CN1901996A - 水处理系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于产生净化水的方法和装置。净化水可提供用于家庭用途，其中水可以通过除去所选择的溶解物质而处理同时保留可以改善水的性能或者美观的性质。

Description

水处理系统和方法
                        发明背景
1.发明领域
本发明涉及用于处理水，更具体地讲提供用于消耗和使用的高质量水的方法和装置。
2.相关领域描述
包含硬度物质例如钙和镁的水对于工业、商业和家庭应用中的一些用途可能是不合需要的。用于水硬度分类的一般准则是：每升0-60毫克(mg/l)碳酸钙分类为软水类；61-120mg/l分类为中度硬水类；121-180mg/l分类为硬水类；多于180mg/l分类为极硬水类。
硬水通过除去硬度离子物质可软化或净化。除去这样物质的系统的实例包括使用离子交换床的系统。在这样的系统中，硬度离子变为离子键合于在离子交换树脂表面混合的电荷相反离子的物质。所述离子交换树脂最后变为用离子键合的硬度离子物质饱和，必须得到再生。再生一般包括用更可溶的离子物质例如氯化钠置换键合的硬度物质。键合于离子交换树脂的硬度物质被钠离子置换，所述离子交换树脂准备好再次用于随后的水软化步骤。
已经公开这样的系统。例如Dosch在美国专利3148687中讲授了包括采用离子交换树脂的水软化装置的洗涤机。类似地，Gadini等在国际申请公开WO00/64325中公开了用改进的装置减少水硬度的使用水的家用电器。Gadini等讲授了具有控制系统、自外部来源的给水系统和具有电化学电池的软化系统的家用电器。
电去离子(EDI)是一种可用于使水软化的方法。EDI是使用电活性介质和影响离子运输的电压自液体中除去可电离物质的方法。所述电活性介质可起作用以交替地聚集和释放可电离物质，或者便于离子连续通过离子或电子替代机制运输。EDI装置可包括具有永久或暂时电荷的介质并且可操作以引起设计达到或增强性能的电化学反应。这些装置也包括电活性膜例如半渗透性离子交换或双极性膜。
连续的电去离子(CEDI)是其中初级分级参数为通过介质输送而不是所述介质的离子容量的方法。一般的CEDI装置包括交替的电活性半渗透阴离子和阳离子交换膜。所述膜之间形成空间以产生具有入口和出口的液体流动隔室。由外部电源采用隔膜和隔室边缘的电极施加横向DC电场。通常，提供电解质隔室以致于来自电极的反应产物可与其它流动隔室分离。施加电场时，液体中的离子吸引到它们相应的反电极。通过面对阳极的电活性阴离子渗透膜和面对阴极的电活性阳离子膜结合的所述邻接隔室通常变为离子消耗的，通过面对阳极的电活性阳离子渗透膜和面对阴极的电活性阴离子膜结合的所述隔室通常变为离子浓集的。在所述离子消耗隔室中并且在一些实施方案中在离子浓集隔室中的体积也包括电活性介质。在CEDI装置中，所述介质可包括紧密混合的阴离子和阳离子交换树脂。所述离子交换介质一般增强所述隔室中的离子输送并可作为基质参与受控电化学反应。电去离子装置已经由例如Giuffrida等在美国专利4632745、4925541和5211823中，由Ganzi在美国专利5259936和5316637中，由Oren等在美国专利5154809中和由Kedem在美国专利5240579中描述。
                       发明概述
一方面，本发明提供了供水方法，所述方法包括使第一水流通过电去离子装置的消耗隔室产生具有LSI小于约0的第二水流，使第二水流通过所述电去离子装置的阴极隔室以产生第三水流，第三水流比第一水流具有较小的腐蚀性并且具有小于约0的LSI。
另一方面，本发明提供了供饮用水的方法，所述方法包括使第一水流通过电化学装置的阴极隔室以产生第二水流，使第二水流通过电化学装置的消耗隔室以产生具有LSI小于约0的第三水流，第三水流比第一水流具有较小的腐蚀性。
另一方面，本发明提供了在水中保留残余氯含量的方法，所述方法包括自第一水流中除去大于90％的活性氯；使水流通过电化学装置的消耗隔室；除去水流中溶解的一部分任何离子，将所述水流引入环路，所述环路包括贮运容器；将第二水流中的活性氯以足以维持在所述环路中具有有效平均氯浓度的速度引入到所述环路中。
另一方面，本发明提供了选择性保留供水系统中离子的方法，所述方法包括使供水通过电化学装置的消耗隔室，所述供水包含一价和二价离子；自供水中除去至少30％的二价阳离子并保留至少约80％选自二氧化硅、硼和氟化物的物质以产生净化水；把净化水供给家庭消耗。
另一方面，本发明提供了产生净化水的方法，所述方法包括使水流通过电化学装置的消耗隔室并且调节施加于电化学装置的电压以控制通过所述电化学装置的电流为足以除去水流中大于约25％的任何钙和自水流中不足以除去大于约10％的任何氟化物或者二氧化硅物质的水平。
另一方面，本发明提供了方法，所述方法包括使供水通过离子交换材料床软化以自进水中除去大于30％的任何硬度离子产生软化水，供给软化水于家庭消费，排出浓集的含钙溶液，其中软化水的离子含量及浓集溶液的离子含量的总和不大于供水供给的总离子含量。
                       附图简述
本发明优选的非限定性实施方案将通过实施例并参照附图得到描述，其中：
图1为本发明一个或更多个实施方案的电化学装置或组件的图解性插图；
