Czysta, czystsza, najczystsza

22 marca obchodzimy Światowy Dzień Wody. Jest ona niezbędna w funkcjonowaniu życia na Ziemi, a coraz cieplejszy i suchszy klimat sprawia, że coraz bardziej doskwierają nam jej braki. Dlatego tak ważne jest, abyśmy nauczyli się szanować dostępne zasoby wody słodkiej i efektywnie je wykorzystywać, dbając jednocześnie, aby „zużyta” woda wracała do środowiska naturalnego w niezmienionej postaci.

Woda wodzie nierówna. Praca laboratoriów chemicznych wymaga ciągłego utrzymywania wspólnego obszaru – systemu oczyszczania wody. Dla pracowników najczęściej oznacza to konieczność okresowej wymiany wkładów filtracyjnych i jonowymiennych, które oczyszczają wodę kranową. Wystarczy zajrzeć do wnętrza zużytych wkładów, aby dokonać odkrycia, że woda, którą na co dzień stosujemy do celów konsumpcyjnych i użytkowych, nie spełnia w żadnym stopniu wymagań niektórych gałęzi przemysłu. Najbardziej wymagające pod tym względem są fabryki półprzewodników, w których istotne są zanieczyszczenia mierzone w liczbie cząsteczek na miliard. Nie da się tego zrealizować bez intensywnego zaangażowania wielkiej chemii, która jest oczywiście w stanie zapewnić tzw. wodę ultraczystą. Jest to jednak bardzo złożony proces.

Nawet najczystsza woda pitna jest mieszaniną minerałów i gazów rozpuszczonych w niej wraz z dość dużą liczbą zawieszonych cząstek stałych. Przykładem tego, jak bardzo woda ultraczysta różni się od wody pitnej jest fakt, że Amerykańska Agencja Ochrony Środowiska ustala np. limit chromu w wodzie pitnej na zaledwie 0,1 części na milion. W przypadku wody ultraczystej do zastosowań w fabrykach elementów elektronicznych limit ten jest 50 tys. razy bardziej rygorystyczny! Gdy pomyślimy o skali, w jakiej odbywa się na świecie produkcja półprzewodników i że ciągle są w tym zakresie braki podażowe (z których skutkami boryka się np. branża motoryzacyjna), rygorystyczne normy dotyczące wody ultraczystej mają sens, bo zapewniają maksymalny uzysk sprawnych produktów. Rozmiary pojedynczych elementów wytrawianych na płytkach krzemowych są współcześnie na tyle małe, że cząsteczka stała o wielkości zaledwie kilku nanometrów może spowodować, iż wyprodukowany układ scalony stanie się odrzutem produkcyjnym. Dla porównania, cząstka koronawirusa jest rzędu 100 nm.

Kontrola cząstek stałych w układach wody ultraczystej jest kłopotliwa; mogą one bowiem pochodzić z instalacji, zbiorników, pomp oraz kadzi z chemikaliami używanymi w samym procesie oczyszczania. Pomimo stosowania idealnie gładkich powierzchni wewnętrznych rur, mimo wszystko mogą się na nich rozwijać kolonie bakterii, tworząc biofilmy organizmów żywych i martwych. W ten sposób mogą zanieczyszczać wodę zarówno cząsteczkami stałymi, jak też węglem organicznym, będącym głównym składnikiem martwych bakterii. Poza tym głównymi źródłami zanieczyszczeń są sód, krzemiany, tlen i dwutlenek węgla, bo wpływają na stabilność struktur półprzewodnikowych i przewodność warstw dielektrycznych.

Fabryka półprzewodników zużywa zadziwiająco dużo wody pitnej: 7-12 milionów litrów dziennie. Wymaga to stworzenia bardzo efektywnych procesów jej oczyszczania, utrzymywania w czystości oraz recyklingu po użyciu w procesach technologicznych. Jednym z wykorzystywanych rozwiązań są promienie UV o odpowiedniej długości fali, które zabijają bakterie oraz rozkładają białka i kwasy nukleinowe w ich pozostałościach.

Co ciekawe, po przejściu przez wszystkie etapy procesu oczyszczania nie ma możliwości praktycznego zmierzenia jej czystości. Często jedynym niezawodnym wskaźnikiem jakości użytej wody jest… jakość produkowanych elementów elektronicznych. Są natomiast monitorowane kolejne etapy procesu. Po wykorzystaniu woda podlega procesowi odzysku, który ma charakter dynamiczny. Normy dotyczące ścieków komunalnych są coraz ostrzejsze wraz z rosnącym poziomem stosowanych procesów technologicznych oraz nowymi możliwościami detekcji zanieczyszczeń o coraz mniejszych wymiarach.

Woda jest nam potrzebna do życia. Jej zasoby są ograniczone, a zmiany klimatu dodatkowo zwiększają jej deficyt. Współczesny przemysł zużywa bardzo dużo słodkiej wody w procesach technologicznych, których rezultatem są produkty, które potem będziemy użytkować. Dbajmy więc zarówno o to, aby nie zanieczyszczać niepotrzebnie źródeł wody, oszczędnie wykorzystywać wodę oczyszczoną oraz zmniejszyć konsumpcję/rotację produktów, które kupujemy nie zawsze kierując się czystą potrzebą i rozsądkiem. Podziękuje nam za to środowisko naturalne i nasi następcy.

Krzysztof Hajdrowski

Czytaj dalej