工業(yè)純水制備的概述

1、 工業(yè)純水制備的概述1純水的應(yīng)用范圍水一向被稱為工業(yè)系統(tǒng)的“血液”。隨著高新技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)部門對(duì)水、氣、化學(xué)試劑及環(huán)境這些基礎(chǔ)條件提出了越來越高的要求。這也促進(jìn)了相應(yīng)產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的進(jìn)步，水作為一種應(yīng)用量最大、面最廣的基本材料，其發(fā)展的速度尤為迅速。當(dāng)今，純水和超純水已成為現(xiàn)代工業(yè)部門必不可少的基礎(chǔ)材料之一，它們?cè)陔娮印⑨t(yī)藥、能源、化工、汽車、機(jī)械、電鍍、電池、冶金等幾乎全部的工業(yè)及實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)域中已得到了廣泛的應(yīng)用。 （1）純水在電子工業(yè)中的應(yīng)用 （2）純水在醫(yī)藥工業(yè)中的應(yīng)用（3）純水在能源工業(yè)中的應(yīng)用 （4）純水在化工工業(yè)中的應(yīng)用 （5）純水在其他工業(yè)中的應(yīng)用2、純水在電子工業(yè)中的應(yīng)用電子級(jí)超純

2、水主要用于光電子元器件、半導(dǎo)體及集成電路生產(chǎn)和清洗。在半導(dǎo)體及集成電路制作工藝中，都直接或間接與超純水有關(guān)。在半導(dǎo)體制作工藝中，80%以上的工序需要用超純水；集成電路的生產(chǎn)，幾乎每道工序需要超純水進(jìn)行清洗，工件與水直接接觸，而一方面芯片在加工過程中的微量玷污得到清洗，而另一方面純水中的微量雜質(zhì)又可能使芯片再污染，無疑對(duì)產(chǎn)品有著極大的影響。 隨著集成電路程度的進(jìn)一步提高，對(duì)水中污染物要求亦將更為嚴(yán)格。根據(jù)水源水質(zhì)檢測(cè)報(bào)告，在對(duì)水質(zhì)進(jìn)行分析的前提下，并以出水水質(zhì)要求為依據(jù)，確定一套適合該原水水質(zhì)處理的水系統(tǒng)。1 設(shè)計(jì)條件1.1設(shè)計(jì)要求1 、終端出水水量為：20m3/h 2、終端水質(zhì)達(dá)到電子級(jí)超純水

3、中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)gb/t11446.1-1997之ew-規(guī)定。 3、設(shè)計(jì)內(nèi)容須包括： 1）系統(tǒng)工藝路線的確定并繪制工藝流程簡(jiǎn)圖 2）水量平衡計(jì)算并繪制水量平衡圖 3）系統(tǒng)各設(shè)備技術(shù)參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算 4、整個(gè)設(shè)計(jì)要求工藝先進(jìn)，質(zhì)量可靠，可擴(kuò)展性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)合理占地小，水利用率高，能耗低，全自動(dòng)化運(yùn)行，操作維護(hù)簡(jiǎn)單。1.2原水水質(zhì)報(bào)告 水質(zhì)檢測(cè)報(bào)告（五） 離子mg/lmmol/l%項(xiàng)目mg/lk+5.00.131.9總硬度260.2na+31.01.3520.2永久硬度100.1ca2+82.164.1061.4暫時(shí)硬度160.1mg2+13.381.1016.5負(fù)硬度0.00fe3+0.05總堿度160.

