用于水软化的方法和水软化装置与流程

背景技术：

已经提出一种用于水软化的方法。水软化，即尤其主要去除caco3和微量的镁，尤其在家庭领域中主要通过三种不同的技术进行。一方面，通过离子交换器，其效率很高并且伴随着低的电能消耗，其中，必须周期性地更换“已消耗”的盐。此外，通过反渗透进行所述水软化，其中，将待净化的水挤压通过一个膜。反渗透伴随着高的电能消耗以及高的水消耗。此外，通过电容式去离子(capacitivedeionisierung，cdi)进行所述水软化。在此，水被泵送通过电容器。施加的电压将溶解在水中的离子吸走。在此，必须周期性地再生电极，由此使得运行不连续。

技术实现要素：

本发明从一种用于借助电容式水软化装置来进行水软化的方法出发，其中，在至少一个方法步骤中，借助至少一个电容器来将水软化并且提供经软化的产物水。

提出，在至少一个方法步骤中，将产物水的离子浓度调节到限定的值。

“产物水”尤其应理解为由水供给设施、尤其水厂、饮用水供应厂等提供的作为水供给、尤其作为饮用水供给的水，并且在水软化装置中经历了净化、尤其软化。“软化”应优选地理解为去离子化、尤其是脱钙。“去离子化”应理解为从含离子的混合物、尤其水性混合物中至少基本上去除带电成分、尤其离子成分。优选地应实现带电成分优选至少10％、特别优选至少50％、非常特别优选至少90％的减少，例如实现3°dh的目标硬度。“脱钙”应理解为从含石灰的混合物、尤其含石灰的含水混合物中至少基本上去除石灰、尤其caco3和微量的镁。优选地应实现石灰含量优选至少10％、特别优选至少50％、非常特别优选至少90％的减少。

优选地，在至少一个方法步骤中，使水、尤其未经净化的水尤其由电容式水软化装置的控制和/或调节单元控制和/或调节地流过电容器。优选地，在至少一个方法步骤中，为了提供经软化的产物水，尤其借助电容式水软化装置的控制和/或调节单元来将一电压施加到电容式水软化装置的电容器的电极上。在至少一个方法步骤中，电容器优选地根据所施加的电压来将未经净化的水的带电成分键合到电极上。

“未经净化的水”尤其应理解为由水供给设施、尤其水厂、饮用水供应厂等提供的作为水供给、尤其作为饮用水供给的水，并且没有经历过进一步净化，尤其没有经历过脱钙。未经净化的水例如具有7°dh的硬度。

在至少一个方法步骤中，为了通过电容器来键合未经净化的水的带电成分，优选地消耗电流(iel)。在至少一个方法步骤中，优选地根据所键合的离子的数量(δc)和/或所施加的电压来消耗电流(iel)。

为了键合来自未经净化的水的特定数量的离子，在至少一个方法步骤中，尤其借助电容式水软化装置的控制和/或调节单元、优选地通过所施加的电压来调节被未经净化的水流过的电容器中的电流(iel)。

此外，为了通过在被未经净化的水流过的电容器中所施加的电压来调节电流(iel)，优选地在至少一个方法步骤中，求取产物水的离子浓度，尤其由用户输入和/或由程序、尤其借助电容式水软化装置的控制和/或调节单元进行求取。在至少一个方法步骤中，尤其借助电容式水软化装置的控制和/或调节装置来计算电容器中的去离子电流(id)，所述去离子电流用于实现产物水流量的目标硬度、尤其用于键合特定数量的离子。

优选地，在至少一个方法步骤中，测量产物水流量在至少一个方法步骤中，尤其借助电容式水软化装置的控制和/或调节单元、优选地由所测得的产物水流量求取法拉第效率。在至少一个方法步骤中，借助法拉第效率和/或去离子效率相对于水软化装置的产物水流量的校准曲线、尤其借助电容式水软化装置的控制和/或调节单元、优选地由所测得的产物水流量求取法拉第效率。