图2为本发明一个或更多个实施方案的另一个电化学组件的图解性示意图；
图3为本发明一个或更多个实施方案的系统的图解性插图；
图4为显示通过三个不同的水样自铜试片提取的铜的曲线图；
图5为显示在暴露于三种不同的水不同长度的时间后自铜试片提取的铜的曲线图；
图6为显示在暴露于三种不同的水后自铜试片提取的铜量的曲线图，其中所述水在不同的时间间隔变化；
图7图解说明本发明一个或更多个实施方案的脱盐水电导率和施加的电流；
图8图解说明本发明一个或更多个实施方案的操作期间堆积出口和贮槽出口的水电导率以及施加的电流。
                       发明详述
本发明提供了用于自各种来源类型提供纯净水或者已处理的水的方法和装置。可能的水源包括井水、地表水、生活用水和雨水。已处理的产物可以用于一般用途或者用于人消耗或者其它的生活用途，例如沐浴、洗衣和餐具洗涤。
经常地，优质饮用水与高纯度水有关。然而，只要水中没有微生物污染，最好的饮用水可以不必是最佳化学纯。例如，已纯化为高电阻率例如大于约1兆殴的水可以如此缺乏离子成分以至于它对于可以用于水管道系统的物质例如铜是“饥饿的”和腐蚀性的。味道也可以受到例如除去碳酸氢盐物质的影响。另外，已加入到水中的有益的或者合乎需要的化学品例如氟化物和氯物质可以与不合需要的物质一起除去，导致水可能需要再增强。
如果家庭供给硬水，即含有大于约60ppm碳酸钙的水，通常在使用前通过软水器处理。通常，软水器属于再填充离子交换型并且填充以钠形式存在的阳离子树脂和以氯化物形式存在的阴离子树脂。当水通过树脂床时，对硬度的主要贡献者例如钙和镁物质用钠交换。照这样，当二价阳离子，具体地讲钙和镁离子的浓度减少时水可软化。然而，对除去的每当量钙向已处理的水中加入一当量的钠。因此，尽管水软化了，硬度用钠离子置换，某些消费者可以发现不合乎需要的。另外，当这些离子交换床通过用氯化钠溶液冲洗重新填充时，生成的盐水必须除去并且经常排放至其中盐水可以重新进入地下水的腐烂系统。在某些管辖权限下，向家庭腐烂系统排放盐水受到限制或禁止。
软化水的其它方法包括使用可提供高纯度水的反渗透装置，但通常要在缓慢的速度下进行并且需要使用高压泵。另外，许多反渗透膜可由于溶解的物质例如二氧化硅的存在而结污，后者经常可以在井水中发现。
尽管在此描述的实例采用电去离子装置，其它的水处理技术例如电容性去离子作用可以是合适的。
连续的电去离子也可用于自供水系统中除去硬度成分。然而，大多数CEDI系统具有动力、空间和服务需要，这使它们对家庭用途是不实用的。另外，由于在离子交换树脂存在下氯可以是不合乎需要的，如果加氯水供水打算软化，氯通常应首先自水中除去。这意味着以这种方式处理的任何水不得益于加氯水供水系统的残留杀菌性质。
CEDI系统时常设计以除去尽可能多的离子，易于电离的物质例如钙和钠有效除去以至于低于1％的存在于供水中的阳离子残留在已处理的水中。对于许多工业和商业用途，这样的高净化水可以是有益的，然而这个纯度水平对其中某些水平的阳离子含量可以是有益的家庭用水供应可以是不合乎需要的。另外，这种高净化水可以是腐蚀性的并且可以易于侵蚀经常存在于家庭输配水系统中的铜管道。某些家庭输配水系统可以包括铅焊接的接合处，重金属例如铅也可浸析进入通过管道的水中。
在某些管辖权限内，最低水平的钙可以是必要的以遵守健康和安全条例。因此，自供水系统中除去大于例如90或者99％的钙的高纯度系统在这些位置可能是不合适的。
本发明按照一个或更多个实施方案可采用CEDI技术以产生具有对于家庭消耗可以是理想的性质的净化或者已处理的水。例如，所述装置可软化硬或者极硬供水，仍然保留在低于约60ppm碳酸钙的水平下的一些含量的钙。另外，氯可以保留在水中以至于如果水在处理后储存任何长度的时间，它保留至少一些它的杀菌性质。碳酸氢盐物质也可保留在提供更好味道水的水平。氟化物也可保留以至于另外的氟化物补充可以是不必要的。另外，化合物例如二氧化硅、硼及其它较少电离的物质也可保留在大于其它CEDI方法的要求的水平。通过保留这些痕量材料中的一些例如硼和二氧化硅，净化水的性质可以改善超过已经除去更大量这些物质的水。在本发明的一些实施方案中，至少80或90％的这些化合物可以保留而除去大于25％、30％或者50％的硬度促进化合物例如钙。
另外，本发明提供使氢(H2)加入到水中，这可以有助于减少净化水的腐蚀性。氢加入到水中本身可以通过溶解的氢可检测的增加或者导致的氧化性物质浓度的减少证明。这也可以提供合乎需要的抗氧化剂性质。如果完全改变，pH通常接近于供水并且因此对设计使用几乎中性pH下的未软化自来水的设备或者系统将没有有害作用。
本发明的装置，尽管具有相对小的占地面积并且使用比许多CEDI或者其它的处理系统更少的能量，仍然可供应满足高峰期家庭需求状况的净化或者软化水量。它可以能够持续供应软化水，因为不需要再填充周期并可形成净化水的储备。
另外，本发明的方法和装置可以提供净化水而不增加自处理系统排出的离子负荷。常规的化学处理系统可以需要再装填例如氯化钠，后者替代自水中除去的硬度物质。这意味着硬度物质和替代物质两者存在于软化水中或者存在于排放的盐水中。这可增加自家庭排放的废水离子负荷并可导致例如对地下水有害。然而，本发明的一些实施方案可以仅排放通过供水进入家庭的离子材料。另外，作为软化过程的结果排放的废水总量可以明显少于常规软化水，例如少于处理的水体积的10％或5％。
