低压和超低压反渗透膜在半导体工业水处理中的应用.docx
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低压和超低压反渗透膜在半导体工业水处理中的应用
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、≥0.2μm的颗粒为100个/毫升；而制作16M位DRAM时，则要求TOC＜5ppb、金属离子＜0.2ppb、水中≥0.1μm颗粒数为0.6个/升。
1.1TOC，细菌及细菌内毒素对大规模集成电路的影响。
1.2DRAM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10000~20000之间范围内，体积为1~50μm，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12~15%及有机磷酸盐6~7%，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）
4200
＞10
120
≥0.03
一级RO（TFC膜）
4200
0.3
50
0.03~＜0.03
市售蒸馏水
5000
＞3
2500
0.25
二次蒸馏水
2500
0.25
500
0.1
三次蒸馏水
500
1
100
＞0.03
双级RO（TFC膜）
50
≤0.03
20
＜0.03
双级RO+185nmUV
30
＜0.03
＜5
＜0.03
*EU=EndotoxinUnit（内毒素单位）
美国1993年[9]ASTM-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
3
＞0.03
NTR-759膜
3
＜0.03
CPA2膜
3
＜0.03
ESPA膜
3
＜0.03
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
0.25~0.5
超声法
0.25
254nm紫外法
0.03~0.25
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TOC＜5ppb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%、CCl4＞99%，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。
4.2LF10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7LF10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：
3000~4000s/min；温度：
6~8℃；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，0.2μm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，ESPA超低压膜又由于保持了复合膜的所有优点。
有很好的化学稳定性，此外还有很好的去除细菌内毒素和THM的能力，所以低压复合膜和超低压复合膜是当今制备高纯水理想的反渗透膜，与常规RO膜比较，LF10膜在低压下有同样的高脱盐率和高水通量，此外，由于它的表面电位中性，较亲水，故抗污染能力强，因此对含表面活性物质导致膜污垢的废水处理中，是具有优越性能的。
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