在至少一个方法步骤中，尤其借助电容式水软化装置的控制和/或调节单元、由法拉第效率和产物水的所期望的目标硬度计算要通过电压进行调整的电流(iel)。

“去离子电流”应理解成为了将特定数量的离子键合到电容器的电极上所需的最小电流。电容器中最小的用于去离子的电流(去离子电流(id))与在流动技术方面在电容器上下游的离子浓度的差(δc(mol/l))相关并且与产物水流量相关：

符号f描述约为96500as/mol的法拉第常数，符号z描述每个离子的电子数量(在ca²⁺的情况下z＝2)。z与f的乘积是常数。δc与的乘积称为去离子效率(mmol/min)。“法拉第效率”应理解为去离子电流(id)与实际消耗的电流(iel)的比率：

在已知产物水流量、去离子电流或离子浓度差中的两个变量的情况下，能够由公式(1)计算出分别缺失的变量。此外，能够由法拉第效率例如借助公式(2)和去离子电流(id)计算出实际消耗的电流(iel)，并且通过电容器上的电压对所述电流进行调整。例如，测量到产物水流量为12.1l/min。在该示例中，还测量到未经净化的水的硬度为7°dh。在0.2l/s的情况下，该示例装置具有0.7的法拉第效率。所期望的目标硬度例如是3°dh。离子浓度差在该示例中为0.76mmol/l。这在该示例中对应于29a的去离子电流。这在法拉第效率为0.7的情况下对应着必须通过电容器上的电压来设置41a的电流，以在该示例中实现所期望的目标硬度。

通过根据本发明的方法能够有利地实现目标离子浓度。通过该方法能够有利地降低能量消耗。通过该方法能够有利地降低水软化的成本。通过该方法能够有利地降低维护开销和/或延长维护间隔。通过该方法能够实现水软化装置的有利的使用寿命。有利地能够实现95％的水再生。有利地，能够将进入的未经净化的水的95％转化为软化水。

此外提出，在至少一个方法步骤中，测量产物水的离子浓度，并且在至少一个方法步骤中，由产物水的离子浓度求取产物水流量。在至少一个方法步骤中，在已知和/或测得未经净化的水的离子浓度并且已知和/或测得产物水的离子浓度的情况下，尤其由控制单元和/或调节单元计算产物水流量。有利地，在控制和/或调节单元发生故障的情况下也能够确定出水量。

此外提出，在至少一个方法步骤中，尤其在计算步骤中，在已知和/或测得未经净化的水的硬度的情况下计算产物水在最大去离子电流时的目标硬度。有利地，可以为水软化装置显示最大程度上待实现的产物水硬度。有利地，用户能够在购置水软化装置之前就推断出产物水中待实现的最低离子浓度。

此外提出，在至少一个方法步骤中，由用户输入和/或由电容式水软化装置的控制和/或调节单元的程序求取产物水的离子浓度。有利地，用户可以通过产物水的离子浓度来控制水软化装置的能量消耗。

此外，提出一种水软化装置、尤其电容式水软化装置，其具有至少一个控制和/或调节单元并且具有至少一个电容器，用于执行根据本发明的用于水软化的方法。

水软化装置优选地设置为在流动技术方面在其他耗水单元的上游使用。在此例如可以想到，水软化装置与耗水的厨房机器、例如洗碗机结合使用。也可以想到，在用于住宅单元、尤其住宅建筑的水供给和/或用于工业单元、尤其工厂或种植园的水供给中使用水软化装置。优选地，水软化装置设置为用于处理建筑水网、尤其家庭水网的供水。

“水软化装置”尤其应理解为设置为用于减少水中、尤其水管路中的颗粒、尤其石灰的装置。为此，水软化装置优选地布置在水供给装置、尤其水管路上。水软化装置优选地在流动技术方面在水供给装置、尤其水管路上布置在耗水单元的上游。水软化装置优选地构造为与未经净化的硬水连接。水软化装置优选地将水软化并且为连接在其下游的单元供应软的、经净化的产物水。

