水净化系统和方法

本发明涉及水净化系统和净化水的方法，二者在实验室规模上涉及从自来水产生 高达300升/小时的去离子2型纯水。所述系统和方法还特别地涉及如下状况，即：通过反渗 透阶段（RO）和电去离子阶段（EDI）的组合来处理供给自来水。

去离子水也称为2型纯水。2型纯水的典型物理性质是电阻率超过5MΩ·cm，并且 总有机碳（TOC）量（结合在有机化合物中的碳）低于30ppb。这样的纯水被广泛应用于学术、 研究和临床领域中的实验室中，并且在这些领域中去离子水的典型应用是缓冲液制备、pH 溶液制备、对临床分析仪或老化测试机（使用大功率光源和水来模拟长期外部暴露的实验 室设备）或洗衣机或不锈钢高压釜的供给，以及用于化学分析或合成的试剂的制备。2型纯 水的实验室中的日消耗量高达3000升。

2型纯水由自来水生产。获得去离子水的最流行的过程是使水通过阴离子和阳离 子交换树脂。该过程今天仍然广泛使用。离子交换树脂在处理一定体积的水之后被耗尽，因 此需要定期进行离子交换介质的化学再生。介质的这种化学再生是该纯化方法的主要缺点 之一。

也被认定为连续电去离子的电去离子（EDI）依靠电流将离子物质从稀释室运送到 浓缩室。因此，从EDI模块中出来两个流，即：产物2型纯水，以及流向排出部的浓缩物。EDI技 术不适合去除自来水中含有的大量污染物。因此需要第一步的纯化。反渗透（RO）是移除自 来水中包含的97%至99%的离子的第一步净化。

RO/EDI组合的主要益处在于随着时间的推移不需要定期进行化学再生，因为没有 任何介质被耗尽。另一方面，RO和EDI净化阶段二者都以将一小部分给水排放到排出部的代 价来去除离子。通常，RO阶段的回收率在30%和70%之间，并且EDI阶段为75%。这导致RO/EDI 组合的回收率范围从25%至50%，换句话说，产生100升2型纯水所需的给水量范围从177升至 400升。考虑到每年300天、每天操作来产生1000升2型纯水的典型安装，每年所需的给水量 范围将从620立方米至1200立方米，这是相当大且不断增加的成本因素。

RO过程需要不含氯化合物和颗粒物的水。假定脱氯步骤的操作成本与给水的操作 成本是相同的数量级，则预处理的给水的总操作成本将相当可观。EDI模块是一种电化学装 置，其需要其给水流的特性在特定限度内以便正常工作。EDI模块必须运行在两个操作限度 之间，即：

1）不足的去离子电流：产品水不符合表达为电阻率的预期质量，这意味着净化水的离 子浓度过高；

2）过大的去离子电流：电源所见到的EDI模块的电阻随时间增加太多，这意味着模块经 受结垢，最终结果是模块的使用寿命大大缩短。

去离子电流是要适当设置的关键参数，以防止发生这两个故障中的任何一个。结 垢的倾向还取决于EDI给水中钙和镁离子（Ca2+和Mg2+）的含量：钙浓度越高，结垢的风险就 越高。在这一点上，RO/EDI组合的控制策略在于确保EDI给水的离子负荷以及Ca2+和Mg2+浓 度不超过特定限度。RO阶段预计将提供其特性处于EDI要求内的EDI给水。

反渗透（RO）是一种称为切向净化过程的净化过程。RO泵使供给流推撞RO膜，在那 里供给流被分成浓缩流和渗透流。反渗透过程的效率被称为“截留率”，并且典型的截留率 为97%至99%，这意味着97%至99%的溶解盐被从RO给水中去除。在净化过程期间，污染物沿着 膜被浓缩，从而需要最小切向速度以防止污染物积聚在RO表面膜上。表征为供给流和渗透 流之间的比率的典型的膜回收率为15%，使得浓缩流有效地代表RO供给流的85%。为了节约 用水，一部分浓缩流被再循环，另一部分被排弃到排出部。再循环部分按计算的比例与进入 的自来水混合，以使RO阶段的回收率在前述的30%和70%内。

应考虑以下几个因素来计算最佳的RO阶段回收率，即：

1. RO膜的失效模式

2. EDI模块的要求，

2.1. 最大渗透物离子负荷

2.2. 最大渗透物Ca浓度。

1. RO膜的失效模式：

SDI（淤塞密度指数）、TDS（总溶解固体）、LSI（Langelier饱和度指数）和氯浓度是保护 RO膜要考虑的关键参数。在这些参数中，仅更详细地讨论LSI。增加RO阶段的回收率将使所 有矿物质的含量集中在RO给水中。在某一时间，钙将在RO过程的浓缩流中沉淀。这是要避免 的，因为它会导致RO膜堵塞。Langelier模型量化了结垢的风险。必须知道给水的一些性质 以计算LSI，即：碱度、pH、CO2浓度和温度。使用该模型将允许计算RO阶段的最大容许回收 率，以防止结垢。

2. EDI模块的要求

2.1. 最大RO渗透物离子负荷：

离子负荷最好通过渗透物电导率来表示。可以使用电导率电池和适当的电子电路来监 测渗透物电导率。渗透物电导率取决于RO膜截留率和RO给水的电导率。RO膜截留率越高，盐 通过率就越低，并且渗透物电导率也越低。因此，可以计算最大的RO阶段回收率，使得不会 超过最大渗透物离子负荷。

2.2. 最大渗透物Ca2+/Mg2+离子浓度：

Ca/Mg被RO膜很好地截留，通常在99.5%左右。MerckMillipore® EDI模块经过多年的 大量改进，以提高防结垢性。MerckMillipore® EDI模块的典型电阻作为CaCO3为3ppm。在 99.5%的截留率的情况下，这使得RO供给的最大Ca浓度在600ppm。最大RO回收率也应考虑到 这第三个约束。

