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CN111683905A - 使用阴离子交换剂的水硬度稳定 - Google Patents

使用阴离子交换剂的水硬度稳定 Download PDF

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CN111683905A
CN111683905A CN201980012007.6A CN201980012007A CN111683905A CN 111683905 A CN111683905 A CN 111683905A CN 201980012007 A CN201980012007 A CN 201980012007A CN 111683905 A CN111683905 A CN 111683905A
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phosphate
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CN201980012007.6A
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伯恩·海德
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Aikreis Lindau Rebstein Branch GmbH
Original Assignee
Lindau Lebstein Branch Of Aquis Water & Air Systems Co ltd
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Abstract

本发明涉及用于向水中计量添加磷酸根和/或聚磷酸根的固体计量添加剂。该固体计量添加剂的特征在于提供不溶于水的阴离子交换剂，该阴离子交换剂至少部分负载有正磷酸根和/或聚磷酸根抗衡离子。由此一方面实现了聚磷酸根的持久稳定储存，另一方面实现了向水中良好计量添加聚磷酸根。

Description

使用阴离子交换剂的水硬度稳定
本发明涉及根据权利要求1、5和7所述的固体计量添加剂及其制备方法和用于向水中计量添加磷酸根和/或聚磷酸根的用途。
为了保护健康、管道、贮器、设备等，水通常在其使用前通过市售的滤水器滤芯处理。其中的关键方面是控制和/或防止钙沉积
Figure BDA0002620548740000011
这在一个方面可以包括从水中除去硬化剂
Figure BDA0002620548740000012
例如通过阳离子交换剂。在该过程中，例如钙和镁离子被交换成钠离子。
另外可以抑制结晶，即例如通过添加抑制剂(例如聚磷酸盐)来稳定硬度。通常，将它们计量添加到未经处理的水中，以使其与碳酸根基团交换，并由此阻碍钙盐的成核。
一方面，实现此目的的一种可能方法是以液态计量添加易溶聚磷酸盐或通过与难溶聚磷酸盐接触进行溶解性可调的计量添加。
易溶的聚磷酸盐主要是聚磷酸的钠盐，难溶的聚磷酸盐相应地是聚磷酸的钙或镁盐。
在水箱中，例如在家用电器的水箱中计量添加的情况下，迄今为止的问题是难溶性盐不能释放出足够的聚磷酸盐以防止水垢，特别是防止水箱本身的水垢，即其与其中所存放的水接触的表面。随着时间的流逝，因此会导致在这些表面上形成不希望的和不美观的沉积物。
此外，难溶的聚磷酸盐不能与弱酸性离子交换剂一起储存，如其例如在过滤器滤芯(例如，用于家用电器的水箱的过滤器滤芯)中设置为滤床时，这是因为该过滤器滤芯的弱酸性离子交换剂在气密性薄膜包装中产生超过80％空气相对湿度的环境湿度。气密性包装对于保护离子交换剂免于变干又是必需的。
然而，难溶的聚磷酸盐在空气相对湿度大于50％情况下无法稳定地储存。将难溶的聚磷酸盐和潮湿的离子交换剂包装在一起会导致聚磷酸盐表面上的起霜和游离水，这些水分散在薄膜包装内，并随后在产品上留下白斑。
