JP2005021805A - 排水処理方法及び排水処理システム - Google Patents

Abstract

【課題】シリコン屑を含むシリコン加工排水を濾過処理する際のフィルタの目詰まりを抑制する。薬剤による処理水の汚染を防止する。
【解決手段】シリコン加工工場１から排出されるシリコン加工排水を原水タンク２に送る。原水タンク２で炭酸ガス注入手段３を用いてシリコン加工排水に炭酸ガスを注入する。炭酸ガスが注入されたシリコン加工排水をフィルタ８へ送り、濾過水を濾過水タンク９を経てシリコン加工工場１へ戻す。未処理水の一部を原水タンク２へ戻し、攪拌に使用する。残りの未処理水を遠心分離機１１で遠心分離処理し、処理水を原水タンク２へ戻す。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコンの研削加工、研磨加工等で生じるシリコン加工排水からシリコン屑を除去するための排水処理方法及び排水処理システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコンデバイスの素材であるシリコン単結晶の製造方法としてはＣＺ法が多用されている。ＣＺ法により育成されたシリコン単結晶は多種多用な機械加工を受けてウエーハとされる。例えば、単結晶の育成ロッドは先ず外面を研削され、取り扱いが容易な所定長さのカットロッドに切断されてから、ウエーハを採取するためのスライス加工に供される。
【０００３】
育成ロッドの外面研削及び切断では、潤滑剤（研削水）として上水や純水、あるいは工業用水を濾過した処理水などが使用される。このシリコン加工で発生する加工排水はシリコンの微細粉からなる多量のシリコン屑を含んでいるため、放流するにしても再使用するにしても、排水中のシリコン屑を除去する必要があり、その一つの方法としてフィルタによる濾過処理がある。
【０００４】
シリコン加工排水を濾過処理する場合の問題点として、濾過膜の表層に固形分が付着しやすく、短期間で濾過能力が低下することがある。この問題のために、フィルタの二次側から圧力水を流すことにより、付着物を剥離させる、いわゆる逆洗処理が頻繁に行われる。しかしながら、逆洗処理を頻繁に行っても濾過膜が目詰まりを起こし、しばしばフィルタの薬液洗浄が必要となる。
【０００５】
シリコン加工排水の濾過処理における目詰まりの問題を解決する技術として、その加工排水を濾過処理前に酸性側へｐＨ調整することが特許文献１に記載されている。
【０００６】
【特許文献１】
特許第３３１５９７１号公報
【０００７】
フィルタの目詰まり防止に酸性側へのｐＨ調整が有効な理由は以下のように考えられる。シリコン含有排水中では次の２つの反応が進む。一つは水中のシリコンが水酸化物イオンと反応し、水素ガスの発生を伴って珪酸イオンを生成する化学式１の反応である。二つ目は、珪酸イオンが水中で縮合重合することによりコロイド状の高分子となって析出し、膜面に付着する化学式２の反応である。そして、コロイド状の高分子析出物は、その性状からして非常に目詰まりを起こしやすい。
【０００８】
【化１】
Ｓｉ＋２ＯＨ⁻ ＋Ｈ_２ Ｏ→ＳｉＯ_３ ^２−＋２Ｈ_２ ↑
【０００９】
【化２】
ｎＳｉＯ_３ ^２−＋ｍＨ_２ Ｏ＋ｎＭ^２＋→（−ＳｉＯＨ−）^ｎ ・ｎＭ↓
【００１０】
ここで、Ｍ^２＋は金属イオンを表し、Ｎａ^＋ イオンの場合、反応生成物は可溶性になることが多く、それ以外の例えばＣａ^２＋などが存在すると、反応生成物は直ちに析出を始めると考えられている。したがって、上水などに含まれるアルカリ土類金属などの不純物イオンは化学式２の反応を促進し、コロイド状析出物の生成を顕著にすると考えられる。また、不純物イオンが少ない場合でも、ケイ酸イオンの濃度が高くなると化学式２の析出反応が顕著になると考えられる。しかしながら、シリコン含有排水のｐＨが低下すると、化学式１の反応、即ちシリコンと水酸化イオン（ＯＨ⁻ ）との反応が抑制される。その結果、コロイド状析出物の生成が抑制されることなる。
【００１１】
即ち、シリコン加工排水のｐＨが中性から弱酸性に管理されることにより、コロイド状析出物の生成が抑制される。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１に記載されたｐＨ調整によると、目詰まりしやすいコロイド状高分子析出物の生成が抑制されることにより、フィルタの薬液洗浄周期の大幅延長が可能になる。そして、ｐＨ調整用の薬剤として塩酸、硫酸、硝酸が示されている。しかしながら、これらの薬剤を使用した場合、処理水中に薬剤イオンが残り、処理水が汚染される。このため、処理水をリサイクル水として加工工場で再使用する場合には、薬剤イオンを除去するためのイオン交換膜などが必要になり、設備コスト運転コストの増大を余儀なくされる。
