Способ увеличения концентрации ионов магния в исходной воде - RU2769268C2

Описание

Настоящее изобретение относится к способу увеличения концентрации ионов магния в исходной воде. Способ согласно изобретению подходит для использования в бытовых установках, например, в бытовых системах водоснабжения или автоматах питьевой воды. Кроме того, изобретение относится к системам подготовки воды для увеличения концентрации ионов магния в исходной воде и соответствующему проточному реактору.

Магний является одним из наиболее важных минералов для организма. Магний играет существенную роль почти в каждом органе, в частности в сердце, мышцах и почках. Это четвертый наиболее распространенный катион в организме, и второй наиболее распространенный во внутриклеточной жидкости.

Как было научно доказано дефицит магния либо запускает, либо является причиной следующих проблем со здоровьем: заболевание сердца, диабеты, мигрень, тревожность, гипертония, депрессия, усталость, сгустки крови, заболевание печени, заболевание почек, остеопороз, бессонница, усталость, цистит, нервные проблемы и гипогликемия.

Одним из наиболее важных источников магния является питьевая вода, причем важными источниками питьевой воды являются поверхностная пресная вода и грунтовые воды.

Однако, природная питьевая вода становится дефицитом и даже в районах с избытком воды многим водоемам угрожает резкое ухудшение качества питьевой воды. Поэтому обработка морской воды, соленой воды, солоноватой воды, отработанной воды и загрязненных сточных вод приобретает все более и более важное значение как по экологическим, так и по экономическим причинам. Способы деминерализации и деионизации, с помощью которых питьевую воду получают, например, из морской воды или солоноватой воды, удаляют почти все растворенные ионы, включая главные минералы, такие как магний.

Поэтому необходимы способы реминерализации для повторного введения этих главных минералов, чтобы сделать деминерализованную или деионизированную воду пригодной для потребления человеком. Однако, в зависимости от минерального состава природной питьевой воды, также может быть необходимо увеличить концентрацию конкретных минералов, в частности магния, чтобы обеспечить достаточную подачу минералов.

Современные методы реминерализации включают системы контактных устройств для кальцита и дозирования извести, но сами они связаны только с восполнением ионов кальция и щелочностью: например, в WO 2012/020056 A1 раскрыт способ обработки воды и использование в таком способе микроизмельченного карбоната кальция. Конкретно, указанный способ включает стадии обеспечения исходной воды, и инжектирования в указанную исходную воду как газообразной двуокиси углерода, так и суспензии, содержащей микроизмельченный карбонат кальция. WO 2013/030185 направлена на способ реминерализации воды, включающий стадии обеспечения исходный воды, обеспечения водного раствора карбоната кальция, причем водный раствор карбоната кальция содержит растворенный карбонат кальция и его реакционноспособные частицы, и объединения исходной воды и водного раствора карбоната кальция.

Дополнительные патентные заявки, направленные на способы и системы реминерализации воды, включают WO 2013/014026 A1, WO 2013/113805 A1, WO 2013/113807 A1, WO 2013/113614 A1, WO 2014/187666 A1 и WO 2014/187613 A1. Кроме того, заявитель хотел бы упомянуть неопубликованные европейские патентные заявки № 16154567.8 и № 16154570.2.

В настоящее время существует всего несколько способов, которые связаны с восполнением магния. Однако, использование высокорастворимых солей магния связано с большими затратами и повторным введением нежелательных анионов, таких как хлорид или сульфат.

Соответственно, существует общая потребность в улучшенных и экономичных способах восполнения магния.

В связи с этим, WO 2009/135113 A1 относится к системе подготовки воды, содержащей фильтр обратного осмоса, коллектор для доставки подлежащей обработке воды в указанный фильтр обратного осмоса, сменный картридж, содержащий гранулированное или твердое соединение магния, резервуар для хранения для сбора по меньшей мере частично обработанной воды, дозирующее устройство для выпуска обработанной воды из указанной системы обработки и второй фильтр, который соединен с возможностью прохождения текучей среды с указанным резервуаром для хранения и имеет выпуск, соединенный с возможностью прохождения текучей среды с указанным дозирующим устройством.

В WO 2013/034396 A1 раскрыт способ очистки воды, причем указанный способ включает стадию очистки и стадию реминерализации. Последнюю можно выполнять путем пропускания воды после обратного осмоса через картридж, содержащий карбонат кальция и карбонат магния в соотношении от 95:5 до 60:40. В этом документе ничего не говорится об использовании двуокиси углерода.

В US 2014/0014582 A1 раскрыт способ, в котором используют минералы магния, например, оксид магния, в комбинации с двуокисью углерода. Однако, способ требует разделенных потоков Q₁ и Q₂ и прямого дозирования реагентов (минерала и двуокиси углерода), что, в свою очередь, требует стадии фильтрации.

Ввиду изложенного выше все еще существует потребность в способах и соответствующих системах обработки для увеличения концентрации ионов магния.

В связи с этим, одной целью настоящего изобретения может быть предоставление способа увеличения концентрации ионов магния, в котором не нужно использовать сильно растворимые в воде соли магния, таким образом избегая введения нежелательных анионов, таких как хлорид или сульфат. В связи с этим, также может быть желательно получать питьевую воду, имеющую приемлемую мутность, предпочтительно ≤ 1,0 NTU.

Еще одной целью настоящего изобретения может быть предоставление способа увеличения концентрации ионов магния, причем способ обеспечивает более быстрое растворение источника ионов магния по сравнению с традиционными способами. Таким образом, еще одной целью может быть предоставление способа, который обеспечивает более короткое время контакта между источником ионов магния и исходной водой, подлежащей реминерализации. В свою очередь, еще одной целью настоящего изобретения может быть уменьшение размера установки или уменьшение занимаемой заводом площади.

Еще одной целью может быть предоставление способа увеличения концентрации ионов магния в исходной воде, причем способ обеспечивает более точное регулирование итоговой концентрации магния.

Еще одной целью настоящего изобретения может быть предоставление способа обработки воды и соответствующей системы подготовки воды, которые можно использовать в бытовых системах водоснабжения или автоматах питьевой воды.

Наконец, еще одной целью настоящего изобретения может быть предоставление способа и соответствующей системы для увеличения концентрации ионов магния, которые можно использовать с любым видом исходной воды, включая питьевую воду, имеющую низкую концентрацию магния, деминерализованную или деионизированную воду (например, воду в результате обратного осмоса) или частично реминерализованную воду.

Упомянутые выше и другие проблемы можно решить с помощью объекта изобретения, который определен в настоящем документе в независимых пунктах формулы изобретения.

Первый аспект настоящего изобретения относится к способу увеличения концентрации ионов магния в исходной воде, причем способ включает следующие стадии:

(a) обеспечение входящего потока исходной воды Q_IN;

(b) увеличение концентрации двуокиси углерода в указанном входящем потоке Q_IN для получения потока исходной воды Q_CO2, содержащей двуокись углерода; и

(c) пропускание указанного потока Q_CO2через твердый слой для получения выходящего потока обработанной воды Q_OUT;

отличающемуся тем, что твердый слой на стадии (c) содержит источник ионов магния в виде твердых частиц, имеющих предел растворимости в воде 10 г/л или менее при измерении при 20°C и 100 кПа.

Авторы настоящей заявки неожиданно обнаружили, что увеличение концентрации двуокиси углерода во входящем потоке необработанной воды и пропускание указанного потока через неподвижный слой, содержащий источник ионов магния в виде слабо растворимых в воде твердых частиц приводит к быстрому и эффективному восполнению магния. Способ согласно изобретению обеспечивает большую гибкость, так как его можно использовать для минерализации как деионизированной или деминерализованной воды, так и минерализованной воды, не имеющей (достаточно) магния. Кроме того, способ согласно изобретению обеспечивает точную и надежную дозировку магния, избегая в то же время введения нежелательных анионов, таких как хлорид или сульфат. Обработанная вода, получаемая с помощью способа согласно изобретению, хорошо подходит в качестве питьевой воды, например, в показателях щелочности, мутности и особенно минерального состава.

