高校實驗用純水系統(tǒng)設(shè)計

　　高校實驗用純水系統(tǒng)的設(shè)計質(zhì)量，是保障相關(guān)學科門類科學研究和實驗教學效果的重要基礎(chǔ)條件之一。為了針對性地設(shè)計滿足高校自身教學科研需求的純水系統(tǒng)，實驗室管理單位需要從技術(shù)和管理上對純水系統(tǒng)進行規(guī)劃與建設(shè)。

　　本文首先以純水系統(tǒng)的設(shè)計特征為切入點，分析高校純水系統(tǒng)典型特征; 從主機和管網(wǎng)兩個角度分析高校實驗用純水系統(tǒng)的一般構(gòu)成，并分別給出典型范例; 最后對高校實驗用純水主機系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)管網(wǎng)設(shè)計展開規(guī)范性研究。

　　高校實驗用純水系統(tǒng)特征

　　高校實驗用純水系統(tǒng)的特點與工業(yè)用純水系統(tǒng)、醫(yī)療用純水系統(tǒng)、民用純水系統(tǒng)等的要求有所區(qū)別。本文首先從使用功能、技術(shù)要求特征兩個方面對其進行討論。

　　使用功能特征

　　高校實驗用純水與其它純水在功能定位有所不同。前者使用人群更為廣泛，應用領(lǐng)域更為多樣。在高校內(nèi)純水使用的人群主要分為教師和學生兩類，二者在科研領(lǐng)域使用的純水純化級別要求較高，一般為一級純水。而在教學領(lǐng)域使用的純水往往級別要求相對較低，一般為三級純水即可。應用范圍主要分為化驗分析、生物培養(yǎng)、表面清洗、實驗動物(SPF級別及以上) 飼養(yǎng)、基礎(chǔ)驗證性實驗等。

　　一般情況下化驗分析、生物培養(yǎng)、實驗動物(SPF級別及以上) 飼養(yǎng)對純水純化級別的要求要高于表面清洗、基礎(chǔ)驗證性實驗等。因此針對不同使用人群和應用范圍，純水系統(tǒng)的設(shè)計方案要精準，不能一概而論，否則會直接影響純水系統(tǒng)最終的使用效果。

　　1. 2 技術(shù)要求特征

　　高校實驗用純水系統(tǒng)從技術(shù)參數(shù)來看，一般情況下其低于醫(yī)療用( 透析) 純水系統(tǒng)要求，而高于民用純水系統(tǒng)要求。高校實驗用純水系統(tǒng)的特殊性主要表現(xiàn)在5個方面: 終端產(chǎn)水品質(zhì)參數(shù)、純水預處理系統(tǒng)參數(shù)、終端取水方式、純水管網(wǎng)材質(zhì)、系統(tǒng)整機產(chǎn)水能力。

　　具體而言: 產(chǎn)水終端產(chǎn)出純水的品質(zhì)參數(shù)( 電導率、比阻率、可氧化物、吸光度、可溶性硅含量等) 需要滿足中國國家實驗室分析用水標準 (GB/T6682-2008) 要求; 純水預處理系統(tǒng)應當重點關(guān)注水的濁度范圍、污染指數(shù)(SDI) 、余氯量等; 終端取水方式結(jié)合高校自身教學科研使用特點及后期管理，一般情況下教學用途采用直接取水方式，科研用途采用刷卡取水方式;

 　　純水管網(wǎng)材質(zhì)根據(jù)純水使用領(lǐng)域及終端產(chǎn)水品質(zhì)要求可以動態(tài)選擇，但為了保障純水系統(tǒng)的長期使用效果，建議選用UPVC或316及以上標號的不銹鋼材質(zhì)管網(wǎng); 系統(tǒng)整機產(chǎn)水能力的確定應當考慮高校自身教學和科研的發(fā)展速度，在現(xiàn)有用水量的基礎(chǔ)上預留一定擴容能力。通過以上5個方面的技術(shù)特性描述，高校實驗用純水系統(tǒng)能夠得到客觀且有效的表達。

　　2 高校實驗用純水系統(tǒng)的一般構(gòu)成

　　2. 1 高校純水主機系統(tǒng)的一般構(gòu)成高校實驗用純水系統(tǒng)主機部分的構(gòu)成要符合高校自身發(fā)展特點，不能一味追求高參數(shù)，而應當綜合考慮后期運行成本、應急保障處理、系統(tǒng)及管網(wǎng)清洗是否方便等方面的問題。

　　高校純水系統(tǒng)主機部分一般包含5個主要組成部分: 自來水預處理系統(tǒng)、反滲透單元、電去離子(Electro deionization，簡稱EDI) 處理單元、后級純化滅菌處理單元、整機控制單元。當然隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，系統(tǒng)的構(gòu)成可能會出現(xiàn)技術(shù)性變動。

　　(1) 自來水預處理單元。去除水中一些較粗的雜質(zhì)、懸浮物、異味、余氯、有機物等。目前國內(nèi)大部分高校純水系統(tǒng)一般采用機械過濾、活性炭過濾和吸附的方法實現(xiàn)。

　　(2) 反滲透單元。能夠精密地濾除水中的細菌、病毒、金屬離子、鹽類、農(nóng)藥及各種致癌物質(zhì)。這一技術(shù)是目前應用范圍十分廣泛的水處理工藝，由于高?？蒲袑嶒? 如: 液相色譜)及部分教學實驗(如:化學儀器分析) 會對水中的離子種類有很高要求，因此這一技術(shù)的采用能夠滿足實驗對純水品質(zhì)的需求。

