純化水和超純水的制備原理
??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????【武漢純水設備 www.m.yagemodel.com/】這是一篇關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:
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-、NO3-、HCO3-、SO42-、PO43-、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、O2、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:有飲用純凈水（GB17323）、分析實驗室用水[2]（GB6682—92）和電子級水[3]（GB/T11446.1-1997）的技術指標。
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，金屬材質的有銅、不銹鋼和白金蒸餾器等。按蒸餾次數可分為一次、二次和多次蒸餾法。此外，為了去掉一些特出的雜質，還需采取一些特殊的措施。例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(fā)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。所以水的電阻率是很低的，達不到MΩ級。不能滿足許多新技術的需要。
2、離子交換法，主要有兩種制備方式：
A.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。
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(wěn)定，不斷地釋放出分解產物。這一切都將以TOC或COD指標的形式表現(xiàn)出來。例如，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，否則就無法制備超純水了。
結垢是影響鍋爐壽命的主要因素，因此鍋爐對水質的要求比較高。低壓和中壓鍋爐對水質要求稍低而高壓鍋爐對水質要求非常高。凡能導致鍋爐、給水系統(tǒng)及其他熱力設備腐蝕、結垢及引起汽水共騰現(xiàn)象，使離子交換樹脂中毒的雜質如溶解氧、可溶性二氧化硅、鐵以及余氯等都應大部分或全部除去。在鍋爐水處理中，鍋爐補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行還原，要產生大量的酸堿廢水，直接外排不但污染環(huán)境，而且費用高昂。
3、電滲析法，產生于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之一。產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)的產出水。換言之，原水的總硬度為77mg/L時產出水的總硬度則為∽10mg/L.
4、反滲透法[5]，目前它是一種使用最廣的脫鹽技術。反滲透膜雖在1977年就有了，但其規(guī)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。反滲透膜對雜質的去除能力見表：
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°C)時，產出水的電阻率約為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，化學意義上純水（液態(tài)的H`O）的理論電導率為18.3ΜΩ·cm.人們生產的純水是達不道理論值的，但18ΜΩ·cm似乎是可以達到的，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率指標更準確一些。
現(xiàn)在制備超純水的方法是將各種純化水的新技術科學地結合起來，不僅能生產超純水。而且變得非常容易。自來水進去超純水出來，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，因此應力求除盡。
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（180nm-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(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。
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，因為容器含硅。
2、沒有熱源（即內毒素）的純水，注射針劑用水要求沒有熱源。以免引起過敏反應。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滴磷酸則可達到此目的。當然，有了超純水器也就不用這樣除鐵了。
五、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[6]做過這方面的計算，可供參考：
表2、幾種電阻率不同的純水的離子計算濃度
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,這樣的雜質水平,應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,因為即使全部離子都是H+,也無法改變1個pH單位.不要庸人自擾。除非是電導儀或pH計出了毛病，才會有異常數據出現(xiàn)。正如在實驗室用水的國家標準(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。
六、使用
(一）、中央空調水處理
中央空調水處理
隨著賓館、高檔寫字樓的不斷涌現(xiàn)，中央空調循環(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循環(huán)水系統(tǒng)的維護缺乏經驗，空調使用幾年后出現(xiàn)水垢，嚴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，造成巨大的經濟損失。
