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高校实验用纯水系统设计

  高校实验用纯水系统的设计质量,是保障相关学科门类科学研究和实验教学效果的重要基础条件之一。为了针对性地设计满足高校自身教学科研需求的纯水系统,实验室管理单位需要从技术和管理上对纯水系统进行规划与建设。

  本文首先以纯水系统的设计特征为切入点,分析高校纯水系统典型特征; 从主机和管网两个角度分析高校实验用纯水系统的一般构成,并分别给出典型范例; 最后对高校实验用纯水主机系统设计、系统管网设计展开规范性研究。

 

  高校实验用纯水系统特征

  高校实验用纯水系统的特点与工业用纯水系统、医疗用纯水系统、民用纯水系统等的要求有所区别。本文首先从使用功能、技术要求特征两个方面对其进行讨论。

  使用功能特征

  高校实验用纯水与其它纯水在功能定位有所不同。前者使用人群更为广泛,应用领域更为多样。在高校内纯水使用的人群主要分为教师和学生两类,二者在科研领域使用的纯水纯化级别要求较高,一般为一级纯水。而在教学领域使用的纯水往往级别要求相对较低,一般为三级纯水即可。应用范围主要分为化验分析、生物培养、表面清洗、实验动物(SPF级别及以上) 饲养、基础验证性实验等。

  一般情况下化验分析、生物培养、实验动物(SPF级别及以上) 饲养对纯水纯化级别的要求要高于表面清洗、基础验证性实验等。因此针对不同使用人群和应用范围,纯水系统的设计方案要精准,不能一概而论,否则会直接影响纯水系统最终的使用效果。

  1. 2 技术要求特征

  高校实验用纯水系统从技术参数来看,一般情况下其低于医疗用( 透析) 纯水系统要求,而高于民用纯水系统要求。高校实验用纯水系统的特殊性主要表现在5个方面: 终端产水品质参数、纯水预处理系统参数、终端取水方式、纯水管网材质、系统整机产水能力。

  具体而言: 产水终端产出纯水的品质参数( 电导率、比阻率、可氧化物、吸光度、可溶性硅含量等) 需要满足中国国家实验室分析用水标准 (GB/T6682-2008) 要求; 纯水预处理系统应当重点关注水的浊度范围、污染指数(SDI) 、余氯量等; 终端取水方式结合高校自身教学科研使用特点及后期管理,一般情况下教学用途采用直接取水方式,科研用途采用刷卡取水方式;

   纯水管网材质根据纯水使用领域及终端产水品质要求可以动态选择,但为了保障纯水系统的长期使用效果,建议选用UPVC或316及以上标号的不锈钢材质管网; 系统整机产水能力的确定应当考虑高校自身教学和科研的发展速度,在现有用水量的基础上预留一定扩容能力。通过以上5个方面的技术特性描述,高校实验用纯水系统能够得到客观且有效的表达。

 

  2 高校实验用纯水系统的一般构成

  2. 1 高校纯水主机系统的一般构成高校实验用纯水系统主机部分的构成要符合高校自身发展特点,不能一味追求高参数,而应当综合考虑后期运行成本、应急保障处理、系统及管网清洗是否方便等方面的问题。

  高校纯水系统主机部分一般包含5个主要组成部分: 自来水预处理系统、反渗透单元、电去离子(Electro deionization,简称EDI) 处理单元、后级纯化灭菌处理单元、整机控制单元。当然随着技术的不断发展,系统的构成可能会出现技术性变动。

  (1) 自来水预处理单元。去除水中一些较粗的杂质、悬浮物、异味、余氯、有机物等。目前国内大部分高校纯水系统一般采用机械过滤、活性炭过滤和吸附的方法实现。

  (2) 反渗透单元。能够精密地滤除水中的细菌、病毒、金属离子、盐类、农药及各种致癌物质。这一技术是目前应用范围十分广泛的水处理工艺,由于高校科研实验( 如: 液相色谱)及部分教学实验(如:化学仪器分析) 会对水中的离子种类有很高要求,因此这一技术的采用能够满足实验对纯水品质的需求。

