什么是纯水？

一、引言

水，作为生命之源，在地球上扮演着至关重要的角色。然而，在日常生活和众多专业领域中，我们常常接触到一种特殊的水 —— 纯水。纯水并非普通意义上清澈透明、无色无味的水，它具有独特的性质、严格的制备工艺以及广泛的应用范围。

深入了解纯水，有助于我们更好地认识它在各个领域所发挥的关键作用，以及其对于现代科技发展和人类生活质量提升的重要意义。

二、纯水的定义

从化学角度来看，纯水是指只含有水分子（H₂O），不含有其他任何杂质离子、微生物、有机物等物质的纯净物。理论上，纯水的化学式就是 H₂O，其分子结构由两个氢原子和一个氧原子通过共价键结合而成。在理想状态下，纯水中不存在任何其他元素或化合物的干扰，这使得它在化学性质上表现出独特的稳定性和均一性。

在实际应用中，由于完全去除水中所有杂质几乎是不可能的，所以通常所说的纯水是指杂质含量极低，达到一定纯度标准的水。

例如，在电子工业中，对纯水的纯度要求极高，其电阻率一般要达到 18.2MΩ・cm（25℃）以上，这意味着水中几乎不存在能够导电的离子杂质，接近理论上纯水的电学性质。

这种高纯度的水在电子芯片制造等精密工艺中起着不可或缺的作用，能够有效避免因杂质导致的电路短路、性能不稳定等问题。

三、纯水的特性

（一）物理特性

（二）化学特性

四、纯水的制备方法

（一）蒸馏法

蒸馏法是制备纯水最古老且常用的方法之一。其原理是利用水与杂质的沸点差异，通过加热使水蒸发变成水蒸气，然后将水蒸气冷却凝结成液态水，从而去除水中的不挥发性杂质。在实验室中，常使用简单的蒸馏装置，包括蒸馏烧瓶、冷凝器、接收器等。

将含有杂质的水放入蒸馏烧瓶中，加热至沸腾，水变成水蒸气上升进入冷凝器，在冷凝器中水蒸气被冷却成液态水，滴入接收器中，得到的即为蒸馏水。工业上大规模制备纯水时，常采用多效蒸馏的方式，通过多个蒸馏塔串联，充分利用蒸汽的热量，提高能源利用率，降低生产成本。

蒸馏法制备的纯水纯度较高，一般能够满足普通实验室和一些对水质要求不是特别苛刻的工业生产的需求。

然而，蒸馏法能耗较高，且对于挥发性杂质的去除效果有限，如水中含有的少量氨、二氧化碳等挥发性气体，在蒸馏过程中可能会随水蒸气一起进入蒸馏水中，影响纯水的纯度。

（二）离子交换法

离子交换法是利用离子交换树脂对水中的离子进行交换，从而去除水中的各种阳离子和阴离子，达到制备纯水的目的。离子交换树脂是一种具有网状结构的高分子聚合物，其表面含有许多可交换的离子基团。

例如，强酸性阳离子交换树脂含有磺酸基（-SO₃H），可以与水中的阳离子如钙（Ca²⁺）、镁（Mg²⁺）、钠（Na⁺）等发生交换反应，将这些阳离子吸附在树脂上，而树脂上的氢离子（H⁺）则释放到水中。

强碱性阴离子交换树脂含有季铵基（-N (CH₃)₃OH），可以与水中的阴离子如氯离子（Cl⁻）、硫酸根离子（SO₄²⁻）、碳酸根离子（CO₃²⁻）等发生交换反应，将这些阴离子吸附在树脂上，而树脂上的氢氧根离子（OH⁻）则释放到水中。

经过阳离子交换树脂和阴离子交换树脂处理后的水，氢离子和氢氧根离子结合生成水分子，从而得到纯度较高的纯水。

离子交换法制备纯水的优点是设备简单、操作方便、成本较低，能够有效去除水中的各种离子杂质。但其缺点是离子交换树脂需要定期再生，再生过程中会产生大量的酸碱废水，对环境造成一定的污染。

（三）反渗透法

反渗透法是一种基于半透膜原理的现代纯水制备技术。半透膜是一种只允许水等小分子物质通过，而不允许离子、微生物、有机物等大分子物质通过的特殊薄膜。

在反渗透系统中，将含有杂质的水施加一定的压力，使其在半透膜的一侧流动，由于半透膜两侧存在浓度差，水分子会在压力的作用下从高浓度一侧（即含杂质水一侧）透过半透膜向低浓度一侧（即纯水一侧）渗透，而水中的杂质则被半透膜截留，从而得到纯水。

反渗透法能够有效去除水中的几乎所有杂质，包括离子、微生物、有机物等，制备的纯水纯度极高，能够满足电子工业、制药工业等对水质要求极为严格的行业的需求。

与蒸馏法和离子交换法相比，反渗透法具有能耗低、占地面积小、自动化程度高、产水水质稳定等优点。然而，反渗透膜的价格较高，且容易受到水中杂质的污染，需要定期进行清洗和维护，这增加了设备的运行成本。

