CN1151862C - 高效率操作的反渗透方法和设备 - Google Patents
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Abstract
经膜分离降低水的硬度和用弱酸阳离子交换树脂同时除去非氢氧化物的碱度的水处理方法，该方法包括使离子化较低的成分，例如SiO2，通过调节pH值达10.5或10.5以上使其离子化。用膜使它们的分离显著地提高。硼、SiO2和TOC减少到原量的1/10或更多。最有咸味的原料水的回收率可达90%或更高，同时实现净化频率实质上的降低。水处理方法所使用的设备包括反渗透膜(30)，混合床离子交换装置(44、46)，微过滤器(48)，紫外线消毒装置(49)，脱碳装置(20)和电离子化装置(150)。
Description
技术领域
本发明涉及在基于膜的水处理、净化和浓缩系统中的水处理方法和实施该方法所使用的设备。在一个方案中，本发明涉及原料水预处理和反渗透(RO)设备的操作方法，实现提高溶解物质的截留，由此生产很高纯度(含较少溶解物质)的产品水，同时显著地提高水处理设备在生产中的可利用性。
背景
对在一种要求最少维修费用的设备中简单、有效并不贵地但能可靠地提供所希望纯度水的方法的需求是长期存在的。具体地说，许多工业领域中，例如半导体、制药、生物技术、蒸汽发电厂和核能发电厂所要求的，人们希望提高原料水的利用效率和降低高纯度水处理系统的运行费用和投资费用。
在上述工业的许多水处理系统中，其工厂设计和操作参数一般均与最终的浓度(通常以总溶固体含量来表达或“TDS”)有关，而所述浓度在所选择的设备中，相对于存在的难溶性物质的溶解度限制必须是在可允许的范围内。特别是，SiO2、CaSO4和BaSO4常常限制可实现的最终浓度。在许多情况下，包括许多核能电厂和许多超纯水厂的操作中，类似两性电解质作用的硼或其它化合物，在传统操作的RO系统中在通过膜时仅有很低的截留率，并限制设计或操作。现普遍地，由于这种化合物的存在而产生的非常差的反渗透产品水(称为透过液)，要求附加的后处理，生产可接受纯度的水。在任何情况下，为避免水垢的形成和造成膜通过量的减少以及对膜寿命潜在的有害的影响，基于膜的水处理厂的设计和操作必须考虑到SiO2和其它类型水垢形成的可能性，和必须限制水的回收速率及因此的操作实践。事实上，在有代表性的RO厂经验中，透过液流率的减少或透过液质量的变坏，或通过膜的压力降的增加，要求定期地化学清洁该膜。由于膜结垢、微粒积垢或生物性积垢或其组合结垢的存在，所以需要进行这种清洁的要求由来已久。因为成本、不方便性和这种膜清洁循环中产生的生产损失，所以将每次要求化学清洁的时间间隔尽可能地延长是有益的，并可有效地截留不希望的离子和可靠地实现高纯度透过液的生产。
自80年代中期至后期薄膜型复合膜的问世和几乎被全球性接受以来，RO技术的改进自然是进步的。达到所要求的截留率和流率(每单位膜表面积的透过液的生产速率，通常以加仑/英尺2膜/日，或升/米2膜/日)所需要的操作压力慢慢降低，而由薄膜组成的复合膜的截留率日益地提高。
传统地，有咸味的水的RO系统，由于进水的结垢和积垢倾向，所以它们允许的回收率和流率有限。希望减少有咸味进料水结垢和积垢至某种程度，使回收率的限制由渗透压控制，而流率可实质上提高，所述提高是与传统的有咸味的水RO系统的限制相比较而言的。
从有代表性的用户的观点来看，在RO技术中几个领域内的改进仍需进行，氯的允许限度是其中之一。由薄膜组成的复合膜，至少部分因为它们的表面电荷和特征，易于产生生物性和微粒积垢。对于某些进水特别是表面水源，膜积垢因此清洁工作要求经常进行，需对消除积垢的费力、耗成本和耗时的操作进行改进。
已知弱离子化的物质如总有机碳(TOC)、SiO2、硼等的截留率显著的低于强离子化物质如Na、氯化物等的截留率。由于后处理RO(Post-RO)的离子交换效率大大地取决于RO透过液中存在的弱阴离子的量，因此在RO装置的运行中尽可能地除去(截留)许多阴离子是有利的。换言之，在RO阶段，通过除去更多的SiO2(和B)，在RO装置后的离子交换装置的操作中，就可得到更高产量。
在1986年3月4日授予Pittne的r的美国专利4574049号除公开用于RO系统的RO方法外，该方法还揭示采用双通路(生产产物阶段)RO系统设计，CO2一般代表RO透过液中阴离子负载的最大部分。但是，多通路的RO构造在传统RO系统操作条件下没有多大的益处，这是由于透过液中CO2含量保持在相同(绝对)的水平，且代表了更大部分的阴离子负载。所以，在单通路的RO系统中弱阴离子的高截留率是仍需寻求显著改进的另一领域。
除了提高弱离子化物质的截留率外，提高强离子化物质的截留率也是人们所希望的。
回收率或容积效率是改进RO系统性能的另一参数。一个有代表性的RO系统，在约75％回收率下操作，加入RO的进水共有75％的被有效地利用，其余的(25％)被排放。在全世界的水越来越少和更贵的情况下，增加RO系统可实现的最大回收率是一重要的目标。
对最终的用户来说，增加操作流率一直是重要的，因为增加流率就节省了投资费用。
后处理RO装置操作的简单化和成本的节省也是终端用户的寻求。这是因为在相关的半导体装置的设计规则越来越严格的情况下，在超纯水中可允许的杂质量越来越小。因此，在超纯水系统中污物的含量要求更低。其结果是，在近几年，后处理RO系统零部件的成本和复杂性大大提高了。
高纯水的处理方法和实施该方法所要求的硬件复杂而昂贵。实事上，在整个超纯水处理系统中，可再生的混合床离子交换系统是最最昂贵和复杂的单一单元操作/处理的代表。因此，在处理水的RO特性的显著改进中，就是明显地减少总超纯水系统的成本和复杂性。
申请人进行了各种各样尝试，有些是在高纯水处理应用方面，而另一些是废水处理应用方面，其中，为提高在中性或接近中性pH值的水溶液中难溶的某些离子的截留效率，已进行了努力。这些尝试的特征在于通过传统的硬度除去方法和随后用添加的化学物质提高pH值。这种方法之一是1993年10月5日授予Tao等的美国专利5250185号，该专利的名称为在高pH值下通过反渗透膜操作降低水溶性硼的浓度。在一优选的方案中，他的发明提供了使用传统的沸石软化剂，随后用钠型的弱酸性阳离子交换树脂除去二价阳离子。由于设备限制和工艺设计的考虑，他的预处理阶段后是把垢抑制剂加入进水进一步防止硬性水垢生成的高成本和不必要的步骤。虽然他的方法也提供了同时除去硬度和碱度的步骤，这个步骤在本发明人感兴趣的许多类型的应用方面有益。但是他的方法在除去步骤不具有高效率，因为实事证明，在他的方法中要求两个附加的下游软化步骤。但是，他的专利涉及、描述并权利要求了含烃化合物(只含碳和氢，且一般不可离子化)的油田水，而在本发明人感兴趣的应用中，这些化合物几乎完全缺乏。在本发明人感兴趣的应用中，存在各种各样自然产生的有机酸如腐植酸和灰黄霉酸，特别是在要处理的表面水中。
在1984年6月29日出版的Yokoyama等的日本公开昭和58-112890中公开了高纯水应用中所使用的方法，描述了用反渗透膜装置脱盐的方法。其实施例描述了反渗透装置，在一个实施例中，利用强酸性阳离子交换树脂(SAC)的预处理方法软化水，而在另一实施例中则不进行软化预处理。虽然他的方法对某些进水会有效，但是没有教导可在高pH值下如何操作，和如何避免在RO膜上结垢。
为了更好地理解本发明，理解一些基本的水化学原理是有益的。例如，对于CaCO3，使用Langelier指数，有时称为(LSI)，可以预测在最后截留区内的RO膜上沉淀的可能性。参见McGraw-Hill的“Nalco水手册，1979年版，”这个指数一般用如下公式表示：
LSI＝pH值截留-pH值s
式中pH值s＝CaCO3的饱和时的pH值(截留)
pH值s＝PCa+pAlk+C
其中：
pCa＝-log Ca++离子浓度(mol/升)
pAlk＝-log HCO3 -离子浓度(mol/升)
C＝基于总离子强度和RO截留的温度的常数。
在一给定的RO截留水流中，为了避免碳酸盐结垢，最优选保持LSI为负值，即在CaCO3会溶解的条件中。但是，在此领域中，已经发现在某些条件下，使用某些类型的抗结垢添加剂，可允许LSI增加到约+1.5，没有CaCO3结垢生成。在任何情况下，在任何给出的RO截留pH值下，pH值s必须是减至最小，以便避免不希望的水垢生成。将这一点加以考虑，在任何RO预处理操作中，可以预测在软化步骤中CaCO3总是至少会有些泄漏。因此，根据原料进水的硬度和预处理方法实施的程序，由于存在于处理过的RO进水中的Ca++离子浓度，可预期实现pCa值的更低限制。而且，在所有情况下，C值是由总离子强度和温度固定的值。此外，为使LSI值在可接受的范围以便进行无水垢的RO操作，钙(以及其它的硬度物质如Mg)的泄漏就成为关键因素。上述的Tao等的专利中，通过提供一系列的多种类型的软化剂解决了这个问题。十分清楚，如此会无可避免地增加投资和操作成本。另一方面，Yokoyama显然决定把RO操作的pH值限定到与钙除去的程度相一致。当以pH值为9来操作RO截留液时，假设有0.1ppm的Ca++从离子交换系统中逸漏而RO的浓度因子为5(5x)，其RO操作可预期提供大约为-0.5的LSI的RO截留。在不结垢操作中该LSI是可接受的，不论是否有水垢抑制剂。但是，如果在Yokoyama的实例中pH值提高到11，例如在相同的预处理方法中，可预期LSI则约为+2.4。在此情况下，截留水的Langelier饱和指数会超过目前任何抗垢剂所能提供的无水垢RO操作的限度。
因此，对现有技术的已知方法的大部分来说，都有一个或几个下述的缺点：(a)它们不能可靠地达到供在高pH值下基本上无垢操作所需要的极低的硬度和非氢氧化物碱度；(b)它们依赖于多余且投资高的设备，用高的操作费用使硬度泄漏减至最小，(c)它们主要依赖硬度的降低来减少RO截留的LSI值(不包括高效率脱碱的要求)，和(d)它们依靠抗垢添加剂来阻止水垢的形成。因此，本发明的简单处理方法的优点是利用(a)把硬度除至极低的残余值，和(b)有效的脱碱，允许在高pH值下进行长期无麻烦的RO操作，这是重要而自明的。
但是，因为高浓度因子的限制，由于成垢的倾向，RO系统经常有约25％或更多的原料进水不能利用。而且，在回收率值大于约75％或稍低于75％时，在传统的RO系统中根据原料进水的化学成分，对化学结垢和生物性积垢的控制，当企图实现长期运行时，几乎已形成无法克服的困难。所以，在已广泛使用的商用RO系统中，还没有实现水的回收率超过75％。
由于水越来越贵或水供应的日益短缺或其两者，人们希望提高RO系统处理产品水与供入的原料水的比率。所以，希望以更高总回收率(比目前所使用的装置能达到的回收率高)的水处理系统来实现降低水处理的成本。最后，十分清楚，需要一种比现在可得的水处理系统更好的和运行时间更长的水处理系统，来满足越来越困难的水处理目标。
据目前所知，没有人认为基于RO的水处理系统可在高于约pH值9的情况下容易地操作，连续地长期地进行操作来生产高纯度的处理水产品。在传统的工程研究中，是通过使用适当的pH值，通过限制最终浓度和生成水的回收率，通过使用化学添加剂，来阻止水垢的形成。长久以来，乙酸纤维素膜被限制在pH值为约4-7的范围内使用。较新的聚酰胺和由薄膜组成的复合膜，历来在pH值为约4-8的范围内操作。虽然较高的pH值操作曾经试图用于几个专门的目的，但是这通常是在没有SiO2情况下的应用。虽然在第二通路的RO应用中使用较高的pH值操作，且是在有SiO2条件下的应用，但是据申请人所知，只有在第一通路RO操作是在中性或近中性的pH值下操作后，才能完成。在考虑到有机物的那些情况下，pH值通常小于5，优选小于4。
与用于水处理的现有技术方法不同，本申请的方法采用实质上将任何可能出现的结垢现象排除的基本设计原则，使在第一通路期间，使用可得的膜在可达到的最高pH值下操作，同时保持所要求的浓度因子，得到水回收率的有益的结果。
本发明概述
现在本申请人发明了一种基于除去硬度和碱度，接着在高pH值下进行膜分离，生产具极低SiO2浓度的高质量的透过液的新颖的水处理方法。
在一独特的进水处理方法中，具适宜化学组成的原料进水用氢型的弱酸性阳离子交换树脂处理，同时除去硬度和碱度。该弱酸性阳离子交换树脂可以在进入的原料进水的硬度和碱度高于由于硬度物质渗透而引起传统的离子交换系统失效的硬度和碱度下操作。
用于废水处理厂的优选的处理设计克服了许多重要而严重的问题。首先，低硬度与实质上除去非氢氧化物碱度的结合，就基本上排除了与硫酸盐、碳酸盐或硅酸盐阴离子成垢化合物有关的沉淀。因此，清洁的要求就被减至最小。在商业上这是重要的，因为能够使水处理厂避免生产水的损失，否则就会不情愿地要求增加处理装置的尺寸，以调节清洁循环过程中损失的生产水。其次，优选的高pH值操作条件，能够使在中性或近中性pH值水溶液中离子化度极低的许多种物质实现高度的离子化，能够使这些物质被膜系统优先截留。最后，在pH值下操作防止了生物性污物的产生，防止了产品水的所不希望的污染。在优选的可操作高pH值下，细菌和病原菌被有效的破坏。基本上，按本发明教导操作的水处理系统通常在传统的RO系统的清洁条件下的条件下操作。
