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摘要：本文通过分析总结近几年在工业超纯水工程中的设计、施工及现场生产实践经验，从工艺设计与施工的角度探讨超纯水系统的共性，并介绍系统中的关键设备、仪表、阀门、管材的相关知识，以达到从更高角度，更宽范围理解工业超纯水工艺原理的目的。
关键词：纯水系统、工艺用水、纯水设备、半导体、电子、离子交换树脂、反渗透膜、水质
概述
不同行业对工业用水水质要求是不同的。在现有行业中，电子行业、制药行业及部分热力锅炉用水，其工艺要求必须使用不同级别的纯水供其生产运行。在设备制造等行业大力发展的今天，随着纯水需求的日益增大，工业用纯水的生产制备工艺也在逐渐的发展和成熟。
本文主要对工业用水中的纯水和软化水的制备设计与施工进行相关叙述。
一.水处理系统简介
1.1应用概况
当前，在半导体，生物医药，石油化工，航空航天，核能发电等相关产业，随着科学技术突飞猛进的发展，产品品质和生产工艺不断升级，对生产过程中的水质要求也越来越高，绝大多数场合都要使用超纯水。并且，纯水工艺发展到现在，也相当的成熟，单从电阻率这一综合指标而言，达到理论值18MΩ.cm已是很容易实现的了。
近几年，我国在电子晶元与芯片制造行业投资比例日益增加，国内电子工厂日益增多，我们在玉器配套的纯水制备系统的设计与施工过程中，积累了丰富的施工经验。本文主要就是围绕工艺设计和施工要点来展开阐述。
1.2工业用水处理的重要性
工业用水，根据水质可分为纯水（除盐水、蒸馏水等），软化水（去除硬度的水），清水（天然水经混凝、澄清、过滤等处理后的水），原水（天然水），冷却水，生活用水等。现在的主流观念，通常将工业用水处理分为工业给水处理和废水处理。给水处理即将水质处理到能够满足不同工艺不同设备对水质的要求，以保证设备运行或产品良率。如果水质不达标，将会对产品或设备产生一系列的危害。
（1）、影响产品质量。电子行业冲洗用水颗粒超标，生产的集成电路质量则无法保证，直接导致良率下降。
（2）、影响设备运行及安全使用。如锅炉水质不合格，将导致炉管结垢、腐蚀，清理不及时易发生爆管等安全事故。
（3）、产品危及人体健康。如医药用水微生物或离子超标，将导致生产的药品变质。食品用水水质不合格，易导致产品腐败，危害健康。
所以，现代工业对水质要求非常重视，它是保障产品质量、提高产能效率及安全生产的重要条件。
附表系我国对不同指标的纯水水质要求。
1.3主流纯水设计流程简介
超纯水工艺在系统设计上通常分为三段：
前段（预处理段）：一般由多介质过滤器和活性碳过滤器组成，如果当地水质硬度过高，需要在前段工艺中加上软化和脱碳装置。
中间段（反渗透段）：这是整个纯水系统中非常重要的区段，起到承前启后的作用，在系统设计中，要充分考虑到反渗透膜的选型，膜组的分级分段和空间排列。一般而言，工业超纯水以两级两段设计居多。
后段（抛光段）：这一段设计比较灵活，各个公司的设计都有所不同，一般设计中，紫外线装置，初级混床，抛光混床，超滤膜使用最多，但代表水处理最尖端科技的电去离子（EDI）装置，真空脱气装置（MDG）因具备独特的优点越来越受到青睐。
从本质而言，纯水系统的水质主要是靠离子交换树脂、各种膜以及紫外线装置来保证的，它们在纯水工艺中发挥着最关键的作用。
附图1 安徽省合肥市某电子厂纯水设计流程
二.技术要点简析
纯水制备包括三个阶段：前处理部分（Pre-Treatment)、制纯部分（Make-up System）和抛光部分（Polisher System）。
