Получение воды очищенной

При использовании  фильтрующей среды Birm важным условием является наличие в воде растворенного кислорода в концентрации, большей на 15% концентрации растворенного железа. Марганцевый цеолит по мере использования теряет свои каталитические свойства, поэтому необходимым является его периодическая (или постоянная) регенерация раствором калия перманганата. При высоких концентрациях железа и марганца в воде, необходимо предварительно использовать системы аэрации воды.

1.3. Одними из широко используемых в фармацевтической практике являются фильтры с активированным углем, адсорбирующим органические вещества с низким молекулярным весом, хлор и удаляют их из воды. Они используются для получения определенных качественных признаков (обесцвечивания воды и улучшения ее вкуса и др.), для защиты от реакции следующими за ними поверхностями из нержавеющей стали, резиновых изделий, мембран.

Следует отметить, что с момента удаления активного  хлора вода лишается какого-либо бактерицидного агента и, как правило, происходит стремительный  рост микроорганизмов. В угольных фильтрах имеются особенно благоприятные условия для развития микробиологической флоры из-за очень большой и развернутой поверхности. Поэтому использование в фармацевтической практике для предварительной подготовки воды обычного активированного угля нецелесообразно. В последнее время в качестве фильтрующей среды применяется активированный уголь, импрегнированный серебром, применяемым для снижения микробиологического роста.

Основные трудности  при работе с фильтрами из активированного угля состоят именно в их способности контаминироваться микроорганизмами, выделять бактерии, эндотоксины, мельчайшие частицы угля в фильтрат, образовывать гидравлические каналы. Мерами профилактики являются периодическая санитарная обработка, обеспечение необходимых скоростей фильтрации и обратно промывки фильтрующей среды, своевременная замена активированного угля (каждые 6-9 месяцев).

1.4. Умягчение является частным случаем ионного обмена. Умягчители воды удаляют такие катионы, как магний и кальций, т.е. позволяют понизить жесткость воды (рис.1):

Рис. 1. Принцип действия колонки-умягчителя

Умягчение позволяет  значительно снизить содержание ионов перед подачей воды для  очистки на ионообменники и мембраны обратного осмоса. В большинстве  случаев используются автоматические колонки - умягчители, заполненные катионитом, в которых происходит обмен катионов солей жесткости на катионы натрия. На фармацевтических предприятиях при необходимости постоянного (круглосуточного) получения умягченной воды применяются дуплексные установки, регенерация ионообменных смол в которых проводится попеременно (рис.2):

Рис. 3. Дуплексная установка умягчения

При снижении обменной емкости смолы проводится периодическая  ручная или автоматическая регенерация  раствором натрия хлорида.

Умягчение используется в системе водоподготовки чаще всего в 3-х случаях:

• перед обратным осмосом и дистилляцией;
• для получения воды, используемой для регенерации установки ионного обмена;
• в тех случаях, когда достаточно получение умягченной воды (применение воды в автоклавах, моечных и т.п.).

Умягчители удаляют поливалентные ионы из исходной воды, снижая потенциальную возможность образования нерастворимого осадка на мембранах обратного осмоса и внутренних поверхностях дистиллятора. К тому же, помимо удаления солей жесткости, путем умягчения можно удалить следовые концентрации очень нежелательных ионов, таких как барий, алюминий, стронций.

Трудности в  работе системы умягчения заключаются  в возможности образования каналов  из-за неправильно выбранных скоростей  фильтрации, органическом, микробиологическом загрязнении смолы, растрескивании смоляных элементов при несоблюдении условий хранения и эксплуатации, загрязнении солевым раствором, применяемым при регенерации.

Необходимым является правильный подбор частоты (межрегенерационный период должен быть не менее 24 часов) и продолжительности регенерации ионообменной смолы умягчителя, мониторинг жесткости воды и последующая фильтрация для удаления выделяемых частиц смолы, периодическая санобработка фильтра умягчения 5% гипохлоритом натрия (не менее 1 раза в год), солевого бака и комплектующих .

Ионный  обмен 
 

Ионный обмен  является одним из эффективных методов  удаления из воды анионов и катионов. Это одна из важнейших стадий очистки, используемая как этап предварительной  очистки, так и для получения  воды очищенной.  