4、1fe2+ph值7.4nh4+0.02氣味無總計(jì)131.56.68100.0色度cl-43.611.2318.1渾濁度4ntuso42-98.002.0430.0水溫25hco3-195.33.2047.1氣溫co32-0.00可溶性總固體403.0no3-20.570.334.9游離co219.17no2-0.004codmn3.20hpo42-0.10h2sio315.12總計(jì)357.56.8100.1f0.37al0.02出水水質(zhì)要求：終端水質(zhì)達(dá)到電子級(jí)超純水中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)gb/t11446.1-1997之ew-規(guī)定。 指標(biāo)級(jí)別 ew ew ew e

5、w-電阻率 m，cm(25)18以上，（95時(shí)間）不低于1715，（95時(shí)間）不低于13 12.0   0.5   全硅，最大值,g/l2105010001m微粒數(shù)，最大值，個(gè)/ml0.1510500 細(xì)菌個(gè)數(shù)，最大值，個(gè)/ml0.010.110100 銅，最大值，g/l0.212500 鋅，最大值，g/l0.215500 鎳，最大值，g/l0.112500 鈉，最大值，g/l0.5251000 鉀，最大值，g/l0.525500 氯，最大值，g/l111

6、01000 硝酸根，最大值，g/l115500 磷酸根，最大值，g/l115500 硫酸根，最大值，g/l115500 總有機(jī)酸，最大值，g/l2010020010001.3原水水質(zhì)分析結(jié)果 含鹽量高 ；這其中 鈉離子量、鈣離子、鎂離子、氯離子、硫酸根、硝酸根、碳酸氫根含量高。 濁度高 硬度高、堿度高 有機(jī)物含量低 水質(zhì)偏堿性 游離co2含量較高 硅酸凝膠較高 含 可溶性總固體含量高 含有少量f和al離子 根據(jù)水質(zhì)檢測(cè)報(bào)告，要達(dá)到終端水質(zhì)達(dá)到電子級(jí)超純水中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)gb/t11446.1-1997之ew-規(guī)定；必須進(jìn)行除鹽處理等。2、電子超純水的制備技術(shù)

7、及工藝 超純水的制備通常由預(yù)處理、主除鹽工序、后處理三大部分組成。預(yù)處理是為了滿足主主除鹽工序進(jìn)水要求；后處理工藝作為主主除鹽工序的補(bǔ)充，其出水滿足終端出水要求。最終使出水達(dá)到國(guó)家超純水的標(biāo)準(zhǔn)。 目前制備超純水的主除鹽工序有：電滲析、反滲透、離子交換、超濾、連續(xù)電除鹽等或?qū)⑺鼈兘M合運(yùn)用，以達(dá)到出水要求。下面就分別介紹它們的特點(diǎn)，通過比較選擇出適合本工藝的除鹽工序。2.1電滲析電滲析是一種利用電能來進(jìn)行的膜分離技術(shù)。它在外加直流電場(chǎng)作用下，利用陰離子交換膜（簡(jiǎn)稱陰膜，它只允許陰離子通過而阻擋陽(yáng)離子）和陽(yáng)離子交換膜（簡(jiǎn)稱陽(yáng)膜，它只允許陽(yáng)離子透過而阻擋陰離子）的選擇透過性，使一部分離子透過離子交換膜

8、遷移到另一部分水中去，從而使一部分水純化，另一部分水濃縮。應(yīng)用范圍目前電滲析器應(yīng)用范圍廣泛，它在水的淡化除鹽、海水濃縮制鹽精制乳制品，果汁脫酸精和提純，制取化工產(chǎn)品等方面,還可以用于食品，輕工等行業(yè)制取純水、電子、醫(yī)藥等工業(yè)制取高純水的前處理。鍋爐給水的初級(jí)軟化脫鹽，將苦咸水淡化為飲用水。 電滲析器適用于電子、醫(yī)藥、化工、火力發(fā)電、食品、啤酒、飲料、印染及涂裝等行業(yè)的給水處理。也可用于物料的濃縮、提純、分離等物理化學(xué)過程。 電滲析還可以用于廢水、廢液的處理與貴重金屬的回收，如從電鍍廢液中回收鎳。電滲析的優(yōu)點(diǎn)： 電滲析無相變過程。因此電滲析器耗能低，一般將電滲析作為離子交換法的前級(jí)處理工序。這樣

