CN1530331A - 水净化系统和方法以及用于该系统的切向过滤装置 - Google Patents

水净化系统和方法以及用于该系统的切向过滤装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于净化水的方法系统，其中：对要被净化的水加压(13)；将加压水流引导到至少一层选择渗透膜，以将加压水流分离成(11)渗透物流和滞留物流；对渗透物流进行电去离子操作(12)，以产生由电去离子后的渗透物流构成的净化水流；降低滞留物流(19)的流量；在选择渗透膜上保持大致恒定的预定压力(21)；以及保持大致恒定的预定渗透物流量。本发明还涉及一种适用于上述类型的系统的切向过滤装置。

Description

水净化系统和方法以及用于该系统的切向过滤装置
技术领域
本发明总体上涉及一种用于净化水的系统和方法。特别地讲，涉及使水承受两次不同的净化处理，即由至少一个选择渗透膜进行分离，以及然后经受去离子处理。
背景技术
现有技术的一种上述类型的水净化系统包括：
一个泵，其具有一个用于吸入要被净化的水的吸入侧和一个用于在压力下将进入泵中的水排出的排出侧；
一个液相分离装置，其借助于因压力梯度引起的渗透穿过至少一层选择渗透膜而进行操作，并具有一个与泵的排出侧流体连通的入口、一个渗透物出口和一个滞留物出口；
一个电去离子装置，其具有一个与液相分离装置的渗透物出口流体连通的渗透物入口和一个净化水出口；
一个排放装置，其用于从系统中排放出滞留物，并与液相分离装置的滞留物出口流体连通，而且装有一个节流器，用于降低系统出口的滞留物流量；以及
一个连通装置，其设在液相分离装置的滞留物出口和节流器之间，以将排放装置与泵的吸入侧连通起来，并且其装有一个压力调节器，以便在泵的协同作用下在液相分离装置的入口保持大致恒定的预定压力。
发明内容
本发明的总体目的是以简单的方式对上述类型的系统作出改进，同时使其具有其他优点。
更精确地讲，本发明涉及水净化系统，所述水净化系统包括：
一个泵，其具有一个用于吸入要被净化的水的吸入侧和一个用于在压力下将进入泵中的水排出的排出侧；
一个液相分离装置，其借助于因压力梯度引起的渗透穿过至少一层选择渗透膜而进行操作，并具有一个与泵的排出侧流体连通的入口、一个渗透物出口和一个滞留物出口；
一个电去离子装置，其具有一个与液相分离装置的渗透物出口流体连通的渗透物入口和一个净化水出口；
一个排放装置，其用于从系统中排放出滞留物，并与液相分离装置的滞留物出口流体连通，而且装有一个节流器，用于降低系统出口的滞留物流量；以及
一个连通装置，其设在液相分离装置的滞留物出口和节流器之间，以将排放装置与泵的吸入侧连通起来，并且其装有一个压力调节器，以便在泵的协同作用下在液相分离装置的入口保持大致恒定的预定压力；
其特征在于，一个流量调节器安置在从液相分离装置至电去离子装置的渗透物流路中，以保持大致恒定的预定渗透物流量。
换言之，与现有技术的系统相比，本发明使用了单个附加元件—流量调节器，其结果在于，首先，能使位于流量调节器下游的电去离子装置具有预定的恒定流量，而又不受可能引起流量变化的各种现象的影响，其次，能使为上述限定类型并位于流量调节器上游的液相分离装置以预定的恒定回收率(通过液相分离装置产生的渗透物与所消耗的水的比率)工作。
这样，就可改善电去离子装置的性能，降低水的消耗，以及使液相分离装置具有良好的工作条件。
在这点上，必须指出，通常按标准设计的现有电去离子装置的性能取决于供给它们的水的流量。而且，它们通常仅能在有限的给水压力下工作。
