KR20230088599A - 반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 시스템 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

AOP와 같은 고도산화 기술과 분리막 공정의 결합을 통한 재이용수 생산 공정을 통해 반도체 폐수 내 미량입자물질 제거를 통해 고순도 공업용수를 확보하고, 반도체 폐수 처리 및 재이용 처리수를 생성함으로써 반도체 공정 내에 재사용할 수 있는 초순수 원수를 공급할 수 있으며, 또한, 반도체 폐수 내 발생하는 미량오염물질인 TMAH, SiO2, Urea 등 유기성 및 무기성 폐수의 제어를 통해 수질을 개선할 수 있는, 반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 시스템 및 그 방법이 제공된다.

Description

반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 시스템 및 그 방법 {RECYCLING WATER MANUFACTURING SYSTEM FOR SEMICONDUCTOR WASTE WATER, AND METHOD FOR THE SAME}
본 발명은 반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 반도체 폐수(semiconductor waste-water) 내 미량입자물질 제거를 통해 고순도 공업용수를 확보할 수 있는, 반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
통상적으로, 국내의 공업용수는 대부분 산업계에서 사용되어 폐수로 발생되는데, 이러한 공업용수 관련 산업체의 수는 1994년 약 2만여 업체에서 지속적으로 증가하여 2002년 약 5.5만여 업체로 증가한 이후 현재까지 유지되고 있다. 이에 반해, 폐수 방류량은 2.1천만㎥에서 3.8천만㎥으로 지속적으로 증가하고 있다. 특히, 고순도 공업용수는 제약, 반도체, 전자, 석유화학 등의 다양한 분야에서 요구가 증대되고 있다.
해외의 경우, 하수처리수를 공업용수로 재이용하는 사례가 활발히 진행되고 있으나, 국내에서는 수요처 확보의 어려움과 초기투자비 및 유지관리비 과다 등의 문제로 하수처리수의 재이용이 확산되지 않고 있는 실정이다. 이에 따라 국내에서도 하수처리수 재이용 촉진 시범사업을 추진하는 등 재이용 사업을 활발히 진행 중에 있다.
또한, 전체 고순도 공업용수 중 반도체 제조에 사용되는 고순도 공업용수의 비율은 약 50%로 조사되었으며, 반도체 웨이퍼의 연마, 절단, 세척에 다량의 물이 소모되어 다른 제조분야보다 더 많은 양의 공업용수를 사용하는 것으로 보고되고 있다.
또한, 고순도 공업용수의 수요가 증가함에 따라 고농도의 전자계열 산업폐수 또한 발생량이 2009년 630천㎥/일에서 2018년 864천㎥/일로 27.1%가 증가하였다. 따라서 국내에서 처리해야 되는 반도체, 전자 및 화학 관련 산업폐수가 증가하기 시작함에 따라 산업폐수 처리수의 배출을 두고 지역갈등이 심화되는 지역이 발생하고 있다.
한편, 산업폐수 처리수의 일부가 하천으로 방류되어 상수원으로 연결되는 문제점과 수계 내 누적되는 미량오염물질에 대한 문제 등 유해물질에 대한 불안감이 고조되고 있다. 일반적으로 방류되는 미량오염물질들의 농도의 경우, 예를 들면, TMAH는 4.6~23.0ppm의 농도로 방류하고, Urea는 10ppm 정도의 농도로 방류하고 있기 때문에 심각한 문제점을 발생시킬 수 있다.
특히, 반도체 공정에서는 하루 약 10만톤 이상의 공업용수를 필요로 하고 있다. 이를 충당하기 위해 주변 수원에서 물을 조달하고 있고, 이 과정에 주민과 지자체 등 여러 이해관계가 엮여 있다. 따라서 이를 극복하기 위해 생물학적 처리방법, 이온교환공정, 산화공정 등의 물 재이용 공정을 도입하여 물을 공정 내에서 전처리하여 재활용하고 있다. 이러한 전처리 설비들은 부지가 많이 필요하거나 약품 사용 및 교체비용이 많이 소요된다는 단점이 있다. 또한, 가장 큰 문제는 반도체 공정에서 나오는 폐수 처리를 재이용하기 위한 전용 공정의 부재한 실정이다.
최근 반도체 제조장치의 증설에 따라 초순수 사용량이 급격하게 늘어나고 있으며, 이에 따라 새로운 수원 확보의 필요성이 증대되고 있다. 이에 대한 해결방법으로, 하폐수처리장의 처리수를 초순수 제조장치의 원수로 재이용하는 폐수 재이용방법이 개발되고 있다. 현재 폐수 및 하수를 재이용하는 기술로는, 하폐수처리장의 처리수를 역삼투장치와 같은 막분리 기술을 이용하여 추가로 정제하는 기술 등이 알려져 있다. 역삼투장치는 수중의 이온성 물질의 제거 및 총유기탄소(total organic carbon: TOC) 유발물질을 제거하는데 효과적이다. 그러나, 역삼투장치만을 사용하여 다양한 종류의 유기물을 함유하는 반도체 폐수를 정제할 경우에는 초순수 제조설비의 원수로 이용할 수 있을 정도의 수질을 갖는 재이용수를 얻을 수 없는 것으로 알려져 있다. 그 이유는, 역삼투장치로는 반도체 폐수에 함유되어 있는 아세톤과 같은 난분해성 저분자 유기물질을 효율적으로 제거할 수 없기 때문이다.
기존의 초순수 제조설비에서도 이러한 난분해성 저분자 유기물질을 처리하는데 많은 어려움이 따른다. 따라서, 이러한 저분자 유기물을 효율적으로 제거할 수 있는 새로운 공정이 필요하다. 이러한 저분자 유기물을 제거하는 방법으로는 활성탄을 이용한 흡착방법과 고도산화공정(Aadvanced Oxidation Process: AOP)을 이용한 산화방법이 있다. 하지만, 활성탄을 이용한 흡착방법은 활성탄의 흡착능이 제한되어 있어서 활성탄을 주기적으로 재생하거나 교환해 주어야 하는 단점이 있다. 또한, UV 또는 오존을 이용하는 고도산화공정은 초기 투자비와 운전비가 높으며 운전이 어려운 단점이 있다. 따라서, 날로 증가하는 환경보호의 요구에 부응하면서 반도체 폐수를 경제적이고 효율적으로 재이용할 수 있는 새로운 기술의 개발이 요구되고 있다.
한편, 도 1은 일반적인 반도체 공정에서 발생되는 폐수 재활용 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 1을 참조하면, 일반적인 반도체 공정에서 발생되는 폐수 재활용 시스템의 경우, 먼저, 원수는 전처리장치(11)를 거치며, 전처리장치(11)는 응고 침전법, 응고 여과법 및 응고 압력 부유법과 같은 물리 화학적 방법이 사용될 수 있다.
전처리장치(11)에 의해 전처리된 원수는 1차 처리수조(12)에 저장되고, 1차 처리수조(12)에 저장된 전처리된 원수는 RO 장치(13)를 통해 처리된다.
RO 장치(13)에 의해 처리된 물은 다시 RO수 저장조(14)에 저장되고, RO수 저장조(14)에 저장된 RO수는 초순수제조장치(15)에 의해 처리되어 초순수가 반도체 생산라인(16)으로 공급된다. 여기서, RO 장치(13)는 역삼투 장치, 이온 교환수지 장치 및 적외선 멸균장치가 조합될 수 있으며, 초순수 제조장치(15)는 자외선 산화 장치, 이온교환수지 장치인 전기적 탈이온화장치(Electrodeionization: EDI) 및 한외 여과막 장치 등으로 구성될 수 있다.
이렇게 생산된 초순수는 반도체 생산라인(16)을 거쳐 폐수저장탱크(17)로 수집되고, 수집된 폐수는 응집, 침전 및 여과의 여과처리장치(18)를 거쳐 방류되거나, UF 등 정밀여과후 재사용된다.
