專利名稱：飲用水的低壓制備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種飲用純凈水的制備裝置和方法。
背景技術：
適于飲用的水(即飲用水)為必需品，但是全世界有數(shù)以百萬計的人只能 有限制地獲得。水通常被視為生命最基本和最容易取得元素，并在表面上看 是最豐富的。相對于河流或湖泊中的每一加侖水來說，有五十以上加侖水埋 藏在地球表面下的巨大的蓄水層中。人每天需要多少水并沒有標準，但專家
通常建議，成年人的最低限度為100升水。多數(shù)人會飲用二或三升水。其余
則通常用于煮食、沭浴和衛(wèi)生。成年的美國人每天的用水介于四百和六百升 之間。
到2050,在地球上將有至少九十億人，他們大多數(shù)住在發(fā)展中國家。如 果水平均地分布在地球上，可能每人都夠用。但雨水往往在最不利的時候落 在最不受人歡迎的地區(qū)。例如，在某些印度城市，每年少于四十天下雨一全 部都在不足四個月之內(nèi)?？墒?，由于某種原因，印度必須以地球的百分之四 的水來維持將近百分之二十的地球人口 。中國的水比加拿大少一但人口多四 十倍。由于用井從蓄水層所排出的遠遠快于通過雨水所能補充的，北京的地
5下水位在過去二十年內(nèi)已經(jīng)下降將近二百英尺。
超過十億人缺乏飲用水。只提供清潔水每年就可拯救二百萬條生命。將 近二十億人靠井來取水。在三十年前，印度有二百萬口井；在今天，則有二 千三百萬口井。隨著人口的不斷增長，每一居民可得的淡水減少，人民沒有 選擇，只能將井挖得更深?？墒?，挖得太深，就會開始滲出鹽水和砷。隨著都市的發(fā)展，許多河流已變得不適合提供原水。新德里的主要水源
Yamuna河中的糞大腸菌的數(shù)量，在過去十年來已增加數(shù)以千倍。就算在最 繁榮的都市，諸如新德里和孟買等的附近，每天只供水數(shù)小時一并且常常受 到污染。印度的情況很極端，但其它國家也有類似的問題。
水凈化過程是眾所周知，并在世界各處使用。水凈化是從未經(jīng)處理水移 除污染物以得到純凈度足夠供人類飲用的飲用水。在凈化過程期間移除的物 質(zhì)包括寄生物(諸如賈第鞭毛蟲或隱孢子蟲)、細菌、藻、病毒、真菌、礦物 質(zhì)(包括有毒金屬，諸如鉛、銅和砷)以及人造化學污染物。由于寄生吸蟲 通過糞便污染水傳播，血吸蟲癥導致人類貧血或器官感染。該疾病在第三世 界國家中產(chǎn)生很大災害。許多的上述污染物可以很危險。去除其它的污染物 可改善水的氣味、味道和外觀。
只靠觀察水是不可能辨別水是否安全。簡單方法，諸如煮沸或使用家用 的木碳過濾器不足以處理來自未知來源的水。就算是天然泉水一在1800s時 被認為可安全地用于所有實際用途一現(xiàn)時在確定需要那種處理之前都一定要 進行測試。微咸水的總?cè)芙夤腆w量(TDS)有高達2000-5000ppm。"輕"微咸水 的TDS約為500-1000 ppm。
可接受的飲用水標準(IS:10500-1191)包括以下的建議和"可接受"的水 平500 ppm的TDS (最高可達2000 ppm，如果不能獲得其它來源)；0.3 ppm的鐵(最高可達1.0 ppm); 1.0 ppm的氟化物(最高可達1.5 ppm); 0.05 ppm的砷； 0.03ppm的鋁(最高可達0.2ppm);而酸咸值為6.5-8.5。
雖然飲用未經(jīng)前期處理和凈化的水毫不安全，但潛在水源有許多。自一 些深層地下水引出的水可能是數(shù)十年或甚至是數(shù)百年以前降下的雨水。在地 下水泵送到處理廠之前，其己由土層和石層天然地過濾到具有高清澈度。上 述的水可來自諸如水泉、自流泉或可能從井眼或井中汲取。深層地下水通常 具有很高的細菌學質(zhì)量(即低濃度的病原菌，諸如彎曲桿菌屬或低濃度的致 病原生動物類一隱孢子蟲及賈第鞭毛蟲)，但其可能富含溶解固體，尤其是鈣 和鎂的碳酸鹽和硫酸鹽。視乎水流過的地層，也可能存在其它離子，包括氯 化物和重碳酸鹽。為了能令人合意地飲用或煮食，可能需要減少水中的鐵或 錳含量。消毒也是必需的。在實施地下水補給的地方，這相當于處理用的低 地地表水。
