水硬度降低装置及用其减少供水中白垩沉淀物形成的方法与流程

[0001]
本发明涉及一种水硬度降低装置，用于减少供水中白垩沉淀物的形成，特别是可用于处理供水，将该供水转换后连接于饮料生成装置中，用于产生饮料。本发明还涉及一种方法，可减少在供水中形成白垩沉淀物。


背景技术：

[0002]
常见的饮料生成装置，特别是热饮料生成装置，如咖啡冲煮装置或茶酿造装置，通常连接到供水系统，特别是连接到自来水供应或水箱等供水系统；饮料生成装置的供水则主要是连接到自来水供水。
[0003]
根据不同的区域，其自来水可能含有高碱度和高浓度的钙离子和镁离子(这是造成水硬度的原因)，这可能导致在饮料生成装置操作过程中，在供水和/或饮料生成装置中形成白垩沉淀物。这种白垩沉淀物被认为是有害的，因为这些沉淀物可能会损害饮料生成装置的功能，也可能降低饮料生成装置所产生饮料的品质。
[0004]
为了防止在一般供水中形成白垩沉淀物，通常是使用强酸性阳离子交换器，这些交换器经过调适，可去除水中的阳离子，特别是钙离子和镁离子，从而在经过阳离子交换过程后得到阳离子还原水。这种强酸性阳离子交换器通常包括含有树脂的硫酸。
[0005]
这种强酸性阳离子交换器通常用于缓冲状态，其中一部分与阳离子交换树脂相结合的质子已被碱离子(如钠离子和/或钾离子)所取代。然而，由于这种缓冲的阳离子交换树脂与阳离子的结合能力有限，当要去除高浓度阳离子时，在相当短的时间内，常见的强酸性阳离子交换器即充满了阳离子。
[0006]
这种饱和的强酸性阳离子交换器必须定期在操作地点进行更新，通常使用氯化钠碱液来更新，从而增加了工作量、成本，并需加大这种阳离子交换器的尺寸。因此，常见的饮料生成装置，如咖啡冲煮装置和/或茶酿造装置，通常不包括强酸性阳离子交换器。
[0007]
为了防止在饮料生成装置中形成白垩沉淀物，还使用弱酸性阳离子交换器，这些交换器大多在非缓冲状态下使用，具有更高的阳离子结合能力，因此不必像强酸性阳离子交换器那样频繁地更新。这种弱酸性阳离子交换器通常包括含有树脂的碳氧酸。
[0008]
这种常见的阳离子交换器可包括非缓冲状态的阳离子交换树脂，其中，当与钙离子和/或镁离子结合时，非缓冲的阳离子交换树脂便释放质子，以取代结合的钙离子和/或镁离子。
[0009]
由于常见的阳离子交换器在阳离子交换过程中将质子释放到水中，增加了碳酸的形成，从而导致阳离子交换后的阳离子还原水其酸碱值(ph)降低。根据所使用的阳离子交换树脂的数量和种类，在阳离子交换过程后，阳离子还原水的ph值可能会降至ph值4.3。
[0010]
为防止ph值急剧下降，常见的阳离子交换器可包括处于缓冲状态的阳离子交换树脂，其中与阳离子交换树脂结合的质子已被碱离子所取代，如钠离子和/或钾离子。在与钙离子和/或镁离子结合时，缓冲的阳离子交换树脂即释放碱离子，如钠离子和/或钾离子，以便结合钙离子和/或镁离子。
[0011]
由于释放了碱离子，如钠离子和/或钾离子，而不是释放了碳酸，于是在阳离子交换后，在阳离子还原水中形成了碱性碳酸氢盐，如碳酸氢钠和/或碳酸氢钾，导致阳离子还原水的ph值下降较不显著。
[0012]
然而，与非缓冲阳离子交换树脂相比，常见缓冲阳离子交换树脂的一个重要缺点便是其与阳离子的结合能力有限。因此，常见的缓冲阳离子交换树脂通常与非缓冲阳离子交换树脂合并使用，从而折中“阳离子交换树脂结合能力的最大化”与“阳离子交换后阳离子还原水ph值的最小化”两个效果。
[0013]
此外，在这种常见的阳离子交换器中，通常有阳离子交换器一部分的供水会绕过阳离子交换器，进一步与阳离子交换过程下游所生成的阳离子还原水结合，从而使最终阳离子还原水中的阳离子，特别是钙离子和/或镁离子的浓度再进一步降至最低。阳离子还原水中的钙离子和/或镁离子达到最小浓度，其功能是作为多种饮料中多种成分的风味载体，特别是咖啡香气和/或茶香的载体。
[0014]
因此，常见的先进阳离子交换器技术可使阳离子还原水阳离子减少，特别是钙离子和/或镁离子，从而减少在供水中和/或与这种供水连接的饮料生成装置中形成白垩。
[0015]
虽然如此，然而，这种常见的先进阳离子交换器技术并不能完全解决阳离子交换器下游阳离子还原水ph值显著下降的问题。因此，阳离子还原水的供水进入到饮料生成装置，其ph值通常不在最佳范围内，无法生成具有最佳品质的饮料。这是个问题，因为阳离子还原水ph值的下降取决于阳离子交换过程中使用的阳离子交换树脂的饱和度。因此，在阳离子交换器的操作过程中，阳离子交换树脂的阳离子结合率通常不恒定，而是随着阳离子交换树脂饱和度的提高而降低。因此，在阳离子交换器操作过程中，阳离子还原水中ph值下降确实会有所不同。
[0016]
为了更详细说明，应用图1描述了阳离子交换后阳离子还原水的ph值。
[0017]
因此，典型的饮料生成装置，如咖啡冲煮装置和/或茶酿造装置，在操作过程中必须处理阳离子还原水不同ph值的情形。例如，阳离子还原水中这种不同的ph值接着会导致咖啡和/或茶冲煮过程中不同的萃取条件。因此，即使使用优质的咖啡豆和/或茶叶，常见饮料生成装置(如咖啡冲煮装置和/或茶酿造装置)的使用者也可能体验到饮料生成装置生成的饮料质量参差不齐，这取决于阳离子还原水的ph值。
