Способ увеличения концентрации ионов магния в исходной воде
Изобретения отгосятся к водоподгоотовке. Описан способ увеличения концентрации ионов магния в исходной воде, причем упомянутый способ включает следующие стадии, на которых обеспечивают входящий поток QIN исходной воды, при этом исходная вода имеет общую щелочность (СаСО3) от 5 до 200 мг/л; пропускают упомянутый поток QIN через твердый слой для получения выходящего потока QOUT обработанной воды; причем, твердый слой содержит источник ионов магния в виде твердых частиц, а упомянутый источник ионов магния представляет собой природный или синтетический гидромагнезит, исходная вода имеет концентрацию диоксида углерода меньше 20 мг/л. Описан проточный реактор для увеличения концентрации ионов магния в исходной воде и система обработки воды с его использованием. Технический результат - увеличение концентрации ионов магния в исходной воде. 3 н. и 14 з.п. ф-лы, 3 табл., 5 пр.
Настоящее изобретение относится к способу увеличения концентрации ионов магния в исходной воде. Способ настоящего изобретения пригоден для использования в бытовых установках, например, бытовых системах водоснабжения или водораздатчиках. Изобретение относится также к системе обработки воды для увеличения концентрации ионов магния в исходной воде и соответствующему проточному реактору.
Магний – один из самых важных для организма минералов. Магний играет существенную роль практически в любом органе, в частности сердце, мышцах и почках. По содержанию в организме этот минерал занимает четвертое место среди других катионов, а по содержанию внутри клетки – второе место.
Научно доказано, что дефицит магния либо активизирует либо вызывает следующие проблемы со здоровьем: заболевание сердечно–сосудистой системы, сахарный диабет, мигрень, тревожность, гипертонию, депрессию, утомляемость, образование тромбов, заболевание печени, заболевание почек, остеопороз, бессонницу, цистит, заболевания нервной системы и гипогликемию.
Одним из важнейших источников магния является питьевая вода, при этом важнейшими источниками питьевой воды являются поверхностная пресная вода и грунтовая вода.
Однако природная питьевая вода стала дефицитной, а многие водоемы, даже в регионах, богатых водными ресурсами, находятся под угрозой резкого ухудшения качества питьевой воды. Поэтому обработка морской воды, соленого раствора, солоноватой воды, сточной воды и загрязненной отработавшей воды приобретает все большее значение как по экологическим, так и по экономическим соображениям. Процессы деминерализации или деионизации, посредством которых получают питьевую воду, например, из морской воды или солоноватой воды, удаляют почти все растворенные ионы, в том числе жизненно важные минералы, такие как магний.
Таким образом, для восстановления данных жизненно важных минералов необходимы процессы реминерализации, чтобы сделать деминерализованную или деионизированную воду пригодной для потребления человеком. При этом, в зависимости от минерального состава природной питьевой воды, может быть также необходимо увеличивать концентрацию конкретных минералов, в частности магния, для того чтобы обеспечить достаточное снабжение организма минеральными элементами.
Современные технологии реминерализации включают контактные фильтры с кальцитом и системы дозирования извести, однако данные технологии занимаются только восполнением недостатка ионов кальция и восстановлением щелочности. Например, WO2012/020056 А1 раскрывает процесс обработки воды и использование в таком способе микронизированного карбоната кальция. Конкретно, упомянутый процесс включает стадии, на которых предоставляют исходную воду и впрыскивают в упомянутую исходную воду газообразный диоксид углерода и суспензию, содержащую микронизированный карбонат кальция. WO 2013/030185 относится к процессу реминерализации воды, включающему стадии, на которых предоставляют исходную воду, предоставляют водный раствор карбоната кальция, причем упомянутый водный раствор карбоната кальция содержит растворенный карбонат кальция и продукты его реакции, и смешивают исходную воду с упомянутым водным раствором карбоната кальция.
Другие заявки на патенты, относящиеся к процессам и системам реминерализации воды, включают WO 2013/014026 А1, WO 2013/113805 А1, WO 2013/113807 А1, WO 2013/113614 А1, WO 2014/187666 А1 и WO 2014/187613 А1. Кроме того, данный заявитель хотел бы упомянуть неопубликованные заявки на европейские патенты № 16 154 567.8 и № 16 154 570.2.
В настоящее время существует всего лишь несколько процессов, которые связаны с восполнением недостатка магния. Однако использование легкорастворимых солей магния подразумевает большие затраты и обратное введение нежелательных анионов, таких как хлорид или сульфат.
Таким образом, существует общая потребность в усовершенствованных и экономичных способах восстановления недостатка магния.
В этой связи, WO 2009/135113 А1 относится к системе обработки воды, содержащей обратноосмотический фильтр, трубопровод для подачи воды, подлежащей обработке, в упомянутый обратноосмотический фильтр, сменный картридж, содержащий гранулированное или твердое соединение магния, бак–аккумулятор для сбора по меньшей мере частично обработанной воды, раздаточное устройство для выдачи обработанной воды из упомянутой системы обработки, и второй фильтр, сообщающийся по текучей среде с упомянутым баком–аккумулятором и содержащий выход, сообщающийся по текучей среде с упомянутым раздаточным устройством.
WO 2013/034396 А1 раскрывает процесс очистки воды, причем упомянутый процесс включает стадию очистки и стадию реминерализации. Последняя может осуществляться посредством пропускания воды, полученной после очистки обратным осмосом, через картридж, содержащий карбонат кальция и карбонат магния в соотношении от 95:5 до 60:40.
US 2014/0014582 А1 раскрывает процесс, который использует минералы магния, например, оксид магния, в сочетании с диоксидом магния. Однако упомянутый процесс требует раздельных потоков Q1 и Q2 и прямого дозирования реагентов (минерала и диоксида углерода), что в свою очередь требует стадии фильтрации.
Исходя из вышеизложенного, существует также потребность в предоставлении способов и соответствующих систем обработки для увеличения концентрации ионов магния.
В этой связи, одной задачей настоящего изобретения является предоставление способа увеличения концентрации ионов магния, который исключает использование легкорастворимых в воде солей магния, тем самым исключающий введение нежелательных анионов, таких как хлорид или сульфат. В этой связи, может быть также желательно получать питьевую воду с приемлемой мутностью, предпочтительно≤1,0 NTU (нефелометрическая единица мутности).
Другой задачей настоящего изобретения является предоставление способа увеличения концентрации ионов магния, причем упомянутый способ предусматривает более быстрое растворение источника ионов магния по сравнению с обычными способами. Другой задачей является предоставление способа, который предусматривает более короткие периоды времени контакта между источником ионов магния и исходной водой, подлежащей реминерализации. В свою очередь, другой задачей настоящего изобретения является уменьшение размеров установки или уменьшение площади, занимаемой установкой. В этой связи, другой задачей является предоставление более простой системы обработки воды. Одной конкретной целью может быть исключение введения или впрыска диоксида углерода.
Другой задачеей является предоставление способа увеличения концентрации ионов магния в исходной воде, причем упомянутый способ предусматривает более точную регулировку конечной концентрации магния.
Другой задачей настоящего изобретения является предоставление способа обработки воды и соответствующей системы обработки воды, которые могут быть использованы в бытовых системах водоснабжения или водораздатчиках.
И наконец, еще одной задачей настоящего изобретения является предоставление способа и соответствующей системы для увеличения концентрации ионов магния, которые могут быть использованы при любом типе исходной воды, включая питьевую воду с низкой концентрацией магния, деминерализованную или деионизированную воду (например, воду после обратного осмоса), или частично реминерализованную воду.
Вышеизложенные и другие задачи могут быть решены посредством объекта изобретения, как сформулировано далее в независимых пунктах формулы изобретения.
Первый аспект настоящего изобретения относится к способу увеличения концентрации ионов магния в исходной воде, причем упомянутый способ включает перечисленные ниже стадии, на которых:
(a) предоставляют входящий поток QIN исходной воды;
(b) пропускают упомянутый поток QIN через твердый слой для получения выходящего потока QOUT обработанной воды;
причем упомянутый способ отличается тем, что твердый слой на стадии (b) содержит источник ионов магния в виде твердых частиц, причем упомянутый источник ионов магния представляет собой природный или синтетический гидромагнезит.
