岑祥股份有限公司 純水原理及用水探討 胡毓煇 Millipore.

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1 岑祥股份有限公司 純水原理及用水探討 胡毓煇 Millipore

2 水中污染物種類及說明. 各種純化方法之說明 傳統去離子水及蒸餾水系統的探討 < 內容大綱 >
< 內容大綱 > 水中污染物種類及說明. 1.無機鹽類 2. 水溶性有機物 3. 懸浮顆粒及膠體 4. 微生物及內毒素(菌膜) 各種污染物之檢測單位及其定義. 1. μS/cm 2. MΩ•cm 3. TOC 4. CFU/ml 5. EU/ml 各種純化方法之說明 . 過濾/活性碳/軟水/逆滲透/超過濾/離子交換/電子式去離子/光氧化等. 傳統去離子水及蒸餾水系統的探討

3 自來水中各種污染物之分類 陽離子 陰離子 Na+ Cl Ca HCO - - - 無機鹽類 有機化合物 天然來源 環境污染物 懸浮顆粒
(膠體) 微生物 (內毒素)， 2 + - 3 天然來源 環境污染物 單寧酸/腐植酸 殺蟲劑/除草劑 H H H-C-C-OH - 非可溶性顆粒性物質 (Small Non-deformable solids with a net negative charge) 溶解水中無機的 , 有機的部分 , 不溶解的部分 及 細菌, 黴菌等 及相關的內毒素產生 都歸類在微生物 細菌／藻類 ／真菌 (polyliposaccharide of Gram negative bacterial cell wall)

4 自來水中常見的鹽類 , 礦物質 陰離子 陽離子 Cl - - SO 4 - Na + Ca + NO 3 ClO - Mn + Fe + 4
一般陰陽離子 4 PO - - - CO 3 Al + Pb + SiO Si 2 O 7 ...... SiO 2 4

5 天然的有機物 PHENOLS TANNINS HUMIC ACIDS FOLIC ACIDS LIGNIN PYROGENS HO COOR
OH R PHENOLS TANNINS HO CH CHCOOH HUMIC ACIDS 原水中可能出現(殘留)的天然有機物 FOLIC ACIDS LIGNIN PYROGENS

6 非天然的有機物 INSECTICIDES ORGANOCHLORINE HERBICIDES PAH PCB PHTALATES CH Cl
2 Cl H 3 C-CH-CH N CH -CH 2 Cl N OP(OCH 2 CH 3 ) S CHCl 3 CCl 4 INSECTICIDES ORGANOCHLORINE HERBICIDES C O RO OR Cl 原水中可能出現(殘留)的人造有機物 PAH PCB PHTALATES

7 顆粒 及 膠體 - 形狀 , 大小 , 材質 , 軟硬 顆粒小到一種程度 , 就不會沉澱 稱為膠體 “Colloids “
形狀大小 , 軟硬材質 , 有機, 無機 只要不溶解的都算 , 膠體的的意思 形狀 , 大小 , 材質 , 軟硬 顆粒小到一種程度 , 就不會沉澱 稱為膠體 “Colloids “

8 Bacteria 細菌 很漂亮的造片吧 ^o^ Staphylococcus Aureus Serratia Marcescens

9 Gases Oxygen 氧氣 Nitrogen 氮氣 Radon 氡 Carbon Dioxyde 二氧化碳
氣體會以溶解的方式存在水中 , 甚至 CO2 還能進一步解離 , 目前除了CO2 對超純水的影響外 , 比較少數的實驗才會關係到水中氣體含量 , 在Millipore的系統中 , 不以主題方式討論 Carbon Dioxyde 二氧化碳

10 水中各種污染物之量測單位

11 水中的污染物 :鹽類 , 礦物質 :有機物 , 高分子 :砂子 , 顆粒 :微生物 , 細菌 :空氣 + - + - SALTS
ORGANICS PARTICLES / COLLOIDS MICROORGANISMS DISSOLVED GASES 水中可能的污染物分類 : 無機鹽類 , 有機物 , 顆粒 , 微生物及氣體 + -

12 什麼是 Biofilms? Biofilm是由微生物所分泌的黏液所聚集在生物或非生物的表面. 無論任何接觸水的表面都會形成 Biofilm
例如 : 牙垢, 河床石頭上濕滑的軟泥, 裝水一星期的花瓶內表面…… 無論任何接觸水的表面都會形成 Biofilm 自然界的微生物, 細胞璧外部具有絨毛狀的多醣體聚合物, 有助於黏附在物體表面, 可濃縮養分,並保護細胞不容易被各種殺菌方式毀滅.

