對於超純水系統,由於做為供水源的純水系統的製水速度較慢,因此在純水系統與超純水系統之間必須有純水儲槽(緩衝槽)的存在。然而,在純水儲槽中貯放純水會因為純水儲槽材質的溶出物、空氣中無機物質與有機物質的污染,以及微生物的繁殖等因素造成純水水質的劣化,進而增加超純水系統的純化負荷。為了讓超純水系統有穩定的進水水質,如何使純水儲槽的水質劣化程度控制在最小範圍是非常重要的。

1.空氣過濾器
實驗室的空氣中含有使純水水質劣化的二氧化碳與浮游微生物,使用有機溶劑的實驗室空氣中則含有揮發性有機溶劑。當空氣中的二氧化碳溶解於水中時,就會形成碳酸根離子,使純水儲槽中純水的比阻抗值大幅減小,如此將造成超純水系統中陰離子交換樹脂的負荷量增加,而縮短其使用壽命。此外,純水儲槽的純水若混入微生物與有機物質,也會造成微生物增殖和有機物質的再污染。因此,純水儲槽應呈密閉狀態,而且又要有通氣口使純水可以順利的進出,所以,為了防止空氣中的汙染物質透過通氣口進入純水儲槽內,加裝空氣過濾器 (air-vent filter) 是不可或缺的。

圖1說明空氣過濾器的種類與汙染物的去除功能。通常,空氣過濾器 (0.45μm) 是以去除微生物等微粒子為目的,而二氧化碳的去除則靠 soda lime(氫氧化鈣 – 主成份)來完成。但是,這樣仍無法有效防止有機物質混入純水儲槽,所以尚須使用去除 VOC 專用之顆粒化活性碳。

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為了了解裝有活性碳的空氣過濾器去除有機物質的效果,我們以高濃度有機溶劑(甲苯蒸氣=TOC:7050 ppm)通過空氣過濾器後,來檢測純水儲槽中純水的TOC值的變化(圖2)。結果顯示,活性碳空氣過濾器具有去除有機物質的優越能力,可以有效防止純水儲槽內純水受到污染。

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接著我們以更為接近實際操作的條件來檢測空氣過濾器的使用效果。當空氣過濾器從超純水系統的純水儲槽上被移開後,我們對純化所得的超純水進行TOC值的變化檢測。圖3中2個箭頭為故意去除空氣過濾器的時期。結果發現,去除空氣過濾器,超純水的TOC值有上昇的現象。

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從以上結果得知,純水儲槽的空氣過濾器,具有防止環境因素造成的水質污染,具有使超純水水質穩定的效果。

2.以殺菌用UV燈防止微生物繁殖
水質純化雖然有不同方法,但仍有漏網之魚的微生物存在,當留存於純水儲槽中,就有繁殖的可能。雖然純水中幾乎不含有營養成份(有機物等),但仍有能適應貧瘠營養環境的微生物存在的可能(表1)。所以,純水純化的過程中應該具備殺菌的相關程序。表2為一般去除微生物的方法。

藥劑洗淨與熱水殺菌,對於純水中微生物的殺菌效果是單次性的,而非持續性。相對於此,以紫外線照射的殺菌法,只要在照射期間,對微生物的殺菌作用就能夠持續。紫外線的殺菌力,以紫外線照度(mW/cm2)與照射時間(s)的乘積(mW.s/cm2)來表示。當純水中的微生物受到 100 mW.s/cm2的照射量處理時,殺菌率就可達 99.9 % 。在此,我們對純水純化過程中,以紫外線照射的殺菌效果加以比較。首先,我們在純水系統的水流管線中裝紫外燈,以連續照射方法進行檢測(圖4)。

表1 可在純水中増殖的細菌

分類 屬名
葛蘭氏陰性桿菌 Psudomonas

Protomonas

Flavobacterium

Alcaligenes

Achromobacter

葛蘭氏陽性桿菌 CorynebacteriumBacillus
葛蘭氏陽性球菌 MicrococcusStaphylococcus

 

表2 各種微生物之清除方法

方法 效果
化學藥劑洗浄 以臭氧、次氯酸鹽、過酸化氫、甲醛等進行洗浄 在適當的濃度與處理時間,雖具有殺菌的效果。但有藥液的殘留問題。此外,洗淨後有微生物増殖的可能性。
熱水殺菌 加熱到 80~90℃,並加以循環處理。 需要外加加熱設備,此外,洗浄後微生物仍有増殖的可能性。
紫外線照射 254 nm 紫外線照射 照射期間、殺菌效果就能夠持續。

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有時,純水純化程序中若不使用紫外線照射,純水系統的生菌數會超過 100 cfu/mL,而使用紫外線照射的純水系統,其生菌數可以降至 10 cfu/mL。也就是純水系統管線中若使用紫外線照射組合,對降低生菌數具有非常好的效果。但是經過幾天後,生菌數就有增加的現象。這是因為,純水儲槽中的微生物的繁殖沒有受到抑制,使純水儲槽中生菌數逐漸增加所致。因此,對純水系統中的微生物進行管控時,只對純化程序中的管線進行紫外線照射是不足的,應同時對純水儲槽中的微生物繁殖進行抑制。
因此,如前述系統所言,我們對純水儲槽使用紫外線照射處理,來檢測其對生菌數的影響。其紫外線的照射處理時間為每日10分鐘。結果顯示,純水儲槽中純水的生菌數在管線中紫外線照射下約為 4-10 cfu/mL。之後,在純水儲槽中紫外線的照射下生菌數進一步降低。純水儲槽內經紫外線照射後,雖因重新注入純水而使生菌數增加,但仍可使微生物繁殖獲得極大的抑制。自開始檢測後的 70 天,純水儲槽中的生菌數皆保持於極低的狀態,達到有效的、持續性的低生菌數。
由前述結果可知,於純水純化程序與純水儲槽中同時使用紫外線照射,可以將純水中的生菌數做最有效的降低。純水儲槽中微生物繁殖,意味著將有微生物與其代謝的有機物流入超純水系統。所以,進行超純水純化時,於純水純化程序與純水儲槽同時使用紫外線照射是必要的。

3. 純水儲槽的形狀或結構重不重要?

此外,微生物的繁殖容易發生在水流停滯的地方。因此,純水儲槽的結構也很重要。如圖5所示,平底純水儲槽無法將貯水完全排除而成為水污染的原因。針對此一問題,若將槽底設計為傾斜構造,使水能夠完全排出,就能夠加以解決。另外,純水儲槽若放置於日光會直射的窗邊,水溫便會上昇,就容易造成微生物的繁殖。尤其,若使用半透明材質的純水儲槽,將會因為日光通透而造成藻類繁殖。因此,設置超純水系統時,對這些要求都要加以注意。p44-5