DE4125541A1 - Vorrichtung und verfahren zum reinigen von wasser - Google Patents

Description

Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Reinigen von Wasser. Genauer ausgedrückt betrifft diese Erfindung eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung von ultrareinem Wasser, das als Spülwasser für integrierte Schaltungen mit sehr hoher Integrationsdichte (VLSI) und dergleichen benutzt wird.

Eine große Menge an reinem bzw. ultrareinem Wasser wird in der elektronischen Industrie verwendet. Weil der Integrationsgrad von integrierten Schaltungen mit hoher Integrationsdichte (LSI) zunimmt, gibt es ein immer größeres Erfordernis für eine hohe Reinheit von ultrareinem Wasser. Eine Ionenaustauscheinheit, ein Ultraviolett-Sterilisator, ein Patronenfilter, eine reverse Osmoseeinheit (nachfolgend mit "RO" bezeichnet), eine Ultrafiltermembran sowie andere Komponenten wurden bisher zusammen in einer Vielstufenstruktur kombiniert, um so ultrareines Wasser herzustellen.

Fig. 4 stellt ein Fließschema dar, welches Schritte zeigt, durch die Wasser durch eine konventionelle Wasserreinigungsanlage behandelt wird. Ausgangs- bzw. Rohwasser wird in einem Rohwasserbehälter 1 aufgenommen, und dann werden suspendierte Feststoffe in dem Rohwasser durch einen Koagulationsfilter 2 entfernt. Ein Koagulationsmittel wie Polyaluminiumchlorid wird zu dem Rohwasser hinzugegeben. Das Rohwasser, welches durch den Koagulationsfilter 2 behandelt ist, wird dann in einem Behälter 3 für gefiltertes Wasser gelagert. Danach entfernt eine sogenannte Ionenaustauscheinheit vom Zwei-Bett-Drei-Turm-Typ, die sich aus einem Kationenaustauschturm 4, einem Decarbonisierungsturm 5 und einem Anionenaustauschturm 6 zusammensetzt, Ionen aus dem gefilterten Wasser. Der Kationenaustauschturm 4 entfernt ebenso wie der Anionenaustauschturm 6 feine Partikel und organische Substanzen aus dem Wasser. Das Wasser, das durch den Anionenaustauschturm 6 behandelt worden ist, wird vorübergehend in einem Behälter 7 für behandeltes Wasser gelagert und dann durch einen Wärmeaustauscher 8, einen Ultraviolett-Sterilisator 9 und einen Sicherheitsfilter 10 geleitet, bevor es zu einer RO-Einheit 11 geführt wird. Das Wasser wird mit Hilfe der RO-Einheit 11 behandelt und in einem Behälter 12 für mit Hilfe von RO behandeltes Wasser gelagert. Eine Mischbett-Ionenaustauscheinheit 13 entfernt dann die restlichen Ionen aus dem Wasser, wodurch sich ein Widerstand von Wasser von 10 Megaohm × cm oder mehr ergibt. Das Wasser wird entweder seinem Verwendungszweck zugeführt oder zu einem Poliersystem weitergeleitet, um ultrareines Wasser zu erzeugen.

Die konventionelle Wasserreinigungsanlage ist wie oben beschrieben konfiguriert. Die RO-Einheit 11 ist eine Membran mit einer Porengröße von mehreren Angström und entfernt Ionen, feine Teilchen, Pilze, organische Substanzen mit hohem Molekulargewicht und kolloide Substanzen wie kolloides Siliziumdioxid, die allesamt im Wasser vorhanden sind. Die RO-Einheit 11 ist aus einer dünnen Membran hergestellt und wird unter einem hohen Druck von 10 bis 30 Kg/cm² betrieben. Daher gelangen einige der oben erwähnten Substanzen durch die RO-Einheit 11 hindurch, wodurch sich der Anteil der Entfernung an kolloiden Substanzen insbesondere vermindert.

In der letzten Zeit haben kolloide Substanzen wie kolloides Siliziumdioxid, kolloides Metall und kolloide organische Substanzen ein sehr ernsthaftes Problem dargestellt geworden, wenn Spülwasser mit hoher Reiheit für VLSI- und ULSI-Einheiten hergestellt werden soll. Die so aufgebaute, konventionelle Wasserreinigungsanlage weist bei der Entfernung von kolloiden Substanzen aus dem Wasser Schwierigkeiten auf.

Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um derartige Probleme zu lösen. Es ist daher ein Ziel dieser Erfindung, eine Anlage sowie ein Verfahren zum Reinigen von Wasser zur Verfügung zu stellen, mit deren Hilfe kolloide Substanzen effektiv entfernt werden können, die nicht durch eine RO-Einheit oder durch die anderen Membranen entfernt werden können.

Um diese Aufgabe zu lösen, wird entsprechend einem Aspekt dieser Erfindung eine Wasserreinigungsanlage zur Verfügung gestellt, die folgende Merkmale aufweist: eine Oxidationseinheit zum Umwandeln von kolloiden Substanzen im Rohwasser in feste feine Partikel aus Oxiden, eine lonenaustauscheinheit zum Behandeln des Abflusses aus der Oxidationseinheit, und eine Membraneinheit zum Behandeln des Abflusses aus der Ionenaustauscheinheit.

