水化学及水纯化技术基础

李葆华2006/08,水化学及水纯化技术基础,我们的职责:给客户提供正确的纯水系统及解决方案!,客户应用,一级水超纯水,二级水,三级水,Milli-Q,Super-Q,AFS,Direct-Q,Synergy&Simplicity,Small&largeElix,Milli-DI,RiOs-DI,Small&largeRiOs,其它因素用量,预算,不同等级水的含义是什么?,各种型号产品的含义是什么?,学习目的,水在实验中的重要性水中的污染物及对实验的危害水质标准与检测水纯化技术概述,为什么水在实验室中如此重要?,非常好的溶剂,大量,易得,无毒直接参与实验反应良好的热传导性是实验市中使用最多的试剂实际水中存在污染水的纯度是不稳定的将极大的影响实验的正常反应和结果,+污染物,现实中的水=,水中的污染物,颗粒离子有机物微生物气体,颗粒,阻塞过滤系统损坏泵系统吸附电荷影响离子浓度折射光线影响判读提供细菌滋生载体,离子,水的硬度与结垢问题影响溶液PH值带电基团与反应物结合对无机分析产生严重干扰,Na+,Ca2+,Al3+,Mn2+,Fe2+,Pb+,有机物,干扰有机分析的背景微生物滋生的营养物质包住去离子用的树脂需要关注的特殊有机物热原和RNA酶,自然的和人造的,热原和RNA酶,热原也称为内毒素革兰氏阴性菌细胞壁分泌多糖刺激免疫系统产生发热高压灭菌180度4小时去除RNA酶主要作用是裂解RNARNA酶无处不在对高温酸碱都有耐受性可保持活性数周,细胞培养,分子生物学类实验非常容易受到影响,细菌,活的细胞并有生长繁殖能力直径0.27m到3.0m(病毒0.04m到0.1m)水源,空气,人体都带菌细菌本身影响生物学实验裂解释放热原,酶等多种物质产生菌膜持续释放污染物堵塞仪器通道,Pseudomonasaeruginosa,Streptococcuspyogenes,气体,影响水的离子浓度和PH值直接参与反应影响水有效体积影响光学测定结果,氧气,氯气,二氧化碳,氡,实验室纯水标准,ASTM:AmericanSocietyforTestingandMaterials美国材料协会NCCLS:NationalComityforClinicalLaboratoryStandards美国临床检验标准委员会CAP:CollegeofAmericanPathologists美国病理协会ISO:InternationalStandardOrganization国际标准组织USP:UnitedStatesPharmacopoeia美国药典EP:EuropeanPharmacopoeia欧洲药典GB:中国国家实验室用水标准(92版),Millipore推荐的实验室纯水标准,通过电阻率进行离子检测,用化学的方法可以测定特定的离子的浓度，但不同检测方法灵敏度也不同(ppm?ppb?ppt?)电导率/电阻率则可以检测“总”的离子含量。“纯粹”的水的电阻率很高，水能够导电，主要是其中带电荷的离子在电场的作用下定向易懂的结果。,水的电导率（Conductivity）,=FCiZiui,电导率(Siemens/cm),法拉第常数,每种离子的浓度(moles/ml),价位（携带电荷数）,迁移率V-1.cm2.s-1,电阻率,=1/,理论上，纯水的电导率:=0.055S/cm(at25C)或者电阻率:=18.2M.cm(at25C),超纯水电阻率（R）随温度（T）的变化,T/,ConductivityorResistivitymeter,R=V/I,电阻率仪常数:L/SR=电阻=电阻率,R=,r.,L/S,用98细菌,颗粒物99有机物,热源99*工作状态:200psi(14bar),25C,15%回收率,切向流,反渗透技术,优点对所有污染物都有去除效果(离子,有机物-热源,病毒,细菌,颗粒和胶体)低能耗,运行成本较低.维护简单(不需要强酸强碱清洗)运行参数明晰，易于控制,局限性杂质的去除量不够，产水无法达到二级水标准.