二級(jí)反滲透法制備純化水實(shí)踐操作的參數(shù)研究

張海松

(江蘇省徐州醫(yī)藥高等職業(yè)學(xué)校,江蘇 徐州 221106)

水是我們?nèi)粘Ｉ钪杏玫淖疃嗟奈镔|(zhì),也是藥品生產(chǎn)制備過(guò)程中用量最大最廣的原料之一,制藥工業(yè)用水的水源有城市自來(lái)水和天然水,這些水源的水質(zhì)受自然界地理環(huán)境影響及人為的三廢排放污染的影響,往往含有懸浮雜質(zhì)、有機(jī)物、細(xì)菌、熱源、各種無(wú)機(jī)鹽及溶解于水的各種氣體等有害物質(zhì)。水處理就是根據(jù)各種工藝用水的水質(zhì)要求,采取有效措施,除去相關(guān)的有害物質(zhì),制備符合標(biāo)準(zhǔn)的各種工藝用。在藥品生產(chǎn)過(guò)程中使用的水分為即飲用水、純化水、注射用水、滅菌注射用水。飲用水是指符合生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)的水;純化水是指飲用水經(jīng)蒸餾法、離子交換法、反滲透法或其他適宜方法所制得的水。注射用水是指純化水經(jīng)蒸餾所制得的水;滅菌注射用水是指注射用水照注射劑生產(chǎn)工藝制備所得的水。純化水常用的制備技術(shù)有離子交換法、電滲析法、反滲透法、蒸餾法;還可以將上述幾種制備技術(shù)綜合應(yīng)用,如離子交換法和電滲析法或反滲透法結(jié)合應(yīng)用等,具有制得的純化水質(zhì)量好、經(jīng)濟(jì)、方便、效率高等優(yōu)點(diǎn)。反滲透法制備純化水的技術(shù)是20世紀(jì)60年代以來(lái),隨著膜工藝技術(shù)的進(jìn)步發(fā)展起來(lái)的一種膜分離技術(shù),已經(jīng)越廣泛地使用在水處理過(guò)程中。反滲透法制備純化水工藝的操作簡(jiǎn)單,除鹽效率高,使用在制藥用水系統(tǒng)中還具有較高的除熱原能力,而且也比較經(jīng)濟(jì)。目前,在一些新建或擴(kuò)建的制水系統(tǒng)項(xiàng)目中,采用反滲透方法作為純化水制備中除鹽的首選方案。反滲透裝置有各種不同的組合方式,不同的組合方式有著不同的適用范圍,以下是幾種反滲透制備純化水的組合:一級(jí)反滲透系統(tǒng)、二級(jí)反滲透系統(tǒng)、一級(jí)反滲透系統(tǒng)+二級(jí)反滲透系統(tǒng)、一級(jí)反滲透系統(tǒng)+離子交換系統(tǒng)、一級(jí)反滲透系統(tǒng)+電法去離子(EDI)、二級(jí)反滲透系統(tǒng)+電法去離子(EDI)、超濾膜+反滲透+電法去離子(EDI)。二級(jí)反滲透法在純化水制備中應(yīng)用越來(lái)越多,越來(lái)越廣泛[1]。

1 反滲透法制備純化水的基本原理

純水和鹽水被理想半透膜隔開,純水側(cè)的水會(huì)自發(fā)地通過(guò)半透膜流入鹽水一側(cè),這種現(xiàn)象稱為滲透,若在膜的鹽水側(cè)施加壓力,鹽水中的水將流入純水側(cè),這就是水的反滲透的基本原理。反滲透設(shè)施生產(chǎn)純水的關(guān)鍵有兩個(gè),一是半透膜,二是一定的壓力[2]。簡(jiǎn)單地說(shuō),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(dāng),由于細(xì)菌、病毒、大部分有機(jī)污染物和水合離子均比水分子大得多,因此不能透過(guò)反滲透半透膜而與透過(guò)反滲透膜的水相分離。

2 滲透法制備純化水工藝流程

反滲透法制備純化水的生產(chǎn)通常有以下幾種流程:

