专利名称：纳米过滤水软化设备和方法
本申请以美国Cargill公司的名义在7月19日被立案为PCT国际专利申请，范围指定为美国以外的所有国家，并对2001年7月20日立案的美国专利申请09/909,488号拥有优先权本发明的领域本发明的目标为水处理的设备和方法，特别是中等规模供水系统所使用的饮用水软化设备和方法。
背景含有高浓度钙、镁离子的水被称为“硬水”，因为这两种离子能与其他离子和化合物结合而形成一层硬而讨厌的水垢。在美国有数百万户家庭的供水源是硬水，特别是那些使用地下水作水源的家庭。私人居住用井是硬水的主要来源，依靠地下水源的市政供水也是这样。硬水能在落水洞和水塘周围造成讨厌的膜层。硬水能在衣服上形成沉积，造成褪色并减少织物的柔顺性。而且，某些肥皂和洗涤剂对硬水不能很好工作。在这种情况下，不舒服的或难看的皂膜可被留在洗过的人身或物件上。
移走“硬”离子来减少硬水的软水装置(“软水器”)被研制开发。大多数家用软水器采用的离子交换技术能较好地移走硬离子并用“软离子”钠来替代。这种软水器系统典型地包括一种树脂材料、一个提供钠源以便使树脂再生的盐水槽、在使用和再生时用来导引水流使它通过软化器的液压控制。在软化周期开始时钠离子占据树脂的各个交换点。当水流动通过树脂时，由于树脂对硬离子的吸引力较强使树脂吸收硬离子而放弃其钠离子。铁、钙和镁被认为是硬离子，只要它们在溶液内，它们一般能被移走。但离子交换一般不能移走悬浮的物质。
估计单是在美国每年就可销售一百万台水软化器，而消耗在盐上的费用有数亿美元。在所有私人家庭中约百分之7到12的家庭都有水软化器。水软化器的使用率在农村比在城市高，估计有百分之三的市区住户使用水软化器。这些水软化器主要装在供水源来自地下水的家庭和小商铺中。
虽然离子交换软化器对许多用途是适宜的，但它们具有明显的限制。特别是离子交换的水软化时由于要排放盐水会造成排放水内盐分的净增加。这个排放盐分的净增加在实行限制盐水排放规定的地区可能成为问题。在利用排放水进行农田灌溉而不希望有过多的盐分添加到所灌溉土地内的地区往往有这种规定。此外，离子交换过滤器需要定期更换钠盐使树脂重新充满活力，而购置钠盐需要相关的维护费用。
有鉴于上述与硬水有关的值得注意的问题和现有水软化器的限制，因此需要有改进的水软化系统。
本发明的综述本发明的目标是软化水的设备和方法，特别是不会将离子添加到废水流内的软化水的设备和方法。该设备使用至少一个纳米过滤器元件来移走硬离子，特别是大离子(如同钙和镁的二价离子)以资使水软化而不会将盐添加到废水流内。
按照本发明制造的水软化器一般包括至少一个纳米过滤器元件，该元件被设计成具有一股输入水流和两股排放水流。输入水流接受供饮用的硬水将它区分成两股排放水流，即包括一部分输入水流的渗透水的第一输出水流，和包括输入水流其余部分的非渗透水的第二输出水流。至少一部分渗透水的输出水流具有比非渗透水的输出水流低的硬度。
纳米过滤的过滤器元件典型地具有这样一个平均的孔眼大小，可供水和大多数单价离子通过，但基本上能阻止大多数二价离子通过。该设备被有效地构造使它与输入水流相比不会增加总的含盐量。这样，该软化设备不会将离子添加到水流中，而是会从输入水流中移走至少某些离子并将它们排放到抛弃的非渗透水的输出水流内。现有各种不同的纳米过滤的过滤器元件可以适用于本发明，包括那些含有带正电薄膜的过滤器元件。
本发明适宜用来在较低的压力下以足够高的流率生产软化水来满足一般居家对水的需要。按照本发明制造的水软化器能在小于每方英寸200磅的压力下生产出适用的持续水流。按照本发明设计和配置的具体实施例所提供的设备在24小时的期间内能有200加仑或更多的渗透水的输出水流。该软化设备一般也是高效率的，能够生产出含有大于80％输入水流的渗透水的输出水流。在某些实施例中渗透水的输出水流含有大于85％的输入水流，而在还有其他一些实施例中渗透水的输出水流含有大约90％的输入水流。渗透水的输出水流一般例如可有每加仑3.5格林(grains)以下的硬度。本发明非常适宜将通常由市政供应的或由居家井汲出的、包括饮用水在内的输入水流处理成为合适的饮用水。
