CN103068742A - 水脱盐和处理***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明包含水脱盐方法和用于该方法的***，所述方法包括在阳离子和阴离子交换柱中对水进行处理，和在对水进行处理之后对所述柱进行再生以对其再次设置而用于进一步的处理循环，且在所述离子交换柱再生期间提供可再回收的副产物而不是废物。

Description

水脱盐和处理***及方法
技术领域
本发明涉及水脱盐***及其方法，特别地，涉及一种提供盐度下降的水的方法且所述方法产生可使用的且可回收的副产物。
发明背景
水的提纯是从源自特殊资源的水中除去不期望的化学品、材料和生物污染物的过程。目标是制造适用于具体用途的水。通常，需要降低水的盐度。脱盐是指从水中除去过量的盐和其他矿物质的几种方法中的任意一种方法。更一般地，脱盐可还是指除去盐和矿物质。其中通过离子交换能够完成该操作。
然而，水脱盐技术相当昂贵。所述方法还产生由存在于源水中的杂质以及用于脱盐工艺中的化学品构成的废物流股。
必须将废物流股移至倾倒位置并根据环境法规倾倒。这增加了成本并会对环境产生负面影响。
发明目的
本发明的目的是提供一种至少部分克服上述问题的水脱盐方法和***。
发明概述
根据本发明，提供一种水脱盐方法，所述方法包括如下步骤：
a)将水通过包括载有氢离子的树脂的阳离子柱以将水中的包括钙、镁和钠离子的阳离子组中的一种或多种阳离子吸附在树脂上并置换所述氢离子；
b)将源自步骤a)的水通过包括载有氢氧根离子的树脂的阴离子柱以将水中的包括硫酸根和氯离子的阴离子组中的一种或多种阴离子吸附在所述树脂上并置换所述氢氧根离子，从而得到脱盐的水；
c)通过如下操作，再生所述阴离子柱：通过含有包括与载体离子结合的氢氧根离子的至少一种物种的溶液，以从树脂中置换硫酸根和氯离子而留下载有氢氧根的树脂并主要产生含有硫酸根和氯离子与所述载体离子的混合物的溶液；以及
d)通过如下操作，再生所述阳离子柱：
a.使得包括与对离子结合的氯离子的含氯化物的进料溶液通过所述阳离子柱，所述对离子具有比钠离子更大的在树脂上的吸附选择性，以从树脂中置换几乎所有钠离子和至少一些在步骤a)中吸附的其他阳离子，从而留下载有对离子和一些在步骤a)中吸附的其他阳离子的树脂，并从阳离子柱产生含有大部分钠和至少一些在步骤a)中吸附的其他阳离子的氯化物产物溶液；以及
b.将硝酸溶液或盐酸溶液通过所述阳离子柱以利用氢离子置换在步骤di)之后残留在树脂上的阳离子并从阳离子柱产生在步骤di)之后残留在树脂上的阳离子的硝酸盐或氯化物，由此留下载有氢离子的阳离子柱。
还提供，步骤c)的氢氧根物种包含氢氧化铵，且对于步骤c)，包括将氢氧化铵溶液通过阴离子柱以利用氢氧根离子置换吸附到所述树脂上的氯离子和硫酸根离子并从所述阴离子柱主要产生氯化铵和硫酸铵的混合物。
还提供，利用氢氧化钙对步骤c)的所述氯化铵和硫酸铵进行处理以产生含有硫酸钙、氨气和氯化钙的溶液，其中所述硫酸钙从所述溶液中沉淀，且可从所述溶液中汽提所述氨气并将氨气重新溶于水中以形成用于步骤c)中的氢氧化铵。
另外还提供，步骤di)的含氯化物的进料溶液，包含氯化钙，对于将氯化钙溶液从上述步骤进料到步骤di)，利用钙置换吸附在树脂上的大部分钠和一些其他阳离子并从阳离子柱产生含有大部分钠的氯化物产物溶液，且对于源自步骤dii)的硝酸盐混合物或氯化物混合物，则分别包含硝酸钙和氯化钙。
还提供，若源自步骤dii)的所述阳离子柱的硝酸盐混合物含有任何镁，则向所述混合物中添加氢氧化钙，由此使得所述硝酸镁与所述氢氧化钙反应以形成可从溶液中分离的氢氧化镁沉淀物和处于溶液中的硝酸钙；且还任选地，利用硝酸对氢氧化镁进行中和以形成硝酸镁和水；或者利用硫酸对氢氧化镁进行中和以形成硫酸镁和水。
还另外提供，若源自步骤dii)的阳离子柱的氯化物混合物含有任何镁，则向源自步骤dii)的阳离子柱的混合物中添加氢氧化钙，使得氯化镁与氢氧化钙反应以形成处于溶液中的氯化钙和可与溶液分离的氢氧化镁沉淀物；且还任选地将氯化钙与硫酸接触以形成硫酸钙沉淀物和盐酸，其后者优选再次通过步骤dii)中的阳离子柱。
