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UPW教育训练
教育训练
一、序言
超纯水是指比传统的蒸馏水或去离子水更纯净的水,后两者亦有称为纯水,其品质规格一般注重于比电阻、粒子、细菌及总有机碳等项目,而超纯水对于其余离质(如二氧化硅、溶氧等)有更严格的规范。
水的结构使它成为理想的溶剂,许多物质均可以溶解在水中,溶解在水中的物质(离质)可以分为下列五大类:
1.离子化的物质:
如盐类或离子(包括阳离子和阴离子),可
溶性硅酸盐及二氧化硅等。
2.有机物:
有机物指除二氧化碳、碳酸类以外的含碳化合物,包括糖类、蛋白质、脂肪酸、有机溶剂、纤维等。
3.微粒子和胶体:
如来自岩石、土壤中的微颗粒,大分子的硅酸聚合物,及其它的有机或无机类的悬浮物等。
4.微生物:
包括细菌、病毒、藻类、酵母菌、微菌等菌体及孢子。
5.气体:
如氧气、二氧化碳、氮气、臭氧、甲烷等。
二、超纯水净化系统
当原水进入超纯水厂之后,一般先会有前处理系统(pretreatment)将原水作初步处理,以克服原水水质的变动,生产质与量均较为稳定的水,进入之后的纯化系统——一级处理(或初级处理,primarytreatment)系统。
在一级处理中,水中的杂质开始被去除,包括离子、TOC、SiO2、粒子、细菌等的浓度大为下降,而比电阻大为提高。
同时一级处理的许多单元也是回收水(reclaimwater)与回水(returnwater)回流之处,使得水的回收与再利用价值提高。
一级处理后的水进入二级处理(或精练段,polishingsystem)系统。
在此水质须提高至品质规范所允许的范围内,以确保超纯水品质。
由精练段流出的超纯水又称为给水(Supply)或最终过滤水(afterfinalfilter,AFF),这些水经由双回路的设计流至各使用端(pointofuse)供机台使用,其中没有用完的,仍在管路中的给水可以回流至一级处理或二级处理的单元中,因为它的品质仍比原水高出甚多。
而已经用的超纯水会含有大量杂质(其中多是各制程添加进去的,如酸、碱、异丙醇、光阻剂等),须经过回收槽(reclaimtank),或是分级或是进行净化处理后,再回馈入超纯水的制程中。
这就是净化程序,以下将分段详叙各功能。
1.前处理
在前处理中常有的单元操作包括
(1)凝聚、沉降、过滤操作,
(2)
砂滤或多媒体(multimedia)砂滤池,(3)加氯处理(chlornation),(4)活性炭处理,(5)套筒(cartridge)滤膜,以及(6)RO之前的化学品添加。
凝聚(coagulation)、沉降(settling)及过滤(filtration)的处理适用于原水浑浊度高时(大于10),利用添加凝结剂(coagulant)将原水中的悬浮物(大部分带负粒径电0.001-1微米)中和或交联(cross-linkage)而成较大颗粒的絮状物(flocks),使它在沉淀槽(settlingbasin)中沉至槽底而刮除。
常用的凝结剂包括PAC(分子式Al2(OH)NCL6-n)、明矾(alum,Al2(SO4)3.18H2O)以及高分子凝结剂(polymercoagulant)等。
砂滤池的目的在去除较大的粒子(10-50微米)、悬浮物,以及未沉降的絮状物。
它属于深程过滤(depthfiltration)的一种,被去除的粒子可能在砂石表层被阻隔,也可能在进入内层时被陷住。
多媒体(multimedia)砂滤池则是利用多种不同种类,大小密度各异的小石块或砂子,将大颗但较轻的排在上层,较小颗且重的排在下层,如此可减少操作过程中压力降太大而阻碍水流,并方便定期的逆洗(backwash)以除去污物。
