TWI494276B

TWI494276B - 藉由循環離子交換純化水之方法

Info

Publication number: TWI494276B
Application number: TW100115213A
Authority: TW
Inventors: Francis Boodoo
Original assignee: Purolite Corpopation
Priority date: 2010-05-03
Filing date: 2011-04-29
Publication date: 2015-08-01
Also published as: US20110278225A1; AU2011248353B2; WO2011139984A2; WO2011139984A3; EP2569252A4; EP2569252A2; TW201204640A

Description

藉由循環離子交換純化水之方法

本發明大體上係關於含有可溶性及微溶性無機化合物之水之純化。詳言之，本發明提供使用應用於逆滲透薄膜系統或奈米過濾薄膜系統之離子交換軟化水之獨特再處理的水純化方法。使用自薄膜裝置中排出之超低濃度鹽水，以不添加補充鹽之自我維持型方式有效地再生離子交換軟化樹脂。

通常在水處理過程中應用於逆滲透(RO)及奈米過濾(NF)系統之饋料水流(例如，微鹹或半微鹹饋料水流)中發現諸如鈣、鎂及鋇之微溶性二價陽離子。雖然RO及NF過濾為純化水提供有效且經濟上可行之方法，但此等薄膜方法往往因水垢形成而被破壞，在該等方法中饋料水中所存在之二價陽離子在此等化合物之濃度增加超過其飽和值時以水垢形式沈澱於薄膜表面上。不溶性無機鹽之沈積往往因薄膜流動通道堵塞及跨越薄膜之壓降增加而造成滲透水產量損失，從而導致最終需要對RO薄膜進行昂貴之替換及清潔。

多種水垢控制方法可用於減少不溶性無機污染物以便改良水回收及防止水垢形成。舉例而言，可藉由向饋料水中添加無機酸(例如，硫酸或鹽酸)來處理碳酸鈣結垢。酸中和流入水中之碳酸氫鹽鹼度且防止碳酸鹽沈澱於薄膜上。對於大型RO裝置，饋料水預處理可包括使用化學沈澱器系統，以便投配諸如石灰、氧化鎂及碳酸鈉之多種化學物質。亦可向饋料水中添加阻垢劑調配物以阻礙結垢化合物沈澱且控制其他潛在阻塞物，諸如鐵、錳、鋁及二氧化矽。投配之酸及阻垢劑之組合可提供優良控制。然而，此等方法在靶向個別污染物方面或者在需要操作或需要處置危險化學物質之熟練工人的技術水準方面各自具有其限制。

軟化水之替代方法包括用離子交換樹脂處理。詳言之，強酸陽離子交換樹脂可用於將水中所存在之二價陽離子之量降至低μg/l濃度。藉由離子交換進行純化包括將可溶性雜質轉移至樹脂床。一旦樹脂之結合位點已經飽和後，即可使用(例如)高濃度鹽水溶液洗提樹脂之結合雜質來再生管柱。然而，有效再生陽離子樹脂所需之大量可溶鹽較為昂貴，且在再生步驟期間產生較大廢物體積。為此，習知離子交換不理想或不適用於大規模地純化水。

習知離子交換軟化劑需要10%鹽水(氯化鈉)溶液以供在樹脂對二價陽離子之結合親和力達到容量後週期性再生離子交換樹脂。為了由軟化劑達到最低可能殘留硬度，用於再生樹脂之鹽劑量一般相對於可利用樹脂結合位點過量。如圖1中所說明，當再生物之鹽水濃度為10%時，再生步驟得以最佳化。重要的是，軟化樹脂之交換容量在低鹽水濃度下顯著下降。

強酸陽離子樹脂由於「可逆選擇性」之原則而可重複用於軟化水。特定言之，在水中之溶解固體總量(TDS)相對較低的稀釋條件下，樹脂顯示比一價陽離子高的二價陽離子選擇性，且與鈉相比優先結合鈣及鎂。相反，在溶液之TDS相對較高的濃縮條件下，樹脂展現較低二價陽離子選擇性。因此，當使用10%鹽水溶液再生樹脂時，二價陽離子溶離替代鈉相當有效。隨著鹽水濃度或TDS達到饋料水之鹽水濃度或TDS，二價陽離子之溶離變得愈來愈困難。

來自RO系統之濃水流含有與天然水相似之稀鹽水(亦即，鈉陽離子)濃度。使用稀鹽水作為陽離子交換水軟化劑之再生劑的有效方法極為理想，尤其在可避免添加補充鹽的情況下。

Lindsay等人(Powell,Sheppard T.,Water Conditioning for Industry,1954,McGraw Hill,第154-155頁)揭示在2.7%及0.75%之鹽水濃度下實質上抑制樹脂再生之生產能力。與10%鹽水再生劑所達成之再生效率相比，0.75%之鹽水濃度使再生效率降低70%。

美國專利第3,639,231號(Bresler等人)揭示使用包含RO排出物流之1.23%之鹽水濃度再生陽離子交換樹脂。在9 ppm下量測殘留硬度，而在不補充使用水垢抑制劑化學物質的情況下，現代薄膜中之良好水垢控制之殘留硬度通常小於1 ppm硬度。

Everest等人(Everest,W.R.,Watson,I.C.,Maclain,D.,Elsevier,Desalination (1998) 117:197-202)揭示單獨RO濃縮物不足以有效再生軟化劑，而需要添加補充鹽以便充分純化。

Tokmachev等人(Reactive Functional Polymers 68(2008) Elsevier,第1245-1252頁)描述針對海水之自我維持型循環軟化法，該方法使用來自蒸發器單元之底部殘留物的濃縮物流來再生離子交換軟化劑，該離子交換軟化劑在海水饋入蒸發器前對其進行預處理。所使用之鹽水濃度為大約0.9 mol/l鈉(大約5%)，接近工業上使用之最佳鹽水濃度10%。

美國專利第6,461,514號(Samadi等人)揭示在軟化濃縮物饋入第二階段RO前對來自第一階段RO之濃縮物流加以離子交換軟化。據稱，階段間軟化之概念在於使該裝置之水回收率最大。然而，Samadi等人不是試圖使用RO濃縮物來再生樹脂，而是替代地使用習知再生方法，使用昂貴的市售鹽水溶液。

美國專利申請公開案2010/0282675(SenGupta等人)描述用於海水之薄膜脫鹽的自我維持型離子交換法。詳言之，藉由用呈鎂離子形式之強酸陽離子樹脂預處理饋料水來降低饋料水之滲透壓，其中海水中所存在之鈉及鈣陽離子部分交換成鎂。據稱，減少一價鈉陽離子及用二價鎂陽離子置換允許降低水之滲透壓。

