Водоподготовка в фармацевтике и медицине
Методы очистки воды
1. Дистилляция
Дистилляция может использоваться как для получения воды очищенной, так и для получения воды для инъекций. В последнем случае используют специальное оборудование — апирогенные аквадистилляторы (маркировка А).
Суть метода заключается в перегонке питьевой (или обессоленной) воды в аквадистилляторах различного типа и производительности.
В аквадистилляторе любой модели можно выделить 3 узла: испаритель, конденсатор и сборник. Кроме того, все дистилляторы оснащаются датчиками уровня.
Испаритель с исходной водой нагревают до температуры кипения. Пары воды поступают в конденсатор, где они скапливаются. Накопленный жидкий дистиллят поступает в сборник. Все нелетучие загрязнители, имеющиеся в исходной воде, остаются в аквадистилляторе.
По виду нагрева различают аквадистилляторы:
- газовые (ДГ, АГ),
- огневые с топкой (ДТ, АТ),
- электрические (ДЭ, АЭ).
По конструкционным особенностям различают аквадистилляторы периодического и непрерывного действия; с одно- и двухступенчатым испарителем; с водоподготовителем (ДЭВ, АЭВ и др.); с брызгоулавливающим устройством (ДЭ-25; АЭВС и др.) [1].
В соответствии с ГОСТ 20887-75 производительность аквадистилляторов отечественного производства 4 и 25 л/час. Апирогенные аквадистилляторы, подготавливающие воду для инъекций, могут иметь производительность 4 , 10, 25 и 60 л/час.
С точки зрения экономической целесообразности дистилляция является дорогим методом получения очищенной воды. Из 11 литров исходной питьевой воды получают 1 литр очищенной. Поэтому на сегодняшний день актуальны более перспективные и экономичные методы приготовления воды для фармацевтических целей.
2. Ионообменный способ
Ионообменные смолы — сетчатые полимеры различной структуры и степени сшивки, в которых имеются ковалентные связи с ионогенными группами. При диссоциации ионогенных групп в воде или растворе образуется ионная пара. Один ион этой пары фиксирован на полимере, а противоион подвижен в растворе и способен обмениваться на ионы одноименного заряда из раствора.
Ионный обмен происходит на ионообменных установках— конструктивно это колонки, заполненные ионообменными смолами.
Ионообменные смолы разделяются на катиониты и аниониты. Ионообменные катиониты способны обменивать свой водородный ион на катионы Мg²⁺, Ca²⁺ и другие. Ионообменные аниониты обменивают свой гидроксил-ион на анионы SO₄²⁻ , Cl⁻ и другие. Качество воды контролируется электропроводностью. Как только ионообменная смола выработает свой ресурс, электропроводность раствора возрастает.
Колоночные аппараты для ионного обмена могут быть как с раздельными, так и со смешанными слоями катионов и анионов.
Аппараты с раздельными слоями представляют собой две последовательно расположенные колонки, одна из которых заполнена катионитами, а вторая — анионитами. Аппараты со смешанными слоями представляют собой одну колонку, наполненную смесью ионообменных смол.
Исходная вода подается через колонки снизу вверх, просачивается сначала через слой катионита, затем анионита. Частицы ионообменных смол, попавшие в воду, отфильтровываются.
По форме ионообменные смолы могут быть в виде гранул, волокон, губчатых образований, жгутов или лент. В процессе использования ионообменные смолы перемещаются в сорбционную ванну, в промывочную ванну, в бак регенерации и на отмывку.
Ионообменная технология является классическим и достаточно экономичным методом обессоливания воды. Один килограмм смолы способен очистить не менее 1000 литров воды.
Недостатки метода ионного обмена:
- многие ионообменные смолы гидрофобны, что затрудняет процессы сорбции и десорбции;
- гранулированные ионообменные смолы в процессе использования в колонках слеживаются и требуют разрыхления, а от механического воздействия разрушается их структура;
- периодическая регенерация ионообменных смол — раствором хлористоводородной кислоты (для катионитов) или раствором гидроксида натрия (для анионитов), с последующей промывкой смол;
- длительно используемые ионообменные смолы могут стать питательным субстратом для размножения микроорганизмов, поэтому им требуется периодическая дезинфекция.
