​纯水制备方法简介

净化水质的一般工艺方法和流程

目前常用净化水质的工艺方法有蒸馏法、离子交换法、电渗法、反渗透法、过滤法、吸附法、紫外氧化法等。

实验室常用的纯水制备方法是蒸馏法、离子交换法等。由于制备方法不同，水中带有少量杂质种类大小也不同，如用铜蒸馏器蒸馏的水，则会含有微量的铜离子；而用玻璃蒸馏器蒸馏的水则会含有钠离子和硅酸根离子；用离子交换法制得的纯水，将会含有少量的有机物质、微生物等。一般制得的纯水由于空气中CO₂ 的影响，水的pH值均小于7,约为5～6。

高纯水的纯化工艺流程大致分为3个部分：预处理、脱盐和后处理。每一个部分都要除去一定种类的杂质。

预处理过程采用砂滤、膜过滤、活性炭吸附方法，除去悬浮物、有机物。通过砂芯滤板和纤维柱滤除机械杂质，如铁锈和其他悬浮物等。活性炭是广谱吸附剂，可吸附气体成分，如水中的游离氯等；吸附细菌和某些过渡金属等。

脱盐过程采用电渗析、反渗透、离子交换方法，除去盐类物质。如反渗透膜过滤可滤除95%以上的电解质和大分子化合物，包括病毒、微生物、细菌、胶体微粒等。

后处理过程采用紫外线杀菌、臭氧杀菌、超过滤、微孔过滤方法，除去细菌、颗粒。如紫外线消解是借助于短波(180～254nm)   紫外线照射分解水中的不易被活性炭吸附的小有机化合物，如甲醇、乙醇等，使其转变成CO₂和水，以降低总有机碳 (TOC) 的指标。高纯水纯化的一般工艺流程见图1。

图1 高纯水纯化的一般工艺流程方框图

预处理可得一般纯水；离子交换脱盐可生产出电导率为18.2MQ·cm的纯水；后处理可生产出符合特殊要求的超纯水。因此可根据进水的水质和出水水质的要求，确定每一步采用的方法工艺，可根据实验项目及用水要求采用一种或多种纯化方法。

蒸馏法制备纯水

水经加热沸腾便汽化成蒸汽，蒸汽经冷凝液化得到的水叫蒸馏水。自然水中含有可溶性和不溶性、挥发性和不挥发性的杂质。蒸馏水就是利用水与杂质沸点不同，用蒸馏的方法与之分离。蒸馏法只能除去水中非挥发性的杂质，而溶解在水中的气体并不能除去，例如，二氧化碳及低沸物易挥发，随水蒸气带入蒸馏水中。另外，少量液态水成雾状飞出进入蒸馏水中，以及冷凝管材料中微量成分也能带入蒸馏水中，使蒸馏水中仍带有杂质。

一般分析工作用一次蒸馏水即可。但是在一次蒸馏水中由于部分杂质随蒸汽带出以及蒸馏容器、周围环境的污染限制了纯度进一步提高。

为了提高蒸馏水的纯度，可以增加蒸馏次数，降低蒸馏速度，采用高纯材料(如石英)作蒸馏器、勤清洗蒸馏器来达到。此外，注意保持环境有尽可能高的清洁条件以减少污染，对提高蒸馏水的纯度都有好处。

目前使用的蒸馏器的材质有玻璃、金属铜和石英。由于蒸馏器的材质不同，蒸馏水中杂质含量也不一样。

蒸馏法按蒸馏次数可分为一次、二次和多次蒸馏法。如实验室制取二次蒸馏水时，采用硬质玻璃或石英蒸馏器，在1L 蒸馏水或去离子水中加入50mL碱性高锰酸钾溶液(每升含8g  KMnO₄+300g    KOH),进行二次蒸馏，弃去头和尾各1/4容器体积的二次蒸馏水，收集中段的二次蒸馏水。该方法可除去有机物，但不适宜作无机痕量分析用水。若再用二次蒸馏水制取三次蒸馏水时，蒸馏瓶中可不加KMnO4。

尽管蒸馏法能去除大部分污染物，由于加热过程中还是有二氧化碳的溶入，所以水的电阻率是很低的，一般为0.2～1MQ·cm,  故蒸馏水只能满足普通分析实验室的用水要求。其优点是此方法易于操作，缺点是在加热过程中会产生二次污染，不易控制水质，水耗费较高。

