高科技产业挥发性废气处理技术及操作处理成本
一,前言
高科技产业为现阶段国家工业发展重心,再加上高科技产业之群聚现象,对
於环境造成相当大之区域负荷,有别於传统产业.高科技产业在制造过程中为确
保品质,经常使用大量易挥发性的有机溶剂清洗,其衍生的挥发性有机物
(VOCs),可能经由逸散或排放管道进入大气环境中(1).
由环保署空气品质监测资料显示,VOCs及NOx等臭气前驱物质与光反应
所产生的臭氧,有取代悬浮微粒,成为影响空气污染指数(PSI)的主要污染物的趋
势.因此加强管制VOCs排放乃是改善空气品质的当务之急.环保署因此在过去
几年陆续研订各行业之排放标准来管制VOCs排放,半导体制造业为其中之一.
在新标准陆续公告实施后,民众所期望空气品质改善的目标正逐渐达成;而业者
对於低成本,高效率废气处理技术之需求则日益迫切(2).
随著半导体工业快速发展,行政院环保署在民国89年7月1日正式施行「半
导体制造业空气污染管制及排放标准」,严格管制晶圆制造等相关半导体产业所
排放之空气污染物.又随著光电厂的快速发展及建造,光电业排气中挥发性有机
废气(VOCs)之处理,最近亦引起了广泛之讨论,况且目前行政院环保署亦已著手
制定「光电制造业空气污染管制及排放标准」草案.另根据新竹科学园区历年工
厂采样检测结果,以积体电路产业之污染问题最为严重,其次为光电产业.因此
本文将介绍目前国内外应用於高科技产业之挥发性有机废气可行控制技术(如热
焚化,触媒焚化,活性碳吸附,湿式洗涤及生物滤床等),适用范围,设备及操作
处理成本等,供高科技产业应用参考.
二,高科技产业VOCs废气的来源
在高科技产业中,以积体电路产业产生之污染问题最为严重,其次为光电产
业.而半导体制程中以黄光制程,封装制程为主要挥发性有机污染物来源.其
VOCs废气的来源除制程使用的光阻剂,去光阻剂,显影剂外,主要为清洗过程
使用的异丙醇,丙酮,乙酸丁脂,甲苯,二甲苯,含氯有机物等(2).而光电业之
LED和LCD制造业与半导体制造业制造程序类似,因此排放之污染物包括有机
废气,无机酸气及毒性或爆炸性气体,与矽为主之半导体相似,其主要之空气污
染物为有机废气和无机废气.制程中之有机废气主要产生源为显影制程使用的光
阻剂,去光阻剂,显影剂,以及基板清洗过程使用的异丙醇,丙酮等(3).
因此综括在半导体制造业及光电业排放之主要污染物,大多为异丙醇及丙酮
为主.以及其他污染物如2-丁酮,甲苯,二甲苯,乙酸丁脂,PGMEA(Propylene
glycol monomethylethyl acetate)及三氯乙烷等.上述污染物如异丙醇,丙酮,丁酮,
PGMEA,PGME等,多半为水溶性高之物质,而制程使用之去光阻剂的成分(如
ACT690中含有DMSO(dimethyl sulfuroxide),NEA(n,n-dimethyl acetamide),
MEA(methyl ethyl amide),NMP(n-methyl pyrrolidone)则属於硫类和胺类之有机
物,其沸点高,在高温下较不稳定之有机溶剂,且这些物质具有恶臭(2).
三,挥发性有机物之控制方法概述
通常VOCs处理方式分三方面来考虑,浓度高且溶剂单价高时大都以回收溶
剂为其处理方式;如果浓度高,价值低且排气量大时,大都以高温氧化法为其处
理方式;如果浓度低且排气量大时,则以活性碳吸附,浓缩后焚化或以生物过滤
法处理至无臭,无害为原则,目前高科技产业废气条件大多在此范畴.而在选择
VOCs废气处理技术时,需以下列几点准则来判断该技术之可行性(1):
1. 去除率:污染源之组成及浓度若产生变动时,系统仍可保持稳定之去除效率,
且经处理后之污染物浓度亦需符合环保法规.