根据本发明另外的特征，提供步骤di)的含氯化物的进料溶液，以包含氯化钾，且关于步骤di)，包括将氯化钾溶液通过阳离子柱以利用钾主要置换吸附在树脂上的钠，以从阳离子柱主要产生氯化钠，关于步骤dii)，包括将硝酸通过阳离子柱，以用氢离子置换吸附在树脂上的钙、镁和钾，并从阳离子柱产生硝酸钙、硝酸镁和硝酸钾，由此留下载有氢离子的阳离子柱。
还提供，以足以置换阳离子柱上所有阳离子而产生氯化钠、氯化镁和氯化钙的体积，将氯化钾溶液通过步骤di)中的阳离子柱；并将硝酸通过阳离子柱以从阳离子柱产生硝酸钾，由此留下载有氢离子的阳离子柱。
根据本发明的替代特征提供，关于步骤c)，包括将在树脂上具有更大选择性吸附的硫酸溶液通过阴离子柱以由硫酸根离子置换吸附在树脂上的氯离子并从阴离子柱主要产生盐酸，其后将氢氧化铵溶液通过阴离子柱以利用氢氧根离子置换吸附在树脂上的硫酸根离子并从阴离子柱产生硫酸铵溶液，由此留下载有氢氧根离子的阴离子柱，并任选地利用碳酸钙对盐酸进行中和以产生含碳酸和氯化钙的溶液，其中碳酸大部分在溶液中离解成水和二氧化碳，或者，作为碳酸钙的替代或除了所述碳酸钙之外，利用氢氧化钙中和该盐酸。
还提供，上述形成的氯化钙在步骤di)中用作氯化物进料溶液。
还提供源自上述的硫酸铵溶液与氢氧化钙接触，从而从溶液中沉淀出硫酸钙并任选地提供能够重新使用的氢氧化铵以置换阴离子柱上的硫酸根离子。
根据本发明的还另外的方面，提供一种处理水的方法，所述方法包括如下步骤：
a)作为第一步骤，将pH值大于7的水通过包含载有氢离子的树脂的阳离子柱以将包括钙、镁和钠的阳离子组中的一种或多种阳离子从水中吸收在树脂中并置换所述氢离子，以得到pH值小于7的水；
b)将足够体积的氯化钾溶液通过所述阳离子柱以利用钾置换在所述阳离子柱上吸附在所述树脂上的所有阳离子，以从所述阳离子柱产生氯化钠、氯化镁和氯化钙；以及
c)将硝酸通过所述阳离子柱以利用氢离子置换吸附在所述树脂上的钾并从所述阳离子柱产生硝酸钾，由此留下载有氢离子的阳离子柱
根据本发明的还另外的特征，提供一种对水进行处理以降低所述水的pH值的方法，所述方法包括如下步骤：
a)将水，优选其pH值大于7，通过包含载有氢离子的树脂的阳离子柱以将包括钙、镁和钠的阳离子组中的一种或多种阳离子从水中吸附在树脂中并置换所述氢离子，得到pH值小于7的水；
b)将氯化钾溶液通过所述阳离子柱以利用钾离子主要置换吸附在所述树脂上的钠并主要产生氯化钠，由此留下载有钙、镁和钾离子的阳离子柱；以及
c)将硝酸通过所述阳离子柱以利用氢置换钙、镁和钾并产生硝酸钙、硝酸镁和硝酸钾，由此留下载有氢离子的阳离子柱。
还提供，将pH值小于7的水与碳酸钙或氨接触以对水进行部分或完全中和，并得到钙或铵的浓度提高了的水。
根据本发明的还另外的特征，提供一种对水进行处理以增加所述水的pH值的方法，所述方法包括如下步骤：
a)将水，优选pH小于7，通过包括载有氢氧根离子的树脂的阴离子柱以将包括硫酸根和氯离子的阴离子组中的一种或多种阴离子从所述水中吸附在树脂中并置换所述氢氧根离子；
b)将在树脂上具有更大选择性吸附性的硫酸溶液通过所述阴离子柱以通过硫酸根离子置换吸附在所述树脂上的所述氯离子并从所述阴离子柱主要产生盐酸；以及
c)将氢氧化铵溶液通过所述阴离子柱以利用氢氧根离子置换吸附在所述树脂上的硫酸根离子并从所述阴离子柱产生硫酸铵溶液，由此留下载有氢氧根离子的阴离子柱，得到pH值比所述水进入所述方法时更高的水而不会增加所述水中总溶解固体。
还提供，源自上述的硫酸铵溶液与氢氧化钙接触以形成从所述溶液中沉淀出的硫酸钙，并任选地将氢氧化铵重新使用以置换在所述阴离子柱上的所述硫酸根离子。
根据本发明还另外的特征，提供包括如下步骤的方法：通过将铵吸收在所述阳离子交换树脂上并将硝酸根和磷酸根吸收在所述阴离子交换树脂上，从源水中除去包括铵(NH4 +)、硝酸根(NO3 -)和磷酸根(PO4 3-)的化合物组中的任意一种或多种化合物。
还提供，再生阳离子柱以得到包括硝酸钙(Ca(NO3)2)和硝酸铵(NH4NO3)的溶液和再生阴离子柱以得到包括硫酸铵((NH4)2SO4)、磷酸铵((NH4)3PO4)和硝酸铵(NH4NO3)的溶液。
