李松庆

（上海信谊药厂有限公司，上海 201206）

0 引言

众所周知，在制药行业的硬件中，制药用水和通风是2个极其关键的系统环节，其应当建立确认的文件和记录，并能以文件和记录证明达到设计确认、安装确认、运行确认及性能确认的预定目标。

GMP（2010年修订版）中在第5章（设备）第6节（制药用水）章节中专门对制药用水做了规定，可见制药用水的重要性。根据规范，制药用水分为3类，即饮用水、纯化水和注射用水（灭菌注射用水），制药用水应当适合其用途，并符合《中华人民共和国药典》的质量标准及相关要求。纯化水是这3类制药用水中使用最为广泛的一种制药用水，目前在制药行业的纯水制备系统中，较多地使用“多介质预处理+二级反渗透装置（Reverse Osmosis，简称RO）+电除盐装置（Electrodeionization，简称EDI）”的制备系统，而笔者通过研究比较，结合实际生产，更倾向于下文中的纯化水制备系统的配置方案。

1 纯化水制备系统的优化配置方案

配置：超滤预处理+一级反渗透装置+电除盐装置。

1.1 超滤预处理装置

1.1.1 目的

超滤是以筛分为分离原理、以压力为推动力的膜分离过程，过滤、去除和分离水中的直径0.001～0.1μm的颗粒和分子量在1 000～500 000范围内的杂质，能去除细菌和大多数病毒、胶体、悬浮物、蛋白质、大分子有机物等，使出水达到反渗透装置的进水要求，保证反渗透装置的正常运行。

超滤装置系统的出水水质应达到以下标准：污染指数SDI≤5，最佳在3以下；浊度＜1NTU，最佳在0.2NTU；余氯＜0.1mg/L；总硬度＜3mg/L；总有机碳＜10mg/L。

1.1.2 一般流程

饮用水→饮用水储罐→饮用水泵→叠片过滤器→超滤装置→超滤水储罐→加药装置。其过程主要由叠片过滤器和超滤装置组成。

1.1.3 叠片过滤器

叠片式过滤器的作用主要是过滤原水中50μm以上的大颗粒杂质，以防止砂等颗粒进入超滤膜组件，划伤超滤膜表面和造成超滤中空纤维毛细管堵塞。

1.1.4 超滤装置

超滤装置利用聚偏氟乙烯、聚丙烯腈、聚醚砜、聚砜等材料制成的中空纤维超滤膜的细微孔径来过滤、去除和分离水中有效直径为0.001～0.1μm的颗粒和分子量在1 000～500 000范围内的杂质，可减少反渗透膜的胶体污染和微生物污染，提高反渗透的进水水质，使反渗透膜的单位面积渗透通量增大，从而提高反渗透装置的回收率。

1.1.5 其他装置

在超滤装置后设有加药装置，主要投放碳酸氢钠、氢氧化钠和阻垢剂，用于去除余氯等微量氧化物质、CO2，并防止结垢。

1.1.6 清洗和再生

叠片式过滤器内单个过滤单元进、出水压差上升到一定值时，利用超滤后的出水清洗1 m in。超滤膜一般3个月清洗1次，每次清洗60m in，3年更换1次。

1.2 反渗透装置

1.2.1 目的

采用膜分离手段去除水中的绝大部分无机盐类和几乎全部的有机物、微生物，达到脱盐纯化目的。使反渗透装置的出水达到电除盐装置的进水要求，不损坏电除盐装置。

反渗透装置的出水水质应达到以下标准：电导率＜43μS/cm；污染指数SDI≤1；色度＜5度；余氯＜0.05mg/L；总硬度＜1mg/L；总有机碳＜0.5mg/L。

1.2.2 一般流程

超滤出水→一级高压泵→一级反渗透装置→反渗透水储罐。其主要由一级反渗透装置组成。

1.2.3 一级反渗透

1.2.3.1 原理

纯水与含盐水有一张只能透过水的半透膜隔开，水会流入含盐水侧，含盐水侧高于纯水侧平衡时的压差即为渗透压，如在含盐侧施加大于渗透压的压力使含盐水中水流入纯水侧，即为反渗透。