使用液态聚磷酸盐同样是困难的，这是因为计量添加过程在应用情况下一方面必须持续三个月，而且另一方面不得发生过量添加。尽管可以通过小的接触面积和扩散将释放调节到一定程度，但这几乎不能解决储存(泄漏和干燥)以及长时间接触时过量添加的问题。
在管道连接式水处理设备中，特别是脱碳过滤器中，计量添加聚磷酸盐的情况下，充分的计量添加、在高空气相对湿度下在密闭容器中储存和避免过量添加在技术上仅能困难地实现。
因此，本发明的目的是一方面改善包含聚磷酸盐的防垢剂的储存稳定性以及另一方面改善由该防垢剂向水中计量添加聚磷酸根。
该目的通过权利要求1、5和7的特征得以实现。从属权利要求中给出了有利的和合乎目的的扩展方案。
因此，本发明涉及用于向水中计量添加磷酸根和/或聚磷酸根的固体计量添加剂。该固体计量添加剂的特征在于提供不溶于水的阴离子交换剂，该阴离子交换剂至少部分负载有正磷酸根和/或聚磷酸根抗衡离子。
通过使用具有聚磷酸根抗衡离子的阴离子交换剂以向水中计量添加聚磷酸根，聚磷酸根离子离子键合至阴离子交换剂一方面可实现聚磷酸盐的长期稳定储存。
另一方面，由于聚磷酸根键合至阴离子交换剂，聚磷酸根的释放通过离子交换平衡反应保持在上限。在低于此平衡时，特别是未处理的水中低于平衡时，其释放速率高，使得可以长时间释放足够的聚磷酸根。
在一个优选的实施方案中，提供碱性阴离子交换剂，特别是弱碱性阴离子交换剂。
根据另一个优选的实施方案，提供基于聚苯乙烯的阴离子交换剂。
替代地或另外地，可提供基于聚丙烯酸酯的阴离子交换剂。
本发明还涉及制备用于向水中计量添加磷酸根和/或聚磷酸根的固体计量添加剂的方法。该方法的特征在于使用液态聚磷酸盐溶液，特别是聚磷酸钠溶液，作为加载溶于水的阴离子交换剂的原料。
优选地，为了使所述阴离子交换剂负载有聚磷酸根离子，可以首先将所述聚磷酸盐溶液，特别是聚磷酸钠溶液通过酸性阳离子交换剂(优选强酸性阳离子交换剂)过滤，然后引导其通过OH-或游离碱形式的阴离子交换剂。
本发明还涉及用于向水中计量添加磷酸根和/或聚磷酸根的固体计量添加剂的用途。该用途的特征在于该固体计量添加剂用于稳定水硬度。
具有聚磷酸根抗衡离子的阴离子交换剂优选用于过滤装置中，尤其是在滤水装置中。
根据一个优选的用途，滤水装置可以用在水箱中，尤其是在热饮机和/或家用电器的水箱中。
特别地，滤水装置可以用于防止在水箱与水接触的表面上形成沉积物。
然而，滤水装置也可以用作管道连接式滤水装置。
在通过使用具有聚磷酸根抗衡离子的阴离子交换剂向水中计量添加聚磷酸根来稳定水硬度时，聚磷酸根离子离子键合至阴离子交换剂一方面可实现聚磷酸盐的长期稳定储存。
另一方面，由于聚磷酸根键合至阴离子交换剂，聚磷酸根的释放通过离子交换平衡反应保持在上限。在低于平衡时，特别是未处理的水低于平衡时，释放速率高，使得可以长时间释放足够的聚磷酸根。
通过与附着在阴离子交换剂上的聚磷酸根离子，特别是离子键合的聚磷酸根离子交换碳酸根离子，例如存在于未处理的水中的碳酸根离子，可以抑制或至少阻碍水中碳酸钙/钙盐的结晶。由此存在的硬度不沉淀，也不在与水接触的表面上形成沉积物。
优选使用碱性阴离子交换剂，特别是弱碱性阴离子交换剂。弱碱性离子交换剂的优点是，与强碱性离子交换剂相比，它们具有显著更高的容量。这允许将显著更多的聚磷酸根离子施加至阴离子交换剂和/或与例如强碱性阴离子交换剂相比，负载相同量的聚磷酸根离子所需的阴离子交换剂量要小得多。
在本发明的一个特定实施方案中，使用了基于聚丙烯酸酯的弱碱性阴离子交换剂。与同样合适的基于聚苯乙烯的阴离子交换剂相比，聚丙烯酸酯交换剂表现出更有利的亚硝胺释放。
根据一种用途，具有聚磷酸根抗衡离子的阴离子交换剂可用于过滤装置中，尤其是滤水装置中。
优选地，滤水装置可以用在水箱中，尤其是在热饮机和/或家用电器的水箱中。
在此所述滤水装置可以例如用于防止在水箱与水接触的表面上形成沉积物。
然而，滤水装置也可以用作管道连接式滤水装置。
同样在这些用途中，本文描述的发明提供了一种储存稳定并且允许均匀计量添加聚磷酸根的材料。