自淺層地下水引出的水通常取自井或井眼。其細菌學質(zhì)量可以隨來源而 變量?？赡艽嬖诙喾N可溶物質(zhì)，包括潛在性有毒金屬，諸如鋅和銅。在某些 地區(qū)，地下水的砷污染是很嚴重的問題，特別是從恒河三角州中的孟加拉和 孟加拉西部的淺水井引出的水。氟化物也是潛在性危險污染物，其可能導致 氟中毒一一種嚴重的骨病。
通常位于河流系統(tǒng)上游的高地水庫一般處于任何人類居住地之上，而且 可由保護區(qū)包圍以限制被污染的機會。細菌和病原體水平通常很低，但將會 存在某些細菌、原生動物或藻類。許多高地水源具有低酸咸值，其必須要調(diào) 節(jié)。
低地地表水，諸如河流、運河和低地水庫，會具有相當大的細菌接種量 以及還可能包括藻類、懸浮固體和多種溶解成分。地表水由生物和化學污染物污染，并可能潛在性地傳播疾病，諸如腹瀉、痢疾、傷寒、霍亂和肝炎。 在沒有處理和/或消毒的情況下，其絕不能飲用。
水的凈化有許多方法，而其使用要取決于水中的特定污染物。超濾膜為 相對較新的研制成果；它們使用具有化學成型微孔的高分子膜，其可用來代 替顆粒介質(zhì)以在無需凝結(jié)劑下有效地過濾水。膜介質(zhì)的類型決定需要用多大 的壓力才能讓水通過以及可濾出多大的微生物。在超濾中，流體靜壓力把液
體壓到半透膜上。保留的懸浮固體和高分子量溶質(zhì)的大小可達至約0.01微
米。這樣可除去細菌和許多病毒，但不包括鹽(離子)，而水和低分子量溶質(zhì) 則通過所述半透膜。
反滲透是使溶液通過過濾器的過程，過濾器將溶質(zhì)截留在反滲透膜的一 邊，并能夠在膜的另一邊獲得純的溶劑。更正式地說，其是通過施加大于滲 透壓力的壓力使溶劑從高溶質(zhì)濃度區(qū)通過所述膜到低溶質(zhì)濃度區(qū)的過程。這 與溶劑在沒有外部壓力時自然地從低溶質(zhì)濃度區(qū)通過膜片自然移動到高溶質(zhì) 濃度區(qū)的正常滲透程序相反。反滲透膜是半透性的，即其容許溶劑通過，但
不容許粒度低達約0.0005微米的溶質(zhì)通過，這樣足以移除病毒和鹽(離子)。 用于反滲透的膜沒有孔；相反，分離是在厚度極薄的密質(zhì)聚合物層中進
行。在多數(shù)情況下，該膜設計成只容許水通過。水進入把膜造成聚合物溶液 中，然后通過擴散作用穿過該膜。該過程通常需要向該膜的高濃度邊施加高
壓，對于淡水和微咸水而言，通常為4至14巴(60至200磅/平方英吋)， 對于海水而言，則為40至70巴(600至1000磅/平方英吋)，其必須克服 的天然滲透壓力約24巴(350磅/平方英吋)。
反滲透膜設計成能從水移除溶解鹽。在水迅速地通過反滲透膜時，溶解 鹽極慢地通過。在天然的滲透條件下，水會通過半透膜擴散到較高含鹽濃度的區(qū)域，以便使半透膜兩邊的溶液濃度相等。為了克服和改變該滲透傾向， 可向給水施壓，藉此產(chǎn)生凈化流。
脫鹽率是衡量膜元件拒絕溶解離子通過的能力的程度。雖然可要求反滲
透元件脫除許多不同的離子，但是用氯化鈉(NaCl)作為測量標準。除極少情 況之外，反滲透膜脫除二價離子比單價離子好，諸如鈉和氯化物。該NaCl(鹽) 脫除己普遍地公認為測量膜元件的離子排除性能的標準。
反滲透膜也被要求可移除，或至少容忍，在給水中的其它雜質(zhì)，包括有 機體、氧化硅和氣體。眾所周知，反滲透法用于海水淡化(從海水中除去鹽 以獲得淡水)，自20世紀70年代早期以來已使用這種方法。
