Устройство и способ обработки водосодержащей жидкости
Изобретение относится к устройству для кондиционирования водосодержащей жидкости. Устройство для кондиционирования водосодержащей жидкости включает в себя по меньшей мере один впуск; по меньшей мере одно устройство обработки жидкости для обработки жидкости с помощью ионного обмена, включающее себя катионообменный материал, по меньшей мере часть которого находится в водородной форме, и являющееся эффективным для выделения водорода при обмене на катионы карбонатных минералов в обрабатываемой жидкости, таким образом, повышая количество свободного диоксида углерода; мембранное фильтрационное устройство и секцию, предназначенную для обработки фильтрата, производимого с помощью мембранного фильтрационного устройства, причем секция включает в себя устройство обработки жидкости для растворения по меньшей мере одного минерала, способствующего карбонатной жесткости в воде, в по меньшей мере части жидкости, проходящей через секцию, по меньшей мере один из по меньшей мере одного впуска соединен с впуском мембранного фильтрующего устройства через по меньшей мере одно из по меньшей мере одного устройства обработки жидкости для обработки жидкости с помощью ионного обмена, причем устройство формирует по существу закрытую систему, так что прекращается дегазация диоксида углерода, и по меньшей мере одна мембрана в мембранном фильтрующем устройстве проницаема для диоксида углерода. Технический результат изобретения - увеличение минерального содержания в жидкости до требуемой степени, которую обрабатывают с помощью мембранной фильтрации. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 3 ил.
Настоящее изобретение относится к устройству для кондиционирования водосодержащей жидкости, включающему:
по меньшей мере, один впуск;
по меньшей мере, одно устройство для обработки жидкости с помощью ионного обмена, содержащее катионообменный материал, из которого, по меньшей мере, часть находится в водородной форме;
мембранное фильтровальное устройство; и
секция для обработки фильтрата, полученного мембранным фильтрующим устройством,
причем этот секция включает устройство для обработки жидкости, для растворения, по меньшей мере, одного минерала, способствующего карбонатной жесткости воды, по меньшей мере, в части жидкости, проходящей через секцию.
Настоящее изобретение также относится к способу кондиционирования водосодержащей жидкости, включающему:
по меньшей мере, одну стадию обработки с помощью ионного обмена, в которой жидкость контактирует с катионообменным материалом, по меньшей мере, часть которого находится в водородной форме для создания свободного CO2;
обработку жидкости мембранной фильтрацией для получения фильтрата; и
обработку фильтрата,
где обрабатывание фильтрата включает увеличение концентрации, по меньшей мере, одного минерала способствующего карбонатной жесткости воды.
В патентном документе US 5174901 описывается система очистки жидкости. Сначала вода пропускается через песочный фильтр, где удаляются твердые частицы. Затем вода пропускается через угольный фильтр, в котором удаляются избыток хлора и/или следы метана. Затем она проходит через водоумягчитель для удаления двухвалентных металлов, таких как кальций, железо и магний. После этой предварительной обработки вода проходит в резервуар-хранилище, откуда она закачивается в установку обратного осмоса. Установка обратного осмоса предназначена для восстановления переменного % содержания воды, прокачиваемой через эту установку. Из установки обратного осмоса вода проходит через катионообменную смолу сильной кислоты, которая преобразует все количество растворенных твердых частиц в воде из соли в кислоту в количестве, пропорциональном количеству анионов, присутствующих в отходящем потоке. Подкисленная вода затем проходит через слой чистого карбоната кальция, который нейтрализует воду.
В патентном документе WO 2014/093049 A1 описывается система производства воды, которая формируется для установки под рабочим столом. Система включает адаптер, который компонуется с холодной стороной внутреннего(домашнего) водоснабжения. Фильтр, который гидравлически соединен с адаптером фильтрует воду так, чтобы не проходили никакие частицы, превышающие 5 микрон. Дополнительный фильтр, который содержит металлический и биостатический материал, такой как KDF или один из его заменителей, который удаляет хлор посредством окислительно-восстановительной реакции, в которой хлор изменяется до хлорида, а также содержит специальный активированный уголь, прикрепленный к фильтру. Из дополнительного фильтра вода поступает к гидравлически связанному с ним клапану, которой представляет собой цилиндрический корпус или корпуса, включающий мембрану или мембраны обратного осмоса. Вода из клапана течет в осевом направлении через мембрану и разделяется внутри на два потока. Один поток является стоком. Другой поток из блока мембраны /корпуса упоминается как вода продукта. Эта вода выходит из корпуса через обратный клапан. Поток продукта после обратного клапана гидравлически соединяется с запорным клапаном, и далее гидравлически связывается с картриджным фильтром катионообменной смолы. Вода, попадающая в фильтр, сначала подвергается воздействию катионообменной смолы, где все оставшиеся растворенные твердые вещества с положительной валентностью обмениваются на ионы водорода. Полученная подкисленная вода затем проходит через объем специальной анионной смолы. Эта смола будет удалять анионы, и, таким образом, нейтрализовать кислоты, за исключением умеренной части диоксида углерода из угольной кислоты, которая является желанным продуктом, для производства конечного желаемого химического состава готовой воды для потребителя. Вода, выходящая из картриджного фильтра с катионообменной смолой, гидравлически связана с дублирующим вариантом доочистки посредством фильтрования с катионообменной смолой картриджного фильтра. Еще один дополнительный фильтр, если он гидравлически соединен с дублирующим вариантом доочистки посредством фильтрования с катионообменной смолой картриджного фильтра, содержит соль магния. Поскольку вода из фильтра доочистки подобна воде от картриджа с катионообменной смолой, так как она содержит мягкую углекислоту, то соль медленно растворяется и, таким образом, добавляется бикарбонат магния к воде. Клапан гидравлически соединяет впуск с выходным отверстием фильтра, содержащего соль магния, позволяя конечному пользователю переменно управлять содержанием бикарбоната магния в воде. Когда клапан будет полностью закрыт, тогда вся вода будет проходить через фильтр, таким образом, максимизируя его концентрацию. Когда клапан полностью открыт, тогда практически вся вода будет обходить фильтр из-за понижения давления, служившего причиной необходимости для воды проходить через среду, таким образом, минимизируя присутствие бикарбоната магния.
Проблема известной системы заключается в том, что она не очень эффективна в повышении концентрации бикарбоната магния, в частности для определенных типов сетевой воды. Таким образом, вода может иметь более низкое содержание минеральных веществ, чем рекомендуется для определенных применений.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение устройства и способов из перечисленных выше в начале описания, которые позволяют поднять минеральное содержание в жидкости до требуемой степени, которую обрабатывают с помощью мембранной фильтрации.
Эта задача достигается согласно первому аспекту с помощью устройства в соответствии с настоящим изобретением, которое характеризуется тем, что, по меньшей мере, одно из, по меньшей мере, одного впуска соединяется с впуском мембранного фильтрующего устройства, по меньшей мере, через одно, по меньшей мере, из одного обрабатывающего устройства для обработки жидкости с помощью ионного обмена, в котором устройство является по сути закрытой системой, так что дегазация углекислого газа предотвращается, и в котором, по меньшей мере, одна мембрана в мембранном фильтрующем устройстве является проницаемой для диоксида углерода.
