二级反渗透法制备纯化水实践操作的参数研究

张海松

(江苏省徐州医药高等职业学校,江苏 徐州 221106)

水是我们日常生活中用的最多的物质,也是药品生产制备过程中用量最大最广的原料之一,制药工业用水的水源有城市自来水和天然水,这些水源的水质受自然界地理环境影响及人为的三废排放污染的影响,往往含有悬浮杂质、有机物、细菌、热源、各种无机盐及溶解于水的各种气体等有害物质。水处理就是根据各种工艺用水的水质要求,采取有效措施,除去相关的有害物质,制备符合标准的各种工艺用。在药品生产过程中使用的水分为即饮用水、纯化水、注射用水、灭菌注射用水。饮用水是指符合生活饮用水标准的水;纯化水是指饮用水经蒸馏法、离子交换法、反渗透法或其他适宜方法所制得的水。注射用水是指纯化水经蒸馏所制得的水;灭菌注射用水是指注射用水照注射剂生产工艺制备所得的水。纯化水常用的制备技术有离子交换法、电渗析法、反渗透法、蒸馏法;还可以将上述几种制备技术综合应用,如离子交换法和电渗析法或反渗透法结合应用等,具有制得的纯化水质量好、经济、方便、效率高等优点。反渗透法制备纯化水的技术是20世纪60年代以来,随着膜工艺技术的进步发展起来的一种膜分离技术,已经越广泛地使用在水处理过程中。反渗透法制备纯化水工艺的操作简单,除盐效率高,使用在制药用水系统中还具有较高的除热原能力,而且也比较经济。目前,在一些新建或扩建的制水系统项目中,采用反渗透方法作为纯化水制备中除盐的首选方案。反渗透装置有各种不同的组合方式,不同的组合方式有着不同的适用范围,以下是几种反渗透制备纯化水的组合:一级反渗透系统、二级反渗透系统、一级反渗透系统+二级反渗透系统、一级反渗透系统+离子交换系统、一级反渗透系统+电法去离子(EDI)、二级反渗透系统+电法去离子(EDI)、超滤膜+反渗透+电法去离子(EDI)。二级反渗透法在纯化水制备中应用越来越多,越来越广泛[1]。

1 反渗透法制备纯化水的基本原理

纯水和盐水被理想半透膜隔开,纯水侧的水会自发地通过半透膜流入盐水一侧,这种现象称为渗透,若在膜的盐水侧施加压力,盐水中的水将流入纯水侧,这就是水的反渗透的基本原理。反渗透设施生产纯水的关键有两个,一是半透膜,二是一定的压力[2]。简单地说,反渗透半透膜上有众多的孔,这些孔的大小与水分子的大小相当,由于细菌、病毒、大部分有机污染物和水合离子均比水分子大得多,因此不能透过反渗透半透膜而与透过反渗透膜的水相分离。

2 渗透法制备纯化水工艺流程

反渗透法制备纯化水的生产通常有以下几种流程:

(1)自来水→原水罐→原水泵→石英砂过滤滤器→活性炭过滤器→精密过滤器→一级高压泵→加入阻垢剂→一级反渗透→一级淡水箱→加入氢氧化钠→二级高压泵→二级反渗透→二级淡水箱→臭氧发生器→纯化水。

(2)自来水→原水罐→原水泵→石英砂过滤滤器→活性炭过滤器→精密过滤器→一级高压泵→加入阻垢剂→一级反渗透→一级淡水箱→加入氢氧化钠→二级高压泵→电法去离子(EDI)→二级淡水箱→臭氧发生器→纯化水[3]。

(3)自来水→原水罐→原水泵→石英砂过滤滤器→活性炭过滤器→精密过滤器→一级高压泵→加入阻垢剂→一级反渗透→一级淡水箱→加入氢氧化钠→二级高压泵→离子交换系统→二级淡水箱→臭氧发生器→纯化水。

涉及到反渗透法制备纯化水设备组合方式还有一级反渗透系统、二级反渗透系统、二级反渗透系统+电法去离子(EDI)、超滤膜+反渗透+电法去离子(EDI)等[4]。

3 实验设备

实验设备:江苏省宝应县华东净化设备有限公司生产的FS-0.5型纯化水制备设备,DDS-11A电导率仪,PHS-2C精密酸度仪。

4 实验工艺

自来水→原水罐→原水泵→石英砂过滤滤器→活性炭过滤器→精密过滤器→一级高压泵→加入阻垢剂→一级反渗透→一级淡水箱→加入氢氧化钠→二级高压泵→二级反渗透→二级淡水箱→臭氧发生器→纯化水[5]。

