TWI373455B - Improvement of means for catalytic decarbonation of water - Google Patents

Description

1373455 修正本 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關水之脫碳酸鹽。特別是有關對催化式脫 碳酸鹽裝置所提供的改良及其用途。 【先前技術】 以脫碳酸鹽爲某礎的反應

咸知生水含有大量且比例可變的溶解礦物質。此等礦 物質有些經常於所有水中以可觀的濃度出現，有些則僅以 微量存在。本發明所關心的只是前者。 溶解物質包含： -負離子：碳酸鹽暨重碳酸鹽、硫酸鹽、氯化物暨氮 化物、二氧化矽； -以及正離子：鈣、鎂以及鹼金屬（主要是鈉）。

爲符合現行用法，後文以鹽的化學式說明離子，不 過，實際上須切記生水的有用濃度，此等溶解鹽均分解 HC03·或 C〇3·、S04-、cr 以及 Ca+ +、Mg+ +、Na+ 等， 並且，其極易於隨意重新組合，例如，系統地與氯化鈉或 重碳酸鈣結合。實際上，根據伯托雷法則，在以不溶解的 形式沉澱情形下，正離子不會與負離子結合。 於水淨化反應初始階段，很自由，且僅遵循傳統用 法，其採用分子形式，而非離子形式的古典反應寫法。 後文將重提本技藝周知的反應。 石灰對重碳酸鈣的作闲 1 )—種僅含#5鹽的水例子 於此情形下，根據重碳酸鈣與中性碳酸間濃度的極大 1373455 修正本 不同，這是應用脫碳酸鹽的基本反應。

Ca ( HC03 ) 2 + Ca ( OH) 2—► 2 C aC O 3 + 2 H 2 0 ( 1 ) 1

CaC03的溶解度及其與自由C02間的平衡或"半化合" 已成爲無數硏究的標的。戴格雷蒙水技術手冊，1988年第 50版所載多種作業界定一種具有CaC03沉澱物的水的平 衡狀況。普貝作業依據多數因素教示碳酸鈣的溶解度，且 若所用石灰的劑量經過正確地化學計量，即可提供存在於 溶液中的碳酸鈣理論量。此數量通常與包括在0.2與0.3 毫當量TAC/升（TAC :重碳酸鈣的縮寫簡稱；見後文）之 間的數値，不過，此數値鮮少於實際情形中獲得。 對應強負離子、硫酸鹽、氯化物、氮化物·，經常以永 久硬度表示的鈣自然地存在於溶液中，石灰無法與生水中 一般濃度的各種鹽起反應。 若考慮處理過的水溶液中的鹼，即於僅含鈣的生水情 況下，斟酌三種情形：

1. 有不足量的石灰：一部分重碳酸鈣存在於溶液中， 並因此同時存在於含Ca(HC03) 2及CaC03的水中，最 大限度爲後者的溶解度。 2. 劑量正確：於水中僅存在部分溶解的CaC03。 3. 石灰過多：過多的石灰與重碳酸鈣倂存，最大限度 爲其溶解度。 須知水的鹼滴定包含二計量： -鹼量滴定法（英文爲P-鹼度）的滴定或TA，其藉由 以稀釋酸滴定過的溶液分配的劑量獲得，變色的指示劑係 1373455 修正本 酚 ，pH = 8.2/8.3 ; •全鹼量滴定法（英文爲m-鹼度）或TAC ’其藉由以 相同溶液分配的劑量界定’不過’以甲烷-橙變色指示劑 指示，p Η = 3.5/4.5。 一種同時含有鈣及鎂的水例子 這是一般碰到的情形，僅含有鈣則屬例外。 於此情形下，水以後文所界定的滴定（濃度）爲特徵：

