用于以多级净化饮用水的装置

技术领域

本发明涉及一种装置，其中在一个单元中将至少两种水净化方法组合，其中一个方法包含用于去除重金属和/或细菌的螯合凝胶和/或灭菌凝胶。

背景技术

在市场上可得到用于饮用水净化的大量装置，它们遵循不同的策略和技术，并且在某些情况下已经将不同的策略和技术进行了组合。

除了具有最大市场份额的反渗透的主导技术之外，还存在使用不同的过滤技术或蒸馏方法的大量装置。

所有已知方法都具有(有时是严重的)缺点：

在反渗透的情况下，最大的缺点是饮用水产量低(其很少超过所用水体积的10％)，是能量密集型的，并且还从饮用水中去除有助健康的元素(诸如镁)。有时在第二步骤中还以复杂的方式再次将其添加到饮用水中。

对于蒸馏方法而言，共同的缺点是能耗极高。此外，如在反渗透的情况中的那样，有助健康的元素也被去除，导致产生的蒸馏水不适合长期饮用，并且在后续步骤中还必须再次补充诸如镁盐的重要成分。

在单独的单元/滤筒中组合若干过滤技术的净水机需要具有相应的阀或连接器的复杂管，这些阀或连接器由于它们的性质而易于发生故障并且存在泄漏的风险等。此外，由于流动条件，放置连接器处为细菌等的生长提供了特别好的机会。

与上述RO技术和蒸馏方法相比，许多基于过滤(或基于不同正交过滤技术的组合)的净化方法通常以高产率(100％)和管线压力运行，导致没有额外的能量消耗。然而，对于其前提是这样的设置：其在设备中具有低的压力降低，并且使用粗粒吸收剂树脂，这降低了生产率和损耗的有效性。

市场上使用的已知过滤介质例如是活性炭，其在具有线性通流的滤筒中用作颗粒填充床，或用作具有径向通流的压制中空圆柱体。从生产率和压力降低的角度来看，中空圆柱体是理想的设置。

其他已知的介质是用于从饮用水中去除重金属的

MetCap树脂是线性聚乙烯基胺，其可施涂到多孔颗粒上，然后与双功能交联剂反应以形成三维聚合网络。该网络具有许多高密度的氨基，并且可以通过形成非常稳定的金属-胺络合物而以螯合的方式将重金属从高容量溶液中结合出来，从而去除重金属。对于仅形成弱胺络合物的重金属(例如镍，锰)，可以将另外的螯合基团例如羧酸盐，硫醇等引入聚合物网络中。

BacCap树脂同样是氨基聚合物，其以与MetCap吸收剂相似的方式生产。然而，共混物，化学计量，交联度等针对抗菌作用进行了优化。抗菌作用极有可能是由于聚合物的至少部分质子化(并因此带正电)的氨基与负极化的细菌细胞被膜之间的相互作用。一种可能的解释是聚合物氨基基团与细胞被膜的脂肪酸的直接相互作用，结果细胞被膜被破坏。第二种解释可能是由氨基聚合物阻断了细胞壁中的离子通道。归根结底，两种解释都会导致细胞膜的破坏或损坏，并最终导致细菌死亡。

这里特别重要的是要指出，无论是去除细菌还是结合重金属，都不是将物质释放到饮用水中。在这方面，所提出的方法明显不同于将银、氯或其他物质释放到饮用水中并污染饮用水的其他方法。

所提出的装置的另一个优点是易于处理。与诸如反渗透的过滤方法相比，不需要借助泵(而泵又需要电力)来增加压力。市场上的UV系统也是如此，其在操作过程中也需要动力。

用于净化饮用水的第三种方法是通过微滤和纳米过滤方法过滤。

用于处理(特别是用于软化)饮用水的另一种方法是用离子交换剂过滤含有钙和镁的饮用水。在该过程中结合钙和镁，并且为此，在每种情况下，两摩尔当量的钠被释放在饮用水中。由于过多的钠对心脏和循环系统具有负面影响，该方法受到批评。另外，该方法的缺点是容量小并且需要频繁更换或再生。此外，这些器械易于受到微生物污染。

与最初提到的三种过滤介质形成鲜明对比的是，到目前为止，离子交换器的过滤能力最快耗尽。当使用硬水时，树脂必须仅在几天后就被更换或再生，但最迟必须在正常使用一到两周后被更换或再生。

