3-1 實驗材料
1. 實廠 CMP 廢水
本研究所採用的氧化層化學機械研磨廢水，取自於新竹科學園區內某家半導 體工廠的實廠廢水，其水質項目如表3- 1 所示，溶液主要是由 SiO2砥粒所組成，
而初始濁度與導電度由於不同時間內的製程不同，所以約在150～450 NTU 與 80
～220 μS/cm 之間變動，由於研磨液中所加入的 KOH，使其 pH 值在偏鹼範圍分 布，且由於pH 偏鹼，致使 CMP 的界達電位約在-40 mV～-60 mV 之間分布；砥 粒的平均粒徑方面與原始的CMP 研磨漿相差不大，也是在 80～220 nm 左右，屬 於奈米等級，其中由於主要砥粒都是SiO2顆粒所組成，所以總矽濃度很高，約在 600～1000 mg/L (as SiO2)，總有機碳(TOC)方面濃度也頗高，可達 70 mg/L 之高。
整體而言CMP 實廠廢水的性質與原始 CMP 研磨漿液相差不大，惟在水樣採 集後約一星期後，會由於顆粒表面的介面活性劑脫離，致使濁度開始逐漸下降，
所以實驗皆須於採樣後一星期內完成。而其他方面，如實廠廢水水質變動大的特 性等，將於第四章中進一步詳細討論。
表3- 1 實廠 CMP 廢水水質分析
項目 水質範圍
濁度(NTU) 150～450 pH 值 6.5～9.0 導電度(μS/cm) 80～220 界達電位(mV) -40～-60 平均粒徑(nm) 90～150 總有機碳(mg/L) 20～70 總鐵濃度(mg/L as Fe) 0.1～0.3
2. 極板(Electrodes)
3-2 實驗設備與分析儀器
3-2-1 實驗設備 1. 電解混凝槽
本反應器包含反應槽主體、電源供應器、幫浦及極板，其中極板與電源供應 器的導線以接電夾相連，電解槽內部有效體積之長寬高為 32、18、15 公分，槽 內以陰極板與陽極板上下交錯的擺置，隔開形成若干個水平流道，使流經槽內的 廢水能與極板接觸的機會增加，完整配制如圖3- 1 所示
反應槽主體是由壓克力材質所製，反應槽中最多可安插七面陽極板，與六面 陰極板，極板與極板之間的間距為2 公分，極板安裝是可移動式，可視實驗需要 改變極板間距或極板數目，出流口位於槽體底部，是為了防止出流水流出時的流 速過大，而造成過大的牽引力將電解混凝時底層沉澱的膠羽，或經由電層析作用 的濃縮層一起帶出，而使出流水濁度上升。
圖3- 1 電解混凝設備 2. 電源供應器
直流電源供應器型號為GW Model GPR-25H30D，電流及電壓之上限值分別 為3 安培和 200 伏特。
3. 蠕動幫浦
幫浦型號為Master Flex L/S，流量控制範圍為 40 ~ 2,300 ml/min，幫浦主要任 務為控制電混系統中之進水流量，達成控制水力停留時間之目的。
4. 極板
本裝置所使用的電極板包括鐵板、鋁板、及不銹鋼板，鐵板及鋁板作為電解 混凝實驗時陽極板使用，鐵板及鋁板經陽極電化反應而釋出鐵離子及鋁離子，不 銹鋼板則做為陰極使用。
而其形狀規格皆同，長、寬、厚之尺寸為 18 公分、14 公分、0.3 公分之矩形，
有效作用面積包括前後兩面，所以一塊陽極板能釋出陽離子之面積為504 平方公 分，而本裝置共安裝了 7 片極板，所以總表面積可計算得為 3528 平方公分，但 實際上能釋出金屬離子的總面積卻遠大於此，是由於極板表面經孔蝕化後，其表 面會造成凹凸不平，且有些無法由肉眼直接觀察的細孔，皆會增加極板的總表面 積，而對於此表面粗糙，與其總表面積增加的影響，將於第四章中進一步詳細討 論。
