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水质基础知识一、 水中的杂质未讨论原水中的杂质讨论建构一个水线化系统的各种单元操作是不适合的，各种杂质的性质、型态与浓度必然界定水纯化系统，供应制药用水纯化系统的原水必须符合EPAs NPDWR（环境保护管理局）之规格。原水有许多不同的潜在来源，也许来自市有或私人的供应，也许来自水库、湖泊、河流或地下水，地下水则受地表、地形与深度的影响。1颗粒物质（Particulate Matter）颗粒物质分为不溶的无机或有机性的杂质，乃当水通过过滤器后残留在滤纸上的残渣，或以EatoneL.al.(1995)之标准方法所测定得的总悬浮固体，不过与USP所定义之总固形物(tonisolid)不同而不可混淆。任何有关水中颗粒物质之定义都须提及其大小，通常当颗粒小于40um(10-6m)肉眼就看不到对水纯化系统而言，似乎将颗粒物质定义为可被颗粒去除过滤器去除之不溶之无机或有机物质较为适合，一般水之前处理系统中，去除颗粒之过滤器，都具有去除大於或等於10um颗粒的能力，因此我们可以定义水中颗粒物质为水中不可溶而颗 袜大于10um之机或有机物质，这些物质包括：泥土、铁之氧化物或氢氧化物、其他金属性氧化物或氢氧化物、微小之生物如粘液藻(slimealgae)、或富含铁份的细菌如纤毛菌属(Leptothrix)与分枝丝菌属(clonlthrix)及与产生沉淀之阳离子或阴离子结合之无机盐类，如：钙、镁、钡之硫酸盐或碳酸盐类。2离子物质（Ionic material）离子物质指溶於水且可解离为带正电(阳离子)与带负电(阴离子)之物质，当离子进入水中，其传导电流的能力就增加，一般表示水中离子的浓度可测定其导电度或比抵抗表示，除了H+与OH外，所有的阳离子与阴离子都具有大约相等的导电性，因此在相对中性PH值(59)之水，导电度可以用来评估水中的总溶解固形物(TDS)含量。理论上无离子水的最大比抵抗值在250C以下是18.2MQ.cm(0.05/cm)导电度，从理论观点一个溶液的导电度可以各别离子的当量电导(equivalent conductance)乘以其离子浓度计算得之，溶液中离子的TDS(total dissolution solid)含量的大约可以其导电度乘0.5而得到不反应的溶解气体。3不反应的溶解所气体是指如氧气与氮气等不与水产生化学反应，产生引入离了污染物到水中的化合物且影响水之PH者。这些气体在恒定的压力下其水中之溶解度是受温度的影响，当温度增加其溶解度降低，这些不反应的溶解气体存在时，对纯化水系统的性能并无任何实质的影响，在一个使用不锈钢贮存桶与分配系统之系统，其成品水中含有氧气会氧化不锈钢表面，然而，除了极少数的例外，在制药用水之纯化系统很少使用去除不反应的溶解气体的单元。4可反应的溶解气体自从1980年代中期以来，RO系统逐渐应用於纯化水系统，水中溶解的可反应气体戏剧性的造成成品质的伤害，主要的可反应的溶解气体为CO2和NH3.CO2存在於空气中并很容易溶於水中，其溶解度在300C为0.4mg/L，在200C为0.53mg/L，其在水中的状况如下述反应式：CO2+2H2OH3O+HCO3 HCO3_+H2OH3O+CO3_25微生物原水中存在许许多多的微生物，包括有活菌、不活菌、粘液藻、病毒和包 等等，在原水中存在许多种细菌，这些细菌的性质是与可得到的营养有关，它会非常弹性的来适应环境状况，在一个极低营养条件下，大部份存在的细菌为革兰阴性(gramne gative)细菌，革兰阴性细菌能适应极低的营养环境，它能极大化其表面积与体积之比而生存於导电度18.M.cm及TOC110ppb的环境，因此成品水之品质必须考量到革兰阴性菌的存在与否。6细菌内毒素在原水中的细菌，以活动的状态存在，依据环境条件控制其生长速率，并继续增殖，而一些细菌则死亡。水中存在有革菌阳性菌与革菌阴性菌，革兰阳性菌只有一个单一的细胞壁，而革兰阴性菌之细胞壁则有内膜与外膜，外膜的存在非常重要，它可以将从环境吸收营养到细胞的能力极大化外膜是由phospholipid、lipopolysaccharide与protein所组成，其中lipopolysaccharide非常稳定，一般认为它是一个内毒素(endotoxin)，因为这毒素是合成细菌细胞构造的一部份，换言之，当革兰阴性菌遭到破坏时，细菌内毒素就被释出，假如细菌内毒素被引入人体的血液，就会启动身体的防御机制，而引起体温的升高甚至死亡，基于人体对细菌内毒素的反应，人们常常称它为热原(pyrogen)，这个字源自於希腊，为火(fire)之意，因为注科人体血液会产生发烧的现象。