反滲透

介紹

反滲透 (RO) 已為人所知一個(gè)多世紀(jì)，但直到 60 年代初開發(fā)出一種特殊膜時(shí)，它才成為商業(yè)化工藝。

因?yàn)榉礉B透在相對(duì)較低的溫度下運(yùn)行并且相對(duì)節(jié)能，所以它被用于各種應(yīng)用，例如海水淡化、廢水處理、礦物質(zhì)回收、乳清和其他食品的濃縮以及水的凈化。

近年來，反滲透越來越多地用于制造醫(yī)院透析用處理水以及制藥商生產(chǎn)某些化妝品和藥物。除了這些應(yīng)用之外，RO 還能夠生產(chǎn)足夠純度的水，用作注射用水 (WFI) 和腸胃外溶液的制備 。

定義和工作原理

反滲透是一種在壓力下使用膜將相對(duì)純凈的水（或其他溶劑）與純度較低的溶液分離的過程。

當(dāng)兩種不同濃度的水溶液被半透膜隔開時(shí)，由于滲透壓，水會(huì)朝著更濃溶液的方向穿過膜。如果對(duì)濃縮溶液施加足夠的反壓以克服滲透壓，水流將反向。

滲透

反滲透

水分子可以在 RO 膜中形成氫鍵并融入膜基質(zhì)中。通過氫鍵進(jìn)入膜的水分子可以在壓力下通過。

大多數(shù)分子量超過 100 的有機(jī)物質(zhì)被篩掉，即油、熱原和顆粒，包括細(xì)菌和病毒。

另一方面，鹽離子被與離子化合價(jià)相關(guān)的機(jī)制排斥。離子被介電相互作用排斥；帶較高電荷的離子被排斥到離膜表面更遠(yuǎn)的地方。

一價(jià)離子（例如氯離子）不會(huì)像二價(jià)硫酸根離子那樣有效地被排除。常見離子鹽的標(biāo)稱去除率為 85 - 98%。

膜

大多數(shù)商業(yè)制造的 RO 膜由醋酸纖維素、聚磺酸鹽和聚酰胺制成。許多其他種類的由單一聚合物或共聚物制成的膜也可用于特定目的。

該膜由約 0.25 微米的表層和約 100 微米的支撐層組成。皮膚是主動(dòng)屏障，主要允許水通過。

常用的反滲透結(jié)構(gòu)有兩種： 1. 螺旋纏繞---夾有網(wǎng)狀墊片的膜片連接并纏繞在滲透管上；2.中空纖維。

這些模塊中的任何一個(gè)都組裝到壓力外殼中。這兩種類型的膜組件（滲透器）的示意圖如下所示。

RO 模塊（滲透器）的常見類型

一個(gè)典型的反滲透系統(tǒng). 進(jìn)水經(jīng)過pH調(diào)節(jié)后的預(yù)過濾器，在設(shè)計(jì)壓力下泵入膜組件。然后將產(chǎn)品水泵送到儲(chǔ)罐中，并排出濃縮物 。

大多數(shù)帶有醋酸纖維素膜的 RO 裝置設(shè)計(jì)為在 55 F - 86 F. (13 C - 30 C) 之間運(yùn)行。

在實(shí)踐中，給水可能經(jīng)過以下預(yù)處理中的任何一種或幾種的組合：砂床、氯化器和保留罐、無煙煤過濾器、活性炭過濾器、脫氣器、微濾器、中和器和去離子器，這取決于具體條件。

給水和所需的產(chǎn)水質(zhì)量。由于水的條件可能會(huì)不時(shí)變化，因此必須進(jìn)行充分的預(yù)處理，使進(jìn)水的溶解固體和細(xì)菌水平，在預(yù)過濾后，可以控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。

對(duì)于腸胃外溶液，應(yīng)考慮串聯(lián)兩個(gè) RO 模塊，主要是為了減少單價(jià)離子和細(xì)菌污染物。

運(yùn)行 RO 系統(tǒng)中的一個(gè)主要問題是濃差極化或結(jié)垢，這是在進(jìn)料側(cè)（緊鄰膜）處被拒絕的溶質(zhì)逐漸積聚。沖洗循環(huán)通常用于減少堆積。

螺旋纏繞結(jié)構(gòu)比中空纖維單元不易結(jié)垢。一個(gè)膜組件平均可以使用兩到三年。非工作時(shí)間的關(guān)閉程序應(yīng)確保最小流量和操作壓力以定時(shí)的內(nèi)部沖洗循環(huán)繼續(xù)。

RO產(chǎn)水質(zhì)量

通過反滲透產(chǎn)生的水中溶解固體的量大約是進(jìn)水中溶解固體的百分比。

例如，當(dāng)進(jìn)水含有 300 ppm 的總?cè)芙夤腆w (TDS) 時(shí)，產(chǎn)品水可能有 15 到 30 ppm（分別為 95% 和 90% 的拒絕率）。

RO 系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于一定范圍的給水 TDS、所需的排除百分比和回收百分比。

對(duì)于給定的系統(tǒng)，回收率越高或排除率越低，產(chǎn)水的質(zhì)量就越差。帶有去離子器和/或多個(gè)串聯(lián)模塊的 RO 凈水系統(tǒng)可以產(chǎn)生含有低于 0.1 ppm TDS（電阻率約 1 兆歐-厘米）的水。

在定義腸胃外使用的水時(shí)，雷明頓 s Pharmaceutical Sciences 強(qiáng)調(diào)，除了滿足 USP 熱原標(biāo)準(zhǔn)外，還有幾個(gè)可接受的總固體水平，可用于評(píng)估或分級(jí)特定應(yīng)用的產(chǎn)品水。

USP 專論將 WFI 的總固體含量限制為 10 PPM。然而，為了避免干擾生產(chǎn)的穩(wěn)定性問題，腸胃外藥物行業(yè)通常將離子污染物的限值設(shè)定為 0.1 PPM 或更少。

現(xiàn)在可以從幾家制造商處獲得生產(chǎn)率從每天幾加侖到幾百加侖不等的模塊化 RO 裝置。

這些裝置在正確操作時(shí)可以產(chǎn)生符合 USP XX 規(guī)定的 WFI 化學(xué)、微生物和熱原測(cè)試的水。

RO系統(tǒng)的技術(shù)要求

RO系統(tǒng)的幾個(gè)基本技術(shù)要求是：

給水應(yīng)調(diào)節(jié)至適當(dāng)?shù)?pH 值并進(jìn)行預(yù)過濾。預(yù)過濾后給水中的TDS和懸浮物含量應(yīng)控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。

應(yīng)監(jiān)測(cè)給水和產(chǎn)水的微生物質(zhì)量。當(dāng)微生物質(zhì)量水平超過時(shí)，應(yīng)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行消毒。

在消毒之前，所有系統(tǒng)組件都應(yīng)進(jìn)行機(jī)械清潔。應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏y(cè)試，以確保消毒中使用的化學(xué)品完全從系統(tǒng)中去除。