極板之純度及所含微量化學元素的詳細規格如表 3-2，由於製造原料中通常 含有石灰、礬土、二氧化矽、氧化鎂、硫黃以及磷等成份，雖精鍊過程(脫磷、脫 硫、脫氧及脫矽等程序)可將大部份物質去除，但仍有一部份殘留於金屬中，這些 物質會在陽極電化反應中釋出，與一同釋出之金屬離子形成化合物，若此一雜質 過高則會對於電化反應造成效率下降等反應。
5. 電極連接方式
本實驗是採用單極並聯(monopolar electrodes parallel)的極板連接方式，主要 是在電化學方面計算較方便，且每片極板皆有連接電極，將連接陰極與陽極之極 板交錯排置，使其陰陽兩極緊臨，所以在施加電流後，每片陽極板與陰極板的狀 態皆會維持相同的狀況，在後續的討論時，即可忽略不同位置之極板的電壓狀態。
3-2-2 分析儀器 1. 濁度計
濁度計型號為HACH RATIO/XR，偵測範圍在 0.2 ~ 2,000 NTU 之間，用以分 析電解程序處理前後水質濁度值，由於CMP 廢水中大部份顆粒小於 1 μm，無法 利用SS 值辨別處理效果之好壞，故以濁度值辨析之。
2. pH 計及導電度計
pH 值及導電度偵測設備乃 WTW 公司所製，型號為 Multi Level 1 之儀器，可 同時偵測pH 值及導電度值。
3. 雷射奈米顆粒粒徑及界達電位儀(particle size and Zeta potential meter)
為英國Malvern 公司生產，型號為 Zetasizer nano ZS。用以量測混凝膠凝處理 後的上澄液與薄膜過濾濾液中之顆粒粒徑分佈狀況，以及界達電位值。此儀器可 偵測的顆粒粒徑範圍為0.6 ~ 6,000 nm，而界達電位所能分析範圍為粒徑介於 3 nm
~ 10 μm 之顆粒。該儀器適用於顆粒濃度較低之水樣。
4. 感應耦合電漿原子發射光譜儀(ICP-AES)
總鐵的量測主要是使用ICP-AES。採用之機型係法國製造、臺灣昇航公司代 理，型號為Jobin-Yvon JY24，以連續式(sequential)偵測，通入的氣體為Ar(6 L/min)，使用氬氣氣體純度為99.99%。偵測鐵之波長為259.94 nm，分析時所配置 的鐵濃度檢量線為0～20及0～100 mg/L (as Fe)，其R2高於0.995以上。(檢量線請 見附錄1)
5. 總有機碳分析儀
為日本Shimadzu 公司製造型號 TOC-5000A，偵測方法為非分散型紅外線測
濾後，利用HCl 酸化使其 pH 值< 2，以高純度氮氣曝氣 12 ~ 15 分鐘用以去除水 樣中無機碳類，再將水樣送入TOC 分析儀分析。於 680℃高溫下經高感度觸媒氧 化水樣，使其中總有機碳成分轉化成 CO2後，由合成空氣載送經 IC 反應器、除 濕器冷卻並乾燥後進入偵測器，分析CO2濃度，此濃度即為TOC 的濃度。
6. X 射線繞射分析儀(XRD)
全名為X 光粉末繞射儀(X-ray powder diffractometer)，其構造包括像機構造部 份、光學幾何部份、試樣放置部份、影像輸出部分；而其原理是以一狹窄單波長 X 光束照射一粉末試樣，而粉末試樣是將欲分析的樣品，乾燥處理後研磨成細小 均勻的粉末顆粒，當入射的X 光束自左而右的照射，穿過試樣而不偏離原入射方 向之X 光束稱為「未偏光束」(undeviated beam)。當入射線進入試樣中某一晶粒，
