制药用水问答集锦(十七)

发布时间:2019-03-17 12:18        

问题95:为什么说加药装置对纯化水机特别关键?

在制药用水系统中,化学加药是必不可缺的组成单元,良好的加药装置设计不仅是系统保持长期高效运行的基础,也是工艺性能达标的重要保障(图1)。通常情况下,化学加药单元被设计在前处理系统中,其中包括原水罐、原水输送泵、多介质过滤器或超滤、活性炭过滤器、软化器、保安过滤器、RO高压泵、RO等处理单元。纯化水机常采用市政水地表水或地下水为源水,水质本身是比较稳定的,而为了提高后续去离子单元的处理效率,必要的化学品被投加到前处理中以达到某种的处理目的。常用的化学药剂为混凝剂PAC(聚合氯化铝)、消毒剂NaClO(次氯酸钠)、还原剂NaHSO

3

(亚硫酸氢钠)、苛性钠NaOH(氢氧化钠)等。化学药剂的化学特性和详细说明可以查询相关的化学品安全说明书(material safety data sheet,MSDS)。

图1 加药装置

聚合氯化铝是一种无机高分子混凝剂,又被简称为聚铝,英文缩写为PAC(Poly aluminum Chloride)。PAC是一种由氢氧根离子的架桥作用和多价阴离子的聚合作用而生产的分子量较大、电荷较高的无机高分子水处理药剂。化学通式为[Al

2

(OH)nCl

6

-n]m其中m代表聚合程度,n表示PAC产品的中性程度。PAC的净化原理主要通过压缩双电层、吸附电中和、吸附架桥、沉淀物网捕等机理作用,使水中细微悬浮粒子和胶体离子脱稳,聚集、絮凝、混凝、沉淀,达到净化处理效果。

在制药用水系统中,为了提高过滤单元的处理性能,通常在过滤单元入口设置PAC加药。PAC常以10%浓度的液体化学桶提供,靠操作者定期添加至现场的PAC加药箱中,再由电动隔膜泵以0.1-2ppm的浓度投加至过滤单元入口的管道。考虑到药厂对于细菌的控制和药剂的稳定性,PAC加药箱的设计容量一般为小于2周,建议配置管道式静态混合器,以提高PAC与原水混合的效率,混合器的设计应考虑药剂的粘度、密度、液体的流速和压力等因素。具体的投加浓度需视原水水质情况而定,过低的PAC浓度不能起到有效净化水体的功能;然而过高的浓度同样会污染水体,堵塞过滤单元,导致水箱和管道的染污、过滤单元频繁清洗、甚至更换介质或膜组件。如果前处理单元是设计成连续循环运行,那么在用水量较小的情况下,需要注意长期循环会导致PAC累积浓度过高。通常,过滤单元出口SDI小于4时可认为过滤效果良好(图2)。对于PAC加药的控制,可以选择手动调节频率或自动调节频率的隔膜泵,前者适用于流量稳定的系统,经济实惠;而后者可以设计成与进水流量计进行连锁,对于流量波动实时调节加药泵的频率,从而实现稳定浓度的投加。

图2 PAC加药与SDI测试点示例

次氯酸钠(NaClO)溶液是含氯消毒剂的一种,它是一种强氧化剂,其投入水中会立即消解形成次氯酸(HClO)和次氯酸根(ClO

-

),这两种化学物质是NaClO溶液主要的杀菌成分,其不仅可与细胞壁发生作用,且因分子小、不带电荷,能侵入到细胞内与蛋白质发生氧化作用或破坏磷酸脱氢酶,使细胞代谢失调而死亡。

次氯酸钠溶液以其应用广泛、消毒效果高效、具有较长的消毒持续时间、成本低等优点被广泛的制药水处理系统所接受。次氯酸钠溶液以10%浓度的液体化学桶提供,靠操作者定期添加至现场的加药箱中,再由电动隔膜泵以一定的浓度投加至前处理系统中。考虑到药厂对于细菌的控制和药剂的稳定性,现场加药箱的设计容量一般为小于2周。建议配置管道式静态混合器,以提高次氯酸钠溶液与原水混合的效率,混合器的设计应考虑药剂的粘度、密度、液体的流速和压力等因素。次氯酸钠溶液的加药量视投计投加位置、原水水质和现场调试验证而定,通常情况下,如果自来水供水余氯浓度小于0.3ppm时就可以考虑次氯酸钠溶液加药系统。

