摘要
研制的BW聚砜中空纖維超濾組件，在17~18MΩZ cm（25℃）超純水中運(yùn)行，電阻值下降＜0.5 MΩZ cm（25℃）,并可有效去除水中顆粒和細(xì)菌,已達(dá)到美Amicon公司生產(chǎn)80年代同類(lèi)產(chǎn)品水平。
關(guān)鍵詞： 中空纖維，超濾，超純水，應(yīng)用
前言
國(guó)外超純水生產(chǎn)中，已廣泛應(yīng)用了反滲透、超過(guò)濾和微孔過(guò)濾等膜分離技術(shù)以及精制混合床等技術(shù)，一般純水的電阻率能長(zhǎng)期穩(wěn)定在16~18 MΩZ cm（25℃），并能有效控制微粒和細(xì)菌數(shù)量。
中空纖維超濾組件是超純水制備裝置中關(guān)鍵設(shè)備之一，它可作為預(yù)處理手段，清除膠體和大分質(zhì)，以減輕這些雜質(zhì)對(duì)正向去離子化和反滲透的影晌，提高離子交換系統(tǒng)和反滲透單元出水質(zhì)量與再生經(jīng)濟(jì)效果；它也可用在終點(diǎn)過(guò)濾或中央系統(tǒng)的“精密器”上，以去除微粒、膠體、細(xì)菌和有機(jī)物。
實(shí)驗(yàn)和結(jié)果
中空纖維超濾膜
BW中空纖維超濾膜以聚砜（大連第一塑料廠生產(chǎn)，特性粘度為0.56）為膜材料，采用干噴-濕紡法紡絲技術(shù)紡制而成，其原理與平板膜相似，基于相轉(zhuǎn)化制膜機(jī)理[2,3]制得的中空纖維幾何尺寸為：外徑1.0mm，內(nèi)徑0.7mm。其結(jié)構(gòu)為雙排指狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)提供了良好的纖維自支撐性能，測(cè)得爆破壓力為1MPa。
采用不同分子量的球形蛋白質(zhì)，在DC-2超濾系統(tǒng)上進(jìn)行超濾膜的截留率試驗(yàn)，繪制了截留曲線，并與美國(guó)Amicon公司P系列膜進(jìn)行了對(duì)比（表1，圖1）。結(jié)果表明BW中空纖維超濾膜截留特性與美國(guó)Amicon公司的PM30超濾膜相近。
中空纖維超濾組件
BW中空纖維超濾組件殼體材料為聚砜，內(nèi)裝2000根中空纖維，兩端用環(huán)氧樹(shù)脂澆注密封，膜面積為4.4m2,外形尺寸為φ76×1092mm。中空纖維超濾組件透水性能試驗(yàn)采用美國(guó)Amicon公司D30PR-1型超濾系統(tǒng)。測(cè)定結(jié)果表明，BW中空纖維超濾組件在壓力0.1MPa、溫度25℃時(shí)，純水產(chǎn)量可過(guò)到2ml/（m2Z hZ Pa）以上，達(dá)到國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品水平（表2）。
表1 BW超濾膜截留性能與PM30膜比較
| 溶 質(zhì) | 分子量 | 截留率 | |
| BW | *PM30 | ||
| 核糖核酸酶 肌紅蛋白 α-糜蛋白 胃蛋白酶 卵白蛋白 血紅蛋白 牛血清白蛋白 人血清白蛋白 | 13700 17800 25000 35000 45000 64000 67000 67000 | 61 85 95 98 |
65 85
>95 ~100 ~100 |
* 此數(shù)據(jù)摘自“Hand Book of Separation
Tech. For Chem. Eng.” 圖1 BW中空纖維超濾膜截留曲線 表2 BW組件與國(guó)外組件透水性能比較
| 膜組件型號(hào) | 膜面積 （m2） | 操作壓力 （MPa） | 產(chǎn)水量 (l/h) (25℃) | 水透率 [ml/(m2Z hZ Pa) |
|
Romicon Gm80 Amicon H53P30-20 BW |
4.9 5.0 4.4 | 0.175 0.175 0.175 | 960 1800 1590 | 1.1 2.0 2.06 |
3、BW中空纖維超濾組件在超純水生產(chǎn)中應(yīng)用試驗(yàn)
（1）中科院半導(dǎo)體所試驗(yàn)結(jié)果 BW中空纖維超濾組件在中科院半導(dǎo)體所進(jìn)口超純水制備系統(tǒng)中進(jìn)行測(cè)試，其結(jié)果與國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品對(duì)比如表3、4。
表3 電阻率下降變化對(duì)比 表4 顆粒截留性能對(duì)比
| 種類(lèi) | 電阻率(MΩZ cm)(25℃) | ||||
