超纯水新工艺详解：预处理段+反渗透段+抛光段

丁忠运

工业用水指工业生产过程中使用的生产用水及厂区内职工生活用水的总称，不同行业对工业用水水质要求是不同的，根据水质可分为原水、清水、软化水、脱盐水、纯水等。


原水是指未经过处理的水，即进入水处理各工序之前的水。


清水，是指原水经混凝、澄清、过滤等处理后的水。


软化水，是指将水中的Ca²+、Mg2+等离子的含量降低或去除至一定程度的水。水在软化过程中仅降低硬度，而总含盐量保持基本不变。


脱盐水，是指将水中易于去除的强电解质去除至一定程度的水。在除盐过程中亦除去了部分机械杂质和有机物质。其剩余含盐量一般在1~5mg/L，25℃时的电导率为1~10μs/cm。


纯水又称去离子水，是指将水中易于去除的强电解质去除之外，还将水中难以去除的硅酸及二氧化碳等弱电解质去除至一定程度的水。


25℃时纯水中的电导率一般为0.1~1μs/cm，剩余含盐量一般应在1mg/L以下。
 
超纯水又称高纯水，是指将导电介质几乎完全除去，同时不离解的气体、胶体以及有机物质（包含细菌等）均去除至很低程度。超纯水的含盐量小于0.1mg/L,25℃时的电导率为0.1μs/cm以下。


工业用水的水质是保障产品质量、提高产能效率及安全生产的重要条件，随着科学技术突飞猛进的发展，半导体、石油化工、生物医药等相关产业产品品质和生产工艺不断升级，对生产过程中的水质要求也越来越高，很多场合都要使用超纯水。
超纯水

工艺设计流程

超纯水工艺在系统设计上通常分为前段、中间段和后段三个部分。

前段(预处理段)，是对原水进行前期处理，改善供水水质，使之达到反渗透进水要求，减少、延缓膜的污染、延长膜寿命。


前处理系统主要由砂滤、活性碳过滤器及2B3T(阳离子塔、脱气塔及阴离子交换塔)等设备构成，其处理对象主要是进水中的微生物、细菌、胶体、有机物、重金属离子、固体颗粒及游离氯等。
 
中间段(反渗透段)，是整个纯水系统中非常重要的区段，起到承前启后的作用。其处理对象主要是水中有机物(如三卤甲烷中间体、胶体、悬浮物、微生物、细菌、藻类、霉类等)、热源、病毒等物质，流体经前三级预处理后的水经反渗透RO膜深层分离处理后，生产出纯净水进入纯水箱，脱盐率可达98%，根据具体情况可分一级和二级反渗透。


其系统设备通常由紫外线灯(UV)、板式换热器、保安过滤器、反渗透膜组(RO)、TOC-UV、混床(SA/SC)、膜脱气(MDG)等设备构成。


后段(抛光段)，一般用在工艺末端，用来更进一步提高产水水质。目前常使用EDI（连续电脱盐水外理工艺），来替代传统的离子交换装置，生产出电阻率高达 18MΩ·cm 的超纯水。
 
从本质而言，纯水系统主要靠离子交换树脂、各种膜以及紫外线装置来达到出水水质的。

离子交换
在超纯水脱盐处理工艺的应用
纯水前处理脱盐处理工艺中主要使用的是2B3T与EDI(电去离子）工艺。2B3T工艺由阳床、阴床和脱碳塔组成。


而EDI将电渗析技术和离子交换技术相融合，通过阴、阳离子交换膜的选择性透过作用与离子交换树脂对离子的交换作用，在直流电场作用下，实现离子的定向迁移，从而完成水的深度除盐，同时水的电解离产生的氢离子和氢氧根离子对离子交换树脂进行再生。
阳床


主要用于去除水中阳离子（如钙、镁、钠、钾…等）阳离子交换树脂分为弱阳离子交换树脂与强阳离子交换树脂，其中：



弱阳离子交换树脂在pH＞4.2时，对水中的二价以上离子有很好的选择性，H型状态下，如果水中碱度高（如OH-多，或者HCO3-多的时候）吸附水中的一价阳离子，可减轻强阳运行负荷（降低系统设备成本），由于其容易再生的特性，可以防止强阳铁中毒。其离子交换选择顺序为Ba2+ > Ca2+ > Mg2+> Na+ > H+；


强阳离子交换树脂由于其选择性，能吸附水中所有电离了的阳离子，保证最终出水的Na离子水平到极低的程度。


其交换顺序:Ba2+>Ca2+>Mg2+>NH4+>K+>Na+>H+ ，当树脂塔运行至终点时，需要对其进行再生，再生溶液一般采用3%-5%的HCl溶液。
 
阴床


主要用于去除水中阴离子（如Cl-、CO32-、SO42-等）分为弱阴离子交换树脂与强阴离子交换树脂，其中：


弱阴离子交换树脂能够后吸附水中所有电离的阴离子（除硅外），孔道的特殊性也会吸附部分大分子的有机物，由于其十分容易再生，且工作交换容量大，可以减轻强阴的压力，同时降低系统硬件成本。


强阴离子交换树脂能够去除水中的所有的阴离子，以及电离了的二氧化硅和水中几乎所有有机物。其离子交换选择顺序为SO42->NO3->HSO4->Cl->HCO3->OH-，当树脂塔运行至终点时，需要对其进行再生，再生溶液一般采用浓度为3%-5%的NaOH溶液。


脱碳塔


由于水中的阳离子通过阳离子交换树脂时被交换剂所吸附，而交换剂上的氢离子被置换到水中，并且和水中的阴离子生成相应的无机酸。


当原水经过阳离子交换塔后，水中的碳酸在低PH时大都以二氧化碳的形式存在，然后利用二氧化碳去除塔将水中的二氧化碳去除，从而减轻阴离子交换塔的负担。


高阶核子级均粒混床树脂
Tulsimer® T-42/A-23


Tulsimer® T-42是氢 H+/钠 Na+均粒强酸型阳离子交换树脂，具有较高的交换容量。


树脂参数

Tulsimer® A-23 是一款苯乙稀系列具有四级氨的高品质Type-1强碱型阴性离子交换树脂。


Tulsimer® T-42 和 Tulsimer® A-23 其均匀的颗粒直径，能取代传统的离子交换树脂，并可以减少压力损，可以一起搭配使用于2B3T及超纯水可再生的混床。 

EDI装置是一个深度脱盐，电除盐技术、离子交换工艺和膜法的结合体，一般情况下EDI的产水大于15-17兆欧，通过一定的单封装置或者PUC的降解装置、UV装置处理水质，然后再接入抛光树脂，进入到深度处理系统，最终达到18.25兆欧，从而可以直接到对应的生产线。

高阶核子级抛光树脂

Tulsimer ® MB-106UP 


Tulsimer ® MB-106UP 为高阶核子级抛光树脂, 是由核子级强酸型阳离子 Tulsimer ®  T-46Li 及核子级强碱型阴离子 Tulsimer ®  A-33OH 以 1:2 体积比的剂量比例 , 预先混合的混床级离子交换树脂,专门提供给超纯水系统抛光用，具有高的交换容量及优越的物理特性。


适合用于电子产业 ，生产半导体及映像管产业，实验室，激光，高精仪器，医用行业等需要超纯水的行业，以及核电厂等使用。在全球我们有数十家核电厂使用我们的抛光树脂。 

来源：https://www.bilibili.com/read/cv22619904
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