CN101595067A - 让水富含镁离子的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种让水，特别饮用水富含镁离子的方法和设备。为在处理水，特别是饮用水时可用与钙离子和/或重金属离子交换来让水富含镁离子，本发明推荐使水流过含弱酸性离子交换材料的离子交换剂(9)，该弱酸性离子交换材料的至少部分的离子交换容量由镁离子所负载。

Description

让水富含镁离子的方法和设备
本发明涉及一种让水，特别是饮用水富含镁离子的方法和设备。
为防止流过水的装置如管道、热水器和附件的结垢和腐蚀，需要对水进行处理。因为结垢主要由产生硬度的成分(
Figure A20078004445600041
)即钙和镁的盐的沉积引起，所以为保护装置大多使用从水中去除钙离子和镁离子的软化装置。该软化装置通常按离子交换原理工作，钙离子和镁离子由来自离子交换剂的钠离子或钾离子所完全或部分取代。为防止该装置腐蚀，可在水中加入呈多磷酸盐和/或正磷酸盐、硅酸盐、碳酸盐和/或氢氧化物，大多借助于计量装置加入。
除去在管道或其它导水装置中的水处理外，也使用直接在水龙头处进行水处理的方法。这类直接在水龙头处或在单独容器中的水处理称为使用现场处理(POU)。这时使用装在水龙头紧前面或在水龙头上的装置，或使用敞口体系，这时水在单独容器(大多为罐)中进行处理。
与在水龙头处直接在流出水龙头或在其紧前面进行水处理不同，为在单独的容器中处理水，大多使用是使该待处理的水由上方充填到容器的插入部件或附件中，接着水经高效过滤器去除颗粒、经活性炭去除氯、有味道的物质和有气味的物质以及经离子交换去除产生硬度的成分如钙离子和镁离子、重金属和碳酸氢盐，并流入容器下部。在市场上该容器称为所谓的水瓶(Pitcher)或水壶(Jug)，例如由Anna和Brita公司供应。
在该容器中所用的离子交换剂主要含弱酸性阳离子交换树脂，该饮用水的产生硬度的成分和重金属大部分由来自离子交换剂的氢离子所交换。这种交换的结果使经处理的饮用水的pH值为约4.5-5，而通常的即未经处理的饮用水或自来水的pH值大多大于7。
如果在容器中经处理的水(如在大多情况下常见的)不仅用于饮用或烹饪，也用于准备热饮用水特别是用于准备茶时，该pH值的降低会产生后果。因为茶的颜色仅受水的pH值影响，而不受茶成分的影响，所以pH值越低，茶越透亮和清澈。其原因是茶叶含有儿茶素、叶绿素和类黄酮，这些物质是天然的pH指示剂。如果pH值低于4，则茶浸泡液是无色的。如果水的pH值大于7，则茶颜色变得更深，并同时导致茶叶中所含的多酚的氧化。其进而交联成水不溶性的聚合物，该聚合物随后在表面形成薄膜。
为避免pH值降低，该离子交换剂中的弱酸性阳离子交换树脂要呈缓冲形式使用，其中一定的份量用钠离子或钾离子所调整或负载，而其余保留呈氢离子型。所以在交换时原水(Rohwasser)中的并非所负载的全部阳离子均由氢离子取代，而是部分由钠离子或钾离子所取代。该经处理的水的pH值可经这种缓冲方式调节到大于6的值。
但通常认为，这种水处理的后果是从饮用水中或多或少强烈地去除了在生理上重要的镁离子，由此恶化了饮用水的品质。另一方面饮用水中钠含量的增加也视为是不利的，特别是将该经处理的饮用水用于准备婴儿营养品时是不利的。
由现有技术已知借助于含强酸性交换树脂的离子交换剂来用镁离子取代饮用水中的钙离子。为此例如在DE 10020437 A1中描述了一种方法，该方法中含强酸性阳离子交换树脂的离子交换剂用例如氯化镁溶液再生。再生后该离子交换剂的强酸性交换树脂以镁-型存在，并可在处理饮用水时，可由与钙离子交换而释放出其镁离子。该阳离子交换树脂耗尽后，所述离子交换剂可用氯化镁溶液再次再生。
