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CN1902135B - 水处理系统和方法 - Google Patents

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CN1902135B CN200480040141.0A CN200480040141A CN1902135B CN 1902135 B CN1902135 B CN 1902135B CN 200480040141 A CN200480040141 A CN 200480040141A CN 1902135 B CN1902135 B CN 1902135B
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Abstract

一种处理系统通过除去至少一部分包含在来自水源的水中的任何不合需要的物质向使用场所提供已处理的水或软化水。所述处理系统可操作以减少形成可在电化学装置的正常操作期间产生的任何结垢的可能。在所述处理系统包括它的润湿组件中结垢的形成可通过反向具有引起硬度物质的流动液体或用具有低的产生结垢趋势的另一种液体例如低LSI水置换具有引起硬度物质的流动液体得到抑制。在所述处理系统中组件的各种排列可通过引导所述系统的阀门和泵以用具有很小或没有形成结垢趋势的液体置换具有引起硬度物质的液体而冲洗。

Description

水处理系统和方法
发明背景
1.发明领域
本发明通常涉及净化或处理液体的系统和方法，更具体地讲涉及包括电化学装置和用于将已处理水输送至使用场所的储器的水处理系统和操作与冲洗所述水处理系统的方法。
2.相关领域描述
包含硬度物质例如钙和镁的水对于工业、商业和家庭应用中的一些用途可能是不合需要的。用于水硬度分类的一般准则是：每升0-60毫克(mg/l)碳酸钙分为软水类；61-120mg/l分为中度硬水类；121-180mg/l分为硬水类；多于180mg/l分为极硬水类。
硬水通过除去硬度离子物质可软化或处理。除去这样物质的系统的实例包括使用离子交换床的系统。在这样的系统中，硬度离子变为离子键合于在离子交换树脂表面混合的电荷相反离子物质。所述离子交换树脂最后变为用离子键合硬度离子物质饱和并且必须再生。再生一般包括用更为可溶的离子物质例如氯化钠置换键合硬度离子。键合于离子交换树脂的硬度物质被钠离子置换，所述离子交换树脂准备好再次用于随后的水软化步骤。
已经公开其它系统。例如Dosch在美国专利3148687中讲授了包括采用离子交换树脂的水软化装置的洗涤机。类似地，Gadini等在国际申请公开WO00/64325中公开了用改进的装置减少水硬度的水的家用电器。Gadini等讲授了具有控制系统、来自外部来源的给水系统和具有电化学电池的软化系统的家用电器。McMahon在美国专利5166220中讲授了离子交换树脂在水软化方法中用盐溶液再生。
电去离子(EDI)可用于使水软化。EDI是使用电活性介质和影响离子运输的电压自液体中除去可电离物质的方法。所述电活性介质起作用以交替地聚集和释放可电离物质，或者便于离子连续通过离子或电子替代机制运输。EDI装置可包括具有永久或暂时电荷的介质并且可操作以引起设计达到或增强性能的电化学反应。这些装置也包括电活性膜例如半渗透性离子交换或双极性膜。
连续的电去离子(CEDI)是依赖通过电活性介质(电活性介质)的离子转运方法。一般的CEDI装置包括交替的电活性半渗透阴离子和阳离子选择性膜。所述膜之间形成空间以产生具有入口和出口的液体流动隔室。由外部电源通过隔室边缘的电极施加横向DC电场。在一些配置中提供电极隔室以致于来自电极的反应产物可与其它流动隔室分离。施加电场时，在一个隔室(离子消耗隔室)中待处理的液体中的离子被吸引到它们相应的吸引电极。这些离子通过选择性渗透膜迁移到邻接的隔室以致于在邻接的离子浓集隔室中的液体变成离子浓集的。在所述消耗隔室中和在一些实施方案中在浓集隔室中的体积包括电活性或电活性介质。在CEDI装置中，所述电活性介质可包括紧密混合的阴离子和阳离子交换树脂。这样的电活性介质一般增强所述隔室中的离子迁移并可作为用于所控制的电化学反应的基质参与。电去离子装置已经由例如Giuffrida等在美国专利4632745、4925541和5211823中，由Ganzi在美国专利5259936和5316637中，由Oren等在美国专利5154809中，由Kedem在美国专利5240579中描述。
已经描述可用于使水软化的其它系统。例如Gaysowski在美国专利3407864中讲授了包括离子交换和电渗析两者的装置。Johnson在美国专利3755135中讲授了采用DC电势的去离子化装置。
发明概述
本发明涉及处理系统。所述处理系统可包括含有第一隔室和第二隔室的电化学装置、流体连通第一隔室入口和第一泵的第一液体回路、流体连通第二隔室出口与第二隔室入口及第二泵的第二液体回路和流体连通第二隔室入口与第二泵的第三液体回路。
按照一个或更多个实施方案，本发明提供了处理系统。所述处理系统可包括含有包含第一隔室出口和第一隔室入口的第一隔室和包含第二隔室出口和第二隔室入口的第二隔室的电化学装置、可流体连通于所述第一隔室出口与第一隔室入口的第一泵、可流体连通于所述第二隔室出口与第二隔室入口的第二泵和可流体连通于至少一个所述第一或第二隔室出口的循环管路。所述电化学装置一般流体连通于入口位置。
按照一个或更多个实施方案，本发明提供了处理液体的方法。所述方法可包括形成具有使待处理的液体自储器通过第一泵流向电化学装置的第一隔室入口的第一液体回路、形成具有使浓集的液体自所述电化学装置的第二隔室出口通过第二泵流向第二隔室入口的第二液体回路，和形成具有使待处理的液体自储器通过第二泵流向第二隔室入口的第三液体回路。