本发明还有一个目标是软化水的方法。该方法一般包括提供至少一个纳米过滤的过滤器元件，该过滤器元件被设计和配置成可接受一股硬水的输入水流；排放渗透水的第一输出水流，该输出水流为流动通过纳米过滤的过滤器的部分输入水流；并排放非渗透水的第二输出水流，该输出水流为不能流动通过纳米过滤的过滤器的部分输入水流。渗透水的输出水流具有比非渗透水的输出水流低的硬度。
附图本发明的实施例在下面的说明中列出并用附图示上。在所有附图中相似的标号指相似的部分。
图1和2分别画出水流通过按照本发明构造和配置的水软化装置的两个实施例的略图。
本发明容易作出各种修改和替代形式。但应知道，本文举出两个实施例的用意并不是要将本发明限制在这两个实施例内。相反地，本发明应覆盖在下面的详细说明中所说明和在权利要求中所限定的本发明的创意和范围内的所有修改、等效物和替代。
本发明的详细说明本发明的目标是软化水的设备和方法，特别是不会将离子添加到废水流内。
A.系统概述本发明的设备一般包括至少一个纳米过滤的过滤器元件，该过滤器元件被设计和配置成可接受一股硬水的输入水流，并排放出属于输入水流第一部分的渗透水的输出水流和属于输入水流第二部分的非渗透水的输出水流。至少一部分渗透水的输出水流具有比非渗透水输出水流低的硬度。
图1为本发明第一个实施例的通用略图。饮用水10被供入(如从居家井中汲取)并任选地被一个或多个预过滤器12(如沉淀、通氯气、铁或生物过滤器)处理。此后让水流动到一纳米过滤薄膜单元14内，该单元含有至少一个纳米过滤元件，可接受饮用水的输入而将输出分为两部分，一部分为渗透水能够流动通过过滤器薄膜，另一部分为非渗透水不能流动通过过滤器薄膜。渗透水16为软化水随后被排放到使用点。非渗透水20为与二价硬离子一起不能通过纳米过滤薄膜的水，随后被抛弃如排放到下水道内或被使用到硬离子不会发生问题的用途上。
图2为本发明第二个实施例的通用略图。该例与第一实施例相似，只是包括部分非渗透水的再次往回循环通过纳米过滤薄膜单元。饮用水10被供入并可任选地被一个或多个预过滤器12处理。此后该水流动到一纳米过滤薄膜单元14内。该薄膜单元含有至少一个纳米过滤元件可接受饮用水的输入，并将它区分为渗透水和非渗透水然后输出。渗透水16为软化水，随后被排放到使用点18。非渗透水20为与二价硬离子一起不能通过纳米过滤薄膜的水。这种水20的一部分可被返回到纳米过滤薄膜单元14内循环，增添的水可流动通过纳米过滤薄膜来增加水的回收。这股再循环的水可流动通过该水原先曾流动要通过的同一个纳米过滤元件，或者可流动通过第二个不同的纳米过滤元件来增加水的回收。未被再循环的非渗透水20被抛弃22。
在大多数实施例中，只使用一个纳米过滤元件。但也可能使用平行配置的多个纳米过滤元件来增加流率、延长纳米过滤元件的操作周期、或可使用较小的单个元件。或者可能使用串联的多个纳米过滤元件。在这种实施例中，输入水流顺次通过两个或多个纳米过滤元件来提供合适的离子移走率和流率。这种设备可以是有效的，因为它们可以使用离子剔除率软低的过滤器。
本发明特别适宜安装在设有单一水分配管网的现有住宅内，这样该住宅可不必因为水的硬度不同而设置不同的水分配系统。已知水软化装置能产生两种水的输出供住宅内使用，一种是硬水，另一种是软化的水。但要将两者区分使用，就要对用户的供水进行大范围的重新设计，结果常会使系统内使用的硬水比输入的水还要硬。这种系统不好，因为在一个住宅内分开软、硬水的供应有困难，而且使用硬度比输入水还要高的硬水会带来各种问题。此外，在本发明的大多数实施例中，并不需要使用再循环水箱或部分过滤水的保持箱，而是将非渗透水排放到废水流内。
