用于制备适用于再矿化脱盐水和天然软水的碳酸氢钙溶液的多批系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于制备碳酸氢钙溶液的多批系统以及这种制备的碳酸氢钙溶 液用于再矿化脱盐水或天然软水的用途以及多批系统用于连续制备碳酸氢钙溶液的用途。
【背景技术】
[0002] 饮用水已变得缺乏。即使在水丰富的国家中，并非所有水源及贮水池均适合于生 产饮用水，且现今许多水源受到水质急剧恶化的威胁。最初用于饮用目的的供料水主要为 地表水及地下水。然而，出于环境及经济的原因，处理海水、盐水、微咸水、废水及受污染的 流出水变得越来越重要。
[0003] 为了从海水或微咸水回收水（用于饮用），已知对于干旱地区、沿海地区及海岛相 当重要的若干方法，且这些方法通常包括蒸馏、电解以及渗透或反渗透方法。由这些方法获 得的水非常软且由于缺乏pH缓冲盐而具有低pH值，并且因此由这些方法获得的水倾向于 具有高度反应性，且除非进行处理，否则该水可在其于传统管线中输送期间产生严重腐蚀 的困难。此外，未经处理的脱盐水无法直接用作饮用水源。为了防止不希望的物质在管线 系统中的溶解，为了避免例如管和阀的给水设备腐蚀并且为了使水可口，有必要再矿化水。
[0004] 主要用于再矿化水的传统方法是通过二氧化碳和石灰石床过滤（也被称作方解 石接触器）的石灰溶解。其它较不常见的再矿化方法包括例如添加熟石灰和碳酸钠、添加 硫酸钙和碳酸氢钠或添加氯化钙和碳酸氢钠。
[0005]该石灰法涉及用C02酸化水处理石灰溶液，其中涉及以下反应：
[0006]
[0007] 由以上反应方案可以得出结论，需要两个当量的C02将一个当量的Ca(OH) 2转化成 Ca2+和碳酸氢根以用于再矿化。此方法取决于两个当量C02的添加，以将碱性氢氧根离子转 化成缓冲物种HC03。对于水的再矿化而言，由石灰乳（通常至多5%重量）制备通常称为 石灰水的以总重量计〇.l-o. 2%重量的饱和氢氧化|丐溶液。因此必须使用生产石灰水的饱 和器，且需要大体积的石灰水以实现再矿化的目标含量。此方法的另一缺陷在于熟石灰为 腐蚀性的且需要适当的处理及特定设备。此外，控制不当的向软水添加熟石灰可能会由于 石灰不具有缓冲性质而导致不希望的pH变化。
[0008] 石灰石床过滤方法包括使软水通过粒状石灰石床以在水流中溶解碳酸钙的步骤。 根据以下反应，使石灰石与C02酸化水接触来矿化水：
[0009]
[0010] 不同于该石灰法，在化学计量上仅需要一个当量的C02即可将一个当量的CaCOjf 化成Ca2+及碳酸氢根以用于再矿化。此外，石灰石无腐蚀性，且归因于CaC03的缓冲性质， 防止了较大的pH变化。
[0011] 相比于石灰，使用碳酸钙的一个额外优点是碳酸钙的非常低的二氧化碳足迹。为 了生产一吨碳酸钙，放出75kg的C02，而用于生产一吨石灰则放出750kgC02。因此，使用碳 酸钙代替石灰呈现一些环境益处。
[0012] 但是，粒状碳酸钙的溶解速率缓慢，且导致这些石灰石床过滤系统所需的相当大 的足迹。
[0013] 用于使用石灰乳或石灰浆再矿化水的方法和系统被描述于US7, 374,694及EP0 520 826中。US5, 914, 046描述了用于使用脉冲石灰石床以减小废水排放的酸度的方法。
