高循环配水系统中控制结垢的水处理方法
发明领域
本发明提供了一种工业、商业和民用水处理方法，特别是饮用水处理方法。更特别的是，本发明提供了一种减少高度循环配水系统中由于高硬水导致石灰石垢沉积的方法。本发明特别适用于销售食品设备和配水设备或具有锅炉的饮料设备。
发明背景
结垢是由水的硬度引起的最严重的问题，该现象在工业水与饮用水、家庭用水或工厂中同样普遍。这种因硬水加热产生的特殊副产物会给许多用水设备造成麻烦。由于在内表面的沉积可阻塞热水管，因此会严重的降低锅炉或其它水的加热器的加热效率。而在世界的许多地区，水的硬度均较大，需要被处理后才能得到最大限度的使用。
水质也需要稳定、可靠才能使配水系统运行良好传输稳定且高质量安全的产品水。加热硬水通常导致结垢，引起许多问题如水温的变化、被传输水量的变化、加热设备最终排污的变化。因此，加热设备需要清洗或有时需要修复。
在水加热期间形成的沉积一般既可以是垢也可以是污染物。垢是硬的，附着性的无机组成物，通常以晶体形式存在，而污染物很少附着，倾向于无定形或非晶体形。
垢沉积是一种复杂的结晶过程，其发生在温度、pH、浓度、流速、压力或其它的水条件变化时。首先形成初始垢核或层，而后增加。生长率决定于几种过程的相互作用(如过饱和、成核、分散、化学反应和结垢晶体晶格的分子排列)。尽管超过溶解极限既会成垢，但成垢率还是可以通过投加或不投加抑制剂或其它因素来控制。
水通常含有大量可能成垢的成分，如钙和镁离子，溶解硅化合物，铁盐等。绝大多数钙和镁盐由于它们的反向溶解性倾向于在热交换表面形成垢，在此，金属表面温度远远高于水温。垢通常含有钙盐(碳酸盐、磷酸盐、硫酸盐)、氢氧化镁、硅和硅酸盐、铁的氧化物和氢氧化物、锌的磷酸盐和氢氧化物。
在水处理领域，建议使用可以减少或避免结垢方法和装置，但是它们中的一些或全部都有某些不理想的特征、缺点或不足。
一种常用于水脱矿的技术是反渗透(RO)。在绝大多数实例中，该技术是脱矿最有效的方式。在该方法中，通过半渗透膜给水加压形成渗透压(当两种不同浓度的液体被膜分离时存在渗透压)。RO 系统的缺点是滤筒设计，包括在被过度浓缩引起阻塞前使一些或绝大多数水成为截流液被排出。被净化的水和废水的比可以是l～4，甚至更高或相反。RO系统生产水速度较慢；净化的水通常收集在槽中用于后期的分配。上述处理的资本成本和运行成本昂贵，但是，在某些装置中(如工业和商用水，大型售货机)RO 系统是有效的。
纳滤(NF)也使用半渗透膜过滤水。NF常被认为膜质量低于RO。进而NF通常可以去除60％～80％的多价离子，而RO可以去除98％或更多，类似RO膜板的纳滤器被设计成可连续排出液体且具有类似的运行和经济缺陷。
另一种常用的系统是离子交换。可以通过使用离子交换树脂的特殊反应从水中有选择地去除离子。在水处理期间，Na、K和／或H阳离子通常用于代替Ca、Mg、Fe和其它多价金属离子。但是不管使用何种离子交换树脂，最终树脂床都会老化，必须进行再生重新使用或被替代。另外，用H替代ca会降低pH，并且H和Na均会导致水的不良味道和质量。
无机垢抑制剂也可用于水处理防止结垢。所有阻垢剂均可用于饮用水处理，聚合磷酸盐更适合饮用水使用。使用聚磷酸盐的优点之一是具有较低的有效浓度(通常为l～l0mgL)。另外聚磷酸盐是最廉价的阻垢剂。但是，聚磷酸盐不能除垢，它们可以通过减缓结晶速度推迟沉积物的形成。
水的阻垢磁处理(AMT)效果显示出变化很大，能反映出水质的变化。磁处理如何进行的机理涉及的范围很广，但是绝大多数未得到证明。AMT缺乏再生性导致无法确定该方法的可靠性。
US 5433 856和53 l4 623专利介绍了一种液体处理方法用于去除钙和镁。该方法是用金属微粒床，其包括铜(可以／也许还含有锌)或可以以黄铜合金的形式存在，如KDF 材料(KDFR-55粉沫是由纯的、不含铅、50％铜盒50％锌制成的粒状合金商标名)。当水穿过氧化还原媒介时，该方法可降低水中无机物浓度，特别是钙和镁。在该实例中，钙／镁化合物将被聚集在金属床上，最终形成阻碍物。而减少被处理水中钙浓度的机理没有被介绍或解释。