13 菌膜(Biofilm) 之形成過程 在純水中微生物適應之道 “具黏性” 多醣類物質黏膜 (Glycocalyx) 10 um 3 um
<細胞體積變小更有利於吸收養份, 因體表面積變大>

14 菌膜(Biofilm)之形成過程 細菌會黏在各種沾濕材料(wetting material) 上, 以主動方式分解及吸收所需養份.
在沉澱物堆積的底部表面上, 會有足夠的有機物及鹽類供給

15 菌膜(Biofilm)生態體系之形成 在共軛焦顯微鏡(confocal microscope)的觀察下, 單一菌落的結構狀態, 如同衛星城市. 在Bioflim中, 微生物會利用糾結的聚醣纖維的黏性網路結構 , 將彼此固定於物體表面 菌膜可能會對附著表面進行分解並利用 , 進一步對環境釋放出內毒素,細菌,酵素及高分子有機分解物 細菌 有機物顆粒 無機物顆粒 內毒素(endotoxin)

16 水質純化方法介紹及說明 過濾法 活性碳過濾法 碳酸鈣結垢控制 逆滲透法 離子交換樹脂法 超過濾法 UV (185nm) 光氧化有機物法
軟水機 螯合物/聚磷酸 逆滲透法 離子交換樹脂法 混床式 電子式去離子方式(EDI) 超過濾法 UV (185nm) 光氧化有機物法 一般常見 純化水方法 , 此為Millipore 系統 上會用到的部分 , 其他 例如 蒸餾法, 水中加明礬 , 臭氧 .也是常見的方式

17 過濾法 兩種主要過濾型式 深層過濾 - 攔截方式 表面過濾 - 篩選方式 深層過濾式 表面過濾式(濾膜)
深層過濾 , 一般都是有厚度的 , 例如預濾芯. 最常用來 前過濾 . 表面過濾 , 大都是平面薄膜方式的外觀 , 例如實驗室常用來過濾小飛碟 um 等

18 過濾法 深層過濾法 常用材質 孔隙度特性 濾紙厚度 30um 細微玻璃纖維1500X 放大 Cotton Fibers
Glass Fibers Polypropylene Nylon Filaments Sand Grains 孔隙度特性 Nominal 工作範圍 um 濾紙厚度 10-30mm 強調孔隙度特特性 , 及相關孔徑的名稱定義 . 30um 細微玻璃纖維1500X 放大

19 過濾法 微孔濾膜法 常用材質 孔隙度特性 工作範圍 材質(濾膜)厚度 Nylon P.V.D.F. ( Durapore )
P.T.F.E.(Teflon) Cellulose Esters 孔隙度特性 絕對過濾 工作範圍 0.1 to 10 um 材質(濾膜)厚度 150um‧ 掃描式電顯放大2000倍所攝之0.22 Durapore濾膜表面. 孔隙度特性 – 絕對過濾的舉例說明 被標準ATTC綠膿桿菌 Pseudomonas Diminuta所挑戰之濾膜 0.22um Durapore之掃描電顯之表面照片.

20 Millipak 40 Today Total Membrane Surface: 200 cm2 Inlet Vent
Outlet Durapore 0.22 µm Hydrophilic Membrane Four discs of 50 cm2 on two supports The Millipak 40 today has two disc supports, with 2 discs on each support (one under and one above the support).Each disc has a 50 cm2 surface. Total Membrane Surface: 200 cm2

21 過濾法 整體比較 深層過濾 濾膜過濾 結構凌亂 過濾孔隙度一致性低 使用深層過濾濾材來攔截顆粒性污染物 可過濾大量顆粒性雜質 / 工作量大
結構一致性高 孔隙度準確 過濾以濾膜表面阻隔顆粒為主 低顆粒性雜質處理能力 除了列出來的部分 , 尚可以分析價格 , 通常用途 . 及我們耗材的舉例說明

22 活性碳過濾法 使用原料種類 活化處理方法 椰子殼 木材 煤碳 原油 / 高分子材質 加熱處理‧ 化學處理
經活化處理過之活性碳產生大量之大/小孔隙,使整體表面積大增,使表面吸附能力大增 活性碳可吸附之表面積 m /gram “碳” 的用途及功能很廣 , 除臭, 除濕, 吸附雜質 ..等 .可見 他是很特殊的物質 . 經”活化” 後的碳 , 將表面積增大的到需要 “想像” 的境界 , 2

23 活性碳內部構造 可有效中和漂白水等強氧化劑 可大量吸附水中有機物質 活性碳顆粒
入此大的表面積 , 因為包含了所有裂縫空隙 等 3D 結構 都算進計算 在純水的用途裡 , 主要用來前處理中” 中和”自來水中的氯 ; 同時可吸附大量的有機物質 . 例如超純水中核子級活性碳的用途 可有效中和漂白水等強氧化劑 可大量吸附水中有機物質

24 Progard Cartridge Element : Granular Activated Carbon
DESCRIPTION : Small beads of activated carbon with 20 Angstrom typical pore size. Developed surface around 1000 m2 / gram. PURPOSE : Reduce oxydants (Chlorine) which might damage the RO cartridge.