由于完全可以预期的在原水中可以发现革兰阴性细菌，而原水的供应一定含有破坏细菌的机制，帮原水中一定含有细菌内毒素，从原水中去除细菌内毒素对制造与血液会接触的产品非常重要的。7有机物质在原水中的有机物质可分为天然存在(naturally occurring)和污染物质(pollutants)两种，天然存在的有机物质存在于地表水来源之原水或受地表水影响之地下水，通常来自地下水的有机物质的浓度非常低，它受地表形态与地下水深度及地表土壤性质影响，天然存在的有机物质分为小分子量划份(fulvic acid)与大分子量划份(humic acid)，在过去的1015年间，有一个实质的趋势是在水纯化系统里，使用逆渗透(RO)作为最主要的去除离子的技术，天然存在有机物质的呈现与除对以RO为基础的系统的成功与否是非常关键的，当RO膜发生有机物阻塞时，它会提供有机物营养，导致细菌在膜表面无法控制的增殖而造成微生物阻塞(microbial fouling)，因此，由于在puifiled water与Water forlnjection定有TOC之规格，从原水进入水纯化系统的每一单元操作都必须监测TOC(总有机碳含量值)。另一个有机物质的来源是污染物质如工业废水、肥料和杀虫剂等。8胶体物质胶体物质是比离子物质在而比颗粒物质小的物质，通常它的大小为0.01到0.1m或更大，分子量则在10,000到100,000Daltons或更大，地表水或地下水都可能存在胶体物质，对纯化水系统而言，矽、铁、与铝的胶体物质最为重要，通常胶体物质与有机物质互相结合，它带有负电荷，可被H+的高导电性，虽然是微量的胶体物质也会造成纯净水的导电度无法达到“无离子水”的状态。胶体物质的存在对纯化水系统是非常重要的。9残留清毒剂可能除了私人取供的以外，原水都会有残留的消毒剂，因为自来水公司为控制水中的细菌含量，都会添加消毒剂来控制总生菌数。常用的消毒剂为氯，浓度为0.51.0mg/L,氯是非常有效和消毒剂，当氯加到水中，会产生次氯酸与次氯酸根的混合物，说明如下：CL2+2H2O HOC1+H3O+C1-HOC1+H2O H3O+OC1_次氯酸根与次氯酸之比例受到PH的直接作用，当PH=7.5，次氯酸与次氯酸根的浓度相等，水中同时存在有次氯酸与次氯酸根，然而当PH=9时，9%的残留氯以强氧化剂的次氯酸根形式存在，不幸的是，由于原水中含有天然存在有机物质，在杀菌的过程中会产生三卤甲烷(trihalonethances,THMs)，研究报告显示天然存在的humic acid是trihalome thanes的先导物质，而THMs是一个致癌物质。残留消毒剂对纯化水系统有相当的影响，例如，常用的polyamide RO膜无法忍受极微量的残留消毒剂，在纯化水系统里必须有活性炭床单元，以去除残留消毒剂，且须定期更换其活性炭介质。10消毒副产物如上所述，原水中天然存在有机物质，尤其是humic acid，在以氯为消毒剂是，会产生致癌物质THMs，而其中最主要的THMs为氯仿(chloroform)，一般原水中之消毒过程副产物说明於下表，这些物质对纯净水而言，几然是所谓的外来物质与杂质(Foreign substance and Impurities)。在US EPAsNPDWR之规格，THMs不得超过100ppb。11各种原水性质之比较(1)地下水(2)受地表水影响之下的地下水供应(3)地表水二名词解释(注意专业名词)颗粒直径：10-4mm,是许多分子和离子的集合体 泥沙、粘土使水浑浊、产生粘泥藻类及原生动物使水有色度、有臭味、浑浊并产生粘泥1悬浮物质细菌致病、产生粘泥、产生腐蚀其他不溶物质产生沉积颗粒直径：10-610-4mm,是许多分子和离子的集合体溶液(如硅胶)致使结垢2胶体物质高分子化合物(如腐殖酸胶体等)使水浑浊、产生吸收和沉积颗粒直径：10-6mm酸式碳酸盐产生碱度、硬度碳酸盐产生碱并、硬度钙镁盐 硫酸盐产生硬度氯化物产生硬度、腐蚀、气味酸式碳酸钠产生碱度碳酸盐产生碱度盐类 硫酸盐产生含盐量钠 盐氯化物产生盐类、气味氟化物过量会致病3溶解物质铁盐及锰盐产生气味、硬度和腐蚀金属氧产生腐蚀二氧化碳产生腐蚀和酸度气体硫化物产生腐蚀、酸度和臭味有机物分解气体污染水体4水中的有机物质水中的有机物质主要是指腐殖酸和富里酸的聚透酸化合物、生活污水和工业废水的污染物。