高循環(huán)配水系統中控制結垢的水處理方法

 發(fā)明領(lǐng)域

本發(fā)明提供了一種工業(yè)、商業(yè)和民用水處理方法，特別是飲用水處理方法。更特別的是，本發(fā)明提供了一種減少高度循環(huán)配水系統中由于高硬水導致石灰石垢沉積的方法。本發(fā)明特別適用于銷(xiāo)售食品設備和配水設備或具有鍋爐的飲料設備。

發(fā)明背景

結垢是由水的硬度引起的最嚴重的問(wèn)題，該現象在工業(yè)水與飲用水、家庭用水或工廠(chǎng)中同樣普遍。這種因硬水加熱產(chǎn)生的特殊副產(chǎn)物會(huì )給許多用水設備造成麻煩。由于在內表面的沉積可阻塞熱水管，因此會(huì )嚴重的降低鍋爐或其它水的加熱器的加熱效率。而在世界的許多地區，水的硬度均較大，需要被處理后才能得到最大限度的使用。

水質(zhì)也需要穩定、可靠才能使配水系統運行良好傳輸穩定且高質(zhì)量安全的產(chǎn)品水。加熱硬水通常導致結垢，引起許多問(wèn)題如水溫的變化、被傳輸水量的變化、加熱設備最終排污的變化。因此，加熱設備需要清洗或有時(shí)需要修復。

在水加熱期間形成的沉積一般既可以是垢也可以是污染物。垢是硬的，附著(zhù)性的無(wú)機組成物，通常以晶體形式存在，而污染物很少附著(zhù)，傾向于無(wú)定形或非晶體形。

垢沉積是一種復雜的結晶過(guò)程，其發(fā)生在溫度、pH、濃度、流速、壓力或其它的水條件變化時(shí)。首先形成初始垢核或層，而后增加。生長(cháng)率決定于幾種過(guò)程的相互作用(如過(guò)飽和、成核、分散、化學(xué)反應和結垢晶體晶格的分子排列)。盡管超過(guò)溶解極限既會(huì )成垢，但成垢率還是可以通過(guò)投加或不投加抑制劑或其它因素來(lái)控制。

水通常含有大量可能成垢的成分，如鈣和鎂離子，溶解硅化合物，鐵鹽等。絕大多數鈣和鎂鹽由于它們的反向溶解性?xún)A向于在熱交換表面形成垢，在此，金屬表面溫度遠遠高于水溫。垢通常含有鈣鹽(碳酸鹽、磷酸鹽、硫酸鹽)、氫氧化鎂、硅和硅酸鹽、鐵的氧化物和氫氧化物、鋅的磷酸鹽和氫氧化物。

在水處理領(lǐng)域，建議使用可以減少或避免結垢方法和裝置，但是它們中的一些或全部都有某些不理想的特征、缺點(diǎn)或不足。

一種常用于水脫礦的技術(shù)是反滲透(RO)。在絕大多數實(shí)例中，該技術(shù)是脫礦最有效的方式。在該方法中，通過(guò)半滲透膜給水加壓形成滲透壓(當兩種不同濃度的液體被膜分離時(shí)存在滲透壓)。RO 系統的缺點(diǎn)是濾筒設計，包括在被過(guò)度濃縮引起阻塞前使一些或絕大多數水成為截流液被排出。被凈化的水和廢水的比可以是l～4，甚至更高或相反。RO系統生產(chǎn)水速度較慢；凈化的水通常收集在槽中用于后期的分配。上述處理的資本成本和運行成本昂貴，但是，在某些裝置中(如工業(yè)和商用水，大型售貨機)RO 系統是有效的。

納濾(NF)也使用半滲透膜過(guò)濾水。NF常被認為膜質(zhì)量低于RO。進(jìn)而NF通�？梢匀コ�60％～80％的多價(jià)離子，而RO可以去除98％或更多，類(lèi)似RO膜板的納濾器被設計成可連續排出液體且具有類(lèi)似的運行和經(jīng)濟缺陷。

另一種常用的系統是離子交換�？梢酝ㄟ^(guò)使用離子交換樹(shù)脂的特殊反應從水中有選擇地去除離子。在水處理期間，Na、K和／或H陽(yáng)離子通常用于代替Ca、Mg、Fe和其它多價(jià)金屬離子。但是不管使用何種離子交換樹(shù)脂，最終樹(shù)脂床都會(huì )老化，必須進(jìn)行再生重新使用或被替代。另外，用H替代ca會(huì )降低pH，并且H和Na均會(huì )導致水的不良味道和質(zhì)量。