Устройство для обработки жидкости с помощью ионного обмена является эффективным для выделения водорода при обмене на катионы карбонатных минералов в обрабатываемой жидкости, таким образом, повышая количество свободного диоксида углерода в жидкости. Устройство образует по существу закрытую систему, так что диоксид углерода не дегазируется, а остается в жидкости. Мембранное фильтрующее устройство будет фильтровать соли из жидкости. Мембрана или мембраны в мембранном фильтрующем устройстве является или являются однако проницаема или проницаемы для диоксида углерода. Устройство для обработки жидкости было бы менее эффективным, если бы оно располагалось ниже по потоку от мембранного фильтрующего устройства или в рециркуляционном трубопроводе мембранного фильтрующего устройства, поскольку мембранное фильтрующее устройство уже удалило большинство ионов, на которые мог бы быть обменен водород. Таким образом, верхнее положение создает возможность для более высокой концентрации свободного диоксида углерода. Это, в свою очередь, допускает более высокую концентрацию минерала или минералов, способствующих карбонатной жесткости в жидкости, обрабатываемой в устройстве обработки жидкости, для растворения, по меньшей мере, одного минерала, способствующего карбонатной жесткости воды. В качестве побочного эффекта мембрана в мембранном фильтрующем устройстве более эффективно противостоит образованию отложений. Добавление свободного CО2, используя устройство обработки жидкости для обработки жидкости с помощью ионного обмена, включая катионнообменный материал, по меньшей мере, часть которого, находится в водородной форме, является более эффективным, чем добавление CO2 в газообразной форме, например, из баллона. Это происходит потому, что концентрация свободного CO2 должна быть установлена относительно точно до величин в диапазоне мг·l-1, то есть, в относительно низких концентрациях. Баллонный газ может быть использован только для установления концентраций в диапазоне г·l-1. Поэтому практически добавление CO2 из баллона будет означать необходимость дегазации жидкости до контролируемого содержания, что приведет к более сложному устройству.
Устройство в соответствии с настоящим изобретением используется для кондиционирования питьевой воды, например, питьевой воды из магистральных сетей. Оно может быть использовано для обработки питьевой воды из сети, чтобы сделать ее менее коррозионной в тех областях, где в питьевой воде магистральных сетей используется обработанная вода из дюн, поскольку такая питьевая вода имеет высокий уровень соли (главным образом хлорида натрия). Если мембранное фильтрующее устройство эффективно удаляет соль, приводя к низкому минеральному содержанию в питьевой воде, тогда относительно большое количество полезных микроэлементов следует растворить, чтобы обеспечить питьвой воде приемлемые свойства. В таком случае важно, чтобы как можно больше карбонатных ионов, первоначально присутствующих в воде, преобразовывалось в свободный CO2, вместо того, чтобы быть отфильтрованными мембранным фильтрующим устройством.
В варианте осуществления, по меньшей мере, одно устройство для обработки жидкости, через которое соединены впуски, включает слабокислотную катионообменную смолу, часть которой, по меньшей мере, находится в водородной форме.
Слабокислотная катионообменная смола не снижает значение показателя pH настолько сильно, как сильнокислотная катионообменная смола. Это помогает продлить срок службы мембраны или мембран. Кроме того, слабокислотная катионообменная смола не обменивает водород на катионы всех солей, а, как правило, только на катионы солей карбоната и бикарбоната. Таким образом, более свободный CO2 генерируется в результате данной обрабатывающей способности смолы. Более свободный CO2 означает, что более высокая концентрация минералов, способствующих карбонатной жесткости в воде, может быть достигнута в жидкости, произведенной с помощью устройства. Более свободный CO2 в жидкости, подлежащей обработке с помощью мембранного фильтрующего устройства, также означает, что мембрана или мембраны в мембранном фильтрующем устройстве более эффективно противостоят образованию отложений. Кроме того, объемная способность ионного обмена обычно выше, чем у сильнокислотных катионообменных смол. Также, если у смолы имеются карбоксильные функциональные группы, то селективность по отношению к кальцию и магнию относительно велика.
В одном варианте осуществления, по меньшей мере, одно устройство обработки жидкости для обработки жидкости с помощью ионного обмена включает, по меньшей мере, один сменный картридж, cодержащий катионообменный материал, для обработки жидкости.
Этот вариант осуществления позволит использовать катионнообменный материал, который нелегко регенерируется или кондиционируется, в точке применения. Это, как правило, имеет место быть поскольку, по меньшей мере, часть катионнообменного материала находится в водородной форме. Этот материал, как правило, регенерируют, используя соляную кислоту. Сменный картридж для обработки жидкости может быть соединен в жидкостной связи с головной частью, имеющей впуск в жидкостной связи с входом устройства, а выпуск в жидкостной связи с впуском мембранного фильтрующего устройства. Связь с трубопроводами, устанавливающими жидкостную связь, может быть вообще постоянной, например, требуя ликвидации инструментальных средств. Напротив, механический интерфейс облегчают фиксацию, и высвобождение картриджа для обработки жидкости в головной части, например, без использования инструментальных средств.
В одном варианте осуществления, по меньшей мере, одно из, по меньшей мере, одного впуска устройства соединяется с впуском мембранного фильтрующего устройства посредством пути потока, минуя, по меньшей мере, секцию устройства для обработки жидкости, содержащую катионнообменный материал, по меньшей мере, часть которого находится в водородной форме.
Этот вариант осуществления может помочь предотвратить чрезмерное растворение минерала. Причем создается более низкое количество свободного CO2 на единицу объема жидкости, протекающей через мембранное фильтрующее устройство. Жидкость, проходящая через секцию, содержащую катионнообменный материал, по меньшей мере, часть которого находится в водородной форме, смешивается в месте смешивания с жидкостью, которая обошла эту секцию. Это местоположение смешивания может находиться выше по потоку от мембранного фильтрующего устройства так, чтобы требовалось только одно соединение с мембранным фильтрующим устройством. В варианте, в котором секция, содержащая катионнообменный материал, по меньшей мере, часть которого находится в водородной форме, содержится в сменном картридже обработки жидкости для соединения с головной частью, место смешивания может быть расположено внутри картриджа обработки жидкости. Жидкость, которая обходит секцию, содержащую катионнообменный материал, может быть обработана другими средствами, исключающими ионный обмен. Она может быть обработана с помощью сорбции для удаления, например, тяжелых металлов, органических загрязнителей или, например, микробного загрязнения. Она также может быть обработана в секции, содержащей катионнообменный материал, в которой меньшая часть или, по существу, совсем не находится в водородной форме. Если меньшая часть его находится в водородной форме, тогда обмен катионов на водород становится менее полным, чем в основной секции, так что меньшее количество свободного CO2 генерируется, и процесс смешивания по-прежнему приводит к более низкому общему уровню свободного CO2 в жидкости, которая проходит через мембранное фильтрующее устройство.
Разновидность этого варианта осуществления включает, по меньшей мере, одно устройство, например, делитель потока с переменным отношением, для регулировки соотношения объемной скорости потока между жидкостью, протекающей через секцию устройства для обработки жидкости, содержащей катионнообменный материал, по меньшей мере, часть которого находится в водородной форме, и жидкостью, протекающей вдоль пути потока, минуя эту секцию.
Этот вариант позволяет регулировать или контролировать карбонатную жесткость обусловленной водной жидкости, создаваемой с помощью устройства обработки жидкости. Таким образом, этот параметр может быть изменен в соответствии с требованиями или сохранен постоянным, несмотря на изменения в составе жидкости, подаваемой во впуск устройства. Следует отметить, что устройство регулирования соотношения объемной скорости потока может работать в ручном режиме, например, с помощью таблицы, связывающей настройки устройства с целевым значением показателя концентрации компонентов, способствующих карбонатной жесткости.
Особая модификация этого варианта осуществления включает контрольное устройство для обеспечения сигнала к устройству регулирования соотношения объемной скорости потока в зависимости, по меньшей мере, от одного из целевых значений и целевого диапазона показателей концентрации компонентов в жидкости, включая, по меньшей мере, компоненты, способствующие карбонатной жесткости.
В этом варианте потребитель обусловленной водной жидкости, подаваемой устройством обработки жидкости, может определить карбонатную жесткость, например, как целевое значение или целевой диапазон, или с точки зрения информации, которая позволяет устройству управления получать целевое значение или целевой диапазон. Затем это преобразуется в требуемый уровень свободного CO2, который устройство управления заставляет быть генерированным. Показатель может соответствовать карбонатной жесткости, выраженной, например, как °dH или как эквивалентная концентрация CaCO3. Это может быть удельной электропроводностью, например, с поправкой на отклонения от исходной температуры. Показателем может быть удельная электропроводность, измеренная с помощью ионоселективного датчика.