B.纳米过滤元件各种纳米过滤元件可被用于本发明。过滤元件应能在较低的压力下适宜用来软化硬水，而有适当高的流率和回收率。这样，并不是所有的纳米过滤元件都能提供合适的硬离子剔除率、水的流率、和水的回收率。合适的纳米过滤元件将在下面较详细地说明。
一般地说，适宜用于本发明的纳米过滤元件应具有二价离子的高剔除率和在较低的压力下有足够的水流通过纳米过滤元件，以资得到能满足大多数住户需要的足够高的水的流率和回收率。所说二价离子包括多种硬离子如钙和镁。所说流率意为通过过滤器的平均高峰流率。所说回收率意为在进入水软化器内的输入水的数量中回收成软化水的百分比。虽然这些具体参数就个别言都是重要数据，但为了能给居家和小商业提供适用的水软化器，这些参数的组合尤其重要。
纳米过滤元件典型地具有一个平均的孔眼大小使它允许水和一价离子通过，但基本上不让二价离子特别是与水的硬度有关的二价离子通过。虽然各种离子都可用来测量剔除率，但钙离子是一种合适的离子可用来进行这种测量。在操作条件下，适用于本发明的典型的纳米过滤器元件通常能将80％以上的钙离子限制住不让它们移动通过过滤器元件。较合适的过滤器元件能将85％以上的钙离子限制住。更合适的过滤器元件甚至能有90％以上的钙离子剔除率。纳米过滤元件必须能通过水的足够大的流量。典型地通过纳米过滤元件的水的流量至少为每小时每平方米过滤器薄膜75公升(1mh)。
合适的纳米过滤元件典型地具有一个分子量过滤的临界直径或隔断直径为20到500，更常见为100到400，最常见为200到300。这里所使用的过滤临界或过滤隔断(以分子量表示)一词是按过滤测量中的习惯用法，指以高比率被隔断的材料分子量的范围。但分子量在这临界范围内的材料一般仍有少量会移动通过这个薄膜。另外，分子量在这临界范围之外的材料也能以较高比率被隔断在薄膜之外，但隔断率一般比在临界范围内的低。使用具有较高分子量隔断的过滤器能够增加水的流量。这样当过滤元件的分子量临界范围为200到300时，既可有足够的钙离子被排除，又可有合适的水量通过薄膜。
设备被有效地构造使它基本上不会增加输入水流中的总盐量。这个软化设备不仅不会将离子添加到水流内，而是会从水流中至少移走某些离子，将它们排放到输出水流内。有各种不同的纳米过滤元件适用于本发明，包括那些含有带正电薄膜的元件，因为这种薄膜一般能抗拒带正电的二价硬离子并限制它们通过薄膜。
纳米过滤元件的尺寸一般可根据其用途来选择，其长度、宽度和表面面积都可被选择以提高软化设备对特定用途的适用性。纳米过滤元件可有各种形状，包括螺旋形卷绕的薄膜、空心管和纤维，一般为螺旋形卷绕的薄膜。纳米过滤元件一般具有的表面面积大于3平方米但小于12平方米，更典型为从6到10平方米。纳米过滤元件不应过长，因为这需要有一个不宜配装在住宅公用区域内的大的外壳，合适的元件例如可具有一个过滤器的总长度从40到125厘米。适宜使用的元件直径典型地为5到15厘米。
适用于水软化设备的纳米过滤薄膜包括Koch的TFC-SRI薄膜，这是一种复合的聚酰胺薄膜，当供水中含有的氯化物小于7到10ppm时能在95psig(磅/方英寸表压力)下典型地以25gfd(加仑/方英寸/日)的流量对0.5％的MgSO4达到大于99％的剔除率。
C.其他元件本发明的水软化器一般按居家(和类似的)用途所需的小规模设计，可提供高质量的软化水，通常并能提供足够的水量以致并不需要设置储槽或压力水箱来容纳软化和存储的水。水软化器通常能提供适量而即时的软化水来满足典型家居的需要。不需使用存水箱对用户来说是有利的，因为可以减少存水箱内被微生物污染的可能性；还可减少水软化装置的体积和费用。但在某些用途中，为了满足高峰时对水的需求，仍需使有一个容器来保持至少某些软化的水。
为了提高纳米过滤元件的功效和寿命，本发明还可使用各种预过滤器。例如可用一个预过滤器来去除大的悬浮材料以免这些材料堵塞纳米过滤材料。其他适宜用于本发明的预过滤器包括铁预过滤器用来从输入水流中去除铁，沉淀预过滤器用来去除沉淀物，氯预过滤器用来去除氯，生物预过滤器用来去除细菌、原生动物和其他微生物。
