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

天然狀態的水極易滋生微生物，不能直接被用于制藥工業中。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現水液面降低了，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，經常根據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的影響，同時降低SDI（污染指數）值，達到反滲透系統的進水要求。

圖2　二級反滲透純化水制備系統工藝流程圖

3　主要設備及作用

二級反滲透純化水系統的主要設備及規格型號如表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的主要設備及規格型號

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，當膜表面已經結垢時，還能夠使已經形成的垢逐漸溶解，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。其運行數據如表2所示。

表2　我公司二級反滲透純化水系統的運行數據

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進行了

5　結語

我公司的二級反滲透純化水系統裝置通過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，并且質量穩定，對公司的節能減排起到一定的作用。

［1］國家食品藥品監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。