按照一个或更多个实施方案，本发明提供了处理水的方法。所述方法可包括使至少一部分待处理的水经第一泵通过电化学装置的消耗隔室产生已处理的水，使浓集流经第二泵通过电化学装置的浓集隔室循环，和使浓集流经第一泵通过浓集隔室循环。
按照一个或更多个实施方案，本发明提供了处理水的方法。所述方法可包括使待处理的水通过电化学装置产生已处理的水，使至少一部分已处理的水贮存在储水器中，用所述已处理的水冲洗所述电化学装置的浓集隔室。
按照一个或更多个实施方案，本发明提供了便于水净化的方法。所述方法可包括提供包含第一隔室和第二隔室的电化学装置；提供可流体连通于储水器、第一隔室出口和第一隔室入口的至少一个的第一泵；提供可流体连通于储水器、第二隔室出口和第二隔室入口的至少一个的第二泵；和提供可流体连通于所述第一和第二隔室出口的至少一个的循环管路。
按照一个或更多个实施方案，本发明提供了处理系统。所述处理系统可包括包含第一隔室和第二隔室的电化学装置，用于使待处理的液体自储水器通过所述第一隔室流动和使浓集的液体通过所述第二隔室循环的装置和用于使所述待处理的液体自储水器通过所述第二隔室流动和使浓集的液体通过所述第一隔室循环的装置。
本发明的其它有利条件、新特性和目的当连同附图一起考虑时从本发明以下详细描述将变得显而易见，附图是图解性的并不打算按比例绘制。在这些附图中，在各附图中图解说明的每一个相同或基本相似的组件用单一的数字或符号表示。为清楚起见，不是每一个组件在每一个图中得到标记，当图解说明对本领域普通技术人员理解本发明不必要时，也不是本发明每一个实施方案的每一个组件得到显示。
附图简述
本发明优选的、非限定性实施方案将通过实施例并参照附图得到描述，其中
图1为显示本发明一个或更多个实施方案的具有电化学装置的管路上储器的处理系统图解性流程图；
图2A为图解说明本发明一个或更多个实施方案的第一液体回路流动的处理系统图解性流程图；
图2B为图解说明本发明一个或更多个实施方案的第二液体回路流动的处理系统图解性流程图；
图2C为图解说明本发明一个或更多个实施方案的第三液体回路流动的处理系统图解性流程图；
图2D为图解说明本发明一个或更多个实施方案的第四液体回路流动的处理系统图解性流程图；
图3A为图解说明本发明一个或更多个实施方案的冲洗流体流动流程的处理系统图解性流程图；
图3B为图解说明本发明一个或更多个实施方案的冲洗流体流动流程的处理系统图解性流程图；
图4为如在实施例中描述的本发明另一个实施方案的处理系统图解性流程图；和
图5为显示在图4中用图解显示的处理系统所测量的电导率的曲线图。
发明详述
本发明涉及净化或处理系统和提供工业、商业以及住宅用净化水的方法。所述处理系统通过除去包含在来自水源例如生活用水、井水、盐味水和其它水源的水中的至少一部分任何不合需要的物质例如引起硬度的物质向使用场所提供净化水或者在一些情况中提供软化水。所述处理系统可操作以减少一般在生产净化水时产生的任何结垢或污垢形成的可能。在处理系统包括它的组件例如任何泵、阀门和管路中的结垢或污垢的形成可通过使流动的液体反向或从具有高度形成结垢倾向的液体置换为具有低的或没有产生结垢倾向的液体例如具有低的Langelier Saturation Index(LSI)的水得到抑制。LSI可按照例如ASTM D 3739计算。
所述处理系统一般自水源或进入点接受水并且净化可能包含不合需要的物质的水。所述处理系统也一般通过输配水系统向使用场所提供或输送净化水。所述处理系统一般具有管路上带有电化学装置例如电去离子装置的蓄水系统。在一些实施方案中所述处理系统也包括用于测量至少一种水性质或系统的操作条件的传感器。按照本发明的其它实施方案，所述处理系统也包括用于调节或调整所述处理系统或处理系统的组件例如(但不限于)所述系统的驱动阀门、驱动用泵或其它组件的至少一种操作参数的控制器。
图1为本发明一个实施方案的处理系统的图解性流程图。所述处理系统10可包括流体连通于蓄水系统14的电去离子装置12，前者一般流体连通于水源或进入点16。处理系统10一般包括使用场所18，它一般流体连通于蓄水系统14。按照本发明的一个实施方案，处理系统10包括泵20a和20b，它们可用于自蓄水系统14泵送液体并且在一些情况中使液体通过循环管路32自电去离子装置12的出口向入口循环。在本发明的某些实施方案中，处理系统10包括阀门22a、22b、22c和22d，它们可用于引导流向与流出电去离子装置12和流向与流出蓄水系统14以及通过泵20a、20b和预处理滤器24a与20b。在这些附图中，不是所有的阀门为了清楚起见得到图解说明，例如控制液流流向排水口30的阀门未显示。在本发明另一个实施方案中，处理系统10可包括控制系统，它一般包括控制器26以及传感器28。传感器28通常测量在处理系统10中的任何流体的操作参数或性质。通常，传感器28将测量的参数发送或传输至控制系统26。
在本发明仍然另一个实施方案中，控制系统26可驱动任何阀门以引导水净化中的液流。在一些情况中，控制系统26可给所述处理系统中的这些泵的电机供给能量。因此，控制系统26可监测和控制所述处理系统的操作情况。
电去离子组件或装置12一般包括离子消耗(消耗)隔室和离子浓集(浓集)隔室。相邻的隔室一般具有位于之间的离子选择性隔膜。浓集和消耗隔室的组合(一般称作堆积)可以交替的顺序或者以对满足设计和性能要求必要的各种排列中的任何一种进行。堆积排列通常通过一端的电极隔室和相对的一端的另外的电极隔室而接界。通常，端基封闭位于邻近在相应的电极隔室中安装阳极和阴极的端板。所述浓集和消耗隔室一般通过偏移和支撑离子选择性隔膜或选择性渗透膜的垫片或结构确定。所述垫片与粘附于其上的选择性隔膜一起根据如以下解释的操作条件限定了可用作浓集或消耗隔室的空腔。
