制造实验室品质的超净水的系统的制作方法

专利名称：制造实验室品质的超净水的系统的制作方法
越来越多高度发展的实验室设备和分析，要求方便地供应具有实验室品质的超净水，它应用于实验方法中，例如大功率液相色谱法、气相色谱法、组织培养等。
饮用水中的大多数杂质以离子化无机矿物盐的形式存在，它们赋予水一种电导率/电阻率并因而使这种水可被准确测量其纯度。最常用的度量是单位电阻，它典型地按单位Ohm·cm和在基准温度25℃时测量；绝对纯水的理论单位电阻为18.17Megohm.cm。
饮用水中的少数杂质包括有机污染物，它们一般不带离子电荷。因此这类有机污染物不能用象对待无机杂质那样相同的方式测量。在具有实验室品质的超净水中有机物总含量(TOC)优选的水平不超过十亿分之几。
有一种日益增长的需求，即，以实时为基础优选地由一个正好处于实施研究和分析工作的实验室中的连接点短期地制备超净水。这种需求可通过本发明满足，下面概括并详细说明本发明。
本发明包括一个用于制造具有实验室品质的超净水的系统，此系统有唯一的一种包含在一排双外壳内的净化剂的组合，和优选地与紫外线(UV)处理和超滤(UF)处理连接，以及有一种新型分配装置，包括磁阀、控制阀和传感器。


图1至4示意表示本发明的四种作为范例的实施形式。
图5至7是用于容纳在按本发明的系统中使用的净化剂的优选的外壳的透视图、横截面图和分解图。
进水此系统设计为用来自安全的饮用水源的进水工作，它还经过反渗透(RO)、蒸馏或电的(EDI)或传统的消电离(DI)处理。进水应来自这样的水源，即，它应符合美国环境保护局国家一级饮用水规范(USA Environmental Protection Agency National Primary DrinkingWater Regulations)或类似的欧盟或日本标准。此系统可以直接用可饮用的自来水工作，其水源所含的可溶固体总量作为碳酸钙当量不超过一百万(ppm)分之500，这种有机碳总水平(TOC)可能高于1.5ppm的水可能需要用活性炭附加地预处理和/或过滤。为了达到此系统经济的效率，直接的可饮用的自来水源需要加特殊的使用限制，这些限制应根据不同的进水质量和体积需求显著改变并因而应仔细检验各项基础。本领域技术人员知道，在大多数设备中优选经预处理的进水源。在预处理过程中减少或消除无机、有机和分散的种类，从而带来净化和经济的效果。
介质外壳优选的用于容纳净化剂的外壳包括至少两个双外壳，其中每一个双外壳有两个并列的室，它们通过一公共的壁按这样的方式隔开，即，使两个室互相前后连接地流体联通，其中流动从上侧向底部进行。图5至7表示了这种双外壳并详细公开在同族的美国申请Nr.09/733.770中，它于2000年12月8日提交，其公开的内容通过引用而包含在本文中。
在图5至7中表示了一种双室介质外壳1，它包括一个壳体10，壳体10有一上部封闭盖或端盖12和一个底部封闭盖或端盖14。封闭盖12和14优选地制有加强肋30。上部封闭盖12配备有流体进口18和流体出口28。上部封闭盖12还可制有止动套筒13和安装套筒13′用于进口阀组件和出口阀组件(图中未表示)的固定，这些组件是同族的美国专利申请Nr.09/733588的内容，它于2000年12月8日提交。壳体10和封闭盖12及14可分别用恰当的材料制造，如316或316L不锈钢或热塑性聚合物，其中后者是优选的；这三个构件可借助恰当的装置互相固定；在采用热塑性聚合物的情况下这三个构件优选地互相焊接。优选的聚合结构材料包括聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、氟化的乙烯/全氟化乙烯基醚共聚物和聚醚醚酮。
壳体12包括第一室20和第二室24，它们通过一公共的壁20-24互相连接。不仅第一室20而且第二室24的两个端部设计成多孔筛，它们既用作大粒子的预滤器，也用于滞留过滤和/或吸收剂，其中，筛配合在容纳它们的槽17内，槽则加工在壳体壁11和公共的壁30-24上。在双外壳内的滤或筛可由与双外壳相同类型的材料构成。
工作时，流体通过上部封闭盖12中的流体进口18进入，流体应当用介质如活性炭、离子交换介质或其他处理材料过滤，或应作其他方面的处置，它向下流过多孔筛16和第一室20，然后向下通过包含在第一室20内的介质，通过下部筛16，接着遇到第一室的流体收集器21，它使第一室的渗透物向上通过第一室的收集腔22导向第二室24的上侧。在第二室24的上侧，渗透第一室的流体遭遇第二室的流体分配器23，它促使要分配的流体向下通过第二室24的多孔筛16和介质均匀地分布。在第二室24底部渗透物流过筛16并遭遇第二室的流体收集器25，它使渗透的流体向上通过第二室的渗透物收集腔26并从这里经渗透物出口28引出。
