厂务纯水系统介绍
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環境污染物 殺蟲劑/除草劑
非可溶性顆粒性物質 (Small Non-deformable solids with a net negative charge)
細菌／藻類 ／真菌 (polyliposaccharide of Gram negative bacterial cell wall)
自來水中常見的鹽類 , 礦物質
Nitrogen 氮氣
Radon 氡
Carbon Dioxyde 二氧化碳
水中各種污染物之量測單位
污染物
檢測名稱 使用單位
無機鹽類 有機物 懸浮顆粒 微生物 內毒素
比電導度 (比阻抗值)
uS/cm (Megohm.cm)
總有機碳
p.p.b. (ug/L)
(Total Organic
Carbon)
Silt Density Index Rate of pluggage of
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
HUMIC ACIDS FOLIC ACIDS
非天然的有機物
CH Cl 22
CHCl Βιβλιοθήκη Baidu CCl 4
Cl
N H
N
H
NNN
H3C-CH-CH3 CH3-CH2
ORGANOCHLORINE HERBICIDES
S
Cl
N
OP(OCH2CH3)2
Cl
Cl
INSECTICIDES
Cl Cl
Cl
O
O
RO C
C OR
深層過濾法 • 常用材質
– Cotton Fibers – Glass Fibers – Polypropylene – Nylon Filaments – Sand Grains
• 孔隙度特性
– Nominal – 工作範圍 – 0.5-1000um
• 濾紙厚度
– 10-30mm
過濾法
30um 細微玻璃纖維 1500X 放大
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.
菌膜(Biofilm) 之形成過程
在純水中微生物適應之道
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 H H
H-C-C-OH HH
懸浮- 顆粒 (膠體)
微生物 (內毒素)，
陽離子 Na+ Ca2 +
天然來源 單寧酸/腐植酸
陰離子 Cl - HCO -3
岑祥股份有限公司
純水原理及用水探討
胡毓煇
Millipore
< 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/cm 2. MΩ•cm 3. TOC 4. CFU/ml 5. EU/ml
+-
Performance
95 - 99% Rejection of Inorganic Ions 99% Rejection of Organics > 100 Dalton 99% Rejection of Particles and Microorganisms
Good Broad Pretreatment Alternative to Distillation.
微孔濾膜法
• 常用材質
– Nylon – P.V.D.F. ( Durapore ) – P.T.F.E.(Teflon) – Cellulose Esters
• 孔隙度特性
– 絕對過濾
• 工作範圍
– 0.1 to 10 um
• 材質(濾膜)厚度
– 150um‧
過濾法
掃描式電顯放大2000倍所 攝之0.22 Durapore濾膜表 面.
逆滲透過濾與奈米級過濾(RO and NF) 指進行分子量小於1500 daltons 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400 daltons 的不帶電分子。
Cl
PAH
Cl
PCB
PHTALATES
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
Staphylococcus Aureus Serratia Marcescens
Gases
Oxygen 氧氣
被標準ATTC綠膿桿菌 Pseudomonas Diminuta 所挑戰之濾膜 0.22um Durapore之掃描電顯之 表面照片.
Millipak 40 Today
Pharmaceutical-Grade, Absolute, 0.22祄 Filter
Inlet Durapore 0.22 µm Hydrophilic Membrane
( 淤泥密度指數 )
0.45 um
/ Fouling Index membrane.
生長在 0.45 微米濾 CFU/ml (Colony
膜上之菌落數.
Forming Unit/ml)
- Rabbit Inoculation test
- LAL Test
Endotoxin units/ml EU/ml
Four discs of 50 cm2 on two supports
Vent
Total Membrane Surface: 200 cm2
Outlet
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
結垢控制
軟水過程
陽離子交換樹脂
R Na Na R R Na Na R
R Ca R R Mg R
4 Na+ + 4 Cl-
“軟水"
軟水系統再生過程
被再生之陽離子樹脂
R Na Na R R Na Na R
Na+
Cl-
Mg++ + 2 CLCa++ + 2 Cl剩餘之Na+ Cl-
R Ca R R Mg R
高濃度之 NaCl
飽和並耗盡之陽離子樹脂
需使用飽和鹽水來再生軟水系統
水中結垢控制
抗結垢劑 ---聚磷酸
Ca++ + CO3=
_
CO3=
CO3=
Ca++
_
CaCO3(S) CO3=
CO3=
磷酸鏈
R O everse smosis
逆滲透過濾
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 (Reverse Osmosis, 簡稱 RO) 與 奈米級過濾 (Nanofiltration, 簡稱 NF)
“具黏性” 多醣類物質黏膜
(Glycocalyx)
10 um
3 um
<細胞體積變小更有利於吸收養份, 因體表面積變大>
菌膜(Biofilm)之形成過程
細菌會黏在各種沾濕材料(wetting material) 上, 以主動方式分解及吸收所需養份.
