水处理工艺与水质净化设计方案

第一章 工艺流程的确定 电子超纯水主要用于光电子元器件、半导体及集成电路生产和清洗。如果纯水水质达不到生产工艺用水的要求或者水质不稳定的话，会影响到后续工艺的处理效果和使用寿命。此外，晶元清洗和机械碾磨过程中都会产生废水，造成对环境的污染。在半导体及集成电路制作工艺中，都直接或间接与超纯水有关。在半导体制作工艺中，80%以上的工序需要用超纯水；集成电路的生产，几乎每道工序需要超纯水进行清洗，工件与水直接接触，而一方面芯片在加工过程中的微量玷污得到清洗，而另一方面纯水中的微量杂质又可能使芯片再污染，无疑对产品有着极大的影响。 随着集成电路程度的进一步提高，对水中污染物要求亦将更为严格。 根据水源水质检测报告，在对水质进行分析的前提下，并以出水水质要求为依据，确定一套适合该原水水质处理的水系统。 1.1设计要求 1 .终端出水水量为：30m3/h 2 .终端水质达到电子级超纯水中国国家标准GB/T11446.1-1997之EW-Ⅱ规定。 3 .设计容须包括： 3.1系统工艺路线的确定并绘制工艺流程简图 3.2水量平衡计算并绘制水量平衡图 3.3系统各设备技术参数的设计计算 4 .整个设计要求工艺先进，质量可靠，可扩展性强，结构合理占地小，水利用率高，能耗低，全自动化运行，操作维护简单。 5.原水水质报告及出水标准，见下表1-1-1 原水水质报告（四）、1-1-2 电子级超纯水中国国家标准GB/T11446.1-1997之EW-Ⅱ规定。 表1-1-1原水水质报告水质检测报告（四） 离子 mg/l mmol/l % 项目 mg/l K+ 1.8 0.05 1.4 总硬度 155.1 Na+ 7.0 0.30 8.7 永久硬度 25 Ca2+ 42.08 2.10 60.9 暂时硬度 130.1

Mg2+ 12.16 1.00 29 负硬度 0.00 Fe3+ ＜0.05 总碱度 130.1 Fe2+ PH值 7.5 NH4+ ＜0.02 气味 无 总计 63 3.45 100.0 色度

Cl- 4.96 0.14 4.0 浑浊度 3NTU SO42- 35.84 0.75 21.2 水温 25℃

HCO3- 158.6 2.60 73.4 气温 CO32- 0.00 可溶性总固体 191.9 NO3- 2.88 0.05 1.4 游离CO2 12.78 NO2- ＜0.004 CODMn 2.16

HPO42- ＜0.10 H2SiO3 7.66 总计 202.3 3.54 100.0 F 0.10

Al ＜0.02 1-1-2电子级超纯水中国国家标准GB/T11446.1-1997之EW-Ⅱ规定。 指标\级别 EW－Ⅰ EW－Ⅱ EW－Ⅲ EW-Ⅳ 电阻率 MΩ，cm(25℃) 18以上，（95％时间）不低于17 15，（95％时间）不低于13 12.0 0.5

全硅，最大值,μg/L 2 10 50 1000

＞1μm微粒数，最大值，个/mL 0.1 5 10 500

细菌个数，最大值，个/mL 0.01 0.1 10 100

铜，最大值，μg/L 0.2 1 2 500

锌，最大值，μg/L 0.2 1 5 500

镍，最大值，μg/L 0.1 1 2 500

钠，最大值，μg/L 0.5 2 5 1000 钾，最大值，μg/L 0.5 2 5 500 氯，最大值，μg/L 1 1 10 1000 硝酸根，最大值，1 1 5 500 μg/L 磷酸根，最大值，μg/L 1 1 5 500

硫酸根，最大值，μg/L 1 1 5 500

总有机酸，最大值，μg/L 20 100 200 1000

水质分析：结合出水水质要求和原水水质报告表分析原水 含盐量高 3.2663.20363阴阳总 ；这其中钾离子、 钠离子量、钙离子、镁离子、氯离子、硫酸根、硝酸根、碳酸氢根含量较高，含有少量的三价铁离子、氨根离子、亚硝酸根离子、磷酸氢根离子。 硬度较高，有机物含量低。 水质呈中性 。 无色、无味、浊度不高。 可溶性总固体较高。 含有游离性CO2 含有少量F、Al 根据水质检测报告，要达到终端水质达到电子级超纯水中国国家标准GB/T11446.1-1997之EW-Ⅱ规定；必须进行除盐处理等。对须达到电子级超纯水EW-II标准及以上的，一般会采用RO-EDI结合工艺等，具体会采用哪一种主处理工艺，还跟原水水质、现场情况等等因素有关。 电子超纯水的制备通常包括：预处理、主处理、后（终端）处理，这其中主处理工艺的确定尤其重要，终端水质要达到要求的水质标准，主处理工艺起到决定性的作用预处理、主除盐工序、后处理三大部分组成。预处理是为了满足主主除盐工序进水要求；后处理工艺作为主主除盐工序的补充，其出水满足终端出水要求。最终使出水达到国家超纯水的标准。 目前制备超电子纯水的主除盐工序有：电渗析、反渗透、离子交换、超滤、连续电除盐等或将它们组合运用，以达到出水要求。下面就分别介绍它们的特点，通过比较选择出适合本工艺的除盐工序。 1.2对比选择除盐工艺

