TWI631081B - 用於製備包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水溶液之裝置 - Google Patents

用於製備包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水溶液之裝置 Download PDF

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Abstract

本發明係關於一種用於製備包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水溶液之裝置、該裝置用於製備包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水溶液的用途以及該裝置用於使水礦化及/或穩定化之用途。

Description

用於製備包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水溶液之裝置
本發明係關於一種用於製備包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水溶液之裝置、該裝置用於製備包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水溶液的用途以及該裝置用於使水礦化及/或穩定化之用途。
飲用水已變得稀缺。即使在水資源豐富的國家，並非所有水源及水庫均適合於生產飲用水，且現如今諸多水源受到了水質嚴重惡化的威脅。最初，用於飲用目的的給水主要為地表水與地下水。然而出於環境及經濟原因，處理海水、鹽水、半鹹水、廢水及經污染之排出水變得愈來愈重要。
自海水或半鹹水回收水以供飲用的若干裝置及方法已為人知，其對於乾旱區域、沿海地區及海島具有相當大的重要性，且該等裝置及方法通常包含蒸餾、電解以及滲透或逆滲透方法。由該等方法獲得的水極具軟性且由於缺少pH緩衝鹽而具有低pH值，且因此，往往為高反應性的，且除非加以處理，否則在其於習知管線中分配期間，其可產生嚴重腐蝕困難。此外，未經處理之淡化水不可直接用作飲用水水源。為了防止不 合需要的物質溶解於管線系統中，為了避免水工件(諸如管道及閥門)腐蝕且為了使水適口，需要增加水的礦物質含量及含鹼量。
主要用於使水礦化的習知方法及相應裝置為添加石灰及藉由二氧化碳部分碳酸化進行的溶解及石灰石床過濾，亦稱為方解石接觸器。其他不太常見的礦化方法包含例如添加水合石灰及碳酸鈉、添加硫酸鈣及碳酸氫鈉或添加氯化鈣及碳酸氫鈉。
石灰方法涉及用CO2酸化水處理石灰溶液，其中涉及以下反應：
如可自以上反應流程收集，需要兩當量之CO2將1當量之Ca(OH)2轉化成Ca2+及碳酸氫根離子用於礦化。此方法依賴於兩當量之CO2之添加，以便將鹼性氫氧離子轉化成緩衝物HCO3 -。對於水之礦化而言，以總重量計，0.1至0.2wt%飽和氫氧化鈣溶液(通常命名為石灰水)係由石灰乳(通常至多5wt%)製備。因此，必須使用飽和器來製造石灰水且需要大量石灰水以達成礦物質含量及含鹼量之目標水準。此方法之另一缺陷在於水合石灰為腐蝕性的且需要適當處理及特定設備。此外，由於石灰缺乏緩衝特性，向軟水添加水合石灰控制不佳的話可導致不希望之pH變化。
石灰石床過濾方法包含使軟水通過顆粒狀石灰石之床的步驟，該步驟使碳酸鈣溶解於水流中。根據以下使石灰石與CO2酸化水接觸以使水礦化：
不同於石灰方法，經化學算計量僅需要1當量CO2將1當量 CaCO3轉化成Ca2+及碳酸氫根離子用於礦化及鹼度增加。此外，石灰石並非腐蝕性的且由於CaCO3之緩衝特性，大的pH變化得到阻止。然而，隨著pH增加，反應減緩，為了確保足夠CaCO3得到溶解，必須投配額外CO2。隨後未反應之CO2經由汽提或用氫氧化鈉中和而移除。
使用石灰乳或石灰漿料使水礦化之方法及系統描述於US 7,374,694及EP 0 520 826中。US 5,914,046描述一種使用脈衝式石灰石床降低排出物中之酸性的方法。
US 7,771,599描述一種在淡化系統中使製程水礦化之方法。該方法經由氣體轉移膜使二氧化碳氣體與海水或淡化方法之濃縮液(鹽水)隔絕。其後經隔離之二氧化碳氣體用於製造可溶性碳酸氫鈣(Ca(HCO3)2)。WO 2012/020056 A1係針對一種使水礦化之方法，該方法包含提供給水及向該給水中注入氣態二氧化碳及漿料之步驟，其中該漿料包含微粉化之碳酸鈣。WO 2010/023742 A2描述一種用於藉由後加工(後處理)經由蒸餾或逆滲透淡化海水所獲得之淡化水來製造飲用水之方法及設備。該方法包括二氧化碳吸附方法，其向淡化水中過度供應二氧化碳以吸附二氧化碳；礦化方法，其使吸附有二氧化碳之淡化水通過石灰石過濾器(填充有石灰石以形成鈣離子及碳酸氫根離子)；二氧化碳排氣方法，向通過礦化方法之淡化水中供應空氣以伴隨空氣排出二氧化碳來獲得飲用水。WO 2012/113957 A1係關於一種用於再礦化流體之方法，其中最終濁度得到控制。該方法包括包含試劑投配、再礦化及過濾之步驟。EP 2565165 A1係關於一種使水礦化之方法，該方法包含以下步驟：提供給水；提供碳酸鈣水溶液，其中碳酸鈣水溶液包含經溶解之碳酸鈣及其反應種屬；且使給水與碳酸鈣水溶液合 併。EP 2623466 A1係關於一種用於製備包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水溶液之方法及其用途。所述方法可在包含配備有攪拌器之槽、至少一個過濾裝置及研磨裝置之反應器系統中進行。EP 2623467 A1係關於一種用於製備包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水溶液之方法及其用途。所述方法在包含配備有攪拌器之槽及至少一個過濾裝置的反應器系統中進行。EP 2623564 A1係關於一種用於純化礦物質、顏料及/或填料及/或製備沉澱鹼土金屬碳酸鹽及/或使水礦化之裝置，且關於此類裝置用於純化礦物質、顏料及/或填料及/或使水礦化及/或製備沉澱鹼土金屬碳酸鹽之用途。WO 2013/132399 A1係關於藉由在快速方法中將呈粉末形式之碳酸鹽混合至水中，在水中產生CO2但增加其濁度而進行的水礦化。隨後經由含有顆粒狀碳酸鹽之反應器遞送處理後的水，其中水中之CO2在緩慢方法中溶解額外碳酸鹽。反應器同時用以向水中添加其他礦物質以及鹼度，且藉由溶解殘餘粉末且過濾不可溶顆粒而自水當中移除渾濁。CN 102826689 A1係關於一種去鹽海水之處理後方法，該方法包含以下步驟：(1)向去鹽海水中添加CO2且充分混合；及(2)在礦化池中對已添加有CO2之去鹽海水進行礦化；在礦化池中配置碳酸鈣濾床；且使含有所添加之CO2的去鹽海水通過碳酸鈣濾床以與碳酸鈣充分接觸且反應。WO 2013/014026 A1係關於一種用於處理水之方法及碳酸鈣在此類方法中之用途。詳言之，其係關於一種用於使水再礦化之方法，該方法包含以下步驟：(a)提供二氧化碳濃度為至少20mg/l、較佳在25至100mg/l範圍內、且更佳在30至60mg/l範圍內之給水，(b)提供包含微粉化碳酸鈣之含水漿料，及(c)合併步驟(a)之給水與步驟(b)之含水漿料以便獲得再礦化水。WO 2014/187666 A1係關於一種 用於製備碳酸氫鈣溶液之多分批系統及此類多分批系統用於製備碳酸氫鈣溶液之用途。WO 2014/187613 A1係關於一種用於製備碳酸氫鈣溶液之裝置及此類裝置用於連續製備碳酸氫鈣溶液之用途以及此類裝置用於使水再礦化之用途。
US 2009/0101573 A1係關於一種廢水處理設備及方法、接收生物學處理後之水的礦物質混合槽、來自沉降槽的由生物處理產生之污泥及含有鈣等之礦物質污泥。礦物質泵使來自礦物質混合槽之污泥及處理後之水返回至原水槽。氣升泵在具有半厭氧區之再曝氣槽(reaeration tank)與去氮槽之間循環水處理。在再曝氣槽與去氮槽之間循環水處理期間，半厭氧區緩解微生物環境之變化且由此實現促進微生物繁殖所需之環境。即使當微生物經培養而達至其高濃度時，氣升泵仍准許以低能量消耗攪動。WO 2006/128730 A1描述一種方法，其用於在逆滲透(reverse osmosis；RO)系統中在給定方法條件下處理給定組成物之水性介質之進料流，該組成物包含經溶解的可能存在之水垢形成組分，提供滲透物流及包含可能存在之水垢形成組分的保留物(濃縮物)流，該等組分之濃度足夠高使得在不存在水垢抑制劑的情況下，在與該保留物接觸的RO系統之彼等部分中形成水垢，其中方法(a)連續監測保留物以偵測在該保留物中存在可能存在之水垢形成組分的顆粒，且持續記錄與該等顆粒之存在相關的保留物之一或多個物理參數的讀數；(b)將該記錄讀數與在相同方法條件下由同一組成物之水性介質獲得的保留物之該一或多個參數的量測值(該等值已憑經驗加以預定)進行連續比較；及(c)當一或多種參數之記錄讀數與該等預定量測值不同時，將一定量之水垢抑制劑添加至膜上游之RO系統中，該水垢抑 制劑之量已憑經驗預定以防止在該等條件下形成水垢。WO 98/46533 A1係關於一種純化水以移除天然有機物、顏色、渾濁、細菌、胞囊及卵囊、病毒、砷化合物及不可溶雜質中之至少一者的系統。該系統包含以下步驟：提供待純化之水體；將水體之pH控制在5至8範圍內；且將促凝劑添加至水體中以提供絮凝物。出於吸附天然有機物、顏色、渾濁及細菌中之至少一者以提供經處理之水的目的，水體中的絮凝物之濃度維持在1至6範圍內。其後，自水體移除經處理之水之第一部分及絮凝物。US 6,027,649 A係關於純化水以移除天然有機物、顏色、渾濁、細菌、胞囊及卵囊、病毒、砷化合物及不可溶雜質中之至少一者的系統。該系統包含以下步驟：提供待純化之水體；將水體之pH控制在5至8範圍內；且將促凝劑添加至水體中以提供絮凝物。出於吸附天然有機物、顏色、渾濁及細菌中之至少一者以提供經處理之水的目的，水體中的絮凝物之濃度維持在1至6範圍內。其後，自水體移除經處理之水之第一部分及絮凝物。將浸沒式半透膜提供於水體中以移除經處理之水之第二部分。膜之孔徑在0.02至1μm範圍內以提供由純化水組成之滲透物且提供含有絮凝物之保留物。藉由混合手段處理水體以使膜積垢降至最低且提供絮凝物在水體中的充分混合。US 2010/0224541 A1描述一種可均勻地且均一地產生細微氣泡的細微氣泡擴散管，即使當擴散管長度較長時，仍產生使用此類套管之細微氣泡擴散裝置及浸沒式膜分離設備。US 2013/0064741 A1係關於一種用於固定二氧化碳之系統。該系統包含用於自渣提取鹼金屬組分的第一反應器及用於經二氧化碳碳酸化所提取之鹼金屬組分的第二反應器。經由此系統，二氧化碳可以較為簡單且有成本效益的方式得到固定。
然而，先前技術中所述之裝置的不足之處在於水之礦化及/或穩定化，且尤其用於使水礦化的包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水溶液的製備顯示可改良之CO2效率及/或過多能量消耗。
鑒於前述內容，改良水之礦化及/或穩定化仍有待於技術人員關注。尤其期望提供一種用於製備包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水溶液之替代性或改良裝置，其可以較為高效、經濟及生態之方式製備，尤其使得裝置或其中所進行之方法的CO2消耗效率提高，且不存在裝置及相應方法之過多能量消耗。
因此，本發明之目標在於提供一種用於製備包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水溶液之裝置。亦可見另一目標在於提供一種用於製備包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水溶液之裝置，該裝置會增加裝置或其中所進行之方法的CO2消耗效率。可見另一目標在於提供一種用於製備包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水溶液之裝置，該裝置使得裝置及相應方法之總能量消耗有所降低。可見另一目標在於提供一種用於製備包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水溶液之裝置，其中污泥產量相較於先前技術之典型石灰系統有所下降。
一或多種前述及其他問題係藉由如本文在獨立請求項中所定義之標的來解決。本發明之有利具體實例定義於對應附屬項中。
本發明之第一態樣係關於一種用於製備包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水溶液之裝置。該裝置包含a)提供水之製程流管線(process flow line)， b)至少一個投配單元，其適合於將含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料投配至製程流管線中所提供的水之至少一部分中，以獲得包含含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料的水性懸浮液，c)至少一個構件，其適合於將CO2或pKa值<5之酸投配至製程流管線中所提供的水之至少一部分或包含含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料的水性懸浮液中，以獲得包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水性懸浮液S1，及d)藉由入口連接至至少一個製程流管線之容器，其中該容器i)經配置使得至少一個浸沒式膜模組位於容器中以藉由使水性懸浮液S1通過該至少一個浸沒式膜模組來過濾水性懸浮液S1之至少一部分，以便獲得包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水溶液S2，及ii)包含至少一個出口，其用於自容器釋放包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水溶液S2。
根據本發明之另一態樣，提供如本文中所定義之裝置用於製備包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水溶液的用途。
根據本發明之另一態樣，提供如本文中所定義之裝置用於使水礦化及/或穩定化之用途。
1‧‧‧反應槽
2‧‧‧浸沒式膜(模組)
3‧‧‧產物儲槽
