1、离子交换双氧水与普通工艺的差异摘 要：简述了高纯试剂的用途，比较了传统的过氧化氢提纯工艺与我厂新型离子交换工艺。 关键词：高纯电子试剂 过氧化氢 离子交换 应用 一、绪论 1.超纯试剂的应用 超净高纯试剂（国外常称为湿化学品 wet chemicals 或工艺化学品process -chemicals） ，是集成电路（IC）和超大规模（VLSI）制作过程中关键性基础化工材料之一，主要用于芯片的精洗和腐蚀，具有品种多、用量大、技术要求高、贮存有效期短、强腐蚀性等特点。它的纯度和洁净度对集成电路和成品率、电性能及可靠性都有十分重要的影响。它基于微电子技术发展而发展，同时又制约微电子技术发展。因此，
2、电子专用超净高纯化学试剂的研究和开发同微电子技术的发展紧密相联。 2.我国超纯试剂的发展现状 “十五”期间国内集成电路用超纯试剂的需求量接近 1 万吨，而国内生产企业实际能提供的量仅 10%。据有关方面预测到 2014 年中国市场需求量将达到 3050 万吨/年化学试剂。其中，国内通用型试剂市场今后的年增长率仍将维持在 5%8%左右，电子化学品市场预计超过 80 亿美元。虽然我国电子化学品产业通过近几年技术改造和结构调整，已经具备一定基础，但与飞速发展的信息产业相比，还存在产品品种少，尤其是高品质产品较少等不足。 因此基于电子产业迅猛发展，而国产高纯试剂严重短缺的现状，我厂投入大量人力物力，选
3、择在半导体工业中的消耗比例最大的过氧化氢进行研制，并取得一定成果。 3.过氧化氢的性质 过氧化氢又名双氧水，分子式为 H2O2，分子量为 34.016，是一种无色、无嗅、呈弱酸性的透明液体，可与水以任意比例互溶，形成不同浓度的双氧水溶液，在无水的状态下，双氧水是一种无色、有苦味的液体，并且带有类似臭氧的气味。双氧水的化学性质活泼，是一种强氧化剂，由于双氧水在参加化学反应的过程中仅生成水和活性氧，因此双氧水具有无二次污染的特点，被称为“绿色化学品” 。在纺织、造纸、化工、轻工、医药、电子、食品、环保等领域应用广泛。随着对环保要求的日益提高，双氧水的需求量及应用范围也在日益扩大，并在一些领域中逐步
4、取代了对境有严重污染的化学品。 4.高纯过氧化氢的用途 高纯双氧水是电子工业发展不可缺少的无机精细化学品，可用其做作硅片的清洗和光刻胶的剥离，也可用其作硅芯片和集成电路组件等的清洗剂，以制成优质的绝缘层。我国目前已成为全球第二大集成电路市场，集成电路对液体化学品的质量要求极为苛刻，只有高纯双氧水才能够满足需要。双氧水在电子工业的应用上分为一般电子级双氧水、MOS 级双氧水和超高纯度双氧水等规格产品。中国大陆高纯度双氧水产品目前还基本上依赖与进口，但电子工业的快速发展将使这方面的需求越来越大。目前，国内电子工业双氧水消费量约为 18000t/a 左右。随着世界制造业向我国转移，中国电子业仍将得到
5、快速发展，双氧水的用量也同步增长，在未来 5l0 年内，双氧水在该行业的年增长率将在 15%以上，5年后，双氧水在该行业的消费量将不低于 35000t/a。 我国食品级双氧水的市场空间很宽阔，但是多年来，由于食品级双氧水供应紧缺并且依赖进口，制约了其在食品工业的应用和发展。由于食品级双氧水的生产具有一定的技术难度，目前国内只有个别企业具备生产能力。食品行业要使用食品级双氧水，绝大多数食品企业采取两个途径：一是从国外进口；二是用工业级双氧水进行代替。中国作为人口大国，也是食品消费大国，随着生活品质的提高，对食品卫生的要求也将越来越高，将促进双氧水在该方面的应用。根椐中国的经济发展和社会进步，预计
6、在未来 5l0 年内，双氧水在该行业的年增长率在 10%左右，5 年后，双氧水在该行业的年消费量将不低于 60000t/a。 因此综上所述我国高纯双氧水与食品级双氧水前景广阔，但是国有产品市场占有率低，许多关键技术环节有待突破，发展具有自主知识产权的高纯双氧水产品刻不容缓。 二、成果展示 1.实验仪器 检测仪器、药品如下表 2-1 所示 表 2-1 实验仪器表 Table2-1 The list of appliances of the experiment 2.工艺流程 图 2-1 工艺流程图 Diagram 2-1 craft flow charts 我厂新型双氧水水离子交换工艺流程如图
7、2-1 所示。原料槽中的工业级双氧水以一定流速经过一级、二级吸附柱，除去其中蒽醌、重芳烃、重金属等对人体有害的成分，即可达到食品级双氧水的要求，如表 2-2所示，经交换吸附后的双氧水，其指标全部优于国际卫生组织所提供的食品级双氧水 FAO/WH0-92 的标准。如再经过一级、二级交换柱，通过进口新型双氧水交换树酯的处理，除去金属离子，其检测结果如表 2-3 所示，达到欧洲通用的 SMEI C8 标准。 表 2-2 我厂食品级过氧化氢与 FAO/WHO-92 标准的对比 Table 2-2 Our plant food-grade hydrogen peroxide contrast with
