半导体行业已成为全球最大的超纯水（UPW）消费领域之一，先进的生产线每生产300毫米晶圆就需要约2立方米的UPW，其用水强度对芯片制造的总体环境影响巨大[1]、[3]、[4]、[19]。随着器件几何尺寸的持续缩小，2023年国际器件与系统路线图（IRDS）规定5纳米以下逻辑节点的TOC纯度目标应低于1 ppb，总氮（TN）纯度目标应低于5 ppt，并强调在所有湿法工艺中严格控制低分子量有机物（LMWOs）和含氮物种[2]、[6]、[16]、[18]。同时，晶圆厂的生命周期评估显示，该行业必须在2030年前将淡水取水量和污水处理的碳足迹减少20–30%，以符合企业和国家的可持续发展目标[3]、[4]、[5]。这些因素——日益严格的纯度要求和雄心勃勃的脱碳目标——正在加速半导体供应链从传统地表水供应向再生水再利用和循环水管理的转变[3]、[4]、[5]、[6]、[17]。
实际上，领先的晶圆厂越来越多地采用市政再生水作为UPW的生产来源。在韩国，平泽、华城和龙仁的大规模工厂都与一个统一的工业用水网络相连，环境部、K-water公司和主要制造商共同启动了一项公私合作项目，旨在回收处理后的污水用于工业用途，目标是每天为半导体产业集群提供约40万立方米的再生水[3]、[5]、[36]、[37]、[38]、[39]。台湾的科技园区也在安平和永康扩建再生水设施，预计每年可为台积电等高科技企业提供约1.2×107立方米的再生水，到2031年全岛的再生水供应目标为1.32×106立方米/天[5]、[38]。在美国，英特尔位于亚利桑那州的Ocotillo园区运营着一个集成的现场-市政用水再利用系统，每天可回收多达910万加仑的再生水，这表明大型工厂正在朝着多样化、基于再利用的供水方案发展，以缓解水资源短缺风险并保持生产韧性[1]、[3]、[4]、[40]。随着市政再生水成为UPW系统的主要原料，了解其中关键残留污染物的行为对于工艺设计至关重要。
在这些污染物中，尿素对半导体UPW尤其成问题[6]、[7]、[8]、[9]、[18]。市政废水和三级处理的再生水中尿素含量通常在数十微克/升范围内，远高于传统地表水或地下水[6]、[7]、[8]、[9]。尿素虽然电中性，但具有强极性，其C-O和N-H键赋予了它高的偶极矩和强的氢键能力，这使得尿素能够被分离并通过主要针对离子溶质的聚酰胺薄膜复合反渗透（RO）膜进行扩散[6]、[10]、[25]、[34]。一旦尿素进入UPW系统，它会水解生成氨，对铜金属化和高k值金属栅极结构产生不利影响，并增加可靠性风险，如电迁移和随时间变化的介电击穿（TDDB）[11]、[12]、[24]。已有研究表明，UPW中氮含量的短暂波动与产量或可靠性故障之间存在关联[2]、[11]、[12]，这突显了需要强大的前端氮控制机制，以补充后续的连续电去离子及相关离子交换技术[7]、[13]、[14]、[15]。因此，在不影响后续抛光过程的情况下，高效去除再生水中的尿素和其他小分子中性有机物成为下一代UPW系统的关键设计挑战[6]、[16]、[18]、[24]。
为了解决尿素相关的问题，人们研究了多种处理策略。高级氧化工艺（AOPs），如VUV/UV/氯、过硫酸盐/UV和臭氧基系统，可以在低浓度下将尿素和其他低分子量有机物矿化，但这些方法通常需要高氧化剂剂量、严格的pH控制以及大量的能量输入，并可能产生复杂的副产物，从而影响其在紧凑型UPW系统中的集成[6]、[8]、[9]、[17]、[26]、[28]、[27]、[28]、[41]。利用固定化脲酶和脲酶功能化反渗透膜的酶促水解方法在温和条件下具有分子选择性[6]、[28]，但长期酶稳定性和大规模应用仍面临挑战。