这篇文档属于类型a，是一篇关于半导体行业化学机械抛光（CMP）浆料废水处理的原创性研究论文。以下是详细的学术报告内容：

一、作者与发表信息

该研究由Jihyeon Lee（第一作者）、Yeon So、Soyoun Kim、Yeomin Yoon、Hojung Rho及通讯作者Chanhyuk Park合作完成，研究团队分别来自韩国梨花女子大学（Ewha Womans University）环境科学与工程系、韩国土木工程与建筑技术研究院（Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology）环境研究部，以及韩国科学技术院（University of Science and Technology）土木与环境工程系。论文发表于《Journal of Water Process Engineering》第61卷（2024年），并于2024年4月16日在线公开，文章编号105326。

二、学术背景

研究领域与动机

研究聚焦于水处理工程领域，针对半导体制造过程中产生的化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing, CMP）浆料废水。这类废水中含有高浓度溶解性二氧化硅（Silica）、有机化合物和硝酸盐污染物，传统生物处理法效率低且无法快速降解污染物。

背景知识

CMP废水中的溶解性二氧化硅易与胶体硅聚合，导致管道结垢（Scaling）；硝酸盐超标可能引发水体富营养化（Eutrophication）和健康风险（如高铁血红蛋白血症）。现有处理方法（如化学混凝、反渗透、生物反硝化）存在成本高、效率低或二次污染等问题。

研究目标

探讨电凝法（Electro-Coagulation, EC）与陶瓷膜微滤（Microfiltration, MF）和纳滤（Nanofiltration, NF）联用技术的污染物去除效率及机制，为半导体废水提供可持续处理方案。

三、研究流程与方法

研究分为以下核心步骤：

1. 实验设计与材料

• CMP废水样本：取自韩国某半导体制造厂，稀释15倍以模拟实际废水比例，主要成分包括溶解性二氧化硅（29.9 mg/L）、硝酸盐（15.4 mg/L）和总有机碳（TOC, 855.7 mg/L）。
  
• 电凝（EC）系统：采用铝电极（阳极/阴极），在600 mL反应器中处理500 mL废水，测试四种电荷负载（50、100、200、400 C/L）。
  

2. 膜过滤系统

• 陶瓷微滤膜（MF）：孔径0.1 μm（实际测定88.9 nm），用于分离EC生成的絮凝物（Flocs）。
  
• 陶瓷纳滤膜（NF）：截留分子量（MWCO）200 Da（实际测定1.3 nm），处理EC+MF后的出水，考察对小分子污染物的截留效果。
  

3. 分析方法

• 污染物浓度：紫外分光光度法（二氧化硅）、离子色谱（硝酸盐）、TOC分析仪（有机碳）。
  
• 膜表征：通过聚乙二醇（PEG）和聚环氧乙烷（PEO）溶液测定膜孔径；Zeta电位仪分析膜表面电荷。
  

4. 创新方法

• 电荷负载优化：首次系统量化电荷负载（50–400 C/L）对EC絮凝物尺寸和污染物吸附效率的影响。
  
• 陶瓷膜联用机制：结合MF的物理截留与NF的尺寸/电荷排斥（静电排斥），提出分级处理策略。

四、主要结果

1. 电凝（EC）的污染物去除效果

• 溶解性二氧化硅：去除率随电荷负载增加显著提升（50 C/L时为3.8%，400 C/L时达92.5%），因Al³⁺生成氢氧化铝絮凝物吸附H₄SiO₄。
  
• 硝酸盐：高电荷负载（400 C/L）下去除率达95.8%，依赖Al(OH)₃的离子交换或氢键吸附。
  
• 有机污染物（TOC）：EC单用效果差（%），因小分子有机物难以被絮凝物捕获。
  

2. 膜联用系统的增效作用

• EC+MF系统：MF仅截留絮凝物（粒径>88.9 nm），对溶解性污染物无显著去除。
  
• EC+MF+NF系统：NF膜通过孔径筛分（1.3 nm）和负电表面（pH 4.3时Zeta电位−1.5 mV）截留剩余污染物：
  
  • TOC：去除率77.8–81.0%，但出水浓度（164.6–188.6 mg/L）仍高于韩国排放标准（50 mg/L）。
    
  • 硝酸盐：出水浓度 mg/L，满足法规要求。
    

3. 膜污染与运行优化

• MF膜：因絮凝物形成的滤饼层（Cake Layer）导致通量快速下降，但清洗后可恢复初始通量。
  
• NF膜：污染程度与电荷负载无关，稳定性高。
  

五、结论与价值

科学价值

1. 机制阐明：揭示了EC絮凝物吸附与陶瓷膜筛分/静电排斥的协同作用，尤其是NF膜对低分子量污染物的高效截留。
   
2. 技术优化：提出400 C/L为最佳电荷负载，平衡去除效率与能耗。
   

应用价值

1. 可持续性：减少化学药剂投加，降低污泥产量，适合半导体行业高标准废水处理。
   
2. 工程指导：为EC-陶瓷膜联用系统的设计和操作参数提供实证依据。
   

六、研究亮点

1. 创新性联用技术：首次将EC与陶瓷MF/NF膜结合处理CMP废水，填补了该领域技术空白。
   
2. 多尺度表征：通过分子量分布（HP-SEC）和膜孔径/Zeta电位分析，耦合污染物去除机制。
   
3. 实际废水验证：采用真实CMP废水，结果更具工业参考价值。
   

七、其他重要发现

• 溶解性二氧化硅的聚合行为：EC过程促进铝硅酸盐（Aluminium Silicate）生成，为后续膜分离创造条件。
  
• 有机物的分子量分布：EC使中分子量有机物（910 Da）转化为高分子量絮凝物（28,250 Da），但低分子量组分（2.4 Da）仍需进一步处理。
  

本研究的系统性与实用性为半导体废水处理提供了新思路，未来可通过膜表面改性（如纳米材料负载）或二级NF工艺进一步提升有机物去除率。