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超純水系統(tǒng)中硼離子去除技術(shù)探討

2023-06-27 14:06:26
硼在元素周期表里面是五號(hào)元素,是IIIA族中唯一 一個(gè)非金屬元素。它是制造P型半導(dǎo)體的主要摻雜劑,基材中硼的含量直接影響半導(dǎo)體的極限電壓,因此要嚴(yán)格控制基材中硼的含量。在半導(dǎo)體制造的過(guò)程中,水、氣、化直接跟產(chǎn)品接觸,且絕大部分的工藝都跟超純水有關(guān)系,因此超純水的品質(zhì)尤為重要。如果超純水中硼含量得不到有效控制,基材里的硼含量就沒(méi)辦法控制。
   硼在濃度比較低的時(shí)候,在水里主要是以硼酸或者是硼酸根的形式存在,兩者的比例隨pH值變化而變化,當(dāng)PH值超過(guò)11的時(shí)候,主要是以硼酸根形式存在;如果PH值小于7,主要以硼酸形式存在。硼酸的電離常數(shù)只有5.8 x 10-10,極不容易電離。因此,硼酸是弱酸,酸性非常弱。在常規(guī)的水處理流程中,硼酸比較難去除。

   下圖是隨著產(chǎn)水量的不斷增加,混床的穿透曲線圖,其中藍(lán)色曲線代表產(chǎn)水電阻率,品紅色曲線代表產(chǎn)水中硼離子含量,黑色曲線代表產(chǎn)水中二氧化硅含量。從曲線中可以看出,累計(jì)產(chǎn)水約3.1百萬(wàn)加侖時(shí),產(chǎn)水中硼離子含量開(kāi)始上升;累計(jì)產(chǎn)水約5.1百萬(wàn)加侖時(shí),產(chǎn)水中二氧化硅含量開(kāi)始上升;累計(jì)產(chǎn)水約5.3百萬(wàn)加侖時(shí),產(chǎn)水電阻率開(kāi)始下降。因此表明混床運(yùn)行過(guò)程中,硼離子是最早穿透的陰離子。從曲線還可以看出,一旦硼離子開(kāi)始泄露,產(chǎn)水中硼離子的含量會(huì)急劇升高,甚至超過(guò)混床進(jìn)水中的硼離子含量,這是因?yàn)樵疚皆跇?shù)脂上面的硼,會(huì)被其他的陰離子置換出來(lái)。如果我們僅用產(chǎn)水電阻率來(lái)判斷混床是否失效需要再生,在混床運(yùn)行后期,產(chǎn)水中硼離子含量遠(yuǎn)超過(guò)我們的指標(biāo),可能造成產(chǎn)線上的缺失。
(硼的化學(xué)特性)
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    因此如果最終對(duì)硼離子要求高,不能只用產(chǎn)水電阻率來(lái)判斷混床是否失效,最好在混床產(chǎn)水安裝一臺(tái)在線的Sievers硼表。它的測(cè)量范圍是15ppt~20ppb,要求取樣水的電阻率在15兆以上。
 
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   美國(guó)F63-0213標(biāo)準(zhǔn)建議硼離子的含量小于50ppb,通常超純水系統(tǒng)的原水中硼離子含量大約在0.1ppm左右,如果不加以重視,要求終端產(chǎn)水中硼離子含量小于50 ppb非常困難。

  因?yàn)榕鹚岜旧硎顷庪x子,所以常規(guī)的超純水處理流程中的反滲透、離子交換技術(shù)對(duì)硼都有一定的去除作用。但是因?yàn)榕鹚崽?,在離子交換的時(shí)候,它是最早穿透的陰離子;在反滲透運(yùn)行過(guò)程中,如果反滲透進(jìn)水是中性或酸性,一級(jí)反滲透對(duì)硼酸的去除效率只有30%~50%。但研究發(fā)現(xiàn),如果提高反滲透進(jìn)水的PH值,可以迅速提高反滲透對(duì)硼的去除,從下圖可以看出,當(dāng)反滲透進(jìn)水PH值調(diào)到10以上時(shí),反滲透對(duì)硼的去除率可達(dá)90%以上。