填充有重金属吸附树脂(例如

除了上述装置之外，还存在大量的市场上的或受保护的器械，它们以模块化的方式将单独的净化技术彼此组合。

这些器械具有的优点在于，根据个体客户的饮用水的特性和污染(所述饮用水根据区域可能含有不同浓度的存在很大差异的污染物)，在滤筒耗尽时，个体客户可以独立地更换相应的净化滤筒。缺点是，为了监控每个单个滤筒的容量，必须安装传感器，所述传感器在系统部件耗尽时独立地发出消息。备选地，制造商发布了指定更换单个滤筒的特定时间段的协议。

该方法是复杂的且对客户不友好。存在不遵守复杂协议或维护间隔周期的风险，并且饮用水质量平均更可能会劣化而不是得以改善。

DE202018101926U1公开了一种两部分过滤器装置，其用于净化飞机中的水。该公开文件描述了一种由活性炭制成的外部中空圆柱体，其内部具有隔膜(特别是中空过滤膜)。将待被过滤的水横向引入到活性炭中，通过其进行过滤，并且最后到达活性炭中空圆柱体的内部。活性炭的孔径优选为0.5μm。内膜的孔径优选在约0.2μm的区域内。选择这些相对大的孔是为了保持低的系统背压。作者断言，利用他们要求保护的装置，他们可以截留细菌和重金属。

已知膜，特别是用于过滤水的中空纤维膜在广泛的范围内使用。为了去除细菌，通常使用孔径为0.02μm(20nm)的膜，因为较大的孔径不会截留细菌和其他微生物(特别是病毒)。为了确保截留细菌，可以接受明显的压力增加。本公开文件中提出的200nm明显位于通常的20nm以上。因此，显著的细菌截留似乎非常不可能。大概是为了背压最小化而选择了大孔径。

使用缺陷短波单胞菌(Brevundimonas diminuta)证明了lo7消耗的特定示例。该微生物未在任何饮用水条例中列出，而是外来的微生物。通常将大肠杆菌或铜绿假单胞菌用作测试生物。

活性炭本身在很大程度上不适合作为细菌截留。可以肯定的是，利用足够小的孔，细菌最初得以截留。然而，由于活性炭的0.5μm的孔径，这已经令人怀疑。随后，细菌在活性炭中生长，然后释放到水中，从而水被污染。照这样说的话，第二净化阶段当然是有意义的。但是，如果选择如上所述的那样大的孔，则有效过滤似乎非常令人怀疑。

重金属的去除也是如此。重金属根本不会被活性炭去除，或者仅以极少的比例以极低的量被去除。重金属当然不会被超滤膜阻挡。为此，需要孔径在个位数纳米范围内的膜，由于它们的压降高而不适用于预期的应用。

与在DE202018101926U1中指定的仅具有活性炭和膜过滤的组合的装置相比，在本专利说明书中，提出了与吸收剂凝胶的组合，其专门开发用于饮用水净化。具体而言，由instrAction开发的螯合吸收剂凝胶有效地、快速地且以高容量结合重金属。通过简单的膜过滤无法实现该性能。同时，与活性炭(其更可能被认为是细菌的来源)和孔径太大的过滤膜相比，通过在所提出的设置中进行过滤，具有抗菌作用的颗粒有效地去除与饮用水有关的微生物，特别是细菌。

在DE10217649A1中提出了一种方法，其中对贵金属表面进行处理，使得贵金属表面一旦与水接触，它就会将金属离子释放到水中，于是对于金属离子而言会杀死细菌。尤其提出了银作为优选的贵金属。因此，作用原理是基于抗菌物质的释放。因此，出于相同目的，其与离子交换剂的银处理相似，这受到批评。释放可能危害健康的金属是此方法中固有的。此外，抗银微生物的出现被认为是不利的。相反，不能使用该方法去除重金属：最后，滤液中的重金属(根据上述发明)比以前更多。

本发明基于所提出的装置中细菌与颗粒表面的相互作用，而不是基于具有抗菌作用的重金属离子释放到饮用水中。通过所提出的方法，不仅可以有效地从饮用水中滤除掉细菌和其他微生物，而且还可以去除重金属。

CH339888A提出了一种用于净化水的滤棒，该滤棒由活性炭填充床组成，带有用于水净化的内部中央排水装置。在此，活性炭与“低动力学活性物质”(诸如银或铜或这些金属的盐)进行“结合或渗透”。这些物质可以可靠地杀死细菌。结果，应防止微生物通过活性炭生长，并应防止细菌污染过滤后的水。该危险是关于在水净化中使用活性炭受到批评的关键点。整个装置基本上用于通过吸附去除“氯”和其他产生不良气味的物质。同时，这种装置已经得到了进一步的开发，并且当今通常以压制的活性炭开始销售。CH339888A中提出的发明具有严重的缺点，即有毒的重金属诸如银和铜被释放到滤液中。