習知樹脂再生方法促進使用高鹽水濃度，此係因為低鹽水濃度(例如，0.75%)產生低再生效率(例如，0.75%鹽水使再生效率降低70%)，且該等方法可能需要(例如)至少3倍市售鹽及至少10倍水量來組成鹽水溶液。

因而，迫切需要使用稀鹽水溶液(諸如，RO及NF薄膜排出物流中通常存在之彼等溶液)來再生離子交換軟化劑的成本有效且對環境友好之方法。尤其需要達到小於1 mg/l之殘留硬度而不添加補充鹽的方法。

本發明之一個目標在於藉由提供一種自我維持型循環離子交換方法用於使用RO或NF排出物流中所存在之稀鹽水溶液來再生陽離子交換樹脂而對先前技術中之上述問題及/或缺陷提供至少一種部分解決方案。

因此，本發明之一實施例係針對一種純化水之自我維持型方法，該方法包含：

a)使特定體積之含有一價陽離子及二價陽離子之饋料水通過至少一個包含具有大部分呈一價形式之離子交換位點且能夠結合該饋料水中所存在之二價陽離子之陽離子交換樹脂的工作管柱，其中該等二價陽離子在該樹脂上之裝載限於該樹脂上之可用離子交換位點的約1%至25%，且該饋料水之陽離子總濃度大於100 mg/l；

b)將離開該工作管柱之水饋入逆滲透薄膜或奈米過濾薄膜以產生滲透水流及排出水流，其中該排出物流含有來自該工作管柱之流出物中所存在之一價陽離子的主要部分；及

c)使對應於該特定體積之饋料水的所有或一些體積之該排出物流通過至少一個能夠結合一價陽離子之離線管柱；其中離開該工作管柱之水中之一價陽離子與二價陽離子之化學當量比大於20:1。

d)將至少一個工作管柱切換成離線模式且將至少一個離線管柱切換成服務模式，且重複步驟(a)至(c)多次，以便達到離開該工作管柱之水中之二價陽離子之穩態洩漏濃度。

本發明之其他優勢、目標及特徵將部分闡述於以下描述中，且熟習此項技術者將在檢查下文後顯而易知其部分，或可由實施本發明而得以瞭解。本發明之目標及優勢尤其可如所附申請專利範圍中所指出而得以瞭解及實現。

參考以下圖式描述本發明之非限制性及非窮舉性實施例。為了更透徹地理解本發明，將參考以下[實施方式]，應結合所附圖式閱讀[實施方式]。

應理解，本文中所描述之本發明不受所述特定方法、方案及試劑限制，此係因為此等方法、方案及試劑可能變化。亦應瞭解，本文中所使用之術語僅用於描述特定實施例之目的且不意欲限制本發明之範疇。除非另外定義，否則本文中所使用之所有技術及科學術語具有與一般熟習本發明所屬技術者通常所瞭解之含義相同的含義。與本文中所描述之方法及物質類似或相等之任何方法及物質均可用於本發明之實務或測試中。

本文所引證或提及之所有公開案(包括所有專利、專利申請案及其他專利及非專利公開案)至少係出於引證之目的而以引用的方式併入本文中；包括(例如)對可用於本發明中之方法或物質的揭示內容或描述。本文中之任何內容均不應視為承認公開案或其他參考文獻(包括單獨「先前技術」段落中引證之任何參考文獻)為本發明之先前技術或本發明無權根據(例如)先前發明而提前此揭示內容。

熟練技術者應瞭解，本文所呈現之數值為近似值。一般而言，除非另外指示，否則諸如「約」及「大約」之術語包括在所指示之值的20%以內，更佳在10%以內且甚至更佳在5%以內。

本發明提供一種自我維持型循環離子交換(或CIX-RO)方法，其中使用強酸陽離子樹脂來軟化RO或NF裝置之饋料水，隨後使用來自該等薄膜之排出鹽水流來再生樹脂，排出物流之鹽水濃度在低達0.1%之範圍內，且不需要向鹽水組合物補充一價陽離子鹽(圖2 )。

在一實施例中，本發明提供一種純化水之方法，該方法包括：

a)使饋料水通過至少一個具有能夠結合該饋料水中所存在之二價陽離子之陽離子交換樹脂的工作管柱，其中該等二價陽離子在該樹脂上之裝載限於該樹脂上之可用離子交換位點的約1%至25%，且該饋料水之陽離子總濃度大於100 mg/l；

b)將離開該工作管柱之水饋入逆滲透薄膜或奈米過濾薄膜以產生滲透水流及排出水流，其中該排出物流含有最初存在於來自該工作管柱之流出物中之一價陽離子的主要部分；及

c)使排出物流通過至少一個能夠結合一價陽離子之強酸陽離子樹脂之離線管柱；

d)將至少一個工作管柱切換成離線模式且將至少一個離線管柱切換成服務模式，且重複步驟(a)至(c)多次，以便達到離開該工作管柱之水中之二價陽離子之穩態洩漏，其中離開該工作管柱之水中的一價陽離子與二價陽離子之比率大於20:1。

除非另外說明，否則術語「工作管柱」或「服務容器」或其語法等效物指代能夠容納適用於軟化水之離子交換樹脂的任何管柱或容器。本發明之循環離子交換系統可包含一或多個(例如)串列或並列配置之工作管柱。在本發明之一實施例中，工作管柱包含主要呈鈉形成之樹脂，亦即，該樹脂含有結合之Na⁺ 陽離子。在本發明之另一實施例中，工作管柱包含主要呈鈉形式但與Na⁺ 陽離子相比可更強地結合Ca²⁺ 及Mg²⁺ 離子的樹脂。

術語「離線管柱」指代能夠容納離子交換樹脂之任何管柱或容器。在本發明之一實施例中，離線管柱之結合位點主要與二價陽離子結合。在本發明之另一實施例中，離線管柱之結合位點主要被Ca²⁺ 或Mg²⁺ 離子佔據，但樹脂更強地結合Na⁺ 離子。在本發明之又一實施例中，離線管柱在向該管柱應用鹽水溶液後得以再生成以鈉為主之形式。在本發明之另一實施例中，離線管柱在越過該管柱應用稀鹽水溶液後得以再生成以鈉為主之形式。在本發明之另一實施例中，離線管柱得以再生且其實質上與本發明之「工作管柱」相同。在本發明之另一實施例中，經再生之「離線管柱」與本發明之「工作管柱」相同。

