二級反滲透法制備純化水實踐操作的參數研究

張海松

(江蘇省徐州醫藥高等職業學校,江蘇 徐州 221106)

水是我們日常生活中用的最多的物質,也是藥品生產制備過程中用量最大最廣的原料之一,制藥工業用水的水源有城市自來水和天然水,這些水源的水質受自然界地理環境影響及人為的三廢排放污染的影響,往往含有懸浮雜質、有機物、細菌、熱源、各種無機鹽及溶解于水的各種氣體等有害物質。水處理就是根據各種工藝用水的水質要求,采取有效措施,除去相關的有害物質,制備符合標準的各種工藝用。在藥品生產過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準的水;純化水是指飲用水經蒸餾法、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工藝制備所得的水。純化水常用的制備技術有離子交換法、電滲析法、反滲透法、蒸餾法;還可以將上述幾種制備技術綜合應用,如離子交換法和電滲析法或反滲透法結合應用等,具有制得的純化水質量好、經濟、方便、效率高等優點。反滲透法制備純化水的技術是20世紀60年代以來,隨著膜工藝技術的進步發展起來的一種膜分離技術,已經越廣泛地使用在水處理過程中。反滲透法制備純化水工藝的操作簡單,除鹽效率高,使用在制藥用水系統中還具有較高的除熱原能力,而且也比較經濟。目前,在一些新建或擴建的制水系統項目中,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:一級反滲透系統、二級反滲透系統、一級反滲透系統+二級反滲透系統、一級反滲透系統+離子交換系統、一級反滲透系統+電法去離子(EDI)、二級反滲透系統+電法去離子(EDI)、超濾膜+反滲透+電法去離子(EDI)。二級反滲透法在純化水制備中應用越來越多,越來越廣泛[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,純水側的水會自發地通過半透膜流入鹽水一側,這種現象稱為滲透,若在膜的鹽水側施加壓力,鹽水中的水將流入純水側,這就是水的反滲透的基本原理。反滲透設施生產純水的關鍵有兩個,一是半透膜,二是一定的壓力[2]。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而與透過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通常有以下幾種流程:

(1)自來水→原水罐→原水泵→石英砂過濾濾器→活性炭過濾器→精密過濾器→一級高壓泵→加入阻垢劑→一級反滲透→一級淡水箱→加入氫氧化鈉→二級高壓泵→二級反滲透→二級淡水箱→臭氧發生器→純化水。

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

(3)自來水→原水罐→原水泵→石英砂過濾濾器→活性炭過濾器→精密過濾器→一級高壓泵→加入阻垢劑→一級反滲透→一級淡水箱→加入氫氧化鈉→二級高壓泵→離子交換系統→二級淡水箱→臭氧發生器→純化水。

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

3 實驗設備

實驗設備:江蘇省寶應縣華東凈化設備有限公司生產的FS-0.5型純化水制備設備,DDS-11A電導率儀,PHS-2C精密酸度儀。

4 實驗工藝

自來水→原水罐→原水泵→石英砂過濾濾器→活性炭過濾器→精密過濾器→一級高壓泵→加入阻垢劑→一級反滲透→一級淡水箱→加入氫氧化鈉→二級高壓泵→二級反滲透→二級淡水箱→臭氧發生器→純化水[5]。

5 實驗過程

以我校GMP車間的江蘇省寶應縣華東凈化設備有限公司生產的FS-0.5型純化水設備為例進行實際生產操作。對實際生產中的原水流量、一級淡水流量、二級淡水流量、一級加藥箱里阻垢劑的加入量,二級加藥箱中氫氧化鈉加入量、沖洗一級反滲透膜時間、沖洗二級反滲透膜時間、一級電導率、二級電導率、產量、花費時間、最終的檢測指標電導率、pH值等進行實驗記錄,記錄如下:

(1)實驗時間:2022年11月9日。工藝:一級反滲透+二級反滲透法。主要參數:原水流量1 500 L/h,流量17 L/min,二級淡水流量13 L/min,一級加藥箱加藥量:120 mL/min,二級加藥箱加藥量40 mL/min,沖洗一級反滲透膜20 min,沖洗二級反滲透膜10 min,一級電導率13.27～14.36 μs/cm,二級電導率1.85～1.98 μs/cm。生產純化水300 L,耗時約2 h,檢測指標:最終電導1.93 μs/cm,pH值:7.2。

(2)實驗時間:2022年11月12日。工藝:一級反滲透+二級反滲透法。主要參數:原水流量2 000 L/h,一級淡水流量13 L/min,二級淡水流量11 L/min,一級加藥箱加藥量:80 mL/min,二級加藥箱加藥量40 mL/min,沖洗一級反滲透膜20 min,沖洗二級反滲透膜20 min,一級電導率10.78～11.87 μs/cm,二級電導率1.73～1.94 μs/cm。生產純化水300 L,耗時約3 h,檢測指標:最終電導1.82 μs/cm,pH值:6.9。

(3)實驗時間:2022年11月22日。工藝:一級反滲透+二級反滲透法。主要參數:原水流量1 500 L/h,一級淡水流量15 L/min,二級淡水流量7 L/min,一級加藥箱加藥量:40 mL/min,二級加藥箱加藥量30 mL/min,沖洗一級反滲透膜40 min,沖洗二級反滲透膜30 min,一級電導率17.25～19.36 μs/cm,二級電導率1.88～2.03 μs/cm。生產純化水300 L,耗時約3.5 h,檢測指標:最終電導1.76 μs/cm,pH值:6.7.

(4)實驗時間:2022年11月28日。工藝:一級反滲透+二級反滲透法。主要參數:原水流量2 000 L/h,一級淡水流量13 L/min,二級淡水流量9 L/min,一級加藥箱加藥量:40 mL/min,二級加藥箱加藥量20 mL/min,沖洗一級反滲透膜30 min,沖洗二級反滲透膜20 min,一級電導率10.25～12.36 μs/cm,二級電導1.32～1.54 μs/cm。生產純化水300L,耗時約2.5 h,檢測指標:最終電導率1.42 μs/cm,pH值:6.2.

(5)實驗時間:2022年11月28日。工藝:一級反滲透+二級反滲透法。主要參數:原水流量1 800 L/h,一級淡水流量9 L/min,二級淡水流量5 L/min,一級加藥箱加藥量:40 mL/min,二級加藥箱加藥量20 mL/min,沖洗一級反滲透膜30 min,沖洗二級反滲透膜10 min,一級電導率11.25～13.36 μs/cm,二級電導率1.58～1.89 μs/cm。生產純化水300 L,耗時約5 h,檢測指標:最終電導1.67 μs/cm,pH值:6.5。

6 實驗分析

根據多次實驗數據結果,對數據運用科學的方法進行分析比較研究。分析比較以下幾種主要參數:

6.1 原水流量

實驗時,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,水壓較小,產量上不去,影響制水效率;原水流量1 800 L/h時,基本能正常生產,但略有不足;原水流量2 500 L/h時,原水箱供水不足,容易出現大量空氣進入制水管路,影響設備運行。原水流量2 000 L/h時,能滿足正常生產,比較穩定,可長期生產。所以原水流量宜控制在2 000 L/h[6]。

6.2 一級淡水流量

實驗時,一級淡水流量分別為9,11,13,15,17 L/min五種,一級淡水流量9 L/min時,效率不高,產量較小,一級電導率較低,水浪費的有些多;一級淡水流量11 L/min時,也不是很理想;一級淡水流量15 L/min時,產量較大,一級電導率相比稍高,二級淡水箱生產一段時間后會水滿溢出,不適合長期生產;一級淡水流量17 L/min時,二級淡水箱溢出時間更短,一級電導率相比更高一些;一級淡水流量13 L/min時,比較理想,產量最大,一級電導率較為穩定,二級淡水箱也無溢出情況,適合長期生產。