9、比單獨(dú)用離子交換法可節(jié)約50%90%。并且電滲析出水穩(wěn)定、運(yùn)行周期長(zhǎng)。 電滲析器組裝靈活。電滲析器既可以并聯(lián)組裝增加產(chǎn)水量，也可以串聯(lián)以提高脫鹽率。 電滲析器操作簡(jiǎn)便，污染環(huán)境少。 電滲析的缺點(diǎn)：清洗拆卸麻煩，脫鹽效果不如反滲透，在沒有實(shí)現(xiàn)濃水回收，極水循環(huán)的時(shí)候，水回用率低，僅50%，而反滲透回收能到75%。2.2反滲透 反滲透是一種以壓力作為推動(dòng)力，利用選擇性膜只能透過水而不能透過溶質(zhì)的選擇透過性，從水體中提取淡水的膜分離過程。 基本原理把相同體積的稀溶液（如淡水）和濃液（如海水或鹽水）分別置于一容器的兩側(cè)，中間用半透膜阻隔，稀溶液中的溶劑將自然的穿過半透膜，向濃溶液側(cè)流動(dòng)，濃溶液側(cè)的液面

10、會(huì)比稀溶液的液面高出一定高度，形成一個(gè)壓力差，達(dá)到滲透平衡狀態(tài)，此種壓力差即為滲透壓滲透壓的大小決定于濃液的種類，濃度和溫度與半透膜的性質(zhì)無關(guān)。若在濃溶液側(cè)施加一個(gè)大于滲透壓的壓力時(shí)，濃溶液中的溶劑會(huì)向稀溶液流動(dòng)，此種溶劑的流動(dòng)方向與原來滲透的方向相反，這一過程稱為反滲透。應(yīng)用范圍太空水、純凈水、蒸餾水等制備； 酒類制造及降度用水； 醫(yī)藥、電子等行業(yè)用水的前期制備； 化工工藝的濃縮、分離、提純及配水制備； 鍋爐補(bǔ)給水除鹽軟水;； 海水、苦咸水淡化； 造紙、電鍍、印染等行業(yè)用水級(jí)廢水處理。反滲透-膜應(yīng)用現(xiàn)狀在各種膜分離技術(shù)中，反滲透技術(shù)是近年來國(guó)內(nèi)應(yīng)用最成功、發(fā)展最快、普及最廣的一種。估計(jì)自19

11、95年以來，反滲透膜的使用量每年平均遞增20；據(jù)保守的統(tǒng)計(jì)，1999年工業(yè)反滲透膜元件的市場(chǎng)供應(yīng)量為8英寸膜6000支，4英寸膜26000支。2000年和2001年的市場(chǎng)更為強(qiáng)勁，膜用量一年比一年有較大幅度的提高。據(jù)估算，反滲透技術(shù)的應(yīng)用已創(chuàng)造水處理行業(yè)全年10億人民幣以上的產(chǎn)值。 國(guó)內(nèi)反滲透膜工業(yè)應(yīng)用的最大領(lǐng)域仍為大型鍋爐補(bǔ)給水、各種工業(yè)純水，飲用水的市場(chǎng)規(guī)模次之，電子、半導(dǎo)體、制藥、醫(yī)療、食品、飲料、酒類、化工、環(huán)保等行業(yè)的應(yīng)用也形成了一定規(guī)模。在現(xiàn)在高純水的制備中，廣泛采用反滲透作為預(yù)脫鹽的主要工序，它的優(yōu)點(diǎn)為：（1）由于反滲透裝置的脫鹽率一般可穩(wěn)定在90%以上，因而使離子交換樹脂的負(fù)荷

