超滤与两级反渗透集成工艺在半导体废水回用中的性能评估及经济可行性研究：为超纯水生产提供稳定水源的创新解决方案

为解决半导体制造业面临的水资源短缺和废水处理难题，研究人员开发了一种集成超滤(UF)和两级反渗透(RO)的半导体废水回用工艺。该研究通过6个月的中试运行证实，该系统能有效去除低分子量溶解有机物(DOM)、尿素、四甲基氢氧化铵(TMAH)、全氟烷基物质(PFAS)和SiO2等关键污染物，产水DOC浓度低于0.5 mgC/L，满足超纯水(UPW)生产进水要求。经济分析表明该工艺具有战略可行性，为半导体行业可持续水管理提供了技术框架。

　　

半导体产业作为现代科技发展的核心驱动力，正经历前所未有的扩张。随着人工智能和高性能计算技术的飞速进步，全球对半导体器件的需求呈指数级增长。然而，这种繁荣背后隐藏着一个严峻挑战——半导体制造过程中对超纯水(UPW)的巨大需求与日益紧张的水资源之间的矛盾。半导体制造对水质要求极为严苛，SEMI-F63标准规定UPW的电阻率必须大于18.2 MΩ·cm，溶解有机碳(DOC)浓度需低于1 μg/L，这对进水水质提出了极高要求。与此同时，全球主要半导体制造基地如韩国永仁和美国亚利桑那州都面临着严重的水资源短缺问题，传统水源已无法满足产业需求。

在这种背景下，半导体废水回用成为解决水资源困境的关键策略。然而，半导体废水成分复杂且高度保密，含有低分子量溶解有机物(DOM)、尿素、四甲基氢氧化铵(TMAH)、全氟烷基物质(PFAS)等特殊污染物，给传统水处理技术带来巨大挑战。特别是尿素等低分子量中性物质，因其不带电荷且分子尺寸小，难以被常规反渗透膜有效截留，可能影响半导体生产的良品率。此外，TMAH具有强杀菌性会破坏生物处理系统，而PFAS则因其碳-氟键的稳定性难以降解。这些特性使得半导体废水处理需要开发专门的高效工艺。

为应对这些挑战，来自韩国的研究人员在《Desalination》发表了一项创新研究，开发了一套集成超滤(UF)和两级反渗透(RO)的半导体废水回用中试系统。该系统设计处理能力为20 m³/d，通过6个月的连续运行，全面评估了工艺性能和经济可行性。研究采用溶解空气浮选(DAF)、活性炭吸附、离子交换和双介质过滤(DMF)作为预处理，随后接UF和两级RO系统。关键创新在于第二级RO采用间歇运行策略，当第一级RO浓水箱水位降至20%时停止运行，升至70%时重启，这种设计有效缓解了膜污染。研究通过LC-OCD(液相色谱-有机碳检测)和FEEM(荧光激发发射矩阵)等先进表征技术分析了DOM的分子量分布和组成变化，同时监测了TMAH、尿素、SiO₂和PFAS等特征污染物的去除效率。经济评估则基于50万吨/天的假设规模，详细分析了资本支出(CAPEX)和运营支出(OPEX)。

研究团队采用了多项关键技术方法：构建了包含DAF、活性炭吸附、离子交换和DMF的预处理系统；设计了UF与两级RO集成的中试装置，其中第二级RO采用智能间歇运行策略；使用LC-OCD和FEEM光谱分析DOM特性；建立了基于SEMI-F63标准的UPW生产验证系统；开展了为期6个月的长期性能监测；进行了规模放大的经济性评估。

在系统性能评估方面，研究结果显示UF系统通过有效化学清洗保持了稳定运行，平均膜通量为59.8±3.1 LMH/bar，浊度去除率达95.8±0.7%。相比之下，RO系统约每60天出现明显膜污染，第一级RO膜通量从2.25降至0.83 LMH/bar，回收率从65.5%降至41.7%。但间歇运行的第二级RO表现出更好的稳定性，证实该策略能有效缓解膜污染。整个系统平均回收率超过75%，展现了良好的水资源利用效率。

在水质特性变化方面，研究发现半导体废水中DOM主要由生物聚合物(790 ppb)、腐殖质(884 ppb)和低分子量中性物质(966 ppb)组成。UF主要去除生物聚合物，而RO对腐殖质和低分子量中性物质的去除率分别为96%和90%。特别值得注意的是，Cr²⁺和Ni²⁺与低分子量腐殖酸形成的金属络合物以及蛋白类低分子量中性物质(如尿素)较难被RO膜截留，这与其电中性特性有关。尽管如此，系统最终产水的DOC浓度仍降至0.5 mgC/L以下，满足UPW生产进水要求。

在特征污染物去除方面，研究取得了显著成果：离子交换树脂对TMAH的去除率达96.1%；活性炭吸附去除了82.1%的尿素；RO系统对SiO₂的去除效率超过96.5%；对长链PFAS的去除率超过95%，短链PFAS如PFHxA的去除效率也达到99%。特别值得注意的是，使用RO产水作为进水时，实验室规模的UPW生产系统能稳定产出电阻率≥18.2 MΩ·cm、DOC<1 ppb的超纯水，完全符合SEMI-F63标准。

经济评估结果显示，假设规模为50万吨/天的系统，20年运营期的总CAPEX为7670万美元(UF占24.5%，RO占75.5%)，总OPEX为7769万美元(UF占10.9%，RO占89.1%)。其中RO系统的高压泵和膜组件是主要投资点，而电力消耗(占OPEX的54.2-66.8%)和膜更换是主要运营成本。与市政废水回用的MBR-RO工艺相比，该系统的CAPEX低4-5倍，虽然OPEX相当，但其产水质量更高，可显著降低后续UPW精制阶段的化学消耗和树脂再生频率。

研究结论指出，UF与两级RO集成系统能有效处理半导体废水，产水水质满足UPW生产要求，系统平均回收率超过75%，具有技术和经济可行性。间歇运行的第二级RO设计有效缓解了膜污染问题。研究同时发现，蛋白类低分子量中性物质和与Cr²⁺/Ni²⁺络合的低分子量腐殖酸是影响RO产水质量的关键因素，建议后续研究针对这些物质开发强化去除工艺。该研究为半导体行业水资源可持续管理提供了重要技术框架，通过废水回用减少对传统水源的依赖，对保障全球半导体供应链稳定具有重要意义。

这项研究的创新价值在于首次系统评估了UF-两级RO工艺处理半导体废水的综合性能，建立了完整的技术经济分析模型。研究结果对面临水资源短缺的半导体制造企业具有直接指导意义，特别是为韩国永仁和美国亚利桑那等缺水地区的半导体集群提供了可行的水管理方案。未来研究可进一步优化膜材料选择、探索针对低分子量中性污染物的高级氧化或吸附工艺，以持续提升系统性能和经济性。