TW201139289A

TW201139289A - Method and device for treating water

Info

Publication number: TW201139289A
Application number: TW100104857A
Authority: TW
Inventors: Serena Cagnoni
Original assignee: Struttura S R L
Priority date: 2010-02-22
Filing date: 2011-02-15
Publication date: 2011-11-16
Also published as: EP2539282A1; EP2539282B1; ITPD20100049A1; WO2011101483A1; IT1398342B1

Description

201139289 六、發明說明：【發明所屬之技術領域】本發明係關於一種藉由使用離子交換樹脂來處理飲用水之方法且係關於一種具有包括彼樹脂之濾筒之類型的渗濾系統’其包含在主要申請專利範圍之前文中所陳述之特徵。彼等方法及過濾系統廣泛地用來處理家庭用水/食物用水以建構水壺、咖啡壺及電熱水壺。【先前技術】在相關技術領域中，已知使用過濾系統來處理家庭用水，其中可更換濾筒型過濾器以使得迫使通過過濾系統之管道的水通過過濾器及其中所含之濾材床的方式緊密地插入該管道中。該系統用來建構提供用於家庭用水之過濾處理的水壺及壺。用於彼等系統中之濾筒型過濾器可根據所需之特定化學/物理功能而具有不同組成之過遽床。舉例而言，可使用如下過濾器，其濾材適於飲用水之普通處理或其含有用於权正硬度、移除味道及氣味、選擇性地移除預定污染物（氣及衍生物重金屬、農藥）或甚至能夠對經處理之水進:: 細菌學處理的特定藥劑。仃尤其是，為了校正水之硬度及溶解於其中之重金量，常常使甩離子交換格日t 甘 ' 叩雕卞父換树月日，其一般由聚合物基質（— 顆粒直徑為數毫米）爐& B g 4 τ η 妖笔木）稱成且釋放正確化學結構之離子， 201139289 而使得與通過樹月曰之水進行離子交換。彼等樹脂可具有酸 /生基團（陽離子交換樹脂）或驗性基團（陰離子交換樹脂）。第一類型之樹脂的酸性基團可為磺酸基，_s〇3H，其具有強酸性特徵（且因此稱為強酸樹脂）；或窥酸基，_c_，其具有較弱I性特徵（且因此稱為弱酸樹脂）。若驗或鹽之溶液流過濾筒内之陽離子交換樹脂層，則陽離子經由可逆過程使樹脂之酸性基團成鹽，該等陽離子因此變成固定於該樹脂上。該過程為可逆的。關於弱酸性陽離子交換樹脂，已知其用於降低水之硬度例如飲用水之硬化劑及重金屬與離子交換樹脂之子交換。然而水中過里氫離子為不利的，因為其會過度地降低水自身之pH值，伟盆3缺以便其呈駄性，而飲用水或自來水較佳具有大於或等於6·8之pH值。 -另外已知使用至少就其離子交換能力之一部分而言富含或負載錢料之弱㈣離子交換劑來軟化p °田羊=»之在DE 3243147中，描述一種藉助於汽化器及 /或逆滲透來處理海水之方法，其中使用負載有鎮離子之離子交換劑。 WO 2008/062099 搞千一括杜 ι —人揭不種使水畐含鎂離子以替代鈣離子及/或重金屬離子之方法使* f m其㈣至少就其離子交換能力之一部分而言負載有鎂離子之離子交換劑。【發明内容】 4 201139289 在用來處理飲用水之水合意的是水壺在更換含有離大量的水，約數百公升。亞或一般過濾系統的領域中，子交換樹脂之濾筒前處理相當因此’在本發明中，所谐雜& ^ 7 斤4離子父換劑之類型為弱酸性子交換物質，因為其「壽命」&強酸性物質長且允許進㈣換’從”成所f之對相對大量水之處理。彼等離子交換物質為（例如樹脂。為（例如）树脂’諸如合成聚合物所提及之弱酸性類型之谢 a树知不可再生，不以完全方式’且因此，過濾系統中所包括 0愿清在其使用壽命結束時’亦即當其不再能夠進行交拖士味疋仃乂換打被丟棄，從而允許水壺簡單使用而不提供用於再生循環。本發明所解決之技術問題在於獲得水（任何類型之初 ° Μ中重金屬之良好移除，及同時獲得實質上呈中性或僅與中性條件略有不同之阳值，例如在6 5至7 5之範圍内的阳值。介於6.8肖7.5之間的範圍為最佳。較高ρΗ 值可能與主觀上不討喜之水味道有關。另外重要的是，經過濾之水並不具有如下文所述之過高或過低的硬度。申叫者已陳述負載有100 %鎂離子之弱酸性離子交換樹脂是如何無法解決該問題，因為以該方式過濾之水的ρΗ值過度地呈鹼性且其硬度亦過度地不平衡，事實上，僅鎂離釋放過度地增加水之硬度，此為尤其當水之硬度最初已較南時所遇到之問題。另外’關於WO 2008/062099中所述之樹脂中所用的鎮 201139289