[0018]
因此，本发明的目标是要提供一种装置和一种方法，将供水转换后连接于饮料生成装置中，防止供水中形成白垩沉淀物；这样，在饮料生成装置的操作过程中，阳离子交换后阳离子还原水便可以保持恒定的ph值。


技术实现要素：

[0019]
本发明的目的是提供一种水硬度降低装置和一种供水经调适连接到饮料生成装置减少供水中白垩沉淀物形成方法。
[0020]
第一个方面来说，本发明提供了一种水硬度降低装置，用于处理供水，将该供水转换后连接于饮料生成装置中，用于减少在供水中形成白垩沉淀物；本装置包括一阳离子交换器，该交换器与水源以射流方式连接(传递)，其中，阳离子交换器经调适可去除供水中的阳离子，取得阳离子还原水，降低水中碱性。水硬度降低装置还包括一个第一ph感测器，该第一ph感测器位于阳离子交换器的下游，经调适后用于检测阳离子还原水的第一个ph值。
水硬度降低装置还包括一个碱液供应器，该碱液供应器位于阳离子交换器下游，经调适后用于为阳离子还原水供应碱液，另外还有一个控制器，经配置后可根据阳离子还原水中检测到的第一个ph值来启动碱液供应器，向阳离子还原水供应碱液。水源可能是供水的入口，即自来水、装满水的水箱、装满自来水的水箱等。
[0021]
本装置经调适可减少在供水中的形成白垩，且经调适可与饮料生成装置连接。特别的是，本装置是一种水硬度降低装置。这些水硬度降低装置经调适可降低通过供水输送而来水中的水硬度，特别是通过减少碱土阳离子的浓度，特别是水中镁离子和/或钙离子的浓度。由于在供水中形成白垩沉淀物取决于该阳离子的浓度，特别是钙离子的浓度，因此，降低含钙离子的浓度，也可减少在供水中白垩沉淀物的形成。因此，清洁供水和/或饮料生成装置的维护工作也可以大大减少。
[0022]
阳离子交换器经调适，可不断去除通过供水输送而来水中的阳离子，特别是碱土阳离子，特别是镁离子和/或钙离子，以获得阳离子还原水，其中这些阳离子的浓度降低了。通过降低水中的阳离子浓度，特别是钙离子的浓度，可显著减少供水中和饮料生成装置中(连接到供水)碳酸钙(例如白垩)沉淀物的含量。
[0023]
特别的是，阳离子交换器包括至少以下一种阳离子交换树脂：强酸性阳离子交换树脂(特别是硫磺酸基树脂)、以及弱酸性阳离子交换树脂(特别是碳氧酸基树脂)。尤其是强酸性阳离子交换树脂的ph值小于5，可用于非缓冲状态或缓冲状态；而弱酸性阳离子交换树脂的ph值大于5，可用于非缓冲状态或缓冲状态。这些弱酸性阳离子交换树脂特别可用于非缓冲状态，可保持弱酸性阳离子交换树脂较佳的结合能力，从而减少弱酸性阳离子交换树脂置换或更新的时间间隔。
[0024]
第一ph感测器可包括至少一个ph电极，特别是质子选择性电极，特别是玻璃或陶瓷电极(阳离子敏感电极)。第一ph感测器经调适，可在供水从阳离子交换器输出后不断检测通过供水输送而来的阳离子还原水的ph值。特别的是，第一ph感测器经调适，可检测阳离子交换后阳离子还原水ph值的下降，其中ph值下降是由从阳离子交换树脂释放过量的质子引起的。
[0025]
碱液供应器经调适，可向通过供水输送而来的阳离子还原水供应碱液(特别是氢氧化钠碱液和/或氢氧化钾碱液)。特别的是，碱液可以液态形式注入到碱液供应器中，或以固态形式(即氢氧化钠和/或氢氧化钾颗粒)注入到碱液供应器中，然后溶解在碱液供应器中的水中，变成液态形式后再供应给阳离子还原水。在阳离子还原水添加碱液，可将阳离子还原水的ph值提高到所需值，特别是可反向平衡阳离子交换后阳离子还原水ph值过度下降的问题。
[0026]
特别的是，碱液供应器由一个用于储存碱液的碱液容器组成，其中包括氢氧化钠碱液和/或氢氧化钾碱液、以及一个泵(特别是微量配料泵)，用于将碱液供应器中储存的碱液供应给阳离子还原水。
[0027]
控制器经配置可启动碱液供应器，向阳离子还原水供应碱液，具体取决于阳离子还原水的ph检测值。特别的是，如果第一ph感测器检测到的第一个ph值低于p目标参考值，则控制器即经配置来启动碱液供应器。特别的是，这些ph参考值介于大约6.3和大约6.8之间，尤其是介于大约6.5和大约6.7之间。
[0028]
因此，控制器确保向阳离子还原水供应预定量的碱液，从而提高阳离子还原水的
ph值。特别的是，控制器可启动碱液供应器，向阳离子还原水供应碱液，使阳离子还原水的ph值达到特定的ph参考值。当使用与供水连接的饮料生成装置时，饮料生成装置供水的特定ph参考值可确保生成具有最佳品质的饮料。
[0029]
饮料生成装置主要包括咖啡冲煮装置或茶酿造装置。因此，当咖啡冲煮装置或茶酿造装置使用的阳离子还原水具有特定的ph值时，可优化咖啡或茶的提取，生成具有最佳品质的咖啡或茶让饮者饮用。
[0030]
特别的是，由于在饮料生成装置操作时，控制器经配置可根据检测到的阳离子还原水ph值来启动碱液供应器。因此，在阳离子交换器操作过程中，由于阳离子交换器中阳离子态势变化而产生阳离子还原水ph值波动的情形即可达到平衡。
[0031]
根据实例显示，第一ph感测器以射流方式定位于阳离子交换器和碱液供应器之间。因此，第一ph感测器经调适，可在阳离子交换后直接检测阳离子还原水的ph值，然后再由碱液供应器向阳离子还原水供应碱液。因此，控制器可决定向阳离子还原水供应预定量的碱液，以达到阳离子还原水特定的ph参考值。