产水速度有限,常需要储存需要压力进水,温度变化影响产水速度RO膜长时间在缺乏保护的情况下运行，容易阻塞（颗粒、胶体）,穿透(颗粒物、化学反应)和结垢(CaCO3)耗水量依然很大,产水率不高,反渗透(RO)在纯水系统中应用,进水口,弃水口,产水口,生产三级水的主要耗材,超滤(UltraFiltration),活性层(1m)支撑层(100m),超滤膜是非均相膜,工作层和支撑层有时起使用不同成分工作状态需要一定压力:小分子物质能够透过超滤膜但分子量NMWL（截流分子量）的分子将被截留有机物(NMWL)截流率99%,UF膜构造,UF膜支撑层UF膜,水流方向,实际运用中,UF膜被作成微管状很多微管组成线圈,加大有效接触面替代化学水纯化试剂(热源,RNA酶),超滤(UltraFiltration),优点99%以上的消除有机杂质(分子量NMWL).对热源,病毒非常有效无结垢,阻塞的风险小,(Ca2+,Mg2+直接穿过).水耗、能耗小（不排水）维护方便,局限性无法去除离子、气体对小分子量有机物.NMWL的极限是=1,000Da.需要压力进水,超滤(UF)在纯水系统中应用,主要过滤热源,病毒等有机物的耗材内置超滤柱(Pyrogard5000,截流分子量5KDa.)终端过滤器(BioPak),活性碳(ActivatedCarbon),表面积:1000m2/g通过反应去除自来水中的Cl2通过吸附作用去除有机物,较好的除氯和吸收大分子有机效果小分子有机物吸收效果不佳有较多杂质释放,二次污染,吸收小分子有机效果好释放很小大分子有机物吸收效果不佳,天然,人造,活性碳(ActivatedCarbon),优点通过非特异性吸附,去除各种有机物(包括小分子量的有机物),去除氯效果很好表面积大，因此吸附容量大,局限性除了有机物，对颗粒物也有一定的深层过滤作用。对其他杂质基本没有作用。一旦所有的吸附位点都被占据，那根据化学平衡，活性炭即开始释放有机物。长时间使用会滋生细菌工作效率取决于流速,活性碳(AC)在纯水系统中的应用,主要去除氯和各种有机物的耗材预过滤柱(Progard,内含天然活性碳)预过滤柱(Q-Gard,内含人造活性碳),离子交换(Ion-Exchange),阴离子阳离子骨架交联剂水,树脂直径:3001200m内孔孔径:1100nm空间比例:4060%工作温度:-40+40C,阳离子交换树脂模型,离子交换树脂混床,混床:阳离子树脂和阴离子树脂混合填充离子去除率99.9%自来水进水堵塞的风险比较大,Na+Cl-,离子交换技术类型,可再生(SDI)优点：价格便宜缺点：再生过程成本高而且危险(强酸强碱)再生次数的增加，水质会明显下降一次性(DI)优点：水质非常好(Millipore专利JetporeIon-ExResin)缺点：使用成本高,只用在纯水的精制过程连续电流去离子技术(EDI)-MILLIPORE发明的完全革新的技术,连续电流去离子技术(EDI)技术原理,RO进水,阴离子选择性透过膜,阳离子选择性透过膜,混合树脂,活性碳涂层,A,C,连续电流去离子(EDI)的特点,优点对离子和小分子量的带电有机物十分有效(R5M.cm)产水水质稳定很少颗粒物或有机物释放填充树脂可自动再生维护简单耗电低,运行成本很低,局限性需优质RO水作进水-防止离子交换树脂被阻塞（颗粒物、有机物）或者阴极结垢（钙离子）如果CO2浓度太高,无法保证完全去除,离子交换技术(Ion-Exchange)在纯水系统中的应用,去除盐类及其它离子,对水进行精制的耗材或配件预过滤柱(Q-Gard,内含人造活性碳)精制柱(Quantum)EDI模块,软水器(Softeners),软化过程,洗脱过程,紫外照射(UVIrradiation),紫外照射技术(UV)去除细菌和有机物原理,100%,80%,60%,40%,20%,0%,240,260,280,300,320,254nm,相对影响,UV灯波长(nm),紫外杀菌原理,有机物去除原理,紫外技术(UV,185+254nm),可将痕量的有机物氧化成CO2和水,再通过去离子方法去除(185+254nm)也可以杀灭细菌和病毒(254nm)省电(启动后只需要低压)易于操作,如果有机物含量太大，很难氧化完全，因此只能用于精制水步骤有机物杂质只是被转化了,但并没有消除对其他杂质没有作用对设计和生产的要求很高,紫外照射技术(UV)在纯水系统中的应用,主要去除微量有机物和带杀菌功能的配件254nm紫外灯185/254nm紫外灯,低压汞灯31cm14瓦36V直流电,真空除气(VacuumDegassing)原理及应用,除气模块目前只运用在AFS系列产品中,蒸