不同預(yù)處理方法對(duì)制備超純水質(zhì)量的影響
?制備超純水是通過(guò)一系列純化技術(shù)的結(jié)合實(shí)現(xiàn)的。純化過(guò)程中的每一步驟都力求最優(yōu)化，以便（有針對(duì)性的）去除不同類型的雜質(zhì)，甚至包括非常不常見(jiàn)的特殊物質(zhì)。
超純水設(shè)備系統(tǒng)有3個(gè)單元：初始純化系統(tǒng)、儲(chǔ)存容器和最后的精制系統(tǒng)。初始純化系統(tǒng)可以將井水或自來(lái)水純化。在此環(huán)節(jié)，可以使用去去離子技術(shù)、蒸餾技術(shù)或者反滲透技術(shù)。蒸餾可以雖然可以有效去除很多類型的雜質(zhì)，但能耗太大且生產(chǎn)速度慢，需要在使用前長(zhǎng)時(shí)間的貯存，這就難以保證水質(zhì)了。去離子技術(shù)看似一個(gè)最簡(jiǎn)單和成本最低的方法，但是水質(zhì)不穩(wěn)定，當(dāng)去離子樹脂飽和時(shí)會(huì)發(fā)生波動(dòng)。該技術(shù)主要用于去除離子，而對(duì)其他污染物，例如有機(jī)物及微小顆粒，則效率較低。這兩種水純化技術(shù)提供的水，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的精制去除殘留的痕量污染物以后，能滿足許多應(yīng)用。
但是初始純化技術(shù)不過(guò)硬，不僅會(huì)使最后精制步驟中出現(xiàn)水質(zhì)量問(wèn)題，而且會(huì)縮短超純水器的使用壽命。本研究主要顯示了不同的預(yù)處理方法對(duì)制備超純水質(zhì)量的影響。逐個(gè)分析了純化組件對(duì)污染物不同的作用。
自來(lái)水給水通過(guò)兩種不同的預(yù)處理系統(tǒng)（如圖1所示）處理后由某超純水設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行精制：
①系統(tǒng)由通過(guò)去離子柱純化的水供水（5升體積的混床去離子樹脂）。當(dāng)與水處理系統(tǒng)出水的電阻率低于1MΩ?cm.時(shí)，用再生樹脂更換去離子柱填料。
②系統(tǒng)由供水，結(jié)合反滲透技術(shù)和EDI連續(xù)電流去離子技術(shù)，同時(shí)預(yù)處理水儲(chǔ)存在一個(gè)60升體積的儲(chǔ)備容器中。
1.方法
流速調(diào)到1.5升/分鐘。每天可以供水60升，每個(gè)系統(tǒng)都通過(guò)一個(gè)A-100PSETOC監(jiān)測(cè)器（Anatel?）測(cè)量水的電阻率和TOC（總有機(jī)碳）。供水的TOC也同時(shí)被監(jiān)控。取水點(diǎn)在圖1中標(biāo)出。
如圖2中顯示的結(jié)果，EDI水的電阻率跟預(yù)期的一樣，起初高達(dá)18MΩ?cm。然而，在處理了500升水之后，可以看到電阻率顯著下降。在這種情況下，即便用再生離子樹脂更換了去離子柱，較高的電阻率值依然不能恢復(fù)，只能最多恢復(fù)到約15MΩ?cm。
這表明：去離子法的水質(zhì)會(huì)由于去離子樹脂的再生處理而劇烈波動(dòng)。另一方面，結(jié)合了反滲透技術(shù)和連續(xù)電流去離子技術(shù)的系統(tǒng)，能持續(xù)產(chǎn)生15MΩ?cm電阻率的水。由于其流速較低，這些水在向精制系統(tǒng)供水之前，必須儲(chǔ)存在一個(gè)容器中。這會(huì)引起儲(chǔ)存水電阻率的降低，主要是由于二氧化碳的作用。
