一般水處理方法及原理
常用的水處理方法有：(一)沉淀物過濾法、(二)硬水軟化法、(三)活性炭吸附法、(四)去離子法、(五)逆滲透法、(六)超過濾法、(七)蒸餾法、(八)紫外線消毒法等，現(xiàn)在將這些處理法之原理及功能在此一一說明。?
??? 一、沉淀物過濾法:沉淀物過濾法的目的是將水源內(nèi)之懸浮顆粒物質(zhì)或膠體物質(zhì)清除乾凈。這些顆粒物質(zhì)如果沒有清除，會對透析用水其它精密的過濾膜造成破壞或甚至水路的阻塞。這是最古老且最簡單的凈水法，所以這個(gè)步驟常用在水純化的初步處理，或有必要時(shí)，在管路中也會多加入幾個(gè)濾器(filter)以清除體積較大的雜質(zhì)。濾過懸浮的顆粒物質(zhì)所使用的濾器種類很多，例如網(wǎng)狀濾器，沙狀濾器(如石英沙等)或膜狀濾器等。只要顆粒大小大於這些孔洞之大小，就會被阻擋下來。對於溶解於水中的離子，就無法阻攔下來。如果濾器太久沒有更換或清洗，堆積在濾器上的顆粒物質(zhì)會愈來愈多，則水流量及水壓會逐漸減少。人們就是利用入水壓與出水壓差來判斷濾器被阻塞的程度。因此濾器要定時(shí)逆沖以排除堆積其上的雜質(zhì)，同時(shí)也要在固定時(shí)間內(nèi)更換濾器。
??? 沉淀物過濾法還有一個(gè)問題值得注意，因?yàn)轭w粒物質(zhì)不斷被阻攔而堆積下來，這些物質(zhì) 面或許有細(xì)菌在此繁殖，并釋放毒性物質(zhì)通過濾器，造成熱原反應(yīng)，所以要經(jīng)常更換濾器，原則上進(jìn)水與出水的壓力落差升高達(dá)到原先的五倍時(shí)，就需要換掉濾器。?
??? 二、硬水軟化法: 硬水的軟化需使用離子交換法，它的目的是利用陽離子交換樹脂以鈉離子來交換硬水中的鈣與鎂離子，*此來降低水源內(nèi)之鈣鎂離子的濃度。其軟化的反應(yīng)式如下:
Ca2++2Na-EX→Ca-EX2+2Na+1
Mg2++2Na-EX→Mg-EX2+2Na+1
式中的EX表示離子交換樹脂，這些離子交換樹脂結(jié)合了Ca2+及Mg2+之后，將原本含在其內(nèi)的Na+離子釋放出來。
??? 現(xiàn)在市面上出售的離子交換樹脂為球狀的合成有機(jī)物高分子電解質(zhì)。樹脂基質(zhì)(resin matrix)內(nèi)藏氯化鈉，在硬水軟化的過程中，鈉離子會逐漸被使用耗盡，則交換樹脂的軟化效果也會逐漸降低，這時(shí)需要作還原(regeneration)的工作，也就是每隔固定時(shí)間加入特定濃度的鹽水，一般是10%，其反應(yīng)方式如下:
Ca-EX2+2Na+ (濃鹽水)→ 2Na-EX+Ca2+
Mg-EX2+2Na+ (濃鹽水)→ 2Na-EX+Mg2+
??? 如果水處理的過程中沒有陽離子的軟化，不只是逆滲透膜上會有鈣鎂體的沉積以致降低功效甚至破壞逆滲透膜，同時(shí)病人也容易得到硬水癥候群。硬水軟化器也會引起細(xì)菌繁殖的問題，所以設(shè)備上需要有逆沖的功能，一段時(shí)間后就要逆沖一次以防止太多雜質(zhì)吸附其上。另一個(gè)值得注意問題的是高血鈉癥，因?yàn)橥肝鲇盟能浕c再還原過程是*計(jì)時(shí)器來控制，正常情況還原作用大多發(fā)生在半夜，這是*閥門在控制，如果發(fā)生故障，大量鹽水就會涌進(jìn)水源，進(jìn)而造成病人的高血鈉癥。