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
Reverse - Osmosis
進水
較高滲透壓 較高雜質之
自來水
逆滲透純水
(低滲透壓)
排水
水流方向:自高滲透壓流向
低滲透壓,此乃逆滲透現象
產水
含有高濃度污染 物之排放水
切線流 RO Tangential Flow
進水 逆滲透膜
產水
廢水
逆滲透之重要參數
自來水/原水
+-
排放水
逆滲透純水
Recovery 10 - 50% of Feed Water
PURPOSE :
Reduce oxydants (Chlorine) which might damage the RO cartridge.
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
“硬水"
Ca++ + 2 Cl-
Mg++ + 2 Cl-
菌膜(Biofilm)生態體系之形成
在構菌酵在, 共狀將膜素B可及軛態彼io能高焦,此f細l如會分i菌m顯固對子同中微定附有衛,鏡於著機微星表分(物c生城面解有o體物n機市進物表f物行會o. 面顆c分利a粒解l用m並糾i利c結r用o無的s,機c進聚o物一p醣顆步e粒)纖對的維環觀境的察釋黏內下放毒性,出素單網內(e一路毒nd菌素o結t,o落細構xi菌n的) ,結
水中的污染物
+- SALTS
ORGANICS
PARTICLES / COLLOIDS
MICROORGANISMS DISSOLVED GASES
: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.
_+
+
R - SO3 Na + H
離子交換樹脂染色: • Methyl Red (陽離子) • Bromophenol Blue (陰離子)
H2 O
_
_
R - NH4OH + Cl
陰離子交換樹脂
_
_
R - NH Cl + OH
4
單床式離子交換樹脂
混床式離子交換方式
強酸\鹼化學樹脂再生
VS
Na + Cl -
陽
離
R-H+
子
交
換
R-Na+
樹
脂
H+ Cl -
Na + Cl -
陰
離 R-OH- 子
交
R-Cl-
換 樹
脂
Na + OH -
Na+ + Cl-
混
床
R-H+ R-OH-
離
子
交
R-Na+R-Cl-
換 樹
脂
H+ + OH- = H2O
逆滲透原理
含有各種污染物之 自來水
(滲透壓較高)
純水 (滲透壓較低)
具有選擇性通透特性之 半通透膜
自然狀態下之滲透現象
含有各種污染物之 自來水
(滲透壓相對較高)
滲透壓差
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
外力加壓
逆-滲透現象
RiOs 5 流程範例
Pr
Product to Tank
Rinsing
Flush
各種水溶液之滲透壓
各地
水中鹽份濃度
滲透壓
自來水
mg/L
(bar)
NaCl (海水) 花蓮地區 自來水
350,000 150
27.86 0.12
翡翠水庫
40
0.03
自來水
臺中地區
200
0.16
自來水
高雄地區
350
0.28
活性碳可吸附之表面積 1000 m /gram
活性碳內部構造
活性碳顆粒
• 可有效中和漂白水等強氧化劑 • 可大量吸附水中有機物質
Progard Cartridge Element : Granular Activated Carbon
DESCRIPTION :
Small beads of activated carbon with 20 Angstrom typical pore size. Developed surface around 1000 m2 / gram.
– 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,2使表面吸附能力 大增
自來水
< 上述之水中鹽份濃度及滲透壓皆是近似推測值. >
逆滲透膜之結構
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.