25 天然 \ 人工合成活性碳 照片欣賞 ^o^ , 個人覺得 Quantum 裡的活性碳 , 小小圓圓的 . 很可愛 . 不同於一般對 “碳”的印象

26 水中碳酸鈣結垢控制 Ca++ + CO3= CaCO3 碳酸鈣因過飽和而沉澱之化學式 (S)
傳統所謂 ”硬水” 也稱為 : 結垢” 是因為 一般常溫及低濃度狀況下就容易產生沉澱的化合物 , CaCO3 , MgCO3 , CaSO4 , MgSO4 .等 硬水若不經軟化處理, 產生的沉澱可能破壞 or 影響 後端的純水功能結構 , 例如 RO 膜 . EDI 等設備 . 一般用水的設備 , 若不經軟水處理 , 可能產生沉殿在不容易清理的地方 , 例如 蒸餾水的石英加熱槽 , 高溫高壓滅菌機的水管及儲水艙.

27 結垢控制 軟水過程 “硬水" 陽離子交換樹脂 “軟水" Ca++ + 2 Cl- Mg++ + 2 Cl- Na Na Na Na Ca
R Na Na R R Na Na R 傳統軟水機結構示意圖 , 主要是利用原樹脂上 binding Na 的位置來交換水中的高價陽離子 , Ca Mg 等 , 後端的水少了 Ca 及 Mg 自然無法在產生 CaCO3 , MgCO3 , CaSO4 , MgSO4 的過飽和沉澱 R Ca R R Mg R 4 Na+ + 4 Cl- “軟水"

28 軟水系統再生過程 被再生之陽離子樹脂 高濃度之 NaCl 飽和並耗盡之陽離子樹脂 需使用飽和鹽水來再生軟水系統 Na Na Na+ Cl-
R Na Na R Na+ Cl- R Na Na R R Ca R 高濃度之 NaCl 軟水機的保養 需要再生的過程 才能回復軟水的功能 , 原理是利用高濃度的 NaCl .的濃度優勢去競爭原Binding 的關能基位置.而得到再生的效果 PS 軟水機只改變陽離子的組成分 , 但不是減少陽離子的量 . 而且需要定期良好管理才能維持效果及避免微生物繁殖. Mg R Mg CL- R Ca Cl- 剩餘之Na+ Cl- 飽和並耗盡之陽離子樹脂 需使用飽和鹽水來再生軟水系統

29 水中結垢控制 Ca++ + CO3= CaCO3 _ CO3= CO3= Ca++ CO3= CO3= _ 抗結垢劑 ---聚磷酸 磷酸鏈
(S) _ CO3= CO3= Ca++ 軟水方法很多種 , 除了離子交換外 , 改變溫度 , PH 值 , 濃度外 , 利用添加抗結垢劑的方式陽離子包圍起來, 也可以控制結垢的狀況 . 常見的抗結垢劑有 EDTA , 草酸 , 聚磷酸等 . 類似結構化合物 CO3= CO3= _ 磷酸鏈

30 Reverse Osmosis 逆滲透過濾 在生命科學範疇，樣本過濾可依處理樣本粒徑大小分為 微孔過濾(Microfiltration, 簡稱MF)， 超微孔過濾 (Ultrafiltration, 簡稱UF)， 逆滲透過濾 (Reverse Osmosis, 簡稱 RO) 與 奈米級過濾 (Nanofiltration, 簡稱 NF) 逆滲透過濾與奈米級過濾(RO and NF) 指進行分子量小於1500 daltons 之微小分子與溶液(例如水)的分離。 分離的主要原理是藉由膜本身的孔徑與電荷，與UF 膜依分子大小分離的原理不同。RO 膜與NF 膜會滯留鹽類與更細小的不帶電性的溶液分子在膜上而讓微小的分子通過膜。 NF 膜是RO 膜的一種，它能讓帶一價電荷的鹽類通過而滯留多價電荷的分子與大於400 daltons 的不帶電分子。

31 逆滲透原理 含有各種污染物之 自來水 純水 (滲透壓較高) (滲透壓較低) 具有選擇性通透特性之 半通透膜
理想的半通透膜 , 是選擇性的只能讓水進出 , 但理想與現實仍有差距 , 在科技及品管下, 目前的RO 膜 , 只能說大部分的情況只讓水通過 . 具有選擇性通透特性之 半通透膜

32 自然狀態下之滲透現象 滲透壓差 含有各種污染物之 自來水 (滲透壓相對較高) 純水 (滲透壓相對較低) (具有選擇性過濾之半通透膜)
自然的現象 , 因為濃度趨於平衡 及 此”選擇性”膜的存在下 , 水分子會往高濃度方向滲透 . 根據濃度差異 , 最後會與溶液的壓力差成為一個平衡 . 所謂的”滲透壓差” (具有選擇性過濾之半通透膜) 水流流動方向 水流自低滲透壓自然流向高 滲透壓,此乃正常滲透現象