EDI模块的第二个要求是供给流量。EDI模块是完全依赖于RO阶段配有恒定的流量 的电化学装置。电去离子是一个需要时间以达到稳态的过程，该稳态是正确执行的期望条 件。增加流量将会增加离子负荷，降低流量将会降低离子负荷。因此，EDI模块将展示出与过 高的离子负荷或过低的离子负荷（水质差和结垢风险）相关联的失效。RO压力、RO膜渗透率、 水温和渗透压力是控制RO流量的四个关键参数。

因此，根据自来水的特性以RO/EDI组合控制的关键参数是渗透流量、RO回收率和 电去离子电流。进一步考虑本发明所涉及的实验室规模的应用中的2型净化水的日常需要 为300升至3000升，RO/EDI组合需要在高达15巴（因为根据自来水的特性，主要是温度和电 导率，RO压力可能从3.5巴变化到高达15巴）的操作压力下能够提供700升/小时（l/h）的能 力的泵。对于700升/小时和15巴（15kPa）的压力的合适的泵技术是作为正排量泵的一个示 例的转动叶片泵。

自来水分析在系统安装时进行，并且通常计算最佳的RO阶段回收率，以防止结垢， 同时最小化送到排出部的水量。然后，根据上述理念将RO压力和RO回收率在安装位置上设 定。此过程的主要缺点在于它需要频繁的手动调整。由于RO流量非常依赖于给水温度，所以 在一年的四季中的给水温度变化将导致渗透流量的变化将会降低净化链的水质和使用寿 命。为了避免频繁的调整，RO阶段的回收率通常被设定和维持在33%的低值，以适应自来水 水质的变化，而不损害纯水水质。

EP 1457460 A2描述了一种水净化系统和方法，其允许控制RO流量，无论给水温度 如何。该系统具有用于从供给水流产生渗透流和浓缩流的反渗透装置、具有与反渗透装置 的渗透物出口流体连通的其入口的电去离子装置以及净化出水口。泵被连接到给水流路， 用于提高供给介质的压力，并将给水在压力下供应到反渗透装置的供给入口。设置与反渗 透装置的滞留物出口流体连通的滞留物流路，用于从系统移除滞留物。流量可通过具有可 变限制的流量调节器来控制。设置了与反渗透装置的滞留物出口流体连通的另一滞留物流 路，用于在泵的上游位置处使滞留物再循环到供给流路，并且再循环流路包括可调压力调 节器。该技术包括通过在RO阶段下游的渗透流上放置流量调节器来为EDI模块供应恒定的 流量。所述流量调节器是形成可变孔口的弹性孔眼，向上压力越高，孔口就越小，并且穿过 孔眼的压降就越高。该弹性孔眼解决方案有一些局限，这是因为它仅在1巴至10巴的范围内 工作。泵在其最大负载（15巴）下运行，该最大负载对应于假定的低温给水的最差情况，例如 RO渗透率。此外，由于在流量控制机构中损失了泵的最大液压功率中的一部分（大约7%），因 此该已知系统具有相对较高的功率消耗并且可能导致泵的过早磨损。此外，精度是有限的 （+/-15%）。因此，操作中的系统的平均RO阶段回收率接近50%。

EP 1466656 A2公开了一种水净化系统，其中电去离子模块包括串联的三个阶段， 其中，在每个阶段中可以独立地控制去离子电流。已知离子化物质可以分为三类：高离解物 质、二氧化碳（CO2）和低离子化物质，例如二氧化硅和硼等。期望防止结垢以按照顺序方式 首先去除高离解物质，其次是二氧化碳，并且第三是低离子化物质。计算三种不同的去离子 电流并将之应用于每个去离子阶段。该系统依赖于具体的技术解决方案来调节操作参数： 形成可变孔口以提供恒定的流量的孔眼、提供恒定的RO回收率的背压和针阀的组合以及提 供恒定电流的三通调节的直流电。EP 1466656 A2的系统的控制理念如下：在安装在特定地 理位置上时，进行自来水分析（供给电导率、硬度、二氧化碳浓度、温度），计算RO回收率和DC 去离子电流以便最小化到排出部的水，并且在系统上手动设置RO回收率和去离子电流。

由于给水的性质（污染物浓度、温度）以及RO膜的截盐率随时间变化，因此必须进 行定期的给水分析和手动操作参数调整。在现实世界中，为了防止对安装现场进行定期干 预，维护工程师将利用预期操作参数的设置事先应用一些安全因素。这种方法不利于耗水 量和EDI模块的长期完整性。

因此，本发明的一个目的在于提供一种基于反渗透阶段（RO）和电去离子阶段 （EDI）的组合的水净化系统和净化水的方法，二者都被设计用于实验室规模，涉及从自来水 产生高达300升/小时的去离子2型纯水，并且因为减少了排放到排出部的水量在耗水量方 面得到改善，二者可以长时间维持RO装置的膜的完整性和EDI装置的完整性，并且需要较少 的人工服务干预。

本发明的另一方面在于提供上述类型的系统和方法，所述系统和方法能够优选地 实时监测关键供给（自来）水污染物，而无需依靠昂贵的工具和专用传感器。

为了解决这个问题，本发明提供了如权利要求1或2所限定的用于从自来水产生高 达300升/小时的去离子2型纯水的实验室规模的水净化系统，以及根据权利要求14或15所 述的使用水净化系统来净化自来水以在实验室规模上以高达300升/小时的体积产生去离 子2型纯水的方法。

