CN109562964B - 超纯水生产设备 - Google Patents

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Abstract

一种超纯水生产设备(1)，包括超滤膜装置(10)。所述超滤膜装置(10)包括串联连接的多个超滤膜(11，12)。所述多个超滤膜(11，12)包括第一超滤膜(11)和位于所述多个超滤膜(11，12)中下游最远处的第二超滤膜(12)，所述第二超滤膜(12)具有与所述第一超滤膜(11)的过滤性能不同的过滤性能。

Description

超纯水生产设备
技术领域
本发明涉及一种超纯水生产设备。
背景技术
在半导体装置和液晶装置的制造工艺中，已经从中高度去除杂质的超纯水用于各种目的，例如清洁工艺。通常通过依次在预处理系统、一级纯水系统和二级纯水系统(子系统)中处理原水(例如河水、地下水和工业用水)来生产超纯水。
在大多数子系统中，在最后阶段提供膜分离装置，例如超滤膜装置，以除去超纯水中所含的颗粒。超纯水中所含的颗粒直接导致装置产率降低，因此它们的尺寸(粒径)和数量(浓度)受到严格的控制。因此已经提出了多种配置，在这些配置中，多个膜分离装置串联连接以减少超纯水中的颗粒的数量(例如参见专利文献1至4)。
引用列表
专利文献
专利文献1：JP 2004-283710 A
专利文献2：JP 2003-190951 A
专利文献3：JP 10-216721 A
专利文献4：JP 04-338221 A
发明内容
技术问题
近年来半导体装置的高集成度和小型化的快速发展促使对控制粒子的尺寸和数量的需求的增加。例如，根据国际半导体技术发展路线图(International TechnologyRoadmap for Semiconductors，ITRS)，必须控制超纯水中所含的颗粒，使得粒径为10nm或更大的颗粒的数量小于或等于1个颗粒/ml。然而，在当前情况下，在专利文献1至4中公开的配置中还不能获得能够满足这些要求的处理过的水的质量。
因此，本发明的一个目的是提供一种超纯水生产设备，其生产的超纯水中的颗粒的数量得到充分减少。
问题的解决方案
为了实现上述目的，本发明的超纯水生产设备包括超滤膜装置。根据一个方面，所述超滤膜装置包括串联连接的多个超滤膜，多个超滤膜包括第一超滤膜和位于多个超滤膜中下游最远处的第二超滤膜，该第二超滤膜具有与第一超滤膜的过滤性能不同的过滤性能。根据另一方面，所述超滤膜装置包括串联连接的多个超滤膜组件，多个超滤膜组件包括第一超滤膜组件和位于多个超滤膜组件中下游最远处的第二超滤膜组件，该第二超滤膜组件具有与第一超滤膜组件的过滤性能不同的过滤性能。
发明的有益效果
如上所述，本发明可以提供一种超纯水生产设备，其生产的超纯水中的颗粒的数量得到充分减少。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的超纯水生产设备的示意性结构图。
图2是当填充在图1所示的UF膜装置的两个UF膜组件中的UF膜具有相同的过滤性能时来自第二UF膜组件的渗透水中所含颗粒的SEM照片；
图3是示出根据该实施例的UF膜装置变型的示意性结构图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图说明本发明的实施例。
图1为根据本发明的一个实施例的超纯水生产设备的示意性结构图。图中所示的超纯水生产设备的配置仅是示例性的，并不旨在限制本发明。
超纯水生产设备1包括一级纯水箱2、泵3、热交换器4、紫外线氧化装置5、非再生混床式离子交换装置(滤芯精处理器(cartridge polisher))6和超滤(UF)膜装置10。这些部件构成二级纯水系统(子系统)，用于顺序地处理在一级纯水系统(未示出)中生产的一级纯水，以生产超纯水并将超纯水供应至使用点7。
存储在一级纯水箱2中的待处理的水(一级纯水)被泵3输送并供给至热交换器4。待处理的水穿过热交换器4以进行温度控制，然后被供应至紫外线氧化装置5，在此，待处理的水中的总有机碳(TOC)通过紫外线照射分解。接着通过滤芯精处理器6中的离子交换过工艺除去待处理的水中的金属，然后在UF膜装置10中除去待处理的水中的颗粒。如此获得的超纯水的一部分被供应至使用点7，而剩余部分返回到一级纯水箱2。根据需要将一级纯水从一级纯水系统(未示出)供应至一级纯水箱2。
