纯化水制备的方式与综合性探讨

blueski推荐 [2013-6-13]
出处：中国制药装备
作者：董文良
 

摘要：从自然界水的存在方式及各种水源的特性入手，对纯化水的制备方式、纯化水系统的消毒与纯化水管路系统的要求方面作了探讨，并着重对纯化水的制备进行综合性分析。
关键词：纯化水；制备；综合性；探讨；分析
 
    药品生产离不开水，在药品生产过程中所需水的水质与生产品种、生产工序等都有直接的关系。在原料药生产中，根据工艺要求各工序采用相应的工艺用水，如经预处理的饮用水、深井水等；在原料药精制阶段以及药物制剂生产阶段，纯化水、注射用水在生产过程中根据工艺要求单独或组合使用。此外，纯化水可用于大多数无热原要求的吸入剂和眼科用药的配制，也可用于化妆品、口服制剂的生产。
    中国药典（2005版）规定：注射用水必须以纯化水为原料水，并明确了纯化水的概念，即纯化水为通过蒸馏法、离子交换法、反渗透法或其他适宜的方法制得的供药用水，不含任何附加剂。中国药典对纯化水的细菌、霉菌和酵母菌总数有明确的规定：每1ml不得超过100个。而欧洲药典在纯化水和注射用水的专论中规定了细菌内毒素限度指标，但我国药典到目前尚未对此指标加以控制。
 
1.自然界水的存在方式
    自然界水的存在可分为地下水和地表水等形式，由于其存在方式的不同，因此含有的杂质也不尽相同，其中包括：
    (1)悬浮物：颗粒在10－4mm以上，主要是泥沙、粘土、动植物及其遗骸、微生物、有机物等。
    (2)胶体：颗粒在10－5mm－10－4mm之间，主要是硅酸及铁、铝化合物及一些高分子化合物等。
    (3)溶解物：颗粒在10－6mm以下，以分子或离子状态存在，溶解物又可分为：1)盐类(又称矿物质)，均以电离状态存在于水中，主要的阳离子是Ca2+、Mg2+、Na+、K+,，还有Fe2+、Mn2+等，主要的阴离子是HCO3－、Cl－、SO42-，还有CO32-、NO3－、HSiO3－、PO43-等；2)气体，主要是氧气和二氧化碳；天然水中氧的含量一般在5－10mg/L，污染严重的水中含氧量较低，地下水含氧量比地表水低，深层地下水含氧量几乎为零。一般二氧化碳在地下水中含量较高，在地表水中含量较低；3)有机物：天然水中溶解的有机物主要为腐殖酸和富维酸，为大分子有机酸群，其它还有有机碱、氨基酸、糖类等。
 
2各种水源的特性
    (1)地下水，由于地下水流经地层时，地层土壤起了过滤作用，悬浮物和胶体含量较少，水质清澈透明，其硬度、含盐量、含铁量等通常比地表水高。
    (2)江河水，悬浮物和胶体含量较高，随季节波动，其硬度、含盐量较低，易受污染。
    (3)湖泊与水库水，悬浮物较少，含盐量较高。
    因此，自来水厂须根据水源的差异情况以及季节变化来调整饮用水制备流程，以达到国家规定的饮用水标准。
 
3纯化水制备的几种预处理方式
    纯化水的制备一般以自来水（即饮用水）为水源，根据原水水质并结合企业对纯化水水质的具体要求、投资费用控制、运行费用、纯化水制备装置的选择等方面加以综合考虑。通常可根据原水含盐量、碱度、强酸性阴离子含量等情况，并参考下述预处理方法：
    (1)进水含盐量在300mg/L以下，一般为普通离子交换法除盐。
    (2)进水含盐量在300－500mg/L，当原水中强酸性阴离子含量超过100 mg/L时，上述系统中再增加弱碱阳离子交换柱。
    (3)进水含盐量在500mg/L以上，采用反渗透装置将其含盐量降低，再用离子交换柱脱盐。
    (4)当原水碱度>50mg/L时，系统应考虑设脱气装置。
 