所述浓集和消耗隔室可填充阳离子交换树脂阴离子交换树脂或两者的混合物。阳离子和阴离子交换树脂可作为混合物或作为任何消耗、浓集和电极隔室中的层排列以致于可组装以各种排列存在的许多层。在任何消耗、浓集和电极隔室中的混合床离子交换树脂的用途、在阴离子与阳离子交换树脂床层之间的惰性树脂的用途以及各种类型阴离子与阳离子交换树脂的用途例如由DiMascio等在美国专利5858191中描述的那些树脂处于本发明范围内。
操作中，一般来自上游水源在进入点16进入处理系统10中的已经溶解阳离子和阴离子物质(包括硬度离子物质)的待处理的液体可引入到蓄水系统14中。然后待处理的液体可如以下描述的那样处理或在电去离子装置12中进行电去离子。然后所产生的已处理的液体可传输并贮存在蓄水系统14中。在蓄水系统14中的已处理的液体或者至少其一部分可在一个实施方案中通过连接的输配水系统(未显示)传输至使用场所18。
待处理的液体通常进入电去离子装置或堆积12，优选在电去离子装置12的消耗隔室。通过电极跨过堆积施加电场，所施加的电场一般产生将阳离子和阴离子物质吸引到它们相应电极的电势。这样，所述阳离子和阴离子物质趋于自消耗隔室向它们相应的吸引电极迁移至邻接隔室，后者在一些实施方案中为浓集隔室。隔室之间的选择性渗透隔膜用作防止离子物质进一步迁移进入邻接隔室的屏障。因此，来自消耗隔室的液流的离子物质可捕集到邻接或附近的浓集隔室因此产生离开前个隔室的已处理的液体和离开后个隔室的浓集液流。代表性的合适的离子选择性隔膜包括例如用含有磺酸或季铵官能团的苯乙烯-二乙烯基苯为载体的基料、用在聚偏二氟乙烯粘合剂中的苯乙烯-二乙烯基苯为载体的基料和在聚乙烯片材上的无载体磺化苯乙烯和季铵化乙烯基苄基胺接枝物。
在本发明一些实施方案中，所施加的电场可产生极化现象，这通常导致水解离作用，尤其是当水用作待处理的液体时，解离为羟基和氢离子。所述羟基和氢离子可使消耗和浓集隔室中的离子交换树脂再生以致于所溶解的离子物质的去除可发生在基本上离子中性条件下并且可连续发生而不需要单独的步骤用于再生耗尽的离子交换树脂。
所述电场通常是通过电去离子装置12的电极施加的直流电。然而，可在一个电极与另一个电极之间产生偏压或电势差的任何施加的电流可用于促进离子物质的迁移。因此，可使用交流电，条件是在电极之间存在足以使阳离子和阴离子物质吸引到它们相应的吸引电极的电势差。例如在本发明一个实施方案中，交流电可整流，例如用二极管或桥式整流器以使交流电转化为具有足够电势的脉动电流吸引带电荷离子物质。
所述电活性介质，通常为阳离子和阴离子交换树脂，通常用于消耗隔室并且在一些情况中用于所述浓集隔室，可在它们的表面区域具有各种官能团，包括(但不限于)叔烷基氨基和二甲基乙醇胺。这些也可与其它具有各种官能团例如(但不限于)季铵基团的离子交换树脂物质联合使用。对本领域技术人员应发生使用不多于常规实验方法的其它改进和等价物。例如，在任何消耗、浓集和电子器件隔室中层状离子交换树脂床的使用可用于本发明。
蓄水系统14可用于贮存或蓄积来自进入点16的液体并且也可用于贮存来自电去离子装置12的已处理的液体。蓄水系统14也可向使用场所18提供已处理的水或至少部分已处理的水。在一些实施方案中，蓄水系统14包括容器，例如具有用于流体流动的入口和出口的受压容器。如在此使用的，受压的指具有大于约2psi的压力差的任何单元操作。因此，受压容器为例如通过它的器壁具有大于约2psi的压力差的容器。
按照本发明另一个实施方案，蓄水系统14包括多个容器或储器，每一个容器本身可具有位于每一个容器的不同位置上的几个入口。每一个容器可具有一个或几个出口，它们可位于不同位置上，取决于至使用场所18的需要量和流速、电去离子装置12的容量或效率以及蓄水系统的容量或积存量。蓄水系统14可另外包括实施合乎需要的功能或避免不合需要后果的各种组件或元件。例如，蓄水系统12可具有含内部元件例如安置以将任何内流减至最小的挡板的容器。在一些情况中，蓄水系统14可具有辅助或外部元件，包括(但不限于)设计降低不合需要的内压和避免或者至少减小破裂和膨胀系统的可能的卸压阀，它可适应与温度变化相关的容积变化，例如热膨胀槽，它设计保持要求的操作压力。这样热膨胀槽的大小和容量将依几种因素而定，包括(但不限于)水的总体积、所述蓄水系统的操作温度和压力。
按照本发明另一个实施方案，处理系统10可包括流体连通电去离子装置12的至少一个出口的循环管路。例如，循环管路32可连接于歧管出口(未显示)，后者收集离开隔室一般为类似的操作隔室，尤其是消耗或浓集隔室的液体。循环管路32也可通过如在图1中图解说明的泵20b和阀门22a与22b连接于电去离子装置12的入口。
电去离子装置12也可包括一个或更多个电去离子段，如由Ganzi等在美国专利5316637中描述的那样。在每一个段，消耗和浓集隔室的堆积位于第一和第二电极之间。按照本发明的一个实施方案，电去离子装置12的每一个段包括多个隔室，每一个隔室部分地由在其任何一端的外部隔膜限定。至少一个隔室的隔膜可共同大范围接触邻接隔室的隔膜；按照一个实施方案，以堆积方式存在的所有隔室可彼此相邻排列，伴随邻接隔室的隔膜彼此共同大范围接触。这样的排列由Gallagher等在美国专利5736023中得到描述。
如在图1的实施方案中图解说明的，电去离子装置12通常包括第一隔室34和邻接隔室36，所述第一和第二隔室由位于之间的离子选择性隔膜38分开。按照本发明的一个实施方案，第一隔室34可用作消耗隔室，第二隔室36可用作浓集隔室。特别是电去离子装置12用单一的消耗隔室和单一的浓集隔室图解性举例说明；因此它显示仅用于举例说明。因此，按照本发明一个优选的实施方案，确定段的多个消耗隔室和单一的浓集隔室将排列在电去离子装置的电极之间。