-ΤΗ (液體硬度計滴定）=T.Ca+T.Mg(鈣滴定+鎂 滴定）， -TAC =重碳酸鈣滴定（水的暫時硬度）。 TH-TAC間的相異代表強負離子（S04…+C1_+N0厂） 鹽的液體硬度計滴定（水的永久硬度）。 於此情形下，石灰誘發生成CaC03迄TAC的鈣成分 完全淨化爲止，其在CaC03冷卻時變成可溶解。 水具有TMg及TCa全體，TCa等於以碳酸鹽狀態沉 澱的毫當量TAC的最初減少的TCa。

若增加過量石灰，即引發以下二次反應：

Ca(OH)2 +Mg(S04 或 Cl2) —► Mg(OH)2 +Ca(S04 或 Cl2) (2) 發生不溶解的氧化鎂的沉澱，以及變成鈣溶液以完全 取代鎂的轉換》 除非於水含甚多透石膏的例外情形下，否則，鈣保持 可溶解，冷卻水中硫酸鈣的溶解度爲每升2克級，此値遠 大於上述反應（2 )所得者。 實際上，此種添加並不改變淨化水的全部T Η總量； 1373455 修正本 基於鎂（〇·ι毫當量/升級）在水中的溶解度’以及只要鎂 不完全沉澱，即實際上保持恒定，故TA及TAC微量增加。 於最適淨化中，水中有少量的自由鎂，因此，TA大於TAC/2 甚少。 氤氣化鈉對重碳酸鈣的作用 此方法係上述石灰處理方法之一變化例，其不管欲同 時脫碳酸化以及軟化經處理的水，或運用碳酸鈉，均在邏 輯或經濟上較石灰更優異。 1 · 一開始，發生後面反應（3 ):

Ca( HC03)2+2Na0H —►CaC03 + 2 Na2C03 + 2H2〇 (3) 2 .若於此沉澱後仍存在足夠的與硫酸鹽或氯化物結合 的鈣離子，即發生以下的反應：

Na2C03 + Ca+ + —► CaCO j + 2 Na+ (4) l 其一種反應如以下例子：

Na2C03 + CaS04—► CaC03+Na2S04 (5) 只要生水含足夠的與硫酸鹽或氯化物（永久硬度）結 合的鈣離子俾鈣與Na2C03的鈉交換，氫氧化鈉即以 2NaOH 取代 iCa(OH) 2 及 lNa2C03 起作用。 若發生反應（3)的所有Na2C03與足夠的鈣結合而以 _C a C Ο3的形態沉澱，換言之，若生水的鈣滴定τ C A等於或 大於2TAC，即無法減少TAC至低於0.6毫當量/升。 若TCa小於2TAC且根據TAC來計算NaOH的劑量， 1373455 修正本 即會在水中殘留過量的Na2C03，將生水的（2TAC-TCA) 値越大，越高的TA及TAC傳送給水。 若願意於水中保留某含量的重碳酸鹽（例如於可飲用 水的處理中），本發明即很有利，不過，須將氫氧化鈉的 劑量減至TCa/2的化學計算當量。

總之，使用碳酸鈉可減少水的總硬度，不僅毫無風 險，且獲得與利用石灰一樣完全的淨化；只要所採用的鹽 劑量不超過生水的鈣滴定的一半，TH的減量即等於重碳 酸鹽含量減少的兩倍。 若使用相當於石灰的劑量，TA與TAC的滴定即一樣 低。 請注意，若生水含有自由碳酸，其因反應而造成鹽的 額外消耗，即應該對鹽計量的計算加以修正： 2NaOH+ C02—►Na2C03+ H2〇 ( 6 )

本技術中所用裝置的特徵在於水處理的速度，此速度 採用以下方式試驗：每小時1米的速度與在反應器上進行 #按小時計的以米計每立方米的水處理一致，亦即1 m3/m2/h。 三種設備正使用或業已使用於藉由沉澱脫碳酸鹽的 領域： -«慢速》反應器（例如更改成脫碳酸鹽器的淨化器， 旦其不具有與傾瀉空間連通的混合室）；此反應器的特徵 $於通行速度很小（並因此相當壅塞），其停留時間受到 1373455 修正本 碳酸鈣沉澱的極慢運動所左右（在石灰或鹽混合於待處理 的水後的20至30小時之後未獲得周圍溫度下沉澱的平 衡）。供作參考，爲避免下游過濾器有發生大量水垢的危 險，一個此種反應器可達到的處理速度係每小時數公分 級。

