防止纯水储槽内水质劣化的方法有哪些?

对於超纯水系统,由於做为供水源的纯水系统的制水速度较慢,因此在纯水系统与超纯水系统之间必须有纯水储槽(缓冲槽)的存在。然而,在纯水储槽中贮放纯水会因为纯水储槽材质的溶出物、空气中无机物质与有机物质的污染,以及微生物的繁殖等因素造成纯水水质的劣化,进而增加超纯水系统的纯化负荷。为了让超纯水系统有稳定的进水水质,如何使纯水储槽的水质劣化程度控制在最小范围是非常重要的。

1.空气过滤器

实验室的空气中含有使纯水水质劣化的二氧化碳与浮游微生物,使用有机溶剂的实验室空气中则含有挥发性有机溶剂。当空气中的二氧化碳溶解於水中时,就会形成碳酸根离子,使纯水储槽中纯水的比阻抗值大幅减小,如此将造成超纯水系统中阴离子交换树脂的负荷量增加,而缩短其使用寿命。此外,纯水储槽的纯水若混入微生物与有机物质,也会造成微生物增殖和有机物质的再污染。因此,纯水储槽应呈密闭状态,而且又要有通气口使纯水可以顺利的进出,所以,为了防止空气中的污染物质透过通气口进入纯水储槽内,加装空气过滤器 (air-vent filter) 是不可或缺的。

图１说明空气过滤器的种类与污染物的去除功能。通常,空气过滤器 (0.45μm) 是以去除微生物等微粒子为目的,而二氧化碳的去除则靠 soda lime(氢氧化钙 - 主成份)来完成。但是,这样仍无法有效防止有机物质混入纯水储槽,所以尚须使用去除 VOC 专用之颗粒化活性碳。

为了了解装有活性碳的空气过滤器去除有机物质的效果,我们以高浓度有机溶剂(甲苯蒸气=TOC:7050 ppm)通过空气过滤器後,来检测纯水储槽中纯水的TOC值的变化(图２)。结果显示,活性碳空气过滤器具有去除有机物质的优越能力,可以有效防止纯水储槽内纯水受到污染。

接着我们以更为接近实际操作的条件来检测空气过滤器的使用效果。当空气过滤器从超纯水系统的纯水储槽上被移开後,我们对纯化所得的超纯水进行TOC值的变化检测。图３中2个箭头为故意去除空气过滤器的时期。结果发现,去除空气过滤器,超纯水的TOC值有上昇的现象。

从以上结果得知,纯水储槽的空气过滤器,具有防止环境因素造成的水质污染,具有使超纯水水质稳定的效果。

2.以杀菌用UV灯防止微生物繁殖

水质纯化虽然有不同方法,但仍有漏网之鱼的微生物存在,当留存於纯水储槽中,就有繁殖的可能。虽然纯水中几乎不含有营养成份(有机物等),但仍有能适应贫瘠营养环境的微生物存在的可能(表１)。所以,纯水纯化的过程中应该具备杀菌的相关程序。表２为一般去除微生物的方法。

药剂洗净与热水杀菌,对於纯水中微生物的杀菌效果是单次性的,而非持续性。相对於此,以紫外线照射的杀菌法,只要在照射期间,对微生物的杀菌作用就能够持续。紫外线的杀菌力,以紫外线照度(mW/cm2)与照射时间(s)的乘积(mW.s/cm2)来表示。当纯水中的微生物受到 100 mW.s/cm2的照射量处理时,杀菌率就可达 99.9 % 。在此,我们对纯水纯化过程中,以紫外线照射的杀菌效果加以比较。首先,我们在纯水系统的水流管线中装紫外灯,以连续照射方法进行检测(图４)。

表1 可在纯水中増殖的细菌

分类

属名

葛兰氏阴性杆菌

Psudomonas

Protomonas

Flavobacterium

Alcaligenes

Achromobacter

葛兰氏阳性杆菌

Corynebacterium

Bacillus

葛兰氏阳性球菌

Micrococcus

Staphylococcus

表2 各种微生物之清除方法

方法

效果

化学药剂洗浄

以臭氧、次氯酸盐、过酸化氢、甲醛等进行洗浄

在适当的浓度与处理时间,虽具有杀菌的效果。但有药液的残留问题。此外,洗净後有微生物増殖的可能性。

热水杀菌

加热到 80～90℃,并加以循环处理。

需要外加加热设备,此外,洗浄後微生物仍有増殖的可能性。

紫外线照射

254 nm 紫外线照射

照射期间、杀菌效果就能够持续。

有时,纯水纯化程序中若不使用紫外线照射,纯水系统的生菌数会超过 100 cfu/mL,而使用紫外线照射的纯水系统,其生菌数可以降至 10 cfu/mL。也就是纯水系统管线中若使用紫外线照射组合,对降低生菌数具有非常好的效果。但是经过几天後,生菌数就有增加的现象。这是因为,纯水储槽中的微生物的繁殖没有受到抑制,使纯水储槽中生菌数逐渐增加所致。因此,对纯水系统中的微生物进行管控时,只对纯化程序中的管线进行紫外线照射是不足的,应同时对纯水储槽中的微生物繁殖进行抑制。

因此,如前述系统所言,我们对纯水储槽使用紫外线照射处理,来检测其对生菌数的影响。其紫外线的照射处理时间为每日10分钟。结果显示,纯水储槽中纯水的生菌数在管线中紫外线照射下约为 4-10 cfu/mL。之後,在纯水储槽中紫外线的照射下生菌数进一步降低。纯水储槽内经紫外线照射後,虽因重新注入纯水而使生菌数增加,但仍可使微生物繁殖获得极大的抑制。自开始检测後的 70 天,纯水储槽中的生菌数皆保持於极低的状态,达到有效的、持续性的低生菌数。

由前述结果可知,於纯水纯化程序与纯水储槽中同时使用紫外线照射,可以将纯水中的生菌数做最有效的降低。纯水储槽中微生物繁殖,意味着将有微生物与其代谢的有机物流入超纯水系统。所以,进行超纯水纯化时,於纯水纯化程序与纯水储槽同时使用紫外线照射是必要的。

3. 纯水储槽的形状或结构重不重要?

此外,微生物的繁殖容易发生在水流停滞的地方。因此,纯水储槽的结构也很重要。如图５所示,平底纯水储槽无法将贮水完全排除而成为水污染的原因。针对此一问题,若将槽底设计为倾斜构造,使水能够完全排出,就能够加以解决。另外,纯水储槽若放置於日光会直射的窗边,水温便会上昇,就容易造成微生物的繁殖。尤其,若使用半透明材质的纯水储槽,将会因为日光通透而造成藻类繁殖。因此,设置超纯水系统时,对这些要求都要加以注意。

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