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下载名称 逆滲透純水系統之耗材功能及相關因素探討2009-4-3 14:37:06
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逆滲透純水系統之耗材功能及相關因素探討

1. 前置濾心孔隙度準確性的重要性

Purescience 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,Purescience 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。

Purescience 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,Purescience 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, Purescience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,Purescience 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。
  • Purescience 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。
  • Purescience 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Purescience 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。

Purescience 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,Purescience 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Purescience 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 (Cl)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 Purescience 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,並且將壓損減至较低。
  • 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较低速限,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),而這些污染物會影響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。
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