[0014] US7, 771，599描述一种在脱盐系统中使工艺水再矿化的方法。该方法经由气体 转移膜使二氧化碳气体与海水或脱盐工艺的浓缩液（盐水）分离。经分离的二氧化碳气体 其后用于生产可溶性碳酸氢钙（Ca(HC03)2)。W0 2012/020056A1针对再矿化水的方法，其 包括提供给水及向该给水中注入气态二氧化碳和浆料的步骤，其中该浆料包含微粉化碳酸 钙。W0 2010/023742A2描述了通过后加工（后处理）经由蒸馏或反渗透使海水脱盐而获 得的脱盐水来生产饮用水的方法和设备。该方法包括向脱盐水过量供应二氧化碳以吸收二 氧化碳的二氧化碳吸收工艺，使二氧化碳所吸附的脱盐水穿过石灰石过滤器（其中填充石 灰石以形成钙离子和碳酸氢根离子）的再矿化工艺，以及向通过了再矿化工艺的脱盐水供 应空气以排出二氧化碳及空气从而获得饮用水的二氧化碳排出工艺。W0 2012/113957A1 涉及用于再矿化流体的方法，其中最终浊度被控制。该方法包括包含试剂投配、再矿化及过 滤的步骤。
[0015] 然而，所描述的装置和方法具有再矿化水及尤其制备用于再矿化水的碳酸氢钙溶 液为时间依赖性且因此需要大的接触槽或反应器的缺点。
[0016] 鉴于前述内容，改善水的再矿化仍为本领域技术人员所关注。尤其希望提供替代 或改进的系统用于制备碳酸氢钙浓缩溶液，其能够以更加有效、经济且生态的方式制备且 尤其允许连续制备可用于水的再矿化的碳酸氢钙溶液（在水中溶解的碳酸钙），同时使用 较小的设备占用面积。
【发明内容】
[0017] 前述及其它目标通过提供用于制备碳酸氢钙溶液的多批系统得以解决，该多批系 统包括
[0018] a)至少一个投配（dosing)单元，
[0019] b)主批料线，包括以环形连通的
[0020] i)至少一个气体投配入口，
[0021] ii)至少一个混合单元，其配备有至少一个入口和至少一个出口，和
[0022] iii)至少一个槽，其配备有至少一个入口和至少一个出口，
[0023] c)至少一个从批料线，包括以环形连通的
[0024] i)至少一个气体投配入口，
[0025] ii)至少一个混合单元，其配备有至少一个入口和至少一个出口，和
[0026] iii)至少一个槽，其配备有至少一个入口和至少一个出口，
[0027] 其中该主批料线和该至少一个从批料线独立地连接至该至少一个投配单元。
[0028] 如本文所用，术语"多批（multiplebatch) "系统是指以下这样的系统，该系统包 括至少两个可彼此独立操作的工艺线，即一个主批料线和一个或多个从批料线。但不排除 监测和/或控制主批料线的参数，而不监测和/或控制一个或多个从批料线的参数。
[0029] 如本发明中所使用，术语"再矿化（remineralization) "是指在仅含有少量矿物或 根本不含有矿物或含有不足量矿物的水中进行矿物的恢复，以获得适口的水。可通过向待 处理的水中至少添加作为原料的特定碳酸钙来实现再矿化。任选地，例如，为获得与健康相 关的益处以确保一些必需矿物和微量元素的适当摄取，可将另外的物质混合进碳酸钙或与 碳酸钙混合，随后在再矿化工艺过程中添加至水中。根据关于人类健康及饮用水质量的国 家准则，经再矿化的产品可包含含有镁、钾或钠的额外矿物如碳酸镁、硫酸镁、碳酸氢钾、碳 酸氢钠或者含有必需微量元素的其它矿物。
[0030] 本发明中所用术语"以环形连通（incircularcommunication) "是指作为本发明 多批系统的相应主批料线的一部分的单元以环状系统彼此相连，并且作为本发明多批系统 的该至少一个从批料线的一部分的单元以环状系统彼此相连。因此，气体或流体如悬浮液 从本发明多批系统的相应线的一个单元流至本发明多批系统的相同线的另一单元是可能 的，而未观察到从主批料线流至该至少一个从批料线，且反之亦然；这种流动可借助于一个 或多个中间（并且未明确提及或描述）的零件、设施、装置或其它制品如管道、管子和栗来 实现。
