陳 娟 嚴晨圓 楊曉春上海達恩貝拉環(huán)境科技發(fā)展有限公司，中芯國際集成電路制造（上海）有限公司）

芯片制造業(yè)VOCs廢氣治理所采用的沸石分子篩選型建議

陳 娟 嚴晨圓 楊曉春
上海達恩貝拉環(huán)境科技發(fā)展有限公司，中芯國際集成電路制造（上海）有限公司）

研究背景

隨著新的《大氣污染防治法》（主席令第31號）、《大氣污染防治行動計劃》（國發(fā)［2013］37號）、《揮發(fā)性有機物（VOCs）污染防治技術政策》（環(huán)保部公告2013年第31號）等政策文件的相繼出臺，我國對VOCs治理要求和力度逐漸加強。

芯片制造業(yè)由于大量使用有機溶劑作為清洗劑、光刻膠、剝離液、稀釋液等，其產生的有機廢氣具有大風量、低濃度等特點。為了有效地治理此類VOCs廢氣，沸石轉輪吸附濃縮法成為了行之有效的優(yōu)選治理方案。

沸石轉輪采用沸石分子篩作為吸附劑，具有耐高溫、較高機械強度等性能，可以滿足高頻次連續(xù)吸附、脫附的需求。針對不同的VOCs成分，應有針對性地選用吸附效率高的沸石分子篩作為吸附劑，才能達到理想的、高效的VOCs治理效果。

目前市場上技術較為先進和成熟的沸石轉輪設備制造商主要有瑞典蒙特（Munters）、日本倪佳斯（Nichias）、西部技研（Seibu Giken）等國外品牌，國內自主研發(fā)的沸石轉輪系統(tǒng)尚未成熟。為此，本文以中芯國際上海工廠為調查樣本，分析其VOCs廢氣成分，為其沸石轉輪系統(tǒng)的沸石分子篩選取提供值得借鑒的方案和建議。

研究現(xiàn)狀

芯片制造業(yè)涉及揮發(fā)性有機物包括：異丙醇、丙酮、二甘醇胺、二甲基乙酰胺、丙二醇單甲醚乙酸酯（PMG）、乙二酸、醋酸等。

Ji Yang等人對沸石分子篩吸附劑對該芯片制造業(yè)有機廢氣的吸附等溫線研究結果表明：沸石分子篩對該行業(yè)有機廢氣具有較高的吸附容量和吸附效率，屬于有利的吸附等溫線。此外，沸石分子篩還具有耐高溫、較高機械強度等性能，在治理VOCs廢氣方面具有較高的綜合性能。

中芯國際VOCs廢氣產生情況

根據對中芯國際上海工廠歷年生產過程中有機化學原料的消耗情況分析可知，其使用的有機物質主要為異丙醇（約31%）、PMG（約38%）、有機酸類（約28%）以及少量酮類、胺類。

其中：異丙醇是芯片生產制造過程中最常用的清洗劑；PMG是稀釋劑、光刻膠等物質的主要成分。兩者的年消耗量巨大，僅中芯國際上海工廠，以上兩種物質的年用量以百噸計，是其VOCs有機廢氣中的主要污染物。

吸附劑選型分析

影響沸石分子篩吸附性能的主要吸附質性質有：a.分子大?。籦.分子極性；c.分子沸點；d.吸附質濃度。本文著重以異丙醇和PMG為主要吸附質進行分析。

分子大小

PMG的分子結構較大，因此其具有較于異丙醇更大的摩爾體積。采用Materials Studio分子模擬軟件對以上兩種物質的分子構型進行模擬結果顯示：上述兩種物質的分子體積均在埃米級左右，且PMG的分子體積大于異丙醇。一般情況下，分子篩根據孔徑大小可分為微孔（〈2nm），介孔（2～50nm），以及大孔（〉50nm）分子篩。為達到擇形吸附的目的，在廢氣治理時應選取孔徑稍大于吸附質的分子篩。因此，以上兩種物質適宜選取微孔或介孔分子篩作為吸附劑。

目前市場上常用的商業(yè)型沸石分子篩通常為ZSM-5型、Y型等，其中，ZSM-5型分子篩為介孔分子篩；Y型分子篩其孔徑大小約為0.75nm，屬于小孔分子篩。因此，兩者均為對治理芯片制造業(yè)有機廢氣較為適宜的分子篩類型。

圖1 沸石的吸附穿透曲線（VOC濃度15ppm，廢氣流速15L/min）

表1 分子結構及體積數(shù)據一覽表

分子極性

極性指一根共價鍵或一個共價分子中電荷分布的不均勻性。如果電荷分布不均，則稱該鍵或分子為極性；如果均勻，則稱為非極性。物質的一些物理性質（如溶解性、熔沸點等）與分子的極性相關。同時，物質的極性也會影響其與分子篩分子間的吸附性能。

由分子結構可知，異丙醇和PMG均為極性分子，且PMG分子的不對稱性更顯著，因此其極性大于異丙醇。

由于沸石分子篩對極性分子可表現(xiàn)出較高的親和力，對于大小相近的分子，極性越大則越易被分子篩吸附。因此，PMG在沸石分子篩上的吸附性能將高于異丙醚，表現(xiàn)出較強的吸附能力。

分子沸點

異丙醇的沸點為82.45℃，PMG為146℃。高沸點物質在沸石分子篩孔道中的吸附勢能較大，并且具有較強的競爭吸附能力，在一定程度上可阻礙低沸點物質在吸附劑表面的吸附能力。因此，PMG比異丙醇的吸附能力更高。

吸附質濃度

吸附是一個界面?zhèn)髻|過程，主要的傳質推動力為濃度差。對于多組分混合廢氣共同通過沸石分子篩轉輪時，由于不同組分分子極性不同，將產生競爭吸附，吸附能力較高的物質首先占據分子篩孔道表面，并與孔道表面形成較強的吸附結合力。此外，吸附能力較高的物質還會擠占能力較弱的物質，使弱吸附質從吸附劑表面脫附。

中芯國際上海工廠生產過程中的異丙醇消耗量與PMG基本相當。然而，異丙醇具有更高的揮發(fā)性，其有機廢氣中的異丙醇濃度占比較高。因此，異丙醇的吸附能力可強于PMG。

結語

以中芯國際上海工廠為例，其有機廢氣中的主要成分為異丙醇和PMG，由于其均為極性物質，沸石分子篩對極性分可表現(xiàn)出較高的親和力，故對其均有較好的吸附性能；從分子體積角度分析，以上兩種物質較適宜選取微孔或介孔分子篩作為吸附劑；在相同吸附劑、相同廢氣濃度的情況下，PMG的吸附性能優(yōu)于異丙醇。