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Immer mehr hochentwickelte Laborausrüstungen und -analysen schaffen einen Bedarf an einer bequemen Versorgung mit ultrareinem Wasser mit Laborqualität, das bei Laborverfahren wie Hochleistungsflüssigchromatographie, Gaschromatographie, Gewebekultivierung und dergleichen verwendet wird.
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Die meisten Verunreinigungen in Trinkwasser liegen in Form ionisierter anorganischer Mineralsalze vor, die dem Wasser einen Leitfähigkeits/Resistivitäts-Grad verleihen und das Wasser folglich für genaue Messungen seiner Reinheit zugänglich machen. Das häufigste Maß ist der spezifische elektrische Widerstand, der typischerweise in der Einheit Ohm·cm bei einer Bezugstemperatur von 25°C gemessen wird; absolut reines Wasser hat einen theoretischen spezifischen elektrischen Widerstand von 18,17 Megohm·cm.
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Eine Minderheit der Verunreinigungen in Trinkwasser umfaßt organische Schadstoffe, die typischerweise keine ionischen Ladungen tragen. Dementsprechend sind derartige organische Schadstoffe nicht in derselben Weise wie organische Verunreinigungen meßbar. Ein bevorzugtes Niveau des organischen Gesamtanteils (TOC) in ultrareinem Wasser mit Laborqualität beträgt nicht mehr als einige Teile auf eine Milliarde (ppb).
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Aus
US 5 868 924 A ist eine Vorrichtung eines Aufbereitungssystems für Rein-(Ultrapur-)wasser mit einem Widerstand von mindestens 18 Megaohm × cm und weniger als 1 ppb Gesamtgehalt an organischen Kohlenstoff bekannt. Die Vorrichtung umfasst ein erstes Gehäuse mit einer Kammer mit bis zu sechs Schichten von Reinigungsmedien, einschließlich Kokusnussschalen-Aktivkohle sowie ein damit in Verbindung stehendes weiteres Gehäuse, das weitere geschichtete Reinigungsmedien in einer Kammer umfasst. Das System weist ferner eine Pumpe, Ventile, Probenentnahmeöffnung, eine Widerstandsmessvorrichtung einschließlich eines Sensors auf, sowie einen Filter mit bis zu 0,2 μm zum Entfernen von Bakterien und anderen Teilchen.
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Aus
US 5 399 263 A geht eine weitere Vorrichtung zur Reinigung von Speisewasser hervor, um Reinwasser mit einem Widerstand von bis zu 18,3 Megaohm × cm und einem Gesamtgehalt an organischen Kohlenstoff von weniger als 10 ppb zu erzeugen. Die Vorrichtung umfasst unter anderem ein Gehäuse mit zwei in Verbindung stehenden aneinandergrenzenden Kammern (Kartuschen) mit bis zu sechs Schichten an Reinigungsmedien, einschließlich Medien, die auf Aktivkohle basieren.
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Nachteilig ist, dass die Kammern (Kartuschen) einzeln in dem Gehäuse der Wasserreinigungsvorrichtung untergebracht sind, über äußere Leitungen miteinander verbunden sind und ein Wasserfluss von unten nach oben realisiert wird. Durch die damit verbundene teilweise Vermischung der Schichten an Reinigungsmedien wird deren Wirksamkeit herabgesetzt.
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Es gibt ein ansteigendes Bedürfnis, ultrareines Wasser mit Laborqualität kurzfristig auf Echtzeitbasis vorzugsweise aus einem Anschluß bereitzustellen, der sich in genau dem Labor befindet, in dem die Forschungs- und Analysearbeit durchgeführt wird. Dieses Bedürfnis wird durch die vorliegende Erfindung erfüllt, die nachstehend zusammengefaßt und ausführlich beschrieben wird.
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Die vorliegende Erfindung umfaßt ein System für die Herstellung von ultrareinem Wasser mit Laborqualität, das eine einzigartige Kombination von Reinigungsmedien, die in einer Reihe von Doppelgehäusen enthalten und vorzugsweise mit Ultraviolett-(UV-) und Ultrafiltrations-(UF-)Behandlung verbunden sind, und einer neuartigen Anordnung der Verteilung, von Magnetventilen, Steuerventilen und Sensorgeräten.
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Die 1 bis 4 sind schematische Darstellungen, die vier beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung zeigen.
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Die 5 bis 7 sind Perspektiv-, Querschnitts- und Explosionsdarstellungen der bevorzugten Gehäuse zur Aufnahme der Reinigungsmedien, die in dem erfindungsgemäßen System verwendet werden.
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Eintragswasser
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Das System ist so entworfen, daß es mit Eintragswasser arbeit, daß aus einer sicheren Trinkwasserquelle stammt, die weiter durch Umkehrosmose (RO), Destillation oder elektrische (EDI) oder herkömmliche Deionisierung (DI) behandelt worden ist. Das Eintragswasser sollte aus einer Quelle stammen, die den US-amerikansichen Environmental Protection Agency National Primary Drinking Water Regulations oder vergleichbaren Standards der Europäischen Union oder Japans entspricht. Das System kann direkt mit trinkbarem Leitungswasser bei Quellen, die nicht mehr als 500 Teile auf eine Million (ppm) insgesamt gelöster Feststoffe als Calciumcarbonat-Äquivalente enthalten, betrieben werden, wobei dieses Wasser, das Gesamtniveaus an organischem Kohlenstoff (TOC) über 1,5 ppm aufweisen kann, eine zusätzliche Vorbehandelung mit Aktivkohle und/oder Filtration erfordern kann. Um ökonomische Wirkungsgrade von dem System zu erreichen, erfordern direkte Quellen an trinkbarem Leitungswasser spezielle Anwendungsgrenzen, die aufgrund der sich verändernden Eintragswasserqualität und dem Volumenbedarf merklich variieren und daher sorgfältig auf individueller Basis geprüft werden sollten. Der Fachmann wird erkennen, daß vorbehandelte Eintragsquellen bei der Mehrheit der Installationen bevorzugt werden. Während der Vorbehandlung werden anorganische, organische und disperse Arten verringert oder beseitigt, was Reinigungs- und ökonomische Effekte liefert.
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Mediengehäuse
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Die bevorzugten Gehäuse zur Aufnahme der Reinigungsmedien umfassen zumindest zwei Doppelgehäuse, wobei jedes Doppelgehäuse zwei nebeneinanderliegende Kammern aufweist, die durch eine gemeinsame Wand in der Weise getrennt sind, daß die Kammern in hintereinander geschalteter Fluidkommunikation miteinander stehen, wobei der Fluß von der Oberseite zum Boden erfolgt. Derartige Doppelgehäuse werden in den
5 bis
7 gezeigt und ausführlicher in dem gemeinsam abgetretenen Patent
US 6 383 382 B1 offenbart, das am 8. Dezember 2000 eingereicht wurde, wobei deren Offenbarung hierin durch Verweis enthalten ist.
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In den 5 bis 7 ist ein Zweikammer-Mediengehäuse 1 dargestellt, das einen Gehäusekörper 10 mit einer oberen Abschluß- bzw. Endkappe 12 und Bodenabschluß- bzw. endkappe 14 umfaßt. Die Abschlußkappen 12 und 14 sind vorzugsweise mit Verstärkungsrippen 30 versehen. Die obere Abschlußkappe 12 ist mit Fluideinlaßöffnung 18 und Fluidauslaßöffnung 28 ausgestattet. Die obere Abschlußkappe 12 kann auch mit einer Sperrnabe 13 und Aufnahmenaben 131 zur Sicherung einer Einlaß- und Auslaßventileinheit (nicht gezeigt) versehen sein, wobei diese Einheit der Gegenstand der gemeinsam übertragenen Patentanmeldung US 2002 0070546 A1 ist, die am 8. Dezember 2000 eingereicht wurde. Der Gehäusekörper 10 und die Abschlußkappen 12 und 14 können aus jedem geeigneten Material wie 316- oder 316L-Edelstahl oder thermoplastischen Polymeren hergestellt sein, wobei die letzteren bevorzugt werden; und die drei Komponenten können durch geeignete Einrichtungen aneinander gesichert werden; im Falle eines thermoplastischen Polymers sind die drei Komponenten vorzugsweise aneinander geschweißt. Bevorzugte polymere Konstruktionsmaterialien umfassen Polyethylen, Polypropylen, Polytetrafluorethylen, Polyvinylidenfluorid, fluoriertes Ethylen/Perfluoralkylvinylether-Copolymer und Polyetheretherketon.
