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純化水和超純水的制備原理
??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????【武漢純水設(shè)備 www.jsccccs.cn/】這是一篇關(guān)于水的純化和超純水制備的綜述。介紹了各種純化某些新近的進(jìn)展。包括蒸餾法、離子交換法、電滲析法和反滲透法等
一、天然水中通常含有五種雜質(zhì):
1、電解質(zhì),包括帶電粒子,常見的陽離子有H+、Na+、K+、NH4+、、Mg2+、Ca2+、Fe3+、Cu2+、Mn2+、Al3+等；陰離子有F-、Cl-、NO3-、HCO3-、SO42-、PO43-、H2PO4-、HSiO3-等;
2、有機(jī)物質(zhì),如:有機(jī)酸、農(nóng)藥、烴類、醇類和酯類等;
3、顆粒物;
4、微生物;
5、溶解氣體，包括：N2、O2、Cl2、H2S、CO、CO2、CH4等;
所謂水的純化，就是要去掉這些雜質(zhì)。雜質(zhì)去的越徹底，水質(zhì)也就越純凈。
國家標(biāo)準(zhǔn):有飲用純凈水（GB17323）、分析實(shí)驗(yàn)室用水[2]（GB6682—92）和電子級水[3]（GB/T11446.1-1997）的技術(shù)指標(biāo)。
二、水的純化方法
1、蒸餾法，按蒸餾器皿可分為玻璃、石英蒸餾器，金屬材質(zhì)的有銅、不銹鋼和白金蒸餾器等。按蒸餾次數(shù)可分為一次、二次和多次蒸餾法。此外，為了去掉一些特出的雜質(zhì)，還需采取一些特殊的措施。例如預(yù)先加入一些高錳酸鉀可除去易氧化物；加入少許磷酸可除去三價(jià)鐵；加入少許不揮發(fā)酸可制取無氨水等。蒸餾水可以滿足普通分析實(shí)驗(yàn)室的用水要求。由于很難排除二氧化碳的溶入。所以水的電阻率是很低的，達(dá)不到MΩ級。不能滿足許多新技術(shù)的需要。
2、離子交換法，主要有兩種制備方式：
A.復(fù)床式，即按陽床—陰床—陽床—陰床—混合床的方式連接并生產(chǎn)去離子水；早期多采用這種方式，便于樹脂再生。
B.混床式（2-5級串聯(lián)不等），混床去離子的效果好。但再生不方便。
離子交換法可以獲得十幾MΩ的去離子水。但有機(jī)物無法去掉，TOC和COD值往往比原水還高。這是因?yàn)闃渲缓茫蚴菢渲念A(yù)處理不徹底，樹脂中所含的低聚物、單體、添加劑等沒有除盡，或樹脂不穩(wěn)定，不斷地釋放出分解產(chǎn)物。這一切都將以TOC或COD指標(biāo)的形式表現(xiàn)出來。例如，當(dāng)自來水的COD值為2mg/L時(shí)，經(jīng)過去離子處理得到的去離子水的COD值常在5-10mg/L之間。當(dāng)然，在使用好樹脂時(shí)會得到好結(jié)果，否則就無法制備超純水了。
結(jié)垢是影響鍋爐壽命的主要因素，因此鍋爐對水質(zhì)的要求比較高。低壓和中壓鍋爐對水質(zhì)要求稍低而高壓鍋爐對水質(zhì)要求非常高。凡能導(dǎo)致鍋爐、給水系統(tǒng)及其他熱力設(shè)備腐蝕、結(jié)垢及引起汽水共騰現(xiàn)象，使離子交換樹脂中毒的雜質(zhì)如溶解氧、可溶性二氧化硅、鐵以及余氯等都應(yīng)大部分或全部除去。在鍋爐水處理中，鍋爐補(bǔ)充水的離子交換水處理是最基本和最重要的水處理方法，但離子交換樹脂失效后必須加堿或加酸進(jìn)行還原，要產(chǎn)生大量的酸堿廢水，直接外排不但污染環(huán)境，而且費(fèi)用高昂。
3、電滲析法，產(chǎn)生于1950年[4]，由于其能耗低，常作為離子交換法的前處理步驟。它在外加直流電場作用下，利用陰陽離子交換膜分別選擇性的允許陰陽離子透過，使一部分離子透過離子交換膜遷移到另一部分水中去，從而使一部分水純化，另一部分水濃縮。這就是電滲析的原理。電滲析是常用的脫鹽技術(shù)之一。產(chǎn)出水的純度能滿足一寫工業(yè)用水的需要。例如,用電阻率為1.6KΩ·cm(25°C)的原水可以獲得1.03MΩ·cm(25°C)的產(chǎn)出水。換言之，原水的總硬度為77mg/L時(shí)產(chǎn)出水的總硬度則為∽10mg/L.
