如何生产纯水

纯水的制取工艺：

1.反渗透过滤系统

反渗透是实验室纯水机最常用的过滤方法，它的过滤优点和缺点，我们已经介绍过很多次了，比如在讲时就给大家介绍过。优点是在一定程度上有效地去除所有类型的污染物（颗粒，胶体和溶解的无机物），日常维护比较少。而缺点是由于RO膜的紧密孔隙度限制了其流速，因此纯水的制取量相比较其他方法来说比较少，而且制取成本较高。

2.紫外线辐射制取纯水

优点是有效消毒处理，将有机化合物（185nm和254nm）氧化为<5ppb TOC。

缺点是会降低水质的电阻率，不会去除颗粒，胶体或离子。

3.蒸馏制取纯水

蒸馏制取该方法的基础是在蒸汽相中随后冷凝而转移水。该方法的主要缺点是将水转化为蒸汽所需的电力维护成本非常高。此外，在蒸汽形成过程中与水分子一起，其他溶质可以根据其挥发性进入蒸汽，最终溶解到制取的纯水中。

4.去离子交换

优点是能够有效去除溶解于水中的有害离子，比如重金属离子，而且制取的超纯水电阻率接近18兆欧。缺点是无法去除不溶于水的矿物质，而且纯水制取成本较高。因此多与反渗透配合使用。

双级反渗透纯净水设备介绍

　　双级反渗透纯净水设备采用先进的两级低压反渗透技术对自来水进行提纯。结合精心设计的过滤和吸附系统，能有效去除水中各类细菌、残留物、重金属离子等有害健康的物质，更能去除常规手段无法去除的三氯甲烷、氟等致癌致病物。国内绝大部分地区自来水电导率都≤1000us/cm，因此采用本设备制水，一定要注意原水品质，并且严格按照说明书操作、维护和保养，所制纯净水电导率完全能保持在国家标准规定的10us/cm以下，确保制取直接生饮的纯净水，符合卫监发(1998)第19号文件附件4卫生要求及卫生部GB5749-85《生活饮用水卫生标准》。

　　该系列双级反渗透纯净水设备将完善正规的饮用纯净水制作工艺集为一体，柜架式敞开设计、易于维护保养。并采用反渗透程序控制器控制系统自动运行，运行过程、故障采用面板显示、操作简单，仅需一个开关操作即可完成系统启停，大大提高了系统运行稳定性。可作为社区、工业区、油田等净水屋的核心设备，也可作为食品、饮料、化工、医院、电子等行业的水处理设备。

如果在实验室的话，你可以通过蒸馏的办法,如果生产的话可以用电渗析方法或反渗透法，或者二者组合使用再加上紫外杀菌仪器生产。

根据水源的不同而首先确定不同的预处理方式。然后进行预脱盐工艺，再进行深度除盐工序就生产出了工业纯水。

所水源都含有污染物。污染物的种类的差别非常大，几乎没有两种水源在种类和浓度上完全一致。污染完全取决于应用；对于饮用水，是由“安全饮用水条例”规定。而对于半导体冲洗用水，除了H2O分子，其他所有东西都是污染物，应当尽可能地把污染物的浓度降到零。
表1水污染物的分类
因为不可能使水免于任何污染，所以水处理工艺的目标是尽可能降低污染程度。
通过分类来区分污染物的类型、更有效地清除污染物（表1），这是能够做到的。我们并不缺少可行的水处理技术。一些水处理技术只能清除一种污染物，一些技术的适用范围更广一些。不同的水处理技术各有长处与不足。没有一种技术能够生产出真正的“超纯净”水。
因此，要想设计出一种兼有各种技术优点的系统，困难在于，怎样才能达到最佳清除污染物的效果以便水质达到“具体用途”的要求。
微滤技术、超滤技术、纳米过滤技术和反渗透技术，这些技术使用最通用的压力隔膜技术，它在超纯水生产系统中得到广泛应用，是超纯水生产系统的关键。
特别是，同其他水处理技术相比，隔膜技术具有一些独一无二的特性。它们包括：
● 连续处理，能够自动、不间断工作；
● 既没有相的变化，也没有温度变化，因此，电力消耗量很低；
● 组件式设计——不存在尺寸上的限制；
● 几乎不需要移动部件，因此基本也不需要保养；
● 不会影响污染物的形态或者化学成分；
● 渗透隔膜屏障能够保证污染物物理分离；
● 没有额外的化学要求；
简单说来，这些技术都是连续型过滤器。清除污染物的关键是选择合适的隔膜聚合物和确定合适的孔的尺寸。虽然它们能够把污染物从水中分离出来，但是，当用一个特定的应用进行比较时就可以发现，他们的作用各不相同，而且，各有优势与不足。
最新的过滤技术，例如“交叉流”过滤技术或者“切线流”过滤技术，能够不停地处理流动的液体。在处理过程中，大量溶液溢出过滤器，与过滤器表面平行，同时，由于需要向系统加压，因此水必需穿过过滤器的中部，形成“渗透”。大量通过过滤器表面的溶液的湍流降低了过滤器表面上的微粒物质的积蓄，同时也保证系统始终处于工作状态。图1把交叉流动机制和传统的过滤机制放在一起进行比较。
图1 传统过滤和交叉流动过滤的对比。
微滤技术
总的说来，微滤技术（MF）能够把尺寸约在0.01到1微米（100到10,000埃)范围内的微粒或者悬浮材料过滤掉。图2是微滤机制（MF）的图解。