第一隔室34可包括第一端口40和第二端口42。类似地，第二隔室36可包括第一端口44和第二端口46。按照本发明的一个实施方案，第一端口40与第二端口42可位于第一隔室34的相对端面，第一端口44与第二端口46可位于第二隔室36相对端面。第一端口40和44可用作液体进入它们相应隔室的入口。相应地，第二端口42和46可用作它们相应隔室的液体出口。
按照本发明另一个实施方案，电去离子装置12可包括多个第一和第二隔室。每一个所述第一隔室可包括第一端口和第二端口。所述多个第一端口通常可流体连通于第一端口歧管48，所述多个第二端口通常可流体连通于第二端口歧管50。类似地，每一个所述第二隔室可包括第一端口和第二端口。所述多个第二隔室第一端口通常可流体连通于第一端口歧管52，所述多个第二隔室第二端口通常可流体连通于第二端口歧管54。
第一隔室34和第二隔室36可连接于具有多个由管道、歧管和阀门限定的流体通道或回路的液体循环网络。在本发明的一个实施方案中，在图1中显示的，第一液体回路可包括通过泵20a、滤器24a、阀门22a与22b和歧管48与52从蓄水系统14至第一隔室34或第二隔室36中任何一个的流体连接。所述第一液体回路可另外包括通过歧管50与54和阀门22c与22d从第一隔室34和第二隔室36至蓄水系统14的流体连接。在本发明的另一个实施方案中，处理系统10可包括通过第一隔室34或第二隔室36与循环管路32的第二液体回路。在一些情况中，所述第二液体回路可通过泵20b、滤器24b和阀门22a或22b中任何一个流体连通循环管路32至第一隔室34或第二隔室36。所述第二液体回路可另外包括通过歧管48和52的流体连接。另外，所述第二液体回路可另外包括通过歧管50或歧管54至阀门22c与22d中任何一个的流体连接。
如在此使用的，术语液体回路打算定义使得液流在其中流动的阀门与管路的特有连接与配置。
本发明的其它实施方案将参照附图2A-2D得到描述。在这些附图中，加深的粗线表示液体可通过它按照所描述的液体回路流动的通路。为了举例说明起见，本发明的各种实施方案将通过水体净化得到描述。然而，应该理解任何可通过电去离子技术处理的液体的处理可得益于使用本发明的系统和方法。
在图2A中，图解说明第一液体回路，其中供液例如自来水、盐味水或预处理的半纯化水可通过进入点(未显示)进入处理系统10。因此，在本发明的一个实施方案中，待处理的液体可从蓄水系统14的出口60通过管道62、阀门22a、泵20a，任选通过滤器24a和歧管52经端口44进入隔室36在第一液体回路中流动。所述第一液体回路可另外包括隔室36通过端口46至歧管54、阀门22d、管道64和通过入口66至蓄水系统14的连接。阀门22a和22d可驱动以使得通过以上描述的第一液体回路流动。因此，所述第一液体回路可从蓄水系统14向电去离子装置12供给待处理的液体和可输送已处理的液体并在蓄水系统14中贮存。
本发明提供了在处理系统10中的第二液体回路。按照本发明的一个实施方案，所述第二液体回路可使浓集液流通过电去离子装置12的一个隔室在闭合回路中流动。如在图2B的示意图中图解说明的，所述第二液体回路可包括通过阀门22b、泵20b，任选通过滤器24b进入歧管48至和自循环管路32与至和自隔室34的连接并且可通过端口40进入隔室34。所述第二液体回路可使液体通过端口42和歧管50离开隔室34和通过循环管路32与歧管48返回到隔室34。按照本发明的一个实施方案，在所述第二液体回路中流动的浓集液流可包含已经从隔室36通过离子选择性隔膜38迁移进入隔室34的离子物质。在一些情况中，在所述第二液体回路中流动的浓集液流可按照预定的工艺过程排放或输送至排水口30。输送至排水口30可通过例如必要时打开排水阀(未显示)实现。
在另一个实施方案中，在图2C中图解说明的，本发明提供了使蓄水系统14流体连通至电去离子装置12的隔室34的第三液体回路。所述第三液体回路可包括至和自滤器24b的连接。通常，所述第三液体回路可包括从蓄水系统14的出口60至管道62至阀门22b至泵20b至歧管48和至隔室34的端口40的连接。所述第三液体回路可另外包括从端口42至歧管50至阀门22c至管道64和至蓄水系统14的入口66的连接。在所述第三液体回路中，来自蓄水系统14的待处理的流体通常流入隔室34。所产生的净化水可输送至蓄水系统14。
在另一个实施方案中，本发明可提供第四液体回路，它提供了从电去离子装置12的浓集隔室的出口至同一个浓集隔室的入口的连接。如在图2D的示意图中图解说明的，所述第四液体回路可连接隔室36的出口46至歧管54至阀门22d，其依次可连接于循环管路32。所述第四液体回路也可提供从循环管路32至阀门22a至泵20a和通过歧管52至隔室36的端口44的连接。这个液体回路可包括至排水口30的连接以致于通常在所述第四液体回路中流动的浓集液流可排出。
在另一个实施方案中，如在图3A中图解说明的，本发明提供了采用净化水或至少部分已处理的水冲洗电去离子装置12。电去离子装置12的冲洗可通过采用泵20a和20b经阀门22a和22b并且任选通过滤器24a和24b输送已处理的水进入隔室34和36来实施。这第一冲洗回路可循序进行以致于在隔室34用流出隔室36的已处理的水冲洗之前隔室36用已处理的水冲洗。所述流体方向箭头56显示来自储器14的已处理的水可由阀门22a引导在进入隔室36的端口44之前通过泵20a至歧管52流动。这样，净化水可用于替代或冲洗出在隔室36中蓄积的任何液体。泵20a的连续运转，自储器14输送已处理的液体，可促使已处理的冲洗液体的任何上游液体通过端口46离开并流入歧管54，最后可由阀门22c再引导进入循环管路32。阀门22b可连接循环管路32泵20b，其依次可使已处理的液体通过歧管48流动并通过端口40进入隔室34。