實驗用水所要求的純度

所謂實驗，是指對現(xiàn)象所推測的假設(shè)加以驗證的動作。假設(shè)能否被證明為真理，與假設(shè)能否具有再現(xiàn)性的結(jié)果至關(guān)重要。實驗的再現(xiàn)性除了要有良好的技巧，還受到所用化學(xué)試劑的純度和分析儀器的精密度的影響。實驗中用來配置溶液的化學(xué)試劑，及所使用的水的純度也非常重要。假設(shè)水中污染物對實驗檢測會造成影響，就必須去除這些物質(zhì)。此外，為了取得良好的再現(xiàn)性結(jié)果，使用能保持穩(wěn)定水質(zhì)的純水是必要的。

隨著實驗用的分析系統(tǒng)靈敏度的提高，對水的純度有了更高的要求。

1ppm = 1mg/L

1ppb = 1μg/L

1ppt = 1ng/L = 1μg/ml

在水中，將距離1cm的兩片表面積為1cm2大小的電極加以通電，來監(jiān)測兩極間的導(dǎo)電率，通過所加電壓和測得的電流能夠獲知兩極間的電阻值，這個數(shù)值在水質(zhì)分析中通常被稱為電阻率或比電阻，其單位用MΩ.cm(megaohm-centimeter)來表示。

電阻率的倒數(shù)稱為導(dǎo)電率或電導(dǎo)率，用μs/cm(micro Siemens per centimeter)來表示。

這兩個參數(shù)是表示水的純度的最常用參數(shù)。

將自來水中的離子去除，會使得電阻率值升高(導(dǎo)電率降低)，單并非無限制的增加，這是因為部分水分子會電離為氫離子和氫氧根離子，其電阻率值極限值18.248MΩ.cm(25℃)。此外，電阻率值會隨著水的電離常數(shù)而改變，因而會受到水溫的影響。例如，25℃的超純水，其電阻值為18.2MΩ.cm,但在0℃則為84.2MΩ.cm,

100 ℃則為1.3MΩ.cm。在25 ℃附近，當(dāng)溫度上升1 ℃，其電阻值將下降0.84MΩ.cm。因此，多使用補償至25 ℃的電阻率值來做衡量標(biāo)準(zhǔn)。

此外像總有機碳含量(TOC)，熱源內(nèi)毒素含量，細菌含量，顆粒含量，微生物含量，總?cè)芙夤腆w含量(TDS)等也常常被用作補充說明水質(zhì)的重要參數(shù)。因此，水的純度標(biāo)準(zhǔn)通常由以上這些參數(shù)的一項或幾項來綜合說明、分級。

實驗用純水的分級標(biāo)準(zhǔn)

實驗室純水可分為4個常規(guī)等級：純水、去離子水、實驗室Ⅱ級純水和超純水

純水：純化水平最低，通常電導(dǎo)率在1-50μs/cm之間。它可經(jīng)由單一弱堿性陰離子交換樹脂、反滲透或單次蒸餾制成。典型的應(yīng)用包括玻璃器皿的清洗、高壓滅菌器、恒溫恒濕實驗箱和清洗機用水。

去離子水：電導(dǎo)率通常在1.0-0.1μs/cm之間。通過采用含強陰離子交換樹脂的混床離子交換制成，但它有相對較高的有機物和細菌污染水平，能滿足多種需求，如清洗、制備分析標(biāo)準(zhǔn)樣、制備試劑和稀釋樣品等。

實驗室Ⅱ級純水：電導(dǎo)率<1.0μs/cm，總有機碳(TOC)含量小于50ppb以及細菌含量低于1CFU/ml。其水質(zhì)可適用于多種需求，從試劑制備和溶液稀釋，到為細胞培養(yǎng)配備營養(yǎng)液和微生物研究。這種純水可雙蒸而成，或整合RO和離子交換/EDI多種技術(shù)制成，也可以再結(jié)合吸附介質(zhì)和UV燈。

