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1、纯水及其制备原理、水机 技术支持部华南区 黄崇庭 一、水的基本常识 1、水的理化性质 2、水中的杂质 3、水质相关概念 二、纯水的基本常识 1、纯水概念及其表示方式 2、实验室用水分级 3、实验室用水常见分类 4、实验室用水选择原则和应用 三、纯水制备原理和技术 四、美康水机简介 学习记录 一、水的基本常识 1、水的理化性质 水是无色、无臭、无味液体，浅薄时清 澈透明，深厚时呈蓝绿色。 在4 时的体积最小，密度最大，为1 g/ml。 1个水分子(H20)由1个氧原子和2个氢原 子弯曲键结而成。因其正、负电荷的中心 不一致，属于极性分子。 水是极性分子，为最常见的溶剂，一般而 C-1活性小的金属
2、和非极性分子物质在水中 的溶解度较小。 一、水的基本常识 2、水中的杂质 水中 杂质 一、水的基本常识 3、水质相关概念 水质（water quality ）水体质量的简称。它标志着水体的物理（如色度、浊度、臭 味等）、化学（无机物和有机物的含量）和生物（细菌、微生物、浮游生物、底栖 生物）的特性及其组成的状况。为评价水体质量的状况，规定了一系列水质参数和 水质标准。如生活饮用水、工业用水和渔业用水等水质标准。 饮用水类： 饮用水I类：国家级自然保护区，水质未受污染。 饮用水II类：较清洁，过滤后可成为饮用水。 饮用水III类：过滤清洁后可用作普通工业用水 污水类 IV类：普通农业用水，灌溉用
3、。 V类：普通景观用水。 劣V类：无用脏水。 一、水的基本常识 水的硬度 是指水中钙、镁离子的浓度，硬度单位是ppm，1ppm代表水中碳酸钙含量1毫 克/升（mg/L）。我们把水中含有的钙镁离子总浓度用“硬度”这个指标来衡量。每升 水中含有相当于10毫克的氧化钙为1度，硬度低于8度为软水，高于8度为硬水。 电导率 电导率是物质传送电流的能力，与电阻值相对，单位Siemens/cm (S/cm)，该 单位的10-6以S/cm表示，10-3时以mS/cm表示。 一、水的基本常识 电导率与水的硬关系 水电导率直接和溶解固体量浓度成正比，而且固体量浓度越高，电导率越大。电导 率和溶解固体量浓度的关系近
4、似表示为：1.4S/cm=1ppm或2S/cm=1ppm（每百 万单位CaCO3）。利用电导率仪或总固体溶解量计可以间接得到水的总硬度值，如 前述，为了近似换算方便，1s/cm电导率 = 0.5ppm硬度 但是需要注意：（1）以电导率间接测算水的硬度，其理论误差约20-30ppm（2） 溶液的电导率大小决定分子的运动，温度影响分子的运动，为了比较测量结果，测 试温度一般定为20或25（3）采用试剂检测可以获取比较准确的水的硬度值。 二、纯水的基本常识 1、纯水概念及其表示方式 纯水又称去离子水，是指以符合生活饮用水卫生标准的水为原水，通过电渗析器 法、离子交换器法、反渗透法、蒸馏法及其他适当的
5、加工方法，制得的密封于容器 内，且不含任何添加物，无色透明，可直接饮用的水，也可以称为纯净物（在化学 上）。 纯水的表示方式 1、电阻率 (electrical resistivity) 在水中，将距离1 cm的两片表面积为1cm X 1 cm大 小的电极加以通电，来监测两极间的导电率，通过所加电压和测得电流能够获知两 极间的电阻值，这个数值在水质分析中通常被称为电阻率或比电阻，其单一位用 M.cm来表示。电阻率的倒数称为导电率或电导率，用s/cm.随着水内无机离子的 减少电阻加大，数值亦逐渐变大。 二、纯水的基本常识 2.总有机碳(total organic carbon, TOC)水中总有
