CN112608050B - 再矿物化流体的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种再矿物化流体的系统和方法。本发明还提供一种组合物，该组合物能够凝固以产生用于使流体再矿化的胶凝材料。该组合物包括第一含镁化合物，第二含镁化合物和存在于组合物中的水，其量足以使该组合物凝固成胶凝材料。
Description
相关应用
本申请根据35U.S.C.§119要求于2019年10月4日提交的美国临时专利申请第62/910,752号的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
背景技术
反渗透包括通过使液体通过半透膜来过滤液体，所述半透膜具有的孔大得足以使溶剂通过，但又小得足以保留溶质污染物的通过。通过将液体加压到高于其渗透压，溶剂液体分子将跨膜扩散，但溶质分子将保留。然后丢弃所得的盐水，并保留所过滤的溶剂。这种反渗透系统可以配置成从几乎任何来源生产纯净水。
尽管出于许多原因并且在许多应用中这是有利的，但是对于饮用水或其他饮料水(例如茶、咖啡、苏打水、热巧克力或调味水)的生产而言还是不完美的。具体而言，反渗透过程不是选择性的。就是说，反渗透去除了所有溶解的矿物离子，去除了对于健康和口味期望的那些以及对于健康和口味不期望的那些。在饮用水中保持适量的矿物被认为对人体健康有益，例如，世界卫生组织制定的标准(“饮用水中的营养物”，2005年)。水的味道也可以通过保持溶解的矿物和碱度的水平以及用水产生的食品和饮料的味道来改善。特别是，专业咖啡协会从感官角度出发，建议至少50ppm硬度的CaCO3和至少40ppm的碱度作为优化水的CaCO3(Wellinger,M.,Smrke,S.,Yeretzian,C.The SCA Water Quality Handbook.SantaAna:Specialty Coffee Association,2018,Web.8/7/2020)。一些专家指出了镁离子对于从咖啡中提取所需化合物的重要性(Hendon,C.H.,Colonna-Dashwood,L.,and Colonna-Dashwood,M.The Role of Dissolved Cations in Coffee Extraction.J.Agric.FoodChem.2014,62,4947-4950)。
当前各种天然矿物用于此目的，例如氧化钙(CaO)、菱镁矿MgCO3、方解石CaCO3或白云石CaMg(CO3)2。这些矿物具有缺点，例如矿物添加量低或不一致、组成可变和/或导致饮用消费时不期望的高pH。
发明内容
在一些实施方案中,本发明提供了一种用于再矿化流体的设备。该设备包括矿化单元，该矿化单元具有配置成再矿化渗透物流以产生矿化物流的胶凝材料。矿化单元包括用于接收渗透物流的矿化入口和用于排放矿化物流的矿化出口。矿化物流的总溶解固体(TDS)含量大于渗透物流。胶凝材料包括第一含镁化合物、第二含镁化合物和水，其在组合物中的存在量足以使该组合物凝固成胶凝材料，该组合物中水以至少为20％的总重量百分比存在。在一些实施方案中,胶凝材料包括孔的连接网络，其形成被布置成使流体能流过胶凝材料的间隙通道。在一些实施方案中,胶凝材料适合于溶于流体中。
在进一步的实施方案中，该设备还包括过滤单元，其具有配置成将流体分离成渗余物流和渗透物流的过滤介质，其中该过滤单元具有用于接收流体的过滤入口，用于排放渗透物流的渗透物出口以及用于排放渗余物流的渗余物流出口。渗透物管线使渗透物出口与矿化单元的入口流体连通。在一些实施方案中，该设备进一步包括具有被配置成与矿化物流混合的流体的容器，其中该容器单元具有用于接收矿化物流的容器入口，以及用于排放具有平均矿物浓度的矿化物流的容器出口。在一些实施方案中，该设备还包括配置在矿化单元下流的储罐。在一些实施方案中，该设备还包括T形接头，其使储罐与矿化单元流体连通。在一些实施方案中，该设备还包括：阀，其配置成调整储罐和矿化单元之间的流动。在一些实施方案中，该阀是T型阀，其调整矿化单元、储罐和下游处理单元之间的流动。在一些实施方案中，该设备还包括配置成测量与储罐中的流体相关联的至少一个过程参数的传感器和与阀电连通的控制器，该控制器被编程为根据至少一个过程参数调整渗透物流通过矿化单元的流动。在一些实施方案中，该控制器被编程为调整渗透物流流过矿化单元的流动以具有至少1分钟的停留时间。在一些实施方案中，过程参数选自总溶解固体(TDS)含量、流体硬度值、流体液位、pH或碱度。在一些实施方案中，过程参数是总溶解固体(TDS)含量。在一些实施方案中，该设备还包括配置成测量与离开或进入矿化单元的流体相关联的至少一个过程参数的传感器和与阀电连通的控制器，该控制器被编程为根据至少一个过程参数调整矿化流体到储罐的流动。
