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超纯水设备方案设计指南 第二章 工艺及技术（三）脱气工艺

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2.2.5：脱气工艺（除碳塔及脱气膜）

2.2.5：脱气工艺（除碳塔及脱气膜）

在纯水制备过程中，溶解二氧化碳和溶解氧会对系统的终端出水和稳定运行造成一定的影响。其中二氧化碳主要是通过碳酸盐平衡影响产水的电导率及产生难溶盐结构问题，而溶解氧更多是因为半导体超纯水行业对溶解氧的严格要求。

溶解二氧化碳对纯水系统的影响：

二氧化碳在水中主要以CO2、HCO3(-)、CO3(2-)三种形态存在，其动态平衡如下

①CO2+H20⇆HCO3(-)+H(+)

②HCO3(-)⇆CO3(2-)+H(+)

在这个平衡体系中，随着pH值的变化会呈现以不同离子占主导地位的现象。

(1)当pH＜4时，水中全部CO3(2-)和HCO3(-)都有转化为CO2，会以气体形式逸出。

(2)当4＜pH＜8.35时，随着pH值升高，平衡向公式①右移动,CO2浓度降低，HCO3-浓度增大，当 pH=8.3-8.4时,98%以上的碳酸化合物以HCO3-形态存在。

(3)当8.35＜pH＜12时，随着pH值继续升高，平衡向公式②右移动，CO2逐渐消失，HCO3(-)浓度降低，CO3(2-)浓度增大。

(4)当 pH＞12时，水中碳酸化合物几乎完全以CO3(2-)的形态存在。

备注：碳酸盐的平衡体系不仅影响着纯水制备过程中的电导率、除盐率而且因为碳酸盐的结垢问题，而极大的影响着整个系统的极限回收率，后文会补充介绍。

可参考前文：水处理基本知识 浅谈RO装置的极限回收率

当原水中不含碳酸根及碳酸氢根离子时，溶解态的二氧化碳主要以空气中二氧化碳的上述平衡存在，此时溶解态二氧化碳的浓度约为0.45mg/L(ppm)。计算过程如下，

常温（25℃）一个大气压下，当二氧化碳形成饱和碳酸溶液,Ka=4.3*10(-7),此时二氧化碳的溶解度为0.145mg，其相应的浓度即为0.033mol/L。根据亨利定律，水中气体的溶解度与溶液表面该气体的分压成正比。CO2在空气中的占比为0.031%，所以相应形成的溶解态二氧化碳浓度为0.033*0.031%*44=0.45ppm。

备注：溶解度定义，每100ml溶液中溶质的质量，量纲为mg。

公式好麻烦

碳酸盐的平衡体系在纯水制备过程中极其复杂且重要，而且当水质要求更高时，其影响会更加显著，后文中会多次提到该平衡。我尽量做到每次介绍方便上下文理解即可，防止过度重复介绍。

溶解氧（dissolved oxygen）对纯水系统的影响：

相对于二氧化碳的复杂动态平衡，氧气的化学性质更加稳定，且纯水制备一般工艺对其几乎没有影响。所以在一般纯水制备系统中并没有针对溶解氧的工艺，但是随着半导体行业的快速发展，特别是超大型集成电路的发展，溶解氧导致二氧化硅薄膜生长，互联线路腐蚀，甚至导致微生物生长等风险不得不被重视起来，且严格要求其浓度至ppb(1ppm=1000ppb=1000μg/L)级别。

倒数第二项为溶解氧指标

脱气工艺：鉴于上述种种，随着纯水制备的不断发展，相应的脱气工艺也在不断发展中，从最常见的热力脱气、鼓风脱气、真空脱气到现在快速发展的膜脱气等。其中热力脱气主要用于电力等大型工业的锅炉循环水除氧，鼓风脱气就是传统的二床三塔工艺中的除碳塔，真空脱气和膜脱气主要用于反渗透工艺之后脱氧除碳。

热力脱气：以加热的方式除去给水中的溶解气体（主要为氧气），也称为热力除氧，其主要应用于锅炉和电力系统。其基本原理为气体在水中的溶解量随着温度的升高而降低，同时水蒸汽的分压随着温度的升高也升高，当水温到达 100℃时，空气分压降低到零，根据亨利定律，水中的溶解气体量也应降低到零。据此原理，除氧器首先将水分散为水滴或水膜，然后通入蒸汽，把要除氧的水加热到一定温度，并依靠蒸汽变相降低水表面的溶解气体分压，使水中的气体解析出来，并随余气排出除氧器，以达到除氧的目的。

鼓风脱气（脱气塔/除碳塔）：除碳器是用鼓风脱气的方式除去水质游离二氧化碳的设备，水自设备上部引入，经喷淋装置，流过填料层表面，空气自下部风口进入逆向穿过填料层。水中的游离二氧化碳迅速解析进入空气中，自顶部排出。在水处理工艺中一般设置在阳离子交换器和反渗透设备的后面，正常配制情况下，经除碳器脱气后，水中残留的二氧化碳不超过5mg/L。

在二床三塔（复床）工艺中，原水经过阳离子交换器（阳床，一般为氢离子或者钠离子交换器）之后pH呈酸性，根据碳酸盐的平衡体系，更有利于CO2气体逸出，从而更好的达到除碳的作用。经过除碳塔的给水，部分阴离子（HCO3-为主）得到去除，适当减轻了阴床的处理压力，而得到更好的协同作用及结果。

鼓风脱气在去除二氧化碳的同时，会一定程度的增加溶解氧的浓度。随着反渗透工艺在纯水制备过程中对复床工艺的优势越来越明显，传统的除碳塔工艺正越来越少见。

真空脱气：真空脱气机根据亨利定律，气体在水中的溶解度与水温和压力有关。在一定温度下，与气体的压力成正比，在一定的压力下，水温降低，气体的溶解度增加，水温升高，气体溶解度降低。当降低水面的压力，则可在较低的水温下，使溶于水中的气体析出，从而除去水中的气体。真空脱气机就是通过产生真空，将水中的游离气体和溶解气体释放出来，再通过自动排气阀排出系统，脱气后的水再注入系统。这些低含气量的水是不饱和水，对气体具有高度的吸收性，它将吸收系统中的气体从而达到气水平衡。真空脱气机每20~30秒重复一次这样的循环。如此循环往复，将系统中的大部分气体脱除。

膜脱气（脱气膜）：超纯水设备的膜脱气工艺综合采用了膜分离及真空脱气的分离技术原理，主要是用来脱除水中二氧化碳和氧气的。其基本原理是脱气膜内装有大量的中空纤维，纤维的壁上有微小的孔，水分子不能通过这种小孔，而气体分子却能够穿过。工作时，水流在一定的压力下从中空纤维的里面通过，而中空纤维的外面在真空泵的作用下将气体不断的抽走，并形成一定的负压，这样水中的气体就不断从水中经中空纤维向外溢出，从而达到去除水中气体的目的，脱气膜中装有大量的中空纤维可以扩大气液界面的面积，从而使脱气速度加快。膜脱气装置的脱气效率可高达99.99%，出水二氧化碳和氧气浓度可小于2ppb。

超纯水生产工艺中，脱气膜一般放在二级RO与EDI之间（必要时在抛光组后端加装二级脱气膜装置），采用反渗透RO和电去离子（EDI）或连续电脱盐(CDI) 的系统时，水中溶解的CO2是造成水中高电导率的主要原因。利用脱气膜技术，无需添加任何化学药剂，不引入任何污染物便能从水中去除大量的CO2, 去除率可达98%以上。如果在EDI前去除CO2，那么就会可以让电去离子（EDI）产出更高水质的产水。