4‧‧‧二氧化碳注射
5‧‧‧再循環空氣
6‧‧‧再循環空氣壓力量測
7‧‧‧反應槽壓力量測
8‧‧‧水溶液壓力量測
9‧‧‧水溶液S2
10‧‧‧水溶液流量量測
11‧‧‧反應槽液位量測
12‧‧‧水溶液濁度量測
13‧‧‧碳酸鈣儲存容器
14‧‧‧製備碳酸鈣懸浮液之容器
15‧‧‧側製程流管線供應水至製程
15a‧‧‧側製程流管線之主分支
15b‧‧‧側製程流管線之側分支
16‧‧‧微粉化碳酸鈣懸浮液
17‧‧‧主製程流管線
17a‧‧‧主製程流管線之主分支
17b‧‧‧主製程流管線之側分支
18‧‧‧摻合水流之pH之量測
19‧‧‧摻合水流之電導率之量測
20‧‧‧Ca(OH)2儲槽
21‧‧‧Ca(OH)2投配製程流線
22‧‧‧最終水流之pH量測
23‧‧‧最終水流之電導率量測
24‧‧‧最終經處理之水流
25‧‧‧碳酸鈣投配螺桿進料器
圖1係關於適合於進行根據本發明之一般方法的裝置。
圖2係關於適合於進行根據本發明之礦化方法的裝置。
圖3係關於適合於進行根據本發明之礦化及pH調整方法的裝置。
圖4係關於僅包含主製程流管線(17)且其中用於投配碳酸鈣之投配 單元連接至包含浸沒式膜模組(2)之容器(1)的裝置之示意性圖解。
圖5係關於僅包含主製程流管線(17)且其中投配單元經配置使得碳酸鈣直接投配至主製程流管線(17)中的裝置之示意性圖解。
圖6係關於僅包含主製程流管線(17)且其中用於投配碳酸鈣之投配單元連接至用於製備碳酸鈣懸浮液之容器(14)的裝置之示意性圖解。
圖7係關於包含主製程流管線之主分支(17a)及主製程流管線之一個側分支(17b)的裝置之示意性圖解，其中用於投配碳酸鈣之投配單元連接至位於主製程流管線之側分支(17b)中的用於製備碳酸鈣懸浮液之容器(14)。
圖8係關於包含主製程流管線之主分支(17a)及主製程流管線之一個側分支(17b)的裝置之示意性圖解，其中投配單元經配置使得碳酸鈣直接投配至主製程流管線之側分支(17b)中。
圖9係關於包含主製程流管線(17)及側製程流管線(15)的裝置之示意性圖解，其中用於投配碳酸鈣之投配單元連接至位於側製程流管線(15)中的包含浸沒式膜模組(2)之容器(1)。
圖10係關於包含主製程流管線(17)及側製程流管線(15)的裝置之示意性圖解，其中包含浸沒式膜模組(2)之容器(1)位於側製程流管線(15)中，且投配單元經配置使得碳酸鈣直接投配至側製程流管線(15)中。
圖11係關於包含主製程流管線(17)及側製程流管線(15)的裝置之示意性圖解，其中包含浸沒式膜模組(2)及再循環空氣(5)之容器(1)位於側製程流管線(15)中，且用於投配碳酸鈣之投配單元連接至位於側製程流管線(15)中的用於製備碳酸鈣懸浮液之容器(14)。圖解進一步顯 示用於Ca(OH)2投配(21)之鹼投配構件。
圖12係關於包含主製程流管線(17)、側製程流管線之主分支(15a)及側製程流管線之側分支(15b)的裝置之示意性圖解，其中用於投配碳酸鈣之投配單元連接至位於側製程流管線之側分支(15b)中的用於製備碳酸鈣懸浮液之容器(14)。圖解進一步顯示位於側製程流管線之主分支(15a)中的包含浸沒式膜模組(2)及再循環空氣(5)之容器(1)及用於Ca(OH)2投配(21)之鹼投配構件。
圖13係關於包含主製程流管線(17)、側製程流管線之主分支(15a)及側製程流管線之側分支(15b)的裝置之示意性圖解，其中投配單元經配置使得碳酸鈣直接投配至側製程流管線之側分支(15b)中。圖解進一步顯示位於側製程流管線之主分支(15a)中的包含浸沒式膜模組(2)及再循環空氣(5)之容器(1)及用於Ca(OH)2投配(21)之鹼投配構件。
根據本發明裝置之一個具體實例，至少一個投配單元i)連接至用於固體材料之儲存容器，及/或ii)經配置使得含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料直接投配至製程流管線中所提供之水中，或iii)連接至適合於製備包含含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料的水性懸浮液之容器，其中該容器藉由入口連接至製程流管線以引入該製程流管線中所提供之水，且藉由出口連接至製程流管線以用於釋放包含含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料的水性懸浮液，或iv)連接至容器。
根據本發明裝置之另一具體實例，容器為反應槽，較佳密封反應槽。
根據本發明裝置之又一具體實例，容器包含再循環構件，其經配置使得空氣或製程流體(process fluid)跨越至少一個浸沒式膜模組之表面的至少一部分自該至少一個浸沒式膜模組及/或容器之底部向頂部方向再循環。
根據本發明裝置之一個具體實例，至少一個構件c)係i)經配置使得CO2或pKa值<5之酸直接投配至製程流管線中所提供之水中，或ii)連接至適合於製備包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水性懸浮液S1的容器，其中該容器藉由入口連接至製程流管線以引入該製程流管線中所提供之水，且藉由出口連接至製程流管線以用於釋放包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水性懸浮液S1，或iii)連接至容器，較佳連接至再循環構件，該等再循環構件適合於使空氣或製程流體跨越至少一個浸沒式膜模組之表面的至少一部分自該至少一個浸沒式膜模組及/或容器之底部向頂部方向再循環。
根據本發明裝置之另一具體實例，其中至少一個浸沒式膜模組a)孔徑<1μm，且更佳<0.1μm，例如0.04至0.9μm，諸如約0.04μm或0.08μm，及/或b)通量10 l/(m2h)、較佳在50至150 l/(m2h)範圍內、且最佳在80至150 l/(m2h)範圍內，及/或c)具有陶瓷、聚合物或其他合成材料。
根據本發明裝置之又一具體實例，至少一個製程流管線包含一或多個主製程流管線。
根據本發明裝置之一個具體實例，至少一個製程流管線包含兩個主製程流管線，較佳包含主製程流管線之主分支及主製程流管線之側分支。
根據本發明裝置之另一具體實例，至少一個投配單元位於主製程流管線之側分支中。
根據本發明裝置之又一具體實例，主製程流管線之主分支及主製程流管線之側分支經配置使得其在容器上游合併在一起。
根據本發明裝置之一個具體實例，至少一個製程流管線包含一個主製程流管線及一或多個側製程流管線，較佳包含一個主製程流管線及一或兩個側製程流管線。
根據本發明裝置之另一具體實例，至少一個製程流管線包含一個主製程流管線及兩個側製程流管線，較佳包含側製程流管線之主分支及側製程流管線之側分支。
根據本發明裝置之又一具體實例，至少一個投配單元位於側製程流管線，或若存在，則位於側製程流管線之側分支中。
根據本發明裝置之一個具體實例，側製程流管線之主分支及側製程流管線之側分支經配置使得其在容器上游合併在一起。
根據本發明裝置之另一具體實例，主製程流管線及側製程流管線經配置使得其在容器下游合併在一起。
根據本發明裝置之又一具體實例，裝置包含容器下游之鹼投配構件，其用於將鹼引入至包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水溶液S2中。
根據本發明裝置之一個具體實例，裝置包含鹼投配構件，其用於將鹼引入至側製程流管線及主製程流管線合併在一起處之下游的主製程流管線中，較佳用於將鹼引入至包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水溶液S2與主製程流管線中之水的混合物中。
應理解，出於本發明之目的，以下術語具有以下含義。
術語「含鹼土金屬碳酸鹽之材料(earth alkali carbonate-comprising material)」可指按含鹼土金屬碳酸鹽之材料的總乾重計，包含至少50.0wt%鹼土金屬碳酸鹽的材料。
在本發明之含義中，「含碳酸鈣材料(calcium carbonate-comprising material)」係指為碳酸鈣來源且較佳選自經研磨碳酸鈣、沉澱碳酸鈣、表面反應碳酸鈣、白雲石及其混合物之材料。
如本發明中所用，術語「礦化(mineralization)」係指提高根本不含礦物質或鹼度或礦物質或鹼度量不足之水中的基本礦物質離子及鹼度，使得水適口。可藉由僅向待處理之水至少添加特定鹼土金屬碳酸鹽(諸如碳酸鈣)作為原料來達成礦化。視情況而言，例如對於確保適當攝入一些基本礦物質及微量元素的健康相關益處，其他物質(諸如鎂鹽)可混合至鹼土金屬碳酸鹽(諸如碳酸鈣)中或與鹼土金屬碳酸鹽(諸如碳酸鈣)混合，且隨後在礦化方法期間添加至水中。根據關於人類健康狀況及飲用水質之國家指導原則，礦化後的產物可包含選自包含以下之群的額外礦物質：鉀或鈉、硫酸鎂、碳酸氫鉀、碳酸氫鈉或含有基本微量元素的其他礦物質及其混合物。較佳地，礦化後的產物包含選自包含以下之群的額外礦物質：硫酸鎂、碳酸氫鉀、碳酸氫鈉及其混合物。
如本發明中所用，術語「穩定化(stabilization)」係指提高礦物質含量及鹼度，以中和或移除剩餘「侵蝕性(aggressive)」二氧化碳及/或提高pH，達成穩定且平衡的最終水質。穩定化較佳藉由汽提侵蝕性二氧化碳，向藉由本發明裝置獲得之礦化水中添加鹼或其兩者之組合來達成。
在本發明之含義中，表述「CO2效率(CO2 efficiency)」係指裝置中所進行的方法中之CO2(最初處於製程流管線中所提供之給水中的CO2及經至少一個構件c)提供之額外CO2)(以mmol/l為單位量測)與轉化成鹼土金屬碳酸氫鹽的鹼土金屬碳酸鹽(經至少一個投配構件提供)之量(以mmol/l為單位量測)之比，其作為鹼土金屬碳酸鹽自製程流管線中所提供之給水至本發明裝置之容器中所產生的水溶液S2之增加量。
在本發明之含義中，表述「酸化(acidified)」或「酸(acid)」係指布忍斯特-洛瑞理論(Brnsted-Lowry theory)，且因此係指H3O+離子提供者。此外，酸之pH值可>7，諸如在>7至7.5範圍內，只要適合之相應鹼可用於接受如由該酸所供給之H3O+離子即可。
出於本申請案之目的，「pKa值(pKa-value)」表示與給定酸中之給定的可電離氫相關聯之酸解離常數，且指示在給定溫度下在平衡下在水中此氫自此酸之自然解離程度。該等pKa值可見於諸如以下之參考書中：Harris,D.C.「Quantitative Chemical Analysis：第3版」，1991,W.H.Freeman & Co.(USA),ISBN 0-7167-2170-8。可根據技術人員已為所熟知的先前技術之方法測定pKa值。酸之pKa值視溫度而定，除非另外明確說明，否則根據本發明之pKa值參照25℃之溫度。
在本發明之含義中，術語「下游(downstream)」係指裝置之另一單元後的接續位置。
在本發明之含義中，術語「上游」係指裝置之另一單元前的先前位置。
若本發明說明書及申請專利範圍中使用術語「包含 (comprising)」，其不排除其他要素。出於本發明之目，術語「由……組成(consisting of)」視為術語「包含(comprising of)」之較佳具體實例。若在下文中將群組界定為包含至少一定數目之具體實例，則此亦理解為揭示較佳僅由此等具體實例組成之群組。
除非另外明確說明，否則當參考單數名詞使用不定冠詞或定冠詞，例如「一(a/an)」或「該(the)」時，此包括該名詞之複數。
如「可獲得(obtainable)」或「可定義(definable)」及「獲得(obtained)」或「定義(defined)」之術語可互換使用。此例如意謂除非上下文明確規定，否則術語「獲得」不意謂指示例如必須藉由例如術語「獲得」之後之步驟順序獲得之具體實例，雖然術語「獲得」或「定義」始終包括此類限制理解作為較佳具體實例。
本發明之本發明人出人意料地發現，此類裝置使得技術人員能夠製備出包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水溶液。本發明之本發明人進一步出人意料地發現，此類裝置會增加裝置或其中所進行之方法的CO2消耗效率。此外，此類裝置使得裝置及相應方法之總能量消耗有所降低。此外，此類裝置使得污泥產量，尤其相較於先前技術之典型石灰系統有所降低。
在下文中，將較詳細地描述用於製備包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水溶液的本發明裝置之詳情及較佳具體實例。應理解，就可適用性而言，此等技術詳情及具體實例亦適用於本發明用途。
因此，本發明提供一種用於製備包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水溶液之裝置，該裝置包含 a)提供水之製程流管線，b)至少一個投配單元，其適合於將含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料投配至製程流管線中所提供的水之至少一部分中，以獲得包含含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料的水性懸浮液，c)至少一個構件，其適合於將CO2或pKa值<5之酸投配至製程流管線中所提供的水之至少一部分或包含含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料的水性懸浮液中，以獲得包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水性懸浮液S1，及d)藉由入口連接至至少一個製程流管線之容器，其中該容器i)經配置使得至少一個浸沒式膜模組位於容器中以藉由使水性懸浮液S1通過該至少一個浸沒式膜模組來過濾水性懸浮液S1之至少一部分，以便獲得包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水溶液S2，及ii)包含至少一個出口，其用於自容器釋放包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水溶液S2。
本發明之裝置適用於用於製備包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水溶液的任何方法。舉例而言，裝置適用於製備包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水溶液，其適合於使水礦化及/或穩定化。
