Исследование и разработка практических решений для хранения ультрачистой (деионизованной) воды

УДК 628.196

В статье рассмотрены практические инженерные решения, используемые в системах накопления, хранения и раздачи деионизованной воды, с целью поддержания ее требуемой химической и биологической чистоты. Решения разработаны на основании рекомендаций европейских и отечественных стандартов.

Ключевые слова: особо чистая вода, емкость, биологическое загрязнение, хранение, решения, накопление, стандарты, азот.

Особо чистая вода - одна из самых технологически сложных агрессивных сред, в связи с чем особую актуальность приобретает вопрос ее хранения. С учетом этого рассмотрим наиболее известные и широко распространенные в производстве инженерные решения для хранения ультрачистой воды с целью модернизации стандартных вариантов.

Если руководствоваться отечественным отраслевым стандартом ОСТ 11.029.003-80 «Изделия электронной техники. Вода, применяемая в производстве. Марки, технические требования, методы очистки и контроля», то возникает проблема недостаточности информации по вопросу хранения ультрачистой воды. В частности, в пункте 4.3.3 данного стандарта говорится: «Воду с удельным сопротивлением более 5 Мом/см и окисляемостью менее 1 мг О2/л после прохождения ванны отмывки с помощью блока возврата следует вернуть в емкость…». То есть вода высшей марки может храниться в емкости даже после ее использования. В то же время международный стандарт Американского общества по испытанию материалов (American Society for Testing and Materials) ASTM D 5127-07 не допускает хранение воды высшего качества в накопительной емкости, а предусматривается хранение только той воды, которая производится перед финишными ионообменными фильтрами. Это означает, что в работе следует ориентироваться на более жесткие требования ASTM D 5127-07.

В соответствии с обоими стандартами основным требованием к емкости для хранения воды является выбор материала, контактирующего с водой. Это должен быть материал, не выделяющий в воду никаких загрязнений.

В настоящее время рынок предлагает большой выбор емкостей, выполненных из различных материалов. В основном используются накопительные баки из первичного свето- и термостабилизированного линейного полиэтилена низкой плотности (LLDPE). При контакте с деионизованной водой этот материал не выделяет никаких загрязнений, к тому же он отличается невысокой стоимостью. Однако данный материал имеет один недостаток (выявлен сначала в процессе эксплуатации емкостей, а затем и по результатам анализов) - образование колоний бактерий под воздействием солнечного света. По одной версии, колония бактерий образуется из одной живой микробной клетки - так называемой колониеобразующей единицы (colonyforming unit, CFU). По другой версии, видимая колония микроорганизмов вырастает из группы клеток. Определение КОЕ теоретически позволяет определить концентрацию (количество) микроорганизмов в единице объема, выделяющей кислород из СО2 под воздействием солнечного света.

По стандарту ASTM D 5127-07 допустимое содержание КОЕ в воде высшего качества (марка Е.1.2.) в 100 мл должно содержаться не больше 1 КОЕ. Соответственно по стандарту ОСТ 11.029.003-80 допустимое содержание КОЕ в воде высшего качества (марка А) в 1 мл должно содержаться не больше 2 КОЕ.

Превышение содержания КОЕ ведет к снижению качества и марки ультрачистой воды, что, в свою очередь, влияет на выход годных изделий в производстве микроэлектроники или в другой сфере, где требуется применение воды высшего качества. С учетом этого для хранения ультрачистой воды необходимо использовать емкости из материала, не пропускающего солнечный свет. В случае с линейным полиэтиленом низкой плотности (LLDPE) эта задача решается путем добавления в материал черного красителя. Другой вариант - использование полиэтилена высокой плотности.

После решения вопроса с выбором оптимального материала емкости для хранения воды следует особое внимание уделить системе подачи ультрачистой воды в емкость. Многие проектировщики обходят этот вопрос стороной, хотя он играет немаловажную роль в сохранении качества полученной воды.

Поскольку в рассмотренных выше стандартах практически ничего не говорится о моменте подачи деионизованной воды в накопительный резервуар, то на практике приходится опираться лишь на опыт проектировщика. Стандартным исполнением ввода является прямой подающий трубопровод выбранного (в зависимости от необходимости) диаметра. Если взять накопительную емкость и рассмотреть, до какого уровня она будет заполняться, то мы ясно увидим, что верхний аварийный уровень находится на 15-20 см от верхней крышки емкости.

Это означает, что у нас есть несколько квадратных метров, которые больше всего подвержены опасности заражения микроорганизмами. Для решения задачи по микробиологическому обрастанию в труднодоступных местах в системе предусмотрена общепринятая практика использования душевого сферического устройства для орошения стенок накопительной емкости. Это позволяет минимизировать опасность заражения внутренней поверхности верхней крышки и верхней части стенок емкости. Гидродинамическое состояние течения жидкости обуславливается скоростью турбулентного потока, равномерно заполняющего накопительный аккумулятор без касания его стенок. Однако лучше применять душирующий оголовок - устройство, сразу отделяющее поток от трубопровода и направляющее его на стенки емкости, на которых могут находиться источники загрязнений. Таким образом, с помощью данного устройства в динамическом режиме происходит удаление механических и биологических загрязнений, находящихся в труднодоступных местах (возле датчиков, на стенках возле крышки).

