1、第五章 純水的制備和檢測,5.1 純水的應(yīng)用,一、天然水：自然界中的水。 天然水中通常含有五種雜質(zhì):1、電解質(zhì),包括帶電粒子,常見的陽離子有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(jī)物質(zhì),如:有機(jī)酸、農(nóng)藥、烴類、醇類和酯類等;3、懸浮物，如細(xì)菌、粘土等;4、 膠體物，溶膠、硅膠和鋁、鐵的化合物等;5、溶解氣體，包括：N2、O2、Cl2、H2S、CO、CO2、CH4等;,二、純水的分類 1、一般的純水稱去離子水，指去掉各種陰、陽離子和有機(jī)物等雜質(zhì)的

2、水。通過蒸餾法可得到純度為60k.cm以上的純水。如果再通過離子交換法可以去除水中的強(qiáng)電解質(zhì)和大部分硅酸和碳酸等弱電解質(zhì)，得到10M.cm以上的純水。 2、超純水：化學(xué)意義上純水（液態(tài)的H2O）的理論電導(dǎo)率為18.3cm.人們生產(chǎn)的純水是達(dá)不到理論值的，但18cm似乎是可以達(dá)到的，對于這種水，有的稱為高純水有的稱為超純水。傳統(tǒng)的純水方法不能制備出超純水。,三、制備純水的方法 1、蒸餾法，傳統(tǒng)的制備純水的方法。 按蒸餾器皿可分為玻璃、石英蒸餾器，金屬材質(zhì)的有銅、不銹鋼和白金蒸餾器等。按蒸餾次數(shù)可分為一次、二次和多次蒸餾法。 特點: (1)蒸餾水可以滿足普通分析實驗室的用水要求。 (2)為了去掉一

3、些特殊的雜質(zhì)，還需采取一些特殊的措施。 例如預(yù)先加入一些高錳酸鉀可除去氧化物；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。 (3)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(dá)不到M級。,2、反滲透法，是利用壓力差為動力的膜分離技術(shù)。目前它是一種應(yīng)用最廣的脫鹽技術(shù)，已廣泛運(yùn)用于科研、醫(yī)藥、食品、飲料、海水淡化等領(lǐng)域。而在工業(yè)用超純水的制備上常被用來作為去離子，電去離子（EDI）的前一級處理。 特點： （1）相對于傳統(tǒng)采用離子交換樹脂作為前期預(yù)處理工藝方法，反滲透具有更經(jīng)濟(jì)，更節(jié)能，運(yùn)行更穩(wěn)定，水質(zhì)更可靠的優(yōu)點。 （2）可以大大延長后級離子交換樹脂的再生周期及電去離子（ED

4、I）的清洗周期。,反滲透法制取超純水設(shè)備,反滲透的動力依賴于壓力差（10-100大氣壓）。去除雜質(zhì)的能力由膜的性能好壞和進(jìn)出水比例決定。進(jìn)出水的比例一般控制為10：6或10：7左右。雜質(zhì)的去除率應(yīng)在95-99.7%之間，可以用于制備市場上出售的飲用純凈水。,3、電去離子（Electrodeionization）簡稱EDI，是一種將離子交換技術(shù)，離子交換膜技術(shù)和離子電遷移技術(shù)相結(jié)合的純水制造技術(shù)。屬高科技綠色環(huán)保技術(shù)。 特點： （1）EDI凈水設(shè)備具有連續(xù)出水、無需酸堿再生和無人值守等優(yōu)點，已在制備純水的系統(tǒng)中逐步代替混床作為精處理設(shè)備使用。 （2）這種先進(jìn)技術(shù)的環(huán)保特性好，操作使用簡便，愈來愈

5、多地被人們所認(rèn)可，也愈來愈多廣泛地在醫(yī)藥、電子、電力、化工等行業(yè)得到推廣， 如圖所示為電去離子超純水設(shè)備。,電去離子超純水處理設(shè)備,4、離子交換法 離子交換法是通過陰、陽離子交換樹脂對水中的各種陰、陽離子進(jìn)行置換的一種傳統(tǒng)水處理工藝，陰、陽離子交換樹脂按不同比例進(jìn)行搭配可組成離子交換陽床系統(tǒng)，離子交換陰床系統(tǒng)及離子交換混床（復(fù)床）系統(tǒng)。而混床系統(tǒng)又通常是用在反滲透等水處理工藝之后用來制取超純水，高純水的終端工藝，他是目前用來制備超純水、高純水不可替代的手段之一。 兩種制備方式： A. 復(fù)床式，即按陽床陰床陽床陰床混合床的方式連接并生產(chǎn)去離子水；早期多采用這種方式，便于樹脂再生。 B. 混床式（