本发明系统的一个实施方案在图3中示意性图解说明。图3显示了可用于各种装置例如在家庭中的水软化系统10。供水在进入点14供给，它可为例如井水或者生活用水供应。
在三通24水可以进入管道26或28或者两者。通过导道26的水一般在三通22引入管道94，在通过压力指示器20a和通过入口62后进入进料贮运容器12。当要求水存在于贮存装置的下游时，水通过出口64离开，通过压力传感器20b，进入管道96、管道98或者两者中，依要求的来源而定。管道98通向后压力传感器20d和阀门32a和32b到达使用场所18。使用场所18可流体连通于管道系统或者可选择性连接于具体的使用场所例如器具或浴室。
通过管道96的水可以进入管道52或者管道54，或者两者。在一个构造中，进入管道52的水通过阀门32c引导至管道70和泵30a。在通过管道72和任选的可以是例如碳过滤器、微粒过滤器或者通气装置的预处理装置28a后，水在进入电去离子组件100的位置引导至管道60。通过管道60进入的水经通过一个或更多个离子消耗(消耗)隔室纯化并且也可以通过电极隔室例如阴极隔室。
通过连接消耗隔室(其中产生已处理的脱盐水)至所述阴极隔室的上游或下游，所述系统可以通过阴极接地。这在家庭安装时是特别有利的，因为它可以减少消费者的安全危险性。另外，可以在阴极形成的氢气可溶解于正在通过的脱盐水中，导致脱盐水比走阴极隔室旁路的水具更少的腐蚀性。脱盐水可以进入(或者接收水自)阴极、阳极或者两者。如果脱盐水连通两电极，所述系统可以连接以至于消耗隔室与电极隔室串联或并联。在通过管道63离开电去离子组件100后，所述净化水可以通过阀门32e引导至管道92和压力读数装置20c。然后水继续至三通22并引导至管道94，之后进入贮运容器12。因此，贮运容器12可以包括来自管道92的净化水以及未处理的或最小限度处理的自进入点14提供的水。贮运容器12可以构造以至于这些两个水源混合或者这两个水源分离，例如水源之一可以进入贮运容器12的底部并且以推流方式向上运行到出口64。电去离子组件100的性能可以通过包括除去氯的预处理改善，进入电去离子组件100之前，市政净化供水可以通过减少氯的滤器例如碳滤器28a或者另一个预处理装置。
预处理装置也可置于环路的别处。在电去离子组件100中处理后进入贮运容器12的水可包含少量或者不含氯(或者消毒剂)，为在储槽12中保留残留的氯含量，所述水可与来自进入点14的未处理的水混合。优选地，以足以生成包含足以抑制细菌活性的氯的混合水的比例加入加氯水。活性氯指那些呈现抗微生物活性的含氯物质。有效的氯浓度在此定义为活性氯化合物例如在贮运容器12中抑制细菌如大肠杆菌生长的次氯酸钠的浓度。因此，所述供水与净化水在贮运容器12中混合的比例可依多种因素而定，包括电去离子装置100的效率、要求的有效氯浓度、在贮运容器12中包含的水消耗的速率、贮运容器12的温度和供水的来源与质量。当然，如果使用井水或者另一种来源的未处理水，可以不考虑有效消毒剂水平的维持。
当水通过净化环路循环时，另外的水可以通过管道54供给至阀门32d，其中它引导至管道88、泵30b、管道90、预处理单元28b及管道80，之后进入电去离子组件100。水可自管道80供给一个或更多个离子浓集(浓集)隔室，后者也可以与阳极隔室串联连接。所述阳极隔室可以位于所述浓集隔室的上游或下游。经通过阳极隔室，水的pH可降低并可导致水具有更低的LSI。可减少至小于0(未结垢)的更低的LSI降低水的结垢潜在性并因此提供更低的维护、更高的水回收、增加的寿命和更可靠的系统。离开电去离子组件100的浓集液通常进入管道82并可由阀门32f引导至管道84和67，其中一部分浓集液可继续不断地或间歇地通过阀门32g和排放口26排放为废液。另一部分水可进入管道66并通过管道86和阀门32d循环至所述电去离子组件100。照这样，浓集液可接收离子直到达到具体的含量例如预先选择的LSI，以致于可排放最小量的水同时贯穿所述环路保持非结垢环境。通过使用所述浓集液用于例如不要求软化水的冲洗可进一步改善水分保持。
如果采用极性反转系统或者技术，先前描述的回路可转换以至于净化回路起浓集回路的作用，浓集回路起净化回路的作用。按照本发明的一个或更多个实施方案，当所述阳极和阴极的极性转换时，所述浓集与消耗隔室的功能也转换，泵30a、预处理装置28a、管道60和管道63以及阀门32e每一个变成浓集环路的部分。同样，泵30b、预处理装置28b、管道80和82以及阀门32f变成把水供给贮运容器12的净化环路的部分。因此，不仅所述电去离子组件隔室转换，而且所有的相关部件例如预处理装置、泵、阀门、表和三通可能除了阀门32g以外在传输净化水和浓集水之间交替，导致延长结垢的可能性减少和溶解可能已形成的任何结垢的可能性增加。这已证实在部件例如阀门、喷嘴、滤器或者三通中减少结垢方面是特别有利的。反转极性周期可以根据多种因素，包括时间、源水质量、温度、净化水质量、要求的水质量和水分利用率。
