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SZ500实验室中央净水分质供应系统-长沙理工大学化工实验中心

点击次数:6326       发布日期:2012/11/28

 

摘要:目前的大型实验中心的用水存在取用纯水点多、各点取用水量不均、制纯水耗材成本高、用水极为不便等现象。本文介绍的英国KertoneSZ中央纯水分质供应系统根据用户实际需求, 结合纯水处理技术应用发展新趋势,有效解决上述用水难题。该纯水供应系统取用水简便高效,使用成本较低,更符合现代化大型实验中心用水需求及发展需要。
关键词:英国超纯水Kertone 进口超纯水机 实验室超纯水;水纯化方法;反渗透设备;EDI
1 前言
天然水中通常含有5种杂质:①电解质,包括带电粒子,常见的阳离子有H+、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颗粒物;④微生物;⑤溶解气体,包括N2、O2、Cl2、H2S、CO、CO2、CH4等。所谓水的纯化,就是要去掉这些杂质。杂质去的越彻底,水质也就越纯净[1]。 
传统纯水方法不能制出超纯水,化学意义上纯水(液态的H2O)的理论电导率为18.3MΩ·cm。人们生产的纯水达不到理论值,但18MΩ·cm似乎可以达到,对于这种水,有的称为高纯水,有的称为超纯水,目前还没有系统的定义。现在制备超纯水的方法是将各种纯化水的新技术科学地结合起来,使生产超纯水变得非常容易。
现代纯水制备方法不是仅仅把原水(未经处理的水)通过蒸馏器或去离子器,而是设计一种小型水处理系统,使水不断地循环通过一组提纯介质。并可选用该系统的不同组件以除去原水中的指定污染物,生产出特殊质量的分析用水。但并非分析实验室用的纯水全都需要这样高的质量,例如,经?捎媒系痛慷鹊乃吹邮笛槭业牟A髅,因此常需要两级纯化系统。一般实验室用水以标准去离子器提纯,而分析工作需要的高纯度水则可从实验室装置定制获得。其他情况下,有一集中系统通过配有多个出水口的环形管路供应高纯水则可能更方便[2]。
英国KertoneSZ中央纯水分质供应系统制水设备主机集中制水,设备产出的纯水通过输送管道输送到各用水点方便用户取用;超纯水实行终端再深度纯水处理以实现用户对水质超纯的需要。系统采用“蛇形循环”供水方式,即管道采取循环布置,回水经水质自动监测后,合格水进入储存系统,不合格水进入主机再处理。使用点阀门处的“盲管”段长度,不得大于6倍管径,无“死水”现象产生,这样才能可防止超纯水不受第二次污染,保证在任用水点取出的水都符合使用要求。
2 水的纯化方法
2.1 目前超纯水制备工艺流程
(1)采用离子交换方式,其流程如下:  
  原水→原水加压泵→多介质过滤器→活性炭过滤器→软水器→精密过滤器→阳树脂过滤床→阴树脂过滤床→阴阳树脂混床→微孔过滤器→用水点;
  (2)采用反渗透+混床方式,其流程如下:
  自来水管网→原水泵→絮凝加药→机械滤器→活性碳滤器→阻垢加药→保安过滤器→高压泵→反渗透装置→中间水箱→混床泵→混床装置→精密滤器→除盐水箱;
  (3)采用EDI方式,其流程如下:
原水→原水加压泵→多介质过滤器→活性炭过滤器→软水器→精密过滤器→一级反渗透机→中间水箱→中间水泵→EDI系统→微孔过滤器→用水点。
目前制备除盐水设备,除盐水设备系统超纯水的工艺基本上是以上三种,其余的工艺流程大都是在以上三种基本工艺流程的基础上进行不同组合搭配衍生而来。它们的优缺点分别如下: 
(1)第一种采用离子交换树脂其优点在于投资少,占用的地方少,但缺点就是需要经常进行离子再生,耗费大量酸碱,而且对环境有一定的破坏性。   
(2)第二种采用反渗透+混床,这是目前制取超纯水较经济工艺,需要用酸碱进行再生便可连续制取超纯水,对环境有一定的破坏性。其优点在于初投资相对比较划算。
(3)第三种采用反渗透作预处理再配上电去离子(EDI)装置,这是目前制取超纯水最经济,最环保的超纯水制备工艺,不需要用酸碱进行再生便可连续制取超纯水,对环境没什么破坏性。
