脱气膜在超纯水工艺中的作用：CO₂/O₂去除机制、安装位置与选型要点

脱气膜在超纯水工艺中的核心作用是去除水中溶解的CO₂和O₂，以保障EDI产水电阻率稳定达标并满足半导体等行业对溶解氧的ppb级控制要求。脱气膜通常安装在二级反渗透与EDI之间，利用疏水性中空纤维膜提供巨大的气液接触面积，在真空或吹扫气体作用下将溶解气体从液相侧脱除至气相侧。脱气膜对CO₂的去除率可达98%以上，对O₂的脱除率可达90%以上，采用真空+N₂吹扫组合模式时O₂可降至1 ppb以下、CO₂降至0.5 ppm以下。相关产品标准为T/ZGM 014-2023《半导体行业超纯水制备用脱气膜组件产品认证技术要求》，该标准规定了脱气膜元件的尺寸、性能、材质和洁净度要求及试验方法。

一、脱气膜的工作原理与核心机制

脱气膜是一种基于亨利定律的气/液膜分离技术。脱气膜组件内装有大量疏水性中空纤维膜，纤维壁上的微孔孔径约为0.03～0.1 μm，水分子不能通过膜孔，而气体分子可以穿过。工作时，超纯水在中空纤维的管程（液相侧）流动，壳程（气相侧）在真空泵作用下形成负压，水中溶解的气体在分压差驱动下不断从液相穿过膜壁进入气相侧被抽走，从而达到去除水中气体的目的。[reference:0]中空纤维膜直径小、可紧密排列，单位体积装填密度大，能提供巨大的气液接触面积，从而使脱气速度显著加快。

脱气膜的气相侧可采用三种运行模式。真空模式下，真空泵直接将气相侧抽至负压，CO₂去除率可达90%～95%，O₂可降至＜1～5 ppb。吹扫气体模式下，在气相侧通入N₂等吹扫气体，稀释并带走透过膜的气体。真空+N₂吹扫组合模式下，O₂可降至1 ppb以下，CO₂降至0.5 ppm以下，深度脱气效果最佳。有研究表明，采用两级不同运行方式的脱气膜装置，第一级采用氮气吹扫加真空的方式可使溶解氧去除率达到99.9%以上，保证溶解氧含量≥0.5 μg/L；第二级采用抽真空的方式可达到更低的溶解氧含量（≤0.5 mg/L），在得到更高溶解氧去除率的同时避免第二级氮气吹扫引入的溶解氨杂质。[reference:1]膜脱气装置的脱气效率可高达99.99%，出水二氧化碳和氧气浓度可小于2 ppb。[reference:2]

二、CO₂去除：脱气膜对超纯水电阻率的核心贡献

在采用“二级RO+EDI”工艺的超纯水系统中，水中溶解的CO₂是造成产水高电导率的主要原因。[reference:3]CO₂在水中以游离CO₂、HCO₃⁻和CO₃²⁻三种形态存在，其比例受pH值显著影响。在反渗透产水的酸性环境（pH 5～6）下，CO₂主要以游离态存在，而反渗透膜对游离态CO₂几乎没有去除能力，因此RO产水中会残留相当量的CO₂进入EDI。

CO₂进入EDI模块后会转化为HCO₃⁻，与阴离子交换树脂发生交换，消耗树脂的工作交换容量，增加模块的离子负荷，同时降低EDI对硅等弱电解质的去除效率，直接表现为产水电阻率上不去。当进水CO₂含量大于10 ppm时，EDI系统就不能制备高纯水了。[reference:4]因此，在EDI前有效去除CO₂，是保障产水电阻率稳定达到15～18.2 MΩ·cm的关键前提。脱气膜对CO₂的去除率可达98%以上，无需添加任何化学药剂，不引入任何污染物。[reference:5]

除脱气膜外，控制CO₂的另一条技术路径是在二级RO进水前投加氢氧化钠将pH调至8.0～8.5，使CO₂转化为HCO₃⁻离子态后通过RO膜去除。脱气膜方案的优点在于不消耗化学药剂、不引入新的离子，且对CO₂的去除效率可达ppb级。在反渗透之后安装脱气膜，由于RO过程中pH自然下降至6以下，有利于CO₂以气体形式存在，脱气膜可以更高效地去除CO₂。