除了在储槽12中提供有效含量的氯以外，可操作所述系统以维持其它组分例如碳酸氢盐、氟化物、二氧化硅和硼的水平。电去离子组件100可以包含离子交换材料并且可在设计以使某些或者所有的这些物质的除去最小化的电流和流速下操作。另外，可以保留存在于水中的一些钙、镁、铁、锰或者其它的硬度组分以提供含有例如约200、300、400或者500ppm硬度的净化水。这可以导致水具有很小的腐蚀性并且比已减少至更低水平硬度的水呈现更好的美观性。通过在单次通过电去离子装置除去例如约20、30、40、50或者60％的二价阳离子，所述装置比设计单次通过自水中更完全除去二价阳离子的装置可以需要较少的能量和更小的占地面积。
按照另外的实施方案，本发明的系统和技术可包括能够破坏或者使得可传输至使用场所的任何细菌失活的亚系统的后处理系统。例如，所述后处理系统可包括可用光化辐射照射已处理的或者净化水或者暴露于臭氧或者通过超滤作用和/或微孔过滤除去任何细菌的装置或者设备。
LSI指Langelier饱和指数。LSI不能表示出现多少结垢，但是可提供关于水将沉积污垢(LSI＞0)、溶解钙沉积物(LSI＜0)还是与钙沉积物处于平衡(LSI＝0)的信息。通常，LSI等于要求使水处于平衡状态的pH变化。例如，呈现LSI为约1.0的水可通过使水的pH减少1.0pH单位引起平衡。按照ASTM D-3739可实施计算LSI。
按照本发明的一个或更多个实施方案，提供减少任何pH增加同时也减少耗水量的方法。水可通过所述阴极隔室以及通过一个或者更多个离子消耗隔室，通常仅可专用于阴极隔室的水可作为脱盐水和作为阴极隔室的电解液两者起作用。水可以首先输送至一个或者更多个或者所有的离子-消耗隔室，然后进入阴极隔室，之后用作脱盐水。或者，供水可以首先通过阴极隔室，然后通过一个或者更多个离子消耗隔室，然后进入使用场所。照这样，所有或者部分通过阴极隔室的水可用作脱盐水，导致节水。这样的装置，其中阴极隔室可以流体连通于一个或者更多个离子消耗隔室，也可通过阴极提供水系统的有效接地，因此导致更高水平的安全性和适用性，这尤其在安装例如家庭用水系统时可以是优选的。
水可以导致从进入所述阴极隔室的时间至离开的时间pH增加少于约2pH单位的速率供给所述阴极隔室。在其它的实施方案中，pH增加可限于约1、0.5、0.2、0.1或更少的pH单位。可使用用于减少pH增加的任何技术。控制所述阴极液中pH增加的一个方法是增加通过所述阴极隔室的流体流量。将组件中通过阴极隔室的水流量与通过所述消耗隔室中的一个的流量相比较，约1∶2、1∶5、1∶10、1∶50或更大的流量比可提供呈现优选LSI的水。例如，如果通过一个离子消耗隔室的流量为约40升每小时，通过所述阴极隔室的流量为约400升每小时，在通过离子消耗隔室的流量与通过所述阴极隔室的流量之间提供约为1∶10的比例。如果通过组件中所有离子消耗隔室的水也引导通过阴极隔室，所述阴极隔室与各离子消耗隔室的流量比(假定通过每个隔室流量相等)将等于组件中离子消耗隔室的数目。例如，在包含25个离子消耗隔室的组件中，如果所有通过所述离子消耗隔室的水也通过阴极隔室，如果通过每一个离子消耗隔室的流量相同，通过任何一个离子消耗隔室的水流量相对于阴极隔室的比例为约1∶25。
使用脱盐水作为阴极液由于几个原因看来似乎是反直觉的，包括例如在阴极隔室中脱盐水更高的电阻率，所述阴极隔室通常对于低电阻率水运行更好。然而，脱盐水可具有足够低的电阻率例如少于约1兆欧以致于通过阴极隔室的电导率未变化到其中组件性能显著降低的程度。另外，当脱盐水通过所述阴极隔室时向脱盐水中加入溶解的氢气可提供较低腐蚀性的水而未同时增加LSI。这个水由于例如抗氧化剂活性的结果也可提供健康益处。使用这种方法产生的水也可比未经净化的自来水或经常规方法软化的水对于铜或含铜组件具有更少的腐蚀性。
通过阴极隔室的流速可设定或调节以足以将结垢减至最小。优选地，通过所述阴极隔室的流速大于约5升/分钟的水/安培通过所述组件的电流。更优选地，通过所述阴极隔室的流速大于或等于约12升/分钟的水/安培所施加通过所述组件的电流。当通常出现在阴极隔室中的pH增加可为通过所述隔室的电流的函数时，所述pH增加也可通过增加通过所述隔室的流速应答于电流增加而减缓。
常规的CEDI组件通常在离子浓集隔室中受到结垢。这可能归因于LSI增加，后者可能是其中水中钙浓度增加的结果。
在另一个实施方案中，在所述离子浓集隔室中的结垢可通过降低通过所述浓集隔室的水的LSI减少。达到这个减少的一个方法是使用至少一部分流浓集物作为阳极液。照这样，由更高浓度的钙和其它溶解的离子组分引起的LSI增加可通过降低所述LSI的pH组分抵消。这可经使浓集物通过阳极隔室进行。例如，水可首先通过CEDI组件中的一个或更多个浓集隔室，然后可引导通过阳极隔室作为阳极液。然后所述水可排放为废液或者可通过系统循环形成更大浓度溶解的物质并因此减小或节省必须排放的水量。因此，可使用包括至少一个浓集隔室和至少一个阳极隔室的“环路”。一部分水可坚持不断地或断续地从这样的浓集隔室/阳极隔室环路流出或排放以防止钙或其它离子组分聚集到可能导致结垢的水平。或者，不是通过成为废液，这个离子增强的水可用于不要求净化水的用途例如冲洗及其它常规灰水用途。
所述水可首先通过阳极隔室或首先通过一个或更多个离子浓集隔室。例如，如果要求最小pH水，那么在所述阳极隔室中的流体停留时间可通过例如与很少或仅一个离子浓集隔室流体连通而增加。或者，如果所有的离子浓集隔室与阳极隔室连通，那么这些液流中每一个应提供流体，通过所述阳极隔室的液流将更大，导致更小的pH降低。
