饮用水的低压制备的制作方法

专利名称：饮用水的低压制备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种饮用纯净水的制备装置和方法。
背景技术：
适于饮用的水(即饮用水)为必需品，但是全世界有数以百万计的人只能 有限制地获得。水通常被视为生命最基本和最容易取得元素，并在表面上看 是最丰富的。相对于河流或湖泊中的每一加仑水来说，有五十以上加仑水埋 藏在地球表面下的巨大的蓄水层中。人每天需要多少水并没有标准，但专家
通常建议，成年人的最低限度为100升水。多数人会饮用二或三升水。其余
则通常用于煮食、沭浴和卫生。成年的美国人每天的用水介于四百和六百升 之间。
到2050,在地球上将有至少九十亿人，他们大多数住在发展中国家。如 果水平均地分布在地球上，可能每人都够用。但雨水往往在最不利的时候落 在最不受人欢迎的地区。例如，在某些印度城市，每年少于四十天下雨一全 部都在不足四个月之内。可是，由于某种原因，印度必须以地球的百分之四 的水来维持将近百分之二十的地球人口 。中国的水比加拿大少一但人口多四 十倍。由于用井从蓄水层所排出的远远快于通过雨水所能补充的，北京的地
5下水位在过去二十年内已经下降将近二百英尺。
超过十亿人缺乏饮用水。只提供清洁水每年就可拯救二百万条生命。将 近二十亿人靠井来取水。在三十年前，印度有二百万口井；在今天，则有二 千三百万口井。随着人口的不断增长，每一居民可得的淡水减少，人民没有 选择，只能将井挖得更深。可是，挖得太深，就会开始渗出盐水和砷。随着都市的发展，许多河流已变得不适合提供原水。新德里的主要水源
Yamuna河中的粪大肠菌的数量，在过去十年来已增加数以千倍。就算在最 繁荣的都市，诸如新德里和孟买等的附近，每天只供水数小时一并且常常受 到污染。印度的情况很极端，但其它国家也有类似的问题。
水净化过程是众所周知，并在世界各处使用。水净化是从未经处理水移 除污染物以得到纯净度足够供人类饮用的饮用水。在净化过程期间移除的物 质包括寄生物(诸如贾第鞭毛虫或隐孢子虫)、细菌、藻、病毒、真菌、矿物 质(包括有毒金属，诸如铅、铜和砷)以及人造化学污染物。由于寄生吸虫 通过粪便污染水传播，血吸虫症导致人类贫血或器官感染。该疾病在第三世 界国家中产生很大灾害。许多的上述污染物可以很危险。去除其它的污染物 可改善水的气味、味道和外观。
只靠观察水是不可能辨别水是否安全。简单方法，诸如煮沸或使用家用 的木碳过滤器不足以处理来自未知来源的水。就算是天然泉水一在1800s时 被认为可安全地用于所有实际用途一现时在确定需要那种处理之前都一定要 进行测试。微咸水的总溶解固体量(TDS)有高达2000-5000ppm。"轻"微咸水 的TDS约为500-1000 ppm。
可接受的饮用水标准(IS:10500-1191)包括以下的建议和"可接受"的水 平500 ppm的TDS (最高可达2000 ppm，如果不能获得其它来源)；0.3 ppm的铁(最高可达1.0 ppm); 1.0 ppm的氟化物(最高可达1.5 ppm); 0.05 ppm的砷； 0.03ppm的铝(最高可达0.2ppm);而酸咸值为6.5-8.5。
虽然饮用未经前期处理和净化的水毫不安全，但潜在水源有许多。自一 些深层地下水引出的水可能是数十年或甚至是数百年以前降下的雨水。在地 下水泵送到处理厂之前，其己由土层和石层天然地过滤到具有高清澈度。上 述的水可来自诸如水泉、自流泉或可能从井眼或井中汲取。深层地下水通常 具有很高的细菌学质量(即低浓度的病原菌，诸如弯曲杆菌属或低浓度的致 病原生动物类一隐孢子虫及贾第鞭毛虫)，但其可能富含溶解固体，尤其是钙 和镁的碳酸盐和硫酸盐。视乎水流过的地层，也可能存在其它离子，包括氯 化物和重碳酸盐。为了能令人合意地饮用或煮食，可能需要减少水中的铁或 锰含量。消毒也是必需的。在实施地下水补给的地方，这相当于处理用的低 地地表水。
