水淨化系統和方法以及用於該系統的切向過濾裝置的製作方法
2023-05-14 09:12:16
專利名稱：水淨化系統和方法以及用於該系統的切向過濾裝置的製作方法
技術領域：
本發明總體上涉及一種用於淨化水的系統和方法。特別地講，涉及使水承受兩次不同的淨化處理，即由至少一個選擇滲透膜進行分離，以及然後經受去離子處理。
背景技術：
現有技術的一種上述類型的水淨化系統包括一個泵，其具有一個用於吸入要被淨化的水的吸入側和一個用於在壓力下將進入泵中的水排出的排出側；一個液相分離裝置，其藉助於因壓力梯度引起的滲透穿過至少一層選擇滲透膜而進行操作，並具有一個與泵的排出側流體連通的入口、一個滲透物出口和一個滯留物出口；一個電去離子裝置，其具有一個與液相分離裝置的滲透物出口流體連通的滲透物入口和一個淨化水出口；一個排放裝置，其用於從系統中排放出滯留物，並與液相分離裝置的滯留物出口流體連通，而且裝有一個節流器，用於降低系統出口的滯留物流量；以及一個連通裝置，其設在液相分離裝置的滯留物出口和節流器之間，以將排放裝置與泵的吸入側連通起來，並且其裝有一個壓力調節器，以便在泵的協同作用下在液相分離裝置的入口保持大致恆定的預定壓力。
發明內容
本發明的總體目的是以簡單的方式對上述類型的系統作出改進，同時使其具有其他優點。
更精確地講，本發明涉及水淨化系統，所述水淨化系統包括一個泵，其具有一個用於吸入要被淨化的水的吸入側和一個用於在壓力下將進入泵中的水排出的排出側；一個液相分離裝置，其藉助於因壓力梯度引起的滲透穿過至少一層選擇滲透膜而進行操作，並具有一個與泵的排出側流體連通的入口、一個滲透物出口和一個滯留物出口；一個電去離子裝置，其具有一個與液相分離裝置的滲透物出口流體連通的滲透物入口和一個淨化水出口；一個排放裝置，其用於從系統中排放出滯留物，並與液相分離裝置的滯留物出口流體連通，而且裝有一個節流器，用於降低系統出口的滯留物流量；以及一個連通裝置，其設在液相分離裝置的滯留物出口和節流器之間，以將排放裝置與泵的吸入側連通起來，並且其裝有一個壓力調節器，以便在泵的協同作用下在液相分離裝置的入口保持大致恆定的預定壓力；其特徵在於，一個流量調節器安置在從液相分離裝置至電去離子裝置的滲透物流路中，以保持大致恆定的預定滲透物流量。
換言之，與現有技術的系統相比，本發明使用了單個附加元件—流量調節器，其結果在於，首先，能使位於流量調節器下遊的電去離子裝置具有預定的恆定流量，而又不受可能引起流量變化的各種現象的影響，其次，能使為上述限定類型並位於流量調節器上遊的液相分離裝置以預定的恆定回收率(通過液相分離裝置產生的滲透物與所消耗的水的比率)工作。
這樣，就可改善電去離子裝置的性能，降低水的消耗，以及使液相分離裝置具有良好的工作條件。
在這點上，必須指出，通常按標準設計的現有電去離子裝置的性能取決於供給它們的水的流量。而且，它們通常僅能在有限的給水壓力下工作。
相比而言，不管採用的是逆滲透(reverse osmosis)、超濾(ultrafiltration)、納濾(nanofiltration)裝置，還是微濾(microfiltration)裝置，在滲透物流量方面，使用了現有技術中公知的切向過濾的上述類型的液相分離裝置通常都會被製造得具有相對寬的許用極限(實際中為±15％左右)，並且離開液相分離裝置的滲透物的流量通常每攝氏度變化大約3％。在實際中，可以發現，當水溫從10℃變化至30℃時，逆滲透裝置的滲透水流量會在1-2倍的範圍內變化。還應當指出，滲透水流量通常會隨著逆滲透裝置的老化而變化。
