论EDI在制药纯水制备中的应用.docx

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论EDI在制药纯水制备中的应用

一．EDI装置的概述

连续电渗析除盐装置（EDI，Elect-deionization）,是利用混合离子交换树脂吸附给水的阴阳离子，同时这些被吸附的离子在直流电压的作用下，分别透过阴阳离子交换膜而被除去的过程。

此过程离子交换树脂不需要酸和碱再生，水（H2O）在电场的作用下电解成OH-和H+，分别再生阴阳树脂，实现连续除盐的效果。

这一新技术代替传统的混合床装置（DI）和电渗析（ED），从而可以得到电阻率高达18MΩ*CM的超纯水。

利用反渗透技术进行一次除盐，再用EDI技术进行二次除盐就可以彻底使纯水制造过程连续化，避免使用酸碱再生，大大降低纯水运行成本，因此EDI技术给水处理技术带来革命性的进步。

目前市场上可以购得EDI品牌有以下几种：

E-cell（美国产）、Usfilter（美国产）、Qmexell（欧美公司中国工厂生产）、Electropure（美国产）、Capure（加拿大产），她们在国内均有水处理工程公司代理经销及维保。

一．EDI技术相关知识

1．EDI工作过程

一般自然资源，包括洋、海、江、湖、地下水及空气中相当数量的水蒸汽，水分子（H2O）是由两个氢原子和一个氧原子构成的，可大自然中很纯的水是没有的，因为水是一种溶解能力很强的溶剂，水中存在钠、钙、氯化物、硝酸盐、碳酸氢盐等溶解物，这些化合物有带负电荷的阴离子和带正电荷的阳离子组成。

前段通过砂滤、碳滤、阳离子交换器、保安过滤器，再通过反渗透（RO）的处理，95—99%以上的离子可以去除。

RO淡水（EDI给水）电阻率一般范围在0.05—1.0MΩ*CM,即电导率的范围为20—1μs/CM。

根据应用的情况，EDI去离子淡水电阻率一般范围在5--18MΩ*CM。

另外，原水中也有可能包含其他微量元素，溶解的气体（如CO2）和一些弱电解质（如硼，SiO2），这些杂质在工业除盐水中必须被除掉。

但是反渗透过程对于这些杂质清除效果较差，因此，EDI的作用就是通过除去电解质（包括弱电解质）的过程，将水中的电阻率从0.05—1.0MΩ*CM提高到5--18MΩ*CM。

EDI是在电渗析ED基本上进一步发展起来的，内部由阴、阳膜、电极、离子交换树脂组成。

离子交换膜和离子交换树脂工作原理相近，可以选择性透过离子，其中阳膜只允许阳离子透过，不允许阴离子透过，阴膜只允许阴离子透过。

在一对阴阳膜之间充填混合离子交换树脂就形成一个EDI单元，阴阳膜之间混合离子交换树脂占据的空间被成为淡水室。

将一定数量的EDI单元罗列在一起，使阴阳膜交替排列，并使用网状物将每个EDI单元隔开，两个EDI单元之间的空间被称为浓水室。

在给定的直流电压的推动下，在淡水室中，离子交换树脂中的阴阳离子分别向正，负极迁移，并透过阴阳膜进入浓水室，同时给水中的离子被离子交换树脂吸附而占据由于离子电迁移而留下的空位，事实上离子交换和吸附是同时并连续发生的，通过这样的过程，给水中的离子穿过离子交换膜进入浓水室被去除而成为除盐水。

带负电荷的阴离子（OH-，CL-）被正极吸引而通过阴膜，进入邻近的浓水室，此后这些离子在连续向正极迁移中迁到邻近的阳膜，而阳膜不允许阴离子通过，这些离子被阻隔在浓水中，淡水中的阳离子（如Na+，H+）以类似的方式被阻隔在浓水室中，透过阴阳膜的离子维持电中性。

EDI组件电流量和离子迁移量成正比。

电流量由两部分组成，一部分用于被除去离子的迁移，另一部分源于水本身电离产生的H+和OH-离子的迁移。

在EDI组件中存在较高的电位差，在其作用下，水会电解产生大量的H+和OH-离子，这些就地产生的H+和OH-离子对离子交换树脂有再生的作用。

EDI组件中的离子交换树脂可以分为两部分，一部分称作工作树脂，另一部分称为抛光树脂，二者的界限为工作前沿，工作树脂承担除去大部分离子的任务，而抛光树脂则承担除去弱电解质较难去除离子的任务。

