Woda ultrapure to woda, z której całkowicie usunięto jony przewodzące, koloidy, materię organiczną i inne zanieczyszczenia, o rezystywności wody produktowej przekraczającej 18 MΩ·cm (w 25°C). Systemy wody ultrapure zazwyczaj wykorzystują technologie wstępnego uzdatniania, odwróconą osmozę (RO), elektrodejonizację (EDI) i procesy końcowego uzdatniania, często uzupełniane przez dodatkowe zabiegi, takie jak lampy UV i jednostki usuwania TOC (całkowitego węgla organicznego).
Przepływ procesu produkcji wody ultrapure:
Standardowy przepływ procesu to: Woda z kranu → System wstępnego uzdatniania → Wielostopniowy system RO wysokiego ciśnienia → System EDI → Jednostka usuwania TOC → System polerowania z mieszanym złożem → Punkt użytkowania (POU). Podczas produkcji pompy służą jako źródło zasilania, a zbiorniki magazynowe na różnych etapach zapewniają bezpieczną i stabilną pracę pomp. Dodanie filtrów o różnych klasach w określonych punktach zapewnia jakość wody produktowej.
Dodatkowo, podczas pracy filtrów, można dodawać różne chemikalia w celu regulacji pH wody, redukcji resztkowego chloru i spowolnienia narastania osadów na membranie RO itp. W chłodniejszych regionach północnych w okresie zimowym, wymienniki ciepła mogą być dodawane na wlocie do systemu wstępnego uzdatniania w celu podniesienia temperatury wody z kranu, aby spełnić wymagania procesowe.
Ponadto, przepłukiwanie zbiornika magazynowego wody ultrapure gazem azotowym jest kluczowe dla izolacji wody od atmosfery i zapobiegania wtórnemu zanieczyszczeniu.
Znaczenie wstępnego uzdatniania:
1. Wymagania dotyczące wody zasilającej membranę RO:
System RO jest najważniejszym elementem w produkcji wody ultrapure. Jego prawidłowe działanie zapewnia bezpieczeństwo całego systemu czystej wody i jakość wody produktowej. Systemy RO mają określone wymagania dotyczące wody zasilającej:
-
Wskaźnik gęstości osadu (SDI) < 4.0
-
Mętność (NTU) < 1.0
-
Zawartość materii organicznej (COD) < 1.5 mg/L
-
Zawartość resztkowego chloru < 0.1 mg/L (idealnie kontrolowana na poziomie 0 mg/L)
-
Zawartość żelaza 5 mg/L
-
Krzemionka (SiO₂) w koncentracie < 100 mg/L
-
Wskaźnik nasycenia Langeliera (LSI): pHb - pHs < 0
-
Jony podatne na tworzenie nierozpuszczalnych soli (np. Sr, Ba): Iloczyn jonowy (Ipb) < 0.8 Ksp
2. Rola systemu wstępnego uzdatniania:
System wstępnego uzdatniania usuwa resztkowy chlor, duże zawieszone ciała stałe, skłębione koloidy, materię organiczną, tlenki, związki organiczne i metale ciężkie z wody przed dostaniem się do systemu RO, tym samym redukując wartości COD i SDI.
Ponadto, jony takie jak wapń, magnez, bar, siarczany, krzemiany i węglany mogą być wiązane przez dodanie inhibitorów osadów w celu utworzenia większych cząstek, które następnie są odprowadzane jako koncentrat z jednostki RO.
(1) Wpływ awarii systemu na membrany RO:
Jak opisano w sekcji wstępnego uzdatniania, zdecydowana większość szkodliwych makrocząsteczek jest usuwana przez system wstępnego uzdatniania przed dotarciem do membran RO. Jeśli system wstępnego uzdatniania jest wadliwy, a wiele parametrów wody zasilającej RO jest niezgodnych, może dojść do nieodwracalnego uszkodzenia fizycznego i chemicznego elementów membrany RO, co znacznie skraca ich żywotność. Czynniki wpływające na żywotność membrany RO obejmują:
-
Narastanie osadów na membranie RO
-
Zanieczyszczenie membrany RO przez tlenki metali
-
Blokowanie membrany RO przez zawieszone ciała stałe
-
Zanieczyszczenie przez koloidy, związki organiczne i mikroorganizmy, prowadzące do zwiększenia COD wody produktowej.
(2) Wpływ awarii systemu na system wody ultrapure RO:
Awaria w systemie wstępnego uzdatniania wpływa na cały system wody ultrapure RO na trzy główne sposoby:
-
Zmniejsza wydajność i jakość wody produktowej systemu.
-
Zwiększa zużycie wody i energii przez urządzenia RO.
-
Zwiększa koszty operacyjne, w tym wydatki na inhibitory osadów i inne chemikalia do uzdatniania wody.