Еще один аспект настоящего изобретения относится к соответствующей системе подготовки воды для выполнения способа согласно изобретению. Указанная система содержит:

(i) трубопровод, причем трубопровод выполнен с возможностью приема входящего потока исходной воды Q_IN;

(ii) устройство предварительной обработки, соединенное с указанным трубопроводом, причем устройство предварительной обработки выполнено с возможностью увеличения концентрации двуокиси углерода в указанном входящем потоке исходной воды Q_IN для получения потока исходной воды Q_CO2, содержащей двуокись углерода; и

(iii) твердый слой, расположенный ниже по потоку относительно устройства предварительной обработки, причем твердый слой выполнен с возможностью приема потока исходной воды Q_CO2, содержащей двуокись углерода, из указанного устройства предварительной обработки для получения выходящего потока обработанной воды Q_OUT;

отличающейся тем, что твердый слой содержит источник ионов магния в виде твердых частиц, имеющих предел растворимости в воде 10 г/л или менее при измерении при 20°C и 100 кПа.

Соответственно, еще один аспект относится к проточному реактору, такому как проточный картридж, который можно использовать в системе подготовки воды, содержащей:

(i) впуск, причем впуск выполнен с возможностью приема потока исходной воды Q_CO2, содержащей двуокись углерода;

(ii) твердый слой, причем твердый слой выполнен с возможностью приема потока исходной воды Q_CO2, содержащей двуокись углерода, из указанного впуска и с возможностью получения выходящего потока обработанной воды Q_OUT; и

(iii) выпуск, выполненный с возможностью высвобождения выходящего потока обработанной воды Q_OUT;

отличающемуся тем, что твердый слой содержит источник ионов магния в виде твердых частиц, имеющих предел растворимости в воде 10 г/л или менее при измерении при 20°C и 100 кПа.

Следующие термины, используемые по всей настоящей заявке, будут иметь значения, изложенные далее:

«исходной водой» в значении согласно настоящему изобретению может быть любой тип воды, который по существу не содержит примесей, предпочтительно не содержит примесей и не содержит или содержит только низкие концентрации ионов магния. Более предпочтительно, исходная вода по существу не содержит или не содержит патогены и частицы грязи. Неограничивающие примеры включают водопроводную воду или деионизированную воду. В одном варианте осуществления исходная вода имеет концентрацию растворенных ионов магния 10 мг/л или менее, предпочтительно 5 мг/л или менее и наиболее предпочтительно 2 мг/л или менее.

Термин «твердый слой» (иногда называемый «плотный слой» или «неподвижный слой»), используемый в данном документе, хорошо известен специалисту в области обработки воды. Обычно, такой твердый слой состоит из материала в виде частиц, то есть множества твердых частиц, причем указанные частицы представляют собой первую фазу в твердом физическом состоянии и расположены так, чтобы обеспечить прохождение потока реагентов, представляющего собой вторую фазу в жидком или газообразном физическом состоянии, таким образом с контактом частиц твердого слоя и потока реагентов.

Термин «твердый» согласно настоящему изобретению относится к материалу, который является твердым при стандартной внешней температуре и давлении (SATP), что относится к температуре 298,15 K (25°C) и абсолютному давлению точно 100 кПа. Твердый материал может быть в виде порошка, таблетки, гранул, хлопьев и т.д. Соответственно, термин «жидкая среда» относится к материалу, который является жидким при стандартной внешней температуре и давлении (SATP), что относится к температуре 298,15 K (25°C) и абсолютному давлению точно 100 кПа.

Термин «в виде частиц» в значении настоящей заявки относится к материалам, состоящим из множества «частиц». В общем, такое множество частиц может определяться, например, распределением по размеру частиц.

Термин «размер частиц» материала в виде частиц, таких как частицы, образующие твердый слой согласно настоящему изобретению, в данном документе описан распределением размеров частиц по массе, обычно обозначаемым d_x(wt). «Средневесовой размер частиц» означает, что 50 мас.% всех частиц меньше этого размера частиц. Средневесовой размер частиц также может обозначаться d₅₀(wt).

«Источником ионов магния» в значении согласно настоящей заявки может быть любой материал, который при контакте с водой, способен высвобождать ионы магния. Неограничивающие примеры подходящих источников ионов магния включают магниевые минералы и соли магния.

«Пределом растворимости» конкретного растворенного вещества является массовая концентрация указанного растворенного вещества, находящегося в растворенном состоянии в насыщенном растворе или системе данного растворителя (например, воды) и при данных условиях, предпочтительно при 20°C и 100 кПа. При ссылке на предел растворимости в воде предпочтительной может быть деионизированная вода.

Общая щелочность (CaCO₃), упоминаемая в данном документе (иногда называемая TAC), является мерой способности водного раствора нейтрализовать кислоты до точки эквивалентности карбоната или бикарбоната. Щелочность равна стехиометрической сумме оснований в растворе и указывается в мг/л (в виде CaCO₃). Щелочность можно измерять путем титрования титратором.

«Индекс насыщения Ланжелье» (LSI) в рамках изобретения описывает тенденцию водной жидкости к образованию накипи или коррозии, при этом положительный LSI указывает на склонность к образованию накипи, а отрицательный LSI указывает на коррозийный характер. Таким образом, сбалансированный индекс насыщения Ланжелье, т.е. LSI=0, означает, что водная жидкость находится в химическом равновесии. LSI рассчитывается следующим образом:

LSI=pH - pH_S

причем pH представляет фактическое значение pH водной системы, а pH_S представляет значение pH водной системы при насыщении CaCO₃. pH_S можно оценивать следующим образом:

pH_S = (9,3+A+B) - (C+D)

причем A представляет собой индикатор числового значения общего содержания растворенных твердых веществ (TDS), присутствующих в водной жидкости, B представляет собой индикатор числового значения температуры водной жидкости в K, C представляет собой индикатор числового значения концентрации кальция водной жидкости в мг/л CaCO₃, а D представляет собой индикатор числового значения щелочности водной жидкости в мг/л CaCO₃. Параметры A-D определяют, используя следующие уравнения:

А = (log₁₀(TDS) - 1)/10

B = -13,12 × log₁₀ (T+273) + 34,55

C=log₁₀[Ca²⁺] - 0,4

D=log₁₀(TAC)

причем TDS представляет собой общее содержание растворенных твердых веществ в мг/л, T представляет собой температуру в °C, [Ca²⁺] представляет собой концентрацию кальция водной жидкости в мг/л CaCO₃, а TAC представляет собой общую щелочность водной жидкости в мг/л CaCO₃.

При ссылке на существительное в единственном числе это включает множественное число этого существительного, если специально не оговорено иное.

Когда в настоящем описании и формула изобретения используют термин «содержащий», он не исключает другие элементы. В рамках настоящего изобретения термин «состоящий из» считается предпочтительным вариантом осуществления термина «содержащий». Если далее определено, что группа содержит по меньшей мере некоторое количество вариантов осуществления, это также следует понимать, как раскрытие группы, которая предпочтительно состоит только из этих вариантов осуществления.

Такие термины, как «получаемый» или «определяемый» и «полученный» или «определенный» используют взаимозаменяемо. Это, например, означает, что, если в контексте явно не предписано иное, термин «полученный» не означает, что, например, вариант осуществления должен быть получен, например, с помощью последовательности шагов, следующих за термином «полученный», хотя такое ограниченное понимание всегда включено в термины «полученный» или «определенный» в качестве предпочтительного варианта осуществления.

Когда используются термины «включающий» или «имеющий», подразумевается, что эти термины эквивалентны «содержащий», как определено выше.

Предпочтительные варианты осуществления применения согласно изобретению твердого носителя в виде частиц определены в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения.

В одном варианте осуществления исходная вода, используемая в способе согласно изобретению, имеет концентрацию растворенных ионов магния 10 мг/л или менее, предпочтительно 5 мг/л или менее и наиболее предпочтительно 2 мг/л или менее.

В еще одном варианте осуществления исходная вода имеет общую щелочность (CaCO₃) от 5 до 200 мг/л, предпочтительно от 10 до 150 мг/л, а наиболее предпочтительно от 20 до 100 мг/л.

В еще одном варианте осуществления исходная вода имеет Индекс насыщения Ланжелье (LSI) от -2,0 до 1,0, предпочтительно от -1,0 до 0,7, а наиболее предпочтительно от -0,5 до 0,5.

