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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 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.

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  1. 岑祥股份有限公司 純水原理及用水探討 胡毓煇 Millipore

  2. < 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 • 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

  3. 自來水中各種污染物之分類 陽離子 陰離子 Na+ Cl Ca HCO - - + - 無機鹽類 有機化合物 懸浮顆粒 (膠體) 微生物 (內毒素)， 2 3 天然來源 環境污染物 單寧酸/腐植酸 殺蟲劑/除草劑 H H H-C-C-OH H H - 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)

  4. + + + - - + + + - Al Ca NO Cl Na SO 3 4 + + + + Mn Fe - - - - ClO PO 4 + Pb Si O SiO 7 2 2 自來水中常見的鹽類 , 礦物質 陰離子 陽離子 - - - CO 3 ...... SiO 4

  5. HO R R HO COOR R OH HO R R HO CH CHCOOH 天然的有機物 PHENOLS TANNINS HUMIC ACIDS FOLIC ACIDS LIGNIN PYROGENS

  6. Cl Cl CH S 2 2 N Cl OP(OCH CH ) N N 2 3 2 H H N N N Cl Cl H C-CH-CH CH -CH 3 3 3 2 O O Cl Cl OR RO C C Cl Cl Cl 非天然的有機物 CHCl 3 CCl 4 INSECTICIDES HERBICIDES ORGANOCHLORINE PHTALATES PCB PAH

  7. - - - - - - - - - - - - - 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“

  8. Bacteria 細菌 Staphylococcus Aureus Serratia Marcescens

  9. Gases Oxygen 氧氣 Nitrogen 氮氣 Radon 氡 Carbon Dioxyde 二氧化碳

  10. 水中各種污染物之量測單位

  11. + + - - 水中的污染物 :鹽類 , 礦物質 :有機物 , 高分子 :砂子 , 顆粒 :微生物 , 細菌 :空氣 SALTS ORGANICS PARTICLES / COLLOIDS MICROORGANISMS DISSOLVED GASES

  12. 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. • 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.

  13. 菌膜(Biofilm)之形成過程 在純水中微生物適應之道 “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>

  14. 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

  15. 在Bioflim中, 微生物會利用糾結的聚醣纖維的黏性網路結構 , 將彼此固定於物體表面 在共軛焦顯微鏡(confocal microscope)的觀察下, 單一菌落的結構狀態, 如同衛星城市. 菌膜可能會對附著表面進行分解並利用, 進一步對環境釋放出內毒素,細菌,酵素及高分子有機分解物 菌膜(Biofilm)生態體系之形成 細菌 有機物顆粒 無機物顆粒 內毒素(endotoxin)

  16. 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

  17. 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

  18. 過濾法 • 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 30um 細微玻璃纖維1500X 放大

  19. 過濾法 • 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‧ 掃描式電顯放大2000倍所攝之0.22 Durapore濾膜表面. 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.

  20. Inlet Vent Durapore 0.22 µm Hydrophilic Membrane Four discs of 50 cm2 on two supports Outlet Millipak 40 Today Total Membrane Surface: 200 cm2

  21. 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 • 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

  22. 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,使表面吸附能力大增 活性碳可吸附之表面積 1000 m /gram 2

  23. 可有效中和漂白水等強氧化劑 • 可大量吸附水中有機物質 活性碳內部構造 活性碳顆粒

  24. Progard Cartridge Element :Granular Activated Carbon DESCRIPTION : Small beads of activated carbon with 20 Angstrom typical pore size. Developed surface around 1000 m2 / gram. PURPOSE : Reduce oxydants (Chlorine) which might damage the RO cartridge.

  25. 天然 \ 人工合成活性碳

  26. CaCO3 Ca++ + CO3= (S) 碳酸鈣因過飽和而沉澱之化學式 水中碳酸鈣結垢控制

  27. 結垢控制 軟水過程 “硬水" 陽離子交換樹脂 Ca++ + 2 Cl- Mg++ + 2 Cl- Na Na R R Na Na R R R Ca R R R Mg 4 Na+ + 4 Cl- “軟水"

  28. 軟水系統再生過程 被再生之陽離子樹脂 Na Na R R Na+ Cl- Na Na R R R Ca R 高濃度之 NaCl Mg R R Mg++ + 2 CL- Ca++ + 2 Cl- 剩餘之Na+ Cl- 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

  29. 水中結垢控制 抗結垢劑 ---聚磷酸 CaCO3 Ca++ + CO3= (S) _ CO3= CO3= Ca++ CO3= CO3= _ 磷酸鏈

  30. ReverseOsmosis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) 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。

  31. 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

  32. 自然狀態下之滲透現象 滲透壓差 含有各種污染物之 自來水 (滲透壓相對較高) 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

  33. 逆-滲透現象 Reverse - Osmosis 外力加壓 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

  34. 切線流 ROTangential Flow 進 水 逆滲透膜 廢 水 產 水

  35. + + - - 逆滲透之重要參數 自來水/原水 逆滲透純水 Recovery 10 - 50% of Feed Water 排放水 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.

