淺談超濾裝置與活性炭裝置在超純水制備過程中的利弊

席堅盟

摘 要：超純水是導(dǎo)電離子、膠體、有機(jī)物等全部被去除的水，其產(chǎn)水電阻率大于18 MΩ·cm（25 ℃）。超純水系統(tǒng)一般采用預(yù)處理技術(shù)、反滲透技術(shù)、電除鹽技術(shù)和后級處理等，同時，配有紫外燈、TOC裝置等輔助處理。

關(guān)鍵詞：超純水；SDI；濁度；活性炭裝置

中圖分類號：X703.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.10.116

1 制備超純水的流程

制備超純水的流程是：自來水→預(yù)處理系統(tǒng)→多級高壓反滲透系統(tǒng)→EDI電除鹽系統(tǒng)→TOC裝置→拋光混床系統(tǒng)→用水點。在制備過程中，水泵作為動力源，各級儲水箱要確保系統(tǒng)水泵能夠安全、穩(wěn)定運(yùn)行。個別部位增加不同處理等級的過濾器，能夠保證產(chǎn)水的品質(zhì)。同時，在過濾器運(yùn)行的過程中，添加各種藥劑可以調(diào)節(jié)水的pH值，降低水中余氯，減緩RO膜的結(jié)垢速度等。冬季，在北方一些氣溫較低的地區(qū)，會在預(yù)處理系統(tǒng)進(jìn)口處增加換熱器，使自來水的水溫滿足設(shè)備產(chǎn)水工藝的要求。此外，在超純水箱中，用氮氣隔絕水與外界的介質(zhì)是非常重要的，它能確保制備的超純水不被空氣二次污染。

2 預(yù)處理系統(tǒng)的重要性

2.1 RO膜的進(jìn)水要求

在制備超純水的過程中，RO系統(tǒng)是最關(guān)鍵的。RO系統(tǒng)的正常運(yùn)行能保證整個純水設(shè)備的運(yùn)行安全和產(chǎn)水水質(zhì)。在制備超純水的過程中，RO系統(tǒng)對進(jìn)水有一定的要求，具體有以下幾點：①淤泥密度指數(shù)（SDI值）<4.0；②濁度（NTU）<1.0 100 T/h；③有機(jī)物含量（COD）<1.5 mg/L；④余氯含量<0.1 mg/L（實際控制在0 mg/L）；⑤當(dāng)溶氧>5 mg/L時，鐵含量<0.05 mg/L；⑥濃水中SiO2<100 mg/L；⑦LSI，pHb-pHs<0；⑧Sr、Ba等易形成難溶鹽的離子，Ipb<0.8 Ksp。

2.2 預(yù)處理系統(tǒng)的作用

進(jìn)入反滲透系統(tǒng)之前，要利用預(yù)處理系統(tǒng)清除水中的余氯、大顆粒懸浮物和絮狀膠體雜質(zhì)、有機(jī)物、氧化物、有機(jī)物、重金屬，以降低COD值、SDI值。另外，水中的鈣、鎂、鋇、硫酸鹽、硅酸鹽和碳酸鹽等離子可以通過添加阻垢劑與以上離子結(jié)合后形成大分子微粒，然后在反滲透裝置中以濃水形式排放。

2.2.1 系統(tǒng)運(yùn)行異常對RO膜的影響

由預(yù)處理的相關(guān)內(nèi)容可知，在進(jìn)入RO膜之前，絕大多數(shù)高分子有害物質(zhì)會通過預(yù)處理系統(tǒng)被清除。假如預(yù)處理系統(tǒng)有缺陷，反滲透進(jìn)水指標(biāo)很多項都不達(dá)標(biāo)，則會導(dǎo)致反滲透膜元件受到不可逆的物化損傷，從而大大縮短反滲透膜元件的使用壽命。影響反滲透膜元件使用壽命的因素有以下幾個：①RO反滲透膜結(jié)垢；②RO反滲透膜被金屬氧化物污染；③懸浮物污堵RO反滲透膜；④膠體、有機(jī)物和微生物被污染，導(dǎo)致出水COD升高。

2.2.2 系統(tǒng)異常對反滲透超純水系統(tǒng)的影響

當(dāng)預(yù)處理系統(tǒng)運(yùn)行異常時，會影響整個反滲透超純水系統(tǒng)的運(yùn)行，具體表現(xiàn)在以下3方面：①降低反滲透超純水系統(tǒng)的產(chǎn)水量和產(chǎn)水質(zhì)量；②增加反滲透設(shè)備運(yùn)行的水能耗和電能耗；③增加水處理的運(yùn)行成本，包括阻垢劑及其他水處理藥劑等。