6、2-5級串聯(lián)不等），混床去離子的效果好。但再生不方便。如圖所示。,碳鋼襯膠陽床+陰床+混床離子交換超純水處理設(shè)備,反滲透+1級混床離子交換超純水設(shè)備,小型反滲透+兩級混床去離子交換超純水設(shè)備,特點： （1）出水電阻率達(dá)到1M.cm以上，根據(jù)不同的水質(zhì)及使用要求，出水電阻率可控制在118M.cm之間。 （2）離子交換設(shè)備是傳統(tǒng)的去離子水設(shè)備，它的產(chǎn)水水質(zhì)穩(wěn)定，造價相對較低。在以往的電廠鍋爐補(bǔ)給水都是采用陽床+陰床+混床處理工藝。 （3）近年來，隨著反滲透、EDI等工藝的發(fā)展，離子交換設(shè)備操作復(fù)雜，不容易實現(xiàn)自動化，浪費(fèi)酸堿，運(yùn)行成本高等缺點更加突出，目前更多的應(yīng)用于反滲透的深度處理。（4）小型的

7、離子交換設(shè)備常采用有機(jī)玻璃交換柱，有利于觀察樹脂運(yùn)行情況。,（5）大型的離子交換設(shè)備則采用碳鋼內(nèi)襯環(huán)氧樹脂或襯膠，中間預(yù)留可視裝置，以便于離子再生時在線觀測再生液水位狀況。 （6）但有機(jī)物無法去掉，TOC（總有機(jī)碳）和COD（耗氧量）值往往比原水還高。 其原因： 1）樹脂質(zhì)量不好； 2）樹脂的預(yù)處理不徹底，樹脂中所含的低聚物、單體、添加劑等沒有除盡； 3）樹脂不穩(wěn)定，不斷地釋放出分解產(chǎn)物。,五、從純水的電導(dǎo)率估算水中離子的濃度水平： 表2、幾種電阻率不同的純水的離子計算濃度,六、純水的應(yīng)用 1、蒸餾水：普通實驗室分析，主要是實驗室器皿等的清洗。 2、反滲透純水： 實驗室器皿的最后清洗 緩沖液、

8、化學(xué)試劑配制用水 微生物培養(yǎng)基制備用水 氫氣發(fā)生器、室內(nèi)加濕器、高壓消毒鍋用純水 人或?qū)嶒瀯游镲嬘盟龋?2、 超純水： 動、植物細(xì)細(xì)胞培養(yǎng)用水 各種醫(yī)療用生化儀、分析儀、血液透析儀用水 分析試劑及藥品配置稀釋用水 生理、病理、毒理學(xué)實驗用水 醫(yī)院、醫(yī)藥制劑室及中心實驗室用純化水和高純水 原子吸收光譜用水 試管嬰兒用水 各種高效液相色譜、離子色譜用水 其他各種實驗室用水和醫(yī)藥用水。 在半導(dǎo)體中的應(yīng)用：半導(dǎo)體原材料生產(chǎn)加工、檢測和半導(dǎo)體器件的制備用水。,一、離子交換樹脂： 1、定義：離子交換樹脂是指樹脂以苯乙烯和二乙烯苯的共聚體作為骨架（用R來表示),在骨架上導(dǎo)入一些活性基團(tuán)（如磺酸基、羧基和酚

9、基等），即離子交換樹脂。 2、性質(zhì)：離子交換樹脂具有一定的機(jī)械強(qiáng)度、耐磨，不溶入水、酸、堿和任何有機(jī)溶劑，對一般的氧化劑和還原劑具有一定的化學(xué)穩(wěn)定性。 3、離子交換樹脂的類型： 根據(jù)導(dǎo)入的活性基團(tuán)的酸堿性分為： （1）陽離子交換樹脂：R-SO3H，R-COOH,R-OH， （2）陰離子交換樹脂：伯胺基-NH3OH,仲胺基-NHOH,季胺基-NOH,5.2 離子交換法制備純水的原理,陽離子交換樹脂,陰離子交換樹脂,（3）在實際使用上，有鈉型樹脂和氯型樹脂。 例如：常將強(qiáng)酸性陽離子樹脂與NaCl作用，轉(zhuǎn)變?yōu)殁c型樹脂再使用。 又如陰離子樹脂可轉(zhuǎn)變?yōu)槁刃驮偈褂?，工作時放出Cl而吸附交換其他陰離子，它的