所述水可首先通过阳极隔室然后通过一个或更多个离子浓集隔室，或者所述水可首先通过一个或更多个离子浓集隔室然后通过阳极隔室。为了防止在所述离子浓集隔室中结垢，可以优选首先输送液流到阳极隔室然后到所述离子浓集隔室或这些隔室。照这样，在引入到所述离子浓集隔室之前进料的pH可降低(如同所述LSI)。当通过阳极隔室和离子浓集隔室的水是再循环环路的一部分时，使水首先通过阳极隔室可能不太重要，因为再循环环路中的流体(其一部分通常已经通过所述阳极隔室)可连续地向一个或所有的离子浓集隔室提供降低pH的水，而与新鲜原料引入到两个隔室的顺序无关。
在本发明另一个实施方案中，所述组件的至少一个离子消耗隔室与阴极隔室连通，所述组件的至少一个离子浓集隔室与阳极隔室流体连通。在本发明的仍然另一个实施方案中，所述阳极/浓集隔室构造可与阴极/消耗隔室构造相似或相同，以致于当转换所述组件的施加的电极性时，所述两个液流可在完成极性反转后不久也相应地交换功能。这与许多CEDI极性反转系统相比较可提供降低所要求的阀门数目的极性反转系统。因此，当对极性反转的需求因为由其它设计变化造成的LSI减少可减小时，如果要求极性反转，所述环路的功能可转换以适应极性变化的需要。
通过构造两个环路中的每一个以致于它可交替地作为浓集/阳极环路和消耗/阴极环路，整个环路及其相关组件不需要连续地暴露于较高LSI流体。即每一个环路可装配并具有提供一定程度功能对称性的组件使得每一个环路交替履行浓集和消耗作用。
按照本发明另一个实施方案，水处理系统(优选基于CEDI的系统例如在图3中图解说明的系统)提供到使用场所以致于可在连续基础上产生净化水用于家庭消耗而不用再生。当常规水处理装置例如再补充软化水器需要更新时，净化水的供给可中断。然而本发明可使得能够不中断的供给软化水。另外，所述系统可由接受传统水处理系统的安装和维护训练的技术人员安装并维护。
图1图解说明了本发明的一个实施方案。显示组件100的剖面图解说明一组平行和交替的离子消耗与离子浓集隔室以及在所述组件的对置端的相关的阴极和阳极隔室。来自家庭来源例如井水或生活用水的可能或没有经通过颗粒和/或碳滤器处理的水通过一个或更多个管道例如管道116输送到所述系统。来自管道116的水输送通过离子消耗隔室140a、140b和140c。来自管道118的水输送到离子浓集隔室130a、130b和130c。所述消耗和浓集隔室两者通常填充电活性材料或离子交换材料例如离子交换树脂(它可以是结合的或未结合的)或纤维，所述隔室中每一个通过阴离子透膜和阳离子透膜限界，尽管在其它的实施方案中隔室可通过两个相似类型的膜限界。在通过离子消耗隔室140a、140b和140c后，一部分例如30％在水中的TDS，尤其是一部分硬度离子例如钙和镁通常从所述离子消耗隔室通过邻近的离子渗透膜进入邻接的离子浓集隔室。然后水通过每一个离子消耗隔室的底部进入管道160，输送到含有阴极122的阴极隔室120中。阴极隔室120可以或没有含有离子交换材料，当所述水通过所述隔室同时电流通过所述组件时，水的pH通常增加，氢气通常以百万分率的量溶于水中。在通过管道180离开所述阴极隔室后，水可进入连通储槽的再循环环路，或者可直接输送到使用场所。
通过管道118进入所述组件的水通过经离子半透膜例如阴离子透膜或阳离子透膜限界的浓集隔室130a、130b和130c。所述离子浓集隔室可填充电活性介质或离子交换材料例如离子交换树脂或纤维。在通过离子浓集隔室后，水通过已经从邻接的离子消耗隔室接收离子物质增强。这个目前比进入所述隔室时含有更高水平的TDS的水通过管道150离开所述隔室并进入含有阳极112的阳极隔室110，所述阳极隔室可以或没有填充离子交换材料。当水通过阳极隔室110时，水的pH可降低，因此减少浓集流体的LSI。然后水通过管道170离开，其中所有或部分水可流向废液或间歇地排放为废液。所述水也可进入环路，其再循环以连续输送给浓集隔室130a、130b和130c。照这样，水可节省同时流出足够高的浓集物以致于钙、镁及其它离子物质不结垢到减少效率的这样的水平，例如通过组件或其管道、滤器和阀门相关元件的部分结垢或阻塞。照这样，钙和其它的硬度促进物质可从水中除去同时使必须自系统中除去的浓集物的量减至最小。例如少于约15、10或者甚至5％体积的处理的水可排放为废液。另外，自系统中除去的浓集物可用于非软化用途，例如用于可不受硬度水平的有害影响的冲洗或其它用途。加入高水平的钙以升高或缓冲pH可有益于pH敏感的一些用途例如草地维护。
在以剖面描述组件200的图2中图解说明了供选的实施方案。水自可为储存环路(包括储槽)部分的原水、净化水或过滤水供水系统通过输送阴极隔室的管道218或输送阳极隔室210的管道216进入所述组件。阴极隔室220包括阴极板222，而阳极隔室210包括阳极板212。系统中的隔板与电极可经通过端基封闭214和224的连接物固定。通过阳极隔室210的水通过管道260以低于其进入所述隔室时的pH离开隔室。这个水的pH可通过几个因素包括通过所述隔室的水流速以及通过流经所述组件的电流大小控制。例如，电流越大和流速越低，pH降低越大。水从管道260通过浓集隔室230a、230b和230c。这些隔室可包含离子交换材料例如离子交换树脂或纤维并可通过可渗透阴离子、阳离子或两者的半透膜290限界。当水通过隔室230a、230b和230c时，这通常由于离子物质自邻接的离子消耗隔室240a、240b和240c传输而增加离子浓度。在离开所述离子浓集隔室后水引向管道270，部分或所有的水可继续不断地或间歇地引向废液。管道270也可以是用于将水送回到管道216和阳极隔室210以致于所述水在排放为废液之前进一步浓缩的循环环路部分。传到废液的任何水容量可通过自入口216加入供水补充。