表3 各种方法制备纯水的质量

离子交换法制备纯水

离离子交换法制取的纯水称为去离子水。目前多采用阴、阳离子交换树脂混合床装置来制备纯水。

(1)离子交换树脂制水的工作原理

①离子交换树脂  离子交换树脂是一种有机高分子离子交换剂，具有网状结构，在网状结构的骨架上有许多可以与溶液中离子起交换作用的活性基团。离子交换树脂分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂。阳离子交换树脂可交换溶液中的阳离子，阴离子树脂可交换溶液中的阴离子。根据活性基团的不同，阳离子交换树脂可分为强酸性和弱酸性阳离子交换树脂，阴离子交换树脂可分为强碱性和弱碱性阴离子交换树脂。

制备纯水一般选用强酸性阳离子交换树脂和强碱性阴离子交换树脂。强酸性阳离子交换树脂的化学结构为

活性基团为磺酸基(—SO₃H),  这样将强酸性阳离子交换树脂简写为R—SO₃H。

强碱性阴离子交换树脂的化学结构为

（简单表示为R),    活性基团为季铵基[—N(CH₃)₃OH], 这样强碱性阴离子交换树脂简写为R—N(CH₃)₃OH。

②离子交换法制水的工作原理

离子交换法制水是利用阴、阳离子交换树脂上OH-  和H+可分别与天然水中其他阴、阳离子交换的能力制取纯水。当含有离子的天然水流过氢型的阳离子交换树脂后，则金属离子与树脂的氢离子进行交换，金属离子被吸附：

流过氢氧型阴离子交换树脂后，则阴离子(如Cl-)与氢氧根离子交换，阴离子被吸附:

阳离子交换树脂交换下来的H+与阴离子交换下来的OH-结合形成H2O:

从而达到净化水的目的。

(2)离子交换器

常用的离子交换器有如下3种组合方式。

①复床式   复床式是将阳离子与阴离子交换树脂分装在两个交换柱内并相互串联起来，含离子的水经过阳离子交换树脂除掉阳离子，水中阴离子再经过阴离子交换树脂除掉阴离子，流出的是纯水。复床式制取纯水的示意图见图2

复床式制取纯水的示意图2               图3 混床式制取纯水的示意图

②混床式 混合床法是将阴离子、阳离子两种树脂混合于一个交换柱中，从而形成一无限个复床装置。所以它们交换能力最强，所制得的纯水质量也高。混床式制取纯水的示意图见图3。

③复床式-混床式  即阳离子交换树脂柱-阴离子交换树脂柱-混合离子交换树脂柱的方式连接并生产去离子水。处理水时，先让水流过阳离子交换柱和阴离子交换柱，然后再流过阴、阳离子混合交换柱，以使水进一步纯化。复床式-混床式制取纯水的示意图见图4。

注意用离子交换法制取纯水时，定是先让水流过阳离子交换柱，再流过阴离子交换柱。如果是先让水流过阴离子交换柱，则会有氢氧化物沉淀产生，无法得到纯水。

离子交换水的质量与交换柱中树脂的质量、柱高、柱径以及水流量等因素都有关系。一般树脂量多、柱高和直径比适当、流速慢，交换效果好。去离子水杂质含量见表4。

(3)制取纯水操作流程

①树脂选择 阳离子交换树脂通常采用强酸性阳离子交换树脂，如上海树脂厂732型。阴离子交换树脂一般采用强碱性阴离子交换树脂，如上海树脂厂的717型、711型。树脂粒度在16~50目均可。

②装柱先将树脂用温水分别浸泡2~3h，使其充分膨胀。在交换柱下部放上玻璃棉，将树脂注入(用水浸着不应有气泡)后，再放些玻璃。混合床的装是将阴、阳离子交换树脂装入交换柱中同时注人水，然后从下部压入空气，使两种树脂混合均匀。再用水由下向上压入，排除柱中的空气。树脂的装柱用量按体积计算，一般阴离子交换树脂为阳离子交换树脂的1.5~2倍。树脂装柱高度相当于柱直径的4~5倍为宜。

③树脂的洗提(化学处理)市售的阳离子交换树脂一般为钠型(R-SO3Na)，阴离子交换树脂为氯型[R-N(CH3)3Cl]，故使用前，用酸将钠型树脂处理成氢型(R-SO3H)，用碱将氯型树脂处理成氢氧型「R-N(CH3)3OH]。