12、減輕到10%，從而減少了樹脂再生的成本，這相當(dāng)于使樹脂的產(chǎn)水量增加10倍，這樣可以使相應(yīng)的設(shè)備小型化，并使再生頻率減少10倍以上。（2）減少了因樹脂再生所消耗的化學(xué)藥品如naoh，hcl等的費(fèi)用、人工費(fèi)，以及由于再生而造成的廢水處理等項(xiàng)費(fèi)用。并減少了環(huán)境污染。（3）減緩了由于源水水質(zhì)波動(dòng)而造成的產(chǎn)水水質(zhì)的變化，從而有利于生產(chǎn)中水質(zhì)的穩(wěn)定，這對(duì)電子工業(yè)中成品質(zhì)量的穩(wěn)定有積極的作用。（4）由于反滲透能有效地去除細(xì)菌等微生物、有機(jī)物，以及鐵、錳、硅等無機(jī)物，從而可以減輕因有機(jī)物和無機(jī)物而引起的樹脂污染，延長(zhǎng)離子交換樹脂的壽命。（5）設(shè)置反滲透器后，大大減輕了終端微孔膜過濾器的負(fù)擔(dān)，從而延長(zhǎng)終端微孔膜

13、過濾器的壽命。但是作為脫鹽主要手段的反滲透，也存在一些不足，主要是：（1）由于反滲透裝置要在高壓下運(yùn)轉(zhuǎn)，因此必須配制相應(yīng)的高壓泵和高壓管路。（2）由于回收率的限制，源水只有50%75%左右被利用。而對(duì)于超純水制備來說，進(jìn)入反滲透器以前，源水已經(jīng)過相應(yīng)的預(yù)處理，水質(zhì)比較好，如果對(duì)濃水不進(jìn)行有效地利用，將會(huì)造成浪費(fèi)。 2.3離子交換 基本原理：離子交換是一種特殊的固體吸附過程，它是由離子交換劑在電解質(zhì)溶液中進(jìn)行的。一般的離子交換劑是一種不溶于水的固體顆粒狀物質(zhì)，即離子交換樹脂。它能夠從電解質(zhì)溶液中吸取某種陽(yáng)離子或者陰離子，而把自身所含的另外一種帶相同電荷符號(hào)的離子等量地交換出來，并釋放到溶液中去，

14、這就是所謂的離子交換。應(yīng)用范圍： 水的軟化、高純水的制備、環(huán)境廢水的凈化。溶液和物質(zhì)的純化，如鈾的提取和純化。金屬離子的分離、痕量離子的富集及干擾離子的除去。抗菌素的提取和純化等。離子交換的優(yōu)點(diǎn) 化學(xué)穩(wěn)定性好 機(jī)械強(qiáng)度高 交換容量高 外形大多為球狀顆粒，水流阻力小。 2.4超濾 超濾的分離原理是用半透膜作選擇障礙層，允許某些組分透過，而保留混合物中其他組分，從而達(dá)到分離、分級(jí)、純化、濃縮目的的一種新型膜分離技術(shù)。 超濾裝置的使用領(lǐng)域反滲透給水的預(yù)處理，高效、緊湊的超濾因過濾精度很高，可以為反滲透膜提供最大限度的保護(hù) 大中型飲用水廠的深度處理 市政及工業(yè)廢水處理：超濾可比傳統(tǒng)處理工藝提供更好的處

15、理效果，實(shí)現(xiàn)中水、廢水回用 循環(huán)排污水回用凈化處理 污水中有用物質(zhì)的回收 礦泉水的制備、飲用水、井水的脫菌處理，去除水中各種懸浮物、膠體雜質(zhì)，特別是去除隱孢子、鞭毛蟲、大腸桿菌等致病微生物 口服液、生物制品的除菌、澄清、純化分離 高純水終端處理 果汁、蛋白質(zhì)、酶制劑的濃縮分離 超濾的優(yōu)點(diǎn)：具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、無相變、無化學(xué)變化、處理效率高和節(jié)能。 2.5連續(xù)電除鹽 工作原理這種方法也被叫做edi，是將電滲析技術(shù)和混和離子交換技術(shù)相結(jié)合起來的水處理方法，集中了兩者的優(yōu)點(diǎn)，克服了它們的缺點(diǎn)而形成的一種新技術(shù)。電滲析是通過通電后，陰陽(yáng)離子會(huì)跑向不同的兩極，而在電滲析室內(nèi)又被陰陽(yáng)膜所分隔成一間間小