範圍，亦即备I 申大值70%，申請人已觀察到在該最大值内水子在之無機鹽如何沒有正確的平衡，如下文更詳細地陳述。因此’根據本發明’使用負載有百分比介於83%與91% 之間的鎮離早> 子之弱k性離子交換樹脂來處理水。術語「备都女戰有......之树脂（resin loaded with...)」意欲理解如下。交換樹脂經由離子交換機制自水移除重金屬，其中離 (’亏，物）經由基團取代而被樹脂固定於適當位置。 ::樹脂-般經合成以具有負載正電荷（陰離子性）或、電荷（陽離子性）之表面，且此外，在使用之前，其經賦予其特定數量之可用於交換的基團之活性溶液飽和。因此’金屬離子與樹脂反應，變成固定於其上，且在所含之樹脂交換期間經活性基凹取代舉例而$，若彼樹脂負載有氫’則與污染物鈣之交換如下：

CaS〇4 + 2 H+ —> H2S〇4 + Ca++ 。 9 ^因此，負載有83%至91%鎂之樹脂為對於其離子交換月匕力之83%至91 %而言存在鎂之樹月旨，鎮釋放至水中，用以取代船、銅、弼離子等，胃等離子在水中且變成附接於樹脂以替代所釋放之鎂。自然地，因為水中亦存在特定百分比之鎂離子，所以鎖離子亦可變成附接於樹脂以替代所釋放之鎮或樹脂中存在之與其進行離子交換之另一基團。 201139289 較佳地，本發明之樹脂之剩餘離子交換能力或州至 17%之樹脂負载有氫離子。該樹_彼等離子以使水之PH值變為中性值。較2地，本發明之離子交換樹脂為陽離m &換胃卜 =知該交換劑為陽離子性交換劑，因為陽離子在交換後殘留於水中。弱酸性陽離子性交換劑實質上以弱酸方式工作。根據本發明之另一額卜能飞卜〜、樣，本發明係關於一種用來過濾水之裝置，盆句赵人亡 /、 a有負載有範圍為其離子交換能力之83%至91%的鎂離子之弱酸性離子交換物質之渡筒。過：：广據本發明之各別或額外態樣，藉由滲濾通過該〉慮靖來處理水。有利的是，除所述離子交換樹脂外，遽筒還含有浸有銀之木炭。，筒内之碳的作用涉及吸附過渡水中存在之氯及衍生 :::::氣農藥、其他含氣化合物)。銀之功能為抑菌作 °兔-般呈顆粒形狀且在遽筒内其較佳以近乎式與離子交換樹脂混合。盆 + /、作用疋全不會影響樹脂之作，因為減少氯及衍生物之方法不同於樹脂關於硬度及重 ^屬所進行之方法··前者藉助於吸附而後者藉助另外或其他’滤筒進一步含有機械過據構於濾筒上方或在水過濾循環開始處之襯套及/或在濾筒末端或在滲濾後之水流出處的濾網。 .