淺談實驗室用水制備技術

單偉一，孫 鵬，于立娟，李廣義

(1.山東省海洋精細化工重點實驗室，山東 濰坊 262737；2.山東省海洋化工科學研究院，山東 濰坊 262737)

實驗室用水是實驗室化驗分析中用量最大的試劑，實驗室的分析試驗都離不開實驗室用水。但是實驗室用水使用量大且頻繁，運輸及儲存不便的特點給實驗室的日常業務帶來不小的壓力。隨著科技的發展不少實驗室都采購了制水設備進行現場制水，本文簡單闡述下實驗室用水的制備原理及使用情況。

1 實驗室用水要求

實驗室用水共分三個等級，其等級與指標要求見表1。

表1 實驗室用水指標[1]

一級水用于液相色譜等精密儀器的分析試驗；二級水用于例如原子吸收光譜等ppb級痕量分析試驗；三級水用于一般化學分析試驗。其中實驗室一級用水不可儲存，必須現用現制。

2 水質純化方法

2.1 蒸餾法

蒸餾法是廣泛應用的制水方法。由于雜質中以無機鹽類的為主的雜質成分具有不揮發的特性，因此可以通過蒸餾的方法去除大部分的雜質。在蒸餾時水中二氧化碳及低沸揮發物可能和水蒸氣一同進入產出的蒸餾水中；部分液態水會發生霧化或迸濺將雜質帶入蒸餾水；冷凝器材料成分也可能污染產出的蒸餾水，因此，僅一次蒸餾的水質一般只能達到三級水標準。要想制得更高純度的實驗室用水可以通過重蒸餾的方法,將一次蒸餾過的蒸餾水加入特定試劑抑制某些雜質揮發進行多次蒸餾的方法提高水質，通過這樣制備的水質可以達到二級水標準。例如甘露醇能抑制硼的揮發，堿性高錳酸鉀可分解部分有機物并限制產出水中二氧化碳含量[2]。

蒸餾法優點是操作簡單，但是由于方法關系水質容易受到污染且能耗相對較高，而且無法制得高純度實驗室用水，現多用于企業工廠等對水質要求不高的實驗室。

2.2 反滲透法

反滲透法是一種常見的凈水技術。反滲透法的關鍵是反滲透膜的選擇，不同孔徑及種類的膜決定了其除雜效率。膜組件形式使用最多的是中空纖維式和螺旋卷式。膜材料包括醋酸纖維素及表面聚合技術制成的交聯芳香族酰胺復合膜[3]。反滲透法能有效濾除水中的無機鹽、有機物、懸浮物及部分微生物等雜質。由于過濾的雜質會隨著時間在膜表面積累從而影響制水效率和制水質量，因此在運行一段時間后或長期停機前需要對其膜組件進行清洗；此外水中溶解的氯及部分有機物會對膜表面有腐蝕作用，需用活性炭對水進行前處理。

反滲透法具有能耗低，效率高，易操作的特點；同時也具有易堵塞，凈化能力有限的局限性，一般只能獲得二級用水。此方法也常與其他方法相結合進行超純水的進一步制備。

2.3 離子交換樹脂法

離子交換樹脂法是一種傳統的凈水方法。離子交換樹脂是一系列呈網狀結構并帶有活性基團的高分子化合物，它由骨架和固定基團及可交換離子組成和活性基團構成。根據離子交換樹脂所帶活性基團的性質，可分為強酸陽離子、弱酸陽離子、強堿陰離子、弱堿陰離子、鰲合性、兩性及氧化還原樹脂，其中強酸性的樹脂相對應用最為廣泛[4]。

離子交換樹脂制備實驗室用水的原理是先用強酸性樹脂交換水中的陽離子，再通過強堿性樹脂交換水中的陰離子，以水中氯化鈉為例，交換公式為：

陽離子交換樹脂：R-H + Na+= R-Na + H+

陰離子交換樹脂：R-OH + Cl-= R-Cl + OH-

總反應式為： RH+ROH+NaCl=RNa+RCl+H2O

離子交換樹脂的孔徑和種類決定了其制水的效率和制水質量。使用前樹脂需要進行酸堿浸泡的預處理工作，隨著反應的進行，離子交換樹脂反應受到抑制導致效率逐漸降低，這時就需要對樹脂進行再生處理，通過加入相應的再生劑將陰陽離子置換出來重復利用。

離子交換樹脂法工藝成熟，相比其他方法具有產水成本低，效率穩定的特點，適合企業大批量連續制水。但因為樹脂需要不斷更換并進行再生處理，操作相對復雜，自動化難度高以及酸堿使用量大。

2.4 EDI技術

EDI(Electrodeionization)技術又稱電子去離技術或連續電除鹽技術，它是一種上世紀九十年代才逐漸成熟的凈水技術，EDI技術結合了電滲析法與離子交換樹脂法的優勢，該技術在超純水的制備中得到廣泛應用。

EDI技術的工作核心是EDI膜堆的運作。如圖1所示，膜堆是由數組陰、陽離子交換膜和房室隔板交替擺放組成，隔板將其內部分成濃水室和淡水室，其中淡水室中填充有用于交換水中離子的陰、陽離子交換樹脂。由于在純水中，離子交換樹脂的導電能力與所接觸的液面相比要高出數倍，淡水室中的雜質離子與樹脂進行交換生成水，隨后在電勢差的作用下發生躍遷轉移至鄰近的離子交換膜表面并滲透進入濃室，當樹脂、交換膜與所接觸的液面離子濃度差達到一定程度時，水會發生解離反應重新生成H+和OH-，再次與樹脂結合進行再生[5]。交換、轉移、再生三個階段同時進行，以達到高效連續制水。

圖1 EDI工作原理圖

EDI技術對輸入水質要求較高，進水的電導率、工作電壓-電流、濁度及污染指數(SDI)、硬度、總有機碳(TOC)、鐵錳等金屬離子、二氧化碳、總陰離子含量(TEA)等參數均有可能影響其制水效率[6]。其中水質硬度對設備影響極大，部分地區水質硬度過高，長時間使用可能導致膜堆結垢，嚴重影響設備的使用壽命，需對其進水進行預處理才可使用。

近年來EDI技術還應用于中小型化設備也是一種發展方向，許多研發公司主打一體化、便攜式的理念，將EDI技術應用于超純水機的制造上，現在已有多款中小型一體化的超純水機投放市場，用于滿足各種規模實驗室的用水需求。

3 總結

隨著技術的進步，越來越多的技術被應用到水質凈化領域，實驗室制水設備也不僅限于大型企業才能配備，設備的一體化、便攜化也是未來的一種發展趨勢。但是我國相應技術起步較晚，技術水平與國外無法并駕齊驅，同類技術在市場占有率上目前處于劣勢，目前仍然存在引進新技術成本高、耗材貴的問題，因此在實驗室制水乃至整個水質凈化領域仍有很大的研究空間。