[0032]
根据实例显示，第一ph感测器位于碱液供应器的下游。因此，第一ph感测器经调适，可在碱液供应器供应碱液给阳离子还原水后，检测阳离子还原水的ph值。因此，通过把第一ph感测器定位在碱液供应器的下游，则可监测阳离子还原水的特定ph参考值，从而在向阳离子还原水供应碱液，可防止阳离子还原水的ph值急剧增加。
[0033]
根据实例显示，本装置还包括第二ph感测器，该第二ph感测器位于碱液供应器的下游；其中第二ph感测器经调适可检测阳离子还原水的第二个ph值，而控制器经配置可启动碱液供应器，向阳离子还原水供应碱液，这取决于阳离子还原水的第一个ph值和/或取决于检测到的阳离子还原水的第二个ph值。
[0034]
第二ph感测器位于碱液供应器的下游，与位于碱液供应器上游的第一ph感测器结合使用，从而能够决定在阳离子还原水中两个不同射流位置的两个ph值。第一ph感测器检测阳离子还原水的第一个ph值，该第一ph感测器以射流方式定位于阳离子交换器和碱液供应器之间。第二ph感测器检测阳离子还原水的第二个ph值，该第二ph感测器以射流方式定位于碱液供应器的下游之间。因此，在将碱液供应给阳离子还原水之前和之后，可以检测阳离子还原水的ph值，从而确保了最佳的碱液配料(计量)。
[0035]
特别的是，当碱液供应器上游的第一ph感测器指示ph值过低时，控制器经调适可采用反馈回路来反复运算以增加阳离子还原水中碱液的剂量，直到碱液供应器下游的第二ph感测器检测到的第二个ph值对应于特定的ph目标参考值。
[0036]
根据实例显示，控制器经配置可启动碱液供应器，根据阳离子还原水中检测到的第一个ph值，来向阳离子还原水供应碱液；其中，在启动碱液供应器后，控制器经配置可等待平衡间隔，并在平衡间隔后，控制器经配置可再额外启动碱液供应器，取决于阳离子还原水中所检测到的第二个ph值，再向阳离子还原水供应额外的碱液。
[0037]
通过等待平衡间隔，可以确保供水中的阳离子还原水与碱液能适当地混合，以便第二ph感测器能可靠地检测供水中水阳离子还原水的第二个ph值。
[0038]
根据实例显示，如果第一ph感测器检测到的阳离子还原水的第一个ph值低于ph参考值和/或如果第二ph感测器检测到的阳离子还原水的第二个ph值低于ph参考值，则控制器经配置可启动碱液供应器，向阳离子还原水供应碱液；其中，如果第二ph感测器检测到的
阳离子还原水的第二个ph值与ph参考值相对应，则控制器经配置可停用碱液供应器，停止向阳离子还原水供应碱液。
[0039]
因此，第一ph感测器和第二ph感测器分别决定了下限值和上限值，用于决定供水中阳离子还原水的ph值。如果第一ph感测器和/或第二ph感测器检测到碱液供应器的上游和/或下游的ph值低于ph参考值，则控制器经配置可启动碱液供应器，以确保在阳离子还原水中添加碱液。另一方面，碱液供应器下游的第二ph感测器可检测阳离子还原水在添加碱液后，第二个ph值是否达到了ph参考值，由ph值指示出添加了碱液、及添加碱液后的结果，以便防止阳离子还原水ph值的增加超过了ph参考值。
[0040]
根据实例显示，控制器经配置，可决定碱液供应器向阳离子还原水供应的碱液量，其依据为以下中至少一项：至少一个ph感测器检测到的ph值与ph参考值之间的差值，以及第一ph感测器检测的第一个ph值与第二ph感测器检测的第二个ph值之间的差值。其中控制器经配置可启动碱液供应器，以决定向阳离子还原水供应的碱液量。
[0041]
在决定要向阳离子还原水供应多少预定量的碱液时，控制器可依据第一ph感测器检测到的第一个ph值和/或第二ph感测器检测到的第二个ph值与ph参考值之间的差值。如果控制器具有碱液供应器和供水射流特性的资讯，并具有碱液供应器中储存碱液的浓度、数量等资讯，则控制器可根据第一个ph值和/或第二个ph值与ph参考值之间的差值，来决定以及碱液供应器必须启动多长时间，以便供应预定量的碱液，ph目标参考值。
[0042]
另一方面，控制器还可以考虑第一ph感测器在阳离子还原水上游检测到的第一个ph值与第二ph感测器在阳离子还原水下游检测到的第二个ph值之间的差值，以决定碱液碱液供应器应供应多少预定量的碱液。
[0043]
根据实例显示，本装置还包括镁离子溶液供应器，该供应器定位于阳离子交换器的下游，其经调适后，可向阳离子还原水供应含有镁离子的镁离子溶液，特别是包括硫酸镁和/或氯化镁，其中控制器连接到镁离子溶液供应器，且控制器经配置可启动镁离子溶液供应器，向阳离子还原水供应镁离子溶液。
[0044]
由于阳离子交换器不仅去除通过供水输送而来水中的钙离子、也去除其中的镁离子；因此，有帮助的是，在水阳离子交换后向阳离子还原水中加入镁离子溶液，以更新去除的镁离子。这点尤其有利，因为水中存在的镁离子通常能作为风味增强剂，特别是增强特定饮料(如咖啡和/或茶)的口感体验。
[0045]
特别的是，控制器经配置可启动镁离子溶液供应器，向阳离子还原水供应含镁离子溶液，直到阳离子还原水中的镁离子浓度达到目标值1ppm至50ppm之间，特别是要达到15ppm至30ppm之间的镁离子目标浓度。