一般熟習此項技術者應容易地瞭解到，陽離子總濃度可根據溶液中CaCO₃ 之量進行表達。例如，陽離子總濃度可表達為mg/l CaCO₃ 。在本發明之另一實施例中，陽離子總濃度可表達為meq/l。在又一實施例中，規定量之溶液中之CaCO₃ 可用於計算(例如)溶液中之鈣及鎂離子之總和。

術語「陽離子交換樹脂」指代能夠結合及釋放正離子之任何基質或支撐結構。例如，在一實施例中，陽離子交換樹脂為在固定相上具有帶負電官能基之多孔有機聚合物基材。在另一實施例中，陽離子交換樹脂為強酸陽離子樹脂。在另一實施例中，陽離子交換樹脂為具有官能化殼層及惰性核心的扁殼狀陽離子樹脂。

陽離子交換樹脂可包含呈小珠粒形式之不溶性基質。在此實施例中，樹脂珠粒直徑在約100至2000微米或約200至1500微米或約250至1300微米範圍內，其中約300至1200微米之珠粒直徑範圍較佳，且約300、350、400、450、500、550、600、650、700、750、800、850、900、950、1000、1050、1100、1150及1200微米之特定珠粒直徑尤其較佳。在另一實施例中，陽離子交換樹脂為標準細篩孔陽離子樹脂，其典型樹脂珠粒直徑在約200至400微米範圍內或為約200、210、220、230、240、250、260、270、280、290、300、310、320、330、340、350、360、370、380、390、400微米，或200至1200直徑範圍之任何子集。較佳珠粒直徑範圍為使用細篩孔以便獲得最佳效率，但與細篩孔樹脂相比，在跨越樹脂床之較低壓降方面，使用直徑為300至1200微米或其子集之標準珠粒獲得最佳液壓。強酸陽離子樹脂之實例包括Purolite C100、Dow Marathon C及Rohm & Haas Amberjet 1200。細篩孔樹脂包括Purolite C100EFM及Dow C400。扁殼技術(SST^TM )樹脂包括Purolite SST60、SST65及SST80樹脂。

在本發明之一實施例中，術語「二階陽離子」指代具有原子價+2之帶正電原子、自由基或原子團，其在電解期間向陰極或負極行進。二價陽離子之實例可包括(但不限於)鈹、鎂、鈣、鐵、錳、鐳、鍶及鋇陽離子。較佳二價陽離子為鎂、鈣、鐵、錳、鐳、鍶及鋇。

在本發明之另一實施例中，術語「一價陽離子」指代具有單一正電荷之離子。一價陽離子之非限制性實例包括氫、鋰、鈉、鉀、銨、銫及銣。較佳一價陽離子為鈉及鉀。鈉尤其較佳。

在本發明之另一實施例中，陽離子交換樹脂能夠結合饋料水中所存在之二價陽離子。在另一實施例中，二價陽離子在樹脂上之裝載限於該樹脂上之可用離子交換位點之約0至約25%，或約1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%、9%、10%、11%、12%、13%、14%、15%、16%、17%、18%、19%、20%、21%、22%、23%、24%、25%。在另一實施例中，饋料水中之溶解固體總量在約10至10,000 mg/l或約20至500 mg/l或約30至約300 mg/l範圍內，或為約40、50、60、70、80、90、100、110、120、130、140、150、160、170、180、190、200、210、220、230、240、250、260、270、280、290 mg/l。在另一實施例中，饋料水中之溶解固體總量大於100 mg/l。

在本發明之一實施例中，離開工作管柱之水為軟化水。在此實施例中，離開工作管柱之水中的一價陽離子與二價陽離子之化學當量比大於約5:1或大於10:1或大於20:1，或大於30:1、40:1、50:1、60:1、70:1、80:1、90:1、100:1、200:1、300:1、400:1、500:1、600:1、700:1、800:1、900:1、1000:1、2000:1、3000:1、4000:1、5000:1、6000:1、7000:1、8,000:1、9,000:1、10,000:1、20,000:1、30,000:1、40,000:1、50,000:1、60,000:1或70,000:1。在本發明之另一實施例中，離開工作管柱之水中的一價陽離子與二價陽離子之化學當量比為至少100,000:1。

在本發明之另一實施例中，饋料水中之二價離子數目比排出物流中之二價陽離子數目多至少50%或55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、91%、92%、93%、94%、95%、96%、97%、98%或99%。在本發明之較佳實施例中，饋料水中之二價離子數目比排出物流中之二價陽離子數目多至少90%。

在本發明之另一實施例中，將離開工作管柱之水應用於RO或NF裝置以產生滲透水流及排出水流(圖2) 。在另一實施例中，排出水流含有排出工作管柱之水中所存在之總溶解鹽的至少10%。在本發明之另一實施例中，排出水流含有排出工作管柱之水中所存在之總溶解鹽的至少15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、91%、92%、93%、94%、95%、96%、97%、98%、99%或100%。在較佳實施例中，排出水流含有排出工作管柱之水中所存在之總溶解鹽的至少90%。在另一實施例中，來自薄膜裝置之排出物流之總溶解鹽等於或大於0.01%。在另一實施例中，來自薄膜裝置之總溶解鹽等於或大於約0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%、0.06%、0.07%、0.08%、0.09%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%或1.0%。

在本發明之一實施例中，將排出物流應用於至少一個能夠結合一價陽離子之離線管柱。在本發明之另一實施例中，使用排出物流來再生離線管柱以使該管柱自以二價陽離子形式為主變成以一價陽離子形式為主。在本發明之另一實施例中，收集全部排出物流且將其用作「再生鹽水」來再生至少一個離線管柱。在本發明之又一實施例中，僅收集部分排出物流且將其用作再生鹽水來再生至少一個離線管柱。

在本發明之另一實施例中，首先收集排出物流，且接著在自RO或NF裝置分離後隨後將其應用於離線管柱。在另一實施例中，將排出物流應用於同時循環法中之管柱，其中在排出物流離開RO或NF裝置時將其直接饋入離線管柱。

在另一實施例中，棄置用於置換來自離線管柱之殘餘鹽水且離開至少一個離線管柱的沖洗水。在另一實施例中，收集離開至少一個離線管柱之沖洗水，且接著隨後應用於工作管柱。在本發明之又一實施例中，在同時循環法中，將離開至少一個離線管柱之沖洗水應用於工作管柱之入口，其中在該離開離線管柱之沖洗水離開離線管柱時將其直接饋入工作管柱中。

