药厂空气净化水处理技术Word格式.docx

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2、微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜的种类和材质

教学方法

启发式教学、案例教学法、引导法教学

参考资料

1．《中华人民共和国药典》2015版.北京：

中国医药科技出版社，2015．6

2．药品GMP指南．厂房设施与设备.北京：

中国医药科技出版社，2011．8

3.《药品生产质量管理规范（2010年修订）》

4.药品GMP指南．厂房设施与设备.北京：

5.冯庆，黄浩.制药用水侦破储存及分配系统设计. 

医药工程设计,2010,31

（1）:

16

6.空气洁净技术原理.北京：

科学出版社，2014.1

7.药品生产质量管理工程.北京：

化学工业出版社，2008.7

步骤

教学内容

时间

分配

告知

告知本次课的教学目的、教学内容、工业生产实际应用的意义、知识目标和能力目标

5分钟

项

内

容

【引言】目前国内、外多数制药企业采用全膜法、二级反渗透法、一级反渗透加混床法、一级反渗透加EDI法、离子交换联合等方法制备纯化水，再经蒸馏的方法制取注射用水。

上述制药用水生产工艺中，离子交换技术作为深度除盐手段仍被普遍采用。

但离子交换树脂再生时会产生大量废酸、废碱，严重污染环境，发展受到制约。

反渗透膜对水中的细菌、热原、病毒及有机物的去除率达到100%。

二级反渗透虽可以免除使用离子交换树脂，但对原水的含盐量要求极高，因为反渗透装置的系统脱盐率为98%左右，如果原水含盐量高，则产水电导率就会超过控制指标。

【板书】一、典型的纯化水制备系统配置方式

【概述】通常情况下纯化水制备系统的配置方式根据地域和水源的不同而不同，纯化水制备系统应根据不同的原水水质情况进行分析与计算，然后配置相应的组件来依次把各指标处理到允许的范围之内。

目前在国内纯化水制备系统的主要配置方式如图2-2-1所示，但阴阳树脂单床加混床处理方法正在被淘汰。

图2-2-1纯化水制备方法

原水水质应达到饮用水标准，方可作为制药用水或纯化水的起始用水，如果原水达不到饮用水标准，那么就要将原水首先处理到饮用水的标准，再进一步处理成为符合药典要求的纯化水。

纯化水系统需要定期的消毐和水质的监测来确保所有使用点的水符合药典对纯化水的要求。

【板书】二、常用的纯化水制备技术

【板书】

（一）原水预处理技术

原水预处理指借助于投加化学药剂、过滤、活性炭吸附、软化、精滤等方法对原水进行处理使之符合反渗透、离子交换树脂等装置进水水质指标的过程。

见图2-2-1。

1、原水预处理的一般原则

【概述】为使原水的水质达到一个预期的指标，以满足纯化过程对原水的要求，必须对原水进行预处理，原水预处理的主要对象是水中的悬浮物、微生物、胶体、有机物、重金属和游离状态的余氯等。