还提供，将产自所述阴离子柱的硫酸铵溶液用作肥料或利用氢氧化钙进行处理以产生硫酸钙沉淀物和氢氧化铵溶液，以及任选地将氢氧化铵再次进料至所述阴离子柱以利用氢氧根离子置换吸附在所述树脂上的硫酸根离子并从所述阴离子柱产生硫酸铵溶液。
根据本发明的另一个方面，提供一种处理水的***，所述***包括：包含阳离子交换树脂的阳离子交换柱和包含具有阴离子交换树脂的树脂的阴离子交换柱，各个柱包括进口和出口并相互流体连通以实施上述水净化方法的步骤。
本发明还另外的方面提供另外的柱和方法，所述柱含有对重金属具有选择性的阳离子交换树脂以在源水进入阳离子柱之前从所述源水中除去诸如重金属的不期望的元素，包括但不限于铅(Pb)和镉(Cd)，且所述方法包括在源水进入所述阳离子柱之前将所述源水通过这种柱的另外步骤。
下面将更详细地描述本发明的这些和其他特征。
附图简述
仅利用实例并参考附图对本发明的优选实施方案进行说明，其中：
图1是根据本发明对水进行处理的方法的示意图，其显示了将水通过阳离子柱和阴离子柱；
图2是与溶液的离子交换的示意图，其中将含有对离子A的阳离子交换剂放入含有对离子B的溶液中(初始状态)，导致对离子通过扩散而重新分布，直至达到平衡(平衡状态)；
图3显示了一系列离子交换间歇罐中的浓度轮廓；
图4是如图1中所示利用钙、镁和钠离子对氢离子进行的置换并显示了离子在阳离子柱中的分布，以及如图1中所示利用硫酸根和氯离子对氢氧根离子进行的置换并显示了离子在阴离子柱中的分布的示意图；
图5是根据本发明第一实施方案对水进行处理的方法的示意图，显示了利用氢氧化铵对阴离子柱的再生以及利用氯化钙和硝酸对阳离子柱的再生；
图6是液体根据如图5中所示的方法的流动的示意图；
图7是根据本发明第二实施方案对水进行处理的方法的示意图，显示了利用氢氧化铵对阴离子柱的再生以及利用氯化钙和盐酸对阳离子柱的再生；
图8是液体根据如图7中所示的方法的流动的示意图；
图9显示了利用硫酸对阴离子柱进行再生的替代方案；
图10是液体根据如图9中所示的方法的流动的示意图；
图11是根据本发明对水进行处理的第三实施方案的示意图，其中所述阳离子柱利用盐酸进行再生；
图12是根据本发明对水进行处理的第四实施方案的示意图，其中所述阳离子柱利用氯化钾进行再生；
图13是图12中所示方法的示意图，其中氯化钾溶液具有足以置换阳离子柱上所有阳离子的增大的体积；
图14是本发明通过仅使用阳离子柱降低水的pH值的方法的示意图；以及
图15是本发明通过仅使用阴离子柱提高水的pH值的方法的示意图。
发明详述
在本发明中，水脱盐方法提供两个柱，可将源水通过所述两个柱。该说明书中所指的源水涉及使用者希望净化的水且其中可包括钠、钙、镁、硫酸根和氯离子以及重金属如铅和镉。所述方法优选在固定床柱中实施，使得每小时更大体积、典型地约8000升以上的水通过所述柱。
第一个柱含有阳离子交换树脂(R)。下文中将其称作阳离子柱。第二个柱含有阴离子交换树脂(R’)。下文中将其称作阴离子柱。
水供应管线向阳离子柱供应源水并将源水从所述阳离子柱供应至阴离子柱。所述阳离子柱包括最初载有氢离子(H+)的树脂。所述阴离子柱包括最初载有氢氧根离子(OH-)的树脂。将其示于图1中。
关于树脂，与所述树脂接触的溶液中的离子，根据其在所述方法中所发挥的作用而具有不同的术语。参考图2，应注意，树脂是由具有固定电荷的基体构成的不溶物。阳离子树脂具有负电荷且阴离子树脂具有正电荷。
具体地，关于阳离子交换树脂，树脂上的各个负电荷具有与其缔合的称作对离子的正离子或阳离子。当树脂与盐溶液接触时，将溶液中的其他负离子称作共离子。
除了锂之外，树脂对氢离子的选择性最低且为了以氢或质子的形式得到树脂，需要使用过量的酸。
当将处于A形式的离子交换剂（其中A是任意的对离子）放入电解质BY的溶液中时，对离子A从交换剂迁移入溶液中且对离子B从溶液中迁移入离子交换剂中，即对离子发生交换。在特定时间之后，达到离子交换平衡。现在，离子交换剂和溶液两者都含有对离子物种A和B两者。