三．EDI的运行条件

1.EDI运行参数

EDI组件运行结果取决于各种各样的运行条件，其中包括系统设计参数、给水质量、给水压力、EDI运行电流及电压等。

当电流通过EDI膜块时会产生热量，在EDI运行过程中必须用水流将热量带出，因此，EDI淡水、浓水、极水水流不畅或停止时必须停止供电清洗，否则将EDI膜块烧毁。

EDI直流电源的纹波系数要小于等于5%，要获得高质量的纯水，就要有一个最佳电流量，若实际运行电流小于此电流，产品水中离子不能完全被去除，部分离子被树脂吸附，短时间产水水质较好，当树脂失效后，产水水质大幅下降，若实际运行电流高于最佳电流量，多余的电流引起离子极化现象使产品水的电阻率降低。

1.1EDI运行最佳电流量估算方法如下：

可以将水中所有离子（Na+、CL-、HCO3-等）和在EDI组件中可转化成离子的物质（如CO2，SiO2等）的总和称为总可交换物TES（TotalExchangeableSubstance）。

TES以碳酸钙计，单位是不是ppm或mg/l,TES是总可交换阴离子TEA（TotalExchangeableAnion）和总可交换阳离子TEC（TotalExchangeableCation）的总和。

每个组件最佳工作电流与给水的TES和纯水水质要求有关，如果给水水质较好，运行电流量可能接近或低于2A，如果给水水质差，运行电流可能接近6A，当水质太差时，EDI无法正常工作。

因为CO2，SiO2对TEA有贡献，因此TEA经常大于TEC，因而用TEA计算最佳工作电流更准确，可以用下面的公式估算最佳工作电流：

最佳工作电流：

C（A）=0.22*TEA（ppm）

实际上，工作电流还与TES的组成有关，因此以上经验公式只能提供一个粗略的估算值，实际电流根据现场情况而定。

每两个月在EDI产水时，略调大EDI电流，让树脂完全再生一次，此时所产的淡水是不合格的水，应全部排放。

1.2维持EDI稳定运行状态的方法

稳定状态是指进出组件的离子达到物料平衡，运行条件改变后，组件需要运行8—24小时才能达到稳定状态。

如果电流降低或给水离子总量增加，抛光层树脂将会吸收多余的离子，在这种状态下，离开组件工作树脂层的离子数将小于进入组件的离子数，最后达到新的稳定状态时离子迁移速率和给水离子相协调。

此时，离子交换树脂的工作前沿将向出水端移动，抛光层树脂总量减少。

如果电压升高或给水离子浓度减少，树脂将会释放一些离子进入浓水，离开组件工作树脂层的离子数将大于进入组件的离子数，最后达到新的稳定状态时离子迁移速率和给水离子相协调。

此时，离子交换树脂的工作前沿将向给水端移动，抛光层树脂总量增加。

2．EDI给水的要求

2.1TEA（总可交换阴离子，以CaCO3计）：

＜25ppm。

TEA计算公式如下：

TEA=50*（Ccl-/35.5+2Cso42-/96+1.7Cco2/44+1.7CHCO3-/61+1.5Csio2/60+……）其中所有物质浓度单位均以mg/L计。

2.2PH值：

6.0—9.0

EDI最佳工作PH为：

8.0—9.0。

2.3温度：

5—35℃。

2.4进水压力小于4Kfg/cm2

2.5出水压力：

浓水和极水压力一般低于产品水的出口压力0.5—0.7Kfg/cm2。

2.6硬度（以以CaCO3计）：

小于1ppm。

大于此数，EDI有可能无效。

2.7有机物（TOC）：

＜0.5ppm.

2.8氧化剂：

Cl2＜0.5ppm，O3＜0.02ppm

氯和臭氧会氧化离子交换树脂和阴阳膜，使EDI组件功能降低，氧化还会使TOC含量明显升高，污染离子交换树脂和阴阳膜，降低离子迁移速度，另外，氧化还会使树脂破裂，通过组件的压力损失增加。

2.9变价金属Fe＜0.01ppm，Mn0.01ppm

铁锰离子对离子交换树脂有中毒作用，而对EDI，尤其严重，因为EDI树脂较少，阴膜附近PH高这些都加快树脂中毒。

它可能会在几小时内中毒，另外，变价金属对离子交换树脂有氧化催化作用，会造成树脂永远性损伤。

2.10H2S＜0.01ppm

2.11SiO2＜0.5ppm

2.12污染指数SDI15min＜1.0

2.13色度＜5APHA

2.14CO2＜10ppm

2.15电导率＜40μs/CM，给水电导率只能作为一个参考指标，而TEA是更为准确衡量给水质量的指标。

3.EDI加盐（NaCL）运行方式

当进水电导率低时，EDI膜块的电流较小，这样会影响产品水水质，这时候可以选择加盐装置，加盐量以控制浓水电导率在200--350μs/CM之间，同时保证纯水电阻率为准。

