第五章 纯水的制备和检测5.1 纯水的应用v一、天然水：自然界中的水。v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、悬浮物，如细菌、粘土等;4、 胶体物，溶胶、硅胶和铝、铁的化合物等;5、溶解气体，包括：N2、O2、Cl2、H2S、CO、CO2、CH4等;v二、纯水的分类v1、一般的纯水称去离子水，指去掉各种阴、阳离子和有机物等杂质的水。通过蒸馏法可得到纯度为60k.cm以上的纯水。如果再通过离子交换法可以去除水中的强电解质和大部分硅酸和碳酸等弱电解质，得到10M.cm以上的纯水。v2、超纯水：化学意义上纯水（液态的H2O）的理论电导率为18.3cm.人们生产的纯水是达不到理论值的，但18cm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。传统的纯水方法不能制备出超纯水。v三、制备纯水的方法v1、蒸馏法，传统的制备纯水的方法。v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。v特点: (1)蒸馏水可以满足普通分析实验室的用水要求。 (2)为了去掉一些特殊的杂质，还需采取一些特殊的措施。v例如预先加入一些高锰酸钾可除去氧化物；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。 (3)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M级。 v2、反渗透法，是利用压力差为动力的膜分离技术。目前它是一种应用最广的脱盐技术，已广泛运用于科研、医药、食品、饮料、海水淡化等领域。而在工业用超纯水的制备上常被用来作为去离子，电去离子（EDI）的前一级处理。v特点：（1）相对于传统采用离子交换树脂作为前期预处理工艺方法，反渗透具有更经济，更节能，运行更稳定，水质更可靠的优点。（2）可以大大延长后级离子交换树脂的再生周期及电去离子（EDI）的清洗周期。 反渗透法制取超纯水设备v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。杂质的去除率应在95-99.7%之间，可以用于制备市场上出售的饮用纯净水。 v3、电去离子（Electrodeionization）简称EDI，是一种将离子交换技术，离子交换膜技术和离子电迁移技术相结合的纯水制造技术。属高科技绿色环保技术。v特点：v（1）EDI净水设备具有连续出水、无需酸碱再生和无人值守等优点，已在制备纯水的系统中逐步代替混床作为精处理设备使用。v（2）这种先进技术的环保特性好，操作使用简便，愈来愈多地被人们所认可，也愈来愈多广泛地在医药、电子、电力、化工等行业得到推广， 如图所示为电去离子超纯水设备。电去离子超纯水处理设备 v4、离子交换法 v离子交换法是通过阴、阳离子交换树脂对水中的各种阴、阳离子进行置换的一种传统水处理工艺，阴、阳离子交换树脂按不同比例进行搭配可组成离子交换阳床系统，离子交换阴床系统及离子交换混床（复床）系统。而混床系统又通常是用在反渗透等水处理工艺之后用来制取超纯水，高纯水的终端工艺，他是目前用来制备超纯水、高纯水不可替代的手段之一。v两种制备方式： vA. 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。 vB. 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。如图所示。碳钢衬胶阳床碳钢衬胶阳床+阴床阴床+混床混床离子交换超纯水处理设备离子交换超纯水处理设备 反渗透反渗透+1级混床级混床离子交换超纯水设备离子交换超纯水设备 小型反渗透小型反渗透+两级混床两级混床去离子交换超纯水设备去离子交换超纯水设备 v特点：特点： （1）出水电阻率达到1M.cm以上，根据不同的水质及使用要求，出水电阻率可控制在118M.cm之间。 （2）离子交换设备是传统的去离子水设备，它的产水水质稳定，造价相对较低。在以往的电厂锅炉补给水都是采用阳床+阴床+混床处理工艺。 （3）近年来，随着反渗透、EDI等工艺的发展，离子交换设备操作复杂，不容易实现自动化，浪费酸碱，运行成本高等缺点更加突出，目前更多的应用于反渗透的深度处理。（4）小型的离子交换设备常采用有机玻璃交换柱，有利于观察树脂运行情况。 （5）大型的离子交换设备则采用碳钢内衬环氧树脂或衬胶，中间预留可视装置，以便于离子再生时在线观测再生液水位状况。 （6）但有机物无法去掉，TOC（总有机碳）和COD（耗氧量）值往往比原水还高。其原因： 1）树脂质量不好； 2）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； 3）树脂不稳定，不断地释放出分解产物。v五、从纯水的电导率估算水中离子的浓度水平：表2、几种电阻率不同的纯水的离子计算浓度 v v六、纯水的应用v1、蒸馏水：普通实验室分析，主要是实验室器皿等的清洗。 