[0046]
根据实例显示，镁离子溶液供应器被经整，可向碱液供应器的上游和/或下游以射流方式供应镁离子溶液；还有/或者其中的镁离子溶液供应器经调适，可在阳离子交换器与第一ph感测器之间、第一ph感测器与碱液供应器之间、碱液供应器与第二ph感测器之间、和/或第二ph感测器的下游，以射流方式供应镁离子溶液。
[0047]
因此，根据操作模式，可在不同的射流位置向供水供应镁离子溶液。
[0048]
根据实例显示，控制器经配置可确定水源提供的水量，其中，控制器经配置后可根据所决定的水源供应水量，来决定向阳离子还原水供应的镁离子溶液供应量，其中控制器经配置可启动镁离子溶液供应器，并决定向阳水还原水供应镁离子溶液的供应量。
[0049]
因此，镁离子溶液的供应量可依照水源供应的水量，按比例进行调整。
[0050]
根据实例显示，本装置还包括镁离子检测器，该检测器经调适可检测阳离子交换后阳离子还原水的镁离子浓度，其中控制器经配置可根据所检测到的阳离子还原水中的镁离子浓度，来决定镁离子溶液供应器向阳离子还原水供应的镁离子溶液供应量。且控制器经配置可启动镁离子溶液供应器，向阳离子还原水供应预定量的镁离子溶液。
[0051]
因此，通过测量阳离子还原水中镁离子的特定浓度，控制器可决定镁离子溶液的特定供应量，以便阳离子还原水中的镁离子能达到所必须的目标浓度。最好的情况是，阳离子还原水中的镁离子要达到目标浓度值1ppm至50ppm之间，特别是要达到15ppm至30ppm之间的镁离子目标浓度。
[0052]
根据实例显示，本装置以射流方式连接到饮料生成装置，特别是热饮料生成装置。本装置经调适可生成饮料，其中，本装置至少有一部分位于饮料生成装置的外壳内，或者特别将本装置与饮料生成装置分开设置。
[0053]
通过将供水与饮料生成装置以射流方式连接，通过供水输送而来的阳离子还原水可有效地传输到饮料生成装置，从而生成使用者所需的特定饮料。特别的是，饮料生成装置是咖啡冲煮装置或茶酿造装置，因此，阳离子还原水可用于生成咖啡或茶。
[0054]
第二个方面来说，本发明提供了一种在供水中降低白垩沉淀物形成的方法，供水经调适后可与饮料生成装置连接使用，包括以下步骤：通过水硬度降低装置的阳离子交换器去除供水中的阳离子，以取得阳离子还原水；通过水硬度降低装置的第一ph感测器来检测阳离子还原水的第一个ph值；并启动水硬度降低装置的碱液供应器，根据阳离子还原水检测到的第一个ph值，通过控制器向阳离子供应碱液。
[0055]
因此，根据第一ph感测器检测到的阳离子还原水的第一个ph值，可以有效地改变向阳离子还原水供应的碱液供应量。
[0056]
根据实例显示，本方法的组成步骤包括：由水硬度降低装置中位于阳离子交换器下游的第一ph感测器和/或第二ph感测器来检测阳离子还原水的第一个ph值和/或第二个ph值；以及由控制器启动碱液供应器，根据阳离子还原水中第一个ph值和/或检测到的第二个ph值，向阳离子还原水供应碱液。
[0057]
因此，当使用不同的感测器来决定供水中阳离子还原水的不同ph值时，可确保能非常精确地控制向阳离子还原水供应的碱液。
[0058]
根据实例显示，本方法包括进一步包括的步骤为：启动水硬度还原装置的镁离子溶液供应器，该供应器位于阳离子交换器的下游，由控制器向阳离子还原水供应镁离子溶液。
[0059]
因此，通过向阳离子还原水供应镁离子，可将阳离子还原水中的镁离子浓度调整到所需的最佳浓度范围。
附图说明
[0060]
图1描绘的是使用非缓冲和缓冲阳离子交换树脂的阳离子交换器来进行阳离子交换时，水中ph值梯度的情形；
[0061]
图2描述的是根据本发明的第一个实例所制成的水硬度降低装置；
[0062]
图3描绘的是根据本发明的第二个实例所制成的水硬度降低装置；
[0063]
图4描绘的是供水经调适与饮料生成装置连接，在供水中降低白垩形成的一种方法。
[0064]
附图标记说明
[0065]
10
ꢀꢀꢀꢀꢀ
第一条曲线
[0066]
20
ꢀꢀꢀꢀꢀ
y-轴
[0067]
30
ꢀꢀꢀꢀꢀ
x-轴
[0068]
40
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二条曲线
[0069]
50
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
饱和量
[0070]
60
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
ph(目标)参考值
[0071]
70
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第三条曲线
[0072]
100
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
水硬度降低装置
[0073]
101
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
供水
[0074]
103
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
