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力和工程服務(wù)（蘇州）有限公司
Lihe Facility Management (Suzhou) Co.,Ltd
在制藥用水系統(tǒng)中，化學(xué)加藥是必不可缺的組成單元，良好的加藥裝置設(shè)計(jì)不僅是系統(tǒng)保持長(zhǎng)期高效運(yùn)行的基礎(chǔ)，也是工藝性能達(dá)標(biāo)的重要保障（圖1）。通常情況下，化學(xué)加藥單元被設(shè)計(jì)在前處理系統(tǒng)中，其中包括原水罐、原水輸送泵、多介質(zhì)過(guò)濾器或超濾、活性炭過(guò)濾器、軟化器、保安過(guò)濾器、RO高壓泵、RO等處理單元。
純化水機(jī)常采用市政水地表水或地下水為源水，水質(zhì)本身是比較穩(wěn)定的，而為了提高后續(xù)去離子單元的處理效率，必要的化學(xué)品被投加到前處理中以達(dá)到某種的處理目的。常用的化學(xué)藥劑為混凝劑PAC（聚合氯化鋁）、消毒劑NaClO（次氯酸鈉）、還原劑NaHSO3（亞硫酸氫鈉）、苛性鈉NaOH（氫氧化鈉）等?；瘜W(xué)藥劑的化學(xué)特性和詳細(xì)說(shuō)明可以查詢(xún)相關(guān)的化學(xué)品安全說(shuō)明書(shū)（material safety data sheet，MSDS）。
圖1 加藥裝置
聚合氯化鋁是一種無(wú)機(jī)高分子混凝劑，又被簡(jiǎn)稱(chēng)為聚鋁，英文縮寫(xiě)為PAC（Poly aluminum Chloride）。PAC是一種由氫氧根離子的架橋作用和多價(jià)陰離子的聚合作用而生產(chǎn)的分子量較大、電荷較高的無(wú)機(jī)高分子水處理藥劑。
化學(xué)通式為[Al2(OH)nCl6-n]m其中m代表聚合程度，n表示PAC產(chǎn)品的中性程度。PAC的凈化原理主要通過(guò)壓縮雙電層、吸附電中和、吸附架橋、沉淀物網(wǎng)捕等機(jī)理作用，使水中細(xì)微懸浮粒子和膠體離子脫穩(wěn)，聚集、絮凝、混凝、沉淀，達(dá)到凈化處理效果。
在制藥用水系統(tǒng)中，為了提高過(guò)濾單元的處理性能，通常在過(guò)濾單元入口設(shè)置PAC加藥。PAC常以10%濃度的液體化學(xué)桶提供，靠操作者定期添加至現(xiàn)場(chǎng)的PAC加藥箱中，再由電動(dòng)隔膜泵以0.1-2ppm的濃度投加至過(guò)濾單元入口的管道。
考慮到藥廠對(duì)于細(xì)菌的控制和藥劑的穩(wěn)定性，PAC加藥箱的設(shè)計(jì)容量一般為小于2周，建議配置管道式靜態(tài)混合器，以提高PAC與原水混合的效率，混合器的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮藥劑的粘度、密度、液體的流速和壓力等因素。
具體的投加濃度需視原水水質(zhì)情況而定，過(guò)低的PAC濃度不能起到有效凈化水體的功能；然而過(guò)高的濃度同樣會(huì)污染水體，堵塞過(guò)濾單元，導(dǎo)致水箱和管道的染污、過(guò)濾單元頻繁清洗、甚至更換介質(zhì)或膜組件。如果前處理單元是設(shè)計(jì)成連續(xù)循環(huán)運(yùn)行，那么在用水量較小的情況下，需要注意長(zhǎng)期循環(huán)會(huì)導(dǎo)致PAC累積濃度過(guò)高。
通常，過(guò)濾單元出口SDI小于4時(shí)可認(rèn)為過(guò)濾效果良好（圖2）。對(duì)于PAC加藥的控制，可以選擇手動(dòng)調(diào)節(jié)頻率或自動(dòng)調(diào)節(jié)頻率的隔膜泵，前者適用于流量穩(wěn)定的系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠；而后者可以設(shè)計(jì)成與進(jìn)水流量計(jì)進(jìn)行連鎖，對(duì)于流量波動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)加藥泵的頻率，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定濃度的投加。
