DE60302319T2

DE60302319T2 - System und Verfahren zur Reinigung von Wasser

Info

Publication number: DE60302319T2
Application number: DE60302319T
Authority: DE
Inventors: Joseph T. Tilp; Eric J. Willman
Original assignee: Barnstead Thermolyne Corp
Current assignee: Barnstead Thermolyne Corp
Priority date: 2002-12-20
Filing date: 2003-11-26
Publication date: 2006-07-13
Anticipated expiration: 2023-11-27
Also published as: EP1431250A3; US20040118780A1; EP1431250B1; EP1431250A2; DE60302319D1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Reinigung von Wasser und insbesondere auf eine Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von hochreinem Wasser in Laborqualität.
Hochreines Wasser in Laborqualität beziehungsweise analysenreines Wasser erhält man gewöhnlich durch unterschiedliche herkömmliche Verfahren, die alle in der Lage sind, gelöste Ionen, die aus löslichen Salzen stammen, aus einem Speisewasserstrom zu entfernen. Eine herkömmliche Methode zur Reinigung von Wasser ist die Destillation, bei der man das Speisewasser verdunstet und dann Dampf abfängt und kondensiert, um Ionen zu entfernen und somit hochreines Produktwasser zu erzeugen. Eine andere herkömmliche Methode zur Reinigung von Wasser ist die Umkehrosmose (Reverse Osmosis RO), die auf der selektiven Permeation durch eine dünne, poröse Membran beruht, um hochreines, entionisiertes Produktwasser herzustellen. Eine weitere herkömmliche Methode zur Reinigung ist die Deionisation (Deionization DI), bei der ein Speisewasserstrom ein Ionenaustauscherharzbett passiert, das ein Material mit funktionalen Gruppen enthält, die in der Lage sind, Ionen zu entfernen. Eine weitere herkömmliche Methode zur Reinigung von Wasser ist die Elektrodeionisation (Electro-Deionization EDI), bei der ein elektrisches Feld über ein Ionenaustauscherharzbett angelegt wird. Wasser, das einer EDI unterzogen werden soll, muss durch eine RO-Anlage vorbehandelt werden, und wenn das Speisewasser sehr hart ist, kann auch die Verwendung eines Wasserenthärtungsmittels erforderlich sein. Diese Reinigungsmethoden werden gewöhnlich kombiniert, zum Beispiel zu einem Kombinationsverfahren aus RO und DI beziehungsweise EDI, um Produktwasser zu erhalten, das den für die Verwendung in Labors oder als analysenreines Wasser nötigen Reinheitsgrad aufweist.
Bei einer weiteren herkömmlichen Methode, der kapazitiven Deionisation (Capacitive Deionization CDI), passiert ein Speisewasserstrom einen Stack aus elektrochemischen kapazitiven Deionisationszellen. Die Zellen haben niederohmige Elektroden mit einem hohen spezifischen Oberflächenbereich, die polarisiert sind, um elektrostatisch Ionen aus dem Speisewasserstrom zu entfernen, die sich dann an den Elektrodenoberflächen niederschlagen. Aus wirtschaftlicher Sicht ist die CDI erheblich energiesparender als die Destillation. Zudem ist bei der CDI keine Regeneration mit Reagenzkonzentration rein ist. Ferner wird hochreines Wasser verwendet, um in Labors Kunststoff- und Glasartikel zu spülen, und kann für die Herstellung von Medien, für biologische Anwendungen und in klinischen Bereichen zur Verdünnung und für sonstige Zwecke verwendet werden.
Normalerweise ist die Herstellung von hochreinem Wasser mit Laborqualität ein teures Unterfangen. Ionenaustauscherharzbetten, die man bei der DI verwendet, werden beispielsweise nach ihrer Entleerung entsorgt oder, wie oben erwähnt, unter Verwendung von ätzenden Chemikalien regeneriert. Die Regeneration von Ionenaustauscherharzbetten erzeugt einen Abfallstrom aus gefährlichen Chemikalien. Bei der Wasseraufbereitung durch RO beträgt die Wiedergewinnungsrate nur etwa 15 Prozent, das heißt, auf 100 Volumen Speisewasser kommen 15 Volumen gereinigtes Produktwasser. Anders ausgedrückt: Das RO-Verfahren ist höchst ineffizient, da 85 Prozent des Speisewassers zusammen mit den entfernten gelösten Ionen in den Ausguss geleert werden.
Man benötigt daher ein Wasserreinigungssystem, das einen Strom aus hochreinem Produktwasser in Laborqualität erzeugen kann und wirtschaftlicher ist als herkömmliche Wasserreinigungssysteme.