16、室，陰膜和陽(yáng)膜間隔排放，而陽(yáng)膜只能通過陽(yáng)離子，陰膜只能通過陰離子。從而，形成了淡水室和濃水室間隔排列的布局。在最兩端的叫做極水室。濃水和極水排放，淡水收集。連續(xù)電除鹽的應(yīng)用edi主要是用在反滲透之后，代替混床進(jìn)行深度除鹽。在20世紀(jì)末，世界各國(guó)已有約1000套edi系統(tǒng)在電業(yè)（核電站或一般發(fā)電廠）、電子、醫(yī)藥及一些要求用超純水的工業(yè)用水行業(yè)和研究單位中運(yùn)行。國(guó)外對(duì)它的發(fā)展是持樂觀態(tài)度，認(rèn)為前景看好。我國(guó)近幾年也發(fā)展起來，現(xiàn)全國(guó)各地已有百多套edi系統(tǒng)在運(yùn)行。一般來說，如進(jìn)水僅通過一級(jí)反滲透，edi產(chǎn)品水的電阻率在15m.cm以上；如通過兩級(jí)反滲透，則edi產(chǎn)品水可達(dá)1618m.cm。優(yōu)點(diǎn)edi

17、可以用來代替混床來作為純水的深度處理，并且出水比混床要好很多，他可以達(dá)到出水電阻率18.2m·cm，在水處理工藝上，這被稱為超純水，而一般混床出水在10m·cm已經(jīng)算是很高的了。 所以在水質(zhì)要求高的行業(yè)，如電子行業(yè)、制藥行業(yè)等，都在使用edi來代替混床，制出含鹽量更少，更純的水。2.6主除鹽工序的確定 電子用純水不同于一般的純水制備，它對(duì)水質(zhì)具有更為嚴(yán)格的規(guī)定，屬于高純水范疇。一般來說，高純水制備主要包括預(yù)脫鹽與精處理脫鹽兩大部分，如何進(jìn)行工藝的選擇和組合成為高純水制備的關(guān)鍵。根據(jù)水質(zhì)檢測(cè)情況和出水要求。要達(dá)到終端水質(zhì)達(dá)到電子級(jí)超純水中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)gb/t11446.1-19

18、97之ew-規(guī)定； 目前，預(yù)脫鹽處理常常采用的主要是離子交換工藝和反滲透工藝。離子交換已被廣泛使用許多年，我國(guó)八、九十年代初的純水制備工藝基本上都采用離子交換法，該工藝技術(shù)成熟，工藝可靠，而且可根據(jù)目標(biāo)水質(zhì)的要求進(jìn)行多種離子交換方式的組合。隨著科技和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，離子交換再生頻繁、操作復(fù)雜、維護(hù)麻煩、運(yùn)行費(fèi)用高等缺陷就越來越突出，九十年代逐漸被新的反滲透技術(shù)代替，特別是預(yù)脫鹽目前基本上都采用反滲透技術(shù)。和離子交換相比，反滲透具有運(yùn)行穩(wěn)定、占地少、操作維護(hù)簡(jiǎn)單、可實(shí)現(xiàn)高度自控，處理水量越大，其優(yōu)勢(shì)就越明顯。 預(yù)脫鹽后續(xù)的精脫鹽處理工藝則根據(jù)目標(biāo)水質(zhì)的要求而有所不同，對(duì)超高純水（電阻率大于16

19、 mcm），目前一般采用更先進(jìn)的edi技術(shù)。     鑒于以上的分析，結(jié)合項(xiàng)目的現(xiàn)實(shí)情況，在綜合技術(shù)因素、經(jīng)濟(jì)因素的前提下，確定本純水工程采用以反滲透為主體工藝，edi作為精處理工藝。 2.7 反滲透系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵在于預(yù)處理，預(yù)處理的好壞不僅決定著反滲透裝的清洗次數(shù)，而且決定著反滲透膜元件的使用壽命。所以在主體工藝前要設(shè)置預(yù)處理預(yù)處理工藝是指脫鹽工藝之前的全部工藝段。其主要目的是全部或部分去除源水中的機(jī)械雜質(zhì)、懸浮物、微生物、膠體、溶解氣體及部分無機(jī)、有機(jī)雜質(zhì)，為脫鹽及后處理工序創(chuàng)造條件，達(dá)到反滲透以及后處理的進(jìn)水要求。預(yù)處理應(yīng)包括凝聚、混凝過濾