自浅层地下水引出的水通常取自井或井眼。其细菌学质量可以随来源而 变量。可能存在多种可溶物质，包括潜在性有毒金属，诸如锌和铜。在某些 地区，地下水的砷污染是很严重的问题，特别是从恒河三角州中的孟加拉和 孟加拉西部的浅水井引出的水。氟化物也是潜在性危险污染物，其可能导致 氟中毒一一种严重的骨病。
通常位于河流系统上游的高地水库一般处于任何人类居住地之上，而且 可由保护区包围以限制被污染的机会。细菌和病原体水平通常很低，但将会 存在某些细菌、原生动物或藻类。许多高地水源具有低酸咸值，其必须要调 节。
低地地表水，诸如河流、运河和低地水库，会具有相当大的细菌接种量 以及还可能包括藻类、悬浮固体和多种溶解成分。地表水由生物和化学污染物污染，并可能潜在性地传播疾病，诸如腹泻、痢疾、伤寒、霍乱和肝炎。 在没有处理和/或消毒的情况下，其绝不能饮用。
水的净化有许多方法，而其使用要取决于水中的特定污染物。超滤膜为 相对较新的研制成果；它们使用具有化学成型微孔的高分子膜，其可用来代 替颗粒介质以在无需凝结剂下有效地过滤水。膜介质的类型决定需要用多大 的压力才能让水通过以及可滤出多大的微生物。在超滤中，流体静压力把液
体压到半透膜上。保留的悬浮固体和高分子量溶质的大小可达至约0.01微
米。这样可除去细菌和许多病毒，但不包括盐(离子)，而水和低分子量溶质 则通过所述半透膜。
反渗透是使溶液通过过滤器的过程，过滤器将溶质截留在反渗透膜的一 边，并能够在膜的另一边获得纯的溶剂。更正式地说，其是通过施加大于渗 透压力的压力使溶剂从高溶质浓度区通过所述膜到低溶质浓度区的过程。这 与溶剂在没有外部压力时自然地从低溶质浓度区通过膜片自然移动到高溶质 浓度区的正常渗透程序相反。反渗透膜是半透性的，即其容许溶剂通过，但
不容许粒度低达约0.0005微米的溶质通过，这样足以移除病毒和盐(离子)。 用于反渗透的膜没有孔；相反，分离是在厚度极薄的密质聚合物层中进
行。在多数情况下，该膜设计成只容许水通过。水进入把膜造成聚合物溶液 中，然后通过扩散作用穿过该膜。该过程通常需要向该膜的高浓度边施加高
压，对于淡水和微咸水而言，通常为4至14巴(60至200磅/平方英吋)， 对于海水而言，则为40至70巴(600至1000磅/平方英吋)，其必须克服 的天然渗透压力约24巴(350磅/平方英吋)。
反渗透膜设计成能从水移除溶解盐。在水迅速地通过反渗透膜时，溶解 盐极慢地通过。在天然的渗透条件下，水会通过半透膜扩散到较高含盐浓度的区域，以便使半透膜两边的溶液浓度相等。为了克服和改变该渗透倾向， 可向给水施压，藉此产生净化流。
脱盐率是衡量膜元件拒绝溶解离子通过的能力的程度。虽然可要求反渗
透元件脱除许多不同的离子，但是用氯化钠(NaCl)作为测量标准。除极少情 况之外，反渗透膜脱除二价离子比单价离子好，诸如钠和氯化物。该NaCl(盐) 脱除己普遍地公认为测量膜元件的离子排除性能的标准。
反渗透膜也被要求可移除，或至少容忍，在给水中的其它杂质，包括有 机体、氧化硅和气体。众所周知，反渗透法用于海水淡化(从海水中除去盐 以获得淡水)，自20世纪70年代早期以来已使用这种方法。
美国标准通常准许饮用反渗透净化水。然而，在欧洲，由于过滤器有可 能渗漏或破裂，从而使病原体有可能逸出，所以在没有作进一步的处理步骤 来保证生物病原体被毁灭的情况下，来自反渗透过滤的水不可供人食用。
市售有手提式反渗透水处理机，其可在家中用于个人的水净化。该些装 置以重力驱动(其无需水泵)，而且无需用电。重力压使水通过流出过滤器， 很像咖啡机的过滤器。在需要替换之前，过滤器可持续使用约七年，虽然其 可能每年都需要替换，这取决于水的用量和状况。 一些乘船作长线旅游、钓 鱼、岛上宿营，或者在当地供水被污染或低于标准的国家的旅行者可使用反 渗透水处理机。反渗透系统现在还被海产水族馆爱好者广泛地使用，因为生 活供水含有的物质对大多数盐水鱼而言是毒性极大的。在生产瓶装矿泉水时， 水通过反渗透水处理机移除污染物和微生物，包括所知的最小微生物一原始 细菌。
反渗透元件的长期性能的评估应考虑不只是脱盐率。在选择元件时，重 要的因数为膜通量、元素流量、系统压力要求、膜的污染速率、膜对清洗操作的响应和净化过程的容许限度以及元件的耐用度。每一项会影响水处理系 统的总生产能力以及与之相关联的资金和操作成本。