阻垢剂在延迟沉积形成时间上是有效的，但不能去除垢。由于能够去除成垢组分，因此，离子去除方法在防止结垢处理中是最有效的。但是，成本一包括在离子交换树脂的案例中投加离子的成本以及高压、额外贮存槽以及RO的运行成本较高。因此，需要一种方法能够有效地去除高循环配水系统的结垢问题，如饮料和／或食品配水器。并且还需要通过一种低成本方法得到这些结果，并且易于完成。本发明将满足这些需要。
发明简述
本发明提供了一种减少石灰石垢沉积在设备的表面或在加热设备中的方法，特别适用于饮用水但不影响水质。该方法包括在水加热前使水穿过金属颗粒和聚磷酸盐减少这些成分在与热水接触时的垢沉积。
金属颗粒和聚合磷酸盐至少包括锌和磷酸盐。该金属颗粒和磷酸盐可以以混合物形式使用或者以分离床或分离层形式使用。金属颗粒和聚合磷酸可以被固定在支撑层上或是大量微粒上。
本发明还提供了一种复合滤筒装置用于处理水，去除装置里的无机物，该滤筒包括一个具有未处理水人口和处理水出口的外壳，和一个安装在两者之间的水的渗透床，该床含有金属颗粒和聚合磷酸盐，水在被加热之前必须穿过该床。金属颗粒和聚合磷酸盐存在于床中的相邻层中。
本发明另一种方案提供了高循环饮料或食品配水系统，其可利用水制备食品或饮料，同时被处理水减少了在与加热水或热水接触的配水系统部分的垢沉积。这里介绍的复合滤筒可以减少垢的累积。配水系统包括水接触的部分，如内表面(管道、阀、混合槽等)和加热元件。
我们惊讶的发现联合使用金属颗粒和聚磷酸盐比单独使用金属颗粒或聚磷酸在控制和减少石灰石沉积方面可以提供更好的协同效应。
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图的简述
图l是一种模板饮料配水器配水管线的示意图，包括同本发明的一个水处理滤筒。
图2是一种模板饮料配水器配水管线的示意图，包括同本发明的一个单一的水处理滤筒。
图3是一种模板饮料配水器配水管线的示意图，包括同本发明的一个系列水处理滤筒。
图4是一种如本发明的滤筒有代表性的示意图。
图5是说明模板配水器和图l水处理滤筒性能的曲线。
首选实施方案的详解
本发明提供了一种在硬水中控制结垢的水处理方法，其能够被用于锅炉或其它加热设备，管道等商业、工业和民用，特别用于饮用水处理，尤其是具有内部混合功能的食品销售机和配水机器内表面，锅炉或随选的加热元件或类似的结构。令人惊讶地发现是配合使用金属颗粒如锌和铜与聚磷酸盐可以明显地减少循环食品或饮料配水系统的垢沉积，与现有的单独使用金属颗粒或聚磷酸盐的阻垢方法比较具有协同效应。
金属颗粒最好从由下列金属组成的基团中选择：锌、铜、铁、镁、锰、锡、它们的混合物或合金。这种金属或金属的联合使用不受限制。该金属颗粒由至少两种不同的金属组成，如一种是锌和另一种具有较高电极电势的金属，如最好是铜。多对金属可以以重量百分比为95：5～5：95的较大复配范围使用。
锌和铜混合物或合金为首选，原因是它们在结垢控制方面比其它金属或金属的配合使用更有效，并且适用于使用饮用水的设备。锌和铜合金如黄铜是首选，因为它们具有相似的结构，与纯金属或混合物相比能够更好的控制垢。当两种金属被使用时，首选的比例范围为75：25～25：75，最好是45：55～55：45(以重量百分比计)o
本方法可以使金属离子以受控方式被释放。金属离子的释放通常为0．1～50mg／L。在一种选择的溶液中，金属颗粒由可以在水中释放0．2～20mg／L的锌离子有效量的锌组成，较好的为0．5～8mg／L，最好为1～5mg／L的锌离子。金属离子的释放主要决定于金属颗粒的总量、水透过媒介时与水的接触面、水的流速以及系统希望的循环数。因此，有经验的技工能够根据经验确定金属颗粒适合的剂量，确保金属离子的控制量连续在最佳范围内释放。