超滤技术
超滤技术（UF)能够分离尺寸小于0.01微米（100埃）的材料。UF隔膜的过滤特性可以用截流分子量（MWCO）来表示，即通过隔膜孔的化合物的最大分子量。MWCO的单位是道尔顿（dalton）。从根本上讲，超滤技术可以用来过滤已经溶解在水中的非离子污染物，同时可以用微滤技术来过滤悬浮的固体微粒（图3）。
图2 微滤原理。

纳米过滤技术
纳米过滤技术（NF）是一种介于超滤技术和反渗透技术之间的一种技术。纳米过滤隔膜的MWCO的范围在300到800道尔顿（<10埃）之间。离子的渗透率是根据盐的化合价的不同而变化的，变化范围很大；能把多价盐，例如，硫酸镁（MgSO4）滤掉99%，而单价盐，例如氯化钠（NaCl），只能滤掉10%（图4）。
图3 超滤原理。

反渗透技术
反渗透（RO）技术能够清除所有分子量大于100道尔顿的未溶解的有机物（非离子）固体杂质和高百分比的离子材料。因为反渗透隔膜并不是最理想的方法（它通常只能过滤掉95%到99%的离子污染物），我们一般把他们作为实现高纯度水的生产（图5）的最终“抛光”去离子单元的预处理。
隔膜滤芯
为了达到预期效果，必须把隔膜聚合物设置到一个结构中，我们通常把它称为“设备”或者“滤芯”。最普通的滤芯是：管式滤芯、毛细纤维管滤芯、卷式滤芯和板框滤芯（图6）。
图4 纳米过滤原理。
管式滤芯
这些管子是由陶瓷、碳、不锈钢或者大量热塑塑料制造的，它们的内径最小为3/8英寸，最大可以达到1英寸（10到25mm）。隔膜通常都覆盖在管子的内侧，注入的溶液从一端到另一端穿过管式内部（内腔），透过管壁，在管子外侧被收集起来。

