血液透析用水处理技术的新进展.docx
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血液透析用水处理技术的新进展
血液透析用水处理技术的新进展
∙作者:
甘富仁
∙出处:
∙阅读:
∙发布时间:
2007-7-209:
19:
00
∙供稿:
北京康德威医疗设备有限公司
随着我国经济的快速发展,综合国力的显著提高,科学技术在各学术领域内交流与合作的广泛开展;作为血液净化领域内重要组成部分之一——水处理,得到了越来越多的关注。
它的进步与发展,将直接影响到患者的生存质量,对改善和延续患者的生命有着深远的意义。
衡量透析用水处理产品优劣的标准是其能否为血液透析提供优质的纯化水。
其本身作为一种医疗设备,功能的完备性、性能的稳定性、操作的方便性也是一项十分重要的指标。
本文本着以先期预防为主、定期保养、后期维护为辅的原则,围绕如何确保水处理能够稳定的提供优质产品水这一宗旨,分三个层面,来研讨透析用水处理技术新的发展动态。
1.有效预防水处理系统的污染
反渗透系统中最核心的元件是反渗透膜元件,如何有效预防和降低反渗透膜元件的污染,是整个水处理系统中最为重要的问题。
由于水中含有难溶盐、胶体、微生物、有机物、金属氧化物及其他各种杂质颗粒,都会造成膜的污染。
1.1有效预防反渗透膜膜面污染
随着膜技术的不断发展,反渗透膜元件按结构划分为板式、管式、卷式和中空纤维式。
按材料分为醋酸纤维膜、芳香聚酰胺膜和复合膜。
在血液透析用水处理中多采用芳香聚酰胺膜复合膜,结构为卷式。
其结构见下图。
给水空间是由给水隔网构成的,它的厚度决定的给水通道的大小,如何控制给水中的污染物顺利通过给水隔网而不沉积在反渗透膜膜面上,是有效预防和降低反渗透膜元件污染有效方法。
在进入讨论前,我们必须了解膜元件污染的有关机理。
以胶体为例,天然水中的胶体等大多带有负电荷,这种胶体由带正电的胶核与带负电荷的外层所构成,由于胶体的多层结构及水化作用,因而胶体能悬浮于水中,由于胶体带负电荷的外层与其他胶体带正电荷的胶核相互吸引,使许多带有相同电荷的胶体粒了同时存在,但粒子之间并不实际接触。
由于复合膜制造过程中使用的带电荷的基团未完全反应,因而复合膜的表面通常带有一定负电性,这种负电性是在制造过程中有意控制的,其目的是为了更好的去除带负电荷的物质。
当给水送入膜元件后,大部分胶体会随水流通过给水隔网并排出膜元件,有两种作用力会影响这些胶体颗粒向膜表面垂直移动以替换由于水的透过而留下的空间;
(1)胶体颗粒到达膜表面的速率与产水通量有关,水通量越高(例如系统中膜面积较少时)会使膜表面处的胶体浓度较高,在靠近膜表面处,由于边界层效应,水流阻力最大,因而水平面流速近乎为零,从而造成胶体颗粒相互粘附于膜表面,从而更增加边界层厚度,造成堵塞效应,这就是膜元件污染发生时,产水量会迅速下降的原因之一。
(2)较高的横向流速可增加水流的湍流程度,减少颗粒物质在隔网空隙中的堆积和在膜表面上的沉淀。
较高的横向流速也提高了膜表面处高浓度盐分的扩散速度,降低浓差极以的危害,减薄边界层厚度,防止难溶盐在膜表面处的沉淀、结垢。
1.2有效预防反渗透膜膜面污染方法
合理控制浓缩水的回收率浓水再循环的优点是提高了横向流速,从而可冲洗掉膜表面上的污染物,其缺点是使RO给水泵的容量增大,而且RO产水含盐量也会增加10%。
所在合理的控制浓水的回收和排放,即能保证膜不被污染也能保证其产水水质。
德国劳尔公司对浓水的循环采用了定比例回收法;可依据不同地域不同水质情况,由专业人员进行现调试。
我公司对浓水的循环采用了定性排放法(专利技术),对浓缩水的水质实现连续动态的监测,再依据系统的需要,来柔性调节回收率。
标准化、个性化设计降低膜的污染有效的方法是合理设计反渗透系统中单只膜元件的产水通量。
所以在水处理系统设计前,应先搜集当地的水质数据,再用计算机程序来严格计算,优化系统中膜组间的排列组合,选择适宜的反渗透膜元件和控制合理的回收率,以达到最优的设计。
