膜集成技术在药用纯化水制备中的应用

杨景天，张鹏云，王应平，赵虎群

膜集成技术在药用纯化水制备中的应用

杨景天1，2，张鹏云1，2，王应平1，2，赵虎群1，2

（1.甘肃省膜科学技术研究院，甘肃兰州730020；2.甘肃省膜分离工程技术研究中心，甘肃兰州730020）

兰州市某高校医学院以兰州市自来水为水源，采用预处理+二级反渗透（RO）+连续电除盐技术（EDI）+后处理的膜集成技术制取药用超纯水。运行结果表明，采用二级RO+EDI的膜集成技术制取药用超纯水是可行的，产品水达到分析实验室用水国家标准（GB/T 6682—2000）和中国药典（2010版）纯化水标准。

膜集成；药用；纯化水

随着科学技术的长足发展，药用纯化水制备系统也有了很大改观，其处理技术先后经历了蒸馏法、反渗透膜法（RO）、离子交换法（IX）、电除盐法（EDI）等方法。这些单一的制水工艺都有其缺陷，尤其离子交换法（IX），其交换树脂需要周期性地使用酸碱再生，不仅操作繁琐，而且对环境也造成了严重污染。而笔者系统采用反渗透（RO）+电除盐（EDI）组合工艺，设备由单台制备机组发展成一整套完整的模块化制备流程，不但满足了生产用水要求，产水可达GMP水质要求，而且全面解决了离子交换生产过程中的酸碱消耗，避免了环境的二次污染等一系列问题。

1　项目概述

1.1原水水质

兰州市某高校医学院以兰州市自来水为水源，经过多介质过滤器+活性炭过滤器+RO+EDI+微孔过滤系统后处理到各用水点。原水水质指标如表1所示。

表1　原水水质

1.2纯化水水质要求

达到分析实验室用水国家标准（GB/T 6682—2000）的一级标准；达到中国药典（2010版）纯化水标准；其中电阻率（25℃）≥16MΩ·cm。

2　工艺流程介绍

系统主要工艺选用预处理+两级RO+EDI+后处理的膜集成工艺，系统设计以反渗透为核心设备，多介质过滤器、活性炭过滤器、阻垢剂加药系统、保安过滤器等为预处理，保证反渗透系统的正常运行，反渗透系统为预脱盐系统；EDI为深度处理系统，保证出水水质指标，使产品水电阻率达到16MΩ·cm以上。后续处理将纯化水通过纯水泵加压通过0.1μm膜过滤器、紫外灭菌器进行消毒灭菌处理，保证终端水质，送至纯化水用水点。RO+EDI超纯水工艺流程如图1所示。

图1　RO+EDI超纯水系统

3　主要设备及功能说明

3.1原水箱

原水箱的作用是储存一定量的原水，以保证后续供水稳定性。系统中原水箱采用PE水箱，容积为1.0m3，并在水箱上配置1套液位开关以检测水箱液位，含有电磁控制阀、管件及液位控制器。

3.2原水泵

原水泵的作用是将原水箱的出水提升至后续处理单元。系统选用2台进口丹麦格兰富水泵（1用1备），设计流量2.5m3/h，设计扬程32m，功率0.55 kW，过流部件材质SUS304。

3.3多介质过滤器

采用多介质过滤器的作用是过滤去除水中较大颗粒的悬浮物，减小精密过滤器滤芯的更换频率。多介质过滤器需定期反冲洗，以去除截留的悬浮物。

多介质过滤器由罐体、操作阀组、精选水处理无烟煤、多级石英砂和必要的管路组成。

设计中采用多介质过滤器1台，产水量2.5m3/h，运行流速10～12m/s，直径为450mm，材质为玻璃钢，配置了1套TMF56A控制阀来控制多介质过滤器的运行和反洗，反冲洗采用水反洗。

3.4活性炭过滤器

由于反渗透膜为高分子材料，水中的余氯很容易与其发生氧化反应从而造成膜性能的下降，甚至损坏反渗透膜组件，而活性炭过滤器可以很好地吸附去除管网自来水中的余氯。此外活性炭过滤器还可以有效地吸附去除水中的色度，以及部分有机物、胶体硅、异味。因此，有必要在反渗透装置之前设置活性炭过滤器对原水进行处理。

活性炭过滤器由罐体、操作阀组、精选水处理优质活性炭和必要的管路组成。

设计中采用活性炭过滤器1台，产水量2.5m3/h，运行流速10～12m/s，直径为450mm，材质为玻璃钢，配置了1套TMF56A控制阀来控制活性炭过滤器的运行和反洗，反冲洗采用水反洗。

3.5精密过滤器

原水经过多介质过滤器之后，部分大颗粒杂质被除去，水的浊度降低，为防止高压泵的叶轮磨损和保证反渗透膜的安全，在高压泵之前设精密过滤器，以去除细小的悬浮物和颗粒。过滤精度为5μm，可有效保证出水浊度＜1 NTU。

系统采用直径为200mm、高度为600mm的精密过滤器1台，过流材质为SUS304。

3.6二级反渗透（RO）预脱盐系统

经预处理后的水进入一级高压泵增压后送至一级反渗透系统作脱盐处理。一级反渗透处理后的脱盐水经过加碱调pH，再进入二级高压泵增压后送至二级反渗透系统作进一步脱盐处理，处理后进入二级反渗透产水箱。

反渗透装置综合脱盐率＞98%，可脱除水中绝大部分的盐分及大分子有机物。

装置中膜组件采用美国陶氏公司性能优越的BW30HRLE-4040聚酰胺复合膜共8支，单支膜稳定脱盐率99.3%，膜通量11.356m3/d，该膜具有高流量、高脱盐率的优点。