美國標準通常準許飲用反滲透凈化水。然而，在歐洲，由于過濾器有可 能滲漏或破裂，從而使病原體有可能逸出，所以在沒有作進一步的處理步驟 來保證生物病原體被毀滅的情況下，來自反滲透過濾的水不可供人食用。
市售有手提式反滲透水處理機，其可在家中用于個人的水凈化。該些裝 置以重力驅(qū)動(其無需水泵)，而且無需用電。重力壓使水通過流出過濾器， 很像咖啡機的過濾器。在需要替換之前，過濾器可持續(xù)使用約七年，雖然其 可能每年都需要替換，這取決于水的用量和狀況。 一些乘船作長線旅游、釣 魚、島上宿營，或者在當?shù)毓┧晃廴净虻陀跇藴实膰业穆眯姓呖墒褂梅?滲透水處理機。反滲透系統(tǒng)現(xiàn)在還被海產(chǎn)水族館愛好者廣泛地使用，因為生 活供水含有的物質(zhì)對大多數(shù)鹽水魚而言是毒性極大的。在生產(chǎn)瓶裝礦泉水時， 水通過反滲透水處理機移除污染物和微生物，包括所知的最小微生物一原始 細菌。
反滲透元件的長期性能的評估應考慮不只是脫鹽率。在選擇元件時，重 要的因數(shù)為膜通量、元素流量、系統(tǒng)壓力要求、膜的污染速率、膜對清洗操作的響應和凈化過程的容許限度以及元件的耐用度。每一項會影響水處理系 統(tǒng)的總生產(chǎn)能力以及與之相關聯(lián)的資金和操作成本。
不幸地，反滲透操作需要壓力。在美國的供水系統(tǒng)中，管道中的水壓提 供足夠的壓力進行反滲透。在有些情況下，重力也可以提供足夠的壓力。不 過，發(fā)展中國家非常需要， 一種水凈化系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以沒有電源而可產(chǎn)生 典型反滲透操作所必需的壓力的情況下制備大量水(足夠給小村莊使用)。
用于超濾和反滲透的手泵操作裝置，諸如Katadyn制造和銷售的那些裝 置是眾所周知的。然而，其中沒有任何一個將超濾和反滲透膜單元結(jié)合在由 手泵操作的系統(tǒng)，該系統(tǒng)可制備沒有細菌和基本上沒有其它污染物的水(使 水符合IS標準)且其數(shù)量足以供較多人使用。
鄉(xiāng)村供水系統(tǒng)用的足夠大的凈化系統(tǒng)的反滲透膜的制造商將該些過濾器 的壓力范圍明確地限制在200-800 psi (磅/平方英吋)下使用，即相當于約 14-56巴。使用手泵達不到這些壓力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的包括能夠使用較低壓的泵源提供較高輸出量的凈化水。"較 低壓"意味水壓不大于第三世界國家常用的手泵所能產(chǎn)生的水壓，不論該泵 事實上是否手泵、電泵還是其它種類的泵。本發(fā)明使用較低壓泵，諸如手泵 將大量的水通過超濾器泵送，并循序地通過反滲透膜，其讓凈化水通過并使 廢水分離。廢水從反滲透膜的出口排出，而凈化水則從第二出水口泵送。


圖1所示為本發(fā)明的水凈化系統(tǒng)中所用的超濾過濾筒的剖視圖。
圖2所示為圖1所示的過濾筒的局部分解圖。
圖3所示為本發(fā)明的具有超濾單元和單一反滲透過濾單元的水凈化系 統(tǒng)的示意圖。
圖4所示為水凈化系統(tǒng)的另一實施例的示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的目的為提供一種于水凈化用于的低壓泵系統(tǒng)，以便可以手泵及 類似的可由太陽能或風能得出的低壓應用來運用所述系統(tǒng)。低壓泵產(chǎn)生的水 量將會通過超濾過濾器和反滲透單元。在一個實施例中，使用常見的第三世 界型雙動往復式手泵。所述的泵如此設計以致于在封閉系統(tǒng)(無水排放)中， 壓力可高達4巴(約60psi)，但有時要限制成不要超過較大壓力，以避免損 毀和漏泄。
