实验室纯水系统介绍和规划设计要求

在实验室系统中,水环境作为绝大多数实验室的最基本环境,在实验中占有非常重要的地位。在实验室科学研究领域,所关心的纯化起始点是自来水,如果实验室中已经有蒸馏水、去离子水或反渗透水,那就只需要关注超纯化的过程。

据沃柏斯小编所知,水质往往决定了很多实验结果的真实性、可重复性。对多数做实验的专业人员来说,他们通常要求纯水中的杂质元素和化合物的浓度在PPB级【十亿分之一】甚至更低。所以纯水系统的前段设计环节尤为重要,需要考虑到整体布局、选材、安装、维护等等因素可能造成的任何不良影响并给出整体解决方案。

一、实验室纯水系统简介

(一) 实验室纯水供应已从传统的“单台单机”模式向“多台单机”模式转变。一般来讲,实验室整体纯水系统,其应用范围在每天200升~8000升之间。多数实验室或实验楼纯水总消耗量在500~2000升之间,只有少数实验室或实验楼每日用水量会大于2000升。在这些极少数实验室或实验楼中,由于有较多耗水量大的冲洗设备或全自动检测设备以及可能的特殊应用(如电子及材料行业),导致其每天使用大于2000升甚至更多的纯水。这些情都需要仔细定义用水量和进行特殊设计。一般来讲,过多的冗余会造成系统开机量不足,纯化模块不能充分发挥作用,同时也会因为流动性不足,造成水系统潜在污染的风险。

(二) 一般情况,中央纯水处理室与各实验仪器之间有一定的距离,要想让纯水顺利到达各用水点,通常要用增压泵保证一定的出水压力。

(三) 压力的大小与各实验仪器用水量大小及其与中央纯水处理室的距离有关:

① 用水量越大,距离越远,所需压力越大,反之越小。

② 在使用过程中,水压要调节适当,水压过低,不能保证仪器顺利用水,引起仪器缺水频繁报警;

③ 水压过高,会导致纯水内含有气体,在加到用水仪器反应杯时因压力降低,会释放大量气泡,影响检验质量,这对一些使用浓缩试剂的项目影响更明显。

(四)三级纯水:

① 三级纯水一般由自来水纯化制备而成。

② 三级纯水的物理纯度一般为小于50μS/cm【即微西/厘米】,单蒸水、双蒸水、普通去离子水和反渗透水都属于此级别。

③ 三级纯水的主要用途是清洗瓶皿、人工环境室用水、高压消毒装置用水以及超纯水仪进水等。

(五)二级纯水:

① 二级纯水是一个模糊的范围,常用电阻率5~5MΩ·cm表示。但二级纯水绝不严格限于此范围内,一般情况1~17MΩ·cm范围均认为是二级纯水。

② 二级纯水一般是将三级纯水再经过离子交换或电渗析制成。它主要用于一般试剂的配制,普通化学实验用水以及给超纯水仪供水。

(六)一级超纯水:

① 一级超纯水是指物理纯度电阻率大于18MΩ·cm的水。

② 一级超纯水是由三级或二级纯水经核子级离子交换树脂再纯化而来。

③ 它主要用于高精密度的分析实验和对纯度要求很高的生命科学实验。

二、实验室纯水的供应模式有哪些?

实验室纯水供应模式分两类:中央纯水供应模式和分散纯水供应模式。

(一)中央纯水供应模式:

中央纯水供应模式是指设置纯水生产装置,实验室用水通过供水管道输送到各个实验室用水点,无论是单个实验室还是一栋实验楼,实现从实验室用水点的纯水龙头直接获取实验室纯水或超纯水。

(1)优点:

① 运行成本低,管理集中。

② 集体使用,不存在机器闲置可能。

③ 产量大,用水采用管网化,同一实验室多点取水。

(2)缺点:

系统必须保证长期安全运行,否则存在断水风险。

(二)分散纯水供应模式:

分散纯水供应模式是指在实验室各用水点位置配成品水或设置纯水机。

(1) 优点:

仪器有单独的使用权,使用率较高。

(2)缺点:

① 运行成本高,管理分散,消耗成本相对较高。

② 桌面定点台式安装,定点取水,机型产量小,流量小,工作效率低。

③ 若每个实验组单独购买,业主在该类产品上的投资总额非常高,可能会因每个实验组工作情况不同而导致空置率提高,不利于投资效率最大化。

三、新建或改造实验室如何设计整体纯水系统?