В еще одном варианте осуществления способа согласно изобретению концентрацию двуокиси углерода увеличивают на стадии (b) путем инжектирования газообразной двуокиси углерода во входящий поток Q_IN.

В еще одном варианте осуществления концентрацию двуокиси углерода в исходной воде, содержащей двуокись углерода, потока Q_CO2 регулируют на стадии (b) до концентрации от 5 до 500 мг/л, предпочтительно от 10 до 200 мг/л, а наиболее предпочтительно от 20 до 100 мг/л.

pH содержащей двуокись углерода исходной воды потока Q_CO2 в еще одном варианте осуществления можно регулировать на стадии (b) до диапазона от 5,0 до 8,5, предпочтительно от 5,5 до 8,0, а наиболее предпочтительно от 6,0 до 7,5, причем указанный pH предпочтительно регулируют путем инжектирования подходящего количества двуокиси углерода во входящий поток Q_IN.

Температуру содержащей двуокись углерода исходной воды потока Q_CO2 в еще одном варианте осуществления можно регулировать до диапазона от 5 до 35°C, предпочтительно от 10 до 30°C, а наиболее предпочтительно от 15 до 25°C.

В еще одном варианте осуществления источник ионов магния выбирают из одного или более из следующего:

(i) природных магний-содержащих минералов, предпочтительно брусита, известкового доломита, доломита, доломитового известняка, гидромагнезита или магнезита;

(ii) частично или полностью кальцинированных природных магний-содержащих минералов, предпочтительно частично или полностью кальцинированного брусита, известкового доломита, доломита, доломитового известняка, гидромагнезита или магнезита, более предпочтительно полуобоженного доломита; и

(iii) синтетических магний-содержащих минералов, предпочтительно синтетического карбоната магния, гидроксида магния или гидромагнезита, более предпочтительно осажденного гидромагнезита.

В еще одном варианте осуществления частицы имеют средневесовой размер частиц в диапазоне от 0,05 до 20 мм, предпочтительно от 0,1 до 15 мм, более предпочтительно от 0,15 до 10 мм, еще более предпочтительно от 0,2 до 2 мм, а наиболее предпочтительно от 0,5 до 1,5 мм.

В еще одном варианте осуществления предел растворимости в воде составляет 5 г/л или менее, предпочтительно 2 г/л или менее, более предпочтительно 1 г/л или менее, еще более предпочтительно 0,5 г/л или менее, а наиболее предпочтительно 0,2 г/л или менее, каждое измерение проводят при 20°C и 100 кПа.

В еще одном варианте осуществления способа согласно изобретению время контакта на стадии (c) между потоком Q_CO2 и твердым слоем составляет:

(i) по меньшей мере 0,1 мин, предпочтительно по меньшей мере 0,2 мин, более предпочтительно по меньшей мере 0,5 мин, а наиболее предпочтительно по меньшей мере 1 мин; и/или

(ii) менее чем 30 мин, предпочтительно менее чем 20 мин, более предпочтительно менее чем 10 мин, а наиболее предпочтительно менее чем 5 мин.

В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения твердый слой на стадии (c) обеспечивают с помощью полости проточного реактора, причем указанный проточный реактор имеет впуск, выполненный с возможностью приема потока исходной воды Q_CO2, содержащей двуокись углерода, и выпуск, выполненный с возможностью высвобождения выходящего потока обработанной воды Q_OUT, предпочтительно указанным проточным реактором является проточный картридж.

В предпочтительном варианте осуществления способа согласно изобретению концентрацию двуокиси углерода в исходной воде, содержащей двуокись углерода, потока Q_CO2 регулируют на стадии (b) до концентрации от 20 до 100 мг/л, источник ионов магния выбирают из одного или более из брусита, гидромагнезита или частично кальцинированного доломита, частицы имеют средневесовой размер частиц в диапазоне от 0,5 до 1,5 мм, и время контакта на стадии (c) между потоком Q_CO2 и твердым слоем составляет по меньшей мере 0,1 мин и менее чем 5 мин.

В одном варианте осуществления системы подготовки воды устройством предварительной обработки является устройство инжектирования, выполненное с возможностью инжектирования газообразной двуокиси углерода в указанный входящий поток Q_IN.

В еще одном варианте осуществления системы подготовки воды источник ионов магния выбирают из одного или более из следующего:

(i) природных магнийсодержащих минералов, предпочтительно брусита, известкового доломита, доломита, доломитового известняка, гидромагнезита или магнезита;

(ii) частично или полностью кальцинированных природных магнийсодержащих минералов, предпочтительно частично или полностью кальцинированного брусита, известкового доломита, доломита, доломитового известняка, гидромагнезита или магнезита, более предпочтительно полуобоженного доломита; и

(iii) синтетических магнийсодержащих минералов, предпочтительно синтетического карбоната магния, гидроксида магния или гидромагнезита, более предпочтительно осажденного гидромагнезита.

В еще одном варианте осуществления системы подготовки воды частицы имеют средневесовой размер частиц в диапазоне от 0,05 до 20 мм, предпочтительно от 0,1 до 15 мм, более предпочтительно от 0,15 до 10 мм, еще более предпочтительно от 0,2 до 2 мм, а наиболее предпочтительно от 0,5 до 1,5 мм.

В еще одном варианте осуществления системы подготовки воды предел растворимости в воде составляет 5 г/л или менее, предпочтительно 2 г/л или менее, более предпочтительно 1 г/л или менее, еще более предпочтительно 0,5 г/л или менее, а наиболее предпочтительно 0,2 г/л или менее, каждое измерение проводят при 20°C и 100 кПа.

В еще одном варианте осуществления системы подготовки воды твердый слой обеспечивают с помощью полости проточного реактора, причем указанный проточный реактор имеет впуск, выполненный с возможностью приема потока исходной воды Q_CO2, содержащей двуокись углерода, и выпуск, выполненный с возможностью высвобождения выходящего потока обработанной воды Q_OUT, предпочтительно указанным проточным реактором является проточный картридж.

В одном варианте осуществления проточного реактора, источник ионов магния выбирают из одного или более из следующего:

(i) природных магний-содержащих минералов, предпочтительно брусита, известкового доломита, доломита, доломитового известняка, гидромагнезита или магнезита;

(ii) частично или полностью кальцинированных природных магнийсодержащих минералов, предпочтительно частично или полностью кальцинированного брусита, известкового доломита, доломита, доломитового известняка, гидромагнезита или магнезита, более предпочтительно полуобоженного доломита; и

(iii) синтетических магнийсодержащих минералов, предпочтительно синтетического карбоната магния, гидроксида магния или гидромагнезита, более предпочтительно осажденного гидромагнезита.

В еще одном варианте осуществления проточного реактора, частицы имеют средневесовой размер частиц в диапазоне от 0,05 до 20 мм, предпочтительно от 0,1 до 15 мм, более предпочтительно от 0,15 до 10 мм, еще более предпочтительно от 0,2 до 2 мм, а наиболее предпочтительно от 0,5 до 1,5 мм.

В еще одном варианте осуществления проточного реактора, предел растворимости в воде составляет 5 г/л или менее, предпочтительно 2 г/л или менее, более предпочтительно 1 г/л или менее, еще более предпочтительно 0,5 г/л или менее, а наиболее предпочтительно 0,2 г/л или менее, каждое измерение проводят при 20°C и 100 кПа.

В еще одном варианте осуществления проточного реактора, твердый слой обеспечивают с помощью полости указанного проточного реактора.

В еще одном варианте осуществления проточного реактора согласно изобретению проточным реактором является проточный картридж.

Далее, будут раскрыты детали и предпочтительные варианты осуществления способа согласно изобретению. Должно быть понятно, что эти детали и варианты осуществления также применимы к системе подготовки воды согласно изобретению, а также к проточному реактору согласно изобретению, а где необходимо наоборот.

(A) Предоставление исходной воды

На стадии (a) способа согласно настоящему изобретению обеспечивают входящий поток исходной воды Q_IN.