所述净化水通过使用泵20a和20b中的任何一个，或者任选地协调使用两个泵以及使阀门22a、22b、22c和22d适当取向而连续流动可使得基本上全部或者大部分工艺管线，尤其是处理系统10的润湿部件用来自储器14的净化水冲洗。在一些情况中，用于冲洗电去离子装置12的净化水具有低的LSI或者具有足够的纯度以在与具有不合需要的离子物质的任何液体混合后适应和满足使用场所18的要求。本发明进一步提供了用具有低LSI的液体置换电去离子装置10中的液体成分的冲洗系统，确信提供了对任何结垢形成的抑制作用。所述液体可返回到蓄水系统14。如在此使用的，低LSI水具有少于约2，优选少于约1，更优选少于约0的LSI。在一些实施方案中，本发明提供了具有低电导率的已处理的液体例如水。如在此使用的，低电导率液体具有少于约300μS/cm，优选少于约220μS/cm，更优选少于约200μS/cm的电导率。
在另一个实施方案中，本发明可提供可置换存在于处理系统10中的具有积垢趋势的任何液体的第二冲洗回路。在于图3B中图解说明的实施方案中，可为来自储器14的净化水的液体通过阀门22a和22b经泵20a和20b平行流入第一和第二隔室34和36。已处理的水可流入歧管48和52并分别通过40和44进入所述隔室。所述净化水的连续流动可置换趋于在隔室34和36中形成结垢的任何液体。冲洗可通过使泵20a和20b运转连续进行以致于净化水可通过端口42和46流出并分别进入歧管50和54，最后通过阀门22c和22d引导返回到储器14。在这个装置或技术中，冲洗流体例如净化水可置换可能已经在处理系统10中蓄积的任何液体。正如所述早先描述的实施方案，所述冲洗装置或技术可用具有低LSI的液体或具有很少或者没有形成结垢趋势的液体置换可趋于形成结垢的任何液体。类似地，所述冲洗液体可返回至蓄水系统14。
在本发明的一些实施方案中，蓄水系统14包括受压容器或具有用于流体流动的入口和出口例如入口58和出口60的容器。入口58通常流体连通于进入点16，出口60通常流体连通于输配水系统或使用场所18。蓄水系统14可具有几个容器，每一个容器依次可具有几个位于不同位置的入口。类似地，出口60可位于每一个容器的不同位置，取决于至使用场所18的需要量和流速、电去离子装置12的容量或效率以及蓄水系统的容量或积存量。蓄水系统14可另外包括实施合乎需要的功能或避免不合需要后果的各种组件或元件。例如蓄水系统14可具有包含内部元件例如安装以干扰蓄水系统14的容器中的任何内流的挡板的容器。按照本发明的一些实施方案，蓄水系统14可包括用于加热或冷却所述流体的热交换器。例如，蓄水系统14可包括具有加热盘管的容器，其可具有在相对于所述容器中流体温度的升高的温度下的加热流体。所述加热流体可为在用加热单元操作例如加热炉加热的闭合回路流动中的热水以致于所述加热流体温度用加热炉升高。所述加热流体可通过热交换升高容器流体温度。内部或另外元件的其它实例包括(但不限于)设计降低任何容器的内压和避免或者至少减小容器破裂的可能的卸压阀。在本发明的仍然另一个实施方案中，蓄水系统14包括适合于保持要求的操作压力的热膨胀槽。热膨胀槽的大小和容量将依几种因素而定，包括(但不限于)水的总体积、所述蓄水系统的操作温度和压力。
在操作中，蓄水系统14通常连接进入点16的下游并且在管线内例如在循环回路内与电化学装置12例如电去离子装置流体连通。例如，来自进入点16的水可流入入口58并且可与包含在蓄水系统14中的重力水混合。重力水可通过出口60离开蓄水系统14并可引导向使用场所18或者通过泵20a和20b进入电化学装置12用于纯化或除去任何不合需要的物质。离开电化学装置12的净化水可与来自进入点16的水混合并通过入口60进入蓄水系统14。这样，在蓄水系统14与电去离子装置12之间形成回路，来自进入点16的供水可补充由使用场所18产生的水需求并流向使用场所18。
所述电化学装置可包括通过除去至少部分任何不合需要的物质例如引起硬度的物质纯化或处理液体例如水的任何处理装置或系统。这样电化学装置的实例包括电去离子装置、电渗析装置和电容式去离子装置。特别是本发明的系统和技术可采用其它的处理装置或系统。例如，本发明可采用反渗透装置作为处理设备，在此描述的各种装置和技术可用于最大程度地减少或除去存在于这样系统中的任何硬度沉积物。
进入点16提供或连接来自水源的水至处理系统。水源可为饮用水源例如生活用水源或井水或者它可为非饮用水源例如盐味或盐水源。在这样的情况中，中间纯化或处理系统一般在它到达进入点16之前纯化人消耗用水。所述水通常包含溶解的盐或离子的或可电离物质包括钠、氯化物、氯、钙离子、镁离子、碳酸盐、硫酸盐或其它不溶或半溶物质或溶解的气体例如二氧化硅和二氧化碳。另外，所述水可包含添加剂例如氟化物、氯酸盐和溴酸盐。
在本发明另一个实施方案中，处理系统10包括输配水系统，它连接至使用场所。所述输配水系统可包括流体连通以从蓄水系统14向使用场所18供水，一般为净化水的组件。所述输配水系统可包括任何排列的管线、阀门、三通、泵和歧管以从蓄水系统14向一个或几个使用场所18或者处理系统10的任何组件供水。在一个实施方案中，所述输配水系统包括家用或住宅输配水网络，包括(但不限于)洗水槽龙头(sink faucet)、花洒、洗涤机和洗碟机的连接。例如，系统10可连接于冷或热或两者的家用输配水系统。
