专利名称：二段式逆渗透水处理系统及其水处理方法
技术领域：
本发明涉及一种二段式逆渗透水处理系统，尤其是一种可以有效地去除水中碳酸成分的二段式逆渗透水处理系统。
背景技术：
在纯水的制造过程中，由于逆渗透水处理系统在去除水中离子以及滤除杂质的水质净化程序的应用上，具有难以取代的经济和功能方面的优势，因此逆渗透水处理系统已经成为使用高纯度纯水的半导体行业与医药行业等的必要设备。逆渗透水处理系统使用上的特点之一是利用一部份排放水，将经过滤浓缩后的水中的杂质排出，以使逆渗透水处理系统能够在不会因杂质积累造成的堵塞的情况下保持稳定地操作。
但在产业集中与发展的过程中，区域性水资源不足的情况已逐渐浮现。为提高水处理系统中水的使用效率，减少处理过程中废水的排放量已成为维持产业持续发展的必要条件之一。为克服已知逆渗透水处理系统排放过多废水的问题，减少必要废水的排放量，有人提出一种二段式逆渗透水处理系统，其通过提高逆渗透所产生水的水质以减少净化(polish)废水的排放量。参看图1，其是已知二段式逆渗透水处理系统的示意图。已知二段式逆渗透水处理系统系包括一前处理器2、第一进水缓冲槽4、第一段逆渗透处理器6、第二进水缓冲槽8、第二段逆渗透处理器10、一过滤水储存槽12及一真空脱气装置14。在进行水处理时，首先在待处理水进入第一段逆渗透处理器6前加入酸，将待处理水的pH值降至4.3以下，以使水中的碳酸成份(例如碳酸根离子或其盐类)完全转变为二氧化碳，以避免水中的碳酸成份在逆渗透处理的过程中与钙等碱土金属的离子结合为碳酸钙等水垢，进而造成逆渗透处理器的堵塞。待处理水经过第一段逆渗透处理器6过滤去除钙离子后，再加入碱试剂以调整水的pH值至8.3以上，以使水中的二氧化碳再转变为重碳酸根离子或碳酸根离子等碳酸成份。接着，再通过第二段逆渗透处理器10去除前述碳酸成份。此时，从第二段逆渗透处理器10排出的水中会具有较高浓度的碳酸成份。向从第二段逆渗透处理器10排出的水中再加酸，使水中碳酸成份全转变为二氧化碳，最后经真空脱气装置14或脱气塔去除水中的二氧化碳。经由此去除二氧化碳处理后的水可以再导入前述第一进水缓冲槽4中与来自水源的待处理水混合后回收利用，以达到减少排放废水的目的。
但前述已知二段式逆渗透水处理系统中仍存在着一些问题，例如由于碳酸成分是酸碱平衡的缓冲剂，致使前述方法中不易进行正确碱量的添加。当加入过多的碱时，除会造成经二段逆渗透处理后的水的水质劣化，并连带加重后段处理的负荷之外，也会造成再度加酸时的追逐现象(hunting)，这导致酸试剂和碱试剂的浪费。一旦加酸系统因追逐现象或pH量测的误差而出现问题时，将会使得碳酸成份与钙离子在第一段逆渗透处理器6中结合并快速形成结垢导致第一段逆渗透处理器6的堵塞，进而造成整个逆渗透水处理系统的崩溃。
另一方面，由于硅是地球上含量第二的元素，待处理水中时常含有大量的二氧化硅(silica)，为了减轻二氧化硅对后段去离子装置造成的负荷，不得不进行两次逆渗透处理。如果发生前述不正确的加碱，会造成待处理水的pH值超过11，则此时二氧化硅会变成溶于水的状态，经逆渗透过滤浓缩后会造成其过饱和而析出，进而造成管路的堵塞。二氧化硅造成的堵塞对逆渗透水处理系统而言，并没有适当的试剂可用，只能用氢氟酸加以清洗，这对操作人员与环境造成的伤害将无法以金钱衡量的。
另外，在已知的二段式逆渗透水处理系统中，最后需要通过使用真空脱气装置14以去除水中的二氧化碳。然而本领域技术人员均了解真空脱气装置的设置与脱气去除水中二氧化碳的处理成本是相当高的，但若使用正压式脱气塔，则易造成菌类和藻类繁殖的问题，且两者都会占据很大的空间，致使得已知的二段式逆渗透水处理系统的体积无法缩小。另一方面，小型纯水使用者因为其规模不足以设置再生式去离子系统，因此必须使用舍弃式去离子树脂来处理水中碳酸成分。然而这样会耗费惊人的成本且产生大量废弃树脂，使用上也并不经济，且会造成环保上的问题。