不幸地，反渗透操作需要压力。在美国的供水系统中，管道中的水压提 供足够的压力进行反渗透。在有些情况下，重力也可以提供足够的压力。不 过，发展中国家非常需要， 一种水净化系统，该系统可以没有电源而可产生 典型反渗透操作所必需的压力的情况下制备大量水(足够给小村庄使用)。
用于超滤和反渗透的手泵操作装置，诸如Katadyn制造和销售的那些装 置是众所周知的。然而，其中没有任何一个将超滤和反渗透膜单元结合在由 手泵操作的系统，该系统可制备没有细菌和基本上没有其它污染物的水(使 水符合IS标准)且其数量足以供较多人使用。
乡村供水系统用的足够大的净化系统的反渗透膜的制造商将该些过滤器 的压力范围明确地限制在200-800 psi (磅/平方英吋)下使用，即相当于约 14-56巴。使用手泵达不到这些压力。

发明内容
本发明的目的包括能够使用较低压的泵源提供较高输出量的净化水。"较 低压"意味水压不大于第三世界国家常用的手泵所能产生的水压，不论该泵 事实上是否手泵、电泵还是其它种类的泵。本发明使用较低压泵，诸如手泵 将大量的水通过超滤器泵送，并循序地通过反渗透膜，其让净化水通过并使 废水分离。废水从反渗透膜的出口排出，而净化水则从第二出水口泵送。


图1所示为本发明的水净化系统中所用的超滤过滤筒的剖视图。
图2所示为图1所示的过滤筒的局部分解图。
图3所示为本发明的具有超滤单元和单一反渗透过滤单元的水净化系 统的示意图。
图4所示为水净化系统的另一实施例的示意图。
具体实施例方式
本发明的目的为提供一种于水净化用于的低压泵系统，以便可以手泵及 类似的可由太阳能或风能得出的低压应用来运用所述系统。低压泵产生的水 量将会通过超滤过滤器和反渗透单元。在一个实施例中，使用常见的第三世 界型双动往复式手泵。所述的泵如此设计以致于在封闭系统(无水排放)中， 压力可高达4巴(约60psi)，但有时要限制成不要超过较大压力，以避免损 毁和漏泄。
在一个实施例中，该泵是由印度的Venus Pump & Engineering Works所售 的改进型号BS 1208。该泵的规格为流率为1300升/小时，在约90次/分 钟下。为将泵内压力维持达4巴，在泵体的吸入端之内可设置内置止回阀。 在一个实施例中，泵用不锈钢制成，以致不会污染净化后的饮用水。
在一个实施例中，使用1英吋容量泵。在诸如可在图4中用的另一较 高容量的实施例中，可以使用1英吋容量手泵或1.5英吋容量泵，其可在高 达约72次/分钟下工作。应该明白，在某些情况下，可使用电池或太阳能驱动泵，在运作产生较高压的泵的电源供应紧张或不可得的情况下，该泵可以 产生比得上手泵所产生的压力。
现参照图3，所示为本发明的一个实施例。图中虽未示出部件的精确位 置，但示出它们的水流次序。可通过任何方法将水输送到未净化水水箱13， 通常使用带有往复柄10的手泵，其与用于产生系统压力的泵无关。未净化 水含有细菌、微粒、杂质分子和化合物、污垢、有机体，而且不适合人类饮
用。作为选择，设置阻垢剂计量槽11与阻垢剂计量泵21,其可与原来的手 泵14连接，如虚线L所示。可用太阳能电泵或风能电泵取代手泵14两者 产生的泵压低于4巴，该压力由在泵和超滤筒之间的压力计测量。
为未净化水水箱13馈给的是入口软管99和相关联的阀98，以维持水 流向手泵14 。可选择的压力计34、 36、 38、 40可设置在整个系统中。系统 的部件这样选择以致于可操作手泵提供足够压力以将泵出的水量流经系统。 在一个实施例中，水接着通过阀46到初级筒式过滤器15，其具有约5微 米的孔隙度以将较大的污染物从水中移除。
然后，最好泵送水通过阀48进入超滤单元16之内，在下面会作进一步 叙述。然后，水再通过阀50并到达反渗透单元17，其处的压力必须约为20 -25psi，最好约22.5 psi。可调部份的水流(取决于所谓的"回收率")从反渗 透单元排出，再通过阀52和经过流量计72至排水口 90。阀52与压力计 40 —起使用可维持要求的压力，并保护系统。剩余的水，即"净化"部份，然 后选择性地部份流过流量计74，在排出之前，通经活性碳过滤器18,再通 过阀54到淡水出口 92作为饮用水。