(1)自來(lái)水→原水罐→原水泵→石英砂過(guò)濾濾器→活性炭過(guò)濾器→精密過(guò)濾器→一級(jí)高壓泵→加入阻垢劑→一級(jí)反滲透→一級(jí)淡水箱→加入氫氧化鈉→二級(jí)高壓泵→二級(jí)反滲透→二級(jí)淡水箱→臭氧發(fā)生器→純化水。

(2)自來(lái)水→原水罐→原水泵→石英砂過(guò)濾濾器→活性炭過(guò)濾器→精密過(guò)濾器→一級(jí)高壓泵→加入阻垢劑→一級(jí)反滲透→一級(jí)淡水箱→加入氫氧化鈉→二級(jí)高壓泵→電法去離子(EDI)→二級(jí)淡水箱→臭氧發(fā)生器→純化水[3]。

(3)自來(lái)水→原水罐→原水泵→石英砂過(guò)濾濾器→活性炭過(guò)濾器→精密過(guò)濾器→一級(jí)高壓泵→加入阻垢劑→一級(jí)反滲透→一級(jí)淡水箱→加入氫氧化鈉→二級(jí)高壓泵→離子交換系統(tǒng)→二級(jí)淡水箱→臭氧發(fā)生器→純化水。

涉及到反滲透法制備純化水設(shè)備組合方式還有一級(jí)反滲透系統(tǒng)、二級(jí)反滲透系統(tǒng)、二級(jí)反滲透系統(tǒng)+電法去離子(EDI)、超濾膜+反滲透+電法去離子(EDI)等[4]。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備:江蘇省寶應(yīng)縣華東凈化設(shè)備有限公司生產(chǎn)的FS-0.5型純化水制備設(shè)備,DDS-11A電導(dǎo)率儀,PHS-2C精密酸度儀。

4 實(shí)驗(yàn)工藝

自來(lái)水→原水罐→原水泵→石英砂過(guò)濾濾器→活性炭過(guò)濾器→精密過(guò)濾器→一級(jí)高壓泵→加入阻垢劑→一級(jí)反滲透→一級(jí)淡水箱→加入氫氧化鈉→二級(jí)高壓泵→二級(jí)反滲透→二級(jí)淡水箱→臭氧發(fā)生器→純化水[5]。

5 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

以我校GMP車間的江蘇省寶應(yīng)縣華東凈化設(shè)備有限公司生產(chǎn)的FS-0.5型純化水設(shè)備為例進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)操作。對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中的原水流量、一級(jí)淡水流量、二級(jí)淡水流量、一級(jí)加藥箱里阻垢劑的加入量,二級(jí)加藥箱中氫氧化鈉加入量、沖洗一級(jí)反滲透膜時(shí)間、沖洗二級(jí)反滲透膜時(shí)間、一級(jí)電導(dǎo)率、二級(jí)電導(dǎo)率、產(chǎn)量、花費(fèi)時(shí)間、最終的檢測(cè)指標(biāo)電導(dǎo)率、pH值等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)記錄,記錄如下:

(1)實(shí)驗(yàn)時(shí)間:2022年11月9日。工藝:一級(jí)反滲透+二級(jí)反滲透法。主要參數(shù):原水流量1 500 L/h,流量17 L/min,二級(jí)淡水流量13 L/min,一級(jí)加藥箱加藥量:120 mL/min,二級(jí)加藥箱加藥量40 mL/min,沖洗一級(jí)反滲透膜20 min,沖洗二級(jí)反滲透膜10 min,一級(jí)電導(dǎo)率13.27～14.36 μs/cm,二級(jí)電導(dǎo)率1.85～1.98 μs/cm。生產(chǎn)純化水300 L,耗時(shí)約2 h,檢測(cè)指標(biāo):最終電導(dǎo)1.93 μs/cm,pH值:7.2。