毛细纤维管滤芯（空心纤维）
这些元件在设计上非常接近管式元件，但是它们的直径更小，而且一般都无需支撑隔膜聚合物，此外，它们在各端上还需要由圆柱内的一种纤维束环氧“支撑件（potting）”来提供刚性支撑。给水要幺从纤维管里往下流，要么就是在纤维管的周围。
图6 隔膜模滤芯。
卷式滤芯
这个元件是由缠绕在渗透管外围的膜片构成，这个渗透管上有打好的小孔，可以收集渗透液。水穿过一层隔膜并且呈螺旋形流入渗透管，完成净化处理。迄今为止，这是在水净化应用中最常见的结构。
板框滤芯
这种滤芯把伸开铺在框上的膜片合并起来，把各层分开，可以更好地收集渗透液，并且把它们直接送给主管道。
从价格和便利性的角度来看，把这么大面积的薄膜尽可能地塞到这么小的容积内是有好处的。这就是所谓的“装载密度”。 装载密度越高，就需要把越多的薄膜装到尺寸一定的设备中，而且，通常隔膜元件的成本会更低。高密度装载隔膜元件的下面是越来越厚的污垢（表2）。
图7是一个完整的隔膜处理系统示意图。从功能的角度来看，它也是一个单独的隔膜元件。值得注意的是，“给水”流进系统（或者隔膜元件）后，当水流在压力下沿着隔膜的表面流动，并且与之平行，会使一定比例的水穿过隔膜聚合物，得到渗透液。它能够防止污染物穿过具有聚合物特征的隔膜。这个含有污染物的水流随着“杂质”液体离开隔膜系统（或元件）——这就是人们常说的“盐水（brine）”或者“浓缩水（reject）”。
一定比例的给水穿过隔膜、形成渗透，这就是人们常说的“回收”。在一般情况下，对水净化处理来说，水回收往往不到85%。随着水的回收率越来越高（浓水的容量越来越低），浓水中污染物的浓度也会大幅提高。它的作用可以用数学公式来表示，如表3所示。
污垢
主要的隔膜元件设备和系统的失效都是由隔膜污垢造成的，它们通常是由以下一个或几个原因引起：
● 由于使用不正确的给水过滤方法形成给水悬浮固体杂质；
● 由隔膜元件中的浓缩作用产生不能溶解于水的盐或氧化物沉淀；
● 由微生物活动引起的生物膜效应；
这些机构会使隔膜表面覆盖上数层污垢材料。随着污垢层的厚度增加，穿过隔膜表面的流速会变得越来越慢，迅速接近它的减量速度，减缓局部紊流，促使更多悬浮固体微粒沉淀，增加污垢层的厚度，形成恶性循环。
纳米过滤隔膜和反渗透隔膜能够有效脱除离子污染物，污垢通常会形成一种常见的“浓差极化”现象。污垢层会抑制远离隔膜表面的给水的自由移动，而且，隔膜会脱盐，所以隔膜表面上的浓度大于（污垢层上面的）溶液的溶度。
由于离子脱除作用总是相当于隔膜表面上一定浓度的盐水，因此，渗透质量会随着浓差极化的直接作用而下降，而且这种现象的具体表现是，在检测到渗透液变少之前可能会出现污垢阻塞。隔膜表面越来越高的含盐度也会促进盐的沉淀，它们的溶解度将随着浓差极化的结果而增加。
对超纯水生产而言，经常会用到反渗透技术，而且，因为隔膜技术极易受到污垢的影响，所以通常首先必需经过预处理。
此外，（根据大部份定义来看），反渗透技术本身是无法生产出超纯水。因此，大多数系统还需要使用其他的技术来净化反渗透的渗透液。这种把系统设计分解成几个基本组成的方法，形成了一种观念，即把每个系统看成是预处理技术、初级处理技术和后处理技术的最佳状态的集合。

预处理
预处理技术对所使用的未净化过的水质有规定，而且受到反渗透隔膜聚合物的限制。没有经过净化的水很容易形成碳酸钙污垢–正饱和（Langelier）指数，预处理包括以下一个或者多个步骤：软化、酸化或者添加分散剂。可以使用一个锰绿砂过滤器或者使用氧化作用和过滤的方法把多余的离子（0.3ppm以上）过滤掉。如果混浊度大于0.1 NTU，需要使用能够反向冲洗的多媒质过滤器。当pH值大于7.0时，纤维质反渗透隔膜聚合物对水解异常灵敏；这要求使用高pH值的水来做酸化处理。
活性碳是能够除去残余的氯的一种预处理技术，这是在使用薄膜合成物反渗透隔膜聚合物时一种最有效的技术。在那些需要用到纤维质聚合物应用中，我们通常把活性碳放在反渗透组件的下方。必须用活性碳过滤来反洗、清除积聚的微粒材料，并且需要定期更换过滤器媒质。

初级处理
正如上面所说的，反渗透技术是超纯水生产的关键。为了获得达到具体应用所要求的水质，我们使用以下的一种或者多种技术。

混床去离子技术
混床去离子技术（DI）将使经过净化处理的水的电阻达到18兆欧姆-厘米，这是在各个行业系统中所能达到的最大的离子纯度。去离子技术必须充分考虑体外再生的问题。
显而易见，如果系统在不间断地工作，就需要用另一个完全一样的DI组件来再生已经无用的树脂，而不用把整个系统关掉。
如果树脂床一次停工时间超过48小时，可能会促发水处理系统中微生物的滋生。