当系统封闭时(即没有水在排放)，用手泵可产生高达60磅/平方英吋的 压力。当水在排放时，系统在大约32-40磅/平方英吋的压力下工作。在5微
12米预滤器大约损失7磅/平方英吋压力，而在超滤期间又损失7磅/平方英吋，
因此，在反渗透单元的入口的压力大约为20-25磅/平方英吋。应当相信，在 反渗透单元的入口的最低压力大约为20磅/平方英吋。人工驱动的手泵不能 产生超过大约25磅/平方英吋的压力，否则很快就达到疲劳程度。
在较佳实施例中用的超滤单元由新加坡787823， 452 Tasgore Industrial Avenue, Ultra-Flo PTE公司生产的Ultra-Flo DUC 108超滤膜做成。最初，系 统使用的超滤单元能够处理高达15-20升/小时的水。为了达到反渗透膜的技 术要求，以大约270升/小时的供水，可并联15至20个超滤单元(即水流 分成15-20个独立单元作同时处理)，然后再合成为单一水流以进入反渗透单 元内。因此，图3中所示的部件16可以是超滤单元的组合、或是单一的、 较大容量的超滤单元。在可选择的较佳实施例中，使用的单一超滤单元可处 理600升/小时以上。
在基于图3所示的较佳实施例的本发明的第一工作模型中，反渗透单元 为Dow 4040过滤器(4英吋直径、40英吋长)。生产商提供的工作参数为 225磅/平方英吋(最大压力600 ppm)。因此，本发明的操作涉及的压力大大 地低于商用单元所提议的或者尽管是可能的压力。Dow 4040的平均NaCl脱 除率为99.5%，而最低脱除率为99%。然而，在低压工作时，NaCl脱除率 预期会下降，但是仍然足以提供由IS标准规定的饮用水。
在工作时，将反渗透单元的出口阀设定成生产商所建议的大约15%回收 率，最好约为15-20%。回收率是指自反渗透单元所得的"净化"水量占输入装 置中的水量的百分比。因此，损失大约85%的供水，其作为废水自反渗透单 元排出。然而，实际上，有可能超过生产商建议的回收率并且在不牺牲反渗 透膜的寿命下获得更大量的净化水，因为，即使在较高的回收率下，反渗透膜内的压力仍远低于技术要求所容许的压力。如果根据生产商的技术要求以
200-600磅/平方英吋工作时，回收率大于15%的话，反渗透单元将会更易受
损，而且会大大地縮短预期使用寿命。因此，根据本发明，回收率最好为
15-20%,可选择的为15-50%、 20-40%以及25-35%。较佳的可选择的回收率 大约为20%、约25%、约30%、约35%、约40%、约45%和约50%。
使用4040型反渗透单元，典型的供水速度大约为270升/小时，虽然供 水速度可达到350升/小时。使用与图3所示相同的装置设计但具有8040型 反渗透膜单元(8英吋直径)，则预期最大流量大约为600-700升/小时，最好 为667升/小时。这种用单一反渗透膜进行处理可每小时处理高达大约100 升的净化水。
图4所示为本发明的另一较佳实施例，其使用多个反渗透膜单元。为处
理更多的水，可串联多达三个8040型反渗透单元201、 202和203，其中来
自第一反渗透单元的废水用作为对第二反渗透单元的给水，而来自第二反渗 透单元的废水则用作为对第三反渗透单元的给水。三个反渗透单元可以串联；
使用多过三个单元所需的压力则比手泵所能产生的压力大。
实施例 例1
启动图3所描述的系统，其具有与Ultra-Flo超滤过滤器耦合的反渗透 单元Dow 4040，用5微米的预滤器，在系统封闭(没有水排出系统)时可获 得4巴(大约60磅/平方英吋)的初始压力。
打开出水口，可达到270升/小时的流速或给水量，而净化水出水率大约为40升/小时。
例2
采用与例1相同的条件，从TDS为75ppm的未净化水开始，获得的净 化水的TDS为4ppm。
例3
采用与例1相同的条件，从TDS为1230 ppm的未净化水(加入NaCl) 开始，获得的净化水的TDS为15ppm。以20%的回收率，获得的流量仅为 5升/小时。使用本发明的待净化的水的原始TDS最好大约为600-1000ppm， 以使在实际上有足够的流量，虽然具有较高TDS的水的净化是可行的。