申请人开发了用于水处理系统的新的工艺设计。在一个方案中，该方法包括一种进水流的处理，所述的进水流的特征是存在(i)碱度(ii)硬度和(iii)在中性或近中性pH值水溶液中离子化极低的分子物质，该方法用于生产含较少溶解物质的产品物流和含较多溶解物质的截留物流。该方法包括在选择的pH值下，当原料进水被浓缩到希望的浓度因子时，有效地排除了原料进水的成垢倾向，这是通过以任何顺序实施下述的一个或几个步骤来实现的：(i)从原料水流中除去硬度，(ii)从原料水中除去碱度，或(iii)除去在除去硬度步骤的过程中所产生的溶解气体。然后，进水的pH值升高到选择的pH值，该至少为约8.5，或高达9.0，或高达约10，或优选(对于目前可得的由薄膜组成的复合膜而言)达10-11之间或11以上，更优选12或稍高于12，直到由SiO2和其它物质的高截留率得到的利益高于附加的成本为止。对于目前可用的薄膜复合膜，控制pH值达约10.5，本发明方法可取得最大利益，且膜的长寿命不受损害。通过将选择的碱加入经软化和脱碱化的进水物流中来使pH值增加，优选通过使用阴离子交换树脂或直接注入来完成。pH值的增加会使在中性或近中性pH值时的离子化极低的分子物质趋向更离子化。另一基本原理是可质子化，即增加可接受质子的物质或碱。然后将调节过pH值的原料水输入膜分离设备，生产截留物流和产品物流，所述的膜分离设备一般为RO构型，但是也可使用其它适宜的构型或组合，或是将来成为可得的构型和在现在方法中可以实施的构型。理想的膜分离设备是有大体上阻止离子化物质通过的半渗透膜的类型。在本发明的方法中，重要的是，膜分离设备生产一产品物流，该产品物基本上没有一般所不希望的在中性或近中性pH值水溶液中时离子化极低的物质。
目的、优点和特征
如上所述，十分清楚，本发明的一个重要而主要的目的是提供水处理的新方法，在长时间的操作循环内，可靠而连续地生产预先选择的具有极高纯度质量标准的水产品物流。
更具体地说，本发明的一个重要目的是提供基于膜的水处理方法，该方法能够避免一般的结垢和积垢问题，以便在高效率操作时，可靠地生产高纯水。
本发明其它重要但更具体的目的是提供前述的水处理方法，这个方法要求：
-允许以简单而直接的方式从所选定的进水中除去硬度和碱度；
-具有最少的单元操作要求；减少或避免复杂的化学加料系统；
-要求比现有技术的水处理厂小的自然空间；
-易建造、易开工和易维护；
-高效率，即相对于输入水处理厂的进水的量提高产品水的产量；
-与前述目的有关，为水处理厂的操作者和水的用户，提供比目前花费低的单元操作费用；
-与上述的目的有关，与许多水处理设施相比，通过实质上排除使用前述通常使用的化学添加剂特别是水垢抑制剂，本方法使用较少的化学品。
本发明一个方案的特征是采用了基本上完全除去硬度和碱度的弱酸性阳离子交换树脂与随后的高pH值的RO操作的独特组合，能够使水处理厂将截留水的百分率减至最小。这是总循环效率高产生的结果。
本发明的另一特征是使用高pH值操作，使弱的可离子化物质如SiO2、B或TOC高度离子化，因此，在处理有相当化学品的进水时，可进行SiO2、B或TOC截留量极大地超过了传统RO处理系统的极限的操作。
本发明的再一特征是改造现有的RO装置，使其按本发明设计进行操作，提高生产能力，而不增加RO膜的需要。
本发明的又一特征是能提供较高纯度的产品水的能力，在高于传统的RO系统设计流量的条件下操作的同时。
本发明的其它重要目的、特征和其它的优点，从上述和下面详细的描述及所附的权利要求书并结合附图，本领域内的技术人员会更清楚。
在附图中，几个图中相同的特征将用同一标号表示，除非进一步说明。
图1说明水训溶液中硅离子的离子化百分数与pH值的函数关系。
图2说明用于高效率RO操作时的本发明方法的第一个方案，示出了使用弱酸性离子交换单元同时除去硬度和非氢氧化物的碱度。
图3示出了用于高效率RO操作的本发明方法的第二个方案，其中硬度是用钠沸石软化剂降低，还可以用石灰或石灰/苏打软化剂。
图4示出了用于高效率RO操作的本发明方法的第三个方案，描述了设备的构型，原料水中的碱度通过加入酸可以有效而适当地降低，硬度可以通过石灰或石灰/苏打软化剂来降低。
图5说明了压降(磅/英寸2)与时间的关系(PSID对月)，该关系是使用本发明的新方法在使用RO膜的中试RO试验设备中测得的。
图6说明使用本发明的新方法，在使用RO膜的中试RO试验设备中归一化的透过量(升/分)与时间的关系。
图7说明使用本发明方法的中试RO试验设备中RO截留物流中硅的浓度。
图8说明本发明方法在使用RO膜的中试试验中硅的截留百分数与时间的关系。
图9描述了使用本发明方法的RO系统操作，当使用多通路RO方法时，按序处理初始的一部分原料水，产生通过了多于一个RO膜的透过液。
图10说明使用本发明RO操作的方法，用于处理锅炉用水或制备冷却塔或洗涤器用水。
图11说明使用本发明RO操作的方法与连续的电脱离子设备的组合，用于生产高纯水。
图12是说明本发明的高效RO方法的一种构型的工艺流程图。
图13是说明传统的RO系统工艺设计的系统示意图。
图14说明本发明高效RO方法的一工艺流程的实例，利用了本申请中教导的设计和操作原理。
本发明详细描述
本发明人已开发出了RO系统的工艺设计和操作的新方法。这种RO系统的工艺设计和操作的新方法已经通过试验。该方法已经显示它能够实现RO操作目标的重要改进。
本发明的HERO品牌的RO工艺设计和操作的特征包括：
(1)对全部污物特别是弱酸阴离子例如TOC、硅、硼等的阴离子的很高截留效果；
(2)可以实现90％或更高的回收率；
(3)生物性积垢实质上排除；
(4)微粒积垢基本上减少；
(5)清洁频率大体上减少；
(6)不需要从进水中除去氯化物，这是由于在高操作pH值下所产生的化学物质，或在某些情况下，在开始时就排除了添加氯的必要。
(7)实质上不需添加水垢抑制剂。
(8)可达到基本上较高的流率。
(9)与传统的RO系统相比较，节省了总的投资费用。
(10)与传统的RO系统相比较，节省了总运行费用。
(11)超纯水系统的复杂性明显降低。
HERO品牌的RO系统是有高度位置性特征的。各个处理步骤在特定的位置通常安排专门的进水。不管不同位置的预处理过程存在着差异性，对于所有的应用而言，一个处理参数是共同的，即RO系统是在最高可行的截留pH值下操作。与目前可得的RO膜所允许最高pH值极限相同(例如对于FILMTEC(R)品牌RO部件，pH值为11.0)，HERO品牌RO系统通常在pH值达约11(按RO截留物测量)下操作。
由于本发明的HERO品牌的RO方法允许很高的浓度因子(即，回收百分数)，因此RO进料的pH值相应较低。例如，在90％回收率的系统操作中，进料的pH值为10.0时将产生pH值为约11的截留物流，条件是RO进料只稍微被存在的碳酸盐、磷酸盐等缓冲。与传统的RO系统不同(通常在约75％回收率下操作)，HERO品牌的系统在90％或更高回收率下正常操作，其操作只受RO截留液的反渗透压限制。从RO进料到截留液的pH值增加在很高回收率时会变大。因此，可允许的最大pH值特别适用于RO截留液条件。
为了对截留液的pH值为11或在pH值11以上或更高的RO系统进行操作，为了有效地排除在RO膜上成垢的潜在性，必须满足几个工艺条件。这些工艺条件的一些也是在很高回收率下操作RO系统所必需的。这些工艺条件是如下的这些：
(1)在RO进料中Ca、Mg、Sr和Ba的浓度必须基本上排除，优选接近0，更优选实质上是0。
(2)应基本上除去Al、Fe和Mn(包括有机结合的物质)，以及含这些材料的胶体微粒，优选其含量接近0。
(3)应当降低缓冲阴离子(特别是碳酸氢盐或碳酸盐和/或磷酸盐阴离子)含量，使其达到实际可能实现的低的水平。
满足上述工艺条件要求的特定操作和控制点的选择，受每一特定进水的特性的影响。所要求的回收率(或特定应用中所希望的回收率)也是影响操作和控制点的关键。图2示出了成本效率高的RO单元工艺程序。
如果需要，第一步是调节进水硬度与碱度的比率。这种比率的最佳化，一般是通过加入碱来完成，该最佳化使得可在后面的工艺步骤中将硬度完全去除。
在RO处理过程中的第二步包括利用弱酸性阳离子交换树脂(WAC)(例如DOWEX(R)MAC-3或Lewatit CNP-80、Amberlite(R)IRC-86)。以氢型进行操作，MAC树脂定量地除去硬度，得到进水的适当的硬度与碱度比率。在阳离子交换过程中释出的氢离子与碱性物质反应并产生碳酸(H2CO3)2，该碳酸溶于WAC排出水中。
第三个步骤包括把酸加入WAC排出水中，破坏剩余的碱度，如果存在任何的这种碱性的话。在这个步骤除去的总碱度对取得穿过RO膜系统的水的很高的回收率是重要的。
在第四个步骤中，对硬度和碱度实质上为0的酸化的排出水流进行除CO2处理。这种除去可在强制/诱导通风的脱碳器中，或在填料床或气体渗透膜屏障型的现有真空脱气器中来完成。然后，向经脱碳的实质上是0硬度和0碱度的水中注入可溶性的碱，优选调节pH值到10.0或更高，而更优选将pH值调节到所需要的pH值，实现在RO截留液中pH值为11.0或近11.0。
下一个步骤是由RO系统的操作组成，其方式是截留液pH值接近11.0，但是优选不高于11.0。pH值为11的这种限制，现有的RO膜就可容易地达到。具有最高pH值承受能力的膜的例子是FILMTEC型FT30膜。如果将来可得较高pH值承受能力的RO膜的话，那么可允许的最大RO截留pH值因此可以升高，超过pH值为11.0，从而得到更高pH值的额外的优点。
用于生产高纯水的进水和废水处理中所遇到的水，包含以一种形式或另一种形式存在的SiO2(也称为二氧化硅)，这取决于pH值和水中存在的其它物质的种类。例如，膜分离系统，特别是RO型膜分离系统，应当避免由于SiO2而引起的膜结垢。这是因为(a)SiO2成生降低膜生产率的较硬的垢，(b)SiO2通常难以除去，(c)在除去水垢的过程会产生不希望量的废的清洁化学品，和(d)清洁周期会产生不希望的和不生产的设备离线期间。所以，不管来的原料进水中SiO2的含量如何，传统的膜分离处理操作一般都包括使总的溶解固体(TDS)物流中的SiO2浓度不超过约150ppm SiO2(以SiO2计)。如果必要的话，RO系统一般在较低回收率下操作，以防止截留物流中的SiO2浓度超过150ppm。
由于许多成垢化合物，例如CaSO4、CaCO3等的结垢，本领域内的技术人员可通过上述的Langlier饱和指数或其它可得的溶解度数据的直接帮助来预计。必须适当考虑包括温度、pH值、透过度和截留率在内的操作参数，以及原料水中的各种离子和在预处理过程中添加的那些物质。
申请人已经发现，通过把硬度和非氢氧化物碱度可靠地除去，达到有效避免RO操作在选定的pH值下成垢的程度，在RO截留物流中的SiO2浓度可以安全地增加到450ppm或更高。这是通过提高加入RO系统的进水的pH值来完成的，而不使用水垢抑制剂。但是，当与传统的RO工艺条件下可预期的SiO2相比较，既使有RO截留物流中的SiO2这种增加，RO透过物流中SiO2污物的含量也实际上且较好地降低了。
通常认为，SiO2的溶解度随pH值的增加而增加，且在高pH值水溶液中SiO2是易溶的。除了溶解度外，SiO2的离子化度也随pH值增加而增加。虽然SiO2溶解度的增加与离子化度不成正比，但是SiO2溶解度的增加速率与离子化的变化速率基本上成比例。溶解度与离子化间的差异可用下面的实事来解释，即，既使未解离的SiO2在水溶液显示出一些可溶性，一般可达约120ppm-160ppm，这取决于温度和其它的一些因素。比较起来，在pH值为11时SiO2的溶解性在室温下超过1500ppm；SiO2随温度升高和/或pH值的增加逐渐溶解。
当在中性或近中性水溶液中时，SiO2很弱地离子化，通常认为SO2以末解离(偏/正)H4SiO4存在于pH值为8的天然水中。SiO2第一级解离的解离常数值(Pka)据报道为约9.7，这表明在pH值为9.7时，约50％的SiO2被离子化；其余的50％在该pH值时保持为末解离的(正)H4SiO4形态。图1中示出了pH值和SiO2离子化的百分数之间关系的曲线图。图中清楚地表明，在pH值超过10、优选超过11、更优选超过12操作时，SiO2的离子化是所要求的，因而有利。
对SiO2离子化现象的理解是重要的，这是因为穿过膜分离设备的膜的许多物质的截留是随离子化度的提高而增强。因此，可以预计的是被RO膜截留的SiO2随离子化度的增加而提高；关于SiO2，在较高pH值下离子化度提高了。所以，RO操作的pH值如此增加就提供了许多优点。第一可增加SiO2的溶解度，既使仍在现在商用的由薄膜组成的复合型的RO膜的现行的pH值限制之内。其次在高pH值时，由于提高了SiO2的离子化度，相应地SiO2的截留显著地增加。