在一個實施例中，該泵是由印度的Venus Pump & Engineering Works所售 的改進型號BS 1208。該泵的規(guī)格為流率為1300升/小時，在約90次/分 鐘下。為將泵內(nèi)壓力維持達4巴，在泵體的吸入端之內(nèi)可設置內(nèi)置止回閥。 在一個實施例中，泵用不銹鋼制成，以致不會污染凈化后的飲用水。
在一個實施例中，使用1英吋容量泵。在諸如可在圖4中用的另一較 高容量的實施例中，可以使用1英吋容量手泵或1.5英吋容量泵，其可在高 達約72次/分鐘下工作。應該明白，在某些情況下，可使用電池或太陽能驅(qū)動泵，在運作產(chǎn)生較高壓的泵的電源供應緊張或不可得的情況下，該泵可以 產(chǎn)生比得上手泵所產(chǎn)生的壓力。
現(xiàn)參照圖3，所示為本發(fā)明的一個實施例。圖中雖未示出部件的精確位 置，但示出它們的水流次序?？赏ㄟ^任何方法將水輸送到未凈化水水箱13， 通常使用帶有往復柄10的手泵，其與用于產(chǎn)生系統(tǒng)壓力的泵無關。未凈化 水含有細菌、微粒、雜質(zhì)分子和化合物、污垢、有機體，而且不適合人類飲
用。作為選擇，設置阻垢劑計量槽11與阻垢劑計量泵21,其可與原來的手 泵14連接，如虛線L所示?？捎锰柲茈姳没蝻L能電泵取代手泵14兩者 產(chǎn)生的泵壓低于4巴，該壓力由在泵和超濾筒之間的壓力計測量。
為未凈化水水箱13饋給的是入口軟管99和相關聯(lián)的閥98，以維持水 流向手泵14 ?？蛇x擇的壓力計34、 36、 38、 40可設置在整個系統(tǒng)中。系統(tǒng) 的部件這樣選擇以致于可操作手泵提供足夠壓力以將泵出的水量流經(jīng)系統(tǒng)。 在一個實施例中，水接著通過閥46到初級筒式過濾器15，其具有約5微 米的孔隙度以將較大的污染物從水中移除。
然后，最好泵送水通過閥48進入超濾單元16之內(nèi)，在下面會作進一步 敘述。然后，水再通過閥50并到達反滲透單元17，其處的壓力必須約為20 -25psi，最好約22.5 psi?？烧{(diào)部份的水流(取決于所謂的"回收率")從反滲 透單元排出，再通過閥52和經(jīng)過流量計72至排水口 90。閥52與壓力計 40 —起使用可維持要求的壓力，并保護系統(tǒng)。剩余的水，即"凈化"部份，然 后選擇性地部份流過流量計74，在排出之前，通經(jīng)活性碳過濾器18,再通 過閥54到淡水出口 92作為飲用水。
當系統(tǒng)封閉時(即沒有水在排放)，用手泵可產(chǎn)生高達60磅/平方英吋的 壓力。當水在排放時，系統(tǒng)在大約32-40磅/平方英吋的壓力下工作。在5微
12米預濾器大約損失7磅/平方英吋壓力，而在超濾期間又損失7磅/平方英吋，
因此，在反滲透單元的入口的壓力大約為20-25磅/平方英吋。應當相信，在 反滲透單元的入口的最低壓力大約為20磅/平方英吋。人工驅(qū)動的手泵不能 產(chǎn)生超過大約25磅/平方英吋的壓力，否則很快就達到疲勞程度。
在較佳實施例中用的超濾單元由新加坡787823， 452 Tasgore Industrial Avenue, Ultra-Flo PTE公司生產(chǎn)的Ultra-Flo DUC 108超濾膜做成。最初，系 統(tǒng)使用的超濾單元能夠處理高達15-20升/小時的水。為了達到反滲透膜的技 術要求，以大約270升/小時的供水，可并聯(lián)15至20個超濾單元(即水流 分成15-20個獨立單元作同時處理)，然后再合成為單一水流以進入反滲透單 元內(nèi)。因此，圖3中所示的部件16可以是超濾單元的組合、或是單一的、 較大容量的超濾單元。在可選擇的較佳實施例中，使用的單一超濾單元可處 理600升/小時以上。