放大倍率: 一萬倍
離子交換樹脂之去離子原理
陽離子交換樹脂
_+
+
R - SO3 H + Na
陰離子
陽離子
Cl -
NO
3
SO4--
PO4---
CO3--
ClO-
SiO 4
Si 2O 7 ...... SiO2
Na +
Ca + +
++
++
Fe
Mn
+ Pb
++ + Al
天然的有機物
HO
HO
COOR
HO
TANNINS
R R
R
R
OH
R
PHENOLS
HO
CH CHCOOH
LIGNIN
PYROGENS
非可溶性顆粒性物質 (Small Non-deformable solids with a net negative charge)
細菌／藻類 ／真菌 (polyliposaccharide of Gram negative bacterial cell wall)
自來水中常見的鹽類 , 礦物質
Nitrogen 氮氣
Radon 氡
Carbon Dioxyde 二氧化碳
水中各種污染物之量測單位
污染物
檢測名稱 使用單位
無機鹽類 有機物 懸浮顆粒 微生物 內毒素
比電導度 (比阻抗值)
uS/cm (Megohm.cm)
總有機碳
p.p.b. (ug/L)
(Total Organic
Carbon)
Silt Density Index Rate of pluggage of
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
HUMIC ACIDS FOLIC ACIDS
非天然的有機物
CH Cl 22
CHCl Βιβλιοθήκη Baidu CCl 4
Cl
N H
N
H
NNN
H3C-CH-CH3 CH3-CH2
ORGANOCHLORINE HERBICIDES
S
Cl
N
OP(OCH2CH3)2
Cl
Cl
INSECTICIDES
Cl Cl
Cl
O
O
RO C
C OR
深層過濾法 • 常用材質
– Cotton Fibers – Glass Fibers – Polypropylene – Nylon Filaments – Sand Grains
• 孔隙度特性
– Nominal – 工作範圍 – 0.5-1000um
• 濾紙厚度
– 10-30mm
過濾法
30um 細微玻璃纖維 1500X 放大
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.
菌膜(Biofilm) 之形成過程
在純水中微生物適應之道
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 H H
H-C-C-OH HH
懸浮- 顆粒 (膠體)
微生物 (內毒素)，
陽離子 Na+ Ca2 +
天然來源 單寧酸/腐植酸
陰離子 Cl - HCO -3
岑祥股份有限公司
純水原理及用水探討
胡毓煇
Millipore
< 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/cm 2. MΩ•cm 3. TOC 4. CFU/ml 5. EU/ml
+-
Performance
95 - 99% Rejection of Inorganic Ions 99% Rejection of Organics > 100 Dalton 99% Rejection of Particles and Microorganisms
Good Broad Pretreatment Alternative to Distillation.
微孔濾膜法
• 常用材質
– Nylon – P.V.D.F. ( Durapore ) – P.T.F.E.(Teflon) – Cellulose Esters
• 孔隙度特性
– 絕對過濾
• 工作範圍
– 0.1 to 10 um
• 材質(濾膜)厚度
– 150um‧
過濾法
掃描式電顯放大2000倍所 攝之0.22 Durapore濾膜表 面.
逆滲透過濾與奈米級過濾(RO and NF) 指進行分子量小於1500 daltons 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400 daltons 的不帶電分子。
Cl
PAH
Cl
PCB
PHTALATES
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
Staphylococcus Aureus Serratia Marcescens
Gases
Oxygen 氧氣
被標準ATTC綠膿桿菌 Pseudomonas Diminuta 所挑戰之濾膜 0.22um Durapore之掃描電顯之 表面照片.
Millipak 40 Today
Pharmaceutical-Grade, Absolute, 0.22祄 Filter
Inlet Durapore 0.22 µm Hydrophilic Membrane
( 淤泥密度指數 )
0.45 um
/ Fouling Index membrane.
生長在 0.45 微米濾 CFU/ml (Colony
膜上之菌落數.
Forming Unit/ml)
- Rabbit Inoculation test
- LAL Test
Endotoxin units/ml EU/ml
Four discs of 50 cm2 on two supports
Vent
Total Membrane Surface: 200 cm2
Outlet
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
結垢控制
軟水過程
陽離子交換樹脂
R Na Na R R Na Na R
R Ca R R Mg R
4 Na+ + 4 Cl-
“軟水"
軟水系統再生過程
被再生之陽離子樹脂
R Na Na R R Na Na R
Na+
Cl-
Mg++ + 2 CLCa++ + 2 Cl剩餘之Na+ Cl-
R Ca R R Mg R
高濃度之 NaCl
飽和並耗盡之陽離子樹脂
需使用飽和鹽水來再生軟水系統
水中結垢控制
抗結垢劑 ---聚磷酸
Ca++ + CO3=
_
CO3=
CO3=
Ca++
_
CaCO3(S) CO3=
CO3=
磷酸鏈
R O everse smosis
逆滲透過濾
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 (Reverse Osmosis, 簡稱 RO) 與 奈米級過濾 (Nanofiltration, 簡稱 NF)
“具黏性” 多醣類物質黏膜
(Glycocalyx)
10 um
3 um
<細胞體積變小更有利於吸收養份, 因體表面積變大>
菌膜(Biofilm)之形成過程
細菌會黏在各種沾濕材料(wetting material) 上, 以主動方式分解及吸收所需養份.