①原水中悬浮颗粒的含量小于50mg/L时，可以采用接触凝聚或过滤，即加入凝聚剂后，经过水泵或管道直接注入过滤器，目前大多采用多介质过滤器。

地表水中悬浮物含量大于50mg/L时，可采用混凝、澄清、过滤的方法。

②当原水中碳酸盐硬度较高时，可以在去除浊度的同时，加入石灰进行预软化。

目前采用得最多的方法是采用阳离子交换树脂或加阻垢剂。

③当原水中的有机物含量较高时，可采用加氯、凝聚、澄清过滤等方法处理，若仍然不能满足后续工序的进水要求时，可增加活性炭过滤等去除有机物的措施

④当原水中游离氯超过后续进水标准时，可采用活性炭过滤或加入亚硫酸钠等方法处理。

⑤如果后续处理工序采用反渗透或电法析等设备时，应在原水进放设备以前，再增设一个（组）精密过滤装置，作为反渗透等设备的保护措施。

⑥如果后续工序对胶体状态的硅要求较高，可在加入石灰的同时加入氧化镁，以达到去除硅的目的。

⑦地下水含铁量小于0.3mg/L，悬浮物含量小于20mg/L时，可采用直接过滤方法；

地下水含铁量小于0.3mg/L，悬浮物含量大于20mg/L时，可采用直流混凝过滤方法；

地下水含铁量大于0.3mg/L，应考虑除铁，再考虑采用直接过滤工艺或直流混凝过滤方法。

当原水中铁、锰含量较高时，应增加曝气、过滤装置，去除铁和锰。

【板书】2、常用的原水预处理方法

【概述】

（1）混凝

混凝是水处理中对原水进行预处理的一个重要措施，处理的对象主要是水中的胶体物质及部分悬浮物，是一种化学方法。

一般认为，凝聚是指胶体被压缩双电层而脱稳的过程。

絮凝是指胶体脱稳后凝结成大颗粒絮体的过程；

混凝则包括凝聚与絮凝两种过程，对能起凝聚和絮凝作用的药剂统称为混凝剂。

（2）过滤

在水处理的沉淀、澄清过程中，原水通过混凝沉淀，原水中的悬浮物大部分已被去除，水质已经在很大程度上得到改善。

原水过滤的主要设备为砂滤器，砂滤器采用的滤料多为石英砂、无烟煤和锰砂等。

（ 

3）吸附

使用吸附法可以去除水中的有机物、胶体物质、微生物和余氯等，吸附法还可以对水进行除臭，脱色等。

吸附过程常用的材料有活性炭和大孔径的吸附树脂等。

活性炭过滤的主要功能有吸附水中残留余氯、吸附水中约60%左右有机物，此部分有机物多为无机和有机的胶体，溶解性有机高分子杂质。

（4）软化

原水硬度的去除目前采用钠离子软化器、投加阻垢剂这两种方法，其中膜结垢是由于给水中的微溶盐在给水逐渐浓缩时超过了溶度积而沉淀到膜上，影响水处理系统下游的设备（如反渗透膜、离子交换柱及蒸馏水机）的运行性能，因此必需防止碳酸钙、硫酸钙、二氧化硅等造成的结垢。

为了防止结垢造成化学污堵，可采用钠离子软化或投加阻垢剂的方法，在反渗透装置前设置软化器，除去水中Ca2+、Mg2+离子，在正常运行中不致产生结垢现象。

软化器处理原理

软化器的组成

【板书】3、预处理方法的选择

各种杂质进行预处理常用的方法见表2-2-1所示。

表2-2-1预处理常用的方法

名称

方法

运行方式

悬浮物杂质、胶体

混凝沉淀

过滤

微滤、超滤

沉降去除

截图吸附去除

截留去除

微生物

氯化处理

杀死或降低微生物活性

铁

氧化及过滤

过滤沉积物

碳酸盐垢

加酸

加阻垢剂

软化

低回收率运行

HCO3—转化为CO2

延缓沉积。

在高LSI或S＆DSI

除硬度

降低有关离子浓度

碳酸盐垢、氟化钙垢

延缓沉积

去除高价离子

降低PH、增加硫酸盐等溶解

硅垢

增加水温

较高或较低pH值运行

加分散剂

增加硅的溶解度

降低硅的浓度

延缓硅垢的沉积

（二）膜分离技术

【详述】

膜分离过程是用天然的或合成的、具有选择透过性的薄膜为分离介质，当膜两侧存在某种推动力（如压力差、浓度差、电位差、温度差等）时，原料侧液体或气体混合物中的某一或某些组分选择性地透过膜，以达到分离、分级、提纯或富集的目的。

常用膜分离过程的应用范围见图2-2-2所示。

图2-2-2常用膜过程的应用范围

【板书】1、微滤

（1）基本原理

【重点】微滤是在静压差推动下，将滤液中大于膜孔径的微粒、细菌及悬浮物质等截留下来，达到除去滤液中微粒与澄清溶液的目的。

从微滤膜上截留微粒、絮状物等主要靠：

筛分作用，即膜孔能截留比其孔径大或相当的微粒；

架桥作用，与表面过滤相似，由于架桥作用使小于膜孔的粒子被截留；

吸附作用，包括物理、化学吸附，吸附作用可将粒子截留于膜表面甚至于膜内部。

（2）微孔过滤器

微孔过滤器一般应用于纯水系统中一些组件后的微生物的截留，但不会产生废水，那里可能存在微生物的增长，微孔过滤器最适合应用于纯化水制备系统的中间过程，而不适用于循环分配系统。