Авторы настоящего изобретения неожиданно обнаружили, что пропускание входящего потока исходной воды с низким содержанием магния через неподвижный слой, содержащий твердые частицы гидромагнезита, приводит к быстрому и эффективному восполнения недостатка магния. Способ настоящего изобретения характеризуется высокой универсальностью, поскольку он может быть использован для минерализации как деионизированной или деминерализованной воды, так и минерализованной воды, не содержащей (в достаточном количестве) магния. Кроме того, способ настоящего изобретения предусматривает точную и надежную дозировку магния, при этом исключая введение нежелательных анионов, таких как хлорид или сульфат. Обработанная вода, получаемая способом настоящего изобретения, вполне пригодна в качестве питьевой воды, например, с точки зрения щелочности, мутности и в особенности минерального состава.
Другой аспект настоящего изобретения относится к соответствующей системе обработки воды для осуществления способа настоящего изобретения. Упомянутая система содержит:
(a) линию, причем упомянутая линия приспособлена для приема входящего потока QIN исходной воды; и
(b) твердый слой, причем упомянутый твердый слой приспособлен для приема входящего потока QIN исходной воды из упомянутой линии для получения выходящего потока QOUT обработанной воды;
причем упомянутая система отличается тем, что твердый слой содержит источник ионов магния в виде твердых частиц, причем упомянутый источник ионов магния представляет собой природный или синтетический гидромагнезит.
Соответственно, другой аспект относится к проточному реактору, такому как проточный картридж, который может быть использован в упомянутой системе обработки воды, содержащему:
(i) вход, причем упомянутый вход приспособлен для приема входящего потока QIN исходной воды;
(ii) твердый слой, причем упомянутый твердый слой приспособлен для приема входящего потока QIN исходной воды из упомянутого входа и получения выходящего потока QOUT обработанной воды;
(iii) выход, приспособленный для выпуска выходящего потока QOUT обработанной воды;
причем упомянутый проточный реактор отличается тем, что упомянутый твердый слой содержит источник ионов магния в виде твердых частиц, причем упомянутый источник ионов магния представляет собой природный или синтетический гидромагнезит.
Нижеперечисленные термины, используемые в настоящем изобретении, имеют указанные здесь значения.
«Исходная вода» в контексте настоящего изобретения может представлять собой любой тип воды, которая по существу освобождена от примесей, предпочтительно освобождена от примесей, и не содержит или содержит только лишь низкие концентрации ионов магния. Более предпочтительно, исходная вода по существу освобождена или освобождена от патогенных микроорганизмов и частиц грязи. Неограничивающие примеры включают водопроводную воду или деионизированную воду. В одном варианте осуществления, исходная вода имеет концентрацию растворенных ионов магния 10 мг/л или меньше, предпочтительно 5 мг/л или меньше, и наиболее предпочтительно 2 мг/л или меньше.
Термин «твердый слой» (иногда называемый «уплотненным слоем» или «неподвижным слоем»), используемый в данном документе, хорошо известен специалисту в области обработки воды. Такой твердый слой обычно состоит из зернистого материала, т.е. множества твердых частиц, причем упомянутые частицы представляют собой первую фазу в твердом физическом состоянии и расположены так, чтобы пропускать поток реагента, представляющий собой вторую фазу в жидком или газообразном физическом состоянии, таким образом обеспечивая контакт частиц твердого слоя с потоком реагента.
Термин «твердый» в соответствии с настоящим изобретением относится к материалу, который является твердым при стандартных значениях температуры и давления окружающей среды (standard ambient temperature and pressure – SATP), которые соответствуют температуре 298,15 К (25°С) и абсолютному давлению ровно 100 кПа. Твердый материал может быть в виде порошка, таблетки, гранул, хлопьев и др. Соответственно, термин «жидкая среда» относится к материалу, который является жидким при стандартных значениях температуры и давления окружающей среды (standard ambient temperature and pressure – SATP), которые соответствуют температуре 298,15 К (25°С) и абсолютному давлению ровно 100 кПа.
Термин «зернистый» в контексте данной заявки относится к материалам, состоящим из множества «частиц». Вообще такое множество частиц может быть определено, например, посредством распределения частиц по размерам.
«Размер частиц» зернистого материала, таких как частицы, образующие твердый слой настоящего изобретения, в данном документе описывается весовым распределением размеров частиц, обычно обозначаемым dx(wt). «Средневесовой размер частиц» означает, что 50% по весу всех частиц имеют размер, который меньше, чем данный размер частицы. Средневесовой размер частиц может также обозначаться d50(wt).
«Источник ионов магния» в контексте данной заявки может представлять собой любой материал, который при контакте с водой способен высвобождать ионы магния. Неограничивающие примеры пригодных источников ионов магния включают минералы магния и соли магния.
«Предел растворимости» конкретного растворенного вещества представляет собой концентрацию массы упомянутого растворенного вещества, находящегося в растворенном состоянии в насыщенном растворе или системе данного растворителя (например, воды) и при заданных условиях, предпочтительно при температуре 20°С и давлении 100 кПа. Если сделана ссылка на предел растворимости в виде, может быть предпочтительна деионизированная вода.
Общая щелочность (CaCO3), упоминаемая в данном документе (иногда называемая TAC – total alkalinity), представляет собой меру способности водного раствора нейтрализовать кислоты до точки эквивалентности карбоната или бикарбоната. Щелочность равна стехиометрической сумме оснований в растворе и определяется в мг/л (как СаСО3). Щелочность может быть измерена посредством титрования с использованием титратора.
«Индекс насыщения Ланжелье» (Langelier Saturation Index – LSI), используемый в данном документе, описывает склонность водосодержащей жидкости к образованию накипи или коррозии, при этом положительный LSI показывает склонность к образованию накипи, а отрицательный LSI показывает коррозионную активность. Соответственно, нулевой индекс насыщения Ланжелье, т.е. LSI=0 означает, что водосодержащая жидкость находится в химическом равновесии. LSI вычисляют следующим образом:
LSI=pH – pHS
где pH – реальное значение pH водной системы, а pHS – значение pH водной системы при насыщении СаСО3. Значение pHS можно оценить следующим образом:
pHS = (9,3+А+В) – (С+D)
где А – показатель числового значения общего количества растворенных твердых частиц (total dissolved solids – TDS), присутствующих в водосодержащей жидкости, В – показатель числового значения температуры водосодержащей жидкости в К, С – показатель числового значения концентрации кальция водосодержащей жидкости в мг/л СаСО3 и D – показатель числового значения щелочности водосодержащей жидкости в мг/л СаСО3. Параметры А – D определяют с использованием следующих уравнений:
A = (log10(TDS) – 1)/10
B = –13.12 × log10 (T+273) + 34.55
C=log10 [Ca2+] – 0.4
D=log10 (TAC)
где TDS – общее количество растворенных твердых частиц в мг/л, Т – температура в °С, [Ca2+] – концентрация кальция водосодержащей жидкости в мг/л СаСО3, и ТАС – общая щелочность водосодержащей жидкости в мг/л СаСО3.
Существительные, используемые в единственном числе, включают множество таких существительных, если специально не оговорено иное.
Термин «содержащий», используемый в данном описании и формуле изобретения, не исключает других элементов. В целях настоящего изобретения термин «состоящий из» считается предпочтительным вариантом термина «содержащий». Если далее по тексту определена группа, содержащая по меньшей мере некоторое количество вариантов осуществления, это также следует понимать так, что раскрыта группа, которая предпочтительно состоит только из данных вариантов осуществления.
Такие термины, как «получаемый» или «определяемый» и «полученный» или «определенный» используются взаимозаменяемо. Это, например, означает, что если контекст явно не указывает иное, то термин «полученный» не означает указание на то, что, например, вариант осуществления должен быть получен посредством, например, последовательности стадий, следующих за термином «полученный», хотя такое ограниченное понимание всегда включено посредством терминов «полученный» или «определенный» как предпочтительный вариант осуществления.
Во всех случаях, когда используются термины «включающий» или «имеющий», данные термины являются эквивалентами термину «содержащий», определенному выше.
Предпочтительные варианты осуществления изобретательского применения носителя твердых частиц определены в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения.
В одном варианте осуществления способа настоящего изобретения, исходная вода имеет концентрацию растворенных ионов магния 10 мг/л или меньше, предпочтительно 5 мг/л или меньше, и наиболее предпочтительно 2 мг/л или меньше.