其方位剛好與某一晶格面符合布拉格定律(Bragg’s Law)而發出繞射線。此一繞射 線與晶格面之夾角(繞射角θ)等於入射線與晶格面之夾角(入射角θ)，而繞射線與 未偏光束之夾角為2θ。而實驗中所得之 X 光粉末繞射圖，橫座標代表計數器之 轉角(2θ)，也用以標出繞射線之繞射角；縱座標代表繞射線之強度。可由資料庫 中不同元素或化合物、結晶態非結晶態等的圖譜，對照實驗所得的結果圖，以對 應出分析試樣中可能存在的物種、結晶型態、或半定量的結果。
3-3 實驗方法與流程
3-3-1 實驗方法 1. 電解混凝實驗
先將反應槽、電源供應器、蠕動幫浦、進出流水位置架設好，再將極板依照 陰陽相間的位置安插到位，各極板在與電源供應器的相對電極連接，待設備就位 後，在實驗進行前，先將反應槽注滿待處理的水樣至陰陽極板的高度之間如圖 3-1，即可開啟電源與蠕動幫浦開始實驗。
實驗時各個主要的參數，水力停留時間、電流密度、極板間距、導電度、與 pH 等，每次實驗時皆固定好其四，改變其中一個，再依次探討各反應參數的影 響。
2. 參數分析 (1) 濁度：
於出流水端採集的水樣，即時以濁度計測得。
(2) 導電度與 pH 值：
於出流水端採集的水樣，即時以導電度/pH 計測得。
(3) 總鐵、總矽濃度：
將待測的水樣收集後，以 ICP-AES 分析之；但由於待測的水樣中，
含有顆粒或電混後的膠羽以及氫氧化鐵的沉澱物等，會造成ICP-AES 的 霧化器阻塞，使其測值不準確且會傷害儀器本身，因此若待測水樣中所 含顆粒濃度過高或含有沉澱物時，須經過處理後方能進入ICP-AES 內進 行偵測，所以常以濾紙過濾後的水樣進行分析，但有時為了得到實際水 樣中的鐵或矽的總濃度，又不希望儀器受損，會以稀釋的方式進行分析，
依經驗若分析水樣的濁度低於10 NTU 以下時，對儀器的霧化器不會造 成立即性的阻塞傷害，只需於水樣分析後，增加酸液的清洗時間，將霧
不會對儀器造成傷害。
(4) 顆粒粒徑與界達電位：
將待測水樣收集後，以雷射奈米顆粒粒徑及界達電位儀測之。
(5) 所需電壓值：
實驗時常是固定電流供應器的電流值，而在實驗的過程中容易會因 為受到處理後，而造成導電度的下降，進而改變的電阻，但此時若固定 電流值，則會得到一相應的電壓值，再將之記錄；而在連續的實驗中此 值會漸趨趨於一定值。
3. 電流效率實驗
電流效率之計算如式 2-6 所示，須得到施加一電流後實際釋出的鐵離子量，
以及由法拉第公式所計算出理論的釋鐵量此兩項，第二項只需由實驗中所用的電 流與電解時間帶入法拉第公式，即可得到；另外為了得到實際釋出的鐵離子量，
須以批次實驗進行，且為了避免所釋出的鐵離子與汙染物反應而被消耗，故以 RO 水來代替 CMP 溶液。另外，電解時間的決定是考慮水中的鐵濃度，在一定的 溫度下會有一飽和值，若電解時間過久，會使鐵濃度在溶液中達到飽和，如圖3- 2 所示。若以 5.71 A/m2之電流密度進行電解混凝時，約在電解50 分鐘後即會到 達飽和濃度，之後再通入的電流量無法再使鐵離子濃度增高，所以實驗中以 5.71 A/m2之電流密度電解10 分鐘後，關閉電源後，取出極板，將溶液均勻攪拌後取 樣，以ICP-AES 進行分析鐵濃度，再以實驗中所用的 5.71 A/m2之電流密度與電 解10 分鐘來計算理論的鐵濃度，取比值後即得電流效率。
4. 極板表面處理實驗
為了使新極板光滑的表面增加粗糙度，以利反應時所產生的膠羽附著，且為
為了使新極板光滑的表面增加粗糙度，以利反應時所產生的膠羽附著，且為