然而，两种对离子的浓度比并不是必须相同。
所述比例取决于树脂对特定对离子的选择性。如果树脂对对离子B的选择性比A高，则树脂上B的浓度比A高，且溶液中A的浓度比B高。
关于使用交换加工树脂对流体进行处理，重要的是要注意，通过间歇法或柱法能够完成离子交换处理。在间歇法中，在间歇罐中对树脂和溶液进行混合，使得交换达到平衡，然后将树脂与溶液分离。交换的发生程度受到树脂对溶液中的离子所展示的偏好的限制。因此，树脂交换容量的使用受到限制，除非对于溶液中离子的选择性远大于连接到树脂上的可交换的离子的选择性。因为树脂的间歇再生在化学上不能实现，所以利用离子交换的间歇加工限制了潜在的应用。
在柱法中，将溶液通过含有交换树脂床的柱，类似于在无穷个间歇罐系列中对溶液进行处理。考虑到一系列罐，各自以X离子的形式含有1当量(eq)的树脂(参见图3)。将含有1eq Y离子的大量溶液装入第一个罐中。假定树脂对离子X和Y具有相等的偏好，当达到平衡时，溶液相将含有0.5eq的X和Y。类似地，树脂相将含有0.5eq的X和Y。这种分离等效于在间歇法中所实现的状况。
如果将溶液从罐1中移出并添加至罐2中，所述罐2还含有处于X离子形式的1eq的树脂，溶液和树脂相两者都含有0.25eq的Y离子和0.75eq的X离子。在第三和第四个罐中重复所述程序会将Y离子的溶液含量分别降至0.125和0.0625。尽管具有不利的树脂偏好，但是使用足够数目的阶段仍可将溶液中Y离子的浓度降至任意期望水平。
尽管这种分析简化了柱技术，但其对工艺动力学提供了洞察力。尽管对待除去的离子的选择性差，但仍可分离。
参考图1和4以及本发明，将水通过阳离子柱使得水中的Ca2+、Mg2+或Na+离子置换H+离子。为了便于参考，下文中将Ca2+、Mg2+或Na+称作M+。留在阳离子柱中的水含有H+离子且在源水中不存在或存在有限量的阳离子。
然后，将水通过阴离子柱，使得氢氧根离子被包括硫酸根(SO4 2-)和氯离子(Cl-)的阴离子组(X-)中的一种或多种阴离子置换。H+离子与OH-离子反应以形成水(H2O)。留在阴离子柱中的水不含或含有有限量的离子并因此基本完成了脱盐。
这能够通过如下化学反应来显示。
在阳离子柱中：
M+(aq)+HR(s)→MR(s)+H+(aq)
在阴离子柱中：
X-(aq)+R’OH(s)→R’X(s)+OH-(aq)
释放入水中的H+和OH-离子相互反应以形成水：
H+(aq)+OH-(aq)→H2O
可以预期，在柱1中发生特定量的层化，阳离子交换树脂对于其具有更高选择性的阳离子如二价离子在柱顶将具有更高的浓度且单价的阳离子在柱底具有更高的浓度。这将使得钙和镁离子基本固定在阳离子柱的工作区域顶部处且使得钠离子基本固定在该柱的工作底部。
在柱2中同样发生层化，阴离子树脂对其具有更高选择性的阴离子如硫酸根将以更高的浓度固定在柱顶且其他阴离子如氯离子将以更高的浓度固定在该柱的底部。这示于图4中。
当发生突破时，即当在流出物中H+之外的阳离子的浓度和/或OH-之外的阴离子的浓度升至不可接受的水平时，则停止水流过柱以再生树脂。
然后，利用氢氧化铵再生阴离子树脂以形成氯化铵和/或硫酸铵的混合物，如图5中所示。
然后，利用氢氧化钙对氯化铵和硫酸铵的混合物进行处理以形成沉淀的硫酸钙以及氨气，所述氨气能够从溶液中汽提以再次重新溶解并在再生阴离子树脂时再次用于下一循环。所形成的第三种化合物是氯化钙。
阴离子树脂(R’)的再生能够用如下方程式表示：
3NH4OH(aq)+R’SO4(s)+R’Cl(s)→R’OH(s)+(NH4)2SO4(aq)+NH4Cl(aq)
(NH4)2SO4(aq)+NH4Cl(aq)+Ca(OH)2→CaSO4↓+NH3↑+CaCl2(aq)
然后对阳离子树脂进行再生，仍如图5中所示。通过将刚刚如上所述产生的CaCl2(aq)溶液泵送通过阳离子柱将集中在阳离子柱底部的Na+除去，以产生氯化钠(NaCl)溶液。
于是，所述再生遵循两种备选方案中的一种，即：
备选方案1，如图5中所示：-
利用硝酸(HNO3)进一步再生阳离子树脂以形成硝酸钙和硝酸镁的混合物。(在下述反应中，仅显示了关于钙的反应。)