(2)實(shí)驗(yàn)時(shí)間:2022年11月12日。工藝:一級(jí)反滲透+二級(jí)反滲透法。主要參數(shù):原水流量2 000 L/h,一級(jí)淡水流量13 L/min,二級(jí)淡水流量11 L/min,一級(jí)加藥箱加藥量:80 mL/min,二級(jí)加藥箱加藥量40 mL/min,沖洗一級(jí)反滲透膜20 min,沖洗二級(jí)反滲透膜20 min,一級(jí)電導(dǎo)率10.78～11.87 μs/cm,二級(jí)電導(dǎo)率1.73～1.94 μs/cm。生產(chǎn)純化水300 L,耗時(shí)約3 h,檢測(cè)指標(biāo):最終電導(dǎo)1.82 μs/cm,pH值:6.9。

(3)實(shí)驗(yàn)時(shí)間:2022年11月22日。工藝:一級(jí)反滲透+二級(jí)反滲透法。主要參數(shù):原水流量1 500 L/h,一級(jí)淡水流量15 L/min,二級(jí)淡水流量7 L/min,一級(jí)加藥箱加藥量:40 mL/min,二級(jí)加藥箱加藥量30 mL/min,沖洗一級(jí)反滲透膜40 min,沖洗二級(jí)反滲透膜30 min,一級(jí)電導(dǎo)率17.25～19.36 μs/cm,二級(jí)電導(dǎo)率1.88～2.03 μs/cm。生產(chǎn)純化水300 L,耗時(shí)約3.5 h,檢測(cè)指標(biāo):最終電導(dǎo)1.76 μs/cm,pH值:6.7.

(4)實(shí)驗(yàn)時(shí)間:2022年11月28日。工藝:一級(jí)反滲透+二級(jí)反滲透法。主要參數(shù):原水流量2 000 L/h,一級(jí)淡水流量13 L/min,二級(jí)淡水流量9 L/min,一級(jí)加藥箱加藥量:40 mL/min,二級(jí)加藥箱加藥量20 mL/min,沖洗一級(jí)反滲透膜30 min,沖洗二級(jí)反滲透膜20 min,一級(jí)電導(dǎo)率10.25～12.36 μs/cm,二級(jí)電導(dǎo)1.32～1.54 μs/cm。生產(chǎn)純化水300L,耗時(shí)約2.5 h,檢測(cè)指標(biāo):最終電導(dǎo)率1.42 μs/cm,pH值:6.2.

(5)實(shí)驗(yàn)時(shí)間:2022年11月28日。工藝:一級(jí)反滲透+二級(jí)反滲透法。主要參數(shù):原水流量1 800 L/h,一級(jí)淡水流量9 L/min,二級(jí)淡水流量5 L/min,一級(jí)加藥箱加藥量:40 mL/min,二級(jí)加藥箱加藥量20 mL/min,沖洗一級(jí)反滲透膜30 min,沖洗二級(jí)反滲透膜10 min,一級(jí)電導(dǎo)率11.25～13.36 μs/cm,二級(jí)電導(dǎo)率1.58～1.89 μs/cm。生產(chǎn)純化水300 L,耗時(shí)約5 h,檢測(cè)指標(biāo):最終電導(dǎo)1.67 μs/cm,pH值:6.5。

6 實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)多次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果,對(duì)數(shù)據(jù)運(yùn)用科學(xué)的方法進(jìn)行分析比較研究。分析比較以下幾種主要參數(shù):

6.1 原水流量

實(shí)驗(yàn)時(shí),原水流量分別為1 500,1 800,2 000,2 500 L/h四種,原水流量1 500 L/h時(shí),水壓較小,產(chǎn)量上不去,影響制水效率;原水流量1 800 L/h時(shí),基本能正常生產(chǎn),但略有不足;原水流量2 500 L/h時(shí),原水箱供水不足,容易出現(xiàn)大量空氣進(jìn)入制水管路,影響設(shè)備運(yùn)行。原水流量2 000 L/h時(shí),能滿足正常生產(chǎn),比較穩(wěn)定,可長(zhǎng)期生產(chǎn)。所以原水流量宜控制在2 000 L/h[6]。