净化剂优选使用五类净化剂(1)氧化剂；(2)经酸洗的沥青活性炭；(3)有高能量沥青特性的活性炭或经酸洗的椰子壳活性炭；(4)有半导体特性的混合层离子交换树脂；以及(5)最大过氧化物数为14的催化活性炭。水向下通过所有的净化剂，以便基于不同的粒子密度防止介质流化和分离。基于在双外壳内每个室的容积，通常可在实际上采用这些介质每一种的任意一个百分数，此百分数按进水中的杂质调整。下面结合图1表示的系统详细讨论这些净化剂优选的原则以及使用典型进水时优选的体积百分数。
优选的氧化还原剂包括一种粒化的Zn/Cu合金，它在市场上作为KDF55可从KDF Fluid Treatment，Inc，in Three Rivers，Michigan购买。这类氧化还原剂规定用于除去或还原游离的氯化物和水溶性重金属，与此同时控制可能在进水中存在的细菌和藻类。氧化还原反应将进水中的游离氯化物还原为氯化物离子，它们在下游被离子交换树脂除去。细菌和其他微生物通过生成过氧化物和游离的羟基而被杀死，它们是由于水通过介质流动生成的。如下面要说明和在图2至4中表示的那样，催化的碳添加在氧化还原剂的下游，以消除通过氧化还原剂产生的过氧化物。重金属的去除通过重金属电化学沉积在氧化还原剂上实现，在此过程中多种类型的重金属处于与这些介质接触的状态。
在按本发明的双室外壳内所使用的氧化还原剂优选的量，基于流量达2.51/min(0.6gpm)，优选地1.51/min(0.36gpm)，为双室外壳单室含量的1至10体积百分比，特别优选8体积百分比。这种氧化还原剂尤其在实验室水处理仪器中与传统的处理设备相比带来一些重要的优点。这些氧化还原剂可有效地是典型地应用于除氯的活性炭的工作能力的10至20倍。在它们下游使用活性炭延长了活性炭的使用寿命并改善了活性炭对有机物质的去除效率，这主要由于降低了氯浓度，从而可以有一个更大的表面用于有效地吸附有机物质。简而言之，利用活性炭的表面吸附有机物质，而不是与氯反应。在小尺寸的净化装置中介质的容积受到相当大的限制，因此这样做意味着有突出的优点，亦即由于更有效地处理因而允许有更大的流量。
由RO系统或蒸馏系统提供的水典型地利用一储罐，以盛放经处理的水。储罐可由于容器淀积的本质为细菌和藻类的繁殖提供了有利的环境。在清洗和消毒时往往被忘记或忽视这些容器。中央离子交换系统同样可能是一个细菌污染源，这种污染会输送到水净化系统的使用地点。若氧化还原剂用作与进水接触的第一种净化剂或前几种净化剂之一，则它们在系统的进口形成一种隔离细菌的保护，从而减少对另一些处于下游的净化剂发生细菌污染的可能性。这对于在使用地点进行水的生产是特别有利的，这种生产源自由储罐或中央离子交换系统提供的进水。当细菌量降低时，游离在系统中的细菌内毒素的量也减少。此外还降低了对系统超滤设备和终滤设备的要求。
除了电化学离析重金属离子外，氧化还原剂还与处于进水源内的二价阳离子反应，这促使离子析出。重金属与氧化还原剂化合。二价阳离子作为粒子离析。取决于尺寸，这些粒子可保持悬浮或从溶液析出。在这种情况下粒子实际上积聚在介质上、炭上或滤上，这会阻碍与水接触以及堵塞或污染介质或滤。由于上面提及的优选的进水源的多数重金属和二价阳离子通常低的含量，所以可以不需要周期性地反洗氧化还原剂。
在进水中TOC水平为1.5ppm或更高时，例如在自来水中、质量差的去离子进水中或其他有问题的进水源中，在这些情况下可在氧化还原剂上游添加少量“准备牺牲的”活性炭，以防氧化还原剂被有机物污染。这种活性炭从意义上说是“准备牺牲的”，它将被有机物质污染，从而保护氧化还原剂免遭有机物污染。进水源内所含的大量有机碳覆盖住氧化还原剂并阻碍与水接触，从而降低氧化还原的活性；处于上游的活性炭抑制产生这种结果。用于保护氧化还原剂的优选的活性炭由经酸洗有沥青特性、20×50 US单位筛孔数的颗粒状活性炭组成，在市场上可从Barnebey & Sutcliffe Corp.in Columbus，Ohio买到。沥青特性的和其他炭基活性炭含有大比率的较大的孔隙尺寸(大气孔)，它们能更好地利用于去除那些典型地存在于饮用水或其他高TOC源内的有较大分子量的有机化合物。
另一种优选的净化剂是一种颗粒状的活性炭，它专门规定用于去除臭氧和低分子量的有机化合物包括有机酸，优选(i)有高能量沥青特性的活性炭，或(ii)经酸洗的椰子壳活性炭，其中后者是优选的。(i)的一种例子是Calgon Fitrasorb 600，它在当前针对治疗的目的使用于去除低分子量的有机碳。很遣憾，只能得到单位筛孔数为12×40的Filtrasorb 600产品。对于本发明而言，优选具有单位筛孔数为20×50的材料，这种材料将是最有效的。以椰子壳为基础的活性炭介质应用于从水中去除由低分子量有机碳组成的有害物质。以椰子壳为基础的活性炭含有较大份额的小气孔或微孔，它们对于去除低分子量的有机化合物和痕量有机化合物是重要的。(ii)的一种优选的例子有单位筛孔数为20×50以及在市场上可从Barnebey & Sutcliffe Corp.inColumbus.Ohio买到。
