【技术文章】注射用水系统中在线红锈监测系统的质量控制

注射用水系统红锈的生成

在制药行业中，注射用水系统用于为实验及生产领域持续提供高纯高质量用水。一般来讲，注射用水通过注射用水机的蒸馏作用制出，加热后由注射用水储罐储存。为防止微生物滋生，注射用水系统需在＞70℃在闭合LOOP中持续循环。管网材料一般采用316L不锈钢或同等级奥氏体不锈钢，选用离心泵作为注射用水循环的动力装置。

由于注射用水质量有极严格的要求，通常在注射用水系统中安装一系列在线持续监测单元，这些设备可及时报告系统中出现的不正常指标并采取相应措施。包括：

• 温度测量单元
• 流量计量单元
• 压力测量单元
• 电导测量单元
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然而，近年来注射用水系统产生的红锈现象被重视起来，通常该系统由316L不锈钢及同等级奥氏体不锈钢制的管件组成，红锈生成后，这些重金属氧化物（氧化铁）颗粒在注射用水系统中形成及扩散进而导致对注射用水质产生的污染，这种现象却是上述几种在线监测设备不能检测到的。通过实验可知，电导测试也不能检测到红锈的生成与红锈颗粒的迁移。

作为目前可以识别系统红锈现象的主流方法是目视检查（如内窥镜检查），通过目视检查，可发现局部的附着在管壁上的红锈膜或者在隔膜阀垫片上的红锈沉积。然而，目视检查的前提是需要将系统停运并拆除相应管件。综合时间、效率等因素，这种检测方法难以令人满意。

A）当注射用水系统加热时，升温可导致注射用水产生变化：

a. 气体溶解度的下降—从而导致注射用水溶氧水平的降低

b. 水解离度的明显升高→H⁺+OH^- or H₃­O+ OH^-

这些变化对于Cr₂O₃钝化保护层的破坏及Fe₂O₃次生层的形成有着深远影响。

铬与氧优先生成氧化铬而非氢氧化铬；而铁与之相反，优先生成氢氧化亚铁，氢氧化亚铁易脱水，后形成氧化铁，即红锈。

B）与红锈现象相应发生的成分变化：

由上两图可看出，铬铁比在1.5-2.0范围内是理想状态，随着温度的升高，40℃左右时铬铁比开始明显下降，在60℃左右时达到一个“质变”即铬铁比为1，而进入注射用水运行温度区间后，比降开始变缓，维持在一个较低水平0.3。当铬铁比大于1.5时，不锈钢管壁表面保留有富铬保护层，当低于0.5时，红锈层附着在原有被破坏的富铬层上。通常在注射用水运行温度区间，基本是氧化铁大量形成而氧化铬形成率极低。

在红锈生成机制影响下，系统中可能发生下述反应：

以上描述提供了热动力学角度对管壁表面由富铬层保护层向氧化铁次生层不可逆转变的解释。

尽管铁氧化物（Fe₂O_3，Fe₃O₄）在水中溶解度极低，但是氢氧化铁及氢氧化亚铁相比铁氧化物溶解度高些，铁氢氧化物溶入（注射）水中随之流动，为红锈生成后的扩散提供了可能。

红锈监测理念
 

红锈的形成很大程度改变了初始不锈钢管壁钝化膜的结构，具有渗透性和腐蚀性的氧化铁次生层附着在了不可渗透的稳定的氧化铬钝化保护层上。

此图形象说明了红锈生成后管壁表面的变化，经过电刨的不锈钢管壁表面，保留有富铬保护层，厚度2.5nm，铬铁比大于1.5，应用在注射用水中，铬铁比降至小于0.5，红锈层附着在原有被破坏的富铬层上，厚度达10-1000nm！

通过ESCA光电子能谱和俄歇电子能谱对红锈次生层进行分析，该层主要由极难溶于水的二价铁和三价铁的氧化物颗粒构成，此外，在该次生层中还发现了一定量的铬、镍和钼元素。

根据目前为止的研究，红锈次生层颗粒粒径分布在0.01至5μm之间，因此是可视的。通过过滤器或精密测量如激光粒子计数器可对这些颗粒进行定性及定量分析。一般这些颗粒在注射用水中的含量为30-60毫克每升。尽管这些数据远在美国药典（USP）26中规定的污染指数下限，但是对这些数据的监测依然非常重要。

对红锈的认知理念
 

在意识到红锈确实在系统中出现时，可假设该系统（新建/改造/大修后）初始具有的富铬钝化膜和流体介质接触。

随着时间推移，这个理想的初始钝化膜的化学动态平衡被逐渐瓦解，保护层慢慢被破坏，并滋生出氧化铁次生层。

这个进程常伴随一系列管壁内表性能的改变：

• 表面颜色由无色透明变为红棕色
• 管壁电导与电阻发生质变和量变
• 表面形态发生改变
• 表面微观形貌发生改变
• 表面光学反射特性发生变化
• 抗腐蚀性衰减
• 局部电势发生改变

基于这些变化，红锈监测系统理应被纳入注射用水系统*检测单元的行列中，该设备具备可辨识上述各种变化及使红锈生成进程可描述的功能。

鉴于主要由温度影响的红锈形成机制可被理解为：缓慢的富铬钝化层的瓦解，氧化铁次生层的生成并终形成红锈颗粒全面腐蚀层，我们可假设红锈颗粒（危害性极大）的生成及迁移是以氧化铁次生层的生成为前提的。因此，能够及时准确显示其全程形成机制的检测设备帮助在佳时机制定应对策略的角度来讲是非常有价值的。

由上图看出，不锈钢钝化膜初始厚度为1.5-2nm，铬铁比大于1；

随着时间推移，富铬层厚度变薄，运行时间大约为5个月时，逐渐小于1nm，铬铁比略有下降，但仍大于1；（实际发生周期为5-12个月）；

大约运行至6个月时，不锈钢表面铬氧化成分膜基本消失，形成独立氧化铬与氧化铁成分，铁氧化物次生层开始形成，铬铁比此时为1；

至8个月，次生层厚度达到1nm，随着氧化铁的积累，加之管壁表面与流体之间的接切应力，开始有可见的宏观氧化铁颗粒出现，铬铁比小于1,；（实际发生周期为8-18个月）

运行至12个月，红锈颗粒已有一定量的分布并发生迁移，红锈次生层厚度达到10nm，铬铁比小于1。

上述红锈形成及迁移进程图是通过粒子计数及过滤技术实现的，然而粒子计数器只能提供有关粒子数量的数据信息，不能提供关于粒子种类、性质及组分的信息；残余过滤技术可在区分颗粒种类（如氧化铁粒子与硅元素粒子）方面提供帮助。

借助上述各种监测测量方法，使检测红锈形成、判定红锈颗粒形成时间以及及时作出有效应对策略成为可能。因此，我们认为红锈监测系统理应被纳入注射用水系统*检测单元的行列中，为红锈的生成提供实时监测，确认系统除锈周期，以避免发生因注射用水水质污染产生的质量事故。