33 逆-滲透現象 Reverse - Osmosis 含有高濃度污染物之排放水 外力加壓 較高滲透壓 較高雜質之 自來水 逆滲透純水
進水 較高滲透壓 較高雜質之 自來水 逆滲透純水 (低滲透壓) 排水 在高濃度端以外力加壓 , 扺過滲透壓 , 製造一個水分子往低濃度方向”逆滲透”的趨勢及現象 , 在高濃度端需要有控制的壓力及排水 , 可持續產生低濃度的純水 . 水流方向:自高滲透壓流向 低滲透壓,此乃逆滲透現象 產水 含有高濃度污染物之排放水

34 切線流 RO Tangential Flow 產 水 進 水 逆滲透膜 廢 水
進 水 逆滲透膜 切線流的設計 , 主要是為產生一橫向水流, 以帶走可能沉澱堆積於膜表面的任何污染物 , 以利RO 功能持續運作 , 不會阻塞 廢 水 產 水

35 逆滲透之重要參數 自來水/原水 逆滲透純水 Recovery % of Feed Water + - 排放水 + - 簡單的 RO 功能示意圖 , Performance % Rejection of Inorganic Ions % Rejection of Organics > 100 Dalton % Rejection of Particles and Microorganisms Good Broad Pretreatment Alternative to Distillation.

36 RiOs 5 流程範例 Rinsing Flush Product to Tank 進水電磁閥 壓力控制閥 Pump RO膜 導電度計
純水品管閥 Product to Tank Pr RO前處理管柱 消毒孔蓋 再循環迴路 Rinsing 流量控制 沖洗電磁閥 Flush 排水控制

37 各種水溶液之滲透壓 水中鹽分濃度與滲透壓的關係比較 , 1 bar = 1 kg/cm2 , 一般自來水壓 1~ 3 bar .

38 逆滲透膜之結構 利用掃描式電子顯微鏡拍攝之逆滲透膜橫切面照片 說明: 此為複合式逆滲透膜, 上層為真正逆滲透膜, 厚度佔整體厚度之百
分之一左右, 其餘為 支撐結構. 只要記得 RO 厚度就像一張紙 , 而真正的功能部分僅佔紙的 1% . 很薄很薄 , 需要呵護 ~ 放大倍率: 一萬倍

39 離子交換樹脂之去離子原理 R - SO H + Na R - SO Na + H H O
陽離子交換樹脂 _ _ + + + + R - SO H + Na R - SO Na + H 3 3 離子交換樹脂染色: Methyl Red (陽離子) Bromophenol Blue (陰離子) H O 2 利用樹脂上Binding 的功能基 , 以交換水中的 陰 , 陽 離子 . 達到純化水的功能 . 分別就陰離子 . 陽離子 . 走一遍化學方程式 .. _ _ _ _ R - NH OH + Cl R - NH Cl OH 4 4 陰離子交換樹脂

40 VS 單床式離子交換樹脂 混床式離子交換方式 + Na Cl Na Cl + Na+ + Cl- - - H Cl + Na OH + -
強酸\鹼化學樹脂再生 混床式離子交換方式 VS + Na Cl Na Cl + Na+ + Cl- - - 混床離子交換樹脂 陽離子交換樹脂 陰離子交換樹脂 R-H+ R-OH- R-H+ R-OH- R-Na+ 傳統的分床離子交換樹脂示意圖 . 可強調產生的強酸及強鹼 . 對管線 . 系統結構 . 及保養人員的安全及影響..混床離子交換樹脂免除了分床的缺點 . R-Cl- R-Na+ R-Cl- H Cl + Na OH + - - H+ + OH- = H2O 可純化出 18.2 Megohm.cm 之超純水

41 電子連續式去離子純化原理(EDI) Electrochemical Regeneration of Ion Exchange Resins
水中代表性污染物鹽類 (NaCl) A C A C Na+ Cl- OH- H+ Na+ Cl- 電陽極 電陰極 _ + H+ H+ Cl- Na+ OH- OH- OH- 陽電極跟陰電極 , 通電 , 陰離子偏往陽極方向移動 , 陽離子偏往陰極方向移動 陰離子通透膜 , 陽離子通透膜 的作用 添加的 “ 混床樹脂” 及 陰電極端的” 碳 “ 的功能的效果 廢水的通道 vs 純水的通道 H+ H+ H+ OH- OH- 排放廢水 高純度純水 A -陰離子通透膜 C - 陽離子通透膜