[0031] 本发明的发明人出人意料地发现，这种多批系统使本领域技术人员能够以有效、 经济和生态的方式再矿化水。尤其是，本发明的发明者出人意料地发现，这种多批系统使本 领域技术人员能够以连续方式制备可进一步用于水的再矿化的碳酸氢钙溶液。尤其是，这 通过提供结合了包含至少一个气体投配入口、至少一个混合单元和至少一个槽的主批料线 和包含至少一个气体投配入口、至少一个混合单元和至少一个槽的至少一个从批料线的至 少一个投配单元实现，其中作为主批料线和从批料线的一部分的单个单元分别以环形连通 方式连接。此外，主批料线和该至少一个从批料线独立地连接至该至少一个投配单元。因 而，本多批系统使碳酸氢钙溶液的制备得以改进。
[0032] 根据本发明的另一方面，提供在如本文所定义的多批系统中制备的碳酸氢钙溶液 用于再矿化脱盐水或天然软水的用途。根据本发明的另一方面，提供如本文所定义的多批 系统用于再矿化脱盐水或天然软水的用途。优选地，脱盐水或天然软水选自蒸馏水、工业用 水、脱盐水、微咸水或盐水、经处理的废水或者天然水如地下水、地表水或降雨。
[0033] 根据本发明的另一方面，提供如本文所定义的多批系统用于连续制备碳酸氢钙溶 液的用途。优选地，碳酸氢钙溶液以直接模式、单批模式或连续批模式制备。还优选地，该 溶液具有以CaC(U+ 50至1，000mg/l、优选以CaCO3计100至800mg/l且最优选以CaCO3计 500至700mg/l的碳酸氢钙浓度。
[0034] 本发明的有利实施方案在相应从属权利要求中定义。
[0035] 当在下文中涉及本发明多批系统的优选实施方案或技术细节时，应理解这些优选 实施方案或技术细节也是指本发明的碳酸氢钙溶液的用途以及如本文所定义的多批系统 的用途，并且反之亦然（只要可适用）。例如，如果指出本发明多批系统的该至少一个投配 单元连接至贮水池和用于固体物质的储存容器，则本发明用途的该至少一个投配单元也连 接至贮水池和用于固体物质的储存容器。
[0036] 将参考某些附图涉及特定的实施方案来描述本发明，但本发明并不限于此，而是 由权利要求书限定。除非另外说明，以下提出的术语通常以它们的常规含义理解。
[0037] 当在本说明书和权利要求书中使用术语"包括或包含（comprising)"时，并 不排除其它未指出的功能重要性大或小的要素。对于本发明的目的，术语"由……构成 (consistingof)"被认为是术语"包括或包含（comprisingof)"的优选实施方案。如果 在下文中定义一个组集（group)包括至少一定数目的实施方案，则这也被理解为公开了一 个组集，其优选仅由这些实施方案构成。
[0038] 无论何处使用术语"包括或包含（including) "或者"具有（having) "，这些术语被 认为等同于上述的"包括或包含（comprising) "。
[0039] 在谈论单数名词时使用不定冠词或定冠词如"a"、"an"或"the"的情况下，这包括 了该名词的复数，除非一些情况下另外具体指出。
[0040] 根据本发明的一种实施方案，该至少一个投配单元连接至贮水池和用于固体物质 的储存容器。
[0041] 根据本发明的另一实施方案，主批料线和/或该至少一个从批料线的至少一个气 体投配入口位于该至少一个混合单元之前。