饮料生成装置
[0075]
105
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
水源
[0076]
107
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
阳离子交换器
[0077]
109
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一ph感测器
[0078]
111
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
控制器
[0079]
113
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
碱液供应器
[0080]
113-1
ꢀꢀꢀꢀ
碱液容器
[0081]
113-2
ꢀꢀꢀꢀ
碱液泵
[0082]
115
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
饮料
[0083]
117
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二ph感测器
[0084]
119
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
镁离子溶液供应器
[0085]
119-1
ꢀꢀꢀꢀ
镁离子溶液容器
[0086]
119-2
ꢀꢀꢀꢀ
镁离子溶液泵
[0087]
121-1
ꢀꢀꢀꢀ
第一条镁离子供应途径
[0088]
121-2
ꢀꢀꢀꢀ
第二条镁离子供应途径
[0089]
121-3
ꢀꢀꢀꢀ
第三条镁离子供应途径
[0090]
121-4
ꢀꢀꢀꢀ
第四条镁离子供应途径
[0091]
200
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
减少供水中白垩沉淀物形成的方法
[0092]
201
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
从供水中去除阳离子
[0093]
203
ꢀꢀꢀꢀꢀ
检测阳离子还原水的第一个ph值或第一个与第二个ph值
[0094]
205
ꢀꢀꢀꢀꢀ
启动碱液供应器。
具体实施方式
[0095]
图1描绘的是使用非缓冲和缓冲阳离子交换树脂的阳离子交换器来进行阳离子交换后，水中ph值梯度的情形。
[0096]
第一条曲线10描绘的是阳离子交换器中使用非缓冲阳离子交换树脂(如y-轴20所示)，在阳离子交换后水中ph梯度的情形，具体取决于通过非缓冲阳离子交换树脂输送而来
的水量(以升表示，如x-轴30所示)。
[0097]
正如可从第一条曲线10中导出的，在阳离子交换过程中，非缓冲阳离子交换树脂释放出质子，以置换供水中存在的可结合的阳离子，从而降低阳离子交换后阳离子还原水的ph值。由于新装的、未负载的阳离子交换树脂在水流开始时过度释放质子，最初的阳离子还原水的ph值约为4.3。
[0098]
在阳离子交换器的连续操作过程中，越来越多的阳离子与阳离子交换树脂结合，从而降低了阳离子交换器的阳离子结合能力，也即导致释放质子数量的越来越少，从而导致阳离子交换器操作过程中阳离子还原水的ph值以线性增加。
[0099]
正如可从第一条曲线10中导出的，在阳离子交换器操作期间，阳离子还原水的ph值增加，直到达到饱和量50，其中在达到饱和量50时，阳离子交换树脂的ph目标参考值60达到6.8。
[0100]
当达到饱和量时，通常需更换阳离子交换器、或更新阳离子交换树脂，因为ph值超过了6.8，将使得碳酸白垩达到均衡而无法再充分移动，也无法完全保护供水免于形成白垩沉淀物。
[0101]
第二条曲线40描绘的是阳离子交换器中使用的缓冲阳离子交换树脂(如y-轴20所示)，在阳离子交换后水中ph值梯度的情形，具体取决于通过缓冲阳离子交换树脂输送而来的水量(以升表示，如x-轴30所示)。
[0102]
在缓冲阳离子交换树脂中，附着在阳离子交换树脂中的质子至少有一部分释放出来被碱离子取代(如钠离子、钾离子和/或镁离子)，因此，在阳离子交换过程中，这些碱离子被释放到阳离子还原水中，从而显著减少ph值的初始下降至约6.8，这明显高于使用非缓冲阳离子交换树脂时ph值初始下降可降至4.3。
[0103]
在非缓冲阳离子交换器的连续操作过程中，越来越多的阳离子与阳离子交换树脂结合，从而降低了阳离子交换器的阳离子结合能力，也即导致操作过程中ph值的增加(正如从第二条曲线40中所导出的)，直到ph目标参考值60达到6.8。
[0104]
第三条曲线70描绘的是当水中ph值恒定于大约7.5时，该水绕过阳离子交换器(如y-轴20所示)，具体取决于输送来的水量(以升表示，如x-轴30所示)。
[0105]
图2描述的是根据本发明的第一个实例所制成的水硬度降低装置。该水硬度降低装置100经调适后可减少供水101中白垩沉淀物的形成、可连接到饮料生成装置103(特别是咖啡冲煮装置或茶酿造装置)。
[0106]