值得信赖的是各大膜生产公司都有依据自身膜特点而开发的水处理系统程序设计软件。
使以往最难确定的膜组数量及排列组合及膜选型上变得方便快捷而且准确。
开发新的程序,改善水在膜面及隔网间的运行状态首先要了解一下反渗透的原理。
渗透是指两种不同浓度的液体,被半透膜分开。
低浓度液体中的溶剂向高浓度一侧移动,促使这移动的力量叫渗透压。
当我们在高浓度液体一侧施加外力超过渗透压,溶剂就反向从高浓度一侧移向低浓度一侧,这个过程称为反渗透。
水处理系统的反渗透装置就是根据这一原理设计的,使用高压泵施加压力迫使水通过反渗膜。
当水进入反渗透装置,在经过反渗膜后水被分成两部分。
透过反渗膜的水叫反渗水(纯水),另外一部分不通过反渗膜而被排斥掉,称为排斥水(浓缩水),含有90-99%的污染物。
当一个系统稳定运行时,其产水通量一定,则膜面给水及浓水的流速和流量为一个相对定值,我公司基于膜元件的这种特性,提出膜面的正向冲冼理念,通过程序控制系统中反渗透压(跨膜压)发生间歇性、脉动性改变,从而加大给水及浓水流速,达到大流量高速冲冼膜元件表面的目的。
改善系统的停运状态设计与工业领域的工况不同,血透析用水处理系统每天夜间都会处于停运状态,如果膜元件及供水管路中的水超过一定的时间不流动,则会造成细菌滋、内毒素的沉积和滋生。
系统停运期间定时冲冼的优点是可将膜表面的死水冲冼出来并能阻止微生物在膜表面的滋生。
1.3有效去除水处理系统中的滞留区
水处理系统中的滞留区或死区,容易造成污染物的堆积,尤其会造成微生物污染;同时也为系统后期清洗留下隐患。
水处理系统中主要的滞留区是反渗透膜元件和压力容器之间区域以及反渗透水的储存装置。
进入讨论前,我们先来了解一下微生物污染的特点。
微生物主要是指细菌及其释放和降解产物—内毒素。
细菌:
在水中常见细菌是革兰氏阴性菌和非结核性分支杆菌,它们特别适应水中的生存。
由于这类细菌能形成电性改变的生物膜(biofilm),使它能够附着在物体的表面,很难被清除。
在水处理系统中主要存在于反渗透膜与膜壳之间的滞留区、反渗水箱、送液管道等地方。
同时生物膜能够保护细菌对抗消毒剂对它们杀灭。
当有合适的PH值(酸性平衡),营养和温度时,它们能很快地繁殖。
如果细菌进入病人的血液中,就可以引起败血症。
如果细菌的产物和细胞膜的成份通过膜孔进入血液,可以引起病人的致热反应。
使病人出现发抖、发热、低血压、恶心等症状。
严重可引起病人死亡。
内毒素:
内毒素是细菌细胞壁的成份,当细菌分解,内毒素便被释放出来。
因为内毒素能引起透析病人的发热反应,所以它们又被称为致热源。
由此而引起病人的反应称热源反应。
透析病人长期与含有内毒素的水接触可引发长期的并发症。
内毒素的分子量很小,可以通过弥散作用通过透析膜进入血中。
因为内毒素不是一种活体,不可能被杀死,也很难被清除。
1.4有效去除膜与膜壳之间的滞留区
开发新的反渗透膜、改进反渗透膜元件的结构普通卷式反渗透膜元件的外部是一层缠绕玻璃钢(FRP)材料,在膜元件的一端有一个浓水密封圈,这种结构会在膜元件和压力容器之间形成死水区(或滞留区)。
死水区的存在会为微生物的滋生提供了适宜的场所;同时,膜元件保护液和清洗剂等化学品也可能残留在其中。
美国海德能公司推出了无滞留区的完全填充(Full-Fit)结构的卫生级反渗透膜元件,去掉了FRP缠绕层和浓水密封圈,在膜元件的外部缠绕了类似于浓水网络的通透性材料。
在液体的处理过程中,膜组件中的所有间隙是液体都处于流动状态。
这种完全畅通的完全填充结构有效地去除和膜与膜壳间的死区。
而且无滞留区膜元件还可设计成为连带膜壳的整体产品,这对于血液透析用水处理来说是一个好信息。
开发新的膜壳、改进反渗透膜壳结构见下图示。
此项产品在为德国劳尔公司的专利技术,能实现膜与膜壳滞留区内的连续冲冼。
开发新的清洗程序,改善水的流动状态通过机械改变给水方向,使膜与膜壳之间的滞留区内水处于一种间歇性、脉动性流动状态,以去除微生物生存的场所。