为从在高pH值时SiO2的离子化得到最大的好处，RO系统应当在尽可能高的pH值下操作，这一极限由膜化学和膜制造商的使用说明书中所提供。RO系统优选在pH值为约10或以上操作，更优选在pH值为10.5或其之上操作，最优选在pH值为11或其之上操作。这与典型地RO操作实践相反，典型RO操作pH值限制为约8.5，以便避免水垢，特别是SiO2和碳酸盐结垢的形成。
再参考图2，该图示出了本发明方法的膜分离设备操作的一个实例。在该方法中，原料水10首先用弱酸性阳离子交换树脂装置12处理，在此同时除去硬度和碳酸氢盐碱性物质。对这些情况来说，原料水的硬度大于碱度，弱酸性阳离子交换装置12的操作必须通过添加碱性物质13，例如通过添加Na2CO3的水溶液来实现。WAC装置12优选用易操作和再生的氢型操作。但是在添加酸后，也可以钠型进行操作。在任何情况下，在上述情况和可选择的适当情况下，通过泵16把酸14添加到来自WAC装置12的排出物流18中，增强对碳酸氢盐的破坏。将在WAC(和/或通过加酸)中产生的CO2 19除去，优选在大气压下或真空脱气器20中除去。最后，添加碱22，优选用泵24喷入液态溶液，把进水25的pH值提高到选定的值。方便可得的价廉的各种碱产品都可使用，条件是不采用具有结垢倾向的产品。除了使用一般的NaOH外，也可以选择Na2CO3、KOH或K2CO3之类的其它化学品。实际上，在某些情况下，为实这种方法，也可以有效地使用吡啶类化合物之类的有机碱。在任何情况下，对用于膜处理的进水25的加压是在将进水输送到如图所示的RO型膜分离装置30前进行，用高压泵26来完成。把碱加入进水的另一种方法是通过使进水通过阴离子交换装置31使pH值增加到所要求的值来完成的。把进水的pH值升高到选定的pH值，至少为约8.5或9.0，或为约10或优选(对于目前可得的由薄膜组成的复合膜)为10与11之间的范围，或11以上，更优选12或以上，最优选13或以上。对于目前可得的由薄膜组成的复合RO膜，例如DOW CHEMICAL(Midland，Michigan)公司所售的FILMTECH品牌的产品，控制pH值为约10.5，可得到本方法的许多优点，而不有损于膜的长寿命。但是，为提高SiO2的溶解度和SiO2的截留量，允许膜的pH值上升到至少约11，更优选至少约12，或最优选约至少13。因此，当膜在这种升高的pH值下，膜的长寿命成为商业可得时，据估计使用本发明方法可获得进一步的利益。
来自膜分离装置30的截留物流32，在有适当的特殊位置环境时，可以排出或被送往它处进行进一步处理。来自膜分离装置30的透过物流34可以用作纯水或对之进行进一步纯化除去残留的污物，例如对于供半导体制造的高纯水用户，希望得到纯度为18.2兆欧的纯水。生产半导体工业用高纯水38的传统的RO后处理系统包括阳离子交换器40，随后的阴离子交换器42和初级混合床44及次级混合床46磨光离子交换装置。为满足给定位置、原料水化学组成和终端用户的特殊需要，在不离开本申请公开的本发明的RO处理方法所提供的优点和利益的前提下，所使用的RO后处理系统可以稍微改变。例如，在某些情况下，需要省略阳离子交换器40和阴离子交换器42，经管47 RO透过物流直接到达初级混合床44和次级磨光混合床46离子交换装置。最后，在许多超纯水厂，来自磨光混合离子交换装置46的产品目前在最后的过滤装置48中和紫外线照射装置49中进一步处理，分别排除微粒和生物性积垢，为满足特殊终端使用者的需要，还可适当地添加其它的处理操作。
本发明方法的RO系统操作的另一特点和独特的优点是在各种各样原料进水化学物质和操作条件下，可以操作整个后处理RO离子交换系统(即离子交换装置40、42、44和46)，而不需要进行再生。依据化学物质，就可以简单地置换阳离子交换器40和阴离子交换器42。在更通常的情况下，次级或磨光混合床装置46用新的树脂置换，而将旧的磨光树脂运送到初级离子交换床44的位置。特别是超纯水和锅炉进水型水处理系统，当SiO2、B、或其它的离子的泄漏达到预定值时，因为磨光混合床装置46是被终端操作控制，所以这是可能的。当达到预定的离子泄漏值时，磨光混合床装置46将初级混合床离子交换装置44取代，且置入其位置上。当混合床离子交换装置进行位置转换时，取出旧的初级混合床装置44的树脂，丢弃或售给较低要求的树脂用户。然后将新树脂置入旧的初级混合床离子交换装置44，因而变成了新的磨光混合床离子交换装置46。
在另一个实施例中，为满足选定的原料进水化学物质的特定需要，可以利用硬度除去的多种形式，包括使用钠型强酸性阳离子交换树脂50接着进行酸化(参见图3)或甚至使用石灰52(或相似的石灰/苏打)软化剂作为强酸性阳离子交换树脂50或是弱酸性阳离子交换树脂12的附加的预处理步骤(参见图2和3)。
对特殊的软化水来说，石灰或石灰/苏打软化剂52可能完全不适合使用，本发明的方法可在不软化原料水的情况下进行，在脱碳作用之前只简单地加酸14，如图4所示。另一方面，当适宜使用软化剂时，一些原料进水可进行硬度和碱度的适当处理，使其达到用软化剂52时所希望的程度。不管进行特殊原料水化学物质处理所选的设备构型如何，关键的工艺参数是(a)除去那些在高pH值下存在，与其它物质相结合，易在膜的表面上析出的难溶性盐的阳离子，和(b)将非氢氧化物碱性物质排除到最大可行的程度，进一步保护在膜的表面上不形成水垢。
本发明方法优选的实例的第一阶段中所使用的弱酸性阳离子(WAC)交换树脂如图2所说明的，在除去硬度和碱度方面有特效。这种反应如下进行：
然后，氢与碳酸氢盐结合，生成H2CO3，当减压时生成水和CO2，如下所示：
通过使用常规可得和有成本效益的酸，实现树脂的再生。本技术领域的技术人员公知，WAC离子交换树脂的再生几乎可以按化学计算量极有效地进行(通常，不高于理论量的100-120％)。优选使用盐酸，因为在这种情况下，会生成高度可溶的CaCl2，再生处理不能有生成不溶的硫酸盐如CaSO4的潜在危险，既使使用高强酸。但是通过使用分阶段的再生过程，即使用低浓度的酸后，使用较浓的酸，就能够可靠地使用其它酸，包括H2SO4，同时仍然避免在树脂上有不希望的沉淀物生成。按这种方式，将硬度离子溶解，生成可溶性盐，并被从树脂床中洗脱出来，一般是排放。在半导体制造操作中，使用H2SO4特别有利，因为这些工厂一般使用大量的这种酸，废酸或用过的酸可以有利地用来再生弱酸性阳离子交换树脂床。
其它的多价阳离子，最一般的是Fe++/Fe+++、Mg++、Ba++、Sr++、Al+++和Mn++/Mn++++，也用WAC树脂除去。在本发明方法的工艺条件下，由于有很少量的硬度或在高pH值下减少溶解度的其它的物质存在，将有难溶性沉淀产生，因此必须防止CaCO3、Ca(OH)2、Mg(OH)2和硅酸镁之类的物质沉淀在膜上。应采取的一个预防措施是，在pH值上调到选定的RO操作条件前，在进水中硬度和非氢氧化物型的碱度应当逐渐降低。一旦硬度和非氢氧化物型的碱度除去后，利用任何便利的碱源例如钠碱或钾碱，或通过阴离子交换即可完成将pH值提高到所要求的pH值。这种预处理全部完成后，RO系统就可以在高pH值下安全地操作，以便得到上述的SiO2溶解度的优点。
在原料水的组成是采用钠型沸石软化剂有利情况下，如图3所示，钙硬度的排除按如下式进行：
然后，用选定的酸按与下式相似的方式进行将碳酸氢盐碱度转换成CO2：
对那些用石灰软化的水，以一种可接受或优选的方法初步减少硬度和碱度，向水中加入石灰可减少Ca和Mg硬度及有关的碳酸氢盐碱度，如下式所示：
这种处理方式是如本发明方法的另一个实施方案所述，示于图3和4。在使用石灰或石灰/苏打软化剂的情况下，必须很注意的地评估预处理系统中残留物的性能，因为剩余硬度的可溶解离子仍保留在软化器52的流出物流54中。
对一些不采用石灰或石灰/苏打软化的进水，当在pH值升高前实行除去二氧化碳的步骤时，明显地增加了成本的有效度。也有助于保持RO进水的整体碱度较低，因此就增大了防止由于从阳离子除去步骤泄漏的硬度而结垢的安全界限。通过除去CO2的脱碱作用也有助于增强SiO2的截留，这是由于缺乏竞争物质所致。这是因为一种弱离子化阴离子的截留是受存在于进水中的其它弱离子化阴离子及其浓度的影响；这适于弱离子化阴离子例如B、有机酸(TOC)、氰化物、氟化物和某些砷和硒的化合物。
因为高pH值操作也会提高其它弱离子化阴离子的离子化度，所以在RO膜系统中它们的截留率也提高了，所述的其它弱离子化阴离子包括硼酸盐、TOC、氰化物、氟化物和某些砷和硒化合物的阴离子。所以，总的来说，本发明的方法可有利地应用于pKa1为约7.5或更高的许多弱酸通过膜的截留。SiO2的截留可以提高99.95％或以上，传统截留基本上为99％；这相当于使漏入透过液的SiO2减少至少一个数量级，因此，使净化SiO2的离子交换树脂床，即阴离子交换装置42和混合床装置的运行寿命增加至少10倍。
在氰化物情况下，在第一通路RO的截留率超过90％，但按传统的RO处理，截留率一般为约50％。
与SiO2的情况相似，通过在适当的高pH值操作，硼的截留率从传统的约60-70％提高到99％或99％以上。在硼的情况下，由于在较高pH值下操作，对截留率的有益影响在较低pH值时就开始了，因为硼的pKa为9.14，比原硅酸的pH值9.7高约0.5pH值单位。但是在高pH值下的有益效果在硼的情况下显著得多。因为水溶液中的H2SiO4一般包括6分子的水合水，而硼酸一般不带有水合水分子。因此，不论pH值如何，与硼酸比，原硅酸分子相对于膜孔径是非常大的，其结果是SiO2有很高的截留率。当在约9.1以上的pH值操作时，提高硼酸的离子化度极有益，且逐渐把pH值升高到10和11之间，或现在优选的控制点pH值为10.5。当商用膜在pH值为12或甚至13时操作RO系统中使用时，甚至会进一步增强硼截留的效果。
实施例-中试
为测试本申请公开的本发明方法的效果，建造了中试水处理系统。该中试水处理系统设计用于处理供应的城市原水，提供高纯度的产品水，以便在半导体制造厂中使用。其目的是(a)提高回收率，使用水减至最少，(b)提高处理的纯度，和(c)提高膜清洁之间的平均时间。以该中试系统进行了一系列试验。在这些试验的每一个中，系统以在RO截留液450ppm或更多的SiO2开始。中试装置系统连续操作，直到(a)在一般的RO透过水流中产生10％的衰减时为止，或(b)达到RO膜两侧的轴向压差增加15％。中试是用包括Dow/Filmtec RO膜(Model FT30/BW4040)的膜分离装置进行，在压力为约130psig-约185psig下，进水温度为约20℃-约25℃和进水速率最大8美国加仑/分(30升/分)的条件下操作。如图6所示，长期测试稍高于5美国加仑/分(约20升/分)的一般的透过液流。中试设备包括一对平行操作的弱酸性阳离子交换树脂床，利用罗姆和哈斯(Philadelphia，Pennsylvania)弱酸性阳离子交换树脂，产品号为IRC-86，随后为强制空气脱碳器、NaOH注入，处理进水用RO膜分离成截留物流和透过液物流。
表1
中试试验分析结果
| 原料进水(ppm) | 中试RO截留液(ppm) | 中试RO透过液(ppm) | 中试RO截留率(％) | 传统RO截留率(％) | |
| NaKCaMg氯化物硝酸盐硫酸盐B溶解的SiO2TOCpH值 | 29.96.4345.312.10.7446.10.083670.648.0 | 46018.7＜0.1＜0.178.19.42278.40.624801.110.8 | 0.955＜0.003＜0.003＜0.0001＜0.0040.003＜0.0010.0070.46＜0.00310.3 | 99.7399.98+……99.99+99.9699.99+98.5199.8799.66+… | 95-9890-9597-9890-9599-9160-7095-9990-95… |
除非另有说明，ppm表示离子浓度。
表2
钠离子交换结果
| 钠.ppb | ||
| 传统RO | 本发明 | |
| RO透过液 | 193 | 955 |
| 后阳离子IX | 0.431 | ＜0.007 |
表3
后混合床离子交换结果
| 成分 | 传统RO | 本发明 |
| BSiO2TOC | 没检测到0.43ppb5.9ppb | 没检测到0.35ppb＜3.0ppb |
表1列出了该中试厂中原料水、RO截留流和RO透过物的化学分析结果。表1还示出了在中试的RO操作中达到的截留率，并将之与传统的RO系统操作的结果相比较。特别是注意在原料进水中SiO2为67ppm，而在RO截留物流中为480ppm。在RO截留物流中的SiO2浓度为传统的RO处理构型的截留水流中的一般可达到SiO2浓度的大约三倍。但是，甚至在RO截留物流中SiO2浓度高时，仍可提高SiO2的截留率，可达99.87％；对于相同的进水，传统的RO系统只能达约95％-约99％。