В общем, исходной водой может быть любой тип воды, который по существу не содержит примесей, предпочтительно не содержит примесей и не содержит или содержит только низкие концентрации ионов магния. Более предпочтительно, исходная вода по существу не содержит или не содержит патогены и частицы грязи.

В одном варианте осуществления исходная вода имеет концентрацию растворенных ионов магния 10 мг/л или менее, предпочтительно 5 мг/л или менее, а наиболее предпочтительно 2 мг/л или менее.

В иллюстративном варианте осуществления исходной водой является вода, которая по существу не содержит, предпочтительно не содержит, патогены и частицы грязи и имеет концентрацию растворенных ионов магния 10 мг/л или менее, предпочтительно 5 мг/л или менее, а наиболее предпочтительно 2 мг/л или менее.

Так как способ согласно изобретению не ограничен водой из конкретного источника, его можно использовать для обработки питьевой воды, имеющей низкую концентрацию магния, деминерализованной или деионизированной воды (например, воды в результате обратного осмоса) или частично реминерализованной воды.

в качестве индикатора минерализации воды можно использовать проводимость: чем чище вода, тем ниже проводимость. Проводимость можно измерять с помощью измерителя проводимости и указывать в мкСм/м.

В одном варианте осуществления исходной водой является деминерализованная или деионизированная вода, предпочтительно вода после обратного осмоса (RO вода).

Однако, способ согласно настоящему изобретению также можно применять к другим типам воды, которые не содержат или содержат только немного магния. В частности, способ можно использовать для восполнения магния в питьевой воде, которая включает в себя питьевую воду из природных источников (например, поверхностную пресную воду или грунтовую воду), а также в качестве питьевой воды полученный путем реминерализации очищенной воды, такой как деминерализованная или деионизированная вода.

Большинство методов реминерализации связаны с восполнением кальция в деминерализованной или деионизированной воде, в то время как существующий уровень техники в меньшей степени связан с восполнением магния, не говоря уже о восполнении магния в воде, которая уже подходит для использования в качестве питьевой воды.

Авторы настоящей заявки неожиданно обнаружили, что способ согласно изобретению обеспечивает восполнение магния в (предварительно) минерализованной воде, хотя этот тип воды можно рассматривать в качестве стабилизированной системы, например, в показателях общей щелочности, и хотя чтобы избежать введения нежелательных анионов, такие как хлорид или сульфат, используют источники слабо растворимого магния.

Поэтому, в одном варианте осуществления настоящего изобретения исходную воду получают путем реминерализации кальцием деминерализованной или деионизированной воды.

В еще одном варианте осуществления исходная вода, таким образом, может иметь общую щелочность (CaCO₃) от 5 до 200 мг/л, предпочтительно от 10 до 150 мг/л, а наиболее предпочтительно от 20 до 100 мг/л.

В случае, когда способ согласно изобретению используют для обработки стабилизированных водных систем, исходная вода может иметь Индекс насыщения Ланжелье (LSI) от -2,0 до 1,0, предпочтительно от -1,0 до 0,7, а наиболее предпочтительно от -0,5 до 0,5.

Также было обнаружено, что способ согласно изобретению применим к любому типу исходной воды независимо от того, содержит ли указанная пища какую-либо конкретную концентрацию двуокиси углерода или двуокись углерода вообще. Количество или концентрацию двуокиси углерода, упоминаемых в этом контексте, следует понимать, как концентрацию двуокиси углерода, определяемую путем титрования гидроксидом натрия с использованием pH-электрода DGi111-SC (Mettler-Toledo). Специалисту понятно, что этот способ титрования подходит для определения концентрации физически растворенной двуокиси углерода.

Поэтому, в одном варианте осуществления исходная вода, обеспеченная на стадии (a) способа согласно изобретению, может иметь концентрацию двуокиси углерода менее чем 10 мг/л, предпочтительно менее чем 5 мг/л, а наиболее предпочтительно в диапазоне от 0,1 до 2 мг/л.

(B) Увеличение концентрации двуокиси углерода

На стадии (b) способа согласно настоящему изобретению концентрацию двуокиси углерода во входящем потоке Q_IN увеличивают для получения потока исходной воды Q_CO2, содержащей двуокись углерода.

Как уже указывалось в предыдущем разделе, «концентрация диокиси углерода», упоминаемая в настоящей заявке, предназначена для обозначения концентрации двуокиси углерода, определенной путем титрования гидроксидом натрия с использованием рН-электрода SC DGi111 (Mettler-Toledo).

Увеличение концентрации двуокиси углерода не следует понимать в значении, что исходная вода входящего потока Q_IN содержит конкретную концентрацию двуокиси углерода. Действительно, исходная вода может не содержать двуокись углерода, например, она может иметь концентрацию двуокиси углерода, которая находится в диапазоне от 0 до менее чем 5 мг/л.

В общем, любой возможный способ можно использовать для увеличения концентрации двуокиси углерода во входящем потоке исходной воды Q_IN, чтобы получить указанный поток исходной воды Q_CO2, содержащей двуокись углерода. Подходящие способы включают, без ограничения, инжекцию газообразной двуокиси углерода во входящий поток исходной воды Q_IN или контакт входящего потока исходной воды Q_IN с кислотным катионитом.

Соответственно, в одном варианте осуществления концентрацию двуокиси углерода увеличивают на стадии (b) путем инжектирования газообразной двуокиси углерода во входящий поток Q_IN или путем контакта входящего потока исходной воды Q_IN с кислотным катионитом.

Хотя инжекция газообразной двуокиси углерода подходит для увеличения концентрации двуокиси углерода любого вида исходной воды, использование кислотного катионита лучше всего работает с исходной водой, демонстрирующей определенную степень щелочности:

M⁺ HCO₃^- → H⁺ HCO₃^-↔ H₂O+CO₂

Как можно понять из приведенного выше уравнения, обмен протонов (H⁺), связанных с функциональными группами катионита, с катионами (M⁺) в воде, которые имеют большее сродство к смоле (например, к ионам кальция), вызывает снижение рН воды и приводит к увеличению количества углекислоты из-за наличия у воды щелочности.

Таким образом, в предпочтительном варианте осуществления концентрацию двуокиси углерода можно повысить на стадии (b) за счет контакта входящего потока исходной воды Q_IN со слабо кислотным катионитом, причем исходная вода имеет общую щелочность (CaCO₃) от 5 до 200 мг/л, предпочтительно от 10 до 150 мг/л, а наиболее предпочтительно от 20 до 100 мг/л.

Обычно, слабо кислотные катиониты в качестве функциональных единиц имеют карбоксильные группы. Обычно, сильно кислотные катиониты имеют группы сульфоновой кислоты. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения кислотным катионитом является слабо кислотный катионит. Такие ионообменники хорошо известны специалисту.

В особо предпочтительном варианте осуществления концентрацию двуокиси углерода можно повысить на стадии (b) путем инжектирования газообразной двуокиси углерода во входящий поток Q_IN. Этот вариант хорошо подходит для увеличения концентрации двуокиси углерода в любом возможном типе исходной воды, включая необработанную воду (например, поверхностную пресную воду или грунтовую воду), деминерализованную или деионизированную воду или реминерализованную воду. Способы и устройства для инжектирования двуокиси углерода обычно известны специалисту. Газообразную двуокись углерода можно получить из резервуара для хранения (например, из газового баллона), в котором она содержится в жидкой фазе. В зависимости от скорости потребления двуокиси углерода и окружающей среды можно использовать либо криогенные, либо обычным образом изолированные резервуары. Преобразование жидкой двуокиси углерода в газообразную двуокись углерода можно выполнять, используя воздушный испаритель с подогревом или испарительную систему на электрической или паровой основе. При необходимости давление газообразной двуокиси углерода перед стадией инжекции можно уменьшать, например, используя редукционный клапан. Также можно использовать смесь сжатого воздуха/двуокиси углерода.

Поскольку настоящее изобретение особенно полезно в бытовых установках, газообразную двуокись углерода предпочтительно подают с помощью напорного бака, такого как контейнер, который содержит сжатую газообразную двуокись углерода.