6.2 一級(jí)淡水流量

實(shí)驗(yàn)時(shí),一級(jí)淡水流量分別為9,11,13,15,17 L/min五種,一級(jí)淡水流量9 L/min時(shí),效率不高,產(chǎn)量較小,一級(jí)電導(dǎo)率較低,水浪費(fèi)的有些多;一級(jí)淡水流量11 L/min時(shí),也不是很理想;一級(jí)淡水流量15 L/min時(shí),產(chǎn)量較大,一級(jí)電導(dǎo)率相比稍高,二級(jí)淡水箱生產(chǎn)一段時(shí)間后會(huì)水滿溢出,不適合長(zhǎng)期生產(chǎn);一級(jí)淡水流量17 L/min時(shí),二級(jí)淡水箱溢出時(shí)間更短,一級(jí)電導(dǎo)率相比更高一些;一級(jí)淡水流量13 L/min時(shí),比較理想,產(chǎn)量最大,一級(jí)電導(dǎo)率較為穩(wěn)定,二級(jí)淡水箱也無(wú)溢出情況,適合長(zhǎng)期生產(chǎn)。

6.3 二級(jí)淡水流量

實(shí)驗(yàn)時(shí),二級(jí)淡水流量分別為5,7,9,11,13 L/min五種,二級(jí)淡水流量5 L/min時(shí),效率不高,產(chǎn)量較小,一級(jí)淡水箱里面的一級(jí)淡水較多,易溢出,二級(jí)電導(dǎo)率較低;二級(jí)淡水流量7 L/min時(shí),效率也不高,產(chǎn)量稍微小一些,一級(jí)淡水箱里面的一級(jí)淡水也較多,時(shí)間久了,也會(huì)溢出,不適合長(zhǎng)時(shí)間生產(chǎn),二級(jí)電導(dǎo)率較為穩(wěn)定;二級(jí)淡水流量11 L/min時(shí),效率較高,產(chǎn)量較大,一級(jí)淡水箱里面的一級(jí)淡水供應(yīng)稍微不足,時(shí)間久了,一級(jí)淡水箱會(huì)用盡,不適合長(zhǎng)時(shí)間生產(chǎn),二級(jí)電導(dǎo)率略微高一些;二級(jí)淡水流量13 L/min時(shí),一級(jí)淡水箱里面的一級(jí)淡水供應(yīng)明顯不足,無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間生產(chǎn),二級(jí)電導(dǎo)率更高一些;二級(jí)淡水流量9 L/min時(shí),效率較高,產(chǎn)量合適,一級(jí)淡水箱供水充足,可以長(zhǎng)時(shí)間生產(chǎn),時(shí)間久了,二級(jí)電導(dǎo)率較為穩(wěn)定。

6.4 阻垢劑的加入量

一級(jí)加藥箱加的是稀釋后的阻垢劑,阻垢劑的濃度與阻垢效果有很大的關(guān)系,一般隨著濃度的增加,阻垢能力也相應(yīng)的增強(qiáng),但達(dá)到一定濃度后阻垢能力不再明顯提高,根據(jù)要求,一級(jí)反滲透加阻垢劑量為0.33～0.35 mg/L,適用本設(shè)備一級(jí)加藥箱加藥量分別為:40 mL/min。阻垢劑濃度效果不理想時(shí),則考慮另選其他配方的阻垢劑[7]。

6.5 氫氧化鈉的加入量

二級(jí)加藥箱加的是氫氧化鈉,加氫氧化鈉主要目的是去除水中的二氧化碳,二氧化碳能微量溶于水,可以以動(dòng)態(tài)平衡的二氧化碳+水分子形成碳酸的狀態(tài)存在,也可以以二氧化碳?xì)怏w狀態(tài)溶于水的狀態(tài)存在,反滲透膜不能去除氣體,因此氣體形式溶于水的二氧化碳就到了反滲透膜后,水中碳酸量下降,部分氣體二氧化碳又轉(zhuǎn)化成碳酸,這時(shí)候水的電導(dǎo)率就會(huì)升高,pH值會(huì)降低,不符合純化水的要求,在水中加上氫氧化鈉,氫氧根離子就會(huì)與碳酸反應(yīng),最后得到碳酸氫鈉和水分子,等于變相把水中的二氧化碳去除掉了,水中沒(méi)有二氧化碳,也不會(huì)產(chǎn)生碳酸,因此pH值比較正常,電導(dǎo)也不會(huì)升高[8]。