北京康德威公司基于这种反渗透膜的清洗理念,研发出一套程序控制给水方向按一定的频度发生改变,实现脉动冲冼滞留区内的污物,避免微生物的滋生。
1.5有效去除反渗透水存储装置中的滞留区
目前国内普遍使用的水处理设备,反渗透水的产量只能按系统设计的最大产水量进行产水,而不是根据用户的实际用水量进行生产;而医院在购买该类产品时,往往会考虑到自身的发展前景,选购水处理系统的最大产水量大于实际需求量;同时医院血液透析室的实际工作情况也不能保证水处理系统每天都满负荷工作,所以导致医院所购买的水处理系统在单位时间内的实际产水量远大于医院血液透析室对反渗透水的实际需求量,即供应量大于需求量。
对水资源及电能资源都是一种浪费。
多产的反渗透水必然需要储存,在存储的过程中,形成不流动的死水,为细菌的滋生提供了时间和场所,也为人为造成的二次污染提供了可能
性。
所以说,反渗透水的存储装置是水处理系统中另一个滞留区。
开发新的储水装置,改善储水装置结构目前,不完全密闭的储水桶(不锈钢或塑料桶)已经被禁止在血液透析用水处理中使用。
单口密闭式压力储水装置也因其构造特点决定了水在它的储水腔中不能完全流动。
中华血液透析协会推荐使用具有单独进口和出口的储水装置,水能够完全流过储水腔中的每一个角落。
这种储水装置在德国劳尔、北京康德威的产品中被采用。
开发新的供水程序,实现活水透析血液透析对纯化水的要求比较严格,存储超过2个小时的产品水不建议用作对患者进行透析。
实现产品水的即产即用,保证透析用水的新鲜度,一直是透析用水处理追求的目标。
我公司克服了很多技术难点,将程控变频技术引进到双级反渗透水处理系统中,通过程序控制并驱动电动机做变频调速运行,从而实现水处理系统产水量依据需要发生变化,以达到动态产水和供水的目的。
由于采用了变频技术,有效地避免了双级水处理中因双级之间的供需不平衡时所引起的反渗透膜元件机械损坏及主机泵气蚀等难题。
应用变频技术,实现透析用水即产即用,保证透析用水的新鲜度,无死水、无存水,彻底消除因死水、存水中发生细菌滋生而给患者带来的热源反应,真正提高患者透析质量。
同时,节水、节电、绿色环保。
改善系统供水设计管道系统的设计、安装一定要非常严格,防止细菌和内毒素的污染。
在设计上要求是一个密闭循环系统,尽量减少旁路引起的水滞留死区死角,如果管道上有阀门,应安装在侧支上,且侧支长度不能超过循环管道。
为了防止细菌附着在管壁上,可选择细一些的管子,保证高流速。
材料要选择没有接头、裂纹、内壁光滑的管子。
内壁没有焊接裂纹的不锈钢管是理想的材料,但它价格高,不能广泛使用。
高级PVC是普遍使用的材料,价格低,安装方便。
目前,国内血液透析用水处理系统在双级反渗透中,反渗透主机已经有部分厂家采用316L卫生级不锈钢管进行焊接生产,供水管路因施工工期较长,投资大,后期维护改造繁琐而没有采用。
在直供式密闭循环方面可采用去除储水箱,增加双口压力储水装置(劳尔、康德威)等方法,尽量去除系统中的死腔,从而保证系统冲冼干净及消毒彻底无残留。
2.合理对水处理系统进行清洗
在正常运行一段时间后,反渗透膜元件会受到在给水中可能存在的悬浮物质或难溶物质的污染,主要有碳酸钙垢、硫酸钙垢、金属氧化物垢、硅沉积及有机或生物沉积物。
所以,设计再完美的水处理系统,最终是需要进行清洗的,在RO系统表现出污染倾向、长时间停运之前及停运后的投入使用、或按计划进行常规保养时,都需要对反渗透系统进行清洗。
合理必要及时地对系统进行清洗,是保证系统稳定运行的必要条件。
当出现下列污染特征:
①标准化后产水量下降10~15%;②标准化后产水水质下降10~15%;③给水与浓水间的压降增加10~15%。
此时表明,反渗透系统需要清洗了。
由于RO系统出现污垢而需要清洗的频率随地点的不同而不同,一般习惯上可接受的清洗频率是3~12个月一次。
如果每个月都要清洗一次,则应该改善RO的预处理系统,并调整RO系统的运行参数;如果1~3月需要清洗一次,则需要在提高当前设备的运行水平上做工作。