3. Метод обратного осмоса
Мембранные технологии очистки воды в последние годы приобретают все более широкое применение.
Явление осмоса — это переход через полупроницаемую мембрану растворителя из раствора с низкой концентрацией примесей в раствор с более высокой концентрацией. Растворитель словно бы стремится уравнять концентрации солей в обоих растворах.
Обратный осмос идет в направлении, противоположном прямому осмосу. Под действием повышенного давления растворитель переходит через полупроницаемую мембрану из раствора с солями в ту область, где находится чистый растворитель. Движущей силой обратного осмоса является разность давлений.
Метод обратного осмоса первоначально использовался для опреснения соленой морской воды. Как оказалось впоследствии, этим методом можно получать воду высокой степени очистки — обессоленную, очищенную от механических примесей и микробов.
Состав стандартной установки обратного осмоса:
- насос высокого давления;
- один или несколько пермиаторов;
- блок регулирования рабочего режима.
Центральная часть любой обратноосмотической установки – мембрана обратного осмоса. Как правило, мембрана представляет собой спирально свернутые слои из водоподающего слоя, полупроницаемой мембраны и водосборного слоя. Вода под давлением подается с торца цилиндрически свернутой мембраны. Очищенная вода (пермеат) просачивается через полимерную пленку, достигает водосборного слоя, откуда подается в центральную водосборную трубку. Концентрат после очистки скапливается на другой стороне мембраны и отводится в дренаж [2].
Материалом для обратноосмотической мембраны могут служить эфиры целлюлозы — ацетаты или полиэфиры — найлон.
Мембрана с диаметром пор 0,01 мкм полностью освобождает воду от растворимых солей, органических веществ, коллоидов и микробов.
Плюсы метода получения воды очищенной методом обратного осмоса:
- относительная простота метода;
- производительность метода не зависит от начального солесодержания исходной воды;
- широкий ассортимент полупроницаемых мембран для получения воды заданного качества;
- экономичность метода: из 10 литров исходной воды получают 7,5 литров воды очищенной;
- энергоэффективность: затраты энергии идут только на работу насоса, что в 10-16 раз меньше, чем при очистке воды дистилляцией.
Недостатки метода обратного осмоса:
- выбор обратноосмотической мембаны на основе характеристик исходной воды (солесодержания, pH, концентрации Cl);
- закупорка пор мембраны в процессе водоподготовки;
- необходимость периодического включения циклов обратной фильтрации для очистки пор.
4. Электродиализный метод
При этом методе растворимые соли удаляются из воды под действием электрического поля и с помощью частично проницаемых мембран.
Селективные ионообменные мембраны подразделяются на катиониты и аниониты. Катиониты проницаемы для катионов и имеют отрицательный заряд. Аниониты проницаемы для анионов, их заряд — положительный.
Очищаемая вода помещается в ёмкость, разделенную на три части селективными мембранами. Под действием постоянного электрического тока ионы из раствора начинают притягиваться к мембране, имеющей противоположный заряд.
Ионообменные селективные мембраны не сорбируют ионы, а селективно пропускают их сквозь себя. Извлеченные из воды ионы концентрируются в соседних камерах, а в камере обессоливания остается очищенная вода. Остаточное содержание солей при этом методе водоподготовки составляет 5-20 мг/л.
Источник
Особенности подготовки воды обратным осмосом. Предварительная подготовка воды
Исключительной особенностью очистки воды методом обратного осмоса является эффективное удаление всех классов примесей, содержащихся в воде.
Это обусловлено строением мембранных элементов, фильтрующая способность которых основана на наличии пор (полупроницаемый слой) с размером составляет менее 0,1 нм.