1.2.3.2 反渗透装置

反渗透装置内装有反渗透膜，利用高压泵的高渗透压，预处理过后的清水经过半透膜（芳香聚酰胺反渗透膜），可去除Ga2+，Mg2+，Fe2-等无机盐、微粒及细菌、病毒等有机物。一般情况下，一级反渗透装置的脱盐率可在95%以上。

1.2.3.3 反渗透装置的重要参数

脱盐率和回收率是反渗透装置的2个重要参数。

脱盐率=（进水含盐量-产水含盐量）/进水含盐量×100%。也可利用近似公式：脱盐率=（进水电导率-产水电导率）/进水电导率×100%。一般一级反渗透装置的脱盐率在95%左右。

回收率=（产水流量/进水流量）×100%。一般一级反渗透装置的回收率在70%～75%，二级反渗透装置的回收率在80%～85%。

1.2.4 清洗和再生

反渗透膜一般3个月清洗1次，用清洗液闭路循环1～2 h。3年更换1次反渗透膜，最长不超过5年。

1.3 电除盐装置

1.3.1 目的

去除溶解在水中的微量元素、溶解气体和其他微弱电离的化合物，进一步提高水质，使出水水质满足制药行业纯化水要求。电除盐装置的出水水质可达到电阻率＞16MΩ·cm的标准。

1.3.2 一般流程

反渗透产水→电除盐泵→电除盐装置→纯化水储罐。其主要由电除盐装置组成。

1.3.3 电除盐

1.3.3.1 原理

利用混合离子交换树脂吸附给水中的阴阳离子，同时这些被吸附的离子又在直流电压的作用下，分别透过阴阳离子交换膜而被去除。

1.3.3.2 电除盐装置

离子交换树脂填充在阴、阳离子交换膜之间形成纯化室，用网状物将每个电除盐单元隔开，形成浓水室。在纯化室的电势梯度高的特定区域，能够通过电化学分解使水产生大量的H+和OH-，离子交换树脂得到不断再生，并释放出H+和OH-，置换出给水中的阴阳离子；在直流电压的加载下，阴阳离子分别在电场作用下向正负极迁移，阴离子通过阴离子膜，阳离子通过阳离子膜，进入到浓水室，从而得到电阻率在16 MΩ·cm以上的纯化水。

1.3.3.3 电除盐装置的重要参数

回收率是电除盐装置的重要参数。回收率=［淡水产水流量/（淡水产水流量+浓水排放流量+极水出口流量）］×100%。一般电除盐装置的回收率在90%～95%。

1.3.4 清洗和再生

当出水水质达不到要求时，根据电除盐装置的情况进行清洗及消毒。清洗一般需8 h，清洗淡水室后需将电除盐模块再生16 h，电除盐模块一般5年更换1次。

2 目前常用的纯化水制备系统配置方案

配置：预处理+二级反渗透装置+电除盐装置。

2.1 多介质预处理装置

2.1.1 目的

通过过滤、吸附、交换等方法去除原水中可能会对反渗透膜产生污染的物质。如防止胶体物质、悬浮固体微粒、有机物、微生物等对反渗透膜的污堵及氧化性物质对反渗透膜的氧化破坏，使出水能达到反渗透装置的进水要求。

2.1.2 一般流程

饮用水→饮用水储罐→饮用水泵→机械过滤器→活性炭过滤器→软化过滤器→保安过滤器。其主要由机械过滤器、活性炭过滤器、软化过滤器组成。

2.1.3 机械过滤器

机械过滤器内装优质无烟煤和各种规格的优质石英砂，可去除大部分水中的粉尘、铁锈、泥砂、颗粒等悬浮物及部分胶体杂质。

2.1.4 活性炭过滤器

活性炭过滤器内装优质果壳活性炭，可吸附水中的色度、气味、易沉积的重金属离子、溶解性有机物及游离氯、臭氧等氧化剂。特别是有机物会反污染渗透膜，余氯会将反渗透膜分解，而目前大多用来作为原水的城市自来水中会添加氯，其游离氯的标准在0.3～4mg/L，实际一般在1.2mg/L左右，因此通过活性炭过滤器在去除有机物的同时又去除余氯，能很好地保护反渗透膜。