例4
采用与例1相同的条件，从氟化物浓度为6.8ppm的未净化水开始，获 得的净化水的氟化物浓度为1.6ppm。氟化物的去除超过75%。
权利要求
1.一种饮用水制备装置，其包括具有流量的低压水泵；与所述水泵连接的超滤筒，所述超滤筒具有这样配置的表面面积以致于进入所述超滤筒内的水的压力低于4巴并且可有效地促使可过滤的流量通过所述超滤筒；至少一反渗透单元，所述反渗透单元的渗透量和位置可以接纳以这样低的泵送压力流经所述超滤筒的水流量，以致于使第一部份接纳的水能够流过所述反渗透单元而成为净化水，而使第二部份接纳的水能够被分离出而成为废水；净化水的第一出水口，所述第一出水口与所述反渗透单元连接；以及排除废水的第二出水口，所述第二出水口自入口连接到所述反渗透单元。
2. 如权利要求1所述的装置，其特征在于所述水泵具有压力保持器，其 以不大于手泵所能达到的压力泵送压力保持水压。
3. 如权利要求2所述的装置，其特征在于所述水泵为电泵。
4. 如权利要求2所述的装置，其特征在于所述水泵为手泵。
5. 如权利要求1所述的装置，其特征在于所述的装置还包括在所述水泵 的上游的阻垢剂计量槽。
6. 如权利要求1所述的装置，其特征在于所述至少一反渗透单元包括串 联的第一和第二反渗透单元。
7. 如权利要求1所述的装置，其特征在于所述低压水泵的进水速率由约250升/小时到约350升/小时。
8. 如权利要求1所述的装置，其特征在于:所述装置的饮用水产量高达300升/小时。
9. 如权利要求1所述的装置，其特征在于净化水的回收率由约15%到约50%。
10. 如权利要求1所述的装置，其特征在于所述的装置还包括阻垢剂计量泵。
11. 如权利要求1所述的装置，其特征在于所述的装置还包括至少一压力 计，其配置成检测和显示进入所述至少一反渗透单元的水压。
12. 如权利要求1所述的装置，其特征在于所述的装置还包括至少一初级筒式过滤器，其孔径约为5微米。
13. 如权利要求1所述的装置，其特征在于所述的装置还包括至少一活性 碳过滤器，其这样配置以致于水在离开所述反渗透单元之后会泵送通过 所述活性碳过滤器。
14. 一种净化水的方法，其包括以下步骤a.使用具有水流的水泵在不超过4巴的压力下将水泵入超滤单元 和至少一反渗透单元；以及b.从两个与所述反渗透单元相关联的出口放出水，第一出水口放出 流过所述至少一反渗透单元的净化水以及第二出水口放出自所述反渗透 单元排出的废水。
15. 如权利要求14所述的方法，其特征在于所述的方法包括手动泵送。
16. 如权利要求14所述的方法，其特征在于在所述反渗透单元之前的位置测量的工作压力的范围介于20-25磅/平方英吋。
17. 如权利要求14所述的方法，其特征在于所述的方法包括用太阳能泵送。
18. 如权利要求15所述的方法，其特征在于所述泵能够在约72次/分钟下工作。
19. 如权利要求14所述的方法，其特征在于所述的方法包括将水泵送通过两个反渗透单元。
20. 如权利要求14所述的方法，其特征在于以高达700升/小时的进水量 泵水。
21. 如权利要求14所述的方法，其特征在于饮用水的产率约为300升/ 小时。
22. 如权利要求14所述的方法，其特征在于净化水的回收率由约15%到 约50%。
全文摘要
本发明揭示了一种净化饮用水的制备装置和方法。在封闭系统中使用手泵(14)以产生足够的压力使未处理的水通过由过滤器(15，16)和反渗透膜(17)构成的系统。该系统最好包括超滤过滤器(16)。产生的水基本上纯净、无细菌和去除了极大量的矿物质和盐以使其可安全地饮用。该系统能产生足够的饮用水以满足小村庄的日常需要。
文档编号C02F1/44GK101641295SQ200780049814
公开日2010年2月3日 申请日期2007年11月16日 优先权日2006年11月16日
发明者M·H·弗朗西斯科, 苏巴什·梅拉, 苏麦特·梅拉 申请人:350剑桥合作伙伴有限公司