逆渗透原理纯水

<內容大綱>水中污染物種類及說明.

1.無機鹽類2.水溶性有機物3.懸浮顆粒及膠體4.微生物及內毒素(菌膜)

各種污染物之檢測單位及其定義.

1.μS/cm2.MΩ•cm3.TOC4.CFU/ml5.EU/ml各種純化方法之說明.過濾/活性碳/軟水/逆滲透/超過濾/離子交換/電子式去離子/光氧化等.傳統去離子水及蒸餾水系統的探討自來水中各種污染物之分類無機鹽類有機化合物懸浮顆粒

(膠體)微生物(內毒素)，陽離子陰離子

Na+ClCaHCO2+-天然來源

環境污染物

單寧酸/腐植酸

殺蟲劑/除草劑非可溶性顆粒性物質

(SmallNon-deformablesolidswithanetnegativecharge)細菌／藻類／真菌(polyliposaccharide

ofGramnegativebacterialcellwall)

HHH-C-C-OHHH-3--自來水中常見的鹽類,礦物質陰離子陽離子Na+Ca++Al+++Mn++Fe++Pb+COCl-NO3-4PO---SO4--3--ClO-SiO4Si2O7......SiO2天然的有機物TANNINSHUMICACIDSFOLICACIDSLIGNINPYROGENSPHENOLSHOHOHOCOORHOCHCHCOOHOHRRRRR非天然的有機物HERBICIDESINSECTICIDESORGANOCHLORINEPAHPHTALATESPCBCHCl3CCl4ClH3C-CH-CH3NNNNNCH3-CH2HHClNOP(OCH2CH3)2ClClSCHCl22ClClClClClCCOOROOR顆粒及膠體-------------形狀,大小,材質,軟硬顆粒小到一種程度,就不會沉澱稱為膠體“Colloids“Bacteria細菌StaphylococcusAureus

Serratia

MarcescensGasesOxygen氧氣Nitrogen氮氣CarbonDioxyde

二氧化碳Radon氡

水中各種污染物之量測單位水中的污染物+-SALTSORGANICSPARTICLES/COLLOIDSMICROORGANISMSDISSOLVEDGASES:鹽類,礦物質:有機物,高分子:砂子,顆粒:微生物,細菌:空氣+-什麼是Biofilms?Biofilm是由微生物所分泌的黏液所聚集在生物或非生物的表面.例如:牙垢,河床石頭上濕滑的軟泥,裝水一星期的花瓶內表面……無論任何接觸水的表面都會形成Biofilm自然界的微生物,細胞璧外部具有絨毛狀的多醣體聚合物,有助於黏附在物體表面,可濃縮養分,並保護細胞不容易被各種殺菌方式毀滅.在純水中微生物適應之道10um3um<細胞體積變小更有利於吸收養份,因體表面積變大>“具黏性”多醣類物質黏膜(Glycocalyx)菌膜(Biofilm)

之形成過程在沉澱物堆積的底部表面上,會有足夠的有機物及鹽類供給細菌會黏在各種沾濕材料(wettingmaterial)上,以主動方式分解及吸收所需養份.菌膜(Biofilm)之形成過程細菌有機物顆粒無機物顆粒內毒素(endotoxin)菌膜可能會對附著表面進行分解並利用

,進一步對環境釋放出內毒素,細菌,酵素及高分子有機分解物

在Bioflim中,微生物會利用糾結的聚醣纖維的黏性網路結構,將彼此固定於物體表面在共軛焦顯微鏡(confocalmicroscope)的觀察下,單一菌落的結構狀態,如同衛星城市.菌膜(Biofilm)生態體系之形成水質純化方法介紹及說明過濾法活性碳過濾法碳酸鈣結垢控制軟水機螯合物/聚磷酸逆滲透法離子交換樹脂法混床式電子式去離子方式(EDI)超過濾法UV(185nm)光氧化有機物法過濾法兩種主要過濾型式

深層過濾式表面過濾式(濾膜)深層過濾-攔截方式表面過濾-篩選方式過濾法深層過濾法常用材質CottonFibersGlassFibersPolypropyleneNylonFilamentsSandGrains孔隙度特性Nominal工作範圍0.5-1000um濾紙厚度10-30mm30um細微玻璃纖維1500X放大過濾法微孔濾膜法常用材質NylonP.V.D.F.(Durapore)P.T.F.E.(Teflon)CelluloseEsters孔隙度特性絕對過濾工作範圍0.1to10um材質(濾膜)厚度150um‧掃描式電顯放大2000倍所攝之0.22Durapore濾膜表面.