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Der Gehäusekörper 10 umfaßt eine erste Kammer 20 und eine zweite Kammer 24, die durch eine gemeinsame Wand 20–24 miteinander verbunden sind. Beide Enden sowohl der ersten Kammer 20 als auch der zweiten Kammer 24 sind mit porösen Sieben ausgestattet, die sowohl als Vorfilter für große Teilchen als auch dazu dienen, Filtrations- und/oder Adsorptionsmedien zurückzuhalten, wobei die Siebe in diese aufnehmende Ausnehmungen 17 passen, die in die Gehäusekörperwand 11 und die gemeinsame Wand 20–24 eingelassen sind. Die porösen Siebe bzw. Screens in dem Doppelgehäuse können aus denselben Materialtypen wie das Doppelgehäuse konstruiert werden.
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Im Betrieb tritt das Fluid, das mit Medien wie Aktivkohle, Ionenaustauschermedien oder anderen Behandlungsmaterialien filtriert oder anderweitig behandelt werden soll, durch die Fluideinlaßöffnung 18 in der oberen Abschlußkappe 12 ein, fließt nach unten durch das poröse Sieb 16 und die erste Kammer 20, dann nach unten durch die Medien, die in der ersten Kammer 20 enthalten sind, durch das untere Sieb 16, trifft dann auf den Flußsammler 21 der ersten Kammer, der das Permeat der ersten Kammer nach oben durch den Sammelraum 22 der ersten Kammer zu der Oberseite der zweiten Kammer 24 führt. An der Oberseite der zweiten Kammer 24 trifft das Fluidpermeat aus der ersten Kammer auf den Flußverteiler 23 der zweiten Kammer, der bewirkt, daß der zu verteilende Fluß gleichmäßig nach unten durch das poröse Sieb 16 und die Medien der zweiten Kammer 24 verteilt wird. Am Boden der zweiten Kammer 24 fließt das Permeat durch Sieb 16 und trifft auf den Flußsammler 25 der zweiten Kammer, der das Fluidpermeat nach oben durch die Permeatsammelkammer 26 der zweiten Kammer und heraus durch Permeatauslaßöffnung 28 führt.
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REINIGUNGSMEDIEN
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Die Verwendung von fünf Reinigungsmedientypen wird bevorzugt: (1) Redoxmedien; (2) mit Säure gewaschene, bituminöse Aktivkohle; (3) Aktivkohle mit Hochenergie-Bitumenqualität oder mit Säure gewaschene Kokosnußschalen-Aktivkohle; (4) Mischbett-Ionenaustauscherharze mit Halbleiterqualität und (5) katalytische Aktivkohle mit einer maximalen Peroxidzahl von 14. Das Wasser läuft nach unten durch alle Reinigungsmedien, um Fluidisation und Trennung der Medien, basierend auf einer unterschiedlichen Teilchendichte, zu verhindern. Basierend auf den Volumen jeder Kammer in den Doppelgehäusen kann im allgemeinen praktisch jeder Prozentsatz jedes dieser Medien verwendet werden, der gemäß den Verunreinigungen des Eintragswassers eingestellt wird. Einzelheiten bevorzugter Aspekte dieser Reinigungsmedien, einschließlich bevorzugter Volumen-Prozentsätze, die mit typischen Einträgen verwendet werden, werden nachfolgend im Zusammenhang mit dem in 1 dargestellten System erörtert.
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Die bevorzugten Redoxmedien umfassen eine granulierte Zn/Cu-Legierung, die kommerziell als KDF 55 von KDF Fluid Treatment, Inc, in Three Rivers, Michigan, erhältlich ist. Derartige Redoxmedien sind dazu bestimmt, freies Chlorid und wasserlösliche Schwermetalle zu entfernen oder zu verringern, während gleichzeitig eine Kontrolle von Bakterien und Algen, die in dem Eintragswasser vorhanden sein können, bereitgestellt wird. Die Redoxreaktion reduziert freie Chloride in dem Eintragswasser zu Chloridionen, die stromabwärts durch das Ionenaustauschharz entfernt werden. Bakterien und andere Mikroorganismen werden durch die Herstellung von Peroxiden und freien Hydroxylradikalen getötet, die gebildet werden, da Wasser durch die Medien strömt. Wie nachstehend angegeben und in den 2 bis 4 gezeigt, wird katalytischer Kohlenstoff stromabwärts von den Redoxmedien zugesetzt, um die durch die Medien erzeugten Peroxide zu beseitigen. Die Schwermetallentfernung erfolgt durch elektrochemisches Abscheiden der Schwermetallarten auf den Redoxmedien, während sich die Schwermetallarten in Kontakt mit den Medien befinden.
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Die bevorzugte Menge der in den erfindungsgemäßen Doppelkammergehäusen verwendeten Redoxmedien beträgt 1 bis 10 Vol%, besonders bevorzugt 8 Vol% der Inhalte einer Einzelkammer der Doppelkammergehäuse, basierend auf einer Flußrate von bis zu 2,5 l/min (0,6 gpm), vorzugsweise 1,5 l/min (0,36 gpm). Derartige Redoxmedien ergeben eine Zahl bedeutender Vorteile, insbesondere bei einem Labor-Wasserbehandlungsgerät, gegenüber herkömmlichen Behandlungsanordnungen. Die Redoxmedien können bis zum 10- bis 20fachen der Kapazität von Aktivkohle, die typischerweise für die Chlorentfernung verwendet wird, wirksam entfernen. Ihre Verwendung stromabwärts von der Aktivkohle verlängert die Lebensdauer der Aktivkohle und verbessert die Entfernungseffizienz der Aktivkohle für organische Substanzen, hauptsächlich aufgrund der verringerten Chlorkonzentration, die ein größere Oberfläche zur Adsorption von organischen Substanzen wirksam ermöglicht. Einfach gesagt, wird die Oberfläche der Kohle verwendet, um organisches Material zu adsorbieren, anstatt mit Chlor zu reagieren. In einer Reinigungsanordnung mit kleinem Maßstab, bei der das Medienvolumen ziemlich beschränkt ist, bedeutet dies einen wesentlichen Vorteil, der eine höhere Flußrate aufgrund der größeren Effizienz der Behandlung zuläßt.
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Wasser, das von RO-Systemen oder Destillationssystemen geliefert wird, nutzt typischerweise einen Vorratsbehälter, um das behandelte Wasser aufzunehmen. Vorratsbehälter können aufgrund der abgestandenen Natur der Gefäße eine bedeutende Umgebung für die Vermehrung von Bakterien und Algen liefern. Diese Gefäße werden bei der Reinigung und Desinfizierung gewöhnlich vergessen oder ignoriert. Ein zentrales Ionenaustauschsystem kann ebenfalls eine Quelle einer bakteriellen Kontamination sein, die zu dem Verwendungsort des Wasserreinigungssystems transportiert werden kann. Wenn die Redoxmedien als erstes oder eines der ersten Reinigungsmedien, die in Kontakt mit dem Eintragswasser stehen, verwendet wird, bilden sie einen bakteriostatischen Schutz am Einlaß zu dem System, so daß das Potential für bakterielles Verschmutzen der anderen, stromabwärts befindlichen Reinigungsmedien verringert wird. Dies ist ein besonderer Vorteil für ein Wasserprodukt am Verwendungsort, das aus dem Eintragwasser das von einem Vorratsreservoir oder aus einem zentralen Ionenaustauschsystem geliefert wird, stammt. Wenn die Bakterienmenge verringert wird, wird auch die Menge an bakteriellen Endotoxinen, die in dem System freigesetzt wurden, verringert. Außerdem werden die Anforderungen an die Ultrafiltrations- und Endfiltrationsgeräte des Systems verringert.