В разновидности варианта осуществления, в котором, по меньшей мере, одно из, по меньшей мере, одного впуска устройства соединяется с впуском мембранного фильтрующего устройства посредством пути потока, обходящим, по меньшей мере, секцию устройства обработки жидкости, содержащую катионнообменный материал, по меньшей мере, часть которого находится в водородной форме, поток, минующий секцию, проходит через секцию дополнительной обработки жидкости, например, секцию обработки жидкости с помощью сорбции.
Эта модификация позволяет защитить мембрану или мембраны фильтрационного устройства. Компоненты, оказывающие неблагоприятное воздействие на срок службы мембраны или мембран, могут быть удалены.
В варианте настоящего изобретения, в котором, по меньшей мере, одно устройство обработки жидкости для обработки жидкости ионным обменом включает в себя, по меньшей мере, один сменный картридж, содержащий катионообменный материал для обработки жидкости, дополнительная секция обработки жидкости содержится в сменном картридже для обработки жидкости.
Таким образом, дополнительная секция может иметь ограниченную обрабатывающую способность, которая исчерпывается во время использования. Когда она исчерпана, секция дополнительной обработки замещается. Емкость секции, содержащей катионообменный материал, по меньшей мере, часть которого, находится в водородной форме, и емкость дополнительной секции могут быть, по меньшей мере, приблизительно согласованы. Объединение обоих секций для обработки в один картридж, должно быть обеспечено только одной головной частью и одним комплектом соединительных каналов.
В варианте осуществления устройства, в котором, по меньшей мере, одно устройство обработки жидкости, с помощью ионного обмена включает, по меньшей мере, один сменный картридж для обработки жидкости, снабженный катионообменным материалом и, по меньшей мере, одно из, по меньшей мере, одного впуска устройства, соединенного с впуском мембранного фильтровального устройства посредством потока, обходящего, по меньшей мере, секцию устройства обработки жидкости, содержащую катионообменный материал, по меньшей мере, часть которого находится в водородной форме, картридж для обработки жидкости, включает место для смешивания, где поток, минующий секцию, содержащую катионообменный материал, по меньшей мере, часть которого находится в водородной форме ионов, соединяется с потоком, проходит через секцию, содержащую катионообменный материал, по меньшей мере, часть которого находится в водородной форме.
Это позволяет избежать дополнительных соединительных устройств. Головная часть может быть относительно простой и выполняться для соединения с единственным сменным картриджем обработки жидкости.
Вариант осуществления устройства, в котором, по меньшей мере, одно из, по меньшей мере, одного впуска устройства соединено с впускщм мембранного фильтрующего устройства через путь течения в обход, по меньшей мере, секции устройства обработки жидкости, содержащей катионнообменный материал, по меньшей мере, часть которого находится в водородной форме, включает делитель потока, например, расположенный в головной части, для приема, по меньшей мере, секции сменного картриджа для обработки жидкости, с целью разделения потока жидкости, по меньшей мере, одного из, по меньшей мере, одного впуска в подпоток, проходящий через секцию, содержащую катионнообменный материал, по меньшей мере, часть которого находится в водородной форме, и подпоток, проходящий через путь течения в обход секции, содержащей катионнообменный материал, по меньшей мере, часть которого находится в водородной форме.
Делитель потока может быть делителем потока с переменным отношением для разделения входящего потока жидкости на два подпотока в соотношении, определенном переменными параметрами настройки делителя потока, причем каждый подпоток подается через отдельное впуск сменного картриджа для обработки жидкости, при подсоединении к головной части. Смесь жидкостей возвращается в головную часть, откуда она подается к мембранному фильтрующему устройству. Делитель потока позволяет устройству иметь только одно впуск. Поток жидкости через впуск разделяется на два подпотока внутри устройства, например, внутри головной части.
В варианте воплощения устройства, мембранное фильтрующее устройство настроено работать в режиме поперечного течения.
Противоточная промывка при этом не требуется. Вместо этого, мембранное фильтрующее устройство имеет впуск, выходное отверстие для фильтрата, и выходное отверстие для ретентата, также называемого концентратом, в случае фильтрующего устройства обратного осмоса. Отсортированные (бракованные) компоненты жидкости удаляются с концентратом. Диоксид углерода (CO2) проходит через мембрану или мембраны с фильтратом, тогда как ионные компоненты в основном сохраняются.
Разновидность этого варианта осуществления включает, по меньшей мере, одно устройство для корректировки степени извлечения из мембранного фильтрующего устройства, например, переменное сопротивление потоку, посредством которого устройство устроено, с возможностью пропускания жидкости, происходящей из выходного отверстия ретентата мембранного фильтрующего устройства.
Этот вариант позволяет регулировать концентрацию растворенных твердых веществ (TDS) фильтрата и, следовательно, обусловленной жидкости, подаваемой с помощью устройства обработки жидкости. Это может быть в частности скорректировано в зависимости от концентрации компонентов, способствующих карбонатной жесткости, растворенных в устройстве для обработки жидкости ниже по потоку фильтрационного устройства. Если значение высокое, тогда TDS фильтрата может быть снижен так, чтобы TDS обусловленной жидкости был ниже максимальной, определенной для обусловленной жидкости. По меньшей мере, одно устройство для регулирования степени извлечения включает, по меньшей мере, одно устройство для регулирования трансмембранного перепада давления. По меньшей мере, одно устройство для регулирования степени извлечения может включать насос, например, расположенный между устройством обработки жидкости с помощью ионного обмена и впуском мембранного фильтрующего устройства. По меньшей мере, одно устройство для регулирования степени извлечения может включать переменное сопротивление потоку, например, расположенное ниже по потоку от выходного отверстия ретентата мембранного фильтрующего устройства. По меньшей мере, одно устройство для регулирования степени извлечения может включать устройство переменного снижения давления, расположенное выше по потоку от впуска мембранного фильтрующего устройства, например, между устройством для обработки жидкости с помощью ионного обмена и впуском мембранного фильтрующего устройства.
Разновидность этого варианта осуществления включает устройство управления для того, чтобы обеспечить сигнал, по меньшей мере, один из, по меньшей мере, одного устройства для регулирования степени извлечения в зависимости, по меньшей мере, от одного целевого значения и целевого диапазона представителя показателей, представляющего концентрацию компонентов в жидкости, например, общую концентрацию минералов.
Устройству управления может быть предоставлено целевое значение или целевой диапазон через интерфейс, например, коммуникационный интерфейс для приема сигнала от прибора или от человеко-машинного интерфейса для приема входных данных от пользователя. Устройство управления может альтернативно быть снабжено информацией, из которой может быть выведено целевое значение или целевой диапазон, например, информация, определяющая использование, для которого должна быть поставлена обусловленная жидкость.
В варианте осуществления устройство включает, по меньшей мере, одно устройство для регулирования трансмембранного перепада давления в мембранном фильтрующем устройстве.
Также обеспечиваются средства для изменения общей концентрации растворенных твердых веществ (TDS) фильтрата и, таким образом обусловленной жидкости, подаваемой устройством обработки жидкости, которое должно быть отрегулировано. Регулирующим устройством может быть насос или переменное сопротивление потоку.
В разновидности этого варианта осуществления, устройство включает устройство управления для подачи сигнала, по меньшей мере, на одно из, по меньшей мере, одного устройства для регулирования трансмембранного перепада давления в мембранном фильтрующем устройстве в зависимости, по меньшей мере, от одного целевого значения и целевого диапазона показателя концентрации компонентов в жидкости, например, общей концентрации минералов.
В варианте осуществления устройства мембранное фильтрующее устройство является одним из устройств фильтрации на основе нанофильтрации и обратного осмоса.
Мембрана или мембраны этого варианта осуществления могут иметь размер пор не более 10 Å или быть настолько плотными, чтобы быть эффективно непористыми. Мембранное фильтрующее устройство этого варианта осуществления является эффективным для удаления растворенных минералов из проходящей через него жидкости.