按照本发明另一个实施方案，处理系统10也包括传感器28，一般为水特性传感器，其测量处理系统10中的至少一种物理特性。例如，传感器28可为可测量浊度、碱度、水电导率、pH、温度、压力、组成或流速的装置。传感器28可安装或配置在处理系统10中以测量尤其优选的水特性。例如，传感器28可为安装在蓄水系统14中测量所贮存水的电导率(可为使用场所18可获得的供水质量的指标)的水电导率传感器。在本发明另一个实施方案中，传感器28可包括一系列或一组传感器。这组传感器可构造、排列或连接于控制器26以致于控制器26可间歇地或连续地监测水的质量。在这样的装置中，处理系统10的性能可如以下描述的那样最优化。本发明的其它实施方案可包括在贯穿处理系统10的不同位置多组传感器的组合。例如，传感器28可为测量至使用场所18的流速的流量传感器，另外包括任何监测处理系统10的操作条件的浊度计、pH、组成、温度和压力传感器。
按照本发明另一个实施方案，处理系统10可另外包括设计在水引入到例如蓄水系统14或处理装置例如电化学装置之前从水中除去部分任何不合需要的物质的预处理系统24。预处理系统的实例包括(但不限于)反渗透装置，它通常用于将盐味水或盐水脱盐。尤其是碳滤器或活性炭滤器对除去至少一部分任何氯或可能阻碍或干扰电化学装置的操作的任何物质可以是必要的。
预处理系统24可安装在处理系统10中的任何位置。例如，预处理系统24可安装在蓄水系统14的上游或蓄水系统14的下游但是电去离子装置12的上游以致于至少一些氯物质保留在蓄水系统14中但是在液体进入电去离子装置12之前除去。预处理系统24可包括滤器或多个滤器排列。如在图1中显示的，预处理系统24包括在隔室34和36上游的滤器24a和24b。在其它情况中，预处理系统24可包括在蓄水系统14上游的滤器以及在泵20a和20b与隔室36和34之间的滤器24a和24b。滤器24a和24b可为任何颗粒、碳、铁滤器或其组合。
按照本发明的其它实施方案，所述处理系统可另外包括配置在其任何部分的前或后处理装置或系统以使得消除污染或使得可能聚集在所述处理系统的任何组件的微生物例如细菌失活。例如，预处理装置可流体连通于本发明的输配水系统。在本发明的其它实施方案中，后处理设备可将流体在输送至使用场所之前处理。可消灭或灭活微生物的这样的装置或系统的实例包括提供光化辐射或紫外辐射和/或臭氧的那些装置或系统。这样装置的其它实例包括通过超滤作用或微孔过滤除去细菌的那些装置。按照本发明的其它实施方案，所述处理系统可另外包括消毒所述处理系统的一个或更多个组件的一个或更多个化学品输送系统。例如，化学处理系统可流体连通于所述处理系统的任何组件以输送消灭或使任何细菌灭活的化学品。这样化学品的实例包括(但不限于)酸、碱或其它消毒化合物例如醇类。在本发明的其他实施方案中，热水消毒装置可流体连通于本发明的处理系统。所述热水消毒装置可提供消灭或灭活可能聚集在所述处理系统的任何组件的任何细菌的热水。
在本发明的仍然另一个实施方案中，处理系统10另外包括能够监测和调节处理系统10包括其组件的操作条件的控制器26。控制器26通常为基于微处理器的装置例如可编程逻辑控制器(PLC)或分布式控制系统，其至和从处理系统10的组件接收或发送输入和输出信号。在本发明的一个实施方案中，控制器26可为向电源(向电去离子装置12供电)(未显示)发送信号或向驱动泵20a和20b的电机的电动控制中心发送信号的PLC。在本发明的某些实施方案中，控制器26调节在开环或闭环控制流程中的处理系统10的操作条件。例如，在开环控制中的控制器26可向处理系统提供信号以致于水不需要测量任何操作条件得到处理。相反，控制器26可控制闭环控制中的操作条件以致于操作参数可根据通过例如传感器28测量的操作条件得到调节。在本发明的仍然另一个实施方案中，控制器26可另外包括通信系统例如用于向远地站传输或发射所测量的操作条件或操作参数的远程通信设备。
按照本发明的另一个实施方案，控制器26可提供驱动阀门22a、22b、22c和22d的信号以致于液流基于多种参数引导，所述参数包括(但不限于)来自进入点16的水质、至使用场所18的水质、至使用场所18的水需要量或数量、电去离子装置12的操作效率或容量或者各种操作条件例如浊度、碱度、水电导率、pH、组成、温度、压力和流速中的任何一种。在本发明的一个实施方案中，控制器26可接收来自传感器28的信号以致于控制器26能够监测处理系统10的操作参数。例如，传感器28可为安装在蓄水系统14中的水电导率传感器以致于蓄水系统14中的水电导率可通过控制器26监测。控制器26可基于通过传感器28测量的水质控制电源，后者可向电去离子装置12提供电场。所以在操作中控制器26可增加或降低或者调节从电源24向例如电去离子装置16供给的电压和电流。
在仍然另一个实施方案中，本发明提供调节操作参数例如至排水口30的排放速率或排放期作为至少一种所测量参数例如系统操作压力的函数。例如，图1中的阀门(未显示)驱动向排水口30开放的时间可基于所测量的供给使用场所18的液体压力调节。在一些情况中，所述阀门可驱动开放以减小所测量的压力或者当所测量的压力低于预定值时它可依阀门类型而定最小限度驱动。这样的副控制流程可引入或套用在驱动以上描述的阀门的任何原有的控制回路中。
按照本发明的另一个实施方案，所述阀门可用作压力控制回路的部件以及浓集物排放控制回路的部件。例如，当所测量的浓集物液流的电导率达到设定值时所述阀门可由控制器26驱动。加入所述阀门的单独的压力控制回路可添加或套用在原有的控制回路中以降低系统10的压力。在任何以上提及的控制流程中，所述控制回路可加入反馈以及任何相称的、派生的、积分的或优选其组合。在本发明的另一个实施方案中，引导浓集物液流向排水口30排放的控制回路可具有嵌套的控制回路参数，它根据传递至使用场所18的液体压力因素提供控制信号。
在本发明的另一个实施方案中，控制器26可按照预定的流程或按照操作条件例如水质或任何其它操作参数反转从电源向电去离子装置12施加的电流方向。极性反转已经由例如Giuffrida等在美国专利4956071中描述。
