CN105408007B - 包括超滤模块和可加压储槽的水处理组件 - Google Patents
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Abstract
一种水处理组件，其包含连接到以下各者的螺旋卷绕超滤膜模块：i)适合于连接到加压进给水源的进料管线，ii)适合于连接到已处理水分配器的渗透管线，和iii)适合于与排水管连接的浓缩管线；其中所述组件进一步包括可加压储槽，其具有用于将加压进给水流沿着所述进料管线选择性分流穿过所述储槽并且返回到所述进料管线随后通过所述超滤膜模块的阀门。
Description
技术领域
本发明涉及水处理组件，其包括超滤(例如反渗透)膜模块和在所述模块上游位置的可加压储槽，所述可加压储槽具有用于将加压进给水流选择性分流穿过所述储槽的阀门。
背景技术
“超滤”是一种基于膜的分离工艺，其中在半透膜的一侧上施加压力到进料溶液。施加的压力导致“溶剂”(例如水)通过膜(即形成“渗透物”溶液)，而“溶质”(例如盐)不能通过膜并且在剩余进料中浓缩(即形成“浓缩物”溶液)。为了克服溶剂从低到高浓度移动的天然驱动力，施加的进给压力必须超过渗透压。出于此原因，术语“超滤”通常与“反渗透”可互换使用。利用超滤的大多数水处理组件以错流模式操作，大部分进料横穿膜的表面并且少部分以“渗透物”形式通过膜。参看例如US 4711723、US 4713175、US 4842724、US 5296148、US 7267769和CN 2839254。
进料溶液通过膜的百分比称为“回收”或“回收率”。取决于进料的组成，随着进料中的盐变得浓缩高于其溶解度极限，更高回收下的操作可能会导致结垢。大型脱盐***中的个别模块典型地经设计以在10-20％回收下连续运行。相比之下，住宅***中所用的小反渗透模块通常不频繁操作，并且这些***通常针对20-35％之间的回收而设计。显著更高回收(例如高于35％)经常受结垢限制，因为大多数未软化的住宅用水含有相当大量的钙和碳酸氢根离子。贯穿高回收操作增加此浓度可能会导致CaCO3水垢。
发明内容
本发明包括一种水处理组件，其包括连接到以下各者的螺旋卷绕超滤膜模块：i)适合于连接到加压进给水源的进料管线，ii)适合于连接到已处理水分配器的渗透管线，和iii)适合于与排水管连接的浓缩管线。所述组件的特征在于包括可加压储槽，其包括用于将加压进给水流沿着所述进料管线选择性分流穿过所述储槽并且返回到所述进料管线随后通过所述超滤膜模块的阀门。所述储槽包括选自以下各者的添加剂：清洁剂(例如乙酸，以减轻结垢)或对抗物质(例如以测试所述膜模块的完整性)。描述多个实施例。
附图说明
图式并未按比例绘制并且包括理想化视图以便于描述。可能时，已经在整个图式和书面描述中使用相似编号来指示相同或类似特征。
图1是本发明的一个实施例以标准模式操作的示意图。
图2是图1的实施例以测试或清洁模式操作的示意图。
图3是本发明的一个替代性实施例的示意图。
具体实施方式
本发明包括一种适用于反渗透(RO)和纳米过滤(NF)的螺旋卷绕模块(“元件”)。此类模块包括包裹渗透物收集管的一个或多个RO或NF膜和围绕渗透物收集管卷绕的进料间隔件薄片。用以形成包裹的RO膜相对不可渗透几乎全部溶解盐并且典型地阻挡超过约95％的单价离子盐，如氯化钠。RO膜还典型地阻挡超过约95％的无机分子以及分子量大于约100道尔顿的有机分子。NF膜比RO膜更可渗透并且典型地阻挡小于约95％的单价离子盐，同时阻挡大于约50％(并且常常大于90％)的二价离子盐，取决于二价离子的种类。NF膜还典型地阻挡在纳米范围内的粒子以及分子量大于约200到500道尔顿的有机分子。出于此描述的目的，术语“超滤”涵盖反渗透(RO)和纳米过滤(NF)两者。