近年來一些大樓也已意識到中央空調水處理的重要性，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，但中央空調冷媒水、熱媒水系統(tǒng)的管道象蜘蛛網一樣布滿整幢大樓，其管路的復雜程度遠非一般的循環(huán)冷卻水可比，存在很多的滯流區(qū)域和死角，
一個合理的水處理措施應該考慮到整個系統(tǒng)的各個方面。包括中央空調循環(huán)水系統(tǒng)的腐蝕及控制、中央空調循環(huán)水系統(tǒng)的結垢及控制、中央空調系統(tǒng)中的微生物及其控制、鍋爐水處理及化學清洗等多項內容。
(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，水在冷卻塔內和空氣充分接觸，使水中的溶解氧得到補充,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。冷卻塔內的光照、適宜的溫度、充足的氧和養(yǎng)分都有利于細菌和藻類的生長，從而使系統(tǒng)粘泥增加，在換熱器內沉積下來，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、結垢和粘泥問題要比使用直流水嚴重一些或嚴重得多。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，并使生產工藝條件處于不正常狀況。現(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，并且嚴格控制污垢的厚度，換熱器一旦發(fā)生腐蝕或結垢，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、結垢和粘泥（微生物）三個問題。
冷卻水的化學處理是用加入化學藥品的方法來防止循環(huán)冷卻水系統(tǒng)腐蝕、結垢和粘泥等問題的產生。常用的處理藥劑有緩蝕劑、阻垢劑和殺生劑等。
(三）、游泳池水處理技術游泳池水處理設備
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，摹仿國外的先進經驗，設計更新穎，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計模式忽略了中國人口眾多的特點，許多按這種設計理念設計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驗，消化、吸收國外的先進技術，又結合國內游泳人數、游泳習慣等實際情況，設計出性能卓越的游泳池、水上樂園、水景等水質凈化系統(tǒng)。
預過濾裝置
預過濾俗稱毛發(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， 使水泵運轉負荷增大，嚴重者還會使水泵電機燒毀。對一些小的循環(huán)水系統(tǒng)，我們采用原裝進口的帶毛發(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，能在短時間內清理濾網并能使水泵很快重新投入使用。一個好的毛發(fā)過濾器須有足夠大的過濾面積和足夠小的濾網孔徑，水量損失又要盡量小。萬森科技人員利用流體力學原理設計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。不銹鋼濾網能耐大流量的沖擊，獨特的弧線造型使過濾效果和水頭損失達到最佳的結合?？煅b式頂蓋和抽插式濾網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的布水裝置、集水裝置，使得整個過濾面上濾速均勻一致，在保證過濾效果的基礎上最大限度地提高了有效的過濾速度。同時，按科學的濾料級配原則，用多種精制濾料組成多層濾層，使過濾效果更佳、濾床更深，當進
水水質突然惡化時，還能保證出水水質純凈，避免了進口過濾器淺層濾料適應水質變化差的缺點。
(四）、噴水池水處理技術
噴水池設備
噴泉作為動態(tài)的藝術水景，以其獨特多變的生動造型而在建筑設計中被日益廣泛采用。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計者在設計過程中由于缺乏對噴水池池水水質凈化的考慮，而造成日后許多噴水池因池水變質，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驗，將凈化水裝置作為必不可少的一部分設計在噴水池中，使噴泉這道景觀得到更完美地體現(xiàn)。
量身定做式的設計
設計人員在設計噴水池時決不生搬現(xiàn)有的成型模式，而是根據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，甚至連空氣中的含塵量、噴水池周圍的噪音也成了我們設計時考慮的因素，使我們設計的噴水池和周圍環(huán)境相得益彰，在整個群體中起“畫龍點睛”的藝術效果。
(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晶析出。這就是許多使用軟化水的鍋爐仍結垢的原因。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，常常低于國家標準的下限，加快了腐蝕的速度。所以，對鍋水采取適當的阻垢措施是十分必要的。水中的溶解氧是造成鍋爐腐蝕的主要因素。由于鍋內溫度高溶解氧和鐵反應的速度很快。對于無除氧器的鍋爐，采用化學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)運行的鍋爐，在每天剛開爐時，熱力除氧器幾乎起不到作用，所以采取化學除氧作為一種補救方式也是必要的。
造成鍋爐腐蝕的另一主要因子是Fe3+。現(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入凝結水中，由于Fe3+具有較強的氧化性，可以大大加快鍋爐腐蝕的速度。鍋爐補給水中的CO2氣體進入鍋爐后由于受熱從水中逸出，隨蒸汽一同進入熱交換器，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，大量鐵溶入凝結水中，有時不得不把凝結水排掉，由于凝結水溫度較高，這勢必造成能源的大量浪費.武漢純水設備，工業(yè)超純水設備，反滲透純水設備，半導體超純水設備。
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