而且，太高的回收率通常會降低這種逆滲透裝置的淨化性能，並且還會存在損壞其滲透膜的危險，相反，太低的回收率會增大剩餘或廢棄水(滯留物)的量。
在因經濟原因而優選的實施例中，流量調節器包括一個可變形件，用於在上遊壓力上升的情況下減小流量調節器的有效流動截面，以將滲透物流量保持為大致恆定的預定值。
例如，該可變形件可以是形成有一個可變孔的彈性圈，並且優選由彈性體製成。
流量調節器可以包括一個容納著彈性圈的管筒。
作為一種替代性方法，可以使用這樣的流量調節器，即包括一個由自動控制器操縱的電動流量調節閥。
壓力調節器優選是可變和可手動調節的，或者是由自動控制器操縱的。
節流器可以包括一個形成有固定孔的板，但是優選包括一個可手動調節或由自動控制器調節的可變孔。
由於經濟原因，節流器優選包括針閥或毛細管。
由於經濟和易於製造的原因，泵與液相分離裝置之間及液相分離裝置與電去離子裝置之間的流體連通均優選藉助於至少一根管而實現。
同樣地，排放裝置和連通裝置分別優選包括配有相應節流器和相應壓力調節器的管。
根據本發明的系統還適合於做進一步的改進，在這種情況下，液相分離裝置包括一個或多個完全相同的切向過濾裝置，特別是通過逆滲透、超濾、納濾或微濾進行操作的切向過濾裝置；切向過濾裝置包括一個滲透物分流管，並且容納在一個腔室中，所述腔室具有一個與相關切向過濾裝置的分流管流體連通的滲透物出口，而且在所述滲透物出口處或切向過濾裝置的滲透物分流管中設有流量調節器。這樣，通過更換切向過濾裝置，可以藉助於本發明來改進現有的水淨化系統。
作為一種替代性方法，流量調節器可以設在電去離子裝置的入口處。
本發明還提供了一種切向過濾裝置組件，特別是通過逆滲透、超濾、納濾或微濾進行操作的切向過濾裝置組件，包括一個切向過濾裝置，所述切向過濾裝置容納在一個腔室中並且具有至少一層選擇滲透膜以及一個滲透物分流管，所述腔室具有一個用於引入要被處理的流體的入口、一個與滲透物分流管流體連通的用於排出由切向過濾裝置產生的滲透物的出口以及一個用於排出由切向過濾裝置產生的滯留物的出口，其特徵在於，在滲透物出口或在滲透物分流管中設有流量調節器。
本發明還提供了一種淨化水的方法，其包括以下步驟對要被淨化的水加壓；將加壓水流引導到至少一層選擇滲透膜，以將加壓水流分離成滲透物流和滯留物流；對滲透物流進行電去離子操作，以產生由電去離子後的滲透物流構成的淨化水流；降低滯留物流的流量；以及在選擇滲透膜上保持大致恆定的預定壓力；其特徵在於，還包括以下步驟保持大致恆定的預定滲透物流量。
下面，通過實例和參看附圖描述本發明，可顯現出本發明的特徵和優點，附圖包括圖1是本發明的水淨化系統的流路圖；以及圖2是用於圖1所示系統中的流量調節器的剖視圖。
具體實施例方式
在所示實施例中，本發明的水淨化系統10採用與現有水淨化技術相同的方式，包含一個逆滲透裝置11和一個位於逆滲透裝置11下遊的電去離子裝置12。
裝置11、12本身與本發明無關，在此不作詳細描述。
僅需要提及的是，在所示實施例中，逆滲透裝置11是註冊商標為DOW CHEMICAL的TW30裝置，電去離子裝置12是註冊商標為MILLIPORE的EDI裝置。
在實際中，要被淨化的水流是連續的，並且與逆滲透裝置11的緻密膜相切，從而要被淨化的水在緻密膜處被分成濃度不同的兩部分一部分稱為滲透物，其通過緻密膜，以及另一部分稱為滯留物，其不能通過緻密膜，並且含有被緻密膜阻擋的離子、分子或微粒，特別是礦物離子。
電去離子裝置12藉助於緻密膜執行連續的去除礦物質的操作，其中緻密膜需要固定在樹脂上，而樹脂可通過電滲析連續再生，從而不需要採用另外的試劑。