Газообразную двуокись углерода можно инжектировать во входящий поток исходной воды Q_IN с регулируемой скоростью, образуя дисперсию пузырьков двуокиси углерода в потоке и обеспечивая растворение в нем пузырьков. Например, растворение двуокиси углерода в исходной воде можно облегчить путем ее впрыскивания в турбулентную область входящего потока Q_IN, причем турбулентность можно создавать за счет сужения в трубопроводе. Например, двуокись углерода можно вводить в горловину сопла Вентури, установленного в трубопроводе. Сужение площади поперечного сечения трубопровода в горловине сопла Вентури создает турбулентный поток достаточной энергии, чтобы разбить двуокись углерода на относительно мелкие пузырьки, тем самым способствуя растворению.

В одном варианте осуществления двуокись углерода инжектируют под давлением во входящий поток исходной воды Q_IN. Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения растворение двуокиси углерода в исходной воде облегчают с помощью статического смесителя или разбрызгивателя, такого как пористый металлический разбрызгиватель.

Для управления скоростью инжекции двуокиси углерода во входящий поток Q_IN можно использовать клапан управления потоком или другое средство. Например, для управления скоростью потока двуокиси углерода можно использовать блок дозирования двуокиси углерода и встроенное измерительное устройство двуокиси углерода. Таким образом, для управления итоговой концентрацией двуокиси углерода содержащего двуокись углерода потока Q_CO2или другими параметрами, такими как pH, можно использовать скорость потока двуокиси углерода.

Как указано выше, на стадии (b) способа содержание двуокиси углерода в потоке Q_CO2 можно регулировать до конкретной концентрации, чтобы обеспечить быстрое и эффективное восполнение магния на последующей стадии (c) способа. В случае инжекции газообразной двуокиси углерода, специалисту должно быть понятно, что концентрацию двуокиси углерода можно регулировать путем регулирования давления и потока двуокиси углерода, как описано выше. При использовании кислотного катионита уровень двуокиси углерода можно регулировать, например, с помощью времени контакта между входящим потоком исходной воды Q_IN и ионообменным устройством, которое может зависеть, например, от скорости потока и длины ионообменной колонны.

Независимо от способа, используемого для увеличения концентрации двуокиси углерода, указанную концентрацию в исходной воде, содержащей двуокись углерода, потока Q_CO2 можно регулировать до концентрации от 5 до 500 мг/л, предпочтительно от 10 до 200 мг/л, а наиболее предпочтительно от 20 до 100 мг/л. Предпочтительно, для регулирования концентрации двуокиси углерода в исходной воде, содержащей двуокись углерода, потока Q_CO2используют инжекцию газообразной двуокиси углерода.

Для управления скоростью реакции между Q_CO2 и источником ионов магния на стадии (c) способа согласно изобретению также можно использовать значение pH. В одном варианте осуществления pH содержащей двуокись углерода исходной воды потока Q_CO2 поэтому доводят до диапазона от 5,0 до 8,5, предпочтительно от 5,5 до 8,0, а наиболее предпочтительно от 6,0 до 7,5. В предпочтительном варианте осуществления указанный pH регулируют путем инжектирования подходящего количества двуокиси углерода во входящий поток Q_IN, как описано выше.

Также для управления скоростью реакции между Q_CO2 и источником ионов магния на стадии (c) можно использовать температуру. Поэтому в еще одном варианте осуществления способа согласно изобретению температуру содержащей двуокись углерода исходной воды потока Q_CO2 регулируют до диапазона от 5 до 35°C, предпочтительно от 10 до 30°C, а наиболее предпочтительно от 15 до 25°C.

(C) Реакция Твердого слоя и обработанная вода

На стадии (c) способа согласно изобретению поток Q_CO2,который получают за счет увеличения концентрации двуокиси углерода потока Q_IN на стадии (b), пропускают через твердый слой для получения выходящего потока обработанной воды Q_OUT.

Твердый слой, используемый в способе согласно настоящему изобретению, содержит множество твердых частиц, которые выступают в качестве источника ионов магния. При прохождении через указанный твердый слой, который представляет собой первую фазу, находящуюся в твердом физическом состоянии, поток содержащей двуокись углерода воды Q_CO2, который представляет собой вторую фазу, находящуюся в жидком физическом состоянии, взаимодействует с твердыми частицами (то есть источником ионов магния), причем ионы магния высвобождаются и растворяются в содержащей двуокись углерода исходной воде Q_CO2 с образованием выходящего потока Q_OUT обработанной воды, имеющей повышенную концентрацию ионов магния.

Для цели настоящего изобретения источником ионов магния может быть любой возможный твердый материал, способный высвобождать ионы магния (Mg²⁺), который имеет предел растворимости в воде 10 г/л или менее при измерении при 20°C и 100 кПа.

Материалы, имеющие предел растворимости в воде, указанный для источника ионов магния, используемого в настоящем изобретении, можно считать слабо растворимыми в воде. В отличие от сильно растворимых в воде солей магния, таких как хлорид магния или сульфат магния, твердые материалы, имеющие предел растворимости в воде 10 г/л или менее, особенно подходят для цели настоящего изобретения. Было доказано, что эти материалы демонстрируют равномерное и управляемое растворение в условиях способа согласно изобретению, обеспечивая таким образом равномерное и управляемое дозирование Mg²⁺ в поток исходной воды Q_CO2, содержащей двуокись углерода.

Поэтому, в одном варианте осуществления предел растворимости в воде составляет 5 г/л или менее, предпочтительно 2 г/л или менее, более предпочтительно 1 г/л или менее, еще более предпочтительно 0,5 г/л или менее, а наиболее предпочтительно 0,2 г/л или менее, каждое измерение проводят при 20°C и 100 кПа.

В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения источник ионов магния выбирают из одного или более из следующего:

(i) природных магнийсодержащих минералов, предпочтительно брусита, известкового доломита, доломита, доломитового известняка, гидромагнезита или магнезита;

(ii) частично или полностью кальцинированных природных магнийсодержащих минералов, предпочтительно частично или полностью кальцинированного брусита, известкового доломита, доломита, доломитового известняка, гидромагнезита или магнезита, более предпочтительно полуобоженного доломита; и

(iii) синтетических магнийсодержащих минералов, предпочтительно синтетического карбоната магния, гидроксида магния или гидромагнезита, более предпочтительно осажденного гидромагнезита.

В предпочтительном варианте осуществления источник ионов магния выбирают из одного или более из брусита, частично кальцинированного доломита (например, полуобоженного доломита) и природного или синтетического гидромагнезита. Термин «синтетический гидромагнезит» в рамках изобретения относится как к гидромагнезиту, полученному путем преобразования природных минералов, так и к гидромагнезиту, полученному методами химического осаждения, причем последнее может быть предпочтительным вариантом осуществления.

Брусит представляет собой минеральную форму гидроксида магния с химической формулой Mg(OH)₂. Его можно получить из природных источников. Частично кальцинированный доломит, такой как полуобоженный доломит (хомический состав CaCO₃·MgO) можно получить путем частичного кальцинирования природного доломита.

Еще одним предпочтительным источником ионов магния является гидромагнезит, который включает как природный, так и синтетический гидромагнезит. Получение синтетического гидромагнезита раскрыто, например, в принадлежащем настоящему заявителю WO 2011/054831 A1, включенному в данный документ посредством ссылки.

Указанный синтетический или осажденный гидромагнезит можно получать в водной окружающей среде с помощью способа, включающего стадии:

(a) обеспечение по меньшей мере одного источника оксида магния;

(b) обеспечение газообразной двуокиси углерода и/или содержащих карбонат анионов;

(c) гашение указанного источника оксида магния стадии (a) с преобразованием оксида магния по меньшей мере частично в гидроксид магния;

(d) введение в контакт полученного гидроксида магния стадии (c) и указанной газообразной двуокиси углерода и/или содержащих карбонат анионов стадии (b) с преобразованием гидроксида магния по меньшей мере частично в осажденный несквегонит; и

(e) обработка полученного осажденного несквегонита стадии (d) на стадии теплового старения.