В одном из вариантов осуществления устройства, секция для обработки фильтрата включает в себя секцию, вмещающую, по меньшей мере, один минерал, подлежащий растворению, секция для обработки фильтрата определяет путь потока, который минует секцию, вмещающую в себя, по меньшей мере, один минерал, подлежащий растворению, секция для обработки фильтрата включает в себя место для смешивания жидкости, проходящей через секцию, вмещающую, по меньшей мере, один минерал, подлежащий растворению, с жидкостью, проходящей вдоль пути потока, минуя эту секцию.
Независимо от доступного количества свободного CO2, водосодержащая жидкость в закрытой системе и в равновесии с минералом, способствующим карбонатной жесткости, будет иметь значение показателя pH в относительно узком диапазоне, обеспеченном уровнем CO2, находящемся в пределах надлежащего диапазона. Другими словами, значение показателя pH будет изменяться относительно мало с уровнем CO2 в пределах этого диапазона. Действительно, для минерала, такого как карбонат магния, значение показателя pH будет всегда примерно 10. Это соответствует равновесию между HCO3- и CO32-. Для некоторых применений требуется пониженное значение показателя pH. Примером является питьевая вода для приготовления кофе. Жидкость, минующая секцию, вмещающую, по меньшей мере, один минерал, подлежащий растворению, будет содержать свободный CO2, но будет почти полностью деминерализованной. Смешивание позволяет установить карбонатную жесткость в целевом значении или в пределах целевого диапазона с учетом ограничений на pH. Это связано с тем, что значение показателя pH не изменяется таким же образом, как карбонатная жесткость с уровнем CO2. Таким образом, изменяя уровень CO2, вводимого в жидкость, и изменяя фракцию смешивания, достигается более широкий диапазон комбинаций значений карбонатной жесткости и значений показателя pH обусловленной жидкости. TDS жидкости можно корректировать путем регулирования трансмембранного перепада давления мембранного фильтрационного устройства. Таким образом, можно независимо регулировать три параметра водосодержащей жидкости.
В варианте осуществления устройство обработки жидкости для растворения, по меньшей мере, одного минерала, способствующего карбонатной жесткости, включает в себя, по меньшей мере, один сменный картридж для обработки жидкости, включающий, по меньшей мере, одну камеру, вмещающую, по меньшей мере, один из минералов.
Это облегчает обращение с минералами в месте использования. Например, можно избежать загрязнения.
Вариант осуществления устройства включает в себя сенсорную систему для количественного определения снижения карбонатной жесткости водосодержащей жидкости между, по меньшей мере, одним впуском и впуском мембранного фильтрационного устройства.
Снижение карбонатной жесткости соответствует увеличению свободного CO2. Таким образом, сенсорная система обеспечивает информацию, с помощью которой может быть получено повышение концентрации минералов, растворенных в устройстве для обработки жидкости, включенном в секцию для обработки фильтрата, полученного с помощью мембранного фильтрующего устройства. Увеличение свободного CO2 может быть оценено с помощью определения снижения карбонатной жесткости. Относительно точная оценка будет принимать во внимание соотношение количества карбоната магния к карбонату кальция. Кроме того можно определить снижение концентрации карбоната кальция, используя те же самые способы, какие были доступны для определения снижения карбонатной жесткости, но с одним или несколькими ионоселективными датчиками.
В разновидности этого варианта осуществления сенсорная система включает в себя датчик ниже по потоку от устройства обработки жидкости для обработки жидкости с помощью ионного обмена, по меньшей мере, одно устройство для изменения доли жидкости, обработанной с помощью катионнообменного материала, по меньшей мере, часть которого находится в водородной форме, в смеси жидкости, также включая жидкость, которая обошла катионнообменный материал, по меньшей мере, часть которого находится в водородной форме, и устройство обработки сигнала, выполненное с возможностью определить снижение от изменения сигнала в ответ на изменение в пропорции.
Способ определения карбонатной жесткости необработанной водосодержащей жидкости, используя только датчик, расположенный ниже по потоку от устройства обработки жидкости для обработки жидкости с помощью ионного обмена, и предназначенный для обеспечения сигнала, представляющего собой показатель компонентов, удаляемых с помощью устройства обработки жидкости в смеси жидкости, описывается в патентном документе WO 2014/006128 A1. Способ обобщения снижения от изменения сигнала в ответ на изменение в пропорции, устраняет необходимость в датчике, расположенном выше по потоку от устройства для обработки жидкости. Таким образом, нет необходимости в калибровке двух датчиков, и при этом один из них не подвергнется воздействию абсолютно необработанной жидкости. Датчик может быть датчиком проводимости, и необязательно ионоселективным. Он может обеспечить сигнал, настроенный на отклонения от эталонной температуры и, таким образом, включать термометр. Он учитывает температурную зависимость коэффициентов активности ионов в жидкости.
Вариант осуществления устройства включает в себя датчик для получения сигнала, представляющего параметр, по меньшей мере, зависящий от общей концентрации минералов, растворенных в жидкости, например, расположенный ниже по потоку от мембранного фильтрующего устройства.
Это может быть датчик, как описано выше, для использования при определении снижения карбонатной жесткости, только расположенный, по меньшей мере, ниже по потоку от мембранного фильтрующего устройства. Если концентрация свободного CO2 в фильтрате известна, тогда датчик может быть расположен выше по течению от устройства обработки жидкости для растворения, по меньшей мере, одного минерала.
В соответствии с другим аспектом способ кондиционирования водосодержащей жидкости, согласно настоящему изобретению отличается тем, что, по меньшей мере, одну из, по меньшей мере, одной стадии обработки жидкости, в которой жидкость подвергается обработке с помощью ионного обмена, проводят до того, как жидкость подвергнется мембранной фильтрации, и тем, что свободный CO2 пропускается через мембрану, после чего его используют для повышения концентрации растворенных минералов, способствующих карбонатной жесткости.
Вариант осуществления включает в себя снижение карбонатной жесткости жидкости посредством обработки с помощью ионного обмена до степени, зависящей, по меньшей мере, от одного из целевых значений и целевого диапазона карбонатной жесткости в обусловленной жидкости.
Снижение карбонатной жесткости, более конкретно концентрации карбоната кальция, соответствует повышению уровня свободного CO2, так что это фактически соответствовует более высокой карбонатной жесткости в обусловленной жидкости. Фильтрат же в любом случае имеет пониженную концентрацию минерала.
Вариант осуществления включает в себя смешивание жидкости, подвергнутой обработке с помощью ионного обмена с жидкостью, которая в большинстве случаев подвергается обработке ионным обменом в меньшей степени.
Это относительно эффективный способ регулирования концентрации свободного CO2 в жидкости, подвергнутой мембранной фильтрации. Поскольку свободный CO2 проходит мембрану или мембраны, его концентрация в фильтрате также регулируется. Таким образом, определяется концентрация растворенных минералов после обработки фильтрата.
Вариант, включающий уменьшение карбонатной жесткости жидкости посредством обработки с помощью ионного обмена до степени, зависящей, по меньшей мере, от одного из целевых значений и целевого диапазона карбонатной жесткости в обусловленной жидкости и смешивании жидкости, подвергаемой обработке с помощью ионного обмена с жидкостью, которая в меньшей степени была подвержена обработке с помощью ионного обмена, содержит определение степени уменьшения, которое включает, по меньшей мере, изменение соотношения смешивания и измерение результирующего изменения параметра смешанной жидкости, зависящего, по меньшей мере, от концентрации компонентов, удаляемых путем обработки жидкости с помощью ионного обмена.
Таким образом, способ, описанный, например, в патентном документе WO 2014/006128 A1, используется для определения снижения карбонатной жесткости и, таким образом, увеличения свободного CO2. Способ позволяет определять карбонатную жесткость необработанной жидкости. Зная соотношение смешивания и эффективность снижения карбонатной жесткости с помощью средств обработки ионным обменом (который можно считать равным 100%), снижение карбонатной жесткости может быть определено количественно.