前处理系统主要为砂滤、活性碳过滤器及2B3T(阳离子塔、脱气塔及阴离子交换塔)等设备，制纯系统主要为紫外线灯（UV）、板式换热器、保安过滤器、反渗透膜组（RO）、TOC-UV、混床（SA/SC）、膜脱气（MDG）等设备，抛光部分一般情况用在工艺末端，用来更进一步提高产水水质。
2.1前处理部分（Pre-Treatment)
现阶段电子厂一般选用的原水通常为较为干净的自来水，经砂滤及活性碳过滤后去除部分悬浮微粒及有机物，并去除自来水中余氯以确保树脂不被氧化损坏，再经由2B3T后将水中离子去除以避免RO膜管结垢以提升进水水质。
2.1.1多介质过滤器（MMF）
MMF一般称为机械过滤器或砂滤，过滤介质为不同直径的砂砾、无烟煤、石榴石等填料分层填装。介质床主要用于过滤去除原水中的大颗粒、悬浮物、胶体及沙泥等，以降低原水浊度对膜系统的影响,同时降低SDI(污染指数)值，出水浊度<1，SDI<5，达到反渗透系统进水要求。
根据原水水质的情况,有时要通过在进水管道投加絮凝剂，采用直流凝聚方式，使水中大部分悬浮物和胶体变成微絮体在多介质滤层中截留而去除。根据压差的升高及时间推移，可通过反向冲洗操作来去除沉积的微粒，同时反向冲洗也可以降低过滤器的压力。一般情况下反向冲洗液可以采用清洁的原水，通过以3～10倍设计流速冲洗约30分钟，反向冲洗后，再以操作流进行短暂正向冲洗，使介质床复位。
现阶段较为常用的过滤设备为多介质过滤器。由于MMF过滤方式基本属于反粒度过滤，即原水先经过细小颗粒，所以此类设备滤层截污能力强，出水水质好，过滤周期长，反冲洗效果显著，在实际应用中被广泛采用。
2.1.2活性炭塔（ACF）
现有工艺中，活性炭塔是去除水中游离氯(Cl2)、有机物、微粒子、有机酸、部分重金属离子等常用的工艺设备。在纯水工艺选型中，活性炭塔和多介质过滤器外形类似，一般采用碳钢内衬橡胶结构形式。滤料介质通常由颗粒活性炭(如椰壳、褐煤或无烟煤)构成的固定层。活性炭内部以网格组成，其微小的孔的比表面积（500～2500m2/g）非常大，能吸附各种物质。
在工业水处理中，除去水中余氯是后续处理装置的需要。余氯在水中是氯气(Cl2)、次氯酸 (HClO)、
以及次氯酸根离子 (OCl-)形势存在，是由水中存在的残留氯的浓度被定义的。在酸性或中性条件下，余氯主要以HClO形式存在。后续离子交换系统交换树脂易被余氯氧化导致失效，故要求水中余氯含量需低于0.1mg/L。余氯会对反渗透设备造成不可挽回的损坏，为防止反渗透膜结构被破坏，复合膜要求水中余氯为零，醋酸纤维膜要求余氯低于0.3mg/L。
目前对ACF去除余氯的原理，一般认为活性炭脱氯过程是吸附、催化和氯与炭反应的一个综合过程。吸附是指活性因其炭物理性质可对有机物去除率到达40%~50%。氯与炭反应，指HClO与活性炭发生氧化反应，被还原为Cl离子。通常水通过活性炭后水中余氯可彻底去除。
2.1.3 2B3T系统
在纯水系统中，我们习惯称脱盐系统（阳离子塔、脱气塔及阴离子交换塔）为2B3T系统。其中，2
2B就是2床，阴床和阳床；3塔指脱气塔。2B3T就是说由阳床、阴床和脱气塔组成的组成的一套脱盐系统，俗称2床1塔。其中，阴阳离子交换塔核心材质为离子交换树脂(Ion Exchange Resin)。
离子交换树脂(Ion Exchange Resin)
离子交换树脂属于精细化工产品，其品种非常多，在工业领域应用很广泛，离子交换树脂大体可分为强酸性阳离子，弱酸性阳离子，强碱性阴离子，弱碱性阴离子四个基本类型，在它们的基础上，还可以通过改进衍生出其它用途的树脂。