無(wú)機垢抑制劑也可用于水處理防止結垢。所有阻垢劑均可用于飲用水處理，聚合磷酸鹽更適合飲用水使用。使用聚磷酸鹽的優(yōu)點(diǎn)之一是具有較低的有效濃度(通常為l～l0mgL)。另外聚磷酸鹽是最廉價(jià)的阻垢劑。但是，聚磷酸鹽不能除垢，它們可以通過(guò)減緩結晶速度推遲沉積物的形成。

水的阻垢磁處理(AMT)效果顯示出變化很大，能反映出水質(zhì)的變化。磁處理如何進(jìn)行的機理涉及的范圍很廣，但是絕大多數未得到證明。AMT缺乏再生性導致無(wú)法確定該方法的可靠性。

US 5433 856和53 l4 623專(zhuān)利介紹了一種液體處理方法用于去除鈣和鎂。該方法是用金屬微粒床，其包括銅(可以／也許還含有鋅)或可以以黃銅合金的形式存在，如KDF 材料(KDFR-55粉沫是由純的、不含鉛、50％銅盒50％鋅制成的粒狀合金商標名)。當水穿過(guò)氧化還原媒介時(shí)，該方法可降低水中無(wú)機物濃度，特別是鈣和鎂。在該實(shí)例中，鈣／鎂化合物將被聚集在金屬床上，最終形成阻礙物。而減少被處理水中鈣濃度的機理沒(méi)有被介紹或解釋。

阻垢劑在延遲沉積形成時(shí)間上是有效的，但不能去除垢。由于能夠去除成垢組分，因此，離子去除方法在防止結垢處理中是最有效的。但是，成本一包括在離子交換樹(shù)脂的案例中投加離子的成本以及高壓、額外貯存槽以及RO的運行成本較高。因此，需要一種方法能夠有效地去除高循環(huán)配水系統的結垢問(wèn)題，如飲料和／或食品配水器。并且還需要通過(guò)一種低成本方法得到這些結果，并且易于完成。本發(fā)明將滿(mǎn)足這些需要。

發(fā)明簡(jiǎn)述

本發(fā)明提供了一種減少石灰石垢沉積在設備的表面或在加熱設備中的方法，特別適用于飲用水但不影響水質(zhì)。該方法包括在水加熱前使水穿過(guò)金屬顆粒和聚磷酸鹽減少這些成分在與熱水接觸時(shí)的垢沉積。

金屬顆粒和聚合磷酸鹽至少包括鋅和磷酸鹽。該金屬顆粒和磷酸鹽可以以混合物形式使用或者以分離床或分離層形式使用。金屬顆粒和聚合磷酸可以被固定在支撐層上或是大量微粒上。

本發(fā)明還提供了一種復合濾筒裝置用于處理水，去除裝置里的無(wú)機物，該濾筒包括一個(gè)具有未處理水人口和處理水出口的外殼，和一個(gè)安裝在兩者之間的水的滲透床，該床含有金屬顆粒和聚合磷酸鹽，水在被加熱之前必須穿過(guò)該床。金屬顆粒和聚合磷酸鹽存在于床中的相鄰層中。

本發(fā)明另一種方案提供了高循環(huán)飲料或食品配水系統，其可利用水制備食品或飲料，同時(shí)被處理水減少了在與加熱水或熱水接觸的配水系統部分的垢沉積。這里介紹的復合濾筒可以減少垢的累積。配水系統包括水接觸的部分，如內表面(管道、閥、混合槽等)和加熱元件。

我們驚訝的發(fā)現聯(lián)合使用金屬顆粒和聚磷酸鹽比單獨使用金屬顆�；蚓哿姿嵩诳刂坪蜏p少石灰石沉積方面可以提供更好的協(xié)同效應。

圖的簡(jiǎn)述
圖l是一種模板飲料配水器配水管線(xiàn)的示意圖，包括同本發(fā)明的一個(gè)水處理濾筒。
圖2是一種模板飲料配水器配水管線(xiàn)的示意圖，包括同本發(fā)明的一個(gè)單一的水處理濾筒。
圖3是一種模板飲料配水器配水管線(xiàn)的示意圖，包括同本發(fā)明的一個(gè)系列水處理濾筒。
圖4是一種如本發(fā)明的濾筒有代表性的示意圖。
圖5是說(shuō)明模板配水器和圖l水處理濾筒性能的曲線(xiàn)。