В одном варианте осуществления жидкость, обработанная для увеличения концентрации, по меньшей мере, одного минерала, способствующего карбонатной жесткости в воде, смешивается с фильтратом, который не обрабатывается, таким образом, соотношение смешивания устанавливается в зависимости от, по меньшей мере, одного целевого значения и целевого диапазона показателя pH обусловленной водосодержащей жидкости.
В этом варианте осуществления учитывается тот факт, что в замкнутой системе, при равновесном состоянии, в которой растворен карбонатный минерал, значение показателя pH будет относительно высоким, и это значение будет независимо от количества добавленного свободного CO2. Даже, если минерал является бикарбонатным минералом, значение показателя pH все еще может быть слишком высоким. Для обеспечения обусловленной жидкости с более низким значением показателя pH, смесь смешивается с фильтратом, содержащим в основном только свободный CO2.
В варианте осуществления способа мембранная фильтрация представляет собой процесс мембранной фильтрации с поперечным потоком.
Таким образом, нет необходимости в обратной промывке.
Разновидность этого варианта осуществления включает в себя регулирование степени (коэффициента) извлечения процесса мембранной фильтрации в зависимости, по меньшей мере, от одного целевого значения и целевого диапазона показателя (меры) концентрации минералов в обусловленной жидкости.
Таким образом, TDS кондиционной жидкости также можно регулировать, например, в зависимости от концентрации компонентов, способствующих карбонатной жесткости.
Вариант осуществления способа с аналогичным эффектом включает в себя регулирование трансмембранного перепада давления в мембранном фильтрующем устройстве в зависимости, по меньшей мере, от одного целевого значения и целевого диапазона показателей концентрации минералов в обусловленной жидкости.
Вариант осуществления способа включает в себя использование устройства в соответствии с настоящим изобретением.
Настоящее изобретение будет объяснено более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 представляет собой принципиальную схему устройства для обработки жидкости;
Фиг. 2 представляет собой диаграмму, показывающую распределение карбонатных разновидностей как доли от общего количества растворенного карбоната относительно pH фактора раствора; и
Фиг. 3 представляет собой принципиальную схему альтернативного устройства для обработки жидкости.
Устройство обработки жидкости для обработки водосодержащей жидкости включает в себя впуск 1 и выходное отверстие 2. Жидкостью может быть магистральная питьевая вода, и в этом случае впуск 1 может включать в себя соединительное устройство для соединения устройства с подачей магистральной питьевой воды. Выпуск 2 может включать, по меньшей мере, соединительное устройство для соединения устройства с одним или более трубопроводами для поставки жидкости к одному или нескольким приборам (не показано). Примером такого прибора является кофейная машина, например, для предприятия питания.
Устройство скомпоновано таким образом, чтобы позволить водосодержащей жидкости удовлетворять одновременно нескольким требованиям. Это имеет место даже в том случае, если жидкость, полученная на входе, является относительно засоленной, например, это может иметь место в случае питьевой воды в прибрежных районах. Требованиями к воде являются: значение показателя pH фактора, TDS (общее количество растворенных твердых веществ) и карбонатная жесткость (также именуемая, как щелочность или временная жесткость).
В проиллюстрированном варианте осуществления, устройство включает в себя согласующее устройство 3 для того, чтобы получить информацию, которая является либо непосредственно представляющей эти целевые значения, либо позволяет этим целевым значениям быть прогнозируемыми. Примером последнего может быть спецификация типа бытового прибора, к которому подключено водовыпуск 2 для подачи обработанной жидкости.
Информация, полученная через согласующее устройство 3, поступает на устройство управления 4 для управления работой устройства для обработки жидкости.
Устройство дополнительно включает в себя первый датчик электропроводности 5 и второй датчик электропроводности 6, которые предназначены для обеспечения сигналов к устройству управления 4. По меньшей мере, первый из первого и второго датчиков электропроводности 5,6 может быть ионоселективным, так что сигнал соответствует показателю концентрации определенных ионов ионной разновидности в жидкости, например, величине концентрации только карбоната кальция. Однако, как правило, способ работы устройства для обработки жидкости не требует таких датчиков, которые являются более дорогостоящими, чем датчики проводимости, которые не являются ионно-избирательными. Сигнал, обеспечиваемый, по меньшей мере, одним из датчиков 5,6 может быть сигналом, приспособленным для отклонений от справочной температуры (например, 25°C), таким образом, это весьма близко к концентрации ионов. В другом варианте осуществления устройство управления вносит корректировку на основе сигнала от отдельного термометра (не показан). Корректировка также может быть совершена в зависимости от желаемой степени точности.
Устройство для обработки жидкости содержит первое устройство для обработки жидкости 7, включающее первую головную часть 8 и первый сменный картридж для обработки жидкости 9. Первый картридж 9 имеет, по меньшей мере, два впуска и, по меньшей мере, одно выходное отверстие. Первый картридж 9 соединяется с первой головной частью 8, таким образом, что придерживается (фиксируется) первой головной частью 8, и устанавливается герметизированная жидкостная коммуникация между впусками первого картриджа 9 и соответствующими выпусками первой головной части 8, и между выпуском или выпусками первого картриджа 9 и соответствующим количеством соответствующих впусков первой головной части 8. Эта связь прерывается с выпуском первого картриджа 9 из первой головной части 8. Соединение и конфигурация первой головной части 8 и первого картриджа 9 могут быть такими, как, например, описано в патентном документе WO 2008/122496 A1.
Первая головная часть 8 соединяется по существу постоянно с впуском 1 через единственный канал. Первая головная часть 8 включает в себя первый делитель потока с переменным отношением 10 для разделения входящего потока жидкости на два подпотока, подлежащих обработке, причем каждый подается в отдельный соответствующий впуск первого картриджа 9. Параметры настройки первого делителя потока с переменным отношением 10 регулируются приводным устройством с помощью устройства управления 4. Приводное устройство может быть шаговым двигателем или, например, серводвигателем. Устройство управления 4 сконфигурировано таким образом, чтобы связать отношение объемной скорости потока между подпотоками со значением параметров, находящихся под его контролем.
Первый картридж 9 включает в себя первый слой 11 среды обработки жидкости, включающий катионообменную смолу, по меньшей мере, часть которой находится в водородной форме. Она может быть по существу полностью в водородной форме при первом использовании. В качестве альтернативы, некоторая часть ионообменной смолы первоначально может быть загружена ионом щелочного металла, например, натрием или калием. По меньшей мере, основная часть катионообмнной смолы в основном находится в водородной форме. Другими словами большинство функциональных центров на единицу объема (объемная емкость, как определено, например, в соответствии со стандартом DIN 54403 или ASTM D4266) имеют ион водорода в качестве противоиона. Среда обработки жидкости может включать смесь различных смол или только одну катионообменную смолу. Катионообмнная смола или смолы может быть слабокислой катионообменной смолой, например, имея карбоксильные группы в качестве ее функциональных групп. Среда обработки жидкости в первом слое 11 может включать другие материалы кроме катионообменных смол.
При использовании, водород выделяется в обмен на магний и ионы кальция. Водород реагирует с ионами карбоната с образованием H2O и CO2. CO2 в виде газа не выделяется, потому что устройство для обработки жидкости формируется как чрезвычайно замкнутая система. Вместо этого он присутствует в виде свободного CO2.
Первый картридж 9 дополнительно включает в себя второй слой 12 среды обработки жидкости, отделенный от первого слоя 11 с помощью жидкостно-проницаемого удерживающего устройства 13. Второй слой 12 может содержать среду обработки жидкости для обработки жидкости путем сорбции, например, среда обработки жидкости для обработки жидкости другая, чем при ионном обмене. Среда обработки жидкости может в частности включать активированный уголь.
Первый подпоток, созданный с помощью первого делителя потока 10 с переменным отношением, подается на противоположный конец первого картриджа 9 до конца, соединенного с первой головной частью 8 нисходящей трубой 14. Оттуда он проходит через первый слой 11 ко второму слою 12. Второй подпоток проходит прямо во второй слой 12, минуя первый слой 11. Два подпотока смешиваются во втором слое 12, откуда жидкость возвращается в первую головную часть 8. Первый датчик проводимости 5 расположен сразу после первой головной части 8. Он, таким образом, измеряет свойство жидкой смеси, состоящей из жидкости, обработанной в первом слое 11 и жидкости, которая минует первый слой 11.
