El descubrimiento y empleo de los semiconductores ha influido de forma decisiva en las profundas modificaciones que han vivido las sociedades avanzadas como consecuencia de la revolución tecnológica de la segunda mitad del siglo XX. De este modo se ha configurado la actual sociedad global, donde las tecnologías de la información y la comunicación se han constituido como el elemento característico e imprescindible del desarrollo científico y tecnológico en el que se basan las actuales formas de vida.
Las industrias que emplean materiales semiconductores o fabrican productos basados en los mismos demandan reactivos de calidad electrónica caracterizados por su limitado contenido en impurezas. Entre los reactivos de este tipo con mayor demanda se encuentra el peróxido de hidrógeno. Los procesos de ultrapurificación de peróxido de hidrógeno son necesarios para poder alcanzar los niveles de calidad exigidos por el sector, específicamente en lo referido a impurezas metálicas.
La revisión del estado del arte con respecto a las tecnologías disponibles para la ultrapurificación de peróxido de hidrógeno presenta diferentes alternativas que incluyen la destilación, la adsorción, el intercambio iónico y las tecnologías de membranas. El empleo de membranas de ósmosis inversa aparece como una opción prometedora desde el punto de vista del uso más sostenible de los recursos naturales (materiales, energía y agua).
En la presente Tesis Doctoral se ha estudiado el proceso de ultrapurificación de peróxido de hidrógeno mediante ósmosis inversa a escala de laboratorio. El peróxido de hidrógeno obtenido mediante un proceso de ósmosis inversa con membranas de poliamida cumple con los requisitos impuestos en el contenido de impurezas metálicas para ser considerado como SEMI Grado 1, el grado menos exigente de los contemplados dentro de la calidad electrónica.
El estudio experimental del proceso a escala de laboratorio permite ajustar el modelo de Kedem-Katchalsky para el transporte de solvente y solutos a través de membranas y es capaz de explicar de forma satisfactoria la evolución de los valores de flujo de permeado y los coeficientes de rechazo de los elementos metálicos en función de la presión aplicada al sistema, evaluando los parámetros que caracterizan al proceso de separación de impurezas lo que permite simular el comportamiento del mismo.
La degradación que las membranas de ósmosis inversa sufren en un ambiente tan agresivo como el peróxido de hidrógeno es un factor a tener en cuenta durante la investigación del proceso de ultrapurificación. Por ello, a la vista de los resultados experimentales que muestran una vida útil extremadamente corta para las membranas en esta aplicación y ante la imposibilidad de encontrar en bibliografía referencias previas para la descripción de la evolución con el tiempo del comportamiento de las membranas bajo degradación oxidativa, se propone un modelo logístico de carácter empírica que complemente el modelo de permeación con la descripción del comportamiento durante la evolución de la degradación de la membrana.
Los modelos obtenidos y los parámetros ajustados permiten simular y optimizar instalaciones para procesos de fabricación bajo la configuración de cascadas de membranas integradas en contracorriente para alcanzar las calidades de peróxido de hidrógeno ultrapuro desde el Grado SEMI 1 hasta el Grado SEMI 5. El modelo ha sido completado con un balance económico lo que permite utilizar los beneficios económicos como función objetivo en la optimización.
Finalmente se ha planteado la optimización del proceso para distintos objetivos en la ultrapurificación de peróxido de hidrógeno mediante cascadas de membranas de ósmosis inversa. Estos objetivos se han concretado en el número óptimo de etapas que la cascada de membranas debe incorporar para la producción de cada uno de los grados de calidad electrónica y los valores óptimos para las principales variables del proceso en cada caso, de modo que se maximice el beneficio económico del proceso; y en el estudio de la influencia de los precios unitarios de los principales recursos necesarios (materia prima, membranas y energía eléctrica) y de diferentes restricciones de mercado sobre la configuración óptima del proceso. / The discovery and posterior use of semiconductor materials have greatly influenced the deep changes that developed societies have experienced as consequence of the technological revolution of the second half of the XX century. This way, the present global society has been configured, where the information and communication technology can be considered as the characteristic and indispensable cornerstone of the scientific and technological development which current life ways are based on.