在基于圖3所示的較佳實施例的本發(fā)明的第一工作模型中，反滲透單元 為Dow 4040過濾器(4英吋直徑、40英吋長)。生產(chǎn)商提供的工作參數(shù)為 225磅/平方英吋(最大壓力600 ppm)。因此，本發(fā)明的操作涉及的壓力大大 地低于商用單元所提議的或者盡管是可能的壓力。Dow 4040的平均NaCl脫 除率為99.5%，而最低脫除率為99%。然而，在低壓工作時，NaCl脫除率 預期會下降，但是仍然足以提供由IS標準規(guī)定的飲用水。
在工作時，將反滲透單元的出口閥設定成生產(chǎn)商所建議的大約15%回收 率，最好約為15-20%。回收率是指自反滲透單元所得的"凈化"水量占輸入裝 置中的水量的百分比。因此，損失大約85%的供水，其作為廢水自反滲透單 元排出。然而，實際上，有可能超過生產(chǎn)商建議的回收率并且在不犧牲反滲 透膜的壽命下獲得更大量的凈化水，因為，即使在較高的回收率下，反滲透膜內(nèi)的壓力仍遠低于技術要求所容許的壓力。如果根據(jù)生產(chǎn)商的技術要求以
200-600磅/平方英吋工作時，回收率大于15%的話，反滲透單元將會更易受
損，而且會大大地縮短預期使用壽命。因此，根據(jù)本發(fā)明，回收率最好為
15-20%,可選擇的為15-50%、 20-40%以及25-35%。較佳的可選擇的回收率 大約為20%、約25%、約30%、約35%、約40%、約45%和約50%。
使用4040型反滲透單元，典型的供水速度大約為270升/小時，雖然供 水速度可達到350升/小時。使用與圖3所示相同的裝置設計但具有8040型 反滲透膜單元(8英吋直徑)，則預期最大流量大約為600-700升/小時，最好 為667升/小時。這種用單一反滲透膜進行處理可每小時處理高達大約100 升的凈化水。
圖4所示為本發(fā)明的另一較佳實施例，其使用多個反滲透膜單元。為處
理更多的水，可串聯(lián)多達三個8040型反滲透單元201、 202和203，其中來
自第一反滲透單元的廢水用作為對第二反滲透單元的給水，而來自第二反滲 透單元的廢水則用作為對第三反滲透單元的給水。三個反滲透單元可以串聯(lián)；
使用多過三個單元所需的壓力則比手泵所能產(chǎn)生的壓力大。
實施例 例1
啟動圖3所描述的系統(tǒng)，其具有與Ultra-Flo超濾過濾器耦合的反滲透 單元Dow 4040，用5微米的預濾器，在系統(tǒng)封閉(沒有水排出系統(tǒng))時可獲 得4巴(大約60磅/平方英吋)的初始壓力。
打開出水口，可達到270升/小時的流速或給水量，而凈化水出水率大約為40升/小時。
例2
采用與例1相同的條件，從TDS為75ppm的未凈化水開始，獲得的凈 化水的TDS為4ppm。
例3
采用與例1相同的條件，從TDS為1230 ppm的未凈化水(加入NaCl) 開始，獲得的凈化水的TDS為15ppm。以20%的回收率，獲得的流量僅為 5升/小時。使用本發(fā)明的待凈化的水的原始TDS最好大約為600-1000ppm， 以使在實際上有足夠的流量，雖然具有較高TDS的水的凈化是可行的。
例4
采用與例1相同的條件，從氟化物濃度為6.8ppm的未凈化水開始，獲 得的凈化水的氟化物濃度為1.6ppm。氟化物的去除超過75%。
權利要求