系统和方法的优选实施例在从属权利要求中限定，并且通过下面的描述将变得显 而易见。

根据第一方面，本发明提供了一种用于从自来水产生高达300升/小时的去离子2 型纯水的实验室规模的水净化系统，所述系统包括：

供给介质流路（C），其包括泵，所述泵用于提高供给介质的压力，并将供给介质在压力 下供应到反渗透装置的供给入口，其中，所述反渗透装置适于从所述供给介质产生渗透流 和浓缩流，并且具有渗透物出口和滞留物出口；

电去离子装置，其具有与所述反渗透装置的渗透物出口流体连通的入口和净化水出 口；

第一滞留物流路（A），其与所述反渗透装置的滞留物出口流体连通，用于从所述系统移 除滞留物，所述第一滞留物流路（A）包括适于远程控制的第一流量调节器；

第二滞留物流路（B），其与所述反渗透装置的滞留物出口流体连通，用于使滞留物在所 述泵的上游位置处再循环到所述供给介质流路，所述第二滞留物流路（B）包括适于远程控 制的第二流量调节器；

第一流量计，其处于所述反渗透装置的渗透物出口下游，用于检测通过所述反渗透装 置产生的渗透流量；

第二流量计，其设置在所述第一流量调节器下游的所述第一滞留物流路（A）中，用于检 测从所述系统移除的滞留物流的流量；以及

自动控制器，其用于基于来自所述第一流量计和所述第二流量计的检测结果，来远程 控制所述第一流量调节器和所述第二流量调节器，使得为所述反渗透装置控制预定的目标 回收率和预定的目标渗透流量。

根据第二方面，本发明提供了一种用于从自来水产生高达300升/小时的去离子2 型纯水的实验室规模的水净化系统，所述系统包括：

供给介质流路（C、E），其包括泵，所述泵用于提高供给介质的压力，并将供给介质在压 力下供应到反渗透装置的供给入口，其中，所述反渗透装置适于从所述供给介质产生渗透 流和浓缩流，并且具有渗透物出口和滞留物出口；

电去离子装置，其具有与所述反渗透装置（2）的渗透物出口流体连通的入口和净化水 出口；

第一滞留物流路（A），其与所述反渗透装置的滞留物出口流体连通，用于从所述系统移 除滞留物，所述第一滞留物流路（A）包括适于远程控制的第一流量调节器；

第二滞留物流路（B），其与所述反渗透装置的滞留物出口流体连通，用于使滞留物在所 述泵的上游位置处再循环到所述供给介质流路，所述第二滞留物流路（B）包括适于远程控 制的第二流量调节器；

第一流量计，其处于所述反渗透装置的渗透物出口下游，用于检测通过所述反渗透装 置产生的渗透流量；

第一电导率电池，其设置在所述第一滞留物流路（A）中，用于检测滞留物流的电导率 （离子浓度）；

第二电导率电池，其设置在所述供给介质流路（E）中，用于检测供给介质流的电导率 （离子浓度）；以及

自动控制器，其用于基于来自所述第一流量计以及所述第一电导率电池和所述第二电 导率电池的检测结果，来控制所述第一流量调节器和所述第二流量调节器，使得为所述反 渗透装置控制预定的目标回收率和预定的目标渗透流量。

根据本发明的一个优选实施例，为了控制所述预定的目标渗透流量，所述控制器 适于同时关闭所述第一流量调节器和所述第二流量调节器，以增加所述渗透流量，和/或同 时打开所述第一流量调节器和所述第二流量调节器，以降低所述渗透流量。

根据本发明的另一优选实施例，为了控制所述预定的目标回收率并保持所述渗透 流量基本上恒定，所述控制器适于关闭所述第二流量调节器并打开所述第一流量调节器， 以降低所述反渗透装置的回收率，和/或打开所述第二流量调节器并关闭所述第一流量调 节器，以提高所述反渗透装置的回收率。

根据本发明的另一优选实施例，为了控制预定的目标最小压力，所述控制器适于 同时关闭所述第一流量调节器和所述第二流量调节器，以增加压力；和/或，为了控制预定 的目标最大压力，所述控制器适于同时打开所述第一流量调节器和所述第二流量调节器， 以降低压力；和/或，为了控制预定的目标压力变化，所述控制器适于同时降低所述第一流 量调节器和所述第二流量调节器的关闭或打开速度，以减小回收压力变化。

根据另一优选实施例，特别是本发明的第一方面，所述控制器适于以闭环（反馈控 制）来控制所述预定的目标回收率，以及所述控制器适于根据以下关系基于所述第一流量 计和所述第二流量计的检测结果来确定所述反渗透装置的当前回收率，即：

（反渗透装置的回收率）=（反渗透装置的出口处的渗透流量）/（反渗透装置的出口处的 渗透流量 + 从系统移除的滞留物流的流量）。

根据另一优选实施例，特别是本发明的第二方面，所述控制器适于以闭环（反馈控 制）来控制所述预定的目标回收率。

根据本发明的另一优选实施例，压力传感器被设置用于检测所述第一滞留物流路 （A）和/或所述第二滞留物流路（B）中的滞留物流的压力，并且所述控制器适于确定预定的 滞留物压力值和所述压力传感器检测的值之间的差，并且如果所述差超过阈值（意味着RO 装置中的膜要进行清洁/更换），则发出指示/警报。

根据本发明的另一优选实施例，压力传感器被设置用于检测所述第一滞留物流路 （A）和/或所述第二滞留物流路（B）中的滞留物流的压力，并且所述控制器适于执行泵测试 程序，包括：关闭所述第二流量调节器；通过关闭所述第一流量调节器来增加滞留物压力； 监测来自所述压力传感器的检测到的滞留物压力；以及将所述第二流量计检测到的滞留物 流的流量与预定用于特定滞留物压力值的流量阈值进行比较，所述特定滞留物压力值对应 于通过所述压力传感器检测到的压力值，并且如果所述第二流量计检测到的流量低于所述 阈值，则发出指示/警告。