通过管道218进入的水可引向含有阴极222的阴极隔室220。水自阴极隔室的顶部通向阴极隔室的底部并以高于进入时的pH离开所述隔室。它也可伴随具有大于它进入阴极隔室时的溶解的氢浓度离开。在离开所述阴极隔室和进入管道250后，水可引向离子消耗隔室240a、240b和240c。这些隔室可包含离子交换材料例如离子交换树脂或纤维。包含在所述消耗隔室中的离子交换材料可为阴离子交换材料、阳离子交换材料、混合离子交换材料或者阴离子交换材料、阳离子交换材料和/或混合离子交换材料的交替层。优选地，所述离子消耗隔室包含如同邻接的浓集隔室包含的混合离子交换树脂，使得这些隔室在反转极性时变化功能。在通过所述离子消耗隔室后，水以比进入时更纯净的状态离开，例如包含少于约20、40、60或80％的最初离子浓度(尤其是硬度离子浓度)。然后水可引向管道280，其中它可输送到使用场所或者进入环路和储存系统，其中它可与另外的源水混合并通过组件循环一次或更多次。照这样，通过除去水中包含的相对小百分数的离子物质例如约10、20或40％，水在以相同的去除效率几次通过系统后可明显变得更加纯净。例如，依净化水用源水稀释的速率(这取决于使用速率)而定，在每一次通过时减少水中硬度离子物质的浓度约40％的组件可导致仅含有20％源水本身的硬度的净化水。这样，净化水可由在低流量和低电流条件下操作的相对小的组件提供。例如在浓度基础上，具有高达约1800ppm或更大的硬度浓度的供水可通过提供循环环路系统减小至约600ppm或更少。
所述组件也可以反转极性模式操作。在所述两个电极的极性反转后不久，包含阳极与浓集隔室的环路可与包括阴极与稀释隔室的环路转换功能。照这样，隔室220变为阳极隔室，隔室210变为阴极隔室。同样，隔室240a、240b和240c可变为离子浓集隔室，230a、230b和230c变为离子消耗稀释隔室。通过使电极隔室与一系列离子交换隔室相联系，需要在极性反转时开启的阀门数可减少。例如，在于图2中例证性图解说明的组件中，管道270和管道280的功能可通过简单转换两个阀门变化。这与可包含更大数目独立装设阀门的组件的系统相反。例如，如果阳极隔室、阴极隔室、离子消耗隔室与离子浓集隔室单独连接，那么可要求另外的阀门以在电极的极性反转时相应变化这些隔室中每一个的功能。这种另外装设阀门可导致增加成本和维护要求。
按照仍然另外的实施方案，本发明的系统和技术可包括通过例如传输或使至少一部分润湿的部件暴露于消毒剂例如卤素、卤素供体和/或氧化性化合物例如过氧化物用于将所述处理系统任何润湿的部件消毒的系统和方法。
                         实施例
因为当与未处理的水比较时用CEDI系统处理的水可以包含减少水平的TDS、pH和LSI，CEDI处理的水试验以测定脱盐水的腐蚀性如何。当CEDI处理的水打算用于包括铜管的系统例如许多住宅水系统时，这些结果可以具有特别重要性。具体地讲，按照本发明的一个实施方案处理的水与未处理的水、CEDI处理的水和通过常规软化系统处理的水一起试验铜腐蚀性。腐蚀或者浸出试验在作为试样的1″直径×2″长度铜管上进行。样品包括CEDI处理的水(2种配置)作为挑战水，未处理的水和软化水作为两个对照组。
未处理的水(HARD)为得自Northbrook，Illinois的井水，具有约490ppm的TDS水平，约18gPg的硬度和约7.8的pH。未处理水的LSI为0.8至1.0。通过用包括得自Culligan Corporation，Northbrook，Illinois的1立方英尺的标准CULLEX树脂的9″软化水器处理井水得到常规软化水(SOFT)。在试验1中，用不包括管线内蓄水器的系统产生CEDI水。在试验2中，在于图3中图解说明的CDEI系统的管线内蓄水器的水槽出口得到CEDI处理的水(PRODUCT)。因此，试验2包括使CEDI脱盐水通过消耗隔室然后通过CEDI组件的阴极隔室。
通过把1″直径铜管切割成2″长的片段并且把它们修整以除去所有的毛刺制备受试试样管。先后用丙酮和RO水冲洗试样以除去来自切割操作的任何润滑脂和金属屑。所述试样每一个用150ml的2N HCl溶液清洁1分钟并隔绝在中性溶液中。然后在用RO水再次冲洗和擦拭清洁后把它们贮存在干燥器中过夜。总共制备12个试样管用于试验2。
把每一种水放置到5只500-ml的烧杯中。定期并且以相似的方式取样每一个水样。样品测试如下：
试验1-
第一次试验包括比试验2更少的样品，在停滞状态下进行腐蚀性分析。自系统取出脱盐水样品并且在第1天、第4天和第12天分析。用不带有管线内蓄水器的低流动CEDI系统处理水。使水在以下条件下一次通过消耗隔室(不通过阴极)：
·25单元对-具有连续负荷的低流动小堆积，一次通过操作
·隔室大小：7.5″×1.2″宽
·树脂填充：60％IRA-458阴离子树脂，40％SF-120阳离子树脂
·浓集液再循环和产物排放流速：～1l/分钟
·废液/废料连续排放流速：～500ml/分钟
·电极持续流速：～300ml/分钟每电极。新鲜供水传送至电极隔室