一些实施方案提供了一种能够凝固以产生用于再矿化流体的胶凝材料的组合物。该胶凝材料包含两种含镁化合物。在一些实施方案中，该组合物中的第一含镁化合物的摩尔分数超过第二含镁化合物的摩尔分数。在一些实施方案中，第一含镁化合物是氧化镁。在一些实施方案中，氧化镁在约1500℃或更低的温度下煅烧过。在一些实施方案中，氧化镁在大于约1000℃但小于约1500℃的温度下煅烧过。在一些实施方案中，第二含镁化合物是硫酸镁。在一些实施方案中，第二含镁化合物包括镁和阴离子。在一些实施方案中，第二含镁化合物选自硫酸镁、氯化镁和磷酸镁。在一些实施方案中，该组合物包含的第一含镁化合物与第二含镁化合物的比率为至少约1.25比约1。在一些实施方案中，该组合物包含的第一含镁化合物与第二含镁化合物的比率为在约2比约1和约13比约1之间。在一些实施方案中，第一含镁化合物在组合物中的摩尔分数在约15％至约75％之间。在一些实施方案中，第二含镁化合物在组合物中的摩尔分数在约1％至约35％之间。在一些实施方案中，该组合物包含的水与第二含镁化合物的比率为至少约1.5比约1。在一些实施方案中，该组合物包含的水与第二含镁化合物的比率在约1.5比约1和约30比约1之间。在一些实施方案中，该组合物包含在约20％至约70％之间的水摩尔分数。
该组合物还包括在组合物中的存在量足以使组合物凝固成胶凝材料的水，该水具有至少20％的总重量百分比。在一些实施方案中，胶凝材料包括孔的连接网络，其形成被布置成使流体能流过胶凝材料的间隙通道。在一些实施方案中，该胶凝材料具有至少约1％的孔隙率。在一些实施方案中，该组合物包含至少一种添加剂。在一些实施方案中，添加剂在组合物中的存在量在约0.1％至约10％之间。在一些实施方案中，添加剂是有机酸。在一些实施方案中，添加剂包括调味剂、甜味剂、维生素或矿物中的至少一种。在一些实施方案中，添加剂包括粘合剂或惰性填料，其选自火山灰、粘土、沙子、聚合物、合成或天然纤维，或表面活性剂。在一些实施方案中，胶凝材料基本上不含耐水改性剂。在一些实施方案中，胶凝材料适于在流体中溶解或降解。
前述以及其他方面和优点将从以下描述中显现。在说明书中，引用了构成其一部分的附图，并且在附图中以图示的方式示出了优选实施方案。然而，该实施方案不一定代表本发明的全部范围，因此，为了解释本发明的范围，在此引用权利要求书。
附图说明
图1是说明根据一个实施方案的用于再矿化流体的设备的示意图；
图2A-2D是根据本文公开的实施方案的位于矿化单元内的胶凝材料的示意图；和
图3是结合图1的设备的控制系统的示意图。
具体实施方式
在详细解释本发明的任何实施方案之前，应理解，本发明的应用不限于在以下描述中阐述或在附图中示出的构造细节和部件的布置。本发明能够具有其他实施方案并且能够以各种方式被实践或执行。同样，应当理解，本文所使用的措词和术语是出于描述的目的，而不应认为是限制性的。本文中“包括”、“包含”或“具有”及其变体的使用意在涵盖其后列出的项目及其等同物以及其他项目。除非另有说明或限制，否则术语“安装”、“连接”、“支撑”和“结合”及其变体被广泛使用，并且涵盖直接和间接安装、连接、支撑和结合。此外，“连接”和“结合”不限于物理或机械连接或结合。
给出以下论述以使本领域技术人员能够制造和使用本发明的实施方案。对所示出的实施方案的各种修改对于本领域技术人员而言将是清楚的，并且在不脱离本发明的实施方案的情况下，本文的一般原理可以应用于其他实施方案和应用。因此，本发明的实施方案不旨在限于所示出的实施方案，而是应被赋予与本文所公开的原理和特征一致的最广范围。将参考附图来阅读以下详细描述，其中不同附图中的相似元件具有相似的附图标记。附图(不一定按比率绘制)描绘了所选实施方案，并且无意于限制本发明的实施方案的范围。本领域技术人员将认识到，本文提供的示例具有许多有用的替代方案，并且落入本发明的实施方案的范围内。
图1示出了用于使过滤的流体矿化的设备10。设备10包括进料管线14，该进料管线14使过滤单元16与流体源12流体连通。来自流体源12的流体(例如水)可以通过流体输送装置如泵(未示出)输送至过滤单元16。在一些实施方案中，流体源12包括具有溶质和需要过滤的污染物的流体。示例性的溶质和污染物包括但不限于金属离子、水性盐、沉积物、细菌和/或药物。
过滤单元16包括过滤入口18，其配置成接收进料管线14，并使过滤单元16与流体源12流体连通。过滤介质20位于过滤单元16内，以将流体分离成具有被过滤介质20排斥或保留的污染物、溶质和流体的渗余物流，以及具有渗透或扩散通过过滤介质20的经过滤流体的渗透物流。过滤单元16包括渗余物的出口22，其将渗余物流排放到渗余物管线24中。渗余物管线24可以配置成将渗余物流引导至排放系统(drain)以被丢弃或进一步处理。过滤单元16包括渗透物出口26，其将渗透物流排放到渗透物管线28中。