-沉澱物再循環用反應器，其中於反應器的上游注入 在脫碳酸鹽的反應過程中產生的一部分碳酸鈣沉澱物，這 可促成待處理水的《佈核（ensemencement) »，係可觀加 速反應運動的做法：事實上於此情形下須考慮，脫碳酸鹽 的反應在與沉澱物接觸的時間的數分鐘內達到其平衡（2 至3分鐘絕對不夠）。此反應器具有區分非常清楚之二區 域：其一的容積有限且處於極紊亂狀態，可確保待處理水 與反應物（石灰或鹽）的接觸，另一確保水/沉澱物的隔離， 從而達到水的淨化。於此情形下，獲得每小時數米至數十 米的處理速度的顯著改善，據此，設備具有或不具有一薄 片狀隔離系統。

-最後，構成習知反應器的特殊例子，使用一堆沙石或 形式爲微粒的其他惰性礦物質的上述催化脫碳酸鹽裝置 適用於反應器的佈核（ensemencement)，沙粒逐漸爲碳 酸鈣所包圍，並於此後扮演核的角色，可加速（或催化） 脫碳酸鹽反應。由於事實上不具有於沉澱物再循環用反應 器情形中說明的反應帶，故與上述裝置相比，此傾瀉器較 小型；於此設備中處理速度可達到每小時70米，甚至於 較佳情形下達到每小時1 0 0米。獲得此種速度的性能限制 用於《重沉澱物》的反應器類型的應用，爲碳酸鈣所包圍的 -10· 1373455 修正本 沙粒完美地應用於此方面，不過，完全排除含有諸如氫氧 化鎂或有機沉澱塊的《輕》沉澱物的水的淨化。 «催化型》脫碳酸鹽設備 其與上述沉澱物再循環用裝置的不同主要在於系統性 使用大型的核。於習知裝置的沉澱物層，初級晶體的大小 爲1/100毫米級，而催化脫碳酸鹽劑的粒度（於英文中同 樣稱爲《片微粒反應劑》)正常在0.2與1 mm間且有時可達 到數毫米。

這導致容易重新聚合成濃縮塊，且於一錐形裝置中的 生水上升的滲濾可獲得完整的反應、沉澱物與極度減小的 裝置空間的適當隔離以及上升得極高的速度。 反應物及水同時以高速引入反應器內，俾使裝置底部 的微粒處於運動狀態，並防止其凝結成塊。 即便如此，微粒仍有無限制地變粗的傾向，原因在 於，應接水和反應物相者總是相同的微粒，並因此應系統 地淨化，定期再導入細微粒。

此系統提供二特殊優點，即其略微淤塞膠態溶液，以 及因此所伴生’於壓力下使用裝置的可能性。從而，可脫 碳酸鹽處理在壓力下的水，並亙封閉的過濾器排入迴路 中 〇 再說’於沉澱物再循環系統內萃取的極細（10至30 微米的微粒）碳酸鹽沉澱物爲粒徑1至2圓級的顆粒所取 代，其快速脫乾’並須不經補充處理地運送至經過同意的 垃圾場’或再度再使用來作爲石渣、路的築實底層、排水 溝的建材等。 -11· 1373455 修正本 相反地，此技術帶來某些不便，其中較重要者如次： 1 ·應留意監視由碳酸鈣獲得的沙粒的大小演變，因爲 ，若太粗，所有反應的表面即變得不充分，且反應變得不 完整。 2.裝置配合富含有機膠體的水以及鎂滴定大TH-TAC 的水運轉。事實上，於後者情形下，所沉澱的鎂不與CaC03 共結晶且限制傾瀉速度，不如此，本系統即不可行。