水硬度降低装置100的组成成分包括供水101中的水源105(供水例如自来水或装满自来水的水箱。特别的是水源105与家庭供水以射流方式连接，为供水101提供源源不断的水流(尤其是自来水)。
[0107]
水硬度降低装置100还包括一个阳离子交换器107，该阳离子交换器107与供水101的水源105以射流方式连接，其中阳离子交换器107经调适可去除阳离子，特别是碱土阳离子(如钙离子和/或镁离子)，从供水来取得阳离子还原水。
[0108]
根据家庭用水连接的区域位置，水中(特别是自来水)可能含有高浓度碳酸和钙离子，这可能导致在供水101和/或饮料生成装置103中形成白垩沉淀物。通过提供阳离子交换器107，阳离子(特别是钙离子和/或镁离子)可以有效地从水中去除，以取得阳离子还原水，从而减少白垩沉淀物的形成。
[0109]
特别的是，阳离子交换器可包括强酸性阳离子交换树脂(特别是硫酸基树脂)和/或阳离子交换器可包括弱酸性阳离子交换树脂(特别是碳氧酸基树脂)。
[0110]
由于与阳离子的结合能力有限，在去除高浓度的阳离子时，强酸性阳离子交换树脂可能很快被阳离子饱和，因此，这种饱和的强阳离子交换树脂可能需要定期更新(可选配氯化钠溶液来更新)。最好的情况是，强酸性阳离子交换树脂的组成其ph值小于5。
[0111]
弱酸性阳离子交换树脂具有更高的阳离子结合能力，因此不必像强酸性阳离子交换器那样频繁地更新。最好的情况是，弱酸性阳离子交换树脂的组成其ph值大于5。
[0112]
根据实例显示，强酸性和/或弱酸性阳离子交换树脂可能处于非缓冲状态，其中，在钙离子和/或镁离子结合时，非缓冲阳离子交换树脂将释放质子，以取代所结合的钙离子和/或镁离子。
[0113]
根据实例显示，强酸性和/或弱酸性阳离子交换树脂可能处于缓冲状态，其中，与阳离子交换树脂结合的质子至少有一部分已被碱离子(如钠离子和/或钾离子)取代。在与钙离子和/或镁离子结合时，缓冲的阳离子交换树脂即释放碱离子(如钠离子和/或钾离子)，以取代结合的钙离子和/或镁离子。
[0114]
水硬度降低装置100还包括第一ph感测器109，该第一ph感测器定位于阳离子交换器107的下游，其中，第一ph感测器109经调适可检测阳离子还原水中的第一个ph值。
[0115]
这些常见的阳离子交换器可包括非缓冲状态的阳离子交换树脂，其中，当与钙离子和/或镁离子结合时，非缓冲的阳离子交换树脂释放出质子，以取代结合的钙离子和/或镁离子。
[0116]
阳离子交换器107，特别是当相应的树脂以非缓冲状态存在时，在阳离子交换过程中会释放质子，以取代与树脂结合的阳离子(特别是钙离子和/或镁离子)。由于质子的释放与在水中存在的碳酸盐，阳离子交换后碳酸的形成增加了，导致阳离子交换后的阳离子还原水ph值降低。根据要使用的阳离子交换树脂的数量和种类，阳离子还原水的ph值可能会下降到至ph值4.3。
[0117]
由于阳离子还原水的ph值可显著影响饮料生成装置103产生的饮料115品质，特别是会影响到从咖啡豆提取咖啡和/或从茶叶中提取茶萃。最好通过供水101将阳离子还原水输送至饮料生成装置103，其中，该阳离子还原水具有最佳的ph值，且在整个阳离子交换器107的操作过程中，其ph值没有显著的差异。
[0118]
通过由阳离子交换器107下游的第一ph感测器109可检测(特别是测量)阳离子还原水的第一个ph值。水硬度降低装置100的控制器111连接到第一ph感测器109，而能持续监测阳离子还原水的ph值。
[0119]
水硬度降低装置100还包括一个碱液供应器113，该碱液供应器113定位于阳离子交换器107的下游，其中，碱液供应器113经调适可向阳离子还原水供应碱液。特别的是，第一ph感测器109在阳离子交换器107和碱液供应器113之间以射流方式定位。碱液供应器113包括一个碱液容器113-1，用于存储碱液(特别是氢氧化钠和/或氢氧化钾)，还包括一个碱液泵113-2(特别是微碱液泵)，用于将储存在碱液容器113-1中的碱液，泵到通过供水101输送而来的阳离子还原水中。
[0120]
取决于常见的高浓度碱液和流通过供水101的水流有限(其范围通常大约在0.2l/min到2.5l/min之间)，只需向阳离子还原水供应极小量的碱液，最好是在微升范围内即可。
因此，需要使用微量碱液泵113-2。
[0121]
如图2所示，控制器111连接到碱液供应器113(特别是碱液泵113-2)。控制器111经配置可启动碱液供应器113，向阳离子还原水供应碱液，具体取决于阳离子还原水中检测到的ph值。
[0122]
因此，根据阳离子交换过程中阳离子还原水ph值的下降程度，通过第一ph感测器109检测阳离子交换后阳离子还原水中的第一个ph值，控制器111可启动碱液供应器113，向供水101中的阳离子还原水提供适量碱液，从而达到阳离子还原水中的最佳ph值。如此装置可使饮料生成装置103生成最佳的饮料115，特别是生成上品咖啡、好茶等饮料。
[0123]