Zasady działania systemów UF i węgla aktywnego:
Powszechnie stosowane systemy wstępnego uzdatniania w praktyce obejmują systemy ultrafiltracji (UF) i systemy węgla aktywnego. System UF zazwyczaj składa się z filtra tarczowego i jednostki UF. System węgla aktywnego zwykle składa się z filtra wielomedialnego (MMF) i filtra z węglem aktywnym (ACF).
1. Zasada działania systemu UF:
-
Filtr tarczowy: Działa na zasadzie filtracji powierzchniowej i głębinowej z wykorzystaniem ciasno upakowanych plastikowych tarcz. Przede wszystkim usuwa duże cząstki, takie jak piasek i muł.
-
Ultrafiltracja (UF): Technologia separacji membranowej pod ciśnieniem. Pod wpływem ciśnienia małe cząsteczki rozpuszczone i rozpuszczalnik przechodzą przez membranę o określonych rozmiarach porów, podczas gdy większe cząsteczki rozpuszczone (masa cząsteczkowa 10 000 - 30 000 Da) są zatrzymywane, częściowo oczyszczając roztwór poprzez usuwanie makrocząsteczek. (Patrz schemat Rys. 1 dla zasady UF).
2. Zasada działania systemu węgla aktywnego:
-
Filtr wielomedialny (MMF): Wykorzystuje jedno lub kilka mediów filtracyjnych (np. piasek kwarcowy, antracyt, piasek manganowy) pod ciśnieniem. Woda o wysokiej mętności przechodzi przez złoże materiału ziarnistego, skutecznie usuwając zawieszone ciała stałe i klarując wodę. Zmniejsza SDI poniżej 3 i jest stosowany do usuwania mętności oraz jako wstępne uzdatnianie dla wody zmiękczonej/czystej.
-
Filtr z węglem aktywnym (ACF): Woda z MMF wchodzi do ACF, który zawiera złoże piasku kwarcowego podtrzymującego media z węgla aktywnego. Węgiel aktywny usuwa resztkowy chlor, materię organiczną i zawieszone zanieczyszczenia głównie poprzez adsorpcję fizyczną (siły van der Waalsa) w swojej rozległej sieci porów.
Zalety i wady systemów UF i węgla aktywnego:
Każdy rodzaj systemu wstępnego uzdatniania ma swoje zalety i wady podczas pracy.
System ultrafiltracji (UF):
-
Zalety:
-
Wysoki współczynnik koncentracji, wskaźnik odzysku wody produktowej może przekraczać 90%.
-
Doskonała klarowność i jakość wody produktowej.
-
Jako wstępne uzdatnianie RO, UF znacznie obniża koszty inwestycji w RO i wydłuża żywotność membrany RO (do ponad 3 lat).
-
Wysoki poziom automatyzacji, prosta konstrukcja, niskie koszty eksploatacji/konserwacji; możliwość płukania wstecznego i czyszczenia chemicznego (CIP) online.
-
Mała powierzchnia zabudowy.
-
-
Wady:
-
Rozmiary porów membrany UF (0,002 - 0,1 μm) obejmują szeroki zakres filtracji (koloidy ≥0,1 μm, lateks ≥0,5 μm, bakterie ≥0,2 μm, cząstki ≥5 μm). Niektóre składniki są podatne na zatykanie podczas pracy, wpływając na przepływ i żywotność membrany.
-
Wyższy początkowy koszt inwestycji (zazwyczaj 2-3 razy wyższy niż koszt systemu MMF+ACF o tej samej wydajności).
-
Surowe wymagania dotyczące ciśnienia wody zasilającej.
-
Nie można wyłączać na dłuższe okresy; membrany wymagają konserwacji chemicznej w przypadku długotrwałego bezczynności.
-
System węgla aktywnego:
-
Zalety:
-
Niższy początkowy koszt inwestycji.
-
Stabilne wydajność wody; mniej wrażliwy na wahania ciśnienia wody zasilającej.
-
-
Wady:
-
Duża powierzchnia zabudowy.
-
Podczas pracy węgiel aktywny i antracyt ulegają reakcjom fizycznym/chemicznym, prowadząc do naturalnego zużycia, wyczerpania zdolności adsorpcyjnej i pogorszenia jakości wody produktowej, co negatywnie wpływa na system RO znajdujący się poniżej.
-
Cykl płukania wstecznego dla ACF jest trudny do kontrolowania i często krótki. Niewystarczające płukanie wsteczne prowadzi do wycieku drobnych cząstek węgla, poważnie zanieczyszczając jakość wody i urządzenia znajdujące się poniżej. Niezbyt częste płukanie wsteczne powoduje wysoki spadek ciśnienia na filtrze, stwarzając zagrożenia operacyjne i zmniejszając przepływ.
-
Wysokie długoterminowe koszty eksploatacji i konserwacji, znaczny nakład pracy; media filtracyjne mają krótką żywotność (wymaga corocznej wymiany).
-