水软化装置优选地集成在水供给装置、尤其耗水单元中。“水供给装置”应优选地理解为布置在耗水单元与水管路和/或与另一蓄水装置之间的单元。可以想到，水供给装置包括用于引导水的至少一个软管和/或管道或类似物。也可以想到，水供给装置例如包括用于引导水的泵和/或用于调节水温的加热模块。优选地，通过施加在水供给装置上的管路压力或通过泵来将水引导通过软化器。优选地，水供给装置具有连接在水软化装置的下游的蓄水池。

所述至少一个电容器优选地由电气电容器形成。电容器包括至少一个第一电极。至少一个电容器包括至少一个其他电极。电极优选地具有小于1mm的间距。至少一个第一电容器的电极优选地由碳、尤其多孔碳、优选纳米多孔碳制成。可以想到，电极由石墨、由石墨烯和/或碳纳米管和/或由包括碳纳米管的复合材料构造。在一种运行状态中，电极优选地为溶解的离子提供吸附位。有利地，电极可以稳健地构造并且构造为具有大的表面。有利地，能够实现95％的水再生率。

在一种运行状态中，在至少一个第一电极和至少一个另外的电极之间施加电压。至少一个第一电极上的电压值(尤其优选为1v)优选地与至少一个另外的电极上的电压值反向等值。“反向等值”尤其应理解为一个值除了正负号之外等于另一个值。所施加的电压产生带负电的至少一个第一电极和同等强度但带正电的至少一个另外的电极。还可以想到，电极被以反转的方式充电。还可以想到，至少一个电极与水软化装置的电接地端连接。

至少一个第一带电电极在至少一个运行状态中与未经净化的水直接接触。至少一个另外的带电电极在至少一个运行状态下与未经净化的水直接接触。至少一个第一电极上的负电荷将来自未经净化的水的带正电成分键合到所述至少一个第一电极上。至少一个另外的电极上的正电荷将来自未经净化的水的带负电成分键合到所述至少一个另外的电极上。电压的量值与电容器的去离子强度成正比。“去离子强度”应优选地理解为从水中去除的带电成分的数量。电容器的电流密度优选位于10-50ma/cm²的范围中。去离子电流例如为29a，其中，在法拉第效率为0.7时，必须设置41a的电流才能实现29a的去离子电流。优选地，水软化装置具有产物水流量与法拉第效率之间已知的、尤其测得的比率。由于泄漏电流和例如由废热引起的其他能量损失，电流总是高于去离子电流。

还可以想到在所述至少一个第一电极和所述至少一个另外的电极之间的相反的电荷分布。在这种情况下，至少一个第一电极上的正电荷将来自未经净化的水的带负电成分键合到所述至少一个第一电极上。在这种情况下，至少一个另外的电极上的负电荷将来自未经净化的水的带正电成分键合到所述至少一个另外的电极上。在至少一种运行状态中，经软化的产物水在流动技术方面布置在所述至少一个电容器下游。