Устройство управления 4 устанавливает снижение карбонатной жесткости всей жидкости, обработанной в первом устройстве для обработки жидкости 7. С этой целью, выполняется способ, аналогичный описанному в патентном документе WO 2014/006128 A1, основы которого повторяются в настоящем докумете.
Необработанная жидкость будет иметь удельную электропроводность s0, которая представляет собой сумму электропроводности sCH за счет ионов карбоната и бикарбоната, компонентов, способствующих карбонатной жесткости, и электропроводности s1=s0-sCH за счет других компонентов. В настоящем документе предполагается, что первый слой 11 является полностью эффективным для удаления ионов карбоната и бикарбоната, компонентов, способствующих карбонатной жесткости. Они замещаются CO2, так что электропроводность жидкости, обработанной в первом слое 11, имеет значение s1. Предполагается, что жидкость, которая минует первый слой 11, сохраняет свою первоначальную удельную электропроводность s0. Доля жидкости, которая минует первый слой 11, в смеси, представленной первым датчиком электропроводности 5, упоминается в настоящем документе, как смешиваемая фракция x. Таким образом, первый датчик электропроводности 5 измеряет удельную электропроводность s(x), где 
. Удельная электропроводность sCH из-за карбонатной жесткости может быть получена путем определения производной s'(x). Значение карбонатной жесткости можно получить, умножив эту производную на коэффициент преобразования F.
Этот коэффициент преобразования F может быть предопределенной константой или быть определенным с помощью способа, изложенного в патентном документе WO 2014/006129 A1. Сокращение ΔCH тогда следует как 
. Значение производной s'(x) электропроводности относительно смешивающейся фракции x аппроксимируется путем изменения смешивающейся фракции небольшим количеством Δx и определения результирующего изменения Δs в электропроводности s(x), измеренной с помощью первого датчика электропроводности 5. Таким образом, устройство управления 4 в состоянии определить сокращение карбонатной жесткости и, следовательно, количество свободного генерируемого CO2, используя сигнал только от первого датчика электропроводности 5. Нет необходимости обеспечивать дополнительный датчик электропроводности вверх по течению от первого устройства обработки жидкости 7 и потом вычитать проводимость, определенную с помощью первого датчика электропроводности 5 от электропроводности, измеренной дополнительным датчиком. Таким образом, избегают проблем калибровки из-за различных скоростей дрейфа датчиков и проблем с образованием отложений на верхнем по течению датчике.
В варианте осуществления этого способа ионоселективный датчик удельной электропроводности (не показан) используется в дополнение к первому датчику электропроводности 5. Этот дополнительный датчик позволяет, например, определять концентрацию только ионов кальция или только ионов магния. Это полезно, поскольку уровень свободного CO2 зависит от того, снижена ли концентрация CaCO3 или MgCO3. Таким образом, зная отношение концентрации ионов кальция к ионам магния в необработанной воде, можно более точно определить уровень свободного CO2 от уменьшения ΔCH в карбонатной жесткости.
Хотя в проиллюстрированном варианте осуществления предполагается, что устройство управления 4 может связывать настройки первого делителя потока с переменным отношением 10 со значением смешивающейся фракции x, альтернативный вариант осуществления может включать измерители расхода (расходомеры) для определения соотношения объемного расхода между двумя подпотоками, создаваемыми с помощью первого делителя потока с переменным отношением 10.
Жидкость, обработанная с помощью первого устройства для обработки жидкости 7, подается во впуск 15 мембранного фильтрационного устройства 16, выполненного с возможностью работать в качестве устройства фильтрации с поперечным течением. Оно, таким образом, имеет выходное отверстие 17 для ретентата и выходное отверстие 18 для фильтрата. Мембранное фильтрующее устройство 16 может включать один или более мембранных модулей, например, модулей с мембранным элементом рулонного типа, мембранного модуля типа полых волокон, трубчатого мембранного модуля и/или мембраны в форме листа, смонтированной на раме. Мембрана или мембраны могут иметь размер пор не более 10 Å, действительно быть плотными, с тем чтобы мембранное фильтрующее устройства 16 эффективно удаляло, по меньшей мере, некоторые ионы. Однако мембрана или мембраны является, или являются проницаемыми для свободного CO2. Мембрана или мембраны могут быть композитными мембранами, например, с пористым подслоем и тонким плотным, например, плотным верхним слоем. В мембране обратного осмоса вода и маленькие молекулы, такие как CO2, диффундируют через пустоты в молекулярной структуре мембранного материала, тогда как ионы в растворе и более крупные молекулы это не делают. Примером подходящей мембраны служит композитная мембрана, содержащая опорный слой толщиной ~ 120 мкм, сделанная из сложного полиэфира, ультрафильтрационная мембрана толщиной ~ 40 мкм, сделанная из полисульфона или полиэфирсульфона и активного слоя толщиной ~ 200 нм, сделанного из полиамида или ацетилцеллюлозы.
Фильтрат, выходящий через выпуск фильтрата 18, таким образом, имеет относительно низкое значение TDS, но содержит свободный CO2. Степень извлечения, отношение фильтрата к жидкости, подводимой через впуск 15, могут быть различными при регулировании переменного сопротивления потоку 19. Параметры настройки переменного сопротивления потоку 19 регулируются под контролем устройства управления 4, которое использует для этой цели сигнал от второго датчика электропроводности 6.
В одном варианте осуществления также или альтернативно можно изменить трансмембранный перепад давления с помощью насоса 20 или дополнительного или альтернативного переменного сопротивления потоку (не показан), расположенного выше по потоку от впуска 15.
Фильтрат проходит во второе устройство для обработки жидкости 21, которое включает в себя вторую головную часть 22 и второй сменный картридж для обработки жидкости 23. Второй картридж 23 имеет, по меньшей мере, один впуск и, по меньшей мере, один выпуск. Второй картридж 23 соединяется со второй головной частью 22, таким образом, что удерживается второй головной частью 22, и устанавливается герметизированная жидкостная коммуникация между впуском или отверстиями второго картриджа 23, и соответствующими выпусками второй головной части 22, и между выпуском или выпусками второго картриджа 23 и соответствующим числом соответствующих впусков второй головной части 22. Эта связь прерываема, выпуская второй картридж 23 из второй головной части 22. Соединение и конфигурация второй головной части 22 и второго картриджа 23 могут быть такими, как, например, описано в патентном документе WO 2008/122496 A1.
Вторая головная часть 22 включает в себя второй делитель потока с переменным отношением 24 для разделения входящего потока жидкости, по меньшей мере, на два подпотока. По меньшей мере, один из подпотоков направляется во второй сменный картридж обработки жидкости 23 через выпуск второй головной части 22 и впуск второго сменного картриджа обработки жидкости 23. Его направляют к противоположному концу второго сменного картриджа для обработки жидкости 23 до конца, соединенного со второй головной частью 22. Оттуда он проходит через слой минералов 25, которые растворяются в жидкости. Жидкость проходит через проницаемое для жидкости удерживающее устройство 26 к выпуску второго сменного картриджа обработки жидкости 23 в жидкой коммуникации с впуском второй головной части 22, и оттуда к месту смешивания 27 во второй головной части 22. Жидкость, формирующая подпоток или подпотоки, проходящие через слой минералов 25, смешивается с другим подпотоком или подпотоками, созданными вторым делителем потока с переменным отношением 24 в месте смешивания. Другой подпоток или подпотоки, обходят второй сменный картридж для обработки жидкости 23 и, таким образом, состоят в основном из фильтрата, несущего свободный CO2.
В альтернативном варианте осуществления обход не проходит через вторую головную часть 22, а через секцию второго сменного картриджа обработки жидкости 23, отделенную от слоя минералов 25, так что, по меньшей мере, один подпоток все же обходит слой минералов 25. В таком варианте осуществления, место смешивания может быть в картридже 23, так что вторая головная часть 22 не должна включать обводной трубопровод. Этот вариант осуществления позволил бы использование второй головной части 22 идентичной конструкции с первой головной частью 8.
