摘要：介紹了清華大學微電子所VLSI超純水站工藝設計思想及設備選型，并闡明了對關鍵設備選型及材質(zhì)的技術要求。
關鍵詞：超純水站；設計；工藝；設備選型
中圖分類號：TU991.36　　 文獻標識碼：C　　 文章編號：1000-4602(2001)03-0044-03
　　　　　 清華大學微電子所超純水站產(chǎn)水用于超大規(guī)模集成電路(VLSI)的清洗工藝，其產(chǎn)水量為10m3/h(24 h運行)。超純水站原水溫度≥13 ℃，壓力為0.2～0.5 MPa，原水水質(zhì)見表1，產(chǎn)水水質(zhì)(超濾出口)見表2。

表1　原水水質(zhì)
指標
數(shù)值
指標
數(shù)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
總硬度(德國度)
9.3

Mn2+(mg/L)
0.02
COD(mg/L)
2.296

pH
7.66



表2　出水水質(zhì)
項目
數(shù)值

電阻率(MΩ·cm，25℃)
≥18

微粒＞0.1 μm(個/mL)
≤5

微量離子如K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Mn2+、Fe2+、Fe3+、Zn2+、Cl-(μg/L)
≤0.5

總金屬(μg/L)
≤1

細菌(個/mL)
≤0.01

SiO2(μg/L)
≤5

TOC(μg/L)
≤10

溶解氧(μg/L)
≤30

出水水壓(MPa)
≥0.25

1.1預處理系統(tǒng)
預處理系統(tǒng)包括原水箱、水泵、絮凝劑加藥泵、管道混合器和多介質(zhì)過濾器及反洗水泵等設備及其相關的管道和儀表。為調(diào)節(jié)原水的供應、穩(wěn)定系統(tǒng)的進水壓力，采用15m3 FRP水箱一臺。水泵為預處理工段提供動力，采用立式多級泵，共2臺，一用一備，單臺額定流量Q＝17.5m3/h，H=539 kPa。
絮凝劑加藥系統(tǒng)采用PAC絮凝劑，設計投加量為10 mg/L，質(zhì)量分數(shù)為5%。絮凝劑計量泵選用電磁驅(qū)動隔膜計量泵。管道混合器使原水與絮凝劑快速充分混合。
多介質(zhì)過濾器主要去除水中的懸浮物和膠體。通過在進水管道投加絮凝劑，采用直流凝聚方式，使水中大部分懸浮物和膠體變成微絮體在多介質(zhì)濾層中截留而去除。多介質(zhì)過濾器共2臺，每臺規(guī)格為1 500，每臺過濾量為17.6m3/h，一用一備，濾速為8 m/h，反洗強度為12L/(m2?s)。
多介質(zhì)過濾器的反洗可根據(jù)累計流量來決定，反洗水采用原水，反洗泵采用立式多級泵(1臺)，每次反洗時間為10 min。
預處理系統(tǒng)應保證出水SDI值(微粒濃度指數(shù))＜5。

1.2　RO系統(tǒng)
包括兩級RO裝置、清洗系統(tǒng)和中間水箱。
RO主要去除水中溶解鹽類，同時去除一些大分子和前階段未去除的小顆粒等。選用ESPA3膜并采用兩級RO工藝可有效去除水中離子，同時使出水滿足后續(xù)EDI裝置工藝進水要求。RO裝置包括1臺5 μm過濾器，2臺高壓泵和5根壓力容器，每根壓力容器裝有5支膜，一級RO按2∶1排列，二級RO按1∶1排列。一級RO裝置產(chǎn)水量為13.2m3/h，回收率75%；二級RO產(chǎn)水量為11.2m3/h，回收率為85%。
為確保RO裝置的穩(wěn)定運行，在RO前設置了UV消毒器和阻垢劑加藥系統(tǒng)。UV消毒器1臺，處理量為17.6m3/h，主要作用是殺死水中的細菌，避免RO膜受到污堵。紫外燈發(fā)射波長為254 nm，強度為30 000 μWs/cm2，殺菌率為99%。
為防止RO裝置中濃水側(cè)結垢，須在進水中投加阻垢劑，阻垢劑采用FLOCON260，設計投加量為2.4 mg/L。或采用PTP0100阻垢劑，設計投加量為1 mg/L。
為去除水中的CO2，在兩級RO之間投加NaOH調(diào)節(jié)一級RO出水的pH值為7.83，NaOH的設計投加量為4.5 mg/L。
RO清洗系統(tǒng)為撬裝設備，包括清洗箱、5 μm過濾器和清洗泵。當RO系統(tǒng)發(fā)生結垢或污堵時可對RO裝置進行清洗，同時也可清洗EDI。
中間水箱的功能為儲存RO產(chǎn)水、調(diào)節(jié)水量，使系統(tǒng)運行可以靈活調(diào)節(jié)。
兩級RO系統(tǒng)產(chǎn)水的電導率＜10 μs/cm，SiO2含量＜500 μg/L，TOC＜50 μg/L。