可以想到，水软化装置包括至少一个止回阀。

水软化装置包括至少一个控制和/或调节单元。所述至少一个控制和/或调节单元设置为用于控制对软化水的连续提供。“控制和/或调节单元”尤其应理解为具有至少一个控制电子装置的单元。“控制电子装置”尤其应理解为具有处理器单元、存储单元以及存储在该存储单元中的运行程序的单元。控制和/或调节单元优选是如下构件：该构件设置为用于至少控制和/或调节水软化装置的电气构件、尤其电子构件。水软化装置的控制和/或调节单元至少设置为用于给用于控制的任何阀和/或电容器供给电压。控制和/或调节单元优选地包括至少一个存储元件。优选地，针对0l/min到至少50l/min、优选至少12l/min的产物水流量，产物水流量与法拉第效率和/或与水软化装置的去离子效率之间的校准曲线存储在存储元件中。优选地，针对0l/min到至少50l/min、优选至少12l/min的产物水流量，产物水流量与法拉第效率和/或与水软化装置的去离子效率之间的校准曲线在制造、安装和/或维护时存储在存储元件中和/或后续能够被存储在存储元件中。此外可以想到，控制和/或调节单元包括至少一个传感器元件，所述至少一个传感器元件用于调节由控制和/或调节单元控制的变量。通过测量水的输入硬度和输出硬度、电流消耗以及水穿过水软化装置的体积流量(产物水流量)，能够记录和/或计算产物水流量与法拉第效率和/或与去离子效率之间的校准曲线。

控制和/或调节单元包括切换元件，该切换元件设置为用于以尤其周期性的间隔反转所述至少一个第一电容器上的至少一个电压。“周期性的间隔”应优选地理解为重复的时间间隔、尤其重复的恒定的时间间隔。优选地，切换元件设置为在另一时间间隔后，尤其在与电压的第一转换中相同的时间间隔后将第一电容器上的电压切换回初始电压。优选地，该切换元件设置为使切换过程的时间间隔匹配于水软化装置的水消耗。可以想到，时间间隔保持等长。替代地可以想到，时间间隔变得更短和/或更长的变化。有利地，可以构造一种在每个运行时刻都能以最佳能量状态工作的水软化装置。优选地，电容器上的电压反转将电容器从去离子切换位置转换到清洁切换位置，反之亦然。该切换元件尤其设置为用于将所述至少一个第一电容器和所述至少一个另外的电容器反复地从去离子切换位置带入到清洁切换位置中，并且在限定的时间间隔后又带回到去离子切换位置中。去离子切换位置应理解为以下切换位置：在首次或在清洁后将新的、尤其经极性反转的电压施加到电容器的至少两个电极上时，该电容器被切换到该切换位置。相比于去离子切换位置，“清洁切换位置”应理解为以下切换位置：当电容器的至少两个电极之间的电压极性反转时，该电容器被切换到该切换位置。“极性反转”尤其应理解为电荷载体正负号的反转，其中，电压强度不必相同。优选地，清洁切换位置中的电压低于去离子切换位置中的电压。可以想到，用提取自废水网络的水来供给在清洁切换位置中运行的至少一个电容器。有利地，可以构造一种环境友好型和/或材料友好型水软化装置。

有利地，可以构造一种提供被可调节地软化的水的水软化装置。有利地，可以构造一种能够输出具有经调节的离子浓度的产物水的水软化装置。有利地，可以构造一种节能的水软化装置。有利地，可以构造一种运行成本有利的水软化装置。有利地，可以提高水软化装置的使用寿命。

此外提出，控制和/或调节单元包括可更换的存储元件。优选地，存储元件从外部可访问地布置在控制和/或调节单元上。可以想到，存储元件在控制和/或调节单元的壳体内布置在翻盖后面。有利地，可以实现存储元件的轻松组装和/或轻松更换。有利地，能够实现对存储在存储元件上的校准曲线的轻松更换和/或简化的重新记录。有利地，能够实现将校准曲线导出到另一设备上。有利地，在实验室中能够在外部设备上调用针对各个测试系列的测量条件。

在此，根据本发明的水软化装置不应限于上述应用和实施方式。根据本发明的水软化装置尤其可以具有与本文所提及的各个元件、构件和单元的数量不同的数量，以实现本文所述的作用方式。此外，对于在本公开中说明的值范围，位于所提及的极限内的值也应被视为公开并且可以任意使用。

附图说明

其他优点从以下附图描述中得出。在附图中示出本发明的实施例。附图、说明书和权利要求包含许多特征的组合。本领域技术人员还符合目的地单独考虑这些特征，并将它们组合为有意义的其他组合。

