超纯水的制备方法有哪些

超纯水的制备是一个多步骤、逐级净化的过程，需依次去除原水中的悬浮物、胶体、有机物、离子、微生物、溶解气体等杂质，最终达到高纯度标准。其核心思路是 “先预处理降低杂质负荷，再深度净化去除微量污染物”，具体方法可按净化阶段和作用原理分为以下几类：

一、预处理阶段：去除原水粗杂质，保护后续设备

预处理是超纯水制备的 “前置保障”，目的是去除原水中的大颗粒杂质、余氯、硬度（钙镁离子）等，避免后续高精度净化设备（如反渗透膜、离子交换树脂）堵塞、氧化或中毒。常用方法包括：

方法名称核心原理去除对象作用与特点

机械过滤	物理拦截（滤网 / 滤料孔隙阻挡）	悬浮物（泥沙、铁锈）、大颗粒胶体	常用滤材：石英砂（去除大颗粒）、活性炭（辅助除色 / 除味）、PP 棉滤芯（精度 5-10μm）；成本低，易维护。
软化处理	离子交换（钠型树脂交换钙镁离子）	钙、镁离子（水硬度）	避免后续反渗透膜结垢（钙镁盐沉积堵塞膜孔）；树脂需定期用盐水再生，适合高硬度原水。
活性炭吸附	物理吸附 + 化学吸附（活性炭多孔结构）	余氯、有机物（部分小分子）、色素	关键作用：去除原水中的余氯（氯会氧化反渗透膜和离子交换树脂，缩短其寿命）；对 TOC 有一定去除率。
精密过滤	高精度物理拦截（滤芯精度 0.1-1μm）	微小胶体、细菌、残留悬浮物	常用滤芯：折叠滤芯、中空纤维膜；作为反渗透的 “保安过滤”，防止微小颗粒划伤反渗透膜表面。

二、初级脱盐阶段：大幅降低离子与有机物含量

预处理后的水仍含有大量离子（如钠、钾、氯、根）和有机物，需通过 “初级脱盐” 将杂质含量降至较低水平，为后续超纯化做铺垫。反渗透（RO） 是此阶段的核心技术，也是超纯水制备的 “关键一步”。

1. 反渗透（Reverse Osmosis, RO）

核心原理：在原水侧施加高于渗透压的压力，迫使水分子通过半透膜（反渗透膜），而离子、有机物、微生物等因无法透过膜孔被截留，实现 “水与杂质的分离”。

去除对象：95%-99% 的离子（如 Na⁺、Cl⁻、Ca²⁺）、90% 以上的有机物（TOC）、微生物（细菌、病毒）、胶体。

技术特点：

脱盐效率高，无需化学试剂（仅需高压泵提供压力），运行成本相对较低；

反渗透膜孔径仅 0.0001μm（纳米级），是目前最有效的 “物理脱盐 + 除菌” 技术；

产水称为 “RO 水”，电阻率约 1-10 MΩ・cm，仍需进一步纯化才能达到超纯水标准。

三、深度纯化阶段：去除微量残留杂质，达到超纯标准

RO 水虽已大幅净化，但仍含有微量离子（ppb 级）、有机物（TOC）和溶解气体，需通过深度纯化技术彻底去除，最终实现电阻率 18.2 MΩ・cm 的超纯水指标。常用方法包括离子交换、电去离子、紫外线氧化等，通常组合使用。

1. 离子交换法（Ion Exchange, IE）

核心原理：利用阴阳离子交换树脂的 “离子交换能力”，吸附水中残留的阳离子（如 H⁺交换 Na⁺、Ca²⁺）和阴离子（如 OH⁻交换 Cl⁻、SO₄²⁻），最终生成 H₂O。