42 Ultrafiltration 超過濾 在生命科學範疇，樣本過濾可依處理樣本粒徑大小分為 微孔過濾(Microfiltration, 簡稱MF)， 超微孔過濾 (Ultrafiltration, 簡稱UF)， 逆滲透過濾 (Reverse Osmosis, 簡稱 RO) 與 奈米級過濾 (Nanofiltration, 簡稱 NF) 超微孔過濾 (UF) 指在流體樣本中分離極度小的顆粒與其他已溶解分子的過程。分離的主要依據是分子大小， 其次為分子的形狀與帶電性。進行超微過濾時，1,000 至1,000,000 分子量的分子會留在過濾膜上，而鹽與水則會通過膜孔流出 UF 膜是用來純化並收集通過膜的樣本或是滯留在膜上的物質。 1. 收集通過膜的小分子樣本之應用如：去熱源(depyrogenated)、澄清(clarified)、、等， 2. 而收集滯留在膜上之大分子樣本，則是為了濃縮大分子物質，同時將小分子不純物分離的應用。 UF 的效能除了以 : 1. 分子量大小 , 例如 5000~13000 MWCO (Molecular Weight Cut-Off) 外 2. LRV 值( Log reduction value ) 也是重要的參考 , 例如 : LRV > 4 代表可以將濃度大於 10 過濾為小於 10 的濃度單位 5 1

43 Ultrafiltration cartridge
Hollow Fiber Cartridge Inlet Housing Fibers Drain Potting Outlet ABS Housing NaOH compatible SEM of Hollow Fiber UF Water flow from outside to inside The fibers are bent and assembled in a housing with a potting at the bottom. 1. 功能結構的介紹 , 可以用中空的米粉條來形容外觀 2. LRV 說明舉例 LRV>4 ( Log reduction value ) (Challenge Range from 442Eu/ml to 44,200Eu/ml) Strict Quality Control Testings :

44 Ultrafiltration 1 µm 100 µm P Ultrafilters are asymmetric membranes, sometimes composite Under pressure,small size molecules go through the membrane,whereas molecules larger then the NMWL(Norsk MaltWhiskyLag ) are retained Ultrafilters are polymeric , asymetric membrane , with a very thin (1 um thickness) , active layer at the top and a thicker (100 um) support below. The thin membrane performs the active separation ; the thicker membrane below acts only as a mechanical support allowing the user to easily handle the membrane. Those membranes may be composite , with the thin (active) and the support layers made of different polymers. Ultrafiltration (UF) membranes operate under pressure : under P , small molecules will be able to cross the thin layer , whereas the large ones will be retained. The cut-off limit is called the Nominal Molecular Weight Limit and is expressed in daltons. This value is used to characterize UF membranes because MW is easier to find in the literature than the molecule dimension. The MW is linked to the molecule size , but other factors are also to consider : the aspect ratio ( shape of the molecule : for the same MW , a molecule can have a spherical form or an elongated form . Both molecules will have different retention rates , although their molecular weights are similar) and pH ( a variation in pH modifies the tertiary structure of a protein and therefore its shape. Organics with MW > NMWL : Rejection > 99 %

45 SEM of Ultrafiltration Capillary Fiber

46 Ultrafiltration SEM of 100,000 NMWL Ultrafiltration Membrane
2,000X Magnification

47 Endotoxin Gram negative cell wall Sub-unit 10,000 D

48 Hollow Fiber UF Membrane Structure
Thin layer of tight UF membrane Porous support structure in the middle Thin layer of UF (less tight) Flow Direction

49 BioPak - Materials UF Hollow Fibers (5000~13,000 NMWL) Polysulfone
Potting Polyurethane

50 BioPak – How it works Fibers Surface = 2170 cm²
Cut Off (NMWL) = 13,000 Dalton 0.5 mm 0.8 mm Fibers Surface = 2170 cm²

51 BioPak Size & Connections
Inlet Connection: ¼ ’’ Gaz (Straight) Luer Slip F Venting Port 1/8’’ Gaz 124 mm Outlet Connection Hose Barb – 6 mm 45 mm

52 UV (ultraviolet) 1. UV照射主要用於殺菌領域 , 尤其 260nm 附近的紫外線的殺菌能力效果最佳.
一般稱紫外線 , 原理及構造類似一般日光燈而稍有不同 , 1. UV照射主要用於殺菌領域 , 尤其 260nm 附近的紫外線的殺菌能力效果最佳. 2. 另外 , 配合較短波長的 uv 可以有效分解有機物質 . 紫外線放射 UV照射主要用於殺菌領域 , 尤其是 260nm 附近紫外線的殺菌能力是最強的直射日光 ( 350nm ) 的1600 倍 , 由於DNA在 260nm 附近具有吸收的特性 , 所以DNA會因為吸收能量而結構受損 , 進而達到抑制細菌繁殖或是殺菌的功效 UV (ultraviolet) 一般稱紫外線 , UV 燈跟一般燈管構造類似 , 只有燈管石英純度等級及日光燈coating 螢光劑 等的不同, 所有的 UV系統同時都會產生 185/254 nm波長能量 , 但石英燈罩UV照射等級的不同 , 會讓 185 nm 的部分無法穿透出來 放電電極 氬氣/汞蒸氣 超純度石英管壁