三、O₂去除：电子半导体行业的特殊要求

与CO₂不同，溶解氧在一般纯水制备中的关注度较低，但在电子半导体行业则属于严格管控的指标。在超大型集成电路制造过程中，溶解氧可能导致的二氧化硅薄膜生长、互联线路腐蚀以及微生物滋生等问题已不容忽视，溶解氧浓度的控制已达到ppb级别。[reference:6]在晶圆清洗过程中，水中含有较高浓度的溶解氧会在晶圆表面形成自然氧化膜，可能妨碍对氧化膜厚度和膜质的精密控制，或增加接触孔、导通孔、插头等的接触电阻。[reference:7]

脱气膜能够将水中溶解氧脱除至1 ppb以下，可满足半导体行业对超纯水溶解氧的极限控制要求。[reference:8]当超纯水系统同时需要控制CO₂和O₂时，可在二级RO与EDI之间安装脱气膜去除CO₂，在EDI之后的抛光循环回路中再安装一级脱气膜进行深度脱氧，形成“脱碳在前、脱氧在后”的两级配置。

四、安装位置与系统集成

脱气膜在超纯水系统中的安装位置直接影响脱气效果和系统运行效率。超纯水生产工艺中，脱气膜一般放在二级RO与EDI之间，用于去除水中溶解的CO₂，提高EDI的产水质量。[reference:9]这一位置选择有明确的工程逻辑：二级RO产水进入EDI之前，CO₂是EDI最主要的离子负荷来源，在此处去除CO₂可直接减轻EDI的脱盐负担，使EDI产水电阻率稳定达到15～18.2 MΩ·cm。同时，脱气膜应安装在保安过滤器之前，以保护中空纤维膜不被颗粒物堵塞。

对于同时需要去除O₂的电子级超纯水系统，脱气膜可采用两级配置。第一级脱气膜安装在二级RO与EDI之间，以去除CO₂为主要目标；第二级脱气膜安装在EDI之后或抛光混床之前的循环回路中，以深度脱除O₂为主要目标。脱气膜的安装方向以垂直安装为最佳，如果水平安装，应让真空侧口向下以促进可能的凝结蒸汽水的排放。脱气膜接触液体的材质应与终端供水指标相匹配，用于超纯水系统时通常会在膜壳内衬PP、PVDF材质的内衬层，抛光段的脱气膜应根据终端供水的颗粒指标、TOC指标等选用匹配的接触液体材质。[reference:10]

五、产品标准与选型要点

脱气膜在半导体超纯水制备中的应用已有专门的团体标准。T/ZGM 014-2023《半导体行业超纯水制备用脱气膜组件产品认证技术要求》规定了脱气膜元件认证的技术要求、试验方法，规范了脱气膜产品的尺寸、性能、材质、洁净度要求及试验方法，适用于半导体行业超纯水制备用脱气膜元件。[reference:11]选型时应重点关注以下参数：脱气率（CO₂去除率≥98%，O₂去除率≥90%）、出水CO₂浓度（≤0.5 ppm）、出水O₂浓度（≤1 ppb，高端应用）、膜材料（聚丙烯PP或聚四氟乙烯PTFE）、耐压范围（5～7.2 barg）、温度适应范围（5～75℃）以及接触液体材质的洁净度等级。

脱气膜在制药用水系统中也有应用，膜材料需具备FDA 21 CFR 177.2600食品接触材料认证，系统压力容器需符合PED（2014/68/EU）压力设备指令。脱气膜的日常维护要点包括：定期用纯水进行反向冲洗去除膜表面沉积物；避免膜丝长时间暴露在干燥空气中导致性能下降；对于水质较差的应用场景，应在脱气膜前安装保安过滤装置防止颗粒物堵塞膜孔。

一句话原则：脱气膜在超纯水工艺中的核心作用是“去除CO₂保EDI电阻率、脱除O₂保半导体良率”——安装在二级RO与EDI之间去除CO₂，CO₂去除率≥98%，使EDI产水电阻率稳定达到15～18.2 MΩ·cm；O₂去除率≥90%，采用真空+N₂吹扫组合模式可降至1 ppb以下；产品选型参照T/ZGM 014-2023，垂直安装为最佳方向，抛光段脱气膜的接触液体材质应与终端水质指标匹配。