反渗透装置基本结构

反渗透装置的基本结构

摘要

制药用水的水质直接影响药品的质量。药品生产中大量使用饮用水、纯水和注射用水。由于制药用水的水质要求逐步提高，传统的制水工艺已远不能满足其要求，反渗透技术作为一种先进、有效的水质净化技术在制药用水系统中应用越来越多。目前，在一些新建或改扩建的制药工程项目中，常采用反渗透方法作为纯水制备的首选方案。结合设计经验，论述了受渗透技术在制药用水中的应用，包括反渗透膜的选择、渗透装置及组合形成、预处理、后处理以及成套制水设备的问题。

关键词：制药用水；反渗透；反参透膜；反渗透装置；成套制水设备

ABSTRACT

Pharmaceutical water quality directly influences the quality of drugs. Pharmaceutical production is used in great quantities in drinking water, pure water and injection of water.Due to the requirements for quality of the pharmaceutical water gradually improving, the traditional water making process has been far cannot satisfy the requirements, reverse osmosis technology as an advanced, effective water purification technology in pharmaceutical water system applied more and more. At present, in some newly built or renovated pharmaceutical engineering projects, often using reverse osmosis method as the preferred solution preparation of pure water. Combining the design experience, discusses the water by osmosis technology application in pharmaceutical, including the reverse osmosis membrane selection, osmosis device and combination formation, pretreatment, post-treatment as well as a complete water making equipment problems.

Key words: Pharmaceutical water; Ro; Reverse searches membrane; The reverse osmosis device; Complete water making equipment

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第一章绪论 (1)

1、反渗透的原理 (1)

2、制药用水中反渗透工艺的典型流程 (1)

第二章反渗透膜 (2)

2.1、反渗透膜的基本性能要求 (2)

2.2、反渗透膜的性能及选择 (2)

第三章反渗透装置的基本结构 (2)

3.1 反渗透装置的结构 (2)

3.1.1、膜元件的形式 (2)

3.1.2、膜元件的组成。 (3)

3.2、反渗透装置的基本结构 (3)

3.2.1螺旋卷式反渗透组件 (4)

3.2.2中空纤维式反渗透组件 (5)

第四章、反渗透在制水系统的应用 (6)

4.1一级反渗透系统 (6)

4.2二级反渗透系统 (6)

4.3一级反渗透系统+离子交换系统 (7)

第五章、结语 (8)

参考文献 (8)

第一章绪论

1、反渗透的原理

从上世纪80年代后半期开始此法在制药工业中逐渐被推广开来。其利用半透膜（反渗透膜），并借助于外界施加的压力为动力，强制原水中的水分子透过对水分子有选择性透过的膜达到除盐的目的，使水得到纯化。这种方法操作方便，出水量大，无污染，近年来已被广泛地使用。

反渗透是利用渗透这种物理现象来实现分离的。对两种含有不同浓度的水，用一张具有半透过性质的膜分开，会发现含盐浓度低的一边的水会透过膜渗透到含盐浓度高的一边，但其所含有的盐分并不渗透。这样逐斩融合直到两边的含盐浓度相等为止。自然的渗透过程很长。为了加快这个融合过程，可以在含盐量高的水一侧增加一个压力，让渗透停止，这就是膜的渗透压力。再把压力加大，水就可以反向渗透，盐分则留下来，这就形成了反渗透的除盐原理。即在有盐分的水中(如源水)，加以比自然渗透压力更大的压力，使渗透向相反方向进行，把原水中的水分子压到膜的另一边，变成洁净的水，从而达到去除水中盐分的目的。如图1-1所示。