电法去电离技术
高纯度水生产最新的研究成果是一种被称为电去电离（EDI）或者连续去离子（CDI）的技术（图8）。这项技术兼有电渗析（ED）和树脂去离子（DI）的特点。我们把DI树脂置入两层ED薄膜层之间。它用电来分离污染物，形成正负电极。尽管DI树脂不能吸收离子污染物，但是可以很轻松地把离子转移到含有杂质的浓水中。
当注入RO渗透液时，EDI会产生电阻为18兆欧姆-厘米的水质。它是一个连续处理工艺，不需要再生处理。

水的存储
总的说来，经过处理的水一旦达到预定的纯度，就可以把它送到存储槽中，这个存储槽通常是由惰性材料构成，并且可以做成不同的尺寸规格，放在任何地方，存放的时间可以是数小时到一整天。一般说来，它既可以通过亚微米通风过滤器来与大气保持连通，同时防止空气污染存储槽，还可以用一层惰性气体（例如氮气）把它密封起来。初级处理系统和循环系统都直接把水送给存储槽。

后处理
因为超纯水具有很高的活性，而且实际上它与任何东西一接触就会立即受到污染，从存储槽到各个位置的分配循环通常需要各种技术不停地清除污染物。根据以前的定义，这些技术经常是作为后处理的一部份。由于整个环路的再循环速度通常要高于送至存储槽的超纯水的生产速度，（而且更不确定），所以这项技术的组件必须以此选择尺寸大小。

微滤技术
在通常情况下，需要使用0.1微米或者0.2微米过滤器来过滤微粒和活菌。这些过滤器既可以是传统的带“盲堵”的筒壳，也可以是交叉流动的隔膜设备。最重要的是，这些都是使用不会溶解到纯水中去的材料制作的。

超滤技术
超滤技术通常可以实现最终抛光。在通常情况下，截流分子量的范围在5,000到100,000道尔顿之间，UF可以有效地过滤并且清除掉大部份残留在系统中的污染物。一般情况下，超滤组件可以得到95%到98%的超纯水，这就是说，有2%到5%的水会直接被送到排水沟或者进入系统的前端组件进行再循环处理。而且，最重要的是，所有与高度活性的纯水接触的构筑材料都必须是惰性材料。

紫外线照射
这个组件可以抑制细菌在整个存储槽和所有输送管内的繁殖。尽管紫外线照射（UV）不能清除微生物，而且，人们对它是否能够彻底杀死细菌仍争论不休，但是，它确实能够抑制细菌的滋生，而且对所有高纯度水系统来说，它都是个必不可少的组件。

臭氧化处理
从理论上讲，作为最有效的消毒剂，臭氧能够把有机化合物分解成基本的元素。它具有非常强的氧化能力，因此需要使用特殊的构筑材料，而且必须在水与薄膜或都树脂接触之前把它清除掉（通常是254纳米的UV）。
如今，最需要纯水的行业包括：半导体制造业，特别是电子产品设备（计算机芯片等等）的清洗；电力行业，特别是高压蒸汽锅炉；制药行业，特别是需要使用USP或者WFI水的生产制造；血液透析，特别是透析液的前期准备和人造肾的清洗；以及医疗实验室，特别是分析和研究活动。
尽管各个行业都需要“没有受到污染”的纯水，但是，他们各自关心的都是特定的污染物，而且不同的行业应用所能够接受的残留物程度是不一样的。
随着分析技术日益提高，很显然，没有什么东西能够完全不受任何污染，就像水一样。而且，净化处理后的水，更容易受到污染，而且能够溶解与之发生接触的大部份材料。
各个行业都认识到这种情形的实际要求，纷纷建立自己的纯水质量标准，这些标准往往是性能与经济可行性之间折衷的结果。表4和表5是适合半导体制造业和制药行业关于水质标准或者指导方针的例子。
图9是一个典型纯水处理系统的通用设计图解。尽管最佳结构是由上述论众多因素构成的函数，但是，这个系统适合于大多数应用。

结论
在超纯水生产中，最理想的设计要求以下几点：
● 给水质量
● 超纯水的质量要求
● 超纯水的数量要求
最关键的是，选择和使用适当技术得到完整、全面、可靠而且经济有效的系统的知识、经验和能力。