三、活性碳: 活性碳是由木頭，殘木屑，水果核，椰子殼，煤炭或石油底渣等物質(zhì)在高溫下乾餾炭化而成，制成后還需以熱空氣或水蒸氣加以活化。它的主要作用是清除氯與氯氨以及其它分子量在60到300道爾頓的溶解性有機(jī)物質(zhì)。活性碳的表面呈顆粒狀，內(nèi)部是多孔的，孔內(nèi)有許多約1Onm~lA大小的毛細(xì)管,1g的活性碳內(nèi)部表面積高達(dá)700-1400m2，而這些毛細(xì)管內(nèi)表面及顆粒表面就是吸附作用之所在。影響活性碳清除有機(jī)物能力的因素有活性碳本身的面積，孔洞大小以及被清除有機(jī)物的分子量及其極性(Polarity)，它主要*物理的吸附能力來排除雜物，當(dāng)吸附能力達(dá)飽合之后，吸附過多的雜質(zhì)就會掉落下來污染下游的水質(zhì)，所以必須定時(shí)利用逆沖的方式來清除吸附其上的雜質(zhì)。
??? 這種活性碳濾器如果吸附能力明顯下降，必須更新。測定進(jìn)水及出水的TOC濃度差(或細(xì)菌數(shù)量差)是考量更換活性碳的依據(jù)之一。有些逆滲透膜對氯的耐受性不佳，所以在逆滲透之前要有活性碳的處理，使氯能夠有效的被活性炭吸附，但是活性碳上的孔洞吸附的細(xì)菌容易繁殖滋長，同時(shí)對於分子較大有機(jī)物的清除，活性碳的功效有限，所以必須*逆滲透膜在后面補(bǔ)強(qiáng)。
四、去離子法: 去離子法的目的是將溶解於水中的無機(jī)離子排除，與硬水軟化器一樣，也是利用離子交換樹脂的原理。在這 使用兩種樹脂-陽離子交換樹脂與陰離子交換樹脂。陽離子交換樹脂利用氫離子(H+)來交換陽離子;而陰離子交換樹脂則利用氫氧根離子(OH-)來交換陰離子，氫離子與氫氧根離子互相結(jié)合成中性水，其反應(yīng)方程式如下:
M+x+xH-Re→M-M-Rex+xH+1
A-z+zOH-Re→A-Rez+zOH-1
??? 上式中的的M+x表陽離子，x表電價(jià)數(shù)，M+x陽離子與陽離子樹脂上H-Re的氫離子交換，A-z則表陰離子，z表電價(jià)數(shù)，A-z與陰離子交換樹脂結(jié)合后，釋放出OH-離子。H+離子與OH-離子結(jié)合后即成中性的水。
??? 這些樹脂之吸附能力耗盡之后也需要再還原，陽離子交換樹脂需要強(qiáng)酸來還原;相反的，陰離子則需要強(qiáng)堿來還原。陽離子交換樹脂對各種陽離子的吸附力有所差異，它們的強(qiáng)弱程度及相對關(guān)系如下:
Ba2+>Pb2+>Sr2+>Ca2+>Ni2+>Cd2+>CU2+>Co2+>Zn2+>Mg2+>Ag1+>Cs1+>K1+>NH41+>Na1+>H1+
陰離子交換樹脂與各陰離子的親合力強(qiáng)度如下:
S02-4+>I->NO3->NO2->Cl->HCO3->OH->F-
?? 如果陰離子交換樹脂消耗殆盡而沒有還原，則吸附力最弱的氟就會逐漸出現(xiàn)在透析用水中，造成軟骨病，骨質(zhì)疏松癥及其它骨病變;如果陽離子交換樹脂消耗盡了，氫離子也會出現(xiàn)在透析用水之中，造成水質(zhì)酸性的增加，所以去離子功能是否有效，需要時(shí)常監(jiān)視。一般是*水質(zhì)的電阻系數(shù)(resistivity)或傳導(dǎo)度(conductivity)來判斷。去離子法所使用的離子交換樹脂同樣也會造成細(xì)菌的繁殖引起菌血癥，這是值得注意的一點(diǎn)。
五、逆滲透法: 逆滲透法可以有效的清除溶解於水中的無機(jī)物，有機(jī)物，細(xì)菌，熱原及其它顆粒等，是透析用水之處理中最重要的一環(huán)。要了解"逆滲透"原理之前，要先解釋"滲透(osmosis)的觀念。所謂滲透是指以半透膜隔開兩種不同濃度的溶液，其中溶質(zhì)不能透過半透膜，則濃度較低的一方水分子會通過半透膜到達(dá)濃度較高的另一方，直到兩側(cè)的濃度相等為止。