The semiconductor industrial sector requires electronic quality chemicals which can be characterized by their very limited impurity content. Among this type of chemicals, hydrogen peroxide can be found among the ones with highest demands. Hydrogen peroxide ultrapurification processes are necessary to attain the purity levels required by the sector, specifically for the metallic impurities concentrations.
The bibliographical review about the state of the art with respect to available ultrapurificationt echnologies for hydrogen peroxide introduces different alternatives, including distillation, adsorption, ion exchange and membrane technologies. The use of reverse osmosis membranes appears as a promising option from the point of view that considers the most sustainable use of the natural resources (raw materials, energy and water).
In this PhD Thesis, the hydrogen peroxide ultrapurification process by reverse osmosis has been investigated at lab-scale level. The hydrogen peroxide obtained by means of a reverse osmosis process with polyamide membranes fulfils with the requirements imposed about metallic impurities content to be considered as SEMI Grade 1 chemical, the least exigent grade of the electronic quality framework.
The experimental study of the process at lab scale allows the fit to the Kedem-Katchalsky model for both solvent and solute transport through membranes and it is able to explain in a satisfactory way the evolution of the permeate flux and the rejection coefficients of the metallic elements as a function of the applied pressure by evaluating the parameters that characterize the impurities separation process and lets its performance simulation.
The degradation of the reverse osmosis membranes in such a harsh medium as hydrogen peroxide is a factor to have under consideration during the investigation of the ultrapurification process. Hence, as a consequence of the analysis of the experimental results that evidence an extremely short effective lifetime for the membranes in this application and the lack of a previous bibliographic reference for the description of the time evolution of the membrane performance under oxidative degradation, an empirical logistic model was formulated to complement the permeation model with the description of the performance during the evolution of the membrane degradation
The model that describes the lab-scale hydrogen peroxide permeation is useful to simulate and optimize industrial-scale installations for manufacturing purposes under the countercurrent integrated membrane cascade configuration to produce electronic quality hydrogen peroxide, from SEMI Grade 1 to SEMI Grade 5. The model has been completed with an economic balance which allows the use of the economic profit as an optimization target function.
Lastly, the optimization with different targets as objectives of the hydrogen peroxide ultrapurification process by reverse osmosis membrane cascades has been performed. This objectives have been specified as the optimum number of stages that a membrane cascade should incorporate for the production of each electronic grade and the optimum values for the main process variables have been solved to maximize the economic profit of the process; and the study of the influence of the unitary prices of the principal required resources (raw material, membranes and electric energy) and different market restrictions over the optimal process configuration.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:TDX_UC/oai:www.tdx.cat:10803/112700 |
| Date | 26 April 2013 |
| Creators | Abejón Elías, Ricardo |
| Contributors | Irabien Gulías, Ángel, Garea Vázquez, Aurora, Universidad de Cantabria. Departamento de Ingeniería Química y Química Inorgánica |
| Publisher | Universidad de Cantabria |
| Source Sets | Universidad de Cantabria |
| Language | Spanish |
| Detected Language | Spanish |
| Type | info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/publishedVersion |
| Format | 161 p., application/pdf |
| Source | TDR (Tesis Doctorales en Red) |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess, ADVERTENCIA. El acceso a los contenidos de esta tesis doctoral y su utilización debe respetar los derechos de la persona autora. Puede ser utilizada para consulta o estudio personal, así como en actividades o materiales de investigación y docencia en los términos establecidos en el art. 32 del Texto Refundido de la Ley de Propiedad Intelectual (RDL 1/1996). Para otros usos se requiere la autorización previa y expresa de la persona autora. En cualquier caso, en la utilización de sus contenidos se deberá indicar de forma clara el nombre y apellidos de la persona autora y el título de la tesis doctoral. No se autoriza su reproducción u otras formas de explotación efectuadas con fines lucrativos ni su comunicación pública desde un sitio ajeno al servicio TDR. Tampoco se autoriza la presentación de su contenido en una ventana o marco ajeno a TDR (framing). Esta reserva de derechos afecta tanto al contenido de la tesis como a sus resúmenes e índices. |
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