二级反渗透技术的应用

李文云

二级反渗透技术的应用

李文云

（山东步长神州制药有限公司，山东菏泽274039）

简要介绍了反渗透原理及其工艺流程，并阐述了二级反渗透纯化水系统的主要设备的工作原理和特点。

二级反渗透；纯化水；半透膜；应用

0　引言

天然状态的水极易滋生微生物，不能直接被用于制药工业中。制药用水作为工艺原料，被用作药品的组成成分、溶剂、稀释剂，就需要分离出盐、有机物和细菌成分。目前，纯水的制造方法基本有4种：蒸馏法、电渗析法、离子交换法和反渗透法（简称RO）。其中，反渗透技术是当今最先进、最节能、效率最高的分离技术。

图1　反渗透原理图

1　反渗透原理

渗透现象在自然界是常见的，比如将一根黄瓜放入盐水中，黄瓜就会因失水而变小。黄瓜中的水分子进入盐水溶液的过程就是渗透过程。反渗透原理如图1所示，在一个装有水的烧杯中，中间隔着一个只有水分子才能透过的半透膜，这时水的液面是平的，如图1（a）所示。在右边的水中加入盐，则右边的水变成了盐水溶液，如图1（b）所示。过一段时间就可以发现水液面降低了，而盐水的液面升高了，如图1（c）所示。人们把水分子透过这个隔膜迁移到盐水中的现象叫做渗透。盐水液面升高到了一定高度就会达到平衡，这时隔膜两端液面高度差所代表的压力称为渗透压。在达到平衡后，如果在盐水端液面上施加一定压力，如图1（d）所示，此时水分子就会由盐水端向水端迁移。液剂分子在压力作用下由稀溶液向浓溶液迁移的过程称为反渗透。

反渗透设施生产纯化水的关键有2个：（1）一个有选择性的膜，称之为半透膜；（2）一定的压力。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，使其与透过反渗透膜的水相分离。在水的众多种杂质中，溶解性盐类是最难清除的，因此，经常根据除盐率的高低来确定反渗透的净水效果。目前，有较高选择性的反渗透膜元件的除盐率可以高达99.7%。

2　工艺流程

二级反渗透纯化水制备系统的主要工艺流程如图2所示。

过滤介质为不同直径的石英砂分层填装，较大直径的介质通常位于过滤器顶端，水流自上而下通过逐渐精细的介质层。

介质床主要用于过滤除去原水中的大颗粒、悬浮物、胶体及泥沙等，以降低原水浊度对膜系统的影响，同时降低SDI（污染指数）值，达到反渗透系统的进水要求。

图2　二级反渗透纯化水制备系统工艺流程图

3　主要设备及作用

二级反渗透纯化水系统的主要设备及规格型号如表1所示。

3.1机械过滤器

原水中含有很细的颗粒、腐殖质、淀粉、纤维素以及细菌、藻等微生物，这些杂质通常不能用重力自然沉降的方法除去。一般水中含有的悬浮物、机械杂质可通过机械过滤去除［1］。

表1　二级反渗透纯化水系统的主要设备及规格型号

3.2活性炭过滤器

活性炭过滤器主要用于去除水中的游离氯、色度、微生物、有机物以及部分重金属等有害物质，以防止它们对反渗透膜系统造成影响。反渗透进水除了要求SDI≤5外，还有另一个进水指标余氯＜0.1mg/L。

活性炭过滤器主要有2个功能：（1）吸附水中部分有机物，吸附率为60%左右；（2）吸附水中余氯。

活性炭对有机物具有很强的吸附作用。此外，活性炭还具有很强的脱氯能力，在此过程中并非吸附，而是由于余氯具有很强的氧化性，余氯和碳发生反应，生成CO2和Cl-，其化学反应式为C+2Cl2+2H2O→4HCl+CO2↑。从此反应式可看出，活性炭脱氯并不存在吸附饱和问题，只是损失了少量的碳，所以活性炭脱氯可以使用相当长的时间。活性炭不仅仅具有以上功能，还能够去除水中的异味、色素，提高水的澄明度，活性炭使用一段时间后，其吸附能力下降，需要进行再生或更换。因此，原水通过活性炭过滤器后，能大大提高水质，减少对反渗透膜的污染，经过处理后的水质能达到反渗透进水质要求。