新兴的分离技术，包括专为UPW设计的膜电容去离子（MCDI）、混合基质膜（MMMs）以及用于水电解的热驱动UPW生产技术，在实验室或早期试点研究中显示出良好的中性溶质去除效果[17]、[20]、[21]、[22]、[23]。英特尔和台积电的现场案例研究进一步证明，基于溴化的AOPs（如NaBr + O?）和耦合的氧化-回收平台可以实现深度尿素或氨氮去除，甚至可以回收硫酸铵作为资源[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]。然而，这些氧化和回收导向的方法不可避免地需要额外的单元操作、持续的化学管理和复杂的工艺控制，这会增加资本和运营复杂性，特别是对于以再生水为原料的紧凑型、模块化UPW系统[3]、[4]、[6]、[17]、[24]、[30]、[31]、[32]、[33]、[36]、[37]、[38]、[39]、[40]。
在这种背景下，人们重新关注通过利用反渗透过程中中性溶质的传输选择性来控制尿素。反渗透已成为现代UPW系统的核心屏障，大量研究已经阐明了尺寸排除、电荷相互作用、溶质疏水性、氢键作用和浓度极化如何影响氮化合物和有机溶质的去除[6]、[10]、[16]、[18]、[24]、[25]、[34]。然而，大多数研究集中在海水或微咸水淡化领域，只有少数研究量化了专为废水再利用或UPW服务开发的商用反渗透元件的尿素传输参数[6]、[16]、[25]。同时，全规模研究表明，UPW生产中的反渗透性能和污染行为受到进料特性（如铝和硅浓度）的显著影响[16]、[24]，这表明需要在实际再生水进料条件下评估候选膜的性能。
最近，市场上出现了一类新型高去除率反渗透元件（例如Nomura Micro Science公司的NRSP-UBT和Toray公司制造的元件），这些元件能够在相对较低的压力下提高尿素和硼等中性及弱离子化溶质的去除率，同时保持高渗透率[6]、[19]、[35]。早期现场经验和供应商数据显示，当这些元件用于双级或双级反渗透配置时，其中性溶质的选择性明显优于早期产品（如TM800M、TBW-HR和TMG(D)，有可能减少或消除对专用后处理装置（如UV氧化或AOP反应器）的需求[19]、[35]。然而，关于这些元件在再生水基UPW系统中的尿素和硼去除率的公开文献数据以及将膜级传输行为与系统级性能和能量消耗（SEC）联系起来的定量框架仍然有限。
在本研究中，我们评估了NRSP-UBT类膜作为从市政再生水生产UPW的多单元尿素控制方案中的替代方案。我们的核心假设是，在相同通量设计条件下，高去除率UPW级元件对尿素的中性溶质传输选择性明显低于传统BWRO/SWRO元件，这种内在差异可以转化为可预测的双级反渗透性能。本研究相比之前的现场报告有三个创新点：(i) 使用4英寸模块对四种商用膜（NRSP-UBT、TBW-HR、TM800M、TMG(D)）进行了尿素和硼去除率的等通量比较，从而避免了通量因素的干扰；(ii) 通过从去除数据推导出的尿素渗透率Burea建立了透明的分析模型，并通过连续的双级质量平衡计算最终渗透液中的尿素含量；(iii) 在再生水上进行了五种双级反渗透配置的试验验证（TBW-HR/TBW-HR；TM800M/TMG(D)；NRSP-UBT/TBW-HR；NRSP-UBT/TMG(D)；NRSP-UBT/NRSP-UBT），报告了各阶段的去除率、操作压力、基于压力的能量消耗（SEC）以及在尿素浓度波动下的系统稳定性。这些结果为选择仅依靠反渗透的配置提供了定量、以设计为导向的基础，从而在再生水基UPW系统中平衡纯度、能量和运营效率。