4、反滲透法[5]，目前它是一種使用最廣的脫鹽技術(shù)。反滲透膜雖在1977年就有了，但其規(guī)?；a(chǎn)和廣泛用于脫鹽卻是近幾年的事情。反滲透膜能去除無機(jī)鹽、有機(jī)物（分子量>500）、細(xì)菌、熱源、病毒、懸濁物（粒徑>0.1μm）等。產(chǎn)出水的電阻率能較原水的電阻率升高近10倍。反滲透膜對雜質(zhì)的去除能力見表：
常用的反滲透膜有：醋酸纖維素膜，聚酰胺膜和聚砜膜等。膜的孔徑為0.0001-0.001μm.反滲透的動力依賴于壓力差（10-100大氣壓）。去除雜質(zhì)的能力由膜的性能好壞和進(jìn)出水比例決定。進(jìn)出水的比例一般控制為10：6或10：7左右。這樣雜質(zhì)的去除率應(yīng)在95-99.7%之間。例如，原水的電阻率為1.6 KΩ·cm(25°C)時(shí)，產(chǎn)出水的電阻率約為14 KΩ·cm.這樣的水現(xiàn)在大家都管它叫純凈水，也就是市場上出售的飲用純凈水。
三、制備超純水的方法
傳統(tǒng)的純水方法不能制備出超純水，化學(xué)意義上純水（液態(tài)的H`O）的理論電導(dǎo)率為18.3ΜΩ·cm.人們生產(chǎn)的純水是達(dá)不道理論值的，但18ΜΩ·cm似乎是可以達(dá)到的，對于這種水，有的稱為高純水有的稱為超純水，目前還沒有系統(tǒng)的定義。也沒有劃分等級界限，從商業(yè)觀點(diǎn)看叫超純水似乎比高純水更好聽一些。筆者以為還是看電導(dǎo)率指標(biāo)更準(zhǔn)確一些。
現(xiàn)在制備超純水的方法是將各種純化水的新技術(shù)科學(xué)地結(jié)合起來，不僅能生產(chǎn)超純水。而且變得非常容易。自來水進(jìn)去超純水出來，非常方便。而且使用壽命也越來越長。
超純水器制備超純水的原理和步驟大體如下：
1、原水：可用自來水或普通蒸餾水或普通去離子水作原水。
2、機(jī)械過濾：通過砂芯濾板和纖維柱濾除機(jī)械雜質(zhì)，如鐵銹和其他懸浮物等。
3、活性炭過濾：活性炭是廣譜吸附劑，可吸附氣體成分，如水中的余氯等；吸附細(xì)菌和某些過渡金屬等。氯氣能損害反滲透膜，因此應(yīng)力求除盡。
4、反滲透膜過濾：可濾除95%以上的電解質(zhì)和大分子化合物，包括膠體微粒和病毒等。由于絕大多數(shù)離子的去除，使離子交換柱的使用壽命大大延長。
5、紫外線消解：借助于短波（180nm-254nm）紫外線照射分解水中的不易被活性炭吸附的小有機(jī)化合物，如甲醇、乙醇等，使其轉(zhuǎn)變成CO2和水，以降低TOC的指標(biāo)。
6、離子交換單元：已知混合離子交換床是除去水中離子的決定性手段。借助于多級混床獲得超純水也并不困難。但水的TOC指標(biāo)主要來自樹脂床。因此，高質(zhì)量的離子交換樹脂就成為成敗的關(guān)鍵。所謂高質(zhì)量的樹脂，就是化學(xué)穩(wěn)定性特別好，不分解，不含低聚物、單體和添加劑等的樹脂。所謂“核工業(yè)級樹脂”大概就屬于這一類樹脂。對樹脂的要求是質(zhì)量越高越好?？上鴥?nèi)很少有人在這方面下工夫。滿足于生產(chǎn)大路貨。
7、0.2μm濾膜過濾，以除去水中的顆粒物到每毫升1個(gè)（小于0.2μm的）.經(jīng)過上述各步驟處理后生產(chǎn)出來的水就是超純水了。應(yīng)能滿足各種儀器分析，高純分析，痕量分析等的要求，接近或達(dá)到電子級水的要求。
四、特殊的純水：
1、火力發(fā)電廠需要無硅的純水，而硅在水中常常以水合二氧化硅（SiO2·H2O）的形式存在，屬于非離子態(tài)，很難去掉。但是，水合二氧化硅也有微小的電離度，借助于加長離子交換床的長度，或在混合離子交換床中反復(fù)循環(huán)，仍然可以獲得無硅的超純水。用玻璃或石英蒸餾器是無法獲得無硅水的，因?yàn)槿萜骱琛?