相比而言，不管采用的是逆渗透(reverse osmosis)、超滤(ultrafiltration)、纳滤(nanofiltration)装置，还是微滤(microfiltration)装置，在渗透物流量方面，使用了现有技术中公知的切向过滤的上述类型的液相分离装置通常都会被制造得具有相对宽的许用极限(实际中为±15％左右)，并且离开液相分离装置的渗透物的流量通常每摄氏度变化大约3％。在实际中，可以发现，当水温从10℃变化至30℃时，逆渗透装置的渗透水流量会在1-2倍的范围内变化。还应当指出，渗透水流量通常会随着逆渗透装置的老化而变化。
而且，太高的回收率通常会降低这种逆渗透装置的净化性能，并且还会存在损坏其渗透膜的危险，相反，太低的回收率会增大剩余或废弃水(滞留物)的量。
在因经济原因而优选的实施例中，流量调节器包括一个可变形件，用于在上游压力上升的情况下减小流量调节器的有效流动截面，以将渗透物流量保持为大致恒定的预定值。
例如，该可变形件可以是形成有一个可变孔的弹性圈，并且优选由弹性体制成。
流量调节器可以包括一个容纳着弹性圈的管筒。
作为一种替代性方法，可以使用这样的流量调节器，即包括一个由自动控制器操纵的电动流量调节阀。
压力调节器优选是可变和可手动调节的，或者是由自动控制器操纵的。
节流器可以包括一个形成有固定孔的板，但是优选包括一个可手动调节或由自动控制器调节的可变孔。
由于经济原因，节流器优选包括针阀或毛细管。
由于经济和易于制造的原因，泵与液相分离装置之间及液相分离装置与电去离子装置之间的流体连通均优选借助于至少一根管而实现。
同样地，排放装置和连通装置分别优选包括配有相应节流器和相应压力调节器的管。
根据本发明的系统还适合于做进一步的改进，在这种情况下，液相分离装置包括一个或多个完全相同的切向过滤装置，特别是通过逆渗透、超滤、纳滤或微滤进行操作的切向过滤装置；切向过滤装置包括一个渗透物分流管，并且容纳在一个腔室中，所述腔室具有一个与相关切向过滤装置的分流管流体连通的渗透物出口，而且在所述渗透物出口处或切向过滤装置的渗透物分流管中设有流量调节器。这样，通过更换切向过滤装置，可以借助于本发明来改进现有的水净化系统。
作为一种替代性方法，流量调节器可以设在电去离子装置的入口处。
本发明还提供了一种切向过滤装置组件，特别是通过逆渗透、超滤、纳滤或微滤进行操作的切向过滤装置组件，包括一个切向过滤装置，所述切向过滤装置容纳在一个腔室中并且具有至少一层选择渗透膜以及一个渗透物分流管，所述腔室具有一个用于引入要被处理的流体的入口、一个与渗透物分流管流体连通的用于排出由切向过滤装置产生的渗透物的出口以及一个用于排出由切向过滤装置产生的滞留物的出口，其特征在于，在渗透物出口或在渗透物分流管中设有流量调节器。
本发明还提供了一种净化水的方法，其包括以下步骤：
对要被净化的水加压；
将加压水流引导到至少一层选择渗透膜，以将加压水流分离成渗透物流和滞留物流；
对渗透物流进行电去离子操作，以产生由电去离子后的渗透物流构成的净化水流；
降低滞留物流的流量；以及
在选择渗透膜上保持大致恒定的预定压力；
其特征在于，还包括以下步骤：保持大致恒定的预定渗透物流量。
附图说明
下面，通过实例和参看附图描述本发明，可显现出本发明的特征和优点，附图包括：
图1是本发明的水净化系统的流路图；以及
图2是用于图1所示系统中的流量调节器的剖视图。
具体实施方式
在所示实施例中，本发明的水净化系统10采用与现有水净化技术相同的方式，包含一个逆渗透装置11和一个位于逆渗透装置11下游的电去离子装置12。
装置11、12本身与本发明无关，在此不作详细描述。
仅需要提及的是，在所示实施例中，逆渗透装置11是注册商标为DOW CHEMICAL的TW30装置，电去离子装置12是注册商标为MILLIPORE的EDI装置。
在实际中，要被净化的水流是连续的，并且与逆渗透装置11的致密膜相切，从而要被净化的水在致密膜处被分成浓度不同的两部分：
一部分称为渗透物，其通过致密膜，以及
另一部分称为滞留物，其不能通过致密膜，并且含有被致密膜阻挡的离子、分子或微粒，特别是矿物离子。