Одним из наиболее распространенных методов стерилизации воды является ультрафиолетовое (УФ) облучение. УФ-излучение - физический метод обеззараживания, основанный на фотохимических реакциях, ведущих к необратимым повреждениям ДНК и РНК микроорганизмов. В результате микроорганизм теряет способность к размножению (инактивируется).

Основные преимущества УФ-технологии:
- высокая эффективность обеззараживания в отношении широкого спектра микроорганизмов, в том числе устойчивых к хлорированию микроорганизмов, таких как вирусы и цисты простейших;
- отсутствие влияния на физико-химические и органолептические свойства воды и воздуха, не образуются побочные продукты, нет опасности передозировки;
- низкие капитальные затраты, энергопотребление и эксплуатационные расходы;
- компактность и простота в эксплуатации УФ-установок.

Однако при расположении в стандартном исполнении УФ-стерилизаторов на подающей магистрали эффект нейтрализации микроорганизмов не является абсолютным, поскольку остается вероятность выживания отдельных бактерий КОЕ. С учетом этого целесообразно использовать УФ-излучатель непосредственно в емкости. Находясь в кварцевом чехле, лампа не подвержена воздействию водной среды, и в непрерывном режиме осуществляется обеззараживание по всей высоте водяного столба, повышая эффективность процесса. Как показывает практика, при таком варианте даже в накопительных емкостях большого объема интенсивность излучения остается достаточной для уничтожения микроорганизмов.

Одним из факторов изменения качества ультрачистой воды и ее недолговечности является то, что загрязнения попадают в воду пропорционально растворимости, площади контакта и времени контакта с воздухом или материалами. При подаче высокочистой воды в емкости всегда имеется слой воздуха, при контакте с которым вода насыщается посторонними химическими элементами и, соответственно, теряет качество.

Для предотвращения попадания загрязнения над водой создается особая атмосфера, так как обычные газы могут внести в воду биологические, органические, неорганические и коллоидные загрязнители. Для создания атмосферы над хранящейся водой необходимо использование высокочистого азота. Азот - дешевый инертный газ, отличается стабильностью под воздействием ультрафиолетовых лучей. Использование азота позволяет предотвратить карбонизацию ультрачистой воды, то есть свободный СО2 не будет растворяться из атмосферы, а также устранить фактор, благоприятствующий интенсивному распространению колоний бактерий, - использование в их жизнедеятельности кислорода.

Организация азотной подушки является довольно трудоемким и затратным делом. Азотные подушки в необходимых случаях должны обеспечиваться системой азотного дыхания, оснащенной регулятором давления прямого действия типов «до себя» и «после себя». На входе азота в аппарат или группу аппаратов устанавливают управляемый автоматический регулятор давления - клапан, поддерживающий заданное давление «после себя», на выходе - шаровой клапан, то есть регулятор давления прямого действия типа «до себя». Давление газа в накопительной емкости чистой воды увеличивается или уменьшается при повышении или, соответственно, снижении в ней уровня жидкости. Принцип действия системы основан на измерении величины избыточного давления инертного газа внутри накопительной емкости по отношению к внешнему атмосферному давлению. Открытием/закрытием электромагнитного клапана напуска газа управляет блок управления по сигналам датчика давления (по выставляемым значениям порогового давления срабатывания и гистерезиса). В зависимости от величины избыточного давления газа в емкости клапан дозирует поступление в емкость газа (чистого азота), который подается на вход клапана с избыточным давлением 4-6 атм от баллона или газовой магистрали. Для настройки системы и контролирования величины избыточного давления газа внутри емкости используются показания датчика давления, отображаемые на ЖК-экране датчика.

Без организации газовой подушки обойтись нельзя. По стандарту ASTM D 5127-07 при хранении деионизованной воды необходимо использовать азотный напуск, в отечественном стандарте использование газовых буферных подложек не упоминается. К стандартному исполнению систем напуска азота замечаний нет, но при этом все элементы должны быть герметично соединены между собой пластиковыми трубопроводами и фитингами из чистого ПВХ или другого материала, не вносящего загрязнения в используемую технологическую среду.

Research and development of practical solutions to the storage conditions of the highest quality of water (deionized)

The article describes practical engineering solutions for use in the collection, storage and dispensing of deionized water to maintain the desired chemical and biological purity, made on the basis of the recommendations of the European and national standards.

Keywords: high-purity water, container, biological pollution, storage solutions, storage, standards, nitrogen.

Alexander P. Azrapkin, Head of water preparation and neutralization of chemical flow, ORION RD and P Association, JSC. 111538, Moscow, Kosinskaya str., 9. Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Журнал «Вода Magazine, №7 (95), 2015 г.