CN102203017B - 即需即用间歇高净水生产系统 - Google Patents
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Abstract
一种用于间歇生产高净水的即需即用系统，通过将用于预精制水的储罐（10）定位紧邻于最终高净精制装置之前，使系统中的滞水致使产品高净水质量降低或劣化以及高净水质量实际降低的可能性降低。预精制水优选地通过反渗透（2）生产。最终精制水通过连续的电去离子（13）生产。
Description
对相关申请和优先权权利要求的交叉引用
本发明根据35 USC§119（e）要求在2008年10月31日提交的名称为“USE AND PLACEMENT OF A STORAGE TANK FOR INSTANT PRODUCTION OF PURIFIED WATER(用于净化水即时生产的储罐的使用和安置)”的待决美国临时专利申请No. 61/110125的权益，在此通过引用将所述申请的全文并入本文。
技术领域
本发明涉及一种高净水生产系统，更具体地涉及用于生产高净水的系统和过程，使得净化的水被即需即用地供应到用户，而同时所述系统被冲洗以去除可能在储存或停工时段过程中形成的污染物。
背景技术
许多工业和实验室应用中需要高净水。一些这种应用在新泽西州的John Wiley & Sons的Norman Li等人在“先进膜技术和应用（Advanced membranes Technology and Applications）”中第13章的“由膜获得的超净水（Ultrapure Water by Membranes）”中可见。半导体、医药和电力产业需要高净水，有时被称为超净水。在半导体领域中，ASTM D-5217-99：超净水标准指南（Standard Guide for Ultra Pure Water）描述了六种类型的电子等级水。对三种类型的要求作为示例在下表中给出：
| 参数 | 类型E-1 | 类型E-1.1 | 类型E-1.2 |
| 25℃时的电阻率 | 18.2 | 18.2 | 18.2 |
| TOC（ppb） | 5 | 2 | 1 |
| 溶解氧（ppb） | 1 | 1 | 1 |
| 离子和金属（ppt） | 100 | 100 | 50 |
在医药产业中，高净水或药物水是最终药品使用的水或注射用水（WFI）。在此，RO/CEDI一前一后用作整个过程的一部分。典型的医药要求是：导电性（25℃）小于1.3微西门子/厘米，TOC小于500 ppb。
在电力产业中，RO/CEDI用于去除硅土和有机杂质以及共离子。硅土可在高压锅炉中挥发并沉淀在较低压力的涡轮中的叶片上。有机质可在蒸汽生成步骤中分解而形成腐蚀性CO2和有机酸。典型的要求是：导电性（25℃）小于0.1微西门子/厘米，硅土少于5-10 ppb，TOC小于100 ppb。
许多产业具有其本身的高净水定义。显然，高净水的基本需要是：25℃的导电性为10-15微欧/厘米，和TOC小于100 ppb。
反渗透（RO）和连续电去离子（CEDI）的组合是用于生产超净水的整体方法中处理步骤的优选组合。RO用作CEDI的预处理。CEDI要求小的残量并可去除最多至99％的弱离子化硅土和硼，并由此减少对CEDI下游的处理步骤的负载。
在上述大规模应用中，水被连续生产，且一旦起动就处于稳态，不再需要彻底冲洗在不使用期间在系统中形成的杂质。然而，在较小的系统中，使用是间歇的，水可能在系统中停滞不同长度的时间。对这种应用的水净化的示例例如为：进给高压锅，玻璃器皿清洗机，和环境室。小规模高净水系统用于许多生命科学和分析实验室，以生产用于小量检测和通常实验室应用的水。在这些应用中，水被供应用于特定应用中，然后，水净化系统关断，直到出现下一次需求。在这些应用中，被保持在系统中的水可能由于吸收CO2、微生物生长、或者来自管路、储罐、或其它处理设备的金属或颗粒溶解而恶化。