3 超濾系統(tǒng)與活性炭系統(tǒng)的工作原理

以半導(dǎo)體電子行業(yè)為例，本文簡要介紹了預(yù)處理系統(tǒng)的工作原理。在實際生產(chǎn)過程中，常見的預(yù)處理系統(tǒng)有超濾系統(tǒng)和活性炭系統(tǒng)。超濾系統(tǒng)是由盤式過濾器和超濾裝置組成的；活性炭系統(tǒng)是由多介質(zhì)過濾器和活性炭過濾器組成的。

3.1 超濾系統(tǒng)的工作原理

盤片式過濾器的工作原理是，通過壓緊的塑料盤片實現(xiàn)表面過濾和深層過濾。它主要是用來清除水中的泥沙等大顆粒物質(zhì)。超濾是一種加壓膜分離技術(shù)，即在一定的壓力下，使小分子溶質(zhì)和溶劑穿過一定孔徑的特制薄膜，大分子溶質(zhì)（分子量為10 000～30 000）則不能透過，留在膜的一邊，從而使大分子物質(zhì)被部分純化。超濾系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。

3.2 活性炭系統(tǒng)工作原理

多介質(zhì)過濾器是利用一種或幾種過濾介質(zhì)，在一定的壓力下，使?jié)岫容^高的水通過一定厚度的粒狀或非粒過濾材料有效去除懸浮雜質(zhì)，使水澄清。常用的濾料有石英砂、無煙煤和錳砂等，它們主要用于水處理除濁，軟化水、純水的前級預(yù)處理等，SDI值可達(dá)3以下。用多介質(zhì)過濾器過濾出來的水再進(jìn)入活性炭過濾器后，因為活性炭過濾器中裝有以石英砂為基床，活性炭為濾材的濾料，濾材活性炭通過其自身的空隙在范德華力的作用下，可以去除水中的余氯、有機(jī)物和懸浮物等雜質(zhì)。

4 超濾裝置和活性炭裝置的利弊

在使用裝置的過程中，這兩類預(yù)處理系統(tǒng)各有利弊。

4.1 超濾系統(tǒng)

4.1.1 優(yōu)點

超濾系統(tǒng)的優(yōu)點是：①濃縮倍數(shù)高，產(chǎn)品回收率可達(dá)90%以上；②出水水質(zhì)的澄清度和水質(zhì)較好；③超濾系統(tǒng)作為反滲透預(yù)處理設(shè)備，應(yīng)用它，可以大大減少反滲透方面的投資，延長RO膜的使用壽命（壽命在3年以上）；④系統(tǒng)自動化程度高，結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行維護(hù)成本少，可在線反洗和藥洗；⑤占地面積小。

4.1.2 缺點

超濾系統(tǒng)的缺點是：①由于超濾膜的微孔徑在0.002～0.1 um之間，而水中的膠體體積≥0.1 um，乳膠體積≥0.5 um，菌類體積≥0.2 um，顆粒體積≥5 um，過濾范圍廣，因此，在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，有些部件很容易被堵塞，影響出水流量和膜的使用壽命；②前期投資較大，一般相同產(chǎn)水量的超濾系統(tǒng)價格是多介質(zhì)加活性炭系統(tǒng)之和的2～3倍；③超濾系統(tǒng)對進(jìn)水壓力的要求較為嚴(yán)格；④不能長時間停機(jī)，如果長期停機(jī)，必須用藥劑封存膜。

4.2 活性炭系統(tǒng)

4.2.1 優(yōu)點

活性炭系統(tǒng)的優(yōu)點是：①前期投資小；②出水量穩(wěn)定，對系統(tǒng)進(jìn)水壓力的要求少。

4.2.2 缺點

活性炭系統(tǒng)的缺點是：①占地面積大。②在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，由于活性炭、無煙煤參與物化反應(yīng)，導(dǎo)致自然消耗加重，吸附失效，使產(chǎn)水水質(zhì)變差，進(jìn)而影響反滲透系統(tǒng)。③活性炭過濾器反洗周期不易控制，而且時間比較短。活性炭成為粉末隨水流出，嚴(yán)重污染了水質(zhì)和下一級設(shè)備。如果反洗周期長，則活性炭過濾器易形成高壓差，引發(fā)系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險，影響出水量。④系統(tǒng)后期運(yùn)行維護(hù)成本高，工作量大，濾料的使用壽命短（每年需更換一次）。

5 總結(jié)

在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，各超純水使用企業(yè)要根據(jù)自己的實際生產(chǎn)需求分析所選預(yù)處理系統(tǒng)的利弊，以找到適合本企業(yè)的系統(tǒng)配置。在選擇系統(tǒng)時，切不可求大、求全、求新，要盡量將產(chǎn)品質(zhì)量與企業(yè)實際情況相結(jié)合。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：白潔〕