这种净化剂，以上面已提及的流量为基础，优选地以这样一个量存在，即，它在双室外壳中一个单室容量的20与80体积百分比之间，特别优选地在25与75体积百分比之间。
因为按本发明的水净化系统用的大多数设备有一个进水经预处理的水源，所以可以预期进水含有少量的低分子量有机碳。例如，RO膜有在200至300道尔登(Dalton)之间的分子量滞留能力。这表示，通常由RO系统生产的水只含有约0.1％分子量为200或200道尔登(Dalton)以上的有机化合物来自进水源。如果存在这种情况，则分子量小于200道尔登的大多数有机化合物将通过此薄膜。同样，蒸馏水通常只含有沸点低于或等于水沸点(100℃)的有机化合物。因此可在用于按本发明系统的蒸馏水的进水源中发现低分子量的化合物或较易挥发的化合物。DI水基于预处理装置和离子交换树脂可吸收大分子量有机有害物质的功能，典型地也含有低分子量的有机碳化合物。然而，来自大型中央系统或服务-交换系统的DI水偶而会产生大量有易变的分子量的有机碳，并因而必须基于离子交换树脂对于氧化作用和预处理装置破损的敏感性，准确地监测作为来自其他预处理工艺的产品水的有机物污染状况。蒸馏水、RO和DI水典型地含有ppb或mg/l级的有机碳水平。饮用水通常含有ppm或mg/l级的有机碳水平。DI水尽管一般含有低分子量的有机化合物，仍可能存在问题。因此优选地如在图2中举例表示的那样在氧化还原剂前制备准确牺牲的碳。
还应指出，新安装好的水预处理系统，包括RO、DI、EDI和蒸馏在内，可能是一个有较高分子量的有机碳化合物源，它们溶解或悬浮在来自供应此水的水管的水流内。这些化合物可能是管道的切割-润滑剂、增塑剂、钎焊熔剂和塑料聚合物。在新设备中这些潜在的有害物质往往缩短工作时间。此外，由于这种污染的可能性，推荐使用准备牺牲的碳，以保护氧化还原剂。
另一些优选的介质由具有半导体特性的高纯度混合层离子交换树脂组成。这种树脂包括化学当量40体积百分比的强酸阳离子树脂，按比例与60体积百分比的弱基阴离子树脂混合。优选的材料在市场上作为lonac NM60-SG混合层离子交换树脂可以从Sybron Chemicals inBirmingham，New Jersey买到。这种介质规定用于除去基本上全部离子的有害物质，它们源自进水源和从处于系统上游的活性炭和/或催化介质游离的离子。这种混合层树脂介质优选的量通常以双室外壳中一个单室的总容量为基础以及在上面已提及的相同流量时在40与100％之间。这种离子交换树脂制成的水可有在25℃时校正的单位电阻18.2Megohm·cm，和有痕量(Spurenmenge)的从树脂溶解的有机碳容易萃取的排出物。这些离子交换树脂-介质优选地处于图1中第一双外壳A第二室内，以及针对大多数预期的应用优选地占此室内容积的100％。此层(Bett)还提供系统总的离子交换能力的绝大部分。
然后，从第一双室外壳的排出物优选地用紫外线辐射装置(UV)进一步处理，下面对此详细讨论。
当使用UV处置时，为了防止损坏处于UV室下游的离子交换树脂，优选地采用催化活性炭构成的第四层作为在图1所示第二个双室外壳B内接触的第一种介质。此催化活性炭规定用于去除过氧化氢，由此防止下游的离子交换树脂氧化。此介质优选的形式是一种有20×50单位筛孔数的沥青材料，它包括一种由氧化和煅烧的沥青炭或煤焦油沥青组成的混合物，在美国专利Nr.5356849中说明了这种混合物，此专利公开的内容通过引用包含在本文中。此介质在市场上作为Centaur可从Calgon Carbon Corporation in Pittsburgb，Pennsylvamia买到。基于与传统的活性炭相比很大的过氧化物活性，所以要更注意保护下游的离子交换树脂。此介质优选地有最大的过氧化物数为14。过氧化物数是一种度量，用于表明介质降解过氧化氢的速度有多快。传统的以沥青为基的活性炭比较表明有过氧化物数为40，而以褐煤为基础的活性炭有过氧化物数为60，以及以椰子为基础的活性炭有过氧化物数＞120。这种催化活性炭介质优选的量以双室外壳中一个单室的总容积为基础以及在有上面已提及的相同的流量时为15至30体积百分比，特别优选地16.6至25体积百分比。
催化的碳介质与过氧化物的反应产物是水和氧，其中，由所产生的氧量可化学计算出所破坏的过氧化物的量。所产生的氧在系统优选的工作压力为15psig的条件下被强迫溶解，但部分被下游的活性炭介质吸附。
UV处置水从第一双室外壳A的出口向316L不锈钢制的UV反应室46流动。反应室46包含一个低压大功率紫外(UV)灯，它与一前接的电子仪器连接。UV灯和不锈钢室的直径设计为，能在灯与内室壁之间形成一薄的水层。这迫使水最紧地邻近UV灯，从而有效地利用辐射线。UV灯规定用于以185nm波长大功率辐射，为的是减少水中总的有机碳。发射的射线中一大部分也在254nm范围内发射，它在反应室内提供杀菌作用。除了针对KDF介质已说明的微生物控制外，这还进一步减少系统中活的微生物数量。UV反应器在市场上可以从TrojanTechnologies Inc in Ontario，Kanada买到。
