纯水系统技术工艺中的脱气环节详解

接下来，我们将深入探讨纯水系统中的脱气技术，包括除碳塔和脱气膜的应用及其工作原理。

脱气工艺详解

在纯水制备过程中，溶解的二氧化碳和溶解氧是两大关键影响因素。二氧化碳的存在会通过碳酸盐平衡影响产水的电导率，并可能导致难溶盐结构问题。而溶解氧则受到半导体超纯水行业严格标准的制约。

溶解二氧化碳对纯水系统的影响不容忽视。这种气体在水中以COHCO3(-)、CO3(2-)三种形态存在，其动态平衡受到pH值的影响。当pH值低于4时，水中的CO3(2-)和HCO3(-)会全部转化为CO2，以气体形式逸出。随着pH值的升高，平衡会向不同方向移动，影响水中碳酸化合物的形态和浓度。这些变化不仅会影响纯水的电导率和除盐率，还可能因为碳酸盐的结垢问题而损害系统的极限回收率。

对于不含碳酸根及碳酸氢根离子的原水，溶解态的二氧化碳主要来源于空气中的二氧化碳。这种溶解态二氧化碳的浓度约为45mg/L(ppm)，其存在形态和浓度会受到水中pH值的影响，从而进一步影响纯水系统的稳定性和性能。

常温（25℃）一个大气压下，当二氧化碳在水中达到饱和状态，其电离常数Ka为310(-7)。此时，二氧化碳的溶解度为145mg，对应的水中浓度约为033mol/L。根据亨利定律，水中气体的溶解度与其在溶液表面的分压成正比。鉴于CO2在空气中的占比约为031%，因此，由此形成的溶解态二氧化碳浓度计算为033031%*44=45ppm。

此外，碳酸盐的平衡体系在纯水制备过程中显得尤为关键。随着水质要求的不断提高，这一平衡体系的影响也日益凸显。尽管氧气的化学性质相对稳定，且一般的纯水制备工艺对其影响较小，但在半导体行业，特别是超大型集成电路的制造过程中，溶解氧可能导致的二氧化硅薄膜生长、互联线路腐蚀以及微生物滋生等问题已不容忽视。因此，对这些工艺中溶解氧浓度的控制已达到了ppb级别，即1ppm等于1000ppb或1000μg/L。

表内标横绿线项为溶解氧指标随着纯水制备技术的不断进步，各种脱气工艺也相继发展，包括热力脱气、鼓风脱气、真空脱气以及新兴的膜脱气等。热力脱气，主要通过加热方式去除给水中的溶解气体，特别是在锅炉和电力系统中应用广泛。鼓风脱气，则常用于传统的二床三塔工艺中的除碳塔，通过鼓风方式有效去除水质中的游离二氧化碳。而真空脱气和膜脱气，则更多地应用于反渗透工艺之后的脱氧除碳环节。

在诸多脱气工艺中，热力脱气以其独特原理备受瞩目。它利用气体在水中溶解度随温度升高而降低的特性，通过加热使水温达到100℃，从而降低空气分压，使溶解气体量降至零。鼓风脱气方面，除碳器设备通过逆向穿透填料层的方式，有效促使水中游离二氧化碳解析进入空气，达到除碳目的。此外，二床三塔工艺中的阳离子交换器使得原水呈酸性，进一步利于CO2气体逸出，同时减轻了阴床的处理负担。然而，鼓风脱气在去除二氧化碳的同时，也会不可避免地增加溶解氧的浓度。随着反渗透工艺在纯水制备中的优势日益凸显，传统的除碳塔工艺已逐渐被淘汰。

真空脱气机的工作原理

真空脱气机遵循亨利定律，该定律指出气体在水中的溶解度与水温及压力相关。在特定温度下，气体的溶解度随压力的增加而增加；而在一定压力下，水温升高会导致气体溶解度降低。通过降低水面压力，可以在较低水温下使溶于水中的气体释放，从而实现脱气目的。真空脱气机通过产生真空，促使水中的游离气体和溶解气体排出，经过自动排气阀后，脱气水再循环回系统。这种低含气量的水具有高度吸收性，能吸收系统中的气体，达到气水平衡。每20~30秒，该过程会重复一次，持续循环，有效去除系统中的大部分气体。

膜脱气技术

超纯水设备采用的膜脱气工艺结合了膜分离与真空脱气的原理，旨在去除水中的二氧化碳和氧气。脱气膜内含有大量中空纤维，纤维壁上的微小孔隙允许气体分子通过而阻止水分子通过。在一定的压力下，水流经中空纤维内部，而外部则在真空泵作用下形成负压，使气体从水中穿过纤维壁向外逸出。这种技术扩大了气液界面面积，从而加快了脱气速度。膜脱气装置的脱气效率高达99%，出水中的二氧化碳和氧气浓度可降至2ppb以下。在超纯水生产工艺中，脱气膜通常置于二级RO与EDI之间，用于去除水中溶解的CO2，提高EDI的产水质量。