水化学及水纯化技术基础

1、李李 葆葆 华华2006/08水化学及水纯化技术基础水化学及水纯化技术基础我们的职责我们的职责: 给客户提供给客户提供正确正确的纯水系统及解决方案的纯水系统及解决方案!客户应用客户应用一级水超纯水二级水三级水Milli-Q, Super-Q, AFS, Direct-Q,Synergy & SimplicitySmall & large Elix, Milli-DI, RiOs-DISmall & large RiOs其它因素用量,预算不同等级水的不同等级水的含义是什么含义是什么? ?各种型号产品的各种型号产品的含义是什么含义是什么? ?学习目的学习目的水在实验中的重要

2、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是实验市中使用最多的试剂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将极大的影响实验的正常反应和结果+ 污染物污染物现实中的水现实中的水=水中的污染物水中的污染物颗粒离子有机物微生物气体 H H H-C-C-OH H H颗粒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

3、干扰Na+Ca2+Al3+Mn2+Fe2+Pb+CO32-Cl-NO3-PO43-SO42-ClO-SiO4Si2O7SiO2有机物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热原 和和 RNA 酶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RNA RNA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细胞培养,分子生物学类分子生物学类实验非常容易受到影响实验非常容易受到影响细菌细菌活的细胞并有生长繁殖能力直径0.27 m 到3.0 m(病毒 0

4、.04 m 到0.1 m)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Pseudomonas aeruginosaStreptococcus pyogenes气体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实验室纯水标准ASTMASTM : American Society for Testing and Materials 美国材料协会NCCLSNCCLS : National Comity for Clinical Laboratory Standards 美国临床检验标准

5、委员会CAPCAP : College of American Pathologists 美国病理协会ISOISO : International Standard Organization 国际标准组织USPUSP : United States Pharmacopoeia 美国药典EPEP : European Pharmacopoeia 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推荐的实验室纯水标准通过电阻率进行离子检测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 ?

6、)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（水的电导率（Conductivity）= FCi Zi ui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，纯水的电导率理论上，纯水的电导率 : =0.055 S/cm (at 25C)或者电阻率或者电阻率: = 18.2 M .cm (at 25C)超纯水电阻率（超纯水电阻率（R）随温度（）随温度（T）的变化）的变化T / R / M cm0102

7、030405060708090010 20 30 40 50 60 70 80 90 10025时，超纯水的电阻率等于时，超纯水的电阻率等于18.2McmConductivity or Resistivity meterissLR = V/I电阻率仪常数 : L/SR = 电阻 = 电阻率R = L/S =VI.L/Sq 用 100 Hz的交流电,避免双电层的生成 q 电压95多价离子98细菌,颗粒物 99有机物,热源 99*工作状态: 200psi(14bar), 25C, 15% 回收率切向流切向流 进水 产水弃水反渗透技术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

8、,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,产水率不高反渗透反渗透(RO) 在纯水系统中应用在纯水系统中应用进水口进水口弃水口弃水口产水口产水口生产三级水的主要耗材超滤超滤(Ultra Filtration)P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

9、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)超滤超滤(Ultra Filtration) 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 = 1,000 Da.需要压力进水线圈线圈水流方向水流方向进水进水产水口产

10、水口 清洗出口清洗出口超滤超滤(UF) 在纯水系统中应用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(Pyrogard 5000,截流分子量5KDa.)终端过滤器(BioPak)活性碳活性碳(Activated Carbon)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活性碳(Activated Carbon) 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

11、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活性碳(AC)在纯水系统中的应用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)离子交换离子交换 (Ion-Exchange)阴离子阳离子骨架交联剂 水树脂直径: 300 1200 m内孔孔径: 1 100 nm空间比例: 40 60%工作温度: -40 + 40C阳离子交换树脂模型离子交换树脂离子交换树脂 混床混床混床

12、: 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-R-HR-OHR-NaR-ClH+ + OH- H2O离子交换技术类型离子交换技术类型可再生可再生(SDI)(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一次性(DI)(DI)优点：水质非常好 (Millipore专利 JetporeJetporeIon-Ex Resin)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连续电流去离子技术(EDI)- MILLIPORE(EDI)- MILLIPORE发明的完全革新的技术发明的完

13、全革新的技术连续电流去离子技术连续电流去离子技术( (EDIEDI) )技术原理技术原理A AC CA AC CNaNa + +NaNa + +NaNa + +NaNa + +H H + +H H + +OHOH- -OHOH- -ClCl- -NaNa + +ClCl- -ClCl- -ClCl- -ClCl- - -+ + 弃水弃水 产水产水RO RO 进水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AC连续电流去离子连续电流去离子(EDI)的特点的特点优点对离子和小分子量的带电有机物十分有效 (R 5 M.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

14、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离子交换技术(Ion-Exchange)在纯水系统中的应用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模块软水器软水器(Softeners)Ca2+ + 2 Cl- Mg2+ + 2 Cl-4 Na+ + 4 Cl-CaMgRRRR未交换树脂未交换树脂软化水软化水已交换树脂已交换树脂硬水硬水NaRNa RNaRNa RCl-Na+NaRNa RNaR

15、Na RMg2+ + 2 Cl-Ca2+ + 2 Cl-过剩的过剩的 Na+, Cl-NaRNa RNaRNa R软化过程洗脱过程热光源低压紫外灯示意图热光源低压紫外灯示意图氩气 + 汞蒸汽石英套管 汞 电极紫外照射紫外照射(UV Irradiation)185254313强度波长(nm)低压汞蒸汽发射的紫外线低压汞蒸汽发射的紫外线254185紫外照射技术紫外照射技术(UV)去除细菌和有机物原理去除细菌和有机物原理100%80%60%40%20%0%240 260280300320254nm相对影响UV灯波长 (nm)3 O22 O 32 O 2+2 O *UV (185 )UV (254)4

16、 OH *UV (254)H O22 O 2+2 H O 22CH OH3+2 OH *HCHO+2 H O 2HCOOH +H O22 OH *2 OH *+CO22 H O 2紫外杀菌原理紫外杀菌原理有机物去除原理有机物去除原理紫外技术紫外技术(UV,185 + 254 nm)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优点局限性紫外照射技术紫外照射技术(UV)在纯水系统中的应用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31 cm 14 瓦36 V直流电真空除气真空除气(Vacuum Degassing)原理及应用原理及应用除气原理除气原理由一个复式泵产生真空除气模块目前只运用在AFS系列产品中蒸馏蒸馏 (单蒸单蒸/多蒸多蒸) 作为一种古老而经典的纯化技术,应用十分普遍