半导体厂水资源回收系统设计【文献综述】

'毕业论文文献综述机械设计制造及其自动化半导体厂水资源回收系统设计摘要：本文首先介绍了半导体厂水资源需求以及水资源污染，然后概述现有的国内水资源净化回收方法，在做出针对半导体厂的水资源净化回收以及效益估算。关键词：水资源；半导体厂；回收；效益估算；引言：从全世界各地水资源利用程度看，中国利用程度偏高，也就是说中国水资源相对稀缺，据统计中国水资源使用量从1949年的1000万立方米左右，增长到2007年近6000万立方米[1]。另一方面，在已经进入信息社会的今天,半导体制造业已经成为我国支柱性产业之一，由于半导体制造业涉及到300多种不同性质的原料和溶剂,其中绝大部分是毒性大和危险性高的物质。由于工艺和管理两方面的原因,这些物质在制造过程中会挥发、泄漏等形式造成水污染。据统计,美国半导体制造业每年排放的危险废物有7000多吨，其中绝大部分为废溶剂和酸碱,对人体健康和生态环境危害较大[2]。1　半导体厂对水的需求及污染半导体行业是一个高能耗的行业。在半导体产品制造过程中，由于生产设备的精密性和生产工艺的复杂性，对其配套设施提出了很高的要求，尤其对作为半导体行业血脉的超纯水系统更是高之又高。半导体厂对水的运用包括冰水、冷却水、超纯水等[3]。半导体制造业是一个耗水量很大的行业,一般加工一件200mm(8英寸)的晶片大约需要46t的去离子水。生产过程中用大量的高纯水和去离子水清洗晶片,产生大量的清洗废水。几乎所有半导体产业中，使用的都是纯水，也就是去离子水，为电子级标准。污水主要还是以酸性和碱性的为主，没有重金属污染。但是会有一些固体废弃物。下表为半导体生产过程中各个环节主要污染物[4]。 2　半导体厂水资源回收现状与发展2.1　回收现状半导体厂水循环回用的研究开始于1980年,当时日本曾提出半导体工厂用水的“闭路循环”方案[5],但是这种集中式的收集处理方法有可能造成产品质量下降。研究表明，循环水的数量以30%～50%为宜,主要回用于那些对水质要求不是很高,特别是对水中溶解氧或溶解气体浓度没有苛刻要求的工艺中[6]。可以采用在线检测设备实时监测废水电导率、有机物含量、pH值和温度等参数的变化,只有符合一定水质要求的废水才能进入循环利用系统。而那些污染物浓度较高或污染物性质独特的废水(比如头两次的晶片清洗水)被引入单独的管线,不进入废水循环利用系统[7]。超纯水制造工艺从原水进水到产品水出水的回收率一般都<50%，极大地浪费了水资源，同时也增加了半导体制造单位的运行成本[8]。因而，优化超纯水处理工艺、节能减排非常重要。以天津半导体制造厂为例阐述一下超纯水系统的节能减排措施。该超纯水系统涉及到的排水主要有3个部分，分别为超滤反洗排水、一级RO浓水排水和CEDI浓水排水。笔者就不同类型的排水提出回收利用措施。超滤反洗排水考虑到该公司现有的风淋冷却系统的补水用量很大，为更好回收利用超滤反洗排水，该公司在室外建了一个废水收集池，在收集超滤反洗排水的同时还将系统内的零散流水（分析取样排水等）一同收集，经沉降处理后，该部分水可用作风淋冷却系统的补水或用来灌溉绿地等。一级RO浓水排水一级RO系统的水回收率一般不超过75%，因而其浓水排水量较大，回收利用的价值较高，该废水的离子含量和可溶性物质含量较高，约为自来水的4倍。为此该公司在系统内设计一个收集水箱，专门用来收集一级RO浓水，浓水一部分直接用于浇灌绿地、冲洗厕所和擦地，一部分则进入RO回用装置，对此废水进行再次浓缩，RO回用装置产水进入超纯水系统的超滤产水箱内，浓水排入污水处理系统[9]。CEDI 浓水排水在该半导体制造厂的超纯水系统中，CEDI浓水直接回收至双级RO系统的中间水箱内（如图1）。而有些双级RO系统未设置中间水箱，但是考虑到系统的安全性和CEDI浓水回收利用，增加中间水箱还是必要的。该公司的超纯水系统以往在实际应用中，由于超纯水系统运行的负荷小，RO水箱长时间处于水满状态，二级RO因RO水箱水满二长时间处于停滞状态。