DE4125541C2 - Anlage zum Reinigen von Wasser - Google Patents

Description

Diese Erfindung betrifft eine Anlage zum Reinigen von Wasser. Genauer ausgedrückt betrifft diese Erfindung eine Anlage zur Herstellung von ultrareinem Wasser, das als Spülwasser für integrierte Schaltungen mit sehr hoher Integrationsdichte (VLSI) und dergleichen benutzt wird.

Eine große Menge an reinem bzw. ultrareinem Wasser wird in der elektronischen Industrie verwendet. Weil der Integrationsgrad von integrierten Schaltungen mit hoher Integrationsdichte (LSI) zunimmt, gibt es ein immer größeres Erfordernis für eine hohe Reinheit von ultrareinem Wasser. Eine Ionenaustauscheinheit, ein Ultraviolett-Sterilisator, ein Patronenfilter, eine reverse Osmoseeinheit (nachfolgend mit "RO" bezeichnet), eine Ultrafiltermembran sowie andere Komponenten wurden bisher zusammen in einer Vielstufenstruktur kombiniert, um so ultrareines Wasser herzustellen.

Fig. 4 stellt ein Fließschema dar, welches Schritte zeigt, durch die Wasser durch eine konventionelle Wasserreinigungsanlage behandelt wird. Ausgangs- bzw. Rohwasser wird in einem Rohwasserbehälter 1 aufgenommen, und dann werden suspendierte Feststoffe in dem Rohwasser durch einen Koagulationsfilter 2 entfernt. Ein Koagulationsmittel wie Polyaluminiumchlorid wird zu dem Rohwasser hinzugegeben. Das Rohwasser, welches durch den Koagulationsfilter 2 behandelt ist, wird dann in einem Behälter 3 für gefiltertes Wasser gelagert. Danach entfernt eine sogenannte Ionenaustauscheinheit vom Zwei-Bett-Drei-Turm-Typ, die sich aus einem Kationenaustauschturm 4, einem Decarbonisierungsturm 5 und einem Anionenaustauschturm 6 zusammensetzt, Ionen aus dem gefilterten Wasser. Der Kationenaustauschturm 4 entfernt ebenso wie der Anionenaustauschturm 6 feine Partikel und organische Substanzen aus dem Wasser. Das Wasser, das durch den Anionenaustauschturm 6 behandelt worden ist, wird vorübergehend in einem Behälter 7 für behandeltes Wasser gelagert und dann durch einen Wärmeaustauscher 8, einen Ultraviolett-Sterilisator 9 und einen Sicherheitsfilter 10 geleitet, bevor es zu einer RO-Einheit 11 geführt wird. Das Wasser wird mit Hilfe der RO-Einheit 11 behandelt und in einem Behälter 12 für mit Hilfe von RO behandeltes Wasser gelagert. Eine Mischbett-Ionenaustauscheinheit 13 entfernt dann die restlichen Ionen aus dem Wasser, wodurch sich ein Widerstand von Wasser von 10 Megaohm × cm oder mehr ergibt. Das Wasser wird entweder seinem Verwendungszweck zugeführt oder zu einem Poliersystem weitergeleitet, um ultrareines Wasser zu erzeugen.

Die konventionelle Wasserreinigungsanlage ist wie oben beschrieben konfiguriert. Die RO-Einheit 11 ist eine Membran mit einer Porengröße von mehreren Angström und entfernt Ionen, feine Teilchen, Pilze, organische Substanzen mit hohem Molekulargewicht und kolloide Substanzen wie kolloides Siliziumdioxid, die allesamt im Wasser vorhanden sind. Die RO-Einheit 11 ist aus einer dünnen Membran hergestellt und wird unter einem hohen Druck von 0,98 bis 2,94 MPa [10 bis 30 Kg/cm²] betrieben. Daher gelangen einige der oben erwähnten Substanzen durch die RO-Einheit 11 hindurch, wodurch sich der Anteil der Entfernung an kolloiden Substanzen insbesondere vermindert.

In der letzten Zeit wurden kolloide Substanzen wie kolloides Siliziumdioxid, kolloides Metall und kolloide organische Substanzen zu einem sehr ernsthaften Problem, wenn Spülwasser mit hoher Reinheit für VLSI- und ULSI-Einheiten hergestellt werden soll. Die so aufgebaute, konventionelle Wasserreinigungsanlage weist bei der Entfernung von kolloiden Substanzen aus dem Wasser Schwierigkeiten auf.