В другом варианте осуществления способа настоящего изобретения, исходная вода имеет общую щелочность (СаСО3) от 5 до 200 мг/л, предпочтительно от 10 до 150 мг/л, и наиболее предпочтительно от 20 до 100 мг/л.
В другом варианте осуществления, исходная вода имеет индекс насыщения Ланжелье (LSI) от –2,0 до 1,0, предпочтительно от –1,0 до 0,7, и наиболее предпочтительно от –0,5 до 0,5.
В другом варианте осуществления, способ настоящего изобретения дополнительно включает стадию регулирования рН исходной воды в пределах от 5,0 до 8,5, предпочтительно от 5,5 до 8,0, и наиболее предпочтительно от 6,0 до 7,5, причем упомянутое рН предпочтительно регулируют посредством впрыска соответствующего количества диоксида углерода во входящий поток QIN.
В другом варианте осуществления, способ настоящего изобретения дополнительно включает стадию регулирования температуры исходной воды в пределах от 5 до 35°С, предпочтительно от 10 до 30°С, и наиболее предпочтительно от 15 до 25°С.
В другом варианте осуществления способа настоящего изобретения, источником ионов магния является синтетический гидромагнезит, предпочтительно осажденный гидромагнезит.
В другом варианте осуществления способа настоящего изобретения, частицы имеют средневесовой размер в пределах от 0,05 до 20 мм, предпочтительно от 0,1 до 15 мм, более предпочтительно от 0,15 до 10 мм, еще более предпочтительно от 0,2 до 2 мм, и наиболее предпочтительно от 0,5 до 1,5 мм.
В другом варианте осуществления способа настоящего изобретения, время контакта на стадии (b) между потоком QIN и твердым слоем составляет:
(i) по меньшей мере 0,05 мин, предпочтительно по меньшей мере 0,1 мин, более предпочтительно по меньшей мере 0,2 мин, и наиболее предпочтительно 0,25 мин; и/или
(ii) меньше 10 мин, предпочтительно меньше 5 мин, более предпочтительно меньше 2 мин, и наиболее предпочтительно меньше 1 мин.
В другом варианте осуществления способа настоящего изобретения, твердый слой на стадии (b) предусмотрен в полости проточного реактора, причем упомянутый проточный реактор содержит вход, приспособленный для приема входящего потока QIN исходной воды, и выход, приспособленный для выпуска выходящего потока QOUT обработанной воды, предпочтительно упомянутый проточный реактор представляет собой проточный картридж.
В предпочтительном варианте осуществления способа настоящего изобретения, источник ионов магния представляет собой синтетический гидромагнезит, предпочтительно осажденный гидромагнезит, частицы имеют средневесовой размер в пределах от 0,5 до 1,5 мм, и время контакта на стадии (b) между потоком QIN и твердым слоем составляет по меньшей мере 0,05 мин и меньше 1 мин.
В другом варианте осуществления, способ настоящего изобретения включает стадию регулирования рН выходящего потока QOUT обработанной воды, предпочтительно в пределах от 4,5 до 9,5, предпочтительно от 6,5 до 8,5, и наиболее предпочтительно от 6,8 до 7,5.
В одном варианте осуществления системы обработки воды настоящего изобретения, источником ионов магния является синтетический гидромагнезит, предпочтительно осажденный гидромагнезит.
В другом варианте осуществления системы обработки воды настоящего изобретения, частицы имеют средневесовой размер в пределах от 0,05 до 20 мм, предпочтительно от 0,1 до 15 мм, более предпочтительно от 0,15 до 10 мм, еще более предпочтительно от 0,2 до 2 мм, и наиболее предпочтительно от 0,5 до 1,5 мм.
В другом варианте осуществления системы обработки воды настоящего изобретения, твердый слой предусмотрен в полости проточного реактора, причем упомянутый проточный реактор содержит вход, приспособленный для приема входящего потока QIN исходной воды, и выход, приспособленный для выпуска выходящего потока QOUT обработанной воды, предпочтительно упомянутый проточный реактор представляет собой проточный картридж.
В другом варианте осуществления проточного реактора настоящего изобретения, источником ионов магния является синтетический гидромагнезит, предпочтительно осажденный гидромагнезит.
В другом варианте осуществления проточного реактора настоящего изобретения, частицы имеют средневесовой размер в пределах от 0,05 до 20 мм, предпочтительно от 0,1 до 15 мм, более предпочтительно от 0,15 до 10 мм, еще более предпочтительно от 0,2 до 2 мм, и наиболее предпочтительно от 0,5 до 1,5 мм.
В другом варианте осуществления проточного реактора настоящего изобретения, твердый слой предусмотрен в полости упомянутого проточного реактора.
В другом варианте осуществления проточного реактора настоящего изобретения, упомянутый проточный реактор представляет собой проточный картридж.
Ниже будут раскрыты детали и предпочтительные варианты осуществления способа настоящего изобретения. Необходимо понимать, что данные детали и варианты осуществления относятся также к системе обработки воды настоящего изобретения, а также к проточному реактору настоящего изобретения, и в соответствующих случаях наоборот.
(А) Обеспечение исходной воды
На стадии (а) способа настоящего изобретения, обеспечивают входящий поток QIN исходной воды.
Вообще говоря, исходная вода может представлять собой любой тип воды, которая по существу освобождена от примесей, предпочтительно освобождена от примесей, и не содержит или содержит только лишь небольшие концентрации ионов магния. Более предпочтительно, исходная вода по существу освобождена от или освобождена от патогенных микроорганизмов и частиц грязи.
В одном варианте осуществления, исходная вода имеет концентрацию растворенных ионов магния 10 мг/л или меньше, предпочтительно 5 мг/л или меньше, и наиболее предпочтительно 2 мг/л или меньше.
В примерном варианте осуществления, исходная вода представляет собой воду, по существу освобожденную от, предпочтительно освобожденную от патогенных микроорганизмов и частиц пыли и имеющую концентрацию растворенных ионов магния 10 мг/л или меньше, предпочтительно 5 мг/л или меньше, и наиболее предпочтительно 2 мг/л или меньше.
Поскольку способ настоящего изобретения не ограничен водой из конкретного источника, он может быть использован для обработки питьевой воды с низкой концентрацией магния, деминерализованной или деионизированной воды (например, воды после обратного осмоса), или частично реминерализованной воды.
В качестве индикатора минерализации воды может быть использована удельная электропроводность: чем чище вода, тем ниже удельная электропроводность. Удельная электропроводность может быть измерена кондуктометром и определена в мкСм/м.
В одном варианте осуществления, исходная вода представляет собой деминерализованную воду или деионизированную воду, предпочтительно воду после обратного осмоса (reverse osmosis – RO).
Однако способ настоящего изобретения может быть также применим к другим типам воды, которые не содержат или содержат лишь немного магния. В частности, данный способ может быть использован для восполнения недостатка магния в питьевой воде, которая включает питьевую воду из природных источников (например, поверхностную пресную воду или грунтовую воду), а также питьевую воду, полученную посредством реминерализации очищенной воды, такой как деминерализованная или деионизированная вода.
Большинство способов реминерализации занимаются восполнением недостатка кальция в деминерализованной или деонизированной воде, при этом существующий уровень техники меньше занимается восполнением недостатка магния, не говоря уже о восполнении недостатка магния в воде, которая уже пригодна для использования в качестве питьевой воды.
Авторы данной заявки неожиданно обнаружили, что способ настоящего изобретения позволяет восполнять недостаток магния в (предварительно) минерализованной воде, хотя данный тип воды может рассматриваться как стабилизированная система, например, с точки зрения общей щелочности, и хотя используют труднорастворимые источники магния для предотвращения внесения нежелательных анионов, таких как хлорид или сульфат.
Таким образом, в одном варианте осуществления настоящего изобретения, исходная вода получается посредством реминерализации кальцием деминерализованной или деионизированной воды.
В другом варианте осуществления, исходная вода может иметь общую щелочность (CaCO3) от 5 до 200 мг/л, предпочтительно от 10 до 150 мг/л, и наиболее предпочтительно от 20 до 100 мг/л.
В случае использования способа настоящего изобретения для обработки стабилизированных водных систем, исходная вода может иметь индекс насыщения Ланжелье (Langelier Saturation Index –LSI) от –2,0 до 1,0, предпочтительно от –1,0 до 0,7, и наиболее предпочтительно от –0,5 до 0,5.