过滤器在系统中不应是唯一的微生物控制单元，它们应当是全面微生物控制措施当中的一部分。

由于孔径大小不一样，微滤不能去除超滤所能去除的更小的微粒。

如果选择合适的材质，微孔过滤器可以耐受加热和化学消毒。

【了解】

（3）微滤在制药生产中的应用

【板书】2、超滤

（1）工作原理

【重点】超滤系统可作为反渗透的前处理，用于去除水中的有机物、细菌，以及病毒和热原等，确保反渗透进水品质。

超滤与反渗透采用相似的错流工艺，进水通过加压平行流向多孔的膜过滤表面，通过压差使水流过膜，微粒、有机物、微生物、热原和其它的污染物不能通过膜，进入浓缩水流中（通常是给水的5%～10%）排掉，这使过滤器可以进行自清洁，并减少更换过滤器的频率。

和反渗透一样，超滤不能抑制低分子量的离子污染。

（2）超滤膜的材质

膜的材质是聚合体或陶瓷物质。

（3）超滤膜的消毒方式

【简介】超滤膜可以用很多种方式消毒。

大多数聚合膜能承受多种化学药剂淸洗，如次氯酸盐、过氧化氢、过氧乙酸、氢氧化钠及其他药剂，

有些聚合膜能用热水消毒;

，

有些甚至能用蒸汽消毒。

陶瓷超滤材料能承受普通的化学消毒剂、热水、蒸汽消毒或除菌工艺中的臭氧消毒。

（4）超滤系统的设备

【简介】超滤系统的设备主要包括原水箱、原水泵、盘式过滤器、超滤装置、超滤产水箱、反洗泵、氧化剂加药装置等。

超滤系统的主要处理装置为超滤装置。

SFP超滤装置（见图2-2-3所示）采用全流过滤、频繁反洗的全自动连续运行方式，运行60min，反冲洗60〜120s。

系统采用PLC控制。

化学清洗频率1~3个月，化学清洗时间60~90min

图2-2-3SFP超滤装置

【了解】（5）超滤系统在纯化水生产中的作用

【板书】3、纳滤（NF）

【简介】纳滤是一种介于反渗透和超滤之间的压力驱动膜分离方法，纳滤膜的表层孔径处于纳米范围，可截留的最小分子约为1nm（膜孔径2nm），只有如水、无机盐类（如NaCl）等可以透过，纳米膜有时被称为“软化膜”，对二价阴离子盐以及分子量大于200的有机物有较好的截留作用，它对一价阴离子或分子量大于150的非离子的有机物的截留较差，但是也有效。

如图2-2-4所示。

图2-2-4膜透过特性示意图

经过纳滤的最终产水的电导率范围是40〜200μS/cm，但这还取决于进水的溶解总固体含量和矿物质的种类，一个单通道RO单元的产水电导率是5~20μS/cm。

目前在我国的纯水制备系统当中，纳滤还没有普遍使用。

纳滤膜材料主要有醋酸纤维酯类、磺化聚砜、磺化聚醚砜和芳香族聚酰胺复合材料以及无机材料等，目前应用最广的是芳香族聚酰胺复合材料。

【板书】4、反渗透（RO）

反渗透是较早工业化的膜分离过程，已广泛应用于海水及苦咸水的淡化、有效成分的提取与分离、低分子量水溶液的浓缩等，其中最普遍的应用实例便是在纯水处理工艺中，用反渗透技术将原水中的无机离子、细菌、病毒、有机物及胶体等杂质去除，获得高质量的纯化水。