其中前者是多功能团芳香族类大分子的弱性有机酸，占水中溶解的有机物质95%以上。腐殖物质是水生生物一类的生命活动过程的产物。生活污水主要是人体排泄物和垃圾废物。各种工业废水中的有机物有动植物纤维、油脂、糖类、染料、有机酸、各种有机全成的工业制品、有机原料等。变些有机物污染着水体，并使水质恶化。水中的有机物有个共同特点，就是要进行生物氧化分解，需要消耗水中的溶解氧，而导致水中缺氧。同时会发生腐败发酵，使细菌滋长，恶化水质，破坏水体；工业用水的有机污染，还会降低产品的质量。有机物是引起水体污染的主要原因之一。5中溶有主要气体天然水中常见的溶解气体有氧气(O2)、二氧化碳(CO2)、有时还有硫化氢(H2S)、二氧化硫(SO2)、氮气(N2)和氨(NH3)等。这些溶解于水中的气体，大都对金属有腐蚀作用，是引起水系统金属腐蚀的重要因素。6水的总固体、溶解固体和是悬浮固体水中除了溶解气体之外的一切杂质称为固体。而水中的固体以可分为溶解团体和悬浮固体。这二者的总和即称为水的总固体。溶解团体是指水经过过滤之后，那些仍然溶于水中的各种无机盐类、有机物等。悬浮固体是指那些不溶于水中的泥砂、粘土、有机物、微生物等悬浮物质。总固体的测定是蒸于水分再称重得到的。因此选定蒸干时的温度有很大的关系，一般规定控制在1051100C。7水的含盐量水的含盐量（也称矿化度）是表示水中所含盐类的数溶解团体是指水经过过滤之后，那些仍然溶于水中的各种无机盐类、有机物等。悬浮固体是指那些不溶于水中的泥砂、粘土、有机物。微生物等悬浮物质。总固体的测定是蒸于水分再称重得到的。选定蒸干消耗水中的溶解氧，而导致水中缺氧。同时会发生腐败发酵，使细菌滋长，恶化水质，破坏水量。由于水中各种盐类一般均以离子的形式存在。所以含盐量也可以表示为水中各种阳离子的量和阴离子的量的和。水的含盐量与溶解固体的含义有所不同，因为溶解固体不仅包括水中的溶解盐类，还包括有机物质。同时，水的含盐量与总团体的含义也有所不同，因为总固体不仅包括不溶解于水的悬浮固体。所以，溶解团体和总固体在数量上都要比含盐量高。但是，在不很严格的情况下，当水比较清净时，水中的有机物质含水量量比较少，有时候也用溶解团体的含量来近似地表不水中的含盐量。当水特别清净的时候，悬浮固体的启量也比较少（如地下水），因此有时也可以用总团体的含量来近似表示水中的含水量盐量。8水的浑浊度由于水中含有悬浮及胶体状态的微粒，使得原是无色透明的水产生浑浊现象，其浑浊的程度称为浑浊度。浑浊度的单位是用“度”来表示的，就是相当于1L的水中含有lmg的SiO2（或是lmg白陶土、硅藻土）时，所产生浑浊程度为1度，或称杰克逊。浑浊度是一种光学效应，是光线透过水层时受到阻碍的程度，表示水层对于光线散射和吸收的能力。它不仅与悬浮物的含量有关，而且还与水中杂质的成分J日粒大小、税状及其表面的反射性能有关。控制浑浊度是工业水处理的一个重要内容，也是一项重要的水质持续标。根据水的不同用途十对浑浊度有不同的要求，生活饮用水的浑浊度不得超过5度；要求循环冷却水处理的补充水浑浊度在25度；除盐水处理的进水（原水）浑浊度应小于3度；制造人造纤维要求水的浑浊度低于0.3度。由于构成浑浊度的悬浮及胶体微粒一般是稳定的，并大都带有负电荷，所以不进行化学处理就不会沉降。在工业水处理中，主要是采用混凝、澄清和过滤的方法来降低水的浑浊度。9水的硬度水中有些金属阳离子，同一些阴离子结合在一起，在水被加热的过程中，由于蒸发浓缩，容易形成水垢，附着在受热面上而影响热传导，我们把水中这些金清离子的总浓度称为水的硬度。如在天然水中最常见金属离子是钙离子(Ca2+)和镁离子（Mg2+）、它与水中的阴离子如碳酸根离子(CO32-)、硫酸根离子（SO42-）、氯离子(CI-)、以及硝酸根离子(NO3-)等结合在一起。形成钙镁的碳酸盐、碳酸氢盐、硫酸盐、氯化物、以胶硝酸盐等硬度。水中的铁、锰、锌等金属离子也会形成硬度，但由于它们在天然水中的含量很少，可以略去不计。因此，通常就把Ca2+、Mg2+的总浓度看作水的硬度。水的硬度对锅炉用水的影响很大，因此应根据各种不同参数的锅炉对水质的要求对水进行软化或除盐处进。