在本發明之較佳實施例中，體積對應於通過工作管柱之水之特定體積的由RO或NF裝置所產生之排出物流係用於再生一或多個離線管柱。

在本發明之另一實施例中，使用對流操作模式再生離線管柱，其中流入饋料水及鹽水溶液以相反方向通過樹脂管柱。

在本發明之另一實施例中，用一定體積之「沖洗水」沖洗離線管柱以置換自排出物流應用於離線管柱之再生鹽水之殘餘體積。在另一實施例中，「沖洗水」包含由RO或NF裝置產生之滲透水。在另一實施例中，「沖洗水」為離開工作管柱之水。在另一實施例中，在饋料水通過工作管柱之前將離開離線管柱之沖洗水與饋料水組合。在本發明之又一態樣中，棄置離開離線管柱之沖洗水。在本發明之另一態樣中，當離開工作管柱之水中的總溶解鹽小於約3000 mg/l時，省略沖洗水步驟。

在本發明之另一態樣中，將來自RO或NF裝置之排出水收集於貯槽中且使用泵應用於離線管柱，該泵流體連接至該貯槽以控制再生鹽水在離線管柱中之流率。在另一實施例中，以與RO或NF裝置產生排出物流之速率相等或比其快之速率將排出物流應用於離線管柱。在另一實施例中，以足以維持適當速度通過管柱以避免(例如)流量缺陷(諸如，串槽)的速率將排出物流應用於離線管柱。在另一實施例中，在存在中間壓力降低之情況下使排出鹽水通過離線管柱。在另一實施例中，在不存在中間壓力降低之情況下使排出鹽水通過離線管柱。在另一實施例中，藉由使用具有足以耐受自RO或NF裝置排放排出物流之正常高壓之金屬稠度的離子交換管柱而有助於施加壓力以便將排出物流饋入離線管柱。

在另一實施例中，體積對應於通過工作管柱之水之特定體積的來自排出物流之再生鹽水及通過離線管柱之沖洗水的流率經調整以使得將排出物流及沖洗水應用於離線管柱之組合時段等於特定體積之饋料水通過工作管柱所需之時段或比其短。

在另一實施例中，在循環離子交換法中「切換」工作管柱之操作以使其充當離線管柱(以離線模式)。在另一實施例中，改變離線管柱之操作以使其以「線上模式」充當工作管柱。

在又一實施例中，重複上述步驟至少兩次，直至二階陽離子洩漏達到穩態值為止。在另一實施例中，重複該過程直至達到所要穩態殘留硬度為止。在另一實施例中，穩態殘留硬度與可獲自習知設計及操作之離子交換軟化系統之結果相比顯著較低。在另一實施例中，藉由調節每次服務所軟化之饋料水之體積來控制穩態洩漏，以便樹脂上僅有限且較小部分之可用離子交換位點得以可逆地利用以供裝載及再生二價陽離子。

在一實施例中，排出物流包含介於約0.1%及稍大範圍內之超低鹽水濃度，先前認為其對再生樹脂無效且較為昂貴。在本發明之另一實施例中，使用排出物流有效再生樹脂而不必補充額外鹽。在本發明之另一態樣中，排出物流再生步驟達到小於約0.01至1、0.1至1、1至100 ppm或小於約0.01、0.1、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、100 ppm。

在本發明之另一實施例中，不需要添加補充鹽以供再生離線樹脂。在本發明之另一實施例中，添加在大於0%至約10%氯化鈉範圍內之額外鹽以再生樹脂，其中濃度範圍大於約0至5%或約0.05%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%、3.5%、4%、4.5%及5%較佳。

在另一實施例中，使用一組離子交換水軟化劑(「工作管柱」)軟化特定體積之饋料水，接著將水用於薄膜裝置。在又一實施例中，調整所有再生步驟(包括用鹽水處理、沖洗及樹脂床沈降)之設計時間及流率以使該等步驟及時完成，以便「離線管柱」能夠流暢切換成軟化服務模式，同時將另一組軟化劑置於離線/再生模式，而不中斷饋料水流至薄膜裝置(圖2 )。

不受本發明之任何理論或機制限制，據信，本發明演替之必要部分在於該設計及操作原理等同於過去預先軟化用於RO裝置之饋料水所使用之習知水軟化劑所使用之設計及操作原理的基團位移。舉例而言，習知離子交換軟化法使用10%濃度之市售氯化鈉鹽用於樹脂再生。習知軟化劑通常包含可含有約2500毫克硬度/公斤鹽之鹽，該值等於400:1之10%鹽水中之鈉：硬度比。另一方面，本發明之CIX-RO軟化法依賴來自下游RO或NF裝置之供再生樹脂之排出物流中之一價陽離子之相對稀釋濃度(例如，0.1至1%)。具有極低硬度含量之鹽水溶液對於成功再生CIX-RO軟化劑至關重要。在CIX-RO法所使用之低鹽水濃度下，一階陽離子相對於二階陽離子之比率必需比市售鹽水之同一比率高許多倍，此係因為在再生過程期間，用於與一價陽離子交換硬度陽離子之驅動力低得多。

藉由首先基於使用軟化水之特定應用確定軟化水中可耐受之最大及平均殘留硬度(亦即，諸如鈣及鎂之二價陽離子)(例如，對於用於低壓鍋爐之饋料水，1至2 ppm平均硬度較典型)來設計習知離子交換水軟化劑。一旦已知目標殘留硬度，即使用獲自許多製造商之關於水軟化樹脂之標準工程報告或軟體選擇達到目標洩漏所需要之最小劑量之再生氯化鈉(例如，關於Purolite C100強酸陽離子樹脂，可獲自www.purolite.com)。鹽劑量為再生過程期間每公升樹脂所應用之鹽的量。一旦鹽劑量已確定後，即進行計算以便在超過最大目標硬度值之前確定可軟化之最大水體積。

因而，對於習知離子交換軟化劑，操作原理為使每個循環所軟化之水體積最大，直至達到所要硬度斷點為止。接著，用鹽水溶液(較佳10%)再生樹脂，由此提供自樹脂有效溶離硬度，同時使用於製備鹽水溶液之水體積減至最小。在習知系統中，使所處理之水體積最大亦使再生頻率最小，且因而使反洗及沖洗來自再使用前之樹脂的殘餘鹽水所產生之廢水體積最小。根據此原理，樹脂之典型硬度裝載一般為樹脂理論最大容量之40%至70%，以55%至70%較典型。舉例而言，對於總容量為2當量每公升樹脂之交換容量的典型強酸陽離子樹脂，使用40%至70%容量，或約0.8至1.4當量之每公升樹脂之交換容量。在另一實例中，可藉由用96公克/公升之鹽劑量處理含有200毫克/公升之硬度(以CaCO₃ 計)含量之原料水來達到所要殘留硬度。典型樹脂容量為約1.1當量每公升樹脂所裝載之硬度，或約275個所處理之水之柱床體積(其中1柱床體積等於1公升處理水/公升樹脂)。