圖2 PAC加藥與SDI測(cè)試點(diǎn)示例
次氯酸鈉（NaClO）溶液是含氯消毒劑的一種，它是一種強(qiáng)氧化劑，其投入水中會(huì)立即消解形成次氯酸（HClO）和次氯酸根（ClO-），這兩種化學(xué)物質(zhì)是NaClO溶液主要的殺菌成分，其不僅可與細(xì)胞壁發(fā)生作用，且因分子小、不帶電荷，能侵入到細(xì)胞內(nèi)與蛋白質(zhì)發(fā)生氧化作用或破壞磷酸脫氫酶，使細(xì)胞代謝失調(diào)而死亡。
次氯酸鈉溶液以其應(yīng)用廣泛、消毒效果高效、具有較長(zhǎng)的消毒持續(xù)時(shí)間、成本低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛的制藥水處理系統(tǒng)所接受。次氯酸鈉溶液以10%濃度的液體化學(xué)桶提供，靠操作者定期添加至現(xiàn)場(chǎng)的加藥箱中，再由電動(dòng)隔膜泵以一定的濃度投加至前處理系統(tǒng)中。
考慮到藥廠對(duì)于細(xì)菌的控制和藥劑的穩(wěn)定性，現(xiàn)場(chǎng)加藥箱的設(shè)計(jì)容量一般為小于2周。建議配置管道式靜態(tài)混合器，以提高次氯酸鈉溶液與原水混合的效率，混合器的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮藥劑的粘度、密度、液體的流速和壓力等因素。次氯酸鈉溶液的加藥量視投計(jì)投加位置、原水水質(zhì)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試驗(yàn)證而定，通常情況下，如果自來(lái)水供水余氯濃度小于0.3ppm時(shí)就可以考慮次氯酸鈉溶液加藥系統(tǒng)。
次氯酸鈉溶液投加量一般與后續(xù)的余氯傳感器進(jìn)行PID連鎖控制。濃度控制在0.3~0.5ppm，因?yàn)檫^(guò)低的濃度會(huì)有微生物滋生的風(fēng)險(xiǎn)，然而過(guò)高的濃度會(huì)導(dǎo)致后續(xù)還原劑（亞硫酸氫鈉溶液）過(guò)多的消耗，甚至氧化RO。在原水箱出口或原水泵出口也需要配置余氯傳感器以監(jiān)視余氯濃度，此處余氯濃度一般控制在不低于0.3ppm（圖3）。
圖3次氯酸鈉溶液加藥示例
余氯傳感器主要采用電極傳感器，通過(guò)余氯選擇性透過(guò)膜，與工作電極、電解液和參比電極形成一個(gè)與余氯濃度成正比的信號(hào)，以測(cè)量水體中余氯的含量，單位ppm或mg/L。
余氯傳感器采用旁路測(cè)量的方式安裝在系統(tǒng)中，取樣流量需確保恒定，大概為30 l/h。其測(cè)量與介質(zhì)的溫度和PH值密切相關(guān)，余氯電極傳感器采用內(nèi)置溫度補(bǔ)償，使測(cè)量信號(hào)不受水體的溫度影響，運(yùn)用三電極技術(shù)，有效地降低pH的依賴(lài)性，在pH4～9的范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，取樣流量可通過(guò)光學(xué)流量開(kāi)關(guān)得以監(jiān)視。
ORP（Oxidation-Reduction Potential）氧化還原電位代表水體氧化性或還原性的相對(duì)程度，由于余氯具有強(qiáng)氧化性，故將其引入系統(tǒng)中后ORP值會(huì)相應(yīng)地升高。ORP傳感器采用玻璃電極，根據(jù)水體的氧化或還原程度，在參比電極和工作電極之間產(chǎn)生相應(yīng)的電勢(shì)差，這個(gè)電勢(shì)差就是ORP值，單位為mV。