（1）工作原理

【重点】与微滤、超滤、纳滤的透过机理不同，反渗透（R0）是压力驱动工艺，利用半渗透膜去除水中溶解盐类，同时去除一些有机大分子、前阶段没有去除的小颗粒等。

半渗透的膜可以渗透水，而不可以渗透其他的物质，如大多数盐、酸、沉淀、胶体、细菌和内毒素。

反渗透膜的工作原埋如图2-2-5所示。

图2-2-5渗透、渗透平衡及反渗透

反渗透是渗透的一种反向迁移运动，其特点是：

反渗透的脱盐率高，通常情况下反渗透膜单根膜脱盐率可大于99.5%，反渗透系统在纯水制备中承担了主要的脱盐任务。

由于反渗透膜能有效去除细菌、内毒素、有机大分子以及金属元素等无机物，出水水质极大地优于其它方法。

反渗透制纯水运行成本及人工成本低廉，减少环境污染。

减缓了由于源水水质波动而造成的产水水质变化，从而有利于生产中水质的稳定，这对稳定纯水产品质量有积极的作用。

（2）反渗透系统的组成

典型的反渗透系统包括反渗透给水泵、阻垢剂加药装置、还原剂加药装置、5μm精密过滤器、一级高压泵、一级反渗透装置、C02脱气装置或NaOH加药装置、二级高压泵、二级反渗透装置以及反渗透清洗装置等。

反渗透装置外形图例见图2-2-6所示。

图2-2-6反渗透装置

（3）反渗透系统运行

预处理系统的产水进入反渗透膜组，在压力作用下，大部分水分子和微量其他离子透过反渗透膜，经收集后成为产品水，通过产水管道进入后序设备；

水中的大部分盐分、胶体和有机物等不能透过反渗透膜，残留在少量浓水中，由浓水管道排出。

在反渗透装置停止运行时，自动冲洗3～5min，以去除沉积在膜表面的污垢，对置和反渗透膜进行有效的保养。

反渗透膜经过长期运行后，会沉积某些难以冲洗的污垢，如有机物、无机盐结垢等，造成反渗透膜性能下降，这类污垢必须使用化学药品进行清洗才能去除，以恢复反渗透膜的性能。

化学清洗使用反渗透清洗装置进行，装置通常包括淸洗液箱、清洗过滤器、清洗泵以及配套管道、阀门和仪表，当膜组件受污染时，可以用淸洗装置进行R0膜组件的化学清洗。

（三）电法去离子技术（EDI）

EDI技术是将电渗析和离子交换相结合，通过填充在电池模堆中的树脂吸附原水中的金属离子达到脱盐的工艺技术，该装置取电渗析和混床离子交换两者之长，弥补对方之短，电法去离子系统使用一个混合树脂床、选择性渗透膜以及电极，以保证水处理的连续进行，即不断获得产品水及浓缩废液，利用电离产生的H+和OH-，达到再生树脂的目的。

