即需即用間歇高淨水生產系統的製作方法

2023-06-04 15:17:26 2

專利名稱：即需即用間歇高淨水生產系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種高淨水生產系統，更具體地涉及用於生產高淨水的系統和過程， 使得淨化的水被即需即用地供應到用戶，而同時所述系統被衝洗以去除可能在儲存或停工時段過程中形成的汙染物。
背景技術：
許多工業和實驗室應用中需要高淨水。一些這種應用在新澤西州的John Wiley & Sons 的 Norman Li 等人在「先進膜技術禾口應用(Advanced membranes Technology and Applications)」 中第 13 章的「由膜獲得的超淨水(Ultrapure Water by Membranes)」 中可見。半導體、醫藥和電力產業需要高淨水，有時被稱為超淨水。在半導體領域中，ASTM D-5217-99 超淨水標準指南(Standard Guide for Ultra Pure Water)描述了六種類型的電子等級水。對三種類型的要求作為示例在下表中給出
參數類型E-I類型E-1. 1類型E-1.225°C時的電阻率18. 218. 218. 2TOC (ppb)521溶解氧(PPb)111離子和金屬(PPt)10010050
在醫藥產業中，高淨水或藥物水是最終藥品使用的水或注射用水(WFI )。在此，R0/CEDI 一前一後用作整個過程的一部分。典型的醫藥要求是導電性(25°C)小於1.3微西門子/ 釐米，TOC小於500 ppb。在電力產業中，R0/CEDI用於去除矽土和有機雜質以及共離子。矽土可在高壓鍋爐中揮發並沉澱在較低壓力的渦輪中的葉片上。有機質可在蒸汽生成步驟中分解而形成腐蝕性CO2和有機酸。典型的要求是導電性(25°C)小於0. 1微西門子/釐米，矽土少於5-10 ppb, TOC 小於 100 ppb ο許多產業具有其本身的高淨水定義。顯然，高淨水的基本需要是25°C的導電性為 10-15微歐/釐米，和TOC小於100 ppb。反滲透(RO)和連續電去離子(CEDI)的組合是用於生產超淨水的整體方法中處理步驟的優選組合。RO用作CEDI的預處理。CEDI要求小的殘量並可去除最多至99%的弱離子化矽土和硼，並由此減少對CEDI下遊的處理步驟的負載。在上述大規模應用中，水被連續生產，且一旦起動就處於穩態，不再需要徹底衝洗在不使用期間在系統中形成的雜質。然而，在較小的系統中，使用是間歇的，水可能在系統中停滯不同長度的時間。對這種應用的水淨化的示例例如為進給高壓鍋，玻璃器皿清洗機，和環境室。小規模高淨水系統用於許多生命科學和分析實驗室，以生產用於小量檢測和通常實驗室應用的水。在這些應用中，水被供應用於特定應用中，然後，水淨化系統關斷，直到出現下一次需求。在這些應用中，被保持在系統中的水可能由於吸收CO2、微生物生長、或者來自管路、儲罐、或其它處理設備的金屬或顆粒溶解而惡化。在這些間歇使用系統中，常見處理設計是根據需要進行預處理，然後使用R0，然後使用CEDI系統，最後使用儲存器或流動緩衝箱。公知的是，RO系統不會一開啟就即時生產出高淨水。在開啟後的一段時間中，生產出的水的淨度小於所希望的值，則這種起始的水不得不轉移至排放口或者可能再循環至 RO的進給側，直到RO系統達到穩態排斥(steady state rejection)。當RO進給於CEDI系統時，還有必要將起始的水轉移以延長CEDI模塊的功能壽命。標準的使用是，在CEDI系統之後具有儲罐，用於為用戶即需即用地供應水。由於在箱中的水停留，因而其易於如前所述地惡化。而且，如果需求較大，則箱的水位將下降至低於其設定點(設定點通常由深度傳感器和相關控制系統進行控制)，則在CEDI之後的RO和管路等將不得不在重新充滿之前被衝洗，因而耽擱使用。