超純水制造工藝解析

一、超純水概述

超純水是一類(lèi)純度極高的水，幾乎不含電解質(zhì)、氣體、有機(jī)物和難離解膠體物。依據(jù)我國(guó)2017年施行的《儀器分析用高純水規(guī)格及試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)，超純水水質(zhì)需滿足電阻率大于18MΩ?cm，總有機(jī)碳TOC小于50ppb，僅含氫原子和氧原子兩種成分。它與我們?nèi)粘＝佑|的自來(lái)水、瓶裝可飲用純凈水、礦泉水等截然不同，無(wú)硬度、無(wú)細(xì)菌，也沒(méi)有礦物質(zhì)以及微量元素等常見(jiàn)于可飲用水的成分。 超純水在眾多工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域是重要的生產(chǎn)原料和清洗工具，尤其在高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用率極高。例如，在實(shí)驗(yàn)室中用于細(xì)菌培養(yǎng)時(shí)配制營(yíng)養(yǎng)液；在醫(yī)藥領(lǐng)域，可用于注射液、化學(xué)反應(yīng)試劑的稀釋?zhuān)辉诎雽?dǎo)體、太陽(yáng)能光伏、軍工器械、航空航天材料等高新技術(shù)產(chǎn)品的生產(chǎn)和清洗環(huán)節(jié)也不可或缺。不過(guò)需要注意的是，超純水是一種非飲用水，因其成分簡(jiǎn)單，缺少鈣、鎂和鉀等對(duì)人體健康至關(guān)重要的礦物質(zhì)成分，長(zhǎng)期飲用可能會(huì)引發(fā)抽筋、心律不齊、骨折等健康問(wèn)題，其特殊的pH值還可能刺激人體胃黏膜，導(dǎo)致胃部疾病以及牙齒腐蝕。

二、原水處理

制備超純水的首要步驟是對(duì)原水進(jìn)行處理。原水通常包含懸浮物、膠體、溶解性雜質(zhì)以及微生物等多種雜質(zhì)。為去除這些雜質(zhì)，需要通過(guò)沉淀、過(guò)濾、吸附等手段進(jìn)行預(yù)處理。 常用的預(yù)處理方法有自然沉淀、混凝沉淀和活性炭過(guò)濾等。自然沉淀是讓原水在較大的容器中靜置一段時(shí)間，使較重的懸浮物自然沉降到容器底部，從而初步去除部分大顆粒雜質(zhì)?；炷恋韯t是向原水中加入混凝劑，使水中的膠體和細(xì)小懸浮物凝聚成較大的顆粒，便于后續(xù)沉淀去除?；钚蕴窟^(guò)濾是利用活性炭的吸附作用，去除原水中的有機(jī)物、余氯、異味等雜質(zhì)。經(jīng)過(guò)這些預(yù)處理方法后，原水的水質(zhì)得到了初步提升，為后續(xù)的處理工序奠定了基礎(chǔ)。

三、初級(jí)除鹽

初級(jí)除鹽是超純水制備過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，主要采用離子交換法。離子交換樹(shù)脂是一種具有離子交換功能的物質(zhì)，它能夠?qū)⑺械年?yáng)離子或陰離子吸附在其表面，從而達(dá)到去除離子的目的。 常用的離子交換樹(shù)脂有陽(yáng)離子交換樹(shù)脂和陰離子交換樹(shù)脂，分別用于去除陽(yáng)離子和陰離子。當(dāng)原水通過(guò)裝有陽(yáng)離子交換樹(shù)脂的交換柱時(shí)，水中的陽(yáng)離子（如鈉離子、鈣離子、鎂離子等）會(huì)與樹(shù)脂上的氫離子發(fā)生交換反應(yīng)，被吸附在樹(shù)脂上，同時(shí)樹(shù)脂釋放出氫離子進(jìn)入水中。同理，當(dāng)水再通過(guò)裝有陰離子交換樹(shù)脂的交換柱時(shí)，水中的陰離子（如氯離子、硫酸根離子等）會(huì)與樹(shù)脂上的氫氧根離子發(fā)生交換反應(yīng)，被吸附在樹(shù)脂上，樹(shù)脂釋放出氫氧根離子進(jìn)入水中。氫離子和氫氧根離子結(jié)合生成水，從而大大降低了水中的離子含量，為后續(xù)處理提供了較好的水質(zhì)基礎(chǔ)。