在这些间歇使用系统中，常见处理设计是根据需要进行预处理，然后使用RO，然后使用CEDI系统，最后使用储存器或流动缓冲箱。
公知的是，RO系统不会一开启就即时生产出高净水。在开启后的一段时间中，生产出的水的净度小于所希望的值，则这种起始的水不得不转移至排放口或者可能再循环至RO的进给侧，直到RO系统达到稳态排斥（steady state rejection）。当RO进给于CEDI系统时，还有必要将起始的水转移以延长CEDI模块的功能寿命。标准的使用是，在CEDI系统之后具有储罐，用于为用户即需即用地供应水。由于在箱中的水停留，因而其易于如前所述地恶化。而且，如果需求较大，则箱的水位将下降至低于其设定点（设定点通常由深度传感器和相关控制系统进行控制），则在CEDI之后的RO和管路等将不得不在重新充满之前被冲洗，因而耽搁使用。
在Journal of Liquid Chromatography & Related Technologies, Volume 6, Issue 13 November 1983 , pages 2565 – 2570中公开的文章中，Gabler等人对高净水的水储存效果进行了研究。这些研究发现，储存时间增加使高净水的质量劣化。塑料容器中的初始高净水在储存短短1小时之后就可被探测出存在有机质。在储存于玻璃器皿中的水也可被探测出存在有机质。
本发明的实施例通过将储罐安置在预处理和RO系统之后且在CEDI系统之前而允许用户即时获取高净水。“特别净化的”水可立刻流动通过CEDI系统，而RO系统运转以进行排放或再循环。一旦RO系统处于稳态，则产品水在需要时被送到储罐。
储罐可为气体加压罐或压力胆类型，或为标准箱（其在出口上具有用于进给于CEDI系统的泵）。所述箱可具有惰性气体（例如氮气）输入以减少二氧化碳吸收。
其它水净化模块可位于RO系统与箱之间，例如为憎水膜除气器、或紫外光TOC去除装置、或混合床离子交换床。
发明内容
本发明涉及一种用于间歇生产高净水的即需即用系统，其通过将用于预精制水的储罐定位紧邻于最终高净精制装置之前，使系统中的滞水致使产品高净水质量降低或劣化以及高净水质量实际降低的可能性降低。
在一个实施例中，预精制水通过至少一个反渗透膜模块生产。在一个实施例中，最终精制通过连续的电去离子实现。
附图说明
图1图示出根据本发明的用于即需即用间隙生产高净水的系统。
具体实施方式
在此所述系统允许高净水间歇生产设备的用户即需即用地获得新鲜高净水。新鲜是指，基本在需要的同时生产出所述水。所述系统包括反渗透膜部件，其流体地连接到储罐以保持RO处理水。储罐流体地连接到连续电去离子部件。根据进给水特性和用户需要，也可使用其它部件预处理RO进给水或者在储存之前或期间进一步处理渗透物。
流体地连接是指，处理步骤或设备元件的液体被传送到另一步骤或设备元件。这可通过管路和任意相关阀和控制设备而实现，或者可按照半批量模式进行，其中流体在一处理步骤之后被保持在箱或其它储存器中直到被泵送或以其它方式传输到下一处理步骤或设备元件。
间歇生产的高净水广泛用于实验室和小型处理中，其中这样的水仅需要用于一任务。例如，高净水用于实验室洗碟机以获得没有残余污染物的玻璃器皿。这些洗碟机通常在满载时使用，可能一天一次或数次。当不需要时，水净化系统空闲，其在周末或假日可能空闲超过24小时。类似地，供应到高压锅和环境室的高净水在许多情况下将会需要间歇工作。在生命科学和分析实验室中，需要不同量的高净水为研究者供应没有残余污染物的水用于反应和分析，水量每天从几毫升至几升。许多实验室是单班工作，这意味着，水系统的空闲期长于其工作期。
即需即用的高净水是指，当高质量处理启动时或供应阀开启时，高净水基本上即时可用。
储罐的位置是系统的重要方面。通过将箱定位在RO之后和CEDI之前，几乎被净化的水的源可易于取用而通过CEDI即需即用地精制。储罐中的任何质量恶化的水可通过CEDI去除，而且，由于水进行RO处理，因而水质变化量将在CEDI净化能力之内，而不会显著影响CEDI设备。在CEDI之后储存的质量恶化的水当然会直接影响用水之处的操作。所储存的水和其它留存在系统管路或设备中的未经处理的水是滞水，其易于由于例如微生物生长或来自与滞水接触的管路或设备表面的滤除离子、金属或有机组分而恶化。