4.优化EDI运行条件

Ø产品水流量应该在给定范围的下限

Ø电流应该适中

Ø浓水流量应为给定范围的上限

Ø二氧化碳的含量应该尽量减少

ØPH值尽量接近上限

Ø如果较低质量的纯水也能满足要求，为节约能源，可以提高产品水流量或降低电流。

四．EDI设备优势

1．EDI和混床比较

混床系统在再生结束以后，都要经过30-60分钟的漂洗，电阻率才能逐渐上升到规定的水质要求，在临近终点时，首先是SiO2和Na+泄漏，然后是电阻率大幅下降，所以要保持电阻率稳定，至少要有2台混床串联，才能得以保证。

而EDI系统在开机后立即上升到较高的水质，另由于其处理及再生同期进行，大大，减少了系统停运时间。

混床系统在再生时需要酸和碱液，而且操作繁琐，一般人很难掌握，并且有酸碱废液产生需要中和后排放。

EDI系统自动再生，中性废液排放，操作简单，运行成本低。

2.EDI和电渗析比较

电渗析和EDI比较是在淡水室少装离子交换树脂，电渗析在工作的时候，淡水室的水会电离成H+和OH-参加穿过阴阳膜，白白浪费电能。

另外，OH-穿过阴膜进入浓水室，使浓水室的阴膜表面略带碱性，因此在这里易于产生Mg（OH）2和CaCO3一类沉淀物，形成水垢，同理，在淡水室的阳膜附近，由于H+透过膜转移到浓水室中，因此这里留下的OH-也使PH升高，所以会产生铁的氢氧化物等沉淀。

结垢的结果会减少渗透面积，增加水流阻力和电阻，使电耗增加，需要经常定期倒换电极、用酸洗膜、甚至将其拆卸清洗水垢。

EDI淡水室的水会电离成H+和OH-再生离子交换树脂，节约电源，减少结垢可能，达到连续产水的效果。

3.EDI和三级反渗透比较

RO半透膜具备以下特性：

Ø透水率大，脱盐率高；

Ø机械强度大；

Ø耐酸碱，耐微生物的侵袭；

Ø使用寿命长；

Ø制取方便，价格较低；

Ø但对进口端悬浮物要求较高，污染指数小于3为宜。

三级反渗透串联组合出水在1μs/CM左右，而EDI出水能达到16MΩ*CM，三级反渗透串联组合可以作为EDI上一级处理。

五．EDI在完整的制药纯化水的位置

水处理的规模取决原水水质、生产用水量、及工艺对水质的要求，其中原水水质及工艺对水质的要求决定制水流程的繁简，而用水量决定设备的大小。

一般来说当原水为市政自来水时，预处理设备较少，而当工艺对水质的要求较高时，用于去离子、除菌及除微粒的设备较全。

中国药典2000标准对药品生产用纯化水的主要用途及水质标准都有明确规定。

纯化水的制备通常由前处理、脱盐和后处理三大部分组成。

脱盐工序有电渗析、反渗透、离子交换、EDI等。

以本公司1M3/T为例，具体流程如下：

原水（市政自来水）砂滤碳滤Na床软化器保安过滤器（5μ）保安过滤器（1μ）RO一级反渗透UV杀菌机EDI设备0.2μ精密过滤器储水箱纯化水泵0.2μ精密过滤器车间及QC各使用点。