图1-1反渗透除盐原理图

综上所述，反渗透系统处理水的原理是采用一个半通透的膜，用一个高的压力使水通过半通透膜，使之改善处理水的化学、微生物和内毒素方面的质量指标。

在反渗透系统中，水流由源水（原料水）、产品水（渗透水）和废水（排放水）组成。2、制药用水中反渗透工艺的典型流程

原水→砂滤器→活性炭吸附器→20um过滤器→预软化器→CO2脱气塔→5um过滤器→反渗透→精混床→0.2um过滤器→紫外线杀菌器→贮配系统

以上为一高纯水制备的典型工艺流程，设计时具体的工艺流程根据原水水质及用户对纯水水质的要求确定。反渗透装置前面的处理工序为前处理或预处理，反渗透装置后的处

理工序为后处理。

反渗透装置的基本结构

第二章反渗透膜

反渗透膜是一种只允许水（溶剂）通过而不允许溶质通过的半透膜，反渗透的孔径大多≤10*10（-10）m。

2.1、反渗透膜的基本性能要求

1）单位面积膜的透水速度快，除盐效率高；

2）膜的机械强度大，耐压密；

3）膜的化学稳定性好，耐酸碱能力强，不易受微生物污染；

4）性能衰减慢，使用寿命长。

2.2、反渗透膜的性能及选择

反渗透膜的性能与膜材料性能密切相关，不同的材料制成的膜具有不同的性能。主要的膜材料有醋酸纤维膜（CA膜）、芳香聚酰胺膜（PA膜），和薄膜复合膜（TFC膜）等。CA膜会发生水解，易受微生物侵蚀，脱盐率95%，逐年衰减，在运行中膜会被压紧，因而产水量会下降，工作压力高，耗电量也较高，使用寿命仅三年，但价格便宜。PA膜化学稳定性好、脱盐率95%，不会被微生物侵蚀，在运行中膜会被压紧，产水量会下降，工作压力高，耗电大，使用寿命长，价格稍贵。TFC膜不易水解，可在PH值4~12之间运行，适用性强，抗生物侵蚀能力强，且能抗膜的压密。产水量不随时间而改变，脱盐率高达98%且基本不变，膜透水速度高，工作压力低，耗电量小，使用寿命一般在五年以上且性能不变，但抗氯性差，价格较高。综上所述TFC膜有很多优点，现在使用比较普遍，但也有缺点，比如对进水的Cl2、氧化剂、阳离子表面活性剂含量控制要求高，否则会影响膜的安全经济运行。因此在具体项目中应综合考虑各种因素，选择理想的反渗透膜。

第三章反渗透装置的基本结构

3.1 反渗透装置的结构

广义的讲，反渗透装置应包括所有膜元件、连接管道、阀门、仪表以及高压泵等相关设备，甚至可以延伸到整个反渗透系统；狭义地讲，反渗透装置仅指膜组件本身。

3.1.1、膜元件的形式

膜元件（膜组件）有四种形式：平板式（板式）、圆管式（管式）、螺旋卷式（卷式）、中空纤维式。我厂和王曲发电厂用的都是螺旋卷式膜元件。

对膜元件（膜组件）的基本要求是：

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（1）尽可能高的膜装填密度。装填密度是指单位体积膜装置中膜的面积（m2/m3）（2）不易浓差极化。

（3）抗污染能力强。

（4）清洗和换膜方便。

（5）价格便宜。

3.1.2、膜元件的组成

膜元件（膜组件）的基本组成包括：膜、膜的支撑物或连接物、水流通道、密封、外皮、进水口和出水口等。

（1）、膜

膜是构成膜元件乃至反渗透系统的核心部分。

（2）、支撑物或连接物

反渗透膜在组装成膜元件过程上，为了固定膜使其具有一定形状和强度，需要支撑物。

卷式膜一般将隔网夹在两膜之间，隔网既是支撑物又是水流通道。由于支撑物兼有搅拌功能，所以选择合适的支撑物，对于改善水流状态，防止浓差极化非常重要。

（3）、水流通道

水流通道是从盐水进入到浓水和淡水流出器件的全部水流空间。大多数水流通道是通过膜与膜之间的支撑体、导流板或隔网来实现。

（4）、密封

反渗透需要在一定压力下才能进行，为防止浓淡水互窜，必须采取密封措施，让这两股水流各行其道。密封位置主要在膜与膜之间、膜与支撑物之间、膜元件之间、以及与外界接口处等。

卷式膜元件主要是将重叠的两张膜的三边密封形成膜袋，以及串联膜元件中心管之间的密封。

密封损坏导致脱盐率下降死反渗透装置运行中的常见故障之一。

（5）、外皮

外皮是卷式膜元件的最外层壳体，膜袋被卷成像布匹样的圆柱体后再包上外皮。外皮材料一般为玻璃钢（FPI）。

（6）、进水口与出水口

膜元件主要有三个外接口：进水口、浓水出口和淡水出口。卷式反渗透膜元件的中心管的一端为淡水出口，膜元件两头的多孔端板或涡轮板的一头为进水口，另一头为浓水出口。该多孔板具有均匀布水、防止膜卷突出的作用。