Gemäß einem zweiten Aspekt dieser Erfindung wird ein Wasserreinigungsverfahren vorgeschlagen, das folgende Schritte umfaßt: Umwandeln kolloider Substanzen im Rohwasser in feste feine Teilchen aus Oxiden mit Hilfe einer Oxidationseinheit; Behandeln des Abflusses aus der Oxidationseinheit mit einer Ionenaustauscheinheit; und Behandeln des Abflusses der Ionenaustauscheinheit mit Hilfe einer Membraneinheit.

Diese Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen noch detaillierter beschrieben. In den Figuren zeigt:

Fig. 1 ein Fließschema, welches die Schritte darstellt, durch die Wasser durch eine Wasserreinigungsanlage entsprechend einem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung behandelt wird;

Fig. 2 einen schematischen Schnitt durch einen Ozonbehandlungsturm;

Fig. 3 ein Fließschema, welches Schritte darstellt, durch die Wasser durch die Wasserreinigungsanlage gemäß einem anderen Beispiel dieser Erfindung behandelt wird; und

Fig. 4 ein Fließschema, welches Schritte darstellt, durch die Wasser durch die konventionelle Wasserreinigungsanlage behandelt wird.

Fig. 1 ist ein Fließschema, welches Schritte darstellt, durch die Wasser durch eine Wasserreinigungsanlage entsprechend einem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung behandelt wird. Die Komponenten oder die Schritte, die mit den Bezugszeichen 1 bis 13 in Fig. 1 bezeichnet sind, sind die gleichen Komponenten oder Schritte, wie sie bei der konventionellen Wasserreinigungsanlage verwendet werden. Wasser, das durch einen Anionenaustauschturm 6 behandelt ist, wird in einem Behälter 7 für entionisiertes Wasser gelagert und wird dann in einen Ozonbehandlungsturm 14 für die Oxidation eingeführt. Das Problem bei der konventionellen Wasserreinigungsanlage liegt darin, daß einige kolloide Substanzen in Wasser selbst durch eine RO-Einheit 11 hindurchgehen, die die kleinste Porengröße aufweist. Aus diesem Grund wird der Ozonbehandlungsturm 14, der für eine der Oxidation verwendet wird, so vorgesehen, daß er nicht nur die kolloiden Substanzen in feste, feine Oxidteilchen umwandelt, sondern daß ebenfalls organische Substanzen mit geringem Molekulargewicht in organische Säuren und Carbonsäuren oxidiert werden.

Fig. 2 stellt einen schematischen Schnitt durch einen Ozonbehandlungsturm dar. Das zu behandelnde Wasser wird durch ein Wassereinführrohr 21 in einen Reaktionsbehälter 22 geleitet. Das durch einen Ozonisator (nicht dargestellt) erzeugte Ozon wird in den Reaktionsbehälter 22 durch ein Ozonzuführrohr 26 eingeführt und wird dann durch ein Ozonverteilungsrohr 27, welches mit dem Ende des Ozonzuführrohres 26 verbunden ist, eingeblasen. Das Wasser, welches durch das Ozon nachdrücklich oxidiert worden ist, wird durch ein Reaktionsbehälter-Auslaßrohr 23 geleitet und in einem Behälter 24 für mit Ozon behandeltes Wasser gelagert, bevor es durch einen Auslaß 25 für mit Ozon behandeltes Wasser herausgelassen wird. Das noch nicht reagierte Ozon verläßt das System nach außen durch ein Ozonauslaßrohr 28. Während der Ozonbehandlung kann Wasserstoffperoxid in den Reaktionsbehälter 22 zugegeben werden, um dadurch die kolloiden Substanzen weiterhin zu oxidieren, was die Wirksamkeit eines solchen Verfahrens noch verbessert.

Da Ozon im Wasser gelöst wird, das durch Ozon oxidiert wurde, können Ionenaustauschharze durch Oxidation zerstört werden, wenn das Wasser direkt zu einer Mischbett-Ionenaustauscheinheit 13 geführt wird. Aus diesem Grund wird das Wasser in die Mischbett-Ionenaustauscheinheit 13 geführt, nachdem entweder ein Aktivkohleturm 15 zum Zersetzen von Ozon oder ein Reaktionsmittel wie NaHSO₃ zur Entfernung von Ozon verwendet worden ist. Die Ozonbehandlung wandelt die kolloiden Substanzen in oxidierte, feste, feine Partikel um, wodurch die Anzahl der feinen Partikel zunimmt, die die RO-Einheit 11 verstopfen. Die Mischbett-Ionenaustauscheinheit 13 wird in diesem Behandlungsschritt eingeführt, da sie verhindert, daß die RO-Einheit 11 verstopft. Nachdem die Mischbett-Ionenaustauscheinheit 13 die feinen Partikel entfernt hat, wird das behandelte Wasser der RO-Einheit 11 zugeführt. Da die Mischbett-Ionenaustauscheinheit 13 ebenfalls organische Säuren und Kohlensäure entfernt, die durch die Ozonbehandlung zersetzt sind, wird der Gehalt an gesamtem organischen Kohlenstoff in Wasser vermindert.