하지만, UF 필터를 사용하여 폐수를 재사용하는 경우, 공정상 발생되는 폐수의 성상은 0.1~1㎛ 크기의 소미립자로서 ss농도가 1,000 이상의 고농도이기 때문에 재처리를 위해서는 필수적으로 중공사 필터 등의 정밀여과가 필요하다. 따라서, 중공사 필터의 경우 유입구가 아주 미세하기 때문에 필수적으로 전처리가 실시되어야 한다.
또한, 이러한 전처리의 경우에도 미립자인 관계로 정밀여과 등의 고성능이 필요하며, 이를 적용하였을 경우 전처리에 쓰이는 필터의 빈번한 교체가 필요하며, 정밀 중공사 필터의 경우도 오염이 쉽게 되어 수명이 오래가지 못하고, 또한, 생산유량도 급격히 감소하여 경제성이 떨어지는 문제를 가지고 있다. 또한, 미립자 폐수를 응집 처리한 후 여과하여 사용하는 경우, 필터성능 유지는 어느 정도 개선할 수 있지만 응집과 침전 공정이 반드시 필요하며, 또한, 응집 및 침전 공정상에 화학적 처리를 실시함으로써 고형물만 포함된 저전도도의 폐수에 전기 전도도를 높이게 됨에 따라, 생산된 재이용 처리수의 수질이 상대적으로 떨어지는 문제점를 가지고 있다.
한편, 전술한 종래의 기술에 따른 반도체 공정에서 발생되는 폐수 재활용 시스템의 문제점을 해결하기 위한 선행기술로서, 대한민국 등록특허번호 제10-1336174호에는 "반도체 CMP 공정과 다이-소잉 공정에서 발생되는 폐수 재활용 시스템"이라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데, 도 2를 참조하여 설명한다.
도 2는 종래의 기술에 따른 반도체 CMP 공정과 다이-소잉 공정에서 발생되는 폐수 재활용 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 2를 참조하면, 종래의 기술에 따른 반도체 CMP 공정과 다이-소잉 공정에서 발생되는 폐수 재활용 시스템에서, 검은색 실선의 공정 화살표는 일반적인 도 1에 도시된 초순수 생산과정과 반도체 공정후 발생되는 폐수의 처리 플로우(초순수 제조 및 폐수 발생 공정)이고, 녹색 점선의 공정 화살표는 종래의 기술에 따른 폐수 재활용의 처리 플로우(폐수 재활용 공정)를 나타낸다. 이때, 초순수 제조 및 폐수 발생 공정(검은색 실선 화살표)은, 전술한 도 1에 도시된 종래의 기술에 따른 처리 공정과 동일하다.
구체적으로, 원수는 전처리장치(21)를 거쳐 전처리 공정을 거치며, 전처리장치(21)는 응고 침전법, 응고 여과법 및 응고 압력 부유법과 같은 물리 화학적 방법이 사용될 수 있다.
전처리장치(21)에 의해 전처리된 원수는 1차 처리수조(22)에 저장되고, 1차 처리수조(22)에 저장된 전처리된 원수는 RO 장치(23)를 통해 처리된다. 이때, RO 장치(23)를 거친 물은 RO수로서, RO수 저장조(24)에 저장되고, 나머지 물은 드레인된다.
RO 장치(23)에 의해 처리된 RO 수은 RO수 저장조(24)에 저장되고, RO수 저장조(24)에 저장된 RO수는 초순수 제조장치(25)에 의해 처리되어 초순수 수조(26)에 저장된다. 이때, 초순수 수조(26)에 저장된 초순수는 반도체 생산라인(27)으로 공급된다.
반도체 생산라인(27)은 반도체 제조 공정상의 CMP 공정과 반도체 후공정에 포함되는 웨이퍼 가공상의 다이 소잉공정이 이에 포함된다. 이러한 반도체 생산라인(27)을 거친 초순수는 폐수가 되어 폐수 저수조(28)에 저장된다.
이후의 공정은 종래의 기술에 따른 폐수 재활용 공정(녹색 점선 화살표)이 진행된다.
구체적으로, 폐수 저수조(28)에 저장된 폐수는 폐수과정을 거치지 않고, 폐수 재활용 장치(29)로 전달되어 정수 과정을 거치게 된다. 이러한 폐수 재활용 장치(29)에 의해 정수되는 과정에서 물은 정수되어 다시 1차 처리수조(22)로 이송되고, 정수되지 않은 나머지 물은 다시 폐수 저수조(28)로 이송된다.
폐수 저수조(28)에 저장된 폐수는 폐수 저수조(30)로 이송되고 pH 조정 및 응집조(31)에 처리되어 방류되며, 폐수 재활용 장치(29)에 의해 정수된 물은 1차 처리수조(22)에 수집된다.
초순수를 제조하기 위해 필요한 원수는 폐수 재활용 장치(29)에 의해 정수된 물이 존재하므로, 원수만이 1차 처리수조(22)로 전처리(21) 과정을 거쳐 공급되며, 이후의 초순수 제조 및 반도체 생산라인에서의 사용 및 폐수 발생 공정은 검은색 실선 화살표 공정과 동일하다. 따라서, 초순수 제조, 반도체 생산라인에서의 사용, 폐수 발생 및 폐수 재활용 공정은 반복해서 이루어지게 된다.
종래의 기술에 따른 반도체 CMP 공정과 다이-소잉 공정에서 발생되는 폐수 재활용 시스템에 따르면, 반도체 생산 공정에서 발생되는 폐수를 직접 여과 시스템을 적용하여 전처리 공정 없이 정수하여 발생 폐수의 95~97%까지 물성변화 없이 재처리하여 이를 RO 전처리수로 활용할 수 있고, RO 전처리수로 활용함으로써 원수의 필요량을 절감시킬 뿐만 아니라 RO 생산수의 순도를 높여 초순수 공정상의 소요되는 비용을 절감하고 폐수 처리 비용도 절감할 수 있다.
하지만, 종래의 기술에 따른 반도체 CMP 공정과 다이-소잉 공정에서 발생되는 폐수 재활용 시스템의 경우, 반도체 CMP 공정과 다이-소잉 공정에서 발생되는 폐수의 재활용에 국한된다.
한편, 다른 선행기술로서, 대한민국 등록특허번호 제10-1790875호에는 "폐수 재이용을 포함하는 초순수 처리 시스템"이라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데, 도 3을 참조하여 설명한다.
도 3은 종래의 기술에 따른 폐수 재이용을 포함하는 초순수 처리 시스템의 구성도이다.
도 3을 참조하면, 종래의 기술에 따른 폐수 재이용을 포함하는 초순수 처리 시스템은, 원수로부터 초순수를 제조하고, 사용된 초순수 폐수를 회수하여 재이용하기 위한 시스템으로서, 제1 저장탱크(41), 전처리부(42), 제2 저장탱크(43), 순수처리부(44), 제3 저장탱크(45), 초순수처리부(46), 산업시설(470), 재이용 제어부(48), 전기화학적 처리부(49), 여과 처리부(51), 혼합 처리부(52) 및 전기화학적 처리부(53)를 포함하여 구성된다.
제1 저장탱크(41)는 전처리부(42)로 유입되기 위한 원수가 저장된다. 이때, 제1 저장탱크(41)는 재이용 제어부(48)의 제어에 따라 여과 처리부(51)를 통해 필터를 통해 여과한 상태의 초순수 폐수가 제1 저장탱크(41) 내부에서 원수와 블렌딩되거나, 혼합 처리부(52)를 통한 초순수 폐수가 제1 저장탱크(41) 내부에서 원수와 블렌딩될 수 있다.
전처리부(42)는 제1 저장탱크(41)로부터 유입되는 원수를 전처리하며, 원수의 전처리를 위해 다중여과탑, 침지형MF막 등이 사용될 수 있다.