因此，通過上述類型的水淨化系統10產生的水能夠認為具有非常低的溶解鹽(即，構成超純水)。
在所示實施例中，要被淨化的水來自飲用水主管道，並藉助於一個入水管14供給一個容積泵13。
容積泵13藉助於逆滲透裝置11的供水管15以足夠大的壓力將水排放到逆滲透裝置11中，以便在低溫下獲得逆滲透裝置的額定流量。
在所示實施例中，以及還如現有技術中所公知，離開逆滲透裝置11中的一部分滯留物通過一個排放管16輸送到水淨化系統10的出口，而滯留物的剩餘部分藉助於與一個連接在飲用水主管道與泵13的入口之間的入水管14相連的回流管17在系統中再循環，以便將在回流管17中流動的這部分滯留物供給泵13。
離開水淨化系統10中的滯留物部分可通過連接著排水系統的排放分流管18而得以回收。
排放管16裝有一個節流器19，其為用於降低水流量和使排放管16的出口20的附近的壓力下降的部件。
在所示實施例中，節流器19在實際中是針閥。
還應指出，回流管17在逆滲透裝置11的滯留物出口與節流器19之間的位置上連接著排放管，並且回流管17裝有壓力調節器21，從而，在與泵13的共同作用下，其可在逆滲透裝置11中保持大致恆定的預定壓力，而不論入水管14中是否有壓力變化。
在實際中，這種壓力調節器是標準背壓調節器(counter-pressure regulator)，並被這樣選擇，以使在逆滲透裝置11的輸入端作用的壓力能夠足夠大，以便在低溫下獲得逆滲透裝置11的額定流量。為此，此處使用的壓力調節器類似於針閥19，是可變和可手動調節的類型。更精確地講，這些構件可由控制系統基於使用者提供給水淨化系統10的控制系統(圖1中未示出)的基準值來調節。當然，這種構件也適合於完全手動調節，或甚至適合於通過自動控制器即沒有人為介入地進行操作，特別地講，可以採用能夠對與水淨化系統10的控制系統功能性連接著的逆滲透裝置11的特性進行識別的裝置。
根據本發明，以及如所示實施例中的情況，一個流量調節器22安置在從逆滲透裝置11至電去離子裝置12的滲透物流路中，以便在電去離子裝置12的與具有用於滲透處理的水的出口23的一側相反的一側保持大致恆定的預定滲透物流量，其中出口23用於去離子水(低濃度水)，出口24用於高濃度水(將在25排出的含有離子的水)。
在實際中，流量調節器22位於電去離子裝置12的入口，並且在該實施例中，流量調節器22包含可變形件，用於在上遊側壓力上升的情況下減小流量調節器22的有效流動截面，以在電去離子裝置的入口保持大致恆定的預定滲透物流量，而不論是否有可能引起流量變化的現象。
事實上，流量調節器22對逆滲透裝置11的透膜壓力(背壓)進行調節，以保持流量恆定，特別是在要被淨化的水的溫度上升的情況下。
在實際中，當壓力在2-10巴(1巴＝1×105Pa)之間變化時，上述類型的自動流量調節器可將流量調節在±5％以內。
而且，在該實施例中，流量調節器是根據逆滲透裝置11的額定流量來選擇的，但除此之外，同樣也可以根據電去離子裝置12的額定流量來選擇，或者甚至可以裝置11和12的額定流量來選擇。
圖2中更詳細地示出了流量調節器22。
流量調節器22包括一個空心圓柱形管筒26，其在一端被端圓盤27封閉著，端圓盤27的中心具有一個圓形截面的圓柱形孔28，水通過該圓柱形孔28離開流量調節器22。
在相反軸向端，一個圓形截面的圓柱形流體入口部分29位於一個容納著彈性圈31並且具有圓形截面的圓柱形流體通道部分30之前。其直徑比出口孔28的直徑大，但略小於部分30的直徑，因此，形成於此的環形邊緣32與緊跟著容納著彈性圈31的部分30的第一截錐33能將彈性圈31沿著軸向固定。
