Ultrapures Wasser ist Wasser, aus dem leitfähige Ionen, Kolloide, organische Stoffe und andere Verunreinigungen vollständig entfernt wurden, wobei der Produktwasserwiderstand 18 MΩ·cm (bei 25°C) übersteigt. Ultrapure-Wasser-Systeme verwenden typischerweise Vorbehandlungstechnologien, Umkehrosmose (RO), Elektrodeionisation (EDI) und Nachbehandlungsprozesse, oft ergänzt durch Hilfsbehandlungen wie UV-Lampen und TOC-Entfernungseinheiten (Total Organic Carbon).
Flussdiagramm des Ultrapure-Wasser-Produktionsprozesses:
Der Standardprozessablauf ist: Leitungswasser → Vorbehandlungssystem → Mehrstufiges Hochdruck-RO-System → EDI-System → TOC-Entfernungseinheit → Polier-Mischbett-System → Verbrauchsstelle (POU). Während der Produktion dienen Pumpen als Energiequelle, und Speichertanks in verschiedenen Phasen gewährleisten einen sicheren und stabilen Pumpenbetrieb. Das Hinzufügen von Filtern unterschiedlicher Güte an bestimmten Stellen gewährleistet die Produktwasserqualität.
Darüber hinaus können während des Filterbetriebs verschiedene Chemikalien zugesetzt werden, um den pH-Wert des Wassers anzupassen, Restchlor zu reduzieren und die RO-Membranversiegelung zu verlangsamen usw. In kälteren nördlichen Regionen können im Winter Wärmetauscher am Einlass des Vorbehandlungssystems hinzugefügt werden, um die Leitungswassertemperatur zu erhöhen, um die Prozessanforderungen zu erfüllen.
Darüber hinaus ist das Spülen des Ultrapure-Wasserspeichertanks mit Stickstoffgas entscheidend, um das Wasser von der Atmosphäre zu isolieren und eine Sekundärkontamination zu verhindern.
Bedeutung der Vorbehandlung:
1. Anforderungen an das RO-Membranspeisewasser:
Das RO-System ist die kritischste Komponente bei der Herstellung von Ultrapure-Wasser. Sein ordnungsgemäßer Betrieb gewährleistet die Sicherheit des gesamten Reinwassersystems und die Qualität des Produktwassers. RO-Systeme haben spezifische Anforderungen an das Speisewasser:
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Schlammdichteindex (SDI) < 4,0
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Trübung (NTU) < 1,0
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Gehalt an organischen Stoffen (CSB) < 1,5 mg/L
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Restchlorgehalt < 0,1 mg/L (idealerweise bei 0 mg/L kontrolliert)
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Eisengehalt 5 mg/L
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Kieselsäure (SiO₂) im Konzentrat < 100 mg/L
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Langelier-Sättigungsindex (LSI): pHb - pHs < 0
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Ionen, die zur Bildung unlöslicher Salze neigen (z. B. Sr, Ba): Ionenprodukt (Ipb) < 0,8 Ksp
2. Rolle des Vorbehandlungssystems:
Das Vorbehandlungssystem entfernt Restchlor, große ungelöste Feststoffe, ausgeflockte Kolloide, organische Stoffe, Oxide, organische Verbindungen und Schwermetalle aus dem Wasser bevor es in das RO-System gelangt, wodurch die CSB- und SDI-Werte reduziert werden.
Darüber hinaus können Ionen wie Calcium, Magnesium, Barium, Sulfate, Silikate und Carbonate durch Zugabe von Inhibitoren komplexiert werden, um größere Partikel zu bilden, die dann als Konzentrat aus der RO-Einheit abgeleitet werden.
(1) Auswirkungen von Systemfehlfunktionen auf RO-Membranen:
Wie im Abschnitt zur Vorbehandlung dargelegt, wird die überwiegende Mehrheit der schädlichen Makromoleküle durch das Vorbehandlungssystem entfernt, bevor sie die RO-Membranen erreichen. Wenn das Vorbehandlungssystem mangelhaft ist und mehrere RO-Speisewasserparameter nicht konform sind, können irreversible physikalische und chemische Schäden an den RO-Membranelementen auftreten, wodurch deren Lebensdauer erheblich verkürzt wird. Faktoren, die die Lebensdauer der RO-Membran beeinflussen, sind:
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RO-Membranversiegelung
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RO-Membranverschmutzung durch Metalloxide
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RO-Membranblockierung durch ungelöste Feststoffe
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Verschmutzung durch Kolloide, organische Stoffe und Mikroorganismen, was zu einem erhöhten CSB-Wert des Produktwassers führt.
(2) Auswirkungen von Systemfehlfunktionen auf das RO-Ultrapure-Wassersystem:
Fehlfunktionen im Vorbehandlungssystem wirken sich auf das gesamte RO-Ultrapure-Wassersystem auf drei Hauptarten aus:
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Reduziert die Produktwasserausbeute und -qualität des Systems.
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Erhöht den Wasser- und Energieverbrauch der RO-Anlage.