2、沒有熱源（即內(nèi)毒素）的純水，注射針劑用水要求沒有熱源。以免引起過敏反應(yīng)。目前除去熱源的最好的方法還是蒸餾法。也有除熱源的吸附柱子。
3、無氨的純水，制取方法有二，其一蒸餾法，在水中預(yù)先加入不揮發(fā)酸，可以固定銨鹽在原水中。其二是將純水再過一次陽離子交換床過濾。需要說明的是，陰離子交換樹脂有分解產(chǎn)生微量氨的可能，用混床去氨是不合適的。
4、無鐵的水，已知鐵是無處不在的，F(xiàn)eCl3的反對沸點(diǎn)僅為315℃，因此，很難用蒸餾法出去鐵離子。如在原水中加入1滴磷酸則可達(dá)到此目的。當(dāng)然，有了超純水器也就不用這樣除鐵了。
五、從純水的電導(dǎo)率估算水中離子的濃度水平：
超純水的離子濃度極低，許多分析方法的靈敏度達(dá)不到。一般用戶更是缺乏特殊的檢測手段。有人[6]做過這方面的計(jì)算，可供參考：
表2、幾種電阻率不同的純水的離子計(jì)算濃度
例如:電阻率為15MΩ的水,其鈉,氯和硫酸根離子的總濃度為5.4μg/L,這樣的雜質(zhì)水平,應(yīng)能滿足各種痕量分析和高純分析的要求.不必心存疑慮.在這種情況下也不要去測pH值,因?yàn)榧词谷侩x子都是H+,也無法改變1個(gè)pH單位.不要庸人自擾。除非是電導(dǎo)儀或pH計(jì)出了毛病，才會有異常數(shù)據(jù)出現(xiàn)。正如在實(shí)驗(yàn)室用水的國家標(biāo)準(zhǔn)(GB6682-92)中指出的,對一、二級水不主張測量pH一樣,超純水就更難準(zhǔn)確測量了。
六、使用
(一）、中央空調(diào)水處理
中央空調(diào)水處理
隨著賓館、高檔寫字樓的不斷涌現(xiàn)，中央空調(diào)循環(huán)水處理問題日益迫水切。有些大樓由于物業(yè)管理人員對中央空調(diào)循環(huán)水系統(tǒng)的維護(hù)缺乏經(jīng)驗(yàn)，空調(diào)使用幾年后出現(xiàn)水垢，嚴(yán)重影響正常的供冷供熱。更有甚者，出現(xiàn)循環(huán)管道爛穿的事故，不得不敲掉裝潢管道，更換管路，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。
近年來一些大樓也已意識到中央空調(diào)水處理的重要性，并采取了水處理措施。這些措施大多參照工業(yè)循環(huán)冷卻水處理的方法，但中央空調(diào)冷媒水、熱媒水系統(tǒng)的管道象蜘蛛網(wǎng)一樣布滿整幢大樓，其管路的復(fù)雜程度遠(yuǎn)非一般的循環(huán)冷卻水可比，存在很多的滯流區(qū)域和死角，
一個(gè)合理的水處理措施應(yīng)該考慮到整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)方面。包括中央空調(diào)循環(huán)水系統(tǒng)的腐蝕及控制、中央空調(diào)循環(huán)水系統(tǒng)的結(jié)垢及控制、中央空調(diào)系統(tǒng)中的微生物及其控制、鍋爐水處理及化學(xué)清洗等多項(xiàng)內(nèi)容。
(二）、工業(yè)循環(huán)水處理
工業(yè)循環(huán)水處理
冷卻水循環(huán)后易帶來什么問題？
腐蝕：冷卻水在循環(huán)使用中，水在冷卻塔內(nèi)和空氣充分接觸，使水中的溶解氧得到補(bǔ)充,所以循環(huán)水中溶解氧總是飽和的,水中溶解氧是造成金屬電化學(xué)腐蝕的主要原因,這是冷卻水循環(huán)后易帶來的問題之一。
結(jié)垢:水在冷卻塔中蒸發(fā)，使循環(huán)水中含鹽量逐漸增加，加上水中二氧化碳在塔中分析逸散，使水中碳酸鈣在傳熱面上結(jié)垢析出的傾向增加，這是問題之二。
