Novel separation methods for removing nanoparticles and copper from chemical mechanical planarization wastes

Abstract

Chemical mechanical planarization (CMP) wastewater emanating from semiconductor processing contains copper (II) ions and either alumina and/or silica nanoparticles. The efficiency of biotreatment schemes to remove copper before water recycling or disposal is improved when the nanoparticles are removed before biotreatment. Therefore, coagulation of nanoparticles and filtration were studied in order to identify the most viable and optimal way to employ coagulants using common methodologies for wastewater treatment. It is difficult to separate nanoparticles from CMP wastes through settling and conventional filtration. Chemical aggregation of nanoparticles was found to enhance the settling and filtration characteristics. The efficiency of five chemical coagulants was evaluated, and reagents were based on aluminum and iron salts, natural coagulant and polyelectrolytes with different electrical charge. Optimal operating conditions such as coagulant dosage, pH, type of coagulant, and sedimentation time were established. These parametric studies demonstrated the viability of coagulants to reduce the amount of particles in wastes. Over 95% turbidity reduction was achieved and less than 5 NTU (the recommended value for good quality water) was realized. Filtration characteristics of aggregated particles were also established. To realize the goal of water recycling, it was imperative to develop a rapid and efficient technology taking into account the characteristics and complexity of this waste as well as the interactions between coagulants and nanoparticles.

Los efluentes provenientes del proceso de planarización químico-mecánica (CMP, por sus siglas en inglés) contienen tanto iones de cobre (II) como nanopartículas de alumina y/o silica. La eficiencia de los esquemas de biotratamiento para remover cobre antes del reciclaje o desechado del agua es mejorado cuando las nanopartículas son removidas antes de este tratamiento. Por lo tanto, la coagulación de nanopartículas y filtración fueron estudiadas con el fin de identificar la manera más viable y óptima de emplear los coagulantes comúnmente utilizados para el tratamiento de agua y efluentes. Es difícil separar las nanopartículas de los efluentes del CMP mediante sedimentación y filtración convencional. La agregación química de nanopartículas mejoró la sedimentación y las características de filtración. La eficiencia de cinco coagulantes químicos fueron evaluados y estos son sales de aluminio y hierro, un coagulante natural y polielectrolitos con diferente carga eléctrica. Se establecieron las condiciones óptimas de operación tales como dosificación de coagulante, pH, tipo de coagulante y tiempo de sedimentación. Estos estudios paramétricos demostraron la viabilidad de los coagulantes para reducir la cantidad de partículas en los efluentes. Se obtuvo una remoción de turbidez superior a 95% y menos de 5 NTU, lo cual es recomendable para un agua de buena calidad. Las características de filtración de las partículas agregadas también fueron establecidas. Para lograr el propósito de reciclar agua, fue imprescindible desarrollar una tecnología rápida y eficiente tomando en consideración las características y complejidad de este efluente así como las interacciones entre los coagulantes y nanopartículas.