实事上，如表1的数据清楚所示，与传统的RO系统相比，本发明方法对所有重要的化学物质均提高了截留率。特别是，硼和TOC的高截留率在降低下游的阴离子树脂床交换装置42和混合床离子交换装置44和46的负荷方面也提供了显著的额外的益处。在这方面，对硼的截留率可达98.51％，相同的进水在传统的RO系统中才可达到的约60％-70％。阴离子或混合床离子交换运行的终止是由SiO2的泄漏决定，或在某些情况下由硼的泄漏决定。尽管在中试RO系统中有较高的回收率，但是在传统的RO系统透过液中的SiO2是中试RO系统的三倍以上。特别是本发明方法中试试验装置的透过液中SiO2浓度达到0.45ppmSiO2，而传统的RO透过液中的SiO2浓度为1.5ppm SiO2。显然，当使用本发明的方法时，在RO透过液中可达到小于1.0ppm SiO2的SiO2浓度，实际上，可达到小于0.5ppm SiO2的SiO2浓度。同样，本发明新方法的透过液中的硼含量为0.007ppm B，而传统的RO系统的透过液的硼含量为0.06ppm B。十分清楚，证明了硼的浓度小于0.05ppm，也小于0.01ppm。表1的试验结果也证示了这一结果，在传统的RO系统中硼的截留率为60-70％，而本发明的水处理方法的硼截留率为约98.5％。换言之，在传统的RO处理中，进水中的大约30-40％的硼化物离子会通过该膜，而在本发明的方法则小于2％，实际上只有1.5％的硼化物离子会通过膜。也就是说在进水中30-40％的硼化物离子到达传统RO的透过液中，而本发明的方法只有1.5％。在某些进水中，这个数值甚至会更低，达1/100或1/1000那么低，对硼来说，截留率分别为99％或99.9％。因此这就表明，本发明方法处理透过液34时，虽然在阴离子交换装置42上的运行时间并不一定与流入物流的SiO2和硼的浓度成正比，但该运行时间明显地长于传统RO系统处理透过液的运行时间。因为阴离子的耗尽是由SiO2的泄漏的预定值指示，在硼的某些情况下，因为树脂床的出口浓度与该树脂床中物质的平均浓度有关，由于流入阴离子交换树脂床的这些阴离子浓度达到了充分的降低，因此在SiO2或硼达到可允许的最大泄漏前，得到了更长的运行时间。
重要的是，已经发现，经中试厂的混合床离子交换装置44和46处理透过液34后，硼的浓度和特别是SiO2与TOC的浓度都极低。表3提供了与传统RO处理的后混合床透过液比较的数据。有意义的是，在本发明的方法中，在后处理混合床离子交换处理的水中，发现TOC的浓度小于3.0ppb，即小于检测极限。
另外，不可忽略钾和钠的截留率显著地提高，分别为99.98％和99.73％，而传统的RO系统在钠情况下的截留率为95-98％，在钾情况下为90-95％。
表1的数据证明，与传统RO操作相比，强离子化物质例如Na、K、氯化物和硫酸盐的更高的截留率是特别重要的，且是中试试验的意外试验结果。而且，如表2指出的，在中试试验中虽然RO透过液的钠含量高于传统RO处理的透过液的钠值，但是较高的钠对后处理RO阳离子交换装置的影响相对来说是无关紧要的。由于本发明新处理的RO透过液的高碱性(在中试试验过程中，一般pH值为10.3，如表1所示)和含足够量的氢氧化物离子，钠离子的除去程度和阳离子交换装置40中的树脂的交换容量均被增加到相当的程度。如表2所示，增加透过液中氢氧化物碱的作用是促进从这种透过液除去钠。在相同的进水的传统RO处理中，RO系统透过液只有193ppb的Na，阳离子交换树脂也只能够影响钠的除去达约0.431ppb。形成鲜明对照的是RO透过液中的钠虽然为955ppb，本发明的方法在阳离子交换处理后，钠离子的浓度小于0.007ppb。
本发明的方法对总有机碳的高度截留，对于RO厂操作器也提供了明显的效益。自然水通常含有可检测量的高分子量有机酸和它们的衍生物，特别是腐殖酸、灰黄霉酸和丹宁酸。这些化合物来源于植物的腐烂，且通常是酚类化合物的缩合产物。大体上，腐殖酸包括在碱性pH值下可溶于水，但是在酸性pH值下沉淀的腐殖物质的成分。灰黄霉酸包括在碱和酸性pH值中可溶于水的腐殖物质的成分。这些酸和它们的分解产物被带入进水物流内，在选定的基材，特别是阴离子选择性物质上生成所不希望的沉积物。同样，在传统的RO系统中它们易于积垢。所以，希望把这些分子对或通过RO膜的影响减至最小，避免由于它们的存在而产生的不利影响，特别是在阴离子交换装置中，如表1所示，在原料进水中有相同的TOC时，透过液34的TOC浓度大大低于传统RO处的TOC浓度。特别是，在中试厂的RO系统中TOC截留率为99.66％，而传统的RO系统只有90-95％的截留率。如同在SiO2和硼的情况下一样，在高pH值下提高TOC的离子化度有利于产生这种重要结果。按本申请提出的本发明方法操作RO系统时，利用可离子化的有机碳物质的离子化范围能够有效的降低TOC。
由图5、6、7和8可更好地看出中试试验装置的操作结果。图5说明轴向压差(Δp)(磅/英寸2)与时间的关系，在中试反渗透试验设备中采用RO膜。压差没有按进水流率的变化得以校正。与传统RO比较，中试试验结果表明，已经达到了稳定的正常透过液流率、稳定的SiO2截留率和稳定的压差。这就表明，在本发明的方法中积垢/结垢已实质上排除。图6示出了中试RO试验设备中采用RO膜，在6个月时间内正常的透过液流率(升/分)与时间的关系。
图7说明中试RO试验设备在6个月时间内，RO截留物流中SiO2浓度。图8说明中试RO试验设备采用RO膜，在6个月时间内，SiO2的截留率与时间的关系。这种SiO2截留率是以中试RO装置中的SiO2算术平均浓度计。
在中试厂操作每次停止后(所述停止是由于在正常透过液流有10％或更多的衰减)，就要检查并清洁该膜。一个重要的发现是，通过使用清洁商品膜的化学品，例如氢氯酸溶液、EDTA四钠和NaOH，膜的清洁就可简单而有效地完成。不要求用贵的专利化学清洁剂。进行进水预处理操作的RO膜按本申请提出的方式进行操作，其性能可恢复至其起始状态，流率基本上达100％。清洁处理的第一阶段的全部清洁可用酸基本上完成，因此，表明CaCO3、Mg(OH)2、硅酸镁等是主要的结垢物质。重要地是，这就揭示了在具体的处理条件下，SiO2结垢或生物性积垢是主要的问题。很显然，由于最少的结垢和实质上不存在生物性积垢，因此提高了系统的运行性或增加了可用性是本发明RO操作方法的另一重要优点。
迄今，由薄膜构成的复合膜的生物性积垢是人们关心的一个普通问题，对于某些特定的进水源，该问题已经实质上是不可克服的。虽然预期由于在较高pH值下操作会改进生物性积垢的控制，但是实际上达到的生物性积垢的控制程度超过了预期值，对RO膜构件的解剖观察发现，细菌的量实质上不可检测。这就意味着在传统的RO系统中在膜表面上积累活的和死的细菌的普遍现象在本申请的新方法中是没有的，代之以将进来的细菌杀死和溶解，远离膜的表面。因此，RO预处理和操作的这种方法用于处理有问题的水源时会有用。这是有效的，因为高pH值溶液使细胞溶解或细胞壁破坏而产生消毒作用。这是抗细菌活性相当有力而快速作用的方法，例如，与传统的方法比较时，加氯的方法是慢的方法，氯扩散通过细胞壁，使微生物的酶失活致死。反之用氯使系统消毒，在本发明方法优选的高pH值操作下，病毒及内毒素(由格兰氏阴性细菌的细胞壁衍生的脂多糖碎片)通过溶解而有效地破坏，因此，本发明的方法可用于生产无热源或无菌的水。本质上，当在pH值为约10以上操作时，本发明的方法可提供清洁作用(减少细菌3个log并破坏植物物质)，且可证明还可对处理设备进行真正的消毒(减少细菌12个log和除去生物膜和孢子)，如试验结果所示，在透过液中细菌数量为0。再者，应当指出，在本发明方法的操作中提高透过液的pH值，在后处理RO处理设备中可以产生类似且有益的结果。这种操作方法在生产制药用的高纯水中特有用，制药用高纯水必须达到美国药典23(“USP23”)对最终用水规定的标准。关于这点，如本申请的优选方案所述的，在RO预处理中，避免使用含聚合物的原料进水、防垢剂和其它性质的化学品，可排除不希望的添加剂进入制药级的用水中，且通过减少对RO产品水的必须测试来降低成本。更简要地说，不支持细菌生长的RO操作条件的选择，使硬度和碱度的除去达到避免使用添加剂的程度，是生产高纯水的最优良的方法。
高pH值操作的进一步优点在于增加膜的保护方面，特别是由薄膜构成的复合膜，在中性、近中性和中等碱性pH值(约pH值为9)时，所述复合膜对氧化剂有有限的耐受度。当将氯加入RO进水时，一般使用Cl2或NaOCl。因为膜对游离氯有敏感性，在传统的RO系统中，通常通过注入亚硫酸盐来除去氯。但是，pH值为9以上和特别为10以上时，氯和其它的类似氧化剂对由薄膜构成的复合膜的影响明显减小。这是因为非离子化的物质(例如HOCl，称为次氯酸)的浓度极大地减小的缘故，因为该酸是较弱的酸。因此，在本发明的HERO品牌的高pH值RO处理中，一般在pH值为10或10以上操作，一般不需要除氯，所以减少了系统的复杂性且节省了费用。这种方法对利用城市水源作为水处理厂的原料进水的那些系统特别有益。
膜的寿命延长也是本发明新的膜操作工艺的再一优点。在膜分离操作中，特别是在关于RO操作方面，可期望膜构件寿命更长，主要是因为避免了结垢和生物性积垢，因此，使用刺激性清洁化学品(例如酸性化学品和表面活性剂)的机会也极大地减少。
当重要物质例如SiO2、硼或TOC的截留率降至低于可接受的极限值时，将RO膜取出，使之退出现役。对SiO2来说，当截留率从原来的99％或99％以上降至95-96％时，必须取出RO膜进行维护。如上面讨论过的，在本发明方法中SiO2的初始截留值可显著地高于传统的RO系统的截留值。因此，如果传统RO截留SiO2的极限值是可接受的话，例如，则在一特定的膜构件达到该可接受的值之前，可以维持更长时间。换言之，即使在多次维护之后，本发明方法中所使用的膜构件的SiO2截留值甚至仍超过在传统RO处理构型中操作的新膜的截留值。
由于本发明方法操作RO系统的独特的操作条件，也可实现高流率或高透过液生产率。几种因素造成了这一结果。流率用加仑水/英尺2/天表示。通常称为“GFD”，在传统的RO系统中大约为15GFD。在中试试验中，构成复合膜的FILMTEC BW膜是在24GFD下操作的，且具有30GFD的潜力。虽然后面的流率被认为是接近传统RO组件设计的水力学极限，依据隔板的构型，当支持如此提高的流率的膜组件可以得到时，本发明方法的操作甚至可以实现更高的流率(高达50GFD左右)。这是对RO系统操作者最有利的结果，因为如果使用本发明的方法将流率增加一倍，那么所要求的膜表面积的平方英尺就可少一半。相应地降低了投资费(特别是对膜和压力容器)和所需要的工厂面积。已经由本发明的其它优点明显地降低的运行费用就因膜置换费用较低而进一步得到降低。试验显示流率比传统的RO系统的设计基准增加了150％，这提供了直接的效益。
当使用本发明的方法时，RO截留物流的渗透压代表了RO技术的最终极限。一旦适当的原料进水处理将难溶物质如CaCO3、CaSO4、BaSO4和SiO2等有效地除去后，该截留物流的浓度可以继续增加，直到达到渗透压的极限值。此时，传统商用的RO系统的设计压力极限一般为约1200psig。如果设计的截留物流的允许驱动力为200psig，那么允许的最大渗透压约为1000psing。作为举例，根据简化的原则，大约1psig的渗透压是由100ppm的TDS产生，截留物流可允许的最大TDS浓度约为100000ppm。因此，这种新的RO操作技术，不论进水中的化学性如何，能够将任何进水浓缩到约100000ppm，而不考虑各种各样难溶的物质，特别是CaSO4、BaSO4和SiO2。
本发明的RO操作技术的另一优点是当用本申请公开的除去硬度和碱度的预处理设备来补充现有的RO系统时，现有的RO系统可以得到本发明方法操作效益的优点。
这种新RO操作方法的其它应用是高纯度应用，例如半导体制造和制药业的应用，以及锅炉进水、冷却塔补充水和洗涤器补充水用的较传统的应用。图9示出了本发明的反渗透系统操作在高纯水生产系统的应用。在该图中，利用多通路反渗透处理技术，按顺序地处理一部分初始原料进水10，生产最终透过液34(1+N)，该透过液已按顺序地通过了N个反渗透膜装置，N是正整数，一般为2，有时是3，虽然较高的数目也可以使用。如上所述，如果原料进水碱性不足时，可通过任何便利的技术，例如通过添加Na2CO3 13碱性物质，然后把处理过的物流RC送入弱酸性阳离子交换系统12。在进行阳离子交换后，添加盐酸或硫酸之类的酸14，产生处理过中间水流WA。然后用脱碳装置20中除CO2气体，生产中间处理水流D。随后通过便利和成本有效的方法例如添加碱溶液20，或通过阴离子交换装置31提高pH值，继续生产中间处理物流DOH。然后将来自反渗透装置(和第一RO装置30(1)与最后RO装置30(N)间的任何RO装置)的截留物流32(N)在RO装置30N前循环进入进料水，产生含所不希望的但可容许的溶解物质和溶剂水的进水25(1+N)。泵26把进水25(1+N)加压，产生加入第一RO装置30(1)的加压进水；经处理后，产生透过液34(1)，然后按顺序地加入从1到N装置的一个个RO装置。整个系列的截留物流用截物流32(1+N)表示。来自整个系列的处理过的高纯度的透过液，用透过液物流或产品水34(1+N)表示，该产品水在使用前，用离子交换设备进行最后的净化处理。阳离子交换装置40生产进一步的中间纯度物流C，接着阴离子交换装置42生产进一步的中间纯度物流A。在使用前，初级混合床离子交换装置44还生产更高纯度的物流P，和任意的次级或磨光混合床离子交换装置46生产更高纯度的也可能是最后的纯度产品S，或使用上述的相同命名法，生产纯水流38(1+N)。在半导体制造中，在亚微米过滤器48中，利用0.02微米过滤器进行最后的过滤，但是通常采用约0.02-0.1微米大小的，来生产更高纯度的水流M。把高纯水通过紫外线消毒器49，来控制微生物的操作一般在254mn波长下进行，以杀死存在于高纯水流M中的任何细菌，生产最终的超纯水U。在许多系统中，最终亚微米过滤器48和UV消毒器49可以换位，或使用进一步的后处理UV过滤器。