2.1.5 软化过滤器

软化过滤器内装优质强酸型阳树脂，通过与原水中的钙、镁等离子置换，去除钙、镁等离子，防止反渗透膜结垢，降低水的硬度，软化还可去除铁和其他过渡金属。另外，软化可以提高反渗透系统的出水率和反渗透装置的进水pH值（一般反渗透出水会偏酸性），并可使后续的反渗透装置和电除盐装置更有效地去除碳酸盐和硅。

2.1.6 其他装置

其他装置，如保安过滤器，主要去除5μm以上的管道杂质或破裂的活性炭颗粒，防止损伤反渗透膜和堵塞反渗透膜。

2.1.7 清洗和再生

一般情况下，机械过滤器、活性炭过滤器和软化过滤器均需每隔2天清洗和再生。机械过滤器及活性炭过滤器的清洗流程各约30 m in，软化过滤器再生流程约为100min。

石英砂全部的更换周期约2年，果壳活性炭全部的更换周期约为8个月，阳树脂全部的更换周期约为4年，保安过滤器滤芯的更换周期不超过60天。

2.2 反渗透装置

采用二级反渗透装置，基本同1.2所述，但有以下说明。

2.2.1 一般流程

预处理的清水→一级高压泵→一级反渗透装置→中间储罐→中间水泵→加氢氧化钠装置→二级高压泵→二级反渗透装置→反渗透水储罐。其主要有一级或二级反渗透装置组成。

2.2.2 特点

一般一级反渗透装置的脱盐率可在95%以上，而二级反渗透装置可进一步去除水中的盐分，使水质进一步提高。二级反渗透装置的脱盐率因一级反渗透装置已脱去大部分盐，实际脱盐率一般在70%左右，甚至当一级反渗透装置脱除效果好的情况下，二级反渗透的脱盐率低至50%以下，经过二级反渗透装置后，反渗透水的电导率完全可以达到1～2μS/cm，已经符合2010版《中国药典》中的纯化水质量标准。

2.2.3 指标

一般一级反渗透装置的回收率在70%～75%，二级反渗透装置的回收率在80%～85%。

2.2.4 其他装置

其他装置，如加碱装置，在二级反渗透装置前投加氢氧化钠将游离的CO2转化成碳酸氢根盐，通过反渗透装置去除碳酸氢根盐，以此来去除水中的CO2，且调节了pH值。

2.3 电除盐装置

电除盐装置同1.3节，这里不再赘述。

3 2种纯化水制备系统配置的比较

3.1 处理效果的比较

3.1.1 超滤预处理与多介质过滤器预处理装置的比较

3.1.1.1 优点[1]

（1）超滤能阻挡所有不溶物，超滤出水的SDI一般在0.2～1，浊度在0.1 NTU以下，远比多介质过滤器的出水SDI为4、浊度在0.2～1 NTU要好，能很好地阻挡胶体，大大降低胶体对反渗透膜的污染，使反渗透膜的清洗周期大大延长，并可使反渗透膜的通水量增加约10%～20%；

（2）超滤对有机物的截留效果显著，可以有效地减少反渗透膜的有机污染；

（3）超滤出水水质更稳定，不受原水水质变化的影响，不会产生过滤残渣或絮凝污泥等；

（4）超滤装置系统比多介质过滤器操作简单稳定，占地面积小。

3.1.1.2 缺点[2]