3 .裝置無法在流量大幅減少的限制下運轉（於正常情 形下以增加一倍變動），因爲，若流量減慢，塊體即停止 流體化，並且經察，形成選擇性通道，這意謂著會排出劣 質甚至凝結成結晶塊的水。 顯然，上述2及3標題所載諸多不便容易克服，因爲， 這與牽涉到待處理水及待開發水特性的深刻認識的問題 有關。所有這些面向均可且均應在安裝計劃的準備期間界 定。

相反地，沉澱的核增加控制所帶來的問題需要對催化 塊體的規則性監視，以及對由碳酸鈣所得沙《粗粒》的萃取 系統的有效槪念，還有起碼的控制及維修。 精確地說，本發明有關於後者的問題，且本案申請人 業已進行多數積極的硏究以及各種安裝工業的實驗，俾最 適化尺寸，並且精確使用催化式脫碳酸鹽系統。 【發明內容】 本發明目的在於可於一催化脫碳酸鹽裝置中，對具有 大於1 · 2 nim液壓直徑的碳酸鈣所包圍的沙粒進行規則性及 系統性的萃取。 -12- 1373455 修正本 於習知技術中，經由與反應器的底板上部的表面等高 通至此表面，彼此隔相同間距，並連接於外設排放通道的 撓性導管進行萃取’通往裝置外部的通道形成於底板表 面，穿越裝置的隔板’通至反應器的生水供給管。此態樣 顯得在確保《粗粒》的規則及有效排出上不適當，僅排放 最少量的尺寸較小的顆粒。

事實上，用於被包圍粗粒的萃取的撓性導管並不佔據 像反應器的底板那麼固定的位置，因此，儘管其具有朝位 於底板下面的外設排放通道方向傾斜的一般相位，卻能局 部地具有某些向頂點彎曲的部分，於較低部分則能沉澱並 堆積排放的顆粒，結果至少於部分相關導管發生局部淤 塞。

爲改善此不便，本發明目的在於提供一種含有重碳酸 鈣溶液的水之催化脫碳酸鹽裝置，此裝置包括：一反應 器，於其較低部分具有一橫向設置的底板；以加壓水暨脫 碳酸鹽反應物供給該反應器之裝置，其在底板的上部表 面；一諸如沙之惰性固體粒子層，其裝入反應器中底板上 面，俾使加壓水及反應物從下到上穿越它；至少一處理水 之排放裝置，其位於反應器之上方部分；以及爲具有至少 等於既定尺寸的直徑的碳酸鈣所包圍惰性粒子之排放通 道，且透過反應器的水排放，此通道經由與底板或側壁的 內面等高並且連接於位在低於底板平面的外部排放導管 的孔口，與底板等高地通入反應器內。 本裝置之特徵在於：此被包圍粒子之排放通道係剛性 通道，大小特殊，具有可自孔口通入反應器內的的水平上 -13. 1373455 修正本 游部分，然而呈一連續下降坡度以確保規則性排放顆粒， 無此通道淤塞之虞。 另一方面，本案申請人已確定被包圍惰性粒子之剛性 排放通道之關鍵參數係通道之直徑。爲獲得爲具有至少等 於1_2關直徑的碳酸鈣所包圍的惰性粒子，較佳地，剛性 通道應該具有40與60 mm間的直徑，更進一步，尤佳者係 在4 5與5 5 _間》

本案申請人所進行試驗顯示，事實上，通道的較小尺 寸表示剛性排放管的反覆淤塞，而較大直徑則於導管內排 放較粗粒子的沉澱物，鑒於粒子透過伴隨的水流的排除速 度不充分，前進的速度在每秒1.8與3米之間，較佳地在 每秒2與2.5米之間。 如以下指出，爲碳酸鈣所包圍粒子的排放通道可具有 —水平上游部分，不過，確須在此之後呈一連續坡度，此 坡度一直延伸至通道連接並構成捕集器的外管。可供應額 外的排放水於此捕集器內，俾便於轉送此等粒子》