R步骤1 CaCl2(aq)+2NaR(s)→CaR(s)+2NaCl(aq)
R步骤2 HNO3(aq)+CaR(s)→HR(s)+Ca(NO3)2(aq)
将用于处理的液体的总流动示于图6中，所述处理包括使用用于阳离子树脂再生的备选方案1的完全再生。
备选方案2，如图7中所示：-
则利用盐酸再生阳离子树脂以形成氯化钙和氯化镁的混合物。(在下述反应中，仅显示了关于钙的反应。)
R步骤1 CaCl2(aq)+2NaR(s)→CaR(s)+2NaCl(aq)
R步骤2 2HCl(aq)+CaR(s)→HR(s)+CaCl2(aq)
然后，利用氢氧化钙对氯化钙和氯化镁的混合物进行处理以沉淀氢氧化镁而留下氯化钙溶液，然后利用硫酸对所述氯化钙溶液进行处理以形成沉淀的硫酸钙和盐酸，当再次再生阳离子树脂时能够再次使用所述盐酸。
CaCl2+MgCl2+Ca(OH)2→Mg(OH)2↓+2CaCl2
CaCl2+H2SO4→CaSO4↓+2HCl
将用于处理的液体的总流动示于图8中，所述处理包括使用用于阳离子树脂再生的备选方案2的完全再生。
在上述阴离子柱再生的备选方案中，并如图9中所示，可通过将硫酸(H2SO4)溶液（优选稀释的硫酸溶液）通过阴离子柱，首先置换阴离子柱中阴离子树脂上的Cl-离子。这通过更大的选择性吸附，利用硫酸根离子置换吸附在树脂上的氯离子，以从阴离子柱产生盐酸(HCl)。
然后，通过将氢氧化铵(NH4OH)溶液通过阴离子柱以利用氢氧根离子(OH-)置换吸附在树脂上的硫酸根离子(SO4 2-)，来对阴离子交换树脂进行再生，这将从阴离子柱产生硫酸铵((NH4)2SO4)溶液，由此留下载有氢氧根离子(OH-)的阴离子柱。硫酸铵((NH4)2SO4)可用作肥料。这能够通过如下化学反应来显示：
SO4 2-(aq)+R’Cl(s)→R’SO4(s)+Cl-(aq)
和
2NH4OH(aq)+R’SO4(s)→R’OH(s)+(NH4)2SO4(aq)
在上述化学反应中，R’Cl(s)是指吸附在阴离子交换柱的树脂上的Cl-。
然后，利用碳酸钙(CaCO3)对产自阴离子柱的盐酸进行中和以产生含有碳酸(H2CO3)的溶液和氯化钙(CaCl2)溶液。
这能够通过如下化学反应来显示：
2HCl+CaCO3→H2CO3+CaCl2(aq)
碳酸将自然离解成水(H2O)和二氧化碳气体(CO2)，而氯化钙(CaCl2(aq))将保留在溶液中，并通过阳离子柱以主要置换集中在阳离子柱底部处的钠(Na+)，从而从阴离子柱主要产生氯化钠(NaCl)。
这能够通过如下化学反应来显示：
H2CO3→H2O+CO2
和
CaCl2(aq)+2NaR(s)→CaR(s)+2NaCl(aq)
或者，可以基本以与如上所述相同的方式利用氢氧化钙(Ca(OH)2)对盐酸进行中和，这将制得氯化钙和水。
这能够通过如下化学反应来显示：
2HCl+Ca(OH)2→2H2O+CaCl2(aq)
仍然如图9中所示，通过将硝酸(HNO3)通过阳离子柱以利用氢离子置换吸附在树脂上的钙和镁离子中的至少一种离子而从第一个柱产生硝酸钙(Ca(NO3)2)和/或硝酸镁(Mg(NO3)2)，对阳离子交换树脂进行再生。这将留下载有氢离子的阳离子柱。
这能够通过如下化学反应来显示：
HNO3(aq)+CaR(s)→HR(s)+Ca(NO3)2(aq)
HNO3(aq)+MgR(s)→HR(s)+Mg(NO3)2(aq)
硝酸钙和硝酸镁能够用作肥料。
然而，不优选的是，溶液中含有硝酸钙和硝酸镁混合物并期望将它们分离。为此，可向溶液中添加氢氧化钙(Ca(OH)2)。硝酸镁将与氢氧化钙反应以形成更多的硝酸钙和氢氧化镁(Mg(OH)2)，所述氢氧化镁因其溶解度低而沉淀并能够与溶液分离。这将留下能够用作肥料的硝酸钙溶液。
这能够通过如下化学反应来显示：
Mg(NO3)2+Ca(OH)2→Mg(OH)2+Ca(NO3)2
仍然如图9中所示，利用硝酸(HNO3)对氢氧化镁(Mg(OH)2)进行中和将形成硝酸镁。或者，可向氢氧化镁(Mg(OH)2)中添加硫酸(H2SO4)以作为中和剂，这将产生硫酸镁(MgSO4)。这两种盐都适合作为肥料。