图10说明使用本发明方法的RO系统操作，用于生产锅炉进水补给水，或冷却塔补给水，或洗涤器补给水。RO装置30和不同的预处理设备按照上述的本发明方法操作，生产高纯度透过液34。然后将产品水透过液34根据特定的锅炉要求的需要在离子交换系统中进行处理，并作为补给水100加入锅炉102。来自锅炉102的排放水104送往收集罐106，用泵108通过管109返回到RO预处理系列装置。虽然冷却塔110和洗涤器112可能用透过液34补给，更一般地，例如在蒸汽发电厂中，冷却塔110和洗涤器112会用原料水10例如用城市水或井水补给。所以冷却塔的排放水114和洗涤器排放水116的硬度和碱度一般都高。同样，可以使用这种系统处理与灰分直接接触的水，例如燃煤蒸汽发电厂的煤灰池水或煤灰冲洗水。在本发明的RO处理中，通过本发明方法的RO预处理和操作，通常可得到大量的再利用水，不象传统的RO系统。
图11示出了使用本发明方法的预处理和RO操作的其它的优点。图中示出了与上述相似的一优选的实施方案，使用多通路RO系统(带有RO装置30(1)和30(N)的两个通路)，在预处理中使用连续的电脱离子系统150。当用连续的电脱离子作用进行处理时，RO透过液34(1+N)将产生很高质量的脱离子水E，在经UV处理装置46和最后过滤装置48后，作为超纯水UP在微电子工业中可以使用。供选择地，可以省略次级或磨光型的混合床离子交换装置46，将连续电脱离子的产品水E可以直接送往UV消毒装置49。因为连续的电脱离子对硼、SiO2、TOC等的截留有限制，如此就限制了其生产18.2百万欧姆水作为直接流出水供给电子制造厂的能力。当按本申请描述的方法操作时，来自双通路RO系统的透过物34(1+N)含有极少量的会引起连续电脱离子麻烦的这些物质，例如B、SiO2、TOC等。因此，使用这种透过液作为连续电脱离子处理装置的进水被认为是能够使这种电脱离子装置生产18.2兆欧的水，而不用下游的离子交换磨光器46的作用。当然，与传统离子交换相比，使用连续电脱离子的优点在于上述的连续过程(而不是离子交换树脂的批处理过程)通过电学再生的连续处理，而不是以化学方法再生的处理。因此避免了使用传统的再生化学品。
而且，即使在废水处理中使用本发明的方法也有优点，因为按本发明的教导操作时，RO系统在高pH值下基本上截留可离子化的物质，这些成分的高截留率将可实现用于循环和再用的含有较少这些成分的RO透过液。来自精炼厂、造纸厂和纸浆制造过程的废水，以及市政污水处理厂的废水，均含相当大量的待处理成分(脂族和/或芳族有机酸及其衍生物)，对于传统的RO膜而言这些成分是最难处理的，这是由于有机物积垢和有关的微生物生长的缘故。当处理冷却塔、锅炉补给水、洗涤器补给水等的废水时，会生产出满足一般工业使用的足够好质量的水。
HERO品牌的RO处理设计和操作的效益
在上文列出了以HERO品牌RO系统处理设计和操作的许多实例和这些实例体现出的令人满意的处理效益。这些效益的详细解释包括：
(A)污物的高截留率
表4
HEROTM RO对传统RO比较表
| 成分 | 截留率传统(％) | 截留率HERO(％) | 通过率传统(％) | 通过率HERO(％) | 通过率因子传统/HERO | 通过率减少(％) |
| Na | 98 | 99.73 | 2 | 0.27 | 7.4 | 87 |
| K | 90 | 99.98 | 10 | 0.02 | 500.0 | 99 |
| 氯化物 | 98 | 99.99 | 2 | 0.01 | 200.0 | 99 |
| SiO2 | 99 | 99.87 | 1 | 0.13 | 7.7 | 87 |
| B | 70 | 98.51 | 30 | 1.49 | 20.1 | 95 |
| TOC | 95 | 99.66 | 5 | 0.34 | 14.7 | 93 |
表5
水分析
| 原料水 | 截流物流 | 产品物流 | |
| Na+K | 125 | 1.350 | ＜1 |
| Ca | 7 | 0 | 0 |
| Mg | 13 | 0 | 0 |
| HCO3 | 85 | 50 | ＜1 |
| CO3 | 0 | 50 | ＜1 |
| NO3 | 1 | 10 | ＜1 |
| SO4 | 30.8 | 308 | ＜1 |
| Cl | 28.2 | 282 | ＜1 |
| SiO2 | 50 | 500 | ＜1 |
| pH值 | 7.1 | 10.8 | 10.2 |
注：1.表中没标出RO进水(RO截留物流和RO产品物的氢氧化物含量)分析结果。
2.化学检测是按90％RO回收率，而最大可得的回收率为约96％。
3.除pH值外，所有成分单位均以CaCO3 mg/L来表示。
表6
变更的成本估算
| 水/废水节约 244,000 (US$/年)抗垢剂的除去 30,000 (US$/年)能量节约 17,000 (US$/年)附加的化学品费用 (40,000) (US$/年)附加的杂项费用 (20,000) (US$/年)每年净节约 231,000 (US$/年)变更转换(资金)成本 200,000 (一次)投资收回时间周期 10.4(月) |
表7
成本比较
| 传统系统 | HERO系统 | |
| 设备投资费(US$MM) | 12 | 7.8 |
| 运行费用(US$/1,000US加仑) | 5.75 | ＜4.00 |
注：参见基本资料5.0。
如表4所示，表4总结了HERO品牌RO处理中试厂的数据，所有物质的截留率明显地高于传统的RO操作中可实现的。特别值得注意的是，提高了弱阴离子如TOC、SiO2和B的截留率。所给于的腐殖酸/灰黄酶酸衍生物(TOC)、硅酸、硼酸都是较弱的酸，在高pH值下操作，这些酸离解度将变大(相对于近中性pH值操作而言)，因此被RO膜的截留率效果要好得多。
也观察到了强离子化(在近中性pH值)物质的截留率的改进。几个因素被认为是有助于强离子化物质截留率的这种提高。膜形态学的改变被认为发生。靠近膜表面的浓度极化层的厚度的明显减少(由于在高度自由腐蚀性条件下表面张力的减少)被认为对这种提高起了主要的作用。再者，弹性体例如O形环的湿胀，在组件中产生了更好的密封特性也是一个因素。
SiO2等的非常高的截留率对后处理RO离子交换系统的工作状态/运行有重大的影响。因为绝大部分后处理RO离子交换的再生是以SiO2或硼的透过量为基准，减少在流入物流中SiO2/B的含量的将提供两次再生之间的更长的运行时间。在RO透过液中，没有CO2和碳酸氢盐(由于高pH值，一般为至少pH值为10)，也将在SiO2/B穿透超过极限值之前，提高在线的运行时间。在RO透过液中强离子化物质浓度的降低意义不大，因为许多后处理RO离子交换只限制SiO2或B。
在传统的由薄膜构成的复合膜RO操作中，硼的截留率为60-70％，而本发明中的新方法的硼的截留率约为99％。在双通路构型中，本发明新方法能够生产可比硼的检测极限还低的透过液。
用来自HERO品牌RO系统的透过液在离子交换操作中的另一很有意义的优点是阳离子树脂的钠穿透降低了几个数量级，这是因为流入物流的高pH值的缘故。其结果是该离子交换系统装置的再生之间有更长的运行时间，化学品和人力需求变少，再生废物容积减小等。对本发明的新系统来说，或对现有系统的扩大来说，本发明的HERO品牌的RO处理设计和操作也对离子交换系统的投资费可以产生非常积极的效果。
(B)高回收率
在RO操作之前，因为已经除去了产生硬度的离子，例如Ca，Mg、Ba、Sr、Al、Fe、Mn等，所以在HERO品牌的RO处理中不会出现沉淀物质，例如CaCO3、CaF2、CaSO4、BaSO4、Mg(OH)2、硅酰铝/硅酸镁等，因此沉淀物的形态与RO系统可达到的回收率无关。重要地是，在通常的HERO品牌的RO操作(pH值优选为约11)中，SiO2的溶解度显著性地增加。已证实SiO2为450-500ppm(RO截留液中)范围下，系统可长期操作，且理论推断表明，在本发明的RO操作方法中，SiO2浓度可达到1000ppm或更高的值。
按RO进料中为25ppm SiO2计，由试验证实RO操作的回收率为95％(在截留物流中约500ppm)。从实际操作的角度看，不论是否实现，本发明理论上可得的回收率可达97.5％(在RO截留物流中约1000ppmSiO2)。由于SiO2通常代表了最终限制标准，在RO进料中应当允许在很高的回收率(90-98％)进料的绝大多数操作下，提高SiO2的溶解度以及基本上不存在Ca、Ba等之类物质。
若进水中含较高的Ba，RO的回收率就可能受在截留末端处潜在的BaSO4沉淀的限制。HERO系统因为在Ba到达RO之前，就已定量的除去，所以不存在这个问题。相同的结果也可应用于受SrSO4、CaSO4、CaF2和其它少量可溶性Ca、Mg、Fe和Al盐等的限制的RO系统。
当然，RO回收率的最终限制是RO截留液的渗透压，所述渗透压将仍控制着特定进水可达到的最大回收率，但是在通常进水的回收率小于99％时没有达到这种限制。
(C)基本排除生物性积垢
在操作的高pH值下，一般通常产生的微生物物质完全溶解(物理性破坏)。实际上，即使病毒、孢子及内毒素，在很高的pH值下，即便不是被破坏，便是不能再生产/繁殖。预计在本处理中脂质(脂肪)的碱化也起了作用，因为脂肪酸及相应的甘油酯在操作条件的高pH值下将生成可溶性“皂碱”。
在进行长期试验的位置中，在HERO技术试验过程中，没有任何生物性积垢产生。在整个试验期间，这种中试RO系统在正常的透过液流量和系统压降方面显示出很稳定的操作特性。在RO构件以规则间隔实地试验期间，进一步证实了生物性积垢的排除。一个测试和实地验证该FILMTEC FT30原理构件的阶段性计划进行了15个月。其试验数据表明在试验条件下，盐的截留率高于初始品质的确定值。而且膜表面清洁，没有任何生物性积垢的证据。
新处理的这种特性对已知有生物性积垢问题或场所，或对生物污染的/生物活性废水的处理有明显的效益。对高于环境温度的RO操作的系统也非常有效。
(D)基本上减少微粒积垢
人们研究(和解决)软化存在于进水中的不稳定胶体固体，以及显著减少RO进水中的积垢问题近30年。在1960年代末期和1970年代早期，应用中空细纤维RO构件用于预处理的顺应软化要求证实这种战略的存在。同时，在高pH值下，表面与污物微粒之间的zeta电位一般可以降低，因此减少了粘附物的形成。这种性质被多数的自然产生的微粒(包括细菌)显示出表面负电荷而增强。虽然并排成zeta电位的测定还在进行，但是如果不能排除的话，预期新方法会充分减少微粒积垢的问题。zeta电位的降低进一步减少微粒粘附到稍微带负电荷膜表面上的可能性。如果提供来自原细菌脂质生成表面活性剂，将进一步帮助减少微粒粘附到膜的表面上。
新方法的这种特性在RO系统的设计中有重要的参考价值，特别是它可降低投资费用和处理UPW的操作复杂性。除了可以接受一定的微粒污物的能力外，本发明的新方法也可以把作为RO系统预处理的多介质过滤、凝结剂/絮凝剂、添加剂、硅藻土过滤等需求减至最少。
(E)显著减少化学品的使用
通过添加化学品，或通过活性碳的方法脱氯是不必要的，因为在很高的操作条件pH值下，游离(未解离的)HOCl的量是极低的。
(F)排除水垢抑制剂的使用
在半导体制造设备厂试验18个月后证实，可以完全不使用虽然无害，但是与本发明的新方法不相容的抗垢剂或抑垢剂。
(G)高流率
从浓度极化层厚度的减少，以及生物性积垢的排除和微粒粘附到膜表面上的减少，就可以预计到利用新方法的RO系统的流率要高于传统操作的。相比之，普通设计的流率为15gfd(加仑/英尺2/天)，而HERO品牌的RO系统设计的流率超过15gfd，优选设计在20gfd，更优选为约25gfd，并且超过25gfd(假如可实际达到的话)。
(H)较高的产品纯度
由于较高的设计流率，除了降低了RO系统的投资费用外，RO透过液的质量也明显提高。例如，以在25gfd时与15gfd设计相比，RO透过液中溶解的固体少40％。在较高pH值操作，与高的生产流率相结合，其结果是盐的流率(该流率取决于浓度，而不是取决于压力)明显降低。可以预期，RO系统仅这一项，在其它的参数都相同的情况下，投资费用就可节约大约20％(或20％以上)。
