廢氫氟酸資源高值化技術(下)

 

刊登日期:2025/1/5
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黃靜萍、李旋維、林一星、江美靜 / 工研院材化所
 
我國半導體產能占全球60%市占率,製程所使用的濕式化學品需求量大、純度極高,其中氫氟酸為濕式化學品的關鍵原物料,估計年使用量約7萬噸,目前國內之含氟廢棄物,廠商是以廢氫氟酸(C-0202,約6.7萬噸)、氟化鈣污泥(D-0902和R-0910,約14.5萬噸)進行申報,且以降階使用或異業再利用等方式進行去化處理,屬於線性消費經濟。國內缺乏氫氟酸上游原物料—螢石(氟化鈣)資源,在氟化學產業鏈上遭遇到原物料、製造技術缺口與瓶頸,長期仰賴進口來滿足科技製造與加工產業應用,在地緣政治影響下,容易遭致關鍵原物料斷鏈風險與挑戰。本文研析我國科技產業廢氫氟酸資源流向分布及組成基線分析,作為資源高值化技術可行性評估,以建構氟化鈣純化高值化製程;且研析國際半導體廢氫氟酸資源應用技術,作為我國廢氫氟酸資源循環技術發展策略借鏡參考。
 
【內文精選】
國外科技產業含氟廢棄物回收再利用模式
1. 半導體產業含氟廢棄物回收再利用
(2) Intel
Intel近年皆位居全球前兩大半導體廠。該公司於美國、愛爾蘭及以色列等地設有工廠,其製程產出的含氟廢水經廢水處理,混凝沉澱產生氟化鈣污泥:美國廠將污泥供應給水泥業作為水泥原料;愛爾蘭廠自2018年起也開始作為水泥原料取代掩埋;以色列廠截至2019年以前,仍交由當地垃圾掩埋廠作為覆蓋層以防止垃圾飛散。但Intel公司已宣示,目標於2030年實現所有廢棄物零掩埋(零掩埋定義:垃圾掩埋率<1%),預期未來氟化鈣污泥都將至少轉往「循環經濟1.0」再利用。
 
(3) Samsung
Samsung近年皆位居全球前兩大半導體廠。其南韓工廠將含氟廢水混凝沉澱後產出氟化鈣污泥,過去污泥皆送至水泥廠再利用,但隨著南韓半導體產業蓬勃發展,2018年Samsung氟化鈣污泥產出規模已達到水泥再利用市場需求極限。為了增加廢棄物去化管道,2020年Samsung與回收業者Pos Ceramics及現代汽車集團旗下鋼鐵製造事業—現代製鐵(Hyundai Steel)合作開發,將氟化鈣污泥再生為鋼鐵助熔用冶金級人工螢石,並共同申請專利。
 
南韓與臺灣同樣缺乏天然螢石資源,現代製鐵每年進口2萬噸天然螢石,此回收模式有利於其掌握關鍵稀有原物料、降低原料採購成本,也可望降低產品碳足跡。實施初期天然螢石進口替代率約五成,未來將持續增加;對於Samsung而言,則有利於提升ESG表現及企業形象。
 
圖九、Samsung南韓廠含氟廢棄物處理流向
圖九、Samsung南韓廠含氟廢棄物處理流向
 
2. 化學材料製造商含氟廢棄物處理
Central Glass是日本氟化學材料製造商,該公司進口天然螢石於廠內自製無水氫氟酸,再以此為原料用於各種氟化學材料產品製造。其位於日本山口縣的宇部工廠,生產如無水氫氟酸、水稀釋氫氟酸等一般應用化學品,以及各式含氟醫藥中間體及產品,例如吸入式全身麻醉劑「七氟醚」,該公司即為全球第一大製造商。
 
Central Glass完成開發一套含氟廢水再生製酸級人工螢石處理系統,並於2011年提出相關技術專利申請,此系統用於處理自廠醫藥產品製程產出之氟離子濃度50,000 ppm含氟廢水,經再生產出之製酸級人工螢石回用於廠內無水氫氟酸製造,形成「循環經濟3.0」—氟資源封閉循環利用。
 
此系統已協助該公司廢棄物委外處理量減少逾80%,並實現天然螢石進口替代率至少10%。(註:大部分氟離子應是作為該公司產品直接原料,氟資源會出現在最終產品中而無法回收,此替代率有可能已是極限。)
 
氟化鈣污泥高值純化技術
1. 技術開發目的
隨著近年地緣衝突風險提高,「氟」已成為我國、日本、南韓等資源匱乏國家半導體業者關注焦點,尋找替代的供應來源日益受到重視。如圖十二所示,國內電子級氫氟酸供應鏈以路徑一為主,其中上游原料是從中國進口以「中國製酸級天然螢石」所製無水氫氟酸,我國僅具備無水氫氟酸純化為電子級氫氟酸能量;目前也有國內半導體大廠採用路徑二所製電子級氫氟酸,但路徑二也面臨上游原料完全倚賴特定國家供應問題;至於「路徑三:回收氫氟酸廢液直接再生為電子級氫氟酸」及「路徑四:回收氫氟酸廢液再生為製酸級人工螢石最終製成電子級氫氟酸」,兩者皆極具市場成長潛力,且國內半導體業者已提出需求,加上國內已掌握大量關鍵原料—氫氟酸廢液,若能在國內實現商轉,除了能達到「減廢」及「稀有資源循環再利用」,也可協助降低半導體供應鏈風險,但目前因欠缺回收再生技術而未實現,仍有待國內產學研持續開發技術突破。
 
2. 工研院開發之純化技術
工研院將純度70%以上氟化鈣污泥進行純化技術之開發,因此欲藉由試量產線進行製程放大驗證,確認試量產線所生產的酸級再生氟化鈣是否符合市售天然螢石之規格,同時評估製程產率。試量產線的建立將包含利用純化反應製程、淨化與固液分離製程,以及燒結、造粒製程(圖十三)。在純化製程預計以化學濕法進行,利用溶解度與擴散作用,將氟化鈣污泥中的不純物透過化學置換法去除;再藉由固液分離製程將多餘水分去除,並保留純化後之樣品;除水與乾燥製程藉由加熱的過程去除有機雜質及揮發性的不純物,並增加粉體的密度,產出97%的氟化鈣粉末,達到無水氫氟酸廠進料規格之規範 ---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
圖十三、高純度酸級氟化鈣試量產線
圖十三、高純度酸級氟化鈣試量產線
 
★本文節錄自《工業材料雜誌》457期,更多資料請見下方附檔。

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