較佳地，透過與底板等高的孔口通入反應器內的排放 通道行經大粒子淨化處。 通道的彎曲部分以具有至少等於其直徑的3倍的弧 形半徑較佳。 於各通道上有利地設置快速連接的配管，俾在不當淤 塞情形下，可進行高壓下的清淤，甚至於操作逆流沖洗。 可選擇地’能提供爲具有至少等於一既定値的液壓直 徑的碳酸鈣所包圍的惰性粒子排放之自動控制系統，此系 統按處理水於反應器中駐留的實際持續時間來計算。 -14- 1373455 修正本 要注意’所用脫碳酸鹽反應物可依需要爲石灰Ca (0H) 2或碳酸鈉NaOH。 各種特徵的使用可最佳化爲較粗碳酸鈣所包圍的粒子 的淨化’將伴隨的水的體積減至最小，使反應器的萃取物 減少約2 0 %，且，另一方面，相較於各淨化期間排出的塊 體全部，萃取更多的粗粒子。經察，事實上，根據本發明 之裝置’有70至85%的萃取粒子係《粗粒子》，而根據習 知技術，其比率不超過3 5至4 5 %。 【實施方式】 參考附圖說明本發明較佳使用形態於後。 首先，參考第1圖’其顯示一直立圓筒形反應器1 ， 以一管線2將加壓待處理水供至其較下方，含有重碳酸 鈣。管線2通入反應器1內橫向配置的底板3的下方，且 水在壓力下 > 經由與高於底板3的上方表面等高規則分佈 的配管4擴散於反應器內。 管線9可將碳酸鹽反應物（石灰或碳酸鈉）導入反應

在處理水經由複數外部細頸6大量溢出，排至反應器 的較高部分時，一設在底板3下方的沙層5由下往上經由 加壓水進行處理。 碳酸鈣與脫碳酸鹽反應物接觸，於待處理水內起發生 反應，轉變成碳酸鈣CaC03，沉積在沙粒上，其同樣構成 結晶的核心，不過，此反應主要發生在低於沙層5的部 分，於此處水最富含碳酸鈣及脫碳酸鹽反應物。 結果，沉積於沙層5底部的沙粒有構成爲沙層上方部 -15- 1373455 修正本 分的更多粗碳酸鈣所包圍的粒子的傾向，且其因此須進行 粒子的定期或連續淨化，達到或超過大於或等於一般爲 1.2 ππη級的既定値的直徑。 爲此目的，根據常用技術提供粗粒排放用撓性導管 7，此導管經由孔口通至與底板的上方表面等高處，此孔 口與此表面等高，且此導管連接於與底板3較低處等高的 捕集器8 ’於其內，粗粒經由來自反應器的伴隨水流排出。

然而，撓性導管7並不佔據像底板那麼固定的位置， 且其有在使用過程中移動或變形的傾向。另一方面，其無 朝下’向捕集器8傾斜的坡度，因此，導管7爲反應器的 粗粒子萃取物所淤塞的危險性很高。 此危險性藉顯示於第2圖之本發明反應器減至最低。 根據此第2圖，參考第1圖所說明或具有類似功能的 構件以帶有標誌的相同參考號碼標示。