砂滤、碳滤、Na床软化器、保安过滤器作为前处理以去除原水中的悬浮物、胶体、微生物等为主，并清除过高的硬度和浊度。

RO一级反渗透、EDI去除绝大多数的阴阳离子。

UV杀菌机、0.2μ精密过滤器作为后处理对脱盐后的水质处理。

以保证公司固体制剂生产条件，并符合药典要求。

六．EDI运行维护及其常见故障处理方法

1．开机前准备

⏹仔细阅读EDI说明书，并确认控制调节EDI控制电压和电流；

⏹检查与其连接的管路和电路；

⏹对相关的仪表进行校验；

⏹检查EDI电源装置是否正常；

⏹准备好运行记录本，记录电压电流及观察到的任何现象。

2．EDI运行

⏹在确保EDI进口有水流和电导率满足要求的时候，打开EDI电源，此过程一般由PLC控制完成；

⏹检查浓水、极水流量，确保流量正常，如无流量，立即关闭EDI电源。

⏹调节EDI给水压力和流量、浓水流量、极水压力和流量均达到设计要求范围。

⏹检查EDI淡水电导率是否正常；

⏹调节EDI工作电流和电压，使其达到最佳运行状态。

⏹记录初始数据，运行几小时后，再记录各数据，确认是否已稳定。

3．关闭EDI

关闭EDI电源，关闭进口水阀。

一般情况下，此操作由PLC完成。

4．EDI常见故障及处理方法

故障

可能原因

解决办法

产水流量低

膜块堵塞

清洗

进口压力低或阀门开度小

调整至正常

产水水质差

电源极性接反电流低

更换极性和调整电流

电压太低或太高

调整至正常范围

离子交换膜结垢或污染

清洗

进EDI水质差

查明原因，通常CO2是主要因数，调整进口PH值或其他措施

浓水压力比给水和淡水压力高

重新设定到0.3-1.0bar的压差

给水流量不正常

调整流量至正常

浓水电导率低

回收率低

减少浓水排放

进水电导率下降

浓水中加盐提高电导

加盐装置正常否

检查

膜块压差不正常

膜堵

清洗

流量不正常

调整至正常

浓水/极水流量低

膜堵

清洗

阀门开度小

调整

5．EDI膜清洗流程

5.1浓水侧结垢酸洗

5.1.1清洗设备和消耗品

✧一台清洗泵，流量为系统产水量的30%，扬程为21M，耐酸。

✧塑料管件及连接件

5.1.2清洗药剂配置

✧配方1：

5%有机酸的清洗液，PH值约为3，用去离子水和柠檬酸配置；

✧配方2：

25%的强酸溶液，用去离子水和37%分析纯HCL溶液配置。

5.1.3酸洗流程

✧断开EDI电源；

✧连接清洗管路；

✧清洗清洗泵，调节浓水流量为产水量的30%，极水流量为正常流量；

✧测量并记录通过极水室和浓水室的水流量和压力降；

✧不要将酸打到淡水室，否则需要很长的运行时间再生树脂；

✧用泵使清洗液循环清洗EDI30min,然后停泵浸泡5min以上；

✧当清洗液消耗完，再次配制清洗液；

✧用去离子水装满清洗箱，启动清洗泵冲洗EDI；

✧更换清洗箱去离子水，直到冲洗出水的PH在日常运行的范围内，此时测定并记录压力降，流量，PH；

✧恢复原来运行管路；

✧启动原供水系统冲洗，直到淡水出水小于30μS/CM；

✧启动EDI电源，调大EDI电流，进入再生；

✧将EDI电压，电流调至正常范围。

5.2淡水侧有机物污染碱洗

5.2.1清洗设备和消耗品

✧一台清洗泵，流量为系统产水量，扬程为21M。

✧塑料管件及连接件

5.2.2清洗药剂配置

✧配方：

1%NaOH和5%NaCL

5.2.3碱洗流程

✧断开EDI电源；

✧连接清洗管路；

✧清洗清洗泵，调节淡水流量为产水量，极水流量为正常流量；

✧测量并记录通过淡水室的水流量和压力降；

✧用泵使清洗液循环清洗EDI30min,然后停泵浸泡5min以上；

✧当清洗液消耗完，再次配制清洗液；

✧用去离子水装满清洗箱，启动清洗泵冲洗EDI；

✧更换清洗箱去离子水，直到冲洗出水的PH在日常运行的范围内，此时测定并记录压力降，流量，PH；

✧恢复原来运行管路；

✧启动原供水系统冲洗，直到淡水出水小于30μS/CM；

✧启动EDI电源，调大EDI电流，进入再生；

✧将EDI电压，电流调至正常范围。

6．EDI膜除菌清洁过程

工作电压下的EDI膜块不断地分解水，从而造成局部PH很高或是很低，这种PH值能抑制细菌繁殖的作用，最好的清洁方法是保持EDI组件不间断使用，这时细菌不会繁殖，尤其在产品水侧。

定期清洗或长期停机清洗推荐方法如下：

✧配置2%浓度的过氧化氢溶液；

✧在环境温度下，将2%浓度的过氧化氢溶液通过树脂床20-30分钟；

✧用去离子水冲洗1小时以上，检测流出液体中无过氧化氢即可。

过氧化氢能有效的用于阴阳树脂的消毒处理，为了保证良好的消毒效果而又不损伤树脂，重要的是控制浓度、温度和接触时间。

小结

本论文是关于制药企业纯化水制备系统的EDI设备方面的内容，EDI设备技术突飞猛进，论文尽有不足之处或错误之处，请读者加以批评及指正，本人表示感谢。

同时也要感谢本人服务单位的帮助和协调。