基本知识

超纯水设备方案设计指南 第一章 概论（三）纯水制备工艺

目录

1.5：纯水的制备工艺

1.6：各行业纯水一般标准

1.7：超纯水的极限电阻率计算

1.5：纯水的制备工艺

纯水制备的工艺主要由预处理+核心处理+辅助处理三部分工艺组成。

纯水制备的预处理工艺主要由混凝沉淀，气浮，氧化加药，还原加药，阻垢加药，pH调节，温度调节，石英砂过滤，活性炭过滤，多介质过滤，除铁锰过滤，树脂吸附（软化），脱气，精密过滤，超滤等工艺根据需要组合而成。工艺简介如下，

混凝沉淀：通过投加混凝药剂，降低原水中特定离子浓度，但是会增加AL（3+），SO4(2-)等离子的浓度，属于污水处理范畴，针对较差水质，一般只使用低剂量药剂。

气浮：强化水体固液/液液分离，降低浊度及悬浮物指标。

氧化加药：针对原水中还原性物质及藻类细菌进行处理，降低微生物污染的影响。杀菌剂分氧化杀菌剂和非氧化杀菌剂，而氧化剂而不单纯只用来杀菌，一般用来杀菌。

还原加药：针对原水中的余氯残留，臭氧消毒残留及可能存在的氧化加药残留进行处理，预防氧化性物质对后段膜系统的影响。

阻垢加药：针对系统可能存在的矿物质结垢风险进行处理，提高系统的运行稳定性。

pH调节：针对原水酸碱不稳定或偏离中性过大情况进行处理，保证系统稳定运行。多级反渗透运行过程中，一般在前端反渗透出水之后加碱，调节后端进水pH至7.3-7.5弱碱性，以提高后端反渗透系统产水比例。

混凝沉淀，氧化加药，还原加药，阻垢加药，pH调节一般都是通过加药装置也进行处理。

温度调节：换热器，纯水系统常用板式换热器，主要针对反渗透产水量对温度的敏感性。受限于其能效转换，一般只在北方低温或有多余热源补充的地区使用。

石英砂过滤：截留，吸附泥沙，胶体，金属离子以及有机物，降低水的浊度。

活性炭过滤：吸附电解质离子和有机物，可以去除水中的异色，广谱吸附剂。

多介质过滤：填充两种以上过滤介质，可以有效的除去悬浮杂质使水澄清。

除铁锰过滤：曝气，氧化铁锰离子，吸附，过滤去除铁锰离子。

石英砂，活性炭，多介质，出铁锰过滤都属于机械过滤范畴，常采用玻璃钢或碳钢容器。

袋式过滤：精密过滤的一种，常选用5μm精度过滤，起保安过滤作用。

PP熔喷滤芯过滤：精密过滤的一种，常选用5μm精度过滤，起保安过滤作用。

盘式过滤：高效过滤器，常选用50/100μm精度过滤，适合大流量设备。

超滤：中空纤维膜过滤技术，常选用0.01μm精度过滤，起保安过滤作用，成本较高。

袋式过滤和PP熔喷滤芯过滤都属于精密过滤范畴，起保安过滤作用。盘式过滤器高精度过滤（20-50μm孔径）时亦属于精密过滤范畴，因其大流量过滤的特性，一般不单独作为保安过滤作用，而常采用50/100/150/200μm过滤精度，配合超滤共同起保安过滤作用。

树脂吸附：以交换离子树脂为载体，对特定离子起交换吸附作用。最常见的为对钙镁离子处理的软化工艺，其装置称为软化器。在半导体超纯水设备中还常设置针对硼元素的树脂吸附装置。

脱气：预处理的脱气常采用脱气塔装置，配合软水工艺或者可能使用的阴阳床核心处理工艺，主要针对CO2的去除。随着反渗透处理工艺的盛行，脱气塔装置使用场景正越来越少。但是脱气膜装置在超纯水设备中后段工艺的运用越来越广泛。