反渗透装置采用全自动操作方式，反渗透装置配有相关的流量计、压力表、电导仪、取样装置和相关的控制元件。

RO系统运行期间对水质进行分析，余氯0.005～0.01 mg/L，pH为7.3～8.2，溶解性有机物（TOC，以C计）＜0.5mg/L，SDI＜2。石英砂、活性炭过滤前处理系统产水水质完全满足反渗透进水要求。

加碱调pH装置由1箱1泵组成，计量泵采用美国米顿罗隔膜计量泵，计量泵与反渗透系统联动。该计量泵最大出力0.7 L/h；压力1.03MPa。计量箱采用60 L的PE水箱。

膜型号为BW30HRLE-4040，RO系统操作条件如表2所示。

表2　RO操作参数

3.7 EDI深度除盐系统

来自二级反渗透产水箱的水经过EDI供水泵、紫外灭菌器、1μm膜过滤器进入EDI系统进行深度脱盐后，进入纯水箱，再经纯水泵加压通过0.1μm膜过滤器，并送至用水点。

EDI除盐是在直流电场的作用下，通过阴阳离子交换膜的选择透过性及填充树脂的离子交换的作用，脱除进水的各种离子。因此EDI制水过程不需酸、碱化学药品再生即可连续制取高品质纯水，生产出电阻率高达16～18MΩ·cm的超纯水。系统EDI模块采用美国Electropure的XL-300R模块1台，整流电源MXD-1，处理水量0.5m3，流道方式为下进上出。EDI模块操作条件如表3所示。

表3　EDI操作参数

3.8纯水供水泵

用于提供EDI所需水量及压力。采用1台进口丹麦格兰富水泵，设计流量0.6m3/h；设计扬程53m，功率0.37 kW，过流部件材质为SUS316。

3.9紫外灭菌器

对输送至各用水点的纯化水进行消毒灭菌处理。流量1.0m3/h，材质为SUS316。

3.100.1μm微孔过滤器

过滤精度为0.1μm，去除大于0.1μm的悬浮性固体颗粒，保证终端用水点水质。

4　工程调试与运行效果

4.1工程调试

膜集成系统投入使用至今，运行稳定，产水质量高，产水电阻率始终保持在17MΩ·cm以上。多介质过滤器、活性炭过滤器均为手动操作，当系统压差达到0.05MPa时，分别对其进行反冲洗，冲洗步骤均为反冲洗25 min，然后正冲洗15 min。系统采用PLC+触摸屏组合实现自动控制。系统内所有电机和其他元件均采用程控/手动两种操作方式，除此以外系统配有调试模式以便检修维护，集控操作统一由PLC实现。

二级高压泵的启停与一级供水水压相关，实现二级反渗透的自动运行，RO冲洗阀选用慢开电动阀，保证RO系统压力平滑增长，预防水锤现象损坏膜元件，延长膜元件的使用寿命。

EDI装置设有就地直流电源柜，控制部分可以通过集中PLC实现控制，就地设有低流量保护、电压电流过载保护、水质安全保护、在线仪表安装和显示等。在在线仪表上可读出每台EDI装置的有关运行参数。EDI装置的投运或备用主要是通过控制EDI供水泵及直流电源的启动或停止来实现，EDI的整个装置的启停是通过纯水箱的液位变化来决定的。

4.2运行效果

二级RO+EDI膜集成系统投入使用至今，运行稳定，产水质量高，水质达到分析实验室用水国家标准GB/T 6682—2000的一级标准，达到中国药典（2010版）纯化水水质要求；产水电阻率始终保持在17MΩ·cm以上。纯水电导率如表4所示。

表4　纯水电导率

5　经济分析

该项目总投资为35.2万元，其中设备工程投资为30.5万元，技术服务及其他费用为4.7万元。处理成本为5.9元/m3，含电费为4.7元/m3、药剂费为0.30元/m3、人工费为0.9元/m3，不含折旧、维修费用等。

6　结论

系统采用二级RO+EDI膜集成工艺，产水符合中国药典及GMP对药用纯化水水质的要求，并能够保证出水电阻率＞17MΩ·cm。与离子交换技术相比较，集成工艺具有技术先进、运行稳定、产水质量高、无污染、运行费用低等优点。

RO装置与EDI装置集成组合使用，既可以有效解决RO出水脱盐不彻底的缺点，又可以提高EDI模块的进水水质，防止EDI损坏，加大了整体净水效果。RO膜与EDI模块的集成使用技术，不但在药用纯化水制备的应用中有非常显著的效果，而且可以进一步推动水处理行业向集成工艺、低成本、无污染、高质量、绿色环保的方向发展。

App lication ofmembrane integration technology to the preparation of purified water formedicinaluse

Yang Jingtian1，2，Zhang Pengyun1，2，Wang Yingping1，2，Zhao Huqun1，2
（1.Gansu Academy ofMembrane Scienceand Technology，Lanzhou 730020，China；2.Gansu Research CenterofMembrane Project Technology，Lanzhou 730020，China）

Using the tag water in Lanzhou City as the water source，themembrane integration technology，pretreatment+two-stage reverse osmosis（RO）+EDI+post-processing，has been applied to the preparation ofultra-purewater formedicinal use by amedical college in Lanzhou.Running results show thatusing themembrane integrated technology，two-stage RO+EDItechnology for preparing ultra-purewater is feasible.The produced water reaches the National Standard ofWater for Analytical Laboratory Use（GB/T 6682—2000），and the Purified Water Standards in Chinese Pharmacopoeia（2010Edition）.

membrane integration；medicaluse；purifiedwater

TQ085

A

1005-829X（2016）09-0103-03

杨景天（1978—），工程师。E-mail：445428933@qq.com。

2016-06-27（修改稿）

甘肃省中小企业创新基金项目（1504JKCA045）