这能够通过如下化学反应来显示：
Mg(OH)2+2HNO3→Mg(NO3)2+2H2O
Mg(OH)2+H2SO4→MgSO4+2H2O
图10显示了参考图9所述的用于本方法的液体的流动。
如图11中所示，通过将盐酸(HCl)而不是硝酸(HNO3)通过阳离子柱，也可对阳离子交换树脂进行再生。这将利用氢离子置换吸附在树脂上的钙和镁离子中的至少一种离子以从第一个柱产生氯化钙(CaCl2)和/或氯化镁(MgCl2)。这将留下载有氢离子的阳离子柱。
这能够通过如下化学反应来显示：
HCl(aq)+CaR(s)→HR(s)+CaCl2(aq)
HCl(aq)+MgR(s)→HR(s)+MgCl2(aq)
然后，首先利用氢氧化钙(Ca(OH)2对由此形成的氯化钙和氯化镁进行处理以从溶液中沉淀氢氧化镁(Mg(OH)2)。这留下氯化钙(CaCl2)，然后利用硫酸(H2SO4)对其进行处理。这使得硫酸钙(CaSO4)沉淀并产生盐酸(HCl)。然后，可再次使用盐酸(HCl)以在阳离子柱的下一再生循环中用于再生阳离子柱。这以回路的方式使用大量可再循环的产物。
将本发明的第四实施方案示于图12中。在该实施方案中，将从阴离子柱中产生的盐酸(HCl)按其本来形式回收，不进行如图9和11中所示中和以得到氯化钙(CaCl2)。该实施方案可用于其中对硝酸盐混合物类肥料存在市场的状况和其中对盐酸存在易于接近的市场的状况中。
在该第四实施方案中，通过将氯化钾(KCl)通过阳离子柱，利用钾离子(K+)置换吸附在树脂上的钠离子(Na+)(参考图4)，这使得从阳离子柱产生氯化钠并在树脂上留下钾离子。然后，将硝酸(HNO3)通过阳离子柱，以利用氢离子（H＋）置换钾离子(K+)和已经存在的钙离子(Ca2+)和镁离子(Mg2+)，产生硝酸钙((CaNO3)2)、硝酸镁((MgNO3)2)和硝酸钾(KNO3)，以及准备用于下一水处理循环的载有氢离子的阳离子柱。
将本发明的第五实施方案示于图13中。这与图12中所示的第四实施方案类似，不同之处在于，使用氯化钾(KCl)从阳离子柱中提取所有离子，以得到氯化钠(NaCl)、氯化镁(MgCl2)、氯化钙(CaCl2)，并在利用硝酸再生之后，产生硝酸钾(KNO3)。
将第六实施方案示于图14中。在该实施方案中，仅使用阳离子柱。在当碳酸氢盐在水中的浓度非常高且需要降低pH而不增大水的总溶解固体“TDS”的情况中实施该操作。这与图12和13中所示的第三实施方案和第四实施方案的阳离子历程（leg）类似，但仅使用阳离子柱。
将本发明的第七实施方案示于图15中。这与图13中所示的第五实施方案类似，但在此情况中仅使用阴离子柱。在水的pH过低(并由此几乎呈酸性)且需要对水进行中和而不提高水的总溶解固体“TDS”的情况中实施该操作。
通过利用本发明的各种实施方案，可以以本文中所述的方式将源水通过柱，使用硫酸、硝酸、氢氧化铵、碳酸钙和/或氢氧化钙以得到去离子的且基本脱盐的水以及以经济可持续的方式得到有用的废物产物如硝酸钙、氢氧化镁、硫酸铵和氯化钠。
非常经常地，在上述步骤期间，在源水中可存在诸如重金属如铅(Pb)和镉(Cd)的不期望的元素。在源水进入阳离子柱之前，通过将水首先通过包括对这些元素具有选择性的树脂的柱，可将这些不期望的元素除去。
另外，在上述步骤期间，在源水中还会存在其他化合物如铵(NH4 +)、硝酸根(NO3 -)和磷酸根(PO4 3-)。所述铵将吸收在阳离子交换树脂上且所述硝酸根和磷酸根将吸收在阴离子交换树脂上。
当按上述对阳离子交换树脂进行再生时，所述铵将在硝酸钙(Ca(NO3)2)溶液中作为硝酸铵(NH4NO3)告终，提供硝酸钙和硝酸铵的混合物。
当按上述对阴离子交换树脂进行再生时，所述硝酸根将在硫酸铵溶液中作为硝酸铵告终，提供硫酸铵((NH4)2SO4)和硝酸铵(NH4NO3)的混合物。

Claims (24)

1.一种水脱盐方法，所述方法包括如下步骤：
a)将水通过包括载有氢离子的树脂的阳离子柱以将包括钙、镁和钠离子的阳离子组中的一种或多种阳离子从水中吸附在树脂上并置换所述氢离子；