根据本发明的另一优选实施例，所述控制器被布置成允许（优选为手动）设定所述 反渗透装置的预定的初始目标回收率，并且可选地，设定所述电去离子装置的初始去离子 电流，二者相应地基于参数供给电导率、硬度、二氧化碳浓度和温度中的一个或多个的供给 介质分析来预先确定，并且使得通过所述第一滞留物流路（A）从所述系统移除的供给介质 的量最小化，并且其中，所述电去离子装置优选地包括串联的至少三个阶段，对于这至少三 个阶段，去离子电流能够通过所述控制器来独立地控制。

根据本发明的另一优选实施例，所述实验室规模的水净化系统还包括：第三电导 率电池，其设置在所述供给介质流路（C）中，用于检测供给介质流的电导率（离子浓度）；第 四电导率电池，其设置在所述反渗透装置下游的渗透物流路（D）中，用于检测所述渗透流的 电导率（离子浓度）；以及其中，所述控制器适于基于来自所述第三电导率电池和所述第四 电导率电池的检测结果的比率来确定所述反渗透装置的实际截留率，以根据所确定的所述 反渗透装置的实际截留率将所述反渗透装置的目标回收率调整为如下值，即：在所述值处， 所述渗透流的离子负荷（Ca2+和Mg2+负荷）处于或低于针对所述电去离子装置的、优选为所 述电去离子装置的第一阶段的预定的可容许值，并且如果需要，相应地调整所述电去离子 装置的、优选为所述电去离子装置的第一阶段的去离子电流。

根据本发明的另一优选实施例，所述实验室规模的水净化系统还包括：第五电导 率电池，其设置在所述电去离子装置的净化水出口的下游，用于检测净化水的电导率（离子 浓度）；以及其中，所述控制器适于基于来自所述第五电导率电池的检测结果来确定净化水 的CO2含量，并且相应地调整所述电去离子装置的去离子电流，优选为所述电去离子装置的 第二阶段的去离子电流，并且如果提供，则还优选为所述电去离子装置的第三阶段的去离 子电流。

根据本发明的另一优选实施例，所述控制器适于以闭环（通过反馈控制）优选为实 时地执行所述目标渗透流量和/或所述目标回收率和/或目标浓缩系数和/或所述电去离子 装置的去离子电流的控制，如果提供，则所述去离子电流优选为所述电去离子装置的各阶 段的去离子电流。

根据本发明的另一优选实施例，所述第一流量调节器和/或所述第二流量调节器 是远程可控的电动针阀。

根据第三方面，本发明提供了一种使用水净化系统来净化自来水以在实验室规模 上以高达300升/小时的体积产生去离子2型纯水的方法，所述水净化系统包括：

供给介质流路，其包括泵，所述泵用于提高供给介质的压力，并将供给介质在压力下供 应到反渗透装置的供给入口，其中，所述反渗透装置适于从所述供给介质产生渗透流和浓 缩流，并且具有渗透物出口和滞留物出口；

电去离子装置，其具有与所述反渗透装置的渗透物出口流体连通的入口和净化水出 口；

第一滞留物流路（A），其与所述反渗透装置的滞留物出口流体连通，用于从所述系统移 除滞留物，所述第一滞留物流路（A）包括适于远程控制的第一流量调节器；以及

第二滞留物流路（B），其与所述反渗透装置的滞留物出口流体连通，用于使滞留物在所 述泵的上游位置处再循环到所述供给介质流路，所述第二滞留物流路（B）包括适于远程控 制的第二流量调节器；

其中，所述方法包括：

检测所述反渗透装置在所述渗透物出口下游产生的渗透流量；

检测在所述第一流量调节器的下游从所述系统移除的滞留物流的流量；以及

基于来自所述第一流量计和所述第二流量计的检测结果，远程控制所述第一流量调节 器和所述第二流量调节器，使得为所述反渗透装置控制预定的目标回收率和预定的目标渗 透流量。

根据第四方面，本发明提供了一种使用水净化系统来净化自来水以在实验室规模 上以高达300升/小时的体积产生去离子2型纯水的方法，所述水净化系统包括：

供给介质流路，其包括泵，所述泵用于提高供给介质的压力，并将供给介质在压力下供 应到反渗透装置的供给入口，其中，所述反渗透装置适于从所述供给介质产生渗透流和浓 缩流，并且具有渗透物出口和滞留物出口；

电去离子装置，其具有与所述反渗透装置的渗透物出口流体连通的入口和净化水出 口；

第一滞留物流路（A），其与所述反渗透装置的滞留物出口流体连通，用于从所述系统移 除滞留物，所述第一滞留物流路（A）包括适于远程控制的第一流量调节器；以及

第二滞留物流路（B），其与所述反渗透装置的滞留物出口流体连通，用于使滞留物在所 述泵的上游位置处再循环到所述供给介质流路，所述第二滞留物流路（B）包括适于远程控 制的第二流量调节器；

其中，所述方法包括：

检测所述反渗透装置在所述渗透物出口下游产生的渗透流量；

检测滞留物流的电导率（离子浓度）；

检测供给介质流的电导率（离子浓度）；以及

基于通过所述反渗透装置产生的渗透流量以及所述滞留物流的电导率（离子浓度）和 所述供给介质流的电导率（离子浓度），控制所述第一流量调节器和所述第二流量调节器， 使得为所述反渗透装置控制预定的目标回收率和预定的目标渗透流量。