反渗透膜模块可按照各种性能供应。所称海水膜用于在800-1500 psi的压力下对海水（相对于约35000 ppm的NaCl）除盐。这种类型的膜将截留超过99％的含带盐。虽然可使用海水膜，不过盐水膜常用于所述间歇系统中并在较低压力下在较低离子浓度的水中工作。进给水通常是自给水。盐水膜固有的盐离子截留性相对较低，不过可渗透性较高。纳米过滤（NF）膜是所称的“疏松”反渗透膜，其截留分子量大于约400的多价离子和物质。NF通常允许高百分比的单价离子通过。NF膜比盐水膜具有相对更高的可渗透性。
在RO过程中，进给水流在升高的压力下接触于RO膜的一侧上。所述压力高于进给水的渗透压力，通常数倍于渗透压力。净化水穿过所述膜至所述处理的低压侧作为渗透物。从进给水中去除的截留盐和有机物质被浓缩在剩余水中，即，未作为渗透物离开的水。这是废弃流，其被管送或导引以进行处理或以其它方式弃置。有机物质去除被称为TOC（总的可氧化的碳）去除，与用于测量水中有机物质的分析方法相关。
在本系统中，RO产生部分净化水或预精制水，RO渗透物（其恰在最终精制步骤或设备之前被储存）。
RO进给水常常经历预处理步骤，以通过去除颗粒、有机物质、细菌、和其它污染物而保护RO系统。预过滤是优选的方法。可使用缓慢的砂过滤。更优选的方法是双介质砂过滤。这种方法使用在细砂层上的无烟煤层。其它方法可单独或组合使用。这些方法包括但不限于：混合介质过滤和非编织纤维或其它芯过滤。用于最终精制的非常优选的方法是连续电去离子（CEDI）。
电去离子通过在直流电压的原动力下传送离子和一些荷电有机质通过离子选择膜而对水除盐。ED设备包括布置在单元中的阴离子传送膜和阳离子传送膜。每个单元由阴离子和阳离子传送膜界定，并组合为单元对，即，两个相邻单元。膜是导电的和不透水的。膜的堆包括许多（有时为数百个）单元对，而ED系统包括许多个堆。每个膜堆具有在堆的每端处的DC电极，阴极，和阳极。在DC电压下，离子移动到相反荷电的电极。存在两种类型的单元，即，稀释单元和浓缩单元。在稀释单元中，阳离子将穿过面向阳极的阳离子传送膜，不过沿相邻单元中面向阴极的阴离子传送膜的方向通过相邻单元的成对膜止动。类似地，阴离子将穿过面向阴极的阴离子传送膜，不过将通过面向阳极的阳离子传送膜止动。以这种方式，在稀释单元中的盐将被去除，而在浓缩时，相邻单元的阳离子将从一个方向进入，阴离子将从相反方向进入。在所述堆中的流被布置为使得稀释流和浓缩流保持分离，且以这种方式，生产出除盐后的水流。
在ED过程中，材料常在膜表面上沿电场方向累积，这通常确实会降低处理效率。为了抵制这种影响，开发出电渗析逆转（EDR），这是目前使用的主要方法。在EDR中，电极基于一定规律（例如，每15分钟一次）逆转极性。同时也切换所述流，浓缩流变为稀释流，稀释流变为浓缩流。以这种方式，污垢沉积物被去除和彻底冲洗。
一旦在稀释单元中的浓度下降至低于约200毫克/升（mg/l），则电阻处于使功率需求变得愈加昂贵的水平。为了克服这点并能够生产高净水，开发出电去离子（EDI），有时被称为连续电去离子（CEDI）。在这种方法中，所述单元被填充以离子交换介质，通常为离子交换珠。离子交换介质在传导率上是溶液的数个量级。离子通过所述珠传输到膜表面以传送到浓缩单元。当进给浓度充分降低时，EDI在较小功率下能够比ED生产出更纯净的水。
中间储罐可根据应用而方便地设置尺寸。如果CEDI部件具有的工作流速为X毫升/分钟，RO系统需要Y毫升的冲洗量在Z毫升/分钟的RO渗透速率下达到稳态，则Z（Y/X）是箱所需的最小容量。本领域技术人员将以最小值的倍数作为安全因数设计所述箱，例如为最小值的1.5至3倍。