四、膜過(guò)濾

膜過(guò)濾是超純水制備的關(guān)鍵技術(shù)之一，主要采用反滲透膜和納濾膜。 反滲透膜是一種壓力驅(qū)動(dòng)的膜分離技術(shù)。在壓力的作用下，溶液中的水分子能夠透過(guò)反滲透膜，而其他分子、離子、細(xì)菌、病毒等則被截留，從而實(shí)現(xiàn)脫鹽和去除雜質(zhì)的效果，達(dá)到純化目的。反滲透膜的孔徑非常小，能夠有效去除水中的離子、有機(jī)物、微生物等雜質(zhì)。整個(gè)反滲透系統(tǒng)通常由增壓泵、反滲透膜、壓力容器以及相應(yīng)的儀器、儀表、閥門(mén)、機(jī)架、管道及管件等組成，此外還有獨(dú)立的化學(xué)清洗裝置，用于定期清洗反滲透膜，以保證其分離性能。 納濾膜則是一種截留分子量的膜分離技術(shù)，它能夠去除水中的大分子物質(zhì)和色素等雜質(zhì)。與反滲透膜相比，納濾膜的孔徑相對(duì)較大，對(duì)一些單價(jià)離子的截留率較低，但對(duì)二價(jià)離子和大分子物質(zhì)有較好的截留效果。膜過(guò)濾技術(shù)具有處理效率高、出水質(zhì)量好、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，是目前超純水制備的主要方法之一。

五、精制處理

經(jīng)過(guò)初級(jí)除鹽和膜過(guò)濾后，水中的雜質(zhì)含量已經(jīng)大幅降低，但仍需進(jìn)行精制處理才能達(dá)到超純水的標(biāo)準(zhǔn)。精制處理主要包括混床、電滲析、電去離子等技術(shù)。 混床是將陰陽(yáng)離子交換樹(shù)脂混合在一起，裝在一個(gè)交換柱中。當(dāng)水通過(guò)混床時(shí)，水中殘留的離子會(huì)與樹(shù)脂上的離子進(jìn)行交換，進(jìn)一步去除水中的離子。同時(shí)，混床還可以通過(guò)樹(shù)脂的再生來(lái)恢復(fù)其交換能力。在混床運(yùn)行一段時(shí)間后，樹(shù)脂的交換能力會(huì)逐漸下降，此時(shí)需要對(duì)樹(shù)脂進(jìn)行再生處理，使其恢復(fù)到初始的交換狀態(tài)。 電滲析是通過(guò)電場(chǎng)作用，使水中的離子通過(guò)膜分離技術(shù)進(jìn)一步去除。在電滲析裝置中，通常有多個(gè)交替排列的陽(yáng)離子交換膜和陰離子交換膜，在電場(chǎng)的作用下，陽(yáng)離子會(huì)向陰極移動(dòng)，通過(guò)陽(yáng)離子交換膜進(jìn)入濃水室；陰離子會(huì)向陽(yáng)極移動(dòng)，通過(guò)陰離子交換膜進(jìn)入濃水室，從而實(shí)現(xiàn)離子的分離和去除。 電去離子則是結(jié)合了離子交換和電滲析的原理，通過(guò)電場(chǎng)作用將水中的離子去除。在電去離子裝置中，離子交換樹(shù)脂填充在膜之間，水中的離子首先被樹(shù)脂吸附，然后在電場(chǎng)的作用下，離子通過(guò)樹(shù)脂和膜遷移到濃水室，同時(shí)樹(shù)脂在電場(chǎng)的作用下實(shí)現(xiàn)電再生。這些精制處理方法能夠進(jìn)一步提高超純水的純度，滿足不同領(lǐng)域?qū)Τ兯|(zhì)量的需求。

六、終端處理

終端處理是超純水制備的最后一道工序，主要采用紫外線殺菌和氣體除菌等技術(shù)。 紫外線殺菌是通過(guò)紫外線照射破壞細(xì)菌和病毒的DNA結(jié)構(gòu)，使其失去繁殖能力，從而達(dá)到殺菌效果。在超純水制備系統(tǒng)中，通常會(huì)在管道中安裝紫外線殺菌器，讓超純水在流動(dòng)過(guò)程中接受紫外線照射，以殺滅水中的微生物。紫外線殺菌具有殺菌速度快、效果好、不添加化學(xué)藥劑等優(yōu)點(diǎn)，但它對(duì)一些芽孢和病毒的殺滅效果可能有限。 氣體除菌則是通過(guò)氣體消毒的方式，殺滅水中的微生物。常用的氣體有臭氧等，臭氧具有強(qiáng)氧化性，能夠破壞微生物的細(xì)胞膜和細(xì)胞壁，從而達(dá)到殺菌的目的。在超純水終端處理中，臭氧通常通過(guò)曝氣的方式溶解在水中，與水中的微生物發(fā)生反應(yīng)，殺滅微生物后，多余的臭氧會(huì)分解成氧氣，不會(huì)對(duì)超純水造成二次污染。終端處理能夠確保超純水的無(wú)菌狀態(tài)，滿足制藥等對(duì)水質(zhì)無(wú)菌要求較高領(lǐng)域的需求。

綜上所述，超純水的制造是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，需要經(jīng)過(guò)原水處理、初級(jí)除鹽、膜過(guò)濾、精制處理和終端處理等多個(gè)環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)都對(duì)超純水的質(zhì)量起著重要的作用。不同領(lǐng)域?qū)Τ兯馁|(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)可能有所不同，因此在實(shí)際生產(chǎn)中，需要根據(jù)具體需求選擇合適的制造工藝和設(shè)備，以確保生產(chǎn)出符合要求的超純水。