因而，藉由選擇鹽劑量來設計習知水軟化劑，其將在已處理計算體積之水後達到規定平均殘留硬度。隨後將此水軟化劑交付使用且在該軟化劑停止使用且經鹽水溶液再生前允許經處理水之殘留硬度攀升至所選最大硬度等級或「斷點」濃度。

設計工程報告中之殘留硬度估計值考慮到用於再生之市售鹽中顯著硬度等級之雜質，該鹽之典型硬度含量為約2500毫克硬度/公斤乾鹽。計算及操作軟化劑達到經處理水之斷點硬度濃度之習知實務不適用於根據本發明之循環離子交換(CIX-RO)法設計及操作之軟化劑，在該方法中使用超低鹽水濃度進行再生。

樹脂對諸如鈣之二價陽離子相較於諸如鈉之一價陽離子之親和力係由下式提供：

[Ca] _r /[Na] _r =α ^Ca _Na ×[Ca] _s /[Na] _s

其中：[Ca] _r 為樹脂上之鈣濃度，以meq/l表示；[Na]_r 為樹脂上之鈉濃度，以meq/l表示；α ^Ca _Na 為鈣相對於鈉之分離因數；[Ca] _s 為溶液中之鈣濃度，以meq/l表示；[Na]_s 為溶液中之鈉濃度，以meq/l表示。

此在低鹽水濃度下相較於一價鈉陽離子偏好二價鈣陽離子亦描述於圖3 中。在典型原料水TDS 0.05%(或500 mg/l)下，鈣相較於鈉之親和力極強，分離因數大於28。然而，當用10%濃鹽水溶液工作時，此對鈣之親和力顯著改變。在10%鹽水濃度下，鈣相較於鈉之分離因數為僅1.54或為約1/18。換言之，在10%鹽水濃度下，樹脂展現低得多的對鈣之偏好且再生樹脂或自樹脂溶離硬度變成更容易之任務。因此，工業上採用10%鹽水濃度作為再生水軟化劑之標準。

對於CIX-RO法，重要的是控制用於再生CIX-RO樹脂之鹽水的硬度含量且將其減至最小。因而，服務循環中所達成之軟化水之初始殘留硬度及工作殘留硬度必須維持儘可能低，此係因為其隨後將在通過RO時經濃縮，且經由RO排出物流用於再生樹脂。利用具有高鈉：鈣比之鹽水有效再生陽離子軟化劑樹脂，其中樹脂上之大部分離子交換位點呈再生鈉形式。

舉例而言，市售鹽通常具有大於2500 mg/kg之硬度含量(以乾鹽計)，對應於約400:1之鈉：硬度當量比。當使用10%鹽水濃度時，樹脂對鈣相較於鈉之分離因數或親和力為1.54(圖3)。使用以上分離式，99.62%離子交換位點可轉化成鈉形式，且鈣硬度佔據0.38%離子交換位點，提供樹脂上之當量鈉：硬度比為259.74:1。若此樹脂接著用於軟化具有1000 mg/l之TDS之原料水，則鈣相對於鈉之分離因數為20:1，且成為經處理水之最小殘留硬度經計算為0.2 mg/l(以CaCO₃ 計)。

當使用0.5%之超低鹽水濃度軟化具有1000 mg/l之TDS之原料水來進行相同分析時，對於再生相及服務相之分離因數分別為8.7及20。為了在再生期間達到259.74:1之硬度比，鹽水之硬度含量將必須為最大值2.2 mg/l。此相當於鹽水中之鈉：硬度當量比為2260:1，為當使用10%鹽水時所需之比率400:1的約5.6倍。

以上分析證實，當再生樹脂使用超低鹽水濃度(例如，0.1%鹽水或稍高濃度)時，極需要維持極高鈉：硬度當量比，且其對在經處理水中達到低殘留硬度極其重要。因而，新鮮鹽水中之較佳一價陽離子：二階陽離子比大於5,000:1，且更佳為大於10,000:1。

因此，在本發明之一實施例中，CIX-RO法設計經調整以藉由慎重控制每次循環所處理之水體積為最小實務量來維持經由來自RO或NF裝置之排出鹽水產生高純度鹽水，以使軟化水之硬度含量極低。舉例而言，在一實施例中，應用於管柱頂部之饋料水自底部離開，以使硬度陽離子之裝載主要限制於處於管柱頂部部分之樹脂，而使處於管柱底部之樹脂呈高度再生狀態且具有極高鈉：硬度比。

在另一實施例中，限制硬度陽離子處於管柱頂部(亦即，裝載於遠離管柱底部處)，管柱底部之鈉：硬度比仍接近於先前再生循環期間所確定之原始值。因而，軟化水及來自RO或NF裝置之排出鹽水中之鈉：硬度比足夠高以便在隨後再生時達成樹脂向鈉形式轉化之轉化度。使管柱之殘留硬度減至最小之此循環現象在隨後循環期間又影響再生效率且持續直至達到穩定穩態平衡為止。

如此項技術中一般已知，流入水之99%以上之溶解固體總量(TDS)可由習知RO薄膜排出。舉例而言，在以90%滲透物回收率操作之薄膜裝置中，排出10%水，其基本上含有流入水中所存在之所有溶解固體，除了少量(對於RO薄膜，通常小於0.5%)以部分滲透物形式通過薄膜外。在90%滲透物回收率下，排出鹽水之TDS為流入水之大約10倍，鈉：硬度比幾乎與軟化饋料水之鈉：硬度比相同，除了一些優先排出之二價陽離子外。因而，對於具有1000 mg/l TDS之饋料水，鹽水TDS將略少於10,000 mg/l或1%鹽水。

在本發明之一實施例中，循環離子交換法為經設計以供多階段RO或NF裝置使用之「階段間」軟化法，其中來自薄膜裝置之第一階段之排出水經CIX-RO「工作管柱」軟化且經軟化之水接著饋入該裝置之第二階段，其中來自第二階段之排出水用於再生「離線管柱」(圖7 )。在另一實施例中，階段間軟化可用於如下情況：水垢形成化合物之溶解度不被排出水通過第一RO或NF階段時所存在之濃度之程度超過，但該溶解度可被跨越RO或NF裝置之第二階段之薄膜的預期濃度之程度超過。

