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超纯水设备在光学中的应用

作者:益民水处理来源:http://www.dgym.cn 浏览次数: 日期:2010年3月5日 11:07

摘要:

超纯水设备在光学中的应用

  纯水在光学领域中的重要作用日益突出,纯水水质已成为影响光学器件产品质量、生产成品率及生产成本的重要因素之一,水质要求也越来越高。在生产中,高纯水主要用作纯水清洗和纯水配液,不同的工艺生产中纯水的用途及对水质的要求也不同。

  清洗是指清除工件表面上液体和固体的污染物,使工件表面达到一定的洁净程度。清洗过程是清洗介质、污染物、工件表面三者之间相互作用,是一种复杂的物理过程,清洗不仅与污染的性质、种类、型态以及粘附程度有关。与清洗介质的理化性质、清洗性能、工件的材质、表面状态有关、还与清洗的条件如温度、压力以及附加的超声振动、机械振动等因素有关。

  传统的清洗方式有浸式清洗、喷气清洗、喷流清洗、刷洗、喷淋清洗、喷雾清洗、减压清洗及高压水射流清洗等,而超声波纯水清洗是目前国际社会公认的最先进的清洗方式。清洗需用纯水,如水中含有氯离子,电容器就会漏电。在电子管生产中,电子管阴极涂甫碳酸盐,如其中混入杂质,就会影响电子的发射,进而影响电子管的放大性能及寿命,因此其配液要使用纯水,在显象管和阴极射线管生产中,其荧光屏内壁用喷涂法或沉淀法附着一层荧光物质,是锌或其他金属的硫化物组成的荧光粉颗粒并用硅酸钾粘合而成,其配制需用纯水,如纯水中含铜在8ppb以上,就会引起发光变色;含铁在50ppb以上就会使发光变色、变暗、闪光跳跃;含奇有机物胶体、微粒、细菌等,就会降低荧光层强度及其与玻壳的粘附力,并会造成气泡、条迹、漏光点等废次品。在黑白显象管荧光屏生产的12个工序中,玻壳清洗、沉淀、湿润、洗膜、管颈清洗等5个工序需使用纯水,每生产一个晶体管需用纯水80kg[1]。液晶显示器的屏面需有纯水清洗和用纯水配液,如纯水中存在着金属离子、微生物、微粒等杂质,就会使液晶显示电路发生故障,影响液晶屏质量,导致废、次品。显像管、液晶显示器生产对纯水水质的要求见表1。
表1 显像管、液晶显示器用纯水水质
 
项目单位
电阻率MΩ穋m(25t)
细菌个/ml
微粒个/ml
TOC
mg/L
Na+
μg/L
K+
μg/L
Cu
μg/L
Fe
μg/L
Zn
μg/L
黑白显像管
彩色显像管
液晶显示器
≥5
≥5
≥5
≤5
≤1
≤1
≤10(φ>0.5μ)
≤10(φ>1μ)
≤10(φ>1μ)
≤0.5
≤0.5
≤1
≤10
≤10
≤10
≤10
≤10
≤10
≤8
≤10
≤10
≤10
≤10
≤10
≤10
≤10
≤10


  在晶体管、集成电路生产中,纯水主要用于清洗硅片,另有少量用于药液配制,硅片氧化的水汽源,部分设备的冷却水,配制电镀液等。集成电路的产品质量及生产成品率关系很大。水中的碱金属(K、Na等)会使绝缘膜耐压不良,重金属(Au、Ag、Cu等)会使PN结耐压降低,Ⅲ族元素(B、Al、Ga等)会使N型半导体特性恶化,V族元素(P、As、Sb等)会使P型半导体特性恶化[2],水中细菌高温碳化后的磷(约占灰分的20-50%)会使P型硅片上的局部区域变化为N型硅而导致器件性能变坏[3],水中的颗粒(包括细菌)如吸咐在硅片表面,就会引起电路短路或特性变差。集成电路生产对纯水水质的要求见表2。
表2 集成电路(DRAM)对纯水水质的要求[4][5][6]
 
集成电路(DRAM)集成度
16K
64K
256K
1M
4M
16M
相邻线距
4
2.2
1.8
1.2
0.8
0.5
微粒
直径(μm)
0.4
0.2
0.2
0.1
0.08
0.05
个数(PCS/ml)
<100
<100
<20
<20
<10
<10
细菌(CFU/100ML)
<100
<50
<10
<5
<1
<0.5
电阻率(μs/cm,25℃)
>16
>17
>17.5
>18
>18
>18.2
TOC(ppb)
<1000
<500
<100
<50
<30
<10
DO(ppb)
<500
<200
<100
<80
<50
<10
Na+(ppb)
<1
<1
<0.8
<0.5
<0.1
<0.1
 