(I)截留液可用作洗涤器的补给水
高pH值，低碳酸盐碱度和实质上没有硬度的HERO品牌系统的透过液，可以用作酸性气体洗涤器的补给水。如果在洗涤器中pH值大大降低的话，由于可能出现SiO2沉淀的问题，因此RO透过液一通过基底，就使用，因此不受蒸发率的限制。
化学处理
如上所述，很高截留液pH值是HERO品牌RO系统的操作特性的一个特点。弱离子化阴离子例如TOC、SiO2、硼等的极高截留率与这些特性是相互关联的。下面用SiO2作实例，研究上述之间的关系。
在近中性pH值(6-8)的天然水中，Si主要以H4SiO4形式存在。H4SiO4通称为硅酸，是存在水中的最弱的酸性物质之一。H4SiO4的第一离解常数(即四个氢中的第一个质子的离解)约为2×10-10，相应的，环境温度下的PKa值约9.7，溶液的穿透离子强度很低。
一种将硅酸(PKal为9.7)的浓度生动化的表述方法是当pH值为9.7时，硅酸50％离子化，即50％以没解离的原硅酸存在，而其余的50％解离并以一价的硅酸盐离子，原硅酸的共轭碱存在。在pH值为10.7时，同时共轭碱与原硅酸的对数一致的，约91％以硅酸盐离子存在，9％以没解离的酸存在。在pH值为11.7时，分别为99％和1％。反之，在pH值为8.7(当对数比为0.1时)，约91％的物质是以未解离的酸和9％以离子化的硅酸盐存在。在pH值为7.7，约99％以末离解的硅酸和1％以离子化的一价硅酸盐离子存在。
由于大部分的天然存在的原料水pH值为8或更低，在这些条件下，基本上所有的硅以未解离的硅酸存在。其它很弱的酸，例如硼酸(H3BO3 PKa约9.2)和氰酸(HCN PKa约为9.3)显示出很相似的性质，但是，当然这些都是比硅酸稍强的酸。
通过RO膜的各个物质的截留特性是受溶解物质分子的大小、形状和电荷密度的影响。通常认为，与存在的未解离态的溶解物质比，离子化溶解物质将被截留得多，其条件是它们的大小和形状要可比。例如氟化物的截留率在pH值小于3时基本上为零，在pH值为3.5时，为30％，在pH值为4时，为50％，在pH值为5时，为75％，在pH值为7时，98％(或更高)。氟氢酸(弱酸，PKa为3.2)是离子化氟化物物质的抗衡部分，并且在低pH值时是主要成分。
但是SiO2/H4SiO4的截留率在pH值为7时令人惊奇的高达98％，其主要的成分是未解离的硅酸，不是离子化的硅酸盐物质。这与原硅酸的实际尺寸比预期的大很多这一事实至少部分解释的不一致，因为该分子结合6分子的水合水。因此，高截留率取决于形状/尺寸因素，因为在pH值为7时，硅酸只有很少的离子化(小于0.2％)。
根据所包括的因素，显然，当基本上离子化时，截留率中SiO2与硅酸盐(SO4)离子具有可比性。这种估计是依据硫酸根离子也结合6个分子的水合水，及在近天然pH值时，硫酸根离子完全离子化的事实。据记录，在通常的RO操作中，硫酸盐的截留率约为99.5-99.9％，而在HERO系统操作中，当pH值为10.5-11.0时，SiO2的截留率实际上高于99.9％。换言之，在pH值7时硫酸盐的截留率与在pH值为10以上的SiO2截留率相当匹配。从酸的相对强度和对应分子的相对大小的观点，这种效果可被合理地说明并被利用。
新方法的另一方面，进一步讨论的优点是在RO进水的pH值调节(升高)前，要求基本上除去碱度。从整个实践看，近零的碱度是必要的(因为任何残留的碱度都将提供强的缓冲作用)，并大体上要增加把pH值升到正常操作范围所需要的碱量。增加碱的量超出成本之外，RO透过液的钠含量也会高得多，导致增加了不必要的后处理RO离子交换的负荷和费用。
虽然从原理的观点看，碱度的除去要求是很急迫的，却也易达到，下面以碳酸钙的溶解度为实例说明所使用的定量关系。
CaCO3的可溶性产物(Ksp)在室温下是约8.7×10-9平方摩尔，非常低的离子强度。假设通过RO的目标回收率为90％，那么RO进水中可允许的最高的CaCO3离子产物是约8.7×10-11平方摩尔。进一步假设在软化的进水中含0.1mg/L Ca，那么RO进水中的可允许的最大碳酸盐浓度为约2.1mg/L(都用离子的量表示)。
在pH值为11.0的截留条件下，约85％的碳酸盐物质以碳酸盐存在，其余的以碳酸氢盐存在。在pH值升高前，假设总残留的CO2相当于5mg/L，那么将存在约5.8mg/L的碳酸盐(以离子的量表示)于RO进水中。相对应，最高可允许2.1mg/L碳酸盐，所达5.8mg/L为其三倍高。
在回收率为90％时为保证无水垢操作，一个或几个下列情况必须达到：
——残留的钙浓度必须小于0.1mg/L，或RO操作条件必须改变。虽然已知CaCO3水垢抑制剂一般允许高Ksp，但是本申请人没有发现任何配方可使在RO的高pH值下连续操作有效并且成本效益好。重要的是，还应当指出，在HERO系统的长期试验中，无论如何没有使用抑垢剂。
Mg(OH)2的Ksp为约1.2×10-11立方摩尔，在某些情况中，可容许的残留物应更加注意，因为镁易于更早的从弱酸阳离子交换剂中泄漏，因此，要高度注意防止Mg(OH)2结垢。
典型实施例
下述为HERO系统的一个典型应用实例。本实例选用原料水来自日本南方的Kumamoto区域，SiO2浓度高，下述成本为估算(准确率±30％)。假设成本计划如下：
(1)1,500,000US GPD系统额定容量；
(2)75％的额定回收率对比90％HERO系统回收率；
(3)UPW质量(化学品)标准为：
(a)SiO2＜1PPB，
(b)TOC＜1PPB，和
(c)O2＜5PPB；
(4)消耗品费用：
(a)H2SO4(93％) US$100/吨；
(b)NaOH(100％) US$450/吨；
(c)抗垢剂 US$1.50/磅；
(d)电力 US$0.075/kwh；
(e)购水及废水排 US$3/1000US加仑
泄费用(综合)
现有RO系统的转换
下表6，假设现有的1.5百万加仑GPD(US)系统，用表5的进水按75％回收率操作，改造成90％回收率的HERO品牌的RO处理系统，除了RO系统外，没有其他任何改变。
在某些情况下，利用可行的HERO品牌的RO处理设计，通过处理来自传统RO系统的截留物流，提高总的RO回收率，其处理方法是(a)同时减少WAC系统中的碱度和硬度，(b)脱碳作用和(c)在物流加入第2RO系统前升高pH值。
现有系统的改造对提高RO系统的能力也提供了一个宝贵机会。当操作改变成HERO品牌的RO处理设计和操作构型时，这是可行的，因为在传统RO系统中约15gfd的流率可以增加到20gfd，或许达到25gfd那么多，或更高。
新的RO系统设计和操作
下表7的计划，是按两个品牌的新UPW系统建造，在一种情况下，使用传统的方法(参见图13)，而在另一情况下，使用HERO品牌的RO系统(参见图14)，包括简化的磨光回路设计。两个系统都使用双通路RO，中空细纤维超滤器，均没有双床离子交换器。约40％的UPW是在高温下使用，该费用的预算包括DIW换热器。超过超滤系统的管件系统的配置不包括在这些预算费用中，系统的安装费用或任何衬PVDF贮罐的费用也不包括在这些预算费用之内，因为这些部件的尺寸与具体位置相关。
总述
新的HERO品牌的RO技术已经显示出全部污物的很高截留率，特别是弱酸阴离子。此外，对绝大部分的进水达到了90％或以上的RO回收率。生物性积垢基本排除，而微粒的积垢也大体上减少。新的HERO技术可达到比利用传统RO系统设计的正常实施更高的流率。虽然本发明的新方法可能提高UPW的成本，但是事实相反。UPW系统的总费用和复杂性都戏剧性地降低。
经膜分离设备处理水的方法和设备，特别是经上述的HERO品牌的RO处理设计提供了革命性的、不同寻常的结果，即在纯化过RO透过液中SiO2浓度降低，但是同时在RO截留液中SiO2浓度增加。操作膜分离系统，特别操作RO系统的这种方法明显地减少了水的用量，同时降低水处理系统的成本和运行费用。水回收率(即所产生的透过液的产品物的量与所加入的进水物流量的比率)超过约50％并且易达到约85％或以上，常常高达95％，甚至在某些时候会达到99％。而且，对一定的效率，显著性地少用化学试剂、或是少用离子交换再生剂、或RO清洁剂，生产每加仑纯水的消耗将减少。
因此，上述的目的可以有效达到。由于在实施上述方法在建造实施上述方法的适宜设备及生产上述所希望的产品中可能有某些改变，十分清楚，在不离开本发明精神和基本特征的情况下，可以利用其它的具体形式，这都包括在本发明的范围内。例如，虽然申请人公开了同时除去硬度和碱度的处理设计，但是对达到上述方法原理的结果其它的方案也是可行的。因此，应当理解，本发明的有代表性方案的上述描述仅是为说明和理解的目的而提出的，对本发明不构成排斥或限制，或把本发明限制到公开的实施形态。相反，本发明包括全部改进、等同物和如附属权利要求书代表的落入本发明精神和范围的供选择的方案。例如，权利要求书包括方法和所述的结构，且不仅是方法等同物或结构等同物，而且也包括等同物的结构或方法。因此，本发明的范围，如由附属权利要求书界定，是打算包括由所提供实施方案进行改变的变体，从广义和适当范围来说明包含于权利要求书界定的范围内，或其等同物的范围内。
Claims (120)
1.一种在膜分离设备中处理进水物流的方法，所述膜分离设备包括至少一个具有膜分离器的装置，所述的方法包括：
(a)提供含有溶解物质的进水物流，所述溶解物质具有
(i)硬度，
(ii)碱度，和
(iii)当在中性或近中性pH值的水溶液中时离子化度极低的至少一种分子物质；
(b)在选定的pH值通过在所述的膜分离设备的第一装置中按任意
顺序实施两个或几个下述的步骤
(i)从上述进水物流中除去硬度，
(ii)从上述进水物流中除去与硬度有关的基本上所有的碱度，
(iii)除去上述进水物流中的溶解气体，无论该气体是起始就存在的还是在上述除去硬度或碱度步骤期间所产生的，
将上述进水在浓缩到预先选定的浓度因子时，在减少该进水形成水垢的倾向后，在所述的膜分离设备的第一装置中浓缩所述的进水物流；
(c)把来自步骤(a)的产品物流的pH值升高到选定的pH值，至少为8.5，促进上述的当在中性或近中性pH值的水溶液中时离子化度极低的至少一种分子物质提高离子化度；
(d)使上面步骤(c)的产物物流通过上述的膜分离设备，该膜分离设备基本阻止溶解物质通过，以将所述的进水浓缩到所述预先选定的浓度因子，产生
(i)含较多溶解物质的截留物流，和
(ii)含较少溶解物质的产品物流。
2.一种在膜分离设备中处理进水物流的方法，所述的膜分离设备包括至少一个具有膜分离器的装置，该方法用于产生含较少溶解物质的产品物流和含较多溶解物质的截留物流，所述方法包括：
(a)提供含有溶解物质的进水物流，所述溶解物质具有
(i)硬度，
(ii)碱度，和
(iii)当在中性或近中性pH，值水溶液中时离子化度极低的至少一种分子物质；
(b)在选定的pH值通过按任意顺序实施两个或几个下述的步骤
(i)从上述进水物流中除去硬度，
(ii)从上述进水物流中除去基本上所有的非氢氧化物碱度，
(iii)除去溶解的气体，无论该气体是起始就存在的还是在上述除去硬度或碱度步骤期间所产生的，
将上述进水在浓缩到预先选定的浓度因子时，在有效排除该进水形成水垢的倾向后，在所述的膜分离设备的第一装置中浓缩所述的进水物流；
(c)把来自步骤(a)的产物的pH值升高到选定的pH值，至少为8.5，促进上述的当在中性或近中性pH值水溶液中时离子化度极低的至少一种分子物质提高离子化度；
(d)使步骤(c)的产物通过上述的膜分离设备，该膜分离设备基本上阻止溶解物质通过，以将所述的进水浓缩到所述选定的浓度因子，产生
(i)含较多溶解物质的截留物流，和
(ii)含较少溶解物质的产品物流。
3.按权利要求1的方法，其中除去硬度的步骤(a)和除去与硬度有关的基本上所有碱度的步骤(b)，是在单一单元操作中完成的。
4.按权利要求3的方法，其中上述单一单元操作包括弱酸性阳离子交换系统。
5.按权利要求4的方法，其中上述的弱酸性阳离子交换系统是以氢型进行操作的。
6.按权利要求4的方法，其中上述的弱酸性阳离子交换系统是以钠型进行操作的。
7.按权利要求1或2的方法，其中除去硬度的步骤是把上述进水通过钠型强酸性阳离子交换系统来完成的。
8.按权利要求1或2的方法，其中在步骤(c)中pH值被升高到9和10之间。
9.按权利要求1或2的方法，其中在步骤(c)中pH值被升高到10和11之间。
10.按权利要求9的方法，其中pH值被控制在10.5。
11.按权利要求1或2的方法，其中在步骤(c)中pH值被升高到至少11。
12.按权利要求1或2的方法，其中在步骤(c)中pH值被升高到至少12。
13.按权利要求1或2的方法，其中上述的当在中性或近中性pH值的水溶液中时离子化度极低的至少一种分子物质包括SiO2。
14.按权利要求1或2的方法，其中上述的当在中性或近中性pH值的水溶液中时离子化度极低的至少一种分子物质包括偏/原硅酸(H4SiO4)。