次氯酸钠溶液投加量一般与后续的余氯传感器进行PID连锁控制。浓度控制在0.3~0.5ppm,因为过低的浓度会有微生物滋生的风险,然而过高的浓度会导致后续还原剂(亚硫酸氢钠溶液)过多的消耗,甚至氧化RO。在原水箱出口或原水泵出口也需要配置余氯传感器以监视余氯浓度,此处余氯浓度一般控制在不低于0.3ppm(图3)。

图3次氯酸钠溶液加药示例

余氯传感器主要采用电极传感器,通过余氯选择性透过膜,与工作电极、电解液和参比电极形成一个与余氯浓度成正比的信号,以测量水体中余氯的含量,单位ppm或mg/L。余氯传感器采用旁路测量的方式安装在系统中,取样流量需确保恒定,大概为30 l/h。其测量与介质的温度和PH值密切相关,余氯电极传感器采用内置温度补偿,使测量信号不受水体的温度影响,运用三电极技术,有效地降低pH的依赖性,在pH4~9的范围内表现出良好的线性关系,取样流量可通过光学流量开关得以监视。

ORP(Oxidation-Reduction Potential)氧化还原电位代表水体氧化性或还原性的相对程度,由于余氯具有强氧化性,故将其引入系统中后ORP值会相应地升高。ORP传感器采用玻璃电极,根据水体的氧化或还原程度,在参比电极和工作电极之间产生相应的电势差,这个电势差就是ORP值,单位为mV。

RO膜厂家会建议RO进膜的最大余氯浓度(一般不高于0.1ppm),超过此浓度,会严重影响RO膜的性能和寿命,故NaHSO

3

(亚硫酸氢钠)溶液作为水体中余氯的还原剂,常被用于制药用水系统中。亚硫酸氢钠溶液以10%浓度的液体化学桶提供,靠操作者定期添加至现场的加药箱中,再由电动隔膜泵以一定的浓度投加至系统中。由于亚硫酸氢钠溶液不稳定,且若水中存在硫还原菌,亚硫酸会成为细菌营养帮组细菌的滋生,故现场加药箱的设计容量不宜过大建议为1周以内。对于投加位置,一般选择在保安过滤器进口,配合管道混合器使用最佳,这是为了保证亚硫酸氢钠溶液与水体中的余氯有充分的反应时间,这也能有效的防止因为药剂带来的杂质对RO的影响。

RO膜的除盐效率是受pH影响,在pH较低时,水体中的HCO

3

-

和CO

3

2-

会转换为CO

2

的形式存在,由于RO膜对气体几乎没有过滤能力,所以水体中的CO

2

会透过RO膜,从而对纯水的电导率产生影响。NaOH(氢氧化钠)溶液的投加是为了适当地提高水体的pH值,从而使CO

2

转换成HCO

3

-

和CO

3

2-

离子,这样,RO膜就能够将之去除。通常情况下,控制RO进口的pH值在7.5~8.5之间会实现较为理想的除盐率。NaOH溶液常用于RO系统的加药,以提升RO进水的pH值。NaOH常以两种形式添加至现场加药箱,一种为固体NaOH,另一种为10%浓度的NaOH溶液,前者需按稀释量,以10%的浓度投加至现场的加药箱中;后者以液体化学桶提供,靠操作者定期添加,以电动隔膜泵投加至系统中。现场加药箱的设计容量建议为2周左右,NaOH溶液的投加位置一般位于保安过滤器进口,配合管道混合器使用最佳,这是为了保证氢氧化钠溶液与水体中有充分的反应,也能有效的防止因为药剂带来的杂质对RO的影响。在管道混合器后安装pH传感器,以PID对加药泵作连续控制,也有设计者将加药点和pH安装选择在RO浓水回流管上,由于RO浓水流量比较稳定,这种形式也能取得较好的效果。然而,pH投加过量(如pH>9.5)也会引起RO结垢的风险,故一般设定pH 9.5为RO报警。

随着科技的发展,加药操作所需的在线传感器种类日益增多,多通道变送器的出现为制药用水系统中多种水质参数的控制提供了更加简洁和灵活的设计。图4是专为加药单元配置的多通道变送器,具有定时投加和批量投加功能。加药单元的多通道变送器由一个标准主板与多块可扩展模块(电导率、PH/ORP、输出和输入模块)组成,几乎涵盖常规纯化水制备过程中的各种传感器,包括输出流量脉冲、pH/ORP、电导率等原始信号传感器,以及输出标准模拟信号传感器(压力、液位、余氯等)。同时,该变送器还是一款多功能控制器,具有多达7种标准的和5种可选的计算和控制功能,可满足水处理系统常见的需求,比如,计算RO回收率/除盐率、ON/OFF控制、PROP(比例)控制、PID控制和化学定时/定容加药控制等。

图4 多通道变送器界面示例

问题96:有些纯化水机,调节RO进水pH后,产水电导变化不大,是何故?