RO膜廠家會(huì)建議RO進(jìn)膜的最大余氯濃度（一般不高于0.1ppm），超過(guò)此濃度，會(huì)嚴(yán)重影響RO膜的性能和壽命，故NaHSO3（亞硫酸氫鈉）溶液作為水體中余氯的還原劑，常被用于制藥用水系統(tǒng)中。
亞硫酸氫鈉溶液以10%濃度的液體化學(xué)桶提供，靠操作者定期添加至現(xiàn)場(chǎng)的加藥箱中，再由電動(dòng)隔膜泵以一定的濃度投加至系統(tǒng)中。由于亞硫酸氫鈉溶液不穩(wěn)定，且若水中存在硫還原菌，亞硫酸會(huì)成為細(xì)菌營(yíng)養(yǎng)幫組細(xì)菌的滋生，故現(xiàn)場(chǎng)加藥箱的設(shè)計(jì)容量不宜過(guò)大建議為1周以?xún)?nèi)。對(duì)于投加位置，一般選擇在保安過(guò)濾器進(jìn)口，配合管道混合器使用最佳，這是為了保證亞硫酸氫鈉溶液與水體中的余氯有充分的反應(yīng)時(shí)間，這也能有效的防止因?yàn)樗巹?lái)的雜質(zhì)對(duì)RO的影響。
RO膜的除鹽效率是受pH影響，在pH較低時(shí)，水體中的HCO3-和CO32-會(huì)轉(zhuǎn)換為CO2的形式存在，由于RO膜對(duì)氣體幾乎沒(méi)有過(guò)濾能力，所以水體中的CO2會(huì)透過(guò)RO膜，從而對(duì)純水的電導(dǎo)率產(chǎn)生影響。NaOH（氫氧化鈉）溶液的投加是為了適當(dāng)?shù)靥岣咚w的pH值，從而使CO2轉(zhuǎn)換成HCO3-和CO32-離子，這樣，RO膜就能夠?qū)⒅コ?/span>
通常情況下，控制RO進(jìn)口的pH值在7.5～8.5之間會(huì)實(shí)現(xiàn)較為理想的除鹽率。NaOH溶液常用于RO系統(tǒng)的加藥，以提升RO進(jìn)水的pH值。NaOH常以?xún)煞N形式添加至現(xiàn)場(chǎng)加藥箱，一種為固體NaOH，另一種為10%濃度的NaOH溶液，前者需按稀釋量，以10%的濃度投加至現(xiàn)場(chǎng)的加藥箱中；后者以液體化學(xué)桶提供，靠操作者定期添加，以電動(dòng)隔膜泵投加至系統(tǒng)中。
現(xiàn)場(chǎng)加藥箱的設(shè)計(jì)容量建議為2周左右，NaOH溶液的投加位置一般位于保安過(guò)濾器進(jìn)口，配合管道混合器使用最佳，這是為了保證氫氧化鈉溶液與水體中有充分的反應(yīng)，也能有效的防止因?yàn)樗巹?lái)的雜質(zhì)對(duì)RO的影響。
在管道混合器后安裝pH傳感器，以PID對(duì)加藥泵作連續(xù)控制，也有設(shè)計(jì)者將加藥點(diǎn)和pH安裝選擇在RO濃水回流管上，由于RO濃水流量比較穩(wěn)定，這種形式也能取得較好的效果。然而，pH投加過(guò)量（如pH>9.5）也會(huì)引起RO結(jié)垢的風(fēng)險(xiǎn)，故一般設(shè)定pH 9.5為RO報(bào)警。
隨著科技的發(fā)展，加藥操作所需的在線傳感器種類(lèi)日益增多，多通道變送器的出現(xiàn)為制藥用水系統(tǒng)中多種水質(zhì)參數(shù)的控制提供了更加簡(jiǎn)潔和靈活的設(shè)計(jì)。圖4是專(zhuān)為加藥單元配置的多通道變送器，具有定時(shí)投加和批量投加功能。
加藥單元的多通道變送器由一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)主板與多塊可擴(kuò)展模塊（電導(dǎo)率、PH/ORP、輸出和輸入模塊）組成，幾乎涵蓋常規(guī)純化水制備過(guò)程中的各種傳感器，包括輸出流量脈沖、pH/ORP、電導(dǎo)率等原始信號(hào)傳感器，以及輸出標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)傳感器（壓力、液位、余氯等）。
