臭氧及其在高純水系統(tǒng)中的應(yīng)用

即使在高純度的水系統(tǒng)中，總會(huì)擔(dān)心系統(tǒng)中微生物的生長(zhǎng)。如果這種增長(zhǎng)超過(guò)系統(tǒng)極限，則產(chǎn)品制造可能會(huì)很快停止。在高純度系統(tǒng)中控制細(xì)菌的很佳方法之一是使用臭氧作為消毒劑。

很有效的方法是將臭氧溶解在儲(chǔ)罐中的高純度水中，然后在將水送入分配回路之前將其除去。這是一種功能強(qiáng)大且快速的消毒劑，但它易于生產(chǎn)，并且在循環(huán)開(kāi)始時(shí)易于去除。根據(jù)電化學(xué)氧化電位（EOP），臭氧的等級(jí)高于過(guò)氧化氫，次氯酸鈉和氣態(tài)氯。一些消息來(lái)源聲稱(chēng)，臭氧的速度是氯的2000或3000倍。

什么是臭氧？

臭氧是一種氣體。它是氧（O 3）的三原子形式。它是現(xiàn)成的很強(qiáng)大的氧化劑，可用于水處理，但隨著其氧化能力的提高，它具有很高的反應(yīng)性和穩(wěn)定性。當(dāng)溶于水時(shí)，臭氧的半衰期僅為20分鐘。因此，必須不斷對(duì)其進(jìn)行再生，并且只能在現(xiàn)場(chǎng)使用。當(dāng)臭氧分解時(shí)，它簡(jiǎn)單地恢復(fù)為無(wú)害的O 2。

臭氧如何作為消毒劑？

它通過(guò)細(xì)胞裂解而殺死，導(dǎo)致細(xì)胞壁破裂并釋放內(nèi)毒素，然后進(jìn)一步被氧化。它以不同程度攻擊所有細(xì)菌，病毒，囊腫和孢子。那么控制細(xì)菌需要多少臭氧呢？測(cè)試表明，在0.008 ppm或更高的臭氧濃度下，不會(huì)增長(zhǎng)。但是，在大多數(shù)應(yīng)用中，建議罐中殘留0.1至0.2 ppm，以使菌落形成單位保持在1 CFU / 100ml以下。

臭氧產(chǎn)生-電暈放電 

有幾種產(chǎn)生臭氧的方法。低濃度可以從在185納米下操作的紫外線獲得。對(duì)于水系統(tǒng)更實(shí)際的是通過(guò)電暈放電產(chǎn)生臭氧。在這種方法中，使空氣或氧氣通過(guò)平行金屬板之間或同心不銹鋼管之間的小間隙。板或管之一，通常是內(nèi)管，覆蓋有電介質(zhì)（絕緣）材料，可防止高壓在整個(gè)空間產(chǎn)生電弧。這導(dǎo)致恒定且受控的放電，也稱(chēng)為電暈放電。當(dāng)氧氣通過(guò)該電場(chǎng)時(shí)，一些氧氣分子分裂成原子并復(fù)合形成臭氧。

然后可以通過(guò)氣泡擴(kuò)散器或文丘里噴射器將臭氧氣體溶解在儲(chǔ)水箱的水中。對(duì)于大多數(shù)制藥系統(tǒng)而言，文丘里噴射器由于其高混合能力而成為首選。文丘里管注入器通常位于側(cè)流環(huán)路中，在注入器中，注入器會(huì)將大量的臭氧混合到水中。高度臭氧化的水返回到水箱，在其中對(duì)剩余的水進(jìn)行臭氧化。臭氧的產(chǎn)生可以通過(guò)改變提供給電暈放電室的功率來(lái)控制。為了獲得很佳性能并防止空氣中的有害氣體進(jìn)入制藥用水系統(tǒng)，應(yīng)為臭氧發(fā)生器提供氧氣發(fā)生器或某種形式的氧氣存儲(chǔ)裝置中的氧氣。為防止水分使狹窄的電暈放電間隙短路，原料氣中的露點(diǎn)必須保持在-60°C或更低。在大多數(shù)情況下，電暈放電發(fā)生器無(wú)法正常工作，問(wèn)題出在原料氣中的水分。

原料氣：

臭氧是由氧氣產(chǎn)生的?？諝庵械难鯕夂考s為20％。使用空氣產(chǎn)生臭氧將起作用，并且將通過(guò)環(huán)境空氣中的氧氣產(chǎn)生臭氧。但是，如果使用更高濃度的氧氣，則會(huì)產(chǎn)生更多的臭氧。許多臭氧發(fā)生器將安裝一個(gè)制氧機(jī)，以提高進(jìn)料氣中的氧氣含量并增加臭氧的總體產(chǎn)量。

