EDI 模組的效能:製造穩定純度的純水

有幾個參數可用來判斷純水的純度。一般建議使用工業上認同的標準來偵測,如水中離子純度、 總有機物質濃度,及特殊元素如矽或硼的含量等等。水質的穩定性是衡量 EDI 效率及長時間效 能的重要指標,因此,此篇文章所顯示的實驗數據,都將著重在 EDI 去除剛所提及污染物質的 效能。RO 及 EDI 串聯使用的預期效果及水質,亦將於此文章說明,因為 EDI 通常與 RO 一起 串聯運作。

  • 離子的去除

– 比阻抗值 (Resistivity) 比阻抗值 (resistivity) 在水純化技術不斷發展的過程中,仍是偵測總離子純度最簡易及相關 性最高的參數之一。當 EDI 模組不斷發展,其運作效能不斷被評估的同時,許多 EDI 模組 產水的比阻抗值都需被記錄。圖 1 顯示兩種 EDI 模組 (35L/hr及10L/hr) 不同時間下產水比 阻抗值的數據,藉由此圖我們可以看出 EDI 模組的效能情況:

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從兩種模組測量的結果皆可發現,在 6~9 個月的測試時間當中,即使比阻抗值的差異達到 4 ~5 MΩ.cm,但數值仍恆常維持在 10 MΩ.cm 以上。此比阻抗值的差異主要可能來自 RO 進 水的品質,及水中二氧化碳的含量。

– 水純化所需離子質量平衡及理論電流

離子質量平衡是偵測 EDI 模組運作狀況的一個很好的方式。EDI 模組在動態上必須處於平衡: 從模組排出的離子總濃度應至少等於進入模組的離子總濃度,意味著沒有離子是滯留在模組 當中的。進入模組的離子來源只有 RO 進水,以及於任一時間點已結合在離子交換樹脂上的 離子;從模組排出的離子,則是產水 (純化水) 及濃縮排放廢水。對一個 EDI 模組而言,純 化水所需的直流電流量主要與 RO 進水中溶解的二氧化碳濃度,及加進離子交換區塊的離子 強度有關 (此部分需靠再生去除)。這些加進的離子是水中所有離子種類及二氧化碳的總合。 理論電流是由離子質量平衡的考量來決定,要去除一當量離子交換區塊的離子,需要導入一 法拉第的電流。要完成此平衡所需的最小電流,與導入的離子含量成正比。

– 以離子層析法量測離子的含量

圖 2 為以離子層析儀測量 RO-EDI 水的離子含量,其結果顯示,最原始自來水中所含所有主 要的陰離子 (Cl, SO4 2-, NO3-, NO2-, PO4 3-) 及陽離子 (Na+, K+, Ca2+, Mg2+),其含量皆低於 1 ppb。

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– 以 ICP-OES 分析金屬含量

表 1 顯示以 ICP-OES 及 ICP-MS 分析金屬含量的結果。從結果我們可以發現,RO-EDI 水裡的金 屬含量比 ICP-OES 對 11 項元素的偵測極限還要低。從 ICP-MS 測試的結果,我們可以獲得更加 準確的數值。結果顯示所有離子含量範圍皆為 1 ppt 以下到 200 ppt 之間,與離子層析法測試 Na+, K+, Ca2+, Mg2+離子的結果一致。

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– 比阻抗值與 pH 值

通常 EDI 模組產水的比阻抗值皆可達 15 到 17 MΩ.cm,但通常不會達到 18.2 MΩ.cm,即 25 °C 下超純水的最大理論比阻抗值。此差距的 1~3 MΩ.cm 可以由幾個因素來解釋。首先也是 最主要的因素,即前面所提到的 ICP-MS 結果,水中仍存留一些微量的離子。雖然存在的每種 離子的含量皆非常低,但所有污染的離子總合卻可貢獻 1~3 MΩ.cm 的比阻抗值。若加入 1.5~ 5 ppb 的 NaCl 至水中,類似的結果亦會出現。另外,氫離子(H+) 與氫氧根離子 (OH-) 亦是造 成比阻抗值 1~3 MΩ.cm 差距的可能原因。

比阻抗值讀值大於 15 MΩ.cm,意味著氫離子濃度低於 1.2 x 10-7 M,或氫氧根離子濃度低於 2 x 10-7 M (基於計算的目的,假設各種離子皆為該環境中單獨存在的離子)。此亦表示比阻抗 值大於或等於 15 MΩ.cm 的 RO-EDI 水,其 pH 值為 6.9~7.3 之間。用來測量超純水 pH 值 的方法,亦應等同於測量 RO-EDI 水 pH 值的方法。

  • 總有機碳 (TOC) 含量

以總有機碳 (Total organic carbon 或 Total oxidizable carbon, TOC) 為指標的有機物質含量, 是水純化步驟中一個很重要的考量因素。有機污染物質的含量不僅會影響許多實驗應用,高濃 度的有機污染物質亦會降低純化步驟的效果。有機物質尤其會因親和力而結合在離子交換樹脂 上,進而形成樹脂表面的一層披覆 (coating),樹脂上有離子交換能力的區域因此失去能力, 使樹脂整體的交換效能降低。表 2 顯示數個 EDI模組的 TOC 值偵測結果 (單位: ppb)。

原則上 EDI 模組對於中性分子沒有任何作用,羧酸 (carboxylic acids)、磺酸鹽 (sulfonates) 與 銨類 (ammoniums) 等帶電荷的有機物質將像無機離子一般,結合在離子交換樹脂上,最終會 被排放到離子濃縮的廢水區塊中。因此,從 RO 到 EDI 水,TOC 值會些微下降。在正常運作狀 態下,RO-EDI 水 的 TOC 值於流路上會測得低於 30 ppb,在流路外會測得 50 ppb。

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  • 矽與硼

矽與硼是兩個較難被離子交換樹脂去除的元素,因為它們在中性的 pH 值之下只會有些微的 離子化。兩個主要在水中被測得的酸,矽酸 (silicic acid) 跟硼酸 (boronic acid),分別有 9.5 及 9.2 的 pKa 值。矽跟硼類通常是離子交換樹脂上首先被排放出來的物質。

RO 與 EDI 技術的結合是去除矽非常有效的方法。所有形式的矽都可被 RO 半通透膜非常有 效的排除,矽酸 (silicic acid) 則可於 EDI 步驟進一步被去除。

表 3 顯示經過 RO-EDI 純化處理後矽的期望值。圖 3 則顯示 40 天期間矽的測量值。即使自 來水中的污染物質濃度變化很大,RO-EDI 水中矽的含量仍然維持在很穩定的含量。

硼的相關化合物 (硼酸鹽 borate, 或硼酸 boronic acid) 會於 RO 處理後被一部分去除 (約 40 ~50%),並進而被 EDI 模組去除。當 RO 水 (EDI 進水) 中的硼含量為 13.2 ppb 時,EDI 處 理後含量可降至 2.3 ppb。

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1. 資料來源: Millipore The R&D Notebook – RD010

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