按照根据本发明的第三和第四方面的方法的一个优选实施例，为了控制所述预定 的目标渗透流量，所述第一流量调节器和所述第二流量调节器被同时关闭，以增加所述渗 透流量，和/或所述第一流量调节器和所述第二流量调节器被同时打开，以降低所述渗透流 量。

按照根据本发明的第三和第四方面的方法的另一优选实施例，为了控制所述预定 的目标回收率并保持所述渗透流量基本上恒定，所述第二流量调节器被关闭并且所述第一 流量调节器被打开，以降低所述反渗透装置的回收率，和/或所述第二流量调节器被打开并 且所述第一流量调节器被关闭，以提高所述反渗透装置的回收率。

按照根据本发明的第三和第四方面的方法的再一优选实施例，为了控制预定的目 标最小回收压力，所述第一流量调节器和所述第二流量调节器被同时关闭，以增加所述回 收压力；和/或，为了控制预定的目标最大回收压力，所述第一流量调节器和所述第二流量 调节器被同时打开，以降低回收压力；和/或，为了控制预定的目标回收压力变化，所述第一 流量调节器和所述第二流量调节器的关闭或打开速度被同时降低，以减小回收压力变化。

按照根据本发明的第三方面的方法的另一优选实施例，预定的目标回收率以闭环 （通过反馈控制）来控制，并且反渗透装置的当前回收率根据以下关系基于反渗透装置出口 处的渗透流量和从系统移除的滞留物流的流量来确定，即：

（反渗透装置的回收率）=（反渗透装置的出口处的渗透流量）/（反渗透装置的出口处的 渗透流量 + 从系统移除的滞留物流的流量）。

按照根据本发明的第四方面的方法的另一优选实施例，预定的目标回收率以闭环 （通过反馈控制）来控制。

按照根据本发明的第三和第四方面的方法的另一优选实施例，所述方法包括检测 所述第一滞留物流路（A）和/或所述第二滞留物流路（B）中的滞留物流的压力，并且确定预 定的滞留物压力值和所述滞留物流的压力之间的差，并且如果该差超过阈值（意味着RO装 置中的膜要进行清洁/更换），则发出指示/警报。

按照根据本发明的第三和第四方面的方法的另一优选实施例，所述方法包括检测 所述第一滞留物流路（A）和/或所述第二滞留物流路（B）中的滞留物流的压力，并且执行泵 测试程序，包括：关闭所述第二流量调节器；通过关闭所述第一流量调节器来增加滞留物压 力；监测检测到的滞留物压力；以及将滞留物流的流量与预定用于特定滞留物压力值的流 量阈值进行比较，所述特定滞留物压力值对应于检测到的滞留物压力值，并且如果检测到 的流量低于所述阈值，则发出指示/警告。

按照根据本发明的第三和第四方面的方法的另一优选实施例，所述方法包括优选 为手动地设定所述反渗透装置的预定的初始目标回收率，并且可选地，设定所述电去离子 装置的初始去离子电流，二者相应地基于参数供给电导率、硬度、溶解二氧化碳浓度和温度 中的一个或多个的供给介质分析来预先确定，并且使得通过所述第一滞留物流路（A）从所 述系统移除的供给介质的量最小化，并且其中，所述电去离子装置优选地包括串联的至少 三个阶段，对于这至少三个阶段，去离子电流能够被独立地控制。

根据前面提到的方法的另一优选实施例，所述方法包括：检测供给介质流的电导 率（离子浓度）；检测渗透流的电导率（离子浓度）；以及基于所述供给介质流和所述渗透流 的所检测到的电导率（离子浓度）的比率，来确定所述反渗透装置的实际截留率，从而根据 所确定的所述反渗透装置的实际截留率将所述反渗透装置的目标回收率调整为如下值， 即：在所述值处，所述渗透流的离子负荷（Ca2+和Mg2+负荷）处于或低于针对所述电去离子装 置的、优选为所述电去离子装置的第一阶段的预定的可容许值，并且如果需要，相应地调整 所述电去离子装置的、优选为所述电去离子装置的第一阶段的去离子电流。

根据前面提到的方法的另一优选实施例，所述方法包括：检测净化水的电导率（离 子浓度）；以及基于检测结果来确定净化水的CO2含量，并且相应地调整所述电去离子装置 的去离子电流，优选为所述电去离子装置的第二阶段的去离子电流，并且如果提供，则还优 选为电去离子装置的第三阶段的去离子电流。

按照根据本发明的第三和第四方面的方法的另一优选实施例，以闭环（通过反馈 控制）优选为实时地执行对所述目标渗透流量和/或所述目标回收率和/或目标浓缩系数 和/或所述电去离子装置的去离子电流的控制，如果提供，则所述去离子电流优选为所述电 去离子装置的各阶段的去离子电流。本发明的系统和方法提供了如下机会，即：在从自来水 产生去离子2型纯水的过程中减少耗水量，同时保持RO装置和EDI装置的完整性，原因在于 给水质量并且优选的RO阶段的截盐率被监测，并且优选实时地自动控制和调整包括系统/ 方法的RO回收率和优选的电去离子电流的关键操作参数。因此，给水状态的变化对耗水量 以及RO和EDI装置的使用寿命没有负面影响，并且不经常需要昂贵的服务干预。

在一个优选实施例中，可以检测和监测关键的给水污染物（溶解的CO2、Ca2+和Mg2+），而无需依靠昂贵的工具和专用的专门传感器，这是因为使用了现有的或相对较便宜的 水净化系统的资源（流量传感器、电导率电池）。