Weiterhin offenbart US-A-4 836 929 ein Verfahren zur Reinigung von Wasser, das aus den folgenden Schritten besteht:

• (i) Elektrolyse von Wasser in einer elektrochemischen Zelle, die mit einem Festelektrolyten, einem Anodenraum und einem Kathodenraum versehen ist, zur Bildung von Ozon im Anodenraum und Wasserstoff im Kathodenraum;
• (ii) Umsetzung des Wassers mit dem Ozon während hinreichender Zeit zum Abbau von organischen Substanzen und Mikroben im Wasser, so daß ein ozonbehandeltes Wasser erhalten wird;
• (iii) Exposition dieses ozonbehandelten Wassers an ultraviolette Strahlung und
• (iv) Inkontaktbringen dieses bestrahlten Wassers mit einem Teil des im Kathodenraum erzeugten Wasserstoffs oder mit extern zugeführtem Wasserstoff zum Abbau von Sauerstoff oder Ozon. Nach dem Reduktionsschritt kann das Wasser durch einen Mischbettionenaustauscher und durch einen RO-Filter geleitet und in einem Tank aufgenommen werden. Das Verfahren kann auch mit ultravioletter Strahlung alleine oder mit O₂ und O₃ Abbau durch H₂ alleine ausgeführt werden.

Handbuch Wasser, 5. Auflage, Vulkan-Verlag Essen, 1979, Seite 169, offenbart Membranen auf Celluloseacetat- und Polyamidbasis insbesondere zur Anwendung bei der Umkehrosmose.

DE-U1-81 11 288 offenbart allgemein Einrichtungen zur Durchführung verfahrenstechnischer Prozesse, insbesondere auch Prozesse zur Abwasserreinigung, mittels hintereinander geschalteten und vertikal übereinander angeordneten Behältern mit vorgeschaltetem Filter, die als Module ausgebildet sind. Die Module können mit voneinander unterschiedlichen Substanzen und/oder verfahrenstechnischen Baugruppen befüllt werden.

Weiterhin offenbart US-A-4 759 849, daß ein zu reinigendes Wasser, das einer RO-Einheit zugeführt wird, zuvor mit Ozon behandelt werden kann.

Keine dieser Veröffentlichungen spricht jedoch das Problem der Entfernung von kolloidalen Substanzen aus Wasser an.

Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die oben angesprochenen Probleme zu lösen. Es ist daher ein Ziel dieser Erfindung, eine Anlage sowie ein Verfahren zum Reinigen von Wasser zur Verfügung zu stellen, mit deren Hilfe kolloide Substanzen effektiv entfernt werden können, die nicht durch eine RO-Einheit oder durch die anderen Membranen entfernt werden können.

Um diese Aufgabe zu lösen, wird entsprechend einem Aspekt dieser Erfindung eine Wasserreinigungsanlage zur Verfügung gestellt, die die aufeinanderfolgenden Elemente umfaßt:

• - einen Koagulationsfilter (2)
• - eine erste Ionenaustauschereinheit (4)-(6)
• - eine Ozonbehandlungseinheit (14), die der Ionenaustauschereinheit nachgeschaltet ist
• - einen Aktivkohleturm (15)
• - eine zweite Ionenaustauschereinheit (13)
• - einen Wärmeaustauscher (8)
• - einen Ultraviolettsterilisator (9) und
• - eine reverse Osmosemembraneinheit (11).

Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 6.

Gemäß einem zweiten Aspekt dieser Erfindung wird eine solche Anlage zur Entfernung von kolloidalen Substanzen aus Wasser verwendet.

Diese Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen noch detaillierter beschrieben. In den Figuren zeigt:

Fig. 1 ein Fließschema, welches die Schritte darstellt, durch die Wasser durch eine Wasserreinigungsanlage entsprechend einem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung behandelt wird;

Fig. 2 einen schematischen Schnitt durch einen Ozonbehandlungsturm;

Fig. 3 ein Fließschema, welches Schritte darstellt, durch die Wasser durch die Wasserreinigungsanlage gemäß einem anderen Beispiel dieser Erfindung behandelt wird; und

Fig. 4 ein Fließschema, welches Schritte darstellt, durch die Wasser durch die konventionelle Wasserreinigungsanlage behandelt wird.

