专利名称：半导体制造工艺尾气处理设备的废水回收系统和方法
技术领域：
本发明是关于一种废水回收系统和方法，特别是关于一种半导体制造工艺尾 气处理设备的废水回收系统和方法。
背景技术：
在制造半导体的过程中，由于其制造程序复杂，所使用的化学成分相当多样化，因此产生的工艺尾气也相当复杂，包括酸气(例如氟化氮(HF)、氯化氬 (HC1)、硝酸(HN03)、硫酸(H2SCM和磷酸(H3P04)等)，碱气(例如氨气(NH3)),有 机溶剂(例如异丙醇(IPA)、丙酮、正己烷、环戊酮、丙二醇单曱基醚(PGME)和 丙二醇单甲基醚酯(PGMEA)等)，以及有毒气体(例如砷化氢(AsH3)、磷化氢(PH3)、 硅曱烷(SiH4)、 二氯硅烷(SiH2Cl2)、 二硼烷(B2H6)、三氟化硼(BF3)和四氟化硅(SiF4) 等)。为避免半导体在制造过程中产生的工艺尾气造成环境污染问题，因此在制 造设备末端设有工艺尾气处理设备，例如区域性废气处理设备(local scrubber; L/S)，先将工艺尾气中高浓度的气相污染物破坏处理，再排入后端的空气污染防 治设备，经该空气污染防治设备处理后才排放，以避免污染环境。常用的L/S 包括干式和湿式两种形式，干式L/S是利用吸附式触i某反应将污染物破坏去除， 湿式L/S则利用燃烧方式将污染物破坏后，再通过水洗涂的方式将污染物燃烧 后的产物清洗下来，因而产生大量的L/S废水。现在是使用逆渗透(RO)或超微 过滤(UF)等过滤机制处理L/S废水。然而经RO或UF过滤机制处理后的L/S废 水回收率仅达到60%至70%,且处理后的水质无法再提供给L/S使用，仅能提 供给其它对水质要求不高的设备使用或直接排放，因此必须提供大量的厂内用 水(facilities water)给湿式L/S使用，造成半导体厂用水的一大负担，例如湿式L/S 的用水量占了全厂总用水量的40%以上，导致水资源的浪费及成本的增加。此 夕卜，湿式L/S废水中的主要有机污染物为小分子量有机物，易使RO阻塞和结垢，也造成^f吏用上的不便。因此，业内期望一种使用方便且能使废水回收再利用的半导体制造工艺尾气 处理设备的废水回收系统和方法。发明内容本发明的目的在于提供一种半导体制造工艺尾气处理设备的废水回收系统 和方法。本发明提供了一种半导体制造工艺尾气处理设备的废水回收系统，其中包括第一储桶，连接所述半导体制造工艺尾气处理设备，用以收集经过该半导 体制造工艺尾气处理设备的废水；过滤装置，连接所述第一储桶，用以去除废 水中的微粒；氧化装置，连接所述过滤装置，用以氧化废水中的有机污染物； 离子交换装置，连接所述氧化装置，用以去除所述废水中的离子；以及第二储 桶，连接所述离子交换装置，用以收集所述废水经上述过滤装置、氧化装置和 离子交换装置后产生的回收水，以供所述半导体制造工艺尾气处理设备再利用。上述过滤装置包括反冲洗式滤网过滤装置或滤除粒径大于25微米微粒的装 置；其中所述氧化装置包括臭氧产生机，其用以产生臭氧；氧化反应槽，连 接所述臭氧产生机和所述过滤装置，其使得所述有机污染物与所述臭氧产生氧 化反应；触媒反应槽，连接所述氧化反应槽，其具有触媒，用以促进所述臭氧 的自由基反应以进一步氧化所述有机污染物；以及紫外线反应单元，连接所述 触媒反应槽，用以再次促进所述臭氧的自由基反应使该废水的总有机碳小于 0.5mg/L。所述离子交换装置用以去除所述废水中的氟离子。其中该回收水的体 积大于所述废水的体积的70%;优选大于所述废水的体积的90%。