饮用水的低压制备 【技术领域】
本发明涉及一种饮用纯净水的制备装置和方法。
背景技术
适于饮用的水(即饮用水)为必需品，但是全世界有数以百万计的人只能有限制地获得。水通常被视为生命最基本和最容易取得元素，并在表面上看是最丰富的。相对于河流或湖泊中的每一加仑水来说，有五十以上加仑水埋藏在地球表面下的巨大的蓄水层中。人每天需要多少水并没有标准，但专家通常建议，成年人的最低限度为100升水。多数人会饮用二或三升水。其余则通常用于煮食、沭浴和卫生。成年的美国人每天的用水介于四百和六百升之间。
到2050，在地球上将有至少九十亿人，他们大多数住在发展中国家。如果水平均地分布在地球上，可能每人都够用。但雨水往往在最不利的时候落在最不受人欢迎的地区。例如，在某些印度城市，每年少于四十天下雨-全部都在不足四个月之内。可是，由于某种原因，印度必须以地球的百分之四的水来维持将近百分之二十的地球人口。中国的水比加拿大少-但人口多四十倍。由于用井从蓄水层所排出的远远快于通过雨水所能补充的，北京的地下水位在过去二十年内已经下降将近二百英尺。
超过十亿人缺乏饮用水。只提供清洁水每年就可拯救二百万条生命。将近二十亿人靠井来取水。在三十年前，印度有二百万口井；在今天，则有二千三百万口井。随着人口的不断增长，每一居民可得的淡水减少，人民没有选择，只能将井挖得更深。可是，挖得太深，就会开始渗出盐水和砷。
随着都市的发展，许多河流已变得不适合提供原水。新德里的主要水源Yamuna河中的粪大肠菌的数量，在过去十年来已增加数以千倍。就算在最繁荣的都市，诸如新德里和孟买等的附近，每天只供水数小时-并且常常受到污染。印度的情况很极端，但其它国家也有类似的问题。
水净化过程是众所周知，并在世界各处使用。水净化是从未经处理水移除污染物以得到纯净度足够供人类饮用的饮用水。在净化过程期间移除的物质包括寄生物(诸如贾第鞭毛虫或隐孢子虫)、细菌、藻、病毒、真菌、矿物质(包括有毒金属，诸如铅、铜和砷)以及人造化学污染物。由于寄生吸虫通过粪便污染水传播，血吸虫症导致人类贫血或器官感染。该疾病在第三世界国家中产生很大灾害。许多的上述污染物可以很危险。去除其它的污染物可改善水的气味、味道和外观。
只靠观察水是不可能辨别水是否安全。简单方法，诸如煮沸或使用家用的木碳过滤器不足以处理来自未知来源的水。就算是天然泉水-在1800s时被认为可安全地用于所有实际用途-现时在确定需要那种处理之前都一定要进行测试。微咸水的总溶解固体量(TDS)有高达2000-5000ppm。″轻″微咸水的TDS约为500-1000ppm。
可接受的饮用水标准(IS：10500-1191)包括以下的建议和″可接受″的水平：500ppm的TDS(最高可达2000ppm，如果不能获得其它来源)；0.3ppm的铁(最高可达1.0ppm)；1.0ppm的氟化物(最高可达1.5ppm)；0.05ppm的砷；0.03ppm的铝(最高可达0.2ppm)；而酸咸值为6.5-8.5。
虽然饮用未经前期处理和净化的水毫不安全，但潜在水源有许多。自一些深层地下水引出的水可能是数十年或甚至是数百年以前降下的雨水。在地下水泵送到处理厂之前，其已由土层和石层天然地过滤到具有高清澈度。上述的水可来自诸如水泉、自流泉或可能从井眼或井中汲取。深层地下水通常具有很高的细菌学质量(即低浓度的病原菌，诸如弯曲杆菌属或低浓度的致病原生动物类-隐孢子虫及贾第鞭毛虫)，但其可能富含溶解固体，尤其是钙和镁的碳酸盐和硫酸盐。视乎水流过的地层，也可能存在其它离子，包括氯化物和重碳酸盐。为了能令人合意地饮用或煮食，可能需要减少水中的铁或锰含量。消毒也是必需的。在实施地下水补给的地方，这相当于处理用的低地地表水。
自浅层地下水引出地水通常取自井或井眼。其细菌学质量可以随来源而变量。可能存在多种可溶物质，包括潜在性有毒金属，诸如锌和铜。在某些地区，地下水的砷污染是很严重的问题，特别是从恒河三角州中的孟加拉和孟加拉西部的浅水井引出的水。氟化物也是潜在性危险污染物，其可能导致氟中毒-一种严重的骨病。