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Zusätzlich zum elektrochemischen Abscheiden der Schwermetallionen reagieren die Redoxmedien auch mit zweiwertigen Kationen, die in den Eintragswasserquellen zu finden sind, was die Ausfällung der Ionen bewirkt. Schwermetalle werden chemisch an den Redoxmedien gebunden. Zweiwertige Kationen werden als Teilchen ausgefällt. In Abhängigkeit von der Größe können die Teilchen suspendiert bleiben oder aus der Lösung ausfallen. In diesem Fall können sich die Teilchen physikalisch an den Medien, der Kohle oder den Filtern ansammeln, was den Wasserkontakt verhindert und die Medien oder den Filter verstopft oder verschmutzt. Aufgrund des im allgemeinen niedrigen Gehaltes der Mehrheit der oben erwähnten, bevorzugten Eintragswasserquellen an Schwermetallen und zweiwertigen Kationen sollte ein periodisches Rückwaschen der Redoxmedien nicht erforderlich sein.
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In Fällen, in denen die Eintragswasser TOC-Niveaus von 1,5 ppm oder mehr enthalten, wie beispielsweise in Leitungswasser, entionisiertem Eintragswasser mit schlechter Qualität oder anderen problematischen Eintragsquellen, kann eine kleine Menge ”opferungswilliger” Aktivkohle stromaufwärts von den Redoxmedien zugesetzt werden, um die Redoxmedien vor organischer Verschmutzung zu schützen. Derartige Aktivkohle ist in dem Sinne ”opferungswillig”, daß sie durch organische Substanzen verschmutzt wird, um die Redoxmedien vor organischer Verschmutzung zu schützen. Eine hohe organische Kohlenstoffbelastung in einer Eintragswasserquelle überzieht die Redoxmedien und verhindert den Wasserkontakt, was die Redoxaktivität verringert; stromaufwärts befindliche Aktivkohle verhindert dieses Ereignis. Die bevorzugte Aktivkohle zum Schutz der Redoxmedien besteht aus mit Säure gewaschener, granulärer Aktivkohle mit Bitumenqualität, 20 × 50 US-Maschenzahl, die kommerziell von Barnebey & Sutcliffe Corp. in Columbus, Ohio, erhältlich ist. Bitumenqualität und andere kohlenbasierende Aktivkohlen enthalten einen höheren Grad an größeren Porengrößen (Makroporen), die besser genutzt werden können, um organische Verbindungen mit größerem Molekulargewicht, die typischerweise in Trinkwasser oder anderen Hoch-TOC-Quellen gefunden werden, zu entfernen.
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Ein anderes bevorzugtes Reinigungsmedium ist eine granuläre Aktivkohle, die speziell zur Entfernung von Ozon und organischen Verbindungen mit niedrigem Molekulargewicht, einschließlich organischen Säuren, bestimmt ist, vorzugsweise (i) Aktivkohle mit Hochenergie-Bitumenqualität oder (ii) mit Säure gewaschene Kokosnußschalen-Aktivkohle, wobei letztere bevorzugt wird. Ein Beispiel von (i) ist Calgon Fitrasorb 600, das gegenwärtig für Heilzwecke bei der Entfernung von organischem Kohlenstoffen mit niedrigem Molekulargewicht verwendet wird. Bedauerlicherweise ist das Filtrasorb 600-Produkt nur mit einer Maschenzahl von 12 × 40 erhältlich. Für die vorliegende Erfindung wird ein Material mit einer Maschenzahl von 20 × 50 bevorzugt, das am effektivsten wäre. Auf Kokosnußschalen basierende Aktivkohle-Medien sind zur Entfernung von Schadstoffen aus organischem Kohlenstoff mit niedrigem Molekulargewicht aus Wasser verwendet worden. Auf Kokosnußschalen basierende Aktivkohlen enthalten einen höheren Anteil kleiner Poren oder Mikroporen, die für die Entfernung organischer Verbindungen mit geringem Molekulargewicht und Spurenmengen organischer Verbindungen wichtig sind. Ein bevorzugtes Beispiel von (ii) weist eine Maschenzahl von 20 × 50 auf und ist von Barnebey & Sutcliffe Corp. in Columbus, Ohio, kommerziell erhältlich.
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Derartige Reinigungsmedien liegen vorzugsweise in einer Menge vor, die zwischen 20 und 80 Vol% des Fassungsvermögens einer Einzelkammer des Doppelkammergehäuse, besonders bevorzugt zwischen 25 und 75 Vol%, basierend auf der oben erwähnten Floßrate, liegt.
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Da die Mehrheit der Installationen für die erfindungsgemäßen Wasserreinigungssysteme eine Quelle mit vorbehandeltem Eintragswasser aufweisen, ist zu erwarten, daß das Eintragswasser verringerte Menge an organischem Kohlenstoff mit niedrigem Molekulargewicht enthalten wird. Beispielsweise haben RO-Membranen ein Molekulargewicht-Rückhaltevermögen zwischen 200 und 300 Dalton. Dies zeigt allgemein, daß Produktwasser aus einem RO-System nur etwa 0,1% der organischen Verbindungen aus der Eintragswasserquelle mit einem Molekulargewicht von oder über 200 Dalton enthält. Falls vorhanden, wird die Mehrheit der organischen Verbindungen mit einem Molekulargewicht unter 200 Dalton die Membran passieren. Ebenso wird destilliertes Wasser im allgemeinen nur organische Verbindungen mit einem Siedepunkt enthalten, der kleiner oder gleich dem von Wasser (100°C) ist. Deshalb werden gewöhnlich die Verbindungen mit niedrigem Molekulargewicht oder flüchtigere Verbindungen in der Eintragsquelle von destilliertem Wasser für das erfindungsgemäße System zu finden sein. DI-Wasser wird aufgrund der Vorbehandlungsanordnungen und der Fähigkeit von Ionenaustauschharzen, um organische Schadstoffe mit großem Molekulargewicht zu absorbieren, typischerweise auch organische Kohlenstoffverbindungen mit niedrigem Molekulargewicht enthalten. Jedoch kann DI-Wasser aus großen Zentralsystemen oder Service-Austauschsystemen gelegentlich merkliche Mengen an organischem Kohlenstoff mit veränderlichen Molekulargewichten erzeugen und muß daher genauer hinsichtlich organischer Kontamination als Produktwasser aus anderen Vorbehandlungsverfahren aufgrund der Empfindlichkeit der Ionenaustauschharze gegen Oxidation und Vorbehandlungsdurchbruch überwacht werden. Destilliertes, RO- und DI-Wasser enthalten typischerweise Niveaus an organischem Kohlenstoff auf ppb- oder mg/l-Niveau. Trinkwasser enthält normalerweise Niveaus an organischem Kohlenstoff auf ppm- oder mg/l-Niveau. DI-Wasser kann, obwohl es normalerweise organische Verbindungen mit niedrigem Molekulargewicht enthält, problematisch sein. Deshalb ist es bevorzugt, daß opferwilliger Kohlenstoff vor den Redoxmedien bereitgestellt wird, wie z. B. in 2 gezeigt wird.
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Es sollte auch angemerkt werden, daß neu installierte Wasservorbehandlungssysteme, einschließlich RO, DI, EDI und Destillation, eine Quelle organischer Kohlenstoffverbindungen mit höherem Molekulargewicht sein können, die in dem Wasserstrom aus der Wasserleitung, die das Wasser liefert, gelöst oder suspendiert sind. Diese Verbindungen können Trenn-Gleitmittel, Weichmacher, Lötflußmittel, und Kunststoffpolymere der Leitung sein. Diese potentiellen Schadstoffe in neuen Installationen verringern sich gewöhnlich mit der Betriebszeit. Dieses Verschmutzungspotential würde weiterhin die Verwendung von opferwilligem Kohlenstoff empfehlen, um die Redoxmedien zu schützen.
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Andere bevorzugte Medien bestehen aus hochreinem Mischbett-Ionenaustauschharz mit Halbleiterqualität. Dieses Harz umfaßt chemisch äquivalente Mengen an 40 Vol% Harz von Kationen starker Säuren, proportional gemischt mit 60 Vol% Harz von Anionen schwacher Basen. Das bevorzugte Material ist kommerziell als Ionac NM60-SG-Mischbett-Ionenaustauschharz von Sybron Chemicals in Birmingham, New Jersey, erhältlich. Dieses Medium ist dazu bestimmt, im wesentlichen alle ionischen Schadstoffe zu entfernen, die aus der Eintragswasserquelle und aus den Ionen stammen, die von der Aktivkohle und/oder katalytischen Medien freigesetzt werden, die sich stromaufwärts in dem System befinden. Die bevorzugte Menge derartiger Mischbett-Harzmedien beträgt im allgemeinen zwischen 40 und 100%, basierend auf dem Gesamtfassungsvermögen einer Einzelkammer des Doppelkammergehäuses und bei der gleichen, oben erwähnten Flußrate. Ein derartiges Ionenaustauschharz kann Wasser mit einem spezifischen Widerstand von 18,2 Megohm·cm, korrigiert auf 25°C, mit Spurenmengen an leicht extrahierbarem Ausfluß an organischem Kohlenstoff, der sich von dem Harz ablöst, herstellen. Derartige Ionenaustauchharz-Medien befinden sich vorzugsweise in der zweiten Kammer des ersten Doppelgehäuses A von 1 und bildet vorzugsweise 100% des Volumens in dieser Kammer für die meisten erwarteten Anwendungen. Dieses Bett stellt auch einen wesentlichen Anteil an der Gesamt-Ionenaustauschkapazität des Systems bereit.
