WO2014010075A1 - 超純水製造装置 - Google Patents

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    • C02F2103/346—Nature of the water, waste water, sewage or sludge to be treated from industrial activities not provided for in groups C02F2103/12 - C02F2103/32 from semiconductor processing, e.g. waste water from polishing of wafers

Definitions

  • the present invention relates to an ultrapure water production apparatus, and more particularly to an ultrapure water production apparatus provided with a primary pure water system having a reverse osmosis membrane separation device (RO device).
  • RO device reverse osmosis membrane separation device
  • ultrapure water used as a semiconductor cleaning water is an ultrapure water composed of a pretreatment system 1 ′, a primary pure water system 2 ′, and a subsystem (secondary pure water system) 3 ′. It is produced by treating raw water (industrial water, city water, well water, used ultrapure water (hereinafter referred to as “recovered water”), etc.) discharged from a semiconductor factory with a pure water production apparatus.
  • raw water industrial water, city water, well water, used ultrapure water (hereinafter referred to as “recovered water”), etc.
  • the pretreatment system 1 ′ comprising agglomeration, pressurized flotation (precipitation), filtration (membrane filtration) apparatus, etc., suspended substances and colloidal substances in raw water are removed. In this process, it is possible to remove high molecular organic substances, hydrophobic organic substances and the like.
  • ions and organic components in raw water are removed.
  • the reverse osmosis membrane separation apparatus removes salts and ionic and colloidal TOC.
  • the ion exchange apparatus removes salts and removes the TOC component adsorbed or ion exchanged by the ion exchange resin.
  • inorganic carbon (IC) and dissolved oxygen (DO) are removed.
  • the purity of the pure water obtained by the primary pure water system 2 ′ is further increased to ultrapure water.
  • the low-pressure ultraviolet oxidizer TOC is decomposed into an organic acid and further to CO 2 by ultraviolet rays having a wavelength of 185 nm emitted from a low-pressure ultraviolet lamp.
  • Organic substances and CO 2 produced by the decomposition are removed by an ion exchange resin in the subsequent stage.
  • the ultrafiltration membrane separation device the fine particles are removed, and the outflow particles of the ion exchange resin are also removed.
  • the reverse osmosis membrane separation device of the primary pure water system is arranged on the front stage side and the last stage part, but it may be installed in two stages in series.
  • a pretreatment system that treats city water, industrial water, etc.
  • a lean wastewater collection system that treats lean wastewater such as semiconductor manufacturing process wastewater.
  • lean wastewater such as semiconductor manufacturing process wastewater.
  • the reverse osmosis membrane separation device when the reverse osmosis membrane separation device is installed in two stages in this way, the installation space increases and the operation management of the device becomes complicated. That is, in the ultrapure water production plant of the semiconductor manufacturing plant, depending on the scale, for example, 4 to 40 reverse osmosis membrane separation devices in the first stage of the primary deionized water system are installed in parallel, and the second stage. Reverse osmosis membrane separation devices of the same degree are installed in parallel, and the number of reverse osmosis membrane separation devices installed is extremely large, increasing the equipment cost and running cost of reverse osmosis membrane separation devices, and installing them The area is also large.
  • the object of the present invention is to solve the above-mentioned conventional problems and to provide an ultrapure water production apparatus in which the number of reverse osmosis membrane separation apparatuses is small.
  • the ultrapure water production apparatus of the present invention includes a primary pure water system and a subsystem for treating treated water of the primary pure water system, and at least the primary pure water system is provided with a reverse osmosis membrane separation device.
  • the reverse osmosis membrane separation device installed in the primary pure water system is a high-pressure reverse osmosis membrane separation device and is installed in a single stage.
  • the high-pressure reverse osmosis membrane separation device a standard operating pressure 5.52MPa or more, pure water flux 0.5m 3 / m 2 ⁇ D or more in a standard operating pressure, NaCl removal rate 99.5% (NaCl32000mg / L) or more It is preferable to have characteristics.
  • the apparatus of the present invention may further include a pretreatment system for treating raw water, and the treated water of the pretreatment system may be sequentially treated by the primary pure water system and the subsystem.
  • the TDS (totally soluble substance) of water supplied to the high-pressure type reverse osmosis membrane separation device may be 1500 mg / L or less.
  • the membrane surface effective pressure of the high-pressure reverse osmosis membrane separator is preferably 1.5 to 3 MPa.
  • High-pressure type reverse osmosis membrane separation devices are conventionally used in seawater desalination plants.