2. 持久性:需考虑该设备可使用年限,如洗涤液更换频率,活性碳再生时程,触
媒有效寿命等.
3. 经济性:有些处理技术虽然解决了废气问题,但往往又产生了二次污染,而二
次污染势必又需另行投资其他污染控制设备.另外,系统初设备,操作费用及
维护难易性等均需考虑.成本的考量乃是处理技术选择最主要的因素.
经济考量为VOCs废气处理方法选择中之最重要者,图1比较各种排气处理
方法之费用及适用VOCs浓度范围.一般而言,低浓度排气(5,000~10,000mg C/m3)
则可以火焰焚化,冷凝或活性碳吸附回收处理.含中低浓度硫或氮成分之VOCs
则可以化学氧化洗涤法处理(4).
资料来源:周明显,「挥发性有机物及臭味控制技术」,环保资讯月刊第54期,2002/10.
图1 挥发性有机废气处理之相对费用及适用方法
3
四,VOCs可行控制技术
VOCs的处理方法包括目前已商业化之成熟技术及开发研究中之新颖技术,
种类可说是不胜枚举.但一般而言,其处理方法主要为洗涤法,冷凝法,吸附法,
生物处理法等,其适用范围如图2所示.且由於高科技产业废气多为混合之气体,
为达经济效益,常综合两种以上处理方法.因每种处理方法均有其适用范围及
优,缺点,在设置前需先了解待处理废气之组成浓度,排放周期,欲达到的处理
效益及可设置之地点,空间大小,再行选择适当处理系统.
低浓度
小於1,000ppm
中浓度
数千ppm
高浓度
大於1%
不具回收
价值
具回收价值
不具回收
价值
具回收价值
水溶性低
水溶性高
水溶性低
水溶性高
□ 生物滤床
□ 活性碳吸附
□ 生物滴滤塔
□ 生物洗涤塔
□ 氧化洗涤
□ 浓缩后再处理
□ 蓄热式焚化炉
□ 触媒焚化
□ 热焚化
□ 活性碳吸脱附
溶剂回收
□ 湿式洗涤塔溶
剂回收
□ 燃烧塔
□ 冷凝回收
有机废气(VOCs)
图2 有机废气处理主要技术适用范围
4
由於高科技产业所排放之废气具有低浓度,中高风量,且成分多样的特性,
适合利用的技术包括有吸附技术,化学洗涤技术,焚化技术及生物处理技术等,
兹将分别叙述如后(5~16).
(一)吸附技术
1.原理
固体本身表面力的作用会吸引气体分子,这个现象称为吸附.此种具有表
面吸附力的固体称为吸附剂,被吸附於固体表面的物质称为吸附物质.吸附过
程中气体分子失去动能,而以热的型式释放出来,因此吸附为放热程序.而吸
附的逆程序称脱附,脱附为吸热程序,换言之,必需供应热能以使吸附物质由
吸附剂表面分离.
依照吸附剂与吸附物质间吸引力之不同,吸附法机制可分为物理吸附与化
学吸附二种.物理吸附是藉固体吸附剂与吸附物质分子间的凡得瓦尔力,使吸
附物质附著在固体表面.物理吸附乃一可逆现象,一般可藉由改变压力或温度
再生吸附剂,并回收吸附物质.化学吸附系藉吸附剂与吸附物质间的化学作用
产生化学键结,使吸附物质附著在吸附剂表面,两者间的吸引力较物理吸附为
强,化学吸附为高放热反应且通常为不可逆现象.
当吸附剂饱和后需进行处理,其处理方式有抛弃与再生二种,抛弃法使用
时机系在吸附物质量小,吸附剂购买成本比再生成本低,则可以掩埋或焚化方
式抛弃.当吸附物质具毒性,致癌物或吸附剂为活性碳者,一般以焚化法较合
适,但焚化时必须注意控制以避免造成二次污染;至於再生法之脱附方式有加
热,减压,惰性气体或蒸气气提,以更吸附之物质取代原吸附物质,或以上方
法联合使用.