本发明特别适合于经设计用于住宅用途的水处理组件，例如具有小于2m2并且更优选小于1m2的膜面积的那些。此类模块的优选长度是小于0.5m。代表性超滤模块包括FilmTec's 1812配置(例如TW30-1812)，其是标称1.8英寸(4.6cm)直径和标称12英寸(30cm)长。
图1和2示意性地说明本发明的一个实施例。水处理组件(10)包括螺旋卷绕超滤膜模块(12)，其连接到适合于连接到加压进给水源(未展示)的进料管线(14)。进给水源不受特定限制，并且包括优选在大于10psi并且更优选大于20psi的压力下提供的城市或家庭饮用水供应。(在多种应用中，进给压力优选小于100psi或小于60psi。)模块(12)还连接到适合于连接到已处理水分配器(例如水龙头，未展示)的渗透管线(16)，和适合于与排水管或弃置贮存容器连接的浓缩管线(18)。管线(14，16，18)可以包含例如如常用于住宅家庭RO处理***中的传统管路或软管(例如铜、聚乙烯、PVC等)，具有如常规用于此类应用的接头。对于经设计用于在更高压力下操作的***，可能需要替代性材料。螺旋卷绕模块(12)可以封装于壳体内或装配于外壳内，如本领域中所常见，所述壳体或外壳具有用于与管线(14，16，18)连接的流体入口和出口。虽然仅需要单一模块(12)，但如本领域中所常见，多个模块可以串联连接于常见外壳或压力容器内。
在一组优选实施例中，组件(10)适合于提供超过40％回收。为此目的，浓缩管线(18)可以包括限制进料流量的限流器(20)，并且当模块(12)在20gfd下以500ppm NaHCO3在25℃和pH 8下操作时，优选限流器(20)和模块(12)经选择以提供超过40％的回收。在一些实施例中，当模块(12)在20gfd下以500ppm NaHCO3在25℃和pH 8下操作时，限流器(20)和模块(12)可以经选择以提供超过50％、60％、或甚至70％回收。在更多典型水(例如含有钙和碳酸氢根离子)情况下的此类高回收操作中，限流器(20)中的水垢形成有可能会导致不稳定操作。因此，在优选实施例中，限制器可以是至少0.5m、优选1m长的最小直径是至少1mm的管子。
组件(10)进一步包括可加压储槽(22)，所述储槽包含可再密封开口(24)，添加剂通过其可以引入到储槽中。在一个实施例中，添加剂是清洁剂，如杀生物剂、洗涤剂或酸，例如乙酸。在另一个实施例中，添加剂是对抗物质(例如含有在浓缩物或渗透物中可检测的对抗物质的溶液)。储槽(22)包括用于加压进给水的入口(26)和出口(28)。包括阀门(30，30')以用于将加压进给水流沿着进料管线(14)选择性分流到在入口(26)与出口(28)之间穿过储槽(22)的路径，并且返回到进料管线(14)随后通过超滤膜模块(12)。也就是说，储槽(22)和阀门(30，30')定位于模块(12)上游。储槽(22)可以进一步连接到泵或气囊，其提供压力源以帮助流体流动，但在一个优选实施例中，储槽是被动的并且完全依赖于进料液体从加压进给水源流动穿过进料管线(14)的压力。储槽(22)可以由用户从组件(10)拆卸以帮助再填充。更优选地，储槽(20)通过阀门(31)连接到排水管。排水管连接可以是通过入口(26)或出口(28)。可再密封开口(24)优选在储槽顶部上，并且其可以定位于较宽凹槽内，其促进将添加剂溶液倾入到储槽中。用于加压进料的入口(26)或出口(28)可以与可再密封开口(24)协同定位。在优选实施例中，穿过可加压储槽(22)的路径(27)在入口(26)与出口(28)之间具有超过其最大开放直径的五倍或甚至十倍的最短长度。以此方式，混合减少并且可以近似于塞式流动。
