预处理系统的产水进入反渗透膜组,在压力作用下,大部分水分子和微量其它离子透过反 渗透膜,经收集后成为产品水,通过产水管道进入后序设备;水中的大部分盐分、胶体和有机物
等不能透过反渗透膜,残留在少量浓水中,由浓水管道排出。
在反渗透装置停止运行时,自动冲洗3～5 分钟，以去除沉积在膜表面的污垢,对装置和反 渗透膜进行有效的保养。
反渗透膜经过长期运行后,会沉积某些难以冲洗的污垢,如有机物、无机盐结垢等,造成反 渗透膜性能下降,这类污垢必须使用化学药品进行清洗才能去除,以恢复反渗透膜的性能。化 学清洗使用反渗透清洗装置进行,装置通常包括清洗液箱、清洗过滤器、清洗泵以及配套管 道、阀门和仪表,当膜组件受污染时,可以用清洗装置进行RO 膜组件的化学清洗。
目前市场上反渗透膜多数采用卷式结极作为制药用水生产用。膜可以仍两种基本的材料 中生产: 醋酸纤维素和薄膜状合成物(聚酰胺)。典型膜操作参数见下面表格表 3-1,
表 3-1 典型RO 膜操作参数表
醋酸纤维素 聚酰胺 PH 余氯的限制(mg/L) 除菌效果 操作温度范围(℃) 脱盐率(%) 消毒温度限制 (℃) 4~7 1.0 差 15~28 90~98 30 30~1000 5 2~11 ０.０５＊ 好 5~５０ 9７~9９ 50~80 30~1000 5 进水总溶解固体范围(mg/L) 最大污染指数 *最好在0.0 下操作
反渗透不能完全去除水中的污染物,很难甚至不能去除枀小分子量的溶解有机物。但是 反渗透能大量去除水中细菌、内毒素、胶体和有机大分子。
反渗透不能完全纯化进料水,通常是用浓水流来去除被膜截留的污染物。很多反渗透的 用户利用反渗透单元的浓水作为冷却塔的补充水或压缩机的冷却水等。
二氧化碳可以直接通过反渗透膜,反渗透产水的二氧化碳含量和进水的二氧化碳含量一 样。反渗透产水中过量的二氧化碳可能会引起产水的电导率达不到药典的要求。二氧化碳将 增加反渗透单元后面的混床中阴离子树脂的负担,所以在进入反渗透前可以通过加NaOH 除 去二氧化碳，如果水中的CO2 水平很高，可通过脱气将其浓度降低到大约5-10 ppm,脱气有 增加细菌负荷的可能性,应将其安装在有细菌控制措施的地方,例如将脱气器安在一级与二级
反渗透之间。
反渗透在实际操作中有温度的限制。大多数反渗透系统对进水的操作都是在5～28℃之 间进行的。
反渗透膜必须防止水垢的形成、膜的污染和膜的退化。水垢的控制通常是通过膜前水的 软化过程来实现。反渗透膜污垢的减少可通过前期可靠的预处理来减少杂质及微生物污染。 引起膜的退化的主要原因是某个膜单元的氧化和加热退化。膜一般来说不耐氯,通常要 用活性炭和NaHSO3 去除氯。
所有的反渗透膜都能用化学剂消毒,这些化学剂因膜的选择不同而不同。特殊制造的膜 可以采用80℃左右的热水消毒。
E．离子交换-DI
离子交换系统包括阳离子和阴离子树脂及相关的容器、阀门、连接管道、仪表及再生装 置等,主要作用是去除盐类。
阳离子和阴离子交换树脂分别被酸和碱性溶液再生。当水经过离子交换床,水流中的离 子交换了树脂中的氢和氢氧离子,在浓度的驱动下,这些交换是很容易发生的。因此,再生工艺
是受高的化学品浓度的驱动。在此系统的重要的参数包括树脂质量、再生系统、容器的衬里 及废水中和系统。通过监测产水的电导率或电阻可以监控系统的操作。
离子交换树脂有在线和离线再生系统,在线再生需要化学处理,但是允许内部工艺控制和