Было также обнаружено, что способ настоящего изобретения применим к любому типу исходной воды, независимо от того, содержит ли упомянутая исходная вода какую–либо конкретную концентрацию диоксида углерода или вообще какой–либо диоксид углерода. Количество или концентрацию диоксида углерода, упоминаемую в данном контексте, следует понимать как концентрацию диоксида углерода, определяемую посредством титрования гидроксидом натрия с использованием рН–электрода DGi111–SC (от Mettler–Toledo). Специалисту в данной области техники будет понятно, что данный способ титрования пригоден для определения концентрации физически растворенного диоксида углерода.
Таким образом, в одном варианте осуществления, исходная вода, предоставляемая на стадии (а) способа настоящего изобретения, может иметь концентрацию диоксида углерода меньше 50 мг/л, предпочтительно меньше 20 мг/л, еще более предпочтительно меньше 10 мг/л, предпочтительно меньше 5 мг/л, и наиболее предпочтительно в пределах от 0,1 до 2 мг/л.
(В) Реакция твердого слоя и обработанная вода
На стадии (b) способа настоящего изобретения, входящий поток QIN исходной воды пропускают через твердый слой для получения выходящего потока QOUT обработанной воды.
Твердый слой, используемый в способе в соответствии с настоящим изобретением, содержит твердые частицы гидромагнезита, которые действуют как источник ионов магния. При прохождении через упомянутый твердый слой, который представляет собой первую фазу, находящуюся в твердом физическом состоянии, входящий поток QIN исходной воды, который представляет собой вторую фазу, находящуюся в жидком физическом состоянии, взаимодействует с частицами гидромагнезита, при этом ионы магния высвобождаются и растворяются в исходной воде для образования выходящего потока QOUT обработанной воды, имеющего повышенную концентрацию ионов магния.
Источником ионов магния настоящего изобретения является гидромагнезит, который включает как природный гидромагнезит, так и синтетический гидромагнезит. Термин «синтетический гидромагнезит», используемый в данном документе, относится как к гедромагнезиту, получаемому посредством превращения природных минералов, так и к гидромагнезиту, получаемому посредством процессов химического осаждения, причем последний может быть предпочтительным вариантом осуществления.
В отличие от легкорастворимых в воде солей магния, таких как хлорид магния или сульфат магния, твердые материалы с пределом растворимости в воде 10 г/л или меньше, такие как гидромагнезит, особенно пригодны для цели настоящего изобретения. Доказано, что гидромагнезит демонстрирует равномерное и контролируемое растворение в условиях способа настоящего изобретения, тем самым обеспечивая равномерное и контролируемое дозирование Mg2+ в поток QIN исходной воды.
В одном варианте осуществления, природный или синтетический гидромагнезит имеет предел растворимости в воде 5 г/л или меньше, предпочтительно 2 г/л или меньше, более предпочтительно 1 г/л или меньше, еще более предпочтительно 0,5 г/л или меньше, и наиболее предпочтительно 0,2 г/л или меньше, каждый измеренный при температуре 20°С и давлении 100 кПа.
В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения, источником ионов магния является синтетический гидромагнезит, причем упомянутый синтетический гидромагнезит имеет предел растворимости в воде 5 г/л или меньше, предпочтительно 2 г/л или меньше, более предпочтительно 1 г/л или меньше, еще более предпочтительно 0,5 г/л или меньше, и наиболее предпочтительно 0,2 г/л или меньше, каждый измеренный при температуре 20°С и давлении 100 кПа.
Приготовление синтетического гидромагнезита раскрыто, например, в WO 2011/054831 А1, закрепленной за данным заявителем, таким образом включенной в данный документ посредством ссылки.
Упомянутый синтетический или осажденный гидромагнезит может быть приготовлен в водной среде посредством технологического процесса, включающего стадии, на которых:
(a) обеспечивают по меньшей мере один источник оксида магния;
(b) обеспечивают газообразный диоксид углерода и/или карбонат содержащие анионы;
(c) осуществляют гашение упомянутого источника оксида магния, полученного на стадии (а), для превращения оксида магния, по меньшей мере частично, в гидроксид магния;
(d) гидроксид магния, полученный на стадии (с), приводят в контакт с упомянутым газообразным диоксидом углерода и/или карбонат содержащими анионами со стадии (b) для превращения гидроксида магния, по меньшей мере частично, в осажденный несквегонит; и
(e) осуществляют обработку осажденного несквегонита, полученного на стадии (d), на стадии термического старения.
Приведенный ниже пояснительный пример включает приготовление гидромагнезита посредством кальцинации и гашения белого доломита. Белые доломитовые камни подвергаются дроблению для получения размера зерна 10–50 мм и кальцинации во вращающейся обжиговой печи при температуре 1050°С в течение 60 мин. Полученный в результате обожженный доломит (CaO∙MgO) измельчают в шаровой мельнице для получения порошка со средним размером частиц примерно 40 мкм (определяемый методом лазерной дифракции от компании CILAS). Затем 200 кг упомянутого обожженного доломита подвергают гашению посредством смешивания с 1000 литрами водопроводной воды при температуре 50°С в реакторе с мешалкой. Обожженный доломит подвергают гашению в течение 30 мин при непрерывном перемешивании и полученную в результате суспензию доводят до содержания твердых частиц примерно 8% по весу посредством разбавления водой. Карбонизацию проводят в перегородчатом цилиндрическом реакторе из нержавеющей стали емкостью 1800 л, оснащенном газообразующей мешалкой, трубой сатурации из нержавеющей стали для направления газового потока диоксида углерода/воздуха к крыльчатке и зондами для непрерывного контроля рН и электропроводности суспензии. 1800 л суспензии, полученной на стадии гашения, доводят до температуры 12°С и вводят в карбонизационный реактор. Затем газовую смесь, содержащую диоксид углерода 26% по объему в воздухе, пропускают вверх через суспензию с интенсивностью 200 м3/час при перемешивании суспензии со скоростью 240 об/мин. Во время карбонизации температура реакционной смеси повышается за счет тепла, выделяемого в экзотермической реакции. Через 85 мин подвод газа прекращают. Затем суспензию переносят в емкость под давлением и подвергают нагреванию до температуры примерно 130°С в течение 30 мин. Получаемый синтетический гидромагнезит восстанавливают в виде водной суспензии.
Авторы изобретения обнаружили, что для управления скоростью реакции между QIN и источником ионов магния на стадии (b) данного способа можно использовать размер твердых частиц.
С одной стороны, любой метод измельчения, известный в данной области техники, может быть использован для уменьшения размера упомянутых твердых частиц, например, посредством перемалывания. По желанию, твердые частицы могут быть подвергнуты дополнительной обработке, такой как просеивание через сито и/или разделение на фракции, например, посредством циклонного сепаратора или сортировочного грохота, перед использованием данных частиц в твердом слое настоящего изобретения. С другой стороны, если желательно увеличить размер частиц (например, в случае тонкодисперсного порошка), может быть использована любая известная технология гранулирования.
Для обеспечения быстрого и контролируемого восполнения недостатка магния, в одном варианте осуществления изобретения частицы, используемые в твердом слое, имеют средневесовой размер в пределах от 0,05 до 20 мм, предпочтительно от 0,1 до 15 мм, более предпочтительно от 0,15 до 10 мм, еще более предпочтительно от 0,2 до 2 мм, и наиболее предпочтительно от 0,5 до 1,5 мм или от 0,3 до 1,2 мм. В конкретном предпочтительном варианте осуществления, твердые частицы имеют средневесовой размер примерно 0,5 мм.
Специалисту будет понятно, что вышеупомянутая скорость реакции между QIN и источником ионов магния на стадии (b) может влиять на конечную концентрацию магния в потоке QOUT обработанной воды. Другим параметром для управления упомянутой конечной концентрацией магния является время контакта между QIN и источником ионов магния на стадии (b), т.е. время контакта QIN в твердом слое. Хотя из экономических и практических соображений могут быть предпочтительны короткие временные периоды контакта, для обеспечения определенного уровня ионов магния в обработанной воде могут быть предпочтительны более длительные временные периоды контакта.
