反滲透

介紹

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

因為反滲透在相對較低的溫度下運行并且相對節能，所以它被用于各種應用，例如海水淡化、廢水處理、礦物質回收、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院透析用處理水以及制藥商生產某些化妝品和藥物。除了這些應用之外，RO 還能夠生產足夠純度的水，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純凈的水（或其他溶劑）與純度較低的溶液分離的過程。

當兩種不同濃度的水溶液被半透膜隔開時，由于滲透壓，水會朝著更濃溶液的方向穿過膜。如果對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中。通過氫鍵進入膜的水分子可以在壓力下通過。

大多數分子量超過 100 的有機物質被篩掉，即油、熱原和顆粒，包括細菌和病毒。

另一方面，鹽離子被與離子化合價相關的機制排斥。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的地方。

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

膜

大多數商業制造的 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。皮膚是主動屏障，主要允許水通過。

常用的反滲透結構有兩種： 1. 螺旋纏繞---夾有網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

一個典型的反滲透系統. 進水經過pH調節后的預過濾器，在設計壓力下泵入膜組件。然后將產品水泵送到儲罐中，并排出濃縮物 。

大多數帶有醋酸纖維素膜的 RO 裝置設計為在 55 F - 86 F. (13 C - 30 C) 之間運行。

在實踐中，給水可能經過以下預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。

給水和所需的產水質量。由于水的條件可能會不時變化，因此必須進行充分的預處理，使進水的溶解固體和細菌水平，在預過濾后，可以控制在設計范圍內。

對于腸胃外溶液，應考慮串聯兩個 RO 模塊，主要是為了減少單價離子和細菌污染物。

運行 RO 系統中的一個主要問題是濃差極化或結垢，這是在進料側（緊鄰膜）處被拒絕的溶質逐漸積聚。沖洗循環通常用于減少堆積。

螺旋纏繞結構比中空纖維單元不易結垢。一個膜組件平均可以使用兩到三年。非工作時間的關閉程序應確保最小流量和操作壓力以定時的內部沖洗循環繼續。

RO產水質量

通過反滲透產生的水中溶解固體的量大約是進水中溶解固體的百分比。

例如，當進水含有 300 ppm 的總溶解固體 (TDS) 時，產品水可能有 15 到 30 ppm（分別為 95% 和 90% 的拒絕率）。

RO 系統設計基于一定范圍的給水 TDS、所需的排除百分比和回收百分比。

對于給定的系統，回收率越高或排除率越低，產水的質量就越差。帶有去離子器和/或多個串聯模塊的 RO 凈水系統可以產生含有低于 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，雷明頓 s Pharmaceutical Sciences 強調，除了滿足 USP 熱原標準外，還有幾個可接受的總固體水平，可用于評估或分級特定應用的產品水。

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

現在可以從幾家制造商處獲得生產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可以產生符合 USP XX 規定的 WFI 化學、微生物和熱原測試的水。

RO系統的技術要求

RO系統的幾個基本技術要求是：

給水應調節至適當的 pH 值并進行預過濾。預過濾后給水中的TDS和懸浮物含量應控制在設計范圍內。

應監測給水和產水的微生物質量。當微生物質量水平超過時，應對該系統進行消毒。

在消毒之前，所有系統組件都應進行機械清潔。應進行適當的測試，以確保消毒中使用的化學品完全從系統中去除。