（1）一些溶解在水中的有机物可以通过超滤膜对反渗透膜产生污染；

（2）余氯等氧化剂较难去除；

（3）为了提高超滤的产水水质，会加入絮凝剂，部分絮凝剂不能充分反应，会通过超滤膜对反渗透膜产生污染。

3.1.1.3 解决办法

（1）加入碳酸氢钠等还原剂，去除氧化物；（2）严格控制絮凝剂、氧化剂的加入剂量；（3）加入适量的阻垢剂。

3.1.1.4 比较

通过比较，可看出经过超滤装置及相应的加药装置，其出水污染指数、浊度、总硬度、总有机碳和余氯等可满足反渗透装置的进水要求。

表1 装置1二级反渗透出水水质

3.1.2 一级和二级反渗透装置出水水质的比较

以笔者公司在上海2个区的2套二级反渗透出水水质为例进行比较，结果如表1、表2所示。

表2 装置2二级反渗透出水水质

合理选择型号，功能模块应独立、密闭以及相互连通，以便建成功能齐全、通用、灵活的多功能原料药车间。

由上述2张表比较可知，一级反渗透装置的脱盐效果很好，大部分杂质在一级反渗透装置中脱除，一级反渗透的水质已可以作为电除盐装置的进水，而二级反渗透装置的脱除效果显然没有一级反渗透装置好，无非就是进一步去除盐分，为电除盐装置的进水水质创造更好的条件。

3.1.3 对电除盐装置出水水质的影响

（1）进水电导率是电除盐装置的重要进水指标，产水电阻率与进水电导率的关系如图1所示，在进水电导率小于10μS/cm时，不同操作电流下的产水电阻率均达到17 MΩ·cm以上，当进水电导率大于10μS/cm时，在同一操作电流下，产水电阻率随着电导率上升而下降，但可以通过加大操作电流使产水电阻率上升[3]。实验证明，在进水电导率升高幅度及持续时间有限的情况下，不会损伤电除盐装置模块，从上文可看到，一级反渗透装置的出水电导率稳定在10μS/cm以下，经过电除盐装置处理，可得到超过17MΩ·cm的产水，即便一级反渗透装置的出水电导率偶尔超过10μS/cm，也不会使EDI模块受到伤害。因此，一级反渗透装置完全能满足电除盐的进水要求。

（2）进水游离CO2＜9 mg/L时，产水电阻率与进水游离CO2浓度的关系如图2所示，水解离产生的OH-可将游离转化为HCO3-或CO32-，并通过EDI模块去除，EDI的出水电阻率可达14MΩ·cm以上[3]。

图2 产水电阻率与进水游离CO2浓度的关系曲线[3]

（3）进水TOC＜0.5mg/L、可溶性硅＜0.6mg/L、总硬度＜0.9 mg/L时，EDI出水电阻率可达15 MΩ·cm以上[3]。

通常情况下，经过前期的超滤和一级反渗透装置，可使电除盐装置的进水电导率＜10μS/cm、TOC＜0.5 mg/L、可溶性硅＜0.2mg/L、总硬度＜0.2mg/L、游离CO2＜5mg/L，同时污染指数、色度和余氯等也满足电除盐装置的进水要求。经电除盐装置处理的出水可完全满足2010版《中国药典》纯化水质量标准（表3）。

当然，如果经过二级反渗透装置，电除盐装置的进水水质会更好，对电除盐装置的处理压力也会更小，对电除盐装置的模块也相对能加以保护，但为什么会选一级反渗透装置而不选二级反渗透装置呢，这可以通过投资与运行费用的比较得出结论。

表3 2010版《中国药典》纯化水质量标准[4]

3.2 投资与运行费用比较（以10 t/h出水为例）

以上海自来水作为原水，符合《生活饮用水卫生标准》（GB5749—2006）。水质检测结果：色度＜5度；浊度＜0.5 NTU；铁=0.025 3mg/L；铜＜0.009 mg/L；总硬度=126 mg/L；溶解性总固体=198 mg/L；氯化物=27.6 mg/L；COD=0.78mg/L；pH=7.37。