如上所示，当使用本发明时不具有该严重的缺点：在根据本发明的所述装置中，细菌通过与抗菌树脂的颗粒表面的相互作用而被去除。在此过程中，物质(尤其是重金属)不会被释放到滤液中。相反，借助于水通过螯合树脂进行过滤而去除了重金属。

DE3001674A1提出了一种过滤器，其包含活性炭和离子交换剂。待被净化的水的pH在过滤器中被降低到约pH＝3，从而可以减少过滤器中的微生物生长或杀死已经存在的微生物。同时，具有灭杀生物作用的物质被释放到溶液中，以杀死微生物或防止进一步生长。

如在其之前的公开文件中，在其中也试图通过释放灭杀生物物质来抵消微生物污染活性炭的主要问题。滤液被这些可能危害健康的物质的污染被接受。

如上所述，当使用根据本发明的装置时，不会出现这些缺点。

在DE202018100396U1中描述了一种模块化的水净化系统，其中两个至五个不同的净化过程以模块化的方式彼此组合。各个净化阶段分别处理不同组的污染物，诸如饮用水中可能存在的污染物。各个模块彼此独立，并通过管与彼此接触。这些模块可以独立地更换，并且一旦容量用完就可以独立地更换。模块化设置具有的优势在于，可以在相应需要时更换单个组件。缺点是复杂并且在许多方面容易损坏管。此外，DE202018100396U1中还没有提到通过简单过滤来去除细菌。

当前建议将最长寿命的两到三个净化过程组合在一个滤筒中，以使所有净化阶段都集中在一个模块中。与DE202018100396U1所建议的两个到五个滤筒相比，这是一个非常节省空间且对客户友好的过程，其仅需监控和更换一个滤筒即可。此外，这些过程以三维布置的方式组合在一起，这样它们仅会产生较低的背压；这在DE202018100396U1中未进行计划。

所公开的文献均未指定将刚性的活性炭中空圆柱体与由螯合和抗菌树脂组成的颗粒填充床相组合。迄今为止，这种组合在现有技术中是未知的。这也应用至在整个模块上具有中央排水装置的设置，这也在CH339888A中同样提供。然而，其仅提出了关于减少微生物的不可接受的规定。在任何已公布的文献中都没有提供或甚至没有计划采用抗菌树脂的多级径向过滤器的创新方法。

在这种背景下导致的目的是，将已知的过滤方法的优点组合，以使得模块化设置的缺点最小化，或甚至一开始根本不会出现缺点。

发明内容

借助于以下装置来实现上述目的，该装置在一个模块中组合正交净化技术，从而以多级净化饮用水，其特征在于该装置包括壳体(3)、水入口开口(1)、水出口开口(2)、填充有活性炭的外部中空圆柱体(4)、以及具有半透壁的内部中空圆柱体(5)，其中内部中空圆柱体(5)包含用于去除重金属和/或细菌的螯合和/或灭菌凝胶。

有利地，壳体(3)、水入口开口(1)、水出口开口(2)、外部中空圆柱体(4)以及内部中空圆柱体(5)可通过3D打印来生产。这使得生产成本有效成为可能，并且另外还可以为用户定制装置的形状和尺寸。

在要求保护的装置中，将以下耐用的过滤介质或技术中的至少两种彼此组合：活性炭、重金属结合吸附树脂和/或去除细菌树脂、以及可选地超滤件。

这实现为用重金属结合吸附树脂和/或去除细菌树脂(7)(图1、图3)填充壳体(3)中的已知外部活性炭中空圆柱体(4)。居中地，引入排水装置(drain)，其采用具有半透壁或中空纤维膜或成束的中空纤维膜(6)的另一内部中空圆柱体(5)的形式，优选地在所述中空圆柱体的整个长度上，使得具有依次同心地流过的总共至少两个树脂层，排水装置位于中间。

总而言之，待被过滤的水因此首先流过外部活性炭中空圆柱体，然后流过填充有去除重金属的吸收剂树脂和/或去除细菌树脂的内部中空圆柱体。最后，水流经中央排水装置，该中央排水装置在两个中空圆柱体的整个长度上延伸。作为第三净化阶段，可以将其设计为超滤中空纤维膜。

为了便于更换/连接至水净化装置，可以将进水口(1)安装在与出水口(2)相同侧(图1、图2)，或将进水口(1)与出水口(2)安装为相对的，以便在管线中进行线性安装(图3、图4)。