제2 저장탱크(43)는 전처리부(42)에서 전처리된 처리수가 저장된다. 이때, 제2 저장탱크(43)는 재이용 제어부(48)의 제어에 따라 전기화학적 처리부(53)를 통해 처리된 초순수 폐수가 그 내부로 유입될 수 있다.
순수처리부(44)는 제2 저장탱크(43)로부터 유입되는 처리수를 순수로 처리하하며, 다양한 장치가 사용될 수 있고, 역삼투 공정을 포함한다.
이때, 초순수 생산 공정의 최종 수질은 초순수처리부(46)에서 결정이 되기는 하지만, 그 전단의 순수처리부(44)의 처리수 수질에 따라 차이를 보이는데, 특히, 역삼투 공정의 높은 제거율이 요구되는 실정이며, 그러기 위해서는 안정적인 역삼투 공정 운영을 위해 전기화학적 처리부(53)와 같은 적절한 전처리가 설계되어야 하는데, 제3 저장탱크(45)는 순수처리부(44)에서 처리된 순수를 저장한다. 물론, 제3 저장탱크(45) 없이 순수처리부(44)에서 처리된 순수가 그대로 초순수처리부(46)로 유입되도록 구성할 수도 있다.
초순수처리부(46)는 순수처리부(44)에서 처리되어 제3 저장탱크(45)에 저장된 순수를 유입하여 초순수로 처리한다.
산업시설(47)은 초순수처리부(46)에서 처리된 초순수가 사용되는 반도체, 의약품 등을 제조하는 시설이다.
초순수는 제조 공정에 유입된 화학물 및 제품 표면의 불순물을 씻어내는 데에 사용되며, 불순물에 의해 전기 전도도 변화 등 제품 성능의 큰 문제점을 야기할 수 있는 반도체 제조공정에서 가장 엄격한 수질을 요구한다.
재이용 제어부(48)는 산업시설(47)로부터 배출되는 초순수 폐수의 재이용을 위해 초순수 폐수가 전기화학적 처리부(53), 여과 처리부(51) 또는 혼합 처리부(52) 중 어느 하나를 통하도록 제어한다.
종래의 기술에 따른 폐수 재이용을 포함하는 초순수 처리 시스템에 따르면, 초순수 폐수의 재이용에 전기화학적 처리 방법을 이용함으로써 오존공법 및 이온교환수지를 이용하는 종전의 기술과는 달리 화학물 사용이 없고 낮은 에너지 사용량으로 친환경적인 방법을 제시함은 물론, 폐수에 포함되어 있는 실리카(Si), 붕소(B) 및 유기물(TOC)의 함량을 효율적으로 낮춰 초순수 생산 공정의 부하를 경감시킬 수 있다. 또한, 전기화학적 처리 공정에 알칼리성분을 주입하여 pH 조절을 통해 실리카(Si), 붕소(B) 등의 높은 제거율을 달성함은 물론, 순수처리부로 유입되는 원수의 pH 또한 높아짐으로써 순수처리부의 역삼투 공정에서 실리카(Si), 붕소(B)의 높은 제거율을 위해 주입되는 화학물의 양을 감소시켜, 결과적으로 같은 양의 알칼리성분의 투입으로 더 높은 제거가 가능하다.
한편, 또 다른 선행기술로서, 대한민국 등록특허번호 제10-1036880호에는 "폐수 재이용 장치 및 상기 폐수 재이용 장치에 의해 제조된 재이용수를 이용하는 초순수의 제조방법"이라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데, 도 4a 및 도 4b를 참조하여 설명한다.
도 4a는 종래의 기술에 따른 폐수 재이용 장치 및 이에 연결된 초순수 제조장치를 포함하는 반도체 제조장치의 물순환 경로를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 4b는 종래의 기술에 따른 폐수 재이용 장치 및 이에 연결된 초순수 제조장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4a를 참조하면, 공업용수가 초순수 제조장치(60)로 공급되어 초순수로 정제된 후, 반도체 제조장치(70)의 원수로 사용된다. 이때, 공업용수의 TOC 농도 및 전도도는 각각 1~1.5㎎/L 및 150~200㎲/㎝일 수 있다. 또한, 초순수의 TOC 농도 및 비저항은 각각 1㎍/L 이하 및 18.1㏁·㎝ 이상이다.
반도체 제조장치(70)에서 배출된 폐수는 폐수처리장치(80)에서 정화되어 1차 처리수를 생성하고, 상기 1차 처리수 중 일부는 폐수 재이용 장치(90)로 공급되며 나머지는 하천 등으로 방류된다.
구체적으로, 폐수 재이용 장치(90)에서는 1차 처리수 중의 유기물질(특히, 저분자 유기물질) 등이 추가로 제거되어 공업용수와 비슷한 수질을 갖는 2차 처리수가 생성된다. 이때, 2차 처리수의 TOC 농도 및 전도도는 각각 40~50㎍/L 및 400μS/cm 이하일 수 있다. 이러한 2차 처리수의 전도도가 상기 공업용수의 전도도 보다 높은 이유는, 2차 처리수에 산(acid)이 포함되어 있기 때문이다. 이러한 산은 폐수 재이용 장치(90)의 피처리수(예를 들면, RO 처리수)의 pH를 조절하기 위해 첨가된 것이다.
도 4b를 참조하면, 종래의 기술에 따른 폐수 재이용 장치(90)는 MF(micro-filter) 장치(91), RO(reverse osmosis) 장치(92), RO(reverse osmosis) 처리수조(93) 및 촉매산화장치(94)를 포함할 수 있다.
MF 장치(91)는 도 4a에 도시된 1차 처리수로부터 60㎛ 이상의 콜로이드 입자, 현탁질, 조류 및 박테리아 등의 오염물질을 제거하는 것으로, 50㎛의 공극 크기를 갖는 분리막을 구비할 수 있다.
RO 장치(92)는 MF 장치(91)에서 배출된 처리수로부터 분자량이 10~1000 정도인 작은 용질을 제거하는 것으로, 3~10Å의 공극 크기를 갖는 분리막을 구비할 수 있다. 이러한 RO 장치(92)로부터 RO 농축수와 RO 처리수가 배출되는데, 상기 RO 처리수는 RO 처리수조(93)로 이송된 후 촉매산화장치(94)로 공급되고, RO 농축수는 배수관으로 이송된다. 이때, RO 처리수의 유량을 RO 장치(92)로 유입되는 1차 처리수의 유량으로 나눈 백분율을 회수율이라고 하며, RO 장치(92)는, 예를 들면, 80% 이상의 회수율로 운전될 수 있다. 이러한 RO 처리수의 TOC는 상기 공업용수의 TOC와는 달리 저분자 유기물질을 다량 함유하고 있어서, 이를 그대로 초순수 제조장치(60)의 원수로 사용할 경우에는 원하는 수질의 초순수를 얻을 수 없다. 즉, RO 장치(92) 및 초순수 제조장치(60) 중 어느 것도 원수 중의 저분자 유기물질을 효과적으로 제거할 수 없다.
RO 처리수조(93)는 생략될 수도 있으며, 이때, RO 처리수는 촉매산화장치(94)으로 직접 공급된다.
촉매산화장치(94)는 RO 처리수 중의 유기물질을 촉매산화(catalytic oxidation)에 의해 분해시키는 것으로, 촉매와 산화제를 포함한다. 예를 들면, 촉매는 다공성 담체에 담지된 담지촉매일 수 있고, 다공성 담체는 활성탄, 제올라이트, 이온교환수지 및 알루미나로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 화합물을 포함할 수 있다.