除了使用预过滤器外，还可将水预处理来提高功效，如将水充分加热来提高流率不使产生水垢，或用磁力预处理输入水流不使结垢。其它预处理工步如化学预理也可使用。
D.操作参数一般地说，本发明要软化的水为从地下水源提供的饮用水，如从私人居家井内、从市政供水(典型地含有地下水)或其他水源提供的水。虽然提供的水通常为饮用水，但在特殊用途中也可使用非饮用水来使它软化只要提供预过滤器将污染物(如隐孢子虫属)去除即可。
本发明的水软化器的正常大小使它能被放置在一个空间内，这个空间等于或小于一个传统的离子交换水软化器所需的空间。这样的软化装置就可用来更换现有的软水器。在某些软水器的实施例中，本发明的软水器被这样构造使它显著小于具有相仿软化能力的离子交换软水器。这种地位的节省之所以可能是因为本发明并不需要有离子交换介质或中间存贮箱。
如上所述，本发明的软水器典型地被这样构造和配置使它能在一般低于250psig的较低的压力下操作。这个低压力可不需使用昂贵的加压设备。本发明的设备的具体实施例所提供的渗透水的输出水流在24小时的期间可达到200加仑或更多。一般情况，该设备的渗透水的高峰输出流率为每分钟小于10加仑，更一般的情况为每分钟5到10加仑。该软化设备一般也是高效率的，它能生产出的渗透水的输出水流可达输入水流的80％以上，在某些实施例中甚至可达输入水流的90％以上。渗透水的输出水流一般具有的硬度例如可在每加仑3.5格林之下。
E.方法本发明还有一个目标是软化水的方法。该方法一般包括提供至少一个纳米过滤元件，该过滤元件可接受一股硬水的输入水流，并根据该输入水流是否能通过纳米过滤元件而区分为第一投的渗透水的输出水流和第二股的非渗透水的输出水流，其中渗透水的输出水流具有一个比非渗透水的输出水流低的硬度。
本行业的行家在研究并实施这里所公开的本发明后显然容易作出其他实施例，因此本文所作的说明只能被认为是示范性的，本发明的完整的范围和创意由下面的权利要求书来限定。
权利要求
1.一种软化水的设备，包括至少一个纳米过滤元件，构成为可剔除至少80％的钙离子，并可a)接受硬水的输入水流，b)排放至少为输入水流80％的渗透水的输出水流；及c)排放小于输入水流20％的非渗透水的输出水流；其中，渗透水的输出水流具有比非渗透水的输出水流低的硬度。
2.根据权利要求1的软化水的设备，其特征在于，纳米过滤元件构成为可在低于250psi的压力下接受硬水的输入水流。
3.根据权利要求1的软化水的设备，其特征在于，纳米过滤元件具有一个20到500的分子量隔断值。
4.根据权利要求1的软化水的设备，其特征在于，通过纳米过滤元件的水流量至少为75公升/平方米/时。
5.根据权利要求1的软化水的设备，其特征在于，纳米过滤元件具有大于85％的钙离子剔除率。
6.根据权利要求1的软化水的设备，其特征在于，纳米过滤元件具有大于90％的钙离子剔除率。
7.根据权利要求1的软化水的设备，其特征在于，纳米过滤元件构成为可排放至少为输入水流90％的渗透水的输出水流。
8.根据权利要求1的软化水的设备，其特征在于，渗透水的峰值输出流率小于10加仑/分。
9.根据权利要求1的软化水的设备，其特征在于，纳米过滤元件的平均孔眼大小可允许水和一价离子通过但基本上不让二价离子通过。
10.根据权利要求1的软化水的设备，其特征在于，该设备基本上不增加相对于输入水流的总盐量。
11.根据权利要求1的软化水的设备，其特征在于，纳米过滤元件为一带正电的薄膜。
12.根据权利要求1的软化水的设备，其特征在于，输入水流为饮用水。
13.根据权利要求1的软化水的设备，其特征在于，渗透水的输出水流具有低于3.5林标/加仑的硬度。
14.根据权利要求1的软化水的设备，其特征在于，该设备被设计和配置成在24小时的期间内可具有200加仑或更多的渗透水的输出水流。
15.使用权利要求1的设备软化的水。