Die vorliegende Erfindung bietet ein Wasserreinigungssystem, das die Beeinträchtigungen und Nachteile früherer Wasserreinigungssysteme überwindet. Das erfindungsgemäße Wasserreinigungssystem enthält eine Einheit für Umkehrosmose und eine Einheit für kapazitive Deionisation. Die Umkehrosmoseeinheit hat einen Speisewassereinlass, der in der Lage ist, einen Speisewasserstrom aufzunehmen, einen Permeatauslass, der einen Permeatstrom liefert, und einen Konzentratauslass, der einen Konzentratsstrom liefert. Die Umkehrosmoseeinheit ist in der Lage, mindestens gelöste Ionen aus dem Speisewasser zu entfernen, um einen Permeatstrom zu liefern, der frei von gelösten Ionen ist, sowie einen Konzentratstrom, der mit gelösten Ionen angereichert ist. Das Modul für kapazitive Deionisation hat einen Einlass, der zur Flüssigkeitsübertragung mit dem Konzentratauslass der Umkehrosmoseeinheit verbunden ist, und einen Auslass, der zur Flüssigkeitsübertragung mit dem Speisewassereinlass der Umkehrosmoseeinheit verbunden ist. Das Deionisationsmodul ist in der Lage, gelöste Ionen aus dem Konzentratstrom zu entfernen.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel beinhaltet das Wasserreinigungssystem außerdem ein zweites Modul für kapazitive Deionisation mit einem Einlass, der zur Flüssigkeitsübertragung mit dem Konzentratauslass der Umkehrosmoseeinheit verbunden ist, und einem Auslass, der selektiv zur Flüssigkeitsübertragung mit dem Einlass der Umkehrosmoseeinheit verbunden wird. Das zweite Modul für kapazitive Deionisation ist in der Lage, gelöste Ionen aus dem Konzentratstrom zu entfernen. Die Auslässe des ersten und zweiten Moduls für kapazitive Deionisation werden abwechselnd zur Flüssigkeitsübertragung mit dem Konzentratauslass der Umkehrosmoseeinheit verbunden.
Gemäß den Grundsätzen der Erfindung ist ein Verfahren zur Reinigung eines Speisewasserstromes vorgesehen, das die Zuführung des Speisewasserstromes zu einem Einlass einer Umkehrosmoseeinheit beinhaltet, um einen Permeatwasser-Ausgangsstrom zu erzeugen, der frei von gelösten Ionen ist, und einen Konzentratwasser-Ausgangsstrom, der mit gelösten Ionen angereichert ist, das Entfernen gelöster Ionen aus dem Konzentratwasser-Ausgangsstrom mittels eines Moduls für kapazitive Deionisation, sowie die Zuführung des Konzentratwasser-Ausgangsstromes zum Einlass der Umkehrosmoseeinheit, nachdem die gelösten Ionen mittels der Einheit für kapazitive Deionisation entfernt wurden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen genauer beschrieben, wobei:
1 eine schematische Darstellung eines Wasserreinigungssystems gemäß den Grundsätzen der Erfindung ist;
2 eine schematische Darstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels eines Wasserreinigungssystems gemäß den Grundsätzen der Erfindung ist;
3 eine schematische Darstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels eines Wasserreinigungssystems gemäß den Grundsätzen der Erfindung ist;
4 eine schematische Darstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels eines Wasserreinigungssystems gemäß den Grundsätzen der Erfindung ist.
Auch wenn die Erfindung im Folgenden anhand bestimmter Ausführungsbeispiele beschrieben wird, ist sie nicht darauf beschränkt, in einer speziellen Art von Wasserreinigungssystem angewendet zu werden. Es ist vorgesehen, dass die Erfindung mit zahlreichen unterschiedlichen Wasserreinigungssystemen verwendet werden kann, einschließlich, jedoch nicht ausschließlich mit Reinigungssystemen, die gereinigtes Wasser für Endanwendungen wie zum Beispiel Laborzwecke, als Trinkwasser und in der Halbleiterindustrie erzeugen.
Ein Fachmann wird erkennen, dass die hier beschriebenen Komponenten in unterschiedlichster Weise angeordnet sein können.
In 1 ist ein Wasserreinigungssystem 10 gemäß den Grundsätzen der Erfindung zur Erzeugung von hochreinem Produktwasser dargestellt, das eine Vorbehandlungsstufe (PT) 12, einen Druckregler 14, eine Druckerhöhungspumpe 16, eine Umkehrosmoseeinheit (RO) 18, ein Modul für kapazitive Deionisation (CDI) 20 und einen Abfluss 22 enthält, die kollektiv zur Flüssigkeitsübertragung miteinander verbunden sind. Der PT-Stufe 12 wird von einer Speisewasserquelle 24 ein Speisewasserstrom zugeführt, und ein Strom aus gereinigtem Produktwasser wird zu einem Speichertank 26 weitergeleitet. Der Speichertank 26 dient als Behälter zur Aufnahme und Speicherung des hochreinen Produktwassers, das vom Wasserreinigungssystem 10 erzeugt wird. Für die Entnahme des gereinigten Produktwassers aus dem Speichertank 26 wird eine Entnahmevorrichtung 28 wie zum Beispiel ein Zapfhahn oder ein Wasserhahn verwendet.
Die PT-Stufe 12 ist in der Lage, Feststoffe, organische Verbindungen sowie freies Chlor und sonstige Halogene zu entfernen. Genauer gesagt besteht die PT-Stufe 12 normalerweise aus Tiefenfilterung mit einem Tiefenfilter 30 und Filterung mit einem Aktivkohlefilterelement 32. Das Tiefenfilter 30 enthält eine gekrümmte willkürliche Matrix aus kleinen Fasern, beispielsweise Baumwolle, Zellulose, synthetische Garne oder schmelzgeblasene Polymerfasern, durch die das von der Speisewasserquelle 24 zugeführte Speisewasser strömt und auf denen im Speisewasser suspendierte Feststoffe hängenbleiben. Das Aktivkohlefilterelement 32 entfernt organische Verbindungen, freies Chlor und sonstige Halogene aus dem Speisewasserstrom. Der Druckregler 14 ist in einer Flüssigkeitsleitung 33 positioniert, welche die PT-Stufe 12 zur Flüssigkeitsübertragung mit einem Speisewassereinlass 31 der RO-Einheit 18 verbindet, und den Förderdruck des Filtratstromes, der die PT-Stufe 12 verlässt, zu reduzieren.