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
Reverse - Osmosis
進水
較高滲透壓 較高雜質之
自來水
逆滲透純水
(低滲透壓)
排水
水流方向:自高滲透壓流向
低滲透壓,此乃逆滲透現象
產水
含有高濃度污染 物之排放水
切線流 RO Tangential Flow
進水 逆滲透膜
產水
廢水
逆滲透之重要參數
自來水/原水
+-
排放水
逆滲透純水
Recovery 10 - 50% of Feed Water
PURPOSE :
Reduce oxydants (Chlorine) which might damage the RO cartridge.
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
“硬水"
Ca++ + 2 Cl-
Mg++ + 2 Cl-
菌膜(Biofilm)生態體系之形成
在構菌酵在, 共狀將膜素B可及軛態彼io能高焦,此f細l如會分i菌m顯固對子同中微定附有衛,鏡於著機微星表分(物c生城面解有o體物n機市進物表f物行會o. 面顆c分利a粒解l用m並糾i利c結r用o無的s,機c進聚o物一p醣顆步e粒)纖對的維環觀境的察釋黏內下放毒性,出素單網內(e一路毒nd菌素o結t,o落細構xi菌n的) ,結
水中的污染物
+- SALTS
ORGANICS
PARTICLES / COLLOIDS
MICROORGANISMS DISSOLVED GASES
: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.
_+
+
R - SO3 Na + H
離子交換樹脂染色: • Methyl Red (陽離子) • Bromophenol Blue (陰離子)
H2 O
_
_
R - NH4OH + Cl
陰離子交換樹脂
_
_
R - NH Cl + OH
4
單床式離子交換樹脂
混床式離子交換方式
強酸\鹼化學樹脂再生
VS
Na + Cl -
陽
離
R-H+
子
交
換
R-Na+
樹
脂
H+ Cl -
Na + Cl -
陰
離 R-OH- 子
交
R-Cl-
換 樹
脂
Na + OH -
Na+ + Cl-
混
床
R-H+ R-OH-
離
子
交
R-Na+R-Cl-
換 樹
脂
H+ + OH- = H2O
逆滲透原理
含有各種污染物之 自來水
(滲透壓較高)
純水 (滲透壓較低)
具有選擇性通透特性之 半通透膜
自然狀態下之滲透現象
含有各種污染物之 自來水
(滲透壓相對較高)
滲透壓差
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
外力加壓
逆-滲透現象
RiOs 5 流程範例
Pr
Product to Tank
Rinsing
Flush
各種水溶液之滲透壓
各地
水中鹽份濃度
滲透壓
自來水
mg/L
(bar)
NaCl (海水) 花蓮地區 自來水
350,000 150
27.86 0.12
翡翠水庫
40
0.03
自來水
臺中地區
200
0.16
自來水
高雄地區
350
0.28
活性碳可吸附之表面積 1000 m /gram
活性碳內部構造
活性碳顆粒
• 可有效中和漂白水等強氧化劑 • 可大量吸附水中有機物質
Progard Cartridge Element : Granular Activated Carbon
DESCRIPTION :
Small beads of activated carbon with 20 Angstrom typical pore size. Developed surface around 1000 m2 / gram.
– 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,2使表面吸附能力 大增
自來水
< 上述之水中鹽份濃度及滲透壓皆是近似推測值. >
逆滲透膜之結構
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.
放大倍率: 一萬倍
離子交換樹脂之去離子原理
陽離子交換樹脂
_+
+
R - SO3 H + Na
陰離子
陽離子
Cl -
NO
3
SO4--
PO4---
CO3--
ClO-
SiO 4
Si 2O 7 ...... SiO2
Na +
Ca + +
++
++
Fe
Mn
+ Pb
++ + Al
天然的有機物
HO
HO
COOR
HO
TANNINS
R R
R
R
OH
R
PHENOLS
HO
CH CHCOOH
LIGNIN
PYROGENS