同上，磷酸盐的可控释放量主要决定于磷酸盐颗粒的量和大小、水透过媒介时与水的接触面、水的流速以及系统希望的循环数。因此，有经验的技工能够根据经验确定磷酸盐适合的剂量，确保磷酸盐离子的控制量连续地在最佳范围内释放。水中释放的磷酸盐的首选浓度为1～10mg／L，最佳浓度为2～4mg／L。
主要用于本方法的磷酸盐包括钠、钾、铵、锂、镁或钙的聚合磷酸盐、聚偏磷酸盐、焦磷酸盐或磷酸盐及它们的酸或混合物。例如聚合磷酸盐可以从任何一种如焦磷酸、三偏磷酸盐、四聚磷酸、六偏磷酸、有机磷酸、各种聚合程度的聚合磷酸或它们的盐或它们的混合物中选择。首选的聚磷酸盐是各种聚合程度(6～13)的偏磷酸盐。最佳的是六偏磷酸钠和六偏磷酸钙。
金属颗粒和聚磷酸盐的配合使用可通过混合各种成分或使每种成分形成层来完成。在第一种实施方案中，金属颗粒和聚磷酸盐复配形成水能够透过的床。金属颗粒和聚磷酸盐混合后形成一种能够嵌入滤筒的混合物或组成物。滤筒提供足量的成分，适应水的流速，在水中释放控制浓度，各组分以任何平行、交错次序或顺序结合。另一方面，金属颗粒和聚磷酸盐可以被置于分离的滤筒内。金属颗粒与聚合磷酸盐的比为95：5～5：95(以重量百分比计)，较好的为5．5：1～1：1，最好为3：1～2：1。
本发明还提供了一种含有聚磷酸盐和金属颗粒合成物的设备用于处理冷、室温或微热水。希望得到热水时，水随后在加热器中加热。该水处理方法确保没有垢永久的沉积在加热器的内表面或任何加热水通过的表面，如管道、管口等。本方法确保配水循环为10000以及高到45000的循环或更高时不发生明显的结垢。现有的传统方法如单独使用金属或单独使用聚磷酸盐现时最大循环数低于5000。循
环数的增加源于金属和聚磷酸盐配合使用的结果。
图1说明饮料配水器的所有结构。配水器包括一个供水部分A，可以在加热前将水输送到至少一个水处理复合滤筒B。被处理水在进入一个加热器E(为了制备一种所选的饮料，其能够将水温提高到一个理想值)之前可以穿过一个流量计C和一个泵D。加热后的水以F形式被排放到配水器的各个不同的部分，在分配器中谁与饮料混合生产饮料。流量计C、泵D和加热器E可以利用处理器或微处理器G控制，当按设计使用时，其通过打开一个激活开关H为配水器提供电压。
图2说明本发明的模范方式。本发明在如一个容器的滤筒1中被物化，该容器包括一个人口15和一个出口l6以及不渗透性的侧壁17。该滤筒拥有一个金属颗粒和聚磷酸盐晶体的床。出口和人口位于滤筒的端部使水流过管线18并与合成的介质接触。这种水从滤筒流出后流人加热器19。另一种可能性是使用两种滤筒，如图3说明。具有聚磷酸盐的1a和具有金属颗粒的1b串联(如图)或并联(图中未显示)。
颗粒物质组成物提供了有利于流量的渗透性。颗粒介质的大小可，可以显著变化，一般为20—10 O00gm。首选的颗粒尺寸为100—3000gm。颗粒范围最好在500 1000pm，可以使水的流速保持在2 50ml／s。
处理容器形状和大小均可根据利于应用的原则改变，如配水机的大小、水的流速等。举例说明，容器或滤筒可以是内径为1 5cm、内部长度为3—20cm的圆柱体，能够容纳20—350g的处理介质。在一个首选的实施方案中，至少有金属颗被
固定在复合滤筒装置内防止微粒挤压，使水穿过微粒。较好的是将金属颗粒与聚磷酸盐同时固定在复合滤简装置内。在一个理想的设计中，该滤筒装置包括许多沿水流方向纵向排列的层；这些层中至少有一层金属颗粒层，或金属颗粒和聚磷酸盐层，位于惰性多孑L材料支撑层之间。最好是两层或多层金属颗粒层或金属颗粒与聚磷酸盐层夹在惰性多孑L材料支撑层之间。进而，复合滤筒装置被安装促使水流穿过处理介质，该装置利用湍流装置，包括将水不容材料置于多孑L支撑层附近，使水流沿切线方向穿过其方法可提高颗粒层中水的湍流度。该湍流