在一些实施方案中，过滤介质20排斥流体物流中的污染物的至少50％，或污染物的至少60％，70％，80％，90％，95％，96％，97％，98％，99％，99.5％或99.9％。尽管在图1中示出了单个过滤单元16，但应当理解，多个过滤单元(例如1、2、10、20或更多)可以并联或串联连接以过滤流体。用于过滤单元16的合适过滤介质20包括半透膜。在一些实施方案中，半透膜具有适合于反渗透或纳滤的孔尺寸和组成。
示例性的半透膜包括由合成或聚合材料(例如聚酰胺、聚醚砜、聚砜和/或支撑材料(例如非织造织物))形成的薄膜复合膜(TFC或TFM)。过滤介质20可以以各种形式布置在过滤单元16内，并且可以呈管状膜、中空纤维膜、螺旋缠绕膜、板框膜或平板膜的形式。
在一些实施方案中，设备10包括泵30，其具有的吸入侧连接到渗透物管线28，排放侧连接到矿化进料管线32。矿化进料管线32使泵30与矿化单元36流体连通。通常，泵30配置成增加渗透物管线28的压力，并且可以用于控制渗透物流到矿化单元36的流量。
矿化单元36包括矿化入口34，其配置成使矿化单元36的内部腔室38与矿化进料管线32流体连通。通常，矿化单元36配置成使渗透物流接触胶凝材料40以产生矿化物流，其从矿化单元36通过矿化出口42排放。如本文所用，术语“矿化物流”可以指已变得富含矿物和/或添加剂的渗透物流。矿化物流包括大于渗透物流的TDS含量。随着渗透物流接触和/或流过胶凝材料40，胶凝材料40适于在矿化单元36内降解一段时间，导致富含矿物和添加剂的矿化物流。
再参考图1，矿化物流通过矿化出口42从矿化单元36排放。矿化管线50使矿化单元36与储罐52流体连通。阀54可调整矿化单元36、储罐52和一个或多个下游处理单元之间的流动。第二阀55可调整从储罐52到排放系统57的流动。在一些实施方案中，储罐52配置成存储矿化的流体，以用于来自下游处理单元56的下游流体需求，其可包括点进入系统(例如用于用户的家)，或点使用系统(例如水槽，流体分配单元)。
如参考本文所述的胶凝材料40所使用的，术语“降解”或“降解的”可以指相对于原始体积或质量，胶凝材料40的体积或尺寸的减小。当与渗透物流接触时，可通过胶凝材料40的溶解而发生胶凝材料40的降解。胶凝材料40的溶解导致渗透物流中富含来自胶凝材料40的矿物和添加剂。
在一些实施方案中，胶凝材料40可以适于以预定速率降解，以选择性地增加或实现矿化物流中的总溶解固体(TDS)的期望产率。例如，胶凝材料40可以适于以足以使得离开矿化单元36的矿化物流具有至少50ppm到至少1000ppm，或至少50ppm到至少500ppm，或至少100ppm到至少400ppm的TDS含量的速率降解。
在一些实施方案中，离开矿化单元36的矿化物流的TDS含量为至少10ppm，20ppm，30ppm，40ppm，50ppm或至少60ppm，至少70ppm，至少80ppm，至少90ppm，至少100ppm，至少110ppm，至少120ppm，至少130ppm，至少140ppm，至少150ppm，至少160ppm，至少170ppm，至少180ppm，至少190ppm，至少200ppm，至少210ppm，至少220ppm，至少230ppm，至少240ppm，至少250ppm，至少260ppm，至少270ppm，至少280ppm，至少290ppm，至少300ppm，至少310ppm，至少320ppm，至少330ppm，至少340ppm，至少350ppm，至少360ppm，至少370ppm，至少380ppm，至少390ppm，至少400ppm或更高。
在一些实施方案中，胶凝材料40可以适于以足够的速率降解使得矿化物流具有的TDS含量是渗透物流至少80倍。在一些实施方案中，矿化物流的TDS含量是渗透物流的至少70倍，或渗透物流的60倍，或50倍，或40倍，或30倍，或20倍，或18倍，或16倍，或14倍，或12倍，或10倍，或8倍。在一些实施方案中，离开过滤单元16的渗透物流的TDS含量在1ppm和50ppm之间，或在5ppm和20ppm之间。
与常规矿化胶合剂(例如白云石)相关的一个缺点是，离开该单元的矿化物流的pH超过饮用水的推荐碱度(例如pH为9.5或更高)，并且需要后续处理以降低pH在可饮用范围内。本文描述的各种实施方案的一个优点是胶凝材料40可以适于以足够的速率降解使得离开矿化单元36的矿化物流具有在可饮用极限内(例如在约7至约9.5之间)的pH，而无需后续处理，例如用酸性添加剂降低pH。在一些实施方案中，离开矿化单元36的矿化物流的pH为7，或7.1，或7.2，或7.3，或7.4，或7.5，或7.6，或7.7，或7.8，或7.9，或8，或8.1，或8.2，或8.3，或8.4，或8.5，或8.6，或8.7，或8.8，或8.9，或9，或9.1，或9.2，或9.3，或9.4，或9.5，或9.6，或9.7，或9.8，或9.9，或小于10。