53 所有的 UV系統同時都會產生 185 及 254 nm波長能量 , 但石英燈罩等級的不同 , 會讓 185 nm 的部分無法穿透出來
1.185 nm 的能量會產生臭氧 O3及自由基 , 高能量的紫外線能氧化有機物 , 可應用在去除有機物的系統上 nm 能打斷較弱的化學鍵 , 能影響DNA及蛋白質的化學鍵 , 殺菌的主要機制是使DNA產生 Thymine dimer . 直接照射微生 物時,有非常好的殺菌效果 .

54 氫氧自由基之循環途徑 2 OH. 氫氧自由基 1.5 O2 UV at 185 nm O3 UV at 254 nm + H2O UV at
O2 + O. 254 nm + H2O H2O2 + O2 185 nm 配合 254 nm 的能量會產生臭氧 O3及自由基 UV at UV at 254 nm 254 nm 2 OH. 氫氧自由基

55 水中有機物之光氧化途徑 CH3OH + 2 OH. HCHO + 2 H2O HCHO + 2 OH. HCOOH + H2O
UV CH3OH + 2 OH HCHO H2O (甲醇) UV HCHO + 2 OH HCOOH + H2O (甲酸) UV HCOOH + 2 OH CO2(aq) + 2 H2O 高能量的紫外線能氧化有機物 , 可應用在去除有機物的系統上 CO2 + H2O H2CO HCO3- + H+

56 UV 應用 ( 一 ) : 降低有機物濃度 Simplicity 185 UV Lamp Stainless Steel Housing ,
with a UV lamp, inside a quartz sleeve , easy to replace Feed water from the bottom, to avoid trapping air bubbles. 185 & 254 nm wavelengths. Drawing by J.F. Pilette 19

57 如換做枯草桿菌(Bacillus Subtilis) :58,000 / 1000 = 58 秒鐘 (< 1 分鐘).
UV 應用 ( 二 ) : 有效抑制微生物生長 各種微生物對UV的耐受程度不同 , 假設一個被E.Coli(大腸桿菌)污染的儲槽(1,000 CFU/ ml) 而紫外殺菌燈距圓形儲槽璧有19公分遠 , 紫外燈在19公分遠處的輻射強度是1000 µW/cm2如欲對大腸桿菌(E. Coli)產生99.9 % 的殺菌效力 , 需要 7,000 µW.sec / cm2 的輻射能量因此 , 紫外燈照明所需時間如下 : ,000 / 1000 = 7 秒鐘 如換做枯草桿菌(Bacillus Subtilis) :58,000 / 1000 = 58 秒鐘 (< 1 分鐘). Without UV Lamp With UV Lamp Bacteria in condensation water droplets above water level Biofilm development below water level

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60 UV 應用 ( 三 ) : 偵測有機物濃度 TOC Monitoring D C Titanium Electrodes Solenoid
185/254 nm UV Lamp Titanium Electrodes Solenoid Valve Thermistor Quartz cell 0.5 ml Conductivity Purge Measure of initial conductivity Oxidation cycle Phase 1 Phase 2 Phase 3 Phase 4 Valve open Valve closed Lamp on Lamp off D C

61 超純水系統 + - + - + - 純水機 儲水桶 超純水機Milli-Q 自來水 排水
Prefilter  深層過濾 Progard 2 – > 深層過濾 + 活性碳 + 軟水劑 RO EDI Air vent  薄膜過濾 + 活性碳 + 吸附CO2 Q gard + Quantum  核子級離子交換樹脂+活性碳 UF UV Milliapk  薄膜過濾 + - 排水 + - 18.2 Megohm.cm超純水之含意僅能代表水中總離子濃度在1 ppb 以下

62 重要用水觀念(1) 愈純的實驗室用水, 愈不宜久放. 因為對18.2 Megohm.cm 之超純水來說,放置一小時之後, 阻抗會下降至4Mohm.cm, pH 則降至5.7左右, 更遑論用水環境及容器所造成的污染 (如空氣中灰塵,接觸容器所產生之溶出物以及儲水桶之微生物污染). 所以現取現用是非常重要的一個觀念.