  同时,根据应用领域的不同,可以自由选择一级反渗透、两级反渗透、反渗透加纯化柱等方式,以达到更高的纯水离子含量洁净等级。

  (3) EDI处理单元。是一种电渗析和离子交换结合的除盐工艺,通过离子交换树脂和选择性离子膜达到高效脱盐的效果,其与反渗透单元共同使用,可以将纯水电阻值提升至10~15MΩ。同时,随着技术的进步,部分高校已经逐渐采用连续电去离子处理单元( Continuous electro deionization,简称CDI)代替EDI处理单元。CDI处理单元利用电容器的结构与充放电原理,以静电吸附,对水质进行净化处理。

  (4) 后级纯化灭菌处理单元。根据实际使用情况,一般采用UV紫外灯灭菌、0。 1μm 超滤滤芯过滤、水箱臭氧灭菌的形式,去除水中的细菌、热源、胶体、微生物、蛋白质。

  (5) 整机控制单元。主要对系统主机进行智能控制。具体构成示意,如图1所示

 

高校纯水机系统构成示意图.png

 

   纯水系统产水等级的优劣不仅仅由主机决定,系统送水管网的合理设计与材质选型也对纯水终端出水等级起着至关重要的作用。错误的管网设计方式会使得高品质的纯水在输送过程中被二次污染,如:

  细菌滋长、生物膜增长、逆向污染、溶出物污染、腐蚀等,造成较大纯水品质损失。这不仅会对教学科研效果产生影响,同时也增加了后期的维护及耗材成本。因此纯水管网设计必须结合取水点和后期管理方式,进行整体考虑。

 

  3 高校实验用纯水系统设计

  3. 1 高校实验用纯水主机系统设计范式的讨论高校实验用纯水主机系统设计范式的讨论主要包含两个层面,①主机系统应用; ②主机系统实施。(1)主机系统应用。①纯水主机系统终端出水等级; ②纯水主机系统后期运行成本; ③纯水主机系统增压扬程是否满足楼层高度要求。纯水主机系统终端出水等级。

  纯水系统终端出水等级的选取并不是越高越好,其要与实际需求相匹配否则不仅仅前期经费投入较大,同时后期的维护和耗材成本也会随之增加。根据我校多年纯水系统建设实践经验以及其他院校的使用情况,研究认为高校科研用纯水一般可以选用满足《GB/T6682-2008》国家实验室一级水标准的纯水; 高校基本教学实验用纯水一般可以选用满《GB/T6682-2008》国家实验室三级水标准的纯水。

 

  纯水主机系统后期运行成本。

  纯水系统后期耗材主要包含精密滤芯、反渗透膜、纯化柱等。纯水系统的设计方案必须与终端纯水等级要求高度匹配,如果在系统设计时不考虑后期的运行成本,虽然采用技术手段最终可以解决设计方案与终端纯水等级要求不匹配的问题,但这会给后期的系统运行带来较大经费负担。

  如,系统设计( 三级纯水) 与终端用水( 一级纯水) 等级要求不匹配,虽然可用通过增加纯化柱的方式,强行将纯水等级提高,但是这样也造成了非常大的耗材支出。纯水主机系统增压扬程是否满足楼层高度要求。这一问题虽然十分具体,但是会直接影响系统的运行效果。

  系统增压扬程的稳定性是纯水系统运行效率的重要保证,如果其扬程不能满足楼层高度则会出现终端纯水水量较小或断水的现象,不仅影响了纯水系统的正常运行,出现因回流较小而导致的系统频繁停机,同时也影响了科研和教学实验的正常开展。

  纯水系统源水压力是否稳定。纯水系统的主机送水方式有两种,①从低层输送至高层,然后由高层回流至低层; ②从高层流至低层,然后由低层输送至高层。无论哪种送水方式,源水压力都是系统运行的重要保证。若主机送水采用第 1种方式( 即纯水主机放在低楼层) ,则不需要设计专用的生活用水增压泵。

  若主机送水采用第2种方式( 即纯水主机放在高楼层) ,则需要设计专用的生活用水增压泵。但无论采用何种供水方式,都需要特别注意,纯水系统进水最好设计单独的分支管路进行供水,否则很可能会因“其它用水分压”而造成纯水系统水压不稳,频繁停机。

  纯水系统( 包含出水终端刷卡取水设备) 供电是否满足要求。纯水系统主机一般供电要求为380V三相电源(波动不大于10% ) ,单台主机功率各有不同,因此配套电源的设计必须能够满足主机要求。

 



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