2.应用
吸附最大特点系能在符合经济条件之操作范围内,几乎完全除去废气中某
些VOCs成分,故在空气污染控制上,特别适於处理风量大含有低浓度VOCs
之废气.此等废气经吸附操作后,其污染物含量一般皆可降低至符合排放标准.
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特别是在除臭方面,因为异味分子在几个ppm以下都还可以嗅觉到,而吸附能
将其降低到无法闻出的程度.
最常用的吸附系统是以活性碳作为吸附剂,主要是由於活性碳对某些特定
VOCs成份之物理吸附效果良好,且回收,再生容易.至於其他吸附剂如矽胶,
矽藻土,活性氧化铝,或合成沸石等,则对某些VOCs成份之吸附选择性较高.
吸附法一般使用在污染控制或溶剂再利用的技术上,设计良好之吸附系统
效率可达95 99%.VOCs去除效率主要与废气中有机成份之浓度,化学物理
性质及气流特性等有关.入口之进气浓度受限於吸附床的吸附能力或吸附热量
导致高温及可燃性蒸气的安全问题,最大的进气浓度一般可达10,000ppm.而
处理后之排出浓度在一般正常操作下,可以降到50 100pppm,而某些化合物
所排出浓度更可低至10 20ppm.
高分子量化合物具有低挥发性质,与活性碳有很强的吸附能力,但在活性
碳床再生时进行脱附亦较困难,因此活性碳不适合用於吸附沸点高於200℃,
分子量大於130之化合物.
而高挥发物质如分子量低於45者,则不受活性碳吸附,除此,被吸附物质
间高低沸点差距过大者,亦不适合使用吸附法处理,表1列出活性碳吸附处理
之适用对象及其吸附容量.
活性碳吸附反应与进入吸附床废气状况有关,若废气含有液体或固体颗
粒,高沸点有机物或易聚合物质时,则必需先进行预处理(如过滤);若废气具
有高相对湿度(大於50%),则必需进行先除湿;若废气温度超过40℃时,最
好先加以冷却,此因吸附效率在温度大於40℃时会明显降低;至於增加气流压
力虽能提高VOCs处理效率,然需防止气体冷凝或引火;此外,废气进流速度
必需相当小,以使吸附机制有足够时间发生,而吸附床所需之高度与活性碳颗
粒尺寸及孔隙率成正比.
为了避免因活性碳床中绝热吸附过程及氧化反应,造成活性碳床温度过
热,当废气浓度高於10,000ppm者,在吸附之前应采用稀释方式降低污染物浓
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度.在活性碳床中如有不能共存溶剂混合时,会产生放热反应而造成聚合反应,
故需确认VOCs进气浓度必须低於LEL之25%.
吸附操作可持续进行至整个吸附床饱和才进行脱附,活性碳再生系以加热
方式或抽真空方式进行.若废气含有高浓度VOCs,则使用高压吸附并以真空
脱附方式再生吸附剂.另一种常用方法则以低压蒸气或加热之惰性气体,使吸
附物质脱附,然后将含吸附物质之气体经冷凝器分离而回收有机物;经再生处
理之活性碳可继续使用,直至其吸附能力下降至需置换为止.