  36. 進水電磁閥 壓力控制閥 Pump RO膜 導電度計 導電度計 純水品管閥 Product to Tank Pr RO前處理管柱 再循環迴路 消毒孔蓋 流量控制 沖洗電磁閥 排水控制 Rinsing Flush RiOs 5 流程範例

  37. 各種水溶液之滲透壓

  38. 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

  39. 離子交換樹脂之去離子原理 陽離子交換樹脂 _ _ + + + + R - SO H + Na R - SO Na + H 3 3 • 離子交換樹脂染色: • Methyl Red (陽離子) • Bromophenol Blue (陰離子) H O 2 _ _ _ _ R - NH OH + Cl R - NH Cl + OH 4 4 陰離子交換樹脂

  40. 單床式離子交換樹脂 強酸\鹼化學樹脂再生 混床式離子交換方式 VS + Na Cl Na Cl + Na+ + Cl- - - 混床離子交換樹脂 陽離子交換樹脂 陰離子交換樹脂 R-H+ R-H+ R-OH- R-OH- R-Na+ R-Cl- R-Na+ R-Cl- H Cl + Na OH + H+ + OH- = H2O - - 可純化出 18.2 Megohm.cm 之超純水

  41. 電子連續式去離子純化原理(EDI)Electrochemical Regeneration of Ion Exchange Resins 水中代表性污染物鹽類 (NaCl) A C A C Na+ Cl- OH- Na+ H+ Cl- 電陽極 _ 電陰極 + H+ H+ Cl- Na+ OH- OH- OH- H+ H+ H+ OH- OH- 排放廢水 高純度純水 A -陰離子通透膜 C - 陽離子通透膜

  42. UF 的效能除了以 : 1. 分子量大小 , 例如 5000~13000 MWCO (Molecular Weight Cut-Off) 外 2. LRV值( Log reduction value ) 也是重要的參考 , 例如 : LRV > 4 代表可以將濃度大於 10 過濾為小於 10 的濃度單位 1 5 Ultrafiltration 超過濾 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) 超微孔過濾 (UF) 指在流體樣本中分離極度小的顆粒與其他已溶解分子的過程。分離的主要依據是分子大小， 其次為分子的形狀與帶電性。進行超微過濾時，1,000 至1,000,000 分子量的分子會留在過濾膜上，而鹽與水則會通過膜孔流出 UF 膜是用來純化並收集通過膜的樣本或是滯留在膜上的物質。 1. 收集通過膜的小分子樣本之應用如：去熱源(depyrogenated)、澄清(clarified)、、等， 2. 而收集滯留在膜上之大分子樣本，則是為了濃縮大分子物質，同時將小分子不純物分離的應用。

  43. Ultrafiltration cartridge Hollow Fiber Cartridge Inlet Housing Fibers Drain Potting Outlet ABS Housing NaOH compatible SEM of Hollow Fiber UF Water flow from outside to inside The fibers are bent and assembled in a housing with a potting at the bottom. LRV>4 ( Log reduction value ) (Challenge Range from 442Eu/ml to 44,200Eu/ml) Strict Quality Control Testings :

  44. P 1 µm 100 µm Ultrafiltration • Ultrafilters are asymmetric membranes, sometimes composite • Under pressure,small size molecules go through the membrane,whereas molecules larger then the NMWL(Norsk MaltWhiskyLag ) are retained Organics with MW > NMWL : Rejection > 99 %

  45. SEM of Ultrafiltration Capillary Fiber

  46. Ultrafiltration SEM of 100,000 NMWL Ultrafiltration Membrane 2,000X Magnification

  47. Sub-unit 10,000 D Endotoxin Gram negative cell wall

  48. Hollow Fiber UF Membrane Structure Thin layer of tight UF membrane Porous support structure in the middle Thin layer of UF (less tight) Flow Direction

  49. BioPak - Materials UF Hollow Fibers (5000~13,000 NMWL) Polysulfone Potting Polyurethane

  50. BioPak – How it works Cut Off (NMWL) = 13,000 Dalton 0.5 mm 0.8 mm Fibers Surface = 2170 cm²

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