  • effective membrane surface pressure primary side pressure and secondary side pressure
  • the pressure difference is used as a high pressure of about 5.52 MPa.
  • this high-pressure reverse osmosis membrane separation device is installed in a single stage (first stage) in the primary pure water system of the ultrapure water production apparatus.
  • reverse osmosis membranes for seawater desalination have a high organic matter removal rate because the molecular structure of the skin layer that contributes to desalting and organic matter removal is dense.
  • the salt concentration of raw water is high, and the osmotic pressure increases accordingly. Therefore, in order to ensure the amount of permeated water, the effective membrane surface pressure is 5.5 MPa or more.
  • the salt concentration of raw water applied to a general RO membrane in the electronics industry is low, and the TDS (totally soluble substance) is 1500 mg / L or less.
  • the osmotic pressure is low, a sufficient permeated water amount is obtained at a membrane surface effective pressure of only 2 to 3 MPa, and the water quality of the permeated water is the same as that of the conventional reverse osmosis membrane (ultra-low pressure RO membrane, Compared to low-pressure RO membrane).
  • the raw water is preferably processed sequentially by the pretreatment system 1, the primary pure water system 2 and the subsystem 3 to produce ultrapure water.
  • a high-pressure reverse osmosis membrane separation device is installed in a single stage as an osmosis membrane separation device (RO device).
  • the high-pressure type reverse osmosis membrane separation device is a reverse osmosis membrane separation device conventionally used for seawater desalination, having a standard operating pressure of 5.52 MPa or more, and at a standard operating pressure, a pure water flux of 0.5 m 3 / m 2 ⁇ D or more, NaCl removal rate of 99.5% (NaCl 32000 mg / L) or more.
  • This NaCl removal rate is the removal rate at 25 ° C. with respect to a NaCl aqueous solution having a NaCl concentration of 32000 mg / L.
  • the specifications of the reverse osmosis membrane catalog (including technical data) are indicated by the membrane manufacturer, and it can be determined as a catalog value whether it is a high pressure type, a low pressure type or an ultra low pressure type.
  • This high-pressure type reverse osmosis membrane has a finer skin layer on the membrane surface than the low-pressure or ultra-low pressure type reverse osmosis membrane used in the primary pure water system of conventional ultrapure water production equipment. Therefore, the high-pressure type reverse osmosis membrane has an extremely high organic matter removal rate although the amount of permeated water per unit operating pressure is lower than that of the low-pressure type or ultra-low pressure type reverse osmosis membrane.
  • TDS totally soluble substance
  • the membrane surface effective pressure (primary side and secondary side is preferably about 1.5 to 3 MPa, particularly preferably about 2 to 3 MPa. It is possible to secure the same amount of water as the low pressure type or ultra low pressure type reverse osmosis membrane. As a result, it is possible to obtain treated water quality and treated water equivalent to the conventional two-stage RO with only one-stage RO membrane treatment, and the number of membranes, vessels, and piping can be reduced accordingly, resulting in low cost and space saving. It becomes.
  • the membrane shape of the reverse osmosis membrane is not particularly limited, and may be any of 4 inch RO membrane, 8 inch RO membrane, 16 inch RO membrane and the like, for example, spiral type, hollow core type.
  • raw water is treated by a pretreatment system 1 and supplied to a primary pure water system 2.
  • a lean wastewater treatment system (not shown) is installed in parallel with the pretreatment system 1, and this lean system is used.
  • the treated water of the waste water treatment system may also be supplied to the primary pure water system.
  • Example 2 The same electronic device factory effluent as in Experiment 1 was filled with an ultra-low pressure RO membrane (ES-20: manufactured by Nitto Denko), and the RO recovery rate was 75% for the previous stage, the RO recovery rate was 90%, and the total water recovery rate Water was passed under the condition of 73% (the latter stage RO concentrated water merged with the first stage RO feed water).
  • the TOC concentration of the first-stage RO permeated water was 1.35 mg / L
  • the TOC concentration of the second-stage RO permeated water was 0.9 mg / L.
  • the effective pressure on the film surface was 0.5 MPa at the first stage and 0.75 MPa at the second stage.
  • the primary pure water system of the existing flow ultrapure water production apparatus shown in FIG. 2 is installed as a single high-pressure type reverse osmosis membrane separation apparatus as shown in FIG.
  • an effective pressure of 2.0 MPa ultrapure water with the same water quality as before (2nd stage RO, 1st stage membrane surface effective pressure 0.5 MPa, 2nd stage membrane surface effective pressure 0.75 MPa was obtained. It was confirmed that it was produced with almost the same production water volume.