胶凝材料40可以以多种形式布置在矿化单元36内。参考图2A，胶凝材料40可以固定床布置的方式布置在矿化单元36中，使得渗透物流流过胶凝材料40。例如，胶凝材料40可以具有孔的连接网络，其形成能使渗透物流过胶凝材料40的间隙通道。参考图2B，胶凝材料40可以布置在矿化单元36中，使得渗透物流遵循径向流动模式。例如，胶凝材料40可包括内部空腔44，以允许渗透物流从胶凝材料40的内表面46流到胶凝材料40的外表面48。
参考图2C，胶凝材料40可以布置在矿化单元36中，使得渗透物流接触胶凝材料40，但是不流过胶凝材料40。例如，渗透物流可以水平或竖直地流过矿化单元36，并邻近胶凝材料40流动。参考图2D，胶凝材料40可以以位于在矿化单元内的一系列固定床或“盘”的形式布置在矿化单元36中。每个固定床可以布置成使得渗透物流流过矿化单元36内的每个固定床。
如本文所用的，术语“胶凝材料”可以指：当一种或多种无机材料(例如MgO、MgSO4)与水反应以形成具有纳米尺度或微米尺度特征的各种水合产物时发生的复杂或络合(complex)化学反应的产物，所述特征以多尺度方式布置以形成固体(solid)或半固体三维产品。胶凝材料40可通过如下方式形成：在水的存在下反应、组合、混合和/或加热一种或多种无机材料直至该组合物凝固成刚性或半刚性产品。
一些实施方案包括能够凝固以产生胶凝材料40的组合物。该组合物可以包含第一含镁化合物、酸的盐、和水，其存在于组合物中的量足以使组合物凝固成胶凝材料40。
在一些实施方案中，第一含镁化合物包含氧化镁。如本文所用的，术语“酸的盐”可以指中和酸的阴离子以形成盐的碱的阳离子。酸的阴离子可以来自强酸(通常定义为在水中pKa<-1.4)或弱酸(通常定义为在水中pKa>-1.4)。在一些实施方案中，合适的阳离子包括但不限于镁、钙和氨。在一些实施方案中，合适的阴离子包括氯离子、硫酸根和磷酸根。在一些实施方案中，用于能够凝固的组合物的酸的盐包括第二含镁化合物。示例性的第二含镁化合物包括但不限于硫酸镁(MgSO4)、氯化镁(MgCl2)和磷酸镁(例如Mg(H2PO4)2)、MgHPO4、Mg3(PO4)2)、水合物和其组合。
在一些实施方案中，第一含镁化合物和第二含镁化合物是氧化镁和硫酸镁。在水的存在下混合、组合和/或加热氧化镁和硫酸镁生成硫酸氧镁(MOS)。硫酸氧镁以通式X-Mg(OH)2Y-MgSO4 Z-H2O的各个相存在，其中根据相，X的范围可以在1-5之间，Y可以在1-2之间，而Z可在1至8之间。在不限制本发明范围的情况下，胶凝材料40可包括5Mg(OH)2MgSO4 3H2O(513相)、3Mg(OH)2MgSO4 8H2O(318相)、Mg(OH)2 2MgSO4 H2O(123相)、Mg(OH)2MgSO4 5H2O(115相)、5Mg(OH)2 2MgSO4 7H2O(527相)的各种相对含量。可以使用本领域技术人员已知的常规方法表征该相。例如，可以使用X射线衍射、扫描电子显微镜(SEM)、化学和热分析来表征胶凝材料40的相。
胶凝材料40的机械强度和溶剂溶解度取决于胶凝材料40中晶相的类型和相对含量。所需的性能特征，例如体积稳定性和选择性溶剂降解，可通过调节可凝固组合物中氧化镁、硫酸镁、水和其他添加剂的浓度来实现。
在一些实施方案中，第一含镁化合物以15％至80％(w/w)之间的量存在于可凝固组合物中。在一些实施方案中，第一含镁化合物在可凝固组合物中存在的量为至少15％(w/w)，或至少16％，或至少17％，或至少18％，或至少19％，或至少20％，或至少21％，或至少22％，或至少23％，或至少24％，或至少25％，或至少26％，或至少27％，或至少28％，或至少29％，或至少30％，或至少31％，或至少32％，或至少33％，或至少34％，或至少35％，或至少36％，或至少31％，或至少32％，或至少33％，或至少34％，或至少35％，或至少36％，或至少37％，或至少38％，或至少39％，或至少40％，或至少41％，或至少42％，或至少43％，或至少44％，或至少45％，或至少46％，或至少47％，或至少48％，或至少49％，或至少50％，或至少51％，或至少52％，或至少53％，或至少54％，或至少55％，或至少56％，或至少57％，或至少58％，或至少59％，或至少60％，或至少61％，或至少62％，或至少63％，或至少64％，或至少65％，或至少66％，或至少67％，或至少68％，或至少69％，或至少70％，或至少71％，或至少72％，或至少73％，或至少74％，或至少75％，或至少76％，或至少77％，或至少78％，或至少79％，或至少80％(w/w)或更高。
