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實驗室超純水設備常見問題——pH問題

 

使用超純水機的客戶，經常會遇到一些水質問題，例如我們的超純水，pH出了問題。應該是pH中性的超純水，為什么測出來的結果竟然偏酸(或偏堿)，到底水質出了什么問題?
 
通常，我們用18.2MΩ.cm來表示超純水的純凈程度到了極限，在這種情況之下，留在水中并可以導電的陰陽離子，也只剩下1*10-7 M的[H+]及[OH-]了。這時，二氧化碳→碳酸所帶來的酸堿變化就非常有趣了。首先，空氣中二氧化碳的濃度雖然只有0.035% (350ppm)，卻能與水產生化學變化，反應如下：
 
CO2(g) + H2O(l) <-----> H2CO3(l)
 
雖然，碳酸是一種弱酸(Ka1=4.3×10-7)，但由于超純水中已無任何主導性的相對強酸，強堿，共軛酸，共軛堿的情況下，碳酸是主導性弱酸，也是[H+]離子的來源(忽略掉H2O的解離)。
 
Ka1=[H+][HCO3] /[H2CO3]=4.3×10-7
 
如有需要，我們可以在實驗室里模擬出二氧化碳→碳酸→碳酸根離子的狀況，當超純水開始曝露在大氣下時，二氧化碳的溶解，就無可避免的持續下去，這時，我們可以由兩種方法來監視這個過程。
 
1.導電度會持續升高，通常，在一小時之內，導電度會由0.055μS/㎝ (18.2MΩ.㎝)升高到0.25μS/㎝以上(4MΩ.㎝以下)，過程中水中總離子濃度提高到4.5倍以上。
 
2.pH會從7(中性)開始持續性的下降，大約在一小時以內，pH值會降至5.7，并還會緩步下降至4.7左右(約需兩天)，鮮有例外。
 
當然，從這個不可逆現象看來，超純水是要現取現用的，任何方式的久放，除了會有容器造成的污染，及開放下(open air)的灰塵/揮發性有機物/微生物等污染外，二氧化碳造成的導電度上升，pH下降是無法抗拒的。
 
特別要提的事情是，使用一般的pH meter來測超純水，其讀值是非常不穩定的，原因如下：
 
1.一般性的pH meter皆設計使用在高離子強度(High ionic strength)的溶液中，而相對的，超純水卻是極度低離子強度(Ultra-low ionic strength)的溶液，實際上，市面上有低離子強度溶液專用的電極及靈敏度高的主機，如果不是使用這類型儀器，讀值就會有亂跳的現象，十分難以確認。
 
2.鹽橋(同義字：salt bridge/diaphragm/junction等)阻塞，造成應有功能喪失，導因于電極缺乏保養，而鹽橋多是使用疏松多孔的陶磁或鐵弗龍材質做成，主要是做為電極內外陰陽離子平衡所用，但因缺乏定期清潔，在低離子強度的溶液下，所測到的超純水pH多為不合理的偏高，多數在9~11左右，如果遇到這種狀況，只要加入一小匙中性鹽(Neutral salt/KCl)以提高離子在鹽橋上的擴散能力，少有例外的，pH值會在幾秒之內掉到pH 7以下，理論上，中性的KCl不會改變pH的，改變的，只是離子強度而已。
 
3.一般實驗室的pH meter常出現的問題如下： (a) pH標準液經常是過期的。 (b)電極不用時，確認浸泡在3M的KCl溶液中。 (c)要經常更換電極內的參考電極溶液，否則會引起一連串毛病。
 
因此產生結論：
 
1.基本上，檢測超純水的pH是無法證明水質好壞，在二氧化碳可影響的pH范圍內(pH 7→pH 4.5)，任何pH讀值僅能表示二氧化碳溶解及碳酸解離的程度，除此之外，不代表任何意義。
 
2.如果， pH讀值偏堿，表示可能是電極出了問題(電極膜污染或老化，鹽橋阻塞，參考液污染等)，如果要測超純水的pH，等同于讓pH meter在極限條件下工作，對pH meter的工作能力是有著很大的挑戰。
 
3.優普工程師不建議使用pH meter來證明水質的好壞，因為牽扯的因素太多了，所以以不接觸空氣的On-line方式，檢測超純水的導電度，是zui準確并zui穩定的做法，可由實驗及化學計算來證明，18.2MΩ.㎝的水，其陰/陽離子總量必定低于1 ppb（可以查技術文獻），足堪水質指標了。