Die Druckerhöhungspumpe 16, die ebenfalls in der Flüssigkeitsleitung 33 positioniert ist, welche die PT-Stufe 12 mit dem Speisewassereinlass 31 der RO-Einheit 18 verbindet, erhöht den Wasserdruck des Filtratstromes, der die PT-Stufe 12 verlässt, auf einen geeigneten Betriebsdruck, so dass eine ausreichende Antriebskraft für den Betrieb der RO-Einheit 18 zur Verfügung steht. Normalerweise liegt der Betriebsdruck im Bereich von etwa 60 bis 1000 psig (entspricht ca. 4 bis 69 bar). Die Erfindung sieht vor, dass die RO-Einheit 18 ein einziges RO-Element, mehrere parallel gekoppelte RO-Elemente zur Flüssigkeitsübertragung oder mehrere in Reihe gekoppelte RO-Elemente zur Flüssigkeitsübertragung enthalten kann. Jedes RO-Element der RO-Einheit 18 enthält eine dünne, halbdurchlässige Membran, die in der Lage ist, aus dem Filtratstrom, der von der PT-Stufe 12 aufgenommen wird, gelöste Ionen, typischerweise in Form gelöster Salze, zu entfernen. Aus dem Anteil des Filtratstromes, der die Membran jedes RO-Elementes in der RO-Einheit 18 durchdringt, wird ein Permeatstrom erzeugt. Aus dem verbleibenden Filtratstrom, der die RO-Einheit 18 verlässt, wird ein Konzentratstrom gebildet, von dem die konzentrierten gelösten Ionen, die von der Membran der RO-Einheit 18 zurückgehalten werden, mitgerissen werden. Die RO-Einheit 18 entfernt die meisten der gelösten Ionen und gelösten organischen Teilchen aus dem Filtratstrom. Normalerweise ist die RO-Einheit 18 in der Lage, mehr als etwa 95 Prozent der gelösten organischen Teilchen aus dem Filtratstrom zu entfernen und die Konzentration der gelösten Ionen im Filtratstrom um einen Faktor von etwa 10 bis 20 zu reduzieren, so dass der Permeatstrom hochreines Produktwasser ist.
Die RO-Einheit 18 hat einen Permeatauslass 34, der durch eine Flüssigkeitsleitung 35 zur Flüssigkeitsübertragung mit dem Speichertank 26 verbunden ist, um den Permeatstrom zum Speichertank 26 zu leiten, in dem das hochreine Wasser zur anschließenden Entnahme durch die Entnahmevorrichtung 28 gesammelt wird. Ferner hat die RO-Einheit 18 einen Konzentratauslass 36, der durch eine Flüssigkeitsleitung 37 zur Flüssigkeitsübertragung mit dem CDI-Modul 20 verbunden ist, so dass der Konzentratstrom zu einem Einlass 38 des CDI-Moduls 20 geleitet wird. Normalerweise stellt der Permeatstrom etwa 15 Prozent des Volumens des Filtratstromes dar, der von der PT-Stufe 12 aufgenommen wird, und der Konzentratstrom stellt etwa 85 Prozent des Volumens des Filtratstromes dar, der von der PT-Stufe 12 aufgenommen wird.
Das CDI-Modul 20 ist in eine Rückführungsbahn eingegliedert, die allgemein mit dem Bezugszeichen 40 bezeichnet ist, und die den Konzentratstrom zum Speisewassereinlass 31 der RO-Einheit 18 zurückschleust. Genauer gesagt nimmt der Einlass 38 des CDI-Moduls 20 den Konzentratstrom auf, der ansonsten in einem herkömmlichen Wasserreinigungssystem zum Abfluss 22 geleitet werden würde. Das CDI-Modul 20 ist in der Lage, weitere gelöste Restionen im Konzentratstrom zu entfernen, so dass ein Ausgangsstrom entsteht, der weitgehend frei von gelösten Ionen ist. Der Ausgangsstrom wird durch eine Flüssigkeitsleitung 41 von einem Auslass 42 des CDI-Moduls 20 zur Flüssigkeitsleitung 33 geleitet, die dem Druckregler 14 nachgeschaltet und dem Speisewassereinlass 31 der RO-Einheit 18 vorgeschaltet ist. Daraus resultiert, dass der Ausgangsstrom vom CDI-Modul 20 mit dem Filtratstrom von der PT-Stufe 12 vermischt oder kombiniert wird und wieder in die RO-Einheit 18 gelangt. Die Rückführungsbahn 40 enthält im Allgemeinen die Flüssigkeitsleitungen 37 und 41.
