臭氧及其在高纯水系统中的应用

臭氧及其在高纯水系统中的应用

 

即使在高纯度的水系统中，总会担心系统中微生物的生长。如果这种增长超过系统极限，则产品制造可能会很快停止。在高纯度系统中控制细菌的很佳方法之一是使用臭氧作为消毒剂。

 

很有效的方法是将臭氧溶解在储罐中的高纯度水中，然后在将水送入分配回路之前将其除去。这是一种功能强大且快速的消毒剂，但它易于生产，并且在循环开始时易于去除。根据电化学氧化电位（EOP），臭氧的等级高于过氧化氢，次氯酸钠和气态氯。一些消息来源声称，臭氧的速度是氯的2000或3000倍。

 

什么是臭氧？

臭氧是一种气体。它是氧（O 3）的三原子形式。它是现成的很强大的氧化剂，可用于水处理，但随着其氧化能力的提高，它具有很高的反应性和稳定性。当溶于水时，臭氧的半衰期仅为20分钟。因此，必须不断对其进行再生，并且只能在现场使用。当臭氧分解时，它简单地恢复为无害的O 2。

 

臭氧如何作为消毒剂？

它通过细胞裂解而杀死，导致细胞壁破裂并释放内毒素，然后进一步被氧化。它以不同程度攻击所有细菌，病毒，囊肿和孢子。那么控制细菌需要多少臭氧呢？测试表明，在0.008 ppm或更高的臭氧浓度下，不会增长。但是，在大多数应用中，建议罐中残留0.1至0.2 ppm，以使菌落形成单位保持在1 CFU / 100ml以下。

 

臭氧产生-电晕放电 

有几种产生臭氧的方法。低浓度可以从在185纳米下操作的紫外线获得。对于水系统更实际的是通过电晕放电产生臭氧。在这种方法中，使空气或氧气通过平行金属板之间或同心不锈钢管之间的小间隙。板或管之一，通常是内管，覆盖有电介质（绝缘）材料，可防止高压在整个空间产生电弧。这导致恒定且受控的放电，也称为电晕放电。当氧气通过该电场时，一些氧气分子分裂成原子并复合形成臭氧。

然后可以通过气泡扩散器或文丘里喷射器将臭氧气体溶解在储水箱的水中。对于大多数制药系统而言，文丘里喷射器由于其高混合能力而成为首选。文丘里管注入器通常位于侧流环路中，在注入器中，注入器会将大量的臭氧混合到水中。高度臭氧化的水返回到水箱，在其中对剩余的水进行臭氧化。臭氧的产生可以通过改变提供给电晕放电室的功率来控制。为了获得很佳性能并防止空气中的有害气体进入制药用水系统，应为臭氧发生器提供氧气发生器或某种形式的氧气存储装置中的氧气。为防止水分使狭窄的电晕放电间隙短路，原料气中的露点必须保持在-60°C或更低。在大多数情况下，电晕放电发生器无法正常工作，问题出在原料气中的水分。

 

原料气：

臭氧是由氧气产生的。空气中的氧气含量约为20％。使用空气产生臭氧将起作用，并且将通过环境空气中的氧气产生臭氧。但是，如果使用更高浓度的氧气，则会产生更多的臭氧。许多臭氧发生器将安装一个制氧机，以提高进料气中的氧气含量并增加臭氧的总体产量。

使用空气或氧气进料气，至关重要的是，这种空气必须完全清洁和干燥，以消除在臭氧生产过程中产生危险副产物的可能性。

 基于电晕放电臭氧发生器之间的细微差别，它们被称为许多东西。诸如“冷等离子体”，“等离子体发生器”，“冷电晕”之类的名称已被创造出来。很后，这些都是基本的电晕放电臭氧发生器的变体。

 

臭氧破坏 

随着臭氧水从水箱中抽出并泵送至分配回路，在泵抽后，臭氧会破坏臭氧，从而将臭氧去除（图3）。在相同的流速下，这种紫外线必须具有254 nm的波长，并且是消毒紫外线的3-4倍。臭氧被紫外线破坏后，水会通过臭氧传感器，以验证没有残留臭氧。然后，高纯水通过分配回路分配给用户。此传感器通常使用高臭氧报警器，以警告操作员紫外线不能正常工作。

 

循环消毒

为了控制回路中的微生物生长，定期用臭氧对回路进行消毒。这可以通过关闭破坏臭氧的紫外线并让水箱中的臭氧水循环通过回路达到预设的时间（通常为30分钟到一个小时）来实现。储罐中的臭氧水平也可以提高到较高水平（0.3- 0.5ppm），以确保在回路消毒过程中杀死微生物。为了验证消毒的有效性，回路返回时使用了另一个臭氧传感器。当该传感器显示稳定读数时，意味着不再消耗臭氧，可以开始进行消毒了。为了很大程度地发挥消毒作用，应在消毒过程中短暂打开每个用户点，以使臭氧化的水流冲洗并消毒阀截止阀下游的那些区域。