作为一级纯水箱2、泵3、热交换器4、紫外线氧化装置5和滤芯精处理器6，可以采用在超纯水生产设备的子系统中使用的部件。因此，这里省略了对这些部件的细节的说明，下面仅描述UF膜装置10的细节。
UF膜装置10包括串联连接的两个UF膜组件11，12。UF膜组件11，12中的每一个都是外压型中空纤维膜组件，其中，以多个成束的中空纤维的形式的UF膜(下文中简称为“中空纤维膜”)填充在圆柱形外壳中，待处理的水从中空纤维膜外部供应，渗透水随后从内部取出。采用错流过滤作为每个UF膜组件11，12的过滤方法，其中，待处理的水平行于中空纤维膜的表面供应，并且其中，待处理水未通过膜的部分作为浓水(concentrated water)排出。
填充在第一UF膜组件11和第二UF膜组件12中的每个UF膜具有不同的过滤性能。例如，填充在第二UF膜组件12中的UF膜(第二UF膜)具有更高的通量(每单位膜面积和单位压力的透过流率(permeate flow rate)并因此比填充在第一UF膜组件11中的UF膜(第一UF膜)更容易允许水通过。此外，填充在第二UF膜组件12中的UF膜具有较高的截留分子量并因此比填充在第一UF膜组件中的UF膜更加疏松。下面将描述由第二UF膜组件12的UF膜的更高通量和更高截留分子量所带来的效果。
作为第一UF膜组件11，可以根据待去除的颗粒的尺寸(粒径)适当地选择合适的配置，并且对该配置没有特别限制。在该实施例中，优选使用填充有截留分子量为4000至6000的UF膜的组件，由此可以除去粒径为10nm或更大的颗粒(下文中称为“目标颗粒”)。对填充在其中的UF膜的材料没有特别限制，但优选不太可能从膜本身洗脱的材料，并且如下所述地，聚砜是适宜的。如上所述的第一UF膜组件11的实例包括由Asahi Kasei Corporation制造的UF膜组件(产品编号：OLT-6036H)以及由Nitto Denko Corporation制造的UF膜组件(产品编号：NTU-3306-K6R)。这些组件中的每一个都填充有由截留分子量为6000的聚砜制成的中空纤维膜。考虑到膜表面上颗粒的积聚，第一UF膜组件11的回收率优选尽可能高，优选设定为约95％。
另一方面，第二UF膜组件12的构造没有特别限制，只要其填充有具有比填充在第一UF膜组件11中的UF膜更高的通量或更高的截留分子量的UF膜。截留分子量为例如100000至400000的UF膜可以用作填充在其中的UF膜，并且类似于第一UF膜组件11，聚砜是适宜的材料。如上所述，第二UF膜组件12的实例包括由Asahi Kasei Corporation制造的UF膜组件(产品编号：FGT-6016H)。该组件填充有由截留分子量为100000的聚砜制成的中空纤维膜。当第一UF膜组件11填充有截留分子量为4000的UF膜时，如上所述地，由Asahi KaseiCorporation或Nitto Denko Corporation制造的UF膜组件(即填充有截留分子量为6000的UF膜)可以用作第二UF膜组件12。
在第二UF膜组件12中，从第一UF膜组件11供应颗粒已被充分除去的处理过的水(渗透水)以用于处理，因此，与第一UF膜组件11的情况相比，处理负荷较小并且对由于颗粒在膜表面上的积聚造成的堵塞的关注较低。因此，第二UF膜组件12的回收率优选尽可能高，例如可以为95％或更高。
同时，已知的是，UF膜的孔直径的不是完全均一的，并对应其截留分子量的孔直径从上至下变化，因此可由UF膜除去的颗粒的粒径也有所不相。例如，即使对于粒径大于对应于截留分子量的孔径的颗粒，截留率也不一定是100％。因此，在多个UF膜组件串联连接的情况下，即使填充在其中的UF膜具有相同的过滤性能，处理过的水的质量(颗粒的数量)预期优于在单个UF膜组件的情况下的质量。