20、、吸附、軟化、脫氣、消毒等。反滲透器的進(jìn)水水質(zhì)要求項(xiàng) 目 中空纖維ro(聚酰胺膜)醋酸纖維ro （卷式膜） 濁度（度） < 0.3 <0.5 ph 411 46.5 fi < 3 < 3 水溫（）035，降壓后最大40030，降壓后最大35 余氯(mg/l) <0.1 <0.5 fe(mg/l) < 0.1 < 0.1 mn(mg/l) al(mg/l) < 0.05 < 0.05 濃水，<濃水，<cod(mg/l) <2 <2 toc(mg/l) < 5 < 5 bod(mg/l) < 5

21、< 5 濃水不產(chǎn)生沉淀濃水不產(chǎn)生沉淀 ba 濃水不產(chǎn)生沉淀 濃水不產(chǎn)生沉淀 sr 濃水不產(chǎn)生沉淀濃水不產(chǎn)生沉淀下面介紹幾種預(yù)處理的方法：去除膠體和顆粒物1介質(zhì)過濾從水中去除懸浮固體普遍的方法是多介質(zhì)過濾。多介質(zhì)過濾器以成層狀的無煙煤、石英砂、細(xì)碎的石榴石或其他材料為床層。床的頂層由質(zhì)輕和質(zhì)粗品級(jí)的材料組成，而最重和最細(xì)品級(jí)的材料放在床的底部。其原理為按深度過濾水中較大的顧粒在頂層被除去，較小的顆粒在過濾器介質(zhì)的較深處被除去。由于膠體懸浮物既很細(xì)小又由于介質(zhì)電荷之間的排斥，所以單獨(dú)過濾不起作用。在這些情況下，在過濾前必須加絮凝劑或絮凝化學(xué)藥品。常用的絮凝劑有三氯化鐵、礬和pac 2 微絮凝

22、如果過濾前對(duì)原水中的膠體進(jìn)行絮凝或混凝處理，可以大幅度地提高介質(zhì)過濾器效率，使出水的sdi降低到5左右。硫酸鐵和三氯化鐵可以用于對(duì)膠體表面的負(fù)電荷進(jìn)行失穩(wěn)處理，將膠體捕捉到新生態(tài)的氫氧化鐵微小絮狀物上，使用含鋁絮凝劑其原理相似，但因其可能有殘留鋁離子污染問題，并不推薦使用，除非使用高分子聚合鋁。迅速的分散和混合絮凝劑十分重要，建議采用靜態(tài)混合器或?qū)⒆⑷朦c(diǎn)設(shè)在增壓泵的吸入段，通常最佳加藥量為1030mg/l，但應(yīng)針對(duì)具體的項(xiàng)目確定加藥量3 脫氯藥劑消除余氯ro及nf進(jìn)水中的游離氯要降到0.05ppm以下，才能達(dá)到聚酰胺復(fù)合膜的要求。除氯的預(yù)處理方法有兩種，粒狀活性炭吸附和使用還原性藥劑如亞硫酸鈉。在小系統(tǒng)（50100gpm）中一般采用活性碳過濾器，投資成本比較合理。推薦使用酸洗處理過的優(yōu)質(zhì)活性炭，去除硬度、金屬離子，細(xì)粉含量要非常低，否則會(huì)造成對(duì)膜的污染。新安裝的碳濾料一定要充分淋洗，直到碳粉被完全除去為止，一般要幾個(gè)小時(shí)甚至幾天。我們不能