被標準ATTC綠膿桿菌

PseudomonasDiminuta所挑戰之濾膜0.22umDurapore之掃描電顯之表面照片.Millipak40TodayVentInletOutletDurapore0.22µmHydrophilicMembraneFourdiscsof50cm2ontwosupportsTotalMembraneSurface:200cm2過濾法整體比較深層過濾結構凌亂過濾孔隙度一致性低使用深層過濾濾材來攔截顆粒性污染物可過濾大量顆粒性雜質/工作量大濾膜過濾結構一致性高孔隙度準確過濾以濾膜表面阻隔顆粒為主低顆粒性雜質處理能力活性碳過濾法使用原料種類椰子殼木材煤碳原油/高分子材質活化處理方法加熱處理‧化學處理經活化處理過之活性碳產生大量之大/小孔隙,使整體表面積大增,使表面吸附能力大增活性碳可吸附之表面積

1000m/gram2活性碳內部構造

可有效中和漂白水等強氧化劑

可大量吸附水中有機物質活性碳顆粒ProgardCartridgeElement:

GranularActivatedCarbonDESCRIPTION:Smallbeadsofactivatedcarbonwith20Angstromtypicalporesize.Developedsurfacearound1000m2/gram.PURPOSE:Reduceoxydants(Chlorine)whichmightdamagetheROcartridge.天然\人工合成活性碳水中碳酸鈣結垢控制Ca+++CO3=CaCO3(S)碳酸鈣因過飽和而沉澱之化學式Ca+++2Cl-NaRNaRNaRNaR4Na++4Cl-CaRRRR“硬水"“軟水"陽離子交換樹脂MgMg+++2Cl-軟水過程結垢控制軟水系統再生過程Cl-NaRNaRNaRNaRMg+++2CL-Ca+++2Cl-剩餘之Na+

Cl-Na+CaMgRRRR需使用飽和鹽水來再生軟水系統高濃度之

NaCl被再生之陽離子樹脂飽和並耗盡之陽離子樹脂Ca+++CO3=CaCO3(S)CO3=Ca++CO3=CO3=CO3=__水中結垢控制抗結垢劑---聚磷酸磷酸鏈Reverse

Osmosis

逆滲透過濾

逆滲透過濾與奈米級過濾(ROandNF)指進行分子量小於1500daltons

之微小分子與溶液(例如水)的分離。分離的主要原理是藉由膜本身的孔徑與電荷，與UF膜依分子大小分離的原理不同。RO膜與NF膜會滯留鹽類與更細小的不帶電性的溶液分子在膜上而讓微小的分子通過膜。NF膜是RO膜的一種，它能讓帶一價電荷的鹽類通過而滯留多價電荷的分子與大於400daltons

的不帶電分子。在生命科學範疇，樣本過濾可依處理樣本粒徑大小分為微孔過濾(Microfiltration,簡稱MF)，超微孔過濾(Ultrafiltration,簡稱UF)，逆滲透過濾(ReverseOsmosis,簡稱RO)與奈米級過濾(Nanofiltration,簡稱NF)逆滲透原理純水(滲透壓較低)具有選擇性通透特性之半通透膜含有各種污染物之自來水(滲透壓較高)

純水(滲透壓相對較低)(具有選擇性過濾之半通透膜)水流流動方向水流自低滲透壓自然流向高滲透壓,此乃正常滲透現象含有各種污染物之自來水(滲透壓相對較高)滲透壓差自然狀態下之滲透現象逆滲透純水(低滲透壓)水流方向:自高滲透壓流向低滲透壓,此乃逆滲透現象較高滲透壓較高雜質之自來水逆-滲透現象Reverse-Osmosis外力加壓含有高濃度污染物之排放水進水排水產水切線流RO

TangentialFlow逆滲透膜產水廢水進水逆滲透之重要參數自來水/原水逆滲透純水排放水+-+-Performance

95-99%RejectionofInorganicIons99%RejectionofOrganics>100Dalton99%RejectionofParticlesandMicroorganismsGoodBroadPretreatmentAlternativetoDistillation.Recovery10-50%ofFeedWaterPrRO前處理管柱壓力控制閥Pump消毒孔蓋導電度計RO膜導電度計純水品管閥進水電磁閥再循環迴路流量控制排水控制Rinsing沖洗電磁閥FlushRiOs5流程範例ProducttoTank