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Description

超純水製造装置
　本発明は超純水製造装置に係り、特に逆浸透膜分離装置（ＲＯ装置）を有する一次純水システムを備えた超純水製造装置に関する。
　従来、半導体洗浄用水として用いられている超純水は、図２に示すように前処理システム１’、一次純水システム２’、サブシステム（二次純水システム）３’から構成される超純水製造装置で、原水（工業用水、市水、井水、半導体工場から排出される使用済み超純水（以下「回収水」と称す。）等）を処理することにより製造される。図２において各システムの役割は次の通りである。
　凝集、加圧浮上（沈殿）、濾過（膜濾過）装置などよりなる前処理システム１’では、原水中の懸濁物質やコロイド物質の除去を行う。この過程では高分子系有機物、疎水性有機物などの除去も可能である。
　逆浸透膜分離（ＲＯ）装置、脱気装置及びイオン交換装置（混床式又は４床５塔式など）を備える一次純水システム２’では、原水中のイオンや有機成分の除去を行う。なお、逆浸透膜分離装置では、塩類を除去すると共に、イオン性、コロイド性のＴＯＣを除去する。イオン交換装置では、塩類を除去すると共にイオン交換樹脂によって吸着又はイオン交換されるＴＯＣ成分の除去を行う。脱気装置では無機系炭素（ＩＣ）、溶存酸素（ＤＯ）の除去を行う。
　低圧紫外線酸化装置、イオン交換純水装置及び限外濾過膜分離装置を備えるサブシステム３’では、一次純水システム２’で得られた純水の純度をより一層高めて超純水にする。低圧紫外線酸化装置では、低圧紫外線ランプより出される波長１８５ｎｍの紫外線によりＴＯＣを有機酸、さらにはＣＯ２まで分解する。分解により生成した有機物及びＣＯ２は後段のイオン交換樹脂で除去される。限外濾過膜分離装置では、微粒子が除去され、イオン交換樹脂の流出粒子も除去される。
　図２では、一次純水システムの逆浸透膜分離装置が前段側と最後段部とに配置されているが、直列に２段に設置することもある。図２では、前処理システムが１系統のみ設置されているが、市水、工水等を処理する前処理システムと、半導体製造工程排水などの希薄系排水を処理する希薄系排水回収システムとを並列設置することもある。
特許３４６８７８４号公報
　従来、超純水製造システムの一次純水あるいは排水回収システムにおいては、有機物濃度を低減する目的から、ＲＯ分離装置を直列で２段通水する２段ＲＯ方式が主として採用されている。処理対象となる原水が工業用水、水道水、井戸水あるいは塩類負荷の低い希薄系排水であることから、標準運転圧力０．７５ＭＰａ、純水フラックス２５ｍ３／ｍ２・Ｄ／本（８インチ）以上である超低圧ＲＯ膜、あるいは標準運転圧力１．４７ＭＰａ、純水フラックス２５ｍ３／ｍ２・Ｄ／本（８インチ）以上である低圧ＲＯ膜を用いるのが一般的であった。
　しかしながら、このように逆浸透膜分離装置を２段に設置すると、設置スペースが増大すると共に、装置運転管理が煩雑化する。即ち、半導体製造工場の超純水製造プラントでは、規模にもよるが、一次純水システムの第１段目の逆浸透膜分離装置として例えば４～４０個を並列設置し、第２段目にこれと同程度の逆浸透膜分離装置を並列設置しており、逆浸透膜分離装置の設置数が極めて多いものとなっており、逆浸透膜分離装置の設備コスト及びランニングコストが嵩むと共に、設置面積も大きいものとなっている。
　本発明は、上記従来の問題点を解決し、逆浸透膜分離装置の設置数が少ない超純水製造装置を提供することを目的とする。
　本発明の超純水製造装置は、一次純水システムと、該一次純水システムの処理水を処理するサブシステムとを備え、少なくとも該一次純水システムに逆浸透膜分離装置が設けられている。該一次純水システムに設置された逆浸透膜分離装置は、高圧型逆浸透膜分離装置であり、且つ単段にて設置されている。