一 201139289 【實施方式】〜本發明之特徵及優點將自以下對較佳但非限制性具體實例之詳細描述而較好地瞭解，該等具體實例經由非限弟: 性實施例參看隨附圖式來說明。在圖！中’可更換類型之據筒一般稱為i且意欲用於參濾型過濾裝置，諸如過濾水壺、浸出器、咖啡壺及其類似物。典型地’彼等裝置（例如之水壺c)包括隔板或漏斗H，其將水壺C分成用來容納待過濾水之上箱仙及用來收集經過遽水之下箱LB。在漏斗H之底座s中，容蜗濾筒1以使得整個待過濾之水流通過該濾筒i。將待處理水引入上箱UB内且由於重力，其流過㈣ 1，從而到達下箱。遽筒1含有根據本發明建構之離子交換物質IEM，亦即負載有百分比為83%至91%之鎖離子的弱酸性陽離子交換樹脂’其以使得當水流過遽筒i時，鎮離子取代其中所含之重金屬離子及飼離子的方式建構。該樹顆粒形狀。咬傅风料’或者以氫離子取代㈣離子，料氫離子亦存在於树脂令之未被鎂離子佔據之剩餘部分中。較佳地’遽筒i進一步含有浸有銀之木炭cv，例如來源於椰子殼且浸有銀之碳。根據本發明之較佳方法，藉由將先前部分轉化為納形 =形式之樹脂轉化為鎂形式來獲得離子交換樹脂。藉使氫m脂與精確量之氫氧化減應來實現呈 8 201139289 納形式之部分轉化，該量經計算以獲得所需之部分轉化。、心又侍之樹月曰接著藉由與氯化物或硫酸鎂溶液接觸而轉化為鎂形式。從而使得樹脂中之鈉離子經鎮離子取代’而不影響關於氫形式之交換基團的比w，此在最終產品中不會改變。本發明之此方法為較佳，但並非可使用之唯一方法，因為其提高產生具有部分均質轉丨（亦即，顆粒物質（例如’微粒）均具有相同部分轉化）之樹脂的可靠性，以使得該樹脂具有與所檢查樣品無關而可隨時間再現之效能水準。舉例而έ，在鎮形式之樹脂與氣形式之樹脂混合的情況下，將有可能僅獲得平均轉化為所需形式之樹脂，其強制地由凡全呈鎂形式或完全呈氫形式之顆粒物質構成，在兩種組分混合不勻之情況下將提供可變操作結果。在以下所討論之實驗室測試中，使根據上述方法獲得之本發明之樹脂ΙΕΜ經受與含有不同濃度之鈣離子及鎂離子以及重金屬離子的自來水樣品接觸。在自來水流過離子父換劑ΙΕΜ之前及之後，就鈣離子及鎂離子及/或重金屬離子量測樣品含量以評估樹脂ΙΕΜ之作用。經以包括在上述範圍之外之鎂的樹脂過濾之水無法用於本發明之目的。以下測s式提供—實施例，其中將圖1之水壺用來使自來水濾過包括負載有約35%鎂之樹脂的離子交換劑。初始水具有以下特徵： 201139289 U.M. 方法鎂 Mg/L EPA 6010 2007 硬度〇F APAT CNR-IRSA 2040B Man 29 2003