然而CEDI系统却需要24h连续运行，也就是说CEDI浓水不停地向中间水箱补水，这就导致了中间水箱由于水满而溢流，严重浪费了自来水资源。笔者针对这一情况，对超纯水系统的运行模式进行了改进，打破以往RO水箱控制二级RO启停，中间水箱控制一级RO启停的模式，改为由中间水箱控制二级RO启停，RO水箱控制一级RO启停的模式，从而避免了中间水箱由于水满而溢流的情况发生，改进后的RO启停状态为：RO水箱在低液位时，一级RO系统开始产水；RO水箱在高液位时，一级RO系统停止产水；中间水箱在高液位时，二级RO系统开始产水；中间水箱在低液位时，二级RO系统停止产水。新的运行模式不仅简单易行，而且经济效益可观，相关数据表明，改造前自来水的日消耗量平均243m3，改造后自来水的日耗量降至113m3，改造前后日均节约自来水130m3[10]。除此以外，对于全厂的雨水也可采用回收再利用，以台北县平溪国小的设计为例。采用雨水收集系统以及生活用水收集系统将各种收集到的水资源分类进行过滤处理进行再利用[11]。 对于工业废水，厂房雨水收集以及生活用水收集若能有效合理安排，妥善归类，予以合理过滤净化回收再利用最后运用到半导体生产以及生活之中，将是一笔十分可观的节约，长此以往并能在行业中起到推进作用。[12]2.2　系统效益展望在我国半导体市场日益发展以及国家节能减排政策大背景下，以及水资源日益珍贵的今天，建立相应水资源回收系统势在必行，就半导体厂来说，其本身兑水需求量巨大，且污水排放较多，若能针对相应的废弃物进行净化处理再将净化水循环利用，不但能减少对环境的污染也能减少水费支出。尤其是半导体生产过程中使用较多超纯水，制造困难，能耗消耗大，若能设计出一种针对超纯水再生产的净化系统将会极大的节约半导体制造成本。对于雨水收集以及生活用水再利用方面若能统筹规划设计出一套系统，也能极大程度节约用水。若能将这种回收系统运用到更大的范围更多的企业，长久发展对国家的环保事业以及持续发展起到巨大贡献[13]。 最后我们可以以热水器供水管道改造为模板进行一效益的估算，[14]将半导体厂各种可获得的水资源分类，分别根据各自的投入产出进行计算，归类。例如，将雨水收集到水资源归为一类计算其产生的效益，诸如生活用水方面带来的各种效益，工业废水回收所带来的效益等。并对现有计算方法以及回收系统进行改进，继续开拓潜在的效益[15]。总体来说，就是设计出一套为半导体厂使用的一水资源为主的回收系统，实现节能减排，节约成本的目的，借鉴并完善现有回收系统实现最大成本节约。参考文献：[1]2010年水业中国聚焦.金属世界2010年第一期5[2]黄昌硕耿雷华王立群王淑云卞锦宇.中国水资源及水生态安全评价.人民黄河第32卷　　　　第三期2010年3月14-16[3]许德洪.半导体行业超纯水制造技术.工业水处理第三十卷第五期2010年5月90-92[4]余刚罗玉.半导体制造业的环境污染与清洁生产.清洁生产2000.836-37[5]尉元明朱丽霞乔艳君张景平.城市污水回用对水资源的影响与经济效益分析.干旱区研究第二十卷第三期2003年9月197-201[6]朱玉仙王立杰.水资源利用效益的投入产出分析.气象水文海洋仪器2002.246-50[7]宋琪王彦.浅析水资源的合理回收与利用.房材与应用2006年第一期63-66[8]黄其美程岩谭立洲.基于经济评价的高校水电节能效益分析.长沙铁道学院学报2009年3月第十卷第一期276-277[9]半导体器件生产需要重视超纯水净化系统本身的污染.世界有色金属1996年第五期38-41[10]陈姣石开李应华.半导体厂含氟废水处理工程改造.中国给水排水第24卷第六期2008年3月28-30[11]郑一.中国水资源报告.ShangHaiEconomy2010.0636-38[12]张革.辽宁省水资源管理网络系统建设效益分析.黑龙江水利科技2008年第二期第三十六卷121-122[13]林闵洋胡石政吴振旭.半导体厂节能专题[14]梁锟曹慧.太阳能集中热水系统节能效益分析研究.科技传播2010.921[15]张丽娜张义智田瑞闫素英.太阳能热水系统的节能效益分析.大家谈太阳能2007/668'