Среди примесей, часто встречающихся в воде и эффективно удаляемых обратным осмосом, можно отметить следующие:
- хлориды,
- сульфаты,
- катионы солей жесткости (кальций, магний, стронций, барий),
- нитраты и нитриты,
- бор,
- железо,
- марганец,
- органические молекулы,
- все бактерии и вирусы (в том числе те виды, которые нечувствительны к другим методам обеззараживания),
- нефтепродукты,
- поверхностно-активные вещества,
- минеральные и органические удобрения,>
- пестициды, гербициды,
- соли многозарядных катионов, тяжелых металлов,
- радионуклиды,
- многие другие примеси.
Благодаря своим фильтрующим свойствам, обратноосмотические мембранные элементы превосходно удаляют низкомолекулярные органические, в том числе гуминовые соединения, которые придают воде желтоватый оттенок («болотная вода») и ухудшают ее вкусовые свойства. Данные соединения другими методами практически не удаляются.
Высокая степень очистки (до 99,7%) позволяет гарантировать высокое качество очищенной воды даже в случае значительного изменения состава исходной воды, что может наблюдаться у поверхностных источников.
Стоит отметить, что высокая фильтрующая способность накладывает ряд ограничений на применение мембранных элементов — некоторые примеси могут блокировать фильтрующую поверхность, что приводит к уменьшению производительности установки и снижению ресурса мембран.
Так взвешенные вещества физически блокируют поверхность мембранных элементов, снижая площадь фильтрации, а растворенные соли вызывают эффект поляризации в примембранном слое воды, что повышает осмотическое давление и снижает эффективность процесса очистки.
При подаче воды с высоким содержанием активного хлора, происходит необратимая деградация мембранных элементов, что проявляется в увеличении пропускной способности (поток через мембрану большой) и, одновременно, снижении селективности мембран.
Снятие описанных выше негативных эффектов может быть осуществлено с помощью грамотно разработанной, в соответствии с анализом исходной воды, и внедренной системой предварительной подготовки воды.
Предварительная подготовка воды перед подачей на установки обратного осмоса.
Предварительная подготовка исходной воды может включать в себя следующие стадии.
1. Грубая механическая очистка.
Осуществляется на сетчатых или дисковых фильтрах с различной микронностью. Позволяет защитить оборудование от попадания крупных твердых части.
2. Тонкая механическая очистка.
Для тонкой очистки наиболее часто используются осветлительные напорные фильтры с зернистой загрузкой.
Значительный слой (более 1 метра) мелкозернистого (0,6- 1,6 мм) фильтрующего материала эффективно задерживает нерастворимые частицы размером свыше 20 мкм (более мелкие частицы задерживаются с меньшей эффективностью), что позволяет значительно снизить нагрузку на мембранные элементы, обусловленную загрязнением коллоидными примесями.
При подаче высокомутной воды из поверхностного источника или сточной воды наиболее эффективно применение установок ультрафильтрации в качестве предварительной очистки перед обратным осмосом. Преимущество ультрафильтрационных мембранных модулей заключается в возможности проведения промывки обратным током воды, что позволяет удалять даже плотные отложения загрязнений с поверхности мембран. Специальный полимерный материал мембранных элементов выдерживает воздействия концентрированных промывочных растворов.
При незначительных потоках воды можно использовать систему картриджных фильтров с размером пор 5-25 мкм. Данное решение является самым простым, но наименее эффективным и достаточно ресурсоемким при эксплуатации.
3. Обезжелезивание.
Мембранные установки эффективно удаляют железо в растворенной форме из воды, а современные мембраны являются устойчивыми к соединениям железа. Из многолетнего опыта работы с установками обратного осмоса было установлено, что концентрация двухвалентного железа в исходной воде, без присутствия трехвалентного (при очистки воды из скважин), в количестве до 6-8 мг/л не вызывает затруднений в работе обратноосмотических установок.
Такая вода при определенных условиях может быть подана на вход мембранной установки без предварительного обезжелезивания.
