Вода и водоподготовка в промышленных условиях и в аптеке

В каждой фазе вода испаряется в вертикальном теплообменнике, в  котором она стекает сверху вниз тонкой пленкой и вместе с генерированным паром выливается вниз с большой скоростью. Далее вода со дна этой фазы переходит в следующую фазу, в то время как пар поднимается наверх. Движение его ускоряется, он приводит во вращательное движение специальные, направляющие пар детали, и таким образом создаются центробежные силы.

Высокая скорость пара влечет за собой и другие преимущества, такие как компактная конструкция  и небольшой вес. Установку можно  смонтировать в любом, и не подготовленном для этого специальном помещении. Она не только занимает мало места, очень легкая, но и не раздражает обслуживающий персонал шумом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.1.3 .Метод ионного обмена

 

Ионный обмен – один из важнейших этапов очистки, используемый в большинстве систем получения воды для фармацевтических целей. Ионный обмен основан на использовании ионитов – сетчатых полимеров разной степени сшивки гелевой или микропористой структуры ковалентно связанных с ионогенными группами.

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.

Процесс ионного обмена осуществляется путем диффузии ионов растворенного электролита к поверхности сорбента, последующей диффузии ионов растворенного электролита внутрь сорбента, вытеснения подвижного иона сорбента из сферы влияния катионного (анионного) комплекса сорбента и диффузии вытесненного подвижного иона из фазы сорбента в раствор. Сущность метода заключается в том, что вода, проходя через ионообменные смолы (катиониты и аниониты), освобождается от солей. Ионообменная технология обеспечивает классическое обессоливание воды и является экономичной системой  при получении воды для фармацевтических целей. Данная технология позволяет получать воду с очень низким показателем удельной электропроводности.

Ионообменные смолы состоят  из сферических шариков, приблизительно 0,5-1,2 мм в диаметре. Смолы, особенно анионообменные, обладают характерным  аминоподобным запахом. Включение в состав смол различных функциональных групп приводит к образованию смол избирательного действия.

Ионообменные смолы делятся  на анионообменные и катионообменные. В катионообменной смоле подвижными ионами являются ионы Н⁺, в анионообменной – ОН^-. Катионообменныесмолы содержат функциональные группы, способные для обмена положительных ионов, анионообменные – для обмена отрицательных. Могут быть использованы сильно кислые или слабо кислые катиониты, а также сильно основные или слабо основные аниониты, которые могут применяться отдельно или в комбинации со смешанным слоем.

Сильно кислые катионообменные смолы. Большинство из них имеют химическую структуру, состоящую из сшитого стирола (винилбензола) с дивинилбензолом. Радикалы сульфоновой кислоты дают функциональные группы для ионного обмена. Хорошо регенерированные сильно кислые катионообменные смолы способны к удалению всех катионов из питьевой воды.

Слабо кислые катионообменные смолы. Могут состоять из полимерной цепочки, состоящей из акриловой кислоты и дивинилбензола с карбоксильными функциональными группами. Использование слабо кислых катионообменных смол в основном ограничено из-за того, что удаление катионов взаимосвязано с изменением щелочности, и это очень важный момент. Эти смолы могут быть предназначены для определенного промышленного использования, где источником является поверхностная вода, которая содержит значительные количества бикарбонат иона и солей жесткости.

Сильно основные анионообменные смолы. Классическая сильно основная анионообменная смола по химической структуре сходна с сильно кислотной катионообменной смолой, состоящей из сшитого стирола с дивинилбензолом. Полимерами для анионитов также служат хлорметилированные полистеролы и продукты конденсации полиэтиленполиамидов и эпихлоргидрида. Функциональной группой является четвертичные аммониевые, фосфониевые и третичные сульфониевые основания. В основном, сильно основная анионообменная смола удаляет все анионы из водного потока. Сильно основные анионообменные смолы подразделяются на две группы. Первый тип удаляет все анионы, присутствующие в воде с очень высокой эффективностью. Второй тип смолы удаляет все анионы за исключением диоксида кремния, эффективность удаления которого ниже, чем у первого типа смолы. В большинстве систем получения воды используется первый тип смол.