·施加电压＝36V，或者1.45V/单元
·进水电导率＝740μS
·自一次通过操作得到的产物
在图5和7中报道了来自试验1的腐蚀结果并且提供原水、常规软化水和如上描述的通过CEDI系统产生的水的比较。
试验2-
A-没有任何试样管的静水用作对照(control)。不含试样管的静水样品在第1、第5和第12天分析，如样品C、D和E那样(参见下面)。
B-把三种水(变化)的每一种放入分开的烧瓶中，定期换水以使试样管浸没与新鲜水接触。观察新鲜水对浸出的作用。每次换水时分析交换水。在这些样品的水在第1、第5、第9和第12天变换。
C-试样管在三种水(静置)的每一种水中浸没精确1天。1天后把水送去分析。
D-试样管在三种水(静置)的每一种水中浸没5天。静置5天后把水送去分析。
E-试样管在三种水(静置)的每一种水中浸没12天。静置12天后把水送去分析。
在下面的条件下，采用管线内蓄水器和产物-通过-阴极技术用CEDI系统进行试验2：
·25单元对-产物通过具有管线内蓄水器/水槽系统的阴极堆积
·隔室大小：7.5″×1.2″宽
·树脂填充：60％IRA-458阴离子树脂，40％SF-120阳离子树脂
·浓集液再循环和产物再循环流速：～1.4l/分钟
·废液/废料冲洗(定期冲洗)流速：～200ml/分钟
·脱盐水通过阴极，浓集液再循环流动通过阳极
·施加电压＝51V，或者2.04V/单元
·进水电导率＝740μS
·在约220microsiemens的设定值自水槽收集脱盐水的样品
得自试验2的数据呈现在以下图8中。在以下表1-4中提供通过CEDI系统处理的水(PRODUCT)、常规已处理的软水(SOFT)和未处理的硬水(HARD)的铜浓度、pH、LSI和碱度的比较。
表1：Cu浓度ppm
            PRODUCT             SOFT               HARD
  天   对照   静止   变化   对照   静止   变化   对照   静止   变化
  0   0   0   0.004
  1   0   0.17   0.142   0   0.289   0.318   0.005   0.309   0.273
  5   0   0.538   0.493   0   0.685   0.752   0.006   0.764   0.741
  9   0.418   0.703   0.922
  12   0   0.529   0.489   0   0.843   0.725   0   0.867   1.101
表2：pH
              PRODUCT               SOFT               HARD
  天   对照   静止   变化   对照   静止   变化   对照   静止   变化
  0   7.3   8   7.9
  1   7.8   7.7   7.7   8.2   8.3   8.1   8.2   8.2   8.2
  5   8.2   8   7.9   8.7   8.7   8.5   8.2   8.5   8.5
  9   8   8.6   8.4
  12   8.2   8.2   8   8.8   8.8   8.6   8.4   8.7   8.5
表3：LSI@22deg.C
                PRODUCT                 SOFT               HARD
  天   对照   静止   变化   对照   静止   变化   对照   静止   变化
  0   -1.3   -1.7   0.6
  1   -0.7   -0.8   -0.8   -1.4   -1.3   -1.5   1   0.9   0.9
  5   -0.4   -0.6   -0.7   -0.9   -1   -0.8   0.8   1.2   1.2
  9   -0.7   -1.6   1.1
  12   -0.4   -0.4   -0.6   -0.9   -0.9   -0.5   0.4   1.4   1.2
表4：碱度@22deg.C
            PRODUCT             SOFT               HARD
  天   对照   静止   变化   对照   静止   变化   对照   静止   变化
  0   47   197   198
  1   48   48   48   201.3   202   198   196.3   198   198
  5   48   48   47   217   212   198   165   208   207
  9   44   218   207
  12   49   48   47   217   216   207   104   220   211
TDS水平：CDI净化水-约135ppm，软水-约480ppm，硬水-约490ppm。
图4图解说明在静止条件下得自试验2的结果。图5图解说明在静止条件下得自试验1的结果。图4和5显示CEDI处理的水比供水和常规软化水两者具有更小的腐蚀性。