本发明所述的废水回收系统，还包括与所述臭氧产生机连接的纯氧气产生 机，用以产生纯氧供该臭氧产生机使用；与所述氧化反应槽连接的臭氧尾气处 理单元，用以分解残余的臭氧；介于所述臭氧产生机和所述氧化反应槽之间的 臭氧注入单元，用以将所述臭氧注入所述氧化反应槽；其中所述触媒包括金属触媒，例如氧化铁触媒。上述的废水回收系统还包括与所述第 一储桶连接的静态混合单元以混合过氧化氢、44性药剂和所述废水；以及耦接所述静态混合单元的添加单元以添加所述过氧化氢和所述^5成性药剂至所述静态混合单元中。本发明还提供一种半导体制造工艺尾气处理设备的废水回收方法，其为利 用上述半导体制造工艺尾气处理设备的废水回收系统来进行废水回收的方法，述废水中的许多微粒；进行氧化处理以氧化所述废水中的许多有机污染物；进 行离子交换处理以去除所述废水中的许多离子；以及产生回收水供所述半导体 制造工艺尾气处理设备再利用，其中回收水的体积大于所述废水的体积的70%。 其中上述的过滤处理包括将所述废水加压通过反冲洗式滤网过滤装置；所 述氧化处理包括下列步骤产生臭氧以氧化所述有机污染物，提供氧化铁触媒 来促进所述臭氧的自由基反应以进一步氧化所述有机污染物，以及利用紫外线 再次促进所述臭氧的自由基反应使所述废水的总有机碳小于0.5mg/L;其中还包 括在所述废水中添加过氧化氬和碱性药剂，和/或混合所迷废水、过氧化氬和碱 性药剂。上述回收方法还包括提供纯氧以供产生所述臭氧；将所述臭氧注入所述废 水；以及分解残余的臭氧。本发明利用过滤装置、氧化装置和离子交换装置来回收经过半导体制造工艺 尾气处理设备产生的废水，得到该尾气处理设备可以再使用的回收水，以降低 该尾气处理设备对厂内用水的需求量，达到降低成本和废水回收再利用的目的。
图1:本发明半导体制造工艺尾气处理设备的废水回收系统示意图； 图2:废水以不同设计基础进行氧化处理前、后的TOC变化图。 附图标号100 半导体制造工艺尾气处理设备的废水回收系统110半导体制造工艺尾气处理设备112储桶114加压泵116过滤装置120氧化装置122纯氣气产生机124臭氧产生机126静态混合单元128添力口单元130臭氧注入单元132氧化反应槽134紫外线反应单元136触i某反应槽138臭氣尾气处理单元140离子交换装置142储桶144厂内用水210 '-230 区域具体实施方式
图1为本发明半导体制造工艺尾气处理设备的废水回收系统100的示意图， 包括连接半导体制造工艺尾气处理设备110的储桶112,用以收集经过半导体制 造工艺尾气处理设备110的废水，例如悬浮固体(SS)小于40mg/L、导电度小于 700jis/cm、总有机碳(TOC)小于6mg/L以及氟离子浓度小于60mg/L的废水，储 桶112中的废水经加压泵114加压进入连接储桶112的静态混合单元126，添加 单元128耦接静态混合单元126以提供过氧化氢和碱性药剂，例如氢氧化钠溶 液(NaOH(eq))，至静态混合单元126，静态混合单元126混合该废水、过氧化氬和碱性药剂，使该废水的酸碱度为碱性，例如pH-7-8，接着酸碱度为碱性的废 水通过连接静态混合单元126的过滤装置116,以去除该废水中的微粒降低SS。 