Таким образом, в одном варианте осуществления, время контакта на стадии (b) между потоком QIN и твердым слоем составляет:
(a) по меньшей мере 0,05 мин, предпочтительно по меньшей мере 0,1 мин, более предпочтительно по меньшей мере 0,2 мин, и наиболее предпочтительно по меньшей мере 0,25 мин; и/или
(b) меньше 10 мин, предпочтительно меньше 5 мин, более предпочтительно меньше 2 мин, и наиболее предпочтительно меньше 1 мин.
В конкретном предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, время контакта составляет по меньшей мере 0,05 мин и меньше 2 мин, еще более предпочтительно находится в пределах от 0,1 мин до 1 мин.
Временя контакта между потоком QIN и твердым слоем можно регулировать, например, посредством увеличения или уменьшения скорости потока или посредством изменения размеров (например, длины) твердого слоя.
В примерном варианте осуществления настоящего изобретения, источник ионов магния представляет собой синтетический гидромагнезит, предпочтительно осажденный гидромагнезит, частицы имеют средневесовой размер в пределах от 0,5 до 1,5 мм, и время контакта на стадии (b) между потоком QIN и твердым слоем составляет по меньшей мере 0,05 мин и меньше 2 мин, предпочтительно находится в пределах от 0,1 мин до 1 мин.
Независимо от типа исходной воды, используемой в способе настоящего изобретения, обработанная вода, выпускаемая из твердого слоя в виде выходящего потока QOUT, представляет собой воду, имеющую увеличенную концентрацию ионов магния. Обработанная вода обычно обладает достаточной степенью минерализации для использования в качестве питьевой воды.
В одном варианте осуществления, обработанная вода выходящего потока QOUT имеет концентрацию растворенных ионов магния больше 2 мг/л, предпочтительно больше 5 мг/л, и наиболее предпочтительно больше 10 мг/л. В предпочтительном варианте осуществления концентрация магния составляет по меньшей мере 15 мг/л, например, от 15 до 150 мг/л.
Обработанная вода может иметь общую щелочность (CaCO3) от 1 до 500 мг/л, предпочтительно от 5 до 200 мг/л, более предпочтительно от 10 до 150 мг/л, и наиболее предпочтительно от 20 до 100 мг/л.
Авторы изобретения также неожиданно обнаружили, что описанный способ позволяет получать (питьевую) воду с низкой мутностью. Термин «мутность» в контексте настоящего изобретения описывает помутнение или замутненность текучей среды, обусловленную отдельными частицами (взвешенными твердыми частицами), которые обычно невидимые невооруженным глазом. Измерение мутности является ключевым тестом для оценки качества воды и может осуществляться при помощи нефелометра. Единицы мутности от калиброванного нефелометра, используемого в настоящем изобретении, установлены как нефелометрические единицы мутности (Nephelometric Turbidity Units – NTU). В одном варианте осуществления настоящего изобретения, обработанная вода выходящего потока QOUT имеет мутность меньше 5,0 NTU, предпочтительно меньше 2,0 NTU, более предпочтительно меньше 1,0 NTU, и наиболее предпочтительно в пределах от 0,05 до 0,5 NTU.
В некоторых вариантах осуществления, обработанная вода настоящего изобретения характеризуется также удельной электропроводностью, которая является показателем общей концентрации ионов. Например, удельная электропроводность может находиться в пределах от 50 до 1000 мкСм/см, предпочтительно от 80 до 500 мкСм/см, и наиболее предпочтительно от 150 до 450 мкСм/см.
(С) Необязательные стадии способа
В принципе обработанная вода QOUT, полученная на стадии (b) способа, готова для использования, например, в качестве питьевой воды.
Однако можно объединять способ настоящего изобретения с дополнительными необязательными стадиями обработки в зависимости от предполагаемого использования и конкретных требований.
Хотя фильтрация не является существенным требованием, обработанная вода QOUT может быть направлена в фильтровальную установку для удаления любых остаточных твердых частиц или других нежелательных примесей. Таким образом, в одном варианте осуществления, способ настоящего изобретения дополнительно включает стадию подвергания выходящего потока QOUT обработанной воды стадии фильтрации.
В зависимости от конкретных требований можно также регулировать рН обработанной воды в выходящем потоке QOUT. Таким образом, в одном варианте осуществления, способ настоящего изобретения дополнительно включает стадию регулирования рН обработанной воды, полученной на стадии (b). В предпочтительном варианте осуществления, упомянутый способ дополнительно включает стадию регулирования рН обработанной воды, полученной на стадии (b), в пределах от 6,5 до 9,5, предпочтительно от 7,0 до 9,0, и наиболее предпочтительно от 7,5 до 8,5.
Для регулирования или изменения (например, увеличения) скорости реакции между QIN и источником ионов магния на стадии (b), способ настоящего изобретения может дополнительно включать стадию увеличения концентрации диоксида углерода в исходной воде входящего потока QIN перед пропусканием упомянутого потока QIN через твердый слой на стадии (b).
«Концентрация диоксида углерода», упоминаемая в данной заявке, относится к концентрации диоксида углерода, определяемой посредством титрования гидроксидом натрия с использованием рН–электрода DGi111–SC (от Mettler–Toledo).
Увеличение концентрации диоксида углерода не следует понимать так, что исходная вода входящего потока QIN содержит конкретную концентрацию диоксида углерода. На самом деле исходная вода может быть без диоксида углерода, например, она может иметь концентрацию диоксида углерода, которая находится в пределах от 0 до менее 5 мг/л.
Вообще говоря, для увеличения концентрации диоксида углерода во входящем потоке QIN исходной воды может быть использован любой возможный способ. Пригодные способы включают, помимо прочих, впрыск газообразного диоксида углерода во входящий поток QIN исходной воды или приведение входящего потока QIN исходной воды в контакт с кислой катионообменной смолой.
Таким образом, в одном варианте осуществления, концентрацию диоксида углерода увеличивают перед стадией (b) посредством впрыска газообразного диоксида углерода во входящий поток QIN или посредством приведения входящего потока QIN исходной воды в контакт с кислой катионообменной смолой.
Хотя впрыск газообразного диоксида углерода пригоден для увеличения концентрации диоксида углерода в любом типе исходной воды, использование кислой катионообменной смолы работает лучше всего с исходной водой, обладающей некоторой степенью щелочности:
M+ HCO3 → H+ HCO3...↔ H2O+CO2
Ка можно понять из вышеприведенного уравнения, замена протонов (Н+), связанных с функциональными группами катионообменной смолы, катионами (М+) в воде, которые имеют большее сходство со смолой (например, ионы кальция), вызывает уменьшение рН воды и приводит к увеличению количества углекислоты, за счет присутствия щелочности в воде.
Таким образом, в предпочтительном варианте осуществления, концентрация диоксида углерода может быть увеличена перед стадией (b) посредством приведения входящего потока QIN исходной воды в контакт с слабокислой катионообменной смолой, при этом исходная вода имеет общую щелочность (СаСО3) от 5 до 200 мг/л, предпочтительно от 10 до 150 мг/л, и наиболее предпочтительно от 20 до 100 мг/л.
Слабокислые катионообменные смолы обычно содержат карбоксильные группы в качестве функциональных блоков. Сильнокислые катионообменные смолы содержат группы сульфоновой кислоты. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, кислая катионообменная смола представляет собой слабокислую катионообменную смолу. Такие ионообменные смолы хорошо известны специалисту.
В особенно предпочтительном варианте осуществления, концентрация диоксида углерода может быть увеличена перед стадией (b) посредством впрыска газообразного диоксида углерода во входящий поток QIN. Такой вариант вполне пригоден для увеличения концентрации диоксида углерода в любом возможном типе исходной воды, включая необработанную воду (например, поверхностную пресную воду или грунтовую воду), деминерализованную или деионизированную воду или реминерализованную воду. Способы и устройства для впрыска диоксида углерода в общем известны специалисту.
Газообразный диоксид углерода может быть получен из емкости для хранения (например, газового баллона), в котором он содержится в жидкой фазе. В зависимости от интенсивности расхода диоксида углерода могут быть использованы криогенные емкости или обычно изолированные емкости. Превращение жидкого диоксида углерода в газообразный диоксид углерода может быть осуществлено с использованием воздушного испарителя с подогревом или электрической или паровой испарительной системы. При необходимости, перед стадией впрыска давление газообразного диоксида углерода может быть уменьшено, например, посредством использования редукционного клапана. Может быть также использована смесь сжатого воздуха с диоксидом углерода.