3.2.1 投资比较

“超滤预处理+一级反渗透装置+电除盐装置”的投资在100万元左右（根据反渗透膜、EDI模块、自控、泵等品脾配置不同价格有所不同），“多介质预处理+二级反渗透装置+电除盐装置”的投资在115万元左右。在同等品牌配置下，“超滤预处理+一级反渗透装置+电除盐装置”的纯化水处理系统节约15万元左右。

3.2.2 运行费用比较

以每年生产300天，每天2班，每班6 h，每小时出水10 t计。运行费用比较如表4所示。

由表4可知，1套生产10 t/h纯化水的“超滤预处理+一级反渗透装置+电除盐装置”系统运行费用比“多介质预处理+二级反渗透装置+电除盐装置”系统要节约105 640元/年。

表4 运行费用比较表

3.3 “超滤预处理+一级反渗透装置+电除盐装置”的优点

（1）出水量高，比采用二级反渗透有更高的水的回收率，可节约10%的原水，减少水资源浪费，保护了水资源。

（2）反渗透装置的高压泵用电量大，采用一级反渗透装置每年可节约3.96 kW·h的电，折合为11.88 t标煤，节约了能源，达到节能减排的目的。

（3）由于二级反渗透的回收率一般在80%～85%，所以前期预处理的设计能力要相应增大，再加上二级反渗透本身，采用一级反渗透装置的总投资可节约15%。

（4）本装置系统的超滤技术通过近年来的发展使用，已比较成熟，是一种比较先进的技术，并且已在各行各业得到广泛的应用。

（5）超滤工艺对不同水质的适应性较强，采用超滤膜作为反渗透预处理，其出水浊度非常低，并且由于能有效地去除各类有机、无机胶体和微生物，可保护反渗透膜，延长反渗透膜的寿命及清洗周期，更能提高反渗透脱盐率和回收率。

（6）采用“超滤预处理+一级反渗透装置”的占地面积远远小于“多介质预处理+二级反渗透装置+电除盐装置”系统的占地面积。

4 结语

随着科学技术的飞速发展，所有事物都在变化中前进，如纯化水的制备，从以前的“传统预处理+电渗析+离子交换”发展到现在的“超滤预处理+反渗透+电除盐”，没有了酸碱的污染，保护了环境。目前，超滤作为反渗透装置的预处理在制药行业中运用不多，但10多年前渗透和电除盐也经历了从疑问、尝试到推广的过程，到现在已普遍使用。

目前，制药企业大部分已使用城市自来水作为原水来制备纯化水，原水的水质起点较高，虽然自来水含盐量会波动，但完全符合国家饮用水标准，故采用“一级反渗透+电除盐”的纯化水系统即可。另外，由于一级反渗透脱盐率极高，二级反渗透脱盐效率远远小于一级反渗透，其效果并不理想，相反通过电除盐装置，能得到非常优良的纯化水水质，故完全不必配置二级反渗透。一般情况下，如是固体制剂生产企业，建议使用一级反渗透，因有后续电除盐装置，完全能保证纯化水的水质，没必要再加配二级反渗透；如是针剂生产企业，则可视实际情况决定是否需要二级反渗透。笔者参观了几家针剂生产企业的新纯水制备系统，目前也已经使用“一级反渗透+电除盐”，其实配置二级反渗透更多的是保护电除盐装置，保证电除盐装置的进水水质。

在设备需要更新时，对于设备的配置除了从实际、投资、运行等方面进行考虑，更要提高到节能环保的高度上进行综合考虑，这样才能与时俱进，不但为企业创造价值，更重要的是为社会创造价值。

［1］张赞红.超滤作为反渗透预处理的探讨［J］.净水技术，2003（4）

［2］日本日东电工集团/美国海德能公司.反渗透膜和纳滤膜产品技术手册［Z］

［3］董翠玲，刘红斌，靖大为.进水水质对EDI产水电阻率的影响分析［J］.净水技术，2009（2）

［4］国家药典委员会.中华人民共和国药典［S］.北京：中国医药科技出版社，2010