与强酸性阳离子交换树脂不同，弱酸性阳离子交换树脂不能用盐溶液如氯化镁再生。在用于软化水后呈钙-型存在即基本上其100％的离子交换容量由钙离子所负载的弱酸性阳离子交换树脂是经耗尽的，并接着可用酸再生。其原因在于弱酸性阳离子交换树脂通常具有羧基作为固定离子或具交换活性的基团，在该基团上钙离子呈钙-型键合。因此该钙离子仅以低离解的形式存在于离子交换剂中，由此仅可在酸环境下离解，并由酸的氢离子所交换。用酸再生后该离子交换剂再次呈氢离子-型存在，即基本上其100％的离子交换容量由氢离子负载。
弱酸性离子交换树脂可在再生后于另一处理步骤中用酸进行调整，例如用氢氧化钠水溶液或氢氧化钾水溶液转化成钠-型或钾-型，这种情况下用钠离子或钾离子代替用氢离子负载。
由现有技术还已知可使用经调整的弱酸性阳离子交换树脂，以从水中去除其它阳离子如重金属离子或产生硬度的成分的离子。此时重金属离子或产生硬度的成分的离子与钠离子或钾离子交换。但如果弱酸性阳离子交换树脂呈钙-型，则除氢离子外的阳离子交换均不再可能。
由此本发明的目的在于提供一种处理水特别是处理饮用水的方法和设备，其不出现先前所述的缺点，并可让水富含镁离子。
本发明的目的是通过权利要求1和14的特征部分实现的，其中使水流过含弱酸性离子交换材料并优选含弱酸性阳离子交换树脂的离子交换剂，该离子交换材料至少部分离子交换容量由镁离子所负载或富集。
本发明范围内的弱酸性离子交换材料或弱酸性阳离子交换树脂意指特别是在Hartinger，Ludwig，“Handbuch der Abwasser-undRecyclingtechnik für die metallverarbeitende Industrie”，Carl HanserVerlag，München，Wien 1991中给出的材料。按该手册的5.2.3.3章，依树脂所含的有交换活性的类型而将离子交换树脂首先区分为阳离子交换剂和阴离子交换剂。该类型还可再区分，对阳离子交换剂分为强酸性的和弱酸性的交换树脂，对阴离子交换剂分为强碱性的和弱碱性的交换树脂，在交换反应中其相应呈强酸或弱酸或者呈强碱或弱碱起作用。按此，弱酸性阳离子交换剂类似弱酸起作用，并类似弱酸形成基本不离解的形态，处于该形态其几乎不可吸附其它阳离子。
但可以令人意外地发现，用负载有镁离子的弱酸性阳离子交换剂却能非常好地让镁离子与钙离子和重金属离子进行交换。
该事实是令人意外的，因为钙和镁是具有相似特性的碱土金属，由此本来应得出结论，即镁离子类似于钙离子与弱酸性阳离子交换树脂的有交换活性的羧基形成络合物，并因此也呈不离解地存在于弱酸性阳离子交换剂的固定离子基质中。该结论也是易理解的，因为在洗涤剂中已知，为防止沉淀，用羧化物导致钙离子和镁离子的络合，因为该两类离子络合时有类似的行为。但这意味着，除氢离子外不可用其它阳离子来交换该阳离子交换剂的镁离子。
但可证实，用本发明的方法和本发明的设备可实现这种交换，按本发明的一个优选实施方案，其可用于饮用水处理，以同时让水富含镁离子和实现水中钙离子和/或重金属离子的贫化。
在研究中发现，与钙离子相比，镁离子在弱酸性阳离子交换剂中以更强得多的离解形式存在，即与钙离子相反，镁离子与弱酸性阳离子交换剂的羧基未产生强键合。因此对交换反应或阳离子交换剂再生无需用酸来离解镁离子，以致负载有镁离子的弱酸性阳离子交换剂可用水中存在的阳离子如钙离子、铜离子或铅离子来交换其镁离子。在使用这种镁-型的弱酸性阳离子交换剂来处理饮用水时，可得到富集有镁离子的饮用水，该镁离子完全或部分替代了含于原水中的其它阳离子如钙离子、铜离子或铅离子。
原则上可将弱酸性阳离子交换材料完全转变成镁-型，这时该离子交换材料的离子交换容量基本上100％由镁离子所负载。在此情况下，在交换反应中几乎所有含于饮用水中的阳离子均由交换剂的镁离子所取代，由此在饮用水中可达最大的镁离子浓度。在完全由镁负载的情况下，该交换未引起pH值的明显变化。