参考文章：水处理基本知识 从RO装置的进水水质要求看预处理的重要性

纯水制备的核心处理工艺主要由阴阳树脂床（复床），反渗透，EDI，抛光树脂床（混床）等工艺组合而成，必要时采用多级串联形式以提高处理精度。工艺简介，略。

纯水制备的辅助处理工艺主要由pH调节，脱气膜，紫外线杀菌，TOC去除，巴氏杀菌，氮封水箱，终端过滤，循环管路等，按需选用即可。工艺简介如下，

pH调节：区别于预处理的pH调节，中后段pH调节主要为提高反渗透系统综合回收率以及终端出水的酸碱度，以适应最终用水酸碱要求。

脱气膜：略。

紫外线杀菌：使用254（240-280）nm左右波长紫外线破坏细菌病毒中的DNA（脱氧核糖核酸）或RNA（核糖核酸）的分子结构，造成生长性细胞死亡和（或）再生性细胞死亡，达到杀菌消毒的效果。尤其在波长为253.7时紫外线的杀菌作用最强。

TOC去除：使用185nm左右波长更高能量的紫外线，促进水的光解，形成OH-自由基。OH-自由基与水中的有机物(TOC)发生反应，导致有机物氧化成 CO2和 H2O，从而达到去除TOC的目的。

巴氏杀菌：高温快速灭菌法，常用于食品医疗领域纯化水制备过程。

氮封水箱：通过氮封装置，隔绝空气来减少超纯水接触空气的风险，不适用于18M以上水质储存。

终端过滤：采用微孔膜过滤或者超滤，起到可能存在的树脂破损微粒及热源物质的作用，进一步保证出水水质。非半导体行业超纯水常采用0.1/0.22μm精度微孔膜过滤。半导体行业常采用超滤终端过滤。

循环管路：基于流体力学的管路设计，主要适用于半导体生产车间，工业园区，医院等需要中央纯水集成系统的设计，设计及施工复杂，常采用316L/316LN不锈钢，clean-PVC，PVDF，PTFE等管路材质。

1.6：各行业纯水一般标准

区别于生活中纯水主要以纯净水标准为主，工业上的纯水标准不一而足，往往根据自己行业及生产需要来选择设备，所以标准较难形成统一。下面是本人大概罗列的一些常见行业的纯水用水标准，仅供参考。

行业纯水一般标准

1.7：超纯水的极限电阻率计算

众所周知，25℃时超纯水的极限电阻率为18.3MΩ*cm，那么这个数值是如何测算出来的呢？

首先我们需要明确，18.3的数值是在水温25℃且处于正常大气压状态下的超纯水电阻率极值。因为溶液的电导率和温度成正相关，温度的偏差势必影响实际状态下的超纯水极限电阻率，温度越高超纯水的极限电阻率数值越低，反之亦然。

我们可以把超纯水理解成弱电解质H2O溶解在溶剂H2O中的溶液，此时存在如下电离平衡：2H2O⇋（H3+O）+（OH-），其电离平衡常数KW=1.0*10（-14）次方。

KW=1.0*10（-14）=[H+]*[OH-],此时[H+]=[OH-]=1.0*10（-7）mol/L=1.0*10（-4）mol/m3

在超纯水极限状态下，其电导率G=Λm∞[H20]=Λm∞(H+)*[H+]+Λm∞(OH-)*[OH-]，

Λm∞(H+)：氢离子极限摩尔电导率，25℃时，其值为349.82S·m2·mol-1

Λm∞(OH-)：氢氧根离子极限摩尔电导率，25℃时，其值为198.3S·m2·mol-1

通过计算G=349.82*10（-4）+198.3*10（-4）=538.22*10（-4）S/m=0.054812μS/cm

备注：摩尔电导率(molar conductivity) 是衡量电解质溶液中电离能力的物理量。摩尔电导率是指单位浓度的电解质溶液在单位电场强度下的电导能力。它是电解质溶液中离子迁移率(移动速率)的度量，通常用 Λm(lambda)表示，极限摩尔电导率则以Λm∞表示。

此时我们通过计算可得极限电阻率R=1/G=18.24418MΩ*CM，数值非常接近18.3，但是还是有偏差，原因是什么呢？

因为我们在计算时犯了一个常识性的错误，默认水的密度为1g/cm3。在精密计算时，这是不可忽略的因素，下表为不同温度下的水密度，25℃时水密度取值为0.997074。

不同温度下的水密度

也就是说当我们默认水密度为1(省略单位，下同）时，单位体积的离子浓度是超过实际单位体积下离子浓度的。也就是在25℃时，单位体积的离子浓度实际不是1.0*10（-4）mol/m3，而是0.997074*10（-4）mol/m3，所以实际的G∞[H20]=（349.82+198.3）*0.997074*10（-4）=0.05465162μS/cm。

R=1/G=18.2977MΩ*cm≈18.3MΩ*cm，这就是25℃时超纯水电阻率极值的由来。