  纯水清洗是一种物理作用配以相关的清洁剂或相关的清洁方式,效果更加卓越,因此选择科学合理的清洗工艺,必须对工艺分析。其中所涉及到的纯水工艺主要有电渗析(ED)、反渗透(RO)、纳滤(NF)、超滤(UF)、微滤(MF),其工作原理、作用等见表3
表3 纯水制造中常用的技术
 
膜组件名称
EDI
RO
NF
UF
MF
微孔孔径
 
5-50埃
15-85埃
50-1000埃
0.03-100μm
工作原理
离子选择透过性
1.优先吸-毛细管理论
2氢链理论
3.扩散理论
同左
滤膜筛滤作用
同左
作用
去除无机盐离子
去除无机盐离子,以及有机物,微生物、胶体、热源、病毒等 
去除二价、三价离子,M>100的有机物,以及微生物,胶体,热源、病毒等
去除悬浊物、胶体以及M>6000的有机物
去除悬浊物
组件形式
膜堆式
大多为卷式,少量为中空纤维
同左
大多为中空纤维,少量为卷式
摺迭滤筒式
工作压力(MPa)
0.03-0.3
1-4
0.5-1.5
0.1-0.5
0.05-0.5
水回收率(%)
50-80
50-75
50-85
90-95
100
使用寿命(年)
3-8
3-5
3-5
35
3-6个月
水站位置
除盐工序
除盐工序
1.除盐工序
2.RO前的软化
大多为纯水站终端精处理,少数RO前的预处理
1.RO、NF、UF前的保安过滤(3-10μm)2、离子交换滤除树脂碎片(1μm)
3.UV后滤除细菌死体(0.2或0.45μm)
4.纯水站终端过滤(0.03-0.45μm)

  现以某光学厂中的纯水设计方案,说明工业纯水在光学制造中的应用.本项目选用先进、成熟、出水水质稳定、系统运行稳定的反渗透+EDI脱盐装置作为系统的主脱盐设备;系统运行费用低、易于实现自动化。反渗透水处理系统具有很好的经济性反渗透+EDI脱盐的水处理系统工艺流程如下:

  原水箱→原水泵→多介质过滤器→活性碳过滤器→全自动软化器→保安过滤器→一级
高压泵→一级反渗透系统→中间水箱→二级高压泵→二级反渗透系统→纯水箱→纯水泵→TOC分解器→脱气膜→精密过滤器→EDI装置→纯水箱→纯水泵→抛光混床→膜过滤器→生产线用水点

  工艺的详细说明:预处理主要是去除水中的有机物、悬浮物、胶体和余氯等,以确保RO能正常工作。预处理工艺采用多介质过滤、活性碳吸附、软化器,减少RO工作时产生垢物和藻类生长及微生物污染及氧化剂。

  原水首先流入原水箱。原水箱对原水的供给起到缓冲作用,协调原水的供给量与原水泵的输入量。当原水的供应量超过原水泵的输水量时,原水箱水满,通过原水箱的液位控制使用原水供给停止。当原水供应量小于原水泵的输水量时,原水箱空,原水泵停止运行,起到保护原水泵的作用。

  原水泵用于对原水加压,为预处理系统提供动力源泉。

  在原水中投加入絮凝剂与原水中胶体、颗粒形成絮凝体,有利于在多介质过滤器中被过滤掉,提高过滤效果,进一步降低出水浊度,保证RO进水SDI≤4。

  多介质过滤是一种先进的微絮凝过滤方式,本公司提供的多介质过滤器含有材质各异的多层过滤介质,完全能滤除不溶于水中的杂质,保证SDI值不大于4,是后级RO的强有力保护屏。能更好的去除水中的悬浮物或非溶解性粒子(氧化物、浊度、颗粒物等),具有低成本,操作维护、管理方便等特点,特别是在降低原水中的浊度、污染指数等方面具有很好的效果。

  活性炭工艺在水处理领域中占有相当重要的地位,是水深度处理中不可缺少的工艺,它所具有的某些特殊功效是其它水处理工艺所无法替代的。

  去色:可去除由铁、锰及植物分解生成物或有机污染物等所形成的色度。

  脱氯:可去除因余氯所造成的嗅味。

  去除有机物:可去除由于水源污染而常规工艺又无法去除的水中微量污染物,如农药,杀虫剂,氯化烃,芳香族化合物,以及BOD与COD等。

  去除有机氯:可去除在原水净化过程中及自来水出厂前投加预氧化剂和消毒剂(如氯气)所产的THMS等?#19977;致?#29289;质。有分析表明,自来水中?#19977;致物质THMS占去大半,有效的去除对于提高水质量十分关键。