由于该废水中的微粒粒径分布广，包括粒径0.1-1000微米(Mm)的微粒，因此过 滤装置116以能去除大粒径微粒的过滤装置为主，例如全自动反沖洗式滤网25 微米过滤装置，使粒径大于25微米的微粒的去除率达到99%;氧化装置120连 接过滤装置116,用以氧化该废水中的有机污染物降低TOC，离子交换装置140 连接氧化装置120，用以去除该废水中的离子降低导电度，以及储桶142连接离 子交换装置140，用以收集该废水经过滤装置116、氧化装置120和离子交换装 置140后产生的回收水。该回收水达到供给半导体制造工艺尾气处理设备110 使用的7jc质标准，例如SS小于2mg/L、导电度小于200 n s/cm、TOC小于0.5mg/L 以及氟离子浓度小于5mg/L，且该回收水的体积大于该废水体积的70%，优选 大于90%,以供半导体制造工艺尾气处理设备110再使用，使半导体制造工艺 尾气处理设备IIO对厂内用水144的需求量下降。参照图2,区域210、 220及230分别表示以臭氧(03)/过氧化氬(11202)、臭 氧/紫外线(UV)以及臭氧/触媒/紫外线为设计基础对该废水进行氧化处理时，在 碱性环境下，例如pH-7-8，该废水在氧化处理前、后的TOC变化，其中每一位 置代表一组参数。在区域210或220中，该废水经臭氧/过氧化氢或臭氧/紫外线 的处理后，其T0C仅能减少至5mg/L附近，即使改变臭氧/过氧化氢或臭氧/紫 外线之间的参数，仍无法使TOC再降低。而在区域230中，通过选择适当的触 媒和调整臭氧、触媒和紫外线之间的参数，该废水经臭氧/触媒/紫外线的处理后， 其TOC可减少至lmg/L，其中，该触媒(也称为催化剂)包括金属触媒，例如 氧化铁触媒。此外，由于臭氧具有极强的氧化能力(其还原电位为2.07V),在水 中易受氬氧根离子(OH—)、紫外线、过氧化氢或触^ 某的催化产生还原电位更高的 氢氧自由基(OH)(其还原电位为2.80V)，因此臭氧在废水中与有机污染物的反应 包括臭氧直接氧化废水中有机污染物的直接臭氧化作用(direct ozonaton)，以及氬 氧自由基与废水中有机污染物进行氧化反应的自由基臭氧化作用(radicalozonation)两类，且自由基臭氧化作用的反应速率常数大于直接臭氧作用的反应 速率常数。因此，本发明的氧化装置120以臭氧/触媒/紫外线为设计基础，且使 废水在包含过氧化氢的碱性环境下进入氧化装置120，达到以最低的成本得到最 小TOC的目的，如图1所示，氧化装置120包括纯氧气产生机122，其用以产 生纯氧来供与其连接的臭氧产生机124使用以产生臭氧，臭氧产生机124产生 的臭氧经臭氧注入单元130注入与臭氧产生机124和过滤装置116连接的氧化 反应槽132中，以便与该废水进行氧化反应，臭氧尾气处理单元138连接氧化 反应槽132，其具有触媒，用以吸收和氧化氧化反应槽132中残余的臭氧，避免 残余的臭氧对环境造成污染，触媒反应槽136连接氧化反应槽132,其具有触媒， 用以促进臭氧的自由基反应途径，以及紫外线反应单元134连接触媒反应槽136， 其用以再次促进臭氧的自由基反应途径，使该废水的TOC达到供给半导体制造 工艺尾气处理设备110使用的7jc质标准，例如TOC小于0.5mg/L，其中，触媒 反应槽136中的触i某包括金属触々某，例如氧化铁触^ 某。离子交换装置140连接 紫外线反应单元134，其还包括阳离子交换树脂塔，用以去除该废水中的阳离 子态污染物，脱气塔，用以去除该废水中的碳酸，以及阴离子交换树脂塔，用 以去除该废水中的阴离子态污染物，以大幅降低该废水中的导电度和氟离子浓 度。