从UV室出来的水由于有机物质在室内氧化产生二氧化碳因而有减小了的单位电阻。从此室出来的水还由于UV射线作用在溶于水中的氧上而含有痕量的过氧化物和臭氧。一些中间的有机酸由于有机物质的不完全氧化，可能也存在于反应室内。
过氧化物和臭氧损害离子交换树脂，导致损失交换能力和水中TOC增加。损失交换能力和TOC增加是离子交换树脂聚合结构降解的结果。交换点被破坏以及有机化合物从分解的树脂游离在水中。这些问题典型地通过用以炭为基础、以椰子壳为基础的活性炭或用未规定专门用于除去过氧化物的合成的活性炭处理来解决。炭、椰子壳和合成的碳去除通过UV射线产生的有机酸。这是期望的，以防止有机酸流过树脂并停留在设备的产品水中。不过这些活性炭种类在去除过氧化物的能力方面显著不同，过氧化物危及离子交换树脂的结构完整性。
通过用波长在185nm范围内的UV辐射，水中有机化合物的氧化反应是复杂的。最后通过UV氧化实施破坏有机物方法的技术说明，主反应物是游离羟基，它们在反应室内产生。羟基与有机化合物反应形成二氧化碳和水。二氧化碳与水反应生成碳酸，它通过离子交换去除。在与有机化合物反应时不需要的羟基形成过氧化氢。
系统的工作图1至4示意表示四种作为范例的系统，其中相同的字母和数字表示同样的部分。
图1表示用于净化任何一种上面已提及的优选的进水的系统基本结构。水从进水源40通过调压器42进入泵44，调压器优选地保持在15±2psig，然后，水进入第一双外壳A室1的上侧，向下通过室1的介质和向上通过收集腔a′流动，接着向下通过室2中的介质流动，然后通过收集腔a″离开室2。
水从第一双外壳A出来优选地去UV反应器46，在那里遭遇紫外光，然后引向第二双外壳B室1的上侧，之后向下通过此室1的介质，通过收集腔b′向上去室2的上侧，向下通过双外壳B室2的介质流动并经由收集腔b″离开此外壳。
在图1至4表示的双外壳A和B内优选的介质用数字1至5表示如下1 氧化剂2 经酸洗的沥青活性炭3 经酸洗的椰子壳活性炭4 有半导体特性的混合层离子交换树脂以及5 过氧化物数≤14的催化活性炭图2至4表示与图1中类似的流程图，但有上列举的净化剂不同的组合。图2所示的系统特别适用于处理自来水和来自DI和EDI源的水，而图3所示的系统适用于处理蒸馏和RO源的水，以及图4表示的系统主要采用离子交换介质和不使用UV处理，它有大的生产能力或允许大的体积流量。图4中表示的材料组合提供了最大的离子交换容积，由此有最大的离子交换能力。图4所示的设备最好在极度希望使用高离子交换能力以及在排出物中很少或不涉及较高TOC值时采用。由于在优选的UV位置下游没有用催化碳和活性炭处理，所以不使用UV。在此处理方式中，在第二双筒包装中的树脂由于生成过氧化物和/或臭氧而被损害。
显然，本发明可考虑使用两个以上的双外壳，若是这种情况，则优选地它们按这样一种方式添加它们与双外壳A和B排成行以及流动在下游通过这些附加的包含在它们中的介质进行。
经处理的水在从双外壳B(或在多于两个外壳的情况下从第n个双外壳)排出后，按选择优选通过超滤(UF)截止/冲洗阀48和超滤49导引。超滤通过回流管70与UF冲洗阀50和控制阀51流体联通，以防止未经处理的进水回流，以及，如果需要，超滤最后与调压器42和泵44联通用于下一个处理循环。
经处理的水从超滤49通过电阻率元件52流动，在那里确定水的单位电阻。调压器42有四个口，亦即进水口40、去往泵44的出口和两个通过控制阀51或57的回流管70和80的进口。进水口40提供用于另一些口的压力调节，并因而只有在超净水从系统取出时才允许水进入。当没有水从系统取出时，从超滤49精制和渗透的回流水供应泵44。从水电阻率元件52引向分配阀54，然后流过终端滤55和出口56。滤的此出口就是系统的出口56。分配阀54可以使未取出的经处理的水经回流管80流回系统内，此时防止未处理的进水通过控制阀57回流。经处理的水的TOC水平借助TOC传感器62监测，它与一预滤器60流体联通。
在由催化的活性炭介质组成的层上接着优选地是另一个由酸洗的单位筛孔数(mesh)20×50的椰子壳活性炭组成的层，用于去除在UV反应室内可能产生的臭氧和有机酸。与之相继的优选地是另一个由有半导体特性的高纯度混合层离子交换树脂组成的层。此介质占据第二双外壳B第一室内留下的容积并保证系统有附加的离子交换能力，而与此同时去除所有通过UV处理产生的二氧化碳以及从活性炭溶解的离子物质。
离开第二双外壳B第一室底部的水，向上到达第二双外壳第二室上侧，在那里水优选地遭遇另一个由单位筛孔数20×50经酸洗的椰子壳活性炭组成的层，它去除痕量有机化合物如磺化苯乙烯、甲胺和氯化的烃，它们可能从处于上游的离子交换树脂洗提。这样一种介质层减少从一开始和在系统的寿命期存在于进水中的有机有害物质的量。