10水的电阻率大测定水的导电性能时，与水的电阻值大小有关，电阻值大，导电性能差，电阻值小，导电性能就良好。根据欧姆定律，在水温一定的情况下，水的电阻值R大小与电极的垂直截面积F成反比。与电极之间的距离L成正比，如下式：=PRLF式中P电阻率，或你比电阻。单位为欧姆（欧，代号），或用微欧（），1等一于106；电阻率的国际制(SI)单位为欧米（.m）。如果电极的截面积F做成1cm2,两电极间的距离L为1cm，那么电阻值就等于电阻率。水的电阻率的大小，与水中含量的多少、水中离子浓度、离子的电荷数以及离子的运动速度有关。因此，纯净的水电阻率很大，超纯水电阻率就更大。水越纯，电阻率越大。11水的电导度、电导率和电阻率之间关系由于水中含有各种溶解盐类，并以离子的形态存在。当水中插入一对电极时，通电之后，在电场的作用下，带电的离手就产生一定方向的移动，水中阴离子移向阳极，阳离子移向阴极，使水溶液起导电作用。水的导电能力的强弱程度，就称为电导度S（或称电导）。电导度反映了水中含量的多少，是水的纯净虚度的一个重要指标。水越纯净，含盐量越少，电阻越大，电导度越小。超纯水几乎不能导电。电导的大小等于电阻值的倒数。式中R电阻，单位欧姆，；S电导度（电导），单位过去用欧姆-1(ohm-1)或姆欧(mob,)表示。而目前通常用的国际制电导度的单位为西门子(Siemens)，代号用S，或用S表示，IS=106SS=I FP L=SIR对于一对固定的电极来说，两极间的距离不变，电极面积也不变，因此L与F为一个常数。令：=QLFF式中Q称为电极常数。也就是说，对一定的电极就有一定的电极常数Q值。可得到式中1/P就称为电导率(或称比电导)，令 S=I 1P Q=KIP电导率的国际制单位为西.米-1(S.m-1)，其意义是截面积为1m2，长度为1m的导体的电导。当电极常数Q=1时，电导率就等于电导率k，电导度s与电阻率pk三者关系如下：=SQ=RLF由于水溶液中溶解盐类都以离子状态存在，因此具有导电能力，所以电导率也可以间接表示出溶解液盐类的含量（含盐量）。以上概念，对于除盐水处理的水质控制及其水质标准和检测都非常重要。11水的PH值水的PH值是表示水中氢离子浓度的负对数值，表示为：PH=lgH+。PH值有时也称氢离子指数。由水中氢离子的浓度，可以知道水溶液是呈碱性、中性或是酸性。由于氢离子浓度的数值往往很小，在应用上很不方便，所以就用PH值这一概念来作为水溶液酸、碱性的判断指标。而且，氢离子浓度的负对数值恰能表示出酸性、碱性的变化幅度的数量级的大小。如果进一步按PH值（酸、碱度）更加详细地把水质分类，可以得到：(1)强酸性水溶液，PH1012原水、；软化水、脱盐水、纯水和超纯水原水 未经过处理的水。从广义来说，对于进入水处理工序前的水也称为该水处理工序的原水例如由水源送入澄清池处理的水称为原水。软化水 将水中硬度（主要指水中钙、镁离子）去除或降低一定程度的水。水在软化过程中，仅硬度降低，而总含盐量不变。脱盐水 水中盐类（主要是溶于水的强电解质）除去或降低一定程主的水。其电导率一般为1.010.0s/cm，电阻率(250C)。0.11.0X.cm,含盐量为15mg/L。纯水 水中的强电解质和弱电解质（如SiO2、CO2等）去除或降低到一定程度的水。其电导率一般为：1.00.1S/cm.。电阻率1.010OX106.cm。含盐量10106.cm，含盐量1时，成为多硅酸，如H2SiO5等。这些硅酸在水中的溶解度极小。从其溶度积可知(250C时，H2SiO3溶度积为110-11)，当pH值等于6时，其溶解度只有0.05mm01/L(0.01H+mmoI/L)，当pH等于7时，为0.05mmol/L(0.1H+mmol/L)。由于可知：硅酸在酸性或微酸性的水溶解中，很少以离子态存在，PH值越低，离子态的硅酸化合物越少，而胶体硅却越多。只有PH值大于10.5时，才有少量的SiO32-存在。总之，在天然水中，硅酸呈溶解状态和胶体硅酸两种形式，不同形式硅酸的比例与水的氢离子浓度即PH值有关。离子交换除盐处理，只能除去水中溶解关的硅化合物，胶态硅大都是通过混凝澄清处理去除。而用钼蓝法测定水硅酸化合物时，也只能测定溶解状硅酸化合物。而全硅量的测定，要事先将胶态硅用氯氟酸转化成溶解硅酸化合物，然后，再用钼蓝法测定。