1、电法去离子的工作原理

EDI单元是由两个相邻的离子交换膜或由一个膜和一个相邻的电极组成，在EDI单元中被纯化的水只经过离子交换树脂，而不能透过离子交换膜。

离子交换膜是能透过离子化的或可电离的物质能透过离子交换膜，其结构见图2-2-7所示。

图2-2-7EDI工作原理

当被纯化的水进入EDI单元后会发生三种作用：

通过填充在电池模堆中的离子交换树脂吸附水中的金属离子达到脱盐的目的。

离子定向迁移并透过两侧的离子交换膜。

通过给电池模堆的两端电极加直流电，使模堆的内部产生电位差。

这个电位差使原水中的阳离子向阴极方向的阳离子交换膜移动，阴离子向阳离子方向的阴离子交换膜移动，使阴、阳离子最终进入浓缩室。

在电场作用下水解离成氢离子和氢氧根离子对树脂进行再生。

随着脱盐量的增多，脱盐室的电阻率随之升高，电离分解成H+和OH-，使之经常保持脱盐室内的树脂处于再生状态，为高效连续脱盐创造了条件，三种作用有机结合，相互促进。

2、电法去离子技术特点

电法去离子技术与普通的离子交换技术相比较具有以下特点：

无化学污染；

可连续再生；

出水的纯度高；

水的回收率高；

3、EDI系统的组成

EDI系统主要功能是为了进一步除盐。

EDI系统中设备主要包括反渗透产水箱、EDI给水泵、EDI装置及相关的阀门、连接管道、仪表及控制系统等。

电去离子利用电的活性介质和电压来达到离子的运送，从水中去除电离的或可以离子化的物质，电去离子与电渗析或通过电的活性介质来进行氧化/还原的工艺是有区别的。

4、操作注意事项

EDI单元不能去除水中所有的污物，主要是去除离子的或可离子化的物质。

大多数EDI单元是在10～40℃进行操作。

EDI单元必须避免水垢的形成，还有污垢和受热或氧化退化。

EDI单元主要用一些化学试剂消毒，包括无机酸、碳酸钠、氢氧化钠、过氧化氢等。

（四）离子交换（DI）

【简介】离子交换系统包括阳离子和阴离子树脂及相关的容器、阀门、连接管道、仪表及再生装置等，主要作用是去除盐类。

离子交换树脂有在线和离线再生系统，在线再生需要化学处理，但是允许内部工艺控制和微生物控制；

离线再生可以通过更换一次新树脂完成，或通过现有树脂的反复再生完成。

新树脂提供更大的处理能力和较好的质量控制等优点，但是成本相对较高一些。

树脂的再生操作成本相对较低，但是可能引起质量控制问题，如树脂分离和再生质量等。

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由于离子交换树脂的再生对环境的污染和操作比较烦琐，所以目前在国内不建议使用离子交换装置，而趋向于使用连续电去离子装置。

（五）电渗析（EDR）

【简介】 

电渗析使用的工艺同电法去离子法（EDI）相似，它用静电及选择性渗透膜分离浓缩，并将金属离子从水流中冲洗出去。

由于它不含有提高离子去除能力和电流的树脂，该系统效率低于EDI系统，而且电渗析系统要求定期交换阴阳两极和冲洗，以保证系统的处理能力。

因此，电渗析系统多使用在纯化水系统的前处理工序上，作为提高纯化水水质的辅助措施。

【板书】三、典型的纯化水制备工艺流程

（一）二级反渗透系统+EDI工艺流程

采用二级反渗透系统+EDI制备纯化水工艺流程图见图2-2-8所示。

由原水供水系统（原水箱、原水泵）、原水预处理系统（包括絮凝剂加药系统、多介质过滤器、活性炭过滤器和保安过滤器）、反渗透系统＋EDI装置、纯化水储存分配系统、自动控制系统及消毒与灭菌系统等组成。

图2-2-8二级反渗透系统+EDI纯化水制备工艺流程图

1、工艺过程

主要的工艺过程可描述为预处理+脱盐+后处理。

原水（符合国家标准的饮用水）→原水箱→原水泵→多介质机械过滤器→活性碳过滤器→软化过滤器→精密过滤器→一级高压水泵→一级反渗透装置→一级水箱→一级高压水泵→二级反渗透装置→增压泵→EDI装置→臭氧发生器→纯化水储罐→纯水泵→紫外线杀菌装置→超滤器（或精密过滤器）→纯化水各使用点→回纯化水储罐

2、工艺流程中主要装置简介

（1）原水箱

原水箱的作用是贮存系统原水，对进水起调节作用，也对进水中的杂质起一定的沉淀作用。

一般原水箱应设置高、低水位电磁感应液位计，动态检测水箱液位。

水箱材料多采用非金属，如聚乙烯（PE）。

（2）原水泵

原水泵可采用普通的离心泵，泵应设置高过热保护器、压力控制器，以提高泵的寿命。

（3）多介质过滤器

多介质过滤器也称为砂滤，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，通常情况下介质床的孔隙率应允许去除微粒的尺寸最小为10～40μm，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，达到反渗透系统进水要求。

（4）活性炭过滤器

在系统中，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等有害物质，以防止它们对反渗透膜系统造成影响。

