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水的纯化方法

2012-01-07

  一.水的纯化方法

  1.蒸馏法,按蒸馏器皿可分为玻璃、石英蒸馏器,金属材质的有铜、不锈钢和白金蒸馏器等。按蒸馏次数可分为一次、二次和多次蒸馏法。此外,为了去掉一些特出的杂质,还需采取一些特殊的措施。例如预先加入一些高锰酸钾可除去易氧化物;加入少许磷酸可除去三价铁;加入少许不挥发酸可制取无氨水等。蒸馏水可以满足普通分析实验室的用水要求。由于很难排除二氧化碳的溶入。所以水的电阻率是很低的,达不到MΩ级。不能满足许多新技术的需要。

  2.离子交换法,主要有两种制备方式:

  A. 复床式,即按阳床—阴床—阳床—阴床—混合床的方式连接并生产去离子水;早期多采用这种方式,便于树脂再生。

  B. 混床式(2-5级串联不等),混床去离子的效果好。但再生不方便。

  离子交换法可以获得十几MΩ的去离子水。但有机物无法去掉,TOC和COD值往往比原水还高。这是因为树脂不好,或是树脂的预处理不彻底,树脂中所含的低聚物、单体、添加剂等没有除尽,或树脂不稳定,不断地释放出分解产物。这一切都将以TOC或COD指标的形式表现出来。例如,当自来水的COD值为2mg/L时,经过去离子处理得到的去离子水的COD值常在5-10mg/L之间。当然,在使用好树脂时会得到好结果,否则就无法制备超纯水了。

  3.电渗析法,产生于1950年[4],由于其能耗低,常作为离子交换法的前处理步骤。它在外加直流电场作用下,利用阴阳离子交换膜分别选择性的允许阴阳离子透过,使一部分离子透过离子交换膜迁移到另一部分水中去,从而使一部分水纯化,另一部分水浓缩。这就是电渗析的原理。电渗析是常用的脱盐技术之一。产出水的纯度能满足一写工业用水的需要。例如,用电阻率为1.6KΩ?cm(25°C)的原水可以获得1.03MΩ?cm(25°C)的产出水。换言之,原水的总硬度为77mg/L时产出水的总硬度则为∽10mg/L.

  4.反渗透法[5],目前它是一种应用最广的脱盐技术。反渗透膜虽在1977年 就有了,但其规模化生产和广泛用于脱盐却是近几年的事情。反渗透膜能去除无机盐、有机物(分子量>500)、细菌、热源、病毒、悬浊物(粒径>0.1μm)等。产出水的电阻率能较原水的电阻率升高近10倍。

  二. 前言

  关于高纯水的制备,天然水中通常含有五种杂质:1.电解质,包括带电粒子,常见的阳离子有H+、Na+、K+、NH4+、、Mg2+、Ca2+、Fe3+、Cu2+、Mn2+、Al3+等;阴离子有F-、Cl-、NO3-、HCO3-、SO42-、PO43-、H2PO4-、HSiO3-等。2.有机物质,如:有机酸、农药、烃类、醇类和酯类等。3.颗粒物。4.微生物。5.溶解气体,包括:N2、O2、Cl2、H2S、CO、CO2、CH4等。所谓水的纯化,就是要去掉这些杂质。杂质去的越彻底,水质也就越纯净。

  国家标准规定有分析实验室用水[2]和电子级水[3]的技术指标。分析实验室用水的技术指标见表1:

  表1.一.二. 三级实验室用水的技术指标(GB6682—92)

名称

一级

二级

三级

pH值范围(250C)

--

--

5.0-7.5

电导率(25OC),mS/m≤

0.01

0.10

0.50

可氧化物质(以0计),mg/L<

 

0.08

0.4

吸光度(254nm,1cm光程)≤

0.001

0.01

 

蒸发残渣105O±2C O), mg/L≤

 

1.0

2.0

可溶性硅(以SiO2计) mg/L<

0.01

0.02

 

  一级水用于有严格要求的分析实验,如液相色谱分析用水等。

  二级水用于无机痕量分析,如原子吸收光谱分析用水等。

  三级水用于一般化学分析实验。

  国标(GB6682-92)的补充说明:由于在一级和二级水的纯度下,难于测定其真实的pH值,因此对一级和二级水的pH值范围国标不作规定。

  一级和二级水的电导率需用新制备的水在线测定。

  由于在一级水的纯度下,难于测定可氧化物和蒸发残渣,故国标对其限量也不作规定,可用其他条件和制备方法来保证一级水的质量。

  国标对一、二级水电导的测试方法有明确的规定:用于一、二水测定的电导仪,需配备电极常数为0.01—0.1cm-1的在线电导池,并具有温度自动补赏功能。

  电子级水对水中的离子浓度水平有更高的要求。国标GB/T11446.1-1997规定分为四级,即EW-I,EW-Ⅱ,EW-Ⅲ和EW-Ⅳ。其技术指标见表2:

  表2.电子级水的技术指标

级别
指标

EW-Ⅰ

EW-Ⅱ

EW-Ⅲ

EW-Ⅳ

电阻率MΩ.cm(250C)

18以上
(95%时间)
不低于17

15
(95%时间)
不低于13

12.0

0.5

全硅,最大值,μg/L

2

10

50

1 000

>1μm微粒数,最大值,个/mL

0.1

5

10

500

细菌个数,最大值,个/mL

0.01

0.1

10

100

铜,最大值,μg/L

0.2

1

2

500

锌,最大值,μg/L

0.2

1

5

500

镍,最大值,μg/L

0.1

1

2

500

钠,最大值,μg/L

0.5

2

5

1 000

钾,最大值,μg/L

0.5

2

5

500

氯,最大值,μg/L

1

1

10

1 000

硝酸根,最大值,μg/L

1

1

5

500

磷酸根,最大值,μg/L

1

1

5

500

硫酸根,最大值,μg/L

1

1

5

500

总有机碳,最大值,μg/L

20

100

200

1 000

  二.反渗透膜对杂质的去除能力见表3:

  表3.反渗透膜对杂质的去除能力.