Ионный обмен  основан на использовании ионитов  – сетчатых полимеров разной степени  сшивки, гелевой микро- или макропористой  структуры, ковалентно связанных с  ионогенными группами (рис.1):

Рис. 1. Общий  вид ионитов, используемых в ионообменных смолах. 

Диссоциация этих групп в воде или в растворах  дает ионную пару – фиксированный  на полимере ион и подвижный противоион, который обменивается на ионы одноименного заряда (катионы или анионы) из раствора. При химическом обессоливании обмен  ионов является обратимым процессом между твердой и жидкой фазами. Включение в состав смол различных функциональных групп приводит к образованию смол избирательного действия. 

Ионообменные  смолы делятся на анионообменные и катионообменные. Катионообменные  смолы содержат функциональные группы, способные к обмену положительных ионов, анионообменные – к обмену отрицательных (рис. 2):

Рис.2. Принцип  ионного обмена 

Смолы могут  быть дополнительно разделены на 4 основные группы: сильнокислотные, слабокислотные катионообменные смолы и сильноосновные и слабоосновные анионообменные смолы. 

Существует два  типа ионообменных аппаратов, как правило, колоночных: 

С раздельным слоем  катионита и анионита; 

Со смешанным  слоем. 

Аппараты первого  типа состоят из двух последовательно  расположенных колонн, первая из которых по ходу обрабатываемой воды заполнена катионитом, а вторая – анионитом(рис.3). Аппараты второго типа состоят из одной колонны, заполненной смесью этих ионообменных смол.

 
 

рис. 3. Принцип  работы ионообменной установки 

Примечание: катионит регенерируется хлористоводородной кислотой; анионит – гидроксидом натрия. 

Преимуществами  ионного обмена являются малые капитальные  затраты, простота, отсутствие принципиальных ограничений для достижения больших  производительностей. 

Использование метода ионного обмена целесообразно при слабой минерализации воды: ниже 100  200 мг/л солей, т.к. уже при умеренной (около 1 г/л содержании солей) для очистки 1 м3 воды будет необходимо затратить 5 л 30% раствора соляной кислоты и 4 л 50% раствора щелочи. 

Смолы обладают рядом существенных недостатков, которые  затрудняют их использование:

Большинство ионообменных смол обладает низкой гидрофильностью, что обуславливает малую скорость диффузии ионов внутрь гранул смолы  и низкую скорость сорбции и десорбции; 

На практике ионообменные смолы применяются  в виде гранул, слеживание которых  в колонке во время процесса сорбции  вызывает необходимость проведения принудительного взрыхления приводящего  к постепенному механическому разрушению гранул в процессе эксплуатации; 

Ионообменные  смолы требуют частой регенерации  для восстановления обменной способности. 
 

Регенерация ионообменных смол производится как правило растворами кислоты хлористоводородной (для  Н+ формы) и натрия гидроксида (для  ОН- формы). На качество регенерации влияет выбор регенерирующего раствора, тип ионообменной смолы, скорость, температура, чистота, тип и концентрация регенерирующего раствора, время его контакта с ионитами.  

Для приготовления  растворов кислоты хлористоводородной и натрия гидроксида, их хранения и защиты персонала от возможных утечек, необходимы специальные емкости.  

В процессе регенерации  образуется большое количество сильно кислых и сильно щелочных промывочных  вод, которые должны подвергаться нейтрализации  перед сбросом в систему сточных вод.  

Системы ионного  обмена требуют предварительной  очистки от нерастворимых твердых  частиц, химически активных реагентов (хлора в потоке воды во избежание  загрязнения смолы и ухудшения  ее качества.  

Ионообменная  технология обеспечивает классическое обессоливание воды и являетсяэкономичной системой при получении воды очищенной. Данная технология позволяет получать воду с очень низким показателем удельной электропроводности. Однако при длительном использовании ионообменников может спонтанно возникнуть проблема роста микроорганизмов. Для снижения микробной контаминации используются УФ-лампы, постоянная рециркуляция воды в петле распределения, сведение к минимуму или вообще исключение перерывов в работе оборудования. Поскольку данный метод не обеспечивает микробиологической чистоты из-за использования ионообменных смол, поэтому его использование для получения воды очищенной целесообразно в сочетании со стерилизующей (0,22 мкм) микрофильтрацией.