종래의 기술에 따른 폐수 재이용 장치(90)에 따르면, 역삼투막 장치 및 촉매산화장치를 포함함으로써 반도체 초순수 제조장치의 원수로 사용할 수 있을 정도의 수질을 갖는 재이용수를 생산할 수 있는 폐수 재이용 장치가 제공될 수 있다. 또한, 100㎍/L 수준의 낮은 TOC를 함유하는 재이용수를 생산할 수 있으며, 분자량이 100 이하인 난분해성 저분자 유기물질을 효율적으로 제거할 수 있다.
하지만, 종래의 기술에 따른 폐수 재이용 장치의 경우, 원수 유입유량 대비 재이용수 생산량(회수율)이 높지 않다는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허번호 제10-1790875호(등록일: 2017년 10월 20일), 발명의 명칭: "폐수 재이용을 포함하는 초순수 처리 시스템" 대한민국 등록특허번호 제10-1336174호(등록일: 2013년 11월 27일), 발명의 명칭: "반도체 CMP 공정과 다이-소잉 공정에서 발생되는 폐수 재활용 시스템" 대한민국 등록특허번호 제10-1641058호(등록일: 2016년 7월 14일), 발명의 명칭: "분리막을 이용한 실리콘 웨이퍼 가공 폐수 재이용 시스템" 대한민국 등록특허번호 제10-1036880호(등록일: 2011년 5월 18일), 발명의 명칭: "폐수 재이용 장치 및 상기 폐수 재이용 장치에 의해 제조된 재이용수를 이용하는 초순수의 제조방법" 대한민국 공개특허번호 제1998-51175호(공개일: 1998년 9월 15일), 발명의 명칭: "역삼투막 시스템을 이용한 제철소 냉연폐수 처리방법" 대한민국 공개특허번호 제2001-79372호(공개일: 2001년 8월 22일), 발명의 명칭: "반도체 쇼잉 공정 폐수의 재이용 방법"
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, AOP와 같은 고도산화 기술과 분리막 공정의 결합을 통한 재이용수 생산 공정을 통해 반도체 폐수 내 미량입자물질 제거를 통해 고순도 공업용수를 확보하고, 반도체 폐수 처리 및 재이용 처리수를 생성함으로써 반도체 공정 내에 재사용할 수 있는 초순수 원수를 공급할 수 있는, 반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 반도체 폐수 내 발생하는 미량오염물질인 TMAH, SiO2, Urea 등 유기성 및 무기성 폐수의 제어를 통해 수질을 개선할 수 있는, 반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 시스템은, 전처리 공정 유닛 및 메인 공정 유닛으로 이루어진 반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 시스템에 있어서, 메인 공정 유닛의 운영 부담을 저감시키도록 반도체 폐수 내의 입자성 묻질, 유기물, 총유기탄소(TOC) 및 수산화트리메틸암모늄(TMAH)을 제거하여 1차 처리수를 생산하는 전처리 공정 유닛; 및 상기 전처리 공정 유닛의 후단에 연결되고, 상기 전처리 공정 유닛에서 생산된 1차 처리수 내의 무기성 묻질, 유기물, 암모니아성 질소(NH3-N), 이산화규소(SiO2) 및 요소(Urea)를 제거하여 재이용 처리수를 생산하는 메인 공정 유닛을 포함하되, 상기 전처리 공정 유닛은, 자동 여과기로서 상기 반도체 폐수 내의 입자상 물질을 제거하는 오토스트레이너; 상기 오토스트레이너의 후단에 연결되고, 응집제를 주입하여 입자상 물질들의 플록을 형성하는 응집 모듈; 상기 응집 모듈의 후단에 연결되고, 상기 응집 모듈에서 형성된 플록을 제거하는 이중여과필터 모듈; 및 상기 오토스트레이너 및 이중여과필터 모듈에서 제거되지 않는 수용성 유기물질과 반응하여 제거하고, 전처리 공정의 1차 처리수를 생산하는 고도산화공정 모듈을 포함하며; 그리고 상기 메인 공정 유닛은, 상기 고도산화공정 모듈에서 생산된 1차 처리수 내의 유기물질을 제거하도록 2단 역삼투 모듈의 전단에 설치되는 세라믹필터 모듈; 및 고순도 공업용수 기준 및 재이용수 수질 기준을 만족시키도록 역삼투 공정을 수행하여 재이용 처리수를 생산하는 2단 역삼투 모듈을 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 고도산화공정 모듈은 산화력 향상을 통하여 유기물과 총유기탄소(TOC)의 제거율을 증가시킬 수 있다.
여기서, 상기 세라믹필터 모듈은 상기 고도산화공정 모듈의 산화제에 의해 상기 2단 역삼투 모듈의 분리막을 손상시키는 것을 방지하도록 세라믹 계열의 분리막을 적용할 수 있다.
여기서, 상기 세라믹필터 모듈은 상기 2단 역삼투 모듈의 운전 부하를 저감시키도록 한외여과 세라믹 분리막을 적용할 수 있다.
여기서, 상기 2단 역삼투 모듈은 재이용수 생산을 위한 회수율을 증대시키도록 제1 역삼투 모듈 및 제2 역삼투 모듈이 연결되어 2단 역삼투 공정을 수행하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 제1 역삼투 모듈 및 제2 역삼투 모듈은 각각 나선형, 중공사형, 판형 또는 관형 중에서 선택될 수 있다.
여기서, 상기 재이용 처리수는 미량오염물질로서 1ppm 이하의 총유기탄소(TOC), 0.5ppm 이하의 수산화테트라메틸암모늄(TMAH), 2ppm 이하의 이산화규소(SiO2) 및 1ppm 이하의 요소(Urea)를 함유한 생산수질을 확보할 수 있다.
여기서, 상기 수산화테트라메틸암모늄(TMAH)는 상기 고도산화공정 모듈의 고도산화 공정을 통해 폼알데하이드(HCOH)와 암모니아(NH3)로 분해되어 제거되며; 상기 요소(Urea)는 저분자량의 비이온으로서 상기 2단 역삼투 모듈을 통해 제거될 수 있다.
여기서, 상기 응집 모듈(120)의 응집제는 폴리알루미늄 클로라이드(PAC), 수산화나트륨(NaOH) 및 음이온 폴리머를 혼합 사용하여 작은 입자상 물질들의 플록을 형성할 수 있다.
한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 방법은, 전처리 공정 유닛 및 메인 공정 유닛에 따라 반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 방법에 있어서, a) 반도체 폐수 처리수를 원수로 공급하는 단계; b) 상기 반도체 폐수 내의 입자상 물질을 제거하도록 전처리 공정 유닛의 오토스트레이너에서 오토스트레이너 공정을 실시하는 단계; c) 상기 오토스트레이너의 후단에 연결된 전처리 공정 유닛의 응집 모듈에서 응집제를 주입하여 입자상 물질들의 플록을 형성하는 응집 공정을 실시하는 단계; d) 상기 응집 모듈의 후단에 연결된 전처리 공정 유닛의 이중여과필터 모듈에서 상기 응집 모듈에서 형성된 플록을 제거하는 이중여과필터 공정을 실시하는 단계; e) 상기 오토스트레이너 및 이중여과필터 모듈에서 제거되지 않는 수용성 유기물질과 반응하여 제거하도록, 상기 전처리 공정 유닛의 고도산화공정 모듈에서 전처리 공정의 1차 처리수를 생산하는 고도산화공정을 실시하는 단계; f) 2단 역삼투 모듈의 전단에 설치되는 메인 공정 유닛의 세라믹필터 모듈에서 상기 고도산화공정 모듈에서 생산된 1차 처리수 내의 유기물질을 제거하는 세라믹필터 공정을 실시하는 단계; g) 상기 메인 공정 유닛의 2단 역삼투 모듈에서 고순도 공업용수 기준 및 재이용수 수질 기준을 만족시키도록 역삼투 공정을 수행하여 재이용 처리수를 생산하는 역삼투 공정을 실시하는 단계; 및 h) 상기 2단 역삼투 모듈에서 재이용 처리수를 공업용수로 공급하여 재활용하는 단계를 포함하여 이루어진다.