3.3加药装置（阻垢剂）

在反渗透产水过程中，浓水侧由于水的不断浓缩，无机盐当达到超饱和状态时，盐容易析出，在膜表面凝结，如不及时冲洗掉就会形成垢，长期使用会使反渗透膜的脱盐率下降，工作压力升高。为了防止这种现象的产生，在反渗透进水前加入阻垢剂能够提高无机盐的溶解度，不致在反渗透运行过程中浓缩水盐的析出。我公司使用的是美国竭力公司生产的MDC-220阻垢剂，不仅能够有效地阻止Ca2+、Mg2+、Fe2+、Ba2+、Sr2+、CO32-、SO42-等离子形成垢，还能够防止胶体、有机物在膜表面的凝结。同时，当膜表面已经结垢时，还能够使已经形成的垢逐渐溶解，从而提高了设备的使用效果以及膜的使用寿命。

3.4精密过滤器

精密过滤器也称保安过滤器，它是原水进入反渗透的最后一道工艺，内装蜂房式滤芯（5μm级），是一种低阻力、高效的深层过滤元件，对水中机械杂质、浊度和铁均有较高的去除效果，以进一步减少原水对RO系统的影响，并防止前置过滤器非正常运转（如反冲洗后滤层尚未形成或其他人为因素造成）时进行最后把关，确保反渗透系统的进水指标。

3.5多级高压泵

淡水是利用在反渗透膜浓水侧施加一定压力来实现溶液从高浓度向低浓度一侧的渗透而得到的，给膜元件施加必需的运行压力。我公司使用的丹麦格兰富多级泵，具有热保护功能，当温度升高时，多级泵自动停止工作。另外，多级泵进水侧使用了低压保护开关，当进水压力较低或无水时，多级泵自动关闭，从而起到保护作用。

3.6反渗透主机

反渗透技术是当今最先进、最节能有效的膜分离技术。通过高压泵在反渗透膜浓水侧施加一定压力，且该压力大于渗透压时，水从高浓度一侧通过半透膜（仅许水分子通过）向低浓度一侧渗透，溶解固形物（盐）由反渗透膜截留在浓水中不断地被引走，从而获得含盐量很低的产品水。反渗透膜的膜孔径非常小，因此能有效地去除水中的溶解盐类、胶体、微生物、有机物等，去除率高达97%～98%。其中，一级反渗透主机的主要部分是RO膜元件，我公司所选用的美国海德能公司生产的超低压聚酰胺复合膜（ESPA1-8040），它不仅工作压力较低，而且额定产水量较大，脱盐率较高；二级反渗透膜元件型号为ESPA2-8040，其不仅具有以上特点，还能抗污染，对Na+具有较好的去除能力。反渗透所设计的产水温度为25℃，水的利用率为67%，一级反渗透脱盐率＞97%，二级反渗透出水达到纯化水标准，另外。反渗透进行自动冲洗，可降低清洗频率。

3.7清洗装置

反渗透膜元件使用时间较长时，必然受到一定的污染，如无机物结垢堵塞，细菌、微生物繁殖等。此时，装置产水量下降，脱盐率降低。清洗装置主要用于清洗反渗透膜元件，使其基本恢复正常工作压力。调试运行。该项目调试顺利，做到了一次试运行成功，产量和质量都达到了预期目标。其运行数据如表2所示。

表2　我公司二级反渗透纯化水系统的运行数据

3.8加药装置（NaOH）

加药装置包括计量泵和计量箱，在一、二级膜之间调节水的pH值。为了符合反渗透二级膜进水的要求，在此加入NaOH溶液来调整pH值，使游离子CO2未经二级膜就与NaOH反应掉，从而保证反渗透正常运行。

3.9紫外灭菌器

整个纯化水系统通过以上流程虽然已达到了供水的水质要求，但是为了防止管道中的滞留水及容器管道壁滋生细菌而影响水质，需在本系统的供水管道末端设置紫外灭菌器，杜绝微生物的滋生。3.10终端过滤器

一般细菌、微生物的粒径＞0.22μm，终端过滤器滤芯过滤孔径为0.22μm，通过紫外灭菌器，被杀死的细菌及微生物被截留，使纯水水质更好。

4　调试运行

2012年3月23日我公司的纯化水系统进行了

5　结语

我公司的二级反渗透纯化水系统装置通过2年多的生产运行，该工艺达到了原设计的生产能力。原水经本套设备，可以生产出符合生产要求和药典化学指标的纯化水。这样组合的反渗透设备结构紧凑，占地面积小，操作简单，不易产生故障，并且质量稳定，对公司的节能减排起到一定的作用。

［1］国家食品药品监督管理局药品认证管理中心.厂房设施与设备：药品GMP指南［M］.北京：中国医药科技出版社，2011

2014-07-05

李文云（1979—），男，山东菏泽人，工程师，研究方向：制药设备管理及GMP验证工作。