电去离子装置12借助于致密膜执行连续的去除矿物质的操作，其中致密膜需要固定在树脂上，而树脂可通过电渗析连续再生，从而不需要采用另外的试剂。
因此，通过上述类型的水净化系统10产生的水能够认为具有非常低的溶解盐(即，构成超纯水)。
在所示实施例中，要被净化的水来自饮用水主管道，并借助于一个入水管14供给一个容积泵13。
容积泵13借助于逆渗透装置11的供水管15以足够大的压力将水排放到逆渗透装置11中，以便在低温下获得逆渗透装置的额定流量。
在所示实施例中，以及还如现有技术中所公知，离开逆渗透装置11中的一部分滞留物通过一个排放管16输送到水净化系统10的出口，而滞留物的剩余部分借助于与一个连接在饮用水主管道与泵13的入口之间的入水管14相连的回流管17在系统中再循环，以便将在回流管17中流动的这部分滞留物供给泵13。
离开水净化系统10中的滞留物部分可通过连接着排水系统的排放分流管18而得以回收。
排放管16装有一个节流器19，其为用于降低水流量和使排放管16的出口20的附近的压力下降的部件。
在所示实施例中，节流器19在实际中是针阀。
还应指出，回流管17在逆渗透装置11的滞留物出口与节流器19之间的位置上连接着排放管，并且回流管17装有压力调节器21，从而，在与泵13的共同作用下，其可在逆渗透装置11中保持大致恒定的预定压力，而不论入水管14中是否有压力变化。
在实际中，这种压力调节器是标准背压调节器(counter-pressure regulator)，并被这样选择，以使在逆渗透装置11的输入端作用的压力能够足够大，以便在低温下获得逆渗透装置11的额定流量。为此，此处使用的压力调节器类似于针阀19，是可变和可手动调节的类型。更精确地讲，这些构件可由控制系统基于使用者提供给水净化系统10的控制系统(图1中未示出)的基准值来调节。当然，这种构件也适合于完全手动调节，或甚至适合于通过自动控制器即没有人为介入地进行操作，特别地讲，可以采用能够对与水净化系统10的控制系统功能性连接着的逆渗透装置11的特性进行识别的装置。
根据本发明，以及如所示实施例中的情况，一个流量调节器22安置在从逆渗透装置11至电去离子装置12的渗透物流路中，以便在电去离子装置12的与具有用于渗透处理的水的出口23的一侧相反的一侧保持大致恒定的预定渗透物流量，其中出口23用于去离子水(低浓度水)，出口24用于高浓度水(将在25排出的含有离子的水)。
在实际中，流量调节器22位于电去离子装置12的入口，并且在该实施例中，流量调节器22包含可变形件，用于在上游侧压力上升的情况下减小流量调节器22的有效流动截面，以在电去离子装置的入口保持大致恒定的预定渗透物流量，而不论是否有可能引起流量变化的现象。
事实上，流量调节器22对逆渗透装置11的透膜压力(背压)进行调节，以保持流量恒定，特别是在要被净化的水的温度上升的情况下。
在实际中，当压力在2-10巴(1巴＝1×105Pa)之间变化时，上述类型的自动流量调节器可将流量调节在±5％以内。
而且，在该实施例中，流量调节器是根据逆渗透装置11的额定流量来选择的，但除此之外，同样也可以根据电去离子装置12的额定流量来选择，或者甚至可以装置11和12的额定流量来选择。
图2中更详细地示出了流量调节器22。
流量调节器22包括一个空心圆柱形管筒26，其在一端被端圆盘27封闭着，端圆盘27的中心具有一个圆形截面的圆柱形孔28，水通过该圆柱形孔28离开流量调节器22。
在相反轴向端，一个圆形截面的圆柱形流体入口部分29位于一个容纳着弹性圈31并且具有圆形截面的圆柱形流体通道部分30之前。其直径比出口孔28的直径大，但略小于部分30的直径，因此，形成于此的环形边缘32与紧跟着容纳着弹性圈31的部分30的第一截锥33能将弹性圈31沿着轴向固定。