2.2电除盐技术(EDI)
   EDI(Electro deionization)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。它巧妙的将电渗析和离子交换技术相结合,利用两端电极高压使水中带电离子移动,并配合离子交换树脂及选择性树脂膜以加速离子移动去除,从而达到水纯化的目的。在EDI除盐过程中,离子在电场作用下通过离子交换膜被清除。同时,水分子在电场作用下产生氢离子和氢氧根离子,这些离子对离子交换树脂进行连续再生,以使离子交换树脂保持最佳状态。它既克服了电渗析不能深度脱盐的缺点,又弥补了离子交换不能连续工作,再生需消耗酸、碱的不足,把离子交换、离子迁移、树脂再生融为一起。达到连续除盐的目的。而且运行维护简便,没有酸碱排放污染。图1为电除盐技术的原理图[3]。
图1 电除盐原理图
EDI装置的对进出水水质要求(如表1和表2所述):
表1 EDI的进水水质要求
项目
指标
项目
指标
ρ(TEA①,mg/L)
≤25
ρ(TOC,mg/L)
≤0.5
pH值
6~9
ρ(余氯) (mg/L)
≤0.05
硬度②(mg/L)
≤2
ρ(CO­2) (mg/L)
≤5
ρ(可溶硅,mg/L)
≤0.5
ρ(油) (mg/L)
≈0
温度(℃)
5~40
ρ(Fe) (mg/L)
<0.01
①TEA为总阴离子,含CO2
②硬度以CaCO3计。
表2 EDI装置出水水质要求
项目
参数
项目
参数
电阻率(MΩ﹒㎝)
≥15
TOC去除率(%)
>80
最大温升(℃)
1.5
SiO2去除率(%)
90~99
EDI的优点:
①无化学污染。使用的离子交换剂通过电解再生,无需腐蚀性很强的化学药品。
②实现连续运行。设备运行的同时就自行进行电再生,这样可以连续产水,不需备用?。
③启动/操作简单。?榛樽胺奖,操作只需简单的分析和控制,日常运行管理方便,工艺过程易实现自动控制。
④回收率高。EDI系统的回收率一般在80%-95%之间,具体取值取决于水中的CO2的含量和硬度。当硬度<1mg/L时,可达到90%;硬度<0.1mg/L时,回收率可达95%。
⑤占地面积更小。不需要再生和中和处理系统,在相同流量处理能力的条件下,占地面积约为混床的1/10。
⑥造水成本低廉。RO/EDI的投资运行成本比混床系统降低22%
⑦离子交换树脂的用量少,约相当于普通离子交换树脂柱用量的5%。
⑧有优异的除弱电解质的能力。在不添加化学药剂的条件下,也有很高的脱除弱电解离物质SiO2、CO2以及TOC的能力,更适用于高纯水的需要。
⑨?槭缴杓,堆积式自由组合,获得各种流量。
⑩快速稳定水质。
2.3 反渗透(RO)
目前是一种应用最广的脱盐技术。反渗透膜虽在1977年就已出现,但其规模化生产和广泛用于脱盐却是近几年的事情。反渗透膜能去除无机盐、有机物(分子量>500)、细菌、热源、病毒、悬浊物(粒径>0.1μm)等。产出水的电阻率能较原水的电阻率升高近10倍。
反渗透又称逆渗透,是一种膜分离技术,主要利用半透膜的渗透原理。若半透膜两侧液体浓度不同,就会发生自然渗透现象,即低浓度液体中的溶剂会向高浓度一侧移动。但是,如果在高浓度一侧施加压力,该压力就会反于自然渗透方向,致使溶剂在压力的作用下从高浓度一侧移向低浓度一侧,这就是反渗透原理过程[4]。反渗透制水装置就是根据这一原理设计的。在制水过程中由高压泵产生反渗透所需的压力。经过反渗透膜的筛分作用,原水中的细微杂质、胶体、有机物、重金属、细菌、病毒及其他有害物质都统统截留下来,并经污水出口排放掉,而经过反渗透膜的水即为纯水。原水一般采用自来水,由于输水管网二次污染的不可避免,使得自来水里存在许多肉眼看不见的细菌、胶体、藻类、有机物等有害物质,容易造成反渗透膜(RO膜)的污堵或结垢,可能严重造成RO膜性能的衰减,降低产水量,增大膜清洗的费用,因此在水处理工艺上要设计周全的原水预处理过程[5]。本系统原水预处理装置包括:多介质过滤器(活性炭、无烟煤、锰砂、石英砂、卵石),软化器,活性炭吸附罐,盐箱,保安过滤器等。