15毫克/升、微克/升毫克/升和微克/升是表示水中某些物质或杂质含量多少的单位。在工业水处理中，水的单位体积或单位重量通常采用升(或毫升)、克(或毫克、千克)来表示。而含于水中物质的量通常采用克、毫克/升就表示1升水中含有多少毫克的杂质，由于1升水的重量等于1000克也即百万毫克，故1毫克/升的杂质相当于水中含有百万分之一份杂质，即通常所用的ppm(parts per million)与此单位相当。水经过脱盐处理之后杂质的含量很低时，就用微克/升单位来表示，1毫克=1000微克。1微克/升相当于水中含有十亿分之一份的杂质，也可以ppb来表示。毫克/升单位的符号为mg/L，微克/升的单位符号为g/L。16微孔膜过滤技术或高分子材料制成的微孔滤膜，利用其均一孔径，来截留水中和微粒、细菌等，使其不能通过滤膜而被去除。这种微孔膜过滤技术又称精密过滤技术，能够过滤微米级(m)或纳米级(nm)的微粒和细菌。常用于电子工业、半导体、大规模集成电路生产中使用的高纯水等进一步过滤。微孔膜的规格目前有十多种，孔径从14m至0.025m，膜厚120150m，膜的种类有：混合纤维酯微孔滤膜；硝酸纤维素滤膜；聚偏氟乙烯滤膜；醋酸纤维素滤膜；再生纤维素滤膜；聚酷胺滤膜；聚四氟乙烯滤膜以及聚氯乙烯滤膜等。17超过滤技术超过滤是一种薄膜分离技术。就是在一定的压下（压力为0.070.7Mpa，最高不超过1.05Mpa），水在膜面上流动，水与溶解盐类和其他电解质是微小的颗粒，能够渗透超滤膜，而分子量大的颗粒和胶体物质就被超滤膜所阻挡，从而使不中的部分微粒得到分离的技术。超滤膜的孔径是数十至几百埃(A)、介于反渗透与微孔膜之间。超滤膜的孔径是由一定分子量的物质进行截留试验测定的，并以分子量的数值来表示。在水处理中，应用超滤膜来除去水中的悬浮物质和胶体物质。在医药工业上超滤膜的应用也十分广泛。超过滤膜的种类很多，其中以醋酸受到污染或结垢时，一般采用双氧水或次氯酸钠溶液来清洗。不能通过反洗来清洗膜面。超过滤最高运行温度为450C，PH=1.513.0。超过滤是去除水中有机物质的一项措施，也可以去除微量胶体物、生物体以及树脂碎末等。超过滤常置于除盐系统之后或置于反渗透装置之前来保护反渗透膜。18渗析、电渗析渗析是属于一种自然发生的物理现象。如将两种不同含盐量的水，用一张渗透膜隔开，就会发生含水量盐量大的水的电介质离子穿过膜向含盐量小的水中扩散，这个现象就是渗析。这种渗析是由于含盐量浓度不同而引起的，称为浓差渗析。渗析过程与浓度差的大小有关，浓差越大，渗析的过程越快，否则就越慢。因为是以浓差作为推动力的，因此，扩散速度始终是比较慢的。如果要加快这个速度。一就可以在膜的两边施加一直流电场。电解质离子在电场的作用下，会迅速地通过膜，进行迁移过程，这就称为电渗析。渗析膜是用高分子材料制成的一种薄膜，上面有离子交换活性基团。膜内含有酸性活性基团的称为阳膜；如有碱性活性基团的称阴膜。从膜的结构上分，又可分为异相膜、均相膜、半均相膜三种。电渗析（简称ED）是一种利用电能来进行的膜分离技术。它以直流电为推动力、利用阴、阳离子换膜对水溶液中阴、阳离子的选择透过性，使一个水体中的离子通过膜转移到另一水体中的物质分离过程。这是一项能使溶液淡化、浓缩、纯化或精制的化工单元操作技术。电渗析装置已广泛用于冶金、化工、石油、煤炭、电子、电力城建、医药、纺织、铁路、食品、饮料等行业的工业用水处理方面，获得令人满意的技术经济效益。三、各种水得理系统之原理和优缺点比较离子交换离子义换为主要的离子移除技术，长久以来已在生产制药用水中占了很重要的地位。以逆渗透为主要的离子移除技术，已在以往的10年中戏剧性的增加，然面门路份的应用仍然需要使用离子交换树脂，如逆渗透之前处理步骤的水质软化，如许多制药用的主成份（API）的制造，仍需以软化水直接使用于产品上之应用等等，皆需持续依赖离子交换技术。高瞬间需求（200300gpm或更大）的批次使用方式的纯水系统，仍靠离子交换，以降低储存体积之需求。相反地，每天使用小量（98%掊盐率95%，逐年衰减（3）生物稳定性好，不受微生物侵袭。易受微生物侵袭经常用来了解逆渗透的原理。