实验室水净化技术与工艺

在蒸馏过程中，水经加热产生蒸汽，杂质则留在原处。水蒸气上升至冷凝器后，通过循环水冷却。冷却过程降低温度，使蒸汽重新凝结成液体（图2）。最终，水中的杂质残留在沸腾容器中。

蒸馏法能有效去除多种杂质，包括矿物质、有机物、颗粒物和细菌，从而获得洁净的蒸馏水。

然而，蒸馏过程存在若干局限性：

• 无机污染物：无机离子可沿蒸馏器内壁形成的薄水膜迁移，这解释了为何蒸馏水中仍存在离子（25℃时电阻率可能高达1 MΩ·cm）。加热水的玻璃或金属蒸馏锅也会释放污染物（如二氧化硅、钠、锡、铜）。
• 有机污染物：沸点低于100℃的有机分子会转移至蒸馏液。此外，部分沸点高于100℃的有机物可溶解于水蒸气并进入蒸馏液。 此外，蒸馏过程中可能形成新的有机氯化合物。这是因为蒸馏产生的能量促使自来水消毒添加的氯与水中天然有机物发生反应。因此蒸馏水的总有机碳（TOC）含量通常约为100 ppb。
• 储存期间的污染：蒸馏过程缓慢，需长期储存水体。在此期间，周围空气中的无机/有机挥发性物质、细菌、颗粒物及藻类可能导致二次污染。此外，容器本身也会造成污染——塑料储罐会渗出有机化合物，玻璃容器则会迁移离子。
• 高资源消耗：蒸馏过程需消耗大量能源和水资源，因此运营成本高昂。此外，蒸馏器需定期清洁沸腾锅，以清除工艺中积累的污染物。

蒸馏法的优势与局限：

优点

• 能去除多种污染物，适合作为初级净化步骤。
• 可重复使用。

局限性

• 部分污染物会随冷凝液残留。
• 需精心维护以确保纯度。
• 消耗大量自来水（用于冷却）和电能（用于加热）。
• 不环保。

反渗透（RO）是去除水中95%以上污染物最经济的手段。

当两种浓度不同的溶液被半透膜隔开时，自然渗透现象便会发生。渗透压驱动水分子穿过膜层，稀释高浓度溶液直至达到平衡状态。

在反渗透过程中，通过向高浓度溶液施加水压来对抗渗透压。该过程迫使水分子穿过半透膜，同时将溶解盐类、细菌及其他杂质截留在膜外（图3）。RO膜可阻隔95%至99%的分子量大于200道尔顿的颗粒物、细菌及有机物。

RO还涉及离子排斥过程。 半透膜依据离子电荷量进行盐分（离子）截留：电荷越大，截留率越高。因此膜能截留几乎所有（>99%）强离子化多价离子，而对钠等弱离子化单价离子的截留率仅约95%。此外，盐分截留率随施加压力显著提升（最高可达5巴）。

水净化系统中的反渗透技术

反渗透是净化自来水的高效方法，前提是系统设计需充分考虑进水条件及产水用途。该技术也是试剂级水精制系统的最佳预处理方案。

不同进水可能需要不同类型的RO膜。膜材料主要由醋酸纤维素或聚酰胺薄膜复合材料制成，基材为聚砜。高浓度污染物（如颗粒物、氯及有机化合物）会堵塞或降解膜材料，导致RO膜损坏。为保护膜元件并确保最佳性能与使用寿命，需在水流经膜前通过预处理滤芯去除有害物质。

纯水以与施加压力成正比的流速从浓缩液中分离，并在膜下游被收集。由于RO膜具有极高阻隔性，其单位表面积产水量较低，因此需配备储水罐以在合理时间内生产足量纯水。

降低耗水量

在典型RO工艺中，大量水被作为废水排出。为此，许多Milli-Q^®系统采用先进RO技术，相较标准RO系统显著降低用水量。这些技术包括：

• RO回收回路：捕获部分RO废水并循环回流至系统，使其再次通过RO膜。该工艺可大幅减少水资源浪费，使系统比标准RO系统更具可持续性和成本效益。此外，自动RO膜冲洗功能可维持其高性能。采用此技术的系统包括Milli-Q^® IX和Milli-Q^® IQ 7系列。
• E.R.A.™（进化式排液调节）技术通过实时监测进水水质自动优化水回收率，相较其他RO系统可降低高达50%的用水量。该技术免除人工调节阀门以维持流量的操作，延长RO滤芯使用寿命并减少耗材浪费。此技术已集成于Milli-Q^® HX 7系列等系统中。 