以下是参照附图来解释的本发明的流程示意图的优选实施例的非限制性的和示 例性的描述，在附图中：

图1是实验室规模的水净化系统的第一优选实施例的系统图，

图2是实验室规模的水净化系统的第二优选实施例的系统图，以及

图3是示出了第一实施例的控制器的控制输入和输出的示图。

用于从图1所示的本发明的自来水产生高达300升/小时的去离子2型纯水的实验 室规模的水净化系统的优选实施例使用至少两个流量计来控制系统中的反渗透（以下称为 “RO”）装置的回收率和/或渗透流量。该系统具有供给介质流路C，其包括正排量泵1，该正排 量泵1用于提升供给介质（自来水）的压力，并将供给介质在压力下供应到RO装置2的供给入 口，该RO装置2适于从供给介质产生渗透流和浓缩流，并且该RO装置2具有渗透物出口和滞 留物出口。设置电去离子（以下称为“EDI”）装置10，并且其具有与反渗透装置2的渗透物出 口流体连通的入口和净化水出口。正排量泵1被布置成产生加压供给RO流，其大小设定为提 供预期的RO渗透流量以及预期的浓缩流量（浓缩流量大小设定为使用清扫效果（sweeping effect）从RO膜切向地去除污染物）。RO装置2的膜尺寸设定为在给定的RO压力下产生特定 给水温度的特定渗透流。

第一滞留物流路A与RO装置2的滞留物出口流体连通，并且用于将滞留物从系统移 除至排出部。第一滞留物流路A包括适于远程控制的第一流量调节器3，并且第二滞留物流 路B与RO装置2的滞留物出口流体连通，用于在泵1的上游位置处将滞留物再循环到供给介 质流路。第二滞留物流路B包括适于远程控制的第二流量调节器4。因此，第一流量调节器3 具有排放阀3的功能，该排放阀3优选为电动针阀，该电动针阀控制孔口的大小，以便控制流 向排出部的浓缩流，并且因此，第二流量调节器4具有再循环阀4的功能，该再循环阀4优选 为电动针阀，该电动针阀控制孔口的大小，以便控制再循环流。

第一流量计5被设置在渗透物出口的下游，用于检测RO装置2所产生的渗透流量， 并且第二流量计6被设置在第一流量调节器3下游的第一滞留物流路A中，用于检测待从系 统移除的流向排出部的滞留物流的流量。

RO渗透流量和RO回收率的远程实时控制

在第一实施例中，设置了自动控制器13，用于基于来自第一流量计5和第二流量计6的 检测结果来远程控制第一流量调节器3和第二流量调节器4，使得为反渗透装置2控制预定 的目标回收率和预定的目标渗透流量。

因此，实现渗透流量、RO回收率、最小RO压力、最大RO压力和RO压力变化的调节，原 因在于泵1在启动时和运行期间产生恒定的流量。在系统启动期间，排放阀3和再循环阀4以 MIMO（多输入多输出）控制功能13所计算的不同的可变速度同时从打开位置移动，以在压降 变化受控并且最小和最大RO压力受控的情况下，同时调整RO压力和排出流量，直到流量计5 将见到预期的渗透流量，并且直到流量计6将见到预期的排出流量，以达到预期的RO回收 率。

（RO回收率）=（RO渗透流量）/（RO渗透流量+流向排出部的流量）。

在系统运行期间，如果例如水温变化、自来水压力变化、进水电导率下降之类的扰 动发生并且改变标称工作点，则排放阀3和再循环阀4以MIMO（多输入多输出）控制功能13所 计算的不同的可变速度同时移动，以在压降变化受控并且最小和最大RO压力受控的情况 下，同时调整RO压力和排出流量，直到流量计5将见到预期的渗透流量，并且直到流量计6将 见到预期的排出流量，以达到预期的RO回收率。

MIMO（多输入多输出）控制功能13被设计成确保实验室规模的水净化系统的稳定 性和性能鲁棒性。

在图2所示的第二实施例中，为了控制和调节渗透流量，第一流量计5还被设置在 渗透物出口的下游，用于检测反渗透装置2所产生的渗透流量，并且控制渗透流量的过程与 上文针对第一实施例所述的过程类似地工作。

然而，第二实施例与第一实施例的不同之处在于控制RO回收率的方式。设置第一 （排出）电导率电池15来检测和监测反映再循环回路中的离子浓度的RO排出电导率（drain conductivity）。因此，第一电导率电池15被设置在RO装置2的膜下游或第二流量调节器或 排放阀3下游的滞留物流中，如图2上所示。第二电导率电池16被设置在供给介质流路的部 段E中，用于检测供给介质流的电导率（离子浓度），该部段E还处于第二滞留物流路B联接供 给管线的点的上游，并且因此，处于稍后描述的电导率传感器7的上游，该电导率传感器7用 于测量供给流与来自第二滞留物流路B的流的混合物的电导率。

一旦RO渗透流处于稳定状态中，就将浓缩系数用作关键参数，以防止在RO装置2的 膜的供给侧上发生结垢（scaling）。给水的污染物分析将允许计算给水和排水之间的最大 浓缩系数（使用上述Langelier模型）。在RO回收率（Lambda）与供给流离子浓度和排出流离 子浓度之间存在数学关系。通过同时关闭再循环阀4并打开排放阀3（以减小浓缩系数），或 者通过同时打开再循环阀4并关闭排放阀3（以增加浓缩系数），来满足浓缩系数设定点。然 后，以闭环方式调节RO渗透流量以及浓缩系数，使得为反渗透装置2控制预定的目标回收率 和预定的目标渗透流量。