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   但是需要注意的是如果反滲透進(jìn)水中含有硬度,再將進(jìn)水的pH值調(diào)高,反滲透濃水側(cè)容易結(jié)垢。因此有人開(kāi)發(fā)了HERO高效反滲透工藝,先用陽(yáng)樹(shù)脂對(duì)反滲透進(jìn)水進(jìn)行處理,把水中的硬度全部去掉之后,再提高反滲透進(jìn)水的pH值運(yùn)行,HERO工藝可以提高反滲透對(duì)硼、硅以及、TOC的去除率。
  EDI同樣是除鹽技術(shù),它主要的技術(shù)是離子交換。陽(yáng)膜和陰膜都是用離子交換樹(shù)脂或者跟離子交換樹(shù)脂一樣的材料做的。陽(yáng)膜只允許陽(yáng)離子通過(guò),陰膜只允許陰離子通過(guò)。兩側(cè)的極板通上直流電之后,淡水室中的陽(yáng)離子在負(fù)極的吸引下,穿過(guò)陽(yáng)膜進(jìn)入濃水室,因不能繼續(xù)通過(guò)陰膜,所以被留在濃水室里;同樣陰離子在正極的吸引下,穿過(guò)陰膜進(jìn)入濃水室,因不能繼續(xù)通過(guò)陽(yáng)膜,所以也被留在濃水室,淡水室中的離子被去除,水質(zhì)得以提高。在EDI運(yùn)行過(guò)程中,電場(chǎng)可以直接把水電離成氫根和氫氧根,對(duì)樹(shù)脂進(jìn)行再生,因此EDI不用和混床一樣停機(jī)再生。

◆  EDI運(yùn)行操作非常簡(jiǎn)單,且可以通過(guò)調(diào)節(jié)其運(yùn)行電流來(lái)調(diào)節(jié)除硼、除鹽的能力。IONPURE公司VNX-EP型號(hào)的 EDI的除硼效率是95%以上。

◆  混床中的強(qiáng)陰離子交換樹(shù)脂同樣可以除硼。如果終端產(chǎn)水水質(zhì)對(duì)硼離子含量要求嚴(yán)格,可以設(shè)計(jì)兩級(jí)混床串聯(lián)運(yùn)行,從而保證產(chǎn)水中硼離子的含量比較低。旋轉(zhuǎn)木馬式混床的運(yùn)行模式是在普通的一用一備兩臺(tái)混床基礎(chǔ)上再加一臺(tái)混床,始終保持有兩臺(tái)混床串聯(lián)運(yùn)行。

◆  還可以采用專(zhuān)用的除硼樹(shù)脂,Dupont公司的Amberlite UP7530是均粒樹(shù)脂,可以裝填在拋光床中,確保產(chǎn)水中硼離子的含量穩(wěn)定合格。
   
因此根據(jù)進(jìn)水的硼含量,以及終端產(chǎn)水水質(zhì)對(duì)硼離子的要求,可以選擇不同的處理流程進(jìn)行組合,確保終端產(chǎn)水水質(zhì)達(dá)標(biāo)。


江蘇金創(chuàng)新天管業(yè)有限公司是一家集不銹鋼輸送管道及管件法蘭、產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)和有色金屬產(chǎn)業(yè)鏈投資的現(xiàn)代化企業(yè)。公司注冊(cè)資本9800萬(wàn),總投資額達(dá)5億元人民幣,公司所生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的不銹鋼產(chǎn)品廣泛用于半導(dǎo)體集成電路、液晶顯示面板、新能源電池、光伏材料、生物制藥、石油化工及海水淡化等行業(yè)。

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