本發明之一實施例向RO及NF裝置提供饋料水以有效軟化至極低單數位等級之硬度或更低，而不需要為此目的購買市售鹽。與使用習知水軟化劑之系統相比，再生鹽成本及勞動力成本降低產生顯著節約。該方法對環境友好，此係因為不需要購買額外鹽或經由廢鹽水向環境中排放鹽。本發明方法達成之低殘留硬度允許在高滲透物回收率下操作RO及NF裝置，此係因為在RO或NF排出物流中可在硬度化合物超過溶解度極限之前將硬度濃縮至較高程度。回收率增加使得饋料水體積要求降低，且因而降低饋料水體積、棄置相應較低體積之排出水且降低泵抽水之成本。

當饋料水之離子交換軟化與阻垢劑化學物質之降低劑量組合時，與單獨應用本發明或投配阻垢劑可能達成之水回收率相比，可能達成更高水回收率。

以下實例用於更充分描述使用上述發明之方式以及陳述預期用於執行本發明之各種態樣之最佳模式。應理解，此等實例不以任何方式用於限制本發明之真實範疇，而是出於說明性目的而呈現。

實例 實例1 優化樹脂床利用率

在實例1中，證實將樹脂床利用率減至最小之重要性。使用CIX-RO法，用在80%回收率下操作之RO裝置且藉由大約0.6%(6000 mg/l，TDS)之排出鹽水軟化具有690 mg/l之總硬度及154 mg/l之鈉含量及1200 mg/l之溶解固體總量(TDS)的水。進行一系列模擬實驗，預先選擇特定體積之待軟化水，接著用RO產生之相應體積之排出鹽水引發再生。進行多次軟化/再生循環直至軟化水之殘留硬度達到穩態平衡。對於10、20、22及25之服務柱床體積，結果展示於圖4 中。對於每10柱床體積所軟化之服務體積，在開始下一循環之前使用2柱床體積之RO排出物再生樹脂。當每循環軟化10柱床體積之饋料水時，可達到1 ppm總硬度之穩態殘留硬度。在20柱床體積/服務循環下，在60個軟化循環後，硬度快速攀升至65 ppm之穩態值。在22柱床體積/軟化循環下，穩態殘留硬度再次快速攀升至422 ppm。在25柱床體積/軟化循環下，在約25個軟化循環後，殘留硬度攀升至流入值690 ppm。

在上述實驗中，在圖5 中對所選循環長度中之每一者繪製裝載硬度之位點之百分比的曲線。如圖5 中所示，利用最低部分可用交換位點之最短循環長度在洩漏方面獲得最佳控制。在10柱床體積服務循環下，僅7%樹脂床可逆地用於硬度裝載，且所得殘留硬度為1 ppm。在20 BV服務循環下，樹脂床之工作區對應於約14%樹脂位點，穩態殘留硬度為65 ppm。

為了比較，當在10%鹽水下使用市售鹽再生樹脂時，使用獲自Purolite(www.purolite.com)之PureDesign計算軟體來測定裝載速率。使用80 g/l NaCl之劑量以對應饋料水中之鈉：硬度比。結果如下：

PureDesign輸出：

80g/l 10% NaCl

1.21當量NaCl相對於1當量TH

1.5 ppm TH洩露

82 BV/軟化循環

可逆利用之樹脂位點：根據PureDesign，習知軟化劑設計之柱床利用率為57%，相比之下當使用CIX-RO法與0.6%排出鹽水時，達到相似殘留硬度需要7%柱床利用率。

實例2 調節離子交換管柱之硬度洩露

在實例2中，檢查藉由精密控制CIX-RO法每循環軟化之水體積來調節殘留硬度的能力。

藉由進行多次軟化循環，每服務/再生循環選擇40及100柱床體積之待軟化水，且每次再生分別使用8及20柱床體積之RO排出物而以對流模式模擬軟化三級廢水及用來自80%回收率RO之排出物再生。廢水組合物包括250 mg/l總硬度、345 mg/l鈉及1200 mg/l之TDS。

使用PureDesign軟體計算使用市售鹽時對流模式下之均勻粒度強酸陽離子樹脂之容量及殘留硬度。鹽劑量為175 g/l以便與饋料水中之鈉：硬度比相匹配。殘留硬度計算為0.82 mg/l，且容量評估為266柱床體積，有效利用1.33當量之每公升樹脂容量或66%可用容量。

如圖6 中所說明，選擇100柱床體積之服務循環長度在60個軟化循環後產生3.2 mg/l之穩態洩漏。選擇40柱床體積之服務循環時間在60個軟化循環後產生0.1 mg/l之極低穩態殘留硬度，與習知水軟化劑設計所獲得之結果相比較低。

此結果證實本發明CIX-RO與習知軟化劑設計相比之主要優勢在於能夠調低顯著較低之穩態殘留硬度。益處包括降低下游薄膜上之結垢可能性及高系統效率。

實例3 用0.5% RO排出鹽水再生CIX-RO樹脂

在實例3中，進行循環離子交換軟化法以軟化饋入在90%之高滲透物回收率下操作同時處理類似於科羅拉多河水之微咸水的RO裝置的饋料水。饋料水之組分展示於表1中。

使用1200加侖批量之以上測試溶液供應配對之兩個對流操作之水軟化管柱，各管柱為1吋直徑×60吋高度，且各自含有3公升Purolite SST65扁殼強陽離子交換樹脂。使用10%鹽水溶液以160 g/l之劑量在開始測試前將兩個管柱中之樹脂充分再生成鈉形式。除用於再生樹脂之此初始鹽外，整個測試中不使用額外鹽，僅依賴水之鹽含量來再生樹脂。在軟化服務中使用一個樹脂管柱(線上)以1.2公升/分鐘(24 BV/h)之流率向具有Filmtec XLE4021薄膜元件之小單階段RO供應經處理水，持續總共75分鐘或以管柱中之樹脂體積計30柱床體積之水。將硬度裝載慎重地限制為30柱床體積容量，以將樹脂管柱之工作容量限制為約10%理論容量。該設計係用於以對流模式再生樹脂管柱，以便確保接近樹脂管柱之流出物末端之較大樹脂部分仍呈高度再生鈉狀態，以有助於產生具有極低殘留硬度之軟化水。如製造商所推薦，RO係在大約90%回收率下操作，藉由使至少8公升/分鐘RO排出鹽水濃縮物再循環返回饋料端加以促進，從而向薄膜提供最小濃縮物流。將相當於10%總饋料水體積之排出鹽水之淨體積收集在貯槽中，且用於以對流模式再生離線樹脂管柱；接著用1柱床體積之滲透物沖洗管柱。接著切換兩個樹脂管柱，再生管柱開始線上模式，同時工作管柱切換成再生模式。使用PLC控制系統控制樹脂管柱之服務、用鹽水處理、沖洗及同步切換，從而使RO系統連續操作而不存在流體中斷。各樹脂管柱經10天之時段完成95個軟化及再生循環，以驗證該軟化法在對管柱之殘留硬度之控制方面已達到穩態。在試驗性測試中，將來自Genesys International之阻垢劑Genesys LF以2 mg/l投配至水軟化劑下游以驗證該阻垢劑不影響樹脂管柱之再生效率且在所使用之高回收率下保護薄膜不受潛在二氧化矽結垢損壞。