图3是示出了第一实施例的控制器13的控制输入和输出的示图。在该图中，缩写 “测量的PF”是指通过渗透流量传感器5测量的渗透流量，“ROP”是指通过压力传感器14测量 的RO压力，“测量的SRF”是指通过排出流量传感器6测量的排出流量，“CMD1”是指对电动针 阀4输出的控制命令，“CMD2”是指对电动针阀3输出的控制命令，“PF命令”是指预定的设定 目标渗透流量，“R命令”是指预定的设定目标回收率。

因此，实现本发明的控制器13的最小控制输入是信号“测量的PF”和“测量的SRF”。 尽管未示出，但所述系统可以包括：用户接口，其包括输入装置和用于在系统上直接输出信 息的装置，如显示器等；和/或数据接口，其用于在系统和适于显示相关信息并与系统通信 的另一装置之间交换该信息。有用的输出/显示信息是RO渗透流量、RO回收率（二者均由系 统确定）、RO压力（最小值和最大值）以及RO压力变化。后面的信息需要提供如上所述用于检 测RO压力的压力传感器和在控制器一侧上的相对应的输入。

所述系统还可以包括在检测到超过RO压力、RO渗透流量和/或RO回收率的某些预 定义的限度或阈值的值的状况下停止系统的操作的功能。

在不依靠昂贵的工具和专用传感器的情况下监测关键给水污染物

除了通过控制作为主要控制目标的回收率和/或渗透流量来减少耗水量，本发明的系 统和方法的另一方面是长时间维持RO装置的膜的完整性和EDI装置的完整性的能力。

在固定的设定或目标点的背景下，所述系统的控制理念如下：在安装在特定的地 理位置上时，进行自来水分析（供给电导率、硬度、溶解二氧化碳浓度、温度）。然后，计算RO 回收率和用于EDI装置的去离子电流，以便最小化发送到排出部的水量。所述RO回收率和去 离子电流在系统上设定，即优选地通过合适的用户接口来输入到控制器。从这时开始，通过 使用来自处于渗透流和排出流上的流量计5、6的检测输出来控制优选为电动的针阀致动 器，随时间自动控制RO回收率，以维持目标值。

考虑到电去离子模块10优选地包括如结合现有技术描述的串联的至少三个阶段， 本发明的系统的控制器13优选地也适于在每个阶段中独立地控制去离子电流，第一阶段致 力于大部分离子电荷，第二阶段致力于去除二氧化碳（CO2），并且第三阶段致力于低电离物 质，例如，活性二氧化硅和硼。因此，本发明的系统的RO/EDI组合的控制方案将在于控制RO 回收率，以便将渗透物离子负荷调整到EDI第一阶段的最大可容许负荷。因此，第一阶段的 去离子将处于其最大程度，以便使RO回收也在其最大程度下运行。该先前计算的关键参数 是RO装置的膜的盐通过率（salt passage）或者称为RO膜截留率（RO membrane rejection） 的盐通过率的反面。RO截留率（RO rejection）随时间发生变化，这主要取决于膜的使用时 间，使用两个电导率传感器7和8来容易地监测RO截留率，这两个电导率传感器7和8即：电导 率电池7，其处于供给介质流路C中，用于检测RO装置2的供给介质流的电导率（离子浓度）； 以及第二电导率电池8，其处于RO装置2下游的渗透物流路D中，用于检测RO膜的渗透流的电 导率（离子浓度）。截留率是渗透物电导率和供给介质电导率之间的比率。因此，RO回收率可 以根据RO膜的实际截留率来实时调整。

因此，控制器13优选地适于基于来自电导率电池7和8的检测结果的比率来确定RO 装置2的实际截留率，以根据所确定的RO装置2的实际截留率，将RO阶段的目标回收率调整 为如下值，即：在该值处，RO渗透物离子负荷和总硬度水平处于或低于针对EDI装置10、优选 为针对EDI装置10的第一阶段它们预定的可容许值，并且如果需要，相应地调整EDI装置10 的、优选为EDI装置10的第一阶段的去离子电流。

虽然已确定了最佳的RO回收率以最小化RO装置的耗水量，但为了维持部件的完整 性，仍需满足其他要求，即：Langelier指数应低于规定的碳酸钙沉淀的限度，并且RO渗透物 中的Ca2+和Mg2+含量应低于EDI的规定限度。如果Langelier指数超过最大规定限度，则 Langelier指数将成为RO回收率设定点的驱动（driver）。如果RO渗透物中的Ca2+和Mg2+含量 仍然超过EDI模块的最大要求，则RO渗透物中的Ca2+和Mg2+含量将成为RO回收率设定点的驱 动。如果Langelier指数或最大的Ca2+和Mg2+成为RO回收率的驱动，则对于EDI模块，渗透物 的离子负荷将不会是最大的一个。因此，用于EDI装置的第一阶段的EDI电流需要重新计算 并实时应用。

在EDI装置上需要应用的最后的参数是阶段2和3上的电流。如前所见，阶段2上的 电流取决于给水的溶解二氧化碳浓度，其中，溶解二氧化碳不会被RO装置的膜去除。在系统 安装时首先通过分析方法来量化溶解二氧化碳浓度。然而，期望随时间监测该溶解二氧化 碳浓度。本发明的系统中的方法如下：假定离子负荷被RO装置和EDI模块的第一阶段二者完 全去除，如果没有电流施加在EDI模块的阶段2和3上，则在EDI模块之后的水电导率可仅归 因于二氧化碳含量（根据适用于去离子水的CO2浓度/水电导率曲线）。

因此，操作专用于CO2测量的周期性序列，以便更新阶段2上的EDI电流。EDI模块的 最后阶段的电流根据EDI模块所产生的净化水的电阻率以闭环方式来调整。因此，第五电导 率电池9被优选地设置在EDI装置10的净化水出口的下游，用于检测净化水的电导率（离子 浓度），并且控制器13适于基于来自第五电导率电池9的检测结果来确定净化水的CO2含量， 并且相应地调整电去离子装置10的去离子电流，优选地调整电去离子装置10的第二阶段和 第三阶段（如果提供）的去离子电流。