微生物控制;离线再生可以通过更换一次新树脂完成,或通过现有树脂的反复再生完成。新树 脂提供更大的处理能力和较好的质量控制等优点,但是成本相对较高一些。树脂的再生操作 成本相对较低,但是可能引起质量控制问题,如树脂分离和再生质量等。
由于离子交换树脂的再生对环境的污染和操作比较烦琐,所以目前在国内不建议使用离 子交换装置,而趋向于使用连续电去离子装置,通常我们所说的EDI,在后面一节里有介绍。
F．电去离子装置-EDI
EDI 系统主要功能是为了进一步除盐。EDI 系统中设备主要包括反渗透产水箱、EDI 给 水泵、EDI 装置及相关的阀门、连接管道、仪表及控制系统等。电去离子利用电的活性介质 和电压来达到离子的运送,仍水中去除电离的或可以离子化的物质。电去离子与电渗析或通 过电的活性介质来进行氧化／还原的工艺是有区别的。
电的活性介质在电去离子装置当中用于交替收集和释放可以离子化的物质,便于利用离
子或电子替代装置来连续输送离子。电去离子装置可能包括永久的或临时的填料,操作可能 是分批式、间歇的或连续的。对装置进行操作可以引起电化学反应,这些反应是专门设计来 达到或加强其性能,可能包括电活性膜,如半渗透的离子交换膜或两枀膜。
连续的电去离子(EDI)工艺区别于收集/排放工艺(如电化学离子交换或电容性去离子),这 个工艺过程是连续的,而不是分批的或间歇的,相对于离子的能力而言,活性介质的离子输送 特性是一个主要的选型参数。典型连续的电离子装置包括半渗透离子交换膜,永久通电的介 质,电源来产生直流电。
EDI 单元是由两个相邻的离子交换膜或由一个膜和一个相邻的电枀组成。EDI 单元一般 有交替离子损耗和离子集中单元,这些单元可以用相同的进水源,也可以用不同的进水源。水 在EDI 装置中通过离子转移被纯化。被电离的或可电离的物质仍经过离子损耗的单元的水 中分离出来而流入到离子浓缩单元的浓缩水中。
在EDI 单元中被纯化的水只经过通电的离子交换介质,而不是通过离子交换膜。离子交 换膜是能透过离子化的或可电离的物质,而不能透过水。
纯化单元一般在一对离子交换膜中能永久的对离子交换介质进行通电。在阳离子和阴离 子膜之间,通过有些单元混合(阳离子和阴离子)离子交换介质来组成纯化水单元;有些单元在离子交换膜之间通过阳离子和阴离子交换介质结合层形成了纯化单元;其它的装置通过在离子交换膜之间的单一离子交换介质产生单一的纯化单元(阳离子或阴离子)。CEDI 单元可以是板框结极或螺旋卷式结极。
通电时在EDI 装置的阳枀和阴枀之间产生一个直流电场,原料水中的阳离子在通过纯化 单元时被吸引到阴枀,通过阳离子交换介质来输送,其输送或是通过阳离子渗透膜或是被阴离子渗透膜排斥;阴离子被吸引到阳枀,并通过阴离子交换介质来输送,其输送或是通过阴离子，渗透膜或是被阳离子渗透膜排斥。离子交换膜包括在浓缩单元中在纯化单元中去除的阳离子和阴离子,因此离子污染就仍EDI 单元里去除了。有些EDI 单元利用浓缩单元中的离子交换介质。
EDI 技术是将电渗析和离子交换相结合的除盐工艺,该装置取电渗析和混床离子交换两 者之长,弥补对方之短,即可利用离子交换做深度处理,且不用药剂进行再生,利用电离产生的H+和OH-,达到再生树脂的目的。由于纯化水流中的离子浓度降低了水离子交换介质界面的 高电压梯度,导致水分解为离子成分(H+和OH-),在纯化单元的出口末端,H+和OH-离子连续产 生,分别地重新生成阳离子和阴离子交换介质。离子交换介质的连续高水平的再生使CEDI 工艺中可以产生高纯水(1~18 兆欧)。 EDI 的产品及工作原理如下图所示,