反渗透的优点与局限性

优点

• 能有效去除各类污染物（颗粒物、有机物、微生物、胶体及溶解性无机物），因此可作为初级净化步骤。
• 维护需求极低。

局限性

• 需良好预处理以避免水污染物导致膜快速损坏：结垢（表面沉积CaCO₃）、污垢（表面沉积有机物或胶体）或膜完整性丧失/孔径改变（硬质颗粒损伤或氯氧化作用）。
• 单位表面积处理流量有限。需采用大面积膜组件或中间储水装置才能实现高流量处理。

电去离子（EDI）技术融合了电渗析与离子交换的优势，形成一种高效脱盐工艺。在该装置中，离子交换树脂通过电流实现持续再生，这种电化学再生方式取代了传统离子交换系统的化学再生工艺。

Elix^®电去离子模块由多个"单元"构成，这些单元排列在两个电极之间（图4）。系统中的每个组件在净化过程中都发挥着特定作用：

• 单元结构：每个单元由聚丙烯框架构成，两侧附着离子选择性膜：一侧为阳离子渗透膜（图4中标记为C），另一侧为阴离子渗透膜（A）。单元间通过筛分隔板相互隔离。
• 树脂床：每个单元中央空间（图4中标记为3）填充着薄层离子交换树脂。这些树脂负责从进水中捕获溶解离子。
• 水流路径：进水（1）被分流为三股水流（1、3和5）：
  • 少量水流经电极
  • 主体水流（65–75%）穿过单元内部的树脂床
  • 剩余水流沿单元间隔板流动
• 离子去除过程：当进水从单元顶部进入时，离子交换树脂捕获溶解离子。施加于模块两端的电流驱动这些离子通过离子选择性膜：
  • 阳离子通过阳离子渗透膜向阴极移动。
  • 阴离子通过阴离子渗透膜向阳极移动。

然而离子无法直接抵达电极，会被相邻异号电荷的离子选择性膜阻挡（4），阻止其继续迁移。最终离子在单元间隙（3）——即浓缩通道内富集。

• 浓缩液排出：该通道（3）内富含高浓度离子的水被持续冲出系统并排入排水口（6）。
• 来自净化通道（2）的产水（7）是优质的纯净2型水，不含溶解离子。

观看视频，了解Elix^® EDI模块如何高效去除纯水中的离子。

电去离子技术的优势与局限

优点

• 有效去除溶解性无机物，在25°C条件下实现大于5 MΩ·cm的电阻率（相当于水中总离子含量约为50 ppb）。
• 更环保的技术：
  • 无需化学再生
  • 无需化学废物处置
  • 无需树脂处置
• 运行成本低廉。

局限性

• 仅能去除有限种类带电有机物。
• 需使用优质水源（例如反渗透水）作为进水，以实现经济高效运行。

在离子交换过程中，水流经球形多孔珠粒（离子交换树脂）。水中的离子与附着在珠粒上的其他离子发生交换。最常见的两种离子交换方法是软化处理和去离子处理。

• 软化主要作为预处理方法，用于在其他水净化工艺（如反渗透RO）前降低水硬度。软化器内的树脂珠每去除一个钙离子或镁离子，就会向"软化"水中释放两个钠离子。
• 脱离子（DI）则采用离子交换珠，通过氢离子置换阳离子或羟基离子置换阴离子。此类树脂体积小（<1.2毫米），由聚苯乙烯基多孔材料制成，其表面及珠体内部均通过共价键结合离子交换位点。 去离子树脂可分别装入阳离子交换器和阴离子交换器，也可装入同时含有两种树脂的混合床交换器（见图5）。混合床配置能更高效地去除离子，从而获得更高的水电阻率值。

水净化中的脱离子过程

去离子过程如下所示（图6）：

• 阳离子交换树脂由聚苯乙烯链通过二乙烯苯交联而成，其上共价键合有磺酸基团。这些树脂会将遇到的任何阳离子（如Na⁺、Ca^²⁺或Al^³⁺）与氢离子进行交换^。
• 阴离子交换树脂由聚苯乙烯聚合物链构成，其上共价键合有季铵基团。这些树脂通过羟基与任何阴离子（如Cl^-、NO₃^-、SO₄^2-）发生交换反应。来自阳离子交换器的氢离子与阴离子交换器的羟基离子结合，最终形成纯净水。