術語「水性(aqueous)」溶液係指其中水性溶劑包含水，較佳由水組成之系統。然而，該術語不排除水性溶劑包含少量至少一種選自包含以下之群的水可混溶性有機溶劑：甲醇、乙醇、丙酮、乙腈、四氫呋喃及其混合物。較佳地，以水性溶劑之總重量計，水性溶劑包含呈至少80.0wt%、較佳至少90.0wt%、更佳至少95.0wt%、甚至更佳至少99.0wt%之量的水。舉例而言，水性溶劑由水組成。
在本發明之含義中，術語水性「溶液(solution)」係指包含水性溶劑及鹼土金屬碳酸鹽及/或鹼土金屬碳酸氫鹽顆粒的系統，其中該等鹼土金屬碳酸鹽及/或鹼土金屬碳酸氫鹽顆粒溶解於水性溶劑中。在本發明之含義中，術語「溶解(dissolved)」係指其中在水性溶劑中觀察不到分散的固體顆粒之系統。
在本發明之含義中，術語「至少一種(at least one)」鹼土金屬碳酸氫鹽意謂鹼土金屬碳酸氫鹽包含一或多種鹼土金屬碳酸氫鹽，較佳由一或多種鹼土金屬碳酸氫鹽組成。
在本發明之一個具體實例中，至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽包含一種鹼土金屬碳酸氫鹽，較佳由一種鹼土金屬碳酸氫鹽組成。或者，至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽包含兩種或大於兩種鹼土金屬碳酸氫鹽，較佳由兩種或大於兩種鹼土金屬碳酸氫鹽組成。舉例而言，至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽包含兩種鹼土金屬碳酸氫鹽，較佳由兩種鹼土金屬碳酸氫鹽組成。
較佳地，至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽包含一種鹼土金屬碳酸氫鹽，更佳由一種鹼土金屬碳酸氫鹽組成。
在本發明之一個具體實例中，至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽選自由以下組成之群：碳酸氫鈣、碳酸氫鎂及其混合物。較佳地，至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽包含碳酸氫鈣，較佳由碳酸氫鈣組成。
a)：提供水之製程流管線
根據本發明裝置之a)，裝置包含提供水之製程流管線。
應瞭解，製程流管線較佳由套管、管道及適合於使裝置之其他單元(例如至少一個投配單元、至少一個構件c)及容器)彼此耦合的其 他該等製品來形成，使得在單元之間達成流體連通，亦即諸如懸浮液之流體自本發明裝置之一個單元至另一單元的流動。製程流管線可為任何種類之套管、管道及技術人員已知的且通常用於耦合單元之其他該等製品。
製程流管線中所提供的水可源自多種來源且可選自蒸餾水、自來水、工業水、淡化水(諸如淡化海水)、半鹹水、經處理廢水、經反滲透處理之水或天然軟水(諸如地下水、地表水或降雨)。其亦可含有介於10與2000mg/l之間的NaCl。較佳地，製程流管線中所提供的水為淡化水，例如，由淡化方法獲得的滲透液或餾出液。
在本發明裝置之一個具體實例中，製程流管線中所提供之水為待礦化之水。換言之，製程流管線中所提供之水為根本不含有礦物質或鹼度或礦物質量或含鹼量不足之水。
製程流管線中所提供之水可進行預處理。例如在水源自地表水、地下水或雨水之情況下，預處理可為必需的。舉例而言，為了達成飲用水指導原則，需要經由使用化學或物理技術對水加以處理以移除諸如有機物之污染物及不合需要之礦物質。舉例而言，臭氧化可用作第一預處理步驟，隨後進行凝聚、絮凝或傾析作為第二處理步驟。舉例而言，可使用諸如FeClSO4或FeCl3之鐵(III)鹽或諸如AlCl3、Al2(SO4)3或聚鋁之鋁鹽作為絮凝劑。絮凝物質可例如藉助於砂濾器或多層過濾器自水移除。可用於預處理水之其他水純化方法描述於例如EP 1 975 310、EP 1 982 759、EP 1 974 807或EP 1 974 806中。
若在製程流管線中提供海水或半鹹水，則首先藉由外海入口或地表下入口(諸如井)將海水或半鹹水泵取出海，且隨後對其進行物理 預處理，諸如篩分、沉降或砂移除方法。視要求的水質而定，為了減少膜上之可能性積垢，諸如凝聚及絮凝之另外的處理步驟可為必要的。經預處理之海水或半鹹水可隨後例如使用多級閃蒸、多效蒸餾或諸如奈米過濾或逆滲透之膜過濾進行蒸餾以移除剩餘微粒及溶解的物質。
應注意，製程流管線中所提供之水較佳提供於一個主製程流管線(17)及一或多個側製程流管線(15)中。
換言之，製程流管線中所提供之水的一部分提供於主製程流管線(17)中，且水之其餘部分提供於一或多個側製程流管線(15)中。因此，主製程流管線(17)及一或多個側製程流管線(15)彼此連接，較佳其中主製程流管線(17)藉由其入口及出口與一或多個側製程流管線(15)連接。
製程流管線較佳包含一個主製程流管線(17)及一或多個側製程流管線(15)。更佳地，至少一個製程流管線包含一個主製程流管線(17)及一或兩個側製程流管線(15)。舉例而言，至少一個製程流管線包含一個主製程流管線(17)及一個側製程流管線(15)。
若主製程流管線(17)及一或多個側製程流管線(15)在容器，較佳反應槽(1)中獲得水溶液S2之後合併在一起，則製程流管線視為側製程流管線(15)。
因此，主製程流管線(17)及側製程流管線(15)較佳經配置使得其在容器下游合併在一起。
若製程流管線包含兩個或大於兩個側製程流管線(15)，則該等兩個或大於兩個側製程流管線(15)可包含側製程流管線之主分支(15a) 及側製程流管線之一或多個側分支(15b)。舉例而言，兩個側製程流管線(15)包含側製程流管線之主分支(15a)及側製程流管線之側分支(15b)。
應瞭解，兩個或大於兩個側製程流管線(15)可分支成側製程流管線之側分支(15b)，其提供用於製備包含含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料的水性懸浮液或水性懸浮液S1之水；及側製程流管線(15a)之主分支，其提供用於稀釋包含含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料的水性懸浮液或側製程流管線之側分支(15b)中所製備的水性懸浮液S1的水。換言之，側製程流管線之側分支(15b)為水性含鹼土金屬碳酸鹽之材料懸浮液或水性懸浮液S1提供水，而側製程流管線之主分支(15a)將水直接提供於容器，較佳反應槽(1)中。
因此，若在水性含鹼土金屬碳酸鹽之材料懸浮液或水性懸浮液S1導引至容器，較佳反應槽(1)中之前將側製程流管線之主分支(15a)及一或多個側分支合併在一起，則側分支視為側製程流管線之側分支(15b)。換言之，在側製程流管線之側分支(15b)中製備水性含鹼土金屬碳酸鹽之材料懸浮液或水性懸浮液S1，且隨後導引至側製程流管線之主分支(15a)中，例如用於稀釋水性含鹼土金屬碳酸鹽之材料懸浮液或水性懸浮液S1，且隨後經由側製程流管線之主分支(15a)將稀釋後的水性含鹼土金屬碳酸鹽之材料懸浮液或水性懸浮液S1導引至容器，較佳反應槽(1)中。
因此，側製程流管線之主分支(15a)及側製程流管線之側分支(15b)較佳經配置使得其在容器上游合併在一起。
或者，至少一個製程流管線中所提供之水僅提供於主製程流 管線(17)中。換言之，此裝置不包含至少一個側製程流管線。因此，在一個具體實例中，製程流管線包含一或多個主製程流管線(17)。較佳地，製程流管線由一或多個主製程流管線(17)組成。
在一個具體實例中，製程流管線包含兩個或大於兩個主製程流管線(17)。較佳地，主製程流管線(17)可包含主製程流管線之主分支(17a)及主製程流管線之一或多個側分支(17b)。
舉例而言，兩個主製程流管線(17)包含主製程流管線之主分支(17a)及主製程流管線之側分支(17b)。
應瞭解，製程流管線(17)可分支成主製程流管線之側分支(17b)，其提供用於製備水性含鹼土金屬碳酸鹽之材料懸浮液或水性懸浮液S1之水；及主製程流管線之主分支(17a)，其提供用於稀釋主製程流管線之側分支(17b)中所製備的水性含鹼土金屬碳酸鹽之材料懸浮液或水性懸浮液S1。換言之，主製程流管線之側分支(17b)為水性含鹼土金屬碳酸鹽之材料懸浮液或水性懸浮液S1提供水，而主製程流管線之主分支(17a)將水直接提供於容器，較佳反應槽(1)中。
應注意，若在水性含鹼土金屬碳酸鹽之材料懸浮液或水性懸浮液S1導引至容器，較佳反應槽(1)中之前將主製程流管線之主分支(17a)及一或多個側分支合併在一起，則側分支視為主製程流管線之側分支(17b)。換言之，在主製程流管線之側分支(17b)中製備水性含鹼土金屬碳酸鹽之材料懸浮液或水性懸浮液S1，且隨後導引至主製程流管線之主分支(17a)中，例如用於稀釋水性含鹼土金屬碳酸鹽之材料懸浮液或水性懸浮液S1，且隨後經由主製程流管線之主分支(17a)將稀釋後的水性含鹼土 金屬碳酸鹽之材料懸浮液或水性懸浮液S1導引至容器，較佳反應槽(1)中。
因此，主製程流管線之主分支(17a)及主製程流管線之側分支(17b)較佳經配置使得其在容器上游合併在一起。
b)：用於含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料的投配單元
根據本發明裝置之b)，裝置包含至少一個投配單元(25)，其適合於將含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料投配至製程流管線中所提供的水之至少一部分中，以獲得包含含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料的水性懸浮液。
在本發明之含義中，術語「至少一個(at least one)」投配單元意謂裝置包含一或多個投配單元。舉例而言，裝置包含一或兩個，更佳一個投配單元。
至少一個投配單元可為技術人員已知的且通常用於將含鹼土金屬碳酸鹽之材料投配至水流中或直接投配至槽中的任何種類之投配單元。
至少一個投配單元經配置用於將含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料投配至製程流管線中所提供的水之至少一部分中。含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料較佳包含一種或兩種(例如一種)含鹼土金屬碳酸鹽之材料，更佳由一種或兩種(例如一種)含鹼土金屬碳酸鹽之材料組成。舉例而言，至少一個投配單元經配置用於將包含含碳酸鈣之材料，更佳由含碳酸鈣之材料組成的含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料投配至製程流管線中所提供的水之至少一部分中。
根據一個具體實例，含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料，較佳含碳酸鈣之材料係選自由沉澱碳酸鈣、改性碳酸鈣、研磨碳酸鈣及其混合物組成之群。較佳地，至少一個投配單元經配置用於將研磨碳酸鈣投配至製程流管線中所提供的水之至少一部分中。
在本發明之含義中，「研磨碳酸鈣(Ground calcium carbonate；GCC)」為由包括大理石、白堊或石灰石之天然來源獲得之碳酸鈣，且經由諸如研磨、篩分及/或分裂(藉由濕式及/或乾式，例如藉由旋風器)之處理加以處理。
在本發明之含義中，「沉澱碳酸鈣(Precipitated calcium carbonate；PCC)」為合成物質，其一般藉由在二氧化碳與石灰在水性環境中反應之後沉澱或藉由鈣及碳酸根離子源沉澱於水中或藉由鈣及碳酸根離子(例如，CaCl2及Na2CO3)沉澱出溶液獲得。沉澱碳酸鈣以三種主要結晶形式存在：方解石、文石及六方方解石，且此等結晶形式中之每一者存在許多不同多晶型物(晶體慣態)。方解石具有三方結構，其典型晶體慣態為諸如偏三角面體(S-PCC)、菱面體(R-PCC)、六方稜柱形、軸面體、膠體(C-PCC)、立方體及稜柱形(P-PCC)。文石為斜方晶結構，其典型晶體慣態為雙晶六方稜柱形晶體，以及不同類別之細長稜柱形、彎曲葉片狀、陡錐狀、鏨子狀晶體，分枝樹狀及珊瑚或蠕蟲樣形式。
在本發明之含義中，「經改質碳酸鈣(Modified calcium carbonate)」為表面反應之天然碳酸鈣，其藉由以下方法獲得：其中使天然碳酸鈣與一或多種在25℃下pKa為2.5或小於2.5之H3O+離子供者，且與原位形成及/或來自外部供應之氣態CO2反應，且視情況在至少一種矽酸鋁及/ 或至少一種合成二氧化矽及/或至少一種矽酸鈣及/或至少一種矽酸鹽之單價鹽(諸如矽酸鈉及/或矽酸鉀及/或矽酸鋰)及/或至少一種氫氧化鋁及/或至少一種矽酸鈉及/或矽酸鉀存在下。關於表面反應之天然碳酸鈣的製備之其他細節揭示於WO 00/39222、WO 2004/083316及US 2004/0020410 A1中，此等參考案之內容特此包括於本發明專利申請案中。
含鹼土金屬碳酸鹽之材料，較佳含碳酸鈣之材料較佳為研磨碳酸鈣(GCC)。
舉例而言，含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料，較佳含碳酸鈣材料選自包含以下之群：大理石、石灰石、白堊、半燒石灰、燒石灰、白雲質石灰石、鈣質白雲石、半燒白雲石、燒白雲石及沉澱鹼土金屬碳酸鹽，諸如沉澱碳酸鈣，例如具有方解石、文石及/或六方方解石礦物質晶體結構之沉澱碳酸鈣，例如來自藉由添加Ca(OH)2之水去硬化的沉澱碳酸鈣。使用大理石、石灰石及/或白堊為較佳的，因為其為天然存在之礦物質且藉由使用用此等天然存在之礦物質產生的包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽的澄清水溶液，最終飲用水質之濁度會得到保證。天然大理石沉積物大多含有酸不可溶性矽酸鹽雜質。然而，就濁度而言，當使用藉由本發明方法製備之產物時，該等酸不可溶性(有時有色)矽酸鹽不會影響最終水質。
因此，至少一個投配單元經配置用於將選自由大理石、石灰石、白堊及其混合物組成之群的研磨碳酸鈣(GCC)投配至製程流管線中所提供的水之至少一部分中。