水硬度降低装置100还包括第二ph感测器117，该第二ph感测器117定位于碱液供应器113的下游，其中，第二ph感测器117经调适可检测阳离子还原水的第二个ph值。特别是，第二ph感测器117在碱液供应器113和饮料生成装置103之间以射流方式定位。控制器111经配置可启动碱液供应器113，向阳离子还原水供应碱液，具体取决于阳离子还原水中检测到的第一个ph值和/或阳离子还原水中检测到的第二个ph值。
[0124]
然而，第二ph感测器117是水硬度降低装置100的任选项目，因此，在最小的配置下，水硬度降低装置100可能只包括第一ph感测器109。然而，根据这些最小配置的附加实例显示，把唯一的第一ph感测器109以射流方式定位在阳离子交换器107和碱液供应器113之间，从而在向阳离子还原水供应碱液的前检测ph值，或者把唯一的第一ph感测器109射流方式定位在碱液供应器113的下游，从而在向阳离子还原水供应碱液之后检测ph值。
[0125]
根据第一个实例显示，除了第一ph感测器109外，第二ph感测器117也存在于水硬度降低装置100中。
[0126]
在相应的配置中，在确定何时启动碱液供应器113时，控制器111可以只考虑第一ph感测器109在阳离子还原水中检测到的第一个ph值，或者控制器111可以只考虑第二ph感测器117在阳离子还原水中检测到的第二个ph值。或者，控制器111还可以考虑第一ph感测器109检测到的第一个ph值和第二ph感测器117检测道的第二个ph值。
[0127]
当启动碱液供应器113时，以及当控制器111考虑第一ph感测器109检测到的第一个ph值和第二ph感测器117检测到的第二个ph值时，控制器111最好生成一个反馈回路，以向阳离子还原水连续供应碱液剂量，直到达到ph目标值，也即达到阳离子还原水的ph参考值。
[0128]
最好的情况是，阳离子的ph参考值降至大约6.3到大约6.8之间，而最好的ph值范围是从大约6.5到大约6.7之间。
[0129]
例如，一个控制器111启动碱液供应器113的标准可能是：如果第一ph感测器109和/或第二ph感测器117在阳离子还原水中检测到的第一个ph值和/或第二个ph值低于ph参考值。
[0130]
例如，另外，一个控制器111停止碱液供应器113(使不再向阳离子还原水供应碱液)的标准可能是：如果第二ph感测器117在阳离子还原水中检测到的第二个ph值与ph参考值相符合。因此，当碱液供应器113下游的第二ph感测器117在阳离子还原水中检测到第二个ph值达到ph目标值时，控制器111可停止向阳离子还原水供应碱液，以防止阳离子还原水的ph值超过ph目标值。
[0131]
例如，在到达第二ph感测器117时向阳离子还原水供应碱液之前，要有多长的时间
推移呢？碱液供应器113启动后，控制器111经配置使其等待一段平衡间隔后，才再次启动碱液供应器113，以向阳离子还原水供应额外的碱液，具体取决于在阳离子还原水中检测到的第二个ph值。
[0132]
如此一来，可做到向阳离子还原水逐步地、反复地供应碱液，因此，由碱液供应器113下游的第二ph感测器117检测到的第二个ph值会逐步升高趋向ph目标值(即ph参考值)，从而防止碱液的过量供应，特别是将阳离子还原水的ph值限制在ph标值内。
[0133]
最好的情况是，控制器111经配置可决定碱液供应器113向阳离子还原水供应的碱液量，其依据为以下中至少一项：根据至少一个ph感测器(第一ph感测器109或第二ph感测器117检测到的ph值与ph参考值之间的差值，以及根据第一ph感测器109检测的第一个ph值与第二ph感测器117检测的第二个ph值之间的差值。在决定了向阳离子还原水供应的碱液量后，控制器111经配置可启动碱液供应器113，向阳离子还原水供应预定量的碱液。
[0134]
此外，在决定了要供应的碱液量时，控制器111还可以考虑碱液泵113-2的泵速率、碱液供应器113内以射流方式连接的直径和长度、碱液的温度和/或碱液的粘度。例如，这些资讯可能存储在查找表中，控制器111可查看该表。
[0135]
因此，例如，根据阳离子交换后阳离子还原水中ph值下降的意义，再比较饮料生成所需的最佳ph值，控制器111可以调节(即增加或减少)向阳离子还原水供应的碱液量。例如，这可防止向阳离子中添加过量的碱液，导致阳离子还原水中的ph值超过了ph目标值(即ph参考值)。
[0136]
综上，水硬度降低装置100的组成包括至少一个感测器(第一ph感测器109、第二ph感测器117，该感测器定位于阳离子交换器107的下游，以确定阳离子交换后阳离子还原水中下降的ph值。在检测阳离子还原水的ph值时，控制器111根据阳离子还原水中检测到的该ph值，启动碱液供应器113，向阳离子还原水提供碱液，以增加阳离子还原水的ph值，从而反向平衡阳离子交换器107先前的ph值降低效果。
[0137]
如此，尤其可在供水101中使用非缓冲弱酸性阳离子交换树脂的阳离子交换器107，从而最大限度地延长阳离子交换器107的容量和操作时间。
[0138]
此外，在向阳离子还原水供应碱液后，由供水101向饮料生成装置103(如咖啡冲煮装置或茶酿造装置)供应的是ph值不再变化的阳离子还原水，使得生成的饮料115(即咖啡或茶)具有最佳的品质，供饮料生成装置103的使用者享用。
[0139]
图3描绘的是根据本发明的第二个实例所制成的水硬度降低装置。
