二級反滲透技術的應用

李文云

二級反滲透技術的應用

李文云

（山東步長神州制藥有限公司，山東菏澤274039）

簡要介紹了反滲透原理及其工藝流程，并闡述了二級反滲透純化水系統(tǒng)的主要設備的工作原理和特點。

二級反滲透；純化水；半透膜；應用

0　引言

天然狀態(tài)的水極易滋生微生物，不能直接被用于制藥工業(yè)中。制藥用水作為工藝原料，被用作藥品的組成成分、溶劑、稀釋劑，就需要分離出鹽、有機物和細菌成分。目前，純水的制造方法基本有4種：蒸餾法、電滲析法、離子交換法和反滲透法（簡稱RO）。其中，反滲透技術是當今最先進、最節(jié)能、效率最高的分離技術。

圖1　反滲透原理圖

1　反滲透原理

滲透現(xiàn)象在自然界是常見的，比如將一根黃瓜放入鹽水中，黃瓜就會因失水而變小。黃瓜中的水分子進入鹽水溶液的過程就是滲透過程。反滲透原理如圖1所示，在一個裝有水的燒杯中，中間隔著一個只有水分子才能透過的半透膜，這時水的液面是平的，如圖1（a）所示。在右邊的水中加入鹽，則右邊的水變成了鹽水溶液，如圖1（b）所示。過一段時間就可以發(fā)現(xiàn)水液面降低了，而鹽水的液面升高了，如圖1（c）所示。人們把水分子透過這個隔膜遷移到鹽水中的現(xiàn)象叫做滲透。鹽水液面升高到了一定高度就會達到平衡，這時隔膜兩端液面高度差所代表的壓力稱為滲透壓。在達到平衡后，如果在鹽水端液面上施加一定壓力，如圖1（d）所示，此時水分子就會由鹽水端向水端遷移。液劑分子在壓力作用下由稀溶液向濃溶液遷移的過程稱為反滲透。

反滲透設施生產純化水的關鍵有2個：（1）一個有選擇性的膜，稱之為半透膜；（2）一定的壓力。簡單地說，反滲透半透膜上有眾多的孔，這些孔的大小與水分子的大小相當，由于細菌、病毒、大部分有機污染物和水合離子均比水分子大得多，因此不能透過反滲透半透膜，使其與透過反滲透膜的水相分離。在水的眾多種雜質中，溶解性鹽類是最難清除的，因此，經(jīng)常根據(jù)除鹽率的高低來確定反滲透的凈水效果。目前，有較高選擇性的反滲透膜元件的除鹽率可以高達99.7%。

2　工藝流程

二級反滲透純化水制備系統(tǒng)的主要工藝流程如圖2所示。

過濾介質為不同直徑的石英砂分層填裝，較大直徑的介質通常位于過濾器頂端，水流自上而下通過逐漸精細的介質層。

介質床主要用于過濾除去原水中的大顆粒、懸浮物、膠體及泥沙等，以降低原水濁度對膜系統(tǒng)的影響，同時降低SDI（污染指數(shù)）值，達到反滲透系統(tǒng)的進水要求。

圖2　二級反滲透純化水制備系統(tǒng)工藝流程圖

3　主要設備及作用

二級反滲透純化水系統(tǒng)的主要設備及規(guī)格型號如表1所示。

3.1機械過濾器

原水中含有很細的顆粒、腐殖質、淀粉、纖維素以及細菌、藻等微生物，這些雜質通常不能用重力自然沉降的方法除去。一般水中含有的懸浮物、機械雜質可通過機械過濾去除［1］。

表1　二級反滲透純化水系統(tǒng)的主要設備及規(guī)格型號

3.2活性炭過濾器

活性炭過濾器主要用于去除水中的游離氯、色度、微生物、有機物以及部分重金屬等有害物質，以防止它們對反滲透膜系統(tǒng)造成影響。反滲透進水除了要求SDI≤5外，還有另一個進水指標余氯＜0.1mg/L。

活性炭過濾器主要有2個功能：（1）吸附水中部分有機物，吸附率為60%左右；（2）吸附水中余氯。

活性炭對有機物具有很強的吸附作用。此外，活性炭還具有很強的脫氯能力，在此過程中并非吸附，而是由于余氯具有很強的氧化性，余氯和碳發(fā)生反應，生成CO2和Cl-，其化學反應式為C+2Cl2+2H2O→4HCl+CO2↑。從此反應式可看出，活性炭脫氯并不存在吸附飽和問題，只是損失了少量的碳，所以活性炭脫氯可以使用相當長的時間?；钚蕴坎粌H僅具有以上功能，還能夠去除水中的異味、色素，提高水的澄明度，活性炭使用一段時間后，其吸附能力下降，需要進行再生或更換。因此，原水通過活性炭過濾器后，能大大提高水質，減少對反滲透膜的污染，經(jīng)過處理后的水質能達到反滲透進水質要求。