【００１３】
処理水を再使用せず放流する場合でも薬剤イオンの残留は問題である。シリコン加工排水中から固形物（シリコン微粉）を回収して市販するような場合は、製品の汚染を防ぐために薬剤を使用することさえ許されない。
【００１４】
本発明の目的は、シリコン加工排水の濾過処理において、残留が問題となる薬剤を使用することなく、濾過膜の目詰まりを効果的に抑制できる排水処理方法及び排水処理システムを提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明者はシリコン加工排水の酸性化に関し、塩酸や硫酸、硝酸などの薬剤添加に代わる手段について検討した。その結果、炭酸ガスの注入が有効なことを知見した。即ち、シリコン加工排水中に炭酸ガスを注入すると、化学式３の反応が進行し、ｐＨが５〜６まで下がる。このような弱酸性下では、シリコンと水酸化イオンによる化学式１の反応が抑制されることにより、目詰まりしやすいコロイド状高分子析出物の生成が抑制される。加えて、化学式３の反応は可逆反応である。このため、平衡状態に達すると、それ以上にｐＨが低下しない。つまり、炭酸は過剰に添加されず、残留の心配がない。このため、処理水をリサイクル水として加工工場で再使用する場合にあっても、薬剤イオンを除去するためのイオン交換膜などの設備が不要である。
【００１６】
【化３】

【００１７】
また、本発明者はシリコン加工排水を濾過するフィルタの濾過能力について調査検討した。その結果、シリコン加工排水中におけるシリコン屑の除去に関しては、窒化珪素フィルタが濾過能力及び耐久性の点から好適であることが判明し、合わせてその窒化珪素フィルタの目詰まり防止に関しても、前記炭酸ガスの注入が有効なことが明らかになった。
【００１８】
本発明はかかる知見を基礎として完成されたものであり、その排水処理方法は、シリコン屑を含むシリコン加工排水をフィルタで濾過処理する前に、該シリコン加工排水に炭酸ガスを気泡状態で注入するものである。
【００１９】
また本発明の排水処理システムは、シリコン加工工場で発生するシリコン屑混入のシリコン加工排水を溜める原水タンクと、原水タンク内のシリコン加工排水に炭酸ガスを気泡状態で注入する炭酸ガス注入手段と、原水タンク内で炭酸ガスの注入を終えたシリコン加工排水を濾過処理するフィルタとを具備している。
【００２０】
本発明の排水処理方法及び排水処理システムにおいては、シリコン屑を含むシリコン加工排水をフィルタで濾過処理する前に、該シリコン加工排水に炭酸ガスを注入することにより、シリコン加工排水中に炭酸ガスが溶解し、シリコン加工排水がｐＨ５〜６程度の弱酸性に管理される。これにより、フィルタの目詰まりの原因となるコロイド状高分子析出物の生成が抑制され、目詰まりが抑制される。
【００２１】
フィルタ内の濾過膜を透過した濾過水については、その濾過水をシリコン加工に再使用することができる。その場合にあっても、濾過水に薬剤が残留しないので、薬剤イオンを除去するためのイオン交換膜などの設備が不要である。なお、濾過水中のＳｉＯイオンなどの濃縮を抑制するために少量の純水などを混合させてもよい。
【００２２】
フィルタ内の濾過膜を透過しない未処理水については、炭酸ガス注入部、即ち原水タンクに戻したり、あるいは配管内を再循環させて、フィルタへの循環を継続するが、その際、所定の濃縮倍率が維持されるように未処理水の一部又は全部を抜き取り、遠心分離処理に回すのがよい。その理由は、未処理水の膜循環を継続すると、徐々にシリコン加工排水中のシリコン屑の濃縮倍率が上がり、フィルタでの目詰まりや配管内の閉塞の要因となるからである。ただし、濃縮倍率を小さくし過ぎると、遠心分離による固液分離効率が低下することから、所定濃度以上の倍率を確保することが有効である。
【００２３】
未処理水の一部を遠心分離することにより、フィルタの負担が軽減されると共に、シリコン加工排水から固形分（シリコン微粉）の回収が可能になる。
【００２４】