본 발명에 따르면, AOP와 같은 고도산화 기술과 분리막 공정의 결합을 통한 재이용수 생산 공정을 통해 반도체 폐수 내 미량입자물질 제거를 통해 고순도 공업용수를 확보하고, 반도체 폐수 처리 및 재이용 처리수를 생성함으로써 반도체 공정 내에 재사용할 수 있는 초순수 원수를 공급할 수 있고, 반도체 폐수의 처리와 재이용으로 수생태의 안정성 및 수자원을 확보할 수 있다.
본 발명에 따르면, 반도체 폐수 재이용 전용 공정 개발을 통하여 반도체 폐수 발생량을 최소화하고, 초순수 공정의 원수 사용량을 감소시켜 전체 반도체 제작 공정 내 소모되는 수자원을 절감시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 반도체 폐수 내 발생하는 미량오염물질인 TMAH, SiO2, Urea 등 유기성 및 무기성 폐수의 제어를 통해 수질을 개선할 수 있다.
본 발명에 따르면, 반도체 폐수 재이용 공정을 통해 반도체 공정의 지속적인 생산량 증대에 따른 용수 부족 및 초순수 생산비용 등의 문제를 해결할 수 있다.
본 발명에 따르면, 반도체 산업의 주요 폐수를 AOP와 같은 고도산화와 분리막 공정을 이용한 처리방식의 연계를 통해 기존 공정대비 효율적으로 운영할 수 있다.
본 발명에 따르면, 반도체 폐수 내 포함된 화학물질 및 중금속 배출로 인해 환경오염에 심각한 영향을 미치지만, 친환경적인 분리막 공정을 통해 환경오염을 감소시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 효율적 반도체 폐수 처리에 기반한 처리수 재이용율 향상으로 시스템 내 용수 사용량 절감 및 관련 에너지 소비율을 절감시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 반도체 폐수 내의 난분해성 미량유해물질의 제거로 방류수 수질을 개선할 수 있고, 강화된 법적 방류수질 기준에 적합한 수질을 확보할 수 있다.
도 1은 일반적인 반도체 공정에서 발생되는 폐수 재활용 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 2는 종래의 기술에 따른 반도체 CMP 공정과 다이-소잉 공정에서 발생되는 폐수 재활용 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 3은 종래의 기술에 따른 폐수 재이용을 포함하는 초순수 처리 시스템의 구성도이다.
도 4a는 종래의 기술에 따른 폐수 재이용 장치 및 이에 연결된 초순수 제조장치를 포함하는 반도체 제조장치의 물순환 경로를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 4b는 종래의 기술에 따른 폐수 재이용 장치 및 이에 연결된 초순수 제조장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 시스템의 개념을 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 시스템의 구성도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 시스템의 물질수지를 예시하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 시스템의 공정흐름도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 시스템이 구현된 것을 예시하는 사진이다.
도 10a 내지 도 10e 각각 도 9에 도시된 재이용 처리수 생산 시스템의 공정 모듈을 각각 예시하는 도면들이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 방법을 나타내는 동작흐름도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
[반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 시스템]
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 시스템의 개념을 개략적으로 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 시스템의 구성도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 시스템의 경우, 초순수 생산설비는 고순도 공업용수를 처리하여 초순수를 공급하고, 반도체 생산설비는 상기 초순수 생산설비에서 공급된 초순수를 사용하여 반도체를 생산하는데, 이때, 반도체 폐수가 발생하게 되며, 이러한 반도체 폐수는 폐수처리 공정에 의해 반도체 폐수 처리수로 1차 처리되어 방류되거나 또는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 시스템에서 반도체 폐수 처리수를 전처리 공정 유닛(100) 및 메인 공정 유닛(200)에 의해 처리함으로써 재이용 처리수를 생산할 수 있다. 이러한 재이용 처리수는 다시 초순수 생산설비에 공급되어 재활용될 수 있다.
구체적으로, 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 시스템은, 전처리 공정 유닛(100) 및 메인 공정 유닛(200)으로 이루어진 반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 시스템으로서, 상기 전처리 공정 유닛(100)은, 오토스트레이너(110), 응집 모듈(120), 이중여과필터(DMF) 모듈(130) 및 고도산화공정(AOP) 모듈(140)을 포함하여 구성되고, 상기 메인 공정 유닛(200)은, 세라믹필터 모듈(210) 및 2단 역삼투 모듈(220)을 포함하여 구성된다.
전처리 공정 유닛(100)은 메인 공정 유닛(200)의 운영 부담을 저감시키도록 반도체 폐수 내의 입자성 묻질, 유기물, 총유기탄소(TOC) 및 수산화트리메틸암모늄(TMAH)을 제거하여 1차 처리수를 생산한다.
구체적으로, 상기 전처리 공정 유닛(100)의 오토스트레이너(110)는, 자동 여과기로서 상기 반도체 폐수 내의 입자상 물질을 제거한다.
상기 전처리 공정 유닛(100)의 응집 모듈(120)은 상기 오토스트레이너(110)의 후단에 연결되고, 응집제를 주입하여 입자상 물질들의 플록(Floc)을 형성한다. 예를 들면, 상기 응집 모듈(120)의 응집제는 폴리알루미늄 클로라이드(Poly Aluminum Chloride: PAC), 수산화나트륨(NaOH) 및 음이온 폴리머(Anion-polymer)를 혼합 사용하여 작은 입자상 물질들의 플록(Floc)을 형성한다.
상기 전처리 공정 유닛(100)의 이중여과필터(DMF) 모듈(130)은 상기 응집 모듈(120)의 후단에 연결되고, 상기 응집 모듈(120)에서 형성된 플록을 제거한다.
상기 전처리 공정 유닛(100)의 고도산화공정(AOP) 모듈(140)은 상기 오토스트레이너(110) 및 이중여과필터(DMF) 모듈(130)에서 제거되지 않는 수용성 유기물질과 반응하여 제거하고, 전처리 공정의 1차 처리수를 생산한다. 이때, 상기 고도산화공정(AOP) 모듈(140)은 산화력 향상을 통하여 유기물과 총유기탄소(TOC)의 제거율을 증가시킬 수 있다.
또한, 메인 공정 유닛(200)은 상기 전처리 공정 유닛(100)의 후단에 연결되고, 상기 전처리 공정 유닛(100)에서 생산된 1차 처리수 내의 무기성 묻질, 유기물, 암모니아성 질소(NH3-N), 이산화규소(SiO2) 및 요소(Urea)를 제거하여 재이용 처리수를 생산하한다.
구체적으로, 상기 메인 공정 유닛(200)의 세라믹필터 모듈(210)은 상기 고도산화공정(AOP) 모듈(140)에서 생산된 1차 처리수 내의 유기물질을 제거하도록 2단 역삼투 모듈(220)의 전단에 설치된다. 이때, 상기 세라믹필터 모듈(210)은 상기 고도산화공정(AOP) 모듈(140)의 산화제에 의해 상기 2단 역삼투 모듈(220)의 분리막을 손상시키는 것을 방지하도록 세라믹 계열의 분리막을 적용할 수 있다. 예를 들면, 상기 세라믹필터 모듈(210)은 상기 2단 역삼투 모듈(220)의 운전 부하를 저감시키도록 한외여과 세라믹 분리막을 적용할 수 있다.
상기 메인 공정 유닛(200)의 2단 역삼투 모듈(220)은 고순도 공업용수 기준 및 재이용수 수질 기준을 만족시키도록 역삼투 공정을 수행하여 재이용 처리수를 생산한다. 여기서, 상기 2단 역삼투 모듈(220)은 재이용수 생산을 위한 회수율을 증대시키도록 제1 역삼투 모듈(220a) 및 제2 역삼투 모듈(220b)이 연결되어 2단 역삼투 공정을 수행한다. 예를 들면, 상기 제1 역삼투 모듈(220a) 및 제2 역삼투 모듈(220b)은 각각 나선(Spiral wound)형, 중공사(Hollow fiber)형, 판(Plate Flame)형 또는 관(Tubular)형 중에서 선택될 수 있다.