Электродеионизация

Электродеионизация  является разновидностью ионного обмена. Системы электродеионизации используют комбинацию смол, выборочно проницаемых мембран и электрического заряда для обеспечения непрерывного потока (продукта и концентрированных отходов) и непрерывной регенерации. (рис. 1):

Рис. 1. Принцип электродеионизации  

Подаваемая вода распределяется на три потока. Одна часть потока проходит через каналы электродов, а две другие части  попадают в каналы очистки и концентрирования, которые представляют собой слои смолы, помещенные между анионной и катионной мембранами. Смешанные слои ионообменных смол задерживают растворенные ионы. Электрический ток направляет захваченные катионы через катион-проницаемую мембрану к катоду, а анионы через анион-проницаемую мембрану к аноду. Ионообменная смола с обеих сторон мембраны усиливает перенос катионов и анионов через мембраны. Катион-проницаемая мембрана предотвращает поступление анионов к аноду, а анион-проницаемая мембрана предотвращает поступление катионов к катоду. В результате ионы концентрируются в этом отсеке, из которого они смываются в сток. В результате получается очищенная вода высокого качества. Разделение воды в канале очистки (секция смолы) электрическим потенциалом на ионы водорода и гидроксила позволяет осуществлять непрерывную регенерацию смолы. 

С помощью процесса электродеионизации возможно удаление минеральных веществ. Эффективность метода зависит от исходного содержания примесей, скорости подаваемого потока воды в систему и предшествующих стадий водоподготовки. Метод электродеионизации целесообразно использовать в сочетании с обратным осмосом. Процентное содержание общих растворенных в воде веществ снижается более чем на 99%, удельная электропроводность снижается более чем в 15 раз по сравнению с подаваемой. Содержание общего органического углерода может уменьшиться на 50-90% в зависимости от состава органических веществ в воде и стадий предварительной очистки. Растворенный диоксид углерода переводится в бикарбонат ион и выводится в виде растворимого вещества. Удаление растворенного диоксида кремния составляет 80-95% в зависимости от условий и режима работы. 

Технология электродеионизации имеет ряд преимуществ:

Является неэнергоемким  процессом; 

Осуществляется  непрерывная регенерация; 

Не нужна замена смолы, поскольку смола не истощается; 

Не останавливается производство воды из-за истощения смолы; 

Достаточно низкие затраты на обслуживание; 

Не требуется  химических реагентов для регенерации. 
 

Данной технологии очистки воды присущи практически  все недостатки, характерные для  ионного обмена. Необходимым условием использования установки электродеионизации является температура воды, которая должна быть в пределах 10-35 оС и уровень свободного хлора, не превышающий 0,1мг/л, вода должна быть достаточно деминерализована (электропроводность не более 605 мкСм/см) и декорбонизирована (содержание СО2 не более 15 мг/л).  

Для дальнейшего  снижения микробиологического загрязнения  может быть необходимым использование  УФ-облучения, использования субмикронной фильтрации. 

Санитарная обработка  блока электродеионизации должна проводится периодически с использованием надуксусной кислоты, натрия гидроксида и Рис. 1. Принцип электродеионизации  

Подаваемая вода распределяется на три потока. Одна часть потока проходит через каналы электродов, а две другие части  попадают в каналы очистки и концентрирования, которые представляют собой слои смолы, помещенные между анионной и катионной мембранами. Смешанные слои ионообменных смол задерживают растворенные ионы. Электрический ток направляет захваченные катионы через катион-проницаемую мембрану к катоду, а анионы через анион-проницаемую мембрану к аноду. Ионообменная смола с обеих сторон мембраны усиливает перенос катионов и анионов через мембраны. Катион-проницаемая мембрана предотвращает поступление анионов к аноду, а анион-проницаемая мембрана предотвращает поступление катионов к катоду. В результате ионы концентрируются в этом отсеке, из которого они смываются в сток. В результате получается очищенная вода высокого качества. Разделение воды в канале очистки (секция смолы) электрическим потенциалом на ионы водорода и гидроксила позволяет осуществлять непрерывную регенерацию смолы.