水处理基本知识 超纯水的极限电阻率为什么是183MΩCM

2024-02-07 行业动态

  随着超纯水应用场景范围越来越广,超纯水的基本概念慢慢的被大家熟知,其核心指标为25℃时,电阻率R>10MΩ*cm,更有甚者动辄要求电阻率不小于18.2MΩ*cm,非常接近超纯水电阻率极值R=18.3MΩ*cm。

  电导率公式中常用希腊字母σ(读音Sigma)表示,亦可用G表示,R*G=1。

  G≤1μs/cm时一般以电导率表示水导电性,反之则以电阻率R表示,此时R≥1MΩ*cm。

  那么超纯水的极限电阻率18.3MΩ*cm又是怎么得来的呢?是理论极限还是工艺限制呢?

  首先我们应该知道其数值18.3为理论极值而不是工艺极值,还需要有一个前提就是在25℃状态下。也就是说,在25℃状态下,我们能得到超纯水电阻率只能无限接近于18.3MΩ*cm,而不管今后工艺怎么样改进都无法超过其值。

  而需要定义25℃的前提的根本原因,溶液的电导率和温度成正相关,也就是电阻率与温度成负相关。随着温度的增加的,溶液的电阻率也会相应的降低。

  在超纯水状态下,能够理解为溶质[部分电离的水分子,KW(电离常数)=1.0*10-14]溶解在水溶液中。也就是说当温度超过25℃时,超纯水电阻率理论极值低于18.3(不影响理解的前提下省略单位,下同),关于温度对电导率,电阻率极值的影响,放在文末细化讨论。

  在超纯水界限状态下,溶液中除H20组成以外的物质都得到了100%去除,但是水作为很弱的电解质会存在着没办法避免的自身电离平衡:

  备注:后式的表达更符合实际的电离平衡,也跟实际测量得到的氢离子极限摩尔电导率大于氢氧根离子极限摩尔电导率符合,此处写了一段又删了,偏题了哈哈。

  G∞(OH-):氢氧根离子极限摩尔电导率,25℃时,其值为198.3S·m2·mol-1

  此时我们计算极限电阻率R=1/G=18.24418MΩ*CM,数值非常接近18.3,但是还是有偏差,原因是什么呢?

  因为我们在计算时犯了一个常识性的错误,默认水的密度为1g/cm3。在精密计算时,这是不可忽略的因素,下表为不一样的温度下的水密度,我们取值0.997074。

  那么温度对极限超纯水的电导率和电阻率到底有多大影响,是否是线性相关性呢?

  溶液的电阻随温度而降低,电导随温度的升高而升高,一般溶液的电导率增加幅度为2%(每℃)。在低浓度时

  对于界限状态下的超纯水而言,H+和OH-的温度系数分别为1.5%(每℃)和1.8%(每℃),通过温度系数的调整,我们简单计算一下在15℃和30℃时,超纯水的极限电导率和电阻率。

  也就是在不一样的温度下18.3的电阻率并不是其实际的理论极限值,但是目前市场上的电阻率和电导率表都会自动校准换算到25℃时,省去了大家换算和比较的麻烦。

  延伸一个小问题:电阻率要求≥18MΩ*cm的超纯水设备系统一般不设置终端超纯水箱。

  此类系统一般在EDI出水端设置超纯水箱(电阻率≥15MΩ*cm),经过抛光树脂装置和终端过滤器以后直接对接使用点,或者接入循环管道。因为超纯水是极其敏感的存在,其短暂储存或者接触空气都可能会受到“污染”。

  我们假设刚制备的极限超纯水,短暂接触空气(假定1%可溶性二氧化碳融入超纯水),此时系统会发生以下情况:

  前文我们介绍过饱和二氧化碳的溶解度为0.033mol/L(0.145g/100ml),根据亨利定律在自然条件下,在空气中占比为0.031%,当其中1%快速融入超纯水时(假定极低浓度下完全电离),其溶解度为0.033*0.031%*1%=1.023*10-7mol/L

  同理R=9.175MΩ*cm,短暂接触就会出现超纯水电阻率急剧下降的情况,这跟现实基本保持一致。实践证明15MΩ*cm以上的超纯水暴露在空气中1分钟后水质就会下降至3-4MΩ*cm,3分钟以后就会下降到2MΩ*cm左右。

  此时pH=-lg[H+]=6.5758呈弱酸性,过几分钟此数值将逐步降低直到5.6左右,此时超纯水完全被空气污染。