含这种由镁离子负载的阳离子交换材料的离子交换剂可有利地用于处理所谓的石膏水(Gipswasser)，即含高含量的钙和硫酸根的水。这种水可在管道、热水器和其它通水的装置中导致难溶硫酸钙的大量沉淀和淀积。但如果使用本发明的方法用镁离子来交换含于水中的钙离子，则经处理过的水含易溶的硫酸镁而不是难溶的硫酸钙，以致明显降低了沉淀和淀积的危险。
在使用现场(POU)使用本发明的方法时还提出一种优选的本发明的实施方案，即该弱酸性阳离子交换剂的仅部分交换容量由镁离子负载。仅部分由镁离子负载的弱酸性阳离子交换剂虽然通过镁离子仅部分取代含于水中的钙离子，但也去除了几乎全部的重金属，此外使得可将经处理过的水的pH值调节到低于约7的所需值。此外，可用此方式缩短用于负载交换剂材料的所需时间。
因为经处理的水的pH值与该离子交换材料由镁离子负载的程度或用氢离子负载的程度有关，所以例如用于准备茶的有利pH值可经下列方法调节到小于7.0和优选约为6.5，即该弱酸性离子交换材料的离子交换容量由镁离子负载的程度合乎目的地为30-70％，最佳为大约50-60％，而其余的离子交换材料呈氢离子-型，即其离子交换容量由氢离子负载的程度相应为70-30％，最佳为大约60-50％。在此情况下，待处理的饮用水富含有镁离子，而与完全由镁离子负载的离子交换材料相比，其同时降低了pH值。
如果经处理的水的pH值升高超过6.5，那么对饮用水是有利的，因为pH值越高，在经处理的水中的镁浓度也越高。
该弱酸性离子交换剂的首次由镁离子的负载或再生优选通过氧化镁的悬浮液实现，在该悬浮液中加入阳离子交换剂，并与该悬浮液一起搅拌一段时间。
下面将用附图中的实施例详述本发明，该唯一的附图示出让饮用水富含镁离子的设备。
图中所示的设备主要由向上开口的容器1以及用于过滤和处理饮用水的插入件2组成，该插入件挂在容器1的上部拓宽的端面中。
该插入件2主要由向上拓宽的上部件3和基本上是圆筒形的以可更换形式垂直插入上部件3中的料筒4组成，在该料筒的上端面设置有进口孔5和在其下端面上配置有多个出口孔6。该料筒4从上穿过上部件3的底部7的圆形接收孔，并通过环密封件8相对于上部件3密封，以致水不可从经料筒4上的上部件3进入容器1的内部。该上部件3形成待处理饮用水的贮槽，该饮用水注入上部件3后靠重力穿过料筒4流入容器1中。该料筒4含有由镁离子负载过的弱酸性阳离子交换树脂的填料形式的离子交换剂9，以致水流过料筒4时由来自阳离子交换树脂的镁离子替换来自原水的钙离子和重金属离子，并由此使经处理的水富含镁离子。在料筒4的上端和下端各配有超细过滤器10或11，该超细过滤器防止含于原水中的颗粒杂质进入离子交换剂8中或防止固体从料筒4出来经出口孔6流入容器1。
在用类似的容器所做的水处理实验中，使用Lanxess公司的S8227型阳离子交换剂作为插入件2的下部件4中的离子交换剂9，该离子交换剂预先用镁离子负载，以致其离子交换容量的约60％为镁离子-型，其余容量为氢离子-型。
为用镁离子负载阳离子交换剂的弱酸性阳离子交换树脂，将以氢离子-型存在的离子交换剂的交换树脂分批加入到氧化镁(MgO)的含水悬浮液中，并在该含水悬浮液中搅拌几小时。
在接着的实验中，向阳离子交换剂中加入含不同浓度的钙离子和镁离子以及铜离子的自来水。测定自来水穿过阳离子交换剂之前和之后的钙离子和镁离子以及铜离子的含量，以测算让饮用水富集镁离子的结果或去除重金属离子的结果。
表1和2给出两种不同自来水在让水富集镁离子以及pH值的变化和钙离子的含量方面的实验结果，表中依处理过的水体积给出进出离子交换剂的pH值以及Ca++离子和Mg++离子的浓度。
表1
Figure A20078004445600091
表2