首選實(shí)施方案的詳解

本發(fā)明提供了一種在硬水中控制結垢的水處理方法，其能夠被用于鍋爐或其它加熱設備，管道等商業(yè)、工業(yè)和民用，特別用于飲用水處理，尤其是具有內部混合功能的食品銷(xiāo)售機和配水機器內表面，鍋爐或隨選的加熱元件或類(lèi)似的結構。令人驚訝地發(fā)現是配合使用金屬顆粒如鋅和銅與聚磷酸鹽可以明顯地減少循環(huán)食品或飲料配水系統的垢沉積，與現有的單獨使用金屬顆�；蚓哿姿猁}的阻垢方法比較具有協(xié)同效應。

金屬顆粒最好從由下列金屬組成的基團中選擇：鋅、銅、鐵、鎂、錳、錫、它們的混合物或合金。這種金屬或金屬的聯(lián)合使用不受限制。該金屬顆粒由至少兩種不同的金屬組成，如一種是鋅和另一種具有較高電極電勢的金屬，如最好是銅。多對金屬可以以重量百分比為95：5～5：95的較大復配范圍使用。

鋅和銅混合物或合金為首選，原因是它們在結垢控制方面比其它金屬或金屬的配合使用更有效，并且適用于使用飲用水的設備。鋅和銅合金如黃銅是首選，因為它們具有相似的結構，與純金屬或混合物相比能夠更好的控制垢。當兩種金屬被使用時(shí)，首選的比例范圍為75：25～25：75，最好是45：55～55：45(以重量百分比計)o

本方法可以使金屬離子以受控方式被釋放。金屬離子的釋放通常為0．1～50mg／L。在一種選擇的溶液中，金屬顆粒由可以在水中釋放0．2～20mg／L的鋅離子有效量的鋅組成，較好的為0．5～8mg／L，最好為1～5mg／L的鋅離子。金屬離子的釋放主要決定于金屬顆粒的總量、水透過(guò)媒介時(shí)與水的接觸面、水的流速以及系統希望的循環(huán)數。因此，有經(jīng)驗的技工能夠根據經(jīng)驗確定金屬顆粒適合的劑量，確保金屬離子的控制量連續在最佳范圍內釋放。

同上，磷酸鹽的可控釋放量主要決定于磷酸鹽顆粒的量和大小、水透過(guò)媒介時(shí)與水的接觸面、水的流速以及系統希望的循環(huán)數。因此，有經(jīng)驗的技工能夠根據經(jīng)驗確定磷酸鹽適合的劑量，確保磷酸鹽離子的控制量連續地在最佳范圍內釋放。水中釋放的磷酸鹽的首選濃度為1～10mg／L，最佳濃度為2～4mg／L。

 主要用于本方法的磷酸鹽包括鈉、鉀、銨、鋰、鎂或鈣的聚合磷酸鹽、聚偏磷酸鹽、焦磷酸鹽或磷酸鹽及它們的酸或混合物。例如聚合磷酸鹽可以從任何一種如焦磷酸、三偏磷酸鹽、四聚磷酸、六偏磷酸、有機磷酸、各種聚合程度的聚合磷酸或它們的鹽或它們的混合物中選擇。首選的聚磷酸鹽是各種聚合程度(6～13)的偏磷酸鹽。最佳的是六偏磷酸鈉和六偏磷酸鈣。

金屬顆粒和聚磷酸鹽的配合使用可通過(guò)混合各種成分或使每種成分形成層來(lái)完成。在第一種實(shí)施方案中，金屬顆粒和聚磷酸鹽復配形成水能夠透過(guò)的床。金屬顆粒和聚磷酸鹽混合后形成一種能夠嵌入濾筒的混合物或組成物。濾筒提供足量的成分，適應水的流速，在水中釋放控制濃度，各組分以任何平行、交錯次序或順序結合。另一方面，金屬顆粒和聚磷酸鹽可以被置于分離的濾筒內。金屬顆粒與聚合磷酸鹽的比為95：5～5：95(以重量百分比計)，較好的為5．5：1～1：1，最好為3：1～2：1。