血液透析用水处理系统清洗的主要对象中反渗透膜元件和供水管路;清洗方法主要为化学药品清洗法和热消毒法。
2.1热消毒法
在热消毒过程中,普通的反渗透膜会发生退水现象,复合膜的基膜和复合膜都会发生一定范围分子链排列构型的变化(结晶度的提高)。
变化的结果是膜的产水量下降,脱盐率升高,类似于早期醋酸纤维膜的热处理。
美国海德能公司近期推出的热消毒膜元件在粘结剂的选择及粘结工艺方面也作了特殊处理,能够保证在温度变化时膜元件各部分的膨胀或收缩的整体一致性,膜元件不会发生开裂和变形。
热消毒工艺过程:
①排放冲冼:
排出系统中工作溶液,用反渗透产水对系统进行低压冲洗。
②低压循环:
保持系统操作压力小于25PSI,用约45℃的反渗透水循环保45分钟。
③升温:
在必要时将系统温度升高到85℃,升温速度不要超过每分钟4℃。
④保温:
保温30分钟便可达到系统彻底消毒。
⑤冷却:
降低速度不要超过每分钟7℃。
⑥系统冲洗:
用反渗透产水冲洗系统。
由于热消毒对反渗透膜及水处理系统中各元气件、供水管路都有严格的要求;其运行成本势必增中。
同时,热消毒过程控制较复杂,尤其是温度控制方面难于实现。
目前,因为热消毒膜还没有被广泛采用,所以热消毒只局限于供水管路方面。
德国劳尔公司在加热升温系统设计采用了在线过流式加热系统,实现了对供水管路的热消毒,但价格十分昂贵。
2.2设计完善良好的清洗系统才能保证清洗成功
目前国内国外的透析用水处理系统其对反渗透膜及供水管路的消毒多为人为操作,需要操作者对系统的消毒过程全程跟踪。
对消毒时间、浸泡时间、清洗时间等都是凭操作者的经验来完成。
这种消毒过程及操作方法在透析用水处理系统中是普遍存在的。
下面以北京康德威公司双级系统中的全自动消毒过程为例来说明化学消毒的过程。
化学消毒工艺过程:
①根据污染类型,选择适当化学药品。
②在触摸屏上选择并进入消毒功能。
③按消毒键,按提示在消毒循环桶内加入适量化学药品。
④系统自动在消毒桶内加满水来稀释化学药品。
⑤在触摸屏上按下确认,系统开始消毒及清洗程序。
在这个过程中,包括:
稀释(2min),循环(包括主机及回路)(30min),浸泡(60min),排放清洗(20min)6次后,检测系统清洗干净程度。
这期间不再需要人员职守及扳动任何阀门、开关等,而且是对RO主机及后级循环回路同时一次完成。
2.3合适的清洗药品和正确清洗方法是清洗成功的关键
根据污染情况,合理按特定次序使用各种不同的清洗药品进行清洗,以获得最佳的清洗效果。
比如首先使用低PH值的清洗除去水垢一类的物质,然后使用一种高PH值的清洗液除去有机物。
但是有时也会首先使用高PH值的清洗液除去油类污垢,然后再使用一低PH值的清洗液。
有一些清洗液中还添加有洗涤剂,这将有助于清除污染严重的生物和有机杂质。
其它的清洗添加有象EDTA之类的螯合剂,这些螯合剂有助于清除胶体、有机物、生物杂质和硫酸盐垢。
必须记住的是选用不正确的清洗药品或清洗步骤不正确时可能会使污堵更严重。
3.提高水处理设备的整体性能
血液透析用水处理自60年代伴随着肾脏替代疗法在临床应用的逐步开展而开始了其自身的发展历程。
在不同的历史阶段,对水处理设备所扮演的功用也不尽相同。
随着人类在透析领域的控索与研究的进一步深入,水处理技术也必将向前发展。
血液透析用水处理由原来的单级系统升级为二级反渗透系统的同时,作为一种医疗设备,其功能的完备性,性能的稳定性、操作的方便性也是广大使用者关心的一项的指标。
高智能化、个性化、人性化的产品会越来越受到关注。
不断的将先进理念,先进的纯水生产工艺应用到透析用水处理中来,进一步开发新的应用程序、完善与完备水处理系统功能,是血液透析用水处理未来的发展方向。
北京康德威医疗设备有限公司
技术质量部甘富仁
2007年7月18日星期
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