1.2.1电渗析 电渗析是一种利用电能来进行的膜分离技术。它在外加直流电场作用下，利用阴离子交换膜（简称阴膜，它只允许阴离子通过而阻挡阳离子）和阳离子交换膜（简称阳膜，它只允许阳离子透过而阻挡阴离子）的选择透过性，使一部分离子透过离子交换膜迁移到另一部分水中去，从而使一部分水纯化，另一部分水浓缩。 应用围 目前电渗析器应用围广泛，它在水的淡化除盐、海水浓缩制盐精制乳制品，果汁脱酸精和提纯，制取化工产品等方面,还可以用于食品，轻工等行业制取纯水、电子、医药等工业制取高纯水的前处理。锅炉给水的初级软化脱盐，将苦咸水淡化为饮用水。 电渗析器适用于电子、医药、化工、火力发电、食品、啤酒、饮料、印染及涂装等行业的给水处理。也可用于物料的浓缩、提纯、分离等物理化学过程。 电渗析还可以用于废水、废液的处理与贵重金属的回收，如从电镀废液中回收镍。 电渗析的优点： 1.电渗析无相变过程。因此电渗析器耗能低，一般将电渗析作为离子交换法的前级处理工序。这样比单独用离子交换法可节约50%—90%。并且电渗析出水稳定、运行周期长。 2.电渗析器组装灵活。电渗析器既可以并联组装增加产水量，也可以串联以提高脱盐率。 3.电渗析器操作简便，污染环境少。 电渗析的缺点：清洗拆卸麻烦，脱盐效果不如反渗透，在没有实现浓水回收，极水循环的时候，水回用率低，仅50%，而反渗透回收能到75%。 1.2.2反渗透 反渗透是一种以压力作为推动力，利用选择性膜只能透过水而不能透过溶质的选择透过性，从水体中提取淡水的膜分离过程。 基本原理： 把相同体积的稀溶液（如淡水）和浓液（如海水或盐水）分别置于一容器的两侧，中间用半透膜阻隔，稀溶液中的溶剂将自然的穿过半透膜，向浓溶液侧流动，浓溶液侧的液面会比稀溶液的液面高出一定高度，形成一个压力差，达到渗透平衡状态，此种压力差即为渗透压渗透压的大小决定于浓液的种类，浓度和温度与半透膜的性质无关。若在浓溶液侧施加一个大于渗透压的压力时，浓溶液中的溶剂会向稀溶液流动，此种溶剂的流动方向与原来渗透的方向相反，这一过程称为反渗透。 应用围： 太空水、纯净水、蒸馏水等制备； 酒类制造及降度用水； 医药、电子等行业用水的前期制备； 化工工艺的浓缩、分离、提纯及配水制备； 锅炉补给水除盐软水;； 海水、苦咸水淡化； 造纸、电镀、印染等行业用水级废水处理。 1.2.3反渗透-膜应用现状 在各种膜分离技术中，反渗透技术是近年来国应用最成功、发展最快、普及最广的一种。估计自1995年以来，反渗透膜的使用量每年平均递增20％；据保守的统计，1999年工业反渗透膜元件的市场供应量为8英寸膜6000支，4英寸膜26000支。2000年和2001年的市场更为强劲，膜用量一年比一年有较大幅度的提高。据估算，反渗透技术的应用已创造水处理行业全年10亿人民币以上的产值。国反渗透膜工业应用的最大领域仍为大型锅炉补给水、各种工业纯水，饮用水的市场规模次之，电子、半导体、制药、医疗、食品、饮料、酒类、化工、环保等行业的应用也形成了一定规模。 在现在高纯水的制备中，广泛采用反渗透作为预脱盐的主要工序，它的优点为： 1.由于反渗透装置的脱盐率一般可稳定在90%以上，因而使离子交 换树脂的负荷减轻到10%，从而减少了树脂再生的成本，这相当于使树脂的产水量增加10倍，这样可以使相应的设备小型化，并使再生频率减少10倍以上。 2.减少了因树脂再生所消耗的化学药品如NaOH，HCl等的费用、人工费，以 及由于再生而造成的废水处理等项费用。并减少了环境污染。 3.减缓了由于源水水质波动而造成的产水水质的变化，从而有利于生产中水质的稳定，这对电子工业中成品质量的稳定有积极的作用。 4. 由于反渗透能有效地去除细菌等微生物、有机物，以及铁、锰、硅等无机物，从而可以减轻因有机物和无机物而引起的树脂污染，延长离子交换树脂的寿命。 5.设置反渗透器后，大大减轻了终端微孔膜过滤器的负担，从而延长终端微孔膜过滤器的寿命。 但是作为脱盐主要手段的反渗透，也存在一些不足，主要是： 1.由于反渗透装置要在高压下运转，因此必须配制相应的高压泵和高压管路。 2. 由于回收率的限制，源水只有50%—75%左右被利用。而对于超纯水制备来说，进入反渗透器以前，源水已经过相应的预处理，水质比较好，如果对浓水不进行有效地利用，将会造成浪费。 1.2.5离子交换 基本原理：离子交换是一种特殊的固体吸附过程，它是由离子交换剂在电解质溶液中进行的。一般的离子交换剂是一种不溶于水的固体颗粒状物质，即离子交换树脂。它能够从电解质溶液中吸取某种阳离子或者阴离子，而把自身所含的另外一种带相同电荷符号的离子等量地交换出来，并释放到溶液中去，这就是所谓的离子交换。 应用围： 水的软化、高纯水的制备、环境废水的净化。 溶液和物质的纯化，如铀的提取和纯化。 金属离子的分离、痕量离子的富集及干扰离子的除去。 抗菌素的提取和纯化等 离子交换树脂是一种高分子的聚合物，它与其他离子交换剂相比具有以下优点： 化学稳定性好 机械强度高