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Der Ausfluß aus dem ersten Doppelkammergehäuse wird dann vorzugsweise mit ultravioletter Strahlung (UV) weiterbehandelt, was nachstehend ausführlicher erörtert wird.
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Um eine Schädigung der sich stromabwärts von der UV-Kammer befindlichen Ionenaustauschharze zu verhindern, wenn eine UV-Behandlung verwendet wird, wird vorzugsweise ein viertes Bett aus katalytischer Aktivkohle als erstes Medium, das in dem zweiten Doppelkammergehäuse B von
1 kontaktiert wird, verwendet. Die katalytische Aktivkohle ist zur Entfernung von Wasserstoffperoxid bestimmt, wodurch das stromabwärtige Ionenaustauschharz vor einer Oxidation geschützt wird. Die bevorzugte Form dieses Mediums ist ein auf Bitumenmaterial mit 20 × 50 Maschenzahl, das ein Gemisch aus oxidierter und kalzinierter bituminöser Kohle oder Kohlenteerpech umfaßt, das in
US 5 356 849 A beschrieben wird, dessen Offenbarung hierin durch Verweis enthalten ist. Das Medium ist kommerziell als Centaur
® von Calgon Carbon Corporation in Pittsburgh, Pennsylvania, erhältlich. Aufgrund der sehr viel größeren Peroxidaktivität in bezug auf herkömmliche Aktivkohlen wird ein größerer Schutz der stromabwärtigen Ionenaustauschharze erreicht. Das Medium zeigt vorzugsweise eine maximale Peroxidzahl von 14. Die Peroxidzahl ist ein Maß dafür, wie schnell das Medium Wasserstoffperoxid abbaut. Herkömmliche, auf Bitumen basierende Aktivkohle zeigt zum Vergleich eine Peroxidzahl von 40, während eine auf Braunkohle basierende Aktivkohle eine Peroxidzahl von 60 und Aktivkohle auf Kokosnußbasis eine Peroxidzahl > 120 zeigen. Die bevorzugte Menge eines derartigen katalytischen Aktivkohlemediums beträgt 15 bis 30 Vol%, besonders bevorzugt 16,6 bis 25 Vol%, basierend auf dem Gesamtvolumen einer Einzelkammer der Doppelgehäuse und der gleichen, oben erwähnten Flußrate.
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Die Produkte der Reaktion von katalytischem Kohlenstoffmedium und Peroxid sind Wasser und Sauerstoff, wobei die erzeugte Sauerstoffmenge stöchiometrisch zu der Menge an zerstörtem Peroxid ist. Der erzeugte Sauerstoff wird unter dem bevorzugten Betriebsdruck des Systems von 15 psig in Lösung gezwungen, wird aber teilweise durch stromabwärtige Aktivkohlemedien adsorbiert.
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UV-Behandlung
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Aus dem Auslaß des ersten Doppelkammergehäuses A bewegt sich das Wasser zu einer UV-Reaktorkammer 46 aus 316L-Edelstahl. Die Reaktorkammer 46 enthält eine Niederdruck-Hochleistungs-Ultraviolett-(UV-)-Lampe, die mit einem elektronischen Vorschaltgerät verbunden ist. Die Durchmesser der UV-Lampe und der Edelstahlkammer sind so gestaltet, daß eine dünne Wasserschicht zwischen der Lampe und der inneren Kammerwand gebildet wird. Dies zwingt das Wasser in engste Nähe zu der UV-Lampe, was eine effiziente Nutzung der Strahlung ergibt. Die UV-Lampe ist für eine Hochleistungsstrahlung mit 185 nm Wellenlänge zur Reduzierung des gesamten organischen Kohlenstoffs in dem Wasser bestimmt. Ein wesentlicher Teil der emittierten Strahlung wird auch im 254-nm-Bereich emittiert, der keimabtötende Wirkung in der Reaktionskammer liefert. Dies wird zusätzlich zu der für die KDF-Medien beschriebenen mikrobiellen Kontrolle die Zahl an lebensfähigen Mikroben in dem System weiter verringern. Der UV-Reaktor ist kommerziell vom Trojan Technologies Inc in Ontario, Kanada, erhältlich.
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Wasser aus der UV-Kammer besitzt einen verringerten spezifischen Widerstand aufgrund der Herstellung von Kohlendioxid infolge der Oxidation der organischen Substanzen in der Kammer. Das Wasser aus der Kammer enthält auch Spurenmengen an Peroxid und Ozon aufgrund der Wirkung der UV-Strahlung auf in Wasser gelösten Sauerstoff. Einige intermediäre organische Säuren können infolge einer unvollständigen Oxidation von organischem Material in der Reaktionskammer auch vorhanden sein.
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Peroxide und Ozone schädigen Ionenaustauschharze, was einen Austauschkapazitätsverlust und eine TOC-Zunahme in dem Wasser verursacht. Der Austauschkapazitätsverlust und die TOC-Zunahme sind eine Folge des Abbaus der Polymerstruktur des Ionenaustauschharzes. Austauschstellen werden zerstört, und organische Verbindungen werden in das Wasser von dem sich zersetzenden Harz freigesetzt. Diesen Problemen ist sich typischerweise durch Behandlung mit Aktivkohle auf Kohlebasis, auf Kokosnußschalenbasis oder synthetischer Aktivkohle, die nicht speziell zur Entfernung von Peroxiden bestimmt waren, zugewendet worden. Die Kohle, die Kokosnußschalen und die synthetischen Kohlenstoffe entfernen organische Säuren, die durch die UV-Strahlung erzeugt wurden. Dies ist erwünscht, um zu verhindern, daß organische Säuren durch das Harz strömen und in dem Produktwasser des Gerätes verbleiben. Jedoch variieren diese Aktivkohlearten merklich hinsichtlich der Kapazität zur Entfernung der Peroxide, die die strukturelle Unversehrtheit des Ionenaustauschharzes gefährden.
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Die Oxidationsreaktion von organischen Verbindungen in Wasser durch UV-Strahlung mit Wellenlängen im 185-nm-Bereich ist kompliziert. Äußerste technische Beschreibungen des Verfahrens der organischen Zerstörung durch UV-Oxidation bestätigen, daß die Hauptreaktanten freie Hydroxylradikale sind, die in der Reaktionskammer erzeugt werden. Die Hydroxylradikale reagieren mit organischen Verbindungen unter Bildung von Kohlendioxid und Wasser. Kohlendioxid reagiert mit Wasser unter Bildung von Kohlensäure, die durch Ionenaustausch entfernt wird. Hydroxylradikale, die während der Reaktion mit organischen Verbindungen nicht verbraucht werden, bilden Wasserstoffperoxid.
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Betrieb des Systems
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Die schematischen Darstellungen in 1 bis 4 stellen vier beispielhafte Systeme dar, wobei die gleichen Buchstaben und Zahlen sich auf gleiche Elemente beziehen. 1 stellt eine Grundsystemkonfiguration zur Reinigung jedes der bevorzugten, oben erwähnten Eintragswasser dar. Wasser aus der Eintragsquelle 40 tritt in Pumpe 44 über Druckregler 42, der vorzugsweise bei 15 ± 2 psig gehalten wird, ein, tritt dann in die Oberseite von Kammer 1 des ersten Doppelgehäuses A ein, fließt nach unten durch die Medien von Kammer 1 und nach oben durch den Sammelraum a', dann nach unten durch die Medien in Kammer 2, verläßt dann Kammer 2 durch Sammelraum a''.