Das CDI-Modul 20 enthält eine Vielzahl von elektrochemischen kapazitiven Deionisationszellen, die jeweils aus voneinander beabstandeten Elektrodenpaaren 43 bestehen, von denen jedes als Durchfluss-Kondensator arbeitet und eine elektrochemische Zelle bildet. Die Elektroden 43 sind aus porösem leitendem Material hergestellt und haben einen hohen spezifischen Oberflächenbereich, einschließlich Aktivkohlestrukturen mit einem hohen spezifischen Oberflächenbereich, wie beispielsweise Bleche aus Carbon Aerogel. Alle elektrochemischen Zellen des CDI-Moduls 20 werden polarisiert, indem man an den Elektroden 43 ein elektrisches Potenzial anlegt.
Das CDI-Modul 20 arbeitet zyklisch mit einem Reinigungsmodus und einem Regenerierungsmodus. Im Reinigungsmodus werden gelöste Ionen, die von der RO-Einheit 18 in den Konzentratstrom gelangen, an den Oberflächen der geladenen Elektroden 43 festgehalten oder elektrostatisch gefangen. Das CDI-Modul 20 hat eine bestimmte Beladungskapazität, um gelöste Ionen festzuhalten. Wenn diese erreicht ist, muss das CDI-Modul regeneriert werden, um die gefangenen gelösten Ionen zum Abfluss 22 zu spülen. Im Regenerierungsmodus wird der durch das CDI-Modul 20 fließende Konzentratstrom zum Abfluss 22 geleitet, und die elektrochemischen Zellen des CDI-Moduls 20 werden regeneriert oder rückgewonnen, indem man die Polarität des an den Elektroden 43 angelegten elektrischen Potenzials für die Dauer eines Spülzyklus ausreichender Länge umkehrt, um weitgehend alle gefangenen gelösten Ionen wieder in Konzentratstrom abzugeben. Die Herstellung von gereinigtem Produktwasser kann während der Regenerierung des CDI-Moduls 20 ausgesetzt werden. Üblicherweise werden im Regenerierungsmodus für jeweils 75 Volumen Wasser, die vom CDI-Modul 20 gereinigt und zum Einlass der RO-Einheit 18 zurückgeführt werden, 25 Volumen Wasser zum Abfluss 22 geleitet. Daraus resultiert, dass sich durch das Einbringen der Rückführungsbahn 40 mit dem CDI-Modul 20 die Wassermenge, die zum Abfluss 22 geführt wird, im Vergleich zu der Wassermenge, die ansonsten vom Ausgang der RO-Einheit 18 zum Abfluss 22 geführt werden würde, beträchtlich verringert. Das Vorhandensein des CDI-Moduls 20 führt somit zu einer erheblichen Verringerung des Abfallwasservolumens, das zum Abfluss 22 transportiert wird, was wiederum die Betriebskosten senkt, die mit der Herstellung des gereinigten Produktwassers einhergehen.
Das CDI-Modul 20 kann ein beliebiges Modul sein, das sich für kapazitive Deionisation eignet, und das gelöste Ionen aus einem Wasserstrom entfernt. In den US-amerikanischen Patenten 6,413,409, 6,346,187 und 6,325,907 werden Beispiele für CDI-Module 20 offenbart, die in der Erfindung verwendet werden können. Ihre Offenbarung wird hiermit in vollem Umfang zum Inhalt des vorliegenden Dokuments erklärt.
Das Einbringen des CDI-Moduls 20 und der Rückführungsbahn 40 erhöht außerdem die Reinheit des gereinigten Produktwassers im Permeatstrom, da das CDI-Modul 20 in der Lage ist, einen großen Anteil der restlichen gelösten Ionen zu entfernen, die nach der Aufbereitung durch die RO-Einheit 18 im Konzentratstrom verbleiben. Wenn das CDI-Modul 20 im Reinigungsmodus arbeitet, entfernt es üblicherweise etwa 90 Prozent der Ionen im Konzentratstrom. Daraus resultiert, dass das Wasser, das in den Speisewassereinlass 31 der RO-Einheit 18 hineinströmt, verglichen mit einem herkömmlichen Reinigungssystem ohne Rückführungsbahn und CDI-Modul 20 zu etwa 80 Prozent frei von gelösten Ionen ist. Die Rückführungsbahn 40 und das CDI-Modul 20 verbessern das Entfernen der gelösten Ionen im Permeatstrom, der die RO-Einheit 18 verlässt, um einen Faktor von etwa 5. Üblicherweise führt dies zu einer 50- bis 100-fachen Reduzierung der Ionenkonzentration im Permeatstrom im Vergleich zu einer 10- bis 20-fachen absoluten Reduzierung der Ionenkonzentration in herkömmlichen Wasserreinigungssystemen, die nur auf einer RO-Einheit zur Ionenentfernung beruhen.
Zu den weiteren Vorteilen, die aus der Rückführungsbahn 40 und dem CDI-Modul 20 resultieren, gehören niedrigere Betriebskosten und eine verbesserte Leistung der nachgeschalteten Technologien und Verfahren. Zum Beispiel sind Reagenzkonzentrationen, die unter Verwendung des vom Wasserreinigungssystem 10 gereinigten Produktwassers hergestellt werden, verlässlicher. Ferner wird durch das erheblich reduzierte Volumen, das zum Abfluss 22 transportiert wird, Wasser eingespart.