当如图1中所示以标准模式操作时，致动阀门(30，30')以绕过储槽，使得进给水沿着进料管线(14)直接流动到模块(12)，在所述模块中进料生成渗透物和浓缩物流，其分别经由管线(16，18)排出模块。当如图2中所示以清洁模式操作时，致动阀门(30，30')以将进给水流引导穿过储槽(22)，在所述储槽中其内含物可以被带走并且与进料液体混合，随后流动到模块。阀门(30，30')可以手动致动或可以通过控制电路(未展示)控制，所述控制电路可以经编程以基于多种准则(即日时间、水处理量、穿过模块的压降等)按清洁模式操作阀门(30，30')。
在一个优选实施例中，储槽(22)用作为乙酸的便利家庭来源的醋填充，其有效减轻膜的结垢。其它酸也可以与各种洗涤剂、杀生物剂和其它清洁剂一起使用。传感器(34'，34")可以沿着组件安置以向控制单元提供反馈作为致动阀门(30，30')的惯例的一部分。在一个优选实施例中，使清洁剂从储槽(22)流动到模块(12)，所述清洁剂在所述模块中保持一段时间(例如几分钟到几小时)，随后排出模块(12)。这通过启动清洁模式循环而最佳地实现，而组件是非活性的，例如在晚上当饮用水摄取需求低时。浓缩管线(18)中的传感器(34')响应于清洁剂可以帮助鉴别进料流动穿过储槽的适当时间量，使得清洁剂填充模块(12)随后停下以进行浸泡；和/或从模块(12)沖洗清洁剂的适当时间量。举例来说，离开模块的酸(例如乙酸)的存在可以通过浓缩管线(18)中增加的导电率或降低的pH检测到。当***停止较长时间时，甚至被完全排斥的酸可以通过到渗透物中。因此，传感器(34")可以定位于渗透管线中，以确保充分沖洗渗透管线，随后进一步产生饮用水(参看例如图3)。
在另一个实施例中，储槽(22)用通过与渗透物接触定位的传感器(34")可检测的对抗物质填充(参看图3)，并且组件的完整性可以通过在压力下引导储槽的内含物穿过模块而验证。举例来说，导电传感器可以检测被完全排斥的盐的通过，但模块中的缺陷。在此情况下，对抗物质可以是盐(例如MgSO4)，其被无缺陷模块当在20gfd(34l/m2/hr)下操作时至少99％排斥、优选99.9％排斥。在又一个实施例中，对抗物质可以通过定位于渗透管线(16)中的光传感器(34")检测，并且测量值可以包括光吸收、浊度或粒子监测/计数。在此情况下，例示性对抗物质可以包括乳胶和大于0.1微米的粒子。对抗物质还可以是强烈吸收光的对抗物质(例如具有大于104M-1cm-1、更优选大于105M-1cm-1的消光系数的分子)。优选地，物质是大的(>500amu或甚至>700amu)，以便其无法充分通过膜。优选地，物质是在pH 8下具有多个负电荷的离子。优选物质的实例包括亮蓝(Brilliant Blue)FCF、坚牢绿(Fast Green)FCF、丽春红(Ponceau)4R和赤藓红(Erythrosine)。可以用作对抗物质的其它染料包括在美国或欧洲允许作为食品添加剂的阴离子染料。还可以使用多种其它对抗物质和相应传感器，包括磁性和荧光物质。参看例如WO 2001/085295A2、US 7,698,928和US 2011/0281960。
为了高效使用储槽体积，优选的是模块具有低总进料间隔件自由体积。优选地，进料间隔件体积是每平方米的膜小于0.2、0.15或甚至小于0.1升。这可以实现的一种方式是通过使用薄进料间隔件。或者或另外，具有低进料间隔件体积的模块可以通过使用双向网获得，所述网在一个或两个方向上每英寸具有增加厚度或数目的股线。此类间隔件可以通过本领域中已知的方法构造(例如US4861487A、US6881336B2、US7459082B2、US8361318B2)。膜的高渗透性(A-值)还可以促进限制所要模块流动速率所需的进料间隔件面积的量。FILMTEC TW30-1812-100模块中所用的膜在最高渗透性商业反渗透膜(A-值约0.4gfd/psi)之中。