遠心分離処理を終えた処理水は、フィルタより上流側、特に炭酸ガス注入部、即ち原水タンクへ還流させるのがよい。この処理水は又、系外、例えば自然界に放流するための排水処理設備等に送ってもよい。この場合、遠心分離処理によって処理水中のＳｉＯイオン等のイオン濃縮を抑制されるので、排水処理設備への処理負担を軽減することができる。
【００２５】
炭酸ガス注入部へ還流させた未処理水については、該注入部でのシリコン加工排水の攪拌に使用するのが望ましい。これにより、格別の攪拌装置なしで炭酸ガス注入部、即ち原水タンクでの固形分の沈殿濃縮が防止されると共に、シリコン加工排水と炭酸ガスの接触効率が向上する。
【００２６】
フィルタについては窒化珪素フィルタが好ましい。窒化珪素フィルタは多孔質窒化珪素膜を濾過膜とするフィルタである。多孔質窒化珪素膜（Ｓｉ_３ Ｎ_４ ）は、独特の微細針状組織（長さ数μｍ程度）を有することから、高気孔率（５０％程度）で高強度であり、高強度であることから厚みを例えば０．１〜０．５ｍｍと薄くすることもできる。このため、透過流量を多くでき、非常に高効率である。この高効率なフィルタの目詰まりの防止に、原水への炭酸ガス注入は特に有効である。
【００２７】
炭酸ガスの注入量は処理水１ｍ^３ ／ｈｒあたり１．５〜１５ｇ／ｈｒの範囲内が望ましい。これが少なすぎるとフィルタでの目詰まりが十分に抑制されない。多すぎる場合はシリコン加工排水からのガス放出量が増加し、経済性が悪化する炭酸ガスの注入圧力については０．０４〜０．４ＭＰａの範囲内で選択することが望ましい。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態を示す排水処理システムの構成図である。
【００２９】
本実施形態の排水処理システムは、シリコン加工工場１から排出されるシリコン加工排水の浄化処理に使用される。シリコン加工工場１は、ＣＺ法により育成されたシリコン単結晶の外面研削、ロッド切断を行う。本実施形態の排水処理システムでは、これらの研削加工で使用する潤滑剤（切削水）として純水が用いられる。使用後のシリコン屑（シリコン微粉）を含む純水がシリコン加工排水である。
【００３０】
シリコン加工工場１から排出されるシリコン加工排水は、原水タンク２に送られ溜められる。原水タンク２は炭酸ガス注入手段３を装備している。原水タンク２内のシリコン加工排水中に炭酸ガスを注入する炭酸ガス注入手段３は、ボンベ４内に充填された炭酸ガスを流量コントローラ５を介して原水タンク２内の排水中に浸漬された注入ヘッド６に供給する構成になっている。注入ヘッド６は樹脂系材料からなる多孔質チューブであり、ボンベ４から供給される炭酸ガスを多数の微細な気泡にして原水タンク２内の排水中に注入する。
【００３１】
炭酸ガスを注入された原水タンク２内のシリコン加工排水は、ポンプ７によりフィルタ８に供給される。フィルタ８は窒化珪素フィルタであり、導入されたシリコン加工排水の約９３％を多孔質窒化珪素膜に透過させて濾過処理する。窒化珪素膜を透過した濾過水は濾過水タンク９に溜められる。
【００３２】
フィルタ８内の窒化珪素膜を透過せずにフィルタユニットを素通りした未処理水の一部は原水タンク２に戻され、タンク内の噴出ヘッド１２からタンク内の排水中へ噴出される。噴出ヘッド１２は、送られてくる未処理水をタンク内の排水中へ勢い良く噴出してその排水を攪拌する攪拌手段である。未処理水の残りは、一旦別タンク（図示せず）に貯留された後、ポンプ１０で遠心分離機１１に送られる。遠心分離機１１は未処理水中から遠心分離により固形分（シリコン微粉）を除去する。固形分が除去された処理水は原水タンク２及び／又は最終排水処理場へ送られる。
【００３３】
濾過水タンク９内の濾過水はポンプ１３によりシリコン加工工場１へ戻され、再度シリコン単結晶の外面研削、ロッド切断に使用される。
【００３４】
本実施形態の排水処理システムを使用したシリコン加工排水の濾過処理では、シリコン加工工場１から排出されたシリコン加工排水が、原水タンク２を経由してフィルタ８に送られ、濾過処理される。
【００３５】
原水タンク２では、フィルタ８で濾過処理される前のシリコン加工排水に炭酸ガスが気泡状態で注入される。余剰に注入された炭酸ガスは溶解せずにシリコン加工排水から放出される。これにより炭酸ガスがシリコン加工排水中に溶解し、シリコン加工排水がｐＨ５〜６程度の弱酸性に安定的に管理される。その結果、フィルタ８での目詰まりの原因となるコロイド状の高分子析出物の生成が抑制され、フィルタ８での目詰まりが抑制される。