b)将源自步骤a)的水通过包括载有氢氧根离子的树脂的阴离子柱以将包括硫酸根和氯离子的阴离子组中的一种或多种阴离子从水中吸附在所述树脂上并置换所述氢氧根离子，从而得到脱盐的水；
c)通过如下操作，再生所述阴离子柱：通过含有包括与载体离子结合的氢氧根离子的至少一种物种的溶液，以从树脂中置换硫酸根和氯离子而留下载有氢氧根的树脂并主要产生含有硫酸根和氯离子与所述载体离子的混合物的溶液；以及
d)通过如下操作，再生所述阳离子柱：
i.使得包括与对离子结合的氯离子的含氯化物的进料溶液通过所述阳离子柱，所述对离子具有比钠离子更大的在树脂上的吸附选择性，以从树脂中置换几乎所有钠离子和至少一些在步骤a)中吸附的其他阳离子，从而留下载有对离子和一些在步骤a)中吸附的其他阳离子的树脂，并从阳离子柱产生含有大部分钠和至少一些在步骤a)中吸附的其他阳离子的氯化物产物溶液；以及
ii.将硝酸溶液或盐酸溶液通过所述阳离子柱以利用氢离子置换在步骤di)之后残留在树脂上的阳离子，并从阳离子柱产生在步骤di)之后残留在树脂上的阳离子的硝酸盐或氯化物，由此留下载有氢离子的阳离子柱。
2.如权利要求1所述的方法，其中步骤c)的氢氧根物种包含氢氧化铵且步骤c)包括将氢氧化铵溶液通过所述阴离子柱以利用氢氧根离子置换吸附到所述树脂上的氯离子和硫酸根离子并从所述阴离子柱主要产生氯化铵和硫酸铵的混合物。
3.如权利要求2所述的方法，其包括利用氢氧化钙对步骤c)的所述氯化铵和硫酸铵进行处理以产生含有硫酸钙、氨气和氯化钙的溶液，其中所述硫酸钙从所述溶液中沉淀，且可从所述溶液中汽提所述氨气并且所述氨气重新溶于水中以形成用于步骤c)中的氢氧化铵。
4.如权利要求3所述的方法，其中步骤di)的含氯化物的进料溶液包含氯化钙且所述方法包括将氯化钙溶液进料至步骤di)，以利用钙置换吸附在所述树脂上的大部分钠和一些其他阳离子并从所述阳离子柱产生含大部分钠的氯化物产物溶液，且源自步骤dii)的硝酸盐混合物或氯化物混合物，则分别包含硝酸钙和氯化钙。
5.如权利要求1所述的方法，若源自步骤dii)的所述阳离子柱的硝酸盐混合物含有任何镁，则所述方法包括向所述混合物中添加氢氧化钙，由此使得所述硝酸镁与所述氢氧化钙反应以形成氢氧化镁沉淀物和处于溶液中的硝酸钙。
6.如权利要求1所述的方法，其包括利用硝酸对所述氢氧化镁进行中和以形成硝酸镁和水的步骤；或者利用硫酸对所述氢氧化镁进行中和以形成硫酸镁和水的步骤。
7.如权利要求4所述的方法，若源自步骤dii)的所述阳离子柱的氯化物混合物含有任何镁，则所述方法包括向源自步骤dii)的所述阳离子柱的所述混合物中添加氢氧化钙，由此使得所述氯化镁与所述氢氧化钙反应以形成氢氧化镁沉淀物和处于溶液中的氯化钙。
8.如权利要求7所述的方法，其包括将所述氯化钙与硫酸接触以形成硫酸钙沉淀物和盐酸的步骤，后者优选再次通过步骤dii)中的所述阳离子柱。
9.如权利要求1~3中任一项所述的方法，其中步骤di)的含氯化物的进料溶液包含氯化钾且步骤di)包括将氯化钾溶液通过所述阳离子柱以利用钾主要置换吸附在树脂上的钠，从所述阳离子柱主要产生氯化钠，且步骤dii)包括将硝酸通过所述阳离子柱，以用氢离子置换吸附在所述树脂上的钙、镁和钾并从所述阳离子柱产生硝酸钙、硝酸镁和硝酸钾，由此留下载有氢离子的阳离子柱。
10.如权利要求9所述的方法，其包括以足以置换所述阳离子柱上所有阳离子而产生氯化钠、氯化镁和氯化钙的体积，将所述氯化钾溶液通过步骤di)中的阳离子柱；并将硝酸通过所述阳离子柱以从所述阳离子柱产生硝酸钾，由此留下载有氢离子的阳离子柱。
11.如权利要求1所述的方法，其中步骤c)包括将硫酸溶液通过所述阴离子柱以由硫酸根离子置换吸附在所述树脂上的氯离子并从所述阴离子柱主要产生盐酸，之后将氢氧化铵溶液通过所述阴离子柱以利用氢氧根离子置换吸附在所述树脂上的硫酸根离子并从所述阴离子柱产生硫酸铵溶液，由此留下载有氢氧根离子的阴离子柱。