通常位于河流系统上游的高地水库一般处于任何人类居住地之上，而且可由保护区包围以限制被污染的机会。细菌和病原体水平通常很低，但将会存在某些细菌、原生动物或藻类。许多高地水源具有低酸咸值，其必须要调节。
低地地表水，诸如河流、运河和低地水库，会具有相当大的细菌接种量以及还可能包括藻类、悬浮固体和多种溶解成分。地表水由生物和化学污染物污染，并可能潜在性地传播疾病，诸如腹泻、痢疾、伤寒、霍乱和肝炎。在没有处理和/或消毒的情况下，其绝不能饮用。
水的净化有许多方法，而其使用要取决于水中的特定污染物。超滤膜为相对较新的研制成果；它们使用具有化学成型微孔的高分子膜，其可用来代替颗粒介质以在无需凝结剂下有效地过滤水。膜介质的类型决定需要用多大的压力才能让水通过以及可滤出多大的微生物。在超滤中，流体静压力把液体压到半透膜上。保留的悬浮固体和高分子量溶质的大小可达至约0.01微米。这样可除去细菌和许多病毒，但不包括盐(离子)，而水和低分子量溶质则通过所述半透膜。
反渗透是使溶液通过过滤器的过程，过滤器将溶质截留在反渗透膜的一边，并能够在膜的另一边获得纯的溶剂。更正式地说，其是通过施加大于渗透压力的压力使溶剂从高溶质浓度区通过所述膜到低溶质浓度区的过程。这与溶剂在没有外部压力时自然地从低溶质浓度区通过膜片自然移动到高溶质浓度区的正常渗透程序相反。反渗透膜是半透性的，即其容许溶剂通过，但不容许粒度低达约0.0005微米的溶质通过，这样足以移除病毒和盐(离子)。
用于反渗透的膜没有孔；相反，分离是在厚度极薄的密质聚合物层中进行。在多数情况下，该膜设计成只容许水通过。水进入把膜造成聚合物溶液中，然后通过扩散作用穿过该膜。该过程通常需要向该膜的高浓度边施加高压，对于淡水和微咸水而言，通常为4至14巴(60至200磅/平方英吋)，对于海水而言，则为40至70巴(600至1000磅/平方英吋)，其必须克服的天然渗透压力约24巴(350磅/平方英吋)。
反渗透膜设计成能从水移除溶解盐。在水迅速地通过反渗透膜时，溶解盐极慢地通过。在天然的渗透条件下，水会通过半透膜扩散到较高含盐浓度的区域，以便使半透膜两边的溶液浓度相等。为了克服和改变该渗透倾向，可向给水施压，藉此产生净化流。
脱盐率是衡量膜元件拒绝溶解离子通过的能力的程度。虽然可要求反渗透元件脱除许多不同的离子，但是用氯化钠(NaCl)作为测量标准。除极少情况之外，反渗透膜脱除二价离子比单价离子好，诸如钠和氯化物。该NaCl(盐)脱除已普遍地公认为测量膜元件的离子排除性能的标准。
反渗透膜也被要求可移除，或至少容忍，在给水中的其它杂质，包括有机体、氧化硅和气体。众所周知，反渗透法用于海水淡化(从海水中除去盐以获得淡水)，自20世纪70年代早期以来已使用这种方法。
美国标准通常准许饮用反渗透净化水。然而，在欧洲，由于过滤器有可能渗漏或破裂，从而使病原体有可能逸出，所以在没有作进一步的处理步骤来保证生物病原体被毁灭的情况下，来自反渗透过滤的水不可供人食用。
市售有手提式反渗透水处理机，其可在家中用于个人的水净化。该些装置以重力驱动(其无需水泵)，而且无需用电。重力压使水通过流出过滤器，很像咖啡机的过滤器。在需要替换之前，过滤器可持续使用约七年，虽然其可能每年都需要替换，这取决于水的用量和状况。一些乘船作长线旅游、钓鱼、岛上宿营，或者在当地供水被污染或低于标准的国家的旅行者可使用反渗透水处理机。反渗透系统现在还被海产水族馆爱好者广泛地使用，因为生活供水含有的物质对大多数盐水鱼而言是毒性极大的。在生产瓶装矿泉水时，水通过反渗透水处理机移除污染物和微生物，包括所知的最小微生物-原始细菌。
反渗透元件的长期性能的评估应考虑不只是脱盐率。在选择元件时，重要的因数为膜通量、元素流量、系统压力要求、膜的污染速率、膜对清洗操作的响应和净化过程的容许限度以及元件的耐用度。每一项会影响水处理系统的总生产能力以及与之相关联的资金和操作成本。
不幸地，反渗透操作需要压力。在美国的供水系统中，管道中的水压提供足够的压力进行反渗透。在有些情况下，重力也可以提供足够的压力。不过，发展中国家非常需要，一种水净化系统，该系统可以没有电源而可产生典型反渗透操作所必需的压力的情况下制备大量水(足够给小村庄使用)。