4纯化水的制备方式
    (1)离子交换，离子交换系统使用带电荷的树脂，利用正负电荷相互吸引的原理，去除水中的金属离子，离子交换系统需用酸和碱作定期再生处理。
    (2)电法去离子（EDI），电法去离子使用一个混合树脂床，采用选择性渗透膜及电极，以保证水处理的连续生产和树脂的连续再生。特点：不仅在于有较高的出水水质，而且去掉了可能对厂房及设施有腐蚀的酸碱，并且系统的运行和再生可同时进行。
    (3)电渗析（ED），与离子交换法相似，采用静电及选择性透过膜分离浓缩，并将金属离子从水流中冲洗出去。
    (4)反渗透（RO），其原理是用一个半透膜，使高压水通过半透膜的办法来改善水的化学、微生物和内毒素等方面的指标。
    (5)超滤，超滤是利用透过膜技术，可除去水中的有机体和各种细菌，以及多数病菌和热原，过滤膜的孔径一般在0.1-0.01μm之间。与反渗透技术不同之处，超滤并不是靠渗透，而是靠机械法分离；与反渗透系统相似之处，超滤系统的效率取决于整个系统的配置及其它单元操作。
    超滤也可用于注射用水的制备或液体浓缩工艺。其过滤或浓缩过程采用切向相对运动技术，使滤液在滤膜表面切向流过时完成超滤，大大降低了滤膜失效的速度，同时又便于反冲清洗，并能延长滤膜的使用寿命，有相当的再生性和连续可操作性。
    上述几种方法在纯化水制备系统中，可根据各种不同的情况进行组合，以达到设备投资费用、长期运行费用、耗电量及耗水量等的最佳经济平衡点。
 
5纯化水系统的消毒
    消毒是一种控制水系统微生物污染的重要手段，较常见的有热力消毒法、紫外消毒法以及化学消毒法等。
    (1)热力消毒法
    热力消毒包括纯蒸汽灭菌、巴氏消毒和过热水消毒等。纯化水系统的离子交换树脂、反渗透、电渗析、电法去离子等装置一般不宜采用高温消毒，否则会产生老化、破碎或损坏。
    (2)紫外消毒法
    用于消毒的紫外光波长分别为254nm及185nm，它能降低水系统新菌落的生成速度，但对于浮游生物来说，它仅是部分有效，通过照射，它杀灭水中微生物的量不超过90％。因此，它的穿透力较差，故其石英管应定期清洁。
    (3)化学消毒法
    化学方法消毒的材料种类很多，较常见的有氧类和氯类。氯类氧化剂有液氯、次氯酸钠、次氯酸钙、二氧化氯等；氧类氧化剂有臭氧、过氧化氢和高锰酸钾等。
    臭氧是一种强氧化剂，在水处理系统中对除臭、脱色、杀菌，除酚、氰、铁、锰等都有明显效果。考虑到化学方法消毒对纯化水系统的残留问题，目前臭氧消毒在国内药厂的纯化水装置中有较多的应用。
    卤化物是有效的消毒剂，但使用后难以从水处理系统中清洗掉，况且只有在较高浓度时，如达到百万分子300时，才能对生物膜发生作用。但过高浓度的消毒剂往往会对设备产生腐蚀，使用时必须权衡二者的利弊。
 
6纯化水管路系统的要求
    (1)纯化水作为一种卫生洁净的介质，其制备、贮存、分配输送系统均应按照卫生级产品的标准来实施。
    (2)整个贮存、分配及输送系统所涉及的泵、阀、管道、管件等均应选择卫生型，连接方式为卡箍式，吊顶内管道为氩气保护下的高频自动焊接。整个系统不应有死角及积水点，相应的系统内各部件的内表面粗糙度Ra≤0.4μm。
    (3)纯化水应循环使用，循环系统中不宜设置中间贮罐。
    (4)如在纯化水制备装置中已设有臭氧发生器，则在纯化水分配和输送系统应设置气水混合器，该装置可将臭氧发生器产生的臭氧（O3）气体经气水混合器与纯化水充分混合，以对整个循环系统进行消毒，可有效阻止系统内微生物的滋长。
 
7纯化水制备的综合性分析
    表1是一张纯化水制备综合性分析表，该表分析的说明：(1)以10m3/hr产水量为基准；(2)原水水质以上海市城市管网自来水为标准；(3)针对纯化水系统不同的组合方式，将设备投资费用、出水水质、系统耗水量、耗电量、系统再生费用、系统预处理费用等多项因素加以综合考虑并计算，而得出不同组合配置的纯化水装置的每吨成品水的成本价；(4)由于各地的水质情况的较大差异，以及装置价格、水电费等的有所不同，数据可能会有所出入，因此所提供数据也仅供参考。
 