使用空氣或氧氣進(jìn)料氣，至關(guān)重要的是，這種空氣必須完全清潔和干燥，以消除在臭氧生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生危險(xiǎn)副產(chǎn)物的可能性。

 基于電暈放電臭氧發(fā)生器之間的細(xì)微差別，它們被稱(chēng)為許多東西。諸如“冷等離子體”，“等離子體發(fā)生器”，“冷電暈”之類(lèi)的名稱(chēng)已被創(chuàng)造出來(lái)。很后，這些都是基本的電暈放電臭氧發(fā)生器的變體。

臭氧破壞 

隨著臭氧水從水箱中抽出并泵送至分配回路，在泵抽后，臭氧會(huì)破壞臭氧，從而將臭氧去除（圖3）。在相同的流速下，這種紫外線必須具有254 nm的波長(zhǎng)，并且是消毒紫外線的3-4倍。臭氧被紫外線破壞后，水會(huì)通過(guò)臭氧傳感器，以驗(yàn)證沒(méi)有殘留臭氧。然后，高純水通過(guò)分配回路分配給用戶(hù)。此傳感器通常使用高臭氧報(bào)警器，以警告操作員紫外線不能正常工作。

循環(huán)消毒

為了控制回路中的微生物生長(zhǎng)，定期用臭氧對(duì)回路進(jìn)行消毒。這可以通過(guò)關(guān)閉破壞臭氧的紫外線并讓水箱中的臭氧水循環(huán)通過(guò)回路達(dá)到預(yù)設(shè)的時(shí)間（通常為30分鐘到一個(gè)小時(shí)）來(lái)實(shí)現(xiàn)。儲(chǔ)罐中的臭氧水平也可以提高到較高水平（0.3- 0.5ppm），以確保在回路消毒過(guò)程中殺死微生物。為了驗(yàn)證消毒的有效性，回路返回時(shí)使用了另一個(gè)臭氧傳感器。當(dāng)該傳感器顯示穩(wěn)定讀數(shù)時(shí)，意味著不再消耗臭氧，可以開(kāi)始進(jìn)行消毒了。為了很大程度地發(fā)揮消毒作用，應(yīng)在消毒過(guò)程中短暫打開(kāi)每個(gè)用戶(hù)點(diǎn)，以使臭氧化的水流沖洗并消毒閥截止閥下游的那些區(qū)域。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)要素

完整的臭氧水存儲(chǔ)和分配系統(tǒng)將包括儲(chǔ)水箱，環(huán)路供水泵，臭氧發(fā)生器，紫外線破壞臭氧層，水箱入口排氣過(guò)濾器，水箱出口排氣破壞和3個(gè)溶解臭氧監(jiān)測(cè)器。除紫外線后和回路返回時(shí)的臭氧監(jiān)測(cè)器外，還必須有一個(gè)臭氧監(jiān)測(cè)器對(duì)儲(chǔ)水后儲(chǔ)水箱進(jìn)行采樣，以確定水箱中是否殘留有適當(dāng)?shù)某粞酢?/p>

儲(chǔ)罐必須有一個(gè)液位傳感器，很好有一個(gè)泄壓裝置，例如破裂盤(pán)。推薦的選項(xiàng)是將系統(tǒng)冷卻至22°C左右的熱交換器。如果沒(méi)有此交換器，則不斷泵送將使水箱中的水變暖，從而促進(jìn)細(xì)菌生長(zhǎng)，并使保持臭氧溶解的難度更大。臭氧儲(chǔ)存罐還應(yīng)在回路回路上安裝浸入管，而不是噴球，因?yàn)閲婌F作用會(huì)導(dǎo)致臭氧從溶液中除去，并向罐頂空間排出氣體。

臭氧罐排氣

與任何其他儲(chǔ)水箱一樣，必須允許帶臭氧的水箱隨著水位的變化而進(jìn)出呼吸。在進(jìn)風(fēng)口上，通常使用0.2微米的濾芯。在出口上，可以使用高溫?zé)岢粞跗茐奈锘虼呋瘎┏粞跗茐奈铩Ｈ绻袉为?dú)的排氣路徑，則必須使用保護(hù)性排氣或止回閥將排氣引導(dǎo)至正確的路徑。止回閥設(shè)計(jì)的可能的副作用是，基于閥頭壓力的液位傳感器會(huì)由于開(kāi)閥前輕微的壓力累積而看到錯(cuò)誤的信號(hào)。可以通過(guò)使用基于非壓力的液位傳感器（如雷達(dá)或超聲波）或在儲(chǔ)罐頂部使用補(bǔ)償壓力傳感器來(lái)感測(cè)頂部空間壓力來(lái)避免這種情況。另一種通風(fēng)口設(shè)計(jì)是使入口和出口通風(fēng)口均通過(guò)串聯(lián)的過(guò)濾器和排氣孔銷(xiāo)毀。在簡(jiǎn)化配管的同時(shí)，這種設(shè)計(jì)增加了排氣過(guò)濾器的臭氧暴露量，要求使用更昂貴的特氟龍材料，或者更頻繁地更換過(guò)濾器。