然而，如上所述，在该实施例中，填充在两个UF膜组件11，12中的UF膜不具有相同的过滤性能，但是下游侧的第二UF膜组件12填充有具有与第一UF膜不同的过滤性能的UF膜，例如，具有更大的通量或更大的截留分子量。该配置基于以下发现：为了获得所需质量的处理过的水，在串联连接的多个UF膜组件中下游最远处的UF膜组件本身处产生的颗粒(组件衍生的颗粒)必须考虑在内。下面将描述获得该发现的实验结果。
本发明的发明人使用图1所示的超纯水生产设备生产超纯水并对处理过的水的质量进行了测量。更具体地，对来自UF膜装置的每个UF膜组件的处理过的水(渗透水)中包含的目标颗粒(粒径为10nm或更大的颗粒)的数量(浓度)进行了测量。
填充有由截留分子量为6000的聚砜制成的UF膜的UF膜组件用作为第一UF膜组件和第二UF膜组件中的每一个，并且将由公司A和公司B制造的两种类型的UF膜组件制备该UF膜组件。每个UF膜组件的透过流率为15m3/h。
另外，渗透水中的颗粒的数量通过如下所述的直接显微镜计数法(SEM法)计算。更具体地，将每个UF膜组件的渗透水供应至具有用于捕获颗粒的过滤膜的颗粒捕获装置，使用扫描电子显微镜(SEM)观察在过滤膜中捕获的颗粒的数量和粒径，然后计算目标颗粒的数量(浓度)。
表1示出了关于两种类型的UF膜组件中的每一种的渗透水中的颗粒数量的测量结果。
[表1]
Figure BDA0001963105080000051
从表1中可以清楚地看到，已经证实，针对由公司A和B制造的两个UF膜，来自第二UF膜组件的渗透水中的目标颗粒的数量和来自第一UF膜组件的渗透水中的目标颗粒的数量之间并没有大的差异。该结果表明，未获得与上述原理所预期的质量一样好的处理水。
为此，图2显示了来自第二UF膜组件的渗透水中所含颗粒的SEM照片的实例。
由图2证实，来自第二UF膜组件的渗透水含有粒径为100nm或更大的颗粒，其明显大于对应于每个UF膜组件的UF膜的截留分子量的尺寸。考虑到第一个UF膜组件除去了待处理的水中所含的几乎所有目标颗粒(例如，100至1000个颗粒/m1)，来自第二UF膜组件的渗透水中粒径为100nm或更大的颗粒极不太可能是待处理的水中最初所含有的那些颗粒，因此这些颗粒很可能在UF膜组件自身产生。实际上，从使用能量色散X射线分析仪(EDX)进行的、针对来自第一UF膜组件的渗透水的颗粒的一部分的成分分析可以证实，大多数的粒径为100nm或更大的颗粒是含有碳和硫的有机化合物，而碳和硫是UF膜(聚砜)的组成元素。应注意，在第一UF膜组件处产生的颗粒被认为在第二UF膜组件中除去。
在上述基础上，为了获得所需的处理过的水的质量，具体地，为了生产当通过如上所述的直接显微镜计数评价时粒径为10nm或更大的颗粒数量小于10颗粒/ml、优选5颗粒/ml、更优选1个颗粒/ml的处理过的水(超纯水)，必须降低处理过的水中包含的颗粒中的组件衍生颗粒的数量。为此，必须减少在串联连接的多个UF膜组件中位于下游最远处的UF膜组件处产生的颗粒的数量。只要下游最远处的UF膜组件可以除去在下游最远处的UF膜组件之外的UF膜组件处产生的100nm或更大的大颗粒，其颗粒去除能力就是足够的。
从这个观点来看，在该实施例中，如上所述，下游侧的第二UF膜组件12填充有这样的UF膜，其具有比填充在上游侧第一UF膜组件11中的UF膜更大的通量、特别是更大的截留分子量。第二UF膜组件12允许水以大于第一UF膜组件11的流速通过，因此在清洁时可以容易地将第二UF膜组件12自身产生的颗粒排到系统外部。因此，可以减少超纯水中所包含的颗粒中的组件衍生颗粒。
更进一步，水以更大的流速通过第二UF膜组件12也导致每单位压力的透过流率的增加。因此，不仅可以由于上述清洁效果的改善而减少颗粒的绝对数量，而且还可以由于透过流率增加引起的稀释效应而减少颗粒的相对数量，即渗透水(超纯水)中的颗粒浓度。
因此，根据该实施例，可以充分减少超纯水中的颗粒的数量，以获得所需质量的处理过的水。
在另一方面中，水以更大的流速通过第二UF膜组件12是有利的，由于清洁过程的缩短，节约成本是可以预期的。换句话说，由于在制造UF膜组件期间，至少在装置启动期间，无法避免颗粒的附着。在可以获得所需质量的处理过的水之前，必须使用大量的超纯水(或纯水)来清洁组件。然而，在该实施例的第二UF膜组件12中，上述清洁效果的改进允许在第二UF膜组件12处产生的颗粒容易地排到系统外部，从而显著减少清洗所需的时间和成本。