阳离子交换树脂柱:用HCl溶液(10%)，以1~2mL/min的流速洗提树脂至无Fe3+为止0，以保证钠型(市售强酸性阳离子交换树脂是钠型)树脂转化为所需要的 H+型。

阴离子交换树脂柱:用NaOH溶液(10%)，以1~2mL/min的流速洗提树脂至无Cl为止，以保证使含氯型(市售强碱性阴离子交换树脂是氯型)树脂转化为所需的 OH-型。

④制取去离子水 生产去离子水时，可根据分析工作对水质的要求，按复床式或混床式串联交换柱，接通水源，水从每个交换柱顶部注人，进行去离子水的生产

⑤树脂的再生处理 当离子交换树脂使用一段时间后，大部分树脂转变为钠型和氯型，离子交换树脂的交换能力下降，制备出来的水的电阻率下降，水质下降，这时分别用5%~10%的HCl和NaO)H溶液处理阳离子和阴离子交换树脂再生使其恢复离子交换能力，这叫作离子交换树脂的再生；

再生后的离子交换树脂可以重复使用。单独交换柱的树脂再生与操作与③相同。混合床树脂的再生，先用自来水从下逆压冲洗，使水从上部流出至树脂有明显分层后，将树脂倒人塑料盆中，把水倒掉。然后加人20%氯化钠溶液，用玻璃棒搅拌几次，利用阴、阳交换离子树脂密度不同将它们分开。阴离子交换树脂浮在上面，阳离子交换树脂沉在底部。分开后再按阴、阳离子交换树脂同样过程处理。

离子交换树脂一般可反复再生使用数年仍有效，但使用树脂的温度不能超过50℃，也不宜长时间与高浓度强氧化剂接触，否则会加速树脂的破坏，缩短离子交换树脂的使用时间。

离子交换法能有效地去除离子，可以获得十几兆欧的去离子水，缺点是无法有效地去除大部分的有机物或微生物，在去离子的同时，再生的离子交换树脂可能会有树脂的颗粒溶出，污染水质，无机物含量较高，同时遭受破坏的树脂颗粒又成为了微生物孳生的温床，使得微生物可快速生长并产生热源，影响水质，因此，需配合其他的纯化方法设计使用，例如可将离子交换法与其他纯化水质方法(如反透法、过滤法和活性炭吸附法)组合应用）。

其他制备纯水的方法简介

(1)反渗透法(RO)

反渗透法是目前一种应用最广的脱盐技术，其工作原理是在膜的原水一侧施加比溶液渗透压高的外界压力，原水透过半透膜时，只允许水透过，其他物质不能透过而被截留在膜表面的过程。反渗透膜能去除无机盐、有机物(相对分子质量>500)、细菌、热原、病毒、悬浊物(粒径>0.1μm)  等污染物。常用的反渗透膜有：醋酸纤维素膜、聚酰胺膜和聚砜膜等，膜的孔径为0.0001～0.001μm。由 于RO膜致密度极高，因此，产出的水流很慢，需要经过相当的时间，贮水箱内才会  有足够的水量。去除杂质的能力由膜的性能好坏和进出水比例决定。产出水的电阻  率能较原水的电阻率升高近10倍。例如，原水的电阻率为1.6kQ·cm(25℃) 时，产出水的电阻率约为14kΩ·cm。

反渗透法的优点是脱盐率高，产水量大，化学试剂消耗少，劳动强度低，水质稳定，与离子交换法联用可使离子交换树脂寿命长，终端过滤器寿命长。缺点是需 要高压设备，原水利用率只有75%～80%。反渗透膜易堵，膜要定期清洗。水质只适用于二级实验室标准。

(2)电渗析法

电渗析法是在离子交换技术的基础上发展起来的一种方法，是一种固膜分离技术，主要分离水中强电解质。其方法是在外加直流电场的作用下，利用阴离子交换膜和阳离子交换膜的选择透过性，使一部分离子透过离子交换膜而迁移到另一部分水中，从而使一部分水淡化而另一部分水浓缩的过程。

电渗析法主要是除去水中强电解质，对弱电解质去除率很低，因此除去杂质的效率较低，水质质量较差，只适用于一些要求不太高的分析工作。如果将电渗析法与反渗透法或离子交换法联用，可得到纯度较高的水。

