“為什麼實驗室超純水製造機 (Milli-Q) 顯示的阻抗值是 18.2 MΩ．cm，實驗似乎還是有問題 ! ”
“可不可以以 18.2 MΩ．cm 做為更換超純水機耗材時機的唯一依據，而不需要考慮時問因素”
“18.2 MΩ．cm 到底表示什麼？與導電率 0.055 μS/cm 之間又是什麼關係？”
“阻抗要掉到什麼程度，就需要立刻更換超純水耗材？18 MΩ．cm 或 10 MΩ．cm，原因為何？”
首先，我們需要先說明一下導電度是什麼，『導電率是利用固定直流電壓的陰/陽電極放置在待測水中，測試其電流大小，因為電流大小與水中陰陽離子濃度成正比關係，離子愈少則電流愈小，反之則反』，單位通常使用 μS/cm（Conductivity，導電率），「μ」是10-6，「S」是Siemens的字首，與 Mho（導電度單位）相同。
有趣的是，導電率是0的純水 (25℃) 是不存在的，因為在技術上，無法完全拿掉水中所有離子，尤其是考慮到下列平衡式。
H2O ←→ H+ + OH– [ H +] × [ OH –]＝ 1 × 10 -14 (25℃)
水中除了[ H+ ] 和 [ OH– ] 之外，沒有任何其它離子時，導電度是0.055μS/cm這個值是根據各別離子的濃度、 mobility、 溫度及其它因素計算出來的，計算基礎是建立在 [ H ＋ ]=1 × 10 -7M， [OH – ]=1 × 10 -7M 上)，所以在這些理論下，25℃ 時，不可能製造出低於0.055 μS/cm 的純水出來，而這個 0.055 μS/cm 就是大家熟知的 18.2MΩ．cm 的倒數。
1 / 0.055 ＝ 18.2 或 1 / 18.2 ＝ 0.055
再強調一次，「μS/cm」這個單位與大家常用的「MΩ．cm」是互為倒數的關係，換句話說，「μS/cm」與「MΩ．cm」根本就是指同一件事情，如果有了任何一組數據，只要靠單純的數學運算，就可以做「μS/cm」 ←→「MΩ．cm」之間的互換。
通常在純水工業界的習慣上，μS/cm 多用在汙水，自來水，RO水等的水質表示（針對水中離子濃度的高低），而 MΩ．cm 似乎只用在超純水 (Milli-Q) 的水質顯示上。
通常，我們用 18.2 MΩ．cm 來表示超純水的純淨程度到了極限(總鹽類濃度在 1ppb 以下，請參考圖２)，在這種情況之下，留在水中並可以導電的陰陽離子，也只剩下 1*10-7M 的 [ H+ ] 及 [ OH– ]了（有些無機物如矽酸鹽等， 導電能力不高，所以導電率無法真正反映水中矽酸鹽的實際濃度）。
對已經純化成超純水的水而言，二氧化碳→碳酸所帶來的酸鹼變化就非常有趣了。首先，空氣中二氧化碳的濃度雖然只有 0.038% (380 ppm)，卻能與水產生化學變化，反應如下：
CO2 (g)+H2O (l) ←→ H2CO3 (l)
雖然，碳酸是一種弱酸 (Ka1=4.3 × 10-7)，但由於超純水中已無任何主導性 (dominant) 的相對強酸，強鹼，共軛酸，共軛鹼的情況下，碳酸是唯一主導性弱酸，也是唯一 [ H+ ] 離子的來源（忽略掉 H2O 的解離）。
Ka1 = [ H+ ] [ HCO3 ] / [ H2CO3 ] = 4.3 × 10-7
如有需要，我們可以在實驗室裡模擬出二氧化碳→碳酸→碳酸根離子的狀況，當超純水開始曝露在大氣下時，二氧化碳的溶解，就會無可避免的持續下去，這時，我們可以用阻抗值的變化來監視這個過程(請參考圖１)。
導電率會持續升高（或阻抗值持續下降），通常，在一小時之內，導電度會由 0.055 μS/cm (18.2 MΩ．cm) 升高到 0.25 μS/cm 以上（下降至 4 MΩ．cm 以下），過程中水中總離子濃度提高到 4.5倍以上。
從這個不可逆現象看來，超純水最好能現取現用，任何方式的貯存及久放，除了會有容器本身造成的汙染外，開放下 (open air) 的灰塵/揮發性有機物/微生物等汙染及二氧化碳造成的導電率上升， pH下降是無法抗拒的。