1.一種飲用水制備裝置，其包括具有流量的低壓水泵；與所述水泵連接的超濾筒，所述超濾筒具有這樣配置的表面面積以致于進入所述超濾筒內(nèi)的水的壓力低于4巴并且可有效地促使可過濾的流量通過所述超濾筒；至少一反滲透單元，所述反滲透單元的滲透量和位置可以接納以這樣低的泵送壓力流經(jīng)所述超濾筒的水流量，以致于使第一部份接納的水能夠流過所述反滲透單元而成為凈化水，而使第二部份接納的水能夠被分離出而成為廢水；凈化水的第一出水口，所述第一出水口與所述反滲透單元連接；以及排除廢水的第二出水口，所述第二出水口自入口連接到所述反滲透單元。
2. 如權利要求1所述的裝置，其特征在于所述水泵具有壓力保持器，其 以不大于手泵所能達到的壓力泵送壓力保持水壓。
3. 如權利要求2所述的裝置，其特征在于所述水泵為電泵。
4. 如權利要求2所述的裝置，其特征在于所述水泵為手泵。
5. 如權利要求1所述的裝置，其特征在于所述的裝置還包括在所述水泵 的上游的阻垢劑計量槽。
6. 如權利要求1所述的裝置，其特征在于所述至少一反滲透單元包括串 聯(lián)的第一和第二反滲透單元。
7. 如權利要求1所述的裝置，其特征在于所述低壓水泵的進水速率由約250升/小時到約350升/小時。
8. 如權利要求1所述的裝置，其特征在于:所述裝置的飲用水產(chǎn)量高達300升/小時。
9. 如權利要求1所述的裝置，其特征在于凈化水的回收率由約15%到約50%。
10. 如權利要求1所述的裝置，其特征在于所述的裝置還包括阻垢劑計量泵。
11. 如權利要求1所述的裝置，其特征在于所述的裝置還包括至少一壓力 計，其配置成檢測和顯示進入所述至少一反滲透單元的水壓。
12. 如權利要求1所述的裝置，其特征在于所述的裝置還包括至少一初級筒式過濾器，其孔徑約為5微米。
13. 如權利要求1所述的裝置，其特征在于所述的裝置還包括至少一活性 碳過濾器，其這樣配置以致于水在離開所述反滲透單元之后會泵送通過 所述活性碳過濾器。
14. 一種凈化水的方法，其包括以下步驟a.使用具有水流的水泵在不超過4巴的壓力下將水泵入超濾單元 和至少一反滲透單元；以及b.從兩個與所述反滲透單元相關聯(lián)的出口放出水，第一出水口放出 流過所述至少一反滲透單元的凈化水以及第二出水口放出自所述反滲透 單元排出的廢水。
15. 如權利要求14所述的方法，其特征在于所述的方法包括手動泵送。
16. 如權利要求14所述的方法，其特征在于在所述反滲透單元之前的位置測量的工作壓力的范圍介于20-25磅/平方英吋。
17. 如權利要求14所述的方法，其特征在于所述的方法包括用太陽能泵送。
18. 如權利要求15所述的方法，其特征在于所述泵能夠在約72次/分鐘下工作。
19. 如權利要求14所述的方法，其特征在于所述的方法包括將水泵送通過兩個反滲透單元。
20. 如權利要求14所述的方法，其特征在于以高達700升/小時的進水量 泵水。
21. 如權利要求14所述的方法，其特征在于飲用水的產(chǎn)率約為300升/ 小時。
22. 如權利要求14所述的方法，其特征在于凈化水的回收率由約15%到 約50%。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種凈化飲用水的制備裝置和方法。在封閉系統(tǒng)中使用手泵(14)以產(chǎn)生足夠的壓力使未處理的水通過由過濾器(15，16)和反滲透膜(17)構(gòu)成的系統(tǒng)。該系統(tǒng)最好包括超濾過濾器(16)。產(chǎn)生的水基本上純凈、無細菌和去除了極大量的礦物質(zhì)和鹽以使其可安全地飲用。該系統(tǒng)能產(chǎn)生足夠的飲用水以滿足小村莊的日常需要。
文檔編號C02F1/44GK101641295SQ200780049814
公開日2010年2月3日 申請日期2007年11月16日 優(yōu)先權日2006年11月16日
發(fā)明者M·H·弗朗西斯科, 蘇巴什·梅拉, 蘇麥特·梅拉 申請人:350劍橋合作伙伴有限公司