在一些实施方案中，强酸的盐以0.1％至35％(w/w)的量存在于可凝固组合物中。在一些实施方案中，酸的盐(例如硫酸镁)在可凝固组合物中的存在量为至少0.1％，或至少1％，或至少2％，或至少3％，或至少4％，或至少5％，或至少6％，或至少7％，或至少8％，或至少9％，或至少10％，或至少11％，或至少12％，或至少13％，或至少14％，或至少15％，或至少16％，或至少17％，或至少18％，或至少19％，或至少20％，或至少21％，或至少22％，或至少23％，或至少24％，或至少25％，或至少26％，或至少27％，或至少28％，或至少29％，或至少30％，或至少31％，或至少32％，或至少33％，或至少34％，或至少35％(w/w)，或更多。
在一些实施方案中，能够凝固的组合物包括在20％至70％(w/w)之间的水的重量比率。在一些实施方案中，能够凝固的组合物包括重量比为如下的水：至少20％(w/w)，或至少21％，或至少22％，或至少23％，或至少24％，或至少25％，或至少26％，或至少27％，或至少28％，或至少29％，或至少30％，或至少31％，或至少32％，或至少33％，或至少34％，或至少35％，或至少36％，或至少37％，或至少38％，或至少39％，或至少40％，或至少41％，或至少42％，或至少43％，或至少44％，或至少45％，或至少46％，或至少47％，或至少48％，或至少49％，或至少50％，或至少51％，或至少52％，或至少53％，或至少54％，或至少55％，或至少56％，或至少57％，或至少58％，或至少59％，或至少60％，或至少61％，或至少62％，或至少63％，或至少64％，或至少65％，或至少66％，或至少67％，或至少68％，或至少69％，或至少70％(w/w)，或更高。
在一些实施方案中，能够凝固的组合物中的第一含镁化合物(例如氧化镁)的摩尔分数超过酸的盐(例如硫酸镁)的摩尔分数。在一些实施方案中，能够凝固的组合物包括的第一含镁化合物(例如氧化镁)与酸的盐(例如硫酸镁)的比率为至少1.25∶1。在一些实施方案中，氧化镁与硫酸镁的比率为至少2：1，或3：1，或4：1，或5：1，或6：1，或7：1，或8：1，或9：1，或10：1，或11：1，或12：1，或13：1，或14：1，或15：1。在一些实施方案中，该比率是摩尔比率或重量比率。
在一些实施方案中，能够凝固的组合物包括的第一含镁化合物(例如氧化镁)与水的比率为0.1：1至5：1之间。在一些实施方案中，能够凝固的组合物包括的第一含镁化合物与水的比率为0.1：1，或0.2：1，或0.3：1，或0.4：1，或0.5：1，或0.6：1，或0.7：1，或0.8：1，或0.9：1、1：1，或1.5：1，或2：1，或2.5：1，或3：1，或3.5：1，或4：1，或4.5：1，或5：1。在一些实施方案中，该比率是摩尔比率或重量比率。
在一些实施方案中，本领域技术人员可以通过选择已经在特定温度下煅烧的氧化镁来调节反应速率和材料性质。在一些实施方案中，煅烧温度可以被定义为“轻烧”，包括但不限于700℃，或800℃，或900℃，或1000℃。在一些实施方案中，煅烧温度可以被定义为“硬烧”，包括但不限于1100℃，或1200℃，或1300℃，或1400℃，或1500℃。由于在1600℃或更高温度下(通常称为“烧死”)煅烧的氧化镁在很大程度上没有反应性，因此优选将煅烧温度保持在1500℃以下。由于“轻烧”的MgO具有高反应活性，因此最优选将煅烧温度保持在1,000℃至1,500℃之间。
在一些实施方案中，能够凝固的组合物包括酸的盐(例如硫酸镁)与水的比率为0.5：1至30：1。在一些实施方案中，能够凝固的组合物包括酸的盐化合物与水的比率为0.5：1，或0.6：1，或0.7：1，或0.8：1，或0.9：1、或1：1，或2：1，或3：1，或4：1，或5：1，或6：1，或7：1，或8：1，或9：1，或10：1，或11：1，或12：1，或13：1，或14：1，或15：1，或16：1，或17：1，或18：1，或19：1，或20：1，或21：1，或22：1，或23：1，或24：1，或25：1，或26：1，或27：1，或28：1，或29：1，或30：1。在一些实施方案中，该比率是摩尔比率或重量比率。
在一些实施方案中，本文所述的胶凝材料40可包含多孔结构。在一些实施方案中，当与渗透物流接触时，孔尺寸可用于调整胶凝材料40的降解速率和体积保持速率。胶凝材料40的孔尺寸可以调整嵌入其中的添加剂的释放曲线。如本文所用，术语“多孔”和“孔隙率”通常用于描述在其体积上具有孔或空隙空间(其可以例如是开口、间隙空间或其他通道)的连接网络的结构。术语“孔隙率”是材料中空隙空间的量度，并且是空隙体积占总体积的分数，为0到100％(或0到1)之间的百分比。
