水的纯化与超纯水的制备（一）
摘要 这是一篇关于水的纯化和超纯水制备的综述。介绍了各种纯化水的技术与某些新近的进展。包括蒸馏法、离子交换法、电渗析法、反渗透法和紫外线照射法等。
关键部分 水的纯化 超纯水 离子交换 电渗析 反渗透
一、 前言
关于高纯水的制备在闻瑞梅先生等[1]的专著中已有详细论述。本文仅想就与化学分析和仪器分析用水有关的一些常识和小经验作一些介绍，以供参考。
天然水中通常含有五中杂质：1.电解质，包括带电粒子，常见的阳离子有H+、Na+、K+、NH4+、Mg2+、Ca2+、Fe3+、Cu2+、Mn2+、Al3+等；阴离子有F-、Cl-、NO3-、HCO3-、SO4-2、PO43-、H2PO4-、HSiO3-等。2.有机物质，如：有机酸、农药、烃类、醇类和酯类等。3.颗粒物。4.微生物。5.溶解气体，包括：N2、O2、Cl2、H2S、CO、CO2、CH4等。所谓水的纯化，就是要去掉这些杂质。杂质去的越彻底，水质也就越纯净。
国家标准规定有分析实验室用水[2]和电子级水[3]的技术指标。分析实验室用水的技术指标见表1：
表1.一.二.三级实验室用水的技术指标（GB6682-92）
名称 | 一级 | 二级 | 三级 |
pH值范围（25℃） | -- | -- | 5.0-7.5 |
电导率（25℃），mS/m. ≤ | 0.01 | 0.10 | 0.50 |
可氧化物质（以0计），mg/L ＜ | -- | 0.08 | 0.4 |
吸光度（254nm,1cm光程） ≤ | 0.001 | 0.01 | -- |
蒸发残渣（105°±2℃），mg/L ≤ | -- | 1.0 | 2.0 |
可溶性硅（以SiO2计）mg/L ＜ | 0.01 | 0.02 | -- |
一级水用于有严格要求的分析实验，如液相色谱分析用水等。
二级水用于无机痕量分析，如原子吸收光谱分析用水等。
三级水用于一般化学分析实验。
国标（GB6682-92）的补充说明：由于在一级和二级水的纯度下，难于测定其真实的pH值，因此对一级和二级水的pH值范围国标不作规定。
一级和二级水的电导率需用新制备的水在线测定。
由于在一级水的纯度下，难于测定可氧化物和蒸发残渣，故国标对其限量也不作规定，可用其他条件和制备方法来保证一级水的质量。
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国标对一、二级水电导的测试方法有明确的规定：用于一、二水测定的电导仪，需配备电极常数为0.01-0.1cm-1的在线电导池，并具有温度自动补偿功能。
电子级水对水中的离子浓度水平有更高的要求。国标GB/T11446.1-1997规定分为四级，即EW-Ⅰ，EW-Ⅱ,EW-Ⅲ和EW-Ⅳ。其技术指标见表2：
表2.电子级水的技术指标
级别 指标 | EW-Ⅰ | EW-Ⅱ | EW-Ⅲ | EW-Ⅳ |
电阻率MΩ.cm（25℃） | 18以上 （95％时间）不低于17 | 15 （95％时间）不低于13 | 12.0 | 0.5 |
全硅，最大值，μg/L | 2 | 10 | 50 | 1000 |
＞1μm微粒米，最大值，个/m L | 0.1 | 5 | 10 | 500 |
细菌个数，最大值，个/m L | 0.01 | 0.1 | 10 | 100 |
铜，最大值，μg/L | 0.2 | 1 | 2 | 500 |
锌，最大值，μg/L | 0.2 | 1 | 5 | 500 |
镍，最大值，μg/L | 0.1 | 1 | 2 | 500 |
钠，最大值，μg/L | 0.5 | 2 | 5 | 1000 |
钾，最大值，μg/L | 0.5 | 2 | 5 | 500 |
氯，最大值，μg/L | 1 | 1 | 10 | 1000 |
硝酸根，最大值，μg/L | 1 | 1 | 5 | 500 |