[0042] 根据本发明的又一实施方案，主批料线和/或该至少一个从批料线包括一个混合 单元、优选至少两个混合单元、更优选至少两个串联连接的混合单元。
[0043] 根据本发明的一种实施方案，主批料线和/或该至少一个从批料线的该至少一个 混合单元为垂直和/或水平混合单元，优选为垂直混合单元。
[0044] 根据本发明的另一实施方案，主批料线和/或该至少一个从批料线的该至少一个 混合单元为至少一个静态混合器。
[0045] 根据本发明的又一实施方案，主批料线和/或该至少一个从批料线的该至少一个 混合单元位于该至少一个气体投配入口与该至少一个槽之间。
[0046] 根据本发明的一种实施方案，主批料线和/或该至少一个从批料线的该至少一个 混合单元为至少一个动态混合器。优选地，主批料线和/或该至少一个从批料线的该至少 一个混合单元位于该至少一个气体投配入口与该至少一个槽之间或整合在该至少一个槽 中。
[0047] 根据本发明的另一实施方案，主批料线包括至少一个监测pH值、浊度、电导率、温 度和/或钙离子浓度（例如通过离子敏感电极）的控制单元。
[0048] 根据本发明的又一实施方案，多批系统进一步包括至少一个膜过滤单元，优选交 叉流或死端式（dead-end)膜微过滤装置和/或交叉流或死端式膜超滤装置。
[0049] 现在更详细地描述本发明：
[0050] 因而，本发明提供用于制备碳酸氢钙溶液的多批系统，该多批系统包括
[0051] a)至少一个投配单元，
[0052] b)主批料线，包括以环形连通的
[0053] i)至少一个气体投配入口，
[0054] ii)至少一个混合单元，其配备有至少一个入口和至少一个出口，和
[0055] iii)至少一个槽，其配备有至少一个入口和至少一个出口，
[0056] c)至少一个从批料线，包括以环形连通的
[0057] i)至少一个气体投配入口，
[0058] ii)至少一个混合单元，其配备有至少一个入口和至少一个出口，和
[0059] iii)至少一个槽，其配备有至少一个入口和至少一个出口，
[0060] 其中该主批料线和该至少一个从批料线独立地连接至该至少一个投配单元。
[0061] 本发明多批系统适用于制备适用于水的再矿化的任何碳酸氢钙溶液。
[0062] 例如，可用本发明多批系统制备的碳酸氢钙溶液适用于脱盐水或天然软水的再矿 化。
[0063] 可通过使用本发明多批系统制备的碳酸氢钙溶液再矿化的水可来自于不同来源 且可选自蒸馏水、工业用水、脱盐水如脱盐海水、微咸水或盐水、经处理的废水或天然水如 地下水、地表水或降雨。优选地，通过使用本发明多批系统制备的碳酸氢钙溶液再矿化的水 为脱盐水，例如由脱盐工艺获得的渗透物或馏出物。
[0064] 可对通过使用本发明多批系统制备的碳酸氢钙溶液再矿化的水进行预处理。例如 在水源自地表水、地下水或降雨的情况下，预处理可以是必要的。例如，为了实现饮用水准 贝1J，需要经由使用化学或物理技术对水进行处理以移除污染物，例如有机物和不希望有的 矿物。例如，可使用臭氧化作为第一预处理步骤，随后进行凝聚、絮凝或倾析作为第二处理 步骤。例如，铁（III)盐如FeClS04SFeCl3，或铝盐如A1C13、A12(S04)3或聚合铝可用作絮 凝剂。絮凝的物质可例如借助于砂滤器或多层过滤器从水中移除。可用于预处理水的其它 水纯化方法例如描述于EP1 975 310、EP1 982 759、EP1 974 807 或EP1 974806 中。