5 实验过程

以我校GMP车间的江苏省宝应县华东净化设备有限公司生产的FS-0.5型纯化水设备为例进行实际生产操作。对实际生产中的原水流量、一级淡水流量、二级淡水流量、一级加药箱里阻垢剂的加入量,二级加药箱中氢氧化钠加入量、冲洗一级反渗透膜时间、冲洗二级反渗透膜时间、一级电导率、二级电导率、产量、花费时间、最终的检测指标电导率、pH值等进行实验记录,记录如下:

(1)实验时间:2022年11月9日。工艺:一级反渗透+二级反渗透法。主要参数:原水流量1 500 L/h,流量17 L/min,二级淡水流量13 L/min,一级加药箱加药量:120 mL/min,二级加药箱加药量40 mL/min,冲洗一级反渗透膜20 min,冲洗二级反渗透膜10 min,一级电导率13.27～14.36 μs/cm,二级电导率1.85～1.98 μs/cm。生产纯化水300 L,耗时约2 h,检测指标:最终电导1.93 μs/cm,pH值:7.2。

(2)实验时间:2022年11月12日。工艺:一级反渗透+二级反渗透法。主要参数:原水流量2 000 L/h,一级淡水流量13 L/min,二级淡水流量11 L/min,一级加药箱加药量:80 mL/min,二级加药箱加药量40 mL/min,冲洗一级反渗透膜20 min,冲洗二级反渗透膜20 min,一级电导率10.78～11.87 μs/cm,二级电导率1.73～1.94 μs/cm。生产纯化水300 L,耗时约3 h,检测指标:最终电导1.82 μs/cm,pH值:6.9。

(3)实验时间:2022年11月22日。工艺:一级反渗透+二级反渗透法。主要参数:原水流量1 500 L/h,一级淡水流量15 L/min,二级淡水流量7 L/min,一级加药箱加药量:40 mL/min,二级加药箱加药量30 mL/min,冲洗一级反渗透膜40 min,冲洗二级反渗透膜30 min,一级电导率17.25～19.36 μs/cm,二级电导率1.88～2.03 μs/cm。生产纯化水300 L,耗时约3.5 h,检测指标:最终电导1.76 μs/cm,pH值:6.7.

(4)实验时间:2022年11月28日。工艺:一级反渗透+二级反渗透法。主要参数:原水流量2 000 L/h,一级淡水流量13 L/min,二级淡水流量9 L/min,一级加药箱加药量:40 mL/min,二级加药箱加药量20 mL/min,冲洗一级反渗透膜30 min,冲洗二级反渗透膜20 min,一级电导率10.25～12.36 μs/cm,二级电导1.32～1.54 μs/cm。生产纯化水300L,耗时约2.5 h,检测指标:最终电导率1.42 μs/cm,pH值:6.2.

(5)实验时间:2022年11月28日。工艺:一级反渗透+二级反渗透法。主要参数:原水流量1 800 L/h,一级淡水流量9 L/min,二级淡水流量5 L/min,一级加药箱加药量:40 mL/min,二级加药箱加药量20 mL/min,冲洗一级反渗透膜30 min,冲洗二级反渗透膜10 min,一级电导率11.25～13.36 μs/cm,二级电导率1.58～1.89 μs/cm。生产纯化水300 L,耗时约5 h,检测指标:最终电导1.67 μs/cm,pH值:6.5。

6 实验分析

根据多次实验数据结果,对数据运用科学的方法进行分析比较研究。分析比较以下几种主要参数:

6.1 原水流量

实验时,原水流量分别为1 500,1 800,2 000,2 500 L/h四种,原水流量1 500 L/h时,水压较小,产量上不去,影响制水效率;原水流量1 800 L/h时,基本能正常生产,但略有不足;原水流量2 500 L/h时,原水箱供水不足,容易出现大量空气进入制水管路,影响设备运行。原水流量2 000 L/h时,能满足正常生产,比较稳定,可长期生产。所以原水流量宜控制在2 000 L/h[6]。

6.2 一级淡水流量

实验时,一级淡水流量分别为9,11,13,15,17 L/min五种,一级淡水流量9 L/min时,效率不高,产量较小,一级电导率较低,水浪费的有些多;一级淡水流量11 L/min时,也不是很理想;一级淡水流量15 L/min时,产量较大,一级电导率相比稍高,二级淡水箱生产一段时间后会水满溢出,不适合长期生产;一级淡水流量17 L/min时,二级淡水箱溢出时间更短,一级电导率相比更高一些;一级淡水流量13 L/min时,比较理想,产量最大,一级电导率较为稳定,二级淡水箱也无溢出情况,适合长期生产。