发明内容
为解决前述在已知二段式逆渗透水处理系统中存在的缺点，本发明的目的是提供一种二段式逆渗透水处理系统，以解决已知二段式逆渗透水处理系统中不易正确加入碱，以及需通过真空脱气装置去除二氧化碳的问题，以减少因过度加入碱对环境所造成的污染，以及提高产水质量以减少进一步水净化处理的废水排放量，以达到省水的目的。
根据本发明的一种二段式逆渗透水处理系统，包含一前处理器，其用于对水进行初步过滤，以滤除水中杂质；第一段逆渗透处理器；一阴离子交换器，其用于去除水中的碳酸成分；以及第二段逆渗透处理器；其中，该前处理器、第一段逆渗透处理器、阴离子交换器及逆渗透处理器，是分别通过一管路依序串接。
本发明的另一目的是提供一种二段式逆渗透水处理方法，以有效地降低已知二段式逆渗透水处理方法中去除水中碳酸成份所需的成本。根据本发明的一种二段式逆渗透水处理方法，其步骤包含(1)自水源取得原水，并去除水中杂质；(2)进行第一段逆渗透处理，以去除原水中的碱土金属离子；(3)进行离子交换，以去除原水中的碳酸成分；以及(4)进行第二段逆渗透处理，以进一步去除原水中的碳酸成分。
来自水源的原水经过本发明二段式逆渗透水处理系统与处理方法处理后，可获得具有良好水质的逆渗透水。由于在本发明中使用阴离子交换器以去除水中的碳酸成分(例如，碳酸根离子与重碳酸根离子)，因此无需使用设置成本和运转成本都较高的真空脱气装置。此外，由于阴离子交换树脂可有效的去除前述的碳酸成分，因此可改善因碳酸成分累积所造成难以调整pH的问题，因此可有效地避免因过度加入碱试剂所造成的经处理后的逆渗透水的水质劣化、后段处理负荷加重以及由于追逐现象所造成的碱试剂与酸试剂的浪费等问题。
本发明将通过参考下列的实施方式做进一步的说明，这些实施方式并不限制本发明前面所揭示的内容。本领域技术人员，可进行某些改良与修饰，但仍不脱离本发明的范畴。
图1是已知二段式逆渗透水处理系统的示意图。
图2是本发明二段式逆渗透水处理系统的示意图。
图中2前处理器4第一进水缓冲槽6第一段逆渗透处理器8第二进水缓冲槽10第二段逆渗透处理器12过滤水储存槽14真空脱气装置18水源20前处理装置22第一进水缓冲槽24第一段逆渗透处理器26混合器28阴离子交换器30第二段逆渗透处理器32过滤水储存槽34小型阴离子交换树脂具体实施方式
参照图2，其是本发明二段式逆渗透水处理系统的示意图。根据本发明所指出的二段式逆渗透水处理系统，包含一用以对水进行初步过滤以滤除水中杂质的前处理器20、第一段逆渗透处理器24、一阴离子交换器28与第二段逆渗透处理器30。其中，该前处理器、第一段逆渗透处理器、阴离子交换器及逆渗透处理器分别通过一管路依序串接。
在使用本发明的二段式逆渗透水处理系统进行水处理时，首先将来自水源18的原水通过前处理装置20，以去除原水中的杂质，包含砂粒、有色物质与气味物质，但并不仅限于此。可应用本发明中的前处理装置，只要是任何已知可应用于去除水中杂质的处理装置皆可被应用于本发明中，在此可举出的例子包含砂滤过滤器与活性碳处理器，但并不仅限于此。
由于已知当水的pH值降至4.3以下时，水中的碳酸成分会完全转变成为二氧化碳，因此在此将经前处理装置20处理后的原水加入酸试剂来调整其pH值使其不超过4.3，以使水中的碳酸成分转变成为二氧化碳。前述的碳酸成分包括碳酸根离子与重碳酸根离子，但并不仅限于此。接着，将调整过pH值的水通入第一段逆渗透处理器24中进行处理。为确保前述加入的酸试剂可均匀地混入水中，且能够便于监测水中的pH值，较优选的是，在水经前处理装置20处理后，先进入第一进水缓冲槽22中，使酸试剂可均匀地混入水中，便于调整其pH值，之后再将水引入第一段逆渗透处理器24中。前述的酸试剂只要是已知可用于调整pH值的，就可以应用于本发明中，可举出的实施例包含盐酸(HCl)，但并不仅限于此。