假定系统中的EDI装置根据上面提到的控制方案适当地操作，则每个阶段的阻抗 将随时间缓慢地增加。阻抗增加率提供了给水中Ca2+和Mg2+含量随时间变化的指示。因此， 控制器13可以包括另一功能，以检测和监测EDI装置的各阶段的阻抗增加率，并根据检测或 监测到的给水中Ca2+和Mg2+含量的变化来修改目标RO回收率。

在上文中部分地描述了本发明的系统和方法的优点，并且在下文中部分地总结这 些优点。所述系统需要较少的部件来控制RO回收率。可以通过电动阀来代替电磁阀。在维持 EDI装置出口处产生的净化水的质量的同时，降低了耗水量。在很长一段时间内维持RO装置 和EDI装置的完整性，同时可以接受增加的给水温度范围。

具体地与EP 1457460 A2中所描述的水净化系统相比，其使用孔眼装置借助于可 变形孔口来提供恒定的流量，使得流量控制装置在RO渗透流中增加额外的压降，这是因为 孔眼装置需要1巴的最小压力来正常工作（导致14巴的最大跨膜压力，这是因为泵具有15巴 的最大旁通压力），利用本发明的流程示意图可获得15巴的跨膜压力。因此，本发明提供了 一种系统，其将操作温度范围扩展10%，同时保持恒定的流量。

鉴于以下事实，本发明的系统和方法对给水温度变化的反应的能力是特别有利 的，即：下面的操作条件将RO/EDI组合推到其操作范围的极限，而本发明的流程示意图提供 了自动使系统能够继续产生纯净水的解决方案。

给水温度过高：这是RO膜的公知的失效模式。随着水温的升高，RO膜的渗透率增加 也要求RO压力降低以保持流量恒定。如本领域中已知的，RO截留率降低同时使RO渗透物离 子负荷增加。由于EDI模块无法应付较高的给水离子负荷，所以系统预计会降低RO回收率， 以保持离子负荷恒定。

给水温度过低：在这种情况下，RO膜的渗透率降低到泵不再能适应RO压力以保持 恒定的RO渗透流量的程度。在某一时刻，系统将不再提供预期的RO渗透流量，因此降低了 EDI模块所见到的离子负荷。系统将继续产生水，并且阶段1和阶段2的去离子电流将相应地 减小。

除了由这两个实施例提供的基本自动控制方案以及由此产生的优点之外，本发明 还提供了附加的功能来监测系统的主要净化部件，并且使用在包括RO/EDI组合的系统中可 获得的信息来向外部提供如下信息，即：需要特定的维护工作，以便维持或恢复系统的性 能。

RO装置2的膜的典型的失效模式是渗透率的损失和截留率的损失。RO膜的渗透率 被表征为针对特定水温的RO渗透流量。随着RO膜老化，可能会发生一些结垢，并且RO膜的渗 透率会降低。为了补偿渗透率的降低，系统通常将会自动地增加RO压力。因为可选地设置了 压力传感器14以便检测第一滞留物流路A和/或第二滞留物流路B中的滞留物流的压力，所 以控制器13可以包括如下功能，即：该功能允许它确定预定或理论滞留物压力值与通过压 力传感器14检测到的实际压力值之间的差。当所检测到的差超过规定的阈值时，控制器可 以触发或发出指示/警报，该指示/警报意味着要清洁或更换RO装置2中的膜。

RO装置的膜的另一典型的失效模式是截留率的下降。控制器可以包括如下功能， 即：记住随着系统部件的老化截留率随时间的损失，并且在某一时间触发警报或指示。

使用压力传感器14的检测结果，系统还可以包括监测泵随时间的磨损的功能。为 此，正排量泵1的一种典型的失效模式是当RO压力增加时流量的损失。控制器13可以包括执 行泵测试程序的功能，该泵测试程序包括如下步骤，即：关闭第二流量调节器4；通过关闭第 一流量调节器3，将RO滞留物压力增加到特定值；监测来自压力传感器14的检测到的滞留物 压力；以及将通过第二流量计6检测到的滞留物流的流量与预定用于特定的滞留物压力值 的预定的设定流量阈值（理论最小值）进行比较，该特定的滞留物压力值对应于通过压力传 感器14检测到的压力值，并且如果第二流量计6所检测到的流量低于所述阈值，则发出指 示/警告，使得进行泵的预防性维护。

另一方面，EDI装置的一种典型的失效模式是阻抗随着时间的推移而增加，这是因 为系统中发生一些结垢。控制器13，在其具有控制EDI装置的各阶段的功率供应的能力的背 景下，可以包括如下另一功能，即：监测系统随时间的阻抗，并且当模块的阻抗达到指定的 设定点时触发警报或指示。

尽管在附图中没有明确示出，但RO装置可由串联或并联布置的一个或多个筒形 成。可以设置附加的传感器，用于检测处于系统中相应位置处的流的附加参数。例如，这些 附加的传感器可以包括温度传感器。处于泵1上游的自来水的预处理在背景部分中被描述 为潜在地需要它来使自来水适于RO装置中的处理。因此，如果期望，则系统可以包括这样的 预处理装置。尽管控制器13被示意性地示出为框，但它可以被实现为单个部件，或者实现为 电路的形式或通用计算机的形式，在该通用计算机上装载有使通用计算机适于执行控制过 程的软件程序。此外，术语“控制器”应涵盖实现控制所需的任何附加电路。