粘泥垢：冷卻水和空氣接觸，吸收了空氣中大量的灰塵、泥沙、微生物及其孢子，使系統(tǒng)的污泥增加。冷卻塔內(nèi)的光照、適宜的溫度、充足的氧和養(yǎng)分都有利于細(xì)菌和藻類的生長，從而使系統(tǒng)粘泥增加，在換熱器內(nèi)沉積下來，造成了粘泥的危害，這是水循環(huán)使用后易帶來的問題之三。
冷卻水的循環(huán)使用對換熱器帶來的腐蝕、結(jié)垢和粘泥問題要比使用直流水嚴(yán)重一些或嚴(yán)重得多。因此，循環(huán)冷卻水如果不加以處理，則以上問題的發(fā)生將使換熱設(shè)備的水流阻力加大，水泵的電耗增加，傳熱效率降低，并使生產(chǎn)工藝條件處于不正常狀況?，F(xiàn)代的一些工廠，為了提高傳熱效率的需要，換熱器的管壁很薄，并且嚴(yán)格控制污垢的厚度，換熱器一旦發(fā)生腐蝕或結(jié)垢，尤其是局部腐蝕的發(fā)生，將使換熱系統(tǒng)必須綜合解決腐蝕、結(jié)垢和粘泥（微生物）三個(gè)問題。
冷卻水的化學(xué)處理是用加入化學(xué)藥品的方法來防止循環(huán)冷卻水系統(tǒng)腐蝕、結(jié)垢和粘泥等問題的產(chǎn)生。常用的處理藥劑有緩蝕劑、阻垢劑和殺生劑等。
(三）、游泳池水處理技術(shù)游泳池水處理設(shè)備
近幾年來，游泳池、水上樂園象雨后春筍般涌現(xiàn)，其中許多游泳池已跳開古板的傳統(tǒng)模式，摹仿國外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)更新穎，融健身性、娛樂性于一體，更具吸引力及生命力。但這種照搬國外的設(shè)計(jì)模式忽略了中國人口眾多的特點(diǎn)，許多按這種設(shè)計(jì)理念設(shè)計(jì)的游泳池一到夏季高溫季節(jié)，池水會“發(fā)白”甚至“發(fā)綠”，使游泳者望而卻步。上海萬森水處理有限公司憑著多年從事游泳池水處理的經(jīng)驗(yàn)，消化、吸收國外的先進(jìn)技術(shù)，又結(jié)合國內(nèi)游泳人數(shù)、游泳習(xí)慣等實(shí)際情況，設(shè)計(jì)出性能卓越的游泳池、水上樂園、水景等水質(zhì)凈化系統(tǒng)。
預(yù)過濾裝置
預(yù)過濾俗稱毛發(fā)過濾，其目的是去除水中的毛發(fā)、纖維等較大的雜物， 這些雜物如果不去除，會纏繞在循環(huán)水泵葉輪上， 使水泵運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)荷增大，嚴(yán)重者還會使水泵電機(jī)燒毀。對一些小的循環(huán)水系統(tǒng)，我們采用原裝進(jìn)口的帶毛發(fā)過濾器的循環(huán)水泵，其中毛發(fā)過濾器頂蓋透明，以便觀察里面的碎屑，并且頂蓋還可很方便地拆下，能在短時(shí)間內(nèi)清理濾網(wǎng)并能使水泵很快重新投入使用。一個(gè)好的毛發(fā)過濾器須有足夠大的過濾面積和足夠小的濾網(wǎng)孔徑，水量損失又要盡量小。萬森科技人員利用流體力學(xué)原理設(shè)計(jì)出專用于大型游泳池、水上樂園循環(huán)水過濾的毛發(fā)過濾器。不銹鋼濾網(wǎng)能耐大流量的沖擊，獨(dú)特的弧線造型使過濾效果和水頭損失達(dá)到最佳的結(jié)合?？煅b式頂蓋和抽插式濾網(wǎng)能快捷地清理截留的碎屑。
過濾裝置 濾速高、過濾效果好采用國外過濾器先進(jìn)的布水裝置、集水裝置，使得整個(gè)過濾面上濾速均勻一致，在保證過濾效果的基礎(chǔ)上最大限度地提高了有效的過濾速度。同時(shí)，按科學(xué)的濾料級配原則，用多種精制濾料組成多層濾層，使過濾效果更佳、濾床更深，當(dāng)進(jìn)
水水質(zhì)突然惡化時(shí)，還能保證出水水質(zhì)純凈，避免了進(jìn)口過濾器淺層濾料適應(yīng)水質(zhì)變化差的缺點(diǎn)。
