科普纯水有多纯？人类能生产出来吗？

　　纯水就是没有任何杂质，由百分百的水分子组成，不包含任何其它分子的水体，自然界中不存在真正的纯水。在文明发展过程中，人类一直延续着对纯水的追求，人类文明史几乎就是一部水的提纯史。今天，老郭就与您聊一聊，人类对于水的认识，以及提纯水的历程。
　　一、五行之一的水，眼不见为净
　　不论是东方还是西方，古代文明都把水作为最基本的物质之一，纳入到自己的学说当中，在中国就是金、木、水、火、土五行学说，在欧洲就是土、气、水、火四元素说，可见人类早就开始意识到水的重要性。
　　尽管那时候并不清楚水和水之间的区别，也是知道污水是不能直接饮用的，最起码含有污泥悬浮物的水，口感就很差，一定要喝清澈的水。当时的人类，从自然界中总结出规律，含有泥沙的水，应该静置一段时间再喝，这就应该是人类最早的净水技术——沉淀法。
　　随着文明的进步，人类逐渐意识到了水和水之间是不一样的。比如我国古代人民在泡茶的时候就知道，山泉水上、江河水中、井水下，其他的还有露水、雨水等，都区分了用途。随着中医的发展，我国人民还养成了喝开水的习惯。
　　以科学解释，山泉水、江河水和井水之间的最大区别就是钙、镁离子的浓度不同，井水的离子浓度高，用俗语说就是比较硬。烧开后的水不仅能去除多余的钙镁离子，让水软化，还能杀灭自然水体中的细菌和病毒，这都对人类的身体健康起到了积极的作用。
　　二、科学让净水技术和净水有了标准
　　如果说科学领域有没有什么里程碑那样的阶段，那就应该是20世纪初，这个时期的科学从宏观世界进入到了微观领域，人类对于水的认识，也进入到了分子和原子的级别。同时人类对水的需求也扩展到医疗卫生、工业生产、科学研究等领域，这就催生了制备纯水的产业。
　　早期，由于技术水平有限，生产高纯度水的办法主要是蒸馏法。如果生产环境控制得好，这种方法能生产出纯度比较高的水。然而这种方法有一个致命的问题，那就是太浪费能源，并且水的纯度无法满足更高要求。这就导致了新的制备纯水的方法不断出现。
　　科学家们在沉淀法的基础之上，增加了过滤这个步骤，过滤中又包含了沙滤、活性炭吸附、超滤等技术。这些办法即可以去除水中多余的钙、镁等离子，也能带走一部分的细菌和病毒，同时又不会额外增加水中的其他物质，不改变水的性状，是目前生活用水的主要生产手段。
　　这个时候净水的标准已经从古人的眼不见为净升级到了科学的指标，比如水中其他杂质的浓度、化学成分、细菌和病毒的数量等等。更进一步的是，产生了纯水的概念，不含任何杂质的水。纯水在医疗卫生、微电子、科学实验等领域有着广泛的用途。
　　三、EDI超纯水设备
　　然而知道了纯水是什么，不等于能生产出来，这一步历尽艰辛，直到今天仍然没有完全实现。既然知道了水不纯是因为里面含有各种少量的杂质，那么最简单的办法还是在过滤上下功夫。多数杂质的体积都比水分子大，只要设计更细的网眼，留下杂质，让水过去就可以了。
　　现在有很多家用的纯水机采用反渗透膜过滤技术(RO)就属于此类，其核心是微孔过滤，只有水分子和比水分子小的矿物质、微量元素能通过膜并保留下来供饮用；细菌、病毒、水垢、污染物均不能通过膜，成为浓缩水排出；反渗透技术能将水中95%-98%的离子去除，从而达到优质饮用水的标准。
　　然而，优质饮用水距离纯水的标准仍然相去甚远。为了彻底清除水中的杂质不能用化学交换的办法，因为这样会引入更难清除的杂质。上世纪50年代诞生的一种电去离子技术(Electrodeionization 简称EDI)，是目前普遍采用的超纯水制备方案。
　　这种技术是将电渗析膜分离技术与离子交换技术有机地结合起来的一种新的制备超纯水(高纯水)的技术。在直流电场的作用下，淡水室中离子交换树脂中的阳离子和阴离子沿树脂和膜构成的通道分别向负极和正极方向迁移，阳离子透过阳离子交换膜，阴离子透过阴离子交换膜，分别进入浓水室形成浓水。
　　EDI进水中的阳离子和阴离子跟离子交换树脂中的氢离子和氢氧根离子交换，形成超纯水(高纯水)。超极限电流使水电解产生的大量氢离子和氢氧根离子对离子交换树脂进行连续的再生，可以连续工作，不需要酸碱化学再生。
　　这是一种绿色环保、低能耗、高效率的解决方案。
　　四、电导率（或电阻率）是纯水的新标准
　　水的纯度怎么测量？物理专业出身的老郭第一个思路是色谱法，这是因为每种分子、原子都有其独特的特征谱线，利用吸收光谱或者是发射光谱，就能在非常高的精度范围内确定样品的纯度。为了确定这个方法的可行性，我咨询了辽宁中成永续水工科技有限公司的李雨桐总经理。
　　李总说，色谱法可以用，但是其成本高，并且不能实现在工业级生产中实时监测，所以在EDI设备上采用的都是电导率仪或者是电阻率仪。中诚永续公司生产的纯水设备生产的超纯水出水检测值可以达到18.2MΩ•cm。
　　也许有些小伙伴对此有些疑问，既然是测量水的电导率，为什么不是叫导电能力测试，而是叫做水质测试呢？这是因为，水越纯净，水的电导率就越低，水的电导率是反映水的纯净程度的重要参数，甚至是唯一的参数，特别是高纯水更是如此，因此电导率是可以正确地反映水质的。结束语
　　尽管如今的超纯水仍然不是理论上的纯水，但工程师们一直在努力，也许真正的纯水永远也生产不出来，但我相信，在科学家和工程师的共同努力下，这个目标一定能够越来越接近。
　　需要注意的是，超纯水只适合实验或者是工业生产，并不适合饮用，这个话题我们留在以后再谈。
　　文/郭哥聊科学 部分图片来自网络侵删。