Минералы в слое 25 могут включать любые минералы или смесь минералов для повышения карбонатной жесткости. Они могут включать, по меньшей мере, один из карбоната магния и карбоната кальция, например, в гранулированной форме. Они могут включать любой один или более из оксида магния, оксида кальция, двойной углекислой соли магния и кальция (MgCa(CO3)2, гидроксида магния и гидроксида кальция. Они могут присутствовать в гранулированной форме. В альтернативном варианте осуществления второй сменный картридж обработки жидкости 23 может быть устроен так, чтобы смешивать сконцентрированный минеральный раствор или пасту с фильтратом, проходящим через него.
Свободный CO2 повышает растворимость минералов в слое 25, так что концентрация CO2 определяет карбонатную жесткость жидкости, покидающей второй сменный картридж обработки жидкости 23.
Если минерал в слое 25 состоит в основном из карбоната магния, тогда значение показателя pH жидкости, покидающей второй сменный картридж обработки жидкости 23, всегда является приблизительно таким же, как показано на фиг. 2, при условии, что уровень свободного CO2 составляет порядка мг·l-1. Диаграмма действительна для замкнутой системы, в которой CO2 не добавляется и не удаляется. Тогда значение показателя pH будет величиной, обозначенной пунктирной линией, то есть, чуть более 10, из-за наличия большого количества нерастворенных карбонатных минералов. Этот вариант осуществления прост в эксплуатации.
Для других минералов или смеси минералов, карбонатная жесткость жидкости, проходящей через слой 25, будет варьироваться в зависимости от уровня свободного CO2. Она будет относительно стабильной в пределах диапазона значений уровня свободного CO2, который является диапазоном, в котором контроль карбонатной жесткости и значение показателя pH фактор обусловленной жидкости, обеспечиваемой на выходе 2, являются самыми простыми. РH фактор не будет, как правило, показывать ту же самую зависимость от уровня свободного CO2.
От места смешивания 27, обусловленная водосодержащая жидкость течет к выпуску 2 из устройства для обработки жидкости. В альтернативном варианте осуществления ее можно выводить в резервуар, из которого затем можно выдавать по требованию.
Устройство управления 4 выполнено так, чтобы управлять первым и вторым делителями потока переменного отношения 10,24 и переменным сопротивлением потоку 19, с тем, чтобы обусловленная жидкость отвечала нескольким требованиям. В качестве примера, устройство может использоваться для обработки относительно соленой питьевой воды для производства питьевой воды, предназначенной для приготовления кофе. Рекомендуется, например, торговыми органами, такими как Deutscher Kaffeeverband, чтобы такая вода обладала следующими свойствами:
общее содержание минералов (TDS): 100-200 мг·l-1;
карбонатная жесткость: 3-6 °dH; и
pH: 6,5-7,5.
В практическом варианте осуществления устройства, устройство управления 4 будет учитывать данные, хранящиеся в памяти, которые связывают карбонатную жесткость жидкости на впуске 1 и целевое значение карбонатной жесткости в выпуске 2 с параметрами настройки, по меньшей мере, первого и второго делителей потока переменного отношения 10,24. Значение карбонатной жесткости жидкости на входе 1 требуется для того, чтобы установить определенный уровень свободного CO2. Сохраненные параметры настройки гарантируют, что ограничения на значение показателя pH фактора обусловленной жидкости, подаваемой на выпуск 2, также будут выполняться.
Такие сохраненные данные могут быть получены в итерационном процессе следующим образом. Во-первых, определяется приблизительная концентрация свободного CO2, необходимого для достижения верхнего предела рекомендуемого диапазона карбонатной жесткости. Затем определяются соответствующие параметры настроек второго делителя потока с переменным отношением 24 для достижения значения показателя pH ниже верхнего предела рекомендуемого диапазона. Если они приведут к тому, что значение карбонатной жесткости будет слишком низким, тогда новое значение свободного CO2 будет определено в дальнейшем повторении. Как только значения для соответствия обоим требованиям будут определены, делители потока переменного отношения 10,24 настраиваются на соответствующие параметры, после чего, по меньшей мере, одно из переменного сопротивления потоку 19 и насоса 20 настраивается, чтобы соответствовать требованиям TDS. Эта регулировка не оказывает заметного влияния на карбонатную жесткость, поскольку она в любом случае уже была уменьшена с помощью первого устройства для обработки жидкости 7, и мембраны в мембранном фильтрующем устройстве 16 будут преимущественно допускать прохождение одновалентных ионов в противоположность двухвалентным.
Таким образом, можно обеспечить выполнение нескольких требований, даже, если жидкость, полученная на входе 1, имеет относительно высокую концентрацию хлорида натрия.
Вместо управления переменным сопротивлением потоку 19 или насосом 20 в зависимости, по меньшей мере, от одного из целевых значений и целевого диапазона для TDS, альтернативный вариант осуществления (фиг. 3) включает в себя линию рециркуляции 28 для того, чтобы провести переменную часть жидкости от выпуска ретентата 17' назад к впуску 15' мембранного фильтрующего устройства 16. Линия рециркуляции 28 включает в себя односторонний клапан 29 для гарантии того, что жидкость может только вытекать из выпуска концентрата 17' к впуску 15', и может включать в себя насос (не показан). Устройство управления 4' определяет пропорции смешивания жидкости из выпуска ретентата 17' с жидкостью из первого устройства обработки жидкости 7' в зависимости, по меньшей мере, от одного целевого значения и целевого диапазона показателя, представляющего концентрацию компонентов в жидкости, например, TDS. Пропорция смешивания устанавливается с помощью регулирования переменного сопротивления потоку 30.
В других отношениях устройство, показанное на фиг. 3, аналогично устройству, показанному на фиг. 1, так что аналогичные комплектующие приведены как ссылочные позиции.
Настоящее изобретение не ограничивается описанными выше вариантами осуществления, которые могут варьироваться в пределах объема прилагаемой формулы изобретения. Первое устройство для обработки жидкости 7 не обязательно должно быть единственным устройством обработки жидкости между входом 1 и впускным отверстием 15 мембранного фильтрующего устройства 16. Например, может существовать осадочный фильтр перед первым устройством обработки жидкости 7 или отдельный активирующий угольный фильтр между первым устройством обработки жидкости 7 и мембранным фильтрующим устройством 16.
Первый и второй делители потока с переменным отношением 10,24 не обязательно должны быть связаны с устройством управлении 4 для настройки их параметров. В альтернативном варианте осуществления, по меньшей мере, один из первого и второго делителей потока переменного отношения 10,24, например, оба регулируются вручную или с помощью ручного инструмента. Пользователь может быть снабжен устройством для измерения карбонатной жесткости воды, принятой на входе 1, и таблицей для связывания этого значения и выбранного целевого значения карбонатной жесткости в воде на выходе 2 к параметрам настроек делителей потока с переменным отношением 10,24.
Вместо того чтобы сначала определять приблизительную концентрацию свободного CO2, необходимую для достижения верхнего предела рекомендованного диапазона карбонатной жесткости, а затем определять параметры настроек второго делителя потока с переменным отношением 24 для достижения значения показателя pH ниже верхнего положения рекомендуемого диапазона, можно также начать с определения параметров настройки второго делителя потока с переменным отношением 24 и на следующем этапе отрегулировать настройки параметров первого делителя потока с переменным отношением 10.