  去除氨氮和亚硝酸盐:活性炭可有效去除氨氮和亚硝酸盐。

  另外,它还可以除臭,去除水中的微量重金属离子(如汞、铬等离子),合成洗涤剂及放射性物质等。

  软化器是通过强酸型阳树脂的作用去除水中的钙、镁离子,使水中的硬度<0.03meg/L(CaCO3),从而减少垢物提供软水生产用水。体,规格为φ800?200,此罐耐腐蚀,坚固,没有其他物质释放出来。控制阀坚固耐用,耐磨损,维修方便。此软水系统可根据原水水质来设定产水量和再生周期。软水器内装有高效强酸阳树脂,颗粒度均匀,强度高,不容易磨损,交换量大。树脂使用寿命在2-3年。软水器的吸盐系统配有液位、过滤和自动回水功能,可以有效防止再生时盐箱内的污染物进入软化水系统,并能充分溶解再生剂,使再生达到饱和状态。

  经过前面的石英过滤器、活性炭过滤器及软化器之后,原水中大颗粒悬浮物已基本被除去,而一些小颗粒悬浮物则没有被除去。在这里,再进行一次微滤,去除5μm以上的悬浮物,以保护RO膜不被堵塞。同时,一些活性炭细沫也被截留在反渗透系统之外。保安装过滤器进出口设压力指示表,当压差增大到设定值时更换滤芯。

  反渗透装置是该项目预脱盐的心脏部分,经反渗透处理的水,能去除绝大部分无机盐、有机物、微生物等。设计的合理与否直接关系到项目的投资费用,整个系统运行经济效益,使用寿命,操作可靠简便性。反渗透膜均采用世界上最先进的超低压复合膜,单根脱盐率达99.8%。当系统设计温度为25℃时,考虑到原水水质变化以及膜的使用寿命等因素,

  反渗透膜在长期运行中,表面会逐渐有进水中存在的各种污染物的沉积而引起膜的污染,这造成系统性能(脱盐率和产水量)的下降,组件进出口压差的升高;膜的定期清洗是防治膜污染的主要措施之一。

  反渗透装置在停运和化学清洗前,需要进行低压水冲洗;

  在运行较长时间后,若压差明显增大,产水量明显下降,则需要进行化学清洗。清洗剂选用反渗透膜专用清洗药剂,绝对无污染、无化学药剂残留;清洗装置包括清洗水泵、清洗水箱以及清洗用精密过滤器。

  超纯水处理深一层除去水中的盐类 ,使水的纯度提高(电阻率≥18MΩ.CM)。处理采用纯水泵、TOC、膜过滤器、EDI装置、紫外线、膜过滤器。 EDI装置是应用有反渗透系统之后,取代混合离子交换床的成熟技术具有产水品质稳定,它的工作原理主要是:原水中常含有钠、钙、镁、氯、硝酸盐、碳酸盐、硅等溶解盐。这些盐是由负电离子(负离子)和正电离子(正离子)组成。反渗透可以除去其中超过99%的离子。自来水也含有微量金属,溶解的气体(如CO2)和其它必须在工业处理中去除的弱离子化的化合物(如硅和硼砂)。

  RO出水(EDI进水)一般为4-30us(电导),根据不同需要,超纯水或去离子水一般电阻为2-15MΩ.CM。E-CELL的EDI通过用氢离子或氢氧根离子将它们交换并将它们送至浓水流中除去它们。交换反应在模块的纯化室进行,在那里阴离子交换树脂用它们的氢氧根离子(OH-)来交换溶解盐中的阳离子(如CL-)。相应地,阳离子交换树脂用它们交换树脂用它们的氢离子(H+)来交换溶解盐中的阳离子(如Na+)。在位于模块两端的阳极(+)和阴极(-)之间加一直流电场。电势就使交换到树脂上的离子沿着树脂粒的表面迁移并通过膜进入浓水室。阳极吸引负离子(如OH-,CL-)。这些离子穿过阴离子膜进入相临的浓水流却被阴离子膜阻隔,从而留在浓水流中。阴极吸引纯水流中的阳离子(如H+,Na+)。这些离子穿过阳离子选择膜,进入相临的浓水流却被阴离子膜阻隔,从而留在浓水流中。当水流过这两种平行的室时,离子在纯水室被除并在相临的浓水流中聚积,然后由浓水流将其从模块中带走。在纯水及浓水中离子交换树脂的使用是 IONPURE EDI技术和专利的关键。一个重要的现象在纯水室的离子交换脂中发生。在电势差高的局部区域,电化学反应分解的水产生的大量的H+和OH-。在混床离子交换树脂中局部H+和OH- 的产生使树脂和膜不需要添加化学药品就可以持续再生。使EDI处于最佳工作状态、不出故障的基本要求是对EDI进水进行适当的预处理。进水中的杂质对去离子模块有很大影响。并可能导致缩短模块的寿命。

  总的说有八大优点:①不需要酸碱再生;②可连续生产:③不需要处理废酸碱;④运行成本低;⑤系统设计安装简单;⑥安装条件简单;⑦出水水质稳定;⑧标准设计。

  EDI系统是纯水处理工艺中的主脱盐系统,通过EDI出水口设置的电导率仪,监测和控制该单元的运行、清洗。
经过这个过程处理的高纯水就可以就可以广泛应用于光学行业。