各種水溶液之滲透壓利用掃描式電子顯微鏡拍攝之逆滲透膜橫切面照片說明:此為複合式逆滲透膜,

上層為真正逆滲透膜,

厚度佔整體厚度之百分之一左右,其餘為支撐結構.逆滲透膜之結構放大倍率:一萬倍

離子交換樹脂之去離子原理R

-SOH+NaR-SONa+HR-NHOH+ClR-NHCl+OH33__++++44____陽離子交換樹脂陰離子交換樹脂

HO2離子交換樹脂染色:MethylRed(陽離子)

BromophenolBlue(陰離子)單床式離子交換樹脂強酸\鹼化學樹脂再生R-OH-R-Cl-R-Na+R-H+陽離子交換樹脂陰離子交換樹脂NaOHHCl++++----NaClNaClNa++Cl-混床式離子交換方式R-Na+R-H+R-OH-R-Cl-H++OH-=H2O可純化出

18.2Megohm.cm

之超純水混床離子交換樹脂VS電子連續式去離子純化原理(EDI)

ElectrochemicalRegenerationofIonExchangeResinsACAC電陽極電陰極A-陰離子通透膜C-陽離子通透膜Na+H+Na+H+H+H+OH-OH-Cl-Na+排放廢水高純度純水OH-OH-+_Cl-Cl-H+OH-H+OH-水中代表性污染物鹽類

(NaCl)Ultrafiltration

超過濾在生命科學範疇，樣本過濾可依處理樣本粒徑大小分為微孔過濾(Microfiltration,簡稱MF)，超微孔過濾(Ultrafiltration,簡稱UF)，逆滲透過濾(ReverseOsmosis,簡稱RO)與奈米級過濾(Nanofiltration,簡稱NF)超微孔過濾(UF)指在流體樣本中分離極度小的顆粒與其他已溶解分子的過程。分離的主要依據是分子大小，其次為分子的形狀與帶電性。進行超微過濾時，1,000至1,000,000分子量的分子會留在過濾膜上，而鹽與水則會通過膜孔流出UF膜是用來純化並收集通過膜的樣本或是滯留在膜上的物質。

1.收集通過膜的小分子樣本之應用如：去熱源(depyrogenated)、澄清(clarified)、、等，

2.而收集滯留在膜上之大分子樣本，則是為了濃縮大分子物質，同時將小分子不純物分離的應用。UF的效能除了以:

1.分子量大小,例如5000~13000MWCO(MolecularWeightCut-Off)外

2.LRV

值(Logreductionvalue)也是重要的參考,

例如:LRV>4代表可以將濃度大於10過濾為小於10的濃度單位51UltrafiltrationcartridgeSEMofHollowFiberUFWaterflowfromoutsidetoinsideThefibersarebentandassembledinahousingwithapottingatthebottom.HollowFiberCartridge Inlet Housing FibersDrain Potting

Outlet

LRV>4(Logreductionvalue)(ChallengeRangefrom442Eu/mlto44,200Eu/ml)StrictQualityControlTestings

:ABSHousingNaOHcompatibleUltrafiltrationUltrafiltersareasymmetricmembranes,sometimescompositeUnderpressure,smallsizemoleculesgothroughthemembrane,whereasmoleculeslargerthentheNMWL(Norsk

MaltWhiskyLag)areretainedOrganicswithMW>NMWL:Rejection>99%1µm100µmPSEMofUltrafiltrationCapillaryFiberSEMof100,000NMWLUltrafiltrationMembraneUltrafiltration2,000XMagnificationSub-unit10,000DEndotoxinGramnegativecellwallHollowFiberUFMembraneStructureThinlayeroftightUFmembranePoroussupportstructureinthemiddleThinlayerofUF(lesstight) FlowDirectionBioPak-MaterialsUFHollowFibers(5000~13,000NMWL)

PolysulfonePottingPolyurethaneBioPak–How

it

works0.5mm0.8mmFibersSurface=2170cm²CutOff(NMWL)=13,000DaltonBioPak

Size&ConnectionsInlet

Connection:¼

’’Gaz(Straight)LuerSlipFVentingPort1/8’’GazOutlet

ConnectionHose

Barb–6mm124mm45mm氬氣/汞蒸氣放電電極超純度石英管壁紫外線放射UV(ultraviolet)

一般稱紫外線,原理及構造類似一般日光燈而稍有不同,1.UV照射主要用於殺菌領域,尤其260nm附近的紫外線的殺菌能力效果最佳.