在制备具有聚磷酸根抗衡离子的阴离子交换剂的方法中，用于所使用的聚磷酸根阴离子的原料可以是液态聚磷酸盐溶液，特别是聚磷酸钠溶液。聚磷酸钠钠溶液在直至大约30重量％的高浓度是液态的，这使得其易于计量添加并且节约储存空间。
在优选的制备方法中，为了使所述阴离子交换剂负载有聚磷酸根离子，可以首先使用所述聚磷酸盐溶液，特别是聚磷酸钠溶液。有利地，然后将该溶液引导，例如过滤，通过酸性阳离子交换剂，优选强酸性阳离子交换剂，然后引导其通过OH-或游离碱形式的阴离子交换剂。
为了高产率地将聚磷酸盐溶液转移至阴离子交换剂，有利的是在使用前用水将其稀释至优选0.5重量％至5重量％的浓度。
总之可以确认，在稳定硬度的方法中，具有聚磷酸根抗衡离子的阴离子交换剂用于向水中计量添加聚磷酸根。
为了制备，可以将最初为液态的聚磷酸盐离子键合至优选弱碱性的阴离子交换剂。这是因为与相对强碱性的阴离子交换剂相比，弱碱性阴离子交换剂具有显著更高的负载容量。与强碱性阴离子交换剂相比，由此可以用相比而言显著更少量的阴离子交换剂提供相同的负载容量。为此所需的空间或所需的体积也相应减少。
以这种方式处理的交换剂既可以干燥也可以在潮湿状态下几乎不受限地储存。此外，通过与水中存在的物质进行离子交换平衡反应，使与水接触的聚磷酸根的释放保持在上限。在与未处理水的低于平衡时，释放速率很高，使得可以长时间释放足够的聚磷酸根。
优选使用基于聚苯乙烯的弱碱性阴离子交换剂作为阴离子交换剂。
替代地，可以优选使用基于聚丙烯酸酯的弱碱性阴离子交换剂。
所设想的用于所使用的聚磷酸根阴离子的原料是液态聚磷酸盐溶液，特别是液态聚磷酸钠溶液。
为了使所述阴离子交换剂负载有聚磷酸根离子，首先将所述聚磷酸盐溶液，特别是聚磷酸钠溶液通过H+形式的优选强酸性阳离子交换剂过滤，然后引导其通过OH-或游离碱形式的阴离子交换剂。
工作实施例
在下文中，将参考所附附图和基于它们的描述来更详细地阐明本发明。
其中：
图1示出了用于制备向水中计量添加聚磷酸根的负载有聚磷酸根的阴离子交换剂的方程式。
图2示例性和示意性示出了用于向水中计量添加聚磷酸根的负载有聚磷酸根的阴离子交换剂的制备方法的步骤，以及其中使用和形成的产物和中间体。
图3示出了使用负载有聚磷酸根的阴离子交换剂向水中计量添加聚磷酸根的方程式。
图4示例性和示意性示出了在用于以纵向截面示出的水箱时的包含用于避免水中钙沉积的试剂的同样呈纵向截面的滤水器滤芯。
图5以正视图示例性和示意性示出了图4的滤水器滤芯的替代实施方案，该滤水器滤芯具有用于抗钙沉积试剂的贮存器。
图6示例性和示意性示出了图5的实施方案的截面图。
图7以纵向截面示例性和示意性示出了包含用于避免水中钙沉积的试剂的管道连接式滤水盒。
结构描述：
图1示出了用于制备用于向水中计量添加聚磷酸根的负载有聚磷酸根的阴离子交换剂的方程式"1.)"和"2.)"。其中：
Na+:钠离子
[H2PO4 -]N:链长为N且具有N个负电荷的聚磷酸根离子
[H3PO4]N:聚磷酸
R-:强酸性阳离子交换剂
R+:至少弱碱性阴离子交换剂
H+:氢离子
OH-:氢氧根离子
步骤1:除去钠
Figure BDA0002620548740000051
步骤2:将聚磷酸根键合至阴离子交换剂
Figure BDA0002620548740000052
图2示出了根据图1所示的式"1.)"和"2.)"的用于制备负载有聚磷酸盐21的阴离子交换剂以向水中计量添加聚磷酸根的构造20。
在方法步骤"1.)"中，为了使阴离子交换剂负载有聚磷酸根离子，首先通过优选为强酸性的阳离子交换剂23过滤聚磷酸钠溶液21，然后根据过程步骤"2.)"引导其通过阴离子交换剂24。阴离子交换剂24可以例如以至少弱碱性OH-/游离碱形式存在。
在示例性示出的构造20中，将聚磷酸钠溶液21存放在容器21.1中，并根据箭头21.2方向引导到容器22中呈H+形式的强酸性离子交换剂颗粒23上，以从聚磷酸盐中分离出钠，然后通过出口22.1输送到容器25中为阴离子交换剂颗粒24形式的载体材料上，以便使其负载有聚磷酸根。
剩余的软化水27通过设有密封装置25.2的出口25.1排入容器26。