第一截錐33與緊跟在其後的第二截錐34形成了一個流體通道部分35，該流體通道部分35匯聚和終止於出口孔28。
第一截錐33在頂點具有與空心圓柱形管筒26的軸線的法面相接近的錐角。
彈性圈31具有由兩個部分37和38形成的中心孔36，這兩個部分均呈截錐形狀，並分別位於圓形截面的圓柱形部分39的相應相反側上。部分37-39和管筒26同軸。
還應指出，在不工作時，彈性圈31將與管筒26的圓柱形部分30的內圓柱面40接觸。
當然，流量調節器22的各種構件的尺寸要這樣確定，即能夠獲得所選擇的流量即可。
流量調節器22是註冊商標為PLATON的流量控制器。
由於上述特徵，流入流量調節器22的水的流量的增大會導致壓縮彈性圈31，從而可降低其流體通道孔36的橫截面，這樣，就能將滲透物流量保持為大致恆定的值。
在下表中以非限制性實施例的方式給出的條件下，上述類型的水淨化系統10先對7℃的水進行了操作，然後對25℃的水進行了操作
表
從表中可看出，流量調節器22通過向逆滲透裝置11的滲透膜施加背壓來對透膜壓力進行操作，以便在水溫上升時保持恆定的滲透物流量。在實際中，透膜壓力(逆滲透裝置11的入口處與出口處的壓力之差)從10巴降至5巴。
可以認為，根據本發明的水淨化系統10能使經過滲透處理的水具有恆定的生產流量，而不論逆滲透裝置11的入口水的溫度和飲用水主管道的壓力如何。
另一方面，在廢棄水(即，在逆滲透裝置11的出口的滯留物的)流量的調節作用下生產的水(即，在逆滲透裝置11的出口的滲透物)的恆定流量可使逆滲透裝置11在恆定的回收率下工作。
這樣，就可使電去離子裝置12的性能最優化，並能減少水的消耗，而且可使逆滲透裝置11具有良好的工作條件。
應當理解，本發明決不限制於上述實施例，在沒有脫離本發明的範圍的情況下可以做多種修改。
特別地講，作為一種替代性方法，電去離子裝置能夠與並行布置的多個逆滲透裝置串聯放置。在這種情況下，每個逆滲透裝置設有一個流量調節器(設在容納著逆滲透裝置的腔室的滲透物出口，或直接地設在逆滲透裝置的滲透物分流管中)，或者在電去離子裝置的輸入端設置一個用於調節總流量的流量調節器。
而且，如果電動閥用作流量調節器，在逆滲透裝置的出口的流量能夠藉助於例如功能上與水淨化系統的控制系統連接的渦輪流量計進行控制，其中水淨化系統具有隸屬於該控制系統的電動閥。
流量調節器還能被不同地設計，例如可設計得包含O型圈，該O型圈充當對用於限定可變流體通道孔的兩個可動剛性部件進行操作的彈簧，這樣就可使這兩個剛性部件彼此相對或遠離地移動，以改變流體通道孔的截面。上述類型的壓力補償調節器(PCR)可選擇註冊商標為NEOPERL的產品。
權利要求
1.一種水淨化系統，包括一個泵(13)，其具有一個用於吸入要被淨化的水的吸入側和一個用於在壓力下將進入泵中的水排出的排出側；一個液相分離裝置(11)，其藉助於因壓力梯度引起的滲透穿過至少一層選擇滲透膜而進行操作，並具有一個與泵的排出側流體連通的入口、一個滲透物出口和一個滯留物出口；一個電去離子裝置(12)，其具有一個與液相分離裝置的滲透物出口流體連通的滲透物入口和一個淨化水出口；一個排放裝置(16)，其用於從系統中排放出滯留物，並與液相分離裝置的滯留物出口流體連通，而且裝有一個節流器(19)，用於降低系統出口的滯留物流量；以及一個連通裝置(17)，其設在液相分離裝置的滯留物出口和節流器之間，以將排放裝置與泵的吸入側連通起來，並且其裝有一個壓力調節器(21)，以便在泵(13)的協同作用下在液相分離裝置的入口保持大致恆定的預定壓力；其特徵在於，一個流量調節器(22)安置在從液相分離裝置至電去離子裝置的滲透物流路中，以保持大致恆定的預定滲透物流量。