Тем не менее, в некоторых случаях может наблюдаться снижение ресурса мембранных элементов вследствие появления отложений соединений железа на их поверхности (например, при подаче на мембраны окисленного железа в большом количестве).
Необходимость предварительного обезжелезивания для повышения ресурса мембран определяется многими факторами: концентрация железа, его форма, сопутствующие примеси. Немалую роль играет водородный показатель исходной воды.
Для предварительного обезжелезивания в воду, как правило, вводят окислители (наиболее безопасным вариантом является использование кислорода при аэрации воздухом) для перевода двухвалентного железа в трехвалентное состояние, вследствие чего гидроксид железа (III) выпадает в осадок и затем отфильтровывается на поверхности фильтрующей загрузки. Для ускорения процесса перехода в нерастворимую форму и повышения эффективности процесса обезжелезивания в качестве фильтрующей загрузки фильтров-обезжелезивателей используют специальные материалы, обладающие каталитической активностью.
Использовать хлорсодержащие химические реагенты и другие сильные окислители перед подачей на установки обратного осмоса категорически не рекомендуется, т. к. при наличии остаточных концентраций этих веществ может происходить быстрая деградация мембран.
4. Умягчение.
Мембранные установки являются действенным способом умягчения и используются для эффективного и стабильного удаления из воды солей жесткости.
Следует отметить, что при подаче жесткой воды на установки обратного осмоса напрямую, на поверхности мембранных элементов происходит сильное концентрирование солей, вследствие чего производительность и селективность мембран снижается, а гидрокарбонаты и сульфаты образуют плотный нерастворимый осадок на поверхности мембраны.
Эффективным и экономичным способом предотвращения отложения солей жесткости на мембранах является дозирование ингибиторов осадкообразования. Механизм действия ингибиторов основан на том, что молекулы или ионы активного реагента сорбируются на поверхности образовавшихся микрокристаллов и препятствуют их дальнейшему росту. С учетом механизма роста кристаллов (послойно или на дефектах кристаллической решетки), торможение роста происходит при блокировке точек, где может происходить присоединение новых атомов, формирующих кристалл, количество таких точек ограничено.
Ингибитор вводится непосредственно в поток исходной воды перед входом на установку обратного осмоса.
При использовании умягчения на ионообменных смолах — натрий-катионирование — очистка воды производится путем ее контактирования с катионитом в Na-форме. В результате этого из воды извлекаются ионы кальция, магния (то есть понижается жесткость) и частично ионы железа (II), замещаясь ионами натрия. При этом солесодержание и pH исходной воды практически не меняется. Однако, что особенно важно для при употреблении воды в питьевых или , умягченная вода характеризуется повышенным содержанием натрия и не всегда является пригодной. После умягчения на ионообменных смолах избыток натрия и других катионов и анионов может быть удален с только помощью установок обратного осмоса.
5. Дехлорирование (дегазация).
При наличии в воде свободного активного хлора, что может встречаться в воде из централизованных систем водоснабжения, воду необходимо дехлорировать для предотвращения деградации мембранных элементов. Чаще всего для этого используют сорбционный напорный фильтр с загрузкой активированного угля из скорлупы кокосового ореха.
Активированный уголь не только сорбирует свободный хлор, но и переводит его в безопасно состояние по каталитическом механизму за счет расположенных на его поверхности различных активных групп. Помимо этого, так же удаляются низкомолекулярные органические соединения и растворенные газы, присутствующие в воде, что улучшает вкус и другие органолептические свойства воды.
6. Обеззараживание.
Обеззараживание перед установкой обратного осмоса применяется крайне редко, только если в исходной воде присутствует большое количество микроорганизмов, вызывающих зарастание мембран биопленками, например, при водозаборе, производимом из открытых водоемов: пруд, река, озеро.
Микробиологическое загрязнение исходной воды не влияет на качество очистки, т. к. мембрана является надежным барьером для бактерий и вирусов. Однако, ресурс мембранных элементов может понижаться.
Источник
