TWI681807B - 無熱再生系統及其方法 - Google Patents

Abstract

一種無熱再生系統，其包含有：一吸附單元；一水洗單元，其係耦接該吸附單元；以及一低濕氣流提供單元，其係耦接該吸附單元；其中，該吸附單元係吸附一揮發性有機物質，該水洗單元係洗滌或浸泡程序，以脫附該吸附單元所吸附的該揮發性有機物質，該低濕氣流提供單元係提供一低濕氣流給經洗滌或浸泡程序後之該吸附單元，以乾燥該吸附單元。

Description

無熱再生系統及其方法

一種無熱再生系統及其方法，尤指一種利用無熱水洗再生方式，而使已吸附揮發性有機物質之吸附單元進行再生脫附之系統及其方法。

高純度的異丙醇（Isopropanol，IPA）溶劑做為晶圓的清洗劑，其為半導體產業行之有年的使用方式。異丙醇係可清除晶圓表面殘留的有機物或其他不純物質，或是應用於晶圓蝕刻洗淨後乾燥製程。

然於該製程的過程中，會有大量異丙醇溶劑揮發至空氣中，必須設法將含有高濃度異丙醇廢氣處理後才能排放至大氣中。

現有處理富含異丙醇或水溶性揮發性有機化合物廢氣的方式，大都使用活性碳吸附床(塔)，以吸附異丙醇或水溶性揮發性有機化合物。但若氣體濃度過高，吸附床(塔)很快就會達到吸附飽和或失效，因此必須頻繁更換，或是進行動態吸附劑脫附再生才能繼續使用，而現有的再生方式，皆以加熱再生方式進行，藉由外部加熱與溫度升高，以提高吸附質分子的振動能，而使吸附平衡關係改變，達到吸附質從吸附劑中脫附或熱分解。

但若吸附質為揮發性有機物且瞬間脫附濃度過高時，很容易因加熱不當、熱量累積而產生悶燒或閃火意外。

半導體業者係以濕式氣體洗滌法，其係藉由拉西環增加氣液接觸面積與停留時間，以將空氣中異丙醇或水溶性揮發性有機化合物吸收於純水中，再將此廢液排至後段汙水處理廠處理。前述之濕式氣體洗滌法無任何高溫作業程序，故現已廣泛應用於半導體製程的水溶性有機與無機酸鹼性廢氣處理。

由於濕式氣體洗滌法，水中所吸附質濃度將會影響到空氣溶於水中的速率與溶解度，故為了達到高效率去除洗滌效率，必須使用大量的純水或增加換水的頻率，此舉將衍生出大量富含異丙醇廢水處理問題。

另外，濕式氣體洗滌設備為連續式操作，因此洗滌液長時間循環操作之下，難免會有各種問題發生。若洗滌液中粒狀物含量太高，將易造成填料、管線、噴嘴中之粒狀物堆積，造成噴淋嘴阻塞。廢氣中若有所攜入的粒狀污染物沉澱，或因化學反應所產生的結晶沉澱，將造成填充物結垢。若是廢氣中含有揮發性有機物(提供微生物生長所需之碳源)，且使用的洗滌液中含有氮鹽，則會產生生物黏膜附著之問題。而洗滌後之氣體，由於相對濕度偏高，約為85 %RH至90 %RH，因此排放之煙囪容易產生白煙的問題。若循環水水量不足、液體分散不均、氣體接觸時間不足及短流發生時，皆可能造成洗滌塔處理效率不彰之問題。

有鑑於此，本發明主要目的在於，提出一種無熱再生系統及其方法，其係利用無熱水洗再生方式，而使已吸附揮發性有機物質之吸附單元進行再生，並能避免悶燒、閃火意外或大量富含異丙醇廢水處理問題。