优选的终端介质层由有半导体特性的高纯度混合层离子交换树脂组成。此层保证最后离开双外壳的水在25℃时单位电阻至少为18.2Megohm·cm和有极低的在ppb范围内的ToC含量。
对于使用超滤49的系统，在第二双外壳B下游和在超滤49前设一三通电磁阀或截止阀48，它用于在双外壳安装后双外壳的起始冲洗。水在进口(i)进入阀48和经出口(ii)离开，以及在正常工作时流往超滤49的进口。若安装了新的双介质外壳A和B，则关闭出口(ii)和打开出口(iii)排空。
截止阀48只是在要求冲洗新装料的双外壳时才活化。在正常的工作条件下阀允许水去往超滤和系统出口56。冲洗过程规定在超滤49上游进行，以防止空气和初始冲洗水进入超滤外壳内。由于超滤对相当低的分子量有滞留能力(＜30 Dalton)，优选的是，要不然会进入超滤外壳内的起始冲洗水和空气应在接触超滤膜前排除。由聚醚砜(PES)构成的若干超滤膜典型地从预加湿的状态供应，以使流体易于流动。若这些膜变干，则流动减少或完全终止。
在超滤49内一些潜在的有害物质可能会增加时间，这是需要的，以便使水达到期望的纯净水平为18.2Megohm·cm。这种潜在的有害物质包括内含的空气、粒子、有机碳化合物和荷电的离子交换粒子。有机碳化合物可粘附在膜上并促使有害物质提前分离，从而增大产品水的TOC。荷电的离子交换粒子也会粘在膜上。离开最后那个双室外壳的排出水体积中质量差的水，可能在超滤外壳、膜和膜定距器内引入离子有害物质，从而为达到纯净水平为18.2Megohm·cm同样要增加时间。尽管空心纤维膜不如螺旋形缠绕的膜对这些问题那么敏感，这些问题是由于为起动水的渗透典型地使用的润湿剂与空气接触相关联的，但它们仍然始终取决于上面提及的粒子、有机和离子有害物质的潜在的可能性，它们典型地是在净化系统初始投入运行期间产生的。
由于所有这些原因，希望在它们进入超滤49前除去这些可能的有害物质。为达到此目的，三通磁阀或截止阀48优选地用一种惰性材料构成，如聚偏氟乙烯(PVDF)、聚丙烯(PP)或聚四氟乙烯(PTFE)。一种优选的截止阀48是Nr.AS2036-S36，它可从Precision Dynamicsin New Britain，Connecticut买到。作为替换，一种由相同材料构成以及固定在一个安装在流路内的T形耦联管上的双通阀也够了，只要将通过耦联管造成的死容积(Totvolumen)减到最小程度，优选地减小到不大于流路管内径的六倍。优选的阀是磁动阀，它通常是关闭的，比如它其中一个口通常是打开的，而第二个口通常是关闭的(三通)，或此阀通常是关闭的(双通)。所有此类阀优选地在其打开前不接通，从而减少通过能量产生的热，这是需要的，以便于将阀打开。与之相反，若阀连续供电，则在系统中产生巨大的热量。
超滤49设在截止/冲洗阀48下游，以及它应用于隔离革兰氏阴性的细菌引起的内毒素(脂多糖)和其他有机分子。如上面已提及的那样，超滤49可由空心纤维膜或螺旋形缠绕的膜组成，它们通常在水净化工业中使用。超滤典型地作为横向流过滤器工作，其中，进水沿膜表面的上游侧到精水口(Konzentratffnung)或排出口，在那里水最终从超滤外壳作为精水流流出。在螺旋形缠绕的超滤膜内，切向通过螺旋膜流动的水收集在中心管内并作为产品水离开外壳，这种水通常称渗透水(Permeat)。
空心纤维超滤包含许多空心纤维，它们允许水从外壳进口到达精水出口，典型地从纤维的内径或内侧到外侧并平行于纤维。水切向地强迫从每根纤维流出到膜的渗透侧。不仅在螺旋形缠绕的超滤器内而且在空心纤维的超滤器内，精水流典型地被节流，以造成压差，压差迫使水流向膜的渗透侧。这种节流可借助控制阀51以爆破压力“cracking pressure”为5psig或更大达到，此爆破压力通过超滤49在水流上施加一个反压。典型地精水流等于供入过滤器的总水体积的约10％。
在按本发明的系统中，不仅精水流而且渗透水流在此系统内经管道70或80循环流动。精水流可借助控制阀51或通过一过压阀或一节流器(图中未表示，但设在同一个相对位置)调整。精水经调压器42回流到系统泵44抽吸侧进行循环。磁活化的UF精水冲洗阀50优选地设在精水流70内，它考虑到为放出精水流周期性大流量冲洗。这在24至48小时内进行一次，以有助于超滤膜上部流动侧的清洗。优选的冲洗阀50是Precision Dynamics in New Britain，Connecticut的Nr.B20371-52。
超滤49下游优选地有一电阻率元件52，它优选地由上面已提及的相同的惰性材料制成。在电阻率元件52内使用一个传感器，它监测水的单位电阻和/或电导率，其中温度标准化为25℃。电阻率元件52与测量仪-控制设备连接，它指示系统内水的单位电阻或电导率。优选地，传感器设计为有合乎温度校正特性的功能，以便能通过系统的电子控制装置直接监测单位电阻或电导率。温度按选择显示。