表3 反渗透膜对杂质的去除能力
离子
去除率(%)
离子
去除率(%)
离子
去除率(%)
Mn2+
96~99
SO42-
90~99
NO3-
50~75
Al3+
95~99
CO32-
80~95
BO2-
30~50
Ca2+
92~99
PO43-
90~99
微粒
99
Mg2+
92~99
F-
65~95
细菌
99
Na+
75~95
HCO3-
80~95
有机物(分子量>300)
99
K+
75~93
Cl-
80~95
HPO42-
90~99
NH4+
70~90
SiO2
75~90
H2PO4-
90~99
反渗透膜的种类很多,通常以制膜材料和膜的形式或其它方式加以命名。目前研究得比较多和应用比较广的是醋酸纤维素膜和芳香族聚酰胺膜两种,其它类型的膜材料也不断地研制出来[6]。现将具有代表性的各种反渗透膜的透水和脱盐性能列于表4。  
(1) 醋酸纤维素膜(简称CA膜) 以醋酸纤维素为成膜物质,丙酮为溶剂,加入过氯酸镁[Mg(C1O4)2]或甲酰胺[HCONH2]为添加剂(发孔剂或溶胀剂),按一定比例配制而成。CA膜的外观为乳白色或淡黄色的含水凝胶,膜厚100~250μm ,它是由致密的表皮层和多孔支撑层组成。表皮层是脱盐面,厚0.25~1μm,其孔隙率为12~14%,微孔孔径小于100μm。多孔支撑层为海绵状,孔隙率为50~60%,微孔孔径100~1000μm ,此层起支撑表皮层的作用。
影响CA膜工作性能的因素有温度、pH值、工作压力、进液流速和工作时间等。进水温度增高透水量增加,在15~30℃工作温度范围内,水温每提高l℃,透水量约增加3.5%,但是CA膜在水中会水解,温度愈高,水解速度愈快。此外,水解速度还与pH值有关,在pH=4.5~5时最小。所以供水温度一般以20~30℃为宜,pH值范围为3~7,以在酸性中工作为好!
表4 几种反渗透膜的透水和脱盐性能
品               种
测试条件
透水量(m3/m2.d)
脱盐率(%)
CA2.5
1%NaCl,4.9MPa
0.8
99
CA3超滤膜
海水,9.8MPa
1.0
99.8
CA3中空纤维膜
海水,5.88MPa
0.4
99.8
醋酸丁酸纤维素膜
海水,9.8MPa
0.48
99.4
CA混合膜(二醋酸和三醋酸纤维膜)
3.5%NaCl,9.8MPa
0.44
99.7
醋酸丙酸纤维素膜
3.5%NaCl,9.8MPa
0.48
99.5
芳香聚酰胺膜
3.5%NaCl,9.8MPa
0.64
99.5
聚乙烯亚胺膜(异氰酸脂改性膜)
3.5%NaCl,9.8MPa
0.81
99.5
聚苯并咪唑膜
0.5%NaCl,3.92MPa
0.65
95
硫化聚苯醚膜
苦咸水,7.35MPa
1.15
98
(2) 芳香族聚酰胺膜 这种膜的主要成膜材料为芳香聚酰胺,以二甲基乙酰胺为溶剂,硝酸钾或氯化钾为添加剂制成。它是一种非对称结构的膜。制成中空纤维膜时,其外径45~85μm,内径24~42μm,表皮层厚0.1~1.0μm。这类反渗透膜具有良好的透水性能;较高的脱盐率、工作压力低(2.74MPa即可)、机械强度好、化学稳定性好、耐压实、能在pH值为4~11范围内使用、寿命较长。
(3) 聚苯并咪唑膜 简称为PBI膜,其特点是在高温时透水性能好。在21~90℃温度范围内,PBI膜的透水量随温度上升而提高;而当温度升高到90℃时,PBI膜的透水量将到零。
3英国KertoneSZ中央纯水分质供应系统相关技术和功能介绍
英国KertoneSZ中央纯水分质供应系统其主要按照第三种超纯水制备工艺流程进行设计。现对该系统进行详细的描述。
3.1技术参数
(1)源水水源:市政自来水;
(2)源水温度:5-40℃;
(3)电源:380V
(4)出水水质:(以下三种水质可选一种或一种以上)