Fig. 1 ist ein Fließschema, welches Schritte darstellt, durch die Wasser durch eine Wasserreinigungsanlage entsprechend einem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung behandelt wird. Die Komponenten oder die Schritte, die mit den Bezugszeichen 1 bis 13 in Fig. 1 bezeichnet sind, sind die gleichen Komponenten oder Schritte, wie sie bei der konventionellen Wasserreinigungsanlage verwendet werden. Wasser, das durch einen Anionenaustauschturm 6 behandelt ist, wird in einem Behälter 7 für entionisiertes Wasser gelagert und wird dann in einen Ozonbehandlungsturm 14 für die Oxidation eingeführt. Das Problem bei der konventionellen Wasserreinigungsanlage liegt darin, daß einige kolloide Substanzen in Wasser selbst durch eine RO-Einheit 11 hindurchgehen, die die kleinste Porengröße aufweist. Aus diesem Grund wird der Ozonbehandlungsturm 14, der für eine der Oxidation verwendet wird, so vorgesehen, daß er nicht nur die kolloiden Substanzen in feste, feine Oxidteilchen umwandelt, sondern daß ebenfalls organische Substanzen mit geringem Molekulargewicht zu organischen Säuren und Kohlensäure oxidiert werden.

Fig. 2 stellt einen schematischen Schnitt durch einen Ozonbehandlungsturm dar. Das zu behandelnde Wasser wird durch ein Wassereinführrohr 21 in einen Reaktionsbehälter 22 geleitet. Das durch einen Ozonisator (nicht dargestellt) erzeugte Ozon wird in den Reaktionsbehälter 22 durch ein Ozonzuführrohr 26 eingeführt und wird dann durch ein Ozonverteilungsrohr 27, welches mit dem Ende des Ozonzuführrohres 26 verbunden ist, eingeblasen. Das Wasser, welches durch das Ozon nachdrücklich oxidiert worden ist, wird durch ein Reaktionsbehälter-Auslaßrohr 23 geleitet und in einem Behälter 24 für mit Ozon behandeltes Wasser gelagert, bevor es durch einen Auslaß 25 für mit Ozon behandeltes Wasser herausgelassen wird. Das noch unumgesetzte Ozon verläßt das System nach außen durch ein Ozonauslaßrohr 28. Während der Ozonbehandlung kann Wasserstoffperoxid in den Reaktionsbehälter 22 zugegeben werden, um dadurch die kolloiden Substanzen weiter zu oxidieren, was die Wirksamkeit eines solchen Verfahrens noch verbessert.

Da Ozon im Wasser gelöst wird, das durch Ozon oxidiert wurde, können Ionenaustauschharze durch Oxidation zerstört werden, wenn das Wasser direkt zu einer Mischbett-Ionenaustauscheinheit 13 geführt wird. Aus diesem Grund wird das Wasser in die Mischbett-Ionenaustauscheinheit 13 geführt, nachdem entweder ein Aktivkohleturm 15 zum Zersetzen von Ozon oder ein Reduktionsmittel wie NaHSO₃ zur Entfernung von Ozon verwendet worden ist. Die Ozonbehandlung wandelt die kolloiden Substanzen in oxidierte, feste, feine Partikel um, wodurch die Anzahl der feinen Partikel zunimmt, die die RO-Einheit 11 verstopfen. Die Mischbett-Ionenaustauscheinheit 13 wird in diesem Behandlungsschritt eingeführt, da sie verhindert, daß die RO-Einheit 11 verstopft. Nachdem die Mischbett-Ionenaustauscheinheit 13 die feinen Partikel entfernt hat, wird das behandelte Wasser der RO-Einheit 11 zugeführt. Da die Mischbett-Ionenaustauscheinheit 13 ebenfalls organische Säuren und Kohlensäure entfernt, die durch die Ozonbehandlung erzeugt wurden, wird der Gehalt an gesamtem organischen Kohlenstoff in Wasser vermindert.