6.3 二级淡水流量

实验时,二级淡水流量分别为5,7,9,11,13 L/min五种,二级淡水流量5 L/min时,效率不高,产量较小,一级淡水箱里面的一级淡水较多,易溢出,二级电导率较低;二级淡水流量7 L/min时,效率也不高,产量稍微小一些,一级淡水箱里面的一级淡水也较多,时间久了,也会溢出,不适合长时间生产,二级电导率较为稳定;二级淡水流量11 L/min时,效率较高,产量较大,一级淡水箱里面的一级淡水供应稍微不足,时间久了,一级淡水箱会用尽,不适合长时间生产,二级电导率略微高一些;二级淡水流量13 L/min时,一级淡水箱里面的一级淡水供应明显不足,无法长时间生产,二级电导率更高一些;二级淡水流量9 L/min时,效率较高,产量合适,一级淡水箱供水充足,可以长时间生产,时间久了,二级电导率较为稳定。

6.4 阻垢剂的加入量

一级加药箱加的是稀释后的阻垢剂,阻垢剂的浓度与阻垢效果有很大的关系,一般随着浓度的增加,阻垢能力也相应的增强,但达到一定浓度后阻垢能力不再明显提高,根据要求,一级反渗透加阻垢剂量为0.33～0.35 mg/L,适用本设备一级加药箱加药量分别为:40 mL/min。阻垢剂浓度效果不理想时,则考虑另选其他配方的阻垢剂[7]。

6.5 氢氧化钠的加入量

二级加药箱加的是氢氧化钠,加氢氧化钠主要目的是去除水中的二氧化碳,二氧化碳能微量溶于水,可以以动态平衡的二氧化碳+水分子形成碳酸的状态存在,也可以以二氧化碳气体状态溶于水的状态存在,反渗透膜不能去除气体,因此气体形式溶于水的二氧化碳就到了反渗透膜后,水中碳酸量下降,部分气体二氧化碳又转化成碳酸,这时候水的电导率就会升高,pH值会降低,不符合纯化水的要求,在水中加上氢氧化钠,氢氧根离子就会与碳酸反应,最后得到碳酸氢钠和水分子,等于变相把水中的二氧化碳去除掉了,水中没有二氧化碳,也不会产生碳酸,因此pH值比较正常,电导也不会升高[8]。

二级加药箱的加药量,没有特定比例,水中二氧化碳量不确定,所以二级加药箱加药量也不确定,可以用精密酸度仪去调节,一般调到pH值在8～8.4之间。也可以反复调试,直至电导最好。适用于本设备的最佳二级加药箱加药量为20 mL/min,其他流量的加药量电导率和pH值都不理想[9]。

6.6 冲洗一级反渗透膜时间

实验时,冲洗一级反渗透膜的时间分别为20,30,40 min三种,实验证明冲洗一级反渗透膜30 min最优,电导率符合要求,且比较稳定,符合实际生产需要。冲洗一级反渗透膜的时间短了,电导率较高,不易下降,冲洗时间长了又变化不大,有些浪费水。

6.7 冲洗二级反渗透膜时间

实验时,冲洗二级反渗透膜的时间分别为10,20,30 min三种,实验证明冲洗二级反渗透膜20 min最优,电导率更符合要求,且很稳定,符合实际生产需要。

7 结语

在实际生产操作中,二级反渗透法制备纯化水中较难掌握的就是原水流量、一级淡水流量、二级淡水流量、二级加药箱中氢氧化钠加入量等相对核心经验技术点,很多时候,耗费大量时间也生产不出合格的纯化水,非常耗费时间去进行前期处理工作[10]。本实验从实际生产操作出发,摸索经验,加以分析,根据实验数据结果,对数据运用科学的方法进行分析比较研究,得出比较适合实际操作我校GMP车间宝应县华东净化设备有限公司生产的FS-0.5型纯化水设备的最佳工艺条件为:原水流量2 000 L/h,一级淡水流量13 L/min,二级淡水流量9 L/min,一级加药箱加药量:40 mL/min,二级加药箱加药量20 mL/min,冲洗一级反渗透膜30 min,冲洗二级反渗透膜20 min,在此工艺条件下最快最优生产出电导率和pH值较为理想的合格纯化水,为学生实践操作反渗透法制备纯化水设备提供较为成熟的制备工艺参数,方便实践教学中学生最快最优生产出合格且产量大的纯化水,方便实践教学,节省实训时间,提高实训效率,会给教学实践指导人员带来很大的工作便利。