加氯的主要目的在去除细菌等微生物,因微生物与一般杂质不同之处在于它会自我繁殖,只要有一只细菌就可以在短时间内繁殖变为千万只,因此必须对它作控制,以免影响水质以及后续的净化设备。
加氯是许多种杀死微生物方法中最便宜、高效率的方式,一般以添加次氯酸钠(NaOCl)或二水合次氯酸钠(Na(OCl)2H2O)最常见,在酸性水溶液(PH<7)时效果最佳。
连续投药的剂量约0.2-2ppm,瞬间剂量(shocktreatment)时100-200ppm。
加氯虽然可有效控制微生物的生长,但是有一些副作用,例如添加的药剂溶于水中变成离子,势必要在后续处理中去除;残余的氯是强氧化剂,会对后续的设备(如RO薄膜、离子交换树脂)造成破坏;氯还可能和水中的有机物生成含氯致癌物,影响人类健康,所以有些厂区会考虑以其它菌方法取代。
活性炭是很好的吸附剂,具有多孔性,大部分半导体界用的活性炭为颗粒状,有椰子壳碳化,1000℃活化而成,并须经辐射照射成无菌状态。
它可以吸附有机物,是前处理中降低TOC的有效方法。
同时它也会吸附残留的氯,间接保护RO等设备。
在活性炭之后往往跟随着一种高分子材质的滤膜,孔径约1-5µm,可将活性炭槽中破碎的碳粉(carbonfine)拦截,以免它随着水漂流至后续的设备中。
这种滤膜过滤的膜组常作成套筒(cartridge)式,是将整片薄膜折迭成百折裙状,在粘贴而成。
离开套筒滤膜的水在进入逆渗透(RO)之前往往会添加化学品,以保护RO膜。
例如添加酸或碱来调整PH值(尤其使用醋酸纤维的RO滤膜),加硫代硫酸钠(sodiumbisulfate)将余氯还原成氯离子(用于对氯敏感的滤材)以及抗结垢剂(如sodiumhexametaphosphate)。
2.一级处理
一级处理前将前处理的水质作第一阶段的净化,它的设备中有许多是属高大外型,常安装在室外。
一级处理所包括的单元操作从很简单到相当复杂的都有,但一般而言大致有
(1)逆渗透(RO)膜组,
(2)紫外线(uv)灯,(3)高纯度储槽(highpuritystoragetank),(4)脱氯设备,(5)离子交换树脂槽。
逆渗透膜是种人工合成的高分子材质,不具孔隙(non-porous)的薄膜(membrane),只能让水分子通过,其于杂质如悬浮物、离子、细菌,甚至有机物,均可达90﹪-99﹪的去除率。
由于RO是致密性(dense)的薄膜材质,须要加很大的压力(相当于10-100大气压),而其流通量甚小(〈0.05m3/m2/day/bar〉,为了能将较多的膜放入模块种(module),大多采用卷筒式(spiralwound)的作法:
把膜和间隔板(spacer)相隔地置放,在三个边缘以树脂粘封,宛如一个信封,在将开口的一端对着有许多小孔的收集管固定,然后如布匹般卷起。
许多个这种卷筒式模块可串联放入外覆不锈钢的加压管(pressurevessel)。
最早发展出的RO膜材是醋酸纤维(celluloseactuate,CA),因性质很亲水,对碱类的排拒率(rejection)也高,但这种材质对温度、PH值、微生物都不能耐受,膜材会受这些因素影响而分解。
之后市面上出现的膜材则以polymide在polysulfone上生成的复合材料为主,它的化学性较坚固,排拒率更高,使用寿命也较长,当然价钱也较贵。
早期的产品不耐氯,现今已有耐受氯的产品出现。
超纯水处理使用的紫外线灯有两种波长,一为185nm的波长,它的主要目的在将有机碳的化学键结破坏,将大分子有机物分解为CO2或小分子。
另一种波长是254nm,主要功用在杀菌。
使用的uv灯是将数十根灯管平行地安装在不锈钢槽内,当水流经这个槽时,就受到紫外线的照射,它的强度与灯管瓦数、照射时间成正比,而与接触面积成反比。
不同种类的微生物的剂量也去除不相同。