（四）电渗析法

电渗析法是利用离子交换膜在电场作用下对离子的选择透过性，使水中的离子发生定向迁移，从而实现水的淡化和除盐，制备纯水。离子交换膜分为阳离子交换膜和阴离子交换膜，阳离子交换膜只允许阳离子通过，阴离子交换膜只允许阴离子通过。

在电渗析装置中，将阳离子交换膜和阴离子交换膜交替排列，形成多个隔室，在隔室的两端施加直流电场。

当含有杂质的水通过这些隔室时，在电场的作用下，阳离子向阴极方向迁移，透过阳离子交换膜进入相邻的隔室；阴离子向阳极方向迁移，透过阴离子交换膜进入相邻的隔室。

这样，经过若干个隔室的处理，一部分隔室中的水离子浓度降低，得到淡水（即纯水），另一部分隔室中的水离子浓度升高，成为浓水。电渗析法适用于处理含盐量较高的水，能够有效降低水中的盐分含量，制备一定纯度的纯水。

其优点是设备简单、操作方便、能耗较低，且不需要使用化学药剂。但电渗析法对水中的非离子型杂质如有机物、胶体等去除效果较差，一般需要与其他处理方法联合使用，以提高纯水的质量。

五、纯水的检测标准

（一）电阻率

电阻率是衡量纯水纯度的重要指标之一，它反映了水中离子杂质的含量。纯水的电阻率越高，说明水中离子杂质越少，纯度越高。如前所述，在电子工业中，对纯水的电阻率要求极高，一般要达到 18.2MΩ・cm（25℃）以上。

测量纯水电阻率的常用方法是采用电阻率仪，通过测量两个电极之间水的电阻值，并根据电极的几何尺寸和水的温度等参数，计算出纯水的电阻率。在实际检测中，需要注意测量环境的温度和湿度对电阻率测量结果的影响，一般会采用温度补偿等技术手段，以获得准确的测量值。

（二）pH 值

pH 值用于表示纯水的酸碱度。如前文所述，在 25℃时，纯水的 pH 值理论上为 7.0，呈中性。但由于实际情况中，纯水可能会受到空气中二氧化碳等因素的影响，其 pH 值会有所变化。对于不同应用领域的纯水，对其 pH 值的要求也有所不同。

例如，在制药工业中，一般要求纯水的 pH 值在 5.0 - 7.0 之间，以确保药品生产过程中的稳定性和安全性。检测纯水 pH 值的常用方法是采用 pH 计，pH 计通过测量玻璃电极与参比电极之间的电位差，根据能斯特方程计算出溶液的 pH 值。在使用 pH 计测量纯水 pH 值时，需要对电极进行校准，并注意电极的维护和保养，以保证测量结果的准确性。

（三）微生物含量

微生物含量是评估纯水质量的另一个重要指标，特别是在制药、食品饮料等行业，对纯水中微生物的控制极为严格。微生物在纯水中可能会生长繁殖，产生代谢产物，影响产品质量和人体健康。常见的检测纯水中微生物含量的方法有培养法和膜过滤法。

培养法是将一定量的纯水接种到适宜的培养基上，在特定的温度和湿度条件下培养一段时间，然后统计培养基上生长的微生物菌落数，从而计算出纯水中微生物的含量。

膜过滤法是将一定体积的纯水通过孔径很小的滤膜，微生物被截留在滤膜上，然后将滤膜转移到培养基上进行培养，统计菌落数。一般来说，制药工业用纯水中微生物的含量要求不得超过 10CFU/mL（CFU 为菌落形成单位）。

（四）颗粒物质含量

纯水中的颗粒物质包括悬浮颗粒、胶体等，这些颗粒物质可能会对一些精密仪器设备或产品质量产生不良影响。例如，在电子芯片制造过程中，颗粒物质可能会导致芯片短路或性能下降。检测纯水中颗粒物质含量的常用方法有激光散射法和显微镜计数法。

激光散射法是利用激光照射纯水，根据颗粒对激光的散射光强度和角度等信息，通过仪器分析计算出颗粒的大小和数量。显微镜计数法则是将一定体积的纯水通过微孔滤膜过滤，然后在显微镜下观察滤膜上截留的颗粒，进行计数和大小测量。

对于不同应用领域，对纯水中颗粒物质含量的要求也有所不同，如在电子工业中，对超纯水的颗粒物质含量要求极高，每毫升水中粒径大于 0.1μm 的颗粒不得超过 1 个。

六、纯水的应用领域

（一）电子工业

在电子工业中，纯水被广泛应用于半导体芯片制造、集成电路生产、液晶显示器制造等各个环节。例如，在半导体芯片制造过程中，需要使用大量的高纯度纯水对硅片进行清洗，以去除硅片表面的杂质和污染物，确保芯片制造过程的精度和质量。