In der Praxis wird der PT-Stufe 12 von der Speisewasserquelle 24 ein Speisewasserstrom zugeführt. Das Tiefenfilter 30 der PT-Stufe 12 erfasst im Speisewasser suspendierte Feststoffe, und das Aktivkohlefilterelement 32 der PT-Stufe 12 entfernt große organische Verbindungen und freies Chlor aus dem Speisewasserstrom. Der Auslassdruck des Filtratstromes, der die PT-Stufe 12 verlässt und zum Speisewassereinlass 31 der RO-Einheit 18 geführt wird, wird durch den Druckregler 14 verringert. Danach wird der Druck des Filtratstromes durch die Druckerhöhungspumpe 16 auf einen für die RO-Einheit geeigneten Betriebsdruck erhöht. Das RO-Element der RO-Einheit 18 entfernt gelöste Ionen und gelöste organische Teilchen aus dem von der PT-Stufe 12 kommenden Filtratstrom, dessen Druck durch die Druckerhöhungspumpe 16 erhöht wurde. Der Permeatstrom von der RO-Einheit 18 wird zum Speichertank 26 geführt, wo er als gereinigtes Produktwasser, das anschließend mittels der Entnahmevorrichtung 28 entnommen wird, gespeichert wird. Das CDI-Modul 20 nimmt den von der RO-Einheit 18 kommenden Konzentratstrom auf und fängt gelöste Restionen im Konzentratstrom an den Oberflächen seiner geladenen Elektroden elektrostatisch ein, wenn es im Reinigungsmodus arbeitet. Der Ausgangsstrom vom CDI-Modul 20 wird zum Speisewassereinlass 31 der RO-Einheit 18 geführt, wobei sich der Ausgangsstrom, der weitgehend frei von gelösten Ionen ist, mit dem von der PT-Stufe 12 kommenden Filtratstrom vermischt. Die Mischung aus dem Filtratstrom und dem Ausgangsstrom strömt in den Speisewassereinlass 31 der RO-Einheit 18.
In 2, in der für gleiche Einrichtungen wie in 1 die gleichen Bezugszeichen verwendet wurden, und in einem alternativen Ausführungsbeispiel kann das Wasserreinigungssystem 10 ferner ein sekundäres Reinigungselement enthalten, beispielsweise ein Deionisationsmodul 50 (DI-Modul), das im Fließkanal zwischen der RO-Einheit 18 und dem Speichertank 26 positioniert oder allgemein dem Wasserreinigungssystem 10 nachgeschaltet ist. Das DI-Modul 50 enthält ein Ionenaustauscherharzbett, das ein Material mit funktionellen Gruppen enthält, die in der Lage sind, Ionen zu entfernen. Das Permeat, das vom Permeatauslass 34 der RO-Einheit 18 emittiert wird, strömt in einen Einlass des DI-Moduls 50 und fließt nach diesem Reinigungsschritt zum Speichertank 26. Es wird in Erwägung gezogen, dass das Permeat von der RO-Einheit 18 durch andere Arten von Reinigungsverfahren, beispielsweise durch ein (hier nicht gezeigtes) Elektro-Deionisationsmodul (EDI-Modul), das ebenfalls ein Ionenaustauscherharzbett enthält, noch weiter gereinigt wird. Die erhebliche, den Grundsätzen der Erfindung entsprechende Reduzierung der Ionenkonzentration im Permeat, das die RO-Einheit 18 verlässt, bietet den Vorteil, dass die Betriebskosten für nachgeschaltete Reinigungssysteme, wie beispielsweise das DI-Modul 50, die das Permeat unter Verwendung eines Ionenaustauscherharzbettes weiter reinigen, niedriger sind. Das Ionenaustauscherharzbett muss folglich nicht so häufig regeneriert werden, wodurch das erforderliche Volumen an ätzenden Chemikalien reduziert wird und sich das Volumen des Abfallstromes an verbrauchten ätzenden Chemikalien verringert.
Ferner muss bei dem Wasserreinigungssystem 10 der RO-Einheit 18 kein Wasserenthärtungsprozess vorgeschaltet werden, bevor irgendwelche (hier nicht gezeigten) nachgeschalteten EDI-Module den Permeatstrom aufnehmen. Derartige nachgeschaltete EDI-Module sind folglich weniger anfällig für Ablagerungen, und es wird kein Wasserenthärter für die Vorbehandlung des Filtrats benötigt, das der RO-Einheit 18 zugeführt wird.
In 3, in der für gleiche Einrichtungen wie in 1 die gleichen Bezugszeichen verwendet wurden, und in einem alternativen Ausführungsbeispiel kann der Speichertank 26 des Wasserreinigungssystems 10 ferner eine Rückführungsbahn enthalten, die allgemein mit dem Bezugszeichen 52 bezeichnet ist. Die Rückführungsbahn 52 enthält eine Wasseraufbereitungseinheit mit UV-Bestrahlung 54 und ein Deionisationsmodul (DI-Modul) 56, das dem Deionisationsmodul 50 ähnelt. Hochreines Produktwasser wird vom Speichertank 26 von einer Förderpumpe 58 durch die Wasseraufbereitungseinheit mit UV-Bestrahlung 54 und das DI-Modul 56 gepumpt und zum Speichertank 26 zurückgeführt. Die Wasseraufbereitungseinheit mit UV-Bestrahlung 54 desinfiziert beziehungsweise sterilisiert das hochreine Produktwasser, das im Speichertank 26 gespeichert wird, um das Bakterienwachstum einzuschränken, und entfernt den organischen Gesamtkohlenstoff (TOC) aus dem hochreinen Produktwasser.