用于超滤和反渗透的手泵操作装置，诸如Katadyn制造和销售的那些装置是众所周知的。然而，其中没有任何一个将超滤和反渗透膜单元结合在由手泵操作的系统，该系统可制备没有细菌和基本上没有其它污染物的水(使水符合IS标准)且其数量足以供较多人使用。
乡村供水系统用的足够大的净化系统的反渗透膜的制造商将该些过滤器的压力范围明确地限制在200-800psi(磅/平方英吋)下使用，即相当于约14-56巴。使用手泵达不到这些压力。
【发明内容】
本发明的目的包括能够使用较低压的泵源提供较高输出量的净化水。″较低压″意味水压不大于第三世界国家常用的手泵所能产生的水压，不论该泵事实上是否手泵、电泵还是其它种类的泵。本发明使用较低压泵，诸如手泵将大量的水通过超滤器泵送，并循序地通过反渗透膜，其让净化水通过并使废水分离。废水从反渗透膜的出口排出，而净化水则从第二出水口泵送。
【附图说明】
图1所示为本发明的水净化系统中所用的超滤过滤筒的剖视图。
图2所示为图1所示的过滤筒的局部分解图。
图3所示为本发明的具有超滤单元和单一反渗透过滤单元的水净化系统的示意图。
图4所示为水净化系统的另一实施例的示意图。
【具体实施方式】
本发明的目的为提供一种于水净化用于的低压泵系统，以便可以手泵及类似的可由太阳能或风能得出的低压应用来运用所述系统。低压泵产生的水量将会通过超滤过滤器和反渗透单元。在一个实施例中，使用常见的第三世界型双动往复式手泵。所述的泵如此设计以致于在封闭系统(无水排放)中，压力可高达4巴(约60psi)，但有时要限制成不要超过较大压力，以避免损毁和漏泄。
在一个实施例中，该泵是由印度的Venus Pump & Engineering Works所售的改进型号BS 1208。该泵的规格为：流率为1300升/小时，在约90次/分钟下。为将泵内压力维持达4巴，在泵体的吸入端之内可设置内置止回阀。在一个实施例中，泵用不锈钢制成，以致不会污染净化后的饮用水。
在一个实施例中，使用1英吋容量泵。在诸如可在图4中用的另一较高容量的实施例中，可以使用1英吋容量手泵或1.5英吋容量泵，其可在高达约72次/分钟下工作。应该明白，在某些情况下，可使用电池或太阳能驱动泵，在运作产生较高压的泵的电源供应紧张或不可得的情况下，该泵可以产生比得上手泵所产生的压力。
现参照图3，所示为本发明的一个实施例。图中虽未示出部件的精确位置，但示出它们的水流次序。可通过任何方法将水输送到未净化水水箱13，通常使用带有往复柄10的手泵，其与用于产生系统压力的泵无关。未净化水含有细菌、微粒、杂质分子和化合物、污垢、有机体，而且不适合人类饮用。作为选择，设置阻垢剂计量槽11与阻垢剂计量泵21，其可与原来的手泵14连接，如虚线L所示。可用太阳能电泵或风能电泵取代手泵14两者产生的泵压低于4巴，该压力由在泵和超滤筒之间的压力计测量。
为未净化水水箱13馈给的是入口软管99和相关联的阀98，以维持水流向手泵14。可选择的压力计34、36、38、40可设置在整个系统中。系统的部件这样选择以致于可操作手泵提供足够压力以将泵出的水量流经系统。在一个实施例中，水接着通过阀46到初级筒式过滤器15，其具有约5微米的孔隙度以将较大的污染物从水中移除。
然后，最好泵送水通过阀48进入超滤单元16之内，在下面会作进一步叙述。然后，水再通过阀50并到达反渗透单元17，其处的压力必须约为20-25psi，最好约22.5psi。可调部份的水流(取决于所谓的″回收率″)从反渗透单元排出，再通过阀52和经过流量计72至排水口90。阀52与压力计40一起使用可维持要求的压力，并保护系统。剩余的水，即″净化″部份，然后选择性地部份流过流量计74，在排出之前，通经活性碳过滤器18，再通过阀54到淡水出口92作为饮用水。