3.2、反渗透装置的基本结构

反渗透装置的形式主要有螺旋卷式、中空纤维式、管式、板框式、条式等。在制药行业中常用的有螺旋卷式和中空纤维式。螺旋卷式反渗透组件：卷式反渗透膜元件的卷制是在二级反渗透膜中间加入一层透过水导流网布并三面密封起来，再在膜的下面铺设一层进料液隔网，然后将依次叠好的多层材料环绕着一个中心管卷绕起来，用用中心管收集渗透液体。中空纤维式反渗透组件：中空纤维通常用内径为42~45um，外径约为84~100um的芳香聚酰胺材料的膜组成U形管束，然后将U形管束装入耐压容器中，纤维开口端用环氧树脂粘合，形成管板，以O型密封，成为中空纤维式反渗透元件。上述两种反渗透膜元件

反渗透装置的基本结构

各有优缺点，目前最广泛采用的是卷式膜元件。其特点是：单位体积内膜的体积大，结构紧凑，进水流动状态好，但是比较容易堵塞，要求对进水采取保安措施。

反渗透装置是按膜的形态分类的，迄今已列为商品的结构形式有四种：板式、管式、卷式、中空纤维式，以下逐一来介绍这些不同形式反渗透装置的各自构造与特点。

（1）、板式：板式结构的优点是结构简单，组装方便，更换膜的费用小，缺点是堆积密度小，即单位体积膜面积小。

（2）、管式：这种结构原水在膜表面的流动状态最好，拆装灵活，但膜堆积密度最低，占地面积和空间体积大。另外弯头和接头多，连接繁琐也是其缺点之一。

（3）、卷式：由于支撑材料和原水流道很薄，因此卷式结构的堆积密度较大，单位容积的产水能力亦大，拆装方便，缺点是整个膜元件若有一处漏洞将会使其失效。这种结构是目前反渗透装置中用的最多的一种。

（4）、中空纤维式：这是一种无支撑材料的结构，由于纤维很细，故膜的堆积密度很大，因此工作效率高，占地面积小，其缺点是单位膜面积透水量较小，制膜抽丝工艺和制备膜元件技术也较复杂，且很易断丝，因此在应用中受到一定限制。

下表是四种反渗透装置的构造、特点：

表3-1 四种反渗透装置的构造、特点

3.2.1螺旋卷式反渗透组件

螺旋卷式反渗透装置膜的组合方式，是在两层反渗透膜的中间夹一层出水导网，再密封即将成对的膜环绕着一个中心管卷绕起来，用中心管收集渗透液体，如图3-1。处理水通过反渗透膜的两个用导网隔开的渗水面间隙。而平行于中心管流动，渗透液（出水）流至中心管收集起来，成为产品出水。螺旋卷绕反渗透组件的优点是单位体积内堆状膜的体积大，结构紧凑。缺点是比较容易堵塞。因此，对反渗透的进水要求较高，要求对进水采取保安过滤措施。

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图3-1 螺旋卷绕反渗透组件

1-源水；2-废弃液体；3-反渗透水出口；4-源水的流向；5-反渗透水的流向；6-膜的保护层；7-膜组件与外壳之间的密封；8-收集反渗透水的多孔管；9-隔离网；10-反渗透膜；11-反渗透水的收集系统；12-反渗透膜；13-隔离网；14-连接两层膜之间的缝线

3.2.2中空纤维式反渗透组件

中空纤维通常用内径为42~50μm、外径约84~90μm的芳香聚酰胺材料的膜组成U形的管束。一般是将几十万根这种U形中空的长纤维弯曲管束，装入耐压容器中，需处理的水进入分配管，通过纤维管束成辐射方向流出。产品水通过中空的纤维管壁流入集水总管

中，收集起来。浓水则从围绕中空纤维管束的外缘处收集排出，如图3-2。

图3-2 中空纤维式反渗透组件

1-端板；2-O型密封圈；3-咬紧弹簧夹圈；4-导流网；5-中空纤维膜；6-中空纤维断面放大；

7-环氧树脂管板；8-多孔支撑板；9-进水分配多孔管，10-外壳

反渗透装置的基本结构

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第四章、反渗透在制水系统的应用

反渗透系统在制药用水系统中应用越来越多，越来越广泛。目前，在一些新建或改扩建的制药工程项目中，采用反渗透方法作为纯化水制备中除盐的首选方案。甚至出现这样一种倾向，即无论源水的质量如何，后续处理以及制药工艺对纯化水水质有无特殊要求，都采用反渗透装置作为系统的除盐手段，一级反渗透达不到水质要求，再加上一级反渗透。 实际上，与水处理系统中的各种除盐装置的选择一样，盲目地、非理性地选择采用反渗透系统的方法是不合适的，应根据制药工艺的具体情况，在水系统中恰如其分的采用反渗透装置，是必要的，经济的，否则会造成资源的浪费。反渗透装置有各种不同的组合方式，不同的组合方式有着不同的适用范围。反渗透装置在苦咸水、海水淡化、废水处理和纯化水的制备以及某些物质的浓缩回收等方面都有着广泛的应用。以下着重介绍反渗透装置在制药业纯化水系统中应用情况。