控制器26可通过编制程序进行配置或者可自动调节以致于它能够使处理系统10的使用寿命和效率达到最大或者减小处理系统10的操作成本。例如控制器26可包括具有用户可选择的设定值或自动调节的设定值的微处理器，它调节向电化学装置例如电去离子装置施加的电压和电流，通过电去离子装置的浓集和消耗隔室的流速或从所述电去离子装置或预处理系统或两者向排水口30的排放速率。对本领域技术人员将出现使用不多于常规实验方法的作为所公开的处理系统的部件的所述控制器的其它改进和等价物。例如，加入能够基于多种输入条件例如用水速率或用水时间改变操作参数的适配的、自动调节或自诊断技术确信在本发明的范围和精神内。控制器26可加入不工作区控制以减少不稳定的开/关控制或振颤的可能。不工作区指传感器所提供的无必要的启动应答控制信号的信号输出范围。在本发明的一些实施方案中所述不工作区可固有地存在于所述传感器中或者可经编制程序为所述控制系统的部分或者两者兼而有之。不工作区控制可避免由于消除测量偏差引起的不必要的间歇操作。这样的控制技术可延长在处理系统10的组件损坏前的运转寿命或平均时间。可使用的其它技术包括使用表决、时间平滑或时间平均测量或其组合。
在本发明的另一个实施方案中，水(一般来自废液流)对于辅助用途可供给或提供另外的或次级的益处。例如，未进入排水口30的废液流可用于向任何住宅、商业或工业用途提供冲洗水例如用于冲洗、用于循环或回收收集或浓集的盐。
所述处理系统可包括流体回路，它可向所述电化学装置的电极隔室提供已处理的或者在一些情况中为软化的水。所述流体回路可包括从已处理的水源向电化学装置的电极隔室的流体连通。所述流体回路也可包括预处理单元，例如可除去可干扰所述电化学装置的操作的任何物质例如氯的碳滤器。所述流体回路也可包括至例如所述预处理单元的下游的例如电去离子装置的所述消耗和浓集隔室中的至少一个的流体连通。在本发明的一个实施方案中，所述流体回路连通提供连通以致于离开电极隔室的流体可例如混合在一起或者与消耗隔室中的待处理的流体混合。所述流体回路也可包括可引导流体流至和流自电化学装置以及流至和流自蓄水系统的泵和阀门。在一些情况中，所述流体回路经排列以提供通过所述电去离子装置的电极隔室形成平行流路的流体连通。在所述流体回路中的其它排列和配置认为处于本发明的范围内，包括例如从一个电极隔室向另一个的顺序流路，使用单一、多个或专用预处理单元以及多个或分级处理单元，包括(但不限于)反渗透、离子交换和电去离子装置或其组合。
所述处理系统可包括从所述电去离子装置的消耗隔室向至少一个电极隔室提供流体连通的流体回路。这样的排列可向电极隔室提供净化水，优选具有低LSI的水。所述流体回路可排列以致于流体流路可以串联或平行通过所述电极隔室。所述流体回路可另外包括流体连通以使离开所述电极隔室的流体通过例如输配水系统输送至使用场所。在本发明的一些排列中，所述流体回路可包括流体连通以致于未处理的流体可与离开任何电极隔室的流体混合；所述混合物可输送至使用场所。在本发明另一个实施方案中，所述流体回路可另外包括至和自蓄水系统的流体连通以致于例如离开消耗隔室的已处理的流体可输送至蓄水系统并与来自进入点的未处理流体混合，所述混合物可输送至使用场所和任选地以平行或串联流路输送至电去离子装置的电极隔室。其它排列和组合包括例如混合已处理和未处理的水产生混合的电极隔室冲洗流体认为处于本发明的范围内。
本发明将通过以下实施例得到进一步举例说明，所述实施例在本质上是举例说明性的并且不打算限制本发明的范围。
实施例
装配和评价了在图4中图解显示的管线上的受压处理系统。处理系统10包括电去离子组件12和受压贮存容器14。来自进入点16的水通过入口58引入到受压贮存容器14中，使用泵20a和20b并通过预处理单元24a与24b及电去离子装置12循环。所述处理系统通过可编程控制器(未显示)基于如通过传感器28a、28b、28c和28d中任何一个测量的那样测量的水电导率控制。
电去离子装置12包括具有流路的10单元对堆积，所述流路为约7.5英寸长和约2.5英寸宽。每一个单元填充约40％
Figure S04840141020060714D000211
SF 120树脂和约60％
Figure S04840141020060714D000212
IRA 458树脂，两者可得自Rohm & Haas Company，Philadelphia，Pennsylvania。所述电去离子装置具有用氧化钌涂布的扩大的钛电极。
所述控制器为可得自Allen-Bradley Company，Inc.，Milwaukee，Wisconsin的MICROLOGIXTM 1000可编程控制器。所述电去离子装置设定通过流动开关信号或者当离开受压容器的出口液流的水电导率高于设定值时起动。所述电去离子装置运转直到所述电导率达到设定值。来自所述电去离子装置的原料通过第二进料泵自受压容器循环。施加到所述电去离子装置的电场的极性约每15分钟反转。除了控制电去离子装置12的组件，所述PLC收集、贮存和发送从传感器28a、28b、28c和28d测量的数据。
受压容器14为具有约30加仑容量的10英寸直径玻璃纤维容器。受压容器14装配阀门头和中心歧管管道。离开电去离子装置的浓集液流通过驱动阀门22c、22d和22e部分循环和部分排泄至排水口30。来自进入点16的补充水输送进入循环液流以补偿任何排泄至排水口30的水。
预处理单元24a和24b每一个包括具有25微米级的曝气铁滤器、20英寸×4英寸沉积滤器和20英寸×4英寸炭块滤器。
在一个流向上，来自压力容器14的水在引入到电去离子装置12的消耗隔室之前通过泵20a，通过阀门22a泵送至预处理单元24a。来自电去离子装置12的已处理的水由阀门22a引导贮存在压力容器14中。收集除去的离子物质的流体经泵20b通过预处理单元24b和经驱动阀门22d和22b通过电去离子装置12的浓集和电极隔室而循环。当所施加的电场极性反转时，流向相应调整以致于泵20a、预处理单元24a和阀门22a使积聚离子物质的液体循环。类似地，待处理的水在引入并在电去离子装置12的消耗隔室中处理之前采用泵20b通过阀门22d从压力容器14泵送至预处理单元24b。已处理的水通过阀门22d引导至压力容器14。