在一些实施方案中，取决于期望的性质，胶凝材料40可以被配置成具有任何孔隙率。例如，在一些实施方案中，多孔胶凝材料40可具有至少1％，至少3％，至少5％，至少10％，至少15％，至少20％，至少25％，至少30％，至少40％，至少50％，至少60％，至少70％，至少80％，至少90％，或更高的孔隙率。在一些实施方案中，孔隙率的范围可以从约1％至约40％，从1％至30％，从1％至10％或从1％至5％。可以使用本领域技术人员已知的常规方法和模型来定量孔尺寸和总孔隙率值。例如，孔尺寸和孔隙率可以通过标准化技术来测量，例如汞孔隙率法和氮吸附。本领域普通技术人员可以确定用于各种目的的胶凝材料的优化孔隙率。例如，可以基于胶凝材料40的期望的降解速率或体积保持率，和/或添加剂从胶凝材料40的释放曲线来提供胶凝材料40的孔隙率和/或孔尺寸。
在一些实施方案中，胶凝材料40可适于具有10nm至1500μm，或1μm至1000μm，或1μm至200μm的孔尺寸。在一些实施方案中，胶凝材料40可具有孔尺寸小于1000μm，或小于900μm，或小于800μm，或小于700μm，或小于600μm，或小于500μm，或小于400μm，或小于300μm，或小于200μm，或小于150μm，或小于100μm，或小于50μm，或小于40μm，或小于30μm，或小于20μm，或小于10μm，或小于5μm的孔。如本文所用，术语“孔尺寸”是指孔的尺度。在一些实施方案中，孔尺寸可以指孔的最长尺寸，例如具有圆形横截面的孔的直径，或可以跨过具有非圆形横截面的孔而构造的最长横截面弦的长度。在其他实施方案中，孔尺寸可以指孔的最短尺度。
在一些实施方案中，胶凝材料40可包括一种或多种添加剂。可以将添加剂混合、分散、悬浮在胶凝材料40内或涂覆在胶凝材料40上。在一些实施方案中，可以将添加剂分布、嵌入或封装在胶凝材料40中。在一些实施方案中，可以将添加剂涂覆在胶凝材料40的表面上。在一些实施方案中，将添加剂与能够凝固的组合物混合。术语添加剂可以涵盖本文所述的两种或更多种添加剂的组合或混合物。合适的添加剂可以增强胶凝材料40的稳定性，刚度或降解性能。可替代地或另外地，添加剂可以影响矿化物流的风味特征。
在一些实施方案中，添加剂以0.1至20％(w/w)的重量比存在于胶凝材料40或能够凝固的组合物中。在一些实施方案中，添加剂在组合物中的存在量为至少0.1％(w/w)，或至少1％，或至少1％，或至少2％，或至少3％，或至少4％，或至少5％，或至少6％，或至少7％，或至少8％，或至少9％，或至少10％，或至少11％，或至少12％，或至少13％，或至少14％，或至少15％，或至少16％，或至少17％，或至少18％，或至少19％，或至少20％(w/w)。
在一些实施方案中，添加剂包括一种或多种有机酸及其盐，包括但不限于磷酸、山梨酸、抗坏血酸、苯甲酸、柠檬酸、酒石酸、丙酸、丁酸、乙酸、琥珀酸、戊二酸、马来酸、苹果酸、戊酸、己酸、丙二酸、乌头酸、山梨酸钾、苯甲酸钠、柠檬酸钠、氨基酸及其组合。在一些实施方案中，有机酸是食品级酸，例如柠檬酸。
在一些实施方案中，添加剂包括一种或多种调味剂或甜味剂，包括但不限于天然和合成调味剂。示例性调味剂包括桔子、柠檬、莱姆葡萄柚、柑桔、蜜橘、橘柚、柚子、苹果、葡萄、樱桃和菠萝风味、可乐风味、茶风味、肉桂、丁香、桂皮、胡椒、姜、香草香料风味、豆蔻精、香菜、沙士、黄樟、人参及其混合物。调味剂可以以提取物、粉末、油树脂、果汁浓缩物、瓶装基物或本领域已知的其他形式提供。
在一些实施方案中，添加剂包括一种或多种维生素，包括例如维生素A、D、E(生育酚)、C(抗坏血酸)、B(硫胺素)、B2(核黄素)、B6、B12、K、烟酸、叶酸、生物素及其组合。
在一些实施方案中，添加剂包括一种或多种矿物或电解质及其盐，包括但不限于钙、镁、钾、钠、碳酸氢盐、铜、硒、铁和锌。
在一些实施方案中，添加剂包括一种或多种抗氧化剂，其选自芦丁、槲皮素、二氢黄酮、黄酮、二氢黄酮醇、黄酮醇、黄烷二醇(flavandiols)、隐色花色素、黄酮醇苷、二氢黄酮苷、异类黄酮和新类黄酮。特别地，类黄酮可以是但不限于槲皮素、圣草次苷、新圣草次苷、柚皮芸香苷、柚苷、橙皮苷、橙皮素、新橙皮苷、新枳属甙、枳属甙、芦丁、异野漆树苷(isorhoifolin)、野漆树苷(rhoifolin)、地奥司明、新地奥司明(neodiosmin)、甜橙素、川皮苷、柑橘黄酮、儿茶素、儿茶素没食子酸盐(酯)、表没食子儿茶精、表没食子儿茶精没食子酸盐(酯)、乌龙茶聚合多酚、花色苷、七甲氧基黄酮、黄豆苷(daidzin)、大豆黄酮、biochaminn A、樱黄素、染料木苷、黄豆黄素、黄豆黄甙(glycitin)、染料木黄酮、6，7，4'三羟基异黄酮、桑色素、芹黄素、牡荆素、balcalein、芹苷、柏木双黄酮、橡皮、香菜木素、漆黄素、高良姜精、棉花色素、geraldol、桧黄素、报春花素、车轴草醇、木犀草素、杨梅黄素、荭草素、洋槐素、万寿菊黄素、和羟基-4-黄酮。
在一些实施方案中，添加剂包括粘合剂或惰性填料。示例性的粘合剂或惰性填充剂包括但不限于碳酸钙、氧化钙、硫酸钙、火山灰、粘土、沙子、聚合物、合成或天然纤维或表面活性剂(例如空气捕获表面活性剂)。在一些实施方案中，合适的火山灰包括硅藻、浮石、粉煤灰、窑土、热解法二氧化硅或二氧化硅。