装置可形成于位于接近支撑层外侧的网状物。该网状物的结构能够使水流切向横穿过多孑L支撑层和颗粒层，而防止或至少是使纵向穿过更困难。结果，除那些可以提高与介质接触的纵向水路外，均产生横向水流。
当颗粒被固定时，颗粒的平均直径最好限制在0．O1—5mm，更好的为0．1—0．7ram。固定金属颗粒或金属颗粒和聚磷酸盐合成物的优点是很多的。由于小颗粒是以点束缚在聚合网状物上，因此在水处理期间它们不会移动，减少了压实效应，有效地防止了水的阻塞。由于介质可以以不变的效率工作，直到介质几乎物理性消失为止，因此，可以使用少量的处理介质。
图4介绍了在滤筒或水处理容器中固定颗粒物质的优选方案。该滤筒可以是一种中空圆柱体1，滤同中心有一个柱心10，金属颗粒和聚磷酸盐l1，12的圆柱层通过一对圆柱形多孔纸130，l3l，140，l41支撑层固定纸可以由薄的多孑L聚合材料层取代。选择支撑层的多空性是为了维持颗粒层在适合的位置防止微粒从层中穿过。支撑层周围是增加湍流装置，如网状物210，21 1，212，它们由聚合材料组成，如聚乙烯、聚丙烯或任何其它的适合的食品级惰性塑料。每个支撑层的外表面最好有一部分网状物包围。例如，网状物可以位于接近支撑层的位置，铺开形成圆柱形状，而后置于圆柱形滤筒中。这种网状物可以促使水流横向或切线方向流动，阻止纵向流动。网状物因此可以维持水的湍流。网状物空的大小范围在0．1—10mm之间，比较好的在1 5mm，最好为2 3mm。其它适合的材料也可取代网状物结构提供相似单向流动作用，如蜂巢等。
实例
下列实例说明了本发明首选的实施方案。
实例I单独使用锌和铜处理水的饮料配水器的性能
为了解决在水加热期间设备因结垢而产生的问题选择使用金属颗粒进行水处理。颗粒材料为KDF一55R粉沫，KDF一55R是KDF流体处理(USA)销售的由纯的、无铅黄铜制成的粒状介质的商标名。
由50％铜和50％锌组成的水处理滤筒在测试中使用。该滤筒设计为使用自来水压力，流速至少为1gal／min。包括一个处理滤筒的模型饮料配水器如示意图1。永久水硬度为Ca=250mg／L，以碳酸钙计，pH=7．6。
如图5所示，模型配水器的性能被增加了4倍，例如，在有和没有金属颗粒水处理滤筒中循环数(直到每杯水输送量减少10％为止)分别为800和3300。主要的垢累积发生在热水传输螺线管阀内。
实例2单独使用聚磷酸盐处理水的饮料配水器的性能
本测试使用市售的聚磷酸盐滤筒。该滤筒设计为使用自来水压力流速最小值至少为l gal／min。使用与实例1相同的配水器和处理滤筒。永久水硬度为Ca=250mg／L，以碳酸钙计，pH 7．6。
如图3所示，模型配水器的性能被增加了4倍。
实例3使用金属颗粒和聚磷酸盐处理水的饮料配水器的性能
根据使用金属颗粒(锌和铜)与聚合磷酸盐合成物的性能，评估了与上文相同的模型配水器。原水穿过一套滤筒，首先穿过一个市售的圆柱形磷酸盐设备，进入给水管线中，而后，穿过一个如实例1参考类型的金属颗粒滤筒。
循环数约为1000时收集水样用于无机物的分析。结果显示释放到水中的锌离子(约为1．0mg／L)，和铜离子的含量(约为0．05mg／L)在优选范围内。使用聚磷酸盐和金属颗粒复配的水处理将配水器的性能提高了50倍以上。被传输水量保持高于目标量的90％，水温稳定。
这种复配不能阻止垢的生成，但是似乎可以使之形成不同类型的晶体。这种不同类型的垢不会黏附在表面，代替了硬垢的累积，其形成松散的非黏附性粉沫，绝大多倾向于在活水系统化中形成。与金属离子或聚磷酸盐单独释放比较，这两种材料的复配导致了显著的提高，可能归因于复配对垢的黏附性的协同效应。
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