　前記高圧型逆浸透膜分離装置は、標準運転圧力５．５２ＭＰａ以上、標準運転圧力における純水フラックス０．５ｍ３／ｍ２・Ｄ以上、ＮａＣｌ除去率９９．５％（ＮａＣｌ３２０００ｍｇ／Ｌ）以上の特性を有することが好ましい。
　本発明装置は、さらに、原水を処理する前処理システムを有し、該前処理システムの処理水が前記一次純水システム及びサブシステムで順次処理されてもよい。前記高圧型逆浸透膜分離装置への給水のＴＤＳ（全溶解性物質）が１５００ｍｇ／Ｌ以下であってもよい。
　前記高圧型逆浸透膜分離装置の膜面有効圧力が１．５～３ＭＰａであることが好ましい。
　高圧型逆浸透膜分離装置は、従来より海水淡水化プラントに用いられているものであり、塩分濃度の高い海水を逆浸透膜処理するために膜面有効圧力（１次側圧力と２次側圧力との差）を５．５２ＭＰａ程度の高圧として使用されている。
　本発明では、この高圧型逆浸透膜分離装置を超純水製造装置の一次純水システムに単段（１段）に設置する。一般に、海水淡水化用逆浸透膜は、脱塩や有機物除去に寄与するスキン層の分子構造が緻密であるため、有機物除去率が高い。海水淡水化においては、原水の塩類濃度が高く、これに伴い浸透圧が高くなるため、透過水量を確保するには、膜面有効圧力が５．５ＭＰａ以上となる。一方、電子産業分野における一般的なＲＯ膜に適用する原水の塩類濃度は低く、ＴＤＳ（全溶解性物質）が１５００ｍｇ／Ｌ以下である。このような原水においては、浸透圧が低く、膜面有効圧力わずか２～３ＭＰａ程度で十分な透過水量を得、かつ上述のごとく透過水の水質は、従来の逆浸透膜（超低圧ＲＯ膜、低圧ＲＯ膜）に比べ格段と向上する。
　このように一次純水システムに高圧型逆浸透膜分離装置を単段設置することにより、逆浸透膜分離装置の設置数が従来の２段設置の場合に比べて半分となり、逆浸透膜分離装置の設置スペースが半減すると共に、設備コスト、運転管理コストもほぼ半減する。
本発明の超純水製造装置の実施の形態の一例を示す系統図である。 従来の超純水製造装置を示す系統図である。
　以下に、本発明の超純水製造装置の実施の形態を詳細に説明する。
　本発明においては、図１に示すように、原水を好ましくは前処理システム１、一次純水システム２及びサブシステム３で順次処理して超純水を製造するに当たり、一次純水システム２に逆浸透膜分離装置（ＲＯ装置）として高圧型逆浸透膜分離装置を単段にて設置する。
　高圧型逆浸透膜分離装置は、従来、海水淡水化に用いられている逆浸透膜分離装置であり、標準運転圧力５．５２ＭＰａ以上であり、標準運転圧力において、純水フラックス０．５ｍ３／ｍ２・Ｄ以上、ＮａＣｌ除去率９９．５％（ＮａＣｌ３２０００ｍｇ／Ｌ）以上の特性を有する。このＮａＣｌ除去率は、ＮａＣｌ濃度３２０００ｍｇ／ＬのＮａＣｌ水溶液に対する２５℃における除去率である。逆浸透膜のカタログ（技術資料を含む）には、膜メーカーよりスペック表示がなされており、高圧型であるか低圧型又は超低圧型であるかはカタログ値として判別できる。
　この高圧型逆浸透膜は、従来の超純水製造装置の一次純水システムに用いられている低圧又は超低圧型逆浸透膜に比べて膜表面のスキン層が緻密となっている。そのため、高圧型逆浸透膜は低圧型又は超低圧型逆浸透膜に比べて単位操作圧力当りの膜透過水量は低いものの有機物除去率は極端に高い。ＴＤＳ（全溶解性物質）１５００ｍｇ／Ｌ以下の塩類濃度の給水を逆浸透膜処理する場合においては、回収率９０％時の運転条件下で逆浸透膜にかかる浸透圧は最大１．０ＭＰａ程度である。従って、ＴＤＳ１５００ｍｇ／Ｌ以下の給水の処理に高圧型逆浸透膜分離装置を用いた場合、好ましくは１．５～３ＭＰａ、特に好ましくは２～３ＭＰａ程度の膜面有効圧力（１次側と２次側との圧力差）で、低圧型又は超低圧型逆浸透膜と同程度の水量を確保することが可能となる。その結果、１段ＲＯ膜処理のみで従来の２段ＲＯと同等の処理水水質・処理水量を得ることが可能となり、それに伴い膜本数、ベッセル、配管が削減でき低コスト、省スペース化が可能となる。