Слабо основные анионообменные смолы. Слабо основная анионообменная смола содержит первичные, вторичные и третичные аминогруппы, имеет в химической структуре стирол и дивинилбензол, акрил и дивинилбензол, или в определенных случаях, эпоксидные вещества. Слабо основные анионообменные смолы не имеют способность к удалению ионов, находящихся в химически устойчивой форме, таких как бикарбонаты и оксид кремния. Эти смолы эффективны для удаления полностью ионизированных веществ, таких как хлориды и сульфаты. Использование этих смол для получения воды крайне ограничено.

Для смягчения воды применяют сильно кислую ктионообменную смолу в Na-форме. Регенерация поваренной солью представляет собой дешевый и простой метод. Слабо кислый катионит в Н-форме применяют преимущественно для декарбонизации воды. Для полного обессоливания воды применяют комбинацию сильно кислого катионита и сильно основного анионита. Сильно кислый катионит в Н-форме обеспечивает понижение основности воды. Если в воде остается кислота, то рН очень сильно падает. Сильный основной анионит в качестве второй ступени полного обессоливания обменивает все анионы на гидроксид-ион и обеспечивает полную нейтрализацию образующихся кислот.

Гелеобразные ионообменные смолы обладают высокой емкостью, в то время как макропористые  смолы проявляют очень высокую  механическую и химическую прочность. Хорошая химическая устойчивость искусственных  смол относительно большинства химических соединений является важной предпосылкой пригодности их в качестве ионообменников. Кроме того, смола должна постоянно  оставаться водонепроницаемой. Вода должна быть по возможности свободной от мути и бедной железом, марганцем  и алюминием. Сильные окислительные средства, такие, как хлор и озон могут сделать смолу «усталой» и разрушить ее. Вследствие частичной микропористой структуры ионообменной смолы, не все примеси воды задерживаются. Частицы, пирогены и органические соединения беспрепятственно проходят через смолу. Более того, из-за истирания смолы может наступить увеличение концентрации частиц и рост количества общего органического углерода.

Однако смолы обладают рядом существенных недостатков, которые  затрудняют их использование:

- большинство ионообменных  смол, как правило, обладают низкой  гидрофильностью, что обусловливает  малую скорость диффузии ионов внутрь гранул смолы и низкую скорость сорбции и десорбции;

- на практике ионообменные  смолы применяются в виде гранул, склеивание 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 проводится растворами кислоты хлористоводородной (для Н⁺-формы) и натрия гидроксида (для ОН^—формы).Регенерация производится по противоточной схеме – сверху вниз. На качество регенерации влияет выбор регенерирующего раствора, тип ионообменной смолы, состав насыщенного слоя ионитов, скорость, температура, чистота, тип и концентрация регенерирующего раствора, время его контакта с ионитами.

Основной частью установок  для получения воды очищенной  методом ионного обмена являются колонки, заполненные катионитами  и анионитами. Активность катионитов определяется наличием карбоксильной  группы или сульфоновой группы. Катиониты обладают способностью обменивать ионы водорода на положительно заряженные ионы щелочных и щелочноземельных металлов:

R – (SO₃H₂) + Ca(HCO₃)₂ = R – (SO₃)₂Ca + 2H₂O + CO₂

Аниониты – это продукты полимеризации аминов с формальдегидом, обменивающие свои гидроксильные группы на анионы:

R – NH₂OH + NaCl = R – NH₂Cl + NaOH

Установки имеют емкости  для растворов кислоты, щелочи и  воды дистиллированной, необходимых  для регенерации смол.

Регенерация катионитов осуществляется хлороводородной или серной кислотой. Как правило, применяется 5% раствор кислоты хлороводородной:

R – (SO₃)₂Ca + 2HCl = R – (SO₃H₂) + CaCl₂

Аниониты восстанавливают  раствором щелочи – 5% раствором  NaOH или NaHCO₃:

R – NH₂Cl + NaOH = R – NH₂OH + NaCl

Ионообменные устройства могут действовать непрерывно или  периодически, как в прямом, так  и в обратном потоке. Для применения подходят устойчивые к давлению цилиндрические колонки, которые имеют твердую  фазу либо в виде твердого слоя, либо вращающегося слоя.

При конструировании ионообменного аппарата важнейшим критерием является состав исходной воды. Необходимое количество воды и качество воды являются двумя характерными величинами. Они прямо влияют на необходимое количество средств регенерации и размеры резервуаров. Резервуары должны быть сконструированы таким образом, чтобы максимальная высота слоя не вызывала никакой экстремальной потери давления.