第一截锥33与紧跟在其后的第二截锥34形成了一个流体通道部分35，该流体通道部分35汇聚和终止于出口孔28。
第一截锥33在顶点具有与空心圆柱形管筒26的轴线的法面相接近的锥角。
弹性圈31具有由两个部分37和38形成的中心孔36，这两个部分均呈截锥形状，并分别位于圆形截面的圆柱形部分39的相应相反侧上。部分37-39和管筒26同轴。
还应指出，在不工作时，弹性圈31将与管筒26的圆柱形部分30的内圆柱面40接触。
当然，流量调节器22的各种构件的尺寸要这样确定，即能够获得所选择的流量即可。
流量调节器22是注册商标为PLATON的流量控制器。
由于上述特征，流入流量调节器22的水的流量的增大会导致压缩弹性圈31，从而可降低其流体通道孔36的横截面，这样，就能将渗透物流量保持为大致恒定的值。
在下表中以非限制性实施例的方式给出的条件下，上述类型的水净化系统10先对7℃的水进行了操作，然后对25℃的水进行了操作：
                                                  表
 正在进入系统中的水的温度  正在进入系统中的水的流量和压力  正在进入逆渗透装置中的水的流量和压力  节流器上游的滞留物的流量和压力  节流器下游的滞留物的流量和压力  回流管中的滞留物的流量  流量调节器上游的渗透物的压力  流量调节器下游的渗透物的流量和压力
7℃    100l/h3巴    400l/h10巴    350l/h10巴     50l/h0巴    300l/h      0巴     50l/h0巴
25℃    100l/h3巴    400l/h10巴    350l/h10巴     50l/h0巴    300l/h      5巴     50l/h0巴
从表中可看出，流量调节器22通过向逆渗透装置11的渗透膜施加背压来对透膜压力进行操作，以便在水温上升时保持恒定的渗透物流量。在实际中，透膜压力(逆渗透装置11的入口处与出口处的压力之差)从10巴降至5巴。
可以认为，根据本发明的水净化系统10能使经过渗透处理的水具有恒定的生产流量，而不论逆渗透装置11的入口水的温度和饮用水主管道的压力如何。
另一方面，在废弃水(即，在逆渗透装置11的出口的滞留物的)流量的调节作用下生产的水(即，在逆渗透装置11的出口的渗透物)的恒定流量可使逆渗透装置11在恒定的回收率下工作。
这样，就可使电去离子装置12的性能最优化，并能减少水的消耗，而且可使逆渗透装置11具有良好的工作条件。
应当理解，本发明决不限制于上述实施例，在没有脱离本发明的范围的情况下可以做多种修改。
特别地讲，作为一种替代性方法，电去离子装置能够与并行布置的多个逆渗透装置串联放置。在这种情况下，每个逆渗透装置设有一个流量调节器(设在容纳着逆渗透装置的腔室的渗透物出口，或直接地设在逆渗透装置的渗透物分流管中)，或者在电去离子装置的输入端设置一个用于调节总流量的流量调节器。
而且，如果电动阀用作流量调节器，在逆渗透装置的出口的流量能够借助于例如功能上与水净化系统的控制系统连接的涡轮流量计进行控制，其中水净化系统具有隶属于该控制系统的电动阀。
流量调节器还能被不同地设计，例如可设计得包含O型圈，该O型圈充当对用于限定可变流体通道孔的两个可动刚性部件进行操作的弹簧，这样就可使这两个刚性部件彼此相对或远离地移动，以改变流体通道孔的截面。上述类型的压力补偿调节器(PCR)可选择注册商标为NEOPERL的产品。

Claims (15)

1.一种水净化系统，包括：
一个泵(13)，其具有一个用于吸入要被净化的水的吸入侧和一个用于在压力下将进入泵中的水排出的排出侧；
一个液相分离装置(11)，其借助于因压力梯度引起的渗透穿过至少一层选择渗透膜而进行操作，并具有一个与泵的排出侧流体连通的入口、一个渗透物出口和一个滞留物出口；