(3)活性炭吸附

活性炭是一种多孔性材料。它是利用硬质木材经过长时间的加热干馏或活化处  理制作而成的。经过活化处理的活性炭，它的表面积扩大，产生大量的大小孔隙，从而吸附能力加强，无论是有机物或无机物均能被活性炭所吸附。活性炭的吸附过  程是利用活性炭过滤器的孔隙大小及有机物通过孔隙时的渗透率来达到的。吸附率和有机物的分子量及其分子大小有关，某些颗粒状的活性炭较能有效地去除氯胺。

活性炭也能去除水中的自由氯，以保护纯水系统内其他对氧化剂敏感的纯化单元。在设计纯水系统时，活性炭吸附法通常与其他的处理方法组合应用。如在离子交换法制取纯水时，离子交换树脂可去除原水一些可溶性的有机酸和有机碱(阴离子和阳离子),但有些非离子型的有机物不能被交换，却会被树脂包覆，该过程称为树脂的“污染阻塞”现象，不但会减少树脂的寿命，而且会降低其交换能力。为保护离子交换树脂，可将活性炭过滤器安装在离子交换树脂之前，以去除非离子型的有机物。

天然的活性炭会有少部分颗粒脱落，易污染水质，只适用于纯水制备的前期过滤，主要用于去除自来水中的有机物及氯。而人工合成的活性炭质粒均匀，对水污染很小，可去除水中的有机物质，一般用于超纯水的制备。

(4)超滤

超滤的作用原理为滤膜的筛除作用，即在压力作用下滤膜的孔隙能通过水，并由水带走小于滤膜空隙尺寸的颗粒而截留了大于孔隙尺寸的颗粒。常见的滤膜多做成管式、卷式或中空纤维素膜，膜孔径为0.001～0.1μm,  超滤对去除水中的微粒、胶体、细菌、热原、各种蛋白酶和各种有机物有较好的效果，但它几乎不能截留无机离子。采用超滤的方法，需定期消毒、定时冲洗滤膜。

(5)紫外(UV) 线照射法

紫外线波长在185nm时，会产生光氧化反应；在254nm

时辐射强度最强，一种有效的杀菌方法，在这个波段范围，UV光照射可以抑制水中细菌的繁殖并可杀死细菌。同时紫外线照射不会改变水的物理及化学性质，杀菌速度快、效率高、效果好，具有显著的优越性。近来在UV灯制造技术方面的进步，已可制造同时产生185nm和254nm波长的紫外灯管，这种光波长组合可利用光氧化有机化合物和杀菌作用，是降低水中有机物的有效方法之一。

(6)特殊要求的用水

①无氨纯水向水中加入硫酸至pH<2, 使水中各种形态的氨或胺最终转变成不挥发的盐类，蒸馏收集馏出液即可得。

②无二氧化碳纯水

a.煮沸法

将蒸馏水或去离子水煮沸至少10min,  使水量蒸发10%以上，隔离空气，冷却，即得无二氧化碳纯水，其pH值应为7。

b.曝气法

将惰性气体或纯氮通入蒸馏水或去离子水至饱和，即得无二氧化碳水。制得的无二氧化碳纯水应贮存于连接碱石灰吸收管的瓶中。

③无氯纯水

在硬质玻璃蒸馏器中将纯水煮沸蒸馏，收集中间馏出部分，便可得无氯纯水。

④无砷纯水

一般蒸馏水或去离子水多能达到基本无砷的要求。进行痕量砷的分析时，要避免使用软质玻璃(钠钙玻璃)制成的蒸馏器、树脂管和贮水瓶，故蒸馏法制备无砷纯水时需用石英蒸馏器，离子交换法制无砷水须采用和聚乙烯的交换柱管。贮水瓶必须是聚乙烯材质。

⑤无酚纯水

向水中加入氢氧化钠至pH>11,   使水中酚生成不挥发性的酚 钠，然后用全玻璃蒸馏器蒸馏，收集馏出液即可得。

⑥不含有机物的纯水  加入少量高锰酸钾的碱性溶液于水中，使呈红紫色，再以全玻璃蒸馏器蒸馏即得。注意在整个蒸馏过程中，应始终维持水呈红紫色，否则应随时补加高锰酸钾。