然而，如US 5,876,602和US 6,171,497中所描述，用氯处理此膜可以实质上增加其流动，导致A-值大于0.55gfd/psi(13.5L/m2/hr/巴)。在一个优选实施例中，进料间隔件厚度比膜A-值的比率小于60巴秒。不幸地，即使当降低压力以在常规通量下操作时，高渗透性膜也可能会通过导致不均匀流动分布到渗透物间隔件中、在接近渗透物管处具有更大通量而增加结垢可能性。在一个实施例中，与常规设计相对比，渗透物间隔件具有比进料间隔件大的厚度。举例来说，12密耳(0.30mm)渗透物Tricot材料可以与10密耳(0.25mm)厚的进料间隔件网组合使用。
如图中所示，组件(10)可以任选地包括含吸附剂的单元(32)，其定位于螺旋卷绕膜模块(12)的上游。含吸附剂的单元(32)优选包含活性碳罐。组件(10)经设计以使得从储槽释放的添加剂在含吸附剂的单元(32)下游或以其它方式绕过所述含吸附剂的单元。举例来说，在图1和2的实施例中，储槽(22)定位于含吸附剂的单元(32)下游，使得储槽(22)的添加剂不能流动穿过单元(32)。在图3的替代性实施例中，阀门(30)定位于含吸附剂的单元(32)上游，而阀门(30')定位于下游(但模块(12)的上游)，使得在清洁或测试模式期间进给水绕过含吸附剂的单元(32)。本组件特别适合于不包括泵并且仅仅依赖于线上自来水源的压力(例如10到60psi)的住宅应用。或者，或另外，组件可以不包括任何用于贮存渗透物的槽。在此类应用中，组件可以在水槽下安装以便处理饮用水或与如制冰机和洗碗机的电器结合使用。在其它实施例中，组件任选地包括一个或多个泵或其它处理单元，例如定位于螺旋卷绕膜元件上游的微滤筒柱或下游UV灭菌器。
已经描述了本发明的多个实施例并且在一些情况下已经将某些实施例、选择、范围、成分或其它特征表征为“优选的”。“优选的”特征的此类指代决不应解释为本发明的必需或重要方面。虽然优选的组件包括单一螺旋卷绕模块，但应了解，组件还可以包括多于一个螺旋卷绕模块。前述专利和专利申请中的每一者的全部内容都以引用的方式并入本文中。
Claims (8)
1.一种水处理组件，其包含连接到以下各者的螺旋卷绕超滤膜模块：
i)适合于连接到加压进给水源的进料管线，
ii)适合于连接到已处理水分配器的渗透管线，和
iii)适合于与排水管连接并且包括限制进料流量的限流器的浓缩管线，并且当所述模块在20gfd下以500ppm NaHCO3在25℃和pH 8下操作时，所述限流器和模块经选择以提供超过50％的回收；
其中所述组件的特征在于包含可加压储槽，其包括用于将加压进给水流沿着所述进料管线选择性分流穿过所述储槽并且返回到所述进料管线随后通过所述超滤膜模块的阀门；并且其中所述储槽包含可再密封开口，添加剂通过其可以引入，用于加压进给水的入口和出口，和在入口与出口之间的长度超过所述储槽的最大开放直径的五倍的穿过所述可加压储槽的路径。
2.根据权利要求1所述的组件，其中在入口与出口之间的所述长度超过所述储槽的最大开放直径的十倍。
3.根据权利要求1所述的组件，其中所述储槽含有清洁剂，所述清洁剂是酸。
4.根据权利要求3所述的组件，其中所述储槽含有醋。
5.根据权利要求1所述的组件，其中所述限流器是至少0.5m长、具有至少1mm的最小直径的管子。
6.根据权利要求1所述的组件，其进一步包含沿着所述浓缩管线定位的导电率传感器，其适于检测导电率的变化。
7.根据权利要求1所述的组件，其特征进一步在于不包括泵并且仅仅依赖于进入的进给水的压力以驱动水穿过所述组件。
8.根据权利要求1所述的组件，其特征进一步在于不包括用于贮存渗透物的贮存槽。
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