圖1
圖2
１. 前置濾心孔隙度準確性的重要性
Merck Millipore 所使用的逆滲透膜是一種極度精緻的濾膜， 孔隙度在2~5Å (Anstrom) 左右，在準確的孔隙度分佈以及密閉性良好的水路（進水、RO純水、排放汙水）區隔下， 能夠有效去除 98% 的無機鹽類，99% 的有機汙染物，99% 的懸浮顆粒以及 99% 的微生物。
這時，所有的汙染物皆會濃縮在RO膜進水表面，產生立即的阻塞現象，不過RO膜對應的機制是，系統會提供一股與RO膜平行之橫向水流，隨時帶走阻塞RO膜上的汙染物，因為這股水流具有關鍵性的清潔作用，所以我們也稱這種功能為 “掃流” ( cross flow 或 tangential flow )。
通常掃流的流速快慢決定是兩種因素妥協的結果，一是如果讓流速太快，就會浪費水源，但如流速太慢，較大顆粒之懸浮固體及微生物則因無法被帶走而使得RO膜有立即被塞住的風險，所以折衝的結果，Merck Millipore 的純水系統設計在以 0.5 μm 的懸浮顆粒大小做為分界點，大於 0.5μm 之顆粒，以多道漸近式濾材 ( 5 μm → 0.5 μm ) 來去除，而小於 0.5 μm 之顆粒及膠體 (colloid) 則被橫向水流帶走，因此對RO膜來說，穩定的橫向流速以及準確的顆粒攔截能力是非常重要的。
Merck Millipore 對製造準確孔隙度的濾材是不遺餘力的，因為過小的孔隙會降低使用壽命，並容易使加壓幫浦空轉而毀損，又如果孔隙度太大，則大顆粒就會穿過濾材而造成RO膜之阻塞，進而使RO效能下降而到需要更換新品的地步。
２. 濾材之化學溶出物的問題
如果要製造一支純水用濾心，在材料上是有很多選擇的，如木質纖維，玻璃纖維，PE， PP等， 同時相同材料也會有不同純度，Merck Millipore 一向專注在材料選擇及不純溶出物之探討，因為溶出物愈高，表示愈容易被黏附的微生物利用，其結果不只會讓微生物繁殖，形成一層厚厚的菌膜 (biofilm)，同時也會使水中可溶性有機物增加（微生物代謝的結果），以及微生物的代謝產物（(內毒素及各種分解性酵素）。
如果，預處理濾心 (pre-filtration) 未能有效去除原水中的微生物，或菌膜 (biofilm) 已形成在前處理濾心時，微生物會直接衝擊到RO膜表面，導致嚴重阻塞，造成RO膜局部純化功能喪失及下遊(RO純水)的微生物汙染，如果情況繼續惡化下去，製水速度及水質皆會下降，RO膜的壽命就此終結，因此過濾材料之純度是微生物是否會繁殖的關鍵因素。
３. 其它影響微生物繁殖的因素
*濾心製做過程的清淨度關係著日後使用時的微生物汙染狀態， Merck Millipore了解此一重要性，所以極力追求高純淨度的製作環境。
*製作過程中，Merck Millipore 絕不使用任何黏膠，因為任何黏膠皆是微生物著床及滋養的來源。
*Merck Millipore 使用不透光的濾心外壁設計以避免自營性的藻類繁殖，進而促成異營性微生物的繁殖溫床。
*Merck Millipore 使用免管殼 (Non-housing) 的濾材設計，可避免更換耗材時，舊濾心對新濾心產生微生物的交互汙染，這也是Merck Millipore 一直非常重視的控制因子之一。
*“時間因素”，自濾材開始使用（或開始浸泡在水中），不管有多少原水流經，時間才是微生物的正相關因素，並且，大量用水，反而會抑制菌膜的生成，這也是為什麼有些人問 “沒用多少水，為什麼還要準時換耗材 ？ ” 的原因。
４. “將硬水軟化” 以避免碳酸鈣沈澱在RO膜表面
當原水（自來水或地下水）流經RO膜表面時，因受到加壓的影響，部份沒有帶汙染物的水會被迫穿過緻密的RO膜，因此原水的汙染物濃度就被提高了，在這濃縮過程中，首當其衝的是碳酸鈣 (CaCO3) 因過飽和而發生沉澱（通常鈣離子及碳酸根離子是原水中主要成份，而解離常數 Ksp 卻非常低），沉澱下來的結晶會立即阻塞RO膜表面，會造成出水量及水質雙雙下降，在這種情況下，“軟水”顯然是重要的課題。