In 4, in der für gleiche Einrichtungen wie in 1 die gleichen Bezugszeichen verwendet wurden, und in einem alternativen Ausführungsbeispiel kann ein Wasserreinigungssystem 60 eine Rückführungsbahn 62 mit einem CDI-Modul-Paar 64, 66 enthalten. Ein zusätzliches Kohlefilterelement 68, das dem Kohlefilterelement 32 ähnelt, ist in der Flüssigkeitsleitung 33 zwischen dem Druckregler 14 und der Druckerhöhungspumpe 16 vorgesehen. Das Wasserreinigungssystem 60 kann an verschiedenen Stellen im Fließkanal mit Leitfähigkeitsmesszellen 63, 65 ausgestattet sein, um die Leitfähigkeit des Wassers zu überwachen, welche die Restkonzentration an gelösten Ionen angibt.
Ein Einlass 70 des CDI-Moduls 64 und ein Einlass 69 des CDI-Moduls 66 sind in einer Duplexanordnung kollektiv durch eine Flüssigkeitsleitung 71 zur Flüssigkeitsübertragung mit dem Konzentratauslass 36 der RO-Einheit 18 verbunden. Ein Auslass 72 des CDI-Moduls 64 ist durch eine Flüssigkeitsleitung 73 zur Flüssigkeitsübertragung mit einem Einlass 74 eines Dreiwegeventils 75 verbunden, das einen Auslass 76 besitzt, der selektiv zur Flüssigkeitsübertragung mit der Flüssigkeitsleitung 77 verbunden wird, um zu erlauben, dass Wasser zur Flüssigkeitsleitung 33 fließt, und somit die Rückführungsbahn 62 zu schließen, die im Reinigungsmodus Wasser zum Speisewassereinlass 31 der RO-Einheit 18 zurückführt. Ein weiterer Auslass 78 des Dreiwegeventils 75 wird selektiv zur Flüssigkeitsübertragung durch eine Flüssigkeitsleitung 80 mit einem Fließkanal zum Abfluss 22 verbunden, um zu erlauben, dass im Regenerierungsmodus Wasser zum Abfluss 22 fließt. In ähnlicher Weise ist ein Auslass 82 des CDI-Moduls 66 durch eine Flüssigkeitsleitung 81 zur Flüssigkeitsübertragung mit einem Einlass 84 eines Dreiwegeventils 83 verbunden, das einen Auslass 86 besitzt, der selektiv zur Flüssigkeitsübertragung mit der Flüssigkeitsleitung 77 verbunden wird, um zu erlauben, dass Wasser zur Flüssigkeitsleitung 33 fließt, und somit die Rückführungsbahn 62 zu schließen, die im Reinigungsmodus Wasser zum Speisewassereinlass 31 der RO-Einheit 18 zurückführt. Ein weiterer Auslass 88 des Dreiwegeventils 83 wird selektiv zur Flüssigkeitsübertragung durch die Flüssigkeitsleitung 80 mit einem Fließkanal zum Abfluss 22 verbunden, um zu erlauben, dass im Regenerierungsmodus Wasser zum Abfluss 22 fließt. Im Fließkanal, der teilweise von der Flüssigkeitsleitung 80 gebildet wird, ist zwischen den Auslässen 78, 88 und dem Abfluss 22 ein Durchflussbegrenzer 90 angebracht.
Im Dauerbetrieb arbeitet eines der CDI-Module, beispielsweise das CDI-Modul 64, in seinem Reinigungsmodus, um einen Ausgangsstrom zu erzeugen, der durch das Dreiwegeventil 75 vom Auslass 72 durch die Flüssigkeitsleitung 77 zum Speisewassereinlass 31 der RO-Einheit 18 geführt wird, während das andere der CDI-Module, beispielsweise das CDI-Modul 66, in seinem Regenerierungsmodus arbeitet, wobei sein Ausgangsstrom vom Auslass 82 mittels des Dreiwegeventils 83 durch die Flüssigkeitsleitung 80 zum Auslass 22 geleitet wird. Ein derartiger Betrieb der CDI-Module 64, 66 erzeugt fortlaufend und ohne Unterbrechung gereinigtes Produktwasser. Im Dauerbetrieb wird fortlaufend gereinigtes Produktwasser abgegeben, da mindestens einer der Auslässe 72 des CDI-Moduls 64 oder 82 des CDI-Moduls 66 abwechselnd in Flüssigkeitsaustausch mit dem Speisewassereinlass 31 der RO-Einheit 18 steht.
Es ist offensichtlich, dass im Dauerbetrieb beide Auslässe 72 und 82 gleichzeitig zur Flüssigkeitsübertragung mit dem Speisewassereinlass 31 der RO-Einheit 18 verbunden werden können. Dies wäre zum Beispiel der Fall, wenn der Spülzyklus von beispielsweise dem CDI-Modul 64 endet, während das CDI-Modul 66 im Reinigungsmodus arbeitet und seine Beladungskapazität nicht überschritten ist. In diesem Beispiel kann das Dreiwegeventil 83 so geschaltet werden, dass der Ausgangsstrom vom Auslass 82 durch den Auslass 86 zum Speisewassereinlass 31 der RO-Einheit 18 geführt wird.