Список ссылочных номеров
| 1,1' | - | вход1 |
| 2,2' | - | выход 2 |
| 3,3' | - | интерфейс |
| 4,4' | - | устройство управления 4 |
| 5,5' | - | 1ый датчик электропроводности 5 |
| 6,6' | - | 2ой датчик электропроводности 6 |
| 7,7' | - | 1ое устройство для обработки жидкости 7 |
| 8,8' | - | 1ая головная часть 8 |
| 9,9' | - | 1ый сменный картридж для обработки жидкости 9 |
| 10,10' | - | 1ый делитель потока с переменным м отношением 10 |
| 11,11' | - | 1ый слой среды для обработки жидкости11 |
| 12,12' | - | 2ой слой среды для обработки жидкости12 |
| 13,13' | - | жидкостно-проницаемое крепежное устройство 13 |
| 14,14' | - | нисходящая труба 14 |
| 15,15' | - | впуск 15 |
| 16,16' | - | мембранное фильтровальное устройство 16 |
| 17,17' | - | выпуск для ретентата 17 |
| 18,18' | - | выпуск для фильтрата 18 |
| 19 | - | переменное сопротивление потоку 19 |
| 20 | - | (необязательный) насос |
| 21,21' | - | 2ое устройство для обработки жидкости 21 |
| 22,22' | - | 2ая головная часть22 |
| 23,23' | - | 2ой сменный картридж для обработки жидкости |
| 24,24' | - | 2ой делитель потока с переменным отношением 24 |
| 25,25' | - | слой минерала 25 |
| 26,26' | - | 2ой жидкостно-проницаемое крепежное устройство 26 |
| 27,27' | - | место смешивания 27 |
| 28 | - | линия рециркуляции 28 |
| 29 | - | односторонний клапан 29 |
| 30 | - | переменное сопротивление потоку 30 |
1. Устройство для кондиционирования водосодержащей жидкости, включающее в себя:
по меньшей мере один впуск (1; 1');
по меньшей мере одно устройство (7; 7') обработки жидкости для обработки жидкости с помощью ионного обмена, включающее себя катионообменный материал, по меньшей мере часть которого находится в водородной форме, и являющееся эффективным для выделения водорода при обмене на катионы карбонатных минералов в обрабатываемой жидкости, таким образом, повышая количество свободного диоксида углерода;
мембранное фильтрационное устройство (16; 16') и
секцию, предназначенную для обработки фильтрата, производимого с помощью мембранного фильтрационного устройства (16; 16'),
причем секция включает в себя устройство (21; 21') обработки жидкости для растворения по меньшей мере одного минерала, способствующего карбонатной жесткости в воде, в по меньшей мере части жидкости, проходящей через секцию,
отличающееся тем, что,
по меньшей мере один из по меньшей мере одного впуска (1; 1') соединен с впуском (15; 15') мембранного фильтрующего устройства (16; 16') через по меньшей мере одно из по меньшей мере одного устройства (7; 7') обработки жидкости для обработки жидкости с помощью ионного обмена,
причем устройство формирует по существу закрытую систему, так что прекращается дегазация диоксида углерода, и
причем по меньшей мере одна мембрана в мембранном фильтрующем устройстве проницаема для диоксида углерода.
2. Устройство по п. 1, в котором по меньшей мере одно устройство (7; 7') обработки жидкости для обработки жидкости с помощью ионного обмена включает в себя по меньшей мере один сменный картридж (9; 9') для обработки жидкости, содержащий катионообменный материал.
3. Устройство по пп. 1, 2, в котором по меньшей мере одно из по меньшей мере одного впуска (1; 1') устройства соединено с впуском (15; 15') мембранного фильтрующего устройства (16; 16') через путь потока, минующий, по меньшей мере, секцию (11; 11') устройства обработки жидкости (7; 7'), содержащую катионообменный материал, по меньшей мере часть которого находится в водородной форме.
4. Устройство по п. 3, включающее по меньшей мере одно устройство (10), например делитель потока с переменным отношением, для регулирования соотношения объемной скорости потока между жидкостью, протекающей через секцию (11; 11') устройства (7; 7') обработки жидкости, содержащую катионообменный материал, по меньшей мере часть которого находится в водородной форме, и жидкости, текущей по пути, обходящему секцию (11; 11').
5. Устройство по п. 4, включающее устройство управления (4; 4') для обеспечения сигнала к устройству (10; 10') для регулирования соотношения объемной скорости потока в зависимости по меньшей мере от одного из целевых значений и целевого диапазона показателей концентрации компонентов в жидкости, содержащей, по меньшей мере, компоненты, способствующие карбонатной жесткости.
6. Устройство по любому одному из пп. 3-5, в котором картридж (9; 9') для обработки жидкости включает в себя место (12) смешивания, где путь потока, обходящий секцию (11; 11'), содержащую катионообменный материал, по меньшей мере часть которого находится в водородной форме, соединяется с путем потока, проходящим через секцию (11; 11'), содержащую катионообменный материал, по меньшей мере часть которого находится в водородной форме.
7. Устройство по любому одному из предшествующих пунктов, в котором мембранное фильтрующее устройство (16; 16') выполнено с возможностью работы в условиях поперечного течения.
8. Устройство по п. 7, включающее в себя по меньшей мере одно устройство (19) для регулирования степени извлечения мембранного фильтрующего устройства (16), например переменное сопротивление потоку, посредством которого устройство выполнено с возможностью пропускания жидкости, выходящей из выпуска (17) ретентата мембранного фильтрующего устройства (16).
9. Устройство по любому одному из предшествующих пунктов, в котором секция для обработки фильтрата, включает в себя секцию (25; 25'), вмещающую по меньшей мере один минерал, подлежащий растворению,
причем секция для обработки фильтрата определяет путь потока, обходящий секцию (25;25'), вмещающую по меньшей мере один минерал, подлежащий растворению, и
причем секция для обработки фильтрата включает в себя место (27; 27') смешивания для смешивания жидкости, проходящей через секцию (25; 25'), вмещающую по меньшей мере один минерал, подлежащий растворению, с жидкостью, проходящей по пути потока, обходящему эту секцию (25; 25').
10. Устройство по любому одному из предшествующих пунктов, включающее систему (4, 5, 10; 4', 5', 10') датчиков для определения количественного сокращения карбонатной жесткости в водосодержащей жидкости между, по меньшей мере, одним впуском (1; 1') и впуском (15; 15') мембранного фильтрующего устройства (16; 16').
11. Устройство по п. 10, в котором сенсорная система (4, 5; 4', 5') включает в себя датчик (5; 5'), расположенный ниже по потоку от устройства (7; 7') обработки жидкости для обработки жидкости с помощью ионного обмена, по меньшей мере одно устройство (10; 10') для варьирования доли жидкости, обрабатываемой с помощью катионообменного материала, по меньшей мере часть которого находится в водородной форме, в смеси жидкости, дополнительно включающей жидкость, которая прошла мимо катионообменного материала, по меньшей мере часть которого находится в водородной форме, и устройство (4; 4') обработки сигнала, выполненное с возможностью сделать вывод о сокращении от изменения сигнала в ответ на изменение в пропорции.
12. Способ кондиционирования водосодержащей жидкости, включающий:
по меньшей мере одну стадию обработки жидкости с помощью ионного обмена, причем жидкость контактирует с катионообменным материалом, по меньшей мере часть которого находится в водородной форме, для создания свободного CO2;
обработку жидкости с помощью мембранной фильтрации для получения фильтрата и
обработку фильтрата,
причем обработка фильтрата включает в себя увеличение концентрации по меньшей мере одного минерала, способствующего карбонатной жесткости воды,
отличающийся тем, что
по меньшей мере одна из по меньшей мере одной стадии обработки жидкости с помощью ионного обмена выполняется перед тем, как подвергнуть жидкость мембранной фильтрации, и причем
свободный CO2, прошедший через мембрану, используется для повышения концентрации растворенных минералов, способствующих карбонатной жесткости.
13. Способ по п. 12, включающий снижение карбонатной жесткости жидкости посредством обработки с помощью ионного обмена до степени, зависящей от по меньшей мере одного из целевых значений и целевого диапазона карбонатной жесткости в кондиционированной жидкости.
14. Способ по пп. 12, 13, включающий смешивание жидкости, подвергнутой обработке ионным обменом, с жидкостью, которая в большинстве случаев подвергается более низкой степени обработки ионным обменом.
15. Способ по любому одному из пп. 12-14, включающий использование устройства в соответствии с любым одним из пп.1-11.