【００３６】
フィルタ８から排出される濾過水は、濾過水タンク９を経由してシリコン加工工場１へ戻されるが、その濾過水中に、コロイド状の高分子析出物の生成を抑制するための薬剤が残留していないので、薬剤イオンを除去するためのイオン交換膜などの再処理設備が不要となり、シリコン加工工場１への直接還流が可能になる。
【００３７】
一方、フィルタ８から排出される未処理水は原水タンク２に戻されるが、タンク内の排水中の攪拌に使用されることにより、格別の攪拌設備なしで原水タンク２での固形分の沈殿濃縮が防止される。また、シリコン加工排水と炭酸ガスの接触効率が向上する。このとき、シリコン加工排水中の固形分（シリコン微粉）の濃縮倍率を一定に保つために、未処理水の一部が遠心分離機１１へ分流される。この倍率維持により、フィルタ８での目詰まりや配管の閉塞などを抑制することができる。遠心分離機１１では、固形分（シリコン微粉）が回収されるが、コロイド状の高分子析出物の生成を抑制するための薬剤が残留していないので、回収品に薬剤による汚染は生じない。
【００３８】
窒化珪素フィルタを用いてシリコン加工排水を１４ｍ^３ ／ｈｒの速度で濾過処理するシステムにおいて、濾過処理前のシリコン加工排水に炭酸ガスを流量が０．２ｋｇ／ｈｒ、圧力が０．０４ＭＰａの条件で注入した。窒化珪素フィルタは「ポアセラムモジュール」（商品名、住友電工ファインポリマー製）を使用した。炭酸ガスを注入しない場合、５分に１回の頻度でフィルタの逆洗処理を行ったが、頻繁に目詰まりを起こし、３〜１４日に１回の頻度でＮａＯＨによる薬液洗浄を必要とした。しかるに、炭酸ガスの注入を実施すると、逆洗処理の頻度が以前と同じ５分に１回の場合でも、薬液洗浄を１カ月以上実施しなくても何ら目詰まりを生じなかった。
【００３９】
【発明の効果】
以上に説明したとおり、本発明の排水処理方法及び排水処理システムは、シリコン屑を含むシリコン加工排水をフィルタで濾過処理する前に、該シリコン加工排水に炭酸ガスを注入することにより、その加工排水を弱酸性に維持できるので、フィルタでの濾過膜の目詰まりを効果的に抑制できる。また、薬剤の残留がないので、濾過水を再使用する場合にあっても再浄化設備を必要とせず、経済性に著しく優れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す排水処理システムの構成図である。
【符号の説明】
１ シリコン加工工場
２ 原水タンク
３ 炭酸ガス注入手段
８ フィルタ
９ 濾過水タンク
１１ 遠心分離機
１２ 噴出ヘッド

Claims (10)

1. シリコン屑を含むシリコン加工排水をフィルタで濾過処理する前に、該シリコン加工排水に炭酸ガスを注入することを特徴とする排水処理方法。
2. 前記フィルタで濾過処理された後の濾過水をシリコン加工に再使用する請求項１に記載の排水処理方法。
3. 前記フィルタ内の濾過膜を透過しない未処理水の一部又は全部を炭酸ガス注入部へ還流させて該注入部でのシリコン加工排水の攪拌に使用する請求項１に記載の排水処理方法。
4. 前記フィルタ内の濾過膜を透過しない未処理水の一部又は全部を遠心分離処理して前記フィルタより上流側及び／又は系外へ送る請求項１に記載の排水処理方法。
5. 前記フィルタは窒化珪素フィルタである請求項１に記載の排水処理方法。
6. シリコン加工工場で発生するシリコン屑混入のシリコン加工排水を溜める原水タンクと、原水タンク内のシリコン加工排水に炭酸ガスを気泡状態で注入する炭酸ガス注入手段と、原水タンク内で炭酸ガスの注入を終えたシリコン加工排水を濾過処理するフィルタとを具備することを特徴とする排水処理システム。
7. 前記フィルタから前記シリコン加工工場へ濾過水を還流させる戻りラインを具備する請求項６に記載の排水処理システム。
8. 前記フィルタ内の濾過膜を透過しない未処理水の一部又は全部を前記原水タンクに還流させ、還流水によりタンク内のシリコン加工排水を攪拌する攪拌手段を具備する請求項６に記載の排水処理システム。
9. 前記フィルタ内の濾過膜を透過しない未処理水の一部又は全部を遠心分離処理する遠心分離機を具備する請求項６に記載の排水処理システム。
10. 前記フィルタは窒化珪素フィルタである請求項６に記載の排水処理システム。

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