从制水、用水谈清洁生产和成本降低

苏日古格

（天津普林电路股份有限公司，天津 300308）

0 前言

近年来，印制电路板（PCB）行业快速发展，助推了我国国民经济的快速增长。但由于PCB制程中产生含重金属污染物排放，有机物排放等，所以也带来了环境问题。随着我国环境问题的突出，市场竞争的激烈，作为生产制造业不得不面对市场和环境两方面的压力。在提升产品品质、产量的同时，还需提升企业生产制程的环境友好度，降低排放。

在三废处理中，废水的处理是重点，如何降低废水产生量、降低排放水中各污染物的浓度以及降低废水处理成本，成为清洁生产的主要课题。我公司从降低废水产生量角度，对清洁生产这方面的工作投入了大量精力。

1 用水概述

PCB生产用水点位很多，随着PCB制程的多序化，结构的复杂化，每片PCB在制造过程中消耗掉的水量将会不断提升。

行业中各个企业对于节水工程的管理力度并不相同，在单位面积电路板制造水量（用水单耗）参差不齐，业内较高水平的印制电路企业，可以将用水单耗管理在0.7 t/m2～0.8 t/m2范围内，节水工作力度投入较小的工厂，也有用水单耗在1.5 t/m2～1.8 t/m2的情况，这会直接导致工厂整体成本上升，不仅用水多，而且也给废水处理造成压力。目前我国对于水资源的管理现状，已经更多趋向于排污管理的逐渐严格，因此本文更加注重的是PCB企业在降低废水排放的同时减少整体制程的水资源消耗，从降低水资源的消耗过程实现清洁生产的目的，使企业更加符合国家环保标准。PCB制造过程中需要使用大量的水，按照水质大致可以分为三类（见表1所示）。

其中过滤水制水工艺最简单，制水成本最低，应用工序最广，例如电镀后水清洗、蚀刻后水清洗、阻焊后水清洗均采用过滤水。反渗透（RO）水可以被去离子（DI）水取代，但考虑整体消耗成本，部分工厂仍在显影前水洗、条件后水洗等位置使用RO水。DI水制水成本最高，应用面也较广泛，尤其在我国北方大部分地区，新取水方式多为自来水厂供水，自来水水质较差，必须通过去离子的方式来获得DI水。

PCB制造企业在清洁生产方面的工作多着眼于生产环节，而忽视供应环节的改善工作，纯水制作便是其中一环。在上述的三种水，DI水的制水过程是最复杂的，而DI水又占PCB生产过程用水的很大一部分，故DI水制水过程产生的废水排放也成了清洁生产的重要的可管控环节。

2 反渗透加EDI制纯水工艺

传统的DI水制水过程采用反渗透加混床的方式，这种方式不仅运行成本高而且在树脂再生过程中，会产生较大量的酸洗、碱洗废水和冲洗废水。由于混床制水工艺的特殊性，还有可能对树脂造成磨损，导致部分树脂伴随废水一同流入排水管路。

我司为了进一步提高清洁生产工作效果，采用了反渗透加EDI（电渗析技术又称连续电解除盐技术）制纯水工艺（图1）。

将和离子交换技术科学的融为一体。该技术是二十世纪八十年代以来逐渐兴起的新技术。经过十几年的发展，EDI技术已经在北美及欧洲占据了相当部分的超纯水市场。

EDI装置将离子交换树脂充夹在阴、阳离子交换膜之间形成EDI单元。EDI单元中间充填了离子交换树脂的间隔为淡水室。EDI单元中阴离子交换膜只允许阴离子透过，不允许阳离子透过；而阳离子交换膜只允许阳离子透过，不允许阴离子透过。

在EDI组件中将一定数量的EDI单元罗列在一起形成单元组。单元组中每个单元间用网状物隔开，形成浓水室。与此同时在单元组两端设置阴、阳电极，在直流电的推动下，通过淡水室水流中的阴阳离子分别穿过阴阳离子交换膜，进入到浓水室而被从淡水中去除。而通过浓水室的水将离子带出系统，形成浓水。

