实验室用超纯水设备的工艺原理详解

更新时间：2025-10-09

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　　实验室用超纯水设备是通过多级处理工艺去除水中各种杂质，最终产出电阻率高达18.2MΩ·cm的超纯水的专业设备。其工艺原理主要基于物理过滤、膜分离和离子交换等技术，下面将详细介绍各阶段的工作原理。

　　一、基本工作原理概述

　　实验室超纯水设备通常采用多级处理工艺，主要包括预处理、反渗透、离子交换和终端处理四个主要阶段。自来水首先通过预处理单元去除较大的颗粒、悬浮物以及部分有机物，然后进入反渗透单元对水中的离子物质和大分子物质进行截留性去除，再经过离子交换单元对残余的微少离子进行纯化和超纯化，最后通过UV、超滤等技术确保超纯水中的微生物、有机物和热原满足各类实验应用需求‌。

　　二、各工艺阶段原理详解

　　1、预处理阶段

　　预处理是超纯水制备的第一道工序，主要目的是去除原水中含有的泥沙、铁锈、胶体物质、悬浮物、色度、异味和生化有机物。常见的预处理系统由石英砂过滤器、活性碳过滤器和精密过滤器组成‌。当原水中硬度较高时，还会使用全自动软水器来降低水的硬度，这样能有效保护后续的反渗透膜，延长其使用寿命。

　　2、反渗透(RO)阶段

　　反渗透是超纯水设备的核心处理单元，其基本原理是在原水一方施加比自然渗透压力更大的压力(通常为6-20公斤)，使水分子由浓度高的一方逆渗透到浓度低的一方。反渗透膜的孔径极小(约0.0001微米)，能高效截留细菌、病毒、重金属及有机物，脱盐率通常≥98%‌。由于反渗透膜的孔径远远小于病毒和细菌的几百倍乃至上千倍以上，故各种病毒、细菌、重金属、固体可溶物、污染有机物、钙镁离子等根本无法通过反渗透膜，从而达到水质净化的目的‌。

　　3、离子交换阶段

　　离子交换技术用于进一步去除经过反渗透处理后残余的微量离子。其原理是利用阳离子交换树脂去除水中的阳离子并释放H⁺，阴离子交换树脂去除阴离子并释放OH⁻，H⁺与OH⁻结合生成纯水‌。阳离子交换树脂(如磺酸型)吸附水中Ca²⁺、Mg²⁺等阳离子，释放H⁺；阴离子交换树脂(如季铵型)吸附Cl⁻、SO₄²⁻等阴离子，释放OH⁻，最终H⁺和OH⁻结合生成H₂O，实现去离子‌。

　　4、电去离子(EDI)技术

　　EDI是一种将电渗析膜分离技术与离子交换技术有机结合的先进技术。EDI膜堆主要由交替排列的阳离子交换膜、浓水室、阴离子交换膜、淡水室和正、负电极组成。在直流电场的作用下，淡水室中离子交换树脂中的阳离子和阴离子沿树脂和膜构成的通道分别向负极和正极方向迁移，阳离子透过阳离子交换膜，阴离子透过阴离子交换膜，分别进入浓水室形成浓水‌。同时EDI进水中的阳离子和阴离子跟离子交换树脂中的氢离子和氢氧根离子交换，形成超纯水。超极限电流使水电解产生的大量氢离子和氢氧根离子对离子交换树脂进行连续的再生‌。

　　三、终端处理工艺

　　经过上述主要工艺处理后，超纯水还需要经过终端处理才能达到实验室使用标准。常见的终端处理工艺包括：

　　‌1、紫外线(UV)杀菌‌：利用紫外线的杀菌作用，杀灭水中的微生物，提高超纯水的生物安全性‌。

　　‌2、超滤‌：使用0.1μm或更小孔径的过滤器去除可能存在的微粒和热原。

　　‌3、抛光混床‌：进一步去除残余离子，使产水电阻率达到15～18.2MΩ·cm‌。

　　‌4、TOC(总有机碳)去除‌：通过特殊技术降低水中有机物含量。

　　四、技术特点比较

　　实验室超纯水设备中常用的三种核心技术各有特点：

　　‌1、反渗透(RO)‌：能去除99%以上的溶解性盐类、胶体、微生物和有机物，但无法完全去除所有离子‌。

　　‌2、离子交换‌：产水纯度高，但需要定期再生树脂，运行成本较高，且无法去除非电解质及微生物‌。

　　‌3、EDI技术‌：无需化学再生，可连续稳定地生产高纯度超纯水，降低了运行成本和环境影响‌。

　　现代实验室超纯水设备通常将多种技术组合使用，如"预处理-反渗透-EDI-终端处理"的工艺路线，以充分发挥各技术的优势，实现高效、稳定、低成本的超纯水生产‌。