针对在整个过滤器长度上同时具有小的和均匀的压降吸收剂材料的最佳通流，中央排水装置(5)是必不可少的。

在线性流动通过过滤介质的情况下，导致过大的背压，其需要额外的泵，或者以不可接受的方式降低生产率。

如果选择的颗粒过大以降低压力，则导致污染的水与吸收剂材料内的结合位点之间的缓慢交换、长的扩散路径，从而降低生产率。如果选择的床高度太低并且因此减少了水在吸收剂床中的停留时间，则会导致污染物的不充分的消耗。

如果用另一种吸收剂材料(6)填充内部自由的活性炭中空圆柱体(5)，而没有在此要求的中央排水装置，则将在中空圆柱体的整个长度上获得压力梯度，这会妨碍一致流动通过凝胶床(7)，并且导致污染物的不充分的消耗。最迟在通过“最短路线”耗尽容量之后，水将不再被净化或仅被不充分地净化(参见图5)。

当经填充的中空圆柱体在圆柱体一侧上具有简单的排水装置时，可以额外地在入口的壁上形成通道(7)(图6)，这也会妨碍流动通过吸收剂颗粒，并且由于水和吸收剂之间接触不充分而导致污染物的消耗太少或没有消耗。

在此，替代方案提供了分离介质(5)和(7)的径向布置，例如已经在具有活性炭块体的商业上可得到的中空圆柱体中实现的，其具有中央排水装置(5)(图7和图8)。这种设置允许高的流率，具有低背压、短分离距离以及均匀、统一和完整的通流(8)，同时水在吸收剂床中具有足够的停留时间。

排水装置可以由多孔的管(6)构成，其具有相应的小开口，这些小开口允许经过滤的水通过而没有任何明显的压力降低，但是保留树脂。

此外，如果中央管(6)另外设置有合适的过滤织物，该过滤织物具有相应的小网眼尺寸，则中心管可以设置有多个开口，所述开口相对于树脂的颗粒直径较大。

此外，中央排水装置可以利用一个或多个(成束的)中空纤维膜来实现，其在圆柱体(6)的整个长度上延伸。

该布置可以设计成具有彼此相对的入口和出口，以在管线中线性安装(图7)，或可以设计成仅具有一个用于入口和出口的连接件，以便于安装在净水机中(图8)。

作为变型，也可以使用组合的中空圆柱体，其中活性炭和一种或多种吸收剂树脂以合适的方式压制/粘合在一起。

活性炭、吸收剂树脂的数量或体积、以及中央排水装置或膜的体积和容量可以匹配于饮用水质量的标准，并组合为利用最小化的压降来实现最高的生产率和净化效率。

这种设置允许适应区域差异和饮用水市场，同时保留在此要求的原理。

所要求保护的装置将至少两种耐用的水净化方法在一个滤筒中组合，其覆盖了极其广泛范围的可能的饮用水污染物(“氯”、小的有机分子、药物残留物、重金属、细菌、病毒、颗粒等)。

在此，净化元件布置为使得利用减小的压降实现最佳通流(并且因此实现最佳的水和吸收剂的接触)。

这种设置可利用最大的净化效率实现高生产率(大的表面面积和小的粒子直径是可能的)，这是替代设置无法实现的。

同时，实现具有最小的空间需求的紧凑单元，这可以由客户容易地监控。

不同的(耐用的)净化技术的组合降低在构造期间和在相应机器的使用期间的复杂性(几乎没有管或适配器，只有一到两个连接件等)。

在相应的水管线中，也可以设想与水龙头的简单连接(可能经由柔性适配器)或安装。

尽管采用了外部线性结构，但其涉及具有短过滤路径的径向过滤、水在凝胶床中足够的停留时间以及非常简单的结构。

与以模块化方式构造的系统相比，对于终端用户而言操纵更简单(仅更换/监控一个滤筒而不是两个或三个滤筒)；这同样适用于制造、贸易、营销、分销、储存等。

在优选的实施例中，滤筒可以线性地安装在水管线中，或者经由单个连接件(诸如在市场上已经经常使用的连接件)线性地安装在水管线中。

该装置可以容易地与所有常见的另外的净化或储存模块(例如用于储存经净化的水的随后的箱)组合、或与另外的净化技术(诸如UV灭菌(在箱中或在管线上)、氧化还原过滤器等)组合、或进一步用于热水制备、用于制备碳酸水的CO

该装置不影响或不损害随后的水抽取或水处理的类型。

通过合适的传感器，可以在适当的位置(在抽取点处或在单独的模块之间的点处)监控装置的效率。合适的传感器例如但不限于pH传感器、电导率传感器、用于检查细菌浓度的传感器、离子选择性传感器、UV传感器等。流动池可以测量所处理的水量。