6.3 二級淡水流量

實驗時,二級淡水流量分別為5,7,9,11,13 L/min五種,二級淡水流量5 L/min時,效率不高,產量較小,一級淡水箱里面的一級淡水較多,易溢出,二級電導率較低;二級淡水流量7 L/min時,效率也不高,產量稍微小一些,一級淡水箱里面的一級淡水也較多,時間久了,也會溢出,不適合長時間生產,二級電導率較為穩定;二級淡水流量11 L/min時,效率較高,產量較大,一級淡水箱里面的一級淡水供應稍微不足,時間久了,一級淡水箱會用盡,不適合長時間生產,二級電導率略微高一些;二級淡水流量13 L/min時,一級淡水箱里面的一級淡水供應明顯不足,無法長時間生產,二級電導率更高一些;二級淡水流量9 L/min時,效率較高,產量合適,一級淡水箱供水充足,可以長時間生產,時間久了,二級電導率較為穩定。

6.4 阻垢劑的加入量

一級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系,一般隨著濃度的增加,阻垢能力也相應的增強,但達到一定濃度后阻垢能力不再明顯提高,根據要求,一級反滲透加阻垢劑量為0.33～0.35 mg/L,適用本設備一級加藥箱加藥量分別為:40 mL/min。阻垢劑濃度效果不理想時,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,可以以動態平衡的二氧化碳+水分子形成碳酸的狀態存在,也可以以二氧化碳氣體狀態溶于水的狀態存在,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化成碳酸,這時候水的電導率就會升高,pH值會降低,不符合純化水的要求,在水中加上氫氧化鈉,氫氧根離子就會與碳酸反應,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,水中沒有二氧化碳,也不會產生碳酸,因此pH值比較正常,電導也不會升高[8]。

二級加藥箱的加藥量,沒有特定比例,水中二氧化碳量不確定,所以二級加藥箱加藥量也不確定,可以用精密酸度儀去調節,一般調到pH值在8～8.4之間。也可以反復調試,直至電導最好。適用于本設備的最佳二級加藥箱加藥量為20 mL/min,其他流量的加藥量電導率和pH值都不理想[9]。

6.6 沖洗一級反滲透膜時間

實驗時,沖洗一級反滲透膜的時間分別為20,30,40 min三種,實驗證明沖洗一級反滲透膜30 min最優,電導率符合要求,且比較穩定,符合實際生產需要。沖洗一級反滲透膜的時間短了,電導率較高,不易下降,沖洗時間長了又變化不大,有些浪費水。

6.7 沖洗二級反滲透膜時間

實驗時,沖洗二級反滲透膜的時間分別為10,20,30 min三種,實驗證明沖洗二級反滲透膜20 min最優,電導率更符合要求,且很穩定,符合實際生產需要。

7 結語

在實際生產操作中,二級反滲透法制備純化水中較難掌握的就是原水流量、一級淡水流量、二級淡水流量、二級加藥箱中氫氧化鈉加入量等相對核心經驗技術點,很多時候,耗費大量時間也生產不出合格的純化水,非常耗費時間去進行前期處理工作[10]。本實驗從實際生產操作出發,摸索經驗,加以分析,根據實驗數據結果,對數據運用科學的方法進行分析比較研究,得出比較適合實際操作我校GMP車間寶應縣華東凈化設備有限公司生產的FS-0.5型純化水設備的最佳工藝條件為:原水流量2 000 L/h,一級淡水流量13 L/min,二級淡水流量9 L/min,一級加藥箱加藥量:40 mL/min,二級加藥箱加藥量20 mL/min,沖洗一級反滲透膜30 min,沖洗二級反滲透膜20 min,在此工藝條件下最快最優生產出電導率和pH值較為理想的合格純化水,為學生實踐操作反滲透法制備純化水設備提供較為成熟的制備工藝參數,方便實踐教學中學生最快最優生產出合格且產量大的純化水,方便實踐教學,節省實訓時間,提高實訓效率,會給教學實踐指導人員帶來很大的工作便利。