16.一种软化水的设备，包括至少一个纳米过滤元件，构成为可剔除至少85％的二价硬离子，并能a)接受硬水的输入水流，b)排放至少为输入水流90％的渗透水的输出水流，及c)排放小于输入水流10％的非渗透水的输出水流；其中渗透水的输出水流具有比非渗透水的输出水流低的硬度。
17.根据权利要求16的软化水的设备，其特征在于，包括一个纳米过滤元件。
18.根据权利要求16的软化水的设备，其特征在于，包括两个或更多的纳米过滤元件。
19.根据权利要求16的软化水的设备，其特征在于，纳米过滤元件具有大于90％的剔除率。
20.根据权利要求16的软化水的设备，其特征在于，该设备具有至少为90％的水回收率。
21.根据权利要求16的软化水的设备，其特征在于，峰值流率为从5到10加仑/分。
22.根据权利要求16的软化水的设备，其特征在于，纳米过滤元件具有20到500的分子量隔断值。
23.根据权利要求16的软化水的设备，其特征在于，纳米过滤元件的平均孔眼大小可允许水和一价离子通过但基本上不让二价离子通过。
24.根据权利要求16的软化水的设备，其特征在于，该设备相对于输入水流基本上不增加总盐量。
25.根据权利要求16的软化水的设备，其特征在于，输入水流是在低于200磅/平方英寸的压力下供给的。
26.根据权利要求16的软化水的设备，其特征在于，纳米过滤元件为一带正电的薄膜。
27.根据权利要求16的软化水的设备，其特征在于，输入水流为饮用水。
28.根据权利要求16的软化水的设备，其特征在于，渗透水的输出水流具有低于3.5格林/加仑的硬度。
29.根据权利要求16的软化水的设备，其特征在于，该设备被设计和配置成在24小时的期间内可具有200加仑或更多的渗透水的输出水流。
30.使用权利要求16的设备软化的水。
31.一种软化水的方法，包括设有至少一个纳米过滤元件，构成为可至少剔除80％的钙离子，该元件能接受至少具有2格林/加仑硬度的输入水流；排放至少为输入水流80％的能通过纳米过滤器的渗透水的第一输出水流；及排放小于输入水流20％的不能通过纳米过滤器的非渗透水的第二输出水流；其中渗透水的输出水流具有比非渗透水的输出水流低的硬度。
32.根据权利要求31的软化水的方法，其特征在于，纳米过滤元件的平均孔眼大小可允许水和一价离子通过但基本上不让二价离子通过。
33.根据权利要求31的软化水的方法，其特征在于，该方法基本上不增加相对于输入水流中的总盐量。
34.根据权利要求31的软化水的方法，其特征在于，输入水流是在小于200磅/平方英寸的压力下供给的。
35.根据权利要求31的软化水的方法，其特征在于，输入水流是在140到200磅/平方英寸的压力下供给的。
36.根据权利要求31的软化水的方法，其特征在于，纳米过滤元件为一带正电的薄膜。
37.根据权利要求31的软化水的方法，其特征在于，渗透水的输出水流含有大于90％的输入水流。
38.根据权利要求31的软化水的方法，其特征在于，渗透水的输出水流具有低于3.5格林/加仑的硬度。
39.根据权利要求31的软化水的方法，其特征在于，该方法被设计和配置而可在24小时的期间内具有200加仑或更多的渗透水的输出水流。
40.使用权利要求31的方法软化的水。
全文摘要
一种软化水的设备和方法，特别是这种设备和方法不会将离子添加到废水流内。该设备一般包括至少一个纳米过滤元件，可接受硬水的输入水流，并将其中一部分能通过过滤元件作为渗透水的输出水流排放出去，而将其余不能通过过滤元件的水作为非渗透水而另外排放出去。纳米过滤元件的典型的平均孔眼大小可允许水和一价离子但基本上不让二价离子通过。
文档编号C02F1/44GK1547556SQ02816666
公开日2004年11月17日 申请日期2002年7月19日 优先权日2001年7月20日
发明者罗伯特·S·李, 哈拉帕纳哈利·S·穆拉利德哈拉, 马丁·N·阿斯乔尔, N 阿斯乔尔, 纳哈利 S 穆拉利德哈拉, 罗伯特 S 李 申请人:卡吉尔公司