表1 使用負載有百分比小於本發明之範圍之最小限度@ Mg 之上述樹脂，經過濾之水具有表2之以下特徵（說明複數個分析，每一者為在指定公升數後之分析）： U.M. 方法結果 ~~*〜---- 鎂 Mg/L EPA 6010 2007 32 硬度 T APAT CNR-IRSA 2040B Man 29 2003 16' ~^ ---- ——— 第8公井鎂 Mg/L EPA 6010 2007 32 硬度〇F APAT CNR-IRSA 2040B Man 29 2003 13 —- —------ 鎂 Mg/L EPA 6010 2007 32 硬度 °F APAT CNR-IRSA 2040B Man 29 2003 16 鎂 Mg/L EPA 6010 2007 32 分析第32公并硬度 °F APAT CNR-IRSA 2040B Man 29 2003 17 鎂 Mg/L EPA 6010 2007 26 分析第62公升硬度 T APAT CNR-IRSA 2040B Man 29 2003 18 鎂 Mg/L EPA 6010 2007 22.6 分析第102公升硬度 °F APAT CNR-IRSA 2040B Man 29 2003 18 表2 10 201139289 • 此表格顯示經過濾之水的硬度如何過低，此為影響水自身通常所存在之無機鹽之平衡且需要維持的特徵。詳言之，首先在易患一些病理之情況下，重要的是為預防目的提供無機鹽離子，尤其需要獲得高於15 °F之硬度。本發明之樹脂適於引入商業濾筒中，其用於事前未知硬度之任何類型之水，但其必須能夠在任何給定的初始硬度。下維持「可接受」或大於15〇F之硬度值，或用於具有約 l〇°F之極低硬度的水。因此，本申請人發現該可接受之硬度僅在樹脂中之Mg 濃度高於83%的情況下形成。進步發現，對於負載有高於91 %之鎮的樹脂而言，存在Mg之過量釋放，相反地使水過硬’尤其對於初始硬度大於25°F之水而言。詳言之，未維持初始硬度。此外，過里鎂貫邊上阻礙氫離子之釋放，從而阻礙水達到實質上中性之pH值。以下表格顯示使用兩種不同樹脂分析具有一定含量重金屬之初始水（表3及表5)及經過濾之水（表4及6)， β亥等樹脂皆根據本發明產生，前者含有84%鎂之負載（樹脂1)且後者含有90% (樹脂樹脂之其餘部分負載有氫：貝料以根據連續用同濾筒1逐漸處理之水的體積顯示。連續用樹脂1處理之初始水的資料： 11 201139289 硬度自由活性氣鋼鉛鋅汞 pH值硬度

U.M. °F 方法 APAT CNR-IRSA 2040B Man 29 2003

Mg/L Cl2

Mg/L

Mg/L APAT CNR-IRSA4020 Man 29 2003 EPA 6010C 2007 EPA 60IOC 2007 EPA 60IOC 2007 EPA 60 IOC 2007 EPA 60 IOC 2007 表3

用樹脂1過濾之表3之水的資料如下 U.M. 方法

°F APAT CNR-IRSA 2040B Man 29 2003 自由活性氮銅

Mg/LCl2

Mg/L APAT CNR-IRSA 4020 Man 29 2003 EPA 60IOC 2007 鉛

Mg/L EPA 60IOC 2007 鋅汞 pH值硬度自由活性氢鋼鉛鋅 PH值硬度氣銅鉛

Mg/L

°F

Mg/LCl；

Mg/L

Mg/LCb

Mg/L

Mg/L EPA 60 IOC 2007 EPA 60IOC 2007 EPA 60IOC 2007 結果 0.25 0.22 <0.001

APAT CNR-IRSA 2040B Man 29 2003 APAT CNR-IRSA 4020 Man 29 2003 EPA 60IOC 2007 EPA 60IOC 2007 EPA 60IOC 2007 EPA 60IOC 2007 EPA 60IOC 2007 APAT CNR-IRSA 2040B Man 29 2003 APAT CNR-IRSA 4020 Man 29 2003 EPA 60IOC 2007 EPA 60IOC 2007 0.23 <0.001