经过第一段逆渗透处理器24对水进行处理，可将水中所含有的碱土金属离子滤除，因此所排出的废水中将会含有高浓度的碱土金属离子，而通过第一段逆渗透处理器24后的水中仅含有低浓度的碱土金属离子，其可去除水中95％以上的碱土金属离子。前述的碱土金属离子包括钙离子，但并不仅限于此。由于水中的碳酸成分已转换为二氧化碳，因此不会与水中的钙离子结合形成碳酸钙沉淀，而阻塞第一段逆渗透处理器24。水中的二氧化碳能够通过第一段逆渗透处理器24而存留于经处理过的水中。
之后，向通过第一段逆渗透处理器24后的水中加入碱试剂，使水的pH上升，使经前述处理的水中的二氧化碳再转换为碳酸成分。接着，将调整过pH值的水通入阴离子交换器28中进行处理。在此时加入碱试剂的量，无需达到使水中的二氧化碳全部溶于水中转换为碳酸成分的程度，仅需要有一部分转换成碳酸成分即可。当水中碳酸成分被阴离子交换器28所吸收时，水中二氧化碳与碳酸成分之间的平衡即会受到破坏，这样水中的二氧化碳即会被溶解再转换为碳酸成分以使其平衡得以维持。因此，这样即可减少使水中二氧化碳全部溶于水中转换为碳酸成分所需的碱试剂用量。另外，为确保前述加入的碱试剂能够均匀地混入水中，较优选为水经加入碱试剂后，先经过一混合器26中，使碱试剂可均匀地混入水中，便于可以迅速地调整水的pH值。前述的碱试剂只要是已知可用于调整pH值者，皆可应用于本发明中，可举出的例子包含氢氧化钠(NaOH)，但并不仅限于此。前述混合器只要是已知可用于使液体均匀混合的，就可以被应用于本发明中。本领域技术人员可以通过阅读本说明书可轻易地了解到，前述的混合器也可以用缓冲水槽或其它可达成相同功能的装置来替代。当带有碳酸成分的水通过阴离子树脂交换器28时，水中的碳酸成分即可以被阴离子树脂交换器28所吸收而被从水中去除。
最后，水再通过第二段逆渗透处理器30进行处理，以进一步去除水中残留的碳酸成分，即可获得具有良好水质的水，此经处理过的水可先储存于过滤水储存槽32中。为避免空气中的二氧化碳再度溶入水中，较优选为过滤水储存槽32预先充填氮气。另一方面，经由第二段逆渗透处理器30处理后所排出的废水，由于仅含有少量的碳酸成分，因此可以经过回收再送至第一进水缓冲槽22中与经前处理装置20处理后的原水混合，以可减少原水的需求量。
为实时监控水处理系统中碳酸成分不会累积超过水处理系统的负荷，较优选的是在第二段逆渗透处理器30的产水口(亦即经处理过后的水的排水口)处设置水阻表(water resistance tester)，用以检测水的电阻率来实时监测水中碳酸成分的累积状况。当阴离子交换树脂28接近饱和时，水中的碳酸成分即会增加，此时水阻表会因水阻下降而发出警报，这样即可得知此时需进行阴离子交换树脂28的再生，以确保本发明水处理系统的正常运作。为进一步确保本发明水处理系统未及时停机时，也能维持水处理系统中的碳酸成分不会突然地大幅增加，较优选的是在第二段逆渗透处理器30与第一进水缓冲槽22间设置小型阴离子交换树脂34，以进一步确保碳酸成分不会在系统中造成累积。
由于本发明水处理方法中使用了阴离子交换树脂，因此可解决二氧化碳去除比例的变量，使得水处理系统状况的控制变得较为单纯，且一旦达到稳定的调整结果，水处理系统的状况就将只受原水水质变动的影响。这方面就自来水而言，通常是指水温的变化；对地下水而言，则会受丰水期与枯水期的水质变动影响。这些因素的改变都是渐进的，只要有pH表的读数做参考都足以应变。