[0140]
根据图3描述的第二个实例所制成的水硬度降低装置100与根据图2描述的第一个实例所制成的水硬度降低装置100，二者相符合，但不同的是：根据图3描述的第二个实例所制成的水硬度降低装置100，其组成包括镁离子溶液供应器119，该镁离子溶液供应器119定位于阳离子交换器107的下游，经调适可向阳离子还原水供应镁离子溶液。特别是，镁离子溶液是由硫酸镁和/或氯化镁组成。
[0141]
就此方面所提到的描述是，因为碳酸钙(即白垩)与碳酸镁相比，其水中溶解度降低了约20倍，因此，在阳离子交换后，还可减少阳离子还原水中的钙离子浓度，但是，这不一定会因为碳酸镁溶解度的增加而降低镁离子的浓度。
[0142]
然而，常见的阳离子交换器107不是选用钙质的，因此不仅可去除供水中的钙离子，而且可去除其中的镁离子。现特指出，镁离子在各种饮料115(特别是咖啡或茶)中可作
为风味载体，因此，在阳离子还原水中保留一定浓度的镁离子，有利于让饮料115(特别是咖啡或茶)保有优质风味。
[0143]
因此，根据第二个实例，水硬度降低装置100的控制器111连接到镁离子溶液供应器119，控制器111经配置可启动镁离子溶液供应器119，向阳离子还原水供应镁离子溶液。
[0144]
最好的情况是，镁离子溶液供应器119的组成包括：镁离子溶液容器119-1，用于储存镁离子溶液(特别是硫酸镁和/或氯化镁碱液)，以及镁离子溶液泵119-2(特别是用镁离子溶液微量泵)用于把镁离子溶液容器119-1中的镁离子溶液泵出，供应到通过供水101输送而来的阳离子还原水中。
[0145]
如图3所示，含镁离子溶液可透过四条不同的镁离子供应途径供应到供水101中。
[0146]
根据第一条镁离子供应途径121-1，镁离子溶液供应器119经调适在第二ph感测器117的下游供应含有镁离子的镁离子溶液。
[0147]
根据第二条镁离子供应途径121-2，镁离子溶液供应器119经调适在碱液供应器113和第二ph感测器117之间以射流方式供应含有镁离子的镁离子溶液。
[0148]
根据第三条镁离子供应途径121-3，镁离子溶液供应器119经调适在第一ph感测器109和碱液供应器113之间以射流方式供应含有镁离子的镁离子溶液。
[0149]
根据第四条镁离子供应途径121-4，镁离子溶液供应器119经调适在阳离子交换器107和第一ph感测器109之间以射流方式供应含有镁离子的镁离子溶液。
[0150]
因此，根据镁剂量的具体规范，水硬度降低装置100中可能存在一条或多条镁离子供应途径。
[0151]
最好的情况是，控制器111经配置，可根据所决定水源105供应的水量，来确定水源105所供应的水量，并确定向阳离子还原水供应的镁离子溶液量。因此，依照阳离子交换器107去除的镁离子量与流经阳离子交换器107的水量之间的比例关系，要向阳离子还原水供应的镁离子量乃是基于所决定的水量。之后，控制器111启动镁离子溶液供应器119，以便向阳离子还原水供应确定量的镁离子溶液。
[0152]
作为替代优选实例，水硬度降低装置100也可进一步包括镁离子检测器，优选是使用镁检测电极，该电极经调适可检测阳离子交换后阳离子还原水中的镁离子浓度。在此情况下，控制器111经配置可根据阳离子还原水中检测到的镁离子浓度来决定镁离子溶液供应器向阳离子还原水供应的镁离子溶液量。
[0153]
在此情况下，在阳离子交换后镁离子检测器可直接确定镁离子浓度，控制器111也可非常准确地决定要向阳离子还原水供应镁离子溶液的供应量。然后，控制器111启动镁离子溶液供应器119，以向阳离子还原水供应预定量的镁离子溶液。
[0154]
最好的情况是，控制器111经调适可启动镁离子溶液供应器119，向阳离子还原水供应镁离子溶液，直到阳离子还原水中镁离子浓度达到1ppm至50ppm间的目标浓度，最好是达到15ppm至20ppm之间的浓度。
[0155]
由于阳离子还原水中的一定量的镁离子被认为有利于生成饮料115的品质，因此，阳离子交换器107最好包括缓冲弱酸性阳离子交换树脂，其中使用镁离子溶液作为缓冲。这些弱酸性阳离子交换树脂使用镁离子做缓冲，与水中存在的钙离子结合，以取代粘附在树脂中的镁离子，从而在阳离子交换过程中不断将一定量的镁离子释放到水中。
[0156]
由于碳酸镁的可溶性是碳酸钙的20倍，这些释放镁离子的安排并不被认为会对白
垩的形成有负面影响，相反的是，由于不断将镁离子输送到供水中，在饮料生成装置生成饮料115的过程中，这些镁离子可作为风味增强剂。
[0157]
图4描绘的是供水经调适与饮料生成装置连接，在供水中降低白垩形成的一种方法。
[0158]
本方法第一步骤：从供水中去除阳离子201，包括以水硬度降低装置100的阳离子交换器107来去除供水中的阳离子，以取得阳离子还原水。
[0159]
本方法第二步骤：检测阳离子还原水的第一个ph值203，包括通过水硬度降低装置100的第一ph感测器109来检测阳离子还原水的第一个ph值。
[0160]
本方法第三步骤：启动碱液供应器205，包括启动水硬度降低装置100的碱液供应器113，根据阳离子还原水中检测到的第一个ph值，由控制器111向阳离子还原水供应碱液。