Figure A20078004445600092
如表1和2所示，在水穿过离子交换剂时，一部分含于水中的钙离子与来自弱酸性阳离子交换树脂的镁离子发生交换。由此在处理过的水中的镁离子浓度明显高于原水中的镁离子浓度。还可看出，穿过离子交换剂后的水的pH值至少为6.3，以致由离子交换剂流出的水特别适于准备茶。
表3示出另一种自来水在使水中铜离子贫化、水中镁离子富集以及钙离子的含量变化方面的实验结果，表中依处理过的水体积给出进出离子交换剂的Ca++离子、Mg++离子和Cu++离子的浓度。
表3
如表3所示，该离子交换剂的由镁负载的弱酸性阳离子交换树脂可使水中所含的超过90％的铜离子与氢离子或镁离子发生交换。
在另一些实验中确证，这也适用于其它重金属离子如铅离子，其也与镁离子发生交换。
总之由此可说，用含以镁离子所负载的弱酸性阳离子交换树脂的离子交换剂可从原水中去除钙离子和重金属离子，并由镁离子所取代。
与仅与化学计算量上相应于碳酸氢根离子的那些阳离子发生交换的含氢离子-型的弱酸性阳离子交换树脂的离子交换剂不同，其还与所属硫酸根、硝酸根和氯离子的阳离子发生交换。

Claims (20)

1.一种用于让水，特别是饮用水富含镁离子的方法，其特征在于，使水经引导通过含弱酸性离子交换材料的离子交换剂(9)，该弱酸性离子交换材料的至少部分离子交换容量由镁离子所负载。
2.权利要求1的方法，其特征在于，使用弱酸性阳离子交换树脂作为离子交换材料。
3.权利要求1或2的方法，其特征在于，以与镁离子发生交换的形式来去除水中的钙离子。
4.上述权利要求之一的方法，其特征在于，所述离子交换材料部分由镁离子负载和部分由氢离子负载。
5.上述权利要求之一的方法，其特征在于，所述离子交换材料的30-70％的离子交换容量由镁离子所负载。
6.上述权利要求之一的方法，其特征在于，所述离子交换材料的70-30％的离子交换容量由氢离子所负载。
7.上述权利要求之一的方法，其特征在于，水在穿过离子交换剂之前和/或之后经过滤。
8.上述权利要求之一的方法，其特征在于，通过用镁离子负载将水的pH值调到6.0或更高，优选6.5或更高。
9.上述权利要求之一的方法，其特征在于，通过用镁离子负载将水的pH值调到7.5或更低，优选7.0或更低。
10.上述权利要求之一的方法，其特征在于，水从上方填充入容器(1)中，在其中流过离子交换剂(9)。
11.上述权利要求之一的方法，其特征在于，水用于准备热饮料，特别是茶。
12.上述权利要求之一的方法，其特征在于，所述离子交换材料用氧化镁和水的悬浮液再生。
13.一种用于让水，特别是饮用水富含镁离子的设备，其特征在于，其包括可导入水的含弱酸性离子交换材料的离子交换剂(9)，该弱酸性离子交换材料的至少部分离子交换容量由镁离子所负载。
14.权利要求13的设备，其特征在于，所述离子交换材料是弱酸性阳离子交换树脂。
15.权利要求13或14的设备，其特征在于，所述离子交换材料部分由镁离子负载和部分由氢离子负载。
16.权利要求13-15之一的设备，其特征在于，所述离子交换材料的30-70％的离子交换容量由镁离子所负载。
17.权利要求13-16之一的设备，其特征在于，所述离子交换材料的70-30％的离子交换容量由氢离子所负载。
18.权利要求13-17之一的设备，其特征在于，所述离子交换剂(9)含由弱酸性阳离子交换材料构成的床。
19.权利要求13-18之一的设备，其特征在于，其包括在水通过离子交换剂(9)的流向上设置在离子交换材料之前和/或之后的过滤器(10，11)。
20.权利要求13-19之一的设备，其特征在于，所述离子交换剂(9)经配置为料筒(4)的部件以插入饮用水容器(1)中。
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