磷酸根，最大值，μg/L | 1 | 1 | 5 | 500 |
硫酸根，最大值，μg/L | 1 | 1 | 5 | 500 |
总有机碳，最大值，μg/L | 20 | 100 | 200 | 1000 |
﹡.引进国家标准GB/T 1144.6.1-1997
二.水的纯化方法
1. 蒸馏法，按蒸馏器皿可分为玻璃、石英蒸馏器，金属材质的有铜、不锈钢和白金蒸馏器等。按蒸馏次数可分为一次、二次和多次蒸馏法。此外，为了去掉一些特出的杂质，还需采取一些特殊的措施。例如预先加入一些高锰酸钾可除去易氧化物;加入少许磷酸可除去三价铁；加入少许不挥发酸可制取无氨水等。蒸馏水可以满足普通分析实验室的用水要求。由于很难排除二氧化碳的溶入。所以水的电阻率是很低的，达不到MΩ级。不能满足许多新技术的需要。
2. 离子交换法，主要有两种制备方式：
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A、 复床式，即按阳床—阴床—阳床—阴床—混合床的方式连接并生产去离子水；早期多采用这种方式，便于树脂再生。
B、混床式（2-5级串连不等），混床去离子的效果好。但再生不方便。
离子交换法可以获得十几MΩ的去离子水。但有机物无法去掉，TOC和COD值往往比原水还高。这是因为树脂不好，或是树脂的预处理不彻底，树脂中所含的低聚物、单体、添加剂等没有除尽，或树脂不稳定，不断地释放出分解产物。这一切都将以TOC或COD指标的形式表现出来。例如，当自来水的COD值为2mg/L时，经过去离子处理得到的去离子水的COD值常在5-10mg/L之间。当然，在使用好树脂时会得到好结果，否则就无法制备超纯水了。
3. 电渗析法，产生于1950年[4]，在于其能耗低，常作为离子交换法的前处理步骤。它在外加直流电场作用下，利用阴阳离子交换膜分别选择性的允许阴阳离子透过，使一部分离子透过离子交换膜迁移到另一部分水中去，从而使一部分水纯化，另一部分水浓缩。这就是电渗析的原理。电渗析是常用的脱盐技术之一。产出水的纯度能满足一些工业用水的需要。例如，用电阻率为1.6KΩ.cm（25℃）的原水可以获得1.03MΩ.cm（25℃）的产出水。换言之，原水的总硬度为77mg/L时产出水的总硬度则为∽10mg/L。
反渗透法[5],目前它是一种应用最广的脱盐技术。反渗透膜虽在1977年就有了，但其规模化生产和广泛用于脱盐却是近几年的事情。反渗透膜能去除无机盐、有机物（分子量>500）、细菌、热源、病毒、悬浊物（粒径>0.1μm）等。反渗透膜对杂质的去除能力见下表。
表3：反渗透膜对杂质的去除能力
离子 | 去除率（﹪） | 离子 | 去除率（﹪） | 离子 | 去除率（﹪） |
Mn+2 | 96-99 | SO4-2 | 90-99 | NO3- | 50-75 |
Al3+ | 95-99 | CO3-2 | 80-95 | BO2- | 30-50 |
Ca2+ | 92-99 | PO43-,HPO42-,H2PO4- | 90-99 | 微粒 | 99 |
Mg2+ | 92-99 | F- | 65-95 | 细菌 | 99 |
Na+ | 75-95 | HCO3- | 80-95 | 有机物（分子量>300） | 99 |
K+ | 75-93 | Cl- | 80-95 | ||
NH4+ | 70-90 | SiO2 | 75-90 |
常见的反渗透膜有：醋酸纤维素膜、聚酰胺膜和聚砜膜等。膜的孔径为0.0001-0.001μm。反渗透的动力依赖于压力差（10-100大气压）。去除杂质的能力由膜的性能好坏和进出水比例决定。进出水的比例一般控制为10：6或10：7左右。这样杂质的去除率应在95-99.7％之间。例如，原水的电阻率为1.6 KΩ.cm（25℃）时，产出水的电阻率约为14 KΩ.cm（25℃）。这样的水现在大家都管它叫纯净水，也就是市场上出售的饮用纯净水。