3.3加藥裝置（阻垢劑）

在反滲透產水過程中，濃水側由于水的不斷濃縮，無機鹽當達到超飽和狀態(tài)時，鹽容易析出，在膜表面凝結，如不及時沖洗掉就會形成垢，長期使用會使反滲透膜的脫鹽率下降，工作壓力升高。為了防止這種現(xiàn)象的產生，在反滲透進水前加入阻垢劑能夠提高無機鹽的溶解度，不致在反滲透運行過程中濃縮水鹽的析出。我公司使用的是美國竭力公司生產的MDC-220阻垢劑，不僅能夠有效地阻止Ca2+、Mg2+、Fe2+、Ba2+、Sr2+、CO32-、SO42-等離子形成垢，還能夠防止膠體、有機物在膜表面的凝結。同時，當膜表面已經(jīng)結垢時，還能夠使已經(jīng)形成的垢逐漸溶解，從而提高了設備的使用效果以及膜的使用壽命。

3.4精密過濾器

精密過濾器也稱保安過濾器，它是原水進入反滲透的最后一道工藝，內裝蜂房式濾芯（5μm級），是一種低阻力、高效的深層過濾元件，對水中機械雜質、濁度和鐵均有較高的去除效果，以進一步減少原水對RO系統(tǒng)的影響，并防止前置過濾器非正常運轉（如反沖洗后濾層尚未形成或其他人為因素造成）時進行最后把關，確保反滲透系統(tǒng)的進水指標。

3.5多級高壓泵

淡水是利用在反滲透膜濃水側施加一定壓力來實現(xiàn)溶液從高濃度向低濃度一側的滲透而得到的，給膜元件施加必需的運行壓力。我公司使用的丹麥格蘭富多級泵，具有熱保護功能，當溫度升高時，多級泵自動停止工作。另外，多級泵進水側使用了低壓保護開關，當進水壓力較低或無水時，多級泵自動關閉，從而起到保護作用。

3.6反滲透主機

反滲透技術是當今最先進、最節(jié)能有效的膜分離技術。通過高壓泵在反滲透膜濃水側施加一定壓力，且該壓力大于滲透壓時，水從高濃度一側通過半透膜（僅許水分子通過）向低濃度一側滲透，溶解固形物（鹽）由反滲透膜截留在濃水中不斷地被引走，從而獲得含鹽量很低的產品水。反滲透膜的膜孔徑非常小，因此能有效地去除水中的溶解鹽類、膠體、微生物、有機物等，去除率高達97%～98%。其中，一級反滲透主機的主要部分是RO膜元件，我公司所選用的美國海德能公司生產的超低壓聚酰胺復合膜（ESPA1-8040），它不僅工作壓力較低，而且額定產水量較大，脫鹽率較高；二級反滲透膜元件型號為ESPA2-8040，其不僅具有以上特點，還能抗污染，對Na+具有較好的去除能力。反滲透所設計的產水溫度為25℃，水的利用率為67%，一級反滲透脫鹽率＞97%，二級反滲透出水達到純化水標準，另外。反滲透進行自動沖洗，可降低清洗頻率。

3.7清洗裝置

反滲透膜元件使用時間較長時，必然受到一定的污染，如無機物結垢堵塞，細菌、微生物繁殖等。此時，裝置產水量下降，脫鹽率降低。清洗裝置主要用于清洗反滲透膜元件，使其基本恢復正常工作壓力。調試運行。該項目調試順利，做到了一次試運行成功，產量和質量都達到了預期目標。其運行數(shù)據(jù)如表2所示。

表2　我公司二級反滲透純化水系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)

3.8加藥裝置（NaOH）

加藥裝置包括計量泵和計量箱，在一、二級膜之間調節(jié)水的pH值。為了符合反滲透二級膜進水的要求，在此加入NaOH溶液來調整pH值，使游離子CO2未經(jīng)二級膜就與NaOH反應掉，從而保證反滲透正常運行。

3.9紫外滅菌器

整個純化水系統(tǒng)通過以上流程雖然已達到了供水的水質要求，但是為了防止管道中的滯留水及容器管道壁滋生細菌而影響水質，需在本系統(tǒng)的供水管道末端設置紫外滅菌器，杜絕微生物的滋生。3.10終端過濾器

一般細菌、微生物的粒徑＞0.22μm，終端過濾器濾芯過濾孔徑為0.22μm，通過紫外滅菌器，被殺死的細菌及微生物被截留，使純水水質更好。

4　調試運行

2012年3月23日我公司的純化水系統(tǒng)進行了

5　結語

我公司的二級反滲透純化水系統(tǒng)裝置通過2年多的生產運行，該工藝達到了原設計的生產能力。原水經(jīng)本套設備，可以生產出符合生產要求和藥典化學指標的純化水。這樣組合的反滲透設備結構緊湊，占地面積小，操作簡單，不易產生故障，并且質量穩(wěn)定，對公司的節(jié)能減排起到一定的作用。

［1］國家食品藥品監(jiān)督管理局藥品認證管理中心.廠房設施與設備：藥品GMP指南［M］.北京：中國醫(yī)藥科技出版社，2011

2014-07-05

李文云（1979—），男，山東菏澤人，工程師，研究方向：制藥設備管理及GMP驗證工作。