①纯水水质符合实验室用水规格GB6682-2008三级水标准,电阻率0.2 MΩ.cm@25℃;
②纯水水质符合实验室用水规格GB6682-2008二级水标准,电阻率≥1MΩ.cm@25℃;
③超纯水水质优于实验室用水规格GB6682-2008一级水标准,电阻率≥18 .25MΩ.cm@25℃;
(5)产水水量:60 / 150 / 250 / 500 /1000 L/h(或更大产水量);
(6)控制方式:液晶触摸屏式控制;
(7)运行方式:全自动运行,连续产水,自动保护;
(8)主机尺寸:长1500mm×宽900mm×高1700mm (或更大);
(9)主机外形:机柜一体式,前后四门可开;
(10)需求空间:≥8M2
(11)输送方式:集中制水,管网循环输送,布点取水。
3.2 功能介绍
(1)控制功能:全自动触摸屏显示控制器、动画式流程图,实时显示并监控各水处理单元工艺运行状态;
(2)运行状态及参数在线显示:流量在线显示、压力在线显示、源水水质和产水水质在线监测及数字显示等,实时了解设备运行情况,方便对系统运行状态进行监控和分析;
(3)具备自动保护和报警功能:开机自检、缺水保护报警、停电自动复位、高低压自动停机保护并处理、系统实现联动,如果系统局部出现问题,系统自动停机等;
(4)反渗透主机具有RO膜防垢程序设计功能,定时循环冲洗RO膜表面,有效保护RO膜运行;
(5)所有水箱液位全自动控制:中间水箱、纯水箱、水箱之间的设备连接不仅实现联动,同时保护每台泵不至空转而损坏;
(6)产品水质在线监测与不合格水循环处理:为保证用水点水质符合要求,主机产水水质实时在线监测,并设有水质反馈装置,不合格水质循环再处理;
(7)具备自动冲洗管网功能,定期对管路进行清洗,以保持管道内部洁净,管路冲洗时,可直接排放,也可回流到制水设备主机重新利用,以节约水源;
(8)可根据用户的需要输入或修改多组参数,满足个性化自动运行要求,可兼顾各种执行器和流程运行模式。
3.3 主要配置介绍
优质增压泵;多介质过滤装置;活性碳过滤器;软化处理器;保安过滤器;RO反渗透处理单元;纯水专用液位自动控制水箱;进口芯片控制处理器;大屏幕液晶触摸显示监控装置。
3.4 输送管网(管网材质可据不同用户需求而定)
根据用水水质,采用相应的输送管网和系统设计工艺,以及选择管路材料和施工方案。台湾环祺UPVC超纯水专用管件,管道和附件采用洁净材料,其在液体输送及排放系统上,已有多年成功的使用经验。由于UPVC特殊的高分子材料以美国ASTM SCH.80标准,可保证UPVC的物理、化学特性的稳定,十分适合输送超纯水和直冲洗用水,同时亦能满足严苛的操作环境。UPVC管的使用寿命可达30年以上。
4 结语
SZ中央纯水分质供应系统按照最新最经济的超纯水工艺制备流程设计,设备产出的纯水通过输送管道输送到各用水点方便用户取用;超纯水实行终端再深度纯水处理以实现用户对水质超纯的需要。该纯水供应系统取用水简便高效,使用成本较低,适合于现代化大型实验中心用水需求及发展需要。
参考文献
[1] 田小萌.水的纯化与超纯水的制备[J]. 云南环境科学 2005, 24 (2): 27-28.
[2] J.CROSS B.Sc.D.Phil.,张赣南;现代实验室用的超纯水的生产国外科学仪器1986(04):34-37
[3] 赵毅,王娜,孙小军等. 电去离子(EDI)技术及其在高纯水生产中的应用[J]. 华北电力大学学报,2007,34(3):72-76
[4] 张道方.反渗透膜技术在制药工业中的应用[J].福建化工, 2005, (5): 35-37.
[5] 尤伟.血液透析用水系统方案探讨[J].医疗卫生装备, 2006, 27(4): 46
[6] 李国东,王薇弘,李凤娟等.反渗透膜的研究进展[J]. 高分子通报,2010(7):37-42.
 

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