附图示出：

图1以示意图示出根据本发明的电容式水软化装置；

图2以示意图示出电容式水软化装置的处于去离子切换位置中的电容器；

图3以示意图示出电容式水软化装置的处于清洁切换位置中的电容器；

图4示出根据本发明的用于借助电容式水软化装置来进行水软化的方法的示意性流程图。

具体实施方式

图1示出具有电容器12的电容式水软化装置10。淡水源32、尤其水管路上的连接部，通过水管路例如管道和/或软管将未经净化的水供应给电容器12。能够由控制和/或调节单元18通过阀28控制流至电容器12的水流，该阀在流动技术方面布置在电容器12的上游。水软化装置10具有控制和/或调节单元18。控制和/或调节单元18控制和/或调节电容器12上的电流和/或电压vk、vk‘。控制和/或调节单元18将电容器12控制和/或调节到清洁切换位置或去离子切换位置中。在流动技术方面，在电容器12下游布置有多通阀30、尤其三通阀。控制和/或调节单元18控制和/或调节该多通阀30，以便实现对来自电容器12的水的传递。多通阀30构造为具有两个输出端。多通阀30的一个输出端与建筑水网34连接。多通阀30的另一输出端与废水网络36连接。当电容器12在去离子切换位置中运行时，控制和/或调节单元18控制和/或调节多通阀30来将水传递到建筑水网34中。当电容器12在清洁切换位置中运行时，控制和/或调节单元18控制和/或调节多通阀30来将水传递到废水网络36中。控制和/或调节单元18包括可更换的存储元件26。在该存储元件上存储有法拉第效率和/或去离子效率相对于水软化装置10的产物水流量的校准曲线存储。

在图2和图3中示意性地示出水软化装置10的电容器12。水软化装置10包括例如电容器12。电容器12构造为用于将来自水的带电成分键合到第一电容器12、尤其电极14，14‘上和/或从所述第一电容器、尤其所述电极排斥来自水的带电成分(参见图2和3)。

为了键合和/或排斥来自水、尤其来自未经净化的水的带电成分，能够由控制和/或调节单元18将电容器12切换到清洁切换位置和/或去离子切换位置中。为了将电容器12切换到清洁切换位置中，控制和/或调节单元18控制和/或调节电容器12的电极14、14‘上的电压vk、vk‘。

图2示出处于去离子切换位置中的电容器12。未经净化的水流过电容器12的两个多孔电极14、14‘之间的区域。电压vk施加在两个所示的电极14、14‘之间。正离子被从水中牵引到带负电的电极14上并键合在那里。负离子被从水中牵引到带正电的电极14‘上并键合在那里。正负电极14、14‘彼此相对置地布置。收集器16、16‘位于电极14、14‘的下游。收集器16、16‘能够接收或释放电荷、尤其电极14、14‘上的所键合的离子。

图3示出处于清洁切换位置中的电容器12。未经净化的水和/或废水流过电容器12的两个多孔电极14、14‘之间的区域。电压vk‘施加在所示的两个电极14、14‘之间。电压vk‘与去离子切换位置中的电压vk相反。正离子从正电极14释放到水中。负离子从正电极14‘释放到水中。正负电极14、14‘彼此相对置地布置。收集器16、16‘位于电极14、14‘的下游。

控制和/或调节单元18控制和/或调节通过电容器12的、尤其未经净化的水或废水的水流。控制和/或调节单元18控制水软化装置10、尤其电容器12的水输出，尤其产物水的输出。控制和/或调节单元例如控制和/或调节在流动技术方面位于电容器上游的阀22，所述阀用于控制和/或调节穿过电容器的水流。