现在离子键合至阴离子交换剂颗粒24的聚磷酸盐具有几乎不受限的储存稳定性。并且在干燥和潮湿环境下均稳定。
图3示出了用于向水中计量添加聚磷酸根的由根据图2所示方法负载的阴离子交换剂中释放聚磷酸根的方程式。
其中：
R+ N:弱碱性阴离子交换剂
[H2PO4 -]N:链长为N且具有N个负电荷的聚磷酸根
HCO3 -:碳酸氢根
Figure BDA0002620548740000061
通过与水中存在的物质进行离子交换平衡反应，使与水接触的聚磷酸根的释放保持在上限。相反，在未处理的水低于平衡时，释放速率很高。这允许长时间释放足够的聚磷酸根。
因此，该用于稳定硬度的方法使用具有聚磷酸根抗衡离子的阴离子交换剂以向水中计量添加聚磷酸根。这优选是基于聚丙烯酸酯的弱碱性阴离子交换剂。替代地，可以使用基于聚苯乙烯的弱碱性阴离子交换剂。
所使用的聚磷酸根阴离子的原料是液态聚磷酸盐溶液，特别是聚磷酸钠溶液。也可以考虑聚磷酸钾溶液。
为了使所述阴离子交换剂负载有聚磷酸根离子，首先将所述聚磷酸钠溶液通过优选强酸性阳离子交换剂过滤，然后引导其通过OH-或游离碱形式的阴离子交换剂(参见图2)。
图4示出了滤水器滤芯1，该滤水器滤芯1包含具有聚磷酸根抗衡离子的阴离子交换剂以向水中计量添加聚磷酸根，该滤水器滤芯1用于水箱10中，该水箱的壳体编号为10.1。为此，过滤器侧的水箱连接元件3连接至水箱侧的过滤器连接元件10.2。优选借助插接件连接。
滤水器滤芯1包括壳体2，入口开口1.3和出口开口1.4，用于使存放在水箱中的水8流入和流过到过滤器滤芯1中并再次流出。为了进行处理以例如在下游连接的热饮机11中使用，该水8被输送经过过滤器路段4。可以在上升流腔室1.1和/或下降流腔室1.2中形成这种过滤器路段。箭头8.1表示当处于完全使用状态的过滤器滤芯1呈过滤器工作运转时，水从水箱10抽出时水的流动方向。
滤水器滤芯1还包括，在过滤器路段4之外并与之分开形成地，防止沉积、特别是防止水箱中钙沉积的试剂5的贮存器6，该贮存器6优选为储存室的形式，其中设置有接触孔7，该接触孔7将贮存器6与存放在水箱10中的水8连接。
贮存器6可以设置在滤水器滤芯1的壳体2中。在所示的情况下，在壳体的盖子2.1中。
防止水箱中钙沉积的试剂5可包括弱酸性阳离子交换剂和/或硬度稳定剂和/或难溶性聚磷酸盐，特别是基于钙的聚磷酸盐。
防止在水箱中钙沉积的试剂5还可包括基于钠的易溶的聚磷酸盐。
另外，防止水箱中钙沉积的试剂5可以包括弱碱性阴离子交换剂材料，特别是具有聚磷酸根离子作为抗衡离子的弱碱性阴离子交换剂材料。
并且可以提供弱碱性阴离子交换剂材料作为聚磷酸盐的稳定剂。
箭头8.1表示存放在水箱10中的水8流入防止水箱中钙沉积的试剂5。它通过接触孔7流入试剂5的贮存器中。任选地，还提供盒子9或类似物以另外包围试剂5。
箭头5.1表示存放在水箱10中的水8，该水已经用防止水箱中钙沉积的试剂5处理过。由于与存放在水箱中其他位置但尚未与试剂5接触的水相比，靠近试剂5的水8中来自试剂5的处理物质的浓度更高，因此推动了浓度平衡，该浓度平衡在放置期间的过程中，还对放置在水箱中的其他水进行处理，从而根据本发明，避免在与水接触的表面上钙沉积。
还可以在滤水器滤芯1中和/或周围经过处理的水流过的区域中提供硬度稳定剂形式的防止钙沉积的试剂5，例如过滤器滤芯中水流入区域中和/或周围。为此，也可以提供贮存器6，例如被织物至少部分包围的空间的形式，例如是比如填充有试剂5的环的插入件，或者以堆料的形式，优选至少在外面使用截留装置以确保免于泄露，例如盒子或者类似物。对此示例性地，在图4中的入口开口1.3上方示出了填充有试剂5的贮存器6。
图5以正视图示例性和示意性示出了图4的滤水器滤芯1的替代实施方案，该滤水器滤芯1具有用于防止钙沉积的试剂5的贮存器6。其中，用于防止钙沉积的试剂5的贮存器6可以设置在壳体2之内和/或之上。画出了小圆圈，以将优选颗粒状的试剂5可视化。颗粒5可以通过盖，例如对应于根据图4的设计的盖子2.1，而保持在贮存器6中。在此，接触孔7也可以使水通向试剂5。以矩形示出的接触孔7纯粹是示例性的，以便在该视图中更好地区分。它们完全也可以具有其他轮廓和/或横截面。