本發(fā)明還提供了一種含有聚磷酸鹽和金屬顆粒合成物的設備用于處理冷、室溫或微熱水。希望得到熱水時(shí)，水隨后在加熱器中加熱。該水處理方法確保沒(méi)有垢永久的沉積在加熱器的內表面或任何加熱水通過(guò)的表面，如管道、管口等。本方法確保配水循環(huán)為10000以及高到45000的循環(huán)或更高時(shí)不發(fā)生明顯的結垢�，F有的傳統方法如單獨使用金屬或單獨使用聚磷酸鹽現時(shí)最大循環(huán)數低于5000。循

環(huán)數的增加源于金屬和聚磷酸鹽配合使用的結果。

圖1說(shuō)明飲料配水器的所有結構。配水器包括一個(gè)供水部分A，可以在加熱前將水輸送到至少一個(gè)水處理復合濾筒B。被處理水在進(jìn)入一個(gè)加熱器E(為了制備一種所選的飲料，其能夠將水溫提高到一個(gè)理想值)之前可以穿過(guò)一個(gè)流量計C和一個(gè)泵D。加熱后的水以F形式被排放到配水器的各個(gè)不同的部分，在分配器中誰(shuí)與飲料混合生產(chǎn)飲料。流量計C、泵D和加熱器E可以利用處理器或微處理器G控制，當按設計使用時(shí)，其通過(guò)打開(kāi)一個(gè)激活開(kāi)關(guān)H為配水器提供電壓。

圖2說(shuō)明本發(fā)明的模范方式。本發(fā)明在如一個(gè)容器的濾筒1中被物化，該容器包括一個(gè)人口15和一個(gè)出口l6以及不滲透性的側壁17。該濾筒擁有一個(gè)金屬顆粒和聚磷酸鹽晶體的床。出口和人口位于濾筒的端部使水流過(guò)管線(xiàn)18并與合成的介質(zhì)接觸。這種水從濾筒流出后流人加熱器19。另一種可能性是使用兩種濾筒，如圖3說(shuō)明。具有聚磷酸鹽的1a和具有金屬顆粒的1b串聯(lián)(如圖)或并聯(lián)(圖中未顯示)。

顆粒物質(zhì)組成物提供了有利于流量的滲透性。顆粒介質(zhì)的大小可，可以顯著(zhù)變化，一般為20—10 O00gm。首選的顆粒尺寸為100—3000gm。顆粒范圍最好在500 1000pm，可以使水的流速保持在2 50ml／s。

處理容器形狀和大小均可根據利于應用的原則改變，如配水機的大小、水的流速等。舉例說(shuō)明，容器或濾筒可以是內徑為1 5cm、內部長(cháng)度為3—20cm的圓柱體，能夠容納20—350g的處理介質(zhì)。在一個(gè)首選的實(shí)施方案中，至少有金屬顆被

固定在復合濾筒裝置內防止微粒擠壓，使水穿過(guò)微粒。較好的是將金屬顆粒與聚磷酸鹽同時(shí)固定在復合濾簡(jiǎn)裝置內。在一個(gè)理想的設計中，該濾筒裝置包括許多沿水流方向縱向排列的層；這些層中至少有一層金屬顆粒層，或金屬顆粒和聚磷酸鹽層，位于惰性多孑L材料支撐層之間。最好是兩層或多層金屬顆粒層或金屬顆粒與聚磷酸鹽層夾在惰性多孑L材料支撐層之間。進(jìn)而，復合濾筒裝置被安裝促使水流穿過(guò)處理介質(zhì)，該裝置利用湍流裝置，包括將水不容材料置于多孑L支撐層附近，使水流沿切線(xiàn)方向穿過(guò)其方法可提高顆粒層中水的湍流度。該湍流

裝置可形成于位于接近支撐層外側的網(wǎng)狀物。該網(wǎng)狀物的結構能夠使水流切向橫穿過(guò)多孑L支撐層和顆粒層，而防止或至少是使縱向穿過(guò)更困難。結果，除那些可以提高與介質(zhì)接觸的縱向水路外，均產(chǎn)生橫向水流。

當顆粒被固定時(shí)，顆粒的平均直徑最好限制在0．O1—5mm，更好的為0．1—0．7ram。固定金屬顆�；蚪饘兕w粒和聚磷酸鹽合成物的優(yōu)點(diǎn)是很多的。由于小顆粒是以點(diǎn)束縛在聚合網(wǎng)狀物上，因此在水處理期間它們不會(huì )移動(dòng)，減少了壓實(shí)效應，有效地防止了水的阻塞。由于介質(zhì)可以以不變的效率工作，直到介質(zhì)幾乎物理性消失為止，因此，可以使用少量的處理介質(zhì)。