(一)整体布局:

新建实验室或有改造需求的老实验室,在对整体纯水系统进行布局时,往往会面临系统设计、产品选型、管理维护等很多实际问题的全面挑战。整个整体纯水系统中从产水模块、储水模块、分配模块、管道纯化和监控设备、到最后的终端纯化模块的选配,涉及到对实验应用的了解、实验室管理的分析、系统投入成本的控制、运行维护的要求、安装操作和工程实施等多方面因素,用户往往在牵涉大量精力后,效果却并不很好。

(二)管材选用:

(1)纯水系统管材的选择很重要,高纯水被污染的原因,一是来自外界杂质的引入,二是系统内各种材料中所含污染物的溶出。

(2)因管道材质造成纯水水质下降主要有以下两点:

① 管道材质中的不纯物质溶解于高纯水中致使水中阴、阳离子增加、电阻率下降以及TOC【总有机碳】增大。

② 因管道内壁不光滑及接头、阀门等原因造成细菌滞留繁殖以及其他颗粒的聚积,致使水中微粒增加。

(3)为了减少上述不利因素的影响,应选用可萃性低、内壁光滑的管道并尽可能减少接头及管件的凹凸不平。

(4)当然也要根据纯水水质的级别进行选材,并注意材料的价格等,要统筹兼顾。

(5)配管分类:根据材质的不同,高纯水配管主要可分为有机系配管和不锈钢配管两大类。

有机系配管的品种常见的包括聚氯乙烯(PVC),聚丙烯(PP),丙烯腈-丁乙烯-苯乙烯(ABS),聚偏二氟乙烯(PVDF)等4种。有机配管材质对高纯水水质的影响,目前尚无完整的比较资料及可靠的测试数据报道。

(6)整个纯水系统的重要组成部分:

纯水输送和分配管道系统是整个纯水系统的重要组成部分,该系统将中央纯水站制出的高质量纯水以尽量小的水质降幅输送给每一个使用地点。但由于水的纯度很高,极易受到污染,而用水点较分散又无规律且变化幅度大等,给纯水的尽可能的保质输送带来相当大的难度。

(三)配管设计的两大难题:

(1)保持较高的管道设计流速:

即在管道系统压力损失允许的情况下管内流速尽量大,以防管内细菌繁殖和微粒沉积。

(2)防止纯水管道系统内产生滞水、短路和逆向流动现象:

经过不断地探索和实践,现从设计角度提出几种可供选择的途径:

① 设计采用纯水循环系统,并必须24h连续运行,以杜绝管内产生死水。

② 为使运行中无论纯水使用多少都能保证纯水处于流动状态,循环附加流量应为设计流量的50%~100%。

③ 应保证纯水管道流速,纯水循环干管最小流速宜大于1.5m/s,支管流速宜大于1.0m/s。

④ 对接使用点支管应尽量缩短,以减少死水管段。支管长度不宜超过30倍管径长度。

⑤ 循环管道宜采用双管布置方式,即有独立的给水管和回水管的纯水循环管道系统。

(3)运转调试前的清洗:

① 运转调试前须先对已安装的纯水输送系统作水压试验,合格后方可进行;

② 用3%~5%双氧水进行管路循环清洗40分钟,以达到消毒杀菌目的;

③ 使用纯水站供应的纯水或反渗透水冲洗管道内残留药液,直至使用点出水水质达到规定的水质要求。