阳离子树脂：R-SO₃H + Na⁺ → R-SO₃Na + H⁺

阴离子树脂：R-N (CH₃)₃OH + Cl⁻ → R-N (CH₃)₃Cl + OH⁻

H⁺ + OH⁻ → H₂O

去除对象：几乎所有残留离子（可将离子含量降至 ppt 级），是实现 “18.2 MΩ・cm” 的核心技术。

分类与特点：

混合床离子交换：将阴阳树脂按比例混合装填，离子交换反应更彻底，产水纯度极高（电阻率可达 18.2 MΩ・cm）；

缺点：树脂吸附饱和后需再生（用强酸 / 强碱处理），再生过程产生酸碱废水，适合小规模超纯水制备（如实验室）。

2. 电去离子（Electrodeionization, EDI）

核心原理：结合 “离子交换树脂” 与 “电场作用”—— 在电场驱动下，水中离子向对应电极移动，通过树脂吸附并快速迁移至浓水室排出；同时，电场可电解水产生 H⁺和 OH⁻，实现树脂 “在线再生”（无需手动加酸碱）。

去除对象：残留离子（将 RO 水的电阻率从 1-10 MΩ・cm 提升至 15-18 MΩ・cm）、部分胶体。

技术特点：

无需化学再生，无酸碱废水，环保且自动化程度高；

产水稳定性好（纯度波动小），适合大规模、连续化超纯水生产（如电子厂、制药厂）；

需以 RO 水为进水（原水离子含量过高会导致能耗飙升）。

3. 紫外线氧化（Ultraviolet Oxidation, UV）

核心原理：利用特定波长的紫外线（通常 185nm+254nm 双波长），破坏水中有机物的化学键（如 C-C、C-H 键），将大分子有机物分解为 CO₂和 H₂O，同时杀灭微生物。

去除对象：

254nm 波长：杀灭细菌、病毒（破坏 DNA）；

185nm 波长：氧化有机物（降低 TOC 至 5ppb 以下），同时分解水中的溶解氧生成 O₃，辅助氧化。

作用：解决 “离子交换无法去除有机物” 的问题，避免有机物污染树脂或影响后续检测（如 HPLC、MS 的背景干扰）。

4. 终端过滤（Terminal Filtration）

核心原理：超高精度物理拦截（滤芯精度 0.02-0.2μm，或采用超滤膜）。

去除对象：深度纯化过程中可能产生的微小树脂颗粒、微生物碎片、胶体。

作用：作为超纯水的 “最后一道屏障”，确保产水无颗粒污染，满足电子、医药等对颗粒敏感的场景需求。

四、特殊处理：针对溶解气体与痕量杂质

部分高端应用（如半导体晶圆清洗、核电）需进一步去除超纯水中的溶解气体（如 O₂、CO₂），常用方法如下：

1. 真空脱气法

原理：在真空环境下，降低水中溶解气体的分压，使气体从水中逸出，再通过真空泵抽走。

去除对象：O₂、CO₂、N₂等溶解气体（可将 O₂含量降至 10ppb 以下）。

应用场景：半导体行业（避免氧气导致晶圆氧化）、核电（防止溶解氧腐蚀金属管道）。

2. 氢气脱气法（催化除氧）

原理：在催化剂（如钯催化剂）作用下，水中的 O₂与 H₂发生反应生成 H₂O（O₂ + 2H₂ → 2H₂O）。

特点：除氧效率极高（可降至 1ppb 以下），但需引入氢气，需控制氢气残留（避免安全风险）。

五、典型超纯水制备工艺流程（以实验室为例）

超纯水的制备需按 “预处理→初级脱盐→深度纯化→终端处理” 的顺序组合技术，典型流程如下：
原水 → 机械过滤（PP 棉）→ 活性炭过滤（除氯）→ 软化处理（除硬度）→ 精密过滤（保安过滤）→ 反渗透（RO）→ 紫外线氧化（UV，除 TOC / 除菌）→ 离子交换（混合床）→ 终端超滤 / 微滤 → 超纯水（电阻率 18.2 MΩ・cm）

总结：超纯水制备的核心逻辑

超纯水并非通过单一方法实现，而是 **“逐级净化、按需组合”** 的过程：

先用低成本的物理 / 化学方法（过滤、软化）去除粗杂质，保护核心设备；

再用反渗透（RO）大幅降低离子和有机物负荷，是 “脱盐主力”；

最后用离子交换（IE）或电去离子（EDI）+ 紫外线氧化，去除微量残留，达到超纯标准；

特殊场景（如除气、除颗粒）需增加终端处理步骤。

不同行业的工艺流程会根据原水水质（如自来水、井水）和纯度需求（如电子级 vs 实验室级）调整，核心是在 “纯化效果” 与 “运行成本” 之间找到平衡。