63 空氣中二氧化碳與純水所產生之化學反應公式
空氣中之二氧化碳 + 純水 = 碳酸 CO2 + H2O H2CO3 H2CO H+ + HCO3- HCO H+ + CO3- 碳酸 氫離子 + 重碳酸根離子 Any water sample exposed to the atmosphere for more then a few minutes will absorb CO2. This must be taken into account when water chemistry is being measured or evaluated. 重碳酸根離子 氫離子 + 碳酸根離子

64 因空氣中二氧化碳溶於超純水而造成水質之劣化
1.從碳酸中解離出之氫離子濃度 [H+] = 2 x 或 pH= 5.7 2.因氫離子及碳酸根離子增加,造成比阻抗值下降至 4 左右. 比阻抗值 (M-cm) 10- 20- 4- 0- 20 40 60 80 100 時間(分鐘)

65 重要用水觀念(2) 比阻抗值僅能用來表示水中離子濃度高低, 與其它污染物之濃度無關.
18.2 Megohm.cm超純水之含意僅能代表水中總離子濃度在1 ppb 以下, 其它污染物需以不同的方法來檢測. 影響實驗結果及再現性的, 絕不僅於離子而已. 舉例來說, 很難想像大量存在在自來水中又很難去除之矽酸鹽, 會對生物性酵素活性有極大的影響,所以美國 National Committee of Clinics and Laboratory Standards 所建議之矽酸鹽濃度需低於 10 ppb,這是眾多需要謹慎處理之水中污染物之一 .

66 以刻意添加有機物(蔗糖) 於純水中,做為Milli-Q之進水後,
其所產製的超純水之水質變化. 20 1200 18 1000 16 800 比阻抗值 14 600 比阻抗值, megohm-cm 有機物 有機物(TOC), ppb 12 400 10 200 8 30 60 90 120 150 180 210 240 用水時間累積 (分鐘)

67 重要用水觀念(3) 儘量避免純水系統中有菌膜(Biofilm)的形成, 因為一旦菌膜形成,除了會造成下列問題外,沒有任何方法可以有效根除.
菌膜會使超純水無法達到ASTM所建議Type 1水質中微生物數(<1cfu/ml)標準,並因其衍生物 (內毒素及Rnase)的產生,影響了細胞培養及其它分生實驗的實驗結果..

68 殺菌處理後的細菌恢復速度 使用合適的殺菌劑及程序 如果,殺完菌但沒有清除biofilm, 對微生物來說,”最好的的食物,就是死掉的微生物”

69 重要用水觀念(4) 取用超純水之環境良窳及容器的好壞對超純水之最終水質表現具有關鍵性影響.
對於操作範圍需在 ppm或ppm以下,但室內灰塵缺乏過濾,空氣對流強烈,容器Rinse不夠徹底,樣本容器不加蓋或密封性不足,容器易有溶出物等問題存在時,應考慮改善.

70 超純水儲存在聚乙烯容器所產生之有機溶出物 < HPLC 之分析結果 >
2 weeks Conditions Water samples: 40ml trace 2.0 ml/min Column: C18 reversed phase (Waters) Gradient: linear 100% water to 100% acetonitrile Wavelength: 254 nm 1 week 1 day 1 hour Control 5 10 15 20 25 Minutes

71 環境污染與實驗室落塵相關性研究 (Studies made on several elements by Laboratoire Interuniversitaire des systèmes atmosphériques in Paris area - Mr J.P. Quisefit ) count ﹕ days 鋅的落塵量在不同地點及不同時間之檢測值(counts)

72 純水之一般性定義 超純水 純水‧ 飲用自來水 無機鹽類 有機物 微生物 懸浮固體 * 大於0.22um之顆粒數應為零
無機鹽類 有機物 微生物 懸浮固體 * 大於0.22um之顆粒數應為零 * us/cm * 18.2Mohm.cm at 25 C * Ions = ppt (10-50 ng/L range) * 3-20ug/L * < 1cfu/ml 超純水 o * us/cm * 1-10Mohm.cm * Ions = ppb (ug/L range ) *50-200ug/L *10-100cfu/ml *需有合 理的過濾處理 純水‧ 飲用自來水 * us/cm * ug/L * mg/L * <100cfu/ml N.A.

73 ASTM 水質標準 Type I Type II Type III 比阻抗值 18.0 1.0 4.0 (Mohm-cm to 25oC)
比阻抗值 (Mohm-cm to 25oC) 總有機碳(TOC) (ppb) 鈉離子最大值(ppb) 氯離子最大值 (ppb) 總矽酸鹽最大值 (ppb) Type A Type B Type C 微生物數最大值 (CFU) /1000 ml /100 ml /10 ml 內毒素 (Eu/ml) < <0.25 N.A. 國內目前並無統一的純水標準 , 此為國際 ASTM 的水質標準 . 分為 type 雖然跟國內大專院校的講法容易混淆 , 也正因此要跟客戶好好教育 純水及水質標準的重要

74 NCCLS/CAP 水質標準 Type I Type II 微生物讀值最大容許量 10 1000 菌落數最大容許值 (CFU/ml)
微生物讀值最大容許量 菌落數最大容許值 (CFU/ml) 比阻抗最低容許值 25 C) 矽酸鹽最大容許值 (mg/L SiO2) 懸浮顆粒 需經過0.22um 濾 膜 N.S. 有機污染物 需經過活性碳(1) N.S. 國際 NCCLS/CAP 的水質標準 N.S. = Not specified (1) Not required by CAP Sources: “Preparation and Testing of Reagent Water in the Clinical Laboratory,” Second Edition, NCCLS Document C3-A2, Vol. 11, No. 13, August 1991. “Reagent Water Specifications,” College of American Pathologists, 1985.