Das Wasser, das durch die Mischbett-Ionenaustauscheinheit 13 behandelt worden ist, wird dann durch einen Wärmeaustauscher 8 und andere Komponenten geleitet und wird durch die RO-Einheit 11 behandelt. Da Ozon in dem vorhergehenden Schritt verwendet wird, wird eine reverse Osmosemembran, die oxidationsresistent ist, vorzugsweise eine, die aus einem aromatischen Polyamidharz oder Celluloseazetatharz hergestellt ist, als RO-Einheit 11 verwendet, um zu verhindern, daß sie wegen der Oxidation über verlängerte Zeitspannen hinweg zerstört wird. Die RO-Einheit 11 entfernt die festen, feinen Oxidteilchen, die nicht durch die Mischbett-Ionenaustauscheinheit 13 entfernt wurden, ebenso wie organische Substanzen mit verhältnismäßig hohem Molekulargewicht,die nicht durch die Ozonbehandlung oxidiert wurden.

Die folgende Tabelle zeigt die Qualität von reinem Wasser, das durch die erfindungsgemäße Wasserreinigungsanlage erhalten wird.

Tabelle

Wenn die Ozonbehandlung durchgeführt wird, findet eine ungefähre Verdoppelung der feinen Teilchen, die jeweils eine Größe von 0,07 µm oder mehr aufweisen, in dem Wasser bei dem Einlaß in die Mischbett-Ionenaustauscheinheit von 26 000 auf 51 000 Teilchen pro ml statt. Der nicht flüchtige Rest verbleibt auf der anderen Seite gleich, nämlich bei 1000 ppb. Aus diesem Grund wird angenommen, daß die Ozonbehandlung die kolloiden Substanzen in feste, feine Oxidpartikel umgewandelt hat. Der nicht-flüchtige Rest dient als Index für die Anzahl der kolloiden Substanzen, was die Gesamtmenge der kolloiden Substanzen und der feinen Teilchen anzeigt. Der nicht-flüchtige Rest in dem Wasser bei dem Auslaß der RO-Einheit nimmt um eine 10er Potenz von 100 ppb auf 10 ppb ab. Die Anzahl der kolloiden Substanzen vermindert sich drastisch und das Wasser wird zehnmal so rein wie das Wasser, das durch die übliche Anlage und ein übliches Verfahren erhältlich ist.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel werden der Ozonbehandlungsturm, die Mischbett-Ionenaustauscheinheit und die RO-Einheit alle an einer Stelle installiert, bei der Wasser eingeführt wird, nachdem es durch eine Ionenaustauscheinheit vom Zweibett-Drei-Turm-Typ behandelt worden ist. Die Ionenaustauscheinheit kann aber auch irgendwo installiert werden, beispielsweise an einer Stelle, wo das Wasser eingeführt wird, nachdem es durch den Aktivkohleturm 15 behandelt worden ist, wie es in Fig. 3 gezeigt ist. Anstelle der Mischbett-Ionenaustauscheinheit kann ebenfalls eine Ionenaustauscheinheit vom Zweibett-Drei-Turm-Typ verwendet werden. Diese beiden Arten von Ionenaustauscharten können ebenfalls zusammen verwendet werden. Ein zusätzlicher Anionenaustauschturm kann verwendet werden.

Claims (8)

1. Anlage zur Reinigung von Wasser, umfassend die aufein­ anderfolgenden Elemente:

• - einen Koagulationsfilter (2)
• - eine erste Ionenaustauschereinheit (4)-(6)
• - eine Ozonbehandlungseinheit (14), die der Ionenaustauschereinheit nachgeschaltet ist
• - einen Aktivkohleturm (15)
• - eine zweite Ionenaustauschereinheit (13)
• - einen Wärmeaustauscher (8)
• - einen Ultraviolettsterilisator (9) und
• - eine reverse Osmosemembraneinheit (11).

2. Anlage gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Ionenaustauschereinheit (4)-(6) ein Ionenaustauscher vom Zweibett-Drei-Turm-Typ ist.

3. Anlage gemäß einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Ionenaustauschereinheit (13) ein Ionenaustauscher vom Zweibett-Drei-Turm-Typ ist.

4. Anlage gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die reverse Osmosemembran eine oxidationsbeständige Membran ist.

5. Anlage gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran aus einem Harz, ausgewählt aus einem aromatischen Polyamidharz und Celluloseacetatharz, gefertigt ist.

6. Anlage gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Ionenaustauschereinheit (13) ein Mischbettionenaustauscher ist.

7. Verwendung einer Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Entfernung von kolloidalen Substanzen aus Wasser.

8. Verwendung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Umwandlung von kolloidalen Stoffen die Zugabe von Wasserstoffperoxid zum Wasser zur weiteren Oxidation der kolloidalen Substanzen einschließt.