[0065] 如果海水或微咸水通过使用本发明多批系统（也即在主批料线中或者该至少一 个从批料线的每一个中）制备的碳酸氢钙溶液再矿化，则海水或微咸水首先通过开放海洋 进水或诸如水井的地表下进水而用栗抽出海，随后经历诸如筛选、沉淀或除砂方法的物理 预处理。取决于所需的水质，诸如凝聚和絮凝的额外处理步骤可能是需要的，以减少膜上潜 在的积垢。经预处理的海水或微咸水然后可例如通过使用如下方式蒸馏：多级闪蒸、多效蒸 馏，或者诸如超滤或反渗透的膜过滤，以移除剩余的微粒和溶解的物质。
[0066] 要再矿化的水至少部分地与微粉化碳酸钙接触，以便获得通过使用本发明多批系 统（也即在主批料线中或者该至少一个从批料线的每一个中）随后将转化成碳酸氢钙溶液 的碳酸钙水性悬浮液。获得的碳酸氢钙溶液将进一步用于要再矿化的水的主流的再矿化。 这通过用要再矿化的水稀释用本发明多批系统（也即在主批料线中或者该至少一个从批 料线的每一个中）制备的碳酸氢钙浓缩溶液来进行。
[0067] 优选地，通过使用本发明多批系统（也即在主批料线中或者该至少一个从批料线 的每一个中）制备的碳酸氢钙溶液获得的再矿化的水具有15至200mg/l、优选30至150mg/ 1且最优选100至125mg/l或15至100mg/l、优选20至80mg/l且最优选40至60mg/l的 以碳酸钙表示的钙浓度。
[0068] 对于本发明的目的，"悬浮液（suspension) "或"衆料（slurry) "是指包含溶剂即 水性溶剂以及碳酸钙和/或碳酸氢钙粒子的系统，其中碳酸钙和/或碳酸氢钙粒子中的至 少一部分以不溶性固体存在于水性溶剂中。所述术语不排除碳酸钙和/或碳酸氢钙粒子中 的一部分溶解于水性溶剂中。在本发明的含义中，术语"溶液（solution) "是指包含水性溶 剂和碳酸钙和/或碳酸氢钙粒子的系统，其中碳酸钙和/或碳酸氢钙粒子溶解于水性溶剂 中。在本发明的含义中，术语"溶解的（dissolved)"是指其中在水性溶剂中观察不到离散 的固体粒子的系统。
[0069] 不过，术语"水性溶剂（aqueoussolvent) "并不排除该水性溶剂包含少量的至少 一种水可混溶性溶剂。
[0070] 例如，该至少一种水可混溶性溶剂优选选自甲醇、乙醇、丙酮、乙腈、四氢呋喃及其 混合物。
[0071] 在本发明的一种实施方案中，基于水性溶剂的总重量计，水性溶剂包含至少80% 重量、优选至少90%重量、更优选至少95%重量、甚至更优选至少99%重量的量的水。
[0072] 根据本发明的一种实施方案，通过使用本发明多批系统（也即在主批料线中或者 该至少一个从批料线的每一个中）制备的碳酸氢钙溶液获得的再矿化的水可进一步用少 量氢氧化钠处理以调节再矿化的水的最终pH值。
[0073] 根据本发明的一种实施方案，通过使用本发明多批系统（也即在主批料线中或者 该至少一个从批料线的每一个中）制备的碳酸氢钙溶液获得的再矿化的水具有-1至2、优 选-〇· 5至0· 5、最优选-〇· 2至0· 2的朗格利尔饱和指数（LangelierSaturationIndex)。 根据本发明的另一实施方案，通过使用本发明多批系统（也即在主批料线中或者该至少一 个从批料线的每一个中）制备的碳酸氢钙溶液获得的再矿化的水具有小于5、优选小于4且 最优选小于3的齡塞密度指数（SiltDensityIndex)SDI15。根据本发明的又一实施方案， 通过使用本发明多批系统（也即在主批料线中或者该至少一个从批料线的每一个中）制备 的碳酸氢钙溶液获得的再矿化的水具有小于4、优选小于2. 5、最优选小于2的膜积垢指数 (Membran