10、再生只需用食鹽水溶液。氯型樹脂也可轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓釟湫?HCO3)運(yùn)行。 根據(jù)型號分： （1）強(qiáng)酸型陽離子交換樹脂：上海730#、732#、南開1號和宜賓010型 （2）強(qiáng)堿型陰離子交換樹脂：上海717#、711#、和南開、宜賓201型,二、離子交換樹脂的工作原理 1、樹脂交換反應(yīng) 采用離子交換方法，可以把水中呈離子態(tài)的陽、陰離子去除，以氯化鈉(NaCl)代表水中無機(jī)鹽類，水質(zhì)除鹽的基本反應(yīng)可以用下列方程式表達(dá)：陽離子交換樹脂：RH+Na+ RNa+H+陰離子交換樹脂：ROH+Cl- RCl+OH- 陽、陰離子交換樹脂總的反應(yīng)式即可寫成：RH+ROH+NaCl RNa+RCl+H2O 由此可看出，水

11、中的NaCl已分別被樹脂上的H+和OH-所取代，而反應(yīng)生成物只有H2O，故達(dá)到了去除水中鹽的作用。,2、樹脂的再生反應(yīng)（還原反應(yīng)） 離子交換樹脂在使用一段時間后， 生成RNa，RCl。吸附的雜質(zhì)接近飽和狀態(tài)，就要進(jìn)行再生處理，使之恢復(fù)原來的組成和性能,稱之為樹脂的再生。 目前，國內(nèi)樹脂的再生常用化學(xué)藥劑酸堿法使失效的樹脂恢復(fù)交換能力，酸的使用通常采用HCl或H2SO4，調(diào)配濃度為3-5%左右；堿的使用一般采用NaOH，調(diào)配濃度為3-5%左右。 其再生過程： 1）陽離子樹脂的再生： 2）陰離子樹脂的再生：,3、離子交換法：利用離子的不斷交換與樹脂的不斷再生的反復(fù)進(jìn)行來制取高純水的方法。 其交換、

12、再生過程： 原水流經(jīng)離子交換樹脂時，水中的陰、陽雜質(zhì)離子與樹脂中的OH+,H+離子交換而被吸附在樹脂上， 而OH+,H+離子將結(jié)合生成水直至樹脂失效。對樹脂進(jìn)行再生處理，直至恢復(fù)再生能力，再進(jìn)行、再生 不斷循環(huán)。,5.3 離子交換法制備純水的工藝過程,一、新樹脂的選擇和預(yù)處理 1、選擇樹脂型號和適當(dāng)?shù)谋壤?2、新樹脂的預(yù)處理： （1）膨脹處理：防止新樹脂膨脹過快而破裂，影響樹脂的機(jī)械強(qiáng)度，降低其使用壽命。分干樹脂處理和濕樹脂處理。 處理過程： 濕樹脂：加清水 浸泡2-4h，不斷攪拌 直到水清 作用：去除雜質(zhì)和不合格樹脂 干樹脂：加4-5%的NaCl，不斷增加濃度到20% 浸泡2-4h 加清水直

13、到NaCl濃度為3%以下 作用：樹脂膨脹,（2）變形處理： 鈉型樹脂氫型樹脂 （5-10%HCl溶液) 氯型樹脂氫氧型樹脂 （4-6%NaOH溶液） 處理過程：加純水?dāng)嚢?-2h，浸泡2h 純水洗，調(diào)整PH值 。 作用：除掉交換樹脂中的Na+，Cl-,二、樹脂的工作原理 1、將變形后的交換樹脂放入相應(yīng)的單床中，混床中放入比例適當(dāng)?shù)年庩柦粨Q樹脂，并用純水清洗幾遍。 2、工作過程: 開始時水質(zhì)不高，隨著樹脂的不斷交換出H+，OH-離子，水質(zhì)上升，同時陰、陽樹脂的交換能力不斷下降，當(dāng)這兩種情況的樹脂相當(dāng)時，水質(zhì)穩(wěn)定，相差太大時，水質(zhì)又開始下降，開始進(jìn)行樹脂再生。 循環(huán)過程：交換再生交換再生.,三、樹脂的再生 （一）混床動態(tài)再生 1、反洗分層：反洗流速10米/時，反洗時間15-