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Aus dem ersten Doppelgehäuse A wird das Wasser vorzugsweise zu UV-Reaktor 46, wo es UV-Licht ausgesetzt wird, und dann zu der Oberseite von Kammer 1 des zweiten Doppelgehäuses B geführt, woraufhin es nach unten durch die Medien dieser Kammer 1, hinauf zur Oberseite von Kammer 2 durch Sammelraum b', hinab durch die Medien von Kammer 2 des Doppelgehäuses B fließt und das Gehäuse über Sammelraum b'' verläßt.
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Die bevorzugten Medien in den Doppelgehäusen A und B in den 1 bis 4 sind durch die Ziffern 1 bis 5 wie folgt gekennzeichnet:
- 1 Redoxmedien;
- 2 säure-gewaschene bituminöse Aktivkohle;
- 3 säure-gewaschene Kokosnußschalen-Aktivkohle;
- 4 Mischbett-Ionenaustauschharz mit Halbleiterqualität und
- 5 katalytische Aktivkohle mit einer Peroxidzahl ≤ 14.
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Die 2 bis 4 zeigen ähnliche Fließschemen wie das in 1 gezeigte, jedoch mit verschiedenen Kombinationen der angegebenen Reinigungsmedien. 2 stellt ein System, dar, daß besonders für die Behandlung von Leitungswasser und Wasser aus DI- und EDI-Quellen geeignet ist, während 3 ein System, daß für die Behandlung von destillierten und RO-Quellen geeignet ist, und 4 ein System darstellt, daß hauptsächlich Ionenaustauschmedien und keine UV-Behandlung verwendet und eine hohe Kapazität oder einen hohen Volumendurchsatz zuläßt. Die in 4 dargestellte Kombination an Materialien ergibt das größte Ionenaustauschharz-Volumen, was folglich die größte Ionenaustauschkapazität ergibt. Die in 4 dargestellte Anordnung wird am besten verwendet, wenn eine hohe Ionenaustauschkapazität für die Anwendung äußerst erwünscht ist und höhere TOC-Werte in dem Ausfluß von geringem oder ohne Belang sind. UV wird aufgrund des Fehlens einer Behandlung mit katalytischem Kohlenstoff und Aktivkohle, stromabwärts von der bevorzugten UV-Stelle, nicht verwendet. UV würde bei dieser Behandlungsart das Harz in der zweiten Doppelpatronenpackung aufgrund der Bildung von Peroxiden und/oder Ozon schädigen.
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Es ist verständlich, daß die vorliegende Erfindung die Verwendung von mehr als zwei Doppelgehäusen in Erwägung zieht und daß es, wenn dies der Fall ist, bevorzugt ist, sie in solch einer Weise hinzuzufügen, daß sie sich in Reihe mit den Doppelgehäusen A und B befinden und daß der Fluß stromabwärts durch die zusätzlichen, darin enthaltenen Medien erfolgt.
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Nach dem Austritt aus Doppelgehäuse B (oder im Falle von mehr als zwei Gehäusen dem n-ten Doppelgehäuse) wird das behandelte Wasser optional vorzugsweise durch Ultrafilter-(UF-)Absprerr/Spülventil 48 und Ultrafilter 49 geführt. Ultrafilter steht in Fluidkommunikation mit UF-Spülventil 50 und Steuerventil 51 durch Rückführleitung 70, um den Rückfluß von unbehandeltem Eintragswasser zu verhindern, und schließlich in Kommunikation mit Druckregler 42 und Pumpe 44 für einen weiteren Behandlungszyklus, falls erforderlich.
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Aus Ultrafilter 49 strömt das behandelte Wasser durch eine Resistivitätszelle 52, wo der spezifische Widerstand des Wassers bestimmt wird. Druckregler 42 hat vier Öffnungen, nämlich Eintragseinlaß 40, einen Auslaß zu Pumpe 44 und zwei Einlaßöffnungen für die Rückführleitungen 70 und 80 über Steuerventil 51 bzw. 57. Der Eintragseinlaß 40 liefert eine Druckregulierung für die anderen Öffnungen und läßt nur dann den Eintritt von Wasser zu, wenn ultrareines Wasser aus dem System entnommen wird. Rückgeführtes Wasser aus dem Konzentrat und Permeat von Ultrafilter 49 versorgt Pumpe 44, wenn kein Wasser aus dem System entnommen wird. Aus der Resistivitätszelle 52 wird das Wasser zu Verteilungsventil 54 und dann durch Abschlußfilter 55 und Auslaß 56 geführt. Der Auslaß des Filters ist der Auslaß 56 des Systems. Verteilungsventil 54 ermöglicht es, nicht entnommenes behandeltes Wasser in das System über Rückführleitung 80 zurückzuführen, wobei der Rückfluß von unbehandeltem Eintragswasser durch Steuerventil 57 verhindert wird. Die TOC-Niveaus des behandelten Wassers werden mittels TOC-Senor 62 überwacht, der in Fluidkommunikation mit einem Vorfilter 60 steht.
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Auf das Bett aus katalytischen Aktivkohlemedien folgt vorzugsweise ein weiteres Bett aus säure-gewaschener Kokosnußschalen-Aktivkohle mit 20 × 50 Maschenzahl (mesh) zur Entfernung von Ozon und organischen Säuren, die in der UV-Reaktionskammer erzeugt werden können. Auf dieses folgt vorzugsweise ein weiteres Bett aus hochreinem Mischbett-Ionenaustauschharz mit Halbleiterqualität. Dieses Medium bildet das verbliebene Volumen der ersten Kammer in dem zweiten Doppelgehäuse B und versorgt das System mit zusätzlicher Ionenaustauschkapazität, während gleichzeitig alles Kohlendioxid, das durch die UV-Behandlung erzeugt wurde und auch ionisches Material, das sich von der Aktivkohle löst, entfernt wird.
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Wasser, das den Boden der ersten Kammer des zweiten Doppelgehäuses B verläßt, gelangt nach oben zu der Oberseite der zweiten Kammer in dem zweiten Doppelgehäuse, wo es vorzugsweise auf ein weiteres Bett aus säure-gewaschener Kokosnußschalen-Aktivkohle mit 20 × 50 Maschenzahl trifft, das Spurenmengen an organischen Verbindungen wie sulfoniertes Styrol, Methylamine und chlorierte Kohlenwasserstoffe, die aus dem stromaufwärts befindlichen Ionenaustauschharz eluiert werden können, entfernt. Ein derartiges Bettmedium verringert die Menge an organischen Schadstoffen, die in dem Eintragswasser zu Beginn und während der Lebensdauer des Systems vorliegen.
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Das bevorzugte Abschlußmedienbett besteht aus hochreinem Mischbett-Ionenaustauschharz mit Halbleiterqualität. Dieses Bett stellt sicher, daß das Wasser, das das letzte der Doppelgehäuse verläßt, einen spezifischen Widerstand von zumindest 18,2 Megohm·cm bei 25°C mit einem äußerst geringem TOC-Gehalt im ppb-Bereich hat.
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Für Systeme, die einen Ultrafilter 49 verwenden, ist ein Dreiwege-Magnetventil oder -Absperrventil 48 stromabwärts von dem zweiten Doppelgehäuse B und vor dem Ultrafilter 49 angeordnet, das zum anfänglichen Spülen der Doppelgehäuse nach deren Installation verwendet wird. Wasser tritt in Ventil 48 am Einlaß (i) ein und verläßt es über Auslaß (ii) und fließt zu dem Einlaß von Ultrafilter 49 während des normalen Betriebs. Wenn neue Doppelmediengehäuse A und B installiert werden, wird Auslaß (ii) geschlossen und Auslaß (iii) zur Entleerung geöffnet.
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Absperrventil 48 ist nur aktiviert, wenn das Spülen eines frisch beladenen Doppelgehäuses erwünscht ist. Unter normalen Betriebsbedingungen ermöglicht das Ventil, daß Wasser zu Ultrafilter 49 und Systemauslaß 56 gelangt. Der Spülvorgang ist stromaufwärts von Ultrafilter 49 vorgesehen, um Luft und Anfangsspülwasser daran zu hindern, in das Ultrafiltergehäuse zu gelangen. Aufgrund des ziemlich niedrigen Molekulargewicht-Rückhaltevermögens (< 30 Dalton) des Ultrafilters ist es bevorzugt, daß das Anfangsspülwasser und Luft, die anderweitig in das Ultrafiltergehäuse gelangen würden, vor dem Kontaktieren der Ultrafiltermembran beseitigt werden. Einige Ultrafiltermembranen aus Polyethersulfon (PES) werden typischerweise in einem vor-befeuchteten Zustand geliefert, um den Fluidfluß zu erleichtern. Wenn die Membranen trocken werden, wird der Fluß verringert oder endet völlig.