离子交换基本原理：
R-H + Na+ → R-Na + H+
R-OH + Cl- → R-Cl +OH-
R- 代表离子交换树脂的基体
2.1.4 脱气塔（DG）
DG的主要作用为去除水中的二氧化碳（CO2）和氧（O2），减少对用水设备的腐蚀。去除水中的二氧化碳（CO2）以减少阴离子交换的负荷，提高出水质量。除去水中各种溶解气体使出水水质达到规定的指标，如含氧量、总溶解气体等指标。
原水经过阳床后，H+与HCO3-结合生成CO2， CO2会透过RO膜，降低RO的脱盐率。根据亨利定理，如果水中CO2的分压力比空气中大，水中的CO2将向空气中转移脱气器中填充多面空心球，增加了水与空气的接触面积，使CO2被除去。
2.2 制纯部分（Make-up System）
制纯系统主要为紫外线灯（UV）、板式换热器、保安过滤器、反渗透膜组（RO）、TOC-UV、混床（SA/SC）、膜脱气（MDG）等设备。经前处理的水先在进入反渗透膜组前，先经过紫外线灯，杀死水中的细菌，然后经板换换热将水温提高至23℃左右，然后再经保安过滤器过滤掉剩余杂质、微粒等。RO反渗透膜组会进一步处理掉杂质、离子等，使水质进一步提高，然后经过TOC-UV去除微生物，最后经过SA/SC混床进一步去除阴阳离子，MDG去除水中的二氧化碳等气体。
2.2.1 膜（Membrane）
和离子交换树脂一样，工业上用于过滤和分离的膜的种类也很多，在纯水工艺中，我们经常接触的有微滤膜，反渗透膜，超滤膜，主要用于去除水中颗粒杂质和固态溶解组分，脱气塔真空脱气膜主要用于去除水中溶解气态组分。
反渗透原理
反渗透装置设计是以进水水质，产水水质和产水流量为依据，设计装置中的膜元件，膜外壳，压力泵三大主要设备参数，计算反渗透装置的回收率、脱盐率和浓差极化度等主要技术参数，并得出运行能耗、投资成本，运行成本等主要经济指标。
2.2.2 紫外线装置（UV）
在纯水系统中，紫外线装置通常用于杀菌和降解有机物。当紫外灯发射253.7nm波长的紫外线时，就能穿透微生物的外层细胞膜，破坏其基因物质DNA,实现杀菌功能；当紫外灯发射185nm波长的紫外线时，有机物中的碳链将被氧化而断裂，最终变成水和二氧化碳，实现分解有机物的功能，另外，185nm的紫外线能量比253.7nm的更强大，也能够实现杀菌的功能。
2.2.2 过滤器装置
保安过滤器作用是用于去除浊度1 度以上的细小微粒，来满足后续工序对进水的要求，防止阴阳床破碎的树脂进入成品水中。
现阶段普遍采用新型聚丙烯为滤材，根据不同精度过滤孔径，截留不同粒径的微粒，从而达到过滤的目的。滤材可分为线绕滤芯、熔喷滤芯、烧结滤管等，滤材不同，过滤孔径也各不相同。保安过滤器是介于砂滤与超滤之间的一种过滤，孔径一般在0.01-120μm 范围，精密过滤器可去除水中的悬浮物、胶体物质等。
2.2.3 MDG膜系统
MDG主要功能是去除RO水中的O2。脱气膜由数根中空纤维膜组成，中空纤维膜是疏水性的，当水从纤维膜的内侧流过时，气体可以透过膜到达膜的外侧，水则不能透过膜。膜的外侧由于真空泵的抽吸相对成负压环境，故气体透过率会更高。
膜脱气原理图
2.3 抛光部分（Polisher System）
水处理抛光部分一般位于末端，产水直接用于工艺生产线。其主要设备为TOC-UV、抛光混床和MDG。
2.3.1 再生混床（Polisher）
再生混床又称一次性混床，用来更进一步提高产水水质。抛光混床的树脂是不能再生重复使用的。所谓抛光的意思就是树脂的表面处理情况。
