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二级反渗透技术和应用

发布时间：2010/5/23 阅读次数：4645 字体大小: 【小】【中】【大】

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第4节两级RO的优化

影响医用两级RO水质的因素有给水类型、产品水水质要求、膜的类型、系统回收率及加药调节等。因而可以从影响因素角度来对两级RO进行优化。
4.1 给水类型
　在医药用水制造过程中，无论是制造包装用产品，还是制造消耗品，制造商都尽量避免用水的污染。其措施有：1. 避免向水中加入外来化学药品；2. 选用干净的水源。中国药典规定制造医用纯化水的原水必须达到生活饮用水卫生标准(GB5749-85), 如下表所示。虽未对COD作明确规定，但根据自来水的标准，生活饮用水的CODMn应小于3-10mg/L。美国药典也规定制造医用纯化水的原水也必须达到美国国家环保署(EPA)颁发的美国饮用水标准，如下表所示。其中，二级标准NSDWR，以铜/氟离子来看，比一级标准NPDWR更严。两级RO对TOC大于99％的去除率可望将生活饮用水的COD降至0.03-0.10mg/L以下，实际上远低于此水平，完全符合USP24要求TOC小于500ppb的标准。

水质指标	中国饮用水标准(GB5749-85)	美国饮用水标准 NSDWRNPDWR
Cl- (mg/L)	<250	<250
SO42- (mg/L)	<250	<250
TDS (mg/L)	<1000	<500
pH值	6.5-8.5	6.5-8.5
YD(mg/L, 以CaCO3计)	<450
Fe2++Fe3+	<0.3	<0.3
Al3+		<0.05-0.2
Mn2+	<0.1	<0.05
Cu2+	<1.0	<1.0<1.3
Zn2+	<1.0	<5.0
Cr6+	<0.05	<0.1
F-	<1.0	<2.0<4.0
NO3- (mg/L, 以N计)	<20	<10.0
NO2- (mg/L, 以N计)		<1.0
无机 Hg		<0.002
Ba		<2
CN-		<0.2
Se 硒		<0.05
Tl 铊		<0.0005
Sb 锑		<0.006
Be 铍		<0.004
Cd 镉		<0.005
Pb 铅		0.0

　一旦纯化水的处理系统建立起来，在运行过程中，给水品质的好坏对产品水品质来讲，是有直接影响的。好的给水必然产出好的产品水。劣质给水则有可能导致产品水不合格。当给水水质劣化时，如超出系统的适应能力，则应增加处理环节。所以在RO设计之初，充分掌握给水水质变化规律是非常重要的，这可以给我们充分的设计依据，增加处理环节，提高适应给水劣化的能力。
4.2 产品水水质要求
　由于中国的药用水多借鉴美国药典标准。这里首先介绍一下美国药典USP(United States Pharmacopeia)的概况。最新的美国药典USP24将药用水分为8种。

1.饮用水(Drinking Water)
　　饮用水直接取自市政给水管网或民间的给水设施，如水井等，主要用于化学合成的初始阶段或者制药设备的初洗，它是其他各种药用水的原料水。药用水必须符合美国国家环保署或欧盟、日本颁布的国家药用水卫生标准。

2.纯化水(Purified Water)
　　纯化水以药用水为原料水，采用适宜的方法制取。纯化水作为赋形剂用于普通制剂，也可用作生产工艺用水，如设备清洗，大批量化学药物生产，或作生产注射用水的原料水。

3.注射用水(Water for Injection)
　　注射用水以饮用水或纯化水作原料水，采用蒸馏或反渗透法制取，而且蒸馏或反渗透必须作为最终处理步骤。注射用水是注射剂的赋形剂，主要用于大批量非肠道药品的生产或设备清洗，其水质必须符合纯化水的理化指标，同时还需满足细菌内毒素的指标要求。

4.灭菌纯化水(Sterile Purified Water)
　　灭菌纯化水是包装并灭菌的纯化水，主要用于非肠道药物以外的灭菌制剂。

5.灭菌注射用水(Sterile Water for Injection)
　　灭菌注射用水是包装并灭菌的注射用水，主要用于临时处方配料，作非肠道药物制剂的稀释剂。

6.抑菌剂注射用水(Bacteriostatic Water for Injection)
　　抑菌剂注射用水是加有抑菌剂的注射用水，用作非肠道药物制剂的稀释剂。