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Eine Zahl potentieller Schadstoffe in Ultrafilter 49 kann die Zeit erhöhen, die erforderlich ist, damit das Wasser das gewünschte Reinheitsniveau von 18,2 Megohm·cm erreicht. Derartige potentielle Schadstoffe umfassen eingeschlossene Luft, Teilchen organische Kohlenstoffverbindungen und geladene Ionenaustauschteilchen. Organische Kohlenstoffverbindungen können an den Membranen haften und einen vorzeitigen Durchbruch der Schadstoffe bewirken, der den TOC des Produktwassers erhöht. Geladene Ionenaustauschteilchen können auch an den Membranen kleben. Wasser mit schlechter Qualität aus dem Ausgangswasservolumen, das das letzte Doppelkammergehäuse verläßt, kann ionische Schadstoffe in das Ultrafiltergehäuse, Membranen und Membranabstandshalter einführen, was auch die Zeit zum Erreichen eines Reinheitsniveaus von 18,2 Megohm·cm erhöht. Obwohl Hohlfasermembranen nicht so empfindlich wie spiralförmig gewundene Membranen gegen Probleme sind, die mit dem Luftkontakt aufgrund der Benetzungsmittel, die typischerweise verwendet werden, um die Wasserpermeation zu starten, verbunden sind, sind sie nichtsdestotrotz noch immer von dem obengenannten Potential für Teilchen, organische und ionische Schadstoffe, die typischerweise während der anfänglichen Inbetriebnahme des Reinigungssystems festgestellt werden, abhängig.
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Aus all diesen Gründen ist es erwünscht, diese potentiellen Schadstoffe zu entfernen, bevor sie in den Ultrafilter 49 gelangen. Um diesen Zweck zu erreichen, wird das Dreiwege-Magnet- oder -Absperrventil 48 vorzugsweise aus einem inerten Material wie Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polypropylen (PP) oder Polytetrafluorethylen (PTFE) gebildet. Ein bevorzugtes Absperrventil 48 ist Nr. AS2036-S36, das von Precision Dynamics in New Britain, Connecticut, erhältlich ist. Als Alternative würde ein Zweiwege-Ventil, das aus den gleichen Materialien gebildet wurde und an einer in dem Fließweg eingebauten T-Kupplung befestigt ist, auch genügen, solange das durch die Kupplung geschaffene Totvolumen minimiert wird, vorzugsweise auf nicht mehr als das sechsfache des Innendurchmessers der Fließwegleitung. Bevorzugte Ventile sind die magnet-aktivierten Ventile, die normalerweise geschlossen sind, wie die, worin eine Öffnung normalerweise offen ist, während eine zweite Öffnung normalerweise geschlossen ist (Dreiweg), oder die, worin das Ventil normalerweise geschlossen ist (Zweiweg). Alle derartigen Ventile werden vorzugsweise nicht eingeschaltet, bevor sie geöffnet werden, was die Wärme minimiert, die von der Energie erzeugt wird, die erforderlich ist, um das Ventil zu öffnen. Im Gegensatz dazu würde eine bedeutende Wärmemenge in dem System erzeugt, wenn das Ventil kontinuierlich mit Energie versorgt würde.
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Ultrafilter 49 ist stromabwärts von dem Absperr/Spülventil 48 angeordnet und wird verwendet, um Gram-negative bakterielle Endotoxine (Lipopolysaccharide) und andere organische Moleküle abzutrennen. Wie oben erwähnt, kann Ultrafilter 49 aus Hohlfasermembranen oder spiralförmig gewundenen Membranen bestehen, die gewöhnlich in der Wasserreinigungsindustrie verwendet werden. Ultrafilter werden typischerweise als Querstromfilter betrieben, wobei Eintragswasser entlang der stromaufwärtigen Seite der Membranoberfläche zu einer Konzentrat- oder Abführöffnung gelangt, wo es schließlich aus dem Ultrafiltergehäuse als Konzentratstrom ausströmt. In einer spiralförmig gewundenen Ultrafiltrationsmembran wird Wasser, das tangential durch die Spiralmembran strömt, in einem Zentralrohr gesammelt, und es verläßt das Gehäuse als Produktwasser, das gewöhnlich als Permeat bezeichnet wird.
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Hohlfaser-Ultrafilter enthalten viele Hohlfasern, die es ermöglichen, daß das Wasser von dem Einlaß des Gehäuses zu dem Konzentratauslaß gelangt, typischerweise aus dem Lumen oder der Innenseite der Fasern zu der Außenseite und parallel zu den Fasern. Wasser wird tangential aus jeder Faser heraus zu der Permeatseite der Membran gezwungen. Sowohl in spiralförmig gewundenen als auch Hohlfaser-Ultrafiltrationsgeräten, wird der Konzentratfluß typischerweise gedrosselt, um einen Druckunterschied zu erzeugen, der das Wasser zu der Permeatseite der Membran zwingt. Diese Drosselung kann mit Steuerventil 51 mit einem Berstdruck ”cracking pressure” von 5 psig oder größer erreicht werden, der einen Gegendruck auf den Fluß des Wassers durch Ultrafilter 49 ausübt. Typischerweise entspricht der Konzentratstrom etwa 10% des gesamten Wasservolumens, das dem Filter zugeführt wird.
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In dem erfindungsgemäßen System werden sowohl Konzentrat- als auch Permeatströme in das System über die Leitungen 70 bzw. 80 im Kreislauf geführt. Der Konzentratfluß kann mittels Steuerventil 51 oder durch ein Überdruckventil oder eine Drossel (nicht gezeigt, aber in derselben Relativposition angeordnet) geregelt werden. Konzentratwasser wird zu der Saugseite der Systempumpe 44 über Druckregler 42 zur Zirkulation zurückgeführt. Ein magnet-aktiviertes UF-Konzentrat-Spülventil 50 ist vorzugsweise in dem Konzentratstrom 70 angeordnet, das ein periodisches Hochflußspülen des Konzentratstromes zum Ablassen berücksichtigt. Dies wird einmal in 24 bis 48 Stunden vorgenommen, um die Reinigung der oberstromigen Seite der Membranen des Ultrafilters zu unterstützen. Ein bevorzugtes Spülventil 50 ist Nr. B20371-52 von Precision Dynamics in New Britain, Connecticut.
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Stromabwärts von Ultrafilter 49 gibt es vorzugsweise eine Resistivitätszelle 52, die vorzugsweise aus demselben obenerwähnten inerten Material besteht. Ein Sensor in der Resistivitätszelle 52 wird verwendet, um den spezifischen Widerstand und/oder die elektrische Leitfähigkeit des Wasser zu überwachen, wobei die Temperatur auf 25°C standardisiert ist. Die Resistivitätszelle 52 ist mit einer Meßgerät-Steuervorrichtung verbunden, die den spezifischen Widerstand oder die Leitfähigkeit des Wassers in dem System anzeigt. Vorzugsweise ist der Sensor mit der Fähigkeit ausgestattet, die Temperaturkorrektureigenschaft abzustellen, um die direkte Überwachung des spezifischen Widerstands oder der Leitfähigkeit über die elektronische Steuerung des Systems zu ermöglichen. Die Temperatur wird wahlweise angezeigt.
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Wasser, das die Resistivitätszelle 52 verläßt, legt eine kurze Strecke zu einem Entnahme- oder Verteilungsventil 54 zur Entnahme des gereinigten Wassers mit einem spezifischen Widerstand von zumindest 18,2 Megohm·cm bei 25°C und mit einem geringen TOC-Gehalt zurück. Das Verteilungsventil 54 ist vorzugsweise ein Dreiwege-Ventil, das den Fluß stromabwärts von dem Ventil schließt oder drosselt, wenn es zur Entnahme von gereinigtem Wasser geöffnet wird, wodurch ein Einweg-Pfad für das Wasser geschaffen wird, der verhindert, daß es zurück in das System fließt. Ein bevorzugtes Verteilungsventil 54 ist Nr. PCT42-14-2 von Entegris Inc. in Chaska, Minnesota.