2.另外,配合較短波長的uv

可以有效分解有機物質.所有的UV系統同時都會產生185及254nm波長能量,但石英燈罩等級的不同,會讓185nm的部分無法穿透出來1.185nm的能量會產生臭氧O3及自由基,高能量的紫外線能氧化有機物,可應用在去除有機物的系統上2.254nm能打斷較弱的化學鍵,能影響DNA及蛋白質的化學鍵,殺菌的主要機制是使DNA產生Thyminedimer.直接照射微生物時,有非常好的殺菌效果.

氫氧自由基之循環途徑

UVat

254nm+H2OH2O2+O2UVat254nm

1.5O2UVat185nmO3UVat254nm+H2OO2+O.

2OH.氫氧自由基

UVat254nm水中有機物之光氧化途徑CO2+H2OH2CO3HCO3-+H+CH3OH+2OH.

HCHO+2H2O(甲醇)

UVHCHO+2OH.

HCOOH+H2O

(甲酸)UVHCOOH+2OH.CO2(aq)+2H2OUVSimplicity185UVLampStainlessSteelHousing,withaUVlamp,insideaquartzsleeve,easytoreplaceFeedwaterfromthebottom,toavoidtrappingairbubbles.185&254nmwavelengths.DrawingbyJ.F.PiletteUV應用(一):降低有機物濃度各種微生物對UV的耐受程度不同,假設一個被E.Coli(大腸桿菌)污染的儲槽(1,000CFU/ml)而紫外殺菌燈距圓形儲槽璧有19公分遠,紫外燈在19公分遠處的輻射強度是1000µW/cm2如欲對大腸桿菌(E.Coli)產生99.9%的殺菌效力,需要7,000µW.sec/cm2的輻射能量因此,紫外燈照明所需時間如下:7,000/1000=7秒鐘如換做枯草桿菌(BacillusSubtilis):58,000/1000=58秒鐘(<1分鐘).

WithoutUVLampWithUVLampBacteriaincondensationwaterdropletsabovewaterlevelBiofilmdevelopmentbelowwaterlevelUV應用(二):有效抑制微生物生長TOCMonitoring185/254nmUVLampTitaniumElectrodesSolenoidValveThermistorQuartzcell0.5mlConductivityPurgeMeasureofinitialconductivityOxidationcyclePurgePhase1Phase2Phase3Phase4ValveopenValveclosedValveopenLamponLamponLampoffDCUV應用(三):偵測有機物濃度超純水系統自來水純水機儲水桶超純水機Milli-Q+-+-排水+-18.2

Megohm.cm超純水之含意僅能代表水中總離子濃度在1ppb以下重要用水觀念(1)愈純的實驗室用水,愈不宜久放.因為對18.2

Megohm.cm

之超純水來說,放置一小時之後,阻抗會下降至4Mohm.cm,pH則降至5.7左右,更遑論用水環境及容器所造成的污染(如空氣中灰塵,接觸容器所產生之溶出物以及儲水桶之微生物污染).所以現取現用是非常重要的一個觀念.空氣中二氧化碳與純水所產生之化學反應公式CO2+H2O H2CO3H2CO3H++HCO3-HCO3-H++CO3-+重碳酸根離子+純水空氣中之二氧化碳=碳酸氫離子碳酸重碳酸根離子+碳酸根離子氫離子因空氣中二氧化碳溶於超純水而造成水質之劣化比阻抗值(M

-cm)10-20-4-0-20406080100

時間(分鐘)1.從碳酸中解離出之氫離子濃度[H+]=2x10-6或pH=5.72.因氫離子及碳酸根離子增加,造成比阻抗值下降至4左右.重要用水觀念(2)比阻抗值僅能用來表示水中離子濃度高低,與其它污染物之濃度無關.18.2

Megohm.cm超純水之含意僅能代表水中總離子濃度在1ppb以下,其它污染物需以不同的方法來檢測.影響實驗結果及再現性的,絕不僅於離子而已.舉例來說,很難想像大量存在在自來水中又很難去除之矽酸鹽,會對生物性酵素活性有極大的影響,所以美國

NationalCommitteeofClinicsandLaboratoryStandards所建議之矽酸鹽濃度需低於10ppb,這是眾多需要謹慎處理之水中污染物之一.以刻意添加有機物(蔗糖)於純水中,做為Milli-Q之進水後,其所產製的超純水之水質變化.