Das Wasser, das durch die Mischbett-Ionenaustauscheinheit 13 behandelt worden ist, wird dann durch einen Wärmeaustauscher 8 und andere Komponenten geleitet und wird durch die RO-Einheit 11 behandelt. Da Ozon in dem vorhergehenden Schritt verwendet wird, wird eine reverse Osmosemembran, die oxidationsresistent ist, vorzugsweise eine, die aus einem aromatischen Polyamidharz oder Celluloseazetatharz hergestellt ist, als RO-Einheit 11 verwendet, um zu verhindern, daß sie wegen der Oxidation über verlängerte Zeitspannen hinweg zerstört wird. Die RO-Einheit 11 entfernt die festen, feinen Oxidteilchen, die nicht durch die Mischbett-Ionenaustauscheinheit 13 entfernt worden sind, ebenso wie organische Substanzen mit verhältnismäßig hohem Molekulargewicht, die nicht durch die Ozonbehandlung oxidiert worden sind.

Die folgende Tabelle zeigt die Qualität von reinem Wasser, das durch die erfindungsgemäße Wasserreinigungsanlage erhalten wird.

Tabelle

Wenn die Ozonbehandlung durchgeführt wird, findet eine ungefähre Verdoppelung der feinen Teilchen, die jeweils eine Größe von 0,07µm oder mehr aufweisen, in dem Wasser bei dem Einlaß in die Mischbett-Ionenaustauscheinheit von 26000 auf 51000 Teilchen pro ml statt. Der nicht flüchtige Rest verbleibt auf der anderen Seite gleich, nämlich bei 1000 ppb. Aus diesem Grund wird angenommen, daß die Ozonbehandlung die kolloiden Substanzen in feste, feine Oxidpartikel umgewandelt hat. Der nicht-flüchtige Rest dient als Index für die Anzahl der kolloiden Substanzen, was die Gesamtmenge der kolloiden Substanzen und der feinen Teilchen anzeigt. Der nicht-flüchtige Rest in dem Wasser bei dem Auslaß der RO-Einheit nimmt um eine 10er Potenz von 100 ppb auf 10 ppb ab. Die Anzahl der kolloiden Substanzen vermindert sich drastisch und das Wasser wird zehnmal so rein wie das Wasser, das durch die übliche Anlage und ein übliches Verfahren erhältlich ist.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel werden der Ozonbehandlungsturm, die Mischbett-Ionenaustauscheinheit und die RO-Einheit alle an einer Stelle installiert, bei der Wasser eingeführt wird, nachdem es durch eine Ionenaustauscheinheit vom Zweibett-Drei-Turm-Typ behandelt worden ist. Die Ionenaustauscheinheit kann aber auch irgendwo installiert werden, beispielsweise an einer Stelle, wo das Wasser eingeführt wird, nachdem es durch den Aktivkohleturm 15 behandelt worden ist, wie es in Fig. 3 gezeigt ist. Anstelle der Mischbett-Ionenaustauscheinheit kann ebenfalls eine Ionenaustauscheinheit vom Zweibett-Drei-Turm-Typ verwendet werden. Diese beiden Arten von Ionenaustauscharten können ebenfalls zusammen verwendet werden. Ein zusätzlicher Anionenaustauschturm kann verwendet werden.

Claims (8)

1. Anlage zum Reinigen von Wasser, umfassend:

• - eine Oxidationseinheit (14) zum Umwandeln von kolloiden Substanzen im Rohwasser in feste, feine Oxidteilchen;
• - eine Ionenaustauscheinheit (4, 5, 6; 13) zum Behandeln des Abflusses aus der Oxidationseinheit (14); und
• - eine Membraneinheit (11) zum Behandeln des Abflusses dem ionenausgetauschten Wassers.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidationseinheit (14) eine Ozonbehandlungeinheit ist.

3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenaustauscheinheit ein Ionenaustauscher (4, 5, 6) vom Zweibett-Drei-Turm-Typ und/oder ein Mischbett- Ionenaustauscher (14) ist.

4. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Membraneinheit (11) eine reverse Osmose-Membraneinheit ist.

5. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die reverse Osmosemembran eine oxidationsresistente Membran ist.

6. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran eine Membran ist, die aus einem Harz hergestellt ist, das aus einem aromatischen Polyamidharz und einem Zelluloseacetatharz ausgewählt ist.

7. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Aktivkohleturm (15) zwischen der Oxidationseinheit (14) und der Mischbett-Ioneneinheit (13) geschaltet ist.

8. Verfahren zur Reinigen von Wasser mit folgenden Schritten:

• - Umwandeln von kolloiden Substanzen im Rohwasser in feste, feine Oxidteilchen durch eine Oxidationseinheit (14);
• - Behandeln des Abflusses aus der Oxidationseinheit (14) mit einer Ionenaustauscheinheit (4, 5, 6; 13); und
• - Behandeln des Abflusses aus der Ionenaustauscheinheit (4, 5, 6; 13) mit Hilfe einer Membraneinheit (11).