根據本發明之一個具體實例，以含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料的總乾重計，至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料包含呈40.0wt%、較 佳90.0wt%、更佳95.0wt%且最佳97.0wt%之量的由鹼土金屬碳酸鹽組成之顆粒，較佳由呈40.0wt%、較佳90.0wt%、更佳95.0wt%且最佳97.0wt%之量的由鹼土金屬碳酸鹽組成之顆粒組成。
舉例而言，以含至少一種碳酸鈣之材料的總乾重計，含至少一種碳酸鈣之材料包含呈40.0wt%、較佳90.0wt%、更佳95.0wt%且最佳97.0wt%之量的由碳酸鈣組成之顆粒，較佳由呈40.0wt%、較佳90.0wt%、更佳95.0wt%且最佳97.0wt%之量的由碳酸鈣組成之顆粒組成。
更佳地，至少一個投配單元經配置用於將含微粉化鹼土金屬碳酸鹽之材料，較佳含碳酸鈣材料投配至製程流管線中所提供的水之至少一部分中。
出於本發明之目的，術語「微粉化(micronized)」係指微米範圍內之粒徑，例如，0.1至50.0μm之粒徑。微粉化顆粒可藉由基於摩擦及/或衝擊之技術，例如，在濕式或乾式條件下碾磨或研磨來獲得。然而，亦可藉由任何其他適合方法，例如藉由沉澱、超臨界溶液之快速膨脹、噴霧乾燥、天然存在之砂粒或泥漿之分級或分餾、水過濾、溶膠-凝膠方法、噴霧反應合成、火焰合成或液體泡沫合成來產生微粉化顆粒。
舉例而言，含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料，較佳含碳酸鈣材料之重量中值粒徑d 50為0.1至50.0μm、較佳0.2至25.0μm、更佳0.3至10.0μm且最佳0.5至5.0μm。
在整個本發明文檔中，含鹼土金屬碳酸鹽之材料及其他材料之「粒徑(particle size)」由其粒徑分佈來描述。
本文中，值d x 表示關於顆粒中之x重量%的直徑小於d x 的直 徑。此意謂例如d 20值為如下粒徑，在該粒徑下所有顆粒中之20wt%小於彼粒徑。d 50值因此為重量中值粒徑，亦即所有顆粒中之50wt%大於此粒徑且其餘50wt%小於此粒徑。出於本發明之目的，除非另外指出，否則將粒徑規定為重量中值粒徑d 50。d 98值為如下粒徑，在該粒徑下所有顆粒中之98wt%小於彼粒徑。粒徑藉由使用Micromeritics Instrument公司之SedigraphTM 5100或5120儀器來測定。方法及儀器已為技術人員所知且常用於測定填料及顏料之粒徑。在0.1wt% Na4P2O7之水溶液中進行量測。使用高速攪拌器分散樣品且加以音波處理。
在本發明之一個具體實例中，藉由使用BET等溫線之氮氣吸附(ISO 9277：2010)量測，含鹼土金屬碳酸鹽之材料，較佳含碳酸鈣材料之BET比表面積為0.01至200.0m2/g，且較佳1.0至100.0m2/g。
另外地或可替代地，以含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料，較佳含碳酸鈣材料之總重量計，含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料，較佳含碳酸鈣材料可包含0.02至50.0wt%、0.03至25.0wt%或0.05至10.0wt%的HCl不可溶內含物。較佳地，以碳酸鈣之總重量計，含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料的HCl不可溶內含物不超過1.0wt%。HCl不可溶內含物可例如為礦物質，諸如石英、矽酸鹽或雲母。
在一個具體實例中，至少一個投配單元經配置用於將呈乾燥形式或呈水性形式的含鹼土金屬碳酸鹽之材料，較佳含碳酸鈣材料投配至製程流管線中所提供的水之至少一部分中。
若至少一個投配單元經配置用於將呈乾燥形式的含鹼土金屬碳酸鹽之材料，較佳含碳酸鈣材料投配至製程流管線中所提供的水之至 少一部分中，則至少一個投配單元經配置用於將呈粉末形式或呈顆粒狀形式的含鹼土金屬碳酸鹽之材料，較佳含碳酸鈣材料投配至製程流管線中所提供的水之至少一部分中。
關於含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料，較佳含碳酸鈣材料的術語「乾燥(dry)」應理解為相對於該含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料的重量，材料具有小於0.3重量%之水。根據庫侖卡爾費歇爾量測方法(Coulometric Karl Fischer measurement method)測定水百分比，其中將含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料加熱至220℃，且在庫侖卡爾費歇爾單元中測定以蒸氣形式釋放且使用氮氣流分離(以100ml/min)的水內含物。
若用至少一個投配單元將呈乾燥形式的含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料投配至製程流管線中所提供的水之至少一部分中，則乾燥的含鹼土金屬碳酸鹽之材料可投配至漿料減小系統(slurry make-down system)中，其隨後與製程流管線中之水合併。
若至少一個投配單元經配置用於將呈水性形式的含鹼土金屬碳酸鹽之材料，較佳含碳酸鈣材料投配至製程流管線中所提供的水之至少一部分中，則至少一個投配單元經配置用於將呈水性懸浮液形式的含鹼土金屬碳酸鹽之材料，較佳含碳酸鈣材料投配至製程流管線中所提供的水之至少一部分中。以水性懸浮液之總重量計，懸浮液之固體含量較佳在0.01至20.0wt%範圍內、更佳在1.0至15.0wt%範圍內且最佳在2.0至10.0wt%範圍內。在此具體實例中，至少一個投配單元較佳經配置使得使用例如固體含量在30.0與60.0wt%之間，諸如為約40wt%之不使用任何分散劑的高度濃縮漿料或使用呈固體形式，例如呈粉末形式呈形式呈顆粒形式的含鹼 土金屬碳酸鹽之材料，較佳含碳酸鈣材料，在現場產生此水性懸浮液。
出於本發明之目的，「懸浮液(suspension)」或「漿料(slurry)」係指包含溶劑(亦即水性溶劑)及含鹼土金屬碳酸鹽之材料及/或鹼土金屬碳酸氫鹽之顆粒的系統，其中含鹼土金屬碳酸鹽之材料及/或鹼土金屬碳酸氫鹽之顆粒之至少一部分以不可溶固體形式存在於水性溶劑中。該術語不排除含鹼土金屬碳酸鹽之材料及/或鹼土金屬碳酸氫鹽顆粒的一部分溶解於水性溶劑中。
除了含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料，較佳含碳酸鈣材料以外，包含含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料，較佳含碳酸鈣材料的懸浮液亦可包含其他微粉化礦物質。根據一個具體實例，包含含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料，較佳含碳酸鈣材料的懸浮液可包含微粉化碳酸鈣鎂，例如白雲質石灰石、鈣質白雲石或半燒白雲石；氧化鎂，諸如燒白雲石；硫酸鎂；碳酸氫鉀；碳酸氫鈉及/或其他含有基本微量元素的礦物質。
舉例而言，將用至少一個投配單元(25)投配至製程流管線中所提供的水之至少一部分中的含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料，較佳含碳酸鈣材料提供於用於固體材料之儲存容器(13)中。因此，至少一個投配單元(25)較佳連接至用於固體材料之儲存容器(13)。
儲存容器(13)可為技術人員已知的且通常用於儲存含鹼土金屬碳酸鹽之材料的任何種類之儲存容器。
另外地或可替代地，至少一個投配單元(25)連接至適合於製備包含含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料的懸浮液之容器(14)。在一個具體實例中，至少一個投配單元(25)較佳連接至用於固體材料之儲存容 器(13)，其連接至適合於製備包含含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料的懸浮液之容器(14)。
容器(14)可為技術人員已知的且通常用於製備包含含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料的懸浮液之任何種類之容器。
較佳地，容器(14)藉由入口連接至製程流管線以引入該製程流管線中所提供之水，且藉由出口連接至製程流管線以用於釋放包含含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料的水性懸浮液。
舉例而言，容器(14)與側製程流管線(15)連接，或若側製程流管線包含側分支，則容器(14)較佳與側製程流管線之側分支(15b)連接使得側製程流管線(15)或側製程流管線之側分支(15b)中所提供之水用於製備包含含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料，較佳含碳酸鈣材料之懸浮液。包含含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料，較佳含碳酸鈣材料之懸浮液(16)隨後較佳轉移至容器，較佳反應槽(1)。若側製程流管線(15)包含側分支，則側製程流管線之側分支(15b)在容器，較佳反應槽(1)上游較佳連接至側製程流管線之主分支(15a)。因此，例如連接至儲存容器(13)及容器(14)之至少一個投配單元位於側製程流管線(15)中，或若側製程流管線包含側分支，則例如連接至儲存容器(13)及容器(14)之至少一個投配單元位於側製程流管線之側分支(15b)中。
或者，含鹼土金屬碳酸鹽之材料可與側製程流管線(15)之水合併在容器中，較佳反應槽(1)中。換言之，含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料，較佳含碳酸鈣材料可提供於儲存容器(13)中，其直接連接至容器，較佳反應槽(1)。
因此，至少一個投配單元可連接至容器，較佳反應槽(1)。在一個具體實例中，至少一個投配單元(25)連接至儲存容器(13)，其直接連接至容器，較佳反應槽(1)。
在一替代性具體實例中，含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料，較佳含碳酸鈣材料直接投配至製程流管線中所提供之水中。
因此，至少一個投配單元(25)可經配置使得含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料直接投配至製程流管線中所提供之水中。在一個具體實例中，至少一個投配單元(25)連接至儲存容器(13)，且至少一個投配單元經配置使得含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料直接投配至製程流管線中所提供之水中。
舉例而言，至少一個投配單元(25)經配置使得含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料直接投配至側製程流管線(15)中所提供之水中，或若側製程流管線包含側分支，則至少一個投配單元經配置使得含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料直接投配至側製程流管線之側分支(15b)中所提供之水中。應瞭解，側製程流管線(15)或側製程流管線之側分支(15b)中所提供之水用於製備包含含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料，較佳含碳酸鈣材料之懸浮液。
因此應瞭解，至少一個投配單元(25)位於側製程流管線中。若側製程流管線包含側製程流管線之主分支及側製程流管線之側分支，則至少一個投配單元位於側製程流管線之側分支中。
若至少一個製程流管線由主製程流管線(17)組成，亦即不包含一或多個側製程流管線(15)，則至少一個投配單元(25)較佳連接至 用於固體材料之儲存容器(13)，其連接至適合於製備包含含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料的懸浮液之容器(14)。
較佳地，容器(14)與主製程流管線(17)連接，或若主製程流管線包含側分支，則容器(14)較佳與主製程流管線之側分支(17b)連接使得主製程流管線(17)或主製程流管線之側分支(17b)中所提供之水用於製備包含含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料，較佳含碳酸鈣材料之水性懸浮液S1。包含含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料，較佳含碳酸鈣材料之懸浮液(16)隨後較佳轉移至容器，較佳反應槽(1)。若主製程流管線(17)包含側分支，則主製程流管線之側分支(17b)在容器，較佳反應槽(1)上游較佳連接至主製程流管線之主分支(17a)。因此，例如儲存容器(13)及容器(14)之至少一個投配單元位於主製程流管線(17)中，或若主製程流管線包含側分支，則例如連接至儲存容器(13)及容器(14)之至少一個投配單元位於主製程流管線之側分支(17b)中。
或者，含鹼土金屬碳酸鹽之材料可與主製程流管線(17)之水合併在容器中，較佳反應槽(1)中。換言之，含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料，較佳含碳酸鈣材料可提供於儲存容器(13)中，其直接連接至容器，較佳反應槽(1)。
因此，至少一個投配單元可連接至容器，較佳反應槽(1)。在一個具體實例中，至少一個投配單元(25)連接至儲存容器(13)，其直接連接至容器，較佳反應槽(1)。
在一替代性具體實例中，至少一個投配單元(25)經配置使得含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料直接投配至主製程流管線(17)中所 提供之水中，或若主製程流管線包含側分支，則至少一個投配單元經配置使得含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料直接投配至主製程流管線之側分支(17b)中所提供之水中。應瞭解，主製程流管線(17)或主製程流管線之側分支(15b)中所提供之水用於製備包含含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料，較佳含碳酸鈣材料之水性懸浮液S1。在此具體實例中，主製程流管線之主分支(17a)及主製程流管線之側分支(17b)經配置使得其在容器上游合併在一起。