另一方面，在前述离子交换器因吸收水中碳酸成分而达到饱和时，此时即需要对离子交换器进行再生，以将所吸收的碳酸成分释放出，因此离子交换器的再生排水中将含有高浓度的碳酸成分。为解决此废水排放问题，本发明中可进一步包含一步骤，即将此含有高浓度碳酸成分的再生排水与前述由第一段逆渗透器所排出的含有高浓度碱土金属离子的废水混合，以使此混合液中的碳酸成分与碱土金属离子结合而形成沉淀的形式析出(例如，形成碳酸钙沉淀)，以此即可使此废水混合液软化，并使其可回收再利用。最后，再将以此方式软化后的废水与来自水源的原水混合后，即可减少原水的需求量以及废水的排放量。
权利要求
1.一种二段式逆渗透水处理系统，包含一第一段逆渗透处理器，其用以去除水中的碱土金属离子；一阴离子交换器，其用以去除水中的碳酸成分；以及一第二段逆渗透处理器，其用以进一步去除水中剩余的碳酸成分；其中，该第一段逆渗透处理器、阴离子交换器及逆渗透处理器，是分别通过一管路依序串接的。
2.权利要求1中所述的二段式逆渗透水处理系统，其中前处理器与第一段逆渗透处理器间进一步设置一第一进水缓冲槽。
3.权利要求1中所述的二段式逆渗透水处理系统，其中第一段逆渗透处理器与阴离子交换器中，进一步设置一混合器。
4.权利要求2中所述的二段式逆渗透水处理系统，其中第二段逆渗透处理器的废水排水口，经由一管路与第一进水缓冲槽连接。
5.权利要求4中所述的二段式逆渗透水处理系统，其中在第二段逆渗透处理器与第一进水缓冲槽间的管路上进一步设置有一小型阴离子交换器。
6.权利要求1中所述的二段式逆渗透水处理系统，其中第二段逆渗透处理器的废水排水口进一步连接一过滤水储存槽。
7.权利要求6中所述的二段式逆渗透水处理系统，其中过滤水储存槽中充填有氮气。
8.权利要求4中所述的二段式逆渗透水处理系统，其中第二段逆渗透处理器的产水口进一步设置有一水阻表。
9.一种二段式逆渗透的水处理方法，其步骤包含(1)自水源取得原水，并去除水中的杂质；(2)进行第一段逆渗透处理，以去除原水中的碱土金属离子；(3)进行离子交换，以去除原水中的碳酸成分；以及(4)进行第二段逆渗透处理，以进一步去除原水中的碳酸成分。
10.权利要求9中所述的水处理方法，其中在步骤(2)前进一步包括调整原水的pH值使其不超过4.3。
11.权利要求9中所述的水处理方法，其中在步骤(3)前进一步包括调整原水的pH值至碱性范围，以使原水中的二氧化碳转换为碳酸成份。
12.权利要求9中所述的水处理方法，其中该水处理方法进一步包含下列之步骤(a)将步骤(3)进行再生所产生的再生排水与步骤(2)所产生的过滤废水进行混合；(b)使再生排水中的碳酸成分与过滤废水中的碱土金属离子结合、析出并沉淀；以及(c)去除沉淀物后将再生排水与过滤废水的混合液回收与原水混合。
13.权利要求9中所述的水处理方法，其中该水处理方法进一步包含检测水的电阻率，以实时监测水中碳酸成分的累积状况。
14.权利要求9中所述的水处理方法，其中该碱土金属离子是钙离子。
15.权利要求9中所述的水处理方法，其中该碳酸成分是碳酸根离子。
16.权利要求9中所述的水处理方法，其中该碳酸成分是重碳酸根离子。
全文摘要
本发明提供一种二段式逆渗透水处理系统及其水处理方法。本发明水处理系统包括通过管路依次串接连通的第一段逆渗透处理器、阴离子交换器，以及第二段逆渗透处理器。本发明水处理系统可有效地解决已知二段式逆渗透水处理系统在进行水处理时所可能遇到的结垢堵塞的问题，并可以达到节省水资源的目的。
文档编号C02F1/44GK1978334SQ200510125748
公开日2007年6月13日 申请日期2005年12月1日 优先权日2005年12月1日
发明者史孝虎 申请人:史孝虎