При цилиндрической конструкции  механическая и гидролитическая  нагрузка на ионообменную смолу сводится к минимуму. Загрузка и регенерирование происходят при периодическом производстве друг за другом в той же колонке. Непрерывный процесс отличается тем, что загрузка и регенерирование смолы происходят одновременно в различных частях аппарата.

Существует два типа колоночных  ионообменных аппаратов:

- с раздельным слоем  катионита и анионита

- со смешанным слоем

Аппараты первого типа состоят из двух последовательно  расположенных колонок, первая из которых  по ходу обрабатываемой воды заполнена  катионитом, а вторая – анионитом.

Аппараты второго типа состоят из одной колонки, заполненной  смесью этих ионообменных смол. Питьевая вода подается в колонки снизу  вверх. Смешанные ионообменные установки  имеют более долгий срок службы вследствие незначительной «солевой нагрузки». Такие  системы могут эксплуатироваться  без регенерации в течение  нескольких недель, что может стать причиной микробиологического загрязнения установки. В связи с этим конструкция ионообменной установки должна обеспечить постоянный и непрерывный поток воды через колонку.

К достоинствам этого метода следует отнести большую производительность метода и его дешевизну, к недостаткам  – возможность микробного загрязнения, необходимость частой регенерации ионообменных смол, небольшой срок их использования, невозможность получения горячей воды очищенной и пара. Несмотря на все положительные стороны, метод ионного обмена не может давать микробиологически чистую воду, в связи с чем эта вода не может быть использована для приготовления парентеральных лекарственных средств.

 

3.1.4 Мембранный метод

 

Общее понятие «мембранный  метод» охватывает многочисленные технологии, такие, как микрофильтрация, ультрафильтрация, нанофильтрация и обратный осмос.

Важнейшими свойствами для  описания мембран является их селективность  и производительность. Непористые мембраны применяют при обратном осмосе, электродеионизации и нанофильтрации, пористые мембраны находят применение преимущественно в микро- и UF-аппаратах.

Способность мембран разделять, в первую очередь зависит от разницы  давления, вызванного мембраной, толщины  мембраны, ее плотности, пористости и  вязкости растворителя.

Преимущество отдается мембранам  из синтетических материалов, таким, как полисульфон и полиамид, а также мембранам из ацетата целлюлозы. Они изготовляются, главным образом, в качестве плотных растворимых мембран, у которых происходит транспортирование вещества посредством модели растворение – диффузия. В противоположность этому происходит транспортирование вещества у пористых мембран, главным образом конвекционно.

Наибольшим недостатком  целлюлоз-ацетатных мембран является восприимчивость к микробной нагрузке и экстремальные рН значения. Кроме того, они имеют очень ограниченную стабильность относительно средств дезинфекции.

Мембраны из полиамида  или полисульфона в основном получают в виде тонких слоев. Защитный слой может состоять из полисульфона и придавать мембране хорошее сопротивление против увеличения давления. Синтетические мембраны более устойчивые против бактерий и рН колебаний. Но они очень чувствительны к окислителям, таким как, хлор, озон, так, что должна происходить инактивация имеющихся окислителей то время, когда происходит обработка воды.

Модули мембран:

1.Плоские мембраны:

- пластинка – модуль

- модуль – пучок

2.Мембраны в форме трубки:

- трубка – модуль

- полый волокнистый модуль

- капилляр – модуль

Преимуществом пучковых модулей  является высокая плотность упаковки и хороший обмен вещества. Недостатком  является плохая возможность очистки  и удлинение пути потока и, как  следствие этого, уменьшение давления. Для компенсации этого недостатка возможно повышение частей с короткой дорогой потока и одновременная  оптимизация поверхности прослоек, так как с каждой прибавленной прослойкой ценные поверхности мембран  теряются. Повышение пористости вызывает уменьшение компактности. Волокнистые  модули состоят из асимметричных  мембран, которые на концах имеют  эпоксидные твердые блоки. При обратном осмосе волокнистые мембраны, как  правило, заливают снаружи. Важнейшим  критерием при рассмотрении этого  вида модулей является уменьшение давления вследствие малого диаметра и большей  длины пути. Модули из волокна очень  постоянны относительно давления и, вследствие их очень плотной упаковки, возможна большая эксплуатация, чем  свернутых модулей.