在一些实施方案中，胶凝材料40或能够凝固的组合物基本上不含耐水改性剂。如本文所用，术语耐水改性剂通常用于描述添加到胶凝材料40或能够凝固的组合物中的化合物，从而增加材料在水溶液中的抗降解性，或提高斥水性，或提高水到材料中的渗透。示例性的耐水改性剂包括但不限于粉煤灰、磷酸盐、聚合物(例如苯乙烯-丁二烯、乙酸乙烯酯乙烯)、硅氧烷、二氧化硅。术语“基本上不含”可以指包含小于5％(w/w)，或小于4％，或小于3％，或小于2％，或小于1％(w/w)的指定组分的组合物。
与常规矿化系统相关的一个缺点是常规矿化剂(例如白云石)配置在常规储罐的下游。在这种布置中，常规矿化器仅在需求时经历流动。这是不利的，因为难以在高流动和低停留时间下充分矿化物流动的流体。在常规布置中，基于流体流动，输出矿化水平通常是循环性的并且不一致。
与常规矿化器不同，一些实施方案具有配置在储罐52上游的矿化单元36。这种布置降低了循环矿化输出水平，并减小了将矿化不足的流体输送到下游处理单元56的可能性。例如，当来自下游处理单元56的下游流体需求低或没有时，过滤单元16的低流量输出流过矿化单元36，并填充储罐52。储罐一旦满，来自过滤单元16的输出就停止，流过矿化单元36的流动停止，并且矿化单元36中的渗透物流是空闲的，直到下游需求恢复。此时，渗透物流接近饱和的矿化物流。当下游需求恢复时，饱和水从矿化单元36中流出，但是与储罐52中的流体混合，其可能已经在流动条件下被矿化并且具有较低的矿物含量。以此方式，相对于矿化出口42的位置，可以减小输送到下游处理单元56的循环矿化水平。
一些实施方案可以包括设置在矿化管线50中的在矿化出口42和下游处理单元56之间的额外的通过罐58(见图1)，以容纳来自矿化单元36的先前矿化的水，使得由于流过矿化单元36的流量和停留时间可产生矿物含量的变化，当水在额外的通过罐58中混合时，矿物含量的变化将被平均化，因此输送到下游处理单元56的水将具有更高的平均矿物水平。
图3示出了根据本发明一些实施方案的与示例过程控制系统60结合使用的设备10。过程控制系统60可以配置成控制该设备10的操作。例如，过程控制系统60可以协助开始过程，停止过程以及调节一个或多个过程参数以改变过程性能。在一些实施方案中，控制系统60可以被设计为控制矿化物流的总溶解固体(TDS)含量，矿化物流的流体硬度值，储罐的流体液位或矿化物流的pH。
在一些实施方案中，控制系统60可调节或控制多种过程参数以维持矿化物流的TDS含量。例如，控制系统60可以调节或控制设备10以将矿化物流的TDS含量维持在期望的阈值。在一些实施方案中，控制系统60可以调节或控制设备10以维持矿化物流的pH在7-9.5。
在一些实施方案中，控制系统60包括控制器62，一个或多个过程测量装置(例如64a-64c)，一个或多个过程控制装置(例如泵30、设计成升高或降低矿化进料管线32的温度的温度控制装置66、阀54和阀55)，以及合适的连接部，其允许将由一个或多个测量装置获取的过程信息传输到控制器62，并将来自控制器62的输出信息传送到一个或多个过程控制装置以执行过程控制动作。示例性过程控制动作可包括使用泵30来改变流量，使用温度控制装置66来增加或降低渗透物流的温度(例如增加温度会增加胶凝材料40的降解速率)，和/或使用阀54、55基于来自过程测量装置的一个或多个测量值来改变压力。
在一些实施方案中，阀54、55是可选的。例如，阀54可以用T形接头代替，该T形接头使矿化单元36与储罐52和下游处理单元56流体连通。在一些实施方案中，可以去除阀55和排放管线，并且用使T型接头与储罐52流体连通的管线替换。
控制器62包括处理器68和存储器70，该存储器70包括软件72和数据74，并被设计用于存储和读取(retrieval)要由处理器68处理的处理信息。处理器68包括配置成通过输入端从一个或多个测量装置(64a-64c)和一个或多个过程控制装置(例如30、54、55、66)接收过程信号的输入端76。控制器62可以自动运行或可以半自动执行，或者可以从存储器70或计算机可读介质(例如硬盘驱动器、CD-ROM、闪存)中读取可执行软件指令，或者可以通过输入端76从用户或者逻辑连接到计算机或装置的另一源，例如另一联网的计算机或服务器接收指令。例如，服务器可用于经由控制器62现场或远程地控制设备10(例如云计算)。在一些实施方案中，控制器62可以包括有线用户界面80和/或无线用户界面82。用户可以使用有线或无线用户界面将参数输入到控制器62中以诱发或手动控制在这里所讨论的过程控制动作。
处理器68可以对信号进行处理以生成输出78，该输出可以采取过程控制动作的形式。示例性过程控制动作可以包括将信号发送到一个或多个过程控制装置(例如30、54、55和/或66)以实现设备10中一个或多个过程流的一个或多个过程参数(例如压力，流量和/或温度)的改变。