图6示出了图5所示的滤水器滤芯1的设计的截面图，滤水器滤芯1在壳体2的相对侧上设置有用于防止钙沉积的试剂5的贮存器6。为了简化图示，未示出让水通向试剂5的接触孔7，但其可以存在。其余附图标记对应于图1中所示的滤水器滤芯1的特征。
图7示出了另一种使用情况，其中管道连接式滤水盒30中含有防止钙沉积的试剂5，该试剂5优选放置在贮存器6内。管道连接式滤水盒30连接到连接头31，该连接头31与水管的流入管道32和流出管道33相连接。箭头34表示水的流动方向。
附图标记列表
1 滤水器滤芯
1.1 上升流腔室
1.2 下降流腔室
1.3 入口开口
1.4 出口开口
2 壳体
2.1 盖子
3 过滤器侧的水箱连接元件
4 过滤器路段
5 防止钙沉积的试剂
5.1 用防止钙沉积的试剂处理过的水
6 贮存器
7 接触孔
8 水
8.1 箭头
9 盒子或类似物
10 水箱
10.1 壳体
10.2 水箱侧的过滤器连接元件
11 家用电器，特别是热饮机
20 构造
21 聚磷酸盐
21.1 容器
21.2 箭头
22 容器
22.1 出口
23 阳离子交换剂
24 阴离子交换剂
25 容器
25.1 出口
25.2 密封装置
26 容器
27 软化水
30 管道连接式滤水盒
31 用于30的管道连接式连接头
32 流入管道
33 流出管道
34 箭头

Claims (11)

1.用于向水中计量添加磷酸根和/或聚磷酸根的固体计量添加剂，其特征在于，提供不溶于水的阴离子交换剂，所述阴离子交换剂至少部分负载有正磷酸根和/或聚磷酸根抗衡离子。
2.根据权利要求1所述的用于向水中计量添加磷酸根和/或聚磷酸根的固体计量添加剂，其特征在于，所述不溶于水的阴离子交换剂是碱性阴离子交换剂，特别是弱碱性阴离子交换剂。
3.根据权利要求1或2所述的用于向水中计量添加磷酸根和/或聚磷酸根的固体计量添加剂，其特征在于，所述阴离子交换剂基于聚苯乙烯形成。
4.根据权利要求1或2所述的用于向水中计量添加磷酸根和/或聚磷酸根的固体计量添加剂，其特征在于，所述阴离子交换剂基于聚丙烯酸酯形成。
5.制备根据权利要求1至4中任一项所述的用于向水中计量添加磷酸根和/或聚磷酸根的固体计量添加剂的方法，其特征在于，使用液态聚磷酸盐溶液，特别是聚磷酸钠溶液，作为加载所述溶于水的阴离子交换剂的原料。
6.根据权利要求5所述的制备用于向水中计量添加磷酸根和/或聚磷酸根的固体计量添加剂的方法，其特征在于，为了使所述阴离子交换剂负载有聚磷酸根离子，首先将所述聚磷酸盐溶液，特别是聚磷酸钠溶液通过酸性阳离子交换剂，优选强酸性阳离子交换剂过滤，然后引导其通过OH-或游离碱形式的阴离子交换剂。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的用于向水中计量添加磷酸根和/或聚磷酸根的固体计量添加剂的用途，其特征在于，所述固体计量添加剂用于稳定水硬度。
8.根据权利要求7所述的用于向水中计量添加磷酸根和/或聚磷酸根的固体计量添加剂的用途，其特征在于，具有聚磷酸根抗衡离子的阴离子交换剂用于过滤装置中，特别是滤水装置中。
9.根据权利要求7或8所述的用于向水中计量添加磷酸根和/或聚磷酸根的固体计量添加剂的用途，其特征在于，所述滤水装置用于水箱中，尤其是热饮机和/或家用电器的水箱中。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的用于向水中计量添加磷酸根和/或聚磷酸根的固体计量添加剂的用途，其特征在于，所述滤水装置用于防止在水箱与水接触的表面上形成沉积物。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的用于向水中计量添加磷酸根和/或聚磷酸根的固体计量添加剂的用途，其特征在于，所述滤水装置用作管道连接式滤水装置。
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