IQnano™离子交换树脂相较于Jetpore^®离子交换树脂具有更小的直径（图7），并具备快速动力学特性。将这两种树脂结合使用，可在实现痕量离子去除的同时，显著减少总介质体积，缩小滤芯尺寸，并构建更紧凑的系统。

离子交换树脂再生

当树脂中的氢离子和/或羟基离子全部被水中的带电杂质置换后，树脂即达到饱和状态。 离子交换树脂可通过强酸和强碱进行再生。该过程逆转净化机制，将树脂吸附的污染物替换为氢离子和羟基离子。然而，这种强烈的化学过程可能损伤构成树脂珠的聚合物链，导致有机物和颗粒物污染树脂，从而影响高纯水生产。

针对高纯水生产，存在两种解决方案：

• 采用仅含单球形珠粒且总有机碳含量低的"全新"混合床离子交换树脂包，使用一次后即弃置。若预处理水质优良可降低更换频率，此方案在经济上可行。优质预处理不仅需去除大部分离子以降低树脂包的离子污染负荷，还应清除有机物、颗粒物及胶体。 
• 采用电去离子等温和连续工艺再生离子交换树脂，避免损伤树脂珠体并由此产生污染物（详见上文及图4）。

脱盐技术的优势与局限

当与反渗透、过滤及活性炭吸附等技术组合使用时，脱离子可成为整体水处理系统的重要环节。脱离子系统虽能高效去除离子，但对大多数有机物和微生物的去除效果有限。微生物可能附着于树脂表面，长期形成细菌滋生的培养基，进而产生热原。

优点

• 能有效去除水中的溶解无机物（离子），使25℃条件下电阻率达到18.0 MΩ·cm以上（相当于水中总离子污染物含量<1 ppb）。
• 可再生（通过酸碱再生实现"运行中脱盐"，或在水处理系统中采用电去离子技术）。
• 初期资本投入相对较低。

局限性

• 容量有限：当所有离子结合位点被占满后，将不再保留离子（在电去离子工艺中运行除外）。
• 无法有效去除有机物、颗粒物或细菌。
• 经化学再生处理的DI床可能产生有机物和颗粒物，并滋生细菌。
• 一次性使用的"原生"树脂需配合优质预处理水源方能实现经济效益。

活性炭由多孔颗粒构成，其内部存在着复杂的小孔网络（图8）。 每克活性炭的展开表面积可达1000平方米。溶于水中的有机分子可能进入微孔，并通过范德华力与孔壁结合。吸附过程受活性炭微孔直径及有机分子在微孔中的扩散速率影响。此外，吸附速率还取决于有机物的分子量和分子尺寸。

水净化中使用的活性炭类型

活性炭通常与其他处理工艺配合使用。在水净化系统设计中，活性炭与其他组件的布局关系是关键考量因素。

水处理用活性炭主要有两种形态：

• 天然活性炭：通过高温处理椰壳等植物原料制成。该工艺产出由不规则颗粒组成的细粉。天然活性炭含有高浓度离子污染物，因此仅作为预处理步骤使用，通过还原反应去除自来水中的过量氯，并在一定程度上降低有机污染物含量。
• 合成活性炭则是通过聚苯乙烯球形颗粒的可控热解制成（图9）。这种更洁净的材料用于从纯净水中去除低分子量痕量有机物。 

活性炭的优点与局限性

优点

• 有效去除溶解性有机物和氯。
• 因吸附能力强而使用寿命长。

局限性

• 无法高效去除离子和颗粒物。可能产生碳粉。
• 受限于结合位点数量，处理容量有限。

某些紫外线辐射可能具有杀菌作用，或可光氧化有机污染物，使紫外线灯成为水净化中的重要工具。

杀菌紫外线辐射

紫外线辐射已被广泛应用于水的杀菌处理。微生物细胞的DNA吸收紫外线后，受影响的微生物将失去活性。

杀菌紫外线灯主要分为两种类型（图10）：

• 传统上采用波长254纳米的低压汞灯，用于灭活微生物并防止纯水中细菌滋生与污染（图10a）。
• 如今，采用专利无汞UVC LED技术（波长265纳米，ech₂o^®杀菌紫外线）的设备正日益普及，可实现高效灭菌（图10b）。