1.3　EDI去離子系統(tǒng)和脫氧膜系統(tǒng)
包括中間水泵、EDI裝置、脫氧膜組、真空泵。
中間水泵為EDI裝置和脫氧膜組提供動力。采用立式多級泵2臺，一用一備，單臺流量Q＝11.2m3/h，H=490 kPa。
選用流量為11.46m3/h的EDI機組，產(chǎn)水量為10.7m3/h，回收率為95%，產(chǎn)水電阻率穩(wěn)定在17.5 MΩ?cm以上，SiO2＜20 μg/L。
系統(tǒng)設有一臺脫氧膜組，產(chǎn)水量為10.7m3/h，包括6根脫氧膜元件，脫氧膜元件為4×28—X40型，分成兩組，每組三級串聯(lián)，除氧率為99.58%，出水含氧量＜30 μg/L，脫氧膜配有一臺2BV5型液環(huán)式真空泵，真空值為6.65 kPa，抽真空體積流量為120m3/h。

1.4循環(huán)精處理系統(tǒng)
循環(huán)精處理系統(tǒng)包括超純水箱、超純水泵，去除TOC的185 nmUV裝置、超純水拋光混床，超濾裝置、回水UV殺菌燈、回水背壓閥等。
超純水泵采用立式多級泵共2臺，一用一備，單臺流量Q＝13.8m3/h，H=735 kPa。根據(jù)用戶用水量的變化，采用變頻裝置調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速恒定，供水壓力保持在0.25 MPa。去除TOC的UV殺菌燈單臺處理量為13.8 m3/h，照射強度＞180 000 μWs/cm2，出水TOC＜10 μg/L。超純水拋光混床共6臺，分兩級，每級3臺串聯(lián)，單臺產(chǎn)水量為5m3/h，設計流速為40 m/h，出水電阻率＞18 MΩ?cm。
終端采用超濾裝置可保證出水的顆粒物含量指標滿足要求。采用NTU—3306—K6R型超濾膜一支，最大產(chǎn)水量為15m3/h，截留相對分子質(zhì)量為6 000。回水UV殺菌燈單臺處理量為3m3/h，照射強度＞30 000 μWs/cm2，使用壽命為8 750 h，殺菌率＞99%。回水背壓閥可保證用戶用水點的水壓。
 

2　關鍵工藝設計思想及注意事項
①采用進口優(yōu)質(zhì)名牌產(chǎn)品以保證系統(tǒng)運行穩(wěn)定。
②設備、管材、閥門的材質(zhì)選擇應確保水的純度。超純水箱采用PVDF內(nèi)襯、并設氮氣保護，管材閥門選用時首先考慮沒有析出物，EDI前選用優(yōu)質(zhì)UPVC管道，EDI后選用日本Clean—UPVC管道。金屬管件選用電拋光316SS，閥門選用Clean—UPVC、PVC或316SS材質(zhì)。
③樹脂濾芯均選用高純產(chǎn)品。拋光混床選用Sybron的NM—60SG半導體級混床樹脂，沒有TOC的析出。超濾膜采用中空纖維式濾膜。
④采用避免滋生細菌TOC的管道接口。管道連接盡量避免采用絲扣；采用法蘭連接時，墊片選用EPDM、FPM材質(zhì)。UV進出口采用316LSS金屬彎頭，避免紫外線破壞UPVC管道，造成TOC的析出。二期預留接口采用盲板，使死水區(qū)盡量小。
⑤設備設計。設備設計包括滑架類設備、壓力容器和設備支架。滑架均采用Q235A結構鋼，做到精巧而堅固。壓力容器外殼采用Q235A材質(zhì)，內(nèi)襯二層天然橡膠，內(nèi)壁采用碳鋼襯膠。所有設備與滑架金屬外表均采用三層環(huán)氧樹脂漆防腐。
 

3　結語
清華大學微電子所超純水站率先采用了國內(nèi)第一條自主設計的由預處理→兩級RO→EDI裝置組成的超純水生產(chǎn)線，由于采用了世界領先的EDI裝置和工藝上獨到的設計，使出水水質(zhì)：TOC≤2 μg/L,電阻率≥18.1 MΩ?cm,溶解氧≤4 μg/L，完全滿足了出水指標要求，工藝先進，設計合理。