0.23 6.7 21.6 金升 0.33 0.22 0.9 12 201139289 鋅 Mg/L EPA 6010C 2007 0.25 汞 Mg/L EPA 60IOC 2007 <0.001 pH值 Mg/L EPA 6010C 2007 6.6 — -- 硬度 T APAT CNR-IRSA 2040B Man 29 2003 21.6 分析第30公自由活性氣 Mg/L Cl2 APAT CNR-IRSA 4020 Man 29 2003 0.28 ---- * 銅 Mg/L EPA 6010C 2007 0.19 鉛 Mg/L EPA 6010C 2007 0.61 鋅 Mg/L EPA 6010C 2007 0.31 — 汞 Mg/L EPA 6010C 2007 <0.001 pH值 Mg/L EPA 6010C 2007 6.9 ------ 硬度 °F APAT CNR-IRSA 2040B Man 29 2003 18.4 分析第自由活性氯 Mg/LCl2 APAT CNR-IRSA 4020 Man 29 2003 0.34 銅 Mg/L EPA6010C 2007 0.19 ------— 鉛 Mg/L EPA 6010C 2007 0.30 ----- 鋅 Mg/L EPA 60IOC 2007 0.33 --- 汞 Mg/L EPA 60IOC 2007 <0.001 ~~—. pH值 Mg/L EPA 601OC 2007 6.7 --—--_ 硬度〇F APAT CNR-IRSA 2040B Man 29 2003 20 分析第^ 自由活性氣 Mg/L Cl2 APAT CNR-IRSA 4020 Man 29 2003 0.34 銅 Mg/L EPA 60IOC 2007 0.32 — 鉛 Mg/L EPA 60 IOC 2007 0.34 ---- 鋅 Mg/L EPA 60 IOC 2007 0.54 ------ 汞 Mg/L EPA 60IOC 2007 <0.001 — pH值 Mg/L EPA 60IOC 2007 7.1 -------- — 硬度 °F APAT CNR-IRSA 2040B Man 29 2003 20.4 分析第自由活性氣 Mg/LCl2 APAT CNR-IRSA 4020 Man 29 2003 0.31 --- 銅 Mg/L EPA 60 IOC 2007 0.46 ------— 鉛 Mg/L EPA 60 IOC 2007 0.30 鋅 Mg/L EPA6010C 2007 0.77 — 汞 Mg/L EPA6010C 2007 <0.001 ------- pH值 Mg/L EPA 60IOC 2007 8.2 ------- -—— 表4 13 201139289 連續用樹脂2處理之初始水的資料： U.M. 方法結果硬度〇F APAT CNR-IRSA 2040B Man 29 2003 23.6 自由活性氣 Mg/L Cl2 APAT CNR-IRSA 4020 Man 29 2003 0.72 銅 Mg/L EPA 6010C 2007 1.8 鉛 Mg/L EPA 6010C 2007 1.6 辞 Mg/L EPA 6010C 2007 1.8 汞 Mg/L EPA 6010C 2007 0.002 pH值 Mg/L EPA 6010C 2007 6.7 表5 用樹脂2過濾之表5之水的資料如下： U.M. 方法結果硬度 °F APAT CNR-IRSA 2040B Man 29 2003 13.2 分析第1公升自由活性氣 Mg/L Cl2 APAT CNR-IRSA 4020 Man 29 2003 0.044 銅 Mg/L EPA6010C 2007 0.12 鉛 Mg/L EPA 6010C 2007 0.26 鋅 Mg/L EPA 6010C 2007 0.23 汞 Mg/L EPA 6010C 2007 <0.001 pH值 Mg/L EPA 6010C 2007 6.7 硬度 °F APAT CNR-IRSA 2040B Man 29 2003 21.2 分析第5公升自由活性氣 Mg/LCl2 APAT CNR-IRSA 4020 Man 29 2003 0.032 銅 Mg/L EPA 6010C 2007 0.32 鉛 Mg/L EPA 60IOC 2007 0.29 — — 鋅 Mg/L EPA 60IOC 2007 0.49 ----— 汞 Mg/L EPA 60IOC 2007 <0.001 -—--- pH值 Mg/L EPA 60IOC 2007 7.2 -— 硬度〇F APAT CNR-IRSA 2040B Man 29 2003 23.2 〜斤第8八# 自由活性氯 Mg/L Cl2 APAT CNR-IRSA 4020 Man 29 2003 0.032 銅 Mg/L EPA 60IOC 2007 0.32 鉛 Mg/L EPA 6010C 2007 0.28 ^_ ----- __ 14 201139289 鋅汞 pH值硬度自由活性氣銅鋅汞 pH值硬度自由活性氣銅