12.如权利要求11所述的方法，其包括利用碳酸钙对所述盐酸进行中和以产生含碳酸和氯化钙的溶液的步骤，其中碳酸大部分在溶液中离解成水和二氧化碳，或者，其包括作为碳酸钙的替代或除了所述碳酸钙之外利用氢氧化钙中和所述盐酸的步骤。
13.如权利要求12所述的方法，其中将所述氯化钙在步骤di)中用作氯化物进料溶液。
14.如权利要求11或13所述的方法，其中将所述硫酸铵溶液与氢氧化钙接触以形成从所述溶液中沉淀的硫酸钙和氢氧化铵并任选地将所述氢氧化铵传送至步骤c)以置换所述阴离子柱上的所述硫酸根离子。
15.一种处理水的方法，所述方法包括如下步骤：
a)作为第一步骤，将pH值大于7的水通过包含载有氢离子的树脂的阳离子柱以将包括钙、镁和钠的阳离子组中的一种或多种阳离子从水中吸收在树脂中并置换所述氢离子，以得到pH值小于7的水；
b)将足够体积的氯化钾溶液通过所述阳离子柱以利用钾置换在所述阳离子柱上吸附在所述树脂上的所有阳离子，以从所述阳离子柱产生氯化钠、氯化镁和氯化钙；以及
c)将硝酸通过所述阳离子柱以利用氢离子置换吸附在所述树脂上的钾并从所述阳离子柱产生硝酸钾，由此留下载有氢离子的阳离子柱。
16.一种对水进行处理以降低所述水的pH值的方法，所述方法包括如下步骤：
a)将水，优选其pH值大于7，通过包含载有氢离子的树脂的阳离子柱以将包括钙、镁和钠的阳离子组中的一种或多种阳离子从水中吸附在树脂中并置换所述氢离子，得到pH值小于7的水；
b)将氯化钾溶液通过所述阳离子柱以利用钾离子主要置换吸附在所述树脂上的钠并主要产生氯化钠，由此留下载有钙、镁和钾离子的阳离子柱；以及
c)将硝酸溶液通过所述阳离子柱以利用氢置换钙、镁和钾并产生硝酸钙、硝酸镁和硝酸钾，由此留下载有氢离子的阳离子柱。
17.如权利要求15所述的方法，其包括以下步骤：将pH值小于7的水与碳酸钙或氨接触以部分或全部中和该水，得到钙或铵的浓度提高了的水。
18.一种对水进行处理以提高所述水的pH值的方法，所述方法包括如下步骤：
a)将水，优选pH小于7，通过包括载有氢氧根离子的树脂的阴离子柱以将包括硫酸根和氯离子的阴离子组中的一种或多种阴离子从所述水中吸附在树脂中并置换所述氢氧根离子；
b)将硫酸溶液通过所述阴离子柱以通过硫酸根离子置换吸附在所述树脂上的所述氯离子并从所述阴离子柱主要产生盐酸；以及
c)将氢氧化铵溶液通过所述阴离子柱以利用氢氧根离子置换吸附在所述树脂上的硫酸根离子并从所述阴离子柱产生硫酸铵溶液，由此留下载有氢氧根离子的阴离子柱，得到pH值比所述水进入所述方法时更高的水而不会增加所述水中总溶解固体。
19.如权利要求17所述的方法，其中将所述硫酸铵溶液与氢氧化钙接触以形成从所述溶液中沉淀出的硫酸钙和氢氧化铵，并任选地将所述氢氧化铵传送至权利要求18的步骤c)以置换在所述阴离子柱上的所述硫酸根离子。
20.如权利要求1~19中任一项所述的方法，其包括如下步骤：通过将铵吸收在所述阳离子交换树脂上并将硝酸根和磷酸根吸收在所述阴离子交换树脂上，从源水中除去包括铵(NH4 +)、硝酸根(NO3 -)和磷酸根(PO4 3-)的化合物组中的任意一种或多种。
21.如权利要求2~20中任一项所述的方法，其包括如下步骤：利用氢氧化钙对产自所述阴离子柱的所述硫酸铵溶液进行处理以产生硫酸钙沉淀物和氢氧化铵溶液，以及任选地将所述氢氧化铵进料至所述阴离子柱以利用氢氧根离子置换吸附在所述树脂上的硫酸根离子并从所述阴离子柱产生硫酸铵溶液。
22.一种处理水的***，所述***包括:包含阳离子交换树脂的阳离子交换柱和包含具有阴离子交换树脂的树脂的阴离子交换柱，各个柱包括进口和出口并相互流体连通以使得所述***能够实施权利要求1~21中任一项的方法的步骤。
23.如权利要求22所述的***，其包括另外的柱，所述另外的柱含有对重金属具有选择性的阳离子交换树脂以在源水进入所述阳离子柱之前从所述源水中除去诸如重金属的不期望的元素，包括但不限于铅(Pb)和镉(Cd)。
24.如权利要求1~21中任一项所述的方法，其包括在源水进入所述阳离子柱之前将所述源水通过权利要求23中所述的另外的柱的步骤。
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