8.结语
    本文从自然界水的存在方式及各种水源的特性入手，对纯化水的制备方式、纯化水系统的消毒与纯化水管路系统的要求方面作了探讨，并着重对纯化水的制备进行综合性分析。目的是能让做制药工程项目中对纯化水有所比较、有所选择，以达到在同样效果下投资最少。
 
原著：董文良.对纯化水制备的综合性探讨.中国制药装备杂志.2007(2)

序 号 项目 公式及符号 反渗透-电 法去离子系统 复床-混 床系统 电渗析-复床-混床系统 反渗透-混床系统 二级反渗透系统
    出水 B         10T/Hr      
    水质 f f>10 MΩ.cm 1<f<10 MΩ.cm 1<f<10 MΩ.cm   1<f<12 MΩ.cm 0.1<f<1MΩ.cm
  1 投资 A 720 000元  268 000元 30 0000元   480 000元  580000元 
投 2 折旧 B         5年          
资 3 总出 C       5年×365天/年 ×24hr/天×10t/hr=438000t  
  4 单 位出 水总 折旧率 W=A/C 1.64元 /t 0.61元 /t   0.68元/t   1.10元 /t 1.32元/T
  1 系统 耗水 量 进水 D 14t /hr 10t /hr   15t/hr   14t /hr 14.5t/hr
          费用 F1=D/E×1.5元/t 2.1元 /t 1.5元 /t   2.25元/t   2.1元 /t 2.2元/t
            反渗透 其它 复床 其他（混床） 电渗析 复床 其它（混床） 反渗透 其他（混床） 二级反渗透
  2 系统 耗电 量 耗电 G 15kW/hr 10kW/hr   10kW/hr 10kW/hr   8kW/hr 15kW/hr 8kW/hr 30kW
          费用 F2=G/E×0.6元/kW.hr 0.90元/t 0.60元/t   0.60元/t 0.60元/t   0.48元/t 0.9元/t 0.48元/t 1.8元/t
运     再 生处 理周期 I     50hr 50hr 3周=2160hr  4×50hr 8×50hr   2×50hr  
      单位 周期 出水量 S1=I×E     500T/I 2000T/I 21600T/I 2000T/I 2000T/I   1000T/I  
行     一次 用 用量 J     300L/I 65L/I 20L/I 300L/I 65L/I   65L/I  
  3 再 再生 酸 费用 K=J×1元/升     300元/I 65元/I 20元/I 300元/I 780元/I   780元/I  
费   生 用量 用 用量 L     70kg/I 35kg/I   70kg/I 35kg/I   35kg/I  
        碱 费用 M=L×2元/Kg     140元/I 70元/I   140元/I 560元/I   560元/I  
用       再生 费用 F3=(M+K)/S1     0.88元/T 0.07元/T 忽略 0.22元/T 0.67元/T   1.34元/T  
      絮 凝剂 用量 P 5g/ t.hr           5g/ t.hr 6g/t.hr
    投     费用 R1 0.01元 /t           0.01元 /t 0.01元/t
  4 药 阻 垢剂 用量 V 2g/ t.hr           2g/ t.hr 2g/t.hr
    系     费用 R2 0.15             0.15 元/T 0.15元/T
    统   投资 费用 F4=R1+R2 0.16元 /t           0.16元 /t 0.16元/t
      全 失效 周期 S2 1年=  8760hr 无     无   8760 hr 8760hr
    活 一 周期 出水量 U=S2×E 87600 t 无     无   87600 t 87600t
  5 性   容量   V 2000 kg 无     无   2000 kg 2000kg
    碳   费用   F5=(V×8元/Kg)/U 0.1   无     无   0.1 元/t 0.1元/t
    单位 运行 成本   Y=F1+F2+F3+F4+F5 3.86 元/t 3.05元 /t   3.58元/t   3.71 元/t 4.1元/t
  每吨 成品 水成 本   Q=W+Y 5.5元 /t 3.66元 /t   4.26元/t   4.81 元/t 5.42元/t
10m3/h为例的各种工艺水处理系统运行费用，原水水质以上海市城市管网自来水为例。
上述装置价格仅供对比参考，不作其他用途。
每吨成品水价格仅供对比参考，不作其他用途。
由于目前纯化水制备装置的市场价格差异较大，因此附表中所见的装置投资费仅为计算的依据，不作其他参考。
由于装置运行费用在单位运行成本中占相当大的比例，因此装置价格的差异并不会过多影响单位运行成本的相对比较差别。