Следующий иллюстративный пример включает получение гидромагнезита путем прокаливания и гашения белого доломита: камни белого доломита измельчают, чтобы получить размер зерна 10-50 мм, и прокаливают во вращающейся печи при 1050°С в течение 60 мин. Полученный обожженный доломит (CaO MgO) измельчают в шаровой мельнице с получением порошка со средним размером частиц около 40 мкм (метод лазерной дифракции CILAS). Впоследствии 200 кг указанного обожженного доломита гасят, добавляя к 1000 литров водопроводной воды при 50°С в реакторе с перемешиванием. Обожженный доломит гасят в течение 30 минут при постоянном перемешивании, и полученную суспензию доводят до содержания твердых веществ примерно 8 мас.% путем разбавления водой. Карбонизацию проводят в цилиндрическом реакторе из нержавеющей стали с перегородкой на 1800 л, оборудованном газоотводной мешалкой, трубкой для карбонизации из нержавеющей стали для направления потока газообразной двуокиси углерода/воздуха к рабочему колесу и зондам для контроля pH и проводимости суспензии. 1800 л суспензии, полученной на стадии гашения, доводят до температуры 12°С и добавляют в карбонизирующий реактор. Затем газовую смесь с 26 об.% двуокиси углерода в воздухе барботируют вверх через суспензию со скоростью 200 м³/ч при перемешивании суспензии 240 об/мин. Во время карбонизации температура реакционной смеси может повышаться из-за тепла, выделяемого при экзотермической реакции. Через 85 мин введение газа прекращают. Затем суспензию переносят в сосуд под давлением и нагревают до температуры около 130° С в течение 30 минут. Полученный синтетический гидромагнезит извлекают в виде водной суспензии.

Авторы имеют обнаружили, что размер твердых частиц можно использовать для управления скоростью реакции между Q_CO2 и источником ионов магния на стадии (c) настоящего способа.

С одной стороны, любой метод дробления, известный в данной области, можно использовать для уменьшения размера указанных твердых частиц, например, путем измельчения. Необязательно, перед использованием в твердом слое согласно настоящему изобретению твердые частицы можно обрабатывать путем дополнительной обработки, такой как просеивание и/или фракционирование, например, с помощью циклона или сепаратора. С другой стороны, если нужно увеличить размер частиц (например, в случае тонкого порошка), можно использовать любой известный метод гранулирования, чтобы увеличить размеры частиц.

Чтобы обеспечить быстрое и управляемое восполнение магния, частицы, используемые в твердом слое, в одном варианте осуществления изобретения, имеют средневесовой размер частиц в диапазоне от 0,05 до 20 мм, предпочтительно от 0,1 до 15 мм, более предпочтительно от 0,15 до 10 мм, еще более предпочтительно от 0,2 до 2 мм, а наиболее предпочтительно от 0,5 до 1,5 мм или от 0,3 до 1,2 мм. В особо предпочтительном варианте осуществления твердые частицы имеют средневесовой размер частиц приблизительно 0,5 мм.

Специалисту будет ясно, что вышеупомянутая скорость реакции между Q_CO2 и источником ионов магния на стадии (c) может влиять на итоговую концентрацию магния в потоке обработанной воды Q_OUT. Еще одним параметром для управления указанной итоговой концентрацией магния является время контакта между Q_CO2 и источником ионов магния на стадии (c), то есть время контакта Q_CO2 в твердом слое. Хотя короткое время контакта может быть предпочтительным по экономическим и практическим причинам, более длинное время контакта может быть предпочтительным для обеспечения определенного уровня ионов магния в обработанной воде.

Поэтому, в одном варианте осуществления время контакта на стадии (c) между потоком Q_CO2 и твердым слоем составляет:

(i) по меньшей мере 0,1 мин, предпочтительно по меньшей мере 0,2 мин, более предпочтительно по меньшей мере 0,5 мин, а наиболее предпочтительно по меньшей мере 1 мин; и/или

(ii) менее чем 30 мин, предпочтительно менее чем 20 мин, более предпочтительно менее чем 10 мин, а наиболее предпочтительно менее чем 5 мин.

В конкретном предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения время контакта составляет по меньшей мере 0,1 мин и менее чем 5 мин, еще более предпочтительно в диапазоне от 0,1 мин до 2 мин.

время контакта между потоком Q_CO2 и твердым слоем можно регулировать, например, путем увеличения или уменьшения скорости потоков Q_IN или Q_CO2 или путем адаптации размеров (например, длины) твердого слоя.

В иллюстративном варианте осуществления концентрацию двуокиси углерода в исходной воде, содержащей двуокись углерода, потока Q_CO2 регулируют на стадии (b) до концентрации от 20 до 100 мг/л, источник ионов магния выбирают из одного или более из брусита, гидромагнезита или частично кальцинированного доломита, частицы имеют средневесовой размер частиц в диапазоне от 0,5 до 1,5 мм, причем время контакта на стадии (c) между потоком Q_CO2 и твердым слоем составляет по меньшей мере 0,1 мин и менее чем 5 мин, предпочтительно в диапазоне от 0,1 мин до 2 мин.

Независимо от типа исходной воды, используемой в способе согласно изобретению, обработанная вода, высвобождаемая из твердого слоя в качестве выходящего потока Q_OUT,представляет собой воду, имеющую повышенную концентрацию ионов магния. Обычно, обработанная вода является достаточно минерализованной для использования в качестве питьевой воды.

В одном варианте осуществления обработанная вода выходящего потока Q_OUT имеет концентрацию растворенных ионов магния более 2 мг/л, предпочтительно более 5 мг/л, а наиболее предпочтительно более 10 мг/л. В предпочтительном варианте осуществления концентрация магния составляет по меньшей мере 15 мг/л, например, от 15 до 150 мг/л.

Обработанная вода может иметь общую щелочность (CaCO₃) от 1 до 500 мг/л, предпочтительно от 5 до 200 мг/л, более предпочтительно от 10 до 150 мг/л, а наиболее предпочтительно от 20 до 100 мг/л.

Авторы также неожиданно обнаружили, что способ обеспечивает предоставление (питьевой) воды, имеющей низкую мутность. В значении согласно настоящему изобретению термин «мутность» описывает помутнение или затемнение текучей среды, вызванное отдельными частицами (суспендированными твердыми веществами), которые обычно невидны невооруженным глазом. Измерение мутности является ключевым тестом качества воды, и его можно выполнять с помощью нефелометра. Единицы мутности калиброванного нефелометра, используемые в настоящем изобретении, указаны как нефелометрические единицы мутности (NTU). В одном варианте осуществления настоящего изобретения обработанная вода выходящего потока Q_OUT имеет мутность менее чем 5,0 NTU, предпочтительно менее чем 2,0 NTU, более предпочтительно менее чем 1,0 NTU, а наиболее предпочтительно между 0,05 и 0,5 NTU.

В некоторых вариантах осуществления, обработанная вода согласно настоящему изобретению также отличается конкретной проводимостью, которая является показателем общей концентрации ионов. Например, проводимость может быть в диапазоне от 50 до 1 000 мкСм/см, предпочтительно от 80 до 500 мкСм/см, а наиболее предпочтительно от 150 до 450 мкСм/см.

(D) Необязательные стадии способа

В общем, обработанная вода Q_OUT, полученная как в стадии (c) способа, готова для использования, например, в качестве питьевой воды.

Однако, возможно объединить способ согласно изобретению с дополнительными необязательными стадиями обработки в зависимости от предполагаемого использования и конкретных требований.

Хотя фильтрация не является обязательным требованием, обработанную воду Q_OUT можно направлять в блок фильтрации для удаления любых остаточных твердых веществ или других нежелательных примесей. Поэтому, в одном варианте осуществления способ согласно настоящему изобретению кроме того включает стадию, на которой выходящий поток обработанной воды Q_OUT подвергают стадии фильтрации.

Также pH обработанной воды в выходящем потоке Q_OUT можно регулировать в зависимости от конкретных потребностей. Поэтому, в одном варианте осуществления способ согласно настоящему изобретению кроме того включает стадию регулирования pH обработанной воды, полученной на стадии (c). В предпочтительном варианте осуществления способ кроме того включает стадию доведения pH обработанной воды, полученной на стадии (c), до диапазона от 6,5 до 9,5, предпочтительно от 7,0 до 9,0, а наиболее предпочтительно от 7,5 до 8,5.

