[发明专利]防垢水处理系统与方法

说明书

技术领域

本发明涉及防垢水处理系统与方法。该系统通过向供水系统中的水中释放少量转化剂来抑制供水系统中的硬水垢形成。该转化剂引导水中的碳酸钙结晶为文石形式。

背景技术

来自天然存在来源的水包括多种矿物和物质，如碳酸钙（CaCO3）和碳酸镁。CaCO3在水中的溶解度随着温度上升而降低，由此当用热水器加热水或水简单地由冷的室外管道进入温暖的建筑物时，CaCO3会结晶为“方解石”（也称为石灰石）。

方解石是致密且块状的，并可以通过沉积在例如管道内部和其它管子附件、热水器、淋浴头、洗碗机和传输或使用水的系统（供水系统）中的其它表面上将诸如铁、镁和锰的金属结合到其晶体结构中，形成硬水垢。包含其他金属通常令硬水垢具有橙棕色。硬水垢牢固地粘附到表面上，难以去除。硬水垢沉积和累积会产生许多问题，包括减少热水器使用年限、在供水系统连接处产生泄露、以及例如通过改变和收窄管道内部并堵塞供水系统组件而限制水流。

控制硬水垢及其效果的一种方法是物理去除水垢，如用酸或磷酸盐处理。另一种方法是向流动的水中加入方解石纳米晶体晶种。

方解石纳米晶体充当引发晶体在流动的水流中而不在管道表面上生长的成核位点。其它设备试图通过用离子交换树脂除去有助于硬水垢的矿物质来防止硬水垢沉积。但是，所有这些处理有它们自己的难处。例如，离子交换树脂通常用盐来再生，因而必须使用大量的盐。

抑制硬水垢累积的另一种方法是引导CaCO3形成称为“文石”的不常见的晶形。文石具有薄的、脆的、针状形态，并且通常不会将金属混入其结晶基体中。文石水垢也称为“软水垢”，其特征是纯白色、柔软或绒毛状外观，且与硬水垢相比更容易从表面上机械去除，例如通过洗擦或通过流动的水流。软水垢不会像硬水垢那样轻易或顽固地沉积在供水系统中。引导朝向文石的水垢形成通过使水硬度的显著组分穿过供水系统而不形成硬水垢来抑制硬水垢累积。

一些水垢抑制设备使用锌引导CaCO3结晶成文石。“锌阳极”设备以两种不同电负性的金属之间的原电池形式运行：牺牲阳极（锌）和受保护阴极（如铜管）。在使用中，锌阳极设备将锌释放到硬水流中以引导碳酸钙成为文石形式。但是，锌阳极系统在使用中存在显著问题。释放的锌的量随着水的组成、pH和温度以及以阳极与之保持电接触的管道形式（通常为铜）存在的“阴极”多大而变化巨大。锌释放过低会无法提供有效的防垢性能，而释放过高对摄入而言不安全。水污染物如H2S与铜发生强烈反应，导致锌阳极的快速牺牲。此外，保持数千克电极与房屋的管道系统的电接触会有问题。铅也通常作为污染物与锌一起存在，并会通过锌阳极设备释放到水中（或许以显著的量）。

引导文石形成而不具有这些困难的防垢水处理系统（也称为“防垢系统”）是硬水垢问题的理想解决方案。此类系统将优选提供对现有防垢系统问题的安全、经济和简单的解决方案。

发明概述

本发明部分涉及用于抑制供水系统和暴露于流动水的设备中的硬水垢形成的防垢水处理系统。该防垢水处理系统包括进水口、出水口和进水口与出水口之间的防垢转化介质（“转化介质”）。所述转化介质包含约5-97重量%的在水中具有低溶解度的转化剂和约3-95重量%的粘结剂的组合。所述转化介质任选包含添加剂。在使用时，原水（经受本发明的防垢处理的水）流经所述进水口，随后流经所述转化介质，并最终流经出水口，重新加入供水系统中的水或进入供水系统或最终使用设备。

本发明还涉及一种转化介质，例如为颗粒、团块或纤维形式、或其组合。所述转化剂在水中的低溶解度避免了向流动水中释放过量的转化剂，并允许水流经所述转化介质时由转化介质缓慢的、基于平衡的释放。优选地，该转化剂是氧化锌（ZnO）或碳酸锶（SrCO3）。本发明的转化介质是静态的、方便使用的、持久的、制备经济的并且更可靠的，与例如在铜管或高H2S含量水的存在下的锌阳极系统相比更少变化。在一个优选实施方案中，本发明的转化介质颗粒具有高体积密度，有助于其耐久性和持久性能。制备和使用本发明的系统的方法也是本发明的一部分。

附图概述

图A显示了方解石和文石的扫描电子显微镜照片（SEM）。

图B显示了方解石、文石、硬水垢和其它物质的能量色散X射线光谱法（EDX）分析。

图C显示了ZnO粉末与80重量%/20重量%的ZnO/NaSiO2颗粒的XRD图谱。

图D显示了来自现有系统与本发明的介质的各种状态的防垢水测试的数据。

图E显示了放大5,000倍的暴露于流动水之前与之后的ZnO颗粒的SEM显微照片。