이에 따라, 상기 재이용 처리수는 미량오염물질로서 1ppm 이하의 총유기탄소(TOC), 0.5ppm 이하의 수산화테트라메틸암모늄(TMAH), 2ppm 이하의 이산화규소(SiO2) 및 1ppm 이하의 요소(Urea)를 함유한 생산수질을 확보할 수 있다. 특히, 상기 수산화테트라메틸암모늄(TMAH)는 상기 고도산화공정(AOP) 모듈(140)의 고도산화 공정을 통해 폼알데하이드(HCOH)와 암모니아(NH3)로 분해되어 제거되며; 상기 요소(Urea)는 저분자량의 비이온으로서 상기 2단 역삼투 모듈(220)을 통해 제거될 수 있다.
한편, 반도체 폐수 처리공정에서 처리되어 나오는 방류수에는 총유기탄소(Total Organic Carbon: TOC), 수산화테트라메틸암모늄(Tetramethylammonium hydroxide: TMAH), 이산화규소(SiO2), 요소(Urea) 등 주요 오염물질이 포함되어 있으므로 이에 대한 기준을 세우고 관리가 필요한 실정이다. 예를 들면, 이러한 수산화테트라메틸암모늄(TMAH)은, 예를 들면, 플래시 메모리 중 낸드(NAND) 플래시 메모리 생산공정 중에는 반도체 현상액으로 쓰이고 있는 유독성 물질로서, 반도체 폐수에 함유되어 있는 고농도 유독성의 TMAH는 미생물 처리가 어렵고, 미생물의 불활성을 유발하여, 처리 효과를 저감시키는 원인이 된다. 따라서 수산화테트라메틸암모늄(TMAH)는 고도산화공정(Advanced Oxidation Process: AOP)을 통해 폼알데하이드(HCOH)와 암모니아(NH3)로 분해되어 제거가 가능하므로, O3/H2O2 혹은 O3/Persulfate 등의 고도산화 공정이 필요하다. 또한, 요소(Urea)는 저분자량의 비이온으로 역삼투막법(Reverse Osmosis: RO)을 통해 50% 제거할 수 있다.
또한, 반도체 폐수 전용 재이용 공정을 이용하면 미량오염물질 중에서 1ppm 이하의 총유기탄소(TOC), 0.5ppm 이하의 수산화테트라메틸암모늄(TMAH), 2ppm 이하의 이산화규소(SiO2), 1ppm 이하의 요소(Urea)를 함유한 생산수질을 확보함으로써 재이용수 공급이 가능하다.
한편, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 시스템의 물질수지를 예시하는 도면이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 시스템의 공정흐름도(Process Flow Diagram)이다.
본 발명의 실시예에 따른 반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 시스템에서, 70%의 재이용 처리수 생산량(회수율)는, 도 7에 도시된 바와 같은 물질수지를 통해 달성할 수 있다는 것을 알 수 있으며, 이것은 일평균 10㎥ 반도체 폐수 전용 재이용 공정에서도 달성할 수 있다. 이에 따라, 생산수 기준 12 TPD 규모의 반도체 폐수 재이용 설비 개발을 통한 고순도 공업용수 원수 수질 및 초순수 공정의 원수 수질에 적합한 재이용 처리수를 생산할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 시스템에서, 도 8에 도시된 바와 같이, 일평균 10㎥ 반도체 폐수의 재이용 처리수를 생산할 수 있다.
한편, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 시스템이 구현된 것을 예시하는 사진이고, 도 10a 내지 도 10e는 각각 도 9에 도시된 재이용 처리수 생산 시스템의 공정 모듈을 각각 예시하는 도면들이다.
본 발명의 실시예에 따른 반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 시스템은, 전처리 공정 유닛(100) 및 메인 공정 유닛(200)으로 이루어진 반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 시스템으로서, 도 9에 도시된 바와 같이 구현될 수 있다. 예를 들면, 도 9에 도시된 반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 시스템에 따르면, 일평균 10㎥ 반도체 폐수의 재이용 처리수를 생산할 수 있다. 이때, 상기 전처리 공정 유닛(100)은, 오토스트레이너(110), 응집 모듈(120), 이중여과필터(DMF) 모듈(130) 및 고도산화공정(AOP) 모듈(140)을 포함할 수 있고, 또한, 상기 메인 공정 유닛(200)은, 세라믹필터 모듈(210) 및 2단 역삼투 모듈(220)을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 시스템에서, 오토스트레이너(auto strainer)는, 도 10a에 도시된 바와 같이, 디스크 필터의 홈으로 이중 조합된 여과 효과를 보이고, 1~ 10㎜ 범위의 디스크 필터 스크린을 이용하여 크기가 큰 입자상 물질을 앞 단에서 제거한다. 여기서, 오토스트레이너 내에는 스텐레스 망이 있는데 폐수중의 큰 직경의 이물질(예를 들면, 100㎛ 이상)은 여기서 제거되며 일정시간 운전후 메쉬망 사이의 압력차가 일정압력 이상이 되면 폐수유입을 중단하고 메쉬망이 고속으로 회전하면서 망에 붙어 있던 입자성 물질을 제거하여 역세척이 가능하도록 된 자동스트레이너이다.
본 발명의 실시예에 따른 반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 시스템에서, 응집 모듈(120) 및 이중여과필터(DMF) 모듈(130)은 도 10b에 도시된 바와 같이 일체형으로 형성될 수 있고, 응집 모듈(120)에서 응집제를 주입하여 PAC, NaOH, Anion-polymer를 혼합 사용하여 작은 입자상 물질들을 플록 형성시키면, 상기 이중여과필터(DMF) 모듈(130)에서 이러한 플록을 제거한다.
본 발명의 실시예에 따른 반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 시스템에서, 고도산화공정(AOP) 모듈(140)은, 도 10c에 도시된 바와 같이 구현될 수 있고, 고도산화공정에서는 오토스트레이너(110)나 응집+DMF 공정에서 제거되지 않는 수용성 유기물질과 반응하여 제거하며, 이때, AOP 공정을 적용하여 산화력 향상시킴으로써 유기물 및 TOC의 제거율을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 시스템에서, 메인 공정 유닛(200)의 세라믹필터 모듈(210)은, 도 10d에 도시된 바와 같이 구현될 수 있다. 이러한 세라믹필터 모듈(210)에 의해 수행되는 세라믹 분리막 공정은, 일반적으로 역삼투 공정 전단에서 마지막으로 유기물질을 제거하는 역할을 하는데, 고분자 분리막의 경우 AOP 공정에서 나오는 산화물(제)의 영향으로 분리막이 피해를 입는 단점이 있으므로 산화물(제)에 영향이 적은 세라믹 계열의 분리막을 적용한다. 더불어, 상기 2단 역삼투 모듈(220)의 2단 RO 공정의 운전 부하를 저감시키기 위해 한외여과 세라믹 분리막을 적용한다.
본 발명의 실시예에 따른 반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 시스템에서, 메인 공정 유닛(200)의 2단 역삼투 모듈(220)은, 도 10e에 도시된 바와 같이 구형될 수 있다. 이때, 상기 2단 역삼투 모듈(220)에 의해 수행되는 2단 역삼투 공정은, 고순도 공업용수 기준 및 재이용수 수질 기준을 만족시키기 위한 것으로, 또한, 생산량(회수율) 증대의 측면에서 1단의 역삼투 공정보다 2단(2-Stage) 역삼투 공정이 적절하다. 여기서, 이러한 역삼투막은 투과면적을 넓히고 사용을 용이하게 하기 위하여 일정한 형태의 장치내에 장착한 후 사용하게 되는데 이들 모듈(Module)이라 하며, 역삼투 분리막 모듈은 나선(Spiral wound)형, 중공사(Hollow fiber)형, 판(Plate Flame)형 그리고 관(Tubular) 형 등 여러 가지 종류가 있다.