所述箱可由不锈钢或其它金属构建，但在许多情况下，残余金属离子会不利于分析或反应。因此，塑料箱是优选的。由聚乙烯、聚氟乙烯或聚四氟乙烯制成的箱是适合材料的示例。在一些情况下，可使用玻璃的或玻璃衬里的箱。优选的箱结构是具有塑料衬里的玻璃纤维增强塑料箱。
加压罐不需要中间泵，并可即需即用地供应产品水。而且，通过使用惰性气体或其它净化气体保持压力，减少或消除二氧化碳吸收。压力胆类型的压力保持系统是优选类型，这是因为不出现与压力流体的接触。
图1例示出根据本发明的系统。进给水（通常经过过滤后）通过进给泵1以适合压力供应到RO模块2。水流分离为清除离子和杂质后的渗透物流4和包含被去除材料的废弃或浓缩流3。当需要通过CEDI的高净水时，RO进给泵起动，RO渗透物被转移到排放口6或可再循环至RO进给流。渗透物的转移可通过三通阀5实现，三通阀5将渗透物流转移，直到渗透物的质量处于所希望范围内。这可通过转移一段时间（预先通过实验确定）而实现。可替代地，可通过以下方式控制：利用传导率传感器7测量渗透物的传导率，在达到所希望的稳态排斥传导率时改变流动方向。这可手动实现，但更优选地通过反馈控制器8实现，反馈控制器8接收离子传导率传感器的信号，并将流动从转换流切换到储罐10中的流。
所述箱可具有连接到深度传感器11的控制器9，一旦达到设定点深度，则深度传感器11将发信号至进给泵以关断和关闭阀5的渗透物流。如果储罐是加压罐，则12是在需要时开启的阀。如果储罐是非加压罐，则元件12代表泵和可选的阀，在出现需求时开启和起动。在出现需求时，离子储罐的流进入CEDI模块13，产品水被生产和供应于14。阀15连接到电控制器，电控制器起动高净水生产过程，使得当用户开启阀时，整个系统起动生产高净水以补充用量。
对于使用加压罐的系统而言，传感器11可包括连接到控制器9的压力传感器或变换器，以当达到设定点压力时类似地关断流。
业者可在高于工作压力的压力下运行初始RO冲洗，以减少达到稳态的时间。而且，被转移的渗透物可返回以稀释进给流，这可减少起始时间。
本领域技术人员应认识到，高净水生产将根据部位状况而不同。每个位置将具有其本身的进给组合（盐、有机溶剂、和污垢的类型和浓度）以及周边状况。而且，使用在此所述创新性系统的每种产业将具有其特定的高净水定义。在此给出的描述是代表性的，并非以任何方式加以限制，而是用于设计和实施所述创新性系统，针对特定情况的状况和需求加以修改。
Claims (7)
1.一种用于间歇供应高净水的系统，其即需即用地提供高净水，其中所述系统按顺序包括：
· 水处理组件（2）；
· 储罐（10），所述储罐流体连接到所述水处理组件，而且所述储罐被连接成紧邻于最终高净精制装置（13）之前；
· 所述最终高净精制装置（13），其流体连接到所述储罐；以及
· 阀（15），其流体连接到所述最终高净精制装置（13），并且还被连接到电控制器，所述电控制器起动高净水生产过程，使得当用户开启所述阀（15）时，整个系统起动生产高净水以补充用量。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述水处理组件包括处于一压力水处理系统中的至少一个反渗透模块（2）。
3.如权利要求2所述的系统，其中，所述反渗透模块所生产的水（4）具有的进给水离子含量减少至少90％。
4.如权利要求2所述的系统，其中，所述反渗透模块所生产的水（4）具有的进给水TOC减少至少90％。
5.如前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述最终高净精制装置包括至少一个连续的电去离子模块。
6.如权利要求1所述的系统，其中，在使用中，预精制水（4）通过包括至少一个反渗透模块（2）的压力水处理系统生产并且被储存在所述储罐（10），所述最终高净精制装置包括至少一个连续的电去离子模块（13）。
7.如前述权利要求1－4中任一项所述的系统，其中，所述储罐（10）是加压罐。
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