在整個測試中，每日分析測試溶液、軟化物、滲透物及RO排出物之化學參數且記錄流率、壓力及溫度。

圖8 展示基於經試驗性測試時段每日獲取之樣本的RO排出鹽水中所分析之鈉濃度(表達為氯化鈉百分比)。基於滲透物：饋料水流率之比率的RO回收率亦展示於圖8 中供比較。平均RO回收率一般在86%至90%範圍內，其中一個因機械問題而偏移至80%。表達為RO排出鹽水中之NaCl百分比的鈉濃度在0.48%至0.70%範圍內，平均為0.55%。在整個測試期間，離子交換樹脂移除99.7%以上之總硬度，軟化劑之殘留硬度平均為0.9 mg/l，相對於用於該測試之原料合成水中之硬度值339 mg/l，如圖9 中所展示。

各離子交換管柱經測試時段經歷95個軟化及再生循環，且計算展示在此期間，各公升樹脂自水中移除總共17.1當量總硬度，驗證該軟化法已達到總體操作穩定性，在各再生循環期間有效溶離硬度。重要的是，應注意，在不使用任何補充鹽用於再生的情況下獲得此移除效率。應注意，此實驗中所獲得之0.9 mg/l之平均硬度濃度為與Bresler同時處理具有相似流入硬度等級400 mg/l之原料水所獲得之9 mg/l之殘留硬度相比為較低數量級。此結果甚至更顯著，此係因為此實驗中所使用之鹽水濃度平均為0.5%，相比之下，Bresler實驗之計算值為1.23%。Bresler所使用之較高鹽水濃度將獲得1.6倍之驅動力以供基於選擇性差異再生樹脂。此實驗中軟化水之一價陽離子：二價陽離子比計算為平均685:1，表示較Bresler所獲得之比率155:1高且較其優異約4.4倍。

流入測試水展現0.79:1(亦即，5.39 meq/l/6.78 meq/l)之低一價陽離子：二價陽離子比(以meq/l表示)。因為該測試中不使用補充鹽，因此將預測水中之一價陽離子將不足以用作再生劑。然而，相當成功地使用RO排出鹽水來重複再生樹脂直至穩態操作條件而不添加額外鹽。詳言之，據觀察，在軟化處理期間，樹脂收集二價陽離子同時向處理流出物中釋放相等量之鈉。此基本上使一價離子濃度增加至大約12.2 meq/l(亦即，5.39+6.78)。在通過RO時，大約8%或約0.98 meq/l之較小部分由滲透水而損失；其餘11.2 meq/l在RO排出鹽水中濃縮，且隨後用於再生樹脂。因而，一旦樹脂達到穩態操作後，每循環使用11.2 meq鈉自樹脂溶離除去6.78 meq硬度。此相當於1.65 meq一價陽離子：1 meq二價陽離子之比率；過量一價陽離子提供足夠化學驅動力以成功溶離樹脂上所裝載之來自先前服務循環之硬度。在穩態操作下，每次再生自RO排出鹽水向樹脂上重新裝載足夠一價陽離子以準備在下一循環中軟化一定體積之原料水。

重要的是，據發現，再生樹脂之能力直接與RO排出鹽水中所存在之一價陽離子之淨量相關，且必需考慮到針對經由RO滲透物之任何損失之可持續容量估計。損失視特定RO裝置設計、所選特定薄膜之濾除率及排出鹽水是否進行任何再循環而定。

實例4 用0.2% RO排出鹽水再生CIX-RO樹脂

在實例4中，進行循環離子交換軟化程序以軟化使用超低排出鹽水濃度0.2%之RO裝置之饋料水。此實驗中所使用之合成半微咸饋料水之組分展示於表2中。

實例4使用實例3中所使用之相同CIX-RO試驗，樹脂管柱在10%鹽水濃度下經160公克NaCl/公升樹脂初步再生。除用於再生樹脂之此初始鹽外，整個測試中不使用額外鹽，僅依賴水之鹽含量進行再生樹脂。在軟化服務中使用一個樹脂管柱(線上)以1.0公升/分鐘(20 BV/h)之流率向單階段RO供應經處理水，持續總共86分鐘或以管柱中之樹脂體積計28.6柱床體積之水。RO在大約80%回收率下操作，濃縮物再循環為大約8公升/分鐘。將排出鹽水之淨體積收集在貯槽中，且用於以對流模式再生離線樹脂管柱；接著用1.33柱床體積之滲透物沖洗管柱。接著切換兩個樹脂管柱，將再生管柱置於線上，同時工作管柱切換成再生模式。使用PLC控制系統控制樹脂管柱之服務、用鹽水處理、沖洗步驟與同步切換，從而使RO系統連續操作而不存在流體中斷。各樹脂管柱經10天之時段完成85個軟化及再生循環，以驗證該軟化法在對管柱之殘留硬度之控制方面已達到穩態。在試驗性測試中，將來自Genesys International之阻垢劑Genesys LF以2 mg/l投配至水軟化劑下游以驗證該阻垢劑將不影響樹脂管柱之再生效率。

在整個測試中，分析測試溶液、滲透物及RO排出物之化學參數且記錄流率、壓力及溫度。

圖10 展示對於經試驗性測試時段每日獲取之樣本的RO排出鹽水中所分析之鈉濃度(表達為氯化鈉百分比)。基於滲透物：饋料水流率之比率的RO回收率亦展示於圖10 中。RO回收率一般在75%至81%範圍內，平均為78%。表達為RO排出鹽水中之NaCl百分比的鈉濃度在0.17%至0.23%範圍內，平均為0.20%。在整個測試期間，離子交換樹脂移除99.3%以上之總硬度，軟化劑之殘留硬度平均為1.4 mg/l，相對於用於該測試之原料合成水中之硬度平均值178 mg/l(圖11) 。

各離子交換管柱經測試時段經歷85個軟化及再生循環。計算展示，在此期間，各公升樹脂自水中移除總共8.7當量總硬度，驗證該軟化法已達到總體操作穩定性，且在各再生循環期間有效溶離硬度。