因此應瞭解，若製程流管線由主製程流管線(17)組成，則至少一個投配單元(25)位於主製程流管線中。若主製程流管線包含主製程流管線之主分支(17a)及主製程流管線之側分支(17b)，則至少一個投配單元位於主製程流管線之側分支(17b)中。
因此，至少一個投配單元較佳位於製程流管線中所提供之水源的下游。若製程流管線包含主製程流管線(17)及側製程流管線(15)，亦即製程流管線分支形成主製程流管線(17)及側製程流管線(15)之後，則至少一個投配單元較佳位於側製程流管線(15)下游。
若主製程流管線(17)或側製程流管線(15)包含分支，亦即主製程流管線(17)或側製程流管線(15)分支形成相應側分支之後，則至少一個投配單元(25)較佳位於主製程流管線之側分支(17b)或側製程流管線之側分支(15b)下游。另外地或可替代地，至少一個投配單元(25)較佳位於其中主製程流管線之側分支(17b)及主分支(17a)或側製程流管線之側分支(15b)及主分支(15a)合併在一起之位置的上游。
較佳地，至少一個投配單元(25)位於容器，更佳反應槽(1) 上游。
c)：用於投配CO2或酸之構件
根據本發明裝置之c)，裝置包含至少一個構件，其適合於將CO2或pKa值<5之酸投配至製程流管線中所提供的水之至少一部分或包含含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料的水性懸浮液中，以獲得包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水性懸浮液S1。
在本發明之含義中，術語適合於投配CO2或pKa值<5之酸的「至少一個」構件意謂裝置包含適合於投配CO2或pKa值<5之酸的一或多個構件。舉例而言，裝置包含適合於投配CO2或pKa值<5之酸的一或兩個，更佳一個構件。
至少一個構件c)可為技術人員已知的且通常用於將CO2或pKa值<5之酸投配至水中的任何種類之構件。
至少一個經配置用於將CO2或pKa值<5之酸投配至製程流管線中所提供的水之至少一部分中。
至少一個構件較佳適合於投配選自以下之二氧化碳：氣態二氧化碳、液態二氧化碳、固態二氧化碳及二氧化碳與其他氣體之氣態混合物，諸如自類似燃燒方法或煅燒方法或類似方法之工業方法排出的含有二氧化碳之廢氣。較佳地，二氧化碳為氣態二氧化碳。當使用二氧化碳與其他氣體之氣態混合物時，則二氧化碳以氣態混合物之總體積計以90.0至約99.0vol%之範圍，較佳以95.0至99.0vol%之範圍存在。舉例而言，以氣態混合物之總體積計，二氧化碳以至少97.0vol%之量存在。
或者，至少一個構件適合於投配在25℃下pKa值<5，較佳< 4之酸。舉例而言，至少一個構件較佳適合於投配選自由以下組成之群的酸：硫酸、鹽酸、硝酸或檸檬酸及其混合物。在一個具體實例中，至少一個構件適合於投配在25℃下pKa值小於或等於零之酸中選出之酸，且更特定言之選自硫酸、鹽酸或其混合物。或者，至少一個構件適合於投配為具有酸性pH之鹽，諸如鹼金屬氫鹽(例如NaHSO4及/或KHSO4)的酸。
較佳地，至少一個構件適合於投配CO2。
在一個具體實例中，CO2或pKa值<5之酸投配至容器(1)中。因此，至少一個構件c)較佳連接至容器，更佳反應槽(1)。
在一個具體實例中，容器，較佳反應槽(1)連接至包含再循環空氣流(5)之再循環構件。舉例而言，再循環構件經配置使得空氣流自容器，較佳反應槽(1)之底部向頂部方向再循環。在一個具體實例中，至少一個構件c)經配置使得CO2或pKa值<5之酸注入至再循環構件之再循環空氣流(5)中。換言之，至少一個構件c)經配置使得CO2或pKa值<5之酸注入至再循環構件之再循環空氣流(5)之空氣或製程流體中。
因此，容器，較佳反應槽(1)可包含再循環構件，其經配置使得空氣或製程流體跨越至少一個浸沒式膜模組之表面的至少一部分自該至少一個浸沒式膜模組及/或容器，較佳反應槽(1)之底部向頂部方向再循環。
或者，至少一個構件可經配置使得CO2或pKa值<5之酸直接投配至製程流管線中所提供之水中。
舉例而言，至少一個構件可經配置使得CO2或pKa值<5之酸直接投配至側製程流管線(15)中所提供之水中，或若側製程流管線包 含側分支，則至少一個構件可經配置使得CO2或pKa值<5之酸直接投配至側製程流之主分支(15a)或側製程流管線之側分支(15b)中所提供之水中。
因此應瞭解，至少一個構件可位於側製程流管線(15)中。若側製程流管線(15)包含側製程流管線之主分支(15a)及側製程流管線之一或多個側分支(15b)，則至少一個構件較佳位於側製程流管線之側分支(15b)中的一者處。
在一替代性具體實例中，至少一個構件可經配置使得CO2或pKa值<5之酸直接投配至主製程流管線(17)中所提供之水中，或若主製程流管線包含側分支，則至少一個構件可經配置使得CO2或pKa值<5之酸直接投配至主製程流管線之主分支(17a)中所提供之水或主製程流管線之側分支(17b)中所提供之水中。
因此應瞭解，若製程流管線由主製程流管線(17)組成，則至少一個構件可位於主製程流管線中。若主製程流管線包含主製程流管線之主分支(17a)及主製程流管線之一或多個側分支(17b)，則至少一個構件較佳位於主製程流管線之側分支(17b)中的一者處。
在一替代性具體實例中，至少一個構件連接至適合於製備包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水性懸浮液S1的容器(14)。較佳地，容器(14)藉由入口連接至製程流管線以引入該製程流管線中所提供之水，且藉由出口連接至製程流管線以用於釋放包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽的水性懸浮液S1。
因此，在一個具體實例中，容器(14)較佳連接至例如連接至儲存容器(13)之至少一個投配單元及至少一個構件c)。或者，例如連 接至儲存容器(13)之至少一個投配單元連接至一個容器(14a)，且至少一個構件c)連接至另一容器(14b)。在此情況下，至少一個構件c)較佳位於至少一個投配單元下游。
因此，至少一個構件c)及容器(14)較佳位於側製程流管線(15)中，或若側製程流管線包含側分支，則至少一個構件c)及容器(14)位於側製程流管線之側分支(15b)中。
若至少一個製程流管線由主製程流管線(17)組成，亦即不包含一或多個側製程流管線(15)，則至少一個構件c)及容器(14)與主製程流管線(17)連接，或若主製程流管線包含側分支，則至少一個構件c)及容器(14)較佳與主製程流管線之側分支(17b)連接。
因此，至少一個構件c)較佳位於製程流管線中所提供之水源的下游。若製程流管線包含主製程流管線(17)及側製程流管線(15)，亦即製程流管線分支形成主製程流管線(17)及側製程流管線(15)之後，則至少一個構件c)較佳位於側製程流管線(15)下游。
若主製程流管線(17)或側製程流管線(15)包含分支，亦即主製程流管線(17)或側製程流管線(15)分支形成相應側分支之後，則至少一個構件c)較佳位於主製程流管線(17)之側分支或側製程流管線(15)之側分支下游。
較佳地，至少一個構件c)較佳位於容器，更佳反應槽(1)上游。
或者，至少一個構件c)連接至容器，更佳連接至再循環構件，該等再循環構件適合於使空氣或製程流體跨越至少一個浸沒式膜模組 之表面的至少一部分自該至少一個浸沒式膜模組及/或容器之底部向頂部方向再循環。
d)：連接至製程流管線之容器
根據本發明裝置之d)，裝置包含藉由入口連接至至少一個製程流管線之容器。
容器可為技術人員已知的且通常用於將水與含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料及CO2或pKa值<5之酸合併及/或混合的任何種類之容器。較佳地，容器經配置使得合併及/或混合可在混合及/或均質化條件下進行。
舉例而言，容器為反應槽(1)。該等槽為技術人員所熟知且購自廣泛範圍之供應商。
詳言之，容器，較佳反應槽(1)可經配置使得製程流管線中所提供之水與含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料及CO2或pKa值<5之酸以任何次序合併，以獲得包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水性懸浮液S1。
在一個具體實例中，容器，較佳反應槽(1)可經配置使得容器，較佳反應槽(1)中的填充液位(11)及/或容器，較佳反應槽(1)中之壓力(8)得到量測。
應瞭解，鹼土金屬碳酸鹽在為獲得包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之溶液S1的包含含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料的水性懸浮液之液相，亦即水中的溶解速率視所投配的二氧化碳或pKa值<5之酸的量而定，且亦視溫度、pH、壓力、懸浮液中初始鹼土金屬碳酸鹽濃度以及將二氧化碳或pKa值<5(在25℃下)之酸引入至包含含至少一種鹼土金屬碳酸 鹽之材料的水性懸浮液中所用之投配速率而定。
較佳地，容器，較佳反應槽(1)經配置使得容器中所獲得的包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水性懸浮液S1中之二氧化碳濃度在10至1500mg/l、更佳20至1000mg/l且最佳50至400mg/l範圍內。
另外地或可替代地，容器，較佳反應槽(1)可經配置使得在容器中所獲得之水性懸浮液S1中產生1mol至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽所用的CO2之量(以mol為單位)在1.0至6.0mol範圍內、較佳在1.0至3.0mol範圍內且最佳在1.0至2.0mol範圍內。
應瞭解，容器中所獲得的包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水性懸浮液S1較佳具有呈鹼土金屬碳酸氫鹽形式的在20至1000mg/l範圍內、較佳在50至600mg/l範圍內且最佳80至400mg/l之鹼土金屬濃度。在一個具體實例中，容器中所獲得的包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽(為碳酸氫鈣)之水性懸浮液S1具有呈碳酸氫鈣形式的在20至1000mg/l範圍內、較佳在50至600mg/l範圍內且最佳80至400mg/l之鈣金屬濃度。
如上所述，包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水性懸浮液S1在容器，較佳反應槽(1)中獲得。
容器，較佳反應槽(1)中所獲得的包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水性懸浮液S1進一步包含含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料的未溶解固態顆粒，且因此會對包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水性懸浮液S1進行過濾步驟。
鑒於此，容器，較佳反應槽(1)中所獲得的包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水性懸浮液S1較佳具有超過10NTU之濁度值，更佳 地，水性懸浮液S1包含可見固體，亦即為不透明的。
在本發明之含義中，「濁度(turbidity)」描述由肉眼一般不可見之個別顆粒(懸浮固體)引起的流體之渾濁度(cloudiness/haziness)。濁度量測為水質之關鍵測試且可用濁度計進行。如本發明中所用，根據經校準之濁度計的濁度之單位規定為濁度計量測的濁度單位(Nephelometric Turbidity Unit；NTU)。
在本發明之一個具體實例中，容器，較佳反應槽(1)中所獲得的包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水性懸浮液S1較佳具有以水性懸浮液S1之總重量計，在0.01至10.0wt%範圍內、更佳在0.5至10.0wt%範圍內且最佳在1.2至8.0wt%範圍內的固體含量。
因此，本發明裝置之一個特定要求為：容器，較佳反應槽(1)經配置使得至少一個浸沒式膜模組位於容器中以藉由使水性懸浮液S1通過該至少一個浸沒式膜模組來過濾水性懸浮液S1之至少一部分，以便獲得包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水溶液S2。
在一個具體實例中，水與含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料及CO2或pKa值<5之酸的合併及/或混合與水性懸浮液S1之至少一部分之過濾可在同一容器，較佳反應槽(1)中進行。或者，水與含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料及CO2或pKa值<5之酸的合併及/或混合可在一個容器，較佳反應槽(1)中進行，且水性懸浮液S1之至少一部分之過濾可在另一容器，較佳反應槽(1a)中進行。在此具體實例中，其中進行水性懸浮液S1之至少一部分之過濾的容器，較佳反應槽(1a)位於其中進行水與含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料及CO2或pKa值<5之酸的合併及/或混合的容 器，較佳反應槽(1)下游。
考慮到下降之總能量消耗及較高成本效率，較佳使水與含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料及CO2或pKa值<5之酸的合併及/或混合與水性懸浮液S1之至少一部分之過濾可在同一容器，較佳反應槽(1)中進行。因此，裝置較佳包含一個容器，較佳反應槽(1)。