水中含有的微量有机物通过紫外线照射(TOC-UV)被氧化分解、变成低分子的有机酸及炭酸氢离子。（电阻率一时的降低 ）紫外线照射后通过Polisher树脂塔，这些被离子化的有机物被进行离子交换，这时电阻率将恢复（>18.2[MΩ・cm]）｡ 抛光树脂出厂的离子型态都是H、OH型，装填后及可使用无需再生。
2.3.2 超滤膜（UF）
超滤是一种加压膜分离技术，即在一定的压力下，使小分子溶质和溶剂穿过一定孔径的特制的薄膜，而使大分子溶质不能透过，留在膜的一边，从而使大分子物质得到了部分的纯化。超滤原理也是一种膜分离过程原理，超滤利用一种压力活性膜，在外界推动力(压力)作用下截留水中胶体、颗粒和分子量相对较高的物质，而水和小的溶质颗粒透过膜的分离过程。也就是说，当水通过超滤膜后，可将水中含有的大部分胶体硅除去，同时可去除大量的有机物等。
三.材料选型要点
纯水系统工艺对过程控制要求很高，水质取样点非常多，后段工艺投入运行的前提条件必须是前段工艺的产水达到设计指标，否则，造价昂贵的膜和树脂将会受到严重污染，以致缩短使用寿命；另外，系统运行的稳定性和安全性也必须得到充分保证。为实现这些目的，整个系统中往往要用到近百个仪表和传感器用于监测每台设备的运行状态，如电阻率变送器，流量传感器，温度传感器，液位变送器等物理、化学手段去除原水中的杂质；另一方面，我们也要杜绝外界因素对产水的污染。这些污染源主要来自纯水流经的管道、水泵、阀门以及容器，也包括外界空气的污染。为解决以上的潜在问题，通常使用耐热，耐酸碱，在水中溶析度很低的管材和阀门，这些管材和阀门也必须有相关洁净措施进行生产和施工。
现阶段，我们常用管材材质包括UPVC、PP、PVDF、CleanPVC，常见品牌有GF，ASAHI，积水，Argu等；在选择水泵时，不锈钢材质水泵用的最多；在有可能接触空气的水箱、水池等设备，采用纯净的氮气密封以防止空气污染等措施。
四.验收相关
现行施工验收基本与普通机电安装验收要求一直。其中广泛要求如下：（1）、耐压测试:强度试验，压力为使用压力×1.5倍,30分钟无压降，密闭性试验压力为使用压力×1.2倍, 24小时无压降。（2）、气密测试: 以He测漏仪做真空测试,漏率值为≦1×10－ 9atm.cc/sec为合格.（3）、水分含量测试: 以露点仪测量管路中水分含量露点须在≦－80℃(水分含量0.54ppm)为合格.（4）、微粒子测试: 测试10次取均值,以≧0.1μm，≦10pcs/ft3 或≧0.05μm，≦5pcs/ft3合格.（5）、含氧量(微氧量测试):管路中之含氧量≦100ppb为合格。（6）、设计验收过程中，重点关注管道流体过程是否有死角，以尽量减少积水区域为佳。
结论
在工业用水中，纯水工艺系统是基建系统中科技含量较高的组成部分。纯水系统涉及的各个处理单元，工艺计算方法也日益成熟，而各个关键处理单元的产品又往往局限在几家公司的范围内。因此，通过不断积累总结，我们也完全有可能摸索出自己的设计理念，为国内纯水产业链的发展做出贡献。
参考文献
[1]《工业用水处理工程（第2版）》（清华大学出版社）丁恒如、吴春华、龚云峰 编著，
[2]《工业超纯水工艺设计探讨》邓俊 编著
[3]《中国国家电子级超纯水标准GBT11446.1-1997》
论文作者:王帅
论文发表刊物:《基层建设》2018年第13期
论文发表时间:2018/7/11
标签：纯水论文; 水中论文; 脱气论文; 水质论文; 系统论文; 工艺论文; 用水论文; 《基层建设》2018年第13期论文;