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Am Auslaß ist ein Abschlußfilter 55 angeordnet, der vorzugsweise eine Polyethersulfon-Membran (PES-Membran) umfaßt, die sich in einem Polypropylen-Gehäuse (PP-Gehäuse) befindet. Ein derartiger Abschlußfilter 55 ist von der Sartorius AG in Göttingen, Deutschland, als Sartopore®SP2-150 erhältlich. Auslaß 56 deckt sich mit dem Auslaß des Abschlußfilters 55 und enthält vorzugsweise ein Glockengehäuse, um eine durch Luft übertragene Verschmutzung zu verhindern.
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Mit dem System in Normalbetrieb und mit geschlossenem Verteilungsventil 54 fließt das Wasser durch Ventil 54 zu dessen stromabwärtiger Seite und von da an über Rückführleitung 80 zurück zu der Ansaugseite von Pumpe 44 durch Druckregler 42. Ein Steuerventil 57 ist zwischen dem Verteilungsventil 54 und der Ansaugseite von Pumpe 44 angeordnet, um zu verhindern, das eine Eintragswasserkontamination das Verteilungsventil 54 erreicht. Die Steuerventile 51 und 57 liefern auch einen Überdruck in dem System, um die Laminarströmung zu fördern. Wenn Verteilungsventil 54 geöffnet wird, um Wasser abzugeben, wird die Rückführleitung 80 geschlossen oder gedrosselt, um das Wasser zu dem Abschlußfilter 55 und Auslaß 56 zu zwingen.
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Stromabwärts von dem Verteilungsventil 54 ist ein TOC-Sensor zur Online-TOC-Analyse vorgesehen. Dies ermöglicht es dem Anwender, TOC und/oder die TOC-Entwicklung in dem gereinigtem Wasser, das durch das System hergestellt wurde, zu überwachen. Durch Bereitstellen einer Verbindung zu einem TOC-Meßgerät an dieser Stelle, kann erwartet werden, daß TOC basierend auf dem schlimmsten Fall für das System überwacht wird, da es der engste Punkt an dem Verwendungsort ist und das gereinigte Wasser den größten Oberflächenbereich der Systemkomponenten vor der Entnahme kontaktiert hat. Außerdem kann durch Anordnung des TOC-Sensors an dieser Stelle, das Produktwasser an einer Kontamination durch das Analysegerät gehindert werden, wenn ein Versagen stattfinden sollte. Jedes Totstreckenvolumen, selbst das kleinste, wird stromaufwärts von dem Entnahmepunkt beseitigt.
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Die TOC-Probe wird durch einen Probennahme-Mechanismus vorzugsweise in Form eines Dreiwege-T-Ventils erhalten, das es ermöglicht, daß kleine Wassermengen zu dem TOC-Sensor 62 zur Analyse strömen, und das vorzugsweise aus PVDF oder PTFE besteht. Ein bevorzugtes Dreiwege-T-Ventil für diesen Zweck ist Nr. F4TU4 von Parker Hannifin Corp. in Ravenna, Ohio. Ein Verbindungsstück ist vorgesehen, das die Verbindung mit einem kleinen spritzenartigen Filter 60 ermöglicht. Ohne die Verwendung von Filter 60 ist der TOC-Sensor 62 einer betriebsbedingten Störung durch Teilchen und Bakterien in dem Wasserbehandlungssystem ausgesetzt. Filter 60 wird vorzugsweise mit bis zu 0,45 Mikrometer Porendurchmesser angesetzt und so gestaltet, daß Teilchen und Bakterien aus dem Wasser vor dem Wassereintritt in den TOC-Sensor 62 abgetrennt werden. Der Filter besteht vorzugsweise aus PP und PES. Es ist jedoch gezeigt worden, daß auch Filter aus Polycarbonat und PES oder Polymade, PVDF und PES oder PP und Celluloseacetat (CA) akzeptabel sind. (Es sollte angemerkt werden, daß CA-Filtermaterial dazu neigen könnte, mehr Teilchen und Benetzungsmittel zu verlieren, wenn es installiert wird, und daß es folglich zusätzlicher Spülung vor der Installation und während der Nutzungsdauer bedarf.) Außerdem sind Glasfaser-Filtrationsgeräte gut verwendbar. Wenn Filter 60 von ähnlicher Bauweise wie Filter 55 ist, der vor Auslaß 56 angeordert ist, geben die TOC-Analyseergebnisse das besser wider, was von dem Auslaß des Systems zu erwarten ist.
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Ein bevorzugter Typ von Filter 60 ist der Luer-Lock-Spritzentyp. Jedoch sind ähnliche kleine Filter ausreichend, die den National Pip Thread-(NPT-), Schlauch-Widerhaken- oder einen anderen Sanitärverbindungsmechanismus nutzen. Derartige Filter müssen nicht auf 0,2 oder 0,45 Mikrometer Porengröße beschränkt sein, wenn eine größere Porengröße gezeigt hat, daß sie für die beabsichtigte Anwendung ausreichend ist.
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BEISPIEL
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Ein Wasserreinigungssystem mit im wesentlichen derselben, in 2 gezeigten Anordnung wurde errichtet und unter Verwendung von RO-Eintragswasser bewertet. Das RO-System bestand aus einer Doppelmembraneinheit mit Aktivkohle- und Faltenfilter-Vorbehandlung. Das RO-Produktwasser hat einen. spezifischen Widerstand von 85 bis 150 Kohm·cm bei 25°C und einen TOC-Gehalt von 0,5 bis 0,8 ppm und war in einem 40-Liter-Druckgefäß enthalten, das dem Reinigungssystem Wasser bei etwa 55 psig über Polyethylen-Rohre lieferte.
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Das Leitungswassersystem bestand aus einer Trojan Technologies-UV-Reaktionskammer 46 und einem Hohlfaser-Ultrafilter 49, der ein Polycarbonatgehäuse, eine Polyurethan-Einbettung und Polyamid-S-Hohlfasermembranen umfaßt.
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Zwei Doppelgehäuse A und B, jeweils mit zwei Kammern mit 1.400 cm3 Volumen für 5.600 cm3 Gesamtvolumen wurden mit den bevorzugten, in 2 angegebenen Arten von Reinigungsmedien in der folgenden Reihenfolge des Kontakts und den folgenden Volumenprozentsätzen gefüllt: Gehäuse A, Kammer 1 16,6% Medium 2, 8,3% Medium 1, 16,6% Medium 5 und 58,5% Medium 3; Gehäuse A, Kammer 2 100% Medium 4; Gehäuse B, Kammer 1 20,8% Medium 5, 25% Medium 3 und 54,2% Medium 4; und Gehäuse B, Kammer 2 20,8% Medium 3 and 79,2% Medium 4. Nach der Installation der Doppelgehäuse A und B wurde die Eintragswasserleitung zu dem System geöffnet, das System mit Energie versorgt, und ein Spülzyklus begann. Wasser, das in das System eintrat, strömte durch einen Druckregler 42, der auf 15 ± 2 psig eingestellt war, zu einer Membranpumpe 44, die das Eintragswasser unter einen Druck von 35 psig zur Lieferung an das System setzte. Wasser, das Pumpe 44 verließt, trat in das erste Doppelgehäuse A zur Behandlung ein, bevor es zur UV-Reaktorkammer 46 floß. Wasser, das UV-Reaktorkammer 46 verließt, trat in das zweite Doppelgehäuse B zur Behandlung ein. Wasser, das aus dem zweiten Doppelgehäuse B austrat, wurde etwa 20 min zum Spülen über Absperr/Spülventil 48 (Precision Dynamics Nr. AS2036-536), das stromaufwärts von Ultrafilter 49 angeordnet ist, abgelassen, was sich auf eine 5-Bettvolumen-Spülung der Doppelgehäuse A und B oder knapp über ein 10-Bettvolumen der Spülung für das Ionenaustauschharz in den Doppelgehäusen belief. Dies benetzte alle Systemkomponenten stromaufwärts von Ultrafilter 49 und spülte alle feinen Teilchen und die Mehrheit der Oberflächenverunreinigungen aus der Leitung und aus dem Ionenaustauschharz heraus.