為達上述目的，本發明所提出的一種無熱再生系統，其包含有：  一吸附單元；  一水洗單元，其係耦接該吸附單元；以及  一低濕氣流提供單元，其係耦接該吸附單元；  其中，該吸附單元係吸附揮發性有機物質，該水洗單元係洗滌或浸泡程序，以脫附該吸附單元所吸附的該揮發性有機物質，該低濕氣流提供單元係提供一低濕氣流或壓縮乾燥空氣，給經洗滌或浸泡程序後之該吸附單元，以乾燥該吸附單元。

於一實施例，該吸附單元為一雙塔式中空纖維材質之吸附床。

於一實施例，該吸附單元為一轉輪式中空纖維材質之吸附輪。

於一實施例，該中空纖維材質具有多孔性材料於纖維材質中。該多孔性材料可為沸石、分子篩、矽膠、活性氧化鋁、金屬有機骨架（Metal Organic Frameworks， MOF）、活性碳、碳分子篩或以上之組合；該中空纖維具有一設定比表面積，該設定比表面積為2500~3500 m ²/g。

本發明復提出一種無熱再生方法，其步驟包含有：  吸附揮發性有機物質，一吸附單元係吸附揮發性有機物質；  脫附吸附單元，一水洗單元對該吸附單元進行洗滌或浸泡程序，以使該吸附單元脫附該揮發性有機物質；以及  乾燥吸附單元，一低濕氣流提供單元係提供一低濕氣流給經洗滌或浸泡程序後之該吸附單元，以乾燥該吸附單元。

於一實施例，該水洗單元係對該吸附單元以於一預定反覆循環次數且一預定脫附時間進行洗滌或浸泡程序；該低濕氣流提供單元係提供一低濕度氣流於一預定乾燥時間給已經過洗滌或浸泡程序之該吸附單元。

綜合上述，本發明之無熱再生系統及其方法，其可避免有機溶劑因加熱再生，高溫產生閃火燃燒之風險，同時亦可大幅降低以傳統氣體洗滌之廢水處理量。

另外，本發明之中空纖維材質具有設定比表面積為（2500~3500 m2/g），因此具有極高的吸附速率與脫附速率。於實際操作上，只要調整好氣流面速度、中空纖維材質或分子篩床體深度或是氣體停留時間等參數，即可簡單完成最佳化揮發性有機物質去除效率之控制，另外因為中空纖維材質具有中空結構，故壓損也較一般顆粒堆疊式吸附床低。而脫附再生過程係利用小量水洗方式進行，因此不需高溫作業程序，亦可大幅減少濕式氣體洗滌法所產生之廢水量。

以下係藉由特定的具體實施例說明本創作之實施方式，所屬技術領域中具有通常知識者可由本說明書所揭示之內容，輕易地瞭解本創作之其他優點與功效。

請配合參考第1圖所示，本發明係一種無熱再生系統之第一實施例，其包含有一吸附單元10、一水洗單元11與一低濕氣流提供單元12。

吸附單元10係耦接一廢氣系統（圖中未示）。吸附單元10為一雙塔式中空纖維材質之吸附床。中空纖維材質具有多孔性材料於纖維材質中。多孔性材料可為沸石、分子篩、矽膠、活性氧化鋁、金屬有機骨架、活性碳、碳分子篩或以上之組合。中空纖維材具有一設定比表面積，該設定比表面積為2500~3500 m ²/g。於本實施例，吸附單元10具有一中空纖維材質之第一吸附床100與一中空纖維材質之第二吸附床101。第一吸附床100係吸附來自廢氣系統之揮發性有機物質，該揮發性有機物質為異丙醇或水溶性揮發性有機化合物。待第一吸附床100所吸附之揮發性有機物質達到飽和後，廢氣系統係停止提供廢氣給第一吸附床100。廢氣系統係提供廢氣給第二吸附床101，以使第二吸附床101係吸附來自廢氣系統之揮發性有機物質。