0306090120150180210240用水時間累積(分鐘)8101214161820比阻抗值,

megohm-cm020040060080010001200有機物(TOC),ppb比阻抗值有機物重要用水觀念(3)儘量避免純水系統中有菌膜(Biofilm)的形成,因為一旦菌膜形成,除了會造成下列問題外,沒有任何方法可以有效根除.菌膜會使超純水無法達到ASTM所建議Type1水質中微生物數(<1cfu/ml)標準,並因其衍生物(內毒素及Rnase)的產生,影響了細胞培養及其它分生實驗的實驗結果..殺菌處理後的細菌恢復速度如果,殺完菌但沒有清除biofilm,對微生物來說,”最好的的食物,就是死掉的微生物”使用合適的殺菌劑及程序重要用水觀念(4)取用超純水之環境良窳及容器的好壞對超純水之最終水質表現具有關鍵性影響.對於操作範圍需在

ppm或ppm以下,但室內灰塵缺乏過濾,空氣對流強烈,容器Rinse不夠徹底,樣本容器不加蓋或密封性不足,容器易有溶出物等問題存在時,應考慮改善.2weeks1day1week1hourControl5101520250Minutes超純水儲存在聚乙烯容器所產生之有機溶出物

<HPLC之分析結果>ConditionsWatersamples:40mltraceenrichment@2.0ml/minColumn:C18reversedphase(Waters)Gradient:linear100%waterto100%acetonitrileWavelength:254nm﹕countdays鋅的落塵量在不同地點及不同時間之檢測值(counts)環境污染與實驗室落塵相關性研究

(StudiesmadeonseveralelementsbyLaboratoire

Interuniversitairedessystèmes

atmosphériquesinParisarea-MrJ.P.Quisefit)飲用自來水純水‧超純水

無機鹽類

有機物

微生物

懸浮固體純水之一般性定義*0.055us/cm*18.2Mohm.cmat25C*Ions=ppt(10-50ng/Lrange)*3-20ug/L*大於0.22um之顆粒數應為零*<1cfu/ml*0.1-1.0us/cm*1-10Mohm.cm*Ions=ppb(ug/Lrange) *50-200ug/L*10-100cfu/ml*需有合理的過濾處理

*100-2000us/cm*500-7000ug/L*0.5-7mg/L*<100cfu/mlN.A.oASTM水質標準比阻抗值 18.0 1.0 4.0(Mohm-cmto25oC)總有機碳(TOC)(ppb) 100 50 200鈉離子最大值(ppb) 1 5 10氯離子最大值

(ppb) 1 5 10總矽酸鹽最大值

(ppb) 3 3 500 TypeA TypeB TypeC微生物數最大值

(CFU)10/1000ml 10/100ml 100/10ml內毒素

(Eu/ml) <0.03 <0.25 N.A.

TypeI TypeII TypeIIINCCLS/CAP水質標準微生物讀值最大容許量

101000

菌落數最大容許值(CFU/ml)比阻抗最低容許值 101.0(Mohm-cm@25C)矽酸鹽最大容許值

(mg/LSiO2)

0.050.1懸浮顆粒

需經過0.22um濾膜N.S.有機污染物

需經過活性碳(1)N.S. TypeITypeIIN.S.=Notspecified(1)NotrequiredbyCAPSources:“PreparationandTestingofReagentWaterintheClinicalLaboratory,”SecondEdition,NCCLSDocumentC3-A2,Vol.11,No.13,August1991.“ReagentWaterSpecifications,”CollegeofAmericanPathologists,1985.傳統去離子水及

蒸餾水系統的探討蒸餾法蒸餾是自古以來就有的方法，它是利用物質間物理性質（揮發性與沸點）的不同，將含有汙染物質的水汽化後，再加以回收。但是，蒸餾時沸騰的小水珠（watermist：每顆小水珠含有數千至數百萬分子）飛散到上升蒸氣中，會降低