈、大颗粒悬浮物（SS），使出水浊度≤0.5NTU。
- 配备自动反冲洗（差压 0.15MPa 触发），避免滤料板结。
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活性炭过滤器：
- 填充柱状活性炭（碘值≥1000mg/g），吸附原水中的余氯（市政自来水余氯通常 0.5-1mg/L，RO 膜耐受上限 0.1mg/L）、部分有机物（如腐殖酸）及异味，使出水余氯≤0.01mg/L，COD≤10mg/L。
- 定期反冲洗，使用寿命约 3-6 个月（需根据余氯负荷更换）。
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超滤（UF）系统：
- 采用中空纤维超滤膜（截留分子量 10000-50000Da，孔径 0.01-0.1μm），深度去除胶体、大分子有机物（如蛋白质）、微生物（细菌、藻类），使出水 SDI（污染指数）≤3（RO 膜进水要求 SDI≤5），微生物≤10CFU/mL。
- 运行方式：错流过滤，配备气洗 + 水反冲洗，膜寿命 3-5 年。
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保安过滤器：
- 采用 1μm 折叠式 PP 滤芯，拦截超滤后残留的微小颗粒（如活性炭粉末、超滤膜碎片），作为 RO 膜的 “终极保护”，避免膜表面划伤。
目的：大幅降低原水中的离子浓度（如 Na⁺、Ca²⁺、Cl⁻、SO₄²⁻）和有机物（TOC），为后续深度脱盐减负。
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一级反渗透（RO）：
- 采用卷式复合 RO 膜（如陶氏 BW30-4040，脱盐率≥99.5%），在 1.5-2.0MPa 操作压力下，去除 90% 以上的溶解盐、80% 以上的 TOC 及部分重金属，出水电导率≤50μS/cm，TOC≤50ppb。
- 设计回收率 70-75%（50 吨 / 天产水对应进水约 70 吨 / 天），浓水可回用至预处理反冲洗（节约原水）。
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二级反渗透（RO）：
- 以一级 RO 产水为进水，采用低压高脱盐 RO 膜（如陶氏 LCHR-4040），进一步脱盐至电导率≤5μS/cm，TOC≤20ppb，同时去除一级 RO 未截留的微量污染物（如硅、硼）。
- 关键：通过加碱（NaOH）调节进水 pH 至 8.0-8.5，提升硅（SiO₂）和硼的去除率（避免硅在后续高温环节生成胶体）。
目的：去除残留的微量离子（ppb 级），使电阻率接近 18.2MΩ・cm。
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UV 氧化系统（TOC 降解）：
- 采用 185nm 波长紫外灯（同时搭配 254nm 杀菌），通过光氧化作用分解水中的有机物（如小分子 TOC），将 TOC 从 20ppb 降至≤10ppb（半导体核心指标）。
- 灯管寿命约 8000 小时，需定期更换。
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EDI（连续电去离子）系统：
- 由离子交换树脂、离子交换膜和电极组成，在电场作用下，树脂持续吸附水中离子并通过膜迁移至浓水侧，无需化学再生（避免再生废水污染），产水电阻率可达 15-18MΩ・cm，离子浓度≤5ppb。
- 进水需满足电导率≤5μS/cm（二级 RO 产水可满足），运行压力 0.3-0.5MPa，浓水回收率 90% 以上。
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混床离子交换系统：
- 作为 EDI 的 “精处理补充”，填充凝胶型强酸阳离子树脂（001×7）+ 强碱阴离子树脂（201×7），按 1:1 体积混合，深度吸附 EDI 未去除的残留离子（如 Li⁺、K⁺等痕量元素），使产水电阻率稳定≥18.2MΩ・cm，离子浓度≤1ppb。
- 采用 “体内再生” 模式（失效后用 HCl 和 NaOH 再生），再生周期约 1-2 个月（根据产水电阻率下降趋势判断）。
目的：去除产水中的微生物、颗粒和溶解氧（部分半导体工艺要求），确保终端用水绝对纯净。
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终端微滤（MF）：
- 采用 0.22μm 折叠式聚醚砜（PES）滤芯，截留混床可能泄漏的树脂碎片、微生物（细菌、内毒素），使颗粒（0.1μm）≤1 个 /mL，微生物≤1CFU/100mL。
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脱气系统（可选）：
- 若工艺要求溶解氧≤5ppb（如半导体刻蚀环节），增设真空脱气塔或膜脱气系统，通过负压或疏水膜分离，将溶解氧降至≤2ppb。
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终端 UV 杀菌：
- 254nm 紫外灯，二次杀灭终端管路中可能滋生的微生物，避免储存和输送过程中的二次污染。
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超纯水箱：
- 采用 316L 不锈钢（内壁电解抛光，Ra≤0.8μm），容积为日产量的 50-100%（25-50 吨），配备氮封系统（维持微正压，隔绝空气中的 CO₂和尘埃），顶部设呼吸过滤器（0.01μm）。
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循环管路系统：
- 管道材质为 PVDF（聚偏氟乙烯）或 316L 不锈钢（电解抛光），管径 DN40-DN65，设计循环流速≥1.5m/s（避免死水滋生微生物）。
- 循环泵采用无泄漏磁力泵，确保产水在储存期间持续循环，通过 “产水→水箱→循环→回水箱” 路径，避免水质劣化。
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在线监测系统：
- 实时监测电阻率（精度 ±0.1MΩ・cm）、TOC（精度 ±1ppb）、温度、流量、压力，超标时自动切换至循环模式并报警，确保终端用水 100% 达标。
- 若原水为地下水（高硬度、高硅）：预处理需增设 “软化器”（钠离子交换）降低硬度（≤0.1mmol/L），并在一级 RO 前加阻垢剂（如 ATMP）防止硅垢。
- 若对 TOC 要求极致（≤5ppb）：可在二级 RO 后增设 “TOC 吸附柱”（填充分子筛），进一步吸附小分子有机物。