EDI这种纯水制作工艺的优势在于不采用混床树脂工艺，这样避免了树脂的再生过程，也进一步避免了树脂再生过程产生的废酸碱液排放。EDI制水过程中的浓水电导率在20 μs/cm～40 μs/cm左右，可以应用在离子清洁度要求较低的用水环节，加之EDI制出的纯水电导率可以达到5 μs/cm以下甚至1 μs/cm，可应用于对离子浓度要求比较苛刻的工艺中。

EDI制水技术也有一定的缺点，与混床制水一样，均需要先做反渗透处理。EDI进水电导率要求在10 μS/cm以下，以保证EDI树脂块去离子速度满足生产要求。通常此问题可以通过更换高脱盐率反渗透膜的方式来满足供水要求，这方面的设备改造程度较小，资金投入较低。

除此之外EDI制水工艺还有运行成本极低，人员工时消耗极低的优势，EDI模块在正常生产情况下，基本不产生物料消耗，仅用电即可。

按照我司半年内DI水供水能力35 t/h计算。可得出成本对比如表2所示。

由此可见，EDI技术和混床技术相比，全年节约成本28.19%左右，加之EDI制水水质较混床优秀许多，两者相比，EDI在印制电路行业的应用有十分巨大的潜力。

表1 用水类型简介

我公司应用EDI技术后，EDI产水部分，DI水电导率明显提升，运行成本逐渐降低，再生混床时产生的废旧酸碱液量从每月10吨左右直接降低为0。

3 降低用水量和水排放

3.1 溢流水洗计算模型介绍

溢流水洗是PCB制造设备商经常采用的一种洗涤方式（见图2），这种方式有利于在一定洁净度要求下，实现节水管控的目的。据统计，溢流水洗水量在PCB生产工厂内，占全厂水用量的40%～50%。溢流水洗本身是一种很好的节水方法，若能再控制流量，节水的效果会更加明显。溢流水洗时水流量的设定值，是许多同行正在考虑的问题。根据文献参考，酸性药水业内普遍采用1次/小时的循环量，碱性药水普遍采用1.5次/小时的循环量。这个经验值具有一定的实用效果，但若想进一步降低用水单耗，需要严谨的科学模型来指导研究方向见图2所示。

图1 EDI内部原理简图

溢流水洗在连续生产的情况下持续进水，这种方式使得整个水槽内的污染物存在一个平衡浓度，在水槽大小恒定，板面污染物带出量恒定的情况下，这个平衡浓度的值就会和进水量成反比关系见图3所示。

表2 纯水车间EDI与混床成本对比表

图2 溢流水洗方式示意图

即在一台固定的生产设备中，持续进水的情况下，经过一段时间的连续生产，污染物浓度会达到平衡值（有效近似值）并不再变化。在这个过程中溢流水洗槽各个参数的变化服从如式（1）。

τ——平衡浓度到达时间

CK——该槽平衡浓度有效近似值

ω——进板量（面积）

V——板面附含污水量

V0——洗涤槽有效容积

C1——进水污染物浓度

在正常生产的情况下，必然是产量越大越有利于设备开动率的提升，故进板量应为一个常数，板面带有的污水量受到车速和设备设计的影响也为常数。结合进水量越低、成本越低，从公式中可以得出，改变进板量和清水进水量可以改变平衡浓度，即提高清洗水的洁净度；同时若减小有效的设备盛水容积，既可降低平衡浓度也能达到缩短平衡时间的效果。故在水洗槽污染物浓度和印制电路板产量恒定的情况下，降低水槽有效容积可以达到降低进水量的效果。但同时应考虑设备启动时需要的水量，以避免循环泵空转。