Поскольку настоящее изобретение особенно полезно в бытовых установках, газообразный диоксид углерода предпочтительно предоставляется в емкости для сжатого газа, такой как баллон, который содержит сжатый газообразный диоксид углерода.
Газообразный диоксид углерода можно впрыскивать во входящий поток QIN исходной воды с регулируемой скоростью, обеспечивая распределение пузырьков диоксида углерода в потоке и позволяя данным пузырькам растворяться в нем. Например, растворение диоксида углерода в исходной воде можно облегчить посредством впрыска диоксида углерода в зону турбулентности входящего потока QIN, при этом упомянутая турбулентность может быть создана посредством сужения в трубопроводе. Например, диоксид углерода можно впрыскивать в горловину сопла Вентури, размещенного в трубопроводе. Сужение площади поперечного сечения трубопровода в горловине сопла Вентури создает турбулентный поток, обладающий достаточной энергией для расщепления диоксида углерода на относительно небольшие пузырьки, тем самым облегчая растворение.
В одном варианте осуществления, диоксид углерода впрыскивают под давлением во входящий поток QIN исходной воды. В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения, растворение диоксида углерода в исходной воде облегчают посредством статического смесителя или рассекателя, такого как пористый металлический рассекатель.
Для регулирования скоростью впрыска диоксида углерода во входящий поток QIN можно использовать клапан регулирования расхода или другое средство. Например, для регулирования расхода диоксида углерода можно использовать блок дозирования диоксида углерода и встроенное устройство измерения диоксида углерода. Таким образом, расход диоксида углерода можно использовать для регулирования конечной концентрации диоксида углерода в потоке QCO2, содержащем диоксид углерода, или других параметров, таких как рН.
Содержание диоксида углерода в потоке QIN можно регулировать до конкретной концентрации, чтобы гарантировать быстрое и эффективное восполнение недостатка магния на последующей стадии (b) способа. В случае впрыска газообразного диоксида углерода, специалисту будет понятно, что регулирование концентрации диоксида углерода можно осуществлять посредством регулирования давления и расхода диоксида углерода, как описано выше. При использовании кислой катионообменной смолы, уровень диоксида углерода можно регулировать, например, посредством времени контакта между входящим потоком QIN исходной воды и ионообменным устройством, которое может зависеть, например, от скорости потока и длины ионообменной колонки.
Независимо от способа, используемого для увеличения концентрации диоксида углерода, упомянутую концентрацию в исходной воде потока QIN можно регулировать в пределах от 5 до 500 мг/л, предпочтительно от 10 до 200 мг/л, и наиболее предпочтительно от 20 до 100 мг/л. Для регулирования концентрации диоксида углерода в исходной воде потока QIN предпочтительно использование впрыска газообразного диоксида углерода.
Для управления скоростью реакции между QIN и источником ионов магния на стадии (b) способа настоящего изобретения можно также использовать значение рН. Таким образом, в одном варианте осуществления, регулирование рН исходной воды потока QIN осуществляется в пределах от 5,0 до 8,5, предпочтительно от 5,5 до 8,0, и наиболее предпочтительно от 6,0 до 7,5. В предпочтительном варианте осуществления, упомянутое регулирование рН осуществляется посредством впрыска соответствующего количества диоксида углерода во входящий поток QIN, как описано выше.
Для управления скоростью реакции между QIN и источником ионов магния на стадии (b) можно также использовать температуру. Таким образом, в другом варианте осуществления способа настоящего изобретения, регулирование температуры исходной воды потока QIN осуществляется в пределах от 5 до 35°С, предпочтительно от 10 до 30°С, и наиболее предпочтительно от 15 до 25°С.
(D) Система обработки воды и проточный реактор
Способ в соответствии с настоящим изобретением для увеличения концентрации ионов магния в исходной воде может осуществляться посредством соответствующей системы обработки воды или посредством использования соответствующего проточного реактора.
Таким образом, другой аспект настоящего изобретения относится к системе обработки воды, причем упомянутая система содержит:
(i) вход, причем упомянутый вход приспособлен для приема входящего потока QIN исходной воды;
(ii) твердый слой, причем упомянутый твердый слой приспособлен для приема входящего потока QIN исходной воды из упомянутого входа и для получения выходящего потока QOUT обработанной воды; и
(iii) выход, приспособленный для выпуска выходящего потока QOUT обработанной воды;
причем упомянутая система отличается тем, что упомянутый твердый слой содержит источник ионов магния в виде твердых частиц, причем упомянутый источник ионов магния представляет собой природный или синтетический гидромагнезит.
Линия, приспособленная для приема входящего потока QIN исходной воды, может быть выполнена из любого материала, который совместим с исходной водой. Например, упомянутая линия может содержать металлическую трубу или пластиковую трубу. Упомянутая линия может дополнительно содержать соединитель для соединения упомянутой линии с внешним подводом исходной воды, например, подводом питьевой воды или выходом системы очистки воды. Упомянутая линия может содержать дополнительные соединители, например, для соединения с твердым слоем или для размещения необязательного устройства предварительной обработки.
В одном варианте осуществления, система обработки воды настоящего изобретения дополнительно содержит устройство предварительной обработки, соединенное с упомянутой линией выше по потоку от твердого слоя, причем упомянутое устройство предварительной обработки приспособлено для увеличения концентрации диоксида углерода в упомянутом входящем потоке QIN исходной воды.
Как уже было описано выше, для увеличения концентрации диоксида углерода можно использовать разные способы и соответствующие устройства. Пригодные способы включают, помимо прочих, впрыск газообразного диоксида углерода или приведение входящего потока QIN исходной воды в контакт с кислой катионообменной смолой, предпочтительно со слабокислой катионообменной смолой.
Таким образом, в одном варианте осуществления, устройство предварительной обработки, соединенное с упомянутой линией, представляет собой:
(i) впрыскивающее устройство, приспособленное для впрыска газообразного диоксида углерода в упомянутый входящий поток QIN исходной воды; или
(ii) кислую катионообменную смолу, предпочтительно слабокислую катионообменную смолу, приспособленную для приема входящего потока QIN исходной воды.
Предпочтительно устройство предварительной обработки, соединенное с упомянутой линией, представляет собой впрыскивающее устройство, приспособленное для впрыска газообразного диоксида углерода в упомянутый входящий поток QIN. Детали и варианты осуществления пригодных устройств впрыска диоксида углерода для использования в настоящем изобретении описаны выше и соответственно относятся к системе обработки воды настоящего изобретения.
Затем входящий поток QIN направляют в твердый слой. По возможности, твердый слой размещают ниже по потоку от упомянутого устройства предварительной обработки. В любом случае твердый слой приспособлен для приема входящего потока QIN исходной воды.
Твердый слой, используемый в настоящем изобретении, может иметь любое возможное исполнение, позволяющее пропускать входящий поток QIN для взаимодействия с твердыми частицами так, что ионы магния высвобождаются при растворении упомянутых твердых частиц. Может быть также желательно предотвратить вымывание зернистого материала, в частности более крупных частиц. С этой целью, в одном варианте осуществления, твердый слой дополнительно содержит удерживающее устройство, расположенное в заднем по потоку конце твердого слоя, при этом предпочтительными удерживающими устройствами являются сита или водопроницаемые мембраны.
В соответствии с настоящим изобретением, упомянутый твердый слой может быть предусмотрен в полости проточного реактора, причем упомянутый проточный реактор содержит вход, приспособленный для приема потока QIN исходной воды, и выход, приспособленный для выпуска выходящего потока QOUT обработанной воды, предпочтительно упомянутый проточный реактор представляет собой проточный картридж.
Соответственно, другой аспект настоящего изобретения относится к проточному реактору, предпочтительно проточному картриджу, для использования в системе обработки воды для увеличения концентрации ионов магния в исходной воде, причем упомянутый проточный реактор содержит:
(i) линию, причем упомянутая линия приспособлена для приема входящего потока QIN исходной воды; и
(ii) твердый слой, причем упомянутый твердый слой приспособлен для приема входящего потока QIN исходной воды из упомянутой линии для получения выходящего потока QOUT обработанной воды;
причем упомянутый проточный реактор отличается тем, что твердый слой содержит источник ионов магния в виде твердых частиц, причем упомянутый источник ионов магния представляет собой природный или синтетический гидромагнезит.