8、the standard FAO/WHO-92 表 2-3 我厂超高纯级过氧化氢与 SEMI C8 标准的对比 Table 2-3 Our plant Ultra-pure hydrogen peroxide level and standard of comparison SEMI C8 在设计方面，设备采用新型的集成化设计，全部离子交换柱集成于不锈钢控制箱中，在操作上采用电脑全程监控，力争做到操作简单、方便。 3.工艺特点 与国内现有提纯工艺相比，新型离子交换双氧水设备有以下特点： 3.1 产量高，产品质量好。国内现有提纯工艺的提纯设备，年产量在900t 左右，可以将分析纯的双氧水提纯到
9、MOS 级（相当于 SEMI C7 标准） ，金属离子在 10ppb 左右。在而新型的离子交换设备，年产 1800t，并可将分析纯双氧水提纯到超高纯电子级，其金属离子在 1ppb 以下，测得各项指标符合 SEMI C8 标准（见表 2-3 所示） ，而残渣、酸度等指标明显优于现有工艺的标准（见表 3-1） 。 3.2 操作简单，质量稳定。国内现有双氧水提纯工艺，多采用多级串联的方式进行蒸馏，因而控制点多，难以实现自动化操作，而且产出的双氧水各点浓度都不相同，如根据需要自行配制，易造成二次污染，影响产品质量。新型离子交换工艺流程简单，操作方便。全部采用自动化控制，通过控制进、出物料流量的稳定，保
10、证产品质量稳定。 3.3 能耗高，产出低是传统电加热双氧水蒸馏工艺的特点，产出一吨双氧水需耗电 800kwh，普通年产 1800 吨双氧水装置，需耗电 1440 000kwh /年，而新型离子交换装置能耗低、产出高，它使用的电动四氟泵功率为 1.5kw，年耗电 13000kwh，在产量相同的条件下用电量仅为普通的 1%。 3.4 占地面积小。传统蒸馏工艺，以年产 MOS 级双氧水 1800 吨装置为例，设备占地约为 80-100m2，加上人员、物料流动的面积，占地达200m2。而离子交换设备加之人员、物料的流动面积仅为 40m2 是传统生产工艺占地面积的五分之一，可充分利用有限的空间进行生产。
11、 4.安全性能高 蒸馏提纯双氧水的设备全为玻璃装置，如出现意外全靠人工处理，一旦处理不当，玻璃将四散飞溅，造成极为严重的人员伤亡和财产损失。而新型离子交换设备有自动、手动两套应急处理系统，一旦压力或温度过高，电脑也将从源头做起，自动切段双氧水进料泵，同时打开应急纯水泵，用纯水冷却、稀释和置换双氧水。一旦电脑失灵时，操作工人也可以手动切断进料泵，打开纯水泵。如果双氧水反应过于剧烈，自动、人工都不及反应，交换柱顶的爆破片将在柱内压力达到交换柱最大承受值的一半时，自动打开泄爆。万一超过交换柱承受极限，新型的塑料材质也可以保证柱体破裂而非四散飞溅，外部的箱体也会挡住所有可能产生的碎屑，最大程度地保证人
12、员的生命财产安全。 5.产品结构多源化，传统提纯工艺由于工艺所限，得到的只有一种级别的产品，而离子交换工艺即可以得到超高纯电子级产品也可以获得食级的产品，填补了国内的两项空白，使企业面对激烈的市场竞争多了一份选择的从容。 三、结论 新型离子交换提纯工艺本着安全至上的设计理念，为操作人员提供了多重安全保障。它与传统工艺相比，全电脑控制、操作简单，大大减轻了操作人员的劳动强度，而产量高、品质好、能耗低且质量稳定的优点，适应了我国高纯试剂日益紧缺的现状，并为企业谋取了最大利益。（见表 3-1、3-2） 表 3-1 新型过氧化氢与传统工艺提纯工艺条件对比 Table 3-1 new hydrogen
13、peroxide purification technology with the traditional process conditions contrast 参考文献 1庞慧敏.我国双氧水生产发展与展望J.中国化工信息，2000， （4）：8. 2胡长城.过氧化氢发展综述J.无机盐工业.1992.（2）：293 3陈建波 曹杨. 双氧水市场分析及预测.川化.2007.第二期：25-33 4庞慧敏.我国过氧化氢生产发展与展望J.中国化工信息.2000（4）：8 5 栾国颜.电子级过氧化氢的生产、市场和技术开发J.化工科技市场，2005（63）：10 6陈群来.我国过氧化氢的生产和廊用J.现代化工，2000，32（4）：22 24