2.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，流量調節器包括一個可變形件，用於在上遊壓力上升的情況下減小流量調節器的有效流動截面，以將滲透物流量保持為大致恆定的預定值。
3.如權利要求2所述的系統，其特徵在於，可變形件是形成有一個可變孔的彈性圈，並且優選由彈性體製成。
4.如權利要求3所述的系統，其特徵在於，流量調節器包括一個容納著彈性圈的管筒。
5.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，流量調節器包括一個由自動控制器操縱的電動流量調節閥。
6.如權利要求1-5中任一所述的系統，其特徵在於，壓力調節器是可變和可手動調節的，或者是由自動控制器操縱的。
7.如權利要求1-6中任一所述的系統，其特徵在於，節流器包括一個形成有固定孔的板。
8.如權利要求1-6中任一所述的系統，其特徵在於，節流器包括一個可手動調節或由自動控制器調節的可變孔。
9.如權利要求8所述的系統，其特徵在於，節流器包括針閥或毛細管。
10.如權利要求1-9中任一所述的系統，其特徵在於，液相分離裝置通過逆滲透、超濾、納濾或微濾進行操作。
11.如權利要求1-10中任一所述的系統，其特徵在於，泵與液相分離裝置之間及液相分離裝置與電去離子裝置之間的流體連通均藉助於至少一根管而實現。
12.如權利要求1-11中任一所述的系統，其特徵在於，排放裝置和連通裝置分別包括配有相應節流器和相應壓力調節器的管。
13.如權利要求1-12中任一所述的系統，其特徵在於，液相分離裝置包括一個或多個完全相同的切向過濾裝置，所述切向過濾裝置通過逆滲透、超濾、納濾或微濾進行操作，切向過濾裝置包括一個滲透物分流管，並且容納在一個腔室中，所述腔室具有一個與相關切向過濾裝置的分流管流體連通的滲透物出口，而且在所述滲透物出口處、切向過濾裝置的滲透物分流管中或電去離子裝置的入口處設有流量調節器。
14.一種切向過濾裝置組件，其通過逆滲透、超濾、納濾或微濾進行操作，並且包括一個切向過濾裝置，所述切向過濾裝置容納在一個腔室中並且具有至少一層選擇滲透膜以及一個滲透物分流管，所述腔室具有一個用於引入要被處理的流體的入口、一個與滲透物分流管流體連通的用於排出由切向過濾裝置產生的滲透物的出口以及一個用於排出由切向過濾裝置產生的滯留物的出口，其特徵在於，在滲透物出口或在滲透物分流管中設有流量調節器。
15.一種水淨化方法，包括以下步驟對要被淨化的水加壓；將加壓水流引導到至少一層選擇滲透膜，以將加壓水流分離成滲透物流和滯留物流；對滲透物流進行電去離子操作，以產生由電去離子後的滲透物流構成的淨化水流；降低滯留物流的流量；以及在選擇滲透膜上保持大致恆定的預定壓力；其特徵在於，還包括以下步驟保持大致恆定的預定滲透物流量。
全文摘要
本發明涉及一種用於淨化水的方法系統，其中對要被淨化的水加壓(13)；將加壓水流引導到至少一層選擇滲透膜，以將加壓水流分離成(11)滲透物流和滯留物流；對滲透物流進行電去離子操作(12)，以產生由電去離子後的滲透物流構成的淨化水流；降低滯留物流(19)的流量；在選擇滲透膜上保持大致恆定的預定壓力(21)；以及保持大致恆定的預定滲透物流量。本發明還涉及一種適用於上述類型的系統的切向過濾裝置。
文檔編號B01D61/02GK1530331SQ20041002848
公開日2004年9月22日 申請日期2004年3月12日 優先權日2003年3月13日
發明者伊夫·蓋涅, 伊夫 蓋涅 申請人:米利波爾公司