图4示出借助电容式水软化装置来进行水软化的方法的示意性流程图。在至少一个方法步骤中，尤其在电压步骤20中，将电压vk施加到电容器12的电极14、14‘上。在至少一个方法步骤中，尤其在电压步骤20中，使水、尤其使未经净化的水流过电容器12。在至少一个方法步骤中，尤其在电压步骤20中，电容器12根据所施加的电压vk将未经净化的水的带电成分键合到电极14、14‘上。在至少一个方法步骤中，尤其在电压步骤20中，通过被施加到电容器12的电极14、14‘上的电压vk来调节产物水的离子浓度。在至少一个方法步骤中，尤其在电压步骤20中，调节至少一个电容器12上的电压vk以有针对性地调整产物水的离子浓度。在至少一个方法步骤中，尤其在电压步骤20中，通过电压vk调节产物水的离子浓度。在至少一个方法步骤中，尤其在电压步骤20中，通过电压vk调节被未经净化的水流过的电容器12中的电流、尤其去离子电流。

在至少一个方法步骤中，尤其在测量步骤22中，计算产物水的离子浓度。在至少一个方法步骤中，尤其在测量步骤22中，测量产物水流量。在至少一个方法步骤中，尤其在测量步骤22中，计算电容器12中为了实现目标硬度的电流。在至少一个方法步骤中，尤其在测量步骤22中，由已知的产物水流量求取法拉第效率。在至少一个方法步骤中，尤其在测量步骤22中，借助法拉第效率和/或去离子效率相对于水软化装置10的产物水流量的校准曲线、由已知的产物水流量求取法拉第效率。在至少一个方法步骤中，尤其在测量步骤22中，尤其借助控制和/或调节单元18、由法拉第效率和产物水的所期望的目标硬度计算去离子电流和/或实际需要的电流。在至少一个方法步骤中，尤其在测量步骤22中，从存储元件26调用法拉第效率和/或去离子效率相对于水软化装置10的产物水流量的校准曲线。法拉第效率和产物水流量的关系例如基本上表现为线性关系。

例如，测量到产物水流量为12.1l/min。在该示例中，还测量到未经净化的水的硬度为7°dh。在0.2l/s的情况下，该示例装置具有0.7的法拉第效率。所期望的目标硬度例如是3°dh。离子浓度差为0.76mmol/l。这对应于29a的去离子电流。这在法拉第效率为0.7的情况下对应着必须在电容器12上设置的41a的电流。

在至少一个方法步骤中，尤其在计算步骤24中，测量产物水的离子浓度并且在至少一个方法步骤中由产物水的离子浓度求取产物水流量。在至少一个方法步骤中，尤其在计算步骤24中，在已知未经净化的水的离子浓度并且已知产物水的离子浓度的情况下，尤其借助法拉第效率相对于产物水流量的校准曲线来计算产物水流量。

例如，测量到未经净化的水的硬度为7°dh。例如，产物水的目标硬度被测量为3°dh。离子浓度差为0.76mmol/l。这对应于29a的去离子电流。在设置在电容器12上的电流为41a时，法拉第效率为0.7。通过法拉第效率和/或去离子效率相对于水软化装置10的产物水流量、相对于产物水流量的校准曲线，能够求取产物水流量。

在至少一个方法步骤中，尤其在计算步骤24中，在已知未经净化的水的硬度的情况下，计算产物水在最大去离子电流时的目标硬度。在至少一个方法步骤中，尤其在计算步骤24中，在已知未经净化的水的硬度的情况下，借助法拉第效率和/或去离子效率相对于水软化装置10的产物水流量的校准曲线计算产物水在最大去离子电流时的目标硬度。在至少一个方法步骤中，尤其在计算步骤24中，测量未经净化的水的硬度。

在至少一个方法步骤中，尤其在计算步骤24中，由用户输入和/或由控制和/或调节单元、尤其电容式水软化装置的程序来求取产物水的离子浓度。

可以想到，在至少一个方法步骤中，测量和/或比较水的温度，尤其用于调整校准曲线。

所有的方法步骤尤其能够以任意顺序运行，其中，还可以想到在方法步骤之间执行其他方法步骤。方法步骤尤其可以按任意顺序重复运行。