(四）、噴水池水處理技術(shù)
噴水池設(shè)備
噴泉作為動態(tài)的藝術(shù)水景，以其獨(dú)特多變的生動造型而在建筑設(shè)計(jì)中被日益廣泛采用。它不僅能美化環(huán)裝飾庭院廣場襯托藝術(shù)效果和氛圍，更具有濕潤和凈化空氣、使日趨惡化的城市環(huán)境得到巧妙改善的作用。但是目前許多噴水池設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)過程中由于缺乏對噴水池池水水質(zhì)凈化的考慮，而造成日后許多噴水池因池水變質(zhì)，不但不能起到美化環(huán)境的作用，反而令人生厭，給人帶來無盡的煩惱。我公司憑著多年從事水處理的經(jīng)驗(yàn)，將凈化水裝置作為必不可少的一部分設(shè)計(jì)在噴水池中，使噴泉這道景觀得到更完美地體現(xiàn)。
量身定做式的設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)噴水池時(shí)決不生搬現(xiàn)有的成型模式，而是根據(jù)噴水池所在地周圍的環(huán)境“量身定做”。我們不但考慮到周圍建筑群、綠化、雕塑的特色而且還考慮了周圍居民的文化層次和職業(yè)特點(diǎn)，甚至連空氣中的含塵量、噴水池周圍的噪音也成了我們設(shè)計(jì)時(shí)考慮的因素，使我們設(shè)計(jì)的噴水池和周圍環(huán)境相得益彰，在整個(gè)群體中起“畫龍點(diǎn)睛”的藝術(shù)效果。
(五)、鍋爐水水處理
鍋爐水處理的目的
一種合格的鍋爐水處理劑必須有效地起到阻垢和緩蝕兩作用。阻垢主要是指對鍋爐本體的阻垢，而緩蝕的對象包括鍋爐本體以及蒸汽所通過的管道，熱交換器和凝結(jié)水管道。
Ca2+、Mg2+是主要的成垢離子，目前市場上所使用的鍋爐大都配有離子交換器來去除它們。但水中其它的一些溶解性鹽類由于鍋水的濃縮蒸發(fā)，濃度不斷增大，仍有超出其溶解度而結(jié)垢的可能。特別是在煙管等高溫部位，由于水的急烈汽化，很可能引起某些鹽類因局部濃度過高而結(jié)晶析出。這就是許多使用軟化水的鍋爐仍結(jié)垢的原因。雖然這種現(xiàn)象可通過增加排污量得到緩解，但這一方面浪費(fèi)大量的能源，另一方面由于排污量的增大使得鍋水堿度下降，常常低于國家標(biāo)準(zhǔn)的下限，加快了腐蝕的速度。所以，對鍋水采取適當(dāng)?shù)淖韫复胧┦鞘直匾?。水中的溶解氧是造成鍋爐腐蝕的主要因素。由于鍋內(nèi)溫度高溶解氧和鐵反應(yīng)的速度很快。對于無除氧器的鍋爐，采用化學(xué)除氧的措施是必不可少的，對于有除氧器的鍋爐，由于目前的除氧器除氧不能徹底，特別是一些非連續(xù)運(yùn)行的鍋爐，在每天剛開爐時(shí)，熱力除氧器幾乎起不到作用，所以采取化學(xué)除氧作為一種補(bǔ)救方式也是必要的。
造成鍋爐腐蝕的另一主要因子是Fe3+?，F(xiàn)在的寫字樓、賓館等大都采用密閉式的加熱系統(tǒng)，冷凝水回用可占鍋爐補(bǔ)給水的80%左右，如果蒸汽管道，冷凝水管道，熱交換器等部位無必要的緩蝕措施，管道表面的鐵就溶解進(jìn)入凝結(jié)水中，由于Fe3+具有較強(qiáng)的氧化性，可以大大加快鍋爐腐蝕的速度。鍋爐補(bǔ)給水中的CO2氣體進(jìn)入鍋爐后由于受熱從水中逸出，隨蒸汽一同進(jìn)入熱交換器，又重新溶解于冷凝水中，使水呈酸性。在酸性條件下鐵的腐蝕大大的加快，大量鐵溶入凝結(jié)水中，有時(shí)不得不把凝結(jié)水排掉，由于凝結(jié)水溫度較高，這勢必造成能源的大量浪費(fèi).武漢純水設(shè)備，工業(yè)超純水設(shè)備，反滲透純水設(shè)備，半導(dǎo)體超純水設(shè)備。
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