雖然兩種水純化生產(chǎn)線在離子純化方面都獲得很好的結(jié)果，但是在TOC質(zhì)量上還是存在顯著差異。首先，當(dāng)通過(guò)去離子樹脂純化時(shí)，供水TOC存在很大的變化。如圖3所示，去離子純水TOC不穩(wěn)定，在100～550ppb之間波動(dòng)，當(dāng)裝上新的再生樹脂時(shí)，會(huì)高達(dá)640ppb。另一方面，RO（反滲透技術(shù)）/EDI（連續(xù)電流去離子技術(shù)）結(jié)合的Elix系統(tǒng)，產(chǎn)生的純水TOC大多數(shù)低于50ppb，即使在容器中儲(chǔ)存過(guò)夜，仍穩(wěn)定在50ppb以下。顯然后者為終端精制系統(tǒng)供水比去離子柱量更加穩(wěn)定。終端產(chǎn)水的TOC也因此而顯著不同。圖4顯示了終端精制系統(tǒng)A和B產(chǎn)生的超純水TOC變化。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，系統(tǒng)A的TOC始終高于系統(tǒng)B。去離子水作入水的系統(tǒng)A，產(chǎn)水TOC高，并在50～150ppb之間波動(dòng)。由Elix供水的B系統(tǒng)，TOC恒定在10ppb左右。最初的TOC高是由于機(jī)器停機(jī)，出水口處存水過(guò)夜積累了有機(jī)物污染物造成的。一旦超純水開始供應(yīng)，就能持續(xù)獲得良好恒定質(zhì)量的（18.2MΩ?cm，TOC<10ppb）。這清楚的顯示出使用由反滲透和電極去離子化結(jié)合的Elix系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)處理的優(yōu)勢(shì)。
2.實(shí)驗(yàn)
本實(shí)驗(yàn)中，兩個(gè)超純水設(shè)備系統(tǒng)使用兩種不同的預(yù)處理技術(shù)供水，分別是反滲透技術(shù)和去離子技術(shù)。當(dāng)電阻率下降（去離子預(yù)處理系統(tǒng)處理500升水之后）或處理了2000升水后（對(duì)于RO給水系統(tǒng)）要更換精制器。此時(shí)使用S-510掃描電子顯微鏡（Hitachi）觀察純化裝置的離子交換樹脂表面和超純水系統(tǒng)的終端膜過(guò)濾器表面。樣品進(jìn)行徹底的干燥并用金粉濺射處理，以便進(jìn)行SEM（掃描電子顯微鏡）分析。
3.結(jié)果和討論
圖5是下列陰離子交換樹脂表面的SEM圖像：a）新樹脂，b）處理了2000升RO水的樹脂，c)處理了500升去離子水的樹脂。由RO給水的樹脂表面的微觀結(jié)構(gòu)和新樹脂類似，但去離子水供水的樹脂結(jié)構(gòu)很不容易觀察，表面完全被污垢和微粒覆蓋。
這種現(xiàn)象是離子交換過(guò)程和樹脂表面吸附機(jī)理共同作用的結(jié)果。雖然其中有些帶電物質(zhì)可能通過(guò)離子交換作用擴(kuò)散進(jìn)入樹脂的深處，但這受限于該物質(zhì)顆粒的大小、分子質(zhì)量和極性。這些表面污垢會(huì)阻塞離子運(yùn)輸通道，減小離子交換速度，從而引起水質(zhì)下降，降低電阻率。在污垢的影響下，即使能夠保證供水離子濃度極低，樹脂也會(huì)在離子交換能力沒(méi)有耗盡的情況下失去作用。在陽(yáng)離子交換樹脂表面沒(méi)有觀察到這種包被物。這表明污染物帶負(fù)電，例如在天然水源中常見(jiàn)的有機(jī)物或膠質(zhì)物2。
圖6顯示的是終端過(guò)濾器的膜表面。在圖像很好的識(shí)別，在過(guò)濾器上除了觀察到幾個(gè)微小顆粒外，沒(méi)有觀察到其他任何東西。在圖6b去離子供水系統(tǒng)圖像中，膜表面完全被物質(zhì)塞滿。干燥后在膜表面清晰的看到有一個(gè)破裂的包被層。這顯示是有機(jī)物或膠質(zhì)物，通過(guò)去離子純化技術(shù)不能有效的將其去除，而且可能將下游水純化系統(tǒng)的最后過(guò)濾器阻塞。這可能引發(fā)壓力下降，限制終端產(chǎn)水的流速，而且會(huì)滋生細(xì)菌和生物薄膜。