本發明方法之一個特定要求為：水性懸浮液S1之至少一部分經由至少一個浸沒式膜模組(2)過濾。較佳地，水性懸浮液S1之總量經由至少一個浸沒式膜模組(2)過濾。
因此，容器經配置使得至少一個浸沒式膜模組(2)位於容器，較佳反應槽(1)中。
至少一個浸沒式膜模組可為技術人員已知的且通常用於過濾污泥及包含礦物質、顏料及/或填料之水性懸浮液的任何種類之浸沒式膜模組。舉例而言，可使用Toray Industries公司之浸沒式膜模組。
至少一個浸沒式膜模組(2)，亦即膜之孔徑較佳<1μm，且更佳<0.1μm，例如0.04至0.9μm(諸如約0.04μm或0.08μm)。至少一個浸沒式膜模組(2)較佳具有陶瓷、聚合物或其他合成材料。舉例而言，至少一個浸沒式膜模組(2)包含由選自包含以下之群的材料製成之膜：燒結材料、多孔瓷、合成性聚合物(如聚乙烯、聚丙烯、聚碸、聚乙烯碸、聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride；PVDF)或Teflon®)及其混合物。在一個具體實例中，至少一個浸沒式膜模組(2)進一步包含纖維或非編織物，諸如由選自包含以下之群的材料製成之纖維或非編織物：合成性聚合物(如聚乙烯、聚丙烯、聚酯或)及其混合物。
應瞭解，至少一個浸沒式膜模組(2)之數目視裝置尺寸而定。熟習此項技術者將根據所用特定裝置尺寸調適浸沒式膜模組之此數目。
至少一個浸沒式膜模組(2)較佳具有高通量，亦即每單位膜面積及時間之高流動速率(通量=l/(m2h))。舉例而言，至少一個浸沒式膜模組(2)之通量10 l/(m2h)、較佳在50至150 l/(m2h)範圍內且最佳在80至150 l/(m2h)範圍內。
較佳地，至少一個浸沒式膜模組(2)經配置使得空氣或製程流體跨越該至少一個浸沒式膜模組之表面的至少一部分再循環(5)。其優勢在於CO2可有效引入至容器，較佳反應槽(1)中，以改良包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水性懸浮液S1的形成效率。此外，此配置可引起至少一個浸沒式膜模組(2)經交叉流通氣清洗，其可減少至少一個浸沒式膜模組(2)之積垢。此外，此配置的益處在於保持均質懸浮液且防止未溶解顆粒沉降。
在一個具體實例中，空氣或製程流體跨越至少一個浸沒式膜模組(2)之表面的至少一部分自該至少一個浸沒式膜模組(2)及/或容器，較佳反應槽(1)，較佳該至少一個浸沒式膜模組(2)及容器，較佳反應槽(1)之底部向頂部方向再循環(5)。
因此，容器較佳包含再循環構件，其經配置使得空氣或製程流體跨越至少一個浸沒式膜模組(2)之表面的至少一部分自該至少一個浸沒式膜模組(2)及/或容器，較佳反應槽(1)之底部向頂部方向再循環(5)。
應瞭解，CO2或酸(4)較佳添加至空氣或製程流體中，該空氣或製程流體跨越至少一個浸沒式膜模組(2)之表面的至少一部分再循 環(5)。
若空氣或製程流體跨越至少一個浸沒式膜模組之表面的至少一部分再循環，則較佳地，容器，較佳反應槽(1)密封且容器，較佳反應槽(1)頂部之空氣用作進料且在容器，較佳反應槽(1)之底部再引入(5)。因此，容器較佳為密封反應槽(1)。
應瞭解，再循環構件較佳獨立於側製程流管線(15)或主製程流管線(17)，亦即再循環構件之入口及出口連接至容器，較佳反應槽(1)，處於與側製程流管線(15)或側製程流管線之主分支(15a)或側製程流管線之側分支(15b)或主製程流管線(17)或主製程流管線之主分支(17a)或主製程流管線之側分支(17b)之入口及出口不同之位置。
另一要求為容器，較佳反應槽(1)藉由入口連接至至少一個製程流管線。另外，容器，較佳反應槽(1)包含至少一個出口用於自容器，較佳反應槽(1)釋放包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水溶液S2。因此，連接至至少一個製程流管線之入口及用於釋放水溶液S2之出口或容器，較佳反應槽(1)較佳獨立於再循環構件之入口及出口，亦即其連接於彼此不同之位置處。因此較佳地，容器，較佳反應槽(1)經配置使得用於釋放水溶液S2之出口連接至至少一個浸沒式膜模組(2)之滲透側。
在一個具體實例中，容器，較佳反應槽(1)經配置使得至少一個浸沒式膜模組(2)可得到清洗。
舉例而言，容器，較佳反應槽(1)經配置使得至少一個浸沒式膜模組可得到反洗。
在本發明之含義中，術語「反洗(backwashing)」係指自至 少一個浸沒式膜模組(2)的另一側(即自滲透側向至少一個浸沒式膜模組及/或容器的進料側)添加水及/或化學物質用於清洗至少一個浸沒式膜模組(2)。
舉例而言，至少一個浸沒式膜模組(2)之反洗可用水進行。若本發明製程包含用水反洗至少一個浸沒式膜(2)，則可每隔5至60min，例如，每隔10至15min進行反洗。另外，可將CO2或pKa值<5(在25℃下)之酸添加至水中。在此具體實例中，可一週一次或兩次進行反洗。
應瞭解，本發明裝置可以分批模式、半連續或連續模式進行。
在本申請案之含義中，「半連續方法(semi-continuous process)一詞係指以連續模式運作但伴隨間歇性中斷的方法，例如，針對用於進行至少一個浸沒式膜模組(2)之反洗。
藉由本發明裝置獲得的包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水溶液S2的二氧化碳濃度較佳在0.001至300mg/l範圍內、更佳在0.1至150mg/l範圍內、最佳在0.5至50範圍內。
應瞭解，藉由本發明裝置獲得的包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水溶液S2較佳具有呈鹼土金屬碳酸氫鹽形式的在20至1000mg/l範圍內之鹼土金屬濃度。較佳地，藉由本發明裝置獲得的包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水溶液S2具有呈鹼土金屬碳酸氫鹽形式的在50至500mg/l，且更佳80至300mg/l範圍內之鹼土金屬濃度。
在一個具體實例中，藉由本發明裝置獲得的包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水溶液S2包含碳酸氫鈣，該溶液具有呈碳酸氫鈣形式的在20至1000mg/l範圍內、較佳在50至500mg/l範圍內且更佳80至300mg/l 之鈣金屬濃度。
在一替代性具體實例中，藉由本發明裝置獲得的包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水溶液S2包含碳酸氫鎂，該溶液具有呈碳酸氫鎂形式的在20至1000mg/l範圍內、較佳在50至400mg/l範圍內且更佳80至300mg/l之鎂金屬濃度。
或者，藉由本發明裝置獲得的包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水溶液S2包含碳酸氫鈣及碳酸氫鎂，該溶液具有呈碳酸氫鈣及碳酸氫鎂形式的在20至1000mg/l範圍內、較佳在50至500mg/l範圍內且更佳80至300mg/l之總鈣及鎂金屬濃度。
在本發明之一個具體實例中，藉由本發明裝置獲得的包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水溶液S2具有以水溶液之總重量計，在0.001至2.0wt%範圍內、更佳在0.001至0.05wt%範圍內且最佳在0.001至0.03wt%範圍內的至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之溶解含量。
另外地或可替代地，藉由本發明裝置獲得的包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水溶液S2的濁度值較佳小於0.5NTU，且更佳小於0.3NTU。舉例而言，藉由本發明裝置獲得的包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水溶液S2的濁度值小於0.2NTU或小於0.1NTU。
應瞭解，藉由本發明裝置獲得的包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水溶液S2的pH值在6.1至8.9範圍內且較佳在6.5至8.5範圍內。
根據一個具體實例，藉由本發明裝置獲得的包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水溶液S2的德國硬度(German hardness)為1至55°dH、較佳3至30°dH且最佳4.5至17°dH。
出於本發明之目的，德國硬度以「度德國硬度，°dH」為單位表示。就此而言，德國硬度係指鹼土金屬離子在包含鹼土金屬碳酸氫鹽之水溶液中的總量。
較佳地，藉由本發明裝置獲得的包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水溶液S2的德國硬度為至少3°dH，更佳至少5°dH，其高於製程流管線中所提供的水之德國硬度。
在一個具體實例中，藉由本發明裝置獲得的包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水溶液S2適用作礦化水。若裝置不包含一或多個側製程流管線(15)，則情況較佳如此。換言之，若裝置僅包含主製程流(17)，則藉由本發明裝置獲得的包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水溶液S2為礦化水。
或者，藉由本發明裝置獲得的包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水溶液S2適合於使水礦化。舉例而言，藉由本發明裝置獲得的包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水溶液S2適合於使淡化或天然軟水礦化及/或穩定化。若裝置包含一或多個側製程流管線(15)，則情況較佳如此。
舉例而言，藉由本發明裝置獲得的包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水溶液S2(9)自製程流管線(15)轉移至主製程流管線(17)中以用於使水礦化。
可藉由使用藉由本發明裝置獲得的包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水溶液S2使水礦化及/或穩定化，該水溶液S2可衍生自各種來源且可選自蒸餾水、工業水、自來水、淡化水(諸如淡化海水)、半鹹水或鹽水、經處理之廢水或天然軟水(諸如地下水、地表水或降雨)。較佳地， 待藉由使用藉由本發明裝置獲得的包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水溶液S2礦化及/或穩定化的水為淡化水，例如由淡化方法獲得之滲透液或餾出液。
為了中和任何剩餘「侵蝕性」二氧化碳及/或提高pH以達成穩定且平衡的最終水質，較佳地，去除侵蝕性二氧化碳，將鹼添加至藉由本發明裝置獲得之礦化水中或兩者之組合。
因此，裝置較佳包含在容器，較佳反應槽(1)下游的鹼投配構件以將鹼引入至包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水溶液S2中。
在一個具體實例中，鹼投配構件經配置用於將鹼，較佳水中所提供之鹼投配至在容器，較佳反應槽(1)下游的主製程流(17)中，以將礦化水之pH值調整至7.0至9.0之範圍且形成鹼土金屬濃度(呈鹼土金屬碳酸氫鹽形式)在10至300mg/l範圍內之礦化水。
舉例而言，裝置包含鹼投配構件，其用於將鹼引入至側製程流管線(15)及主製程流管線(17)合併在一起處之下游的主製程流管線(17)中，較佳容器下游，較佳用於將鹼引入至包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水溶液S2與主製程流管線(17)中之水的混合物中。
用於引入鹼之鹼投配構件較佳為經配置用於引入鹼金屬氫氧化物及/或鹼土金屬氫氧化物。更佳地，用於引入鹼之鹼投配構件經配置用於引入呈鹼金屬氫氧化物及/或鹼土金屬氫氧化物之鹼，該鹼金屬氫氧化物及/或鹼土金屬氫氧化物選自氫氧化鈣及/或氫氧化鎂及/或氫氧化鈉，例如氫氧化鈣或氫氧化鎂或氫氧化鈉，例如氫氧化鈣。
舉例而言，用於引入鹼之鹼投配構件較佳經配置用於引入重 量中值粒徑d 50為0.1至100.0μm、較佳0.2至50.0μm、更佳0.3至25.0μm且最佳0.5至10.0μm之鹼土金屬氫氧化物。
在本發明之一個具體實例中，藉由使用BET等溫線之氮氣吸附(ISO 9277：2010)量測，為鹼土金屬氫氧化物之鹼的BET比表面積為0.01至200.0m2/g，且較佳1.0至100.0m2/g。
用於引入鹼之鹼投配構件較佳經配置用於引入鹼金屬氫氧化物及/或鹼土金屬氫氧化物，使得添加至礦化水中的鹼金屬氫氧化物及/或鹼土金屬氫氧化物之濃度在0.1至100mg/l範圍內且較佳在0.5至10mg/l範圍內。
鹼較佳提供於水中。因此，用於引入鹼之鹼投配構件較佳經配置用於引入呈溶液或懸浮液形式之鹼。若為鹼金屬氫氧化物及/或鹼土金屬氫氧化物之鹼呈溶液或懸浮液形式，則以溶液或懸浮液之總重量計，鹼金屬氫氧化物及/或鹼土金屬氫氧化物含量較佳為0.5wt%至50wt%，較佳約20wt%。
鹼金屬氫氧化物及/或鹼土金屬氫氧化物溶液或懸浮液可現場產生或獨立於本發明方法產生。若獨立於本發明裝置製備鹼金屬氫氧化物及/或鹼土金屬氫氧化物溶液或懸浮液，則鹼金屬氫氧化物及/或鹼土金屬氫氧化物溶液或懸浮液較佳不由製程流管線中所提供之水製備。或者，鹼金屬氫氧化物及/或鹼土金屬氫氧化物溶液或懸浮液係由製程流管線中所提供之水製備。
藉由在主製程流(17)中將鹼，較佳鹼金屬氫氧化物及/或鹼土金屬氫氧化物添加至礦化水中，礦化水之pH值調整至7.0至9.0範圍 內。較佳地，礦化水之pH值調整為在7.2至8.9範圍內且較佳在7.8至8.4範圍內之pH值。應瞭解，pH調整視礦化水準及目標最終水質而定。
在一個具體實例中，製程流管線中所提供之水的一部分形成主製程流(17)且水之其餘部分形成一或多個側製程流管線(15)。因此，一或多個側製程流管線(15)連接至主製程流管線(17)，較佳其中一或多個側製程流管線(15)藉由入口及出口連接至主製程流管線(17)。