RO进水pH调节会带来很大的产水电导率变化,详见问题95的解释,如果出现纯化水机调节RO进水pH后,产水电导变化不大的现象,需要分析如下两个原因:

1. 电导率故障

2. 纯化水机供应商强制设置了低电导率值(这属于不合法操作)。

问题97:为什么脱气装置设计在制药行业应用的较少?

是否设置脱气装置,与水中二氧化碳含量有关,如果含量低,则没有必要设置,如果含量高,则需要设置脱气膜,从而有效控制纯化水电导率值。通常情况下,制药企业的原水为市政管网供水,二氧化碳融入很低,所以,很少有企业需要进行脱气。但在美国,因为允许纯化法制备注射用水,企业采用饮用水制备注射用水时,通常会考虑将水中二氧化碳尽可能排除,以便注射用水能得到更低的电导率。

制药用纯化水设备中的脱气装置主要作用是脱除水中的二氧化碳。二氧化碳会对后续的EDI造成影响,主要表现为可形成碳酸根离子造成EDI的结垢或影响EDI的产水电导率;同时,二氧化碳还会降低EDI对硅、硼的去除效率。

制药用水系统中脱气的工艺主要有两大类,第一类是采用调整pH值结合反渗透工艺脱除二氧化碳;第二类是使用膜脱气装置去除二氧化碳,其优点是无需添加其它化学试剂。

理论上来说,二氧化碳与碳酸氢根离子在pH值为4.4~8.2区间保持平衡,pH值为4.4时碱性物质均为二氧化碳,pH值为8.2时碱性物质均为碳酸氢根,反渗透膜对于二氧化碳没有任何脱除能力,但是对于碳酸氢根离子反渗透膜的脱除效率非常高,在反渗透前添加NaOH调整pH值使二氧化碳转化为碳酸氢根再通过反渗透膜将其除去,最终达到脱除二氧化碳的目的。

膜脱气装置(图4.10)包含一个中空的纤维膜,膜的一侧是液相侧,另一侧是气相侧,被去除的气体可通过真空抽吸、气体吹扫或二者结合的方式提取,该纤维膜是疏水性的,水不能透过膜孔,被去除的气体降低了气相的分压,使气体从液相扩散到膜变成气相。

图4.10 脱气膜装置

脱气装置应该是卫生型设计,由于中空纤维是薄纤维,所以应在膜脱气装置之前安装一个保安过滤器。如果在RO/EDI系统中采用中空纤维膜脱气装置,其最有效的安装位置是在反渗透之后。

问题98:红锈的危害与对策

众所周知,在制药工程中,不锈钢的使用主要是基于它具有优越的抗腐蚀性。当不锈钢表面出现红褐色锈斑的时候,人们往往认为:“不锈钢是不生锈的,生锈就不是不锈钢了,肯定是钢质出现了问题”。其实,这是对不锈钢的一种片面错误的看法,实际上,不锈钢在特定的条件下也是会生锈的,工程上称为“红锈现象”(图1)。

图1 红锈现象

红锈是制药流体工艺系统中不锈钢材质一种常见的工程现象,红锈现象常发生在制药用水等流体工艺系统的输送泵腔体内壁、隔膜阀阀体和膜片、罐体内壁、喷淋球内壁以及不锈钢焊缝及热影响区部分。采用白布在不锈钢内壁进行擦拭,或在用水点出口处进行过滤取样,常会看到黄色或红色的固体颗粒物,它就是主要成分为氧化铁的红锈。

引起红锈产生的因素较多,例如:高温或者高压环境中;氯化物等高腐蚀性环境;非不锈钢成分;以及不恰当的表面制备(如焊接质量问题、材料表面缺陷、不恰当的清洗或钝化等)均会诱发红锈的产生。红锈发生后的危害很大,它属于颗粒物污染,会影响制药用水质量与药品澄清度;增加过滤器的有效工作负荷;影响不锈钢系统耐压能力和耐腐蚀能力;与最终产品可能发生理化反应。