(E) система подготовки воды и проточный реактор

способ согласно настоящему изобретению для увеличения концентрации ионов магния в исходной воде можно выполнять посредством соответствующей системы подготовки воды или с помощью использования соответствующего проточного реактора.

Поэтому, еще один аспект настоящего изобретения относится к системе подготовки воды, причем указанная система содержит:

(i) трубопровод, причем трубопровод выполнен с возможностью приема входящего потока исходной воды Q_IN;

(ii) устройство предварительной обработки, соединенное с указанным трубопроводом, причем устройство предварительной обработки выполнено с возможностью увеличения концентрации двуокиси углерода в указанном входящем потоке исходной воды Q_IN для получения потока исходной воды Q_CO2, содержащей двуокись углерода; и

(iii) твердый слой, расположенный ниже по потоку относительно устройства предварительной обработки, причем твердый слой выполнен с возможностью приема потока исходной воды Q_CO2, содержащей двуокись углерода, из указанного устройства предварительной обработки с возможностью получения выходящего потока обработанной воды Q_OUT;

отличающейся тем, что твердый слой содержит источник ионов магния в виде твердых частиц, имеющих предел растворимости в воде 10 г/л или менее при измерении при 20°C и 100 кПа.

Трубопровод, выполненный с возможностью приема входящего потока исходной воды Q_IN, можно изготовить из любого материала, который совместим с исходной водой. Например, указанный трубопровод может содержать металлическую трубу или пластиковую трубу. Указанный трубопровод кроме того может содержать соединитель для соединения трубопровода с внешним источником исходной воды, например, источником питьевой воды или выпуском системы очистки воды. Трубопровод может содержать дополнительные соединители для соединения или установки устройства предварительной обработки и твердого слоя.

Система подготовки воды кроме того содержит устройство предварительной обработки, соединенное с указанным трубопроводом, причем указанное устройство предварительной обработки выполнено с возможностью увеличения концентрации двуокиси углерода в указанном входящем потоке исходной воды Q_IN для получения потока исходной воды Q_CO2, содержащей двуокись углерода.

Как уже описано выше, для увеличения концентрации двуокиси углерода можно использовать разные способы и соответствующие устройства. Подходящие способы включают, без ограничения, инжекцию газообразной двуокиси углерода или контакт входящего потока исходной воды Q_IN с кислотным катионитом, предпочтительно со слабо кислотным катионитом.

Соответственно, в одном варианте осуществления устройство предварительной обработки, соединенное с указанным трубопроводом, представляет собой:

(i) устройство инжектирования, выполненное с возможностью инжектирования газообразной двуокиси углерода в указанный входящий поток Q_IN; или

(ii) кислотный катионообменник, предпочтительно слабо кислотный катионообменник, выполненный с возможностью приема входящего потока исходной воды Q_IN.

Предпочтительно, устройством предварительной обработки, соединенным с указанным трубопроводом, является устройство инжектирования, выполненное с возможностью инжектирования газообразной двуокиси углерода в указанный входящий поток Q_IN. Детали и варианты осуществления, касающиеся подходящих устройств инжектирования двуокись углерода для использования в настоящем изобретении, описаны выше и соответственно применимы к системе подготовки воды согласно изобретению.

В устройстве предварительной обработки создают поток содержащей двуокись углерода воды Q_CO2, который затем направляют на твердый слой. Твердый слой расположен ниже по потоку относительно указанного устройства предварительной обработки и выполнен с возможностью приема потока исходной воды Q_CO2, содержащей двуокись углерода, из устройства предварительной обработки для получения выходящего потока обработанной воды Q_OUT.

Твердый слой, используемый в настоящем изобретении, может иметь любую возможную конструкцию, обеспечивающую прохождение потока содержащей двуокись углерода воды Q_CO2, чтобы взаимодействовать с твердыми частицами, такими как ионы магния, высвобождаемые при растворении указанных твердых частиц. Также может быть желательно предотвратить вымывание материала в виде частиц, особенно более крупных частиц. Для этой цели в одном варианте осуществления твердый слой кроме того содержит удерживающее устройство на расположенном ниже по потоку конце твердого слоя, предпочтительные удерживающие устройства представляют собой экраны или водопроницаемые мембраны.

Согласно настоящему изобретению твердый слой может быть представлен полостью проточного реактора, причем указанный проточный реактор имеет впуск, выполненный с возможностью приема потока исходной воды Q_CO2, содержащей двуокись углерода, и выпуск, выполненный с возможностью высвобождения выходящего потока обработанной воды Q_OUT, предпочтительно указанным проточным реактором является проточный картридж.

Поэтому, еще один аспект настоящего изобретения относится к проточному реактору, предпочтительно проточному картриджу, для использования в системе подготовки воды для увеличения концентрации ионов магния в исходной воде, причем указанный проточный реактор содержит:

(i) впуск, причем впуск выполнен с возможностью приема потока исходной воды Q_CO2, содержащей двуокись углерода;

(ii) твердый слой, причем твердый слой выполнен с возможностью приема потока исходной воды Q_CO2, содержащей двуокись углерода, из указанного впуска и с возможностью получения выходящего потока обработанной воды Q_OUT; и

(iii) выпуск, выполненный с возможностью высвобождения выходящего потока обработанной воды Q_OUT;

отличающемуся тем, что твердый слой содержит источник ионов магния в виде твердых частиц, имеющих предел растворимости в воде 10 г/л или менее при измерении при 20°C и 100 кПа.

Проточный картридж может представлять собой закрытый контейнер, выполненный с полостью, который содержит источник ионов магния в виде твердых частиц, образующих твердый слой, причем указанный картридж имеет впуск для приема потока исходной воды Q_CO2, содержащей двуокись углерода, и выпуск, выполненный с возможностью высвобождения выходящего потока обработанной воды Q_OUT.

В дополнительном варианте осуществления проточный реактор или проточный картридж содержит удерживающее устройство в выпуске реактора, предпочтительно экран или водопроницаемую мембрану.

Проточный реактор или проточный картридж соединен с трубопроводом, принимающим входящий поток исходной воды Q_IN ниже по потоку относительно устройства предварительной обработки посредством соединителя, соединенного с впуском реактора или картриджа. Кроме того соединитель можно соединить с выходным патрубком выпуска. Эта может обеспечить простую замену проточного реактора или проточного картриджа при установке в трубопроводных системах, например, в бытовых системах водоснабжения или мобильных установках для обработки воды.

Необходимо заметить, что детали и варианты осуществления, раскрытые выше в отношении входящего потока исходной воды Q_IN, потока содержащей двуокись углерода воды Q_CO2 и твердого слоя, соответственно применимы к системе подготовки воды согласно изобретению и проточному реактору или проточному картриджу.

Например, в некоторых вариантах осуществления системы подготовки воды и проточного реактора источник ионов магния выбирают из одного или более из следующего:

(i) природных магнийсодержащих минералов, предпочтительно брусита, известкового доломита, доломита, доломитового известняка, гидромагнезита или магнезита;

(ii) частично или полностью кальцинированных природных магнийсодержащих минералов, предпочтительно частично или полностью кальцинированного брусита, известкового доломита, доломита, доломитового известняка, гидромагнезита или магнезита; и

(iii) синтетических магнийсодержащих минералов, предпочтительно синтетического карбоната магния, гидроксидк магния или гидромагнезитк.

В других вариантах осуществления системы подготовки воды и проточного реактора частицы твердого слоя имеют средневесовой размер частиц в диапазоне от 0,05 до 20 мм, предпочтительно от 0,1 до 15 мм, более предпочтительно от 0,15 до 10 мм, еще более предпочтительно от 0,2 до 2 мм, а наиболее предпочтительно от 0,5 до 1,5 мм.

В других вариантах осуществления системы подготовки воды и проточного реактора предел растворимости в воде составляет 5 г/л или менее, предпочтительно 2 г/л или менее, более предпочтительно 1 г/л или менее, еще более предпочтительно 0,5 г/л или менее, а наиболее предпочтительно 0,2 г/л или менее, каждое измерение проводят при 20°C и 100 кПа.