v2、反渗透纯水： 实验室器皿的最后清洗 缓冲液、化学试剂配制用水 微生物培养基制备用水 氢气发生器、室内加湿器、高压消毒锅用纯水 人或实验动物饮用水等；v2、 超纯水： 动、植物细细胞培养用水 各种医疗用生化仪、分析仪、血液透析仪用水 分析试剂及药品配置稀释用水 生理、病理、毒理学实验用水 医院、医药制剂室及中心实验室用纯化水和高纯水 原子吸收光谱用水 试管婴儿用水 各种高效液相色谱、离子色谱用水 其他各种实验室用水和医药用水。v在半导体中的应用：半导体原材料生产加工、检测和半导体器件的制备用水。v一、离子交换树脂：一、离子交换树脂：v1、定义：离子交换树脂是指树脂以苯乙烯和二乙烯苯的共聚体作为骨架（用R来表示),在骨架上导入一些活性基团（如磺酸基、羧基和酚基等），即离子交换树脂。v2、性质：离子交换树脂具有一定的机械强度、耐磨，不溶入水、酸、碱和任何有机溶剂，对一般的氧化剂和还原剂具有一定的化学稳定性。v3、离子交换树脂的类型：v根据导入的活性基团的酸碱性分为：v（1）阳离子交换树脂：R-SO3H，R-COOH,R-OH， v（2）阴离子交换树脂：伯胺基-NH3OH,仲胺基-NHOH,季胺基-NOH 5.2 离子交换法制备纯水的原理阳离子交换树脂阴离子交换树脂v（3）在实际使用上，有钠型树脂和氯型树脂。v例如：常将强酸性阳离子树脂与NaCl作用，转变为钠型树脂再使用。 又如阴离子树脂可转变为氯型再使用，工作时放出Cl而吸附交换其他阴离子，它的再生只需用食盐水溶液。氯型树脂也可转变为碳酸氢型(HCO3)运行。v v根据型号分：v（1）强酸型阳离子交换树脂：上海730#、732#、南开1号和宜宾010型v（2）强碱型阴离子交换树脂：上海717#、711#、和南开、宜宾201型二、离子交换树脂的工作原理二、离子交换树脂的工作原理 v1、树脂交换反应v采用离子交换方法，可以把水中呈离子态的阳、阴离子去除，以氯化钠(NaCl)代表水中无机盐类，水质除盐的基本反应可以用下列方程式表达：阳离子交换树脂：RH+Na+ RNa+H+阴离子交换树脂：ROH+Cl- RCl+OH- 阳、阴离子交换树脂总的反应式即可写成：RH+ROH+NaCl RNa+RCl+H2Ov由此可看出，水中的NaCl已分别被树脂上的H+和OH-所取代，而反应生成物只有H2O，故达到了去除水中盐的作用。 2、树脂的再生反应（还原反应） 离子交换树脂在使用一段时间后， 生成RNa，RCl。吸附的杂质接近饱和状态，就要进行再生处理，使之恢复原来的组成和性能,称之为树脂的再生。 目前，国内树脂的再生常用化学药剂酸碱法使失效的树脂恢复交换能力，酸的使用通常采用HCl或H2SO4，调配浓度为3-5%左右；碱的使用一般采用NaOH，调配浓度为3-5%左右。其再生过程：1）阳离子树脂的再生：2）阴离子树脂的再生： v3、离子交换法：利用离子的不断交换与树脂的不断再生的反复进行来制取高纯水的方法。v其交换、再生过程：v 原水流经离子交换树脂时，水中的阴、阳杂质离子与树脂中的OH+,H+离子交换而被吸附在树脂上， 而OH+,H+离子将结合生成水直至树脂失效。对树脂进行再生处理，直至恢复再生能力，再进行、再生 不断循环。5.3 离子交换法制备纯水的工艺过程v一、新树脂的选择和预处理v1、选择树脂型号和适当的比例v2、新树脂的预处理： v（1）膨胀处理：防止新树脂膨胀过快而破裂，影响树脂的机械强度，降低其使用寿命。分干树脂处理和湿树脂处理。v处理过程： v湿树脂：加清水 浸泡2-4h，不断搅拌 直到水清v作用：去除杂质和不合格树脂 v干树脂：加4-5%的NaCl，不断增加浓度到20% 浸泡2-4h 加清水直到NaCl浓度为3%以下v作用：树脂膨胀v（2）变形处理：v钠型树脂氢型树脂 （5-10%HCl溶液)v氯型树脂氢氧型树脂 （4-6%NaOH溶液）v处理过程：加纯水搅拌1-2h，浸泡2h 纯水洗，调整PH值 。v作用：除掉交换树脂中的Na+，Cl-v二、树脂的工作原理v1、将变形后的交换树脂放入相应的单床中，混床中放入比例适当的阴阳交换树脂，并用纯水清洗几遍。v2、工作过程:v开始时水质不高，随着树脂的不断交换出H+，OH-离子，水质上升，同时阴、阳树脂的交换能力不断下降，当这两种情况的树脂相当时，水质稳定，相差太大时，水质又开始下降，开始进行树脂再生。v循环过程：交换再生交换再生.v三、树脂的再生三、树脂的再生v（一）混床动态再生 v1、反洗分层：反洗流速10米/时，反洗时间15-30分钟，以沉降后阳，阴树脂层界面是否清晰判别分层效果。2、进再生液：用20分钟左右的时间进完所需的再生液，浸泡2-3个小时后采用正洗的方法，阴树脂冲洗至出水碱度PH=10-11左右，阳树脂冲洗至出水酸度PH=3-4左右。3、混合：从底部出水口进入氮气（也可用压缩空气，真空抽气等）进行混合，进气压0.10.15MPa，混合时间一般为510分种，以柱内树脂充分混合为终点。v（二）单床动态再生v（三）多床静态再生