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Nach dem 20minütigen Spülzyklus wurde Absperr/Spülventil 48 geschlossen und UF-Spülventil 50 (Precision Dynamics Nr. B20371-52) an der Konzentratseite von Ultrafilter 49 geöffnet. Verteilungsventil 54 (Entegris Nr. PCT4-2-14-2) und UF-Spülventil 50 wurden auch gleichzeitig geöffnet, damit Wasser 15 Minuten zur Spülung sowohl über die Konzentrat- als auch die Permeatseite von Ultrafilter 49 abgelassen werden konnte, um Luft und Benetzungsmittel daraus zu entfernen. Nach diesem 15minütigen Spülungszyklus wurde Spülventil 50 geschlossen und Wasser weitere 5 Minuten zur Spülung über Verteilungsventil 54 abgelassen, um das System unter Druck für die normale Betriebsweise zu setzen und das Spülen von verbliebener Luft aus dem System zu unterstützen. Wasser, das zu Verteilungsventil 54 strömte, gelangte auch durch einen Zellbehälter, der eine Leitfähigkeits/Resistivitätszelle 52 enthielt, die mit einem Meßgerät verbunden war. Wasser an der Konzentratseite von Ultrafilter 49 ließ man zu Druckregler 42 zurückströmen. Ein 10-psi-Steuerventil 51, das im Konzentratstrom 70 angeordnet war, lieferte einen Gegendruck gegen Ultrafilter 49, wodurch es ermöglicht wurde, das Wasser bei Systemdruck zu dem Ultrafiltrationsmodul für die Abschlußspülung strömte. Nach der fünfminütigen Spülung wurde Verteilungsventil 54 geschlossen, was es ermöglichte, daß Wasser zu Druckregler 42 über Leitung 80 in den Kreislauf zurückzuführen. Verteilungsventil 54 stellte den Wasserfluß in Leitung 80 stromabwärts von Ventil 54 ab, wenn Ventil 54 zur Entnahme von gereinigtem Wasser geöffnet wurde, wodurch verhindert wird, das Produktwasser während der Entnahme umgeleitet wird. Die Umlaufleitung 80 enthielt ein Steuerventil 57, das auf 0,5 psig bemessen war, was dabei hilft, den Systemfluß während der Rückführung auszugleichen, und dem System etwas Gegendruck liefert, um die Laminarströmung zu fördern.
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Nach der Systemspülung wurde ein mit Detergens vorbenetzter 0,2-Mikrometer-PES-Membranfilter 55 (Sartorius Sartopore®SP2-150) an Verteilungsventil 54 mittels 1/4-inch-NPT angebracht. Dieser Filter wurde mit 8 bis 10 Liter Systemwasser gespült, um die Benetzungsmittel zu entfernen. An diesem Punkt ließ man eine Stunde behandeltes Wasser in das System zurückkehren, während die Resistivität des Wassers mit einem Thornton 200CR-Meßgerät und einer 0,1 konstanten Zelle überwacht wurden, die auf die Standards des National Institute of Standards und Technology kalibriert wurden. Nach etwa 20 min Zirkulation betrug der spezifische Widerstand des gereinigten Wassers 18,03 bis 18,12 Megohm·cm, korrigiert auf 25°C. Verschiede kurze zwischenzeitliche Abfälle unter 18,0 Megohm·cm wurden beobachtet. Nach einer Stunde Zirkulation stabilisiert sich die Resistivität auf etwa 18,0 Megohm·cm.
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Nach dieser Stabilisierung der Resistivität wurde der Auslaß desselben 0,2-Mikrometer PES-Filters, der mit Verteilungsventil 54 verwendet wurde, über Teflonrohre an einem Sievers Modell 800-TOV-Analysegerät zur Online-TOC-Analyse angebracht und das Analysegerät mit Wasser bei etwa 3 psig versorgt. Die TOC-Analyse wurde über mehrere Stunden entsprechend den Gerätevorschriften durchgeführt und lag zwischen 13,0 und 18,0 ppb. An diesem Punkt wurde das System in einen Bereitschaftsmodus versetzt, wodurch das System 45 Minuten abgestellt und Wasser 15 Minuten in jeder Stunde im Kreislauf geführt wurde.
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Am nächsten Morgen schaltete man das System ein und ließ es 30 Minuten vor dem Starten des TOC-Analysegerätes zirkulieren. Der TOC lag zwischen 8,9 und 4,5 ppb über mehrere Stunden. Das TOC-Analysegerät wurde von dem System zur Probennahme für die Hochleistungsflüssigchromatographie-Analyse (HPLC-Analyse) des Gehaltes organischer Verbindungen in dem gereinigten Wasser getrennt.
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Ein Erlenmeyerkolben wurde drei Stunden auf 400°C erwärmt, um alle anhaftenden organischen Kohlenstoffverbindungen zu entfernen, dann eine Stunde mit einem Aluminiumfolie-Abdeckung abgekühlt, dann eine 125 ml-Probe von Systemproduktwasser in dem Kolben gesammelt. Die Probe wurde durch Umkehrphasen-Hochleistungsflüssigchromatographie (HPLC) unter Verwendung einer Beckmann Ultrasphere C-18, 5-Mikrometer-Säule mit einer C-18-Guardsäule analysiert. Dieses HPLC-System bestand aus dem Lösungsmittel-Modul Modell 126 und dem Detektor Modell 168 unter Verwendung der Software System Gold 32. Der Ausgangseinstellung wurde mit 100% Acetonitril bei 2,0 ml/min durchgeführt. Zum Zeitpunkt Null wurde der Chromatograph auf 100% Wasserprobe als mobile Phase umgeschaltet. Eine 60 ml Wasserprobe wurde durch die Säule mit 2,0 ml/min gepumpt. Am Ende der 60-ml-Probenanreicherung wurde ein Gradient zurück zu 100% Acetonitril mit 2,0 ml/min über die nächsten 30 min mit Probenergänzung bei 65 min der Laufzeit durchgeführt. Das 210-nm-Chromatogramm ist für den Nachweis potentiell störender organischer Verbindungen das kritischste. Kein signifikanter Peak wurde bei der Probe bei 210 nm oder bei 254 nm wahrgenommen, was die Abwesenheit störender organischer Verbindungen zeigte.
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Nach der HPLC-Analyse wurde das System etwa 8 Stunden während der nächsten 4 Tage betrieben und jede Nacht wider in den Bereitschaftsmodus versetzt. Bis zu 10 l Wasser wurden aus dem System jeden Tag entnommen. TOC lag so niedrig wie 0,28 bis 0,62 ppb. Ein TOC-Bereich von 1,5 bis 2,5 ppb wurde nach längerer Probennahme festgestellt, die eine kontinuierliche zweistündige Online-Analyse umfaßte. Der spezifische Widerstand blieb bei rund 18,0 Megohm·cm für die gesamte 4-Tage-Periode. Der Betrieb dieses Systems wurde bei einem Reinheitsniveau von 18,2 Megohm·cm mit weniger als 1,0 ppb TOC mehrere Monate fortgesetzt, bevor Anschlußfilter 55 ersetzt wurde.
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Der Wassereintrag in das System wurde auf kommunales Leitungswasser umgeschaltet. Etwa 10 l Wasser strömten zum Ablassen aus dem System durch, um sicherzustellen, daß das Systemhaltevolumen durch Leitungswasser ersetzt wurde. Das Leitungseintragswasser wies einen spezifischen Widerstand von 4,1 bis 4,6 Kohm·cm auf. Die Leitungswasser-TOC-Niveaus lagen zwischen 1,3 und 1,8 ppm. Die Niveaus an freiem Chlor lagen zwischen 0,20 und 0,28 ppm. Das System lief mehrere Tage mit dem Leitungswassereintrag, und es wurde festgestellt, daß der spezifische Widerstand des gereinigten Produktwassers des Systems im Bereich von 18,0 bis 18,2 Megohm·cm, der TOC bei weniger als 5,0 ppb lag, und kein nachweisbares freies Chlor gefunden wurde.
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Die in der vorstehenden Beschreibung gebrauchten Bezeichnungen und Ausdrücke werden hierin im Sinne der Beschreibung und nicht der Beschränkung verwendet, und es ist bei der Verwendung derartiger Bezeichnungen und Ausdrücke nicht beabsichtigt, Äquivalente der gezeigten oder beschriebenen Merkmale oder Teile davon auszuschließen, wobei anzuerkennen ist, daß der Umfang der Erfindung nur durch die folgenden Ansprüche bestimmt und beschränkt wird.
