超纯水是一类纯度极高的水，几乎不含电解质、气体、有机物和难离解胶体物。依据我国2017年施行的《仪器分析用高纯水规格及试验方法》标准，超纯水水质需满足电阻率大于18MΩ•cm，总有机碳TOC小于50ppb，仅含氢原子和氧原子两种成分。它与我们日常接触的自来水、瓶装可饮用纯净水、矿泉水等截然不同，无硬度、无细菌，也没有矿物质以及微量元素等常见于可饮用水的成分。 超纯水在众多工业生产领域是重要的生产原料和清洗工具，尤其在高新技术产业中应用率极高。例如，在实验室中用于细菌培养时配制营养液；在医药领域，可用于注射液、化学反应试剂的稀释；在半导体、太阳能光伏、军工器械、航空航天材料等高新技术产品的生产和清洗环节也不可或缺。不过需要注意的是，超纯水是一种非饮用水，因其成分简单，缺少钙、镁和钾等对人体健康至关重要的矿物质成分，长期饮用可能会引发抽筋、心律不齐、骨折等健康问题，其特殊的pH值还可能刺激人体胃黏膜，导致胃部疾病以及牙齿腐蚀。
制备超纯水的首要步骤是对原水进行处理。原水通常包含悬浮物、胶体、溶解性杂质以及微生物等多种杂质。为去除这些杂质，需要通过沉淀、过滤、吸附等手段进行预处理。 常用的预处理方法有自然沉淀、混凝沉淀和活性炭过滤等。自然沉淀是让原水在较大的容器中静置一段时间，使较重的悬浮物自然沉降到容器底部，从而初步去除部分大颗粒杂质。混凝沉淀则是向原水中加入混凝剂，使水中的胶体和细小悬浮物凝聚成较大的颗粒，便于后续沉淀去除。活性炭过滤是利用活性炭的吸附作用，去除原水中的有机物、余氯、异味等杂质。经过这些预处理方法后，原水的水质得到了初步提升，为后续的处理工序奠定了基础。
初级除盐是超纯水制备过程中的重要环节，主要采用离子交换法。离子交换树脂是一种具有离子交换功能的物质，它能够将水中的阳离子或阴离子吸附在其表面，从而达到去除离子的目的。 常用的离子交换树脂有阳离子交换树脂和阴离子交换树脂，分别用于去除阳离子和阴离子。当原水通过装有阳离子交换树脂的交换柱时，水中的阳离子（如钠离子、钙离子、镁离子等）会与树脂上的氢离子发生交换反应，被吸附在树脂上，同时树脂释放出氢离子进入水中。同理，当水再通过装有阴离子交换树脂的交换柱时，水中的阴离子（如氯离子、硫酸根离子等）会与树脂上的氢氧根离子发生交换反应，被吸附在树脂上，树脂释放出氢氧根离子进入水中。氢离子和氢氧根离子结合生成水，从而大大降低了水中的离子含量，为后续处理提供了较好的水质基础。
膜过滤是超纯水制备的关键技术之一，主要采用反渗透膜和纳滤膜。 反渗透膜是一种压力驱动的膜分离技术。在压力的作用下，溶液中的水分子能够透过反渗透膜，而其他分子、离子、细菌、病毒等则被截留，从而实现脱盐和去除杂质的效果，达到纯化目的。反渗透膜的孔径非常小，能够有效去除水中的离子、有机物、微生物等杂质。整个反渗透系统通常由增压泵、反渗透膜、压力容器以及相应的仪器、仪表、阀门、机架、管道及管件等组成，此外还有独立的化学清洗装置，用于定期清洗反渗透膜，以保证其分离性能。 纳滤膜则是一种截留分子量的膜分离技术，它能够去除水中的大分子物质和色素等杂质。与反渗透膜相比，纳滤膜的孔径相对较大，对一些单价离子的截留率较低，但对二价离子和大分子物质有较好的截留效果。膜过滤技术具有处理效率高、出水质量好、能耗低等优点，是目前超纯水制备的主要方法之一。
经过初级除盐和膜过滤后，水中的杂质含量已经大幅降低，但仍需进行精制处理才能达到超纯水的标准。精制处理主要包括混床、电渗析、电去离子等技术。 混床是将阴阳离子交换树脂混合在一起，装在一个交换柱中。当水通过混床时，水中残留的离子会与树脂上的离子进行交换，进一步去除水中的离子。同时，混床还可以通过树脂的再生来恢复其交换能力。在混床运行一段时间后，树脂的交换能力会逐渐下降，此时需要对树脂进行再生处理，使其恢复到初始的交换状态。 电渗析是通过电场作用，使水中的离子通过膜分离技术进一步去除。在电渗析装置中，通常有多个交替排列的阳离子交换膜和阴离子交换膜，在电场的作用下，阳离子会向阴极移动，通过阳离子交换膜进入浓水室；阴离子会向阳极移动，通过阴离子交换膜进入浓水室，从而实现离子的分离和去除。 电去离子则是结合了离子交换和电渗析的原理，通过电场作用将水中的离子去除。在电去离子装置中，离子交换树脂填充在膜之间，水中的离子首先被树脂吸附，然后在电场的作用下，离子通过树脂和膜迁移到浓水室，同时树脂在电场的作用下实现电再生。这些精制处理方法能够进一步提高超纯水的纯度，满足不同领域对超纯水质量的需求。
终端处理是超纯水制备的最后一道工序，主要采用紫外线杀菌和气体除菌等技术。 紫外线杀菌是通过紫外线照射破坏细菌和病毒的DNA结构，使其失去繁殖能力，从而达到杀菌效果。在超纯水制备系统中，通常会在管道中安装紫外线杀菌器，让超纯水在流动过程中接受紫外线照射，以杀灭水中的微生物。紫外线杀菌具有杀菌速度快、效果好、不添加化学药剂等优点，但它对一些芽孢和病毒的杀灭效果可能有限。 气体除菌则是通过气体消毒的方式，杀灭水中的微生物。常用的气体有臭氧等，臭氧具有强氧化性，能够破坏微生物的细胞膜和细胞壁，从而达到杀菌的目的。在超纯水终端处理中，臭氧通常通过曝气的方式溶解在水中，与水中的微生物发生反应，杀灭微生物后，多余的臭氧会分解成氧气，不会对超纯水造成二次污染。终端处理能够确保超纯水的无菌状态，满足制药等对水质无菌要求较高领域的需求。
综上所述，超纯水的制造是一个复杂的过程，需要经过原水处理、初级除盐、膜过滤、精制处理和终端处理等多个环节，每个环节都对超纯水的质量起着重要的作用。不同领域对超纯水的质量标准可能有所不同，因此在实际生产中，需要根据具体需求选择合适的制造工艺和设备，以确保生产出符合要求的超纯水。