氧化作用是电化学反应的常见形式,其主要原理为:一个元素释放电子,同时,另一个元素吸收电子,整个过程组成了氧化还原反应,在这个过程中,氧气和金属或合金中的某个元素相结合生成金属氧化物。不锈钢耐腐蚀的基本特性是由于合金中的Cr元素和氧气接触后,能够在其表面形成一层稳定的富铬氧化膜,它是不锈钢在有氧化气体存在的情况下瞬间形成的,钝化层形成后,能够改善金属的抗腐蚀特性,金属则表现出特有的“惰性”,其氧化速率将降低到微不足道的范围。

腐蚀是金属和环境之间化学或电化学的相互反应,它可以导致金属特性的非预期改变,这些反应会导致金属耐腐蚀功能的降低,常见的腐蚀有均匀腐蚀、电化学腐蚀、缝隙腐蚀、点腐蚀、应力腐蚀裂纹和晶间腐蚀。一旦有某种原因导致不锈钢的钝化层遭到了破坏,水中的氧气就会与金属中释放出来的Fe元素缓慢地发生化学反应并形成疏松的氧化铁,金属表面就会表现出锈迹的腐蚀,俗称“红锈”,图2是一种模拟的红锈形成机理,虽然该机理目前还存在争议,但它较为形象地说明了红锈形成的化学过程。

图2 红锈的形成机理

水是一种极弱的电解质,25℃时,水的离子积常数Kw为1×10

-14

,100℃时,水的离子积常数Kw为55×10

-1

4

。高温注射用水中[H

+

]浓度和[OH

-

]浓度远远大于常温纯化水系统,导致游离的铁离子与水中氢氧根离子发生化学反应的速率增加,最终生成氧化铁并导致系统发生红锈现象。因此,系统在高温条件下运行时更容易产生红锈。图3是所有焊接口都符合焊接质量要求且没有铸造组件的80℃注射用水储存与分配系统的设备运行时间与不锈钢表面状态关系图。

图3 设备运行时间与不锈钢表面状态关系图

按发生的程度不同,可将红锈分为Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型共三类(图4)。Ⅰ型红锈也称迁移型红锈,包含多种源金属所衍生的氧化物和氢氧化物,主要成分为Fe

2

O

3

,并含有少量的FeO与Fe(OH)

2

,Ⅰ型红锈呈颗粒态,在不锈钢表面附着疏松,并呈现橙色或橙红色,具有从红锈生成点向下游迁移的趋势,Ⅰ型红锈具有易于生成、易于去除、易于复发等特点。Ⅱ型红锈属于金属表面局部形成的活性腐蚀,主要成分为Fe

2

O

3

,呈现从红色、橙色、蓝色、紫色、灰色到黑色的一系列色谱,Ⅱ型红锈在不锈钢表面附着紧密,一旦形成,较难去除,常以蚀坑、腐蚀缝隙等多种形式出现,它与氯化物或其他卤化物的腐蚀有关。Ⅲ型红锈为加热氧化后产生的黑色氧化物,常发生在高温环境中(例如纯蒸汽系统)的表面氧化,主要成分为Fe

3

O

4

,随着红锈层的增厚,系统颜色会从金色变到蓝色,然后变成深浅不一的黑色,这种表面氧化以一种稳定的膜的形式开始,并且几乎不成颗粒态,它的晶体结构类似于极其稳定的磁铁矿石。

 

        (a)Ⅰ型红锈            (b)Ⅱ型红锈             (c)Ⅲ型红锈

图4 红锈的分类

为降低制药流体工艺系统产生红锈的风险,企业需采用“质量源于设计”的管理理念,从设计源头开始进行有效控制。在工程中,如下措施对于预防并控制红锈的发生有一定的借鉴作用:(1)适当降低注射用水系统循环温度,如系统温度保持在70摄氏度~85摄氏度之间循环;(2)严格按照焊接标准操作规程进行焊接;严格控制系统按照3D死角的原则进行安装,防止残留物引起晶体腐蚀;(3)选择质量可靠的喷淋装置,防止脱落铁屑导致的外源性铁离子引入,避免喷淋球干转摩擦;(4)保证良好的酸洗钝化效果并有效生成钝化膜;对系统进行周期性维护钝化,重新生成钝化膜,推荐钝化周期为1~3年/次;(5)选择有质量保证的原材料进行系统安装,对不锈钢管道管件的材质报告进行系统追溯,保证316L材质的品质和抛光度;(6)引入红锈的流体分析技术或表面分析技术,安装红锈在线监测仪,建立完善的风险评估机制,及早发现、及早清洗。

往期回顾:

(内附前九篇)

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