水的純化與超純水

天然水中通常含有5 種雜質:

①電解質, 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^-、N0^3-、HCO^3-、SO4^2-、PO₄^3-、H₂PO₄^-、HSiO₃^-等。

②有機物質, 如:有機酸、農藥、烴類、醇類和酯類等。

③顆粒物。

④微生物。

⑤溶解氣體, 包括:N₂、0₂、Cl₂、H₂S、CO 、CO₂、CH₄等。所謂水的純化, 就是要去掉這些雜質。雜質去的越徹底, 水質也就越純凈。

國家標準規定有分析實驗室用水的技術指標。分析實驗室用水的技術指標見下表，

1 水的純化方法

1.1 蒸餾法

按蒸餾器皿可分為玻璃、石英蒸餾器, 金屬材質的有銅、不銹鋼和鉑金蒸餾器等。按蒸餾次數可分為1 次、2 次和多次蒸餾法。此外, 為了去掉一些特殊的雜質, 還需采取一些特殊的措施。如預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鐵;加入少許不揮發酸可制取無氨水等。蒸餾水可以滿足普通分析實驗室的用水要求。由于很難排除二氧化碳的溶入, 水的電阻率很低,達不到MΨ級。不能滿足許多新技術的需要。

1.2 離子交換法

主要有兩種制備方式:

(1)復床式, 即按陽床—陰床—陽床—陰床—混合床的方式連接并生產去離子水;早期多采用這種方式, 便于樹脂再生。

(2)混床式(2 ～ 5 級串聯不等), 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MΨ的去離子水。但有機物無法去掉, TOC 和COD 值往往比原水還高。這是因為樹脂不好, 或是樹脂的預處理不徹底, 樹脂中所含的低聚物、單體、添加劑等沒有除盡, 或樹脂不穩定, 不斷釋放出分解產物。這一切都將以TOC 或COD 指標的形式表現出來。如當自來水的COD 值為2mg/L 時, 經過去離子處理得到的去離子水的COD 值常在5 ～ 10mg/L 之間。當然, 在使用好樹脂時會得到好結果。

1.3 反滲透法

目前是一種應用最廣的脫鹽技術。反滲透膜雖在1977 年就有了, 但其規模化生產和廣泛用于脫鹽卻是近幾年的事情。反滲透膜能去除無機鹽、有機物(分子量>500)、細菌、熱源、病毒、懸濁物(粒徑>0.1μm) 等。產出水的電阻率能較原水的
電阻率升高近10 倍。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)。去除雜質的能力由膜的性能好壞和進出水比例決定。進出水的比例一般控制為10 :6 或10 :7 左右。這樣雜質的去除率應在95 ～ 99.7 %之間。例如, 原水的電阻率為1.6 KΩ·cm (25 ℃)時, 產出水的電阻率約為14 KΩ·cm 。這樣的水現在大家都管它叫純凈水, 也就是市場上出售的飲用純凈水。

2 制備超純水的方法

傳統純水方法不能制出超純水, 化學意義上純水(液態的H2O)的理論電導率為18.3MΩ·cm。人們生產的純水達不到理論值, 但18MΩ·cm 似乎可以達到, 對于這種水, 有的稱為高純水, 有的稱為超純水, 目前還沒有系統的定義。也沒有劃分等級
界限, 筆者以為還是看電導率指標更準確一些。現在制備超純水的方法是將各種純化水的新技術科學地結合起來, 使生產超純水變得非常容易。目前市售的超純水器就是一個成功的例子。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)機械過濾:通過砂芯濾板和纖維柱濾除機械雜質, 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;吸附細菌和某些過渡金屬等。氯氣能損害反滲透膜, 因此應除盡。

(4) 反滲透膜過濾:可濾除95%以上的電解質和大分子化合物, 包括膠體微粒和病毒等。由于絕大多數離子的去除, 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(180～254nm)紫外線照射分解水中的不易被活性炭吸附的小有機化合物, 如甲醇、乙醇等, 使其轉變成CO₂ 和水,以降低TOC 的指標。

(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 指標主要來自樹脂床。因此, 高質量的離子交換樹脂就成為成敗的關鍵。所謂高質量的樹脂, 就是化學穩定性特別好,
不分解, 不含低聚物、單體和添加劑等的樹脂。“核工業級樹脂” 大概就屬于這一類樹脂。對樹脂的要求是質量越高越好。可惜國內很少有人在這方面下工夫。滿足于生產大路貨。

(7)0.2μm濾膜過濾, 以除去水中的顆粒物到每毫升1個(小于0.2μm的), 經過上述各步驟處理后生產出來的水就是超純水了。應能滿足各種儀器分析, 高純分析, 痕量分析等的要求, 接近或達到電子級水的要求。

3 從純水的電導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不到。一般用戶更是缺乏特殊的檢測手段。有人做過這方面的計算, 可供參考見下表：

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, 應能滿足各種痕量分析和高純分析的要求, 在這種情況下不必去測pH值, 因為即使全部離子都是H⁺, 也無法改變1個pH 單位, 除非是電導儀或pH計出了毛病, 才會有異常數據出現。正如國家標準(GB6682-92) 中指出的, 對一、二級水不主張測量pH一樣, 超純水就更難準確測量了。

基于反滲透加連續電滲析原理(簡稱CDI 或EDI)的換代超純水器已上市。可制備18MΩ超純勻, 并迅速取樣檢測。

參考文獻：

[1] 田小萌. 水的純化與超純水的制備[J]. 云南環境科學, 2005, 24(2): 27-28

材料人編輯部Allen編輯整理。