二級(jí)加藥箱的加藥量,沒(méi)有特定比例,水中二氧化碳量不確定,所以二級(jí)加藥箱加藥量也不確定,可以用精密酸度儀去調(diào)節(jié),一般調(diào)到pH值在8～8.4之間。也可以反復(fù)調(diào)試,直至電導(dǎo)最好。適用于本設(shè)備的最佳二級(jí)加藥箱加藥量為20 mL/min,其他流量的加藥量電導(dǎo)率和pH值都不理想[9]。

6.6 沖洗一級(jí)反滲透膜時(shí)間

實(shí)驗(yàn)時(shí),沖洗一級(jí)反滲透膜的時(shí)間分別為20,30,40 min三種,實(shí)驗(yàn)證明沖洗一級(jí)反滲透膜30 min最優(yōu),電導(dǎo)率符合要求,且比較穩(wěn)定,符合實(shí)際生產(chǎn)需要。沖洗一級(jí)反滲透膜的時(shí)間短了,電導(dǎo)率較高,不易下降,沖洗時(shí)間長(zhǎng)了又變化不大,有些浪費(fèi)水。

6.7 沖洗二級(jí)反滲透膜時(shí)間

實(shí)驗(yàn)時(shí),沖洗二級(jí)反滲透膜的時(shí)間分別為10,20,30 min三種,實(shí)驗(yàn)證明沖洗二級(jí)反滲透膜20 min最優(yōu),電導(dǎo)率更符合要求,且很穩(wěn)定,符合實(shí)際生產(chǎn)需要。

7 結(jié)語(yǔ)

在實(shí)際生產(chǎn)操作中,二級(jí)反滲透法制備純化水中較難掌握的就是原水流量、一級(jí)淡水流量、二級(jí)淡水流量、二級(jí)加藥箱中氫氧化鈉加入量等相對(duì)核心經(jīng)驗(yàn)技術(shù)點(diǎn),很多時(shí)候,耗費(fèi)大量時(shí)間也生產(chǎn)不出合格的純化水,非常耗費(fèi)時(shí)間去進(jìn)行前期處理工作[10]。本實(shí)驗(yàn)從實(shí)際生產(chǎn)操作出發(fā),摸索經(jīng)驗(yàn),加以分析,根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果,對(duì)數(shù)據(jù)運(yùn)用科學(xué)的方法進(jìn)行分析比較研究,得出比較適合實(shí)際操作我校GMP車間寶應(yīng)縣華東凈化設(shè)備有限公司生產(chǎn)的FS-0.5型純化水設(shè)備的最佳工藝條件為:原水流量2 000 L/h,一級(jí)淡水流量13 L/min,二級(jí)淡水流量9 L/min,一級(jí)加藥箱加藥量:40 mL/min,二級(jí)加藥箱加藥量20 mL/min,沖洗一級(jí)反滲透膜30 min,沖洗二級(jí)反滲透膜20 min,在此工藝條件下最快最優(yōu)生產(chǎn)出電導(dǎo)率和pH值較為理想的合格純化水,為學(xué)生實(shí)踐操作反滲透法制備純化水設(shè)備提供較為成熟的制備工藝參數(shù),方便實(shí)踐教學(xué)中學(xué)生最快最優(yōu)生產(chǎn)出合格且產(chǎn)量大的純化水,方便實(shí)踐教學(xué),節(jié)省實(shí)訓(xùn)時(shí)間,提高實(shí)訓(xùn)效率,會(huì)給教學(xué)實(shí)踐指導(dǎo)人員帶來(lái)很大的工作便利。