[发明专利]用于净化水的方法和设备

说明书

技术领域

本发明总体涉及用于净化水的方法和设备，特别涉及控制自来水中的离子的浓度。

背景技术

自来水不是化学上的纯净的H₂O。主要附加成分是分别由通过石灰石(方解石)和咸岩层(岩盐)的地下水渗透导致的碳酸氢钙和氯化钠。虽然这些成分不造成健康风险(至少，在正常浓度中，例如，在荷兰，碳酸氢钙的浓度可以处于160ppm的量级并且氯化钠的浓度可以处于80ppm的量级)，但是存在与所述成分的出现相关联的缺点，并且因此期望能够控制(特别是降低)它们的浓度等级。

污垢是一个问题。对于例如咖啡机、开水壶、蒸汽熨斗和空气加湿器，碳酸氢钙是大规模沉积污垢的主要来源。最小化碳酸氢钙浓度将使消费者非常高兴，因为这避免必须清洁这些设备的周期性负担。

味道是一个问题。即使少数的矿物质对于味觉也有很大影响。例如氯化钠的水平确定自来水的咸度。对于消费者而言水的味道是决定是否饮用它的重要因素。即使自来水的质量极其好，人们也仍然倾向于饮用瓶装水。但是与自来水相比，瓶装水相对昂贵，并且与自来水相比瓶装水的制造涉及更高的能源消耗(1000倍的量级，因为其中包括瓶子制造、运输和冷却)。注意到消费者具有个人的味道偏好，并且在自来水成分和味道上存在很大的区域差异。因此，为了影响自来水的味道以使得消费者可以从瓶装水转到自来水，重要的是能够控制自来水中的矿物质水平，并且优选地是能够给予各个消费者一个工具以便他可以使自来水的味道适应他的个人偏好。进一步期望该控制过程非常有效。例如一个特定品牌的瓶装水具有大约3ppm的Na⁺离子浓度，而Na⁺离子的检测阈值大约是2ppm：这意味着期望的是大约95％或更高的除去效率。

已经建议了根据不同原理来进行操作的用于降低水中的矿物质浓度的技术。通常，这些常规的水净化技术具有功率消耗高并且生成废物的缺点。

在这里要提及的第一个常规的水净化技术是蒸馏，蒸馏涉及首先将水煮沸以产生蒸汽(排除大部分矿物质)并且随后接触冷却表面，其中蒸汽在该冷却表面再次凝结成液体。虽然该过程的效率很好(接近100％)，但是该过程需要大量能量：可以显示出对于能量回收不可行的紧凑单元而言能量消耗大约是600Wh/L。

在这里要提及的第二个常规的水净化技术是反渗透，反渗透涉及使用高压(＞10巴)来迫使水通过具有小孔的薄膜过滤器以排除矿物质。与蒸馏相比，能量消耗显着地更低但是仍然很高(每升输出＞4Wh)，并且效率通常是大约90％。一个重要的缺点在于需要相当大的废水流(通常是输入的50％)以避免薄膜的堵塞。另外，应该定期地替换薄膜。对于除垢应用，矿物质除去的90％的效率是足够的，但是对于鲁棒的味道控制，将需要翻倍的流通，代价是进一步降低的效率(12Wh/L的能量消耗以及75％的废水)。

两个讨论的净化技术在概念上将它们的精力集中于H₂O的大多数。相反，利用在水中少数的矿物质被离子化的事实，用电场能够有效地把少数的矿物质作为目标。该技术的实例是连续电除盐和电容式除盐。

在连续电除盐中，将由离子选择性薄膜隔离并且用离子交换树脂部分填充的平行流的层叠电转换成净化流和浓缩废水流。这个净化技术(通常作为反渗透之后的最终清理步骤)可以产生最高标准的超纯净水并且具有杰出的效率(0.4Wh/L能量消耗并且仅5％的废水)，但是，由于薄膜和树脂的高成本，对于消费者使用而言遥不可及。

在电容式除盐中，通过在(由多孔碳制造的)两个平行板电极上电气捕获进入流的离子来净化进入流。在批流程中操作该技术，在除盐和再生阶段之间交替。在电极充满被吸收的离子之后，在再生阶段中除去电场并且离子逐渐从电极扩散到废水流中。该技术的缺点在于该再生阶段缓慢并且不完整。因此废水流可能高(＞20％)，并且将限制电极的寿命(由于生物污损)。在US-2008/0198531中提出了该技术的一个实例。

WO-2008/082696公开了一种被指示为“微小规模电容式除盐”的电气水净化技术。在该技术中，水流受到由沿水通道布置的电极施加的横向电场。离子被吸引到充电电极，因而在流的中心的离子浓度降低并且在靠近电极的流的外区域中的离子浓度增加。在通道的某些长度之后，中心流部分与外流区域分离，中心流提供具有降低的离子浓度的输出并且外流区域提供具有增加的浓度的废水流。该技术看起来完全没有吸引力：根据该公开中的信息，需要非常高的电压(2.5到10kV的量级)，功率消耗非常高(对于50mL/hr而言是750W，对应于15kWh/L)，并且离子净化性能非常差(大约3％)。