 

系统设计要素

完整的臭氧水存储和分配系统将包括储水箱，环路供水泵，臭氧发生器，紫外线破坏臭氧层，水箱入口排气过滤器，水箱出口排气破坏和3个溶解臭氧监测器。除紫外线后和回路返回时的臭氧监测器外，还必须有一个臭氧监测器对储水后储水箱进行采样，以确定水箱中是否残留有适当的臭氧。

 

储罐必须有一个液位传感器，很好有一个泄压装置，例如破裂盘。推荐的选项是将系统冷却至22°C左右的热交换器。如果没有此交换器，则不断泵送将使水箱中的水变暖，从而促进细菌生长，并使保持臭氧溶解的难度更大。臭氧储存罐还应在回路回路上安装浸入管，而不是喷球，因为喷雾作用会导致臭氧从溶液中除去，并向罐顶空间排出气体。

 

臭氧罐排气

与任何其他储水箱一样，必须允许带臭氧的水箱随着水位的变化而进出呼吸。在进风口上，通常使用0.2微米的滤芯。在出口上，可以使用高温热臭氧破坏物或催化剂臭氧破坏物。如果有单独的排气路径，则必须使用保护性排气或止回阀将排气引导至正确的路径。止回阀设计的可能的副作用是，基于阀头压力的液位传感器会由于开阀前轻微的压力累积而看到错误的信号。可以通过使用基于非压力的液位传感器（如雷达或超声波）或在储罐顶部使用补偿压力传感器来感测顶部空间压力来避免这种情况。另一种通风口设计是使入口和出口通风口均通过串联的过滤器和排气孔销毁。在简化配管的同时，这种设计增加了排气过滤器的臭氧暴露量，要求使用更昂贵的特氟龙材料，或者更频繁地更换过滤器。

 

臭氧系统材料

臭氧储水罐，泵和管道必须是与臭氧兼容的材料，通常为316L不锈钢，很好进行电抛光。实际上，电抛光（EP）不锈钢比标准的机械抛光表面具有更长的抗起皱性（表面轻微生锈）。电抛光是一种过程，在该过程中，化学药品和施加在表面上的电流相结合，从表面上去除了微量的金属，从而产生了比仅使用机械抛光所能达到的光滑的表面效果。EP消除了机械抛光留下的微观峰谷，降低了表面的腐蚀性电势并消除了一些可用于腐蚀的表面积。为了完全避免发生路由问题，系统的某些部分（例如阀门和管道）可以由耐臭氧的塑料制成，通常是PVDF或特氟隆。衬有这些材料之一的储罐可提供长期的耐臭氧性，而无需维护无胭脂不锈钢系统所需的定期钝化处理。除非衬有耐臭氧材料，否则玻璃纤维不可用于臭氧化的储罐。

 

垫片和O形圈弹性体特别容易受到臭氧降解的影响。经常使用氟橡胶和有机硅，但应根据暴露程度进行检查。气态臭氧（如臭氧注入管线或储罐顶部空间中的臭氧）比溶解的臭氧更具腐蚀性，并会促使检查更加频繁。很好使用特氟龙覆盖的O形圈和垫片，因为它们可以无限期地防止臭氧降解。此外，基于聚四氟乙烯的橡胶化合物（如Kalrez）具有良好的耐臭氧性，但价格昂贵。

 

臭氧系统安全

臭氧系统中需要特别注意的另一个领域是检测臭氧管道中的泄漏。这些泄漏在气态发生器（电晕放电或紫外线）上更可能是一个问题，但即使在电解系统上也可能发生，在电解系统中，罐顶空间中可能有臭氧泄漏。房间中大量的臭氧气体会对在该地区工作的员工造成危害。

 

臭氧具有刺鼻的特征性气味，在臭氧监测仪提醒操作人员空气中的臭氧很久之前，就可以闻到其含量较低的气味。臭氧会影响上呼吸道，肺和喉咙，并引起眼睛刺激和头痛。气味的阈值为0.02至0.04 ppm。

 

为了警告员工这种危险，应该安装环境臭氧监测器。监控器可感测室内空气中的臭氧，并在臭氧水平较高时发出警报。它也可以配置为在臭氧达到不可接受的高水平时关闭臭氧发生器。对于8小时内的很大暴露极限，OSHA的臭氧暴露极限为0.1 ppm。短期暴露极限为0.3 ppm，一次15分钟，每天不超过4次暴露，两次暴露之间的间隔为1小时。

 

结论

臭氧是用于高纯水系统的强大而有效的消毒剂。可以通过适当的系统设计来控制臭氧对材料的侵蚀或人员接触臭氧气体的潜在问题。对臭氧发生和传感设备进行定期的预防性维护，是拥有无故障臭氧水系统的关键。臭氧的主要优点是可以随意产生或销毁臭氧，使回路消毒变得容易，并且可以及时恢复使用。