将含高盐浓度的水溶液放置于半透膜（semipereable membrane）的一侧，纯水放置于另一侧，开始时，两液的水位相等，水会从稀溶液经半透膜进入浓溶液，这个过程称为渗透（osmosis），这个自然现象的驱动力称为渗透压（osmotic pressure），水会继续流动直到其渗透压到达一个平衡值，此时高盐浓度溶液之水位会高于只含纯水的稀溶液之水位，假如对含盐之已稀释溶液施以一个压力，将会逆转达其渗透过程，这个压力只近使水分子经过半透膜而不含盐，这种利用压力造成水分子通过半透膜的现象称为逆渗透（reverse osmosis）。理想的半透膜只让纯水通过而不含有任何离子，这是不可能的，所有的薄膜都会让少量的盐通过，尤其是很小的离基团，一个半透膜去除离子物质的能力称为离子去除百分率（percent rejection of ions），通过半透膜的离子物质量越大，其离子去除百分率越低。在一个动态的RO系统，不同于实验型的情形，它包括有供水、成品水与废水之管践 ，可以使半透膜在动态的状况下，提高其从含有盐的水流中去除离子的能力。许多研究人员早在一世纪之前已证实这个RO程序，但因为半透膜的单位面积之成品水流速太低，而无法发展这项技术，直到1963年Loeb&Sourirajan公司开发成功不对称醋酸纤维薄膜（asymmetric cellulose acetate membrane）后，而戏剧性的改变。渗透压与水的盐浓度及温度成比例关系，因为离子物质的基团不同，渗透压也因离子的种类不同而不同，一般食盐溶在室温之下，其渗透压为10psig/1000mg of TDS。2微过滤（Misrofiltration），超过滤(Ultrafiltration)，奈过滤（Nanofil tration），逆渗透（Reverse osmesis），及薄膜接触器（Membbrane contactor）。有关微过滤，超过滤，奈过滤及逆渗透的材料的大小，其中微过滤与超过滤属于薄膜过滤，不直接去除离子物质，奈过滤（Nanofiltration）是一种RO程序，经常被称为软化薄膜程序（softening membrane process），因为其孔隙大小比传统的逆渗透大，奈过滤之薄膜只能去除原水中的一价离子，而拒绝多价离子的大离子基因。奈过滤的孔径大约在7-20A界于超过滤（UF）和逆渗透（RO）的孔径之间。奈过滤对一个含有2000ppmTDS之原水，在100psig下，大约有1540%的单价盐通过，23%的二价盐通过。逆渗透（reverse osmosis）是一种可以同时去除一价与多价离子的程序，最近在发展与制造RO膜方面的进步，其薄膜具有将溶于原水中的离子物质去除达99%以上，减少有机物质达90%以上，对可反应之矽则几乎完全去除。每一个RO元素对水之回收率在约在1520%，一般RO单元的回收率大约在70%，显然高回收率是藉一种称为阵列(array)的独特安排，将前一支RO元素废水做为下一支RO元素之供水，而将废水浓缩达成。双重通过逆渗透（double-pass reverse osmosis）是一种将两个独立的RO系统串联操作的程序，一个单元的成品水作为第二单元的供水，它可以制造符合USP1.3S/cm at 250C的导电度规格的纯净水。薄膜接解器（membrane contactor）用来去除水流中的气体，它可以去除可反应气体如CO2T和NH3;RO膜不能去除气体，因此可反应气体将通过RO膜，而重建立成品水的平衡，导致成品水导电度增加，故薄膜接解器可与双重通过逆渗透单元并用来制造高品质的水。薄膜接解器也可以去除不反应气体如O2等，而作为蒸馏单元的供水的前处理操作，因为O2的存在会引起蒸馏单元的腐蚀。3逆渗透膜的流动特性：通量方程式（Equations for Flux）一般以薄膜通量(membrane flux)来说明水通过RO膜的流动现象，其定义为水于单位时间通过薄膜单位面积的体积；水和盐的渗透常数依薄膜特性而定，且受溶液之温度、PH与离子强度影响；水的渗透性受所存在的悬浮固形物，有机物质、细菌、无机物质与薄膜将去除的其他任何物质的影响。假如供水之品质符合U。S。EPAs NPDWR之规定，(f-p)可忽略，因为其渗透压的变化，评估为lpsig/10mg/L TDS，如此可发现通量直接与常数乘以压力差之值成比例关系。薄膜通量(membrane flux)，一个RO薄膜性能的优异指标，是受温度的变化影响，因此，大部份RO flux的计算被引导到测定标准渗透通量速率上。我们必须指出，通量可以做温度修正，即假定每0C变化34%，当温度降低通量减少，温度升高通量增加。