水洗單元11係耦接吸附單元10。水洗單元11係以係洗滌或浸泡程序，以再生脫附吸附單元10所吸附的揮發性有機物質。若更進一步說明，若第一吸附床100所吸附之揮發性有機物質已達到飽和，則水洗單元11係以係洗滌或浸泡程序，以脫附第一吸附床100所吸附之揮發性有機物質，於此同時，第二吸附床101係吸附揮發性有機物質。

低濕氣流提供單元12係耦接吸附單元10。低濕氣流提供單元12係提供一低濕度氣流，以乾燥吸附單元10。低濕度氣流係小於30~60％相對溼度（Relative humidity，RH）。若更進一步說明，低濕氣流提供單元12係提供一低濕度氣流，以乾燥第一吸附床100。假若第一吸附床100已完成乾燥，且第二吸附床101所吸附之揮發性有機物質達到飽和，則第一吸附床100係再次吸附揮發性有機物質，第二吸附床101則進行上述之水洗單元11之洗滌或浸泡程序，以及低濕氣流提供單元12之乾燥的程序。

請配合參考第2圖所示，本發明係一種無熱再生系統之第二實施例，其包含有一吸附單元20、一水洗單元21與一低濕氣流提供單元22。

吸附單元20係耦接一廢氣系統（圖中未視）。吸附單元20為一轉輪式中空纖維材質之吸附輪200。該吸附輪200具有至少一吸附區201與至少一再生區202。廢氣系統係提供一廢氣給吸附輪200之吸附區201，以使吸附區200吸附廢氣中之揮發性有機物質，該揮發性有機物質為異丙醇或水溶性揮發性有機化合物。

水洗單元21係耦接吸附單元20。若上述之吸附區201所吸附之揮發性有機物質達到飽和，則吸附區201轉變為再生區202，水洗單元21係以於一預定反覆循環次數且一預定脫附時間洗滌或浸泡程序，以脫附再生區202之揮發性有機物質。並且廢氣系統係提供廢氣給另一吸附區201，而使另一吸附區201吸附揮發性有機物質。

低濕氣流提供單元22係耦接吸附單元20。低濕氣流提供單元22係提供一低濕度氣流於一預定乾燥時間給已經過洗滌或浸泡程序之再生區202，以乾燥再生區202。而當另一吸附區201所吸附之揮發性有機物質達到飽和，則另一吸附區201轉變為再生區202，並進行上述之水洗單元21之洗滌或浸泡，以及低濕氣流提供單元22之乾燥的程序。又一吸附區201係進行吸附揮發性有機物質之程序。

請配合參考第3圖所示，本發明係一種無熱再生方法，其步驟包含有：

步驟S1，吸附揮發性有機物質。為了便於論述，本發明係建置一小型無熱再生系統，並採用5×5×5cm之中空纖維材質，該中空纖維材質係可應用上述之無熱再生系統之第一實施例或第二實施例。揮發性有機物質為異丙醇，並以流量15 LPM （l/min），濃度為38~40 ppm（Parts Per Million，百萬分濃度），並以面速度0.1 m/s流入中空纖維材質。

步驟S2，脫附吸附單元。當通過中空纖維材質之揮發性有機物質的去除效率達到30％以下時，即對中空纖維材質進行洗滌或浸泡，該洗滌或浸泡程序係如上所述。於本實施例中，其係對中空纖維材質進行水洗之程序，該程序為中空纖維材質係以500 ml純水浸泡30~60分鐘，反覆循環3~5次，並藉由異丙醇易溶於水的特性，而使吸附於中空纖維材質的異丙醇溶解至純水中，進而達到中空纖維材質再生脫附之目的。

步驟S3，乾燥吸附單元。經過水洗後中空纖維材質，係利用低濕氣流持續吹乾180~240分鐘，待中空纖維材質乾燥後，即完成中空纖維材質的再生程序。

請配合參考第4圖所示，中空纖維以高溫脫附再生與水洗脫附再生後之吸附曲線比較圖。曲線A係利用高溫再生中空纖維材質；曲線B係經過一次水洗之中空纖維材質；曲線C為經過二次水洗之中空纖維材；曲線D為經過三次水洗之中空纖維材；曲線E為經過四次水洗之中空纖維材。如第4圖所示，經過本發明之無熱水洗乾燥再生程序與熱風再生程序之中空纖維材質，二者性能相近。