Im Stapelbetrieb wird der Permeatstrom von der RO-Einheit 18 in eine Rückführungsbahn geleitet, die allgemein mit dem Bezugszeichen 92 bezeichnet ist und den Permeatauslass 34 mit der dem Speisewassereinlass 31 vorgeschalteten Flüssigkeitsleitung 33 zur RO-Einheit 18 verbindet, und das Wasserreinigungssystem 60 ist von der Speisewasserquelle 24 getrennt, so dass kein Speisewasser in das System 60 gelangt. Der Permeatstrom vermischt sich mit dem Ausgangsstrom vom CDI-Modul 20, und beide werden gemeinsam zum Speisewassereinlass 31 der RO-Einheit 18 geführt. Durch die Rückführung im Stapelbetrieb werden fortlaufend gelöste Ionen aus dem Wasser entfernt, um die Wasserreinheit zunehmend zu verbessern. Die Rückführung durch die Rückführungsbahn 92 kann abgebrochen werden, wenn der gewünschte Reinheitsgrad erreicht ist.
Die Rückführungsbahn 92 wird selektiv zur Flüssigkeitsübertragung durch ein Dreiwegeventil 93 mit der Flüssigkeitsleitung 37 verbunden, die den Permeatstrom befördert, der die RO-Einheit 18 verlässt. Ein Einlass 95 des Dreiwegeventils 93 nimmt den Permeatstrom auf, der über den Auslass 97 zum Speichertank 26 geleitet werden kann. Die Rückführungsbahn 92 enthält eine Flüssigkeitsleitung 96, die einen Auslass 98 des Dreiwegeventils 93 mit einem Einlass 99 eines Dreiwegeventils 100 verbindet. Ein Auslass 102 des Dreiwegeventils 100 wird selektiv zur Flüssigkeitsübertragung mit einer Entnahmevorrichtung 104 verbunden. Ein weiterer Auslass 106 des Dreiwegeventils 100 wird selektiv zur Flüssigkeitsübertragung durch die Flüssigkeitsleitung 108 mit der Flüssigkeitsleitung 33 verbunden, die dem Einlass zur RO-Einheit 18 vorgeschaltet ist.
In der Praxis ist das Dreiwegeventil 93 so ausgebildet, dass es Permeatwasser, das von der RO-Einheit 18 aufgenommen wird, durch den Auslass 98 zur Flüssigkeitsleitung 96 der Rückführungsbahn 92 leitet. Das Permeatwasser, das in der Flüssigkeitsleitung 96 fließt, kann durch das Dreiwegeventil 100 entweder durch den Auslass 102 zur Entnahmevorrichtung 104 oder durch den Auslass 106 zur Flüssigkeitsleitung 108 geleitet werden, von wo aus es in die Flüssigkeitsleitung 33, die dem Speisewassereinlass 31 der RO-Einheit 18 vorgeschaltet ist, zurückgeführt wird. Wenn dem System 60 unter Verwendung der Entnahmevorrichtung 104 Volumen des Permeatwassers entnommen werden, kann gegebenenfalls zusätzliches Speisewasser von der Speisewasserquelle 24 zugeführt werden, um das Wasservolumen im System 60 konstant zu halten.

12: Vorbehandlungstufe
16: Druckerhöhungspumpe
18: Umkehrosmoseeinheit
20: Modul für kapazitive Deionisation
24: Speisewasserquelle
26: Speichertank
28: Entnahmevorrichtung
30: Tiefenfilter
32: Kohlefilterelement
50: Deionisationsmodul
54: Wasseraufbereitungseinheit mit UV-Bestrahlung
58: Förderpumpe
63: Leitfähigkeitsmesszelle
68: Kohlefilter
90: Durchflussbegrenzer

Claims

Wasserreinigungssystem zum Reinigen von Speisewasser von einer Speisewasserquelle, um hochreines Wasser zu liefern, umfassend: eine Umkehrosmoseeinheit mit einem Speisewassereinlass, der in der Lage ist, einen Strom aus Speisewasser aufzunehmen, einen Permeatauslass, der einen Permeatstrom liefert, und einen Konzentratauslass, der einen Konzentratstrom liefert, wobei die Umkehrosmoseeinheit in der Lage ist, mindestens gelöste Ionen aus dem Speisewasser zu entfernen, um einen Permeatstrom zu liefern, der frei von gelösten Ionen ist, sowie einen Konzentratstrom, der mit gelösten Ionen angereichert ist; und ein Modul für kapazitive Deionisation mit einem Einlass, der zur Flüssigkeitsübertragung mit dem Konzentratauslass der Umkehrosmoseeinheit verbunden ist, und einen Auslass, der zur Flüssigkeitsübertragung mit dem Speisewassereinlass der Umkehrosmoseeinheit verbunden ist, wobei das Deionisationsmodul in der Lage ist, gelöste Ionen aus dem Konzentratstrom zu entfernen.
Wasserreinigungssystem nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Vorbehandlungsstufe, die in einem Durchflussweg zwischen der Speisewasserquelle und der Umkehrosmoseeinheit positioniert ist, wobei die Vorbehandlungsstufe in der Lage ist, Verunreinigungen aus dem Speisewasser zu entfernen.
Wasserreinigungssystem nach Anspruch 2, wobei die Vorbehandlungsstufe ferner ein Filter umfasst, das in der Lage ist, im Speisewasser suspendierte Feststoffe zu erfassen.