　逆浸透膜の膜形状は、特に限定されるものではなく、例えばスパイラル型、中空子型等、４インチＲＯ膜、８インチＲＯ膜、１６インチＲＯ膜などのいずれでもよい。
　図１では、原水を前処理システム１で処理して一次純水システム２に供給しているが、この前処理システム１と並列に希薄系排水処理システム（図示略）を設置し、この希薄系排水処理システムの処理水も一次純水システムに供給するようにしてもよい。この場合、図１のフローにおいて、一次純水システム２の前段にタンクを設置し、このタンクに前処理システム１からの処理水と希薄系排水の処理水とを流入させるのが好ましい。
＜実験例１＞
　電子デバイス工場排水（電気伝導率１００ｍＳ／ｍ、ＴＤＳ６００ｍｇ／Ｌ、ＴＯＣ１０ｍｇ／Ｌ）を１段のみ設置された高圧型逆浸透膜分離装置（ＲＯ膜はＳＷＣ４＋：日東電工製。運転圧力５．５２ＭＰａにおけるフラックス２４．６ｍ３／ｍ２・Ｄ、ＮａＣｌ除去率９９．８％（ＮａＣｌ３２０００ｍｇ／Ｌ））に回収率７３％の条件で通水した。その結果、透過水のＴＯＣは０．８５ｍｇ／Ｌとなった。膜面有効圧力は２．０ＭＰａであった。
＜実験例２＞
　実験例１と同じ電子デバイス工場排水を、超低圧ＲＯ膜（ＥＳ－２０：日東電工製）を充填した２段ＲＯ装置に前段ＲＯ回収率７５％、後段ＲＯ回収率９０％、全体水回収率７３％の条件（後段ＲＯ濃縮水は前段ＲＯ給水に合流）で通水した。その結果、第１段目ＲＯ透過水のＴＯＣ濃度は１．３５ｍｇ／Ｌ、第２段目ＲＯ透過水のＴＯＣ濃度は０．９ｍｇ／Ｌとなった。膜面有効圧力は１段目０．５ＭＰａ、２段目０．７５ＭＰａであった。
　この実験例１，２より、高圧型逆浸透膜分離装置単段通水と超低圧型逆浸透膜分離装置の２段通水とで、同等の水質の透過水が得られることが認められた。また、実験例２において、第１段目ＲＯ透過水のＴＯＣ濃度は１．３５ｍｇ／Ｌと高く、超低圧型逆浸透膜分離装置の単段設置ではＴＯＣ及びＴＤＳの除去が高圧型逆浸透膜分離装置よりも低いことが認められた。
　そこで、上記高圧型逆浸透膜分離装置を用い、図２に示す既存のフローの超純水製造装置の一次純水システムを図１のように高圧型逆浸透膜分離装置単独設置とし、膜面有効圧力を２．０ＭＰａとして運転したところ、従前（２段ＲＯ。１段目の膜面有効圧力０．５ＭＰａ、２段目の膜面有効圧力０．７５ＭＰａ）と同様の水質の超純水がほぼ同生産水量にて製造されることが認められた。
　本発明を特定の態様を用いて詳細に説明したが、本発明の意図と範囲を離れることなく様々な変更が可能であることは当業者に明らかである。
　なお、本出願は、２０１１年５月２５日付で出願された日本特許出願（特願２０１１－１１７１４２）に基づいており、その全体が引用により援用される。

Claims (4)

  1. 　一次純水システムと、該一次純水システムの処理水を処理するサブシステムとを備え、少なくとも該一次純水システムに逆浸透膜分離装置が設けられている超純水製造装置において、該一次純水システムに設置された逆浸透膜分離装置が高圧型逆浸透膜分離装置であり、且つ単段にて設置されていることを特徴とする超純水製造装置。
  2. 　請求項１において、前記高圧型逆浸透膜分離装置は、標準運転圧力５．５２ＭＰａ以上、標準運転圧力における純水フラックス０．５ｍ３／ｍ２・Ｄ以上、ＮａＣｌ除去率９９．５％（ＮａＣｌ３２０００ｍｇ／Ｌ）以上の特性を有することを特徴とする超純水製造装置。
  3. 　請求項１又は２において、原水を処理する前処理システムを有し、該前処理システムの処理水が前記一次純水システム及びサブシステムで順次処理される超純水製造装置であって、前記高圧型逆浸透膜分離装置への給水のＴＤＳが１５００ｍｇ／Ｌ以下であることを特徴とする超純水製造装置。
  4. 　請求項１ないし３のいずれか１項において、前記高圧型逆浸透膜分離装置の膜面有効圧力が１．５～３ＭＰａであることを特徴とする超純水製造装置。
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