参照图1，经过半导体制造工艺尾气处理设备110的废水收集在储桶112中， 经加压泵114加压进入静态混合单元126中，与添加单元128提供的过氧化氮 和碱性药剂混合，使该废水中含有过氧化氢且为碱性，例如pH-7-8，呈碱性的 废水经过滤装置116进行过滤处理以去除该废水中的微粒，例如粒径大于25微 米的微粒，去除微粒后的废水进入氧化反应槽132，臭氧产生机124产生的臭氧 经臭氧注入单元130注入氧化反应槽132与去除微粒后的废水进行氧化反应， 通过该废水中的过氧化氢和氢氧根离子促进臭氧的自由基反应途径，使该废水 中的液相有机污染物分解成中间产物(例如有机酸)、二氧化碳、水和无害的盐类， 氧化反应槽132中残留的臭氧经过臭氧尾气处理单元138，利用触媒吸收和氧化原理，将残余的臭氧反应破坏后排出，以避免造成环境的污染，经过氣化反应槽132的废水进入触媒反应槽136，通过金属触媒(例如氧化铁触媒)和臭氧作用 产生自由基反应进一步氧化该废水中的有机污染物和经过氧化反应槽132产生 的中间产物(例如有机酸)，经过触媒反应槽136的废水进入紫外线反应单元134， 藉由紫外线和臭氧作用产生自由基反应，更进一步将该废水中的有机污染物和 经过氧化反应槽132与触媒反应槽136所产生的中间产物(例如有机酸)氧化为二 氧化碳和水，使该废水的TOC达到供给半导体制造工艺尾气处理设备110使用 的水质标准，例如TOC小于0.5mg/L,经过紫外线反应单元134的废水进入离 子交换装置140,利用阴阳离子交换树脂去除该废水中的离子，以降低该废水的 导电度和氟离子浓度，产生回收水储存在储桶142中，以供给半导体制造工艺 尾气处理设备110 4吏用，由于回收水的体积可以达到大于废水体积的90%,亦 即回收率大于90%,因此大量减少了半导体制造工艺尾气处理设备110对厂内 用水144的需求量，达到降低成本和废水回收再利用的目的。本发明藉由提供过氧化氢和碱性药剂，使废水中含有过氧化氢且为碱性后， 再利用臭氧对废水中的有机污染物进行氧化，以促进臭氧的自由基反应，有效 提升氧化有机污染物的能力，并且利用紫外线再一次促进臭氧的自由基反应， 进一步氧化废水中的有机污染物及中间产物(例如有机酸)，以及利用金属触媒 (例如氧化铁触媒)又一次促进臭氧的自由基反应分解废水中的有机污染物和中 间产物(例如有机酸)，使废水中的有机污染物完全氧化，因此可根据废水的性质， 选择触媒的种类和调整过氧化氢、碱性药剂、臭氧、紫外线和触媒之间的参数， 以最低的成本去除废水中的有机污染物，达到最大的经济效益。
权利要求
1. 一种半导体制造工艺尾气处理设备的废水回收系统，其特征在于包括第一储桶，连接所述半导体制造工艺尾气处理设备，用以收集经过该半导体制造工艺尾气处理设备的废水；过滤装置，连接所述第一储桶，用以去除所述废水中的微粒；氧化装置，连接所述过滤装置，用以氧化所述废水中的有机污染物；离子交换装置，连接所述氧化装置，用以去除所述废水中的离子；以及第二储桶，连接所述离子交换装置，用以收集所述废水经上述过滤装置、氧化装置及离子交换装置后产生的回收水，以供所述半导体制造工艺尾气处理设备再利用。
2. 如权利要求1所述的废水回收系统，其中所述过滤装置包括反冲洗式滤 网过滤装置。
3. 如权利要求1所述的废水回收系统，其中所述过滤装置包括滤除粒径大 于25微米微粒的装置。