圖4介紹了在濾筒或水處理容器中固定顆粒物質(zhì)的優(yōu)選方案。該濾筒可以是一種中空圓柱體1，濾同中心有一個(gè)柱心10，金屬顆粒和聚磷酸鹽l1，12的圓柱層通過(guò)一對圓柱形多孔紙130，l3l，140，l41支撐層固定紙可以由薄的多孑L聚合材料層取代。選擇支撐層的多空性是為了維持顆粒層在適合的位置防止微粒從層中穿過(guò)。支撐層周?chē)�是增加湍流裝置，如網(wǎng)狀物210，21 1，212，它們由聚合材料組成，如聚乙烯、聚丙烯或任何其它的適合的食品級惰性塑料。每個(gè)支撐層的外表面最好有一部分網(wǎng)狀物包圍。例如，網(wǎng)狀物可以位于接近支撐層的位置，鋪開(kāi)形成圓柱形狀，而后置于圓柱形濾筒中。這種網(wǎng)狀物可以促使水流橫向或切線(xiàn)方向流動(dòng)，阻止縱向流動(dòng)。網(wǎng)狀物因此可以維持水的湍流。網(wǎng)狀物空的大小范圍在0．1—10mm之間，比較好的在1 5mm，最好為2 3mm。其它適合的材料也可取代網(wǎng)狀物結構提供相似單向流動(dòng)作用，如蜂巢等。

實(shí)例

下列實(shí)例說(shuō)明了本發(fā)明首選的實(shí)施方案。

實(shí)例I單獨使用鋅和銅處理水的飲料配水器的性能

為了解決在水加熱期間設備因結垢而產(chǎn)生的問(wèn)題選擇使用金屬顆粒進(jìn)行水處理。顆粒材料為KDF一55R粉沫，KDF一55R是KDF流體處理(USA)銷(xiāo)售的由純的、無(wú)鉛黃銅制成的粒狀介質(zhì)的商標名。

由50％銅和50％鋅組成的水處理濾筒在測試中使用。該濾筒設計為使用自來(lái)水壓力，流速至少為1gal／min。包括一個(gè)處理濾筒的模型飲料配水器如示意圖1。永久水硬度為Ca=250mg／L，以碳酸鈣計，pH=7．6。

如圖5所示，模型配水器的性能被增加了4倍，例如，在有和沒(méi)有金屬顆粒水處理濾筒中循環(huán)數(直到每杯水輸送量減少10％為止)分別為800和3300。主要的垢累積發(fā)生在熱水傳輸螺線(xiàn)管閥內。

實(shí)例2單獨使用聚磷酸鹽處理水的飲料配水器的性能

本測試使用市售的聚磷酸鹽濾筒。該濾筒設計為使用自來(lái)水壓力流速最小值至少為l gal／min。使用與實(shí)例1相同的配水器和處理濾筒。永久水硬度為Ca=250mg／L，以碳酸鈣計，pH 7．6。

如圖3所示，模型配水器的性能被增加了4倍。

實(shí)例3使用金屬顆粒和聚磷酸鹽處理水的飲料配水器的性能

根據使用金屬顆粒(鋅和銅)與聚合磷酸鹽合成物的性能，評估了與上文相同的模型配水器。原水穿過(guò)一套濾筒，首先穿過(guò)一個(gè)市售的圓柱形磷酸鹽設備，進(jìn)入給水管線(xiàn)中，而后，穿過(guò)一個(gè)如實(shí)例1參考類(lèi)型的金屬顆粒濾筒。

循環(huán)數約為1000時(shí)收集水樣用于無(wú)機物的分析。結果顯示釋放到水中的鋅離子(約為1．0mg／L)，和銅離子的含量(約為0．05mg／L)在優(yōu)選范圍內。使用聚磷酸鹽和金屬顆粒復配的水處理將配水器的性能提高了50倍以上。被傳輸水量保持高于目標量的90％，水溫穩定。

這種復配不能阻止垢的生成，但是似乎可以使之形成不同類(lèi)型的晶體。這種不同類(lèi)型的垢不會(huì )黏附在表面，代替了硬垢的累積，其形成松散的非黏附性粉沫，絕大多傾向于在活水系統化中形成。與金屬離子或聚磷酸鹽單獨釋放比較，這兩種材料的復配導致了顯著(zhù)的提高，可能歸因于復配對垢的黏附性的協(xié)同效應。 來(lái)源：谷騰水網(wǎng)