如通过流量指示器28c测量的已处理的水从受压容器14的出口60至使用场所18的流速通过调节阀门22f和22g调整。为了排放浓集物或废液流，必要时操作阀门22e。来自进入点16的水用于恢复和置换排泄至排放口30或在使用场所18消耗的流体。
所述处理系统运转直到达到约220μS/cm的目标设定值并稳定约1分钟。施加到所述电去离子装置的电压为约46伏特。进入所述消耗和浓集隔室的流速维持为约4.4升/分钟。排放流速被控制在排水量为约270ml约每30秒。容器中的压力为约15psig-约20psig。
图5显示所测量的处理系统中各种流的电导率作为运转时间的函数。表1和2概述了分别在实验开始和结束时测量的处理系统中各种流的性质。在表1中呈现的数据显示进入电去离子装置12的初始进料流(在图5中标示为槽出口(tankout)电导率，具有约412μS/cm的电导率)经处理产生初始稀释流(在图5中标示为堆出口(stackout)电导率，具有约312μS/cm的电导率)而pH无实质变化。类似地，在实验运行结束时，具有约221μS/cm电导率的水经处理产生具有约164μS/cm低电导率的水，pH无实质变化。确信在实验运行结束时进料流的低电导率反映了循环的作用，所述循环经几个途径有效除去不合需要的物质。因此，数据显示在图4中图解说明的系统可处理或软化水以适合于家用或住宅使用。
表1.实验运行开始时的物流性质
Figure S04840141020060714D000231
表2.实验运行结束时的物流性质
本发明已经描述了使用水作为液体但是不应限制于此。例如，当参照为处理的水时，确信用所述系统或按照本发明方法可处理其它液体。另外，当参照为对水或水性质进行调节、改进、测量或操作的所述系统的组件或本发明方法的步骤时，确信本发明也是适用的。因此，待处理的流体可以是为包含水的混合物的流体。因此，所述流体可为包含水的液体。
本领域技术人员应易于意识到在此描述的所有参数和配置意指例证性的，实际的参数和配置将依本发明系统和方法使用的具体用途而定。本领域技术人员应认识到或使用不多于常规实验方法能够确定在此描述的本发明具体实施方案的许多等价物。例如，本发明包括使用其它单元操作例如(但不限于)反渗透和紫外装置。因此应该理解另外的实施方案仅通过实施例呈现，在附加权利要求和其等价物的范围内，本发明可如具体描述的那样实施。本发明涉及在此描述的各个特征、系统或方法。另外，只要这样的特征、系统或方法不是相互不一致的，两种或更多种这样的特征、系统或方法的任何组合包括在本发明的范围内。

Claims (21)

1.一种处理液体的方法，所述方法包括：
形成使待处理的液体自储器通过第一泵流向电化学装置的第一隔室入口的第一液体回路；
形成使浓集的液体自所述电化学装置的第二隔室出口通过第二泵流向第二隔室入口的第二液体回路；和
形成使待处理的液体自储器通过第二泵流向第二隔室入口的第三液体回路。
2.权利要求1的方法，所述方法另外包括形成使浓集液体自第一隔室出口通过第一泵流向第一隔室入口的第四液体回路。
3.权利要求1的方法，所述方法另外包括跨过所述电化学装置施加电场。
4.权利要求3的方法，所述方法另外包括在形成第三液体回路后使施加的电场的极性反转。
5.权利要求1的方法，其中形成第三液体回路包括驱动第一阀门以引导待处理的液体流动通过第二泵。
6.权利要求5的方法，所述方法另外包括驱动第二阀门以引导浓集液体流动通过第一泵。
7.权利要求1的方法，所述方法另外包括测量所述液体的压力、温度、流速、pH、电导率和组成的至少一项。
8.权利要求1的方法，所述方法另外包括用已处理的液体冲洗所述第一和第二隔室。
9.权利要求1的方法，所述方法另外包括用已处理的液体冲洗所述第一和第二泵的至少一个。
10.权利要求1的方法，所述方法另外包括形成使来自储器的液体从所述储器通过第一和第二泵流向第一和第二隔室的第四液体回路。
11.权利要求10的方法，其中来自所述储器的液体具有负LSI。
12.权利要求1的方法，所述方法另外包括向使用场所输送至少一部分已处理的液体。
13.权利要求12的方法，所述方法另外包括在向使用场所输送已处理的液体之前后处理所述已处理的液体。
14.权利要求1的方法，所述方法另外包括消毒至少一部分所述第一液体回路、第二液体回路和第三液体回路中任何一个的任何组件。
15.一种处理水的方法，所述方法包括：
使至少一部分待处理的水经第一泵通过电化学装置的消耗隔室产生已处理的水；
使浓集液流经第二泵通过所述电化学装置的浓集隔室循环；和
使浓集液流经第一泵通过浓集隔室循环。
16.权利要求15的方法，所述方法另外包括使至少一部分待处理的水通过所述第二泵。
17.权利要求15的方法，所述方法另外包括冲洗第一隔室同时冲洗第二隔室。
18.权利要求15的方法，所述方法另外包括用已处理的水顺序冲洗所述第一和第二隔室与所述第一和第二泵。
19.权利要求15的方法，所述方法另外包括使来自储器的水在使水通过所述第二隔室后通过第一隔室。
20.一种处理系统，所述处理系统包括：
包含第一隔室和第二隔室的电化学装置；
用于使待处理的液体从储水器流动通过第一隔室和使浓集液通过第二隔室循环的装置；和
用于使待处理的液体从储水器流动通过第二隔室和使浓集液通过第一隔室循环的装置。
21.权利要求20的处理系统，其中所述电化学装置包括电去离子装置。
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