在一级处理的RO处理后常有高纯度储槽的设置,因RO产水慢,须要有储槽存水,以备RO无运转时(如清洗等)所需,同时这些储槽也时回水(returnwater)回到供水系统的注入点。
有些超纯水系统会把这个储槽之前的净化设备统称为补充(make-up)系统,代表它是视情况运转的,不是一直都处于操作状态。
当储槽水位低于某个界限,补充系统就自动上线运转,否则它就处于待命(standby)状态。
这种高纯度储槽一般视有不锈钢建造,内覆含氟树脂(fluororesin)紧裹(liling),以防止槽体腐蚀,或有金属等杂质溶出。
有些系统会在槽内水面上方(所谓的headspace)导入高纯度氩气,以防止溶氧增加及微生物滋长,称为nitrogenblanket。
同时为了减少纯水中溶解的气体,在储槽之后设有脱气塔。
欲去除的气体包括氧气及二氧化碳,因前者会导致材质腐蚀、树脂氧化及微生物滋长的问题;后者则在水中形成碳酸,除了会腐蚀槽体,也会使阴离子树脂提早饱和,增加离子交换树脂的负担。
脱气塔近上方有一进水入口处,喷洒而下并经过许多packing到达底部,塔内以真空pump抽气维持一定的真空度,因塔内压力减小,水中溶解气体的浓度也随着等比例减少(即所谓的亨利定律,Harry’slaw)。
除了用真空脱气之外,还可以利用加热,通氮吹气,薄膜脱气,加入还原剂或是使用触媒树脂脱气等方法。
离子交换树脂床(ion-exchangeresinbed)则是针对去除离子而设计的,它是由苯乙烯(styrene)与二乙烯苯(divinylbenzene)聚合,交联而成的小圆球,它或是含有磺酸基或碳酸基而可吸附阳离子(带正电荷的离子)成为阳离子交换树脂(cationexchangeresin);或是带有三级胺或是四级胺,可吸附阴离子,而称为阴离子交换树脂(anionexchangeresin)。
已再生的阳离子树脂带H+的counterion,阴离子则带OH-离子,在处理水的过程中,前者吸附阳离子而释出H+,后者吸附阴离子而释出OH-到水中,而H+和OH-进一步结合生成水分子,如此可把带电荷的离子几乎完全去除.当树脂上的官能基都被所吸附的离子沾满时,就不能再使用,称为饱和或消耗(exhoustion)。
此时需将这些树脂床进行再生(regeneration),分别用酸(如HCl)与碱(如NaOH)注入阳、阴离子树脂中,将其还原回H+及OH-形式始可再上线使用。
而判断何时该再生树脂的准则由最早的比电阻值,到Na离子含量,SiO2含量,乃至最先突破(breakthrough)的硼酸根,都是可行的指针。
一般而言离子交换树脂很容易受氧化剂(如氯、臭氧、过氧化氢等)破坏,导致数值膨胀、漂浮、破碎等问题;悬浮物或油脂有机物会阻塞(foul)树脂的功能,使树脂寿命减短,处理水质下降。
所以这些杂质都必须再进入离子交换树脂之前先去除。
3.二级处理或精练段
在一级处理后的水质可达到和蒸馏水相当的等级,比电阻可达15Ω.CM,TOC和SIO2可分别降至50及10以下,粒子数目可减至每毫升100个以下。
而精练段的目的则是将品质向上提高至比电阻18Ω.CM以上,TOC和SIO2减至25及5以下,粒子减为每毫升1个以下,为了达到这个目标,在二级处理系统中,除了可以使用如一级处理提温的净化单元(如UV、离子交换树脂、高纯度储槽等)还有特别为去除粒子设计的超过滤膜以及控制微生物的臭氧杀菌。
为了进一步减少TOC含量,在二级处理中常常使用紫外线185波长将有机物裂解成小分子量的有机酸和二氧化碳,之后利用离子交换树脂(特别是阴离子交换树脂)将有机酸和CO2形成的碳酸吸附,则可以利用RO或者离子交换树脂去除,而离子交换树脂同时也可以去除离子,提高产水的比电阻。