於本發明實施形態中，先前技術的撓性排放導管7爲 剛性通道7 ' a所取代，佔據像底板V那麼固定的位置，並 以朝下，面向捕集器8，以不間斷的下降坡度的連續方式 傾斜，俾消除或減小通道淤塞的危險性。 在不逸出本發明範圍下，剛性排放通道亦可於側壁的 底部通入反應器內，並包括一水平上游部分，其軸心明顯 與對向反應器的內部的底板面等高（第2圖以7'b虛線表 示的通道例）。 其具有例如50 mm的特殊直徑，較佳地，彎曲部分具 有至少等於導管直徑的3倍的弧形的半徑，其相對於50 mm 的直徑爲1 5 cm。 -16- 1373455 修正本 於此種情形下，以粒子於通道內經由反應器的伴隨水 的萃取物排放的適當速度’其在1 · 8與3每秒米之間，較 佳地在2與2.5 m/s之間，大幅減少通道7'淤塞的危險性， 且如以上指出，不僅所需伴隨的水的體積減至最小，且根 據先前技術，可萃取比率更高的爲碳酸鈣所包圍的粗沙 粒。 【圖式簡單說明】 第1圖係先前技術之裝置之垂直剖視圖。 第2圖係本發明一裝置之類似剖視圖。 【主要元件符號說明】

1 ' 1 ! 反應器 2 管線 2， 供給裝置 3、3， 底板 4 配管 4， 供給裝置 5 沙層 5, 惰性固體層 6 外部細頸 6， 排放裝置 7 撓性導管 7'a 、 7’b 通道 8 捕集器 8， 外部排放導管 9 配管 9， 反應器 -17-

Claims (1)

1373455 修正本 第093 1 3W 54號P水之催化脫碳酸鹽裝置之改良』專利案 (201 1年1 〇月1 4日修正） 十、申請專利範圍： 1. 一種含有重碳酸鈣溶液的水之催化脫碳酸鹽裝置，此裝 置包括：一反應器（^)，於其較低部分具有一底板（3'); 至少以加壓水（2 '、4')暨脫碳酸鹽反應物（9供給該反應 器之裝置’其在底板的上部表面；一諸如沙之惰性固體 粒子層（5J’其裝入反應器（K)中底板（3J上面，俾使加 壓水及反應物從下到上穿越它；至少一處理水之排放裝 置（6')，其位於反應器（K)之上方部分；以及惰性粒子排 放通道（7'a、7'b)，此惰性粒子爲具有至少等於既定尺寸直徑 的碳酸鈣所包圍，且透過反應器的水排放，此通道（7、、 7'b)經由與底板（3')等高的孔口通入反應器內並且連接 位在低於底板平面的外部排放導管（8'); 該裝置之特徵在於：此被包圍粒子之排放通道（7'a、7'b) 係剛性通道，具有在40與60 nun之間的直徑，此通道呈 一連續下降坡度以確保規則性排放顆粒，使此通道無淤 塞之虞。 2. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中爲具有大於一既定 値的液壓直徑的碳酸鈣所包圍粒子的排放通道（7^、7'b)具 有在45與55 mm之間的直徑》 3 .如申請專利範圍第1或2項之裝置，其中通道（7'a、7'b)的彎 曲部分具有至少等於其直徑3倍的弧形的半徑。 4.—種如申請專利範圍第1至3項中任一項之裝置之用 途，其用來將具有至少等於1.2 mm液壓直徑的碳酸鈣所包 1373455 修正本 圍的惰性粒子排出反應器（1 ')外。 5_如申請專利範圍第4項之用途，其中爲碳酸鈣所包圍粒 子於通道（7'a、7'b)內經由伴隨水流排放的速度在1.8與 3每秒米之間。 6. 如申請專利範圍第4項之用途，其中爲碳酸鈣所包圍粒 子於通道（7 ' a、7 Ί))內經由伴隨水流排放的速度在2與2.5 米/秒之間。 7. 如申請專利範圍第4至6項中任一項之用途，其中脫碳 酸鹽的反應物包括石灰或碳酸鈉。 1373455 修正本 七、指定代表圖： (一) 本案指定代表圖為：第（2 )圖。 (二) 本代表圖之元件符號簡單說明： 1 r 反應器 2' 供給裝置 3 ' 底板 4 ' 供給裝置 5 ' 惰性同體層 6 ' 排放裝置

7’a, 7’b 通道 8 ' 外部排放導管 9 ^ 反應物 八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式：

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