现代电子工业纯水设备的设计及其工艺

在电子工业产生对纯水的需要的同时，各种纯水设备在不停地发展。离子交换技术的不断进步，使大量地、经济地生产和运用纯水成为可能。而先前，纯水仅靠非常麻烦的多次蒸馏法来制取。

上世纪五十年代，纯水技术规范的基本要求仅基于：铜的含量小于20ppb和总溶解固体的含量上。用测量水的电阻率来估计水的纯度，仅基于 1MΩ.cm。当深井水不能直接使用时，需要在离子交换纯水设备之前添加一系列预处理装置。这些措施包括：混凝、脱气、砂过滤、氯化、活性碳过滤及最后的5μm保安过滤。

固体电路发明之后，随之而来的是硅片的微型化的发展。它们的生产对所使用的水产生了新的要求。对于水中颗粒与溶解性污染物应同样给予重视。对钠的ppb级浓度的规范已经作为一种基本要求。电阻率大于15 MΩ.cm(25℃) ，以至于大于18MΩ.cm(25℃)又成为对产品水的新的要求。这种新的要求的不断提出一直持续到今天。18.1MΩ.cm(25℃) 、18.2MΩ.cm(25℃)成为新的要求。评价电阻率的方法，用来估算水的纯度，该方法象换算当量一样重要。

颗粒产生的影响显得重要了，元件内的电路变得更小，亚微米级的颗粒也可能引起电路的短路。常常发现，即使18 MΩ.cm(25℃)的超纯水中也还存在许多引起大量次品的颗粒性物质。进一步加强预处理，预先沉淀悬浮固体和有机物，再软化加微过滤成了基本方法。幸好，反渗透及超滤纯水设备的出现使去除颗粒成为可能。

显然，在扩张的时代，18 MΩ.cm(25℃)以上的超纯水的生产并不容易。水中的有机物会不可逆的污染精处理系统，这种污染是由于交换器中的阴离子和原水中的有机物的溶解与解析所致。这方面已有许多研究成果，虽一些问题仍不明朗。

随着膜分离技术的发展，出现了许多有趣的设备：反渗透、超滤及EDI。

第一种叫反渗透纯水设备，其工艺采用了反渗透膜。膜具有连续的表面，水和其他非电解质可以被强迫通过，而离子流则受到限制。这种膜还有效的去除了颗粒和100 mol以上分子量的有机物。当然，实际上，由于密封的泄漏及膜上的漏孔，仍然有微量的污染物穿透到纯水中。使用反渗透系统时，除了需包括浊度控制系统外，常需在其前面增加软化器、水温控制器及PH控制系统等保护性系统，以保障其正常运行。

第二种叫超滤纯水设备，其不象反渗透那样完全限制离子。对其来说，离子可以通过膜，大多数胶体颗粒能被阻挡。超滤对去除颗粒很有效，但其不象反渗透那样去除有机物，也没有去除离子的能力。然而，超滤并不需要象反渗透那样的那种高压，前者只要30psi，而后者却要300-600psi。超滤的经济性和有效性使其在许多方面具有吸引力。对18 MΩ.cm(25℃)以上的超纯水或其他对颗粒有严格要求的场合，超滤是必不可少的。

第三种叫EDI设备(另一种形式称之为CDI)，这是一种新型的设备。EDI是ElectroDeIonizer的缩写。目前该设备还没有统一的中文名称。EDI的去离子的机制为离子交换技术的应用如下（以Na⁺代表阳离子，以Cl^-代表阴离子）：

R-OH+CL^- →R-CL+OH^-

R-H+Na⁺ →R-Na⁺+H⁺

但离子交换树脂使用后即饱和。因此，传统的离子交换树脂床须定期再生才可继续使用。事实上，EDI是利用电渗析之原理，来执行再生的一种去离子的设备。混合树脂中的阳离子在直流电场中，透过临近的阳离子交换树脂向负极移动，并透过阳离子交换膜迁入浓缩水道；阴离子在直流电场中，透过临近的阴离子交换树脂向正极移动，并透过阴离子交换膜迁入浓缩水道。直流电场解离水分子为H⁺和OH^-，直接不断地再生离子交换树脂；离子交换树脂的角色为去离子，并作为离子迁移的媒介。在直流电场的作用下，树脂一直保持于去离子及再生的状态。EDI常作为混合离子交换树脂床(混床)纯水设备的替代品，与混床相比其具有无污染的特性，常须采用反渗透(甚至二级反渗透)作为其前处理。

这些工艺可以以多种多样的方式与离子交换纯水设备组合，在工作场地安装后生产出直至18.2MΩ.cm 25℃)的超纯水。

鉴于纯水设备的结构、材料及控制细菌生长的需要，系统需恒定的循环，并配以紫外线杀菌器，使污染减到最小。紫外线杀菌器的安置位置取决于循环系统，通常装在初混床的下游，还常被装在精混床的上游，以控制细菌在混合离子交换树脂床内的生长。混合床前后常配备0.6μm、0.45μm或0.22μm微孔滤膜过滤器，以截留前级设备泄漏的碎片。

随着水质要求的不断提高，对起缓冲作用的水箱的要求也有了不断的提高。由带简单的呼吸器提高到氮封、恒温要求。对各种成份分析能力的提高，对有关纯水设备材料的材质要求不断提高。

二氧化碳对的影响早先仅局限于其对水质及PH的作用，当前已提高到其对产品物理化学性能的影响了。随脱碳(二氧化碳)膜的应用，微量二氧化碳可以被方便地去除。脱氧膜、脱TOC、除硅器等等的投入使用，使纯水设备达到了对水的成份的有效控制。

控制系统方面，自动控制水平不断提高。早期仅仅控制流量、压力、电阻率(电导率)。如今，随pH仪、ORP仪、钠表、浊度仪、硬度仪、溶氧仪、溶硅仪、COD仪、TOC仪、离子分析仪及细菌分析仪等在线检测仪器的使用，纯水设备控制系统正在向自我分析控制系统方向发展。 每个现代化的电子工厂都有一个以上的工业规模的水处理站。也许每分钟生产500-1000伽仑的纯水超纯水的水处理系统不再具有代表性。18MΩ.cm(25℃) 、18.1MΩ.cm(25℃)、 18.2MΩ.cm(25℃)所代表的纯水设备的水平已不再仅仅局限于电阻率的概念。水处理技术已由过滤、去离子时代，发展到水质成份控制的时代。

由于各个纯水设备所处地理位置不同，其的原水成份不仅相同；各个用户所生产的产品品种不仅相同，对纯水的水质要求也不相同；加上用户及其纯水设备供应商对水处理的认识以及经济条件的限制，各个水处理站的工艺流程也不仅相同。列出具有代表性的水处理站的工艺流程似乎失去了意义，在此不作赘述。

但是，纯水设备少不了其共性，即任何一套电子工业用纯水系统总包括如下组成：

强大的前处理段、高效的去离子段、稳定的后处理段、可靠的监测控制系统、实用的辅助系统、经济有效的废水处理系统与认真负责的管理系统。

这是电子工业用纯水设备的实际需要，也是它应有的设计理念。