臭氧系統(tǒng)材料

臭氧儲(chǔ)水罐，泵和管道必須是與臭氧兼容的材料，通常為316L不銹鋼，很好進(jìn)行電拋光。實(shí)際上，電拋光（EP）不銹鋼比標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械拋光表面具有更長(zhǎng)的抗起皺性（表面輕微生銹）。電拋光是一種過(guò)程，在該過(guò)程中，化學(xué)藥品和施加在表面上的電流相結(jié)合，從表面上去除了微量的金屬，從而產(chǎn)生了比僅使用機(jī)械拋光所能達(dá)到的光滑的表面效果。EP消除了機(jī)械拋光留下的微觀峰谷，降低了表面的腐蝕性電勢(shì)并消除了一些可用于腐蝕的表面積。為了完全避免發(fā)生路由問(wèn)題，系統(tǒng)的某些部分（例如閥門(mén)和管道）可以由耐臭氧的塑料制成，通常是PVDF或特氟隆。襯有這些材料之一的儲(chǔ)罐可提供長(zhǎng)期的耐臭氧性，而無(wú)需維護(hù)無(wú)胭脂不銹鋼系統(tǒng)所需的定期鈍化處理。除非襯有耐臭氧材料，否則玻璃纖維不可用于臭氧化的儲(chǔ)罐。

墊片和O形圈彈性體特別容易受到臭氧降解的影響。經(jīng)常使用氟橡膠和有機(jī)硅，但應(yīng)根據(jù)暴露程度進(jìn)行檢查。氣態(tài)臭氧（如臭氧注入管線或儲(chǔ)罐頂部空間中的臭氧）比溶解的臭氧更具腐蝕性，并會(huì)促使檢查更加頻繁。很好使用特氟龍覆蓋的O形圈和墊片，因?yàn)樗鼈兛梢詿o(wú)限期地防止臭氧降解。此外，基于聚四氟乙烯的橡膠化合物（如Kalrez）具有良好的耐臭氧性，但價(jià)格昂貴。

臭氧系統(tǒng)安全

臭氧系統(tǒng)中需要特別注意的另一個(gè)領(lǐng)域是檢測(cè)臭氧管道中的泄漏。這些泄漏在氣態(tài)發(fā)生器（電暈放電或紫外線）上更可能是一個(gè)問(wèn)題，但即使在電解系統(tǒng)上也可能發(fā)生，在電解系統(tǒng)中，罐頂空間中可能有臭氧泄漏。房間中大量的臭氧氣體會(huì)對(duì)在該地區(qū)工作的員工造成危害。

臭氧具有刺鼻的特征性氣味，在臭氧監(jiān)測(cè)儀提醒操作人員空氣中的臭氧很久之前，就可以聞到其含量較低的氣味。臭氧會(huì)影響上呼吸道，肺和喉嚨，并引起眼睛刺激和頭痛。氣味的閾值為0.02至0.04 ppm。

為了警告員工這種危險(xiǎn)，應(yīng)該安裝環(huán)境臭氧監(jiān)測(cè)器。監(jiān)控器可感測(cè)室內(nèi)空氣中的臭氧，并在臭氧水平較高時(shí)發(fā)出警報(bào)。它也可以配置為在臭氧達(dá)到不可接受的高水平時(shí)關(guān)閉臭氧發(fā)生器。對(duì)于8小時(shí)內(nèi)的很大暴露極限，OSHA的臭氧暴露極限為0.1 ppm。短期暴露極限為0.3 ppm，一次15分鐘，每天不超過(guò)4次暴露，兩次暴露之間的間隔為1小時(shí)。

結(jié)論

臭氧是用于高純水系統(tǒng)的強(qiáng)大而有效的消毒劑?？梢酝ㄟ^(guò)適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)控制臭氧對(duì)材料的侵蝕或人員接觸臭氧氣體的潛在問(wèn)題。對(duì)臭氧發(fā)生和傳感設(shè)備進(jìn)行定期的預(yù)防性維護(hù)，是擁有無(wú)故障臭氧水系統(tǒng)的關(guān)鍵。臭氧的主要優(yōu)點(diǎn)是可以隨意產(chǎn)生或銷(xiāo)毀臭氧，使回路消毒變得容易，并且可以及時(shí)恢復(fù)使用。