因为对于粒度在1～2nm左右的无机胶体、溶解性有机高分子杂质和残余氯离子，通过机械过滤器是很难以除去的。

过滤介质通常由颗粒活性炭（如椰壳、褐煤或无烟煤）构成的固定层。

经过处理后的出水余氯应<

0.lppm。

微生物的生长是一个关键的考虑因素，出现这种情况的原因是过滤器内部的表面面积大以及相对低的流速，同时过滤介质还是一个细菌滋生的温床。

由于活性炭过滤器会截留住大部分的有机物和杂质等，使其吸附在表面，因此，可以采用定期的巴氏消毒来保证活性炭的吸附作用。

（5）软化器

目前主要是用钠型树脂中有可交换的Na+来交换出原水中的钙、镁离子时降低水的硬度，以防止钙、镁等离子在反渗透膜表面结垢，使原水变成软化水后出水硬度能达到<

1.5ppm。

软化器通常的配备是两个，当一个进行再生时，另一个可以继续运行，确保生产的连续性。

（6）阻垢剂加药装置

阻垢剂加药系统在反渗透进水中加入阻垢剂，防止反渗透浓水中碳酸钙、碳酸镁、硫酸钙等难溶盐浓缩后析出结垢堵塞反渗透膜，从而损坏膜元件的应用特性，因此在进入膜元件之前设置了阻垢剂加药装置。

阻垢剂是一种有机化合物质，它的主要作用是相对增加水中结垢物质的溶解性，以防止碳酸钙、硫酸钙等物质对膜的阻碍，同时它也可以降低铁离子堵塞膜。

系统中是否要安装阻垢剂加药装置，这取决于原水水质与使用者要求的实际情况。

（7）精密过滤器

精密过滤器在水系统中又称为保安过滤器，为了防止石英砂过滤器、活性炭过滤器中的微小粒子流入反渗透膜而采取的一种精密过滤装置，过滤介质的孔径一般为5μm。

其作用在于截留一切粒径大于5μm的物质，以满足后续反渗透装置的进水要求。

（8）高压泵

作为反渗透系统的高压泵为反渗透装置提供动力，宜配置高低压保护、过热保护，以防止泵的损坏。

泵的性能应稳定可靠，以保证水系统的运行。

泵的材料多为316L不锈钢。

（9）反渗透主机

水系统的反渗透主机的主要部分是反渗透膜组件，由于反渗透的出水偏酸性，金属的膜壳会逐渐被腐蚀，因此，膜壳的选材应保证主机除盐的作用长期，稳定可靠地达到设计要求。

反渗透主机的设计，水的利用率应达到70%～75%，总脱盐率应大于97%。

反渗透系统的控制系统可采用微电脑PLC控制，来实现反渗透膜组件的顺洗、制水、水箱满、药洗、高压泵的高低压保护、过热保护等工艺过程的全自动控制，并应带有电导率的随机显示。

（10）纯化水箱储罐

纯化水储罐的材质为316L不锈钢材料制造，容器的容量依据设计要求。

为了使容器内积水完全排空和便于在线清洗，容器应采用圆顶圆底立式结构。

（11）NaOH加药装置

如果采用的是双级反渗透，在二级反渗透高压泵前加入NaOH溶液，用以调节进水pH值，使二级反渗透进水中CO2气体以离子形式溶解于水中，并通过二级反渗透去除，使产水满足EDI装置进水要求，减轻EDI的负担。

（12）CO2脱气装置

反渗透产水中过量的二氧化碳可能会引起产水的电导率达不到药典的要求，所以在进入反渗透前可以通过加NaOH除去二氧化碳，如果水中的CO2水平很高，可通过脱气将其浓度降低到大约5～10ppm，脱气有增加细菌负荷的可能性，应将其安装在有细菌控制措施的地方，例如将脱气装置设置在一级与二级反渗透之间。

（13）纯化水泵

纯化水泵应采用卫生级泵。

泵的形式应为无容积式气隙，泵底最低处应安装排水阀以将水排尽。

（14）紫外线杀菌器（UV）

紫外线杀菌器是一种非常普遍地用来抑制微生物生长的装置，可以消灭微生物（细菌、病毒、酵母、真菌、或藻类）并穿透它们的外膜修改DNA并阻止其复制，使细菌减少。

在反渗透处理单元进出口的供水管道未端均应设置大功率的紫外线杀菌器，以保护反渗透处理单元免受水系统可能产生的微生物污染，杜绝或延缓管道系统内微生物细胞的滋生,通常水以控制的流速暴露在紫外灯下。

（15）超滤器

为了去除经上述处理后在纯化水中残留的微小颗粒，使出水最终达到使用条件中对供水水质的所有要求。

（16）灭菌装置

在水系统中有两处需要对微生物进行特殊控制。

一处是活性炭过滤器和软化器，这是因为活性炭和软化