标准通量值是非常重要的，薄膜阻塞(membrane fouling)，薄膜垢化(merebrange scaling)或因单元操作引起的恶化情况都会造成一个RO单元的通量速率的微小变化，因此通量速率变化时，必须谨慎的评估是否由于温度变化还是系统问题所造成。4盐通路方程式（离子拒绝百分率）Equat ions for Salt passage (percentage Rejection of Ions)从实际的观点，一个操作系统的盐拒绝百分比(percent salt rejection)可由下述方程式计算得到：%sait passage=(Cp/Cf)100从供水与成品水管路上的线上导电度计，可直接读到供水与成品水中离子物质的浓度，而很容易的计算盐的拒绝百分比，因为所有水中离子（除了H+与OH-之外）的当量电导（equivalent conductance）几乎相似，故导电度之测定值可以提供盐拒绝百分率一个极佳的指标。 5薄膜种类与组成一般性状（1）RO薄膜有管状（tabular），板和框状(plate and frame)，中空纤维（hollow fiber）与螺旋缠绕（spiral wound）等四种形态，在制药的使用，95%以上使用螺旋缠绕形的薄膜，大部份形式薄膜的流动路径都是以横向流过多孔薄膜的表面。（2）如前所述，所有的气体都会通过RO膜，包括CO2、NH3等可反应之气体及O2、N2等反应之气体。（3）薄膜聚合物的表面与孔隙含有离子交换基，水分子附在薄膜孔隙的旁边，减少孔隙之有效直径，造成比传统估计的100200Da更小的分子量切断（molecular weight cutoff）。螺旋缠绕形薄膜（1）薄膜的制造从一张以指距长知短拉紧束砖好的PE或PP纤维开始，用一种多孔性的pol ysul fone材料支持凑集而成的材料形成薄膜。螺旋缠绕薄膜由两张薄膜以背对背放置的封套所组成，薄膜间以渗透载具之沟渠(channel)隔开，将这平直的薄膜的三边粘合，第四边则粘著于一个渗透收集器，在薄膜封套间沿著中空渗透管收集器滚成螺旋形状，用一个外壳将这卷成物包围成胶裹状再将这密封好的薄膜放置于配备有供水、成品水与废水接关之压力容器，在供吕端盐水密封，（2）RO膜以单支或多支的方式放置于压力容器中，供水沿著与渗透收集器平行之主轴直线行进经过供水侧的沟渠到达渗透收集器的方向流动，成品水流则经过薄膜螺旋进入渗透收集器的中央；浓缩的水则流向废水管路或流到下一支RO膜，醋酸纤维螺旋缠绕滤膜（1）Cellulose acetate或triacetate薄膜，易遭受因细菌的酵素活性或所产生酸性或碱性代谢物质的攻击，因此常须要求进水的余氯浓度维持在0.31.0mg/L之间，而余氯是纯净水所不能存在的。（2）对PH敏感而产生水解作用，因此常要求进水之PH控制在4.57.5之间，但并不能完全抑制水解作用。（3）易遭受如铁等的金属盐类及phenlics与phathalates的攻击而影响其完整性，而限制其在制药领域的使用，因为滤膜完整性是非常重要的。螺旋缠绕膜合成滤膜（1）由薄膜凑集而成的聚胺(polyamide)滤膜系由一个多孔性polysulfone支持膜及其上面大约3m厚的polyamide薄膜层所组成，这种合成滤膜比cellulose acetate滤膜具有更高的通量速率(fluxrate),更优异的离子选择性，可提供更好的机械与化学性能。（2） 不会遭受细菌的攻击，除非让它停滞一些日子而在膜上繁殖了相当量的细菌。（3）对消毒剂的耐受性差，为达到长期成功的操作，进水的氯浓度须维持在0.038mg/L以下。（4）可在相当广的PH范围操作，一般在4.011.0之间。（5）比Cellulose Acetate membrane展现更好的去除Silica硝酸盐与有机物的能力，非常有利于蒸馏水制造的前处理。（6）比Cellulose Acetate membrane展现更高的硝酸盐与天然存在有机物质拒绝率。（7）一支81140111之薄膜合成聚铵滤膜，在供水压为250300psig(1821kg/cm2)，供水温度为250C之下，每天可制造成品水9000gal(342001)的能力。浓缩及化作用（1）当供水或废水与渗透收集器平行方向进行，并以横向流动方向，通过RO膜元素，供水中所含的盐类接近膜一面时，离子被限制通过，而水分子则通过RO滤膜，结果造成供水侧滤膜上的离子浓度增加，形成富含离子层（ion-rich layer），产生浓缩极化作用（cincentrationpolarization）。