| 超濾進(jìn)水 | 超濾出水 | ||||
| BW GM80 PM30 | 18.1 18.1 18.1 | 17.6 17.56 17.6 | |||
|
種類(lèi) |
顆粒（>1μm）（個(gè)/ml） | 截留率 | |||
| 超濾進(jìn)水 | 超濾出水 | （%） | |||
|
BW BW GM80 PM30 |
15.24 352.08 15.24 15.24 | 0.3 2.2 0.2 0.12 | 98.0 99.37 98.6 99.2 | ||
結(jié)果表明，BW中空纖維超濾組件其截留顆粒與電阻下降等指標(biāo)，均達(dá)到了國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品水平。
采用BW中空纖維超濾器的超濾出水進(jìn)行硅外延片沖洗對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表時(shí)，未使用BW超濾器前，鏡檢有10%的片子局部有水漬；使用后基本無(wú)水漬。未使用超濾器的片子外延后，約10%的片子局部的小丘密度達(dá)104/cm2；使用后小丘密度減至~102/cm2。這對(duì)改進(jìn)半導(dǎo)體材料是有明顯效果的，可做到無(wú)層錯(cuò)、無(wú)小丘的高完整的外延片。
| 測(cè)試項(xiàng)目 | 分析結(jié)果 | |
| 超濾 入口水 | 超濾 出口水 | |
|
Na（x10-9） SiO（x10-9） 微粒(φ>1μm)(個(gè)/ml) 電導(dǎo)率（μs/cm） 電阻率（MΩZ cm） 細(xì)菌（個(gè)/ml） |
0.29 4.7 19.0 0.058 17.24 23 | 0.34 3.2 0.76 0.059 16.95 0 |
鞍山半導(dǎo)體器件廠的一座高純水水站 采用4支φ76×1092mm的BW中空纖維超濾組件，于1989年3月正式運(yùn)行，至今運(yùn)行正常。裝置設(shè)計(jì)流量為5t/h，壓力在0~0.2MPa，并帶有化學(xué)清洗槽和清洗泵，可對(duì)膜進(jìn)行定期沖洗，其主要運(yùn)行數(shù)據(jù)如下：
（a）進(jìn)水壓力為0.15MPa；總進(jìn)水量為5.3t/h；出水量為5t/h；回流量為0.3t/h。
（b）正常生產(chǎn)時(shí)超濾進(jìn)出口電阻率：進(jìn)口：18 MΩZ cm(25℃), 出口：17.6 MΩZ cm(25℃); 進(jìn)口: 17.2MΩZ cm(25℃), 出口: 17.0 MΩZ cm(25℃)。
（c）顆粒截留性能
（2）中國(guó)華晶電子集團(tuán)公司試驗(yàn)結(jié)果 在中國(guó)華晶電子公司無(wú)錫742工廠引進(jìn)的超純水生產(chǎn)裝置中進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)，進(jìn)口水壓控制在0.1~0.11MPa，進(jìn)水電阻率約在17MΩZ cm(25℃)，此時(shí)壓力0.1MPa，25℃出水流量為1100L/h，表5結(jié)果表明，BW組件在高純水中進(jìn)行，電阻率下降＜0.5 MΩZ cm(25℃)，并可有效脫除微粒和細(xì)菌。
表5 BW組件水質(zhì)測(cè)試結(jié)果 （3）鞍山半導(dǎo)體器件廠應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果
水質(zhì)經(jīng)中科院半導(dǎo)體所分析，超濾進(jìn)水顆粒＞1μm為16.94個(gè)/ml；出水為0.31個(gè)/ml。
結(jié)論
1、采用干噴-濕紡紡絲技術(shù)，成功地紡制出聚砜中空纖維超濾膜其截留性能與美國(guó)Amicon公司的PM30膜相近。
2、BW中空纖維超濾組件在壓力0.1MPa、溫度25℃時(shí)，純水產(chǎn)水量已達(dá)到800~1000L/h，可在工作壓力0.2MPa、溫度60℃以下，pH值1~13條件下正常工作；超濾出水＞1μm顆粒小于1個(gè)/ml；在17~18 MΩZ cm(25℃)超純水中運(yùn)行，電阻率值下降＜0.5 MΩZ cm(25℃)；超濾出水用于外延片試驗(yàn)已見(jiàn)明顯效果。
3、實(shí)際應(yīng)用表明，BW中空纖維超濾組件已達(dá)到國(guó)外80年代同類(lèi)產(chǎn)品水平，可以取代和替換國(guó)外超濾組件。