离开电阻率元件52的水经过一个短的距离到一个提取或分配阀54，以提取经净化的单位电阻在25℃时至少为18.2Megohm·cm和低的TOC含量的水。分配阀54优选地是一个三通阀，它关闭或节流此阀下游的流动，当要提取净化水时打开，由此提供水的一个单向通路，它防止水回流到系统内。一种优选的分配阀54是Entegris Inc.inChaska，Minnesota的Nr.PCT42-14-2。
在出口设一终端滤55，它优选地包括一层聚醚砜膜(PES膜)，它处于一个聚丙烯外壳(PP外壳)内。这种终端滤55可以从SartoriusAG in Gttingen，Deutschland，als SartoporeSP2-150买到。出口56与终端滤55的出口重合，以及优选地含有一钟罩形外壳，以防止通过空气传输污物。
当系统正常运行以及分配阀54关闭时，水通过阀55流向上游侧，以及从那里起通过回流管80经调压器42回流到泵44吸入侧。控制阀57设在分配阀54与泵44吸入侧之间，以防止进水的污染物到达分配阀54。控制阀51和57还在系统内提供过压，以便输送层流。当为了放水将分配阀54打开时，回流管80关闭或节流，以迫使水流往终端滤55和出口56。
分配阀54下游设TOC传感器用于在线分析TOC。这使得使用者能监测TOC和/或通过系统制成的净水中TOC的发展。通过在此位置设置与TOC测量仪的连接，可望监测到以系统最糟糕的情况为基础的TOC，因为它是使用地点最窄的点以及净水在提取前接触的系统部件最大的表面区。此外，通过在此位置布置TOC传感器，当可能发生故障时可以防止产品水受分析仪器的污染。在提取点上游排除了任何哪怕是最小的死体积。
TOC试样通过优选地形式上为三通T形阀的取样机构获得，它可以使小的水量流往TOC传感器62进行分析以及它优选地用PVDF或PTFE制成。用于此目的的一种优选的三通T形阀是Parker HannifinCorp.in Ravenna，Ohio的Nr.F4TU4。设一个连接段，它可以与一小的喷射式滤60连接。不使用滤60，TOC传感器62会遭受由工作引起的水处理系统中粒子和细菌的干扰。滤60优选地使用达0.45μm的孔隙直径并设计为在水进入TOC传感器62中前将粒子和细菌从水中分离出来。此滤优选地用PP和PES制造。但也已证明，用聚碳酸酯和PES或Polymade、PVDF和PES或PP和纤维素醋酸酯(CA)制造滤也是可以接受的。(应当注意，CA过滤材料在其安装时可能倾向于失去更多的微粒和润湿剂，因此在安装前和使用期间需要附加的冲洗。)此外玻璃纤维的过滤器也能良好地使用。若滤60的结构形式与设在出口56前的滤55类似，则它将提供系统出口可期望的更好的TOC分析结果。
滤60优选的类型是Luer-Lock-Spritzentyp。不过类似的小型滤也够用，它们利用National Pip丝-(NPT-)、软件-、倒钩-或其他医疗连接机构。这种滤在证明较大的气孔尺寸对于拟定的应用已足够时，气孔大小不必受0.2或0.45μm的限制。
举例建设一个有基本上与图2所示的相同配置的净水系统并在使用RO进水的条件下进行评估。此RO系统由一个具有活性炭和折叠式过滤器预处理的双膜单元组成。RO产品水在25℃时的单位电阻为85至150Kohm·cm以及TOC含量为0.5至0.8ppm并装在一个40升压力容器内，它通过聚乙烯管向净化系统供应约55psig的水。
自来水系统由一个Trojan Technologies-UV反应室46和一个空心纤维超滤49组成，后者包括聚碳酸酯外壳、聚氨酯嵌入装置和聚酰胺空心纤维膜。
分别有两个有1400cm3体积的室的用于总容积5600cm3的两个双外壳A和B，装填有优选地在图2中表示的净化剂类型，它们按下列接触顺序和有下列体积百分率外壳A，室1 16.6％介质2、8.3％介质1、16.6％介质5和58.5％介质3；外壳A，室2 100％介质4；外壳B，室1 20.8％介质5、25％介质3和54.2％介质4；以及外壳B，室2 20.8％介质3和79.2％介质4。在安装双外壳A和B后，打开去往系统的进水管，为系统供电并开始冲洗循环。进入系统内的水通过调整为15±2psig的调压器42流向隔膜泵44，它将进水置于压力35psig供给系统。离开泵44的水在流向UV反应室46之前进入第一双外壳A进行处理。离开UV反应室46的水进入第二双外壳B进行处理。从第二双外壳B流出的水约冲洗20分钟通过设在超滤49上游的截止/冲洗阀48(Precision Dynamics Nr.AS 2036-536)放出，这总计冲洗双外壳A和B铺层体积5次或冲洗双外壳内离子交换树脂铺层体积将近10次。由此润湿超滤49上游的全部系统部件，以及从管路和从离子交换树脂冲洗掉全部细小的粒子和大部分表面杂质。在20分钟的冲洗循环后关闭截止/冲洗阀48以及打开在超滤49精水侧的UF冲洗阀50(Precision Dynamics Nr.B20371-52)。分配阀54(Entegris Nr.PCT4-2-14-2)与UF冲洗阀50也同时打开，使水冲洗15分钟不仅可以通过超滤49的精水侧而且可从通过其渗透侧放出，以便由此去除空气和润湿剂。在此15分钟冲洗循环后关闭冲洗阀50以及水继续冲洗5分钟通过分配阀54放出，以便将此系统置于能正常运行的压力之下并支持从系统冲洗出余留的空气。流向分配阀54的水通过一个含有与测量仪连接的电导率/电阻率元件52的元件容器到达。