在优选实施例中，传感器连接到数据处理系统，该数据处理系统基于测量值来监控各个模块的功能，并且如果要更换或再生滤筒，则发出相应的消息。借助于传感器，也可以采用纯时间控制或容量控制的方式来更换模块。取决于实施例，数据处理系统可以启动软化模块的自动再生或关闭阀，以便强制将模块更换作为进一步运行的条件。

数据处理系统可以编程为，在耗尽或错误的情况下，其将消息、电子邮件、短消息、即时消息等发出到例如移动无线电设备上，其告知用户需要更换滤筒。

在最小的设计中，该装置适合家庭使用，并适于典型的消费者。在较大的设计中，该装置还可用于公寓楼、住宅区、餐馆、医院、船舶、或需要高质量饮用水的其他设施中。

滤筒本身，即外部壳体(3)、水入口开口(1)、水出口开口(2)、由活性炭制成的外部中空圆柱体(4)和具有中空纤维膜束或可渗透壁(6)的内部中央中空圆柱体优选地由塑料制成。根据已建立的注塑工艺或通过3D打印或其组合进行生产。同样地，提供对各个元件的后处理，例如钻孔等。中空纤维本身通常由聚醚砜(PES)聚合物构成。但是，它们也可以由其他材料构成。

附图说明

图1：双中空圆柱体滤筒的纵向截面，该双中空圆柱体滤筒具有一个连接件，用于水入口(1)、水出口(2)、壳体(3)、由活性炭制成的中空圆柱体(4)、具有可渗透壁或中空纤维膜束(6)的中空圆柱体(5)、结合重金属的螯合树脂和/或细菌去除树脂(7)。

图2：双中空圆柱体滤筒的横截面，该双中空圆柱体滤筒具有用于水入口(1)和水出口(2)的一个连接件；壳体(3)、活性炭(4)、作为填充物的结合重金属的螯合树脂和/或细菌去除树脂(7)；具有可渗透壁或一个或多个中空纤维(6)的中空圆柱体(5)。

图3：双中空圆柱体滤筒的纵向截面，该双中空圆柱体滤筒具有用于水入口(1)和水出口(2)的一个连接件(线性结构)；壳体(3)、由活性炭制成的中空圆柱体(4)、具有可渗透壁或一个或多个中空纤维(6)的中空圆柱体(5)、作为填充物的结合重金属的螯合树脂和/或细菌去除树脂(7)、熔块(frit)(8)。

图4：双中空圆柱体滤筒的横截面，该双中空圆柱体滤筒具有用于水入口(1)和水出口(隐藏在相对侧上)的两个连接件(线性结构)；壳体(3)、活性炭中空圆柱体(4)、作为填充物的结合重金属的螯合树脂和/或细菌去除树脂(7)、具有可渗透壁或一个或多个中空纤维(6)的中空圆柱体(5)。

图5：在中空纤维滤筒填充有吸收剂凝胶且没有中央排水装置的情况下，由于滤筒头部处的滞留压力较低而导致的水的不利过滤路径(由箭头的厚度表示滤筒中优选的流动方向)；

水入口(1)、水出口(2)、壳体(3)、由活性炭制成的中空圆柱体(4)、采用床形式的结合重金属的螯合树脂和/或细菌去除树脂(7)、熔块(8)。

图6：在中空纤维滤筒的情况下，待过滤的水的通道形成(旁路)(9)，所述中空纤维滤筒没有中央排水装置，但具有水入口(1)、水出口(2)、壳体(3)、由活性炭制成的中空圆柱体(4)、作为填充物的结合重金属的螯合树脂和/或去除细菌的树脂(7)、熔块(8)和通道形成(旁路)(9)(6)。

图7：填充的中空圆柱体的有利过滤路径，上述中空圆柱体具有中央排水装置和线性结构，所述线性结构具有彼此相对定位的入口(2)和出口(2)；

水入口(1)、水出口(2)、壳体(3)、由活性炭制成的中空圆柱体(4)、具有可渗透壁或中空纤维膜的中空圆柱体(5，6)，作为填充物的结合重金属的螯合树脂和/去除细菌的树脂(7)。

图8：中空圆柱体的有利过滤路径，所述中空圆柱体具有在同一侧上的入口(1)和出口(2)；

水入口(1)、水出口(2)、壳体(3)、由活性炭制成的中空圆柱体(4)(6)、具有可渗透壁或中空纤维膜(5，6)的中空圆柱体、作为填充物的结合重金属的螯合树脂和/去除细菌的树脂(7)、熔块(8)。