在一個具體實例中，在主製程流(17)處，一或多個側製程流管線(15)之出口較佳位於一或多個側製程流管線(15)之入口的下游。
本發明之另一態樣係關於如本文中所定義之裝置用於製備包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水溶液的用途。
本發明之另一態樣係關於如本文中所定義之裝置用於使水礦化及/或穩定化之用途。水較佳為淡化或天然軟水。
對於裝置之定義及其較佳具體實例，參考上文在論述本發明之用於製備包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水溶液之裝置的技術詳情時提供的陳述。
基於意欲說明本發明之某些具體實例且為非限制性的以下實施例，將更好理解本發明之範圍及關注點。
實施例
1 量測方法
在下文中，描述實施例中所實施之量測方法。
水性懸浮液或溶液之pH
使用具有整合溫度補償及WTWWTW SenTix 940 pH探針之 WTW Multi 3420 pH測定計量測懸浮液或溶液之pH。使用pH值為4.01、7.00及9.21之標準進行pH電極之校準。所報導之pH為藉由儀器偵測之終點值(當量測信號與在先前6秒內的平均值之差小於0.1mV時，則為終點)。
水性懸浮液之固體含量
濕度分析器
使用來自瑞士(Switzerland)Mettler-Toledo公司之濕度分析器HR73測定固體含量(亦稱為「乾量(dry weight)」)，該儀器具有以下設置：120℃之溫度、自動開關3、標準乾燥、5至20g產品。
微粒材料之粒徑分佈(直徑<X之顆粒的質量百分比)及重量中值直徑(d 50 )
微粒材料之重量顆粒直徑及顆粒直徑質量分佈經由沉降方法(亦即分析在重力場中之沉降行為)來測定。量測用Micromeritics Instrument公司之SedigraphTM 5120或SedigraphTM 5100進行。
方法及儀器為技術人員已知且常用於測定填料及顏料之粒徑。在0.1wt% Na4P2O7之水溶液中進行量測。使用高速攪拌器及超音波分散樣品。
溶液之水性懸浮液之濁度
用Hach Lange 2100AN IS實驗室濁度計量測濁度且使用<0.1、20、200、1000、4000及7500NTU之StabCal濁度標準(福爾馬肼標準物(formazine standard))進行校準。
電導率
在25℃下使用Mettler Toledo Seven量測電導率。
多重儀器配備有相應Mettler Toledo電導率擴展單元及Mettler Toledo InLab® 741電導率探針。
首先使用來自Mettler Toledo之市售電導率校準溶液在相關電導率範圍內校準儀器。藉由線性校正模式自動校正溫度對電導率之影響。針對20℃之參照溫度報導所量測之電導率。所報導之電導率值為藉由儀器偵測之終點值(當量測之電導率與在最後6秒內的平均值之差小於0.4%時，則為終點)。
溫度
用Xylem Analytics之手持型WTW探針量測溫度。
水溶液之硬度
藉由用螯合劑、乙二胺四乙酸(EDTA-二鈉鹽0.01M)滴定來測定與水硬度有關之離子，亦即Ca2+(水性)及Mg2+(水性)。為了緩衝pH恆定處於10，使用NH3-NH4Cl緩衝液。由於Ca2+(水性)及Mg2+(水性)離子，使用羊毛鉻黑T(Eriochrome Black T)作為指示劑的滴定測定總硬度，直至溶液由酒紅色變成天藍色。藉由以下等式計算總硬度之量：硬度=EDTA體積(ml)×0.01×100.08×1 000/(樣品體積(ml))
水溶液之鹼度
藉由用0.1M鹽酸溶液滴定樣品來測定水溶液之鹼度。滴定終點達至4.3之恆定pH處。藉由以下等式計算鹼度之量：鹼度=酸體積(ml)×0.1×100.08×1 000/(2×樣品體積(ml))
水溶液之酸度
藉由用0.01M氫氧化鈉溶液滴定游離CO2來測定水溶液之 酸度。滴定終點達至8.3之恆定pH處。藉由以下等式計算游離CO2之量：游離CO2=NaOH體積(ml)×0.01×44.01×1 000/樣品體積(ml)
朗格利爾飽和指數(Langelier Saturation Index；LSI)
朗格利爾飽和指數(LSI)描述水性液體形成水垢或具有腐蝕性之趨勢，其中正LSI指示形成水垢之趨勢，且負LSI指示腐蝕性特徵。因此，平衡朗格利爾飽和指數，亦即LSI=0意謂水性液體處於化學平衡。LSI計算如下：LSI=pH-pHs，其中pH為水性液體之實際pH值，且pHs為水性液體在CaCO3飽和狀態下之pH值。pHs可估算如下：pHs=(9.3+A+B)-(C+D)，其中A為水性液體中所存在之總溶解固體(total dissolved solid；TDS)的數值指示符，B為水性液體溫度(以K為單位)之數值指示符，C為水性液體之鈣濃度(以mg/l之CaCO3計)的數值指示符，且D為水性液體之鹼度(以mg/l之CaCO3計)的數值指示符。使用以下等式測定參數A至D：A=(log10(TDS)-1)/10，B=-13.12×log10(T+273)+34.55，C=log10[Ca2+]-0.4，D=log10(TAC)，其中TDS為總溶解固體(以mg/l為單位)，T為溫度(以℃為單位)，[Ca2+]為水性液體之鈣濃度(以mg/l之CaCO3計)，且TAC為水性液體之鹼度(以mg/l之CaCO3計)。
2 實施例
本發明裝置-製備碳酸氫鈣之水溶液
一個根據本發明之裝置的一般程序流程圖展示於圖1中。裝置包含在內部具有50m2浸沒式膜(2)之反應槽(1)、具有投配螺桿進料器之碳酸鈣儲倉(13)及用於製備碳酸鈣懸浮液之容器(14)。
碳酸氫鈣溶液(9)產生於滲透物流中且此可用於增加另一流程之礦物質含量及鹼度。
給水由逆滲透系統獲得，產生具有以下水規格之水：
鈉：<1mg/l
氯：<2mg/l
鈣：8mg/l
鎂：<1mg/l
鹼度：12mg/l(呈CaCO3形式)
°dH：1.12
pH：6.9
電導率：24μS/cm
可使用上述裝置以以下方式產生碳酸氫鈣溶液：最初用5.0wt%碳酸鈣懸浮液將反應槽(1)填充至覆蓋浸沒式膜之表面的限定體積，該體積藉由反應槽中之液位量測(11)測定。鼓風機開始自反應槽(1)之頂部向位於浸沒式膜(2)底部處之擴散器再循環空氣量(5)以確保均質懸浮液維持在反應槽(1)內且為浸沒式膜(2)提供一定清潔作用。以每小時約200次之速率再循環空氣量(5)。在空氣流中在(4)處添加控制量 之二氧化碳。負載有二氧化碳之再循環空氣自反應槽(1)之底部向頂部經過浸沒式膜(2)而產生擾流，且二氧化碳自空氣流傳送至碳酸鈣懸浮液，增加懸浮液內溶解二氧化碳之量。碳酸鈣與溶解二氧化碳之間的反應使得在反應槽(1)內形成鹼性碳酸氫鈣溶液。同時，將碳酸鈣自儲倉(13)添加至容器(14)中用於在容器(14)內製備碳酸鈣懸浮液。失重型螺桿進料器(loss-in-weight screw feeder)用於準確量測碳酸鈣之添加量。亦將水添加至槽及用於形成已知固體含量之均質懸浮液的混合器中。隨後將微粉化碳酸鈣懸浮液(16)以相當於經由與二氧化碳反應而溶解的碳酸鈣之量的速率轉移至反應槽(1)，以使得反應槽(1)內未溶解之碳酸鈣的總量保持恆定。經由浸沒式膜(2)自反應槽(1)提取過濾滲透物之水溶液S2(9)。
啟動預備單元
將天然碳酸鈣粉末(Millicarb®，來自法國奧爾貢(Orgon)Omya International公司，d 50=3μm)用作根據本發明裝置之預備設備中的起始物質。用900 l所製備之5wt%碳酸鈣粉末懸浮液填充反應器(1)，其由液位控制(11)執行。再循環空氣流(5)風扇開始以10m3/h經由擾流使膜再生。空氣流之超壓係藉由(6)量測。
實施例1：
為了產生高負載濃縮液(約250mg/l鹼度)，在1h內將99g二氧化碳(4)投配至再循環空氣流。在第一小時再循環時間結束時開始連續產生。在連續產生期間，將250mg/l碳酸鈣之懸浮液(16)添加至反應器(1)中以考慮到碳酸鈣在反應槽(1)內之連續溶解。同時，經由浸沒式膜(2)使用雙向投配泵以250mg/l碳酸氫鈣之濃度(量測為碳酸鈣)提取 澄清水溶液S2(9)。藉由反應槽(1)中之液位量測(11)及水溶液S2(9)之流量計量測(10)控制微粉化碳酸鈣懸浮液(16)與水溶液(9)之比率。比率之初始設置視可達成的膜通量率而定且量測為跨膜壓力(8)。藉由濁度量測(12)及滴定控制水溶液S2(9)之品質。
操作條件及水質結果在下表1及表2中給出。
與專利申請案EP 2 623 467 A1相比，使用根據本發明之裝置的以上方法具有更佳能效。根據EP 2 623 467 A1之表4，在4個不同試驗中由管狀膜模組(Microdyne-Module MD 063 TP 2N)產生35 l/h之滲透液。在此等試驗中，懸浮液以3200 l/h之速率以1.5巴壓力經由管狀模組循環而產生此滲透物流。產生此滲透液所需之液壓能量因此為：
液壓能量(W)=V×ρ×p
其中：
V=流體之流動速率(m3/s)
ρ=流體密度(kg/m3)
p=泵之出口靜壓力(kPa)
對於專利申請案EP 2 623 467 A1之實施例而言，具有以下輸入：
V=3 200 l/h=8.8e-04m3/s
ρ=1 000kg/m3(對於不含任何其他細節之水)
p=1.5巴=150kPa
W=8.888e-04×1000×150=133W
此產生平均54 l/h滲透液，且因此所產生的滲透液每立方公尺之功率消耗可計算為：功率/立方公尺=0.133kW÷0.035m3/h=3.8kW．h/m3
使用根據本發明之裝置且如圖1中所示，伴隨50kPa之壓力產生1250 l/h=3.47e-04m3/s之滲透液。
液壓能量因此計算為：液壓能量(W)=V×ρ×p=3.47e-04×1 000×50=17.4W
此產生平均1250 l/h滲透液，且因此所產生的滲透液每立方公尺之功率消耗可計算為：功率/立方公尺=0.0174kW÷1.25m3/h=0.014kW.h/m3
因此，伴隨本發明之比功率消耗(所產生之滲透液每立方公尺之功率)比專利申請案EP 2 623 467 A1之比功率消耗小超過270倍。
根據使用圖1所示之本發明裝置且由EP 2 623 467 A1所述的測試的CO2效率計算為： (水中之游離CO2+所投配之CO2)/CO2之分子重量：(最終鹼度-初始鹼度)/CaCO3之分子重量=(2+110)/44.01g/mol：(220-12)/100.08g/mol=2.54：2.08=1.22：1
根據用根據專利申請案EP 2 623 467 A1之裝置實施的測試之CO2效率展示為：110/44.01g/mol：170/100.08g/mol=2.5：1.7=1.47：1
本發明裝置-製備且投配碳酸氫鈣水溶液以增加淡化水之礦物質含量及含鹼量
一個根據本發明之裝置的一般程序流程圖展示於圖2中。裝置包含在內部具有50m2浸沒式膜(2)之反應槽(1)、產物儲槽(3)、具有投配螺桿進料器之碳酸鈣儲倉(13)及用於製備碳酸鈣懸浮液之容器(14)。
碳酸氫鈣溶液產生於水溶液S2(9)中且投配至主製程流(17)中以增加主製程流之礦物質含量及含鹼量。
給水由逆滲透系統獲得，產生具有以下水規格之水：
鈉：<1mg/l
氯：<2mg/l
鈣：8mg/l
鎂：<1mg/l
鹼度：12mg/l(呈CaCO3形式)
°dH：1.12
pH：6.9
電導率：24μS/cm
可使用上述裝置以以下方式在側製程流管線中產生碳酸氫鈣溶液：最初用5.0wt%碳酸鈣懸浮液將反應槽(1)填充至覆蓋浸沒式膜(2)之表面的限定體積，該體積藉由反應槽(1)中之液位量測(11)量測。鼓風機開始自反應槽(1)之頂部向位於浸沒式膜(2)底部處之擴散器再循環空氣量(5)以確保均質懸浮液維持在反應器(1)內且為膜提供一定清潔作用。以每小時約200次之速率再循環空氣量(5)。在空氣流中在例如位置(4)處添加控制量之二氧化碳。負載有二氧化碳之再循環空氣自反應器之底部向頂部經過浸沒式膜(2)而產生擾流，且二氧化碳自空氣流傳送至碳酸鈣懸浮液，增加懸浮液內溶解二氧化碳之量。碳酸鈣與溶解二氧化碳之間的反應使得在反應槽內形成碳酸氫鈣溶液。同時，將碳酸鈣自儲倉(13)添加至容器(14)中用於在容器(14)內製備碳酸鈣懸浮液。失重型螺桿進料器用於準確量測碳酸鈣之添加量。亦將水添加至容器(14)及用於形成已知固體含量之均質懸浮液的混合器中。隨後將微粉化碳酸鈣懸浮液(16)以相當於經由與二氧化碳反應而溶解的碳酸鈣之量的速率轉移至反應槽(1)，以使得反應槽(1)內未溶解之碳酸鈣的總量保持恆定。呈澄清濃縮碳酸氫鈣溶液形式的過濾滲透物之水溶液S2(9)用於經由雙向投配泵將鈣及碳酸氫鹽添加至主製程流(17)中。產物儲槽(3)亦用作緩衝器，其用於每10分鐘進行一次反洗工序。
啟動預備單元
將天然碳酸鈣粉末(Millicarb®，來自法國奧爾貢Omya International，d 50=3μm)用作預備設備中之起始物質。用900 l所製備之5 wt%碳酸鈣粉末懸浮液填充反應槽(1)，其由反應槽(1)中之液位量測(11)執行。再循環空氣流(5)風扇開始以10m3/h經由擾流使膜再生。空氣流之超壓係藉由(6)量測。
實施例2
為了產生高負載濃縮液(約250mg/l鹼度)，在1h內將99g二氧化碳(4)投配至再循環空氣流。在第一小時再循環時間結束時開始連續產生。在連續產生期間，將250mg/l碳酸鈣之懸浮液(16)添加至反應器(1)中以考慮到碳酸鈣在反應槽(1)內之連續溶解。同時，經由浸沒式膜以250mg/l碳酸氫鈣之濃度(量測為碳酸鈣)提取澄清水溶液S2(9)且經由雙向投配泵經由產物儲槽(3)排放於主流(17)中。藉由反應槽(1)中之液位量測(11)及流量量測(10)控制微粉化碳酸鈣懸浮液(16)與水溶液S2(9)之比率。比率之初始設置視可達成的膜通量率而定且量測為跨膜壓力(8)。藉由水溶液(9)中之濁度量測(12)及滴定控制水溶液S2(9)之品質。經由摻合水流之pH(18)、電導率(19)及滴定量測第一摻合物之品質。
操作條件及品質結果在下表3及表4中給出。
本發明裝置-製備且投配碳酸氫鹽水溶液隨後進行pH調整以增加淡化水之礦物質含量及含鹼量且使其在其飽和指數方面穩定
一個根據本發明之裝置的一般程序流程圖展示於圖3中。裝置包含在內部具有50m2浸沒式膜(2)之反應槽(1)、產物儲槽(3)、具有投配螺桿進料器之碳酸鈣儲倉(13)及用於製備碳酸鈣懸浮液之容器(14)及氫氧化鈣儲槽(20)及投配系統。