如果纯水中含有杂质离子或颗粒物质，可能会在芯片表面形成缺陷，影响芯片的性能和可靠性。此外，在电子设备的电镀、蚀刻等工艺中，也需要使用纯水作为工艺用水，以保证镀层的均匀性和蚀刻的精度。

（二）制药工业

制药工业对纯水的质量要求极为严格，纯水在药品生产过程中扮演着不可或缺的角色。从药物原料的提取、合成到药品的配制、灌装等各个环节，都需要使用符合特定标准的纯水。

例如，在注射剂的生产中，纯水是主要的溶剂，其质量直接关系到注射剂的安全性和有效性。如果纯水中含有微生物、热源物质或其他杂质，可能会导致患者在注射后出现发热、过敏等不良反应。因此，制药工业用纯水必须经过严格的制备和检测，确保其符合相关的药典标准。

（三）食品饮料行业

在食品饮料行业，纯水用于饮料生产、食品加工、清洗等多个方面。在饮料生产中，如瓶装水、碳酸饮料、果汁饮料等，纯水是主要的原料之一，其质量直接影响饮料的口感和品质。

例如，优质的纯水能够使饮料口感更加清爽、纯净，减少异味和杂质的干扰。在食品加工过程中，纯水用于食品的清洗、浸泡、蒸煮等环节，能够保证食品的卫生安全，防止微生物和杂质的污染。此外，在一些高端食品的生产中，对纯水的纯度要求也非常高，以确保食品的品质和稳定性。

（四）实验室研究

在各类实验室研究中，纯水是常用的实验试剂和溶剂。无论是化学实验、生物实验还是物理实验，都需要使用纯度符合要求的纯水。例如，在化学分析实验中，纯水用于配制标准溶液、稀释样品等，其纯度直接影响分析结果的准确性。

在生物实验中，纯水用于细胞培养、DNA 提取等实验操作，微生物和杂质的存在可能会干扰实验结果，甚至导致实验失败。因此，实验室通常会配备专门的纯水制备设备，以满足不同实验对纯水质量的要求。

（五）其他领域

除了上述领域外，纯水在电力工业、化妆品生产、汽车制造等行业也有广泛的应用。在电力工业中，纯水用于锅炉补给水，能够防止锅炉结垢和腐蚀，提高锅炉的热效率和运行安全性。

在化妆品生产中，纯水是许多化妆品配方中的重要成分，其质量影响着化妆品的稳定性和使用效果。在汽车制造中，纯水用于汽车涂装前的车身清洗，能够保证涂装质量，提高车身的美观度和耐腐蚀性。

七、纯水与其他 “水” 的区别

（一）与自来水的区别

自来水是经过自来水厂处理后供居民日常生活使用的水，它虽然经过了沉淀、过滤、消毒等处理过程，但仍然含有一定量的杂质。与纯水相比，自来水中含有钙、镁等多种阳离子和氯离子、硫酸根离子等阴离子，这些离子的存在使得自来水具有一定的硬度和导电性。

此外，自来水中还可能含有少量的微生物、有机物以及消毒剂残留等。例如，为了消毒杀菌，自来水中通常会含有一定量的余氯。而纯水几乎不含有这些杂质，其化学性质更加纯净和稳定。在外观上，自来水可能会因为含有少量的悬浮颗粒或胶体物质而略显浑浊，而纯水则清澈透明。

（二）与矿泉水的区别

矿泉水是从地下深处自然涌出的或经人工钻井采集的未受污染的水，它含有多种对人体有益的矿物质和微量元素，如锂、锶、锌、硒等。这些矿物质和微量元素赋予了矿泉水独特的口感和营养价值。与纯水相比，矿泉水的成分更加复杂，除了水分子外，还含有丰富的矿物质离子。

由于这些矿物质离子的存在，矿泉水的口感可能会略带苦涩或甘甜，而纯水则口感平淡。在物理性质方面，矿泉水的密度、沸点、凝固点等可能会因所含矿物质的种类和含量不同而略有差异，而纯水的物理性质相对较为固定。此外，矿泉水的 pH 值一般在 7.0 - 8.5 之间，呈弱碱性，而纯水在 25℃时 pH 值为 7.0，呈中性。

（三）与蒸馏水的区别

蒸馏水是通过蒸馏法制备的纯水，从定义上来说，蒸馏水属于纯水的一种。然而，在实际应用中，蒸馏水与其他方法制备的纯水还是存在一些细微的区别。

由于蒸馏过程主要是利用水与杂质的沸点差异进行分离，对于一些挥发性杂质如氨、二氧化碳等的去除效果相对有限。

如果蒸馏装置不够精密，蒸馏水中可能会残留少量的挥发性杂质，导致其纯度略低于采用反渗透等先进技术制备的纯水。

此外，蒸馏法制备纯水的能耗较高，生产效率相对较低，而反渗透法等现代制备技术在能耗和生产效率方面具有明显优势。