7.灭菌灌注用水(Sterile Water for Irrigation)
　　灭菌灌注用水是灭菌的一次剂量包装的注射用水，供灌注用。

8.灭菌吸入用水(Sterile Water for Inhalation)
　　灭菌吸入用水是灭菌的适宜包装的注射用水，用于吸入疗法。
其中，纯化水和饮用水是其他药用水的基础。USP专门就其作出了规定。参考下表。

USP纯化水规范
理化指标	USP XXII	USP24
pH	5-7	5-7
Cl-	<5.0	n/a
SO42-	<1.0	n/a
NH3	<0.1	n/a
Ca2+	<1.0	n/a
CO2	<5.0	n/a
重金属	<0.1	n/a
总固体(TS)	<10	n/a
可氧化物	高锰酸钾试验	n/a
TOC	n/a	<500ppb
电导率(us/cm)	n/a
一级		<1.3 (在线或立即离线；T>25°C)
二级		<2.4 (离线；T＝24-26°C)
三级		2.4-5.8 (离线；T＝24-26°C)
原水	EPA药用水标准	EPA NPDWR
n/a ＝不适用 (not applicable) EPA = 环境保护署 (Environmental Protection Agency) NPDWR ＝国家初级饮用水规程 (National Primary Drinking Water Regulations)

　　老版本的USP要求控制9项指标，但最新版的USP24在理化指标上只要求控制2项综合指标：导电度及TOC。导电度分为在线和离线等3个标准。其中，离线电导率的要求比在线电导率更严。
　　有了纯化水的标准，我们就很容易的判断两级RO的产品水是否合格。
4.3 膜的类型
　　膜的选择对两级RO来讲是十分重要的。那么，到底该怎样来选择合适膜呢？这里将从膜面电性/病毒脱除率/稳定性/可热消毒等角度加以论述。
4.3.1 膜面的电性合理性探讨
　　反渗透膜的膜面一般都制成负电性，这是一个众所周知的事实，而且长期的实践证明这是非常合理的选择。但是某些资料宣称，在双级RO中，第2级RO采用带正电的RO膜可以提高水质稳定性。这种观点值得商榷和质疑。其一，带正电的膜有其明显的不足。国外的研究报告表明，第2级RO的污堵物成分主要为微生物粘泥、有机物等，而天然水体中微生物、有机物多数带负电，所以带正电的膜毫无疑问会增加膜被微生物/有机物污堵的危险。带负电的膜则因为同种电荷排斥而能降低微生物/有机物污堵的可能性。所以从污堵的角度讲，选择带负电的膜更为合理。其二，国外的经验表明，第2级RO的稳定性完全可通过其他合理办法解决，诸如合理地选用性能更稳定的负电膜，调整系统的回收率，调节给水的pH值，调节NaOH的加药点，调节加药类型等。其三，我们在欧洲的经验表明，设计合理的两级RO达到1.0MW.cm的水

质并不是极难之事，个别甚至达到0.25us/cm。关键是科学地设计和科学地运行RO系统。
这里我们有必要讨论一下，带负电的TFC复合膜对低浓度(1-10mg/L)的NaCl到底有多大脱除率。参考下图。测试条件为pH6.5，压力选用15Bar。一般来讲，苦咸水的一级RO的产品水电导率在5.0us/cm以上，折算成TDS为>2.5mg/L，这样从上图中查出对应的Cl-离子的脱除率在99.5%以上，Na+离子的脱除率则在 97.5%以上。这个脱除率实际上比正电膜宣称的效果(97％)还好。

4.3.2 膜的稳定性探讨
　就稳定性而言，陶氏公司的FILMTEC反渗透膜是行业内最好的。这种稳定性不仅表现在正常运行过程中，而且表现在清洗后的性能回复快/衰减小，如下图所示。陶氏膜的稳定性正是来源于其精湛的制膜工艺。几乎所有品牌的供应商均宣称RO膜的有效脱盐层厚度为0.2微米，但是有关专利却显示有的品牌其实际的厚度从0.02-2.0微米不等。而陶氏膜脱盐层则相对均匀得多。为什么有如此巨

大的差别呢？这是因为陶氏膜不需经过后处理，所以没有产生薄弱点，在实践中表现为运行稳定性好；但其他品牌的制膜工艺中则有后处理，从而产生了不确定的薄弱点，进而导致膜的长期运行不稳定。后处理本身反映了制膜工艺的均匀性不足。

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