在 Journal of Liquid Chromatography & Related Technologies, Volume 6, Issue 13 November 1983，pages 2565 _ 2570 中公開的文章中，Gabler 等人對高淨水的水儲存效果進行了研究。這些研究發現，儲存時間增加使高淨水的質量劣化。塑料容器中的初始高淨水在儲存短短1小時之後就可被探測出存在有機質。在儲存於玻璃器皿中的水也可被探測出存在有機質。本發明的實施例通過將儲罐安置在預處理和RO系統之後且在CEDI系統之前而允許用戶即時獲取高淨水。「特別淨化的」水可立刻流動通過CEDI系統，而RO系統運轉以進行排放或再循環。一旦RO系統處於穩態，則產品水在需要時被送到儲罐。儲罐可為氣體加壓罐或壓力膽類型，或為標準箱(其在出口上具有用於進給於 CEDI系統的泵)。所述箱可具有惰性氣體(例如氮氣)輸入以減少二氧化碳吸收。其它水淨化模塊可位於RO系統與箱之間，例如為憎水膜除氣器、或紫外光TOC去除裝置、或混合床離子交換床。

發明內容
本發明涉及一種用於間歇生產高淨水的即需即用系統，其通過將用於預精製水的儲罐定位緊鄰於最終高淨精製裝置之前，使系統中的滯水致使產品高淨水質量降低或劣化以及高淨水質量實際降低的可能性降低。在一個實施例中，預精製水通過至少一個反滲透膜模塊生產。在一個實施例中，最終精製通過連續的電去離子實現。


圖1圖示出根據本發明的用於即需即用間隙生產高淨水的系統。
具體實施方式
在此所述系統允許高淨水間歇生產設備的用戶即需即用地獲得新鮮高淨水。新鮮是指，基本在需要的同時生產出所述水。所述系統包括反滲透膜部件，其流體地連接到儲罐以保持RO處理水。儲罐流體地連接到連續電去離子部件。根據進給水特性和用戶需要，也可使用其它部件預處理RO進給水或者在儲存之前或期間進一步處理滲透物。流體地連接是指，處理步驟或設備元件的液體被傳送到另一步驟或設備元件。這可通過管路和任意相關閥和控制設備而實現，或者可按照半批量模式進行，其中流體在一處理步驟之後被保持在箱或其它儲存器中直到被泵送或以其它方式傳輸到下一處理步驟或設備元件。間歇生產的高淨水廣泛用於實驗室和小型處理中，其中這樣的水僅需要用於一任務。例如，高淨水用於實驗室洗碟機以獲得沒有殘餘汙染物的玻璃器皿。這些洗碟機通常在滿載時使用，可能一天一次或數次。當不需要時，水淨化系統空閒，其在周末或假日可能空閒超過M小時。類似地，供應到高壓鍋和環境室的高淨水在許多情況下將會需要間歇工作。在生命科學和分析實驗室中，需要不同量的高淨水為研究者供應沒有殘餘汙染物的水用於反應和分析，水量每天從幾毫升至幾升。許多實驗室是單班工作，這意味著，水系統的空閒期長於其工作期。即需即用的高淨水是指，當高質量處理啟動時或供應閥開啟時，高淨水基本上即時可用。儲罐的位置是系統的重要方面。通過將箱定位在RO之後和CEDI之前，幾乎被淨化的水的源可易於取用而通過CEDI即需即用地精製。儲罐中的任何質量惡化的水可通過 CEDI去除，而且，由於水進行RO處理，因而水質變化量將在CEDI淨化能力之內，而不會顯著影響CEDI設備。在CEDI之後儲存的質量惡化的水當然會直接影響用水之處的操作。所儲存的水和其它留存在系統管路或設備中的未經處理的水是滯水，其易於由於例如微生物生長或來自與滯水接觸的管路或設備表面的濾除離子、金屬或有機組分而惡化。反滲透膜模塊可按照各種性能供應。所稱海水膜用於在800-1500 psi的壓力下對海水(相對於約35000 ppm的NaCl)除鹽。這種類型的膜將截留超過99%的含帶鹽。雖然可使用海水膜，不過鹽水膜常用於所述間歇系統中並在較低壓力下在較低離子濃度的水中工作。進給水通常是自給水。鹽水膜固有的鹽離子截留性相對較低，不過可滲透性較高。 納米過濾(NF)膜是所稱的「疏鬆」反滲透膜，其截留分子量大於約400的多價離子和物質。 NF通常允許高百分比的單價離子通過。NF膜比鹽水膜具有相對更高的可滲透性。在RO過程中，進給水流在升高的壓力下接觸於RO膜的一側上。所述壓力高於進給水的滲透壓力，通常數倍於滲透壓力。淨化水穿過所述膜至所述處理的低壓側作為滲透物。