合适的连接部可以包括允许在控制器62与测量装置(例如64a-64c)和过程控制装置(例如30、54、55、66)之间传输过程信号(例如电信号或气压信号(例如空气、氮等))的变送器。在一些方面，电信号可以经由有线连接或通过无线网络连接来传送。其他硬件元素可以包含在过程控制系统中，例如换能器，模数(A/D)转换器和数模(D/A)转换器，它们允许处理在计算机形式中要识别的过程信息以及该过程可访问的计算机命令。为了视觉上清楚起见，从图3中省略了控制器62，一个或多个测量装置以及一个或多个过程控制装置之间的连接。
在一些实施方案中，以传感器的形式提供一个或多个过程测量装置64a-64c，其被配置成测量选自压力、温度、流量、总溶解固体(TDS)含量、流体硬度值、流体液位和/或pH的过程参数。
在一些实施方案中，控制器62包括程序化从而响应于从一个或多个测量装置(64a-64c)获得的测量值，使用一个或多个过程控制装置(例如30、54、55、66)来调节设备10中的一个或多个过程参数以保持储罐52中的所需设定点。该设定点可以包括将储罐52中所需的TDS含量保持在至少50ppm到至少1000ppm，或至少50ppm到至少500ppm，或至少100ppm到至少400ppm之间。例如，在储罐的TDS含量下降到低于期望阈值的情况下，控制器62可进行以下中的一项或多项以使TDS含量达到期望阈值：使用温度控制装置66增加渗透物流的温度和/或使用泵30降低流量，和/或调节储罐52的流体液位以适当地添加或去除矿化的流体。
在一些实施方案中，控制器62包括程序化从而调节通过矿化单元36的流量，使得渗透物流具有在约1分钟至约1天之间的停留时间。可以使用泵30和/或阀54来调节流量。在一些实施方案中，控制器62包括程序化以调节通过矿化单元36的流量，使得渗透物流具有至少1分钟，至少2分钟，至少3分钟，至少4分钟，至少5分钟，至少10分钟，至少20分钟，至少30分钟，至少40分钟，至少50分钟，至少1小时或至少1天或更长的停留时间。
设备10可用于过滤和再矿化含水流体物流的应用中，如地下水、井水、雨水、海水、工业水源或其他包含污染物的水源。在一些实施方案中，流体包括非水性流体，例如有机或非极性溶剂。
已经根据一个或多个优选实施方案描述了本发明，并且应当理解，除了明确陈述的内容以外，许多等同、替代、变化和修改是可能的，并且在本发明的范围内。
Claims (13)
1.一种用于再矿化水溶液的设备，该设备包括：
矿化单元，其具有接收渗透物流的入口、设置在矿化单元内的胶凝材料以矿化渗透物流从而产生总溶解固体(TDS)含量大于渗透物流的矿化物流、以及排放矿化物流的出口，
胶凝材料，其包括第一含镁化合物、第二含镁化合物和水，其在组合物中的存在量足以使组合物凝固成胶凝材料，该组合物中水以至少20％(w/w)的总重量百分比存在，和
胶凝材料被设计为溶于流体中。
2.根据权利要求1的设备，还包括：
过滤单元，其具有配置成将流体分离成渗余物流和渗透物流的过滤介质，该过滤单元具有过滤入口以接收流体、渗透物出口以排放渗透物流和渗余物出口以排放渗余物流，
其中渗透物管线使渗透物出口与矿化单元的入口流体连通。
3.根据权利要求1的设备，其中胶凝材料包括孔的连接网络，其形成被布置成使流体能流过胶凝材料的间隙通道。
4.根据权利要求1的设备，还包括：
设置在矿化单元下游的储罐。
5.根据权利要求1的设备，还包括：
在矿化单元下游的容器，其中将矿化单元的输出强制通过该容器，并与其中所含的水溶液混合以使所述容器的出口在更高平均矿物浓度下。
6.根据权利要求4的设备，还包括：
T形接头，其使储罐与矿化单元流体连通。
7.根据权利要求6的设备，还包括：
阀，其配置成调节储罐和矿化单元之间的流动。
8.根据权利要求7的设备，其中阀是T型阀，其调整矿化单元、储罐和下游处理单元之间的流动。
9.根据权利要求4的设备，还包括：
传感器，其被配置成测量与储罐中的流体相关联的至少一个过程参数；
与阀电连通的控制器，该控制器被编程为：
根据至少一个过程参数调整渗透物流通过矿化单元的流动。
10.根据权利要求9的设备，其中控制器被编程为：
调整渗透物流流过矿化单元的停留时间至少为1分钟。
11.根据权利要求9的设备，其中过程参数选自总溶解固体(TDS)含量、流体硬度值、流体液位、pH或碱度。
12.根据权利要求9的设备，其中过程参数是总溶解固体(TDS)含量。
13.根据权利要求4的设备，其中
传感器配置成测量与离开或进入矿化单元的流体相关联的至少一个过程参数；
与阀电连通的控制器，该控制器被编程为：
根据至少一个过程参数调整矿化流体到储罐的流动。
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