人们让在超滤49精水侧的水向调压器42回流。一个设在精水流70内的10psi控制阀51向超滤49提供一个反压，因此可以使水在系统压力下流向超滤组件进行终端冲洗。在冲洗5分钟后关闭分配阀54，从而可以使水通过管道80在循环内向调压器42回流。当阀54为提取净化水而打开时，分配阀54关闭管道80内阀54下游的水流，由此防止产品水在提取期间绕行。循环管80包含一个控制阀57，它限定0.5psig，在这种情况下有助于在回流期间补偿系统流动并向系统提供少许反应，以便输送层流。
在系统冲洗后，在分配阀54上借助1/4英寸NPT安装一个用除垢剂预润湿的0.2μm PES薄膜式过滤器55(Sartorius SartoporeSP2-150)。此滤用8至10升系统水冲洗，以去除润湿剂。在此时刻，人们让经1小时处理的水回到此系统，在此期间借助Thornton 200CR测量仪和0.1恒定电池监测水的电阻率，它们被校准到NationaiInstitute of Standards and Tecnology的标准。在约20分钟循环后，净化水的单位电阻在25℃修正为18.03至18.12Megohm·cm。观察到不同的短时间降到低于18.0Megohm·cm。在一小时循环后，电阻率稳定为约18.0Megohm·cm。
电阻率稳定后，此与分配阀54一起使用的同一个0.2μm PES的滤出口通过聚四氟乙烯管装在一个Sievers Modell 800-TOV分析仪上进行在线TOC分析，以及此分析仪被供给约3psig的水。TOC分析按仪器规范实施多个小时并处于13.0与18.0ppb之间。在此时刻系统被置于备用模式，由此系统关停45分钟以及水在每小时内循环流动15分钟。
在第二天早晨人们接通系统并在起动TOC分析仪前让系统循环30分钟。经过多个小时后TOC处于8.9与4.5PPb之间。TOC分析仪从系统取样用于大功率液相色谱法分析(HPLC分析)净水中有机化合物含量。
埃伦迈厄烧瓶三小时加热到400℃，以去除所有粘附的有机碳化合物，然后用铝膜覆盖冷却一小时，接着在瓶内收集系统产品水的试样125ml。试样通过反相大功率液相色谱法(HPLC)，在使用具有一个C-18-Guardsule的Backmann Ultrasphere C-18，5μm-Sule的情况下进行分析。此HPLC系统由溶剂模块Modell 126和检测器模块168组成并使用软件系统Gold 32。初始调整用100％ Acetonitril在2.0ml/min的情况下进行。在时刻零时，色层谱仪将100％水试样转换为流动相。60ml水试样通过Sule以2.0ml/min泵送。在60ml试样增浓结束时经过下30分钟在运行时间的65分钟时补充试样实施一种返回100％Acetonitril和2.0ml/min的梯度。210-nm色谱图对于证实潜在的有害有机化合物是最关键的。若试样在210nm或254nm时没有看见明显的峰值，则表明没有有害的有机化合物。
在HPLC分析后，在后4天内系统工作约8小时，每天晚上仍处于备用模式。每天从系统提取至101水。TOC因而处于小量如0.28至0.62ppb。在经过较长时间的取样后确定TOC范围为1.5至2.5ppb，这包括二小时连续的在线分析。单位电阻对于整个4天的周期保持为约18.0Megohm·cm。此系统的工作在纯度水平为18.2Megohm·cm和低于1.0ppbTOC的条件下连续数月，直至置换终端滤55。
系统内的进水切换为当地的自来水。约101水从系统流出，以保证用自来水置换系统所含的容积。自来水进水的单位电阻为4.1至4.6Kohm·cm。自来水TOC水平处于1.3和1.8ppm之间。游离氯的水平在0.2与0.28ppm之间。系统用自来水进水运行多日，并确定系统净化后的产品水的单位电阻在18.0至18.2Megohm·cm范围内，TOC小于5.0ppb，以及没有证据表明发现游离氯。
在前面的说明中使用的符号和术语在这里是说明性的而无限制之含义，在采用这种符号和术语时并不排除与所表示或所说明的特征或部件等效的对象，在此应当指出的是，本发明的范围只通过下面的权利要求确定和限制。
权利要求