而粒子的去除往往在净化系统的最末的一个单元,因为在此之前的净化单元每个步骤都可能产生粒子,(由单元操作本身的设备、管件、阀、泵等),所以在最后的关卡前用超过滤膜(ultrafiltration)作拦截。
超过滤膜是有微小孔隙(porous)的合成薄膜,一般孔隙远小于0.1微米,许多商品是由polysulfone或PVDF制成,可以制成板框式(plate-and-frame)、卷筒式、或中空纤维式(hollow-fiber)。
其中以中空纤维式,有最高的充填密度(packingdensity,每m3体积所能容纳的过滤面积m2),也可以进行反方向的逆流(packingflush),而广受欢迎。
它对于微小粒子有优异的去除效果,对于医药界应用的水中需去除的内毒素也可有效拦截,最在净化过过程中不可或缺的模块。
为了保护这最终的超过滤膜,增加使用年限,往往会在它前加一个0.1-0.5微米的过滤膜,以去除较大颗粒。
经过以上各净化系统处理后的水质均能符合各种应用。
三、施工工法
1.PVDF-HP材料介绍
常用配管用塑材管之化学式:
PVDF=PolyvinylideneFluoride
塑料一般可分为两类;一.热固性二.热塑性.PVDF,PTFE属于后者.可以用热熔方式焊接.而热固性塑料只能用胶合方式连接.
PVDF-HP生产时必须全程在CLASS1000级无尘室中生产,CLASS100级无尘室中包装.半导体业PVDF-HP之应用.以超纯水系统为主.其特性为
●材料密度大分子紧密以致表面光滑,C值可达到2.0.细菌不易附着.
●离子不易释出.
●加工容易,可热熔焊接.
●可使用在水质18MΩ超纯水管线
2.PVDF-HP管材热熔焊接方式(Heatingelement)
以下为PVDF焊接是压力、温度与时间的关系
3.IRBUTTWELDING红外线对接
本工程接管工法采用最先进IR对接焊法,其焊接强度系数可高达98%,为UPW目前最安全也最通用的接管方式.其施工工法跟对接方式相同,只是加热方法采隔空方式,为了达到品质此方式一般对焊机要求比较高.大多采CNC设备控制.
1.将焊机电源打开,调整加热板温度,PVDF温度为500℃
2.管面切齐,将管子放上焊机管架上并夹紧,使用焊机上的修边器将管缘修平.
3.将加热板放到两管之间,如下列图标
加热板位置
4.加热
加热过程时要先计算需施加压力的数值.一般使用CNC控制时机器计算机会依据输入管径资料计算.
5.加压及冷却:
计算机会依据资料自动计算压力
当完成焊接时,计算机会纪录下来这口焊接过程相关资料以便以后查询.
四、管路测试与维护
本工程UPW管线由A1区预留点(UPW-S4”,UPW-R3”)采用三
线式衔接到A2区.
本工程材料采用PVDF-HP材质为主.不论管,管件及阀类.均在CLASS1000级无尘室中生产,CLASS100级包装出厂。
当UPW系统配管完成后,要经过N2试压12小时,DI水洗管2天后,在经过微颗粒(PARTICLE),导电度测试达到标准后方可启用.故在日常维修保养中要做到下列五点:
1.主管\次主管DI水是否流动
2.次主管管尾旁通阀(BY-PASS)是否全开.
3.机台如果已HOOK-UP要注意水的流动,不可有死水的情形.
4.随时注意管路支撑上不可有松脱掉落,(常有其它管路配管时将UPW管支撑拆除情形)或有其它管路利用UPW管当为支撑点的情形.
PVDF管材正常为白色半透明,如果发现有变色(呈暗红色)表示材质以开时脆化,需纪录下来等下次适当时机予以更换.
漏水时紧急处理:
当发现有漏水现象时请依照下列方式处置
主管线:
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
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