杀菌紫外线灯可安装于：

• 安装于水净化系统中，用于控制纯水中的细菌含量
• 水箱中，以维持储存纯水的低细菌污染水平并防止生物膜形成。

光氧化紫外线辐射

水溶性有机化合物经光氧化作用最终转化为二氧化碳。通过光氧化技术，高纯水中的总可氧化碳（TOC，有时称为“总有机碳”）含量可降至5 ppb或更低水平。

光氧化紫外线灯存在多种类型：

• 传统上采用低压汞灯，其高纯度石英灯套可透过185纳米紫外波长。
• 另一种选择是ech₂o^®无汞氙气准分子（激发二聚体）技术，其发射的172纳米波长紫外线可确保有机污染物的光氧化作用。

紫外线辐射的优势与局限

优点

• 高效消毒处理（细菌控制）及有机化合物氧化能力，可使水体总有机碳（TOC）浓度降至5 ppb以下。
• 提供高效且更环保的替代方案，取代含汞紫外线灯。

局限性

• 有机物的光氧化属于精处理步骤，仅能有限降低TOC水平。
• 紫外线对离子、颗粒物或胶体无影响。
  

微孔滤器可分为两类：

• 深度过滤器由纤维或材料压制成网状结构，通过随机吸附或截留方式捕获颗粒（图11a）。
• 表面过滤器由多层介质构成。当流体通过时，大于滤芯孔隙的颗粒被截留，主要积聚在滤材表面。与深度过滤器不同，其通过滤材表面捕获颗粒。筛网过滤器（亦称膜过滤器）具有本质均匀的结构，如同筛子般将所有大于精确控制孔径的颗粒截留在表面（图11b）。

理解不同过滤器类型的差异至关重要，因为每种过滤器都具有独特的功能：

• 深度滤芯：通常作为预滤器使用，深度滤芯能以经济高效的方式去除98%以上的悬浮固体。其通过在滤材整个厚度范围内捕获污染物，保护下游组件免受污垢或堵塞影响。例如，这种滤芯存在于用于保护RO膜的预处理滤芯中。
• 筛网过滤器：作为精度最高的过滤器，可截留100%大于其孔径的颗粒物。置于净水系统的末端，能清除残留的微小污染物——如树脂碎片、活性炭微粒、胶体颗粒及微生物。例如Millipak^® 0.22微米末级过滤器，可在^Milli-Q^®系统出液点有效阻隔颗粒物与细菌。

微滤技术的优势与局限

优势

• 筛网滤芯属于绝对过滤器，可清除所有大于其孔径的颗粒物和微生物。
• 在使用寿命内保持高效，除非发生损坏。
• 维护仅限于更换。

局限性

• 无法去除溶解性无机物、有机物或内毒素。
• 无法再生。

与根据孔径大小去除颗粒的筛式（微孔）膜滤器不同，超滤（UF）膜如同分子筛般运作。UF膜依据溶解分子的尺寸进行分离，该尺寸通常以分子量表示，尽管尺寸与重量的关系并非总是直接对应。

在超滤器中，通过将溶液强行推过极细的、具有选择性渗透性的膜（图12）来实现分离。这种薄膜坚固耐用，能截留大部分大于特定阈值（即标称分子量限制值NMWL）的大分子。被截留物质包括胶体、微生物、内毒素（或致热原）、核糖核酸酶或脱氧核糖核酸酶。 较小分子（如无机离子）则可通过膜进入滤液。

在水净化领域，超滤器常用于生产无内毒素、无核酸酶和无蛋白酶的水，这对细胞培养和分子生物学等敏感应用至关重要（例如Biopak^®或SQPAK^™ Bio终段精滤器）。

超滤的优势与局限性

优点

• 能高效去除大部分大于额定尺寸的颗粒、热原、酶、微生物和胶体，将其截留在超滤膜表面。
• 在整个使用寿命期间都能高效运行，除非受到损坏。
• 通过定期高速冲洗水流可延长使用寿命。

局限性

• 无法去除溶解性无机物或有机物质。
• 当面临过量高分子量污染物时可能发生堵塞。