Mg/L

°F

Mg/L Cl2

Mg/L

Mg/L Cl2 EPA 6010C 2007 EPA 6010C 2007 EPA 6010C 2007 APAT CNR-IRSA 2040B Man 29 2003 APAT CNR-IRSA 4020 Man 29 2003 EPA 6010C 2007 EPA 6010C 2007 EPA 6010C 2007 EPA 60IOC 2007 EPA 60IOC 2007 APAT CNR-IRSA 2040B Man 29 2003 APAT CNR-IRSA 4020 Man 29 2003 EPA 60IOC 2007 0.49 <0.001 0.058 0.31

Mg/L Mg/L EPA 60IOC 2007

Mg/L EPA 60IOC 2007

舌性氣銅 Mg/L Cl2 Mg/L APAT CNR-IRSA 4020 Man 29 2003 EPA 60IOC 2007 0.076 0.32 鉛

Mg/L

Mg/L EPA 60IOC 2007 EPA 60IOC 2007 0.51 0.69 汞

Mg/L EPA 60 IOC 2007 <0.001

Mg/L EPA 60IOC 2007 7.6

由活性氯 Mg/L Cl2 銅鉛 Mg/L EPA 60IOC 2007 0.34 鋅

Mg/L

Mg/L EPA 60IOC 2007 EPA 60IOC 2007 EPA 60IOC 2007

Mg/L EPA 60IOC 2007 表6 0.5 0.71 <0.001 7.1 15 201139289 如表4及6中可見，本發明之樹脂在保持阳值接近中性值及硬度在有利值之範圍内的同時，顯著減少水令之重金屬量。水中之鎂量相對於初始水中之鎂量實質上保持不變，在以上用樹脂1及樹脂2進行之分析中，初始水中之μ g的平均量為15.3 mg/卜平均硬度為23.3°F，且150公升後經過濾之水中的平均量為2〇 75 mg/1。【圖式簡單說明】圖1為過濾水壺之部分剖面示意圖’其包括根據本發明建構之包含離子交換物質的濾筒。【主要元件符號說明】

Claims

201139289 七、申請專利範圍：二：藉由使用離子交換劑來處理水、尤其飲用水之方 !右二：使水流過該離子交換劑之步驟，該離子交換劑二離子之弱酸性離子交換物質（IEM )，該等鎮離子之比例範圍為其離子交換能力之83%m 離二Γ請專利範圍第1項之水處理方法，以該弱酸性離子交換物質（IEM)為弱酸性陽離子交換樹脂。二·：申請專利範圍第1項或第2項之水處理方法，其中子交換物質（腕）之未負載有鎂離子的部分負載有風離子。 4.如前述中請專利範圍中任—項或多項之處理方法，其 :流過該離子交換劑（IEM)之步驟包括之步驟。負載有鎮離子之弱酸 s亥等鎂離子之比例範 5· 一種濾水裝置（C)，其包括含有性離子交換物質（IEM)的濾筒（！），圍為其離子交換能力之83%至91%。 6.如申請專利範圍第5項之裝詈（甘+ 工^ & 項&裒罝（C )，其中該弱酸性離子父換物質（IEM)為弱酸性陽離子交換樹脂。 5項或第6項之裝置（c)，其中弱之未負載有鎂離子的部分負載有 7.如申請專利範圍第酸性離子交換物質（IEM ) 氫離子。 1 )’其含有負載有该4鎂離子之比例 8.—種用於滲濾裝置（c)之濾筒（鎂離子之弱酸性離子交換物質（IEM )，範圍為其離子交換能力之8 3 %至91 %。 17 201139289 9. 如申請專利範圍第8項之用於滲濾裝置（C )之濾筒 (1 )，其含有浸有銀之木炭（CV )。 10. 如申請專利範圍第8項或第9項之用於滲濾裝置（C) 之濾筒（1 )，其含有置於水自該濾筒流出處之篩網過濾器。八、圖式： (如次頁） 18