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Erhöht die Betriebskosten, einschließlich der Ausgaben für Inhibitoren und andere Wasseraufbereitungschemikalien.
Funktionsprinzipien von UF- und Aktivkohlesystemen:
Häufige Vorbehandlungssysteme in der Praxis sind Ultrafiltrationssysteme (UF) und Aktivkohlesysteme. Ein UF-System besteht typischerweise aus einem Scheibenfilter und einer UF-Einheit. Ein Aktivkohlesystem umfasst in der Regel einen Mehrschichtfilter (MMF) und einen Aktivkohlefilter (ACF).
1. Funktionsprinzip des UF-Systems:
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Scheibenfilter: Funktioniert durch Oberflächen- und Tiefenfiltration unter Verwendung dicht gepackter Kunststoffscheiben. Entfernt hauptsächlich große Partikel wie Sand und Schlick.
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Ultrafiltration (UF): Eine Druckmembrantrennungstechnologie. Unter Druck passieren kleine gelöste Moleküle und Lösungsmittel eine Membran mit spezifischen Porengrößen, während größere gelöste Moleküle (Molekulargewicht 10.000 - 30.000 Da) zurückgehalten werden, wodurch die Lösung teilweise gereinigt wird, indem Makromoleküle entfernt werden. (Siehe Schema Abb. 1 für das UF-Prinzip).
2. Funktionsprinzip des Aktivkohlesystems:
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Mehrschichtfilter (MMF): Verwendet ein oder mehrere Filtermedien (z. B. Quarzsand, Anthrazit, Mangansand) unter Druck. Wasser mit hoher Trübung passiert ein Bett aus granularem Material und entfernt effektiv ungelöste Feststoffe und klärt das Wasser. Es reduziert den SDI auf unter 3 und wird zur Trübungsentfernung und als Vorbehandlung für enthärtetes/reines Wasser verwendet.
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Aktivkohlefilter (ACF): Wasser aus dem MMF gelangt in den ACF, der ein Bett aus Quarzsand enthält, das Aktivkohlemedien trägt. Aktivkohle entfernt Restchlor, organische Stoffe und ungelöste Verunreinigungen hauptsächlich durch physikalische Adsorption (Van-der-Waals-Kräfte) innerhalb ihres riesigen Porennetzwerks.
Vor- und Nachteile von UF- und Aktivkohlesystemen:
Jede Art von Vorbehandlungssystem hat ihre Vor- und Nachteile während des Betriebs.
Ultrafiltrationssystem (UF):
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Vorteile:
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Hoher Konzentrationsfaktor, die Produktwasserrückgewinnungsrate kann 90 % übersteigen.
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Ausgezeichnete Produktwasserklarheit und -qualität.
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Als RO-Vorbehandlung reduziert UF die RO-Investitionskosten erheblich und verlängert die Lebensdauer der RO-Membran (auf über 3 Jahre).
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Hoher Automatisierungsgrad, einfache Struktur, niedrige Betriebs-/Wartungskosten; in der Lage zur Online-Rückspülung und chemischen Reinigung (CIP).
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Geringe Stellfläche.
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Nachteile:
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UF-Membranporengrößen (0,002 - 0,1 μm) decken einen weiten Filtrationsbereich ab (Kolloide ≥0,1 μm, Latex ≥0,5 μm, Bakterien ≥0,2 μm, Partikel ≥5 μm). Einige Komponenten neigen während des Betriebs zum Verstopfen, was sich auf die Durchflussrate und die Membranlebensdauer auswirkt.
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Höhere anfängliche Investitionskosten (typischerweise 2-3 mal die Kosten eines MMF+ACF-Systems für die gleiche Kapazität).
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Strenge Anforderungen an den Speisewasserdruck.
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Kann nicht für längere Zeit abgeschaltet werden; Membranen erfordern chemische Konservierung für lange Inaktivität.
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Aktivkohlesystem:
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Vorteile:
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Geringere anfängliche Investitionskosten.
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Stabile Wasserausbeute; weniger empfindlich gegenüber Speisewasserdruckschwankungen.
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Nachteile:
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Große Stellfläche.
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Während des Betriebs unterliegen die Aktivkohle und der Anthrazit physikalischen/chemischen Reaktionen, was zu natürlichem Verbrauch, Erschöpfung der Adsorptionskapazität und Verschlechterung der Produktwasserqualität führt, was sich negativ auf das nachgeschaltete RO-System auswirkt.
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Der Rückspülzyklus für den ACF ist schwer zu kontrollieren und oft kurz. Unzureichende Rückspülung führt zu Kohlenstofffeinlecks, die die Wasserqualität und die nachgeschalteten Geräte stark verunreinigen. Unregelmäßige Rückspülung verursacht einen hohen Differenzdruck über dem Filter, was Betriebsrisiken birgt und die Durchflussrate reduziert.
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Hohe langfristige Betriebs- und Wartungskosten, erheblicher Arbeitsaufwand; Filtermedien haben eine kurze Lebensdauer (jährlicher Austausch erforderlich).
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