综上所述，在冲水洗水槽清洁度不变的情况下，降低水洗槽体积可以相应地降低持续进水的水量，同时不影响设备产能。

3.2 用水管控

根据企业设备的特点，从供水环节和用水环节水线设计上进行改进（积水滚轮材质，电磁阀位置等）；我公司生产线大多数为连续进料情况，我们在总进水管道安装电磁阀控制阀门，电磁阀在设备运行时自动开启，在设备停止运转时自动关闭。部分龙门生产线体由于设计古老，仅在总进水位置加装了电磁阀。通过我司对这些设备进行改造——在分管路上均增加电磁阀，实现了在制板进入某槽体内时，该槽自动打开进水电磁阀；而当在制板离开该槽体时不产生用水消耗的效果。

在设备设计时，也可根据实际情况酌情进行改造。例如化学清洗线，全线24 h满负荷生产，这样的生产线没有必要在支路上安装电磁阀；而某些生产线是专门用于首枚产品试生产，这种设备进板不连续，加装支路电磁阀是有必要的。

同时，员工节水意识的培养也是用水管理的重要环节，同时还可以从给一线生产员工制定适当的用水指标、使得目标量化的方式，来达到节水的目的。这样也可以培养员工环境保护和资源节约的意识，将工作具体到实际利益。

3.3 供水方面其他行业的经验介绍

PCB企业大部分采用集中供水的方式进行供水管理，在供水末端（设备端）采用流量计进行管控，这种方式虽然整体规划方便，管理便捷，但是不利于全厂管控，在供水压力一定的情况下，全厂设备的开动率就直接影响了用水单耗的变化。

4 处理水回用

PCB制造企业的废水处理工艺一般为化学沉淀法，这种废水处理方法在类似的涉重金属生产行业内也被广泛采用。沉淀池处理后的废水一般为碱性，这部分废水需要在最终调节池回调pH值才能进行排放，但由于废水量巨大，调节此碱性废水需要投入大量化学药品和资金。

相对于PCB制造企业的碱性废水，大多数PCB制造环节使用酸性化学药品进行板面图形蚀刻的方式，部分生产线的前处理还需要稀硫酸进行微蚀冲洗，因此类处理环节而产生的废气大多为酸性废气，这部分产生的硫酸雾和氯化氢气体，需要进行碱液喷淋吸收的方式才能去除。

结合PCB制造行业产生碱性废水和酸性废气的现状，将碱性的中水应用于处理酸性废气的处理塔中，不仅降低了废气塔中碱液的添加量，同时也降低了中水在调节pH环节的酸液添加量，降低了用药成本；加之因废气塔喷淋塔配药取用的新鲜水减少，一定程度上也降低了废水的排放量；总体上实现了废水回用和资源节约。

经验证发现，在长期使用中水喷淋的过程中，由于溶解性总固体（TDS）过高，废气塔中的泰勒环极易滋生细菌形成结晶，从而降低废气的风量甚至堵塞废气处理塔。定期使用高压水枪对废气塔中的泰勒环进行冲洗可以解决该问题，由于环上结晶疏松，高压水枪可以轻易地将结晶和细菌冲洗掉，不会增加过多的维修保养压力。

5 总结

环保、节能和减排工作中节约用水和减少废水排放一直是重点，PCB行业，也多次响应并推动清洁生产、节能降耗的工作开展。在清洁生产的改进过程中，我公司在充分发挥节约资源的同时也学习其他行业的领先经验，对现有制水、供水环节进行了改造，改造成果显著。

从长远角度看，随着推进绿色发展，循环发展，低碳发展的不断深入，我国在污染物排放标准、核定排放总量以及资源降耗方面加强加严控制水平。故我们更应尽早、尽快、尽所能地落实国家法规，执行相应标准，在废水排放、资源消耗等方面投入更多精力，研发新技术、新工艺以求节水减排，同时以清洁生产为基准，给企业带来资源节约方面最直观的收益。