（2）当在这束缚层裹，水中盐类浓度越来越高，而大于供水中的盐类浓度，造成离子会反向渗透回去供水中，而影响RO膜的性能，这种现象只能透过限制水分子渗透RO膜的流速于较低之状态下来控制。6阻塞与结垢（Fouling and Scaling）阻塞物质可分为粒子物质、有机物质、胶体物质和微生物；结垢物质是由水中多价阳离子与阴离子结合形成的不溶性化合物，主要为碳酸盐与硫酸盐。通常细菌直接粘着于RO膜上，中间为紧密的矽酸盐层，这层一般也夹杂有机物与胶体物质；外层为硫酸钙层，最外层则为疏散的碳酸钙层；这种特有的阻塞与结垢层形态，对RO膜的清洁很重要，在更换RO膜时，应检验旧膜的阻塞与结垢状况。阻塞与结垢的症状包括通过东半球膜的压力降的增加，成品水导电度的增加与成品水流速率的减少。水中的余氯可将自然界的有机物质转变成提供细菌生长营养的可吸收有机碳，因此活性炭单元的正确设计和操作的前处理，对成功的RO操作非常重要，活性炭单元同时可去除原水中相当程度的有机物质，而减少RO膜的阻塞，并减少细菌繁殖所需的养分。氧化铁、氢氧化铁、Silica gel、氢氧化铝和腐植酸等有机物结合的胶体性物质也会造成膜的阻塞。通常RO膜的微生物阻塞是进行清洁的最大理由，因为细菌带有负电性且由细胞具有疏水性质，所形成的生物膜（Biofilm）很不容易清洗，并会促使阻塞物质与结垢物质的层化作用。RO单元的结垢抑制剂、聚合物与其他添加物通常在制药用水纯化系统，是不鼓励使用防垢剂、聚合物、或其他的结垢抑、制剂及阻塞抑制剂，主要是因为这些物质将被评为外来物质与杂质(foreign substance and impurities)，同时使用这些物质也会造成经常更换RO膜的需求。RO膜的清洁（1）当RO膜开始阻塞时，其指标为标准成品水流速（通量）继续降低，如RO膜进一步阻塞时，则会发生膜内之浓缩极化作用，而降低其盐拒绝百分率（% of salt rejection），RO膜阻塞的另一个额外指标是其供水对废水压力降的增加。（2）如水的前处理正确时，膜的清洗频率不会超过三个月一次，如前处理不正确时，其清洗频率往往超过每二个月一次。当清洗时必须了解膜的清洗特性、清少剂配方、清洗频率及涉清洗步骤。（3）当标准通量减少1015%时必须清洗，适当的化学清洗波的流速约为正常操作流速的1.01.25倍。清洗温度也很重要，故清洗桶必须能提供加热设备，并以逆流方式清洗，以去除结垢物质、有机物及胶体物质。（4）清洗的步骤为先以酸液去除结垢物质，再以碱液去除有机物与胶体物质，最后再以清毒液来去除薄膜表面的生物膜（biofilm），清毒液必须能穿透薄膜，以便能消毒膜的表面及成品水侧与管路，一般消毒时间为212小时，常用的消毒剂为NaOH或0.2%的H2O2与peracetic acid的混合液。(一)设计考量1、RO系统的回收率（Recovery一般为6070%）。2、每一次RO膜的回收率不超过15%（一般810%）。(二)操作与维护1、为减少RO膜的阻塞（fouling），前处理的微生物控制是必须的，包括对前处理的单元与管路进行适当的定期清洁消毒。2、使用于RO装置的前处理的活性炭必须先经过酸洗与逆洗。3、每周更换前处理器，以避免微生物的聚集。4、日常的维护计划包括：(1)定期清洁RO膜。(2)定期消毒RO膜。(3)定期更换前过滤器(prefilter)。(4)定期再生与维护软化床。(5)维护化学加药系统（如有的话）。5、每周至少量测一次SDI值，如果原水水质变化时，更必须每天量测。6、每周至少量测一次LSI值，或依RO膜的垢化发生状况来决定量则频率。六、水的预处理预处理的方法很多，主要有预沉、混凝、澄清、过滤、软化、消毒等。用这些方法预处理之后，可以使水的悬浮物（浊度）、色度、胶体物、有机物、铁、锰、暂时硬度、微生物、挥发性物质、溶解的气体等杂质除去或降低到一定的程度。预沉 就是大容积、低流速的自然沉淀处理，如沉沙池、预沉池。混凝 利用铁盐、铝盐、高分子等混凝剂，与水中的杂质通过絮凝和架桥作用生成大颗粒沉淀物，然后通过其他设备，如澄清池、过滤池等，予以降去。澄清 通过混凝剂作用而形成的大颗粒沉淀物在澄清池内分离，沉淀物除去，得到澄清水。过滤 将被