碳酸氫鈣溶液產生於水溶液S2(9)中且投配至主製程流(17)中以增加主製程流(17)之礦物質含量及含鹼量。投配碳酸氫鈣溶液之後將呈5.0wt%且具有高純度之氫氧化鈣懸浮液投配(21)主製程流(17)中以形成最終經處理之水流(24)之所需最終水質。
將給水提供於所有製程流中，給水由逆滲透系統獲得，產生具有以下水規格之水：
鈉：<1mg/l
氯：<2mg/l
鈣：8mg/l
鎂：<1mg/l
鹼度：12mg/l(呈CaCO3形式)
°dH：1.12
pH：6.9
電導率24μS/cm
可使用上述裝置以以下方式在側製程流管線中產生碳酸氫鈣溶液：最初用5.0wt%碳酸鈣懸浮液將反應槽(1)填充至覆蓋浸沒式膜(2)之表面的限定體積，該體積藉由反應槽(1)中之液位量測(11)量測。鼓風機開始自反應槽(1)之頂部向位於浸沒式膜(2)底部處之擴散器再循環空氣量(5)以確保均質懸浮液維持在反應槽(1)內且為浸沒式膜(2)提供一定清潔作用。以每小時約200次之速率再循環空氣量。在空氣流中添加控制量之二氧化碳(4)。負載有二氧化碳之再循環空氣自反應槽(1)之底部向頂部經過浸沒式膜(2)而產生擾流，且二氧化碳自空氣流傳送至碳酸鈣懸浮液，增加懸浮液內溶解二氧化碳之量。碳酸鈣與溶解二氧化碳之間的反應使得在反應槽(1)內形成碳酸氫鈣溶液。同時，將碳酸鈣自儲倉(13)添加至容器(14)中用於在容器(14)內製備碳酸鈣懸浮液。失重型螺桿進料器用於準確量測碳酸鈣之添加量。亦將水添加至槽及用於形成已知固體含量之均質懸浮液的混合器中。隨後將微粉化碳酸鈣懸浮液(16)以相當於經由與二氧化碳反應而溶解的碳酸鈣之量的速率轉移至反應槽(1)，以使得反應槽(1)內未溶解之碳酸鈣的總量保持恆定。呈澄清濃縮碳酸氫鈣溶液形式的過濾滲透物之水溶液S2(9)用於經由雙向投配泵將鈣及碳酸氫鹽添加至主製程流(17)中。產物儲槽(3)亦用作緩衝器，其用於每10分鐘進行一次反洗工序。第二投配泵用於在例如位置(21)處將儲槽(20)中所儲存的氫氧化鈣懸浮液添加至主製程流(17)中。
啟動預備單元
將天然碳酸鈣粉末(Millicarb®，法國奧爾貢Omya International，d 50=3μm)及氫氧化鈣懸浮液(Schäferkalk，Precal 72，20wt%濃度水溶液)用作預備設備中之起始物質。Schäferkalk產品(Precal 72)為高度反應性20wt%氫氧化鈣懸浮液，為了有效泵送，其已稀釋至5wt%(21)且直接投配至最終經處理之水流(24)中。用900 l所製備之5wt%碳酸鈣粉末懸浮液填充反應槽(1)，其由反應槽1中之液位量測(11)執行。再循環空氣流(5)風扇開始以10m3/h經由擾流使膜再生。空氣流之超壓係藉由(6)量測。
實施例3：
為了產生高負載濃縮液(約250mg/l鹼度)，在1h內將99g二氧化碳(4)投配至再循環空氣流。在第一小時再循環時間結束時開始連續產生。在連續產生期間，將250mg/l微粉化碳酸鈣懸浮液(16)添加至反應槽(1)中以考慮到碳酸鈣在反應槽(1)內之連續溶解。同時，經由浸沒式膜(2)以250mg/l碳酸氫鈣之濃度(量測為碳酸鈣)提取澄清水溶液(9)且經由雙向投配泵經由產物儲槽(3)排放於主製程流(17)中。藉由反應槽(1)中之液位量測(11)及水溶液S2(9)之流量量測(10)控制微粉化碳酸鈣懸浮液(16)與水溶液S2(9)之比率。比率之初始設置視可達成的膜通量率而定且量測為跨膜壓力(8)。藉由濁度量測(12)及滴定控制水溶液(9)之品質。經由pH(18)、電導率(19)及滴定量測第一摻合物之品質。為了達至最終處理流(24)之朗格利爾飽和指數為0的所需最終水質，亦將來自槽(20)之氫氧化鈣懸浮液(21)投配至最終經處理之 水流(24)中。
操作條件及水質結果在下表5及表6中給出。
3 根據圖1在膜方解石反應器(Membrane Calcite Reactor；MCR)內使用陶瓷膜之實施例
3.1 設備
將以下設備用於測試：
●「膜方解石反應器」(MCR)，其由以下各者組成：
○最大體積為75 l且具有所需連接件之長方體PVC反應器，
○安裝在反應器內部的膜面積為0.828m2之Cembrane SiCFM-0828碳化矽浸沒式膜模組。
Cembrane SiCFM-0828碳化矽為陶瓷膜。一種用於製造適合於本發明之陶瓷膜的方法描述於例如EP 3 009 182 A1中。專利申請案EP 3 009 182 A1之內容因此以引用之方式併入本文中。
○密封反應器之封蓋，
○用於液位控制之儀器
○用於監測壓力，尤其跨膜壓力(Trans-Membrane Pressure；TMP)之儀器，
●鼓風機系統，其經配置使得其形成鼓風機再循環迴路，其由以下各者組成：
○藉由變速驅動機運作之鼓風機，
○自反應器頂部(連接至封蓋)連接至鼓風機之進料管道
○連接至浸沒式膜單元底部處之擴散器歧管的排放管道，
●經由膜提取濃縮溶液之滲透泵，其由以下各者組成：
○藉由變速驅動機運作之泵，
○量測流動速率之流量計，
●二氧化碳投配系統，其由以下各者組成：
○二氧化碳瓶
○將50巴之瓶壓力降低至5巴的壓力調節器
○調節且量測二氧化碳之投配的質量流量計及控制閥
○至鼓風機排放管道之投配連接件
●漿料減小(Slurry Make-Down；SMD)系統，其由以下各者組成：
○具有電混合器及槽液位儀器之漿料減小(SMD)槽，
○對槽之給水供應器，其經控制以維持槽內液位
○失重型投配進料系統，用以將需要量之微粉化碳酸鈣準確添加至SMD槽中，
○向失重型進料器供應微粉化碳酸鈣的漏斗，
○漿料進料泵，其將SMD槽中所產生之碳酸鈣懸浮液投配至75 l反應器，
○連接漿料進料泵與1800 l反應器之投配軟管
●控制系統，其發揮以下功能：
○控制滲透泵以達成所需流動速率
○控制漿料進料泵以確保反應器液位保持恆定
○使鼓風機以所需速度運作。
3.2 工序：
使用以下工序運作試驗：
1. 根據下文提供之設置，用水及投配至槽中之碳酸鈣填充SMD槽以產生懸浮液S1。
2. SMD控制器置放成自動模式以使得當自槽提取懸浮液時，水將持續補給於SMD槽中，且將持續投配碳酸鈣以確保產生具有3.3章節中所提供之濃度的恆定懸浮液。
3. 將50 l含有1%微粉化碳酸鈣懸浮液S1供應至75 l反應器(膜方解石反應器)中。在該過程期間，反應器補給有微粉化碳酸鈣懸浮液S1以確保連續方法。
4. 封閉反應器之封蓋且確保密封。
5. 向鼓風機供能以進行運作，保持微粉化碳酸鈣處於懸浮液S1中。
6. 根據章節3.3中所提供之設置，將二氧化碳投配至鼓風機再循環迴路中。
7. 以設定速度運作滲透泵以提供所需流動速率且自反應槽提取澄清溶液S2。根據章節3.3中所提供之設置改變泵速度以達成一系列流動速率。
8. 以設定速度運作漿料進料泵以確保反應槽內之液位保持恆定。
9. 藉由上述方法針對以下水質分析由滲透泵提取的濃縮溶液S2之樣品：
a. 鹼度(以mg/l為單位)
b. 總硬度(以mg/l為單位)
c. 酸度(呈mg/l CO2)
d. pH、電導率、溫度及濁度
記錄下各試驗之操作設置，包括流動速率、TMP、溫度。
3.3 測試設置
在試驗期間使用以下測試設置：
3.4 量測結果
表8中所提供之結果證實可藉由使用陶瓷膜作為至少一個浸沒式膜模組來達成高通量率(達至845 lmh)，且此外，此等高通量率係藉由穩定且幾乎恆定之跨膜壓力(TMP)值達成。相對於TMP(連同溫度)標準化通量率以產生膜之滲透率值。在整個通量率範圍內，呈至少一個浸沒式膜模組形式的陶瓷膜之滲透率值相當恆定。如自表8可見，在此方法中，呈至少一個浸沒式膜模組形式的陶瓷膜之滲透率在1100至1790 lmh/bar範圍內。
此外，浸沒式膜模組的使用使鼓風機之運作產生較低比能量消耗。
79m2膜面積之陶瓷膜塔的最大鼓風機氣流速率為150Nm3/hr。使用顯示可達成800 lmh之穩定通量率的測試結果，隨後此類塔可產生800 lmh×79m2=63.2m3/hr之流動速率。相對於最大鼓風機氣流速率標準化此流動速率，隨後可顯示，比流動速率(每Nm3/hr之鼓風機空氣的流動速率)為每Nm3/hr鼓風機空氣0.421m3/hr滲透物。
除了以上益處以外，試驗亦證實可藉由使用至少一個浸沒式膜模組達成低至4分鐘之極低接觸時間。
結論：在再礦化方法中使用陶瓷膜作為至少一個浸沒式膜模組的試驗證實可在穩定操作期間達成較高通量率。較高通量率使得由鼓風機導致之比能量消耗降低且降低方法之接觸時間，使方法之總覆蓋面積降低，其對於大規模淡化方法至關重要。此外，升高的膜模組之滲透率可跨越膜模組提供減小之壓力下降且因此降低其中能量成本具有至關重要性的應用之能量消耗。

Claims (18)

  1. 一種用於製備包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水溶液的裝置，該裝置包含a)提供水之製程流管線，b)至少一個投配單元，其適合於將含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料投配至該製程流管線中所提供的水之至少一部分中，以獲得包含含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料的水性懸浮液，c)至少一個構件，其適合於將CO2或pKa值<5之酸投配至該製程流管線中所提供的水之至少一部分或包含含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料的該水性懸浮液中，以獲得包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水性懸浮液S1，及d)藉由入口連接至該至少一個製程流管線之容器，其中該容器i)經配置使得至少一個浸沒式膜模組位於該容器中以藉由使該水性懸浮液S1通過該至少一個浸沒式膜模組來過濾該水性懸浮液S1之至少一部分，以便獲得包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水溶液S2、ii)包含至少一個出口，其用於自該容器釋放包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之該水溶液S2、及iii)包含再循環構件，其經配置使得空氣或製程流體跨越該至少一個浸沒式膜模組之表面的至少一部分自該至少一個浸沒式膜模組及/或該容器之底部向頂部方向再循環，其中該至少一個構件c)連接至該等再循環構件，該等再循環構件適合於使空氣或製程流體跨越該至少一個浸沒式膜模組之表面的至少一部分自該至少一個浸沒式膜模組及/或該容器之底部向頂部方向再循環。
  2. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該至少一個投配單元i)連接至用於固體材料之儲存容器，及/或ii)經配置使得該含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料直接投配至該製程流管線中所提供之水中，或iii)連接至適合於製備包含含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料的水性懸浮液之容器，其中該容器藉由入口連接至該製程流管線以引入該製程流管線中所提供之水，且藉由出口連接至該製程流管線以用於釋放包含含至少一種鹼土金屬碳酸鹽之材料的該水性懸浮液，或iv)連接至該容器。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項之裝置，其中該容器為反應槽。
  4. 如申請專利範圍第1項或第2項之裝置，其中該至少一個構件c)i)經配置使得該CO2或pKa值<5之酸直接投配至該製程流管線中所提供之水中，或ii)連接至適合於製備包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水性懸浮液S1之容器，其中該容器藉由入口連接至該製程流管線以引入該製程流管線中所提供之水，且藉由出口連接至該製程流管線以用於釋放包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之該水性懸浮液S1。
  5. 如申請專利範圍第1項或第2項之裝置，其中該至少一個浸沒式膜模組a)具有<1μm之孔徑，及/或b)具有
    Figure TWI631081B_C0001
    10l/(m2h)之通量，及/或c)是陶瓷、聚合物或其他合成材料的。
  6. 如申請專利範圍第1項或第2項之裝置，其中該至少一個製程流管線包含一或多個主製程流管線。
  7. 如申請專利範圍第6項之裝置，其中該至少一個製程流管線包含兩個主製程流管線。
  8. 如申請專利範圍第7項之裝置，其中該至少一個投配單元位於該主製程流管線之側分支中。
  9. 如申請專利範圍第7項之裝置，其中該主製程流管線之主分支及該主製程流管線之側分支經配置使得其在該容器上游合併在一起。
  10. 如申請專利範圍第1項或第2項之裝置，其中該至少一個製程流管線包含一個主製程流管線及一或多個側製程流管線。
  11. 如申請專利範圍第10項之裝置，其中該至少一個製程流管線包含一個主製程流管線及兩個側製程流管線。
  12. 如申請專利範圍第10項之裝置，其中該至少一個投配單元位於該側製程流管線中，或位於該側製程流管線之側分支(若存在)中。
  13. 如申請專利範圍第10項之裝置，其中該側製程流管線之主分支及該側製程流管線之側分支經配置使得其在該容器上游合併在一起。
  14. 如申請專利範圍第10項之裝置，其中該主製程流管線及該側製程流管線經配置使得其在該容器下游合併在一起。
  15. 如申請專利範圍第10項之裝置，其中該裝置包含該容器下游之鹼投配構件，其用於將鹼引入至包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之該水溶液S2中。
  16. 如申請專利範圍第10項之裝置，其中該裝置包含鹼投配構件，其用於將鹼引入至該側製程流管線及主製程流管線合併在一起處之下游的該主製程流管線中。
  17. 一種如申請專利範圍第1項至第5項中任一項之裝置之用途，其用於製備包含至少一種鹼土金屬碳酸氫鹽之水溶液。
  18. 一種如申請專利範圍第1項至第14項中任一項之裝置之用途，其用於使水礦化及/或穩定化。
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