一个电去离子装置(12)，其具有一个与液相分离装置的渗透物出口流体连通的渗透物入口和一个净化水出口；
一个排放装置(16)，其用于从系统中排放出滞留物，并与液相分离装置的滞留物出口流体连通，而且装有一个节流器(19)，用于降低系统出口的滞留物流量；以及
一个连通装置(17)，其设在液相分离装置的滞留物出口和节流器之间，以将排放装置与泵的吸入侧连通起来，并且其装有一个压力调节器(21)，以便在泵(13)的协同作用下在液相分离装置的入口保持大致恒定的预定压力；
其特征在于，一个流量调节器(22)安置在从液相分离装置至电去离子装置的渗透物流路中，以保持大致恒定的预定渗透物流量。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，流量调节器包括一个可变形件，用于在上游压力上升的情况下减小流量调节器的有效流动截面，以将渗透物流量保持为大致恒定的预定值。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，可变形件是形成有一个可变孔的弹性圈，并且优选由弹性体制成。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，流量调节器包括一个容纳着弹性圈的管筒。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，流量调节器包括一个由自动控制器操纵的电动流量调节阀。
6.如权利要求1-5中任一所述的系统，其特征在于，压力调节器是可变和可手动调节的，或者是由自动控制器操纵的。
7.如权利要求1-6中任一所述的系统，其特征在于，节流器包括一个形成有固定孔的板。
8.如权利要求1-6中任一所述的系统，其特征在于，节流器包括一个可手动调节或由自动控制器调节的可变孔。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，节流器包括针阀或毛细管。
10.如权利要求1-9中任一所述的系统，其特征在于，液相分离装置通过逆渗透、超滤、纳滤或微滤进行操作。
11.如权利要求1-10中任一所述的系统，其特征在于，泵与液相分离装置之间及液相分离装置与电去离子装置之间的流体连通均借助于至少一根管而实现。
12.如权利要求1-11中任一所述的系统，其特征在于，排放装置和连通装置分别包括配有相应节流器和相应压力调节器的管。
13.如权利要求1-12中任一所述的系统，其特征在于，液相分离装置包括一个或多个完全相同的切向过滤装置，所述切向过滤装置通过逆渗透、超滤、纳滤或微滤进行操作，切向过滤装置包括一个渗透物分流管，并且容纳在一个腔室中，所述腔室具有一个与相关切向过滤装置的分流管流体连通的渗透物出口，而且在所述渗透物出口处、切向过滤装置的渗透物分流管中或电去离子装置的入口处设有流量调节器。
14.一种切向过滤装置组件，其通过逆渗透、超滤、纳滤或微滤进行操作，并且包括一个切向过滤装置，所述切向过滤装置容纳在一个腔室中并且具有至少一层选择渗透膜以及一个渗透物分流管，所述腔室具有一个用于引入要被处理的流体的入口、一个与渗透物分流管流体连通的用于排出由切向过滤装置产生的渗透物的出口以及一个用于排出由切向过滤装置产生的滞留物的出口，其特征在于，在渗透物出口或在渗透物分流管中设有流量调节器。
15.一种水净化方法，包括以下步骤：
对要被净化的水加压；
将加压水流引导到至少一层选择渗透膜，以将加压水流分离成渗透物流和滞留物流；
对渗透物流进行电去离子操作，以产生由电去离子后的渗透物流构成的净化水流；
降低滞留物流的流量；以及
在选择渗透膜上保持大致恒定的预定压力；
其特征在于，还包括以下步骤：保持大致恒定的预定渗透物流量。
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