6、机碳的浓度，反映水中氧化的有 机化合物的含量，单位为1 mg/L或1 g/L。 3.内毒素(endotoxin ) 革兰氏阴性细菌的脂多糖细胞壁碎片，又称之为“热原”，单位 为EU/ml。此外细菌含量，颗粒含量，微生物含量，总溶解固体含量等也常常被用作 补充说明水质的重要参数。因此，水的纯度标准通常由以上这些参数的一项或儿项 来综合说明、分级。 二、纯水的基本常识 2、实验室用水分级 纯水分级的一些标准 国际标准化组织(ISO）标准 美国临床病理学会(CAP)试药级用水标准 美国测试和材料实验社团组织(ASTM)标准 临床和实验室标准协会(CLSI)标准 美国药学会(USP)标准 我国标准：
7、中国国家电子级超纯水规格(GB/T 1 1446-1997) 中国国家实验室用水规格(GB6682-2008 ) 二、纯水的基本常识 二、纯水的基本常识 二、纯水的基本常识 二、纯水的基本常识 3、实验室用水常见分类 蒸馏水(distilled water) 蒸馏水能去除自来水内大部分的污染物，但挥发性的杂质 无法去除，如二氧化碳、氨、一氧化硅以及一些有机物。新鲜的蒸馏水是无菌的， 了日储存久后的蒸馏水细菌易繁殖。此外，储存的容器也很讲究，若是一作惰性的 物质，若用离子和容器的塑形物质会对蒸馏水造成一次污染。 去离子水(deionized water)去离子水是应用离子交换树脂去除水中的阴离子
8、和阳 离子，但水中仍然存在可溶性的有机物，污染离子交换柱从而降低其功效。去离子 水存放后也容易引起细菌的繁殖。 二、纯水的基本常识 反渗水(reverse osmosis water)反渗水的生成原理是水分子在压力的作用下，通 过反渗透膜成为纯水，水中的杂质被反渗透膜截留排出。反渗水克服了蒸馏水和去 离子水的许多缺点，利用反渗透技术可以有效地去除水中的溶解盐、胶体，细菌、 病毒、细菌内毒素和大部分有机物等杂质，但不同厂家生产的反渗透膜对反渗水的 质量影响很大。 超纯水(ultra-pure grade water)其标准是水电阻率为18.2MS2“ cm。但超纯水在 TOC、细菌、内毒素等指标
9、方面并不相同，要根据实验的要求来确定，如细胞培养 则对细菌和内毒素有要求，而HPLC则要求TOC低。 二、纯水的基本常识 4、实验室用水选择原则和应用 纯水选择原则 一级水：是理想的适用于通常日的的实验室用水，可用目前的水纯化技术生产;对 于需要最低程度千扰的测定方法，或在不能证实或推断低纯度水是否对测定方法有 干扰时使用。 二级水：用于常规检测方法;尤其适用于受微生物、低电阻率和硅酸盐影响小的测 试方法。 三级水：用于玻璃器皿的预洗，最后的冲洗用水级别应适合玻璃器皿的使用目 的;三级水还用做生产高一级别水的原水。 二、纯水的基本常识 纯水应用领域 二、纯水的基本常识 生命科学：主要足细菌细胞
10、培养临床生物化学，电泳，电生理学，酶联免疫吸附分 析，内毒素分析，组织学，细胞免疫化学，哺乳动物红细胞培养，介质制备，微生 物分析，分子生物学，单克隆抗体研究，植物组织培养，放射性免疫分析等。 分析和常规应用方面：蒸馏水器供水，蒸汽发产器，玻璃器皿洁洗，样本稀释和 试剂制备，超纯水系统供水，固相萃取，作通化学，电化学，分光光度计，TOC 分析，水质分析，离子色谱，火焰法原子吸收(Flame一AAS)，不:黑炉原子吸收 (GF一AAS)，高效液相色谱(HPLC)，液质联用(HPLC一MS)，电耦合等离子光谱 仪(ICP一AES)，等离子质谱(ICP一MS)，痕量金属检测，气质联用(GC一MS)等
11、。 三、纯水制备原理和技术 三、纯水制备原理和技术 1.微孔深层过滤 微孔深层过滤器(micro dePth filte;)是对颗粒的通过设置的物理屏障。根据被过滤的 微细颗粒的大小分级，由缠绕纤维或压紧的物质(多为聚内烯)形成多孔矩阵，通过吸 附或捕捉方式截留颗粒。深层过滤器(一般)1-50m)常作为一种经济而有效的纯化方 式截留大量的滋浮固体，保护下游纯化设备不被污染和堵塞。使用时需要定期更换 。 2.活性炭吸附活性炭(activated carbon，AC) 通常被用于预处理系统中，去除水中的氯、氯胺以及某些有机物，防止它们破坏过 滤膜和离子交换树脂。活性炭大部分由椰壳或煤在有水蒸气和C
