纯水生产技术

出处：按学科分类—工业技术 中国轻工业出版社《软饮料工业手册》第554页（2135字）

从水中去除杂质的方法有很多，主要有膜处理(微滤膜、超滤膜、电渗析、反渗透膜)、吸附(离子交换树脂、活性炭)、相变(蒸馏)和分解(紫外线)等，这些方法去除各种杂质的能力见表2－4－4。可根据实际需要单独或组合选用。

表2－4－4 纯水技术与能去除的杂质

注：最好；〇好；△可；×不可。

(一)超纯水生产工艺

随着膜分离技术，特别是超滤和反渗透技术的发展，超纯水制造工艺也发生很大变化，其变化过程如图2－4－2所示。

图2－4－2 超纯水生产工艺的发展

20世纪60年代，制造纯水一般采用离子交换方法，离子交换后进行微滤(精滤)，可以去除水中的无机离子和微粒子。

20世纪70年代，为了充分去除水中溶解的盐类，采用非再生型离子交换装置(纯水器)，并在系统中增加紫外线杀菌装置(UV灯)，同时用超滤或反渗透取代微滤，以去除水中的微粒。这些工艺的改进大大提高了纯水的水质，也提高了半导体工业的生产，其结果，膜处理成为超纯水制造中不可缺少的工序。

目前，超纯水生产一般是由一次纯水系统和辅助系统组合而成的。一次纯水系统对原水进行凝聚、沉淀和砂滤等预处理去除悬浊物后，用反渗透基本去除水中的无机离子、有机物和微粒。反渗透膜能保持系统的洁净，同时也能减少后段离子交换的负荷，不仅使装置小型化，也能减少离子交换树脂的再生次数，从而降低操作成本。原水经过一次纯水系统处理，可成为电阻率小于10MΩ·cm(电导率0．1μS／cm)的纯水，供接近工厂使用点的辅助系统进一步处理。

辅助系统由紫外线杀菌装置、非再生型离子交换装置(纯水器)和超滤装置等组成，经过辅助系统处理，可使一次纯水达到规定的水质标准。辅助系统以后还应在使用点设置循环系统，当使用点不需要用水时，可将系统内的纯水不断循环，防止微生物在静水区内繁殖。

随着半导体集成度的提高，对纯水水质的要求也会提高，一个发展趋势将是用低压反渗透膜取代目前辅助系统中使用的超滤膜，但在辅助系统中使用反渗透膜必须解决以下问题：

(1)杀菌 对膜的杀菌效果以蒸汽杀菌最好，其次是药剂和95℃以下的热水。目前一般用药剂对系统进行定期或不定期的杀菌，药剂杀菌后需要充分清洗。一旦清洗不充分，将对管路材料、离子交换树脂，进而对半导体芯片产生影响，因此药剂杀菌不是最佳选择。目前已开发可用热水或蒸汽杀菌的超滤组件，但现有的反渗透组件尚不能进行热力杀菌。

(2)经济性 超滤膜的操作压力0．1～0．2MPa，辅助系统纯水器后无需加压泵。反渗透最低操作压力1．0～1．5MPa，需增加高压泵，反渗透操作成本高。

目前辅助系统内纯水器出口水质基本达到规定要求，超滤膜是作为微粒和细菌的安全性过滤器使用的。反渗透膜可在某种程度上去除超纯水中的数十μg／kg级的TOC，但去除率相当低，很难大幅度提高纯水的水质。

综上所述，在辅助系统中使用反渗透膜时，新开发的反渗透膜必须可以进行热力杀菌，有数十μg／kg级的TOC的去除率，同时操作成本低。

(二)饮用纯水生产工艺

目前饮用纯水可用多种生产工艺，一般多为微滤、电渗析、超滤、反渗透、离子交换、蒸馏等方法的组合，此外还应进行原水的预处理和纯水的消毒杀菌。饮用纯水常用反渗透和离子交换等结合的方法，其生产工艺流程如图2－4－3。纯水系统中的离子交换装置最好采用混床式，其中阳离子树脂可选用浅黄色的强酸性阳离子树脂，阴离子树脂则选用黄褐色碱性阴离子树脂，树脂比例小，容易混合，且再生时两树脂层分离性好。

图2－4－3 饮用纯水生产工艺流程

反渗透是20世纪50年代美国政府向杜邦、柯达等大企业提供巨额援助开发的净水系统。20世纪60年代用于海水淡化目的。1981年美国宇航局(NASA)曾将反渗透制造的纯水作为哥伦比亚宇宙飞船中太空人的循环饮用水，因此用反渗透处理的纯水又称太空水。由表2－4－4可见，在去除水中杂质的各种方法中，反渗透膜去除杂质是最全面的。原水通过反渗透膜时，仅纯水透过膜，水中的无机离子、有机物、热原、微生物以及微粒子都被截留，浓缩于膜前，因此反渗透装置是纯水制造的理想选择。