超純水：這種級別的純水在電阻率、有機物含量、顆粒和細菌含量方面接近理論上的純度極限，通過離子交換、RO膜或蒸餾手段預(yù)純化，再經(jīng)過核子級離子交換精純化得到超純水。通常超純水的電阻率可達18.2MΩ-cm，TOC<10ppb，濾除0.1μm甚至更小的顆粒，細菌含量低于1CFU/ml。超純水適合多種精密分析實驗的需求，如高效液相色譜(HPLC)，離子色譜(IC)和離子捕獲-質(zhì)譜(ICP-MS)。少熱源超純水適用于像真核細胞培養(yǎng)等生物應(yīng)用，超濾技術(shù)通常用于去除大分子生物活性物質(zhì)，如熱源(結(jié)果為<0.005IU/ml)以及無法檢測到的核酸酶和蛋白酶。

目前世界上比較通用的純水標(biāo)準(zhǔn)主要有以下幾個：國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)，美國臨床病理學(xué)會(CAP)試藥級用水標(biāo)準(zhǔn)，美國測試和材料實驗社團組織(ASTM)，臨床試驗標(biāo)準(zhǔn)國際委員會(NCCLS)，美國藥學(xué)會(USP)等。同時，我國也有相應(yīng)的純水標(biāo)準(zhǔn)：中國國家電子級超純水規(guī)格GB/T11446-1997和中國國家實驗室用水規(guī)格GB6682-92等。因此市面上絕大多數(shù)的純水系統(tǒng)，無論是進口的還是國產(chǎn)的，都是依據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計流程的。

實驗用水的純化技術(shù)

微孔深層過濾

對顆粒的通過設(shè)置了物理屏障，并根據(jù)過濾微細顆粒的大小分級，由纏繞纖維或壓緊的物質(zhì)形成多孔矩陣，通過吸附或捕捉方式截留顆粒。深層過濾器(一般為1-50μm)通常作為一種經(jīng)濟的純化方式用于截留大量的懸浮固體，并保護下游的純化設(shè)備不被污染和堵塞。它們需要定期更換。

活性碳吸附

活性碳通常用于預(yù)處理系統(tǒng)以去除進水中的氯和氯胺，防止它們破壞過濾膜和離子交換樹脂。

大部分活性碳是由椰殼或煤在有水蒸氣和CO2的條件下，經(jīng)800-1000℃

煅燒而形成具活性的木炭，經(jīng)過酸洗去掉殘余氧化物和其他溶解物質(zhì)。用于水處理的活性碳通常孔徑范圍在500-1000nm之間，每克比表面積大約1000m2，通常是顆粒狀壓縮成型的，并裝填于純化柱中以防止產(chǎn)生太過微細顆粒污染下游。

活性碳的巨大表面和海量微孔以及吸附的物質(zhì)，成為微生物的繁殖地。微生物的生長可以通過添加非溶解性生物殺滅劑到碳中，如銀，得到部分抑制。活性碳柱需要定期更換以保持最少的細菌含量。

反滲透(RO)

反滲透膜通常用于濾除直徑小于1nm的污染物，典型的反滲透方式可以濾掉水中90%的離子污染物，大部分有機物和幾乎全部微粒污染物。反滲透對分子量<100道爾頓的非離子污染物的去除能力較低，而隨污染物分子量的增大，RO膜的濾除能力也隨之增強。理論上說，這種方式可以100%濾除>300道爾頓分子量的分子和包括膠體及微生物在內(nèi)的顆粒，溶解的氣體則無法靠RO膜去除。

由于其出色的純化功效，反滲透是一項對去除絕大部分雜質(zhì)非常具成本效益的技術(shù)。不過，其產(chǎn)水速度相對較低，所以使用時通常配以儲水箱暫存產(chǎn)成水以備使用或進一步純化。反滲透裝置保護后續(xù)系統(tǒng)免收膠體和有機物的堵塞或污染，其后續(xù)系統(tǒng)通常配備離子交換或電滲析裝置。

離子交換

離子交換樹脂床能通過與H+和OH-的離子交換，從水中有效去除離子。離子交換樹脂是直徑小于1mm的多孔小球，由交鏈的含有大量功能強大的離子交換點的不溶性聚合物制成。水中的離子依據(jù)它們的相對電荷密度競爭離子交換樹脂的交換點而被樹脂吸附。樹脂分為陽離子樹脂和陰離子樹脂兩種。

離子交換樹脂床放在小型濾柱或大型濾筒中使用，一般使用一段時間后就要更換，此時陰陽離子交換基團已經(jīng)替換了樹脂中大部分H+和OH-的活性點。通過將RO膜設(shè)置在離子交換之前的方式，可得到更純的水質(zhì)并延長填料的使用壽命，該方法經(jīng)常用于生產(chǎn)高純度超純水的實驗室純水系統(tǒng)中。這種方法也可避免離子交換樹脂表面被大的有機物分子堵塞，從而降低其交換能力。