Проточный картридж может представлять собой закрытую емкость, приспособленную для содержания полости, которая включает источник ионов магния в виде твердых частиц, образующих твердый слой, причем упомянутый картридж содержит вход, приспособленный для приема входящего потока QIN исходной воды, и выход, приспособленный для выпуска выходящего потока QOUT обработанной воды.
В другом варианте осуществления, проточный реактор или проточный картридж содержит удерживающее устройство на выходе реактора, предпочтительно сито или водопроницаемую мембрану.
Проточный реактор или проточный картридж соединен с линией, принимающей входящий поток QIN исходной воды, по возможности ниже по потоку от устройства предварительной обработки, посредством соединителя, закрепленного на входе реактора или картриджа. Дополнительный соединитель может быть закреплен в заднем по потоку конце упомянутого выхода. Это может обеспечить возможность простой замены проточного реактора или проточного картриджа при размещении в трубопроводных системах, например, в бытовых системах водоснабжения или мобильных установках обработки воды.
Отмечается, что детали и варианты осуществления, раскрытые выше применительно к входящему потоку QIN исходной воды и твердому слою, соответственно относятся к системе обработки воды и проточному реактору или проточному картриджу настоящего изобретения.
Например, в некоторых вариантах осуществления системы обработки воды и проточного реактора, источником ионов магния является синтетический гидромагнезит, предпочтительно осажденный гидромагнезит.
В других вариантах осуществления системы обработки воды и проточного картриджа, частицы твердого слоя имеют средневесовой размер в пределах от 0,05 до 20 мм, предпочтительно от 0,1 до 15 мм, более предпочтительно от 0,15 до 10 мм, еще более предпочтительно от 0,2 до 2 мм, и наиболее предпочтительно от 0,5 до 1,5 мм.
В других вариантах осуществления системы обработки воды и проточного реактора, предел растворимости в воде составляет 5 г/л или меньше, предпочтительно 2 г/л или меньше, более предпочтительно 1 г/л или меньше, еще более предпочтительно 0,5 г/л или меньше, и наиболее предпочтительно 0,2 г/л или меньше, каждый измеренный при температуре 20°С и давлении 100 кПа.
В примерных вариантах осуществления системы обработки воды и проточного реактора, источником ионов магния является синтетический гидромагнезит, предпочтительно осажденный гидромагнезит, частицы имеют средневесовой размер в пределах от 0,5 до 1,5 мм, и время контакта на стадии (b) между потоком QIN и твердым слоем составляет по меньшей мере 0,05 мин и меньше 2 мин, предпочтительно находится в пределах от 0,1 мин до 1 мин.
Примеры
Объем и выгода настоящего изобретения могут быть лучше поняты на основе приведенных ниже примеров, которые показывают варианты осуществления настоящего изобретения.
(А) Аналитические методы
Все параметры, определенные в данной заявке и упомянутые в приведенных ниже примерах, основаны на перечисленных ниже методах измерения:
Концентраций ионов металла (например, Са2+ или Mg2+)
Концентрации ионов металлов, указанные в данной заявке, включая концентрацию ионов магния и кальция, измеряли посредством ионной хроматографии с использованием ионного хроматографа 882 Compact IC plus от компании Metrohm. Перед анализом все образцы подвергали фильтрации (RC – 0,20 мкм).
Концентрации диоксида углерода
Концентрацию растворенного диоксида углерода в воде определяли посредством титрования с использованием стандартного водного раствора гидроксида натрия в качестве титриранта и pH–электрода DGi111–SC (от Mettler–Toledo).
Распределений размеров частиц
Для определения средневесового размера твердых частиц использовали фракционную сортировку по стандарту ISO 3310–1:2000(Е).
Электропроводности
Электропроводность измеряли с использованием комбинированного рН–метра/кондуктометра SevenMulti от компании Mettler–Toledo (Швейцария) c датчиком электропроводости InLab 741 от Mettler–Toledo (Швейцария).
Общей щелочности (СаСО3)
Общую щелочность измеряли титратором T70 от Mettler–Toledo с использованием соответствующего программного обеспечения LabX Light Titration. Для данного титрования использовали рН–электрод DGi111–SС в соответствии с методом М415 Mettler–Toledo из руководства по применению 37 (анализ воды). Калибровку рН–электрода проводили с использованием стандартов рН компании Mettler–Toledo (рН 4,01, 7,00 и 9,21).
Мутности
Мутность измеряли лабораторным турбидиметром 2100AN IS от Hach Lange. Калибровку проводили с использованием стандартов мутности StabCal (на основе формазина) ˂ 0,1, 20, 200, 1000, 4000 и 7500 NTU.
Предела растворимости
Предел растворимости определяли методом встряхивания колбы, известным специалисту. В соответствии с данным методом, в растворитель (например, воду, предпочтительно деонизированную воду) вводят избыточное вещество (например, источник ионов магния) и подвергают встряхиванию при температуре 20°С и давлении 100 кПа окружающей среды в течение по меньшей мере 24 часов. Насыщение определяют по наличию нерастворенного материала. После фильтрации суспензии, образец раствора, имеющий заданный объем, подвергают анализу. Фильтрация осуществляется при условиях, используемых во время растворения (20°С, 100 кПа), для минимизации потерь летучих компонентов. Затем растворитель образца выпаривали и определяли концентрацию массы растворенного вещества исходя из массы остаточного вещества после испарения растворителя и объема образца.
Во многих случаях, пределы растворимости активных ингредиентов доступны в базах данных общего пользования, известных специалисту. В случае каких–либо различий или несоответствий, предпочтительным будет предел растворимости, определяенный в соответствии с вышеописанным методом.
(В) Примеры
Приведенные ниже примеры не следует рассматривать как ограничивающие объем формулы изобретения каким бы то ни было образом.
Оборудование
При испытаниях использовали перечисленное ниже оборудование:
1. Контакторная система:
Контакторная колонна, образованная из трубы DN80 из прозрачного ПВХ, оборудованной цилиндрическим узлом и соединителями для обеспечения возможности изменения фильтрующего материала внутри колонны
Насос с регулируемой скоростью для подачи исходной воды с требуемым расходом
Дозирующий рассекатель диоксида углерода для растворения диоксида углерода в исходной воде
Измерения расхода встроенным расходомером
Регулирование потока с использованием расходной трубы и игольчатого клапана в колонне
Измерение в режиме реального времени рН, мутности и электропроводности на входе и выходе колонны
2. Система дозирования диоксида углерода (не использованная в данных испытаниях), состоящая из:
Баллона с диоксидом углерода
Регулятора давления для уменьшения давления из баллона с 50 бар до 5 бар
Измерителя массового расхода и управляющего клапана для регулирования и оценки дозирования диоксида углерода
Дозирующего соединения с рассекателем для растворения в подводящем трубопроводе в колонну
Процедура
Для проведения испытаний использовали следующую процедуру:
1. Контакторную колонну заполняли источником ионов магния, как указано ниже (заполняли до высоты слоя примерно 200 мм)
2. Воду, которая очищена обратным осмосом и затем стабилизирована с использованием контакторного фильтра с кальцитом, использовали в качестве исходной воды и прокачивали посредством насоса через контакторную колонну (минеральный состав и качество исходной воды указано ниже)
3. Исходную воду пропускали через колонну в течение периода, равного по меньшей мере двум пустым периодам контакта исходной воды с твердым слоем (empty bed contact tome – EBCT), до состояния колонны перед отбором образцов для анализа из выходящего потока QOUT
4. Испытания проводили при разных расходах для сравнения влияния времени контакта
Материалы
В испытаниях в качестве источника ионов магния тестировали следующие минералы магния:
|
Источник
ионов Mg |
Химическая формула |
Размер
частиц |
Источник или поставщик |
| PHM | Mg5(CO3)4(OH)2·4H2O | 500 мкм | Как описано в WO 2011/054831 A1 |
PHM=precipitated hydromagnesite (осажденный гидромагнезит)
Химический состав РНМ подтверждали рентгеноструктурным анализом (результаты не показаны).