　　同時，根據(jù)應用領(lǐng)域的不同，可以自由選擇一級反滲透、兩級反滲透、反滲透加純化柱等方式，以達到更高的純水離子含量潔凈等級。

　　(3) EDI處理單元。是一種電滲析和離子交換結(jié)合的除鹽工藝，通過離子交換樹脂和選擇性離子膜達到高效脫鹽的效果，其與反滲透單元共同使用，可以將純水電阻值提升至10～15MΩ。同時，隨著技術(shù)的進步，部分高校已經(jīng)逐漸采用連續(xù)電去離子處理單元( Continuous electro deionization，簡稱CDI)代替EDI處理單元。CDI處理單元利用電容器的結(jié)構(gòu)與充放電原理，以靜電吸附，對水質(zhì)進行凈化處理。

　　(4) 后級純化滅菌處理單元。根據(jù)實際使用情況，一般采用UV紫外燈滅菌、0. 1μm 超濾濾芯過濾、水箱臭氧滅菌的形式，去除水中的細菌、熱源、膠體、微生物、蛋白質(zhì)。

　　(5) 整機控制單元。主要對系統(tǒng)主機進行智能控制。具體構(gòu)成示意，如圖1所示

　　　純水系統(tǒng)產(chǎn)水等級的優(yōu)劣不僅僅由主機決定，系統(tǒng)送水管網(wǎng)的合理設(shè)計與材質(zhì)選型也對純水終端出水等級起著至關(guān)重要的作用。錯誤的管網(wǎng)設(shè)計方式會使得高品質(zhì)的純水在輸送過程中被二次污染，如:

　　細菌滋長、生物膜增長、逆向污染、溶出物污染、腐蝕等，造成較大純水品質(zhì)損失。這不僅會對教學科研效果產(chǎn)生影響，同時也增加了后期的維護及耗材成本。因此純水管網(wǎng)設(shè)計必須結(jié)合取水點和后期管理方式，進行整體考慮。

　　3 高校實驗用純水系統(tǒng)設(shè)計

　　3. 1 高校實驗用純水主機系統(tǒng)設(shè)計范式的討論高校實驗用純水主機系統(tǒng)設(shè)計范式的討論主要包含兩個層面，①主機系統(tǒng)應用; ②主機系統(tǒng)實施。(1)主機系統(tǒng)應用。①純水主機系統(tǒng)終端出水等級; ②純水主機系統(tǒng)后期運行成本; ③純水主機系統(tǒng)增壓揚程是否滿足樓層高度要求。純水主機系統(tǒng)終端出水等級。

　　純水系統(tǒng)終端出水等級的選取并不是越高越好，其要與實際需求相匹配否則不僅僅前期經(jīng)費投入較大，同時后期的維護和耗材成本也會隨之增加。根據(jù)我校多年純水系統(tǒng)建設(shè)實踐經(jīng)驗以及其他院校的使用情況，研究認為高?？蒲杏眉兯话憧梢赃x用滿足《GB/T6682-2008》國家實驗室一級水標準的純水; 高?；窘虒W實驗用純水一般可以選用滿《GB/T6682-2008》國家實驗室三級水標準的純水。

　　純水主機系統(tǒng)后期運行成本。

　　純水系統(tǒng)后期耗材主要包含精密濾芯、反滲透膜、純化柱等。純水系統(tǒng)的設(shè)計方案必須與終端純水等級要求高度匹配，如果在系統(tǒng)設(shè)計時不考慮后期的運行成本，雖然采用技術(shù)手段最終可以解決設(shè)計方案與終端純水等級要求不匹配的問題，但這會給后期的系統(tǒng)運行帶來較大經(jīng)費負擔。

　　如，系統(tǒng)設(shè)計( 三級純水) 與終端用水( 一級純水) 等級要求不匹配，雖然可用通過增加純化柱的方式，強行將純水等級提高，但是這樣也造成了非常大的耗材支出。純水主機系統(tǒng)增壓揚程是否滿足樓層高度要求。這一問題雖然十分具體，但是會直接影響系統(tǒng)的運行效果。

　　系統(tǒng)增壓揚程的穩(wěn)定性是純水系統(tǒng)運行效率的重要保證，如果其揚程不能滿足樓層高度則會出現(xiàn)終端純水水量較小或斷水的現(xiàn)象，不僅影響了純水系統(tǒng)的正常運行，出現(xiàn)因回流較小而導致的系統(tǒng)頻繁停機，同時也影響了科研和教學實驗的正常開展。

　　純水系統(tǒng)源水壓力是否穩(wěn)定。純水系統(tǒng)的主機送水方式有兩種，①從低層輸送至高層，然后由高層回流至低層; ②從高層流至低層，然后由低層輸送至高層。無論哪種送水方式，源水壓力都是系統(tǒng)運行的重要保證。若主機送水采用第 1種方式( 即純水主機放在低樓層) ，則不需要設(shè)計專用的生活用水增壓泵。

　　若主機送水采用第2種方式( 即純水主機放在高樓層) ，則需要設(shè)計專用的生活用水增壓泵。但無論采用何種供水方式，都需要特別注意，純水系統(tǒng)進水最好設(shè)計單獨的分支管路進行供水，否則很可能會因“其它用水分壓”而造成純水系統(tǒng)水壓不穩(wěn)，頻繁停機。

　　純水系統(tǒng)( 包含出水終端刷卡取水設(shè)備) 供電是否滿足要求。純水系統(tǒng)主機一般供電要求為380V三相電源(波動不大于10% ) ，單臺主機功率各有不同，因此配套電源的設(shè)計必須能夠滿足主機要求。