綜合上述，本發明之無熱再生系統及其方法，其可應用於操作環境限制較為嚴苛之半導體製程潔淨室內使用，並可避免有機溶劑因加熱再生，高溫產生閃火燃燒之風險，同時亦可大幅降低以傳統氣體洗滌之廢水處理量。

10‧‧‧吸附單元

100‧‧‧第一吸附床

101‧‧‧第二吸附床

11‧‧‧水洗單元

12‧‧‧低濕氣流提供單元

20‧‧‧吸附單元

200‧‧‧吸附輪

201‧‧‧吸附區

202‧‧‧再生區

21‧‧‧水洗單元

22‧‧‧低濕氣流提供單元

S1~S3‧‧‧步驟

A~E‧‧‧曲線

第1圖係本發明之一種無熱再生系統之第一實施例之示意圖。  第2圖係本發明之一種無熱再生系統之第二實施例之示意圖。  第3圖係本發明之一種無熱再生方法之流程圖。  第4圖係中空纖維以高溫脫附再生與水洗脫附再生後之吸附曲線比較圖。

10‧‧‧吸附單元

100‧‧‧第一吸附床

101‧‧‧第二吸附床

11‧‧‧水洗單元

12‧‧‧低濕氣流提供單元

Claims (6)

1. 一種無熱再生系統，其包含一雙塔式中空纖維材質之吸附床；一水洗單元，其係耦接該雙塔式中空纖維材質之吸附床；以及一低濕氣流提供單元，其係耦接該雙塔式中空纖維材質之吸附床；其中，該雙塔式中空纖維材質之吸附床係吸附一揮發性有機物質，該水洗單元係洗滌或浸泡程序，以脫附該雙塔式中空纖維材質之吸附床所吸附的該揮發性有機物質，該低濕氣流提供單元係提供一低濕氣流給經洗滌或浸泡程序後之該雙塔式中空纖維材質之吸附床，以乾燥該雙塔式中空纖維材質之吸附床。
2. 如申請專利範圍第1項所述之無熱再生系統，其中該雙塔式中空纖維材質之吸附床具有一中空纖維材質之第一吸附床與一中空纖維材質之第二吸附床。
3. 如申請專利範圍第2項所述之無熱再生系統，其中該中空纖維材質內具有多孔性材料吸附劑。
4. 如申請專利範圍第3項所述之無熱再生系統，其中該多孔性材材料吸附劑可為沸石、分子篩、矽膠、活性氧化鋁、金屬有機骨架、活性碳、碳分子篩或以上之組合；該中空纖維具有一設定比表面積，該設定比表面積為2500~3500m²/g。
5. 一種無熱再生方法，其步驟包含有： 吸附揮發性有機物質，一雙塔式中空纖維材質之吸附床係吸附揮發性有機物質；脫附該雙塔式中空纖維材質之吸附床，一水洗單元對該雙塔式中空纖維材質之吸附床進行洗滌或浸泡程序，以使該雙塔式中空纖維材質之吸附床脫附該揮發性有機物質；以及乾燥該雙塔式中空纖維材質之吸附床，一低濕氣流提供單元係提供一低濕氣流給經洗滌或浸泡程序後之該雙塔式中空纖維材質之吸附床，以乾燥該雙塔式中空纖維材質之吸附床。
6. 如申請專利範圍第5項所述之無熱再生方法，其中該水洗單元係對該雙塔式中空纖維材質之吸附床以於一預定反覆循環次數且一預定脫附時間進行洗滌或浸泡程序；該低濕氣流提供單元係提供該低濕度氣流於一預定乾燥時間給已經過洗滌或浸泡程序後之該雙塔式中空纖維材質之吸附床。

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