可以考虑将几种方法作为实际操作方法(将待处理的水供应至第二UF膜组件12的方法)。例如，事先以高流速清洁第二UF膜组件12以尽可能地减少组件衍生的颗粒的产生之后，可以在较低的流速下(例如，使得水以与第一UF膜组件11相当的流速流动)进行稳定的操作。或者，多个第一UF膜组件11可以如图3所示地并联连接，并且这些UF膜组件可再以串联的方式连接到第二UF膜组件12，以将来自多个第一UF膜组件11的渗透水供应至第二UF膜组件12。
水以高流速延长通过外压型UF膜组件可能由于水流的冲击而导致诸如(中空纤维膜的)纤维断裂的发生或过滤稳定性降低的缺陷。因此，从防止这种缺陷的发生的观点来看，第二UF膜组件12可以是内压型UF膜组件。另外，如上所述地，即使在第二UF膜组件12中将回收率设定得较高，也几乎不存在对堵塞的担心，因此，作为过滤方法，可以采用死端过滤(dead-end filtration)，其中全部量的待处理的水被过滤。
在如上所述的实施例中，通过采用各自具有不同截留分子量或通量的UF膜填充UF膜组件来改变UF膜组件的每单位压力的透过流率，使每个UF膜组件的过滤性能得以改变。然而，改变过滤性能的方法不限于此。例如，可以通过以不同的填充速率用具有相同截留分子量的UF膜填充或者通过使用不同的膜厚度或膜材料来改变每个UF膜组件的每单位压力的透过流率，从而可以改变每个UF膜组件的过滤性能。
此外，在上述实施例中，通过举例的方式描述了串联连接的两个UF膜组件。然而，本发明不限于此，并且可以应用于串联连接的三个或更多个UF膜组件。例如，如果使用三个UF膜组件，则可以将一个UF膜组件添加到图1所示的两个UF膜组件中。在这种情况下，该UF膜组件可以增加到第一UF膜组件和第二UF膜组件之间，或第一个UF膜组件的上游，该添加的UF膜组件与第二UF膜组件相同并且填充有过滤性能与第一UF膜不相同的UF膜。从更有效地除去待处理的水中所含颗粒的观点来看，优选将与第二UF膜组件相同的UF膜组件添加到第一UF膜组件的上游。也可以将中空纤维微过滤膜组件添加到所述多个UF膜组件的下游。
附图标记列表
1 超纯水生产设备
2 一级纯水箱
3 泵
4 热交换器
5 紫外线氧化装置
6 非再生混床式离子交换装置(滤芯精处理器)
7 使用点
10 UF膜装置
11 第一UF膜组件
12 第二UF膜组件

Claims (7)

1.一种包括超滤膜装置的超纯水生产设备，其中，
所述超滤膜装置包括串联连接的多个超滤膜，并且
所述多个超滤膜包括第一超滤膜和位于所述多个超滤膜中下游最远处的第二超滤膜，所述第二超滤膜具有与所述第一超滤膜的过滤性能不同的过滤性能，
所述第二超滤膜的通量大于所述第一超滤膜的通量。
2.根据权利要求1所述的超纯水生产设备，其中，所述多个超滤膜中的每一个是中空纤维膜。
3.一种包括超滤膜装置的超纯水生产设备，其中，
所述超滤膜装置包括串联连接的多个超滤膜，并且
所述多个超滤膜包括第一超滤膜和位于所述多个超滤膜中下游最远处的第二超滤膜，所述第二超滤膜具有与所述第一超滤膜的过滤性能不同的过滤性能，
所述第二超滤膜的截留分子量大于所述第一超滤膜的截留分子量。
4.一种包括超滤膜装置的超纯水生产设备，其中，
所述超滤膜装置包括串联连接的多个超滤膜组件，并且
所述多个超滤膜组件包括第一超滤膜组件和位于所述多个超滤膜组件中下游最远处的第二超滤膜组件，所述第二超滤膜组件具有与所述第一超滤膜组件的过滤性能不同的过滤性能，
所述第二超滤膜组件的每单位压力的透过流率大于所述第一超滤膜组件的每单位压力的透过流率。
5.根据权利要求4所述的超纯水生产设备，其中，所述多个超滤膜组件中的每一个是中空纤维膜组件。
6.根据权利要求5所述的超纯水生产设备，其中，所述第二超滤膜组件是内压型中空纤维膜组件。
7.根据权利要求5所述的超纯水生产设备，其中，所述第二超滤膜组件是死端过滤型中空纤维膜组件。
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