따라서 본 발명의 실시예에 따른 반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 시스템에 따르면, AOP와 같은 고도산화 기술과 분리막 공정의 결합을 통한 재이용수 생산 공정을 통해 반도체 폐수 내 미량입자물질 제거를 통해 고순도 공업용수를 확보하고, 반도체 폐수 처리 및 재이용 처리수를 생성함으로써 반도체 공정 내에 재사용할 수 있는 초순수 원수를 공급할 수 있으며, 또한, 반도체 폐수 내 발생하는 미량오염물질인 TMAH, SiO2, Urea 등 유기성 및 무기성 폐수의 제어를 통해 수질을 개선할 수 있다.
[반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 방법]
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 방법을 나타내는 동작흐름도이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 방법은, 먼저, 전처리 공정 유닛(100) 및 메인 공정 유닛(200)에 따라 반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 방법으로서, 반도체 폐수 처리수를 원수로 공급한다(S110).
다음으로, 상기 반도체 폐수 내의 입자상 물질을 제거하도록 전처리 공정 유닛(100)의 오토스트레이너(110)에서 오토스트레이너 공정을 실시한다(S120).
다음으로, 상기 오토스트레이너(110)의 후단에 연결된 전처리 공정 유닛(100)의 응집 모듈(120)에서 응집제를 주입하여 입자상 물질들의 플록(Floc)을 형성하는 응집 공정을 실시한다(S130). 여기서, 상기 응집 모듈(120)의 응집제는 폴리알루미늄 클로라이드(Poly Aluminum Chloride: PAC), 수산화나트륨(NaOH) 및 음이온 폴리머(Anion-polymer)를 혼합 사용하여 작은 입자상 물질들의 플록(Floc)을 형성하며, 응집 농도는 2ppm이고, 교반에 필요한 체류시간은 2분일 수 있다.
다음으로, 상기 응집 모듈(120)의 후단에 연결된 전처리 공정 유닛(100)의 이중여과필터(DMF) 모듈(230)에서 상기 응집 모듈(120)에서 형성된 플록을 제거하는 이중여과필터 공정을 실시한다(S140).
다음으로, 상기 오토스트레이너(110) 및 이중여과필터(DMF) 모듈(130)에서 제거되지 않는 수용성 유기물질과 반응하여 제거하도록, 상기 전처리 공정 유닛(100)의 고도산화공정(AOP) 모듈(140)에서 전처리 공정의 1차 처리수를 생산하는 고도산화공정을 실시한다(S150). 이때, 상기 고도산화공정(AOP) 모듈(140)은 0.2 bar의 압력 및 1.5 L/min의 오존 유량을 운전조건으로 운전하여 산화력 향상을 통하여 유기물과 총유기탄소(TOC)의 제거율을 증가시킬 수 있다.
다음으로, 2단 역삼투 모듈(220)의 전단에 설치되는 메인 공정 유닛(200)의 세라믹필터 모듈(210)에서 상기 고도산화공정(AOP) 모듈(140)에서 생산된 1차 처리수 내의 유기물질을 제거하는 세라믹필터 공정을 실시한다(S160). 이때, 상기 세라믹필터 모듈(210)은 상기 고도산화공정(AOP) 모듈(140)의 산화제에 의해 상기 2단 역삼투 모듈(220)의 분리막을 손상시키는 것을 방지하도록 세라믹 계열의 분리막을 적용한다. 예를 들면, 상기 세라믹필터 모듈(210)은 상기 2단 역삼투 모듈(220)의 운전 부하를 저감시키도록 한외여과 세라믹 분리막을 적용하는 3.5~3.6 bar의 압력을 운전조건으로 운전한다.
다음으로, 상기 메인 공정 유닛(200)의 2단 역삼투 모듈(220)에서 고순도 공업용수 기준 및 재이용수 수질 기준을 만족시키도록 역삼투 공정을 수행하여 재이용 처리수를 생산하는 역삼투 공정을 실시한다(S170). 여기서, 상기 2단 역삼투 모듈(220)은 재이용수 생산을 위한 회수율을 증대시키도록 제1 역삼투 모듈(220a) 및 제2 역삼투 모듈(220b)이 연결되어 2단 역삼투 공정을 수행하고, 6 bar의 압력 및 1.3㎥/hr의 유량을 운전조건으로 하여 운전한다. 예를 들면, 상기 제1 역삼투 모듈(220a) 및 제2 역삼투 모듈(220b)은 각각 나선(Spiral wound)형, 중공사(Hollow fiber)형, 판(Plate Flame)형 또는 관(Tubular)형 중에서 선택될 수 있다.
다음으로, 상기 2단 역삼투 모듈(220)에서 재이용 처리수를 공업용수로 공급하여 재활용할 수 있다(S180).
여기서, 상기 재이용 처리수는 미량오염물질로서 1ppm 이하의 총유기탄소(TOC), 0.5ppm 이하의 수산화테트라메틸암모늄(TMAH), 2ppm 이하의 이산화규소(SiO2) 및 1ppm 이하의 요소(Urea)를 함유한 생산수질을 확보할 수 있다. 구체적으로, 상기 수산화테트라메틸암모늄(TMAH)는 상기 고도산화공정(AOP) 모듈(140)의 고도산화 공정을 통해 폼알데하이드(HCOH)와 암모니아(NH3)로 분해되어 제거되며, 그리고 상기 요소(Urea)는 저분자량의 비이온으로서 상기 2단 역삼투 모듈(220)을 통해 제거될 수 있다.