Условия для проведения испытаний
Перечисленные ниже условия для проведения испытаний использовали в испытаниях с использованием предварительно минерализованной воды, которая однако имела низкое содержание магния.
| № испытания | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| Предварительная минерализация | Да | Да | Да | Да | Да |
| Источник ионов Mg | PHM | PHM | PHM | PHM | PHM |
| Высота слоя [мм] | 200 | 200 | 41 | 41 | 41 |
| Диаметр колонны [мм] | 68 | 68 | 68 | 68 | 68 |
| Доза CO2 [мг/л] | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Расход [л/час] | 21.8 | 43.6 | 12 | 18 | 36 |
| Время контакта [мин] | 2 | 1 | 0.75 | 0.5 | 0.25 |
Результаты испытаний
В приведенной ниже таблице перечислены результаты измерений, проведенных в испытаниях 1–5:
| Номер испытания | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |||||
| Точка отбора образца | QIN | QOUT | QIN | QOUT | QIN | QOUT | QIN | QOUT | QIN | QOUT |
| Значение pH | 6.75 | 10 | 6.76 | 9.8 | 7.06 | 9.66 | 7 | 9.6 | 7.06 | 9.49 |
| T [°C] | 21.2 | 21.9 | 20.9 | 21.8 | 22.5 | 23.3 | 22.3 | 23.2 | 22.5 | 23.2 |
| Электропроводность [мкСм/см] | 137 | 296 | 140 | 253 | 208 | 279 | 208 | 273 | 205 | 259 |
| Общая щелочность [мг/л CaCO3] | 79 | 192 | 84 | 157 | 110 | 177 | 110 | 170 | 122 | 159 |
| Свободный CO2 [мг/л] | 11 | 0 | 11 | 0 | 4 | 0 | 4 | 0 | 4 | 0 |
| Мутность [NTU] | 0.1 | 0.1 | 0.2 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 |
| Mg2+ [мг/л] | < 1 | 60 | < 1 | 46 | < 1 | 34.5 | < 1 | 29 | < 1 | 26 |
Испытания с гидромагнезитом оказались очень эффективными без впрыска диоксида углерода. Значительное увеличение уровня растворенного магния, уровня щелочности, уровня рН и полный расход углекислого газа предполагает очень высокую скорость реакции.
1. Способ увеличения концентрации ионов магния в исходной воде, причем упомянутый способ включает следующие стадии, на которых:
(a) обеспечивают входящий поток QIN исходной воды, при этом исходная вода имеет общую щелочность (СаСО3) от 5 до 200 мг/л;
(b) пропускают упомянутый поток QIN через твердый слой для получения выходящего потока QOUT обработанной воды;
причем упомянутый способ отличается тем, что твердый слой на стадии (b) содержит источник ионов магния в виде твердых частиц, причем упомянутый источник ионов магния представляет собой природный или синтетический гидромагнезит, и тем, что исходная вода, предоставляемая на стадии (а), имеет концентрацию диоксида углерода меньше 20 мг/л.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что исходная вода имеет концентрацию растворенных ионов магния 10 мг/л или меньше, предпочтительно 5 мг/л или меньше и наиболее предпочтительно 2 мг/л или меньше.
3. Способ по любому из пп. 1 или 2, отличающийся тем, что исходная вода имеет общую щелочность (СаСО3) от 10 до 150 мг/л, предпочтительно от 20 до 100 мг/л.
4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что исходная вода имеет индекс насыщения Ланжелье (LSI) от –2,0 до 1,0, предпочтительно от –1,0 до 0,7 и наиболее предпочтительно от –0,5 до 0,5.
5. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что упомянутый способ дополнительно включает стадию регулирования рН исходной воды в пределах от 5,0 до 8,5, предпочтительно от 5,5 до 8,0 и наиболее предпочтительно от 6,0 до 7,5, причем регулирование упомянутого рН осуществляется предпочтительно посредством впрыска соответствующего количества диоксида углерода во входящий поток QIN.
6. Способ по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что упомянутый способ дополнительно включает стадию регулирования температуры исходной воды в пределах от 5 до 35°С, предпочтительно от 10 до 30°С и наиболее предпочтительно от 15 до 25°С.
7. Способ по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что источник ионов магния представляет собой синтетический гидромагнезит, предпочтительно осажденный гидромагнезит.
8. Способ по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что упомянутые частицы имеют средневесовой размер в пределах от 0,05 до 20 мм, предпочтительно от 0,1 до 15 мм, более предпочтительно от 0,15 до 10 мм, еще более предпочтительно от 0,2 до 2 мм и наиболее предпочтительно от 0,5 до 1,5 мм.
9. Способ по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что на стадии (b) время контакта между потоком QIN и твердым слоем составляет:
(i) по меньшей мере 0,05 мин, предпочтительно по меньшей мере 0,1 мин, более предпочтительно по меньшей мере 0,2 мин и наиболее предпочтительно по меньшей мере 0,25 мин; и/или
(ii) меньше 10 мин, предпочтительно меньше 5 мин, более предпочтительно меньше 2 мин и наиболее предпочтительно меньше 1 мин.
10. Способ по любому из пп. 1-9, отличающийся тем, что твердый слой на стадии (b) предусмотрен в полости проточного реактора, причем упомянутый проточный реактор содержит вход, приспособленный для приема входящего потока QIN исходной воды, и выход, приспособленный для выпуска выходящего потока QOUT обработанной воды, предпочтительно упомянутый проточный реактор представляет собой проточный картридж.
11. Способ по любому из пп. 1-10, отличающийся тем, что источник ионов магния представляет собой синтетический гидромагнезит, предпочтительно осажденный гидромагнезит, частицы имеют средневесовой размер в пределах от 0,5 до 1,5 мм, и время контакта на стадии (b) между потоком QIN и твердым слоем составляет по меньшей мере 0,05 мин и меньше 2 мин.
12. Способ по любому из пп. 1-11, отличающийся тем, что упомянутый способ дополнительно включает стадию регулирования рН выходящего потока QOUT обработанной воды, предпочтительно в пределах от 4,5 до 9,5, предпочтительно от 6,5 до 8,5 и наиболее предпочтительно от 6,8 до 7,5.
13. Система обработки воды для увеличения концентрации ионов магния в исходной воде, причем упомянутая система содержит:
(i) линию, причем упомянутая линия приспособлена для приема входящего потока QIN исходной воды, при этом исходная вода имеет общую щелочность (СаСО3) от 5 до 200 мг/л; и
(ii) твердый слой, причем упомянутый твердый слой приспособлен для приема входящего потока QIN исходной воды из упомянутой линии для получения выходящего потока QOUT обработанной воды;
причем упомянутая система отличается тем, что твердый слой содержит источник ионов магния в виде твердых частиц, причем упомянутый источник ионов магния представляет собой природный или синтетический гидромагнезит, и тем, что исходная вода имеет концентрацию диоксида углерода меньше 20 мг/л.
14. Система обработки воды по п. 13, отличающаяся тем, что
(i) источник ионов магния представляет собой синтетический гидромагнезит, предпочтительно осажденный гидромагнезит; и/или
(ii) частицы имеют средневесовой размер, указанный в п. 8; и/или
(iii) твердый слой предусмотрен в полости проточного реактора, как указано в п. 10.
15. Проточный реактор для использования в системе обработки воды для увеличения концентрации ионов магния в исходной воде, причем упомянутый проточный реактор содержит:
(i) вход, причем упомянутый вход приспособлен для приема входящего потока QIN исходной воды, при этом исходная вода имеет общую щелочность (СаСО3) от 5 до 200 мг/л;
(ii) твердый слой, причем упомянутый твердый слой приспособлен для приема входящего потока QIN исходной воды из упомянутого входа и получения выходящего потока QOUT обработанной воды; и
(iii) выход, приспособленный для выпуска выходящего потока QOUT обработанной воды;
причем упомянутый проточный реактор отличается тем, что твердый слой содержит источник ионов магния в виде твердых частиц, причем упомянутый источник ионов магния представляет собой природный или синтетический гидромагнезит, и тем, что исходная вода имеет концентрацию диоксида углерода меньше 20 мг/л.
16. Проточный реактор по п. 15, отличающийся тем, что:
(i) источник ионов магния представляет собой синтетический гидромагнезит, предпочтительно осажденный гидромагнезит; и/или
(ii) частицы имеют средневесовой размер, указанный в п. 8; и/или
(iii) твердый слой предусмотрен в полости упомянутого проточного реактора.
17. Проточный реактор по любому из пп. 15 или 16, отличающийся тем, что упомянутый проточный реактор представляет собой проточный картридж.