75 傳統去離子水及 蒸餾水系統的探討

76 蒸餾法 蒸餾是自古以來就有的方法，它是利用物質間物理性質（揮發性與沸點）的不同，將含有汙染物質的水汽化後，再加以回收。但是，蒸餾時沸騰的小水珠（water mist：每顆小水珠含有數千至數百萬分子）飛散到上升蒸氣中，會降低蒸餾水的純度。 此外，揮發性高的元素 (Pb、B、Zn) ，以及與水沸點相近有機物及無機物的物質也會與水一起蒸發。還有，流經冷卻器的水分子凝結成水滴時，極容易與實驗室環境的空氣相接觸，會再度吸收空氣中的汙染物質而降低純度。 因此，經過一次蒸餾處理的蒸餾水經常無法滿足各種實驗的要求，需要二次蒸餾或是進一步以離子交換樹脂處理，來改善純度降低的情況。 使用「蒸餾器」時，會由於沸騰激起之小水珠而帶出原水中的汙染物質到冷凝管中再凝結至儲水槽，此外，半開放式冷卻過程也會受到純化時來自環境(空氣、容器)的汙染。並且，蒸餾水的貯存桶一直都有微生物問題，所以需要建立很好的清潔維護 SOP。

77 蒸餾法的優缺點 優點： 缺點： 能夠去除水中各類的污染物質。 純化速度緩慢。
由於原水的小水珠(water mist) 伴隨現象而造成水質劣化。 由於蒸餾環境的汚染所造成的水質劣化。 耗水 , 耗電

78 離子交換樹脂原理

79 傳統去離子水 離子交換樹脂，能夠有效去除無機物質，在使用的初期水質可以達到 10 MΩ‧cm 以上 1. 水質劣化因素 2. 水質的污染
但隨著持續的使用，離子交換樹脂會漸趨飽和，水質因而逐漸劣化。此外，自來水中的有機物質、懸浮顆粒與微生物經常帶有負電荷，會被吸附並形成阻隔性薄膜在陰離子交換樹脂表面上，使樹脂的去除能力劣化。 2. 水質的污染 此外，離子交換樹脂本身也是有機物質，使用中會受到氧化分解、機械性破裂、擔體流出而造成有機物質的溶出。 帶有電荷的有機物質也會受到離子交換樹脂的吸附，使離子交換樹脂很容易受到有機物質的汙染 (Fouling)。而有些微生物由於菌體表面帶著負電，也會被陽離子交換樹脂所吸附，樹脂表面因而成為微生物的繁殖場地，造成純水的汙染。在此同時，微生物所產生的代謝產物也會成為有機物質的汙染來源。這些都是使用離子交換樹脂時，引發水質劣化而不可不注意的地方。 3. 再生過程的污染 通常失去離子去除能力（飽和）的離子交換樹脂，雖然可以經由酸鹼藥劑的作用來再生，達到重複使用的目的，但若因為有機物質的吸附（汙染）而造成效率不好時，樹脂的去除性能就會降低。此外，依再生用化學藥劑的品質不同也會有離子交換樹脂本身被汙染的風險。因此，超純水系統所使用的離子交換樹脂幾乎是不能進行再生處理的。

80 傳統去離子水的優缺點 優點： 缺點： 無機離子的去除能力優良。 具再生能力，且裝置簡單。 純化（交換）容量有一定的限制、 水質會起伏。
樹脂會有有機物溶出的情形。 樹脂表面會有微生物的増殖。 樹脂的崩解碎片等會造成水中顆粒的増加。 樹脂的再生過程較麻煩。

81 (離子交換樹脂vs.蒸餾 vs.逆滲透vs.EDI)
各種純化方法及其水質上的比較 (離子交換樹脂vs.蒸餾 vs.逆滲透vs.EDI) 純水裝置 純化方法 比抵抗 MΩ･cm (25℃) TOC ppb 微生物 離子交換樹脂 離子交換樹脂法 1～10 300～600 非常多(桶內的 微生物増殖) 蒸餾器 蒸餾法 0.5～0.8 200～300 少 蒸餾+離子交換樹脂法 150～200 多 離子交換樹脂+蒸餾法 0.5～1 逆滲透純水系統 逆滲透法(RO) 0.3～0.5 100～150 RO+離子交換樹脂法 EDI 純水裝置 RO+EDI連續離子交換法 15 100 非常少(通電會 抑制繁殖)

82 Questions & Suggestion Thank you !!