Wasserreinigungssystem nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, wobei die Vorbehandlungsstufe ferner ein Filter umfasst, das in der Lage ist, organische Verbindungen zu entfernen, die im Speisewasser vorhanden sind.
Wasserreinigungssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Vorbehandlungsstufe ferner ein Filter umfasst, das in der Lage ist, Halogene zu entfernen, die im Speisewasser vorhanden sind.
Wasserreinigungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Verstärkerpumpe, die in der Lage ist, den Druck des Speisewassers zu erhöhen, das zum Einlass der Umkehrosmoseeinheit geleitet wird.
Wasserreinigungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend ein sekundäres Reinigungselement, das zur Flüssigkeitsübertragung mit dem Permeatauslass verbunden ist.
Wasserreinigungssystem nach Anspruch 7, wobei das zweite Reinigungselement ein Ionenaustausch-Harzbett umfasst.
Wasserreinigungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Speichertank, der zur Flüssigkeitsübertragung mit dem Permeatauslass verbunden ist.
Wasserreinigungssystem nach Anspruch 9, ferner umfassend eine Rückführungsbahn, die zur Flüssigkeitsübertragung mit dem Speichertank verbunden ist, wobei die Rückführungsbahn eine UV-Licht-Wasseraufbereitungseinheit enthält, die in der Lage ist, das Permeatwasser aufzubereiten, das im Speichertank gespeichert wird.
Wasserreinigungssystem nach Anspruch 10, ferner umfassend ein Reinigungselement, das in der Rückführungsbahn angeordnet ist, wobei das Reinigungselement ein Ionenaustausch-Harzbett aufweist, um Ionen aus dem Permeatwasser zu entfernen, das im Speichertank gespeichert wird.
Wasserreinigungssystem nach Anspruch 9, ferner umfassend eine Rückführungsbahn, die zur Flüssigkeitsübertragung mit dem Speichertank verbunden ist, wobei die Rückführungsbahn ein Reinigungselement enthält, das ein Ionenaustausch-Harzbett aufweist, um Ionen aus dem Permeatwasser zu entfernen, das im Speichertank gespeichert wird.
Wasserreinigungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Auslass des Moduls für kapazitive Deionisation selektiv zur Flüssigkeitsübertragung mit dem Einlass der Umkehrosmoseeinheit verbunden ist, und das System ferner ein zweites Modul für kapazitive Deionisation umfasst, das einen Einlass aufweist, der zur Flüssigkeitsübertragung mit dem Konzentratauslass der Umkehrosmoseeinheit verbunden ist, und einen Auslass, der selektiv zur Flüssigkeitsübertragung mit dem Einlass der Umkehrosmoseeinheit verbunden ist, wobei das zweite Deionisationsmodul in der Lage ist, gelöste Ionen aus dem Konzentratstrom zu entfernen.
Wasserreinigungssystem nach Anspruch 13, wobei der Auslass des ersten Moduls für kapazitive Deionisation und der Auslass des zweiten Moduls für kapazitive Deionisation abwechselnd zur Flüssigkeitsübertragung mit dem Einlass der Umkehrosmoseeinheit verbunden sind.
Verfahren zum Reinigen eines Speisewasserstromes, umfassend: Leiten des Speisewasserstromes zu einem Einlass einer Umkehrosmoseeinheit, um einen Permeatwasser-Ausgangsstrom zu erzeugen, der frei von gelösten Ionen ist, und einen Konzentratwasser-Ausgangsstrom, der mit gelösten Ionen angereichert ist; Entfernen gelöster Ionen aus dem Konzentratwasser-Ausgangsstrom mittels eines Moduls für kapazitive Deionisation; und Leiten des Konzentratwasser-Ausgangsstromes zum Einlass der Umkehrosmoseeinheit, nachdem die gelösten Ionen mittels der Einheit für kapazitive Deionisation entfernt wurden.
Verfahren nach Anspruch 15, ferner umfassend: Sammeln des Permeatwasser-Ausgangsstromes in einem Speichertank.
Verfahren nach Anspruch 16, ferner umfassend: Rückführen des Permeatwassers, das im Speichertank gesammelt wurde; und Aufbereiten des rückgeführten Wassers unter Verwendung von ultraviolettem Licht.
Verfahren nach Anspruch 16 oder Anspruch 17, ferner umfassend: Rückführen des Permeatwassers, das im Speichertank gesammelt wurde; und Filtern des rückgeführten Wassers unter Verwendung eines Reinigungselementes, das ein Ionenaustausch-Harzbett aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, ferner umfassend: Vorbehandeln des Speisewasserstromes, bevor dieser zum Einlass der Umkehrosmoseeinheit geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Vorbehandeln das Erfassen von im Speisewasserstrom suspendierten Feststoffen beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 19 oder Anspruch 20, wobei das Vorbehandeln das Entfernen von organischen Verbindungen beinhaltet, die im Speisewasserstrom vorhanden sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, wobei das Vorbehandeln das Entfernen von Halogenen beinhaltet, die im Speisewasserstrom vorhanden sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, ferner umfassend das Erhöhen des Drucks des Speisewasserstromes, der zum Einlass der Umkehrosmoseeinheit geführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 23, ferner umfassend das Reinigen des Permeatwasserstromes mittels eines sekundären Reinigungselementes, das hinter der Umkehrosmoseeinheit angeordnet ist.