当系统封闭时(即没有水在排放)，用手泵可产生高达60磅/平方英吋的压力。当水在排放时，系统在大约32-40磅/平方英吋的压力下工作。在5微米预滤器大约损失7磅/平方英吋压力，而在超滤期间又损失7磅/平方英吋，因此，在反渗透单元的入口的压力大约为20-25磅/平方英吋。应当相信，在反渗透单元的入口的最低压力大约为20磅/平方英吋。人工驱动的手泵不能产生超过大约25磅/平方英吋的压力，否则很快就达到疲劳程度。
在较佳实施例中用的超滤单元由新加坡787823，452 Tasgore IndustrialAvenue，Ultra-Flo PTE公司生产的Ultra-Flo DUC 108超滤膜做成。最初，系统使用的超滤单元能够处理高达15-20升/小时的水。为了达到反渗透膜的技术要求，以大约270升/小时的供水，可并联15至20个超滤单元(即水流分成15-20个独立单元作同时处理)，然后再合成为单一水流以进入反渗透单元内。因此，图3中所示的部件16可以是超滤单元的组合、或是单一的、较大容量的超滤单元。在可选择的较佳实施例中，使用的单一超滤单元可处理600升/小时以上。
在基于图3所示的较佳实施例的本发明的第一工作模型中，反渗透单元为Dow 4040过滤器(4英吋直径、40英吋长)。生产商提供的工作参数为225磅/平方英吋(最大压力600ppm)。因此，本发明的操作涉及的压力大大地低于商用单元所提议的或者尽管是可能的压力。Dow 4040的平均NaCl脱除率为99.5％，而最低脱除率为99％。然而，在低压工作时，NaCl脱除率预期会下降，但是仍然足以提供由IS标准规定的饮用水。
在工作时，将反渗透单元的出口阀设定成生产商所建议的大约15％回收率，最好约为15-20％。回收率是指自反渗透单元所得的″净化″水量占输入装置中的水量的百分比。因此，损失大约85％的供水，其作为废水自反渗透单元排出。然而，实际上，有可能超过生产商建议的回收率并且在不牺牲反渗透膜的寿命下获得更大量的净化水，因为，即使在较高的回收率下，反渗透膜内的压力仍远低于技术要求所容许的压力。如果根据生产商的技术要求以200-600磅/平方英吋工作时，回收率大于15％的话，反渗透单元将会更易受损，而且会大大地缩短预期使用寿命。因此，根据本发明，回收率最好为15-20％，可选择的为15-50％、20-40％以及25-35％。较佳的可选择的回收率大约为20％、约25％、约30％、约35％、约40％、约45％和约50％。
使用4040型反渗透单元，典型的供水速度大约为270升/小时，虽然供水速度可达到350升/小时。使用与图3所示相同的装置设计但具有8040型反渗透膜单元(8英吋直径)，则预期最大流量大约为600-700升/小时，最好为667升/小时。这种用单一反渗透膜进行处理可每小时处理高达大约100升的净化水。
图4所示为本发明的另一较佳实施例，其使用多个反渗透膜单元。为处理更多的水，可串联多达三个8040型反渗透单元201、202和203，其中来自第一反渗透单元的废水用作为对第二反渗透单元的给水，而来自第二反渗透单元的废水则用作为对第三反渗透单元的给水。三个反渗透单元可以串联；使用多过三个单元所需的压力则比手泵所能产生的压力大。
实施例
例1
启动图3所描述的系统，其具有与Ultra-Flo超滤过滤器耦合的反渗透单元Dow 4040，用5微米的预滤器，在系统封闭(没有水排出系统)时可获得4巴(大约60磅/平方英吋)的初始压力。
打开出水口，可达到270升/小时的流速或给水量，而净化水出水率大约为40升/小时。
例2
采用与例1相同的条件，从TDS为75ppm的未净化水开始，获得的净化水的TDS为4ppm。
例3
采用与例1相同的条件，从TDS为1230ppm的未净化水(加入NaCl)开始，获得的净化水的TDS为15ppm。以20％的回收率，获得的流量仅为5升/小时。使用本发明的待净化的水的原始TDS最好大约为600-1000ppm，以使在实际上有足够的流量，虽然具有较高TDS的水的净化是可行的。
例4
采用与例1相同的条件，从氟化物浓度为6.8ppm的未净化水开始，获得的净化水的氟化物浓度为1.6ppm。氟化物的去除超过75％。