在軟水的方法當中，軟水機是一種利用鈉離子（食鹽）對原水中鈣離子做陽離子交換，以降低原水中的鈣離子濃度，使得沉澱不會發生，但軟水機需要固定保養工作如 1.準時添加食鹽 2.定期更換軟水用耗材(陽離子交換樹脂) 3.定期清潔軟水機以避免細菌孳生。這是使用率高但耗人力的方法。
Merck Millipore 所採用的軟水方法是—藉由添加螯合物 (Chelating agent) 在原水中，將兩價的鈣及鎂離子螯合住，以避免與碳酸根離子結合而發生沉澱，Merck Millipore 使用聚磷酸 (Polyphosphate )來做為螯合物，放置在前置處理的管匣當中，這種方法的優點是，可避免繁瑣的保養工作(只要準時換耗材即可)，以此方法來應付苗栗縣以北的原水硬度應是遊刃有餘，完全不需要軟水機的輔助。但針對臺灣中，南部稍高的硬水水質，軟水機有時是必要的，而Merck Millipore 耗材內的螯合物是不可或缺的第二道防線，俾能確保逆滲透系統運作正常。
５. 顆粒化活性碳—-可有效去除原水中的氯(漂白水)
通常自來水廠為確保用水端的水質(微生物菌落數) 符合規範，會添加氯氣 (Cl2)或漂白水（次氯酸鈉，NaClO）來抑制輸水管線中的微生物孳生，但這種強氧化劑長期來說，會氧化RO膜而導致結構脆化及膜面破裂，為避免這種狀況發生，利用活性碳來中和是 Merck Millipore 常用的方法，但又考慮到活性碳粉未的過濾壓力降過大，所以採用顆粒化活性碳 (Granulated activated carbon) 來降低壓力降及避免粉粒向下遊滲漏。
活性碳還有其它功能，如去水中有機物及水中膠體 (Colloid)，這些物質皆對RO膜的功能有很大的妨礙。
總結
好的前置處理濾心應符合下列特點：
*濾心的孔隙度愈準確愈好，每一道濾心的孔隙度皆採漸近式，由大到小，如此不但可以攔截大小不同的顆粒，並且將壓損減至最低。
*濾心的材質不只要高純度，製作過程的環境純淨度也很重要，當然管材內壁之光滑度，透光度，以及是否用膠，皆可能影響過濾品質。
*以微生物的繁殖狀況來說，用水量過低反而會促進菌膜的形成速度。舉例來說，cGMP藥廠的純水系統管線流速有最低速限，需大於1m/min.，愈高愈好，因為愈低愈會有菌膜成形。
*使用螯合物 (Chelating agent) 來抑制碳酸鈣沉澱在RO膜表面上，（(或稱抗結垢劑），以確保RO膜品質。
*使用高純度、低壓力、降低膨脹係數的粗顆粒化活性碳，中和自來水中漂白水，吸附有機物，並且阻擋水中膠體 (Colloid)，而這些汙染物會影響RO膜的表現。
*上述耗材皆有其消耗本質（(螯合物）；飽和本質（漸近式濾心、活性碳）； 劣質化本質（活性碳崩解、菌膜生成、有機物溶出），所以準時更換耗材是確保水質的不二法門。
- 在純水儲槽中、管線中，水質純度越高則越不易長菌。
- 耗材要定時更換【因為耗材在純水系統中提供大量微生物孳生所需之表面積，通常耗材表面積佔整體表面積 90%以上】。
- 注意一：通常 10μ 以下之各種filter及membrane都能捕捉到微生物，但因無法滅菌，所以一段時間之後，可能會導致微生物氾濫，影響下遊。
- 注意二：無管殼耗材通常可免除管殼上殘留微生物汙染問題，所以比較適合高品質用水者。
- 紫外線燈管一定要定期更換，否則非常容易長菌膜 (biofilm)。
- 水質檢測功能要正常並準確，最好能定期做校驗。
- 系統使用材料儘量選擇低化學溶出物，流路無死角並且表面光滑。
- 系統每天的運作時間要夠久， 最好能在4小時/天以上，並且最好具備內部清洗 (Flush)、消毒，循環等功能。
- 環境要儘量保持衛生、通風、無塵、光線明亮，單體及流路標示清楚，建立維修保養記錄簿，建立責任制及緊急聯絡人，並定期記錄所有水質狀況。
- 微生物採樣方法要正確，培養方法也要正確。
結語： 在高溫高濕的台灣，微生物的管控非常不易，如有任何疑問，務必尋求專業解決。