15.按权利要求1或2的方法，其中上述的当在中性或近中性pH值的水溶液中时离子化度极低的至少一种分子物质包括硼。
16.按权利要求1或2的方法，其中上述的当在中性或近中性pH值的水溶液中时离子化度极低的至少一种分子物质包括原硼酸(H3BO3)。
17.按权利要求1或2的方法，其中上述的当在中性或近中性pH值的水溶液中时离子化度极低的至少一种分子物质包括可离子化的有机碳物质。
18.按权利要求1或2的方法，其中上述的当在中性或近中性pH值的水溶液中时离子化度极低的至少一种分子物质包括可质子化的有机碳物质。
19.按权利要求1或2的方法，其中上述的当在中性或近中性pH值的水溶液中时离子化度极低的至少一种分子物质包括腐殖酸或其衍生物。
20.按权利要求1或2的方法，其中上述的当在中性或近中性pH值的水溶液中时离子化度极低的至少一种分子物质包括灰黄霉酸或其衍生物。
21.按权利要求1或2的方法，其中上述的当在中性或近中性pH值的水溶液中时离子化度极低的至少一种分子物质包括SiO2，其中在上述含较多溶解物质的截留物流中含有超过120ppm的SiO2。
22.按权利要求1或2的方法，其中上述的当在中性或近中性pH值的水溶液中时离子化度极低的至少一种分子物质包括SiO2，其中在所述含较多溶解物质的截留物流中含有超过160ppm的SiO2。
23.按权利要求22的方法，其中在上述含较多溶解物质的截留物流中存在高达450ppm的SiO2。
24.按权利要求22的方法，其中在上述含较多溶解物质的截留物流中存在超过450ppm的SiO2。
25.按权利要求22的方法，其中在上述含较多溶解物质的截留物流中存在高达500ppm的SiO2。
26.按权利要求22的方法，其中在上述含较多溶解物质的截留物流中存在高达1000ppm的SiO2。
27.按权利要求1或2的方法，其中上述进水物流包含SiO2，其中上述的膜分离设备的操作不受在上述含较多溶解物质的截留物流中存在的SiO2浓度的限制。
28.按权利要求1或2的方法，其中上述截留物流包含100000ppm的TDS。
29.按权利要求10的方法，其中上述在中性或近中性pH值的水溶液中时离子化度极低的物质包括氰化物。
30.按权利要求29的方法，其中上述含较多溶解物质的截留物流含90％的存在于进水物流中的氰化物。
31.按权利要求29的方法，其中上述含较多溶解物质的截留物流含99％的存在于进水物流中的氰化物。
32.按权利要求10的方法，其中上述的当在中性或近中性pH值的水溶液中时离子化度极低的物质包括pKa1为7.5或更高的弱酸。
33.按权利要求1或2的方法，其中进水物流中还存在活细菌，其中升高上述pH值的步骤将存在的活菌的杀死，其结果使产品物流中基本上没有细菌。
34.按权利要求33的方法，其中升高上述pH值杀死活细菌的步骤产生细菌碎片和内毒素，该方法还包括将所述的细菌碎片和内毒素进一步破坏，得到基本上不含细菌碎片和内毒素的产品物流。
35.按权利要求1或2的方法，其中上述进水物流中还存在活病毒，其中升高pH值的步骤将存在的活病毒杀死，结果使上述的产品物流基本上没有活病毒。
36.按权利要求1或2的方法，其中所产生的产品物流的量与所供给的进水物流的量的比率大于50％。
37.按权利要求1或2的方法，其中所产生的透过液产品物流的量与所提供的进水物流量的比率为85％或更高。
38.按权利要求1或2的方法，其中所产生的透过液产品物流的量与所提供的进水物流的量的比率为95％或更高。
39.按权利要求1或2的方法，其中所产生的透过液产品物流的量与所提供的进水物流的量的比率为99％或更高。
40.按权利要求1或2的方法，其中上述膜分离设备包括微过滤设备。
41.按权利要求1或2的方法，其中上述膜分离设备包括逆渗透设备。
42.按权利要求41的方法，其中上述逆渗透设备包括对上述产品物流串联操作的1到N个逆渗透装置，且其中N是大于1的正整数。
43.按权利要求41的方法，进一步包括使来自所述逆渗透设备的上述产品物流通过至少一个初级混合床离子交换装置和次级混合床离子交换装置。
44.按权利要求43的方法，进一步包括下述步骤：将上述初级混合床离子交换装置运行到(a)SiO2、(b)硼或(c)TOC中的一种或几种达到预先选定的泄漏率之后，排放上述初级混合床离子交换装置的介质树脂，并用上述次级混合床离子交换装置的介质树脂来代替。
45.按权利要求43的方法，其中上述初级混合床离子交换装置不经再生而在上述方法中再使用。
46.按权利要求1或2的方法，其中升高pH值的步骤是通过添加碱的水溶液来完成的，所述碱选自由(a)NaOH、(b)Na2CO3、(c)KOH、(d)K2CO3组成的组。
47.按权利要求1或2的方法，其中升高pH值的步骤是通过添加有机碱的水溶液来完成的。
48.按权利要求1或2的方法，其中升高pH值的步骤是通过使用阴离子交换剂，提高所述进水物流中存在的氢氧根的数量来完成的。
49.按权利要求1或2的方法，其中上述进水包括冷却塔排放水。
50.按权利要求1或2的方法，其中上述进水包括洗涤器排放水。
51.按权利要求1或2的方法，其中上述进水包括燃煤蒸汽发电厂中输送煤灰所使用的水。
52.权利要求1或2的方法，其中该方法的产品物流的硼含量比存在于进水物流中的硼含量的2％还低。
53.按权利要求1或2的方法，其中该方法的产品物流的硼含量为存在于进水物流中的硼含量的1-1.5％或更少。
54.按权利要求1或2的方法，其中该方法的产品物流的硼含量为存在于进水物流中的硼含量的1％或更少。
55.按权利要求1或2的方法，其中该方法的产品物流的SiO2含量比上述进水物流中存在的SiO2含量的0.05％还低。
56.按权利要求1或2的方法，其中该方法的产品物流中细菌含量基本上是零。
57.按权利要求1或2的方法，其中该方法的产品物流中的活病毒含量基本上是零。
58.按权利要求42的方法，进一步包括在连续的电脱离子装置中处理上述产品物流来生产净化过的水流的步骤。
59.按权利要求58的方法，进一步包括在紫外线消毒装置中纯化来自上述连续电脱离子装置的上述净化过的水流的步骤。
60.按权利要求59的方法，进一步包括在最后的亚微米过滤器中纯化来自紫外线消毒装置的产品物流来生产超纯水产品的步骤。
61.按权利要求58的方法，进一步包括在混合床离子交换系统中，处理上述纯化过的水流的步骤。
62.按权利要求60的方法，其中上述超纯水产品达到或超过18.2兆欧姆电阻率质量标准。
63.按权利要求1所述的方法生产的水，所述的水是所述方法的产品物流，所述进水物流中包含硼，所述产品物流的特征为其硼含量比所述进水物流中硼含量的2％还低。
64.按权利要求1所述的方法生产的水，所述的水是所述方法的产品物流，所述进水物流中包含硼，所述产品物流的特征为其硼含量为所述进水物流中硼含量的1％到1.5％或更少。
65.按权利要求1所述的方法生产的水，所述的水是所述方法的产品物流，所述进水物流中包含硼，所述产品物流的特征为其硼含量为所述进水物流中硼含量的1％或更少。
66.按权利要求1所述的方法生产的水，所述的水是所述方法的产品物流，所述进水物流中包含SiO2，所述产品物流的特征为其SiO2含量比所述进水物流中SiO2含量的0.05％还低。
67.按权利要求1所述的方法生产的水，所述的水是所述方法的产品物流，所述进水物流中包含细菌，所述产品物流的特征为其细菌含量基本为零。
68.按权利要求1所述的方法生产的水，所述的水是所述方法的产品物流，所述进水物流中包含活病毒，所述产品物流的特征为其活病毒含量基本为零。
69.按权利要求42的方法，在第N个逆渗透装置之后，所述产品物流进一步用阳离子交换装置处理。
70.按权利要求41的方法，还包括使来自所述逆渗透设备的产品物流通过至少一个混合床离子交换装置的步骤。
71.按权利要求4的方法，其中所述进水物流包含的硬度高于其碱度，在所述进水进入所述弱酸性阳离子交换系统前，该方法进一步包括通过向所述进水中加入碱来调节硬度与碱度的比率的步骤，使所述进水的碱度升高。
72.按权利要求4的方法，其中所述进水物流包含的碱度高于其硬度，在所述进水进入所述弱酸性阳离子交换系统前，该方法进一步包括向所述进水中加酸的步骤，使所述进水的过量碱度减少。
73.按权利要求6的方法，在除去溶解气体的步骤前，进一步包括加酸的步骤，使碱度有效地转化为二氧化碳。
74.按权利要求1或2的方法，在步骤(c)中，以在截留物流中测得的pH值计，pH值被升高到12以上。
75.按权利要求1或2的方法，在步骤(c)中，以在截留物流中测得的pH值计，pH值被升高到13以上。
76.按权利要求1或2的方法，其中所产生的透过液物流的量与所提供的所述进水物流量的比率在90％到98％之间。
77.按权利要求1或2的方法，其中所述进水物流进一步包含氯。
78.按权利要求1或2的方法，在除去所述溶解气体的步骤中包括使所述进水物流通过一气体渗透膜阻挡层的步骤。
79.进水物流的处理设备，上述进水物流的特征是具有(i)硬度，(ii)碱度，和(iii)当在中性或近中性pH值的水溶液中时离子化度极低的至少一种分子物质，该设备用于产生含较少溶解物质的产品物流和含较多溶解物质的截留物流，上述的设备按进水的流动方向依次包括：
(a)当上述进水在选定pH值被浓缩到所希望的浓度因子时，有效地排除上述进水成垢倾向的预处理设备，该预处理设备包括了以任何顺序的下述的两个或多个装置：
(i)从上述进水物流中除去基本上所有硬度的至少一个软化器，
(ii)从上述进水物流中除去与硬度有关的基本上所有碱度的脱碱器，
(iii)除去至少一些溶解气体的脱气器，无论所述的溶解气体是起始就存在的还是在上述除去硬度或碱度的步骤期间产生的，
(b)化学添加装置，该装置把来自步骤(a)的产物的pH值通过添加选定的碱升高到选定的pH值，至少为8.5，促进当在中性或近中性pH水溶液中时离子化度极低的至少一种分子物质提高离子化度；
(c)一个或多个逆渗透膜装置，该一个或多个逆渗透膜装置用于处理所述的进水，将所述进水浓缩到所述预先选定的浓度因子，产生截留物流和产品物流，上述的一个或多个逆渗透膜装置基本上阻止离子化物质通过。
80.按权利要求79的设备，其中就所述一个或多个逆渗透膜装置的产品物流而言，上述一个或多个逆渗透膜装置成串联关系操作，所述的一个或多个逆渗透膜装置包含相串接的1到N个逆向膜装置，其中N是大于1的正整数。
81.按权利要求80的设备，进一步包括初级混合床离子交换装置和次级混合床离子交换装置，将从第N个逆渗透膜装置排出的产品物流进行进一步的处理。
82.按权利要求81的设备，进一步包括最后的微米过滤器。
83.按权利要求81的设备，进一步包括紫外线消毒装置。
84.一种同时提高现有在至少一个逆渗透系统的装置中处理进水物流的逆渗透系统的透过液产量和纯度的方法，该方法用于产生含较少溶解物质的产品物流和含较多溶解物质的截留物流，所述的方法包括：
(a)提供含有溶解物质的进水物流，所述溶解物质具有
(i)硬度，
(ii)碱度，和
(iii)当在中性或近中性pH值的水溶液中时离子化度极低的至少一种分子物质；
(b)在选定的pH值通过按任意顺序实施两个或几个下述的步骤)
(i)从上述进水物流中除去硬度，
(ii)从上述进水物流中除去与硬度有关的基本上所有的碱度，
(iii)除去上述进水物流中溶解的二氧化碳，无论该气体是起始就存在的还是在上述除去硬度或碱度步骤期间所产生的，
将上述进水在浓缩到预先选定的浓度因子时，在减少该进水形成水垢的倾向后，在所述的至少一个逆渗透装置的第一装置中浓缩所述的进水物流；
(c)把来自步骤(b)的产物的pH值升高到选定的pH值，至少为8.5，促进上述的当在中性或近中性pH值的水溶液中时离子化度极低的至少一种分子物质提高离子化度；
(d)使步骤(c)的产物通过上述的逆渗透系统，该逆渗透系统基本阻止溶解物质通过，将所述的进水浓缩到所述选定的浓度因子，产生
(i)含较多溶解物质的截留物流，和
(ii)含较少溶解物质的产品物流，和
(iii)以每天每平方米至少814升的产率产生所述的产品物流。
85.一种同时提高现有的在至少一个膜分离系统中处理进水物流的膜分离系统的透过液产量和纯度的方法，所述膜分离系统产生含较少溶解物质的产品物流和含较多溶解物质的截留物流，所述的方法包括：
(a)提供含有溶解物质的进水物流，所述溶解物质具有
(i)硬度，
(ii)碱度，和
(iii)当在中性或近中性pH值的水溶液中时离子化度极低的至少一种分子物质；
(b)在选定的pH值通过按任意顺序实施一个或几个下述的步骤，
(i)从上述进水物流中除去有效量的硬度；
(ii)从上述进水物流中除去有效量的碱度；
(iii)除去溶解的气体，无论该气体是起始就存在的还是在上述硬度或碱度除去步骤期间所产生的；
将上述进水浓缩到预先选定的浓度因子时，在有效排除所述进水形成水垢的倾向后，在所述的膜分离系统的第一装置中浓缩所述的进水物流：