4.1一级反渗透系统

一级反渗透系统通常可以使用在一些水源的水质较好，含盐量不太高的场合，而且出水是作为普通的、非注射级的化学原料药的工艺用水，或是用作某些肠道用中药材提取工艺用水。这种较简单的反渗透装置（单级），尽管其除盐率较二级或多级反渗透装置低，水质也不高。但与传统的离子交换方式的除盐相比较，有无酸碱污染，不需要单独的具有防腐蚀、高排污标准的纯化水工房，占地面积小的优点。这就适合一些生产工房面积较小、没有独立制水站、工厂周边环境保护要求高的企业。

典型的一级反渗透系统设计图示如图4-1。

图4-1 一级反渗透系统

1-源水；2-高压泵；3-反渗透装置；4-浓缩水排水；5-纯化水；6-纯化水贮罐

4.2二级反渗透系统

二级反渗透系统通常可以作为大多数制药用水的除盐工艺。这种系统通常使用在源水中含盐量较高，同时对反渗透装置的出水水质的要求也比较高的情况下。二级反渗透装置是以串联方式，即将第一级反渗透的出水作为第二级反渗透的进水，这个条件下，第二级的排水（浓水）的质量远远高于第一级反渗透的进水。可以将其与第一级反渗透的进水混合作为第一级的进水，以提高水的利用率。

这种设计获得的水质完全可以满足化学原料药制造所需的工艺用纯化水、固体口服的中药

制剂生产用水、化学药品制剂（肠道制剂）生产工艺用水、多数注射级的非肠道制剂生产工艺辅助用水和注射用水对源水水质的要求。

典型的二级反渗透系统设计如图

4-2

图4-2 二级反渗透系统示意图

1-源水；2-高压泵；3-反渗透装置；4-浓缩水排水；5-一级反渗透出水；6-中间贮罐；7-二级高压泵；8-二级反渗透装置；9-二级浓缩水排水返回至一级入口；10-纯化水出水

4.3一级反渗透系统+离子交换系统

这种系统特别适合制药用水的综合性使用，例如工艺用水系统不仅仅使用于某种单独的药品制造，而可能是既使用在肠道药品（如固体口服药品）的生产，又使用在非肠道药品（注射级药品）的工艺过程。水系统既要满足工艺用纯化水的供应，又要满足注射用水的源水使用要求。一级反渗透系统与离子交换联合的除盐系统之间的具体组合方式是由进水水质、反渗透装置产水的水质及所要求得到的出水水质来确定的。

通常，对系统出水的质量要求不是太高时，可用一级反渗透系统+串联复合床离子交换系统或一级反渗透系统+混合床离子交换系统除盐。当要求系统的出水质量较高时，就必须采用一级反渗透系统+串联复合床离子交换系统+混合床离子交换系统。

制药工艺用纯化水系统中，这种混合式的反渗透组合方式，往往使用在对水的纯度要求高的注射级药品的制备工艺用水中。当制药工艺对蒸馏水机的出水纯度要求高于药典标准而蒸馏水机的性能稍差，蒸馏水出水水质又不得降低时，就必须设法改善蒸馏水机进水的质量，因此需要采用这类综合性反渗透装置组合的方式，见图4-3。

图4-3 反渗透+离子交换联合除盐系统

1-源水；2-高压泵；3-反渗透装置；4-浓缩水排水；5-一级反渗透出水；6-中间贮罐；7-泵；8-离子交换混合床；9-纯化水出水

反渗透装置的基本结构

第五章、结语

反渗透技术是水处理中的高新技术，90年代中期在我国的医药行业开始得到了广泛的应用。反渗透工艺具有除盐效率高，除热原能力强，操作简单，运行成本低的特点。在工程实际应用中要不断总结经验，优化设计，充分发挥反渗透系统的经济性、稳定性和可靠性。

参考文献

1、国家药典委员会编中华人民共和国药典（二部）2000年版北京：化学工业出版社

2、中国GMP98版

3、龚承元，刘红斌，苏建勇，等反渗透－电去离子技术制备药用水可行性分析膜科学与技术，2000

4、周立法制药工业纯化水制备的模块化与流程组合应用.中国制药装备杂志.总36期.2008(6)

5、董文良对纯化水制备的综合性探讨.中国制药装备杂志.总25期.2007(2)

6、钱应璞制药用水系统设计与实践

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