4. 如权利要求1所述的废水回收系统，其中所述氧化装置包括 臭氧产生机，用以产生臭氧；氧化反应槽，连接所述臭氧产生机和所述过滤装置，使有机污染物与臭氧 产生氧化反应；触媒反应槽，连接所述氧化反应槽，具有触媒，用以促进臭氧的自由基反 应以进一步氧化有机污染物；以及紫外线反应单元，连接所述触媒反应槽，用以再次促进臭氧的自由基反应， 使该废水的总有机碳小于0.5mg/L。
5. 如权利要求4所述的废水回收系统，还包括与所述臭氧产生机连接的純 氧气产生机以产生纯氧供该臭氧产生机使用。
6. 如权利要求4所述的废水回收系统，还包括与所述氧化反应槽连接的臭氧尾气处理单元，用以分解残余的臭氧。
7. 如权利要求4所述的废水回收系统，还包括介于所述臭氧产生机和所述氧化反应槽之间的臭氧注入单元，用以将臭氧注入所述氧化反应槽。
8. 如权利要求4所述的废水回收系统，其中所述触媒包括金属触媒。
9. 如权利要求8所述的废水回收系统，其中所述金属触媒包括氧化铁触媒。
10. 如权利要求1所述的废水回收系统，还包括与所述第一储桶连接的静态 混合单元，以混合过氧化氢、碱性药剂和所述废水。
11. 如权利要求10所述的废水回收系统，还包括耦接所述静态混合单元的 添加单元以添加过氧化氬和碱性药剂至所述静态混合单元中。
12. 如权利要求11所述的废水回收系统，其中所述碱性药剂包括氩氧化纳。
13. 如权利要求1所述的废水回收系统，其中所述离子交换装置用以去除所 述废水中的氟离子。
14. 如权利要求1所述的废水回收系统，其中所述回收水的体积大于所述废 水的体积的70%。
15. 如权利要求1所述的废水回收系统，其中所述回收水的体积大于所述废 水的体积的90%。
16. —种利用权利要求1所述的半导体制造工艺尾气处理设备的废水回收 系统进行废水回收的方法，其包括下列步骤粒;进行氧化处理，以氧化所述废水中的有机污染物；以及 进行离子交换处理，以去除所述废水中的离子；以及 产生回收水，以供所述半导体制造工艺尾气处理设备再利用。
17. 如权利要求16所述的废水回收的方法，其中所述的过滤处理包括将所 述废水加压通过反沖洗式滤网过滤装置。
18. 如权利要求16所述的废水回收的方法，其中所述氧化处理包括下列步骤产生臭氧以氧化所述有机污染物；提供氧化铁触媒来促进所述臭氧的自由基反应以进一步氧化所述有机污染 物；以及利用紫外线再次促进所述臭氧的自由基反应使所述废水的总有机碳小于 0.5mg/L。
19. 如权利要求18所述的废水回收的方法，其中还包括提供纯氧以供产生 所述臭氧。
20. 如权利要求18所述的废水回收的方法，其中还包括分解残余的臭氧。
21. 如权利要求18所述的废水回收的方法，其中还包括将所述臭氧注入所 述废水中。
22. 如权利要求16所述的废水回收的方法，其中还包括在所述废水中添加 过氧化氢和碱性药剂。
23. 如权利要求22所述的废水回收的方法，其中还包括混合所述废水、过 氧化氢和碱性药剂。
全文摘要
本发明提供了一种半导体制造工艺尾气处理设备的废水回收系统和方法，包括将经过该半导体制造工艺尾气处理设备的废水通过过滤装置以去除该废水中的微粒，还包括氧化装置以氧化该废水中的有机污染物，以及离子交换装置以去除该废水中的离子，以产生回收水供该半导体制造工艺尾气处理设备再使用，达到废水回收再利用的目的。
文档编号C02F1/42GK101239759SQ200710005518
公开日2008年8月13日 申请日期2007年2月9日 优先权日2007年2月9日
发明者卢宗隆, 商能洲, 张朝谦 申请人:锋霈企业股份有限公司