使用一般的pH meter來測超純水，其讀值是非常不穩定的，原因如下：
- 一般pH meter的設計是使用在高離子強度 (High ionic strength) 的溶液中，相對的，超純水卻是離子強度極低 (Ultra-low ionic strength) 的溶液，實際上，市面上確實有低離子強度溶液專用的電極及高靈敏度的主機(價格很高)，如果不是使用這類型儀器，讀值就會亂跳，十分難以確認。
- 電極上鹽橋（同義字：:salt bridge / diaphragm / junction等）的阻塞，會造成應有功能的喪失，鹽橋多使用疏鬆多孔的陶磁或鐵弗龍材質做成，主要是做為電極內外陰陽離子平衡所用，但因缺乏定期清潔，在低離子強度的溶液下，所測到的超純水 pH 多為不合理的偏高，多數在 9~11 左右，如果遇到這種狀況，只要加入一小匙中性鹽 (Neutral salt / KCl) 以提高離子在鹽橋上的擴散能力，在大部份的情況下， pH 值會在幾秒之內掉到 7 以下，理論上，中性的 KCl 不會改變 pH 的，改變的，只是離子強度而已，所以，如果測到高 pH 的情況，可能只是假像而已。
- 一般實驗室的 pH meter 常出現的問題如下: (a) pH標準液過期及重複使用。 (b)電極不用時，未浸泡在 3M 的 KCl 溶液中。 (c)未常更換電極內的參考電極溶液。 (d) 未定期清潔電極。 (e) 電極的清潔方法不對。
結論
- 基本上，檢測超純水的 pH 是無法証明水質好壞，在二氧化碳可影響的pH範圍內 (pH 7→pH 4.5)，任何 pH 讀值僅可能能表示二氧化碳溶解及碳酸解離的程度，除此之外，不代表任何意義。
- 如果， pH 讀值偏鹼，表示可能是電極出了問題（電極膜汙染或老化，鹽橋阻塞，參考液汙染等），如果要測超純水的 pH，等同於讓 pH meter 在極限條件下工作，對pH meter的工作能力是極具挑戰的。
- Millipore不建議使用 pH meter 來証明水質的好壞，因為牽扯的因素太多了，所以以不接觸空氣的(On-line) 方式，檢測超純水的導電度，是最準確並最穩定的做法，可由實驗及化學計算來証明，18.2 MΩ．cm 的水，其陰／陽離子總量必定低於 1 ppb(請參考附錄2)，足堪水質指標了。
附錄 1
附錄 2
逆滲透是目前水質純化主流技術之一，其特色在於針對水中主要四大類汙染物：1.無機物、2.有機物、3.顆粒 / 膠質、4.微生物，能夠有一視同仁的去除能力，然後測量逆滲透膜組 (module) 進/出水導電度值之後，可以計算出去除百分率 (rejection%) 數值，作為逆滲透膜去除水中汙染物的效能指標。
一般而言，逆滲透膜的去除率在全新安裝時約在 98% 左右，在良好保養與正確用水條件下，可以維持較久較佳效能；但無論如何去除百分率會逐漸降低，Millipore 強烈建議當去除百分率降到低於 94% 時，應更換逆滲透膜，主要原因說明如下：
- 以狀況為 98% 去除率的逆滲透膜組為例，將有2%的原水雜質會通過逆滲透膜，進入到後續系統，而當去除率降為 94% 時，穿過逆滲透膜的汙染雜質已增為原先的 3 倍 (2% → 6%)。
- 上述的情形，對於後段的超純水系統耗材的耗損將相對性倍增（Milli-Q 一組耗材的製水能力可能會降至原先的 1/3 左右），並且汙染物上升將伴隨著系統不穩定的機率上升，就微生物而言，較多汙染物質可以提供其生長繁殖所需能量及養份，也就增加了純水系統受到微生物（菌膜）汙染的危險。
綜合言之，請對逆滲透膜的去除百分率加以了解並定期追蹤，以確保純水系統效能應有的穩定性。
經常，世界各地的Millipore公司，經常會接到如下列典型問題的電話：
“我們的超純水，pH出了問題。應該是中性的超純水，經pH meter檢測的結果，竟然偏酸(或偏鹼)。到底水質出了什麼問題 ？ ”