從進給水中去除的截留鹽和有機物質被濃縮在剩餘水中，即，未作為滲透物離開的水。 這是廢棄流，其被管送或導引以進行處理或以其它方式棄置。有機物質去除被稱為TOC(總的可氧化的碳)去除，與用於測量水中有機物質的分析方法相關。在本系統中，RO產生部分淨化水或預精製水，RO滲透物(其恰在最終精製步驟或設備之前被儲存)。RO進給水常常經歷預處理步驟，以通過去除顆粒、有機物質、細菌、和其它汙染物而保護RO系統。預過濾是優選的方法。可使用緩慢的砂過濾。更優選的方法是雙介質砂過濾。這種方法使用在細砂層上的無煙煤層。其它方法可單獨或組合使用。這些方法包括但不限於混合介質過濾和非編織纖維或其它芯過濾。用於最終精製的非常優選的方法是連續電去離子(CEDI)。電去離子通過在直流電壓的原動力下傳送離子和一些荷電有機質通過離子選擇膜而對水除鹽。ED設備包括布置在單元中的陰離子傳送膜和陽離子傳送膜。每個單元由陰離子和陽離子傳送膜界定，並組合為單元對，即，兩個相鄰單元。膜是導電的和不透水的。 膜的堆包括許多(有時為數百個)單元對，而ED系統包括許多個堆。每個膜堆具有在堆的每端處的DC電極，陰極，和陽極。在DC電壓下，離子移動到相反荷電的電極。存在兩種類型的單元，即，稀釋單元和濃縮單元。在稀釋單元中，陽離子將穿過面向陽極的陽離子傳送膜， 不過沿相鄰單元中面向陰極的陰離子傳送膜的方向通過相鄰單元的成對膜止動。類似地， 陰離子將穿過面向陰極的陰離子傳送膜，不過將通過面向陽極的陽離子傳送膜止動。以這種方式，在稀釋單元中的鹽將被去除，而在濃縮時，相鄰單元的陽離子將從一個方向進入， 陰離子將從相反方向進入。在所述堆中的流被布置為使得稀釋流和濃縮流保持分離，且以這種方式，生產出除鹽後的水流。在ED過程中，材料常在膜表面上沿電場方向累積，這通常確實會降低處理效率。 為了抵制這種影響，開發出電滲析逆轉(EDR)，這是目前使用的主要方法。在EDR中，電極基於一定規律(例如，每15分鐘一次)逆轉極性。同時也切換所述流，濃縮流變為稀釋流，稀釋流變為濃縮流。以這種方式，汙垢沉積物被去除和徹底衝洗。一旦在稀釋單元中的濃度下降至低於約200毫克/升(mg/1)，則電阻處於使功率需求變得愈加昂貴的水平。為了克服這點並能夠生產高淨水，開發出電去離子(EDI)，有時被稱為連續電去離子(CEDI)。在這種方法中，所述單元被填充以離子交換介質，通常為離子交換珠。離子交換介質在傳導率上是溶液的數個量級。離子通過所述珠傳輸到膜表面以傳送到濃縮單元。當進給濃度充分降低時，EDI在較小功率下能夠比ED生產出更純淨的水。中間儲罐可根據應用而方便地設置尺寸。如果CEDI部件具有的工作流速為X毫升 /分鐘，RO系統需要Y毫升的衝洗量在Z毫升/分鐘的RO滲透速率下達到穩態，則Z (Y/ X)是箱所需的最小容量。本領域技術人員將以最小值的倍數作為安全因數設計所述箱，例如為最小值的1.5至3倍。所述箱可由不鏽鋼或其它金屬構建，但在許多情況下，殘餘金屬離子會不利於分析或反應。因此，塑料箱是優選的。由聚乙烯、聚氟乙烯或聚四氟乙烯製成的箱是適合材料的示例。在一些情況下，可使用玻璃的或玻璃襯裡的箱。優選的箱結構是具有塑料襯裡的玻璃纖維增強塑料箱。加壓罐不需要中間泵，並可即需即用地供應產品水。而且，通過使用惰性氣體或其它淨化氣體保持壓力，減少或消除二氧化碳吸收。壓力膽類型的壓力保持系統是優選類型， 這是因為不出現與壓力流體的接觸。圖1例示出根據本發明的系統。進給水(通常經過過濾後)通過進給泵1以適合壓力供應到RO模塊2。水流分離為清除離子和雜質後的滲透物流4和包含被去除材料的廢棄或濃縮流3。當需要通過CEDI的高淨水時，RO進給泵起動，RO滲透物被轉移到排放口 6或可再循環至RO進給流。滲透物的轉移可通過三通閥5實現，三通閥5將滲透物流轉移，直到滲透物的質量處於所希望範圍內。這可通過轉移一段時間(預先通過實驗確定)而實現。 可替代地，可通過以下方式控制利用傳導率傳感器7測量滲透物的傳導率，在達到所希望的穩態排斥傳導率時改變流動方向。