(c)通过加入选定的碱把来自步骤(b)的产物的pH值升高到选定的pH值，至少为8.5，促进上述的当在中性或近中性pH值的水溶液中时离子化度极低的至少一种分子物质提高离子化度；
(d)使步骤(c)的产物通过上述的膜分离系统以产生截留物流和产品物流，该膜分离设备基本阻止溶解物质通过，以将所述的进水浓缩到所述预先选定的浓度因子，产生
(i)含较多溶解物质的截留物流，和
(ii)含较少溶解物质的产品物流，和
(iii)以每天每平方米至少814升的产率产生所述的产品物流。
86.按权利要求84或85的方法，其中除去硬度的步骤(a)和除去碱度的步骤(b)是在单一单元操作中完成的。
87.按权利要求86的方法，其中所述的单一单元操作包括弱酸性阳离子型离子交换系统。
88.按权利要求87的方法，其中上述弱酸性阳离子型离子交换系统是以氢型进行操作的。
89.按权利要求87的方法，其中上述弱酸性阳离子型离子交换系统是以钠型进行操作的。
90.按权利要求84或85的方法，其中在步骤(c)中pH值被升高到9和10之间。
91.按权利要求84或85的方法，其中在步骤(c)中pH值被升高到10和11之间。
92.按权利要求91的方法，其中pH值被控制在10.5。
93.按权利要求84或85的方法，其中在步骤(c)中pH值被升高到至少11。
94.一种在处理进水物流的逆渗透系统中同时得到高透过液产量和透过液纯度的方法，该方法用于产生含较少溶解物质的产品物流和含较多溶解物质的截留物流，所述的方法包括：
(a)提供含有溶解物质的进水物流，所述溶解物质具有
(i)硬度，
(ii)碱度，和
(iii)当在中性或近中性pH值的水溶液中时离子化度极低的至少一种分子物质；
(b)在选定的pH值通过按任意顺序实施一个或几个下述的步骤，
(i)从上述进水物流中除去硬度，
(ii)从上述进水物流中除去基本上所有的非氢氧化物碱度，
(iii)从上述进水物流中除去溶解的CO2，无论该气体是起始就存在的还是在上述硬度或碱度除去步骤期间所产生的，
将上述进水在浓缩到预先选定的浓度因子时，在减少该进水形成水垢的倾向后，将所述进水物流引入上述逆渗透系统；
(c)把来自步骤(b)的产物的pH值升高到选定的pH值，至少为8.5，促进上述的当在中性或近中性pH值的水溶液中时离子化度极低的至少一种分子物质提高离子化度；
(d)将步骤(c)的产物通过上述的逆渗透系统，该逆渗透系统基本阻止溶解物质通过，使所述的进水浓缩到所述预先选定的浓度因子，而所述逆渗透系统以每天每平方米611升以上的产率进行运行，产生
(i)含较多溶解物质的截留物流，
(ii)含较少溶解物质的产品物流。
95.一种在膜分离设备中处理进水物流的方法，所述膜分离设备包括具有膜分离器的至少一个装置，该方法用于产生含较少溶解物质的产品物流和含较多溶解物质的截留物流，所述的方法包括：
(a)提供含有溶解物质的进水物流，该溶解物质具有
(i)硬度，
(ii)碱度，和
(iii)当在中性或近中性pH值水溶液中时离子化度极低的至少一种分子物质；
(b)在选定的pH值通过按任意顺序实施一个或几个下述的步骤，
(i)从上述进水物流中除去有效量的硬度；
(ii)从上述进水物流中除去与硬度有关的基本上所有的碱度；
(iii)从上述进水物流中除去溶解的气体，无论该气体是起始就存在的还是在上述硬度或碱度除去步骤期间所产生的，
将上述进水在浓缩到预先选定的浓度因子时，在减少该进水形成水垢的倾向后，在所述的膜分离设备的第一装置中浓缩所述的进水物流；
(c)把来自步骤(b)的产物的pH值升高到选定的pH值，至少为8.5，促进上述的当在中性或近中性pH值的水溶液中时离子化度极低的至少一种分子物质提高离子化度；
(d)使步骤(c)的产物通过上述的膜分离设备，该膜分离设备基本阻止溶解物质通过，以将所述的进水浓缩到所述预先选定的浓度因子。
96.按权利要求1或2或84或95的方法，其中所述产品物流基本上没有上述的当在中性或近中性pH值的水溶液中时离子化度极低的至少一种分子物质。
97.按权利要求79的设备，其中所述产品物流基本上没有上述的当在中性或近中性pH值的水溶液中时离子化度极低的至少一种分子物质。
98.按权利要求94的方法，其中所述逆渗透膜的流通量为至少每平方米814升。
99.按权利要求84或85或94的方法，其中所述逆渗透膜的流通量为至少每平方米977升。
100.按权利要求84或85或94的方法，其中所述逆渗透膜的流通量在每平方米814升至每平方米1222升之间。
101.一种纯化水溶液的方法，该方法使水溶液的一部分在膜分离设备中通过半渗透膜以产生产品物流，而将上述水溶液的至少一部分截留在上述膜分离设备中，使上述水溶液的截留部分中的溶解物质的浓度上升到预先选定的浓度因子，该方法的改进包括为所述的膜分离设备输入水溶液，其特征在于，在水溶液开始输入所述膜分离设备的时候，水溶液中：
(a)基本上没有硬度，
(b)基本上没有与硬度有关的碱度，
(c)基本上没有溶解及悬浮的二氧化碳，和
(d)pH值至少为8.5。
102.一种纯化包含有溶解物质及溶剂的水溶液的方法，该方法使所述水溶液的一部分通过膜分离设备的至少一个装置中的半渗透膜来生产产品物流，并将上述水溶液的至少一部分截留在上述膜分离设备的至少一个装置的第一装置中，使上述水溶液的截留部分中预先选定的溶解物质的浓度上升到预先选定的浓度因子，该方法的改进包括通过如下措施控制上述水溶液的溶解物质的水平，在达到上述预先选定浓度因子时使水溶液有效排除形成水垢的倾向，
(a)在上述水溶液进入上述具有一个或几个装置的膜分离设备的第一个装置前：
(i)减少上述水溶液的硬度，
(ii)减少上述进水溶液的碱度，
(iii)减少上述水溶液中的二氧化碳，并且
(b)在步骤(a)后，升高上述进水溶液的pH值达至少8.5。
103.一种通过膜分离设备从城市供水生产高纯度水的方法，所述城市供水是包含有溶解物质和水的水溶液，该方法使上述水溶液的一部分通过所述膜分离设备第一装置中的半渗透膜来生产产品物流，并将上述水溶液的至少一部分截留在上述膜分离设备的第一装置中，使上述水溶液的截留部分中预先选定的溶解物质的浓度上升到预先选定的浓度因子，该方法的改进包括将城市用水输入所述膜分离设备的第一装置，所述城市用水通过采取如下措施，已经进行了生成水溶液的处理，
(a)在上述水溶液进入上述膜分离设备前
(i)基本除去了所有的硬度，
(ii)基本除去了所有的非氢氧化物碱度，
(iii)基本除去了所有溶解的二氧化碳，并且
(b)升高上述水溶液的pH值达至少8.5。
104.按权利要求94或101或102或103的方法，其中所述的进水溶液的进一步的特征在于所述进水溶液中没有添加水垢抑制剂溶液。
105.按权利要求94或95或101或102或103的方法，其中所述的膜分离设备包括逆渗透设备。
106.按权利要求94、95、101、102或103的方法，其中所述的膜分离设备产生的产品物流的特征为达到或超过18兆欧姆电阻率的质量标准。
107.一种净化包含有溶解物质及溶剂的水溶液的方法，该方法采用膜分离设备，通过使上述水溶液的一部分通过所述膜分离设备的第一装置中的半渗透膜来生产产品物流，而使上述水溶液的至少一部分截留在上述膜分离设备的第一装置中，使上述水溶液的截留部分中预先选定的溶解物质的浓度上升到预先选定的浓度因子，该方法的改进包括通过如下措施控制上述水溶液的溶解物质、硬度、碱度、二氧化碳的水平，使所述溶液在上述预先选定浓度因子下有效排除形成水垢的倾向，
(a)在上述水溶液进入上述膜分离设备前，按任意顺序：
(i)减少上述进水溶液的硬度，
(ii)减少上述进水溶液的碱度，
(iii)减少上述进水溶液中溶解或悬浮的二氧化碳，并且
(b)在步骤(a)后，升高上述水溶液的pH值达至少为8.5。
108.按权利要求79的设备，进一步包括在第N个逆渗透装置下游的至少一个混合床离子交换装置，以对来自所述第N个逆渗透装置的产物物流进行处理。
109.按权利要求1或2或84或85或94或95或102或107的方法，在除去碱度的步骤中，进一步包括除去与硬度无关的基本上所有的非氢氧化物碱度的步骤。
110.按权利要求94或95或101或102或103或107的方法，在升高所述进水的pH值的步骤期间，pH值被升高到9到10之间。
111.按权利要求94或95或101或102或103或107的方法，在升高所述进水的pH值的步骤期间，pH值被升高到10到11之间。
112.按权利要求94或95或101或102或103或107的方法，升高所述进水的pH值的步骤包括控制pH值为10.5。
113.按权利要求94或95或101或102或103或107的方法，在升高所述进水的pH值的步骤后，所述pH值为至少11。
114.按权利要求1或2或55或95或101或102或103或107中的任一方法，其中所述的膜分离设备包括薄膜复合膜。
115.按权利要求105的方法，其中所述的逆渗透设备包括薄膜复合膜。
116.一种在膜分离设备中处理进水物流的方法，所述膜分离设备包括至少一个具有膜分离器的装置，该方法用于产生含较少溶解物质的产品物流和含较多溶解物质的截留物流，所述的方法包括：
(a)提供含有溶解物质的进水物流，所述溶解物质具有
(i)硬度，
(ii)碱度，和
(iii)当在中性或近中性pH值的水溶液中时离子化度极低的至少一种分子物质；
(b)在选定的pH值，通过实施
(i)从上述进水物流中除去有效量的硬度，
(ii)从上述进水物流中除去有效量的与硬度有关的碱度，
(iii)从上述进水物流中除去有效量的溶解气体，无论该气体是起始就存在的还是在上述除去硬度或碱度步骤期间所产生的，
将上述进水在浓缩到预先选定的浓度因子时，在有效地排除该进水形成水垢的倾向后，在所述的膜分离设备的第一装置中浓缩所述的进水物流：
(c)把来自步骤(a)的产物的pH值升高到选定的pH值，至少为10.0，促进上述的当在中性或近中性pH值的水溶液中时离子化度极低的至少一种分子物质提高离子化度；
(d)使上面步骤(c)的产物通过上述的膜分离设备，该膜分离设备基本阻止溶解物质通过，以将所述的进水浓缩到所述选定的浓度因子，产生
(i)含较多溶解物质的截留物流，和
(ii)含较少溶解物质的产品物流。
117.一种在逆渗透系统中处理进水物流的方法，所述的逆渗透系统包括至少一个具有膜分离器的装置，该方法用于产生含较少溶解物质的产品物流和含较多溶解物质的截留物流，所述方法包括：
(a)提供含有溶解物质的进水物流，所述溶解物质具有
(i)硬度，
(ii)碱度，和
(iii)当在中性或近中性pH值水溶液中时离子化度极低的至少一种分子物质；
(b)在选定的pH值下，通过实施
(i)从上述进水物流中除去有效量的硬度，
(ii)从上述进水物流中除去有效量的与硬度有关的碱度，
将上述进水在浓缩到预先选定的浓度因子时，在有效排除该进水形成水垢的倾向后，在所述的逆渗透系统的第一装置中浓缩所述的进水物流；
(c)把来自步骤(a)的产物的pH值升高到选定的pH值，至少为10.0，促进上述的当在中性或近中性pH值水溶液中时离子化度极低的至少一种分子物质提高离子化度；
(d)使步骤(c)的产物通过上述的逆渗透系统，该逆渗透系统基本上阻止溶解物质通过，以将所述的进水浓缩到所述预先选定的浓度因子，产生
(i)含较多溶解物质的截留物流，和
(ii)含较少溶解物质的产品物流。
118.一种在膜分离系统中处理进水物流的方法，所述膜分离系统包括至少一个具有膜分离器的装置，该方法用于产生含较少溶解物质的产品物流和含较多溶解物质的截留物流，所述的方法包括：
(a)提供含有溶解物质的进水物流，所述溶解物质具有：
(i)硬度，
(ii)碱度，和
(iii)当在中性或近中性pH值的水溶液中时离子化度极低的至少一种分子物质；
(b)在选定的pH值，通过实施
(i)从上述进水物流中除去有效量的硬度，
(ii)从上述进水物流中除去有效量的与硬度有关的碱度，
将上述进水在浓缩到预先选定的浓度因子时，在有效地排除该进水形成水垢的倾向后，在所述的膜分离系统的第一装置中浓缩所述的进水物流；
(c)把来自步骤(b)的产品物流的pH值升高到选定的pH值，至少为10.0，促进上述的当在中性或近中性pH值的水溶液中时离子化度极低的至少一种分子物质提高离子化度；
(d)使上面步骤(c)的产物通过上述的膜分离设备，该膜分离设备基本阻止溶解物质通过，以将所述的进水浓缩到所述预先选定的浓度因子，产生
(i)含较多溶解物质的截留物流，和
(ii)含较少溶解物质的产品物流。
119.按权利要求1或2或85或95或101或102或103或107的方法，其中所述进水物流中进一步包含二氧化硅，所述膜分离设备在压差下进行操作，并且所述方法的进一步的特征在于：
(a)稳定正常的透过液生产速率，
(b)稳定的二氧化硅截留率，和
(c)稳定的压差。
120.按权利要求84或85或94的方法，其中所述逆渗透膜的流通量在每平方米每天1222升和每平方米每天2036升之间。
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