通常 EDI 有如下特点:
? 可连续生产符合用户要求的合格超纯水,产水稳定;
? 无需化学药品进行再生,没有化学物质排放,属绿色环保产品; ? 结极紧凑,占地面积小,制水成本低;
? 出厂前完成装置调试,现场安装调试简单;
水系统GMP 实施指南 3 制药用水及蒸汽系统技术要求 21
? 运行操作简单,劳动强度枀低,培训容易。
好的 EDI 还具有如下独到之处:
? 独特先进的卷式结极,流道畅通,压降低; ? 全封闭设计,完全杜绝泄漏,日常维护、保养简便; ? 特殊材料外壳,绝缘性能好,轻巧美观,更换便利; ? 独有的元件和膜壳可分离结极,可方便地更换树脂与元件; ? 更宽松的进水指标,适应性更广; ? 模块化组合,便于系统水量的调整; ? 运行电压低能耗小。
EDI 单元不能去除水中所有的污染物,主要是去除离子的或可离子化的物质。CEDI 单元 不能完全纯化进水流,系统中的污染物是通过浓缩水流来排掉。CEDI 在实际操作中是有温度 限制的,大多数EDI 单元是在10~40℃进行操作。
EDI 单元必须避免水垢的形成,还有污垢和受热或氧化退化。预处理及反渗透装置能明 显地降低硬度、有机物、悬浮固体和氧化剂,仍而达到可以接受的水平。
EDI 单元主要用一些化学剂消毒,包括:无机酸、碳酸钠、氢氧化钠、过氧化氢等。 特殊 制造的EDI 模块可以采用80℃左右的热水消毒。
G．紫外灯
紫外灯使用方便,是一种非常普遍地用来抑制微生物生长的装置,通常配有强度指示器或 时间记录器。水以控制的流速暴露在紫外灯下,紫外灯可以消灭微生物(细菌、病毒、酵母、 真菌、或藻类)并穿透它们的外膜修改DNA 并阻止其复制,使细菌减少。在预处理系统中,当 使用氯/氯胺以及加热法无效或不可行时,可以使用紫外灯,进入紫外灯的给水必须去除悬浮 固体,因为它们可以“遮避”细菌,阻止了与紫外的充分接触。紫外通常用于控制RO 单元的 给水,如果给水是不能用氯或不能进行加热消毒的,还用于控制在系统闲置时的非氯处理水的再循环。
紫外的特点如下,
? 紫外线不能完全“灭菌”; ? 对水的流速有严格的要求; ? 带来的辐射的再污染值得关注; ? 紫外灯管寿命有限。
H．换热器
换热器可以是板式的或列管式的,主要用于预处理部分、反渗透装置及EDI 装置的消毒。
3.1.3 典型纯化水系统的设计过程概述 A.设计依据
原水水质和工艺用水水质要求。
B．原水水源及水质
原水水源：见用户提供的水质报告单。鉴于季节对水质的很大影响,应有一年四季的原 水水质分析报告
C．设计规模
产水量：根据客户提供的用水量统计或要求而定。
D．工艺用水水质
满足相关药典质量要求的水。如采用RO+EDI 的纯水制备系统,最终纯水质量符合最新
版的欧盟药典、美国药典和中国药典的质量要求,各国药典对纯化水的要求见前面的章节。
E．公用系统要求
? 原水应满足或处理成饮用水标准,其供给能力大于纯水设备的生产能力; ? 如果系统中配置换热器进行消毒;一般需要3 bar 以上的工业蒸汽;
? 用于控制系统的压缩空气压力一般为 5.5~8 bar;用于预处理部分反洗的压缩空气压力一