Development of filtration/biotreatment schemes to recycle CMP wastewater

Abstract

Environmentally benign processing is a concept geared towards reducing the release of pollutants into the environment while maximizing the industrial recyclables. It has been demonstrated that effluents, especially at the critical chemical mechanical polishing (CMP) step in the semiconductor industry, are effectively treatable via filtration/biotreatment schemes and CMP wastes are recyclable. CMP wastes were characterized to study multiphase and multicomponent interactions and in order wastes were treated to remove copper (II) ions via biosorption and to remove abrasive nanoparticles via filtration. The treated CMP effluents not only comply with discharge requirements, but they provide the added benefit of CMP reuse in raw CMP slurry dilutions. The samples used in this study were samples prepared from raw CMP slurries diluted with ultra pure water (UPW) with/without copper, surrogate CMP samples, copper-in-UPW (Cu-UPW) samples, and the University of Arizona tool-room effluents. A protocol for characterization of the various samples was developed based on EPA and other analytical standards. The efficiencies of two filtration/biotreatment schemes at removing copper were compared. The schemes being: filtration followed by biotreatment; and biological filtration in which the bacterium cells were grown on the filter matrix to combine filtration and biotreatment into a single step (biofilter). The results of copper-particle interactions and biosoption studies revealed that particles limit the efficiency of biosoption and, thus, the need to implement filtration/biotreatment schemes. The biotreatment studies were conducted with two bacterium strains known for biosorption of copper (II) ions: Staphylococcus Soil Y5 and Thriothiox A1. The continuous column experiments were conducted using Staphylococcus Soil Y5 grown on Kaldnes® biocarriers in free medium to maximize bacterial biofilm surface area. Biological filtration studies involved seeding the high efficiency depth filter with Soil Y5 bacterium and the results revealed the effectiveness of simultaneous removal of particulates and copper from the waste. It was found that approximately 86% of the copper was removed from Cu-UPW samples without nanoparticles; and the treatment of un-diluted Cu-CMP (269.23 PPM Cu) and 75% diluted Cu-CMP (201.71 PPM Cu) samples in biofilter removed more than 95% of the copper. The studies demonstrated overall the efficacy of filtration/biotreatment schemes to treat CMP wastes and reuse treated CMP effluents.

El procesamiento benigno o saludable al ambiente es un concepto que busca reducir la descarga de contaminantes al ambiente mientras se maximiza el reciclaje. Se demostró a través de este trabajo que los efluentes, especialmente aquellos que provienen del paso de Pulimiento Químico Mecánico o CMP por sus siglas en inglés, se pueden tratar eficazmente utilizando un esquema de filtración y bio-tratamiento. Los efluentes de CMP se caracterizaron con el fin de estudiar las interacciones entre fases y entre sus componentes. Luego estos efluentes se trataron para remover nanopartículas abrasivas por filtración e iones de cobre (II) utilizando bioremediación. Los efluentes tratados no solo cumplen con los requerimientos de descarga sino que también proveen un beneficio adicional ya que los mismos pueden ser reutilizados en la dilución de los lodos de CMP. Las muestras utilizadas para este estudio son muestras preparadas a partir de lodos de CMP diluidos con o sin cobre, muestras preparadas a partir de reactivos químicos comprados, soluciones de agua ultrapura con cobre, así como muestras obtenidas del proceso de CMP realizado en el laboratorio de máquinas de la Universidad de Arizona. Se desarrolló un protocolo de caracterización para las muestras basado en los protocolos de EPA y otros estándares analíticos establecidos. Se comparó la eficiencia de dos esquemas de filtración y bioremediación para remover cobre. Los esquemas son: filtración seguida del tratamiento biológico y la utilización de un filtro biológico donde la bacteria es inoculada en la matriz del filtro para combinar la filtración y el biotratamiento en un solo paso. Los resultados de las interacciones del cobre con las partículas y los estudios de adsorción biológica revelan que las partículas limitan la eficiencia de adsorción biológica por lo que se requiere la implementación de un esquema de filtración y biotratamiento. Los estudios de biotratamiento se realizaron utilizando dos bacterias que adsorben cobre: Staphylococcus Soil Y5 and Thriothiox A1. Los experimentos de flujo continuo se realizaron utilizando la bacteria previamente cultivada en medio de liquido y un portador biológico marca Kaldnes® que maximiza el área superficial en la que la bacteria puede crecer y formar una capa de biomasa. En los estudios de filtración biológica, Staphylococcus Soil Y5 se inoculó en la matriz del filtro. Los resultados revelan la eficiencia de remover nanoparticulas abrasivas y cobre de los efluentes. Se encontró que aproximadamente 86% del cobre se remueve cuando se tratan soluciones de cobre en agua sin partículas y 95% cuando se tratan efluentes de CMP sin diluir (269.23 PPM) y diluidos con un 75% de CMP (201.71 PPM) utilizando el filtro biológico. Los estudios demuestran la eficacia del esquema de filtración y bioremediación para tratar y reusar los efluentes de CMP.