1.制造单位电阻至少为18.0Megohm·cm、有机碳总含量小于1ppb的超净水的系统，包括下列的全都互相流体联通的部件(a)一个进水源；(b)一台泵；(c)至少两个双外壳用于容纳至少五种净化剂，它们从由氧化剂、经酸洗的沥青活性炭、经酸洗的椰子壳活性炭、有半导体特性的混合层离子交换树脂和过氧化物数≤14的催化活性炭组成的组中选择，其中，每个双外壳有两个彼此相邻的室1和2，它们通过一公共的壁隔开以及互相串联地流体联通；(d)一个单位电阻传感器；(e)一个分配阀，它允许超净水从系统输出，与此同时阻止下游的流动；(f)一个在使用地点的过滤器，直接在分配阀下游以及平均孔隙尺寸至多0.2μm，它可以除去粒子和细菌；(g)一个在泵与分配阀之间的第一控制阀，用于阻止进水回流；以及(h)一个有过滤器连接装置的采样口，它与一台可分析由系统制成的超净水中有机碳总含量的仪器联通。
2.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，包括一个对＜30000道尔登分子量有截留能力的超滤器，它布置在至少两个的双外壳与单位电阻传感器之间。
3.按照权利要求2所述的系统，其特征在于，它包括(i)一个在至少两个双外壳与超滤器之间的第一冲洗阀和(ii)在超滤器与泵之间的一个第二冲洗阀和一个第二控制阀。
4.按照权利要求1至3之一所述的系统，有两个双外壳A和B，它们含有水处理介质。
5.按照权利要求4所述的系统，其特征在于，它包括一个在双外壳A与B之间的紫外反应室，以及，双外壳A按下列顺序在室1和2内含有下列介质室1·氧化剂·酸洗的椰子壳活性炭室2·有半导体特性的混合层树脂双外壳B按下列顺序在室1和2内含有下列介质室1·过氧化物数≤14的催化活性炭·酸洗的椰子壳活性炭·有半导体特性的混合层树脂室2·酸洗的椰子壳活性炭·有半导体特性的混合层树脂。
6.按照权利要求5所述的系统，其特征在于，氧化剂包括一种Cu/Zn合金的颗粒，酸洗的椰子壳活性炭有单位筛孔数20×50，以及过氧化物数≤14的催化活性炭包括一种由氧化和煅烧的沥青碳和煤焦油沥青组成的混合物。
7.按照权利要求4所述的系统，其特征在于，它包括一个在双外壳A和B之间的紫外反应室，以及，双外壳A按下列顺序在室1和2内含有下列介质室1·酸洗的沥青活性炭·氧化剂·过氧化物数≤14的催化活性炭·酸洗的沥青活性炭室2·有半导体特性的混合层离子交换树脂双外壳B按下列顺序在室1和2内含有下列介质室1·过氧化物数≤14的催化活性炭·酸洗的椰子壳活性炭·有半导体特性的混合层离子交换树脂室2·酸洗的椰子壳活性炭·有半导体特性的混合层离子交换树脂。
8.按照权利要求7所述的系统，其特征在于，氧化剂包括一种Cu/Zn合金的颗粒，酸洗的椰子壳活性炭有单位筛孔数20×50，以及过氧化物数≤14的催化物活性炭包括一种由氧化和煅烧的沥青碳和煤焦油沥青组成的混合物。
9.按照权利要求4所述的系统，其特征在于，它包括一个在双外壳A与B之间的紫外反应室，以及，双外壳A按下列顺序在室1和2内含有下列介质室1·氧化剂·过氧化物数≤14的催化活性炭·酸洗的椰子壳活性炭室2·有半导体特性的混合层离子交换树脂双外壳B按下列顺序在室1和2内含有下列介质室1·过氧化物数≤14的催化活性炭·酸洗的椰子壳活性炭·有半导体特性的混合层离子交换树脂室2·酸洗的椰子壳活性炭·有半导体特性的混合层离子交换树脂。
10.按照权利要求9所述的系统，其特征在于，氧化剂包括一种Cu/Zn合金的颗粒，酸洗的椰子壳活性炭有单位筛孔数20×50，以及，过氧化物数≤14的催化活性炭包括一种由氧化和煅烧的沥青碳和煤焦油沥青组成的混合物。
11.按照权利要求4所述的系统，其特征在于，双外壳A按下列顺序在室1和2内含有下列介质室1·氧化剂·过氧化物数≤14的催化活性炭·酸洗的椰子壳活性炭室2·有半导体特性的混合层离子交换树脂双外壳B按下列顺序在室1和2内含有下列介质室1·有半导体特性的混合层离子交换树脂室2·有半导体特性的混合层离子交换树脂。
12.按照权利要求11所述的系统，其特征在于，氧化剂包括一种Cu/Zn合金的颗粒，酸洗的椰子壳活性炭有单位筛孔数20×50，以及过氧化物数小于14的催化活性炭包括一种由氧化和煅烧的沥青碳和煤焦油沥青组成的混合物。
全文摘要
本发明公开了一种系统，它能够将水净化到实验室质量等级以及按过滤次序包括氧化剂、催化的高能活性炭、紫外线辐射和高纯度的离子交换树脂。此系统产生的纯净水有单位电阻为在25℃时至少18.2Megohm和低的有机碳含量。此系统设计为有足够小的尺寸，以适合在实验室仪表台上使用。
文档编号C02F9/12GK1507419SQ01823302
公开日2004年6月23日 申请日期2001年12月3日 优先权日2001年6月1日
发明者小威廉·P·约尔, 小威廉 P 约尔, T 纳赫特曼, 查尔斯·T·纳赫特曼, 特 R H 吉迪恩, 赫尔穆特·R·H·吉迪恩, T 邓伍迪, 蒂莫西·T·邓伍迪, C 卡尔, 杰米·C·卡尔, 肖尔茨, 托马斯·肖尔茨 申请人:扎托里乌斯股份公司