12、O2的条件下，经800 一1000锻烧而形成，之后经过酸洗去掉残余氧化物和其他溶解物质。水处理应用 的活性炭通常孔径范围在500一1000nm之间，每克比表面积大约1000m2，通常是颗 粒状扭缩成型的，并装填于纯化柱中以防止产生太过细微颗粒污染下游。活性炭会 与其重量2一4倍的氯发生化学反应，产生氯化物。该反应迅速，少量活性炭就可以 有效去除水中的氯。碳对氯胺的降解是一个产生氨、氮和氯化物的相对缓慢的催化 过程，需要大量碳的参与。活性炭的巨大表面积和海量微孔以及吸附的物质，成为 微生物的繁殖地。使用时，通常在碳中添加非溶解性生物杀灭剂(如银)，及定期更换 活性炭柱以保持其最少的细菌含量. 活
13、性炭 微孔过滤PP棉滤芯 三、纯水制备原理和技术 3.反渗透 反渗透(reverse osmosis，RO)膜通常用于滤除穴径小于1nm的污染物，典型的反 渗透方式可以滤掉水中90%的离子污染物、大部分有机污染物和儿乎全部微粒污染 物。反渗透对分子量300道尔顿分子量的分子和包括胶体及微生物在内的颗粒，溶解的气体则无法靠 RO膜去除。 Ro膜一般是很薄的聚酸胺膜，在较宽的pH范围内很稳定。在反渗透工 作过程中，进给水在一定压力下，从RO膜进水面以切向流的方式被泵入。通常有 15%一30%的给水穿过RO膜生成反渗透水，其余进给水则截留在膜土游成为浓水， 其中包含大部分的盐、有机物以及从本土所有微
14、粒。反渗透水量和进水量的体积比 称产水率。水纯化系统中RO膜的性能通常通过测定离子去除率(脱盐率)进行监控， 它是进水和出水电导率的差值除以进水电导率所得的百分比。离子去除率和产水率 由进水水质、进水口压力、水温和RO膜的状态而定。 反渗透是一项能去除绝大部 分杂质的高纯化功效技术。但其产水速度相对较低，因此使用时通常配以储水箱折 存产成水以备使用或进一步纯化。反渗透装置保护后续系统免受胶体和有机物的堵 塞或污染，其后续系统通常配备离子交换或电渗析装置。 三、纯水制备原理和技术 4.离子交换 离子交换(i on exchange，IX)树脂床能通过与H+和OH-的离子交换，从水中有效 去除离子
15、。离子交换树脂是直径小于lmm的多孔小球，由交链的含有大量功能大 的离子交换点的不溶性聚合物制成。水中的离子依据它们的相对电荷密度竞争离 子交换树脂的交换点而被树脂吸附。树脂分为阳离子树脂和阴离子树脂两种。它 们以氢离子交换阳离子，例如钠离子、钙离子和铝离子;或以氢氧基离子交换阴离 子，例如氯离子、硝酸根离子和硫酸根离子。交换下来的氢离子和氢氧根离子结 合成水从而除去水中离子。水纯化系统用的一般是混床树脂，由许多阴、阳离子 交换树脂混合而成。 离子交换树脂床放在小刑滤柱或大刑滤筒中使用，一般使用 一段时间后树脂中的大部分H十和OH-活性位点都被阳离子和阴离子替代，需要进 行更换或再生。通过将R
16、O膜设置在离子交换之前的方式，可得到更纯的水质并延 长填料的使用寿命，该方法经常用于生产高纯度超纯水的实验室纯水系统中。 这种方法也可避免离子交换树脂表面被大的有机物分子堵塞，从而降低其交换能 力。 三、纯水制备原理和技术 5.电渗析 电渗析(electrodeionization，EDI)又称电去离子、电除盐、连续电除(continuous EDI)。EDI将离子交换树脂和离子选则膜与直流电相结合来清除水中的无机物杂质 。该技术克服了离子交换树脂床的部分局限性，特别是当离子交换柱耗竭时，离子 杂质的释放，或重填或再生离子交换柱时发挥作用。 EDI是由电极、离子通透膜与 少量的离子交换树脂所组成。离子交换树脂分别与阳离子通透膜及阴离子通透膜形 成三明治式的结构，在阴、阳离子通透膜间夹着阴、阳离子树脂，水中的离子首先 被 树脂捕捉，阴阳离子分别在直流电压的作用下，向不同的方向迁移，离子通过相应 的离子通透膜而到达膜的另一侧，使水得到纯化。而同时在电压梯度的作用下，水 会发生电解产生大量H+和OH一，这些H+和O
