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人類對(duì)于水的認(rèn)識(shí)以及提純水的歷程
來(lái)源:郭哥聊科學(xué) 瀏覽 810 次 發(fā)布時(shí)間:2022-09-16
純水就是沒(méi)有任何雜質(zhì),由百分百的水分子組成,不包含任何其它分子的水體,自然界中不存在真正的純水。在文明發(fā)展過(guò)程中,人類一直延續(xù)著對(duì)純水的追求,人類文明史幾乎就是一部水的提純史。今天,老郭就與您聊一聊,人類對(duì)于水的認(rèn)識(shí),以及提純水的歷程。
一、五行之一的水,眼不見(jiàn)為凈
不論是東方還是西方,古代文明都把水作為最基本的物質(zhì)之一,納入到自己的學(xué)說(shuō)當(dāng)中,在中國(guó)就是金、木、水、火、土五行學(xué)說(shuō),在歐洲就是土、氣、水、火四元素說(shuō),可見(jiàn)人類早就開(kāi)始意識(shí)到水的重要性。
盡管那時(shí)候并不清楚水和水之間的區(qū)別,也是知道污水是不能直接飲用的,最起碼含有污泥懸浮物的水,口感就很差,一定要喝清澈的水。當(dāng)時(shí)的人類,從自然界中總結(jié)出規(guī)律,含有泥沙的水,應(yīng)該靜置一段時(shí)間再喝,這就應(yīng)該是人類最早的凈水技術(shù)——沉淀法。
隨著文明的進(jìn)步,人類逐漸意識(shí)到了水和水之間是不一樣的。比如我國(guó)古代人民在泡茶的時(shí)候就知道,山泉水上、江河水中、井水下,其他的還有露水、雨水等,都區(qū)分了用途。隨著中醫(yī)的發(fā)展,我國(guó)人民還養(yǎng)成了喝開(kāi)水的習(xí)慣。
以科學(xué)解釋,山泉水、江河水和井水之間的最大區(qū)別就是鈣、鎂離子的濃度不同,井水的離子濃度高,用俗語(yǔ)說(shuō)就是比較硬。燒開(kāi)后的水不僅能去除多余的鈣鎂離子,讓水軟化,還能殺滅自然水體中的細(xì)菌和病毒,這都對(duì)人類的身體健康起到了積極的作用。
二、科學(xué)讓凈水技術(shù)和凈水有了標(biāo)準(zhǔn)
如果說(shuō)科學(xué)領(lǐng)域有沒(méi)有什么里程碑那樣的階段,那就應(yīng)該是20世紀(jì)初,這個(gè)時(shí)期的科學(xué)從宏觀世界進(jìn)入到了微觀領(lǐng)域,人類對(duì)于水的認(rèn)識(shí),也進(jìn)入到了分子和原子的級(jí)別。同時(shí)人類對(duì)水的需求也擴(kuò)展到醫(yī)療衛(wèi)生、工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究等領(lǐng)域,這就催生了制備純水的產(chǎn)業(yè)。
早期,由于技術(shù)水平有限,生產(chǎn)高純度水的辦法主要是蒸餾法。如果生產(chǎn)環(huán)境控制得好,這種方法能生產(chǎn)出純度比較高的水。然而這種方法有一個(gè)致命的問(wèn)題,那就是太浪費(fèi)能源,并且水的純度無(wú)法滿足更高要求。這就導(dǎo)致了新的制備純水的方法不斷出現(xiàn)。
科學(xué)家們?cè)诔恋矸ǖ幕A(chǔ)之上,增加了過(guò)濾這個(gè)步驟,過(guò)濾中又包含了沙濾、活性炭吸附、超濾等技術(shù)。這些辦法既可以去除水中多余的鈣、鎂等離子,也能帶走一部分的細(xì)菌和病毒,同時(shí)又不會(huì)額外增加水中的其他物質(zhì),不改變水的性狀,是目前生活用水的主要生產(chǎn)手段。
這個(gè)時(shí)候凈水的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)從古人的眼不見(jiàn)為凈升級(jí)到了科學(xué)的指標(biāo),比如水中其他雜質(zhì)的濃度、化學(xué)成分、細(xì)菌和病毒的數(shù)量等等。更進(jìn)一步的是,產(chǎn)生了純水的概念,不含任何雜質(zhì)的水。純水在醫(yī)療衛(wèi)生、微電子、科學(xué)實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域有著廣泛的用途。