這可手動實現，但更優選地通過反饋控制器8實現，反饋控制器8接收離子傳導率傳感器的信號，並將流動從轉換流切換到儲罐10中的流。所述箱可具有連接到深度傳感器11的控制器9，一旦達到設定點深度，則深度傳感器11將發信號至進給泵以關斷和關閉閥5的滲透物流。如果儲罐是加壓罐，則12是在需要時開啟的閥。如果儲罐是非加壓罐，則元件12代表泵和可選的閥，在出現需求時開啟和起動。在出現需求時，離子儲罐的流進入CEDI模塊13，產品水被生產和供應於14。閥15 連接到電控制器，電控制器起動高淨水生產過程，使得當用戶開啟閥時，整個系統起動生產高淨水以補充用量。對於使用加壓罐的系統而言，傳感器11可包括連接到控制器9的壓力傳感器或變換器，以當達到設定點壓力時類似地關斷流。業者可在高於工作壓力的壓力下運行初始RO衝洗，以減少達到穩態的時間。而且，被轉移的滲透物可返回以稀釋進給流，這可減少起始時間。本領域技術人員應認識到，高淨水生產將根據部位狀況而不同。每個位置將具有其本身的進給組合(鹽、有機溶劑、和汙垢的類型和濃度)以及周邊狀況。而且，使用在此所述創新性系統的每種產業將具有其特定的高淨水定義。在此給出的描述是代表性的，並非以任何方式加以限制，而是用於設計和實施所述創新性系統，針對特定情況的狀況和需求加以修改。
權利要求
1.一種用於間歇生產高淨水的即需即用系統，通過將用於預精製水的儲罐定位緊鄰於最終高淨精製裝置之前，使所述水的滯水質量惡化的可能性降低。
2.如權利要求1所述的系統，其中，所述預精製水通過包括至少一個反滲透模塊的壓力水處理系統生產。
3.如權利要求2所述的系統，其中，所述反滲透系統所生產的水具有的進給水離子含量減少至少90%。
4.如權利要求2所述的系統，其中，所述反滲透系統所生產的水具有的進給水TOC減少至少90%。
5.如權利要求1所述的系統，其中，所述精製裝置包括至少一個連續的電去離子模塊。
6.如權利要求1所述的系統，其中，所述儲罐是加壓罐。
7.如權利要求1所述的系統，其中，所述預精製水通過包括至少一個反滲透模塊的壓力水處理系統生產，所述精製裝置包括至少一個連續的電去離子模塊。
8.如權利要求7所述的系統，其中，所述儲罐是加壓罐。
9.一種用於間歇生產高淨水的即需即用系統，通過將用於預精製水的儲罐定位緊鄰於最終高淨精製裝置之前，實現滯水質量惡化的減小。
10.如權利要求9所述的系統，其中，所述預精製水通過包括至少一個反滲透模塊的壓力水處理系統生產。
11.如權利要求10所述的系統，其中，所述反滲透系統所生產的水具有的進給水離子含量減少至少90%。
12.如權利要求10所述的系統，其中，所述反滲透系統所生產的水具有的進給水TOC減少至少90%。
13.如權利要求9所述的系統，其中，所述精製裝置包括至少一個連續的電去離子模塊。
14.如權利要求9所述的系統，其中，所述儲罐是加壓罐。
15.如權利要求9所述的系統，其中，所述預精製水通過包括至少一個反滲透模塊的壓力水處理系統生產，所述精製裝置包括至少一個連續的電去離子模塊。
16.如權利要求15所述的系統，其中，所述儲罐是加壓罐。
17.一種用於間歇供應高淨水的系統，所述系統即需即用地提供高淨水，其中所述系統依次包括水處理部件；儲罐，其流體地連接到所述水處理部件；和連續的電去離子部件，其流體地連接到所述儲罐。
18.如權利要求17所述的系統，其中，所述水處理部分包括具有至少一個反滲透膜模塊的壓力水處理系統。
19.如權利要求17所述的系統，其中，所述儲罐是加壓罐。
全文摘要
一種用於間歇生產高淨水的即需即用系統，通過將用於預精製水的儲罐(10)定位緊鄰於最終高淨精製裝置之前，使系統中的滯水致使產品高淨水質量降低或劣化以及高淨水質量實際降低的可能性降低。預精製水優選地通過反滲透(2)生產。最終精製水通過連續的電去離子(13)生產。
文檔編號C02F1/44GK102203017SQ200980143360
公開日2011年9月28日 申請日期2009年11月2日 優先權日2008年10月31日
發明者特萊普恰克 J., 梁荔鄉 申請人:西門子水處理技術公司