图6图解说明当水样间歇变化时得自试验2的结果。而且，本发明的CEDI脱盐水比供水和常规软化水两者一贯地具有更小的腐蚀性。图7图解说明在试验1中采用的电流和所产生水的电导率。图8图解说明在试验2中采用的电流和所产生的水的电导率并且显示超过在试验1(图7)中达到的改进的水质量。
结果显示在所有条件下和所有试验中浸出的铜浓度在CEDI处理的样品中是最低的。所述CEDI水具有比常规软化水和硬水两者更低的pH值。正如预期的那样，常规软化水和CEDI处理水样品中的pH、碱度和LSI值伴随静置增加。未经净化的硬水的LSI和碱度值伴随静置减少。浸出的铜浓度伴随静置增加，除在CEDI处理水样品中以外，其中浸出的铜浓度5天后稳定，如在图4中显示的那样。
因此，尽管呈现比硬供水或者常规软化水更低的pH、更低的(负)LSI和更低的碱度，采用图3装置(产物通过阴极)处理的水导致减少的铜浸出。另外，试验2的CEDI水明显比试验1的导电性低(更纯)，并且与高导电性水一样是非腐蚀性的。这意味着试验2的方法和装置可以特别适合用于存在其中可能涉及腐蚀性的铜管或其它材料的供水系统。如在此定义的，当受到一种或更多种以上描述的测试方法时，如果水呈现更低的铜浓度，它认为是很少腐蚀性的。本发明的脱盐水因此可以比供水或者常用软化水具有更小的腐蚀性。
本领域技术人员将易于意识到在此描述的所有参数和构造意指例证性的，实际的参数和构造将依本发明的系统和方法使用的具体用途而定。本领域技术人员将认识到或者使用不多于常规的实验方法能够确定在此描述的本发明具体实施方案的许多等价物。例如，本领域技术人员可认识到本发明的系统及其组件可进一步包括系统网络或者是系统的组件例如家用或住宅管理系统。另外，已按照电去离子装置描述本发明的系统和技术；然而，其它的电化学装置或者系统可以用作减少浓度或者在打算处理的流体中至少部分除去任何不合乎需要的物质的处理装置。其它合适的电化学装置可包括电渗析装置和电容性去离子装置。因此，应理解前面的实施方案仅通过实施例呈现，在附加的权利要求及其等价物范围内，本发明可不同于具体描述的那样实施。本发明涉及在此描述的每一个独立特征、系统或方法。另外，如果这样的特征、系统或方法不相互矛盾，两个或更多个这样特征、系统或方法的任何组合包括在本发明的范围内。

Claims (20)

1.一种提供水的方法，所述方法包括：
使第一水流通过电化学装置的消耗隔室产生具有小于约0的LSI的第二水流；
使第二水流通过所述电化学装置的阴极隔室产生第三水流，所述第三水流比第一水流具有较小的腐蚀性和具有小于约0的LSI。
2.权利要求1的方法，其中通过使水通过所述阴极隔室减少第二水流的腐蚀性。
3.权利要求2的方法，其中第三水流通过减少水流中氧化性物质的浓度使得具有较小的腐蚀性。
4.权利要求1的方法，其中所述电化学装置包括电去离子装置。
5.一种提供饮用水的方法，所述方法包括：
使第一水流通过电化学装置的阴极隔室产生第二水流；
使第二水流通过电化学装置的消耗隔室产生具有小于约0的LSI的第三水流，所述第三水流比第一水流具有较小的腐蚀性。
6.权利要求5的方法，其中通过使水通过阴极隔室减小第一水流的腐蚀性。
7.权利要求6的方法，其中第三水流通过减少水流中氧化性物质的浓度使得具有较小的腐蚀性。
8.权利要求5的方法，其中所述电化学装置包括电去离子装置。
9.一种保留水中残留的氯含量的方法，所述方法包括：
从第一水流中除去大于90％的活性氯；
使所述水流通过电化学装置的消耗隔室；
除去在所述水流中溶解的一部分任何离子；
将所述水流引入到环路，所述环路包括贮运容器；和
将第二水流中的活性氯以足以维持所述环路中的有效平均氯浓度的速率引入到环路中。
10.权利要求9的方法，其中有效氯浓度为大于第一水流中氯浓度的25％。
11.一种选择性保留供水系统中的离子的方法，所述方法包括：
使供水通过电化学装置的消耗隔室，所述供水包含一价和二价离子；
从所述供水中除去至少30％的二价离子并且保留至少约80％的选自二氧化硅、硼和氟化物的物质以产生净化水；和
供应净化水用于家庭消耗。
12.一种产生净化水的方法，所述方法包括：
使水流通过电化学装置的消耗隔室；和
调节施加到所述电化学装置的电压以控制通过所述电化学装置的电流为足以除去水流中大于约25％的任何硬度离子和不足以自所述水流中除去大于约10％的任何氟化物或二氧化硅物质的水平。
13.权利要求12的方法，其中除去少于10％的任何氟化物物质。
14.权利要求12的方法，其中除去少于10％的任何二氧化硅物质。
15.权利要求12的方法，所述方法进一步包括使所述净化水第二次通过消耗隔室。
16.权利要求12的方法，其中所述电化学装置包括电去离子装置。
17.权利要求12的方法，其中所述电化学装置包括电渗析装置。
18.一种方法，所述方法包括：
使供水通过离子交换材料床以自所述供水中除去大于30％的任何硬度离子产生软化水；
供应软化水用于家庭消耗；和
排放包含钙的浓集液，其中在所述软化水中的离子含量与浓集液中的离子含量的总和不大于所述供水供给的总离子含量。
19.权利要求18的方法，其中所述软化水比所述供水具有较小的腐蚀性。
20.权利要求18的方法，所述方法进一步包括跨过所述离子交换材料床施加电流。
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