電滲析

電滲析(EDI)是一項結(jié)合了離子交換樹脂和離子選擇性通透膜，并結(jié)合直流電去除水中離子化雜質(zhì)的技術(shù)。該項技術(shù)的發(fā)展克服了離子交換樹脂的局限性，特別是離子交換柱耗竭時離子雜質(zhì)的釋放及重填或再生離子交換柱的工作。

水通過一個或多個在陽離子或陰離子選擇膜之間填滿離子交換樹脂的管腔，在電場的作用下，離子在離子交換樹脂間向管腔的兩側(cè)移動并進入另外的管腔，這個過程中也會電解產(chǎn)生維持樹脂處于再生狀態(tài)所需的H+和OH-。流向兩側(cè)獨立管腔的離子被水沖刷掉。

通常，EDI的產(chǎn)成水電阻率可達到5-17MΩ-cm(在25℃時)，總有機碳含量(TOC)低于20ppb。由于系統(tǒng)內(nèi)化學(xué)和電環(huán)境的作用抑制微生物生長，使細菌水平達到最小化。一般來說，EDI不能產(chǎn)生電阻率18.2MΩ-cm的超純水。必須在EDI之后放置離子交換柱才可生產(chǎn)18.2MΩ-cm的超純水，并且因為水中只有極少數(shù)量的離子存在，所以延長了離子交換柱的使用壽命。

蒸餾

蒸餾法是通過改變水的形態(tài)——從液態(tài)到氣態(tài)再回到液態(tài)，將水和污染物分離。每一個轉(zhuǎn)換過程都為純水與污染物的分離提供了機會。理論上，除蒸汽壓力與水接近的物質(zhì)和共沸化合物，蒸餾法能去除所有種類的水中污染物。

像RO一樣，蒸餾法生產(chǎn)純水的速度較慢，所以蒸餾水必須先儲存起來以備日后使用。

蒸餾水器非常耗電——每生產(chǎn)1升純水通常耗費1KW電力。依據(jù)蒸餾水器的不同設(shè)計，蒸餾水的電阻率大約能達到1

MΩ-cm，因為空氣中的CO2會溶入蒸餾水中迅速降低其電導(dǎo)率。新鮮蒸餾水是無菌的，但如果保存不當(dāng)，一段時間后就不再是無菌的了。

微濾

純水系統(tǒng)中的微濾器對水中顆粒物和微生物進行物理性阻截。膜濾器完全根據(jù)顆粒的大小分級，有較一致的分子結(jié)構(gòu)，截留所有大于其表面孔徑的顆粒。

膜濾器(0.05-0.20μm)通常被放置在盡可能接近出水點的地方來捕獲微生物和微細顆粒。

所截留的顆粒物包括微生物或其代謝物和可溶性物質(zhì)，可能再次從濾器中瀝濾出來，所以對微濾器的適當(dāng)維護(定期消毒和周期性更換)是必要的，使其性能保持在理想水平。新安裝的濾器通常要求在使用前沖洗以去除可能含有的可萃取污染物。

超濾

超濾(UF)是一個過濾術(shù)語，指能去除如蛋白質(zhì)大小的顆粒的過濾器。膜孔徑通常在1-50nm之間，中空纖維結(jié)構(gòu)的超濾膜通常有較高的濾過速率。超濾膜根據(jù)其降低相關(guān)污染物濃度的效率來分級。

超濾膜通常安裝在靠近純水儀出水口的位置以降低微生物和有機大分子，包括核酸酶和內(nèi)毒素的濃度。超濾必須定期清洗或更換以保持其效能。超濾可以以傳統(tǒng)的方式安裝，所有水流徑直穿透濾膜，或者以更佳的方式——切向流方式，一部分進水平行流過膜表面帶走污染物以減少其對膜表面的堵塞。

對于保障超純水在顆粒、細菌和熱源含量等各項指標(biāo)上保持穩(wěn)定的高質(zhì)量，超濾法是一項出色的技術(shù)。國際上通行的用于超純水儀的超濾膜截留分子量是5000道爾頓。