В иллюстративных вариантах осуществления системы подготовки воды и проточного реактора источник ионов магния выбирают из одного или более из брусита, гидромагнезита или частично кальцинированного доломита, частицы имеют средневесовой размер частиц в диапазоне от 0,5 до 1,5 мм, причем время контакта на стадии (c) между потоком Q_CO2 и твердым слоем составляет по меньшей мере 0,1 мин и менее чем 5 мин, предпочтительно в диапазоне от 0,1 мин до 2 мин.

Примеры

Объем и предмет изобретение можно лучше понять на основе следующих примеров, которые предназначены для пояснения вариантов осуществления настоящего изобретения.

(A) Аналитические Методы

все параметры, определенные в настоящей заявке и упомянутые в следующих примерах, основаны на следующих способах измерения:

Концентрации ионов металлов (например, Ca²⁺ или Mg²⁺)

Концентрации ионов металлов, указанных в этой заявке, включая концентрацию ионов магния и кальция, измеряли с помощью ионной хроматографии, используя аппарат Metrohm 882 Compact IC plus. Перед анализом все образцы фильтровали (RC - 0,20 мкм).

Концентрация двуокиси углерода

Концентрацию растворенной двуокиси углерода в воде определяли путем титрования, используя в качестве титранта стандартный раствор водного гидроксида натрия и pH-электрод DGi111-SC (Mettler-Toledo).

Распределения размеров частиц

Для определения средневзвешенного размера твердых частиц использовали фракционное просеивание согласно стандарту ISO 3310-1:2000(E).

Проводимость

Электрическую проводимость измеряли, используя измеритель pH SevenMulti от Mettler-Toledo (Швейцария), оборудованный зондом InLab 741 от Mettler-Toledo (Швейцария).

Общая щелочность (CaCO₃)

Общую щелочность измеряли с помощью Титратора Mettler-Toledo T70, используя соответствующее программное обеспечение для Титрования LabX Light 2016. Для этого титрования использовали pH-электрод DGi111-SC согласно соответствующему методу 40 Mettler-Toledo из брошюры 37 (анализ воды). Калибрование pH-электрода проводили, используя стандарты pH Mettler-Toledo (pH 4,01, 7,00 и 9,21).

Мутность

Мутность измеряли с помощью измерителя мутности лаборатории Hach Lange 2100AN IS. Калибрование проводили, используя стандарты мутности StabCal (формазин), имеющие < 0,1, 20, 200, 1000, 4000 и 7500 NTU.

Предел растворимости

Предел растворимости определяют известным специалисту методом встряхивания в колбе. Согласно этому способу избыток соединения (например, источника ионов магния) добавляют к растворителю (например, воде, предпочтительно деионизированной воде) и встряхивают при 20°С и давлении окружающей среды 100 кПа в течение по меньшей мере 24 часов. Насыщенность подтверждают путем наблюдения за наличием нерастворенного материала. После фильтрации суспензии для анализа отбирают образец раствора, имеющий определенный объем. Чтобы минимизировать потерю летучих компонентов, фильтрацию проводят в условиях, используемых во время растворения (20° C, 100 кПа). Растворитель образца затем выпаривают и определяют массовую концентрацию растворенного соединения на основе массы остаточного соединения после испарения растворителя и объема образца.

Во многих случаях пределы растворимости активных ингредиентов доступны в общедоступных базах данных, общеизвестных специалисту. В случае каких-либо различий или несоответствий, предел растворимости, определенный в соответствии с методом, описанным выше, должен быть предпочтительным.

(B) Примеры

Следующие примеры не следует истолковывать как ограничивающие каким-либо образом объем формулы изобретения.

Оборудование

В испытаниях использовали следующее оборудование:

1. Контактная система:

- контактная колонна, сконструированная из прозрачного ПВХ DN80, оборудованного цилиндрическими концевыми соединителями для обеспечения замены фильтрующего материала внутри колонны

- насос с регулируемым управлением скоростью для доставки исходной воды с необходимой скоростью потока

- дозирующий разбрызгиватель двуокиси углерода для растворения двуокиси углерода в исходной воде

- измерения потока с помощью встроенного измерителя потока

- управление потоком с помощью расходомерной трубки и игольчатого клапана в колонну

- измерение pH, мутности и проводимости на впуске и выпуске колонны в режиме онлайн

2. Система дозирования двуокиси углерода, состоящая из:

- Бутылки для двуокиси углерода

- Регулятора давления для уменьшения давления из бутылки с 50 бар до 5 бар

- Массового расходомера и клапана управления для регулирования и измерения дозирования двуокиси углерода

- Дозирующего соединения с разбрызгивателем для растворения в подающем трубопроводе в колонну

Методика

Для проведения испытаний использовали следующую методику:

1. Контактные колонны наполняли разными источниками ионов магния, которые указаны ниже (наполняли до высоты слоя 200-600 мм)

2. В качестве исходной воды Q_IN использовали как воду в результате обратного осмоса (RO воду), так и воду, которую обрабатывали с помощью обратного осмоса, а затем стабилизировали, используя контактное устройство для кальцита, и нагнетали через контактную колонну (минеральный состав и качество исходной воды указаны ниже)

3. Перед попаданием в колонну в воду дозировали двуокись углерода из баллона с двуокисью углерода с разными нормами дозирования для получения потока содержащей двуокись углерода исходной воды Q_CO2(минеральный состав и качество содержащей двуокись углерода исходной воды указаны ниже)

4. Перед взятием образцов для анализа из выходящего потока Q_OUT исходную воду пропускали через колонну в течение периода по меньшей мере два EBCT (время контакта с пустым слоем) для кондиционирования колонны

5. Испытания проводили с изменяющимися дозировками двуокиси углерода, различными скоростями потока для сравнения влияния времени контакта и разными источниками ионов магния, как указано ниже

Материалы

В испытаниях следующие магниевые минералы тестировали в качестве источников ионов магния:

BR1=Брусит 1

BR2=Брусит 2

BR3=Брусит 3

HBD=Полуобоженный доломит

PHM=осажденный гидромагнезит.

Химический состав разных источников ионов магния подтверждали с помощью XRD (результаты не показаны).

Параметры тестирования

Во время испытаний использовали следующие параметры тестирования. Начальные испытания проводили, используя RO воду, которая почти не содержала кальция, магния или не имела щелочности, но имела высокое содержание растворенной двуокиси углерода. После этих начальных испытаний, проводили дополнительные испытания с pеминерализованной RO водой, которая содержала, однако, мало магния.

Результаты теста

В таблице ниже представлены результаты Испытаний 1-18:

Испытания с бруситом 1-3 проходили эффективно, в частности, когда размеры частиц уменьшали до 1 мм или 500 мкм или когда использовались более высокие дозы двуокиси углерода. Испытания с гидромагнезитом проходили очень эффективно, давая наибольшее количество растворенного магния. Значительное увеличение уровня растворенного магния, уровня щелочности, уровня pH и полного потребления двуокиси углерода указывает на очень высокую скорость реакции продукта. Аналогично, очень эффективным является применение полусожженного доломита.

Реферат

Настоящее изобретение относится к способу увеличения концентрации ионов магния в исходной воде, при котором: (a) обеспечивают входящий поток исходной воды Q_IN, при этом исходная вода имеет общую щелочность (CaCO₃) от 5 до 200 мг/л; (b) увеличивают концентрацию двуокиси углерода в указанном входящем потоке Q_IN для получения потока исходной воды Q_CO2, содержащей двуокись углерода в концентрации от 20 до 100 мг/л. (c) пропускают поток Q_CO2через твердый слой для получения выходящего потока обработанной воды Q_OUT. Твердый слой на стадии (c) содержит источник ионов магния в виде твердых частиц, имеющих предел растворимости в воде 10 г/л или менее при измерении при 20°C и 100 кПа. Источник ионов магния выбирают из одного или более из брусита, гидромагнезита или частично кальцинированного доломита, частицы имеют средневесовой размер в диапазоне от 0,5 до 1,5 мм, и время контакта на стадии (c) между потоком Q_CO2 и твердым слоем составляет по меньшей мере 0,1 мин и менее чем 5 мин. Технический результат: увеличение концентрации ионов магния без использования сильно растворимых в воде солей магния, таким образом избегая введения нежелательных анионов, таких как хлорид или сульфат. 3 н. и 14 з.п. ф-лы, 3 табл., 18 пр.

Формула