浅谈超滤装置与活性炭装置在超纯水制备过程中的利弊

席坚盟

摘 要：超纯水是导电离子、胶体、有机物等全部被去除的水，其产水电阻率大于18 MΩ·cm（25 ℃）。超纯水系统一般采用预处理技术、反渗透技术、电除盐技术和后级处理等，同时，配有紫外灯、TOC装置等辅助处理。

关键词：超纯水；SDI；浊度；活性炭装置

中图分类号：X703.1 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.10.116

1 制备超纯水的流程

制备超纯水的流程是：自来水→预处理系统→多级高压反渗透系统→EDI电除盐系统→TOC装置→抛光混床系统→用水点。在制备过程中，水泵作为动力源，各级储水箱要确保系统水泵能够安全、稳定运行。个别部位增加不同处理等级的过滤器，能够保证产水的品质。同时，在过滤器运行的过程中，添加各种药剂可以调节水的pH值，降低水中余氯，减缓RO膜的结垢速度等。冬季，在北方一些气温较低的地区，会在预处理系统进口处增加换热器，使自来水的水温满足设备产水工艺的要求。此外，在超纯水箱中，用氮气隔绝水与外界的介质是非常重要的，它能确保制备的超纯水不被空气二次污染。

2 预处理系统的重要性

2.1 RO膜的进水要求

在制备超纯水的过程中，RO系统是最关键的。RO系统的正常运行能保证整个纯水设备的运行安全和产水水质。在制备超纯水的过程中，RO系统对进水有一定的要求，具体有以下几点：①淤泥密度指数（SDI值）<4.0；②浊度（NTU）<1.0 100 T/h；③有机物含量（COD）<1.5 mg/L；④余氯含量<0.1 mg/L（实际控制在0 mg/L）；⑤当溶氧>5 mg/L时，铁含量<0.05 mg/L；⑥浓水中SiO2<100 mg/L；⑦LSI，pHb-pHs<0；⑧Sr、Ba等易形成难溶盐的离子，Ipb<0.8 Ksp。

2.2 预处理系统的作用

进入反渗透系统之前，要利用预处理系统清除水中的余氯、大颗粒悬浮物和絮状胶体杂质、有机物、氧化物、有机物、重金属，以降低COD值、SDI值。另外，水中的钙、镁、钡、硫酸盐、硅酸盐和碳酸盐等离子可以通过添加阻垢剂与以上离子结合后形成大分子微粒，然后在反渗透装置中以浓水形式排放。

2.2.1 系统运行异常对RO膜的影响

由预处理的相关内容可知，在进入RO膜之前，绝大多数高分子有害物质会通过预处理系统被清除。假如预处理系统有缺陷，反渗透进水指标很多项都不达标，则会导致反渗透膜元件受到不可逆的物化损伤，从而大大缩短反渗透膜元件的使用寿命。影响反渗透膜元件使用寿命的因素有以下几个：①RO反渗透膜结垢；②RO反渗透膜被金属氧化物污染；③悬浮物污堵RO反渗透膜；④胶体、有机物和微生物被污染，导致出水COD升高。

2.2.2 系统异常对反渗透超纯水系统的影响

当预处理系统运行异常时，会影响整个反渗透超纯水系统的运行，具体表现在以下3方面：①降低反渗透超纯水系统的产水量和产水质量；②增加反渗透设备运行的水能耗和电能耗；③增加水处理的运行成本，包括阻垢剂及其他水处理药剂等。

3 超滤系统与活性炭系统的工作原理

以半导体电子行业为例，本文简要介绍了预处理系统的工作原理。在实际生产过程中，常见的预处理系统有超滤系统和活性炭系统。超滤系统是由盘式过滤器和超滤装置组成的；活性炭系统是由多介质过滤器和活性炭过滤器组成的。

3.1 超滤系统的工作原理

盘片式过滤器的工作原理是，通过压紧的塑料盘片实现表面过滤和深层过滤。它主要是用来清除水中的泥沙等大颗粒物质。超滤是一种加压膜分离技术，即在一定的压力下，使小分子溶质和溶剂穿过一定孔径的特制薄膜，大分子溶质（分子量为10 000～30 000）则不能透过，留在膜的一边，从而使大分子物质被部分纯化。超滤系统的工作原理如图1所示。

3.2 活性炭系统工作原理

多介质过滤器是利用一种或几种过滤介质，在一定的压力下，使浊度较高的水通过一定厚度的粒状或非粒过滤材料有效去除悬浮杂质，使水澄清。常用的滤料有石英砂、无烟煤和锰砂等，它们主要用于水处理除浊，软化水、纯水的前级预处理等，SDI值可达3以下。用多介质过滤器过滤出来的水再进入活性炭过滤器后，因为活性炭过滤器中装有以石英砂为基床，活性炭为滤材的滤料，滤材活性炭通过其自身的空隙在范德华力的作用下，可以去除水中的余氯、有机物和悬浮物等杂质。

4 超滤装置和活性炭装置的利弊

在使用装置的过程中，这两类预处理系统各有利弊。

4.1 超滤系统

4.1.1 优点

超滤系统的优点是：①浓缩倍数高，产品回收率可达90%以上；②出水水质的澄清度和水质较好；③超滤系统作为反渗透预处理设备，应用它，可以大大减少反渗透方面的投资，延长RO膜的使用寿命（寿命在3年以上）；④系统自动化程度高，结构简单，运行维护成本少，可在线反洗和药洗；⑤占地面积小。

4.1.2 缺点

超滤系统的缺点是：①由于超滤膜的微孔径在0.002～0.1 um之间，而水中的胶体体积≥0.1 um，乳胶体积≥0.5 um，菌类体积≥0.2 um，颗粒体积≥5 um，过滤范围广，因此，在系统运行的过程中，有些部件很容易被堵塞，影响出水流量和膜的使用寿命；②前期投资较大，一般相同产水量的超滤系统价格是多介质加活性炭系统之和的2～3倍；③超滤系统对进水压力的要求较为严格；④不能长时间停机，如果长期停机，必须用药剂封存膜。

4.2 活性炭系统

4.2.1 优点

活性炭系统的优点是：①前期投资小；②出水量稳定，对系统进水压力的要求少。

4.2.2 缺点

活性炭系统的缺点是：①占地面积大。②在系统运行的过程中，由于活性炭、无烟煤参与物化反应，导致自然消耗加重，吸附失效，使产水水质变差，进而影响反渗透系统。③活性炭过滤器反洗周期不易控制，而且时间比较短。活性炭成为粉末随水流出，严重污染了水质和下一级设备。如果反洗周期长，则活性炭过滤器易形成高压差，引发系统运行风险，影响出水量。④系统后期运行维护成本高，工作量大，滤料的使用寿命短（每年需更换一次）。

5 总结

在系统运行的过程中，各超纯水使用企业要根据自己的实际生产需求分析所选预处理系统的利弊，以找到适合本企业的系统配置。在选择系统时，切不可求大、求全、求新，要尽量将产品质量与企业实际情况相结合。

参考文献

[1]吕宏德.水处理工程技术[M].北京：中国建筑工业出版社，2014.

[2]周本省.工业水处理技术[M].北京：化学工业出版社，2003.

〔编辑：白洁〕