紫外燈

紫外燈通常作為殺菌裝置分解和光氧化有機污染物使其極化或離子化，一般安裝在離子交換柱之前，便于離子交換柱將其吸附去除。實驗室純水系統(tǒng)的紫外燈光源為低壓汞燈。

254nm波長的射線具備最強的殺菌能力，能破壞DNA和RNA聚合酶，只需低量就可有效阻止細菌的復(fù)制，較高劑量時有殺菌作用。UV燈組件和UV燈本身的設(shè)計應(yīng)提供足夠的UV劑量以避免活菌的滋生并抑制微生物生長。

較短波長(185nm)的射線對有機物有非常好的氧化作用。UV將大的有機分子裂變?yōu)檩^小的離子化合物，并被后置的離子交換柱純化去除。通過第一個離子交換柱對有機離子的去除，優(yōu)化了UV的效能。

先進的超純水系統(tǒng)都會使用這種雙波長的紫外燈組件。

KDF法

凱得菲(KDF)的作用及功效

凱得菲(KDF)是高純度的銅/鋅合金顆粒，它通過微電化學(xué)氧化-還原反應(yīng)(Redox)進行水處理工作，在與水接觸時，合金中的兩種金屬在亞微觀尺度上構(gòu)成無數(shù)小的原電池系統(tǒng)，這種材料在水中具有強大的反應(yīng)能力和極快的反應(yīng)速度，可以清除水中高達99%的氯和水中溶解的鉛、汞、鎳、鉻等金屬離子和化合物。對抑制細菌、真菌、污垢、水藻的滋生效果卓著。被用于預(yù)處理、主處理與廢水處理設(shè)備。凱得菲(KDF)完善或取代現(xiàn)有技術(shù)，可大輻度延長了系統(tǒng)壽命，減少重金屬、微生物、污垢，降低了總費用，減化系統(tǒng)維護。

(1) 去除強氧化劑(余氯)

凱得菲(KDF)具有強大的還原能力，能去除水中的各種強氧化劑，對余氯特別有效。

(2)去除重金屬

凱得菲(KDF)處理介質(zhì)可以去除水中的多種重金屬離子，如鉛、汞、銅、鎳、鎘、砷、銻、鋁和其他許多可溶性重金屬離子，它們的去除是通過置換反應(yīng)和物理和化學(xué)吸附反應(yīng)來完成的。凱得菲(KDF)去除重金屬離子的機理如下：金屬離子吸附于凱得菲(KDF)處理介質(zhì)的表面并與凱得菲(KDF)中的鋅發(fā)生置換反應(yīng)，生成的金屬或吸附在凱得菲(KDF)表面，或進入凱得菲(KDF)晶格中，從而使有毒重金屬污染物結(jié)合在凱得菲(KDF)上。例如，水中溶解的鉛離子還原成不溶性的鉛原子，并吸附于凱得菲(KDF)介質(zhì)的表面,汞離子與凱得菲(KDF)也發(fā)生類似的反應(yīng)，X射線衍射研究發(fā)現(xiàn)汞的去除是形成了銅-汞合金。

(3)去除硫化氫

在應(yīng)用膜法進行水處理時，如果選用地下水作水源，水中可能存在硫化氫，硫化氫如被氧化成硫磺就會污染濾膜表面，凱得菲(KDF)過濾介質(zhì)有去除硫化氫的功能，生成的硫化銅不溶于水，可在凱得菲(KDF)介質(zhì)反沖洗時去除

(4)減少懸浮固體

凱得菲(KDF)處理介質(zhì)的顆粒平均尺寸大約為60目，最小的顆粒約110目，也能起到物理過濾去除懸浮物質(zhì)的作用，通常凱得菲(KDF)過濾介質(zhì)能夠有效地去除直徑小于至50μm的顆粒。

(5)減少礦物質(zhì)結(jié)垢

(6)抑制微生物繁殖

凱得菲(KDF)處理介質(zhì)不是通過一種機理、而是幾種機理控制微生物的生長繁殖，通過每一種的單獨作用或協(xié)同作用來達到抑制微生物的作用。主要機理包括：氧化還原電位的變化，氫氧根離子和過氧化氫的形成，介質(zhì)中鋅的溶出等。在一般情況下，凱得菲(KDF)處理介質(zhì)作為反滲透膜的預(yù)處理手段時，能夠抑制細菌、藻類等微生物的繁殖，從而防止了微生物對膜的破壞。