三、EDI超純水設(shè)備
然而知道了純水是什么,不等于能生產(chǎn)出來(lái),這一步歷盡艱辛,直到今天仍然沒(méi)有完全實(shí)現(xiàn)。既然知道了水不純是因?yàn)槔锩婧懈鞣N少量的雜質(zhì),那么最簡(jiǎn)單的辦法還是在過(guò)濾上下功夫。多數(shù)雜質(zhì)的體積都比水分子大,只要設(shè)計(jì)更細(xì)的網(wǎng)眼,留下雜質(zhì),讓水過(guò)去就可以了。
現(xiàn)在有很多家用的純水機(jī)采用反滲透膜過(guò)濾技術(shù)(RO)就屬于此類,其核心是微孔過(guò)濾,只有水分子和比水分子小的礦物質(zhì)、微量元素能通過(guò)膜并保留下來(lái)供飲用;細(xì)菌、病毒、水垢、污染物均不能通過(guò)膜,成為濃縮水排出;反滲透技術(shù)能將水中95%-98%的離子去除,從而達(dá)到優(yōu)質(zhì)飲用水的標(biāo)準(zhǔn)。
然而,優(yōu)質(zhì)飲用水距離純水的標(biāo)準(zhǔn)仍然相去甚遠(yuǎn)。為了徹底清除水中的雜質(zhì)不能用化學(xué)交換的辦法,因?yàn)檫@樣會(huì)引入更難清除的雜質(zhì)。上世紀(jì)50年代誕生的一種電去離子技術(shù)(Electrodeionization簡(jiǎn)稱EDI),是目前普遍采用的超純水制備方案。
這種技術(shù)是將電滲析膜分離技術(shù)與離子交換技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)的一種新的制備超純水(高純水)的技術(shù)。在直流電場(chǎng)的作用下,淡水室中離子交換樹(shù)脂中的陽(yáng)離子和陰離子沿樹(shù)脂和膜構(gòu)成的通道分別向負(fù)極和正極方向遷移,陽(yáng)離子透過(guò)陽(yáng)離子交換膜,陰離子透過(guò)陰離子交換膜,分別進(jìn)入濃水室形成濃水。
EDI進(jìn)水中的陽(yáng)離子和陰離子跟離子交換樹(shù)脂中的氫離子和氫氧根離子交換,形成超純水(高純水)。超極限電流使水電解產(chǎn)生的大量氫離子和氫氧根離子對(duì)離子交換樹(shù)脂進(jìn)行連續(xù)的再生,可以連續(xù)工作,不需要酸堿化學(xué)再生。
這是一種綠色環(huán)保、低能耗、高效率的解決方案。
四、電導(dǎo)率(或電阻率)是純水的新標(biāo)準(zhǔn)
水的純度怎么測(cè)量?物理專業(yè)出身的老郭第一個(gè)思路是色譜法,這是因?yàn)槊糠N分子、原子都有其獨(dú)特的特征譜線,利用吸收光譜或者是發(fā)射光譜,就能在非常高的精度范圍內(nèi)確定樣品的純度。為了確定這個(gè)方法的可行性,我咨詢了遼寧中成永續(xù)水工科技有限公司的李雨桐總經(jīng)理。
李總說(shuō),色譜法可以用,但是其成本高,并且不能實(shí)現(xiàn)在工業(yè)級(jí)生產(chǎn)中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),所以在EDI設(shè)備上采用的都是電導(dǎo)率儀或者是電阻率儀。中誠(chéng)永續(xù)公司生產(chǎn)的純水設(shè)備生產(chǎn)的超純水出水檢測(cè)值可以達(dá)到18.2MΩcm。
也許有些小伙伴對(duì)此有些疑問(wèn),既然是測(cè)量水的電導(dǎo)率,為什么不是叫導(dǎo)電能力測(cè)試,而是叫做水質(zhì)測(cè)試呢?這是因?yàn)?,水越純凈,水的電?dǎo)率就越低,水的電導(dǎo)率是反映水的純凈程度的重要參數(shù),甚至是唯一的參數(shù),特別是高純水更是如此,因此電導(dǎo)率是可以正確地反映水質(zhì)的。
結(jié)束語(yǔ)
盡管如今的超純水仍然不是理論上的純水,但工程師們一直在努力,也許真正的純水永遠(yuǎn)也生產(chǎn)不出來(lái),但我相信,在科學(xué)家和工程師的共同努力下,這個(gè)目標(biāo)一定能夠越來(lái)越接近。
需要注意的是,超純水只適合實(shí)驗(yàn)或者是工業(yè)生產(chǎn),并不適合飲用,這個(gè)話題我們留在以后再談。