离子

去除率(%)

离子

去除率(%)

离子

去除率(%)

Mn+2

96-99

SO4-2

90-99

NO3-

50-75

Al3+

95-99

CO3-2

80-95

BO2-

30-50

Ca2+

92-99

PO43+,HPO42-
H2PO4-

90-99

微粒

99

MG2+

92-99

F-

65-95

细菌

99

Na+

75-95

HCO3-

80-95

有机物(分子量>300)

99

K+

75-93

Cl-

80-95

 

 

NH4+

70-90

SiO2

75-90

 

 

  常用的反渗透膜有:醋酸纤维素膜,聚酰胺膜和聚砜膜等。膜的孔径为0.0001-0.001μm.反渗透的动力依赖于压力差(10-100大气压)。去除杂质的能力由膜的性能好坏和进出水比例决定。进出水的比例一般控制为10:6或10:7左右。这样杂质的去除率应在95-99.7%之间。例如,原水的电阻率为1.6 KΩ?cm(25°C)时,产出水的电阻率约为14 KΩ?cm.这样的水现在大家都管它叫纯净水,也就是市场上出售的饮用纯净水。

  三.特殊的纯水:

  1.火力发电厂需要无硅的纯水,而硅在水中常常以水合二氧化硅(SiO2?H2O)的形式存在,属于非离子态,很难去掉。但是,水合二氧化硅也有微小的电离度,借助于加长离子交换床的长度,或在混合离子交换床中反复循环,仍然可以获得无硅的超纯水。用玻璃或石英蒸馏器是无法获得无硅水的,因为容器含硅。

  2.没有热源(即内毒素)的纯水,注射针剂用水要求没有热源。以免引起过敏反应。目前除去热源的最好的方法还是蒸馏法。也有除热源的吸附柱子。

  3.无氨的纯水,制取方法有二,其一蒸馏法,在水中预先加入不挥发酸,可以固定铵盐在原水中。其二是将纯水再过一次阳离子交换床过滤。需要说明的是,阴离子交换树脂有分解产生微量氨的可能,用混床去氨是不合适的。

  4.无铁的水,已知铁是无处不在的,FeCl3的反对沸点仅为315℃,因此,很难用蒸馏法出去铁离子。如在原水中加入1滴磷酸则可达到此目的。当然,有了超纯水器也就不用这样除铁了。

  四.制备超纯水的方法

  传统的纯水方法不能制备出超纯水,化学意义上纯水(液态的H2O)的理论电导率为18.3ΜΩ?cm.人们生产的纯水是达不道理论值的,但18ΜΩ?cm似乎是可以达到的,对于这种水,有的称为高纯水有的称为超纯水,目前还没有系统的定义。也没有划分等级界限,从商业观点看叫超纯水似乎比高纯水更好听一些。笔者以为还是看电导率指标更准确一些。

  现在制备超纯水的方法是将各种纯化水的新技术科学地结合起来,不仅能生产超纯水。而且变得非常容易。目前市售的超纯水器就是一个成功的例子。自来水进去超纯水出来,非常方便。而且使用寿命也越来越长。

  超纯水器制备超纯水的原理和步骤大体如下:

  1.原水:可用自来水或普通蒸馏水或普通去离子水作原水。

  2.机械过滤:通过砂芯滤板和纤维柱滤除机械杂质,如铁锈和其他悬浮物等。

  3.活性炭过滤:活性炭是广谱吸附剂,可吸附气体成分,如水中的余氯等;吸附细菌和某些过渡金属等。氯气能损害反渗透膜,因此应力求除尽。

  4.反渗透膜过滤:可滤除95%以上的电解质和大分子化合物,包括胶体微粒和病毒等。由于绝大多数离子的去除,使离子交换柱的使用寿命大大延长。

  5.紫外线消解:借助于短波(180nm-254nm)紫外线照射分解水中的不易被活性炭吸附的小有机化合物,如甲醇、乙醇等,使其转变成CO2和水,以降低TOC的指标。

  6.离子交换单元:已知混合离子交换床是除去水中离子的决定性手段。借助于多级混床获得超纯水也并不困难。但水的TOC指标主要来自树脂床。因此,高质量的离子交换树脂就成为成败的关键。所谓高质量的树脂,就是化学稳定性特别好,不分解,不含低聚物、单体和添加剂等的树脂。所谓“核工业级树脂”大概就属于这一类树脂。对树脂的要求是质量越高越好。可惜国内很少有人在这方面下工夫。满足于生产大路货。

  7.0.2μm滤膜过滤,以除去水中的颗粒物到每毫升1个(小于0.2μm的).经过上述各步骤处理后生产出来的水就是超纯水了。应能满足各种仪器分析,高纯分析,痕量分析等的要求,接近或达到电子级水的要求。

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