實例5 用0.1% RO排出鹽水再生CIX-RO樹脂

在實例5中，進行循環離子交換軟化法以軟化使用超低排出鹽水濃度0.1%操作之RO裝置之饋料水。此實驗中所使用之合成半微咸饋料水之組分展示於表3中。

實例5使用實例3中所使用之相同CIX-RO試驗，在與實例4相同之操作程序後，用10%鹽水初步再生，且接著僅使用來自RO之排出鹽水進行所有隨後之再生。

圖12 展示RO排出鹽水中所分析之鈉濃度(表達為氯化鈉百分比)，基於經試驗性測試時段每日獲取之抓取樣本。基於滲透物：饋料水流率之比率的RO回收率亦展示於圖12 中供比較。RO回收率平均為78%。表達為RO排出鹽水中之NaCl百分比的平均鈉濃度為0.1%。在整個測試期間，離子交換樹脂移除97%以上之總硬度，軟化劑之殘留硬度平均為2.8 mg/l，相對於用於該測試之原料合成水中之硬度平均值97 mg/l(圖11 )。

各離子交換管柱經測試時段經歷100個軟化及再生循環。計算展示，在此期間，各公升樹脂自水中移除總共5.4當量總硬度，驗證該軟化法已達到總體操作穩定性，且在各再生循環期間有效溶離硬度。

圖1 為顯示鹽水濃度對陽離子交換樹脂之再生效率之影響的示意圖。

圖2 說明循環離子交換法，其中饋料水在逆滲透前應用於強酸陽離子樹脂「工作管柱」。排出水充當「鹽水再生劑」且在管柱再生步驟中應用於強酸陽離子樹脂「離線管柱」。

圖3 說明針對強酸陽離子交換樹脂之鈣相對於鹽水濃度之計算分離因數。

圖 4 描繪服務循環體積或「柱床體積(BV)」對陽離子交換樹脂之穩態總殘留硬度(TH)之影響。

圖5 說明柱床利用率或硬度裝載對陽離子交換樹脂之殘留硬度(TH)的影響。

圖6 說明藉由控制服務循環體積(BV)調節殘留硬度(TH)的影響。

圖7 說明「階段間」循環離子交換逆滲透法，其中將來自雙階段逆滲透裝置之第一階段之排出鹽水在第二階段前應用於強酸陽離子樹脂「工作管柱」。來自逆滲透裝置之第二階段之排出水充當「鹽水再生劑」且在管柱再生步驟中應用於強酸陽離子樹脂「離線」管柱。

圖8 說明用於管柱再生之0.5% RO排出鹽水之鈉含量。

圖9 說明CIX-RO法使用0.5% RO排出鹽水經多次軟化循環之軟化能力。

圖10 說明用於管柱再生之0.2% RO排出鹽水之鈉含量。

圖11 說明CIX-RO法使用0.2% RO排出鹽水經多次軟化循環之軟化能力。

圖12 說明用於管柱再生之0.1% RO排出鹽水之鈉含量。

圖13 說明CIX-RO法使用0.1% RO排出鹽水經多次軟化循環之軟化能力。

(無元件符號說明)

Claims

一種純化水之方法，其包含：a)使特定體積之饋料水通過至少一個包含能夠結合該饋料水中所存在之二價陽離子之陽離子交換樹脂的工作管柱，其中該等二價陽離子在該樹脂上之裝載限於該樹脂上之可用離子交換位點的1%至50%，且該饋料水之陽離子總濃度大於100mg/l；b)將該離開該工作管柱之水饋入逆滲透薄膜或奈米過濾薄膜以產生滲透水流及排出水流；及c)使該排出物流通過至少一個包含能夠結合一價陽離子之陽離子交換樹脂的離線管柱；其中該饋料水中之二價離子數目比該排出物流中之二價陽離子數目多至少90%。
如請求項1之方法，其中該排出物流中之一價離子數目與二價離子數目之比率大於20：1。
如請求項1之方法，其中該等二價陽離子在該樹脂上之該裝載限於該樹脂上之該等可用離子交換位點之1%至20%。
如請求項1之方法，其中該等二價陽離子在該樹脂上之該裝載限於該樹脂上之該等可用離子交換位點之1%至15%。
如請求項1之方法，其中該工作管柱包含主要呈鈉形式之樹脂。
如請求項1之方法，其中該排出水流包含至少90%離開該工作管柱之水中所存在之總溶解鹽。
如請求項1之方法，其中該排出水流包含至少95%離開該工作管柱之水中所存在之總溶解鹽。
如請求項1之方法，其中該排出物流中之該總溶解鹽為至少0.1%。
如請求項1之方法，其中該離開該離線管柱之水在其離開該離線管柱時直接饋入該工作管柱中。
如請求項1之方法，其中該排出物流在其離開該逆滲透薄膜或該奈米過濾薄膜時直接饋入該離線管柱中。
如請求項1之方法，其中在該離開該工作管柱之水中一價陽離子與二價陽離子之化學當量比大於1000：1。
如請求項1之方法，其中陽離子總濃度係基於溶液中所存在之CaCO₃ 之量。
一種純化水之自我維持型方法，其包含：a)使特定體積之饋料水通過至少一個包含能夠結合該饋料水中所存在之二價陽離子之強酸陽離子交換樹脂的工作管柱，其中該等二價陽離子在該樹脂上之裝載限於該樹脂上之可用離子交換位點的1%至25%，且該饋料水之陽離子總濃度大於100mg/l；b)將該離開該工作管柱之水饋入逆滲透薄膜或奈米過濾薄膜以產生滲透水流及排出水流，其中該排出物流含有該離開該工作管柱之水之一價陽離子含量的主要部分；c)使對應於該特定體積之饋料水的所有或一些體積之該排出物流通過至少一個包含能夠結合一價陽離子之陽離子交換樹脂的離線管柱；d)使一定體積之沖洗水通過該離線管柱，該沖洗水係選自由來自該工作管柱之流出物的純化水、薄膜裝置產生之滲透水或來自實質上無二階陽離子含量之外部來源之水組成的群；e)調節用於(c)中之該排出物流之體積及用於(d)中之沖洗體積之流率且使其同步，以便該排出物流及該沖洗水應用於該離線管柱之組合時段等於(a)中之該特定體積之饋料水通過該工作管柱所需之時段或比該時段短；及f)將至少一個工作管柱切換成離線模式且將至少一個離線管柱切換成服務模式，且重複步驟(a)至(c)多次，以便達到該離開該工作管柱之水中之該等二價陽離子之穩態洩漏，其中該離開該工作管柱之水中之二價離子數目不超過進入該工作管柱之該饋料水中之二價陽離子數目的10%。