通常， 18.2 MΩ．cm 表示超純水的純淨程度到了極限（總鹽類濃度在1ppb以下，請參考附錄１），在這種情況之下，留在水中並可以導電的陰陽離子，也只剩下 1*10-7M 的 [ H+ ] 及 [ OH- ]了。
這時，二氧化碳→碳酸所帶來的酸鹼變化就非常有趣了。首先，空氣中二氧化碳的濃度雖然只有0.038% (380 ppm)，卻能與水產生化學變化，反應如下:
CO2 (g)+H2O (l) ←→ H2CO3 (l)
雖然，碳酸是一種弱酸 (Ka1=4.3×10-7)，但由於超純水中已無任何主導性的 (dominant) 相對強酸，強鹼，共軛酸，共軛鹼的情況下，碳酸是唯一主導性弱酸，也是唯一 [ H+ ] 離子的來源（(忽略掉H2O的解離）。
Ka1 = [ H+ ] [ HCO3 ] / [ H2CO3 ] = 4.3 × 10-7
如有需要，我們可以在實驗室裡模擬出二氧化碳→碳酸→碳酸根離子的狀況，當超純水開始曝露在大氣下時，二氧化碳的溶解，就無可避免的持續下去，我們可以由兩種方法來觀察這個過程（請參考圖１）。
*導電率會持續升高，通常，在一小時之內，導電率會由0.055 μS/cm (18.2 MΩ．cm) 升高到 0.25 μS/cm 以上 (4 MΩ．cm 以下)，過程中水中總離子濃度提高到4.5倍以上。
*pH會從7 （中性）開始持續性的下降，大約在一小時以內，pH值會降至5.7，並還會緩步下降至4.7左右（約需兩天），鮮有例外。
當然，從這個不可逆現象看來，超純水是要現取現用的，任何方式的長久存放，除了會有容器造成的汙染，及開放下 (open air) 的灰塵/揮發性有機物/微生物等汙染外，二氧化碳造成的導電率上升，pH下降是無法避免的。
在此需要一提的事情是，使用一般的 pH meter 來測超純水，讀值會非常不穩定，原因如下:
*一般pH meter的設計是使用在高離子強度 (High ionic strength) 的溶液，相對的，超純水本身卻是離子強度極低 (Ultra-low ionic strength) 的溶液，實際上，市面上確實有低離子強度溶液專用的電極及高靈敏度的主機（價格很高），如果不是使用這類型儀器，讀值就會亂跳，十分難以確認。
*電極上鹽橋（同義字：salt bridge / diaphragm / junction等）的阻塞，會造成應有功能的喪失，鹽橋多使用疏鬆多孔的陶磁或鐵弗龍材質做成，主要是做為電極內外陰陽離子的平衡所用，但因缺乏定期清潔，在低離子強度的溶液下，所測到的超純水 pH 多為不合理的偏高，多數在 9~11 左右，如果遇到這種狀況，只要加入一小匙中性鹽 (Neutral salt / KCl) 以提高離子在鹽橋上的擴散能力，在大部份的情況下， pH 值會在幾秒之內掉到 7以下，理論上，中性的 KCl 不會改變 pH 的，改變的，只是離子強度而已，所以，由此證明，高 pH 可能只是假象。
*一般實驗室pH meter常出現的問題如下: (a) pH 標準液過期及重複使用。 (b)電極不用時，未浸泡在 3M 的 KCl 溶液中。 (c)未定期更換電極內的參考電極溶液。 (d) 未定期清潔電極。 (e) 清潔電極的方法不正確。
結論:
*基本上，檢測超純水的pH是無法証明水質好壞，在二氧化碳可影響的 pH 範圍內(pH 7→ pH 4.5)，任何 pH 讀值僅可能能表示二氧化碳溶解及碳酸解離的程度，除此之外，不代表任何意義。
*如果， pH讀值偏鹼，表示可能是電極出了問題(電極膜汙染或老化，鹽橋阻塞，參考液汙染等)，如果要測超純水的 pH，等同於讓 pH meter 在極限條件下工作，對 pH meter 的工作能力是極具挑戰的。
*Merck Millipore 不建議使用 pH meter 來証明水質的好壞，因為牽扯的因素太多了，所以以不接觸空氣的 (On-line) 方式，檢測超純水的導電率，是最準確並最穩定的做法，可由實驗及化學計算來証明，18.2 MΩ．cm 的水，其陰／陽離子總量必定低於 1 ppb（請參考圖２），足堪水質指標了。
圖 1
圖 2