在還沒達(dá)到平衡之前，可以在濃度較高的一方逐漸施加壓力，則前述之水分子移動(dòng)狀態(tài)會暫時(shí)停止，此時(shí)所需的壓力叫作 "滲透壓 (osmotic pressure)"，如果施加的力量大於滲透壓時(shí)，則水份的移動(dòng)會反方向而行，也就是從高濃度的一例流向低濃度的一方，這種現(xiàn)象就叫作"逆滲透"。逆滲透的純化效果可以達(dá)到離子的層面，對於單價(jià)離于(monovalent ions)的排除率(rejection rate)可達(dá)90%-98%，而雙價(jià)離子(divalent ions)可達(dá)95%-99%左右(可以防止分子量大於200道爾敦的物質(zhì)通過)。
??? 逆滲透水處理常用的半透膜材質(zhì)有纖維質(zhì)膜(cellulosic)，芳香族聚醞胺類(aromatic polyamides)，polyimide或polyfuranes等，至於它的結(jié)構(gòu)形狀有螺旋型(spiral wound)，空心纖維型(hollow fiber)及管狀型(tubular)等。至於這些材質(zhì)中纖維素膜的優(yōu)點(diǎn)是耐氯性高，但在堿性的條件下(pH ≥8.0)或細(xì)菌存在的狀況下，使用壽命會縮短。polyamide的缺點(diǎn)是對氯及氯氨之耐受性差。至於采用那一種材質(zhì)較好，則目前還沒有定論。
??? 如果逆滲透前沒有作好前置處理則滲透膜上容易有污物堆積，例如鈣，鎂，鐵等離子，造成逆滲透功能的下降;有些膜(如polyamide)容易被氯與氯氨所破壞，因此在逆滲透膜之前要有活性碳及軟化器等前置處理。逆滲透雖然價(jià)錢較高，因?yàn)橐话隳鏉B透膜的孔徑約在l0A以下，它可以排除細(xì)菌，病毒及熱原甚至各種溶解性離子等，所以在準(zhǔn)備血液透析析釋用水最好準(zhǔn)備這一道步驟。
六、超過濾法:超過濾法與逆滲透法類似，也是使用半透膜，但它無法控制離子的清除，因?yàn)槟ぶ讖捷^大，約10-200A之間。只能排除細(xì)菌，病毒，熱原及顆粒狀物等，對水溶性離子則無法濾過。超過濾法主要的作用是充當(dāng)逆滲透法的前置處理以防止逆滲透膜被細(xì)菌污染。它也可用在水處理的最后步驟以防止上游的水在管路中被細(xì)菌污染。一般是利用進(jìn)水壓與出水壓差來判斷超過濾膜是否有效，與活性碳類似，平時(shí)是以逆沖法來清除附著其上的雜質(zhì)。
七、蒸餾法: 蒸餾法是古老卻也是有效的水處理法，它可以清除任何不可揮發(fā)性的雜質(zhì)，但是無法排除可揮發(fā)性的污染物，它需要很大的儲水槽來存放，這個(gè)儲水槽與輸送管卻是造成污染的重要原因，目前血液透析用水不用這種方式來處理。
八、紫外線消毒法:紫外線消毒法是目前常使用的方法之一，它的殺菌機(jī)轉(zhuǎn)是破壞細(xì)菌核酸的生命遺傳物質(zhì)，使其無法繁殖，其中最重大的反應(yīng)是核酸分子內(nèi)的pyrimidine鹽基變成雙合體(dimer)。一般是使用低壓水銀放電燈的人工253.7nm波長的紫外線能量。紫外線殺菌燈的原理與日光燈相同，只是燈管內(nèi)部不涂螢光物質(zhì)，燈管的材質(zhì)是采用紫外線穿透率高的石英玻璃。一般紫外線裝置依用途分照射型，浸泡型及流水型。
??? 在血液透析稀釋用水所使用的紫外線是安放在儲水槽到透析機(jī)器之間的管路上，也就是所有的透析用水在使用之前都要接受一次紫外線的照射，以達(dá)到徹底殺菌的效果。對紫外線的感受性最大的是綠膿 菌，大腸 菌;相反的，耐受性較大的則是枯草菌芽胞體。因?yàn)樽贤饩€消毒法安全，經(jīng)濟(jì)，對菌種的選擇性少，水質(zhì)也不會改變，所以近年已廣泛使用這種方法，例如船上的飲用水就常使用這種消毒法