결국, 본 발명의 실시예에 따르면, 반도체 폐수 전용 재이용 공정을 수행함으로써 원수 유입유량 대비 재이용수 생산량(회수율)을 최소 70% 이상 확보할 수 있다. 또한, 일평균 10㎥ 생산수 확보가 가능한 연계 공정을 운전할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 전처리 공정 유닛 200: 메인 공정 유닛
110: 오토스트레이너 120: 응집 모듈
130: 이중여과필터(DMF) 모듈 140: 고도산화공정(AOP) 모듈
150: 농축조 210: 세라믹필터 모듈
220: 2단 역삼투 모듈 220a: 제1 역삼투 모듈
220b: 제2 역삼투 모듈

Claims (18)

  1. 전처리 공정 유닛(100) 및 메인 공정 유닛(200)으로 이루어진 반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 시스템에 있어서,
    메인 공정 유닛(200)의 운영 부담을 저감시키도록 반도체 폐수 내의 입자성 묻질, 유기물, 총유기탄소(TOC) 및 수산화트리메틸암모늄(TMAH)을 제거하여 1차 처리수를 생산하는 전처리 공정 유닛(100); 및
    상기 전처리 공정 유닛(100)의 후단에 연결되고, 상기 전처리 공정 유닛(100)에서 생산된 1차 처리수 내의 무기성 묻질, 유기물, 암모니아성 질소(NH3-N), 이산화규소(SiO2) 및 요소(Urea)를 제거하여 재이용 처리수를 생산하는 메인 공정 유닛(200)을 포함하되,
    상기 전처리 공정 유닛(100)은, 자동 여과기로서 상기 반도체 폐수 내의 입자상 물질을 제거하는 오토스트레이너(110); 상기 오토스트레이너(110)의 후단에 연결되고, 응집제를 주입하여 입자상 물질들의 플록(Floc)을 형성하는 응집 모듈(120); 상기 응집 모듈(120)의 후단에 연결되고, 상기 응집 모듈(120)에서 형성된 플록을 제거하는 이중여과필터(DMF) 모듈(130); 및 상기 오토스트레이너(110) 및 이중여과필터(DMF) 모듈(130)에서 제거되지 않는 수용성 유기물질과 반응하여 제거하고, 전처리 공정의 1차 처리수를 생산하는 고도산화공정(AOP) 모듈(140)을 포함하며; 그리고
    상기 메인 공정 유닛(200)은, 상기 고도산화공정(AOP) 모듈(140)에서 생산된 1차 처리수 내의 유기물질을 제거하도록 2단 역삼투 모듈(220)의 전단에 설치되는 세라믹필터 모듈(210); 및 고순도 공업용수 기준 및 재이용수 수질 기준을 만족시키도록 역삼투 공정을 수행하여 재이용 처리수를 생산하는 2단 역삼투 모듈(220)을 포함하는 반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고도산화공정(AOP) 모듈(140)은 산화력 향상을 통하여 유기물과 총유기탄소(TOC)의 제거율을 증가시키는 것을 특징으로 하는 반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹필터 모듈(210)은 상기 고도산화공정(AOP) 모듈(140)의 산화제에 의해 상기 2단 역삼투 모듈(220)의 분리막을 손상시키는 것을 방지하도록 세라믹 계열의 분리막을 적용하는 것을 특징으로 하는 반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 세라믹필터 모듈(210)은 상기 2단 역삼투 모듈(220)의 운전 부하를 저감시키도록 한외여과 세라믹 분리막을 적용하는 것을 특징으로 하는 반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 2단 역삼투 모듈(220)은 재이용수 생산을 위한 회수율을 증대시키도록 제1 역삼투 모듈(220a) 및 제2 역삼투 모듈(220b)이 연결되어 2단 역삼투 공정을 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 역삼투 모듈(220a) 및 제2 역삼투 모듈(220b)은 각각 나선(Spiral wound)형, 중공사(Hollow fiber)형, 판(Plate Flame)형 또는 관(Tubular)형 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 재이용 처리수는 미량오염물질로서 1ppm 이하의 총유기탄소(TOC), 0.5ppm 이하의 수산화테트라메틸암모늄(TMAH), 2ppm 이하의 이산화규소(SiO2) 및 1ppm 이하의 요소(Urea)를 함유한 생산수질을 확보하는 것을 특징으로 하는 반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 수산화테트라메틸암모늄(TMAH)는 상기 고도산화공정(AOP) 모듈(140)의 고도산화 공정을 통해 폼알데하이드(HCOH)와 암모니아(NH3)로 분해되어 제거되며; 상기 요소(Urea)는 저분자량의 비이온으로서 상기 2단 역삼투 모듈(220)을 통해 제거되는 것을 특징으로 하는 반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 응집 모듈(120)의 응집제는 폴리알루미늄 클로라이드(Poly Aluminum Chloride: PAC), 수산화나트륨(NaOH) 및 음이온 폴리머(Anion-polymer)를 혼합 사용하여 작은 입자상 물질들의 플록(Floc)을 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 시스템.
  10. 전처리 공정 유닛(100) 및 메인 공정 유닛(200)에 따라 반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 방법에 있어서,
    a) 반도체 폐수 처리수를 원수로 공급하는 단계;
    b) 상기 반도체 폐수 내의 입자상 물질을 제거하도록 전처리 공정 유닛(100)의 오토스트레이너(110)에서 오토스트레이너 공정을 실시하는 단계;
    c) 상기 오토스트레이너(110)의 후단에 연결된 전처리 공정 유닛(100)의 응집 모듈(120)에서 응집제를 주입하여 입자상 물질들의 플록(Floc)을 형성하는 응집 공정을 실시하는 단계;
    d) 상기 응집 모듈(120)의 후단에 연결된 전처리 공정 유닛(100)의 이중여과필터(DMF) 모듈(230)에서 상기 응집 모듈(120)에서 형성된 플록을 제거하는 이중여과필터 공정을 실시하는 단계;
    e) 상기 오토스트레이너(110) 및 이중여과필터(DMF) 모듈(130)에서 제거되지 않는 수용성 유기물질과 반응하여 제거하도록, 상기 전처리 공정 유닛(100)의 고도산화공정(AOP) 모듈(140)에서 전처리 공정의 1차 처리수를 생산하는 고도산화공정을 실시하는 단계;
    f) 2단 역삼투 모듈(220)의 전단에 설치되는 메인 공정 유닛(200)의 세라믹필터 모듈(210)에서 상기 고도산화공정(AOP) 모듈(140)에서 생산된 1차 처리수 내의 유기물질을 제거하는 세라믹필터 공정을 실시하는 단계;
    g) 상기 메인 공정 유닛(200)의 2단 역삼투 모듈(220)에서 고순도 공업용수 기준 및 재이용수 수질 기준을 만족시키도록 역삼투 공정을 수행하여 재이용 처리수를 생산하는 역삼투 공정을 실시하는 단계; 및
    h) 상기 2단 역삼투 모듈(220)에서 재이용 처리수를 공업용수로 공급하여 재활용하는 단계를 포함하는 반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 e) 단계의 고도산화공정(AOP) 모듈(140)은 0.2 bar의 압력 및 1.5 L/min의 오존 유량을 운전조건으로 운전하여 산화력 향상을 통하여 유기물과 총유기탄소(TOC)의 제거율을 증가시키는 것을 특징으로 하는 반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 f) 단계의 세라믹필터 모듈(210)은 상기 고도산화공정(AOP) 모듈(140)의 산화제에 의해 상기 2단 역삼투 모듈(220)의 분리막을 손상시키는 것을 방지하도록 세라믹 계열의 분리막을 적용하는 것을 특징으로 하는 반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 f) 단계의 세라믹필터 모듈(210)은 상기 2단 역삼투 모듈(220)의 운전 부하를 저감시키도록 한외여과 세라믹 분리막을 적용하는 3.5~3.6 bar의 압력을 운전조건으로 운전하는 것을 특징으로 하는 반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 g) 단계의 2단 역삼투 모듈(220)은 재이용수 생산을 위한 회수율을 증대시키도록 제1 역삼투 모듈(220a) 및 제2 역삼투 모듈(220b)이 연결되어 2단 역삼투 공정을 수행하고, 6 bar의 압력 및 1.3㎥/hr의 유량을 운전조건으로 하여 운전하는 것을 특징으로 하는 반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 역삼투 모듈(220a) 및 제2 역삼투 모듈(220b)은 각각 나선(Spiral wound)형, 중공사(Hollow fiber)형, 판(Plate Flame)형 또는 관(Tubular)형 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 방법.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 재이용 처리수는 미량오염물질로서 1ppm 이하의 총유기탄소(TOC), 0.5ppm 이하의 수산화테트라메틸암모늄(TMAH), 2ppm 이하의 이산화규소(SiO2) 및 1ppm 이하의 요소(Urea)를 함유한 생산수질을 확보하는 것을 특징으로 하는 반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 수산화테트라메틸암모늄(TMAH)는 상기 고도산화공정(AOP) 모듈(140)의 고도산화 공정을 통해 폼알데하이드(HCOH)와 암모니아(NH3)로 분해되어 제거되며; 상기 요소(Urea)는 저분자량의 비이온으로서 상기 2단 역삼투 모듈(220)을 통해 제거되는 것을 특징으로 하는 반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 방법.
  18. 제10항에 있어서,
    상기 응집 모듈(120)의 응집제는 폴리알루미늄 클로라이드(Poly Aluminum Chloride: PAC), 수산화나트륨(NaOH) 및 음이온 폴리머(Anion-polymer)를 혼합 사용하여 작은 입자상 물질들의 플록(Floc)을 형성하며, 응집 농도는 2ppm이고, 교반에 필요한 체류시간은 2분인 것을 특징으로 하는 반도체 폐수의 재이용 처리수 생산 방법.
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