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表1 活性碳对各种有机物质之吸附容量
臭味来源
成分
吸附容量% 臭味来源
成分
吸附容量%
木精
(醇类)
乙醇 21 溶剂
(酮类)
丙酮 10
溶剂
甲醇 10 溶剂
二乙基甲酮 30
离醇油
丁醇 34 溶剂
丁酮 10
戊醇 35 溶剂
甲基异丁基酮 20
药品
(有机酸类)
醋酸 37 溶剂
(芳香烃类)
苯 23
体臭
酪酸 35 硝基(代)苯 20
药品
甲酸 7 溶剂
甲苯 25
棕榈油
棕榈酸 35 溶剂
二甲苯 26
丙酸 30 (脂肪类碳化氢)
丙烯酸 20 燃料
丙烷 5
动物臭
辛酸 35 煤气
丙烯 5
刺激臭
胺
一些
灯油成分
癸烷 35
溴 40 汽油成分
庚烷 20
黏胶
二硫化碳 15 汽油成分
己烯 10
溶剂,灭火用
四氯化碳 45 灯油成分
壬烷 30
颜料制造
氯 15 燃料
丁烷 8
药品
溴化氢 12 (醚类)
燃烧气体
氯化氢 12 医药品
乙醚 15
氟
氟化氢 10 溶剂
二异丙醚 18
碘化氢 15 甲醚 10
腐蛋臭
硫化氢 3 溶剂
丁醚 20
碘 40 (酯类)
药品
硝酸 20 漆溶剂
醋酸戊酯 41
燃烧气体
二氧化氮 10 漆溶剂
醋酸丁酯 28
放电管
臭氧
分解氧
漆溶剂
醋酸乙酯 19
燃烧排气
二氧化硫 10 漆溶剂
醋酸丙酯 23
燃烧排气
三氧化硫 15 溶剂
醋酸甲酯 16
药品
硫酸 30 (醛类)
(卤化烃类) 药品,燃烧排
乙醛 7
乾洗用
三氯乙烯 13 气臭
丙醛 15
麻醉用
三氯甲烷 40 柴油废你
丁醛 20
防腐用
三碘甲烷 30 合成用剂
异丙基氯 20 燃烧排气臭
甲醛
很少
冷媒
氯化甲烷 5 (其它化合物)
二氯甲烷 25 苯酚树脂
石碳避 30
四氯代甲烷 60 医院消毒液臭
甲酚 30
牛皮纸浆,黄萝
卜碱菜臭
(硫醇类)
甲硫醇 20
排泄物
溶剂
体臭,脚臭
粪臭素
松节油
吉草酸
25
32
35
蒜,葱,污水
乙硫醇 23 盖醇 20
丙硫醇 25 烟草臭
烟碱 25
茨酮 20
*吸附容量:指吸附量与活性碳重量之百分比
资料来源:行政院环保署,恶臭防制技术参考手册第三册,民国77年.
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3.吸附回收设备
活性碳吸附法在工业上常使用者有固定床式活性碳回收设备,流动
床式活性碳回收设备及活性碳纤维回收设备等三种型式,其相关特性比
较如表2所示,并分述如下:
表2 各式活性碳回收设备之特性比较
型式
项目
固定床式活性碳
回收设备
流动床式
回收设备
活性碳纤维
回收设备
吸附材质
粒状活性碳
球状活性碳
纤维状活性碳
吸附方式
填充层
(固定床式)
空中浮游式
圆筒形单体
(固定床式)
脱附媒体
蒸气(大量) 氮气(少量) 蒸气(中量)
脱附温度(℃) 120 130 150 160 100 110
吸脱循环时间(min) 60 120分钟 30 60分钟 10 12分钟
去除效率(%) 大於97 小於95 大於99
回收品中酸性分解物
(ppm)
大於10 大於10 小於1
分离水量
kg水/kg溶剂
1 7
(原废气中湿分凝结)
0 0.2
1 5
著火危险性
高
高
轻
粉尘污染
重
严重
无
操作安定性
安定
※不安定
极安定
※流动床式容易受到温度,溶剂浓度,压力等条件影响,呈现不安定情况.
资料来源:刘文华,挥发性有机废气处理技术与应用实务,化工杂志,第75期, 88年6月.
(1)固定床式活性碳回收设备
利用活性碳粒对有机溶剂分子的优越吸附特性,及大范围溶剂种
类的吸附能力,采用两槽式之更替吸附,脱附循环,以高温蒸气脱附
活性碳上吸附的有机溶剂成份,再经冷凝器分离而回收,有关系统流
程如图3所示.
(2)流动床式活性碳回收设备
利用活性碳吸附,但改以氮气为脱附之载体气体,采活性碳粒流
动循环的方式设计,以改良固定床式占地体积大回收水溶性溶剂须再
加装蒸馏设备等缺点,有关系统流程如图4所示.
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图3 固定床式活性碳回收设备
资料来源:林文川,臭味控制技术的介绍,台湾国际环保暨能源展专刊—环保特
刊,民国85年.
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图4 流动式活性碳回收设备<font color="#000000">
资料来源: |
