利用高壓放電和臭氧來處理水系統(tǒng)的系統(tǒng)和方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請要求2013年5月1日提交的美國臨時(shí)申請序列號(hào)61/818, 229的權(quán)益。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明涉及一種用于使用高壓放電產(chǎn)生等離子體和使用從高壓產(chǎn)生的臭氧副產(chǎn) 物來處理流水系統(tǒng)的系統(tǒng)和方法，尤其用于處理冷卻塔或其他再循環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0004] 人為（供）水系統(tǒng)是大多數(shù)的世界能源生產(chǎn)設(shè)施、工業(yè)和制造工廠、醫(yī)院和其他機(jī) 構(gòu)的建筑群和建筑中常見的重要組成部分。這些系統(tǒng)每年消耗7000億加侖左右的水，并且 在補(bǔ)給水方面的成本就達(dá)18億美元且污水處理成本單算。所有這些人為水系統(tǒng)需要一些 形式的處理，化學(xué)或非化學(xué)的處理，以控制在重要傳熱表面上的水垢、生物膜和其他腐蝕副 產(chǎn)物的堆積，該重要傳熱表面對于有效系統(tǒng)運(yùn)行是必須的。
[0005] 對于涉及熱交換的水系統(tǒng)，例如冷卻塔和鍋爐，有效處理以去除這些污染物和延 長系統(tǒng)被重新污染之前的時(shí)間量，可以節(jié)省相當(dāng)數(shù)量的資金。有效徹底的處理可以通過減 少周期性處理的頻率或減少日常維護(hù)和/或周期性處理所需要的化學(xué)品的量，節(jié)省勞動(dòng)和 處理化學(xué)品的成本。通過清潔熱交換表面的操作，這樣的處理也可以節(jié)省能源費(fèi)用。熱交 換表面的污垢每年花費(fèi)美國工業(yè)數(shù)千萬美元，并且直接關(guān)系到每年增加近3千萬億Btu (庫 德，quad)的能源消耗。
[0006] 為了最大化水的使用和減少浪費(fèi)，這些系統(tǒng)的許多系統(tǒng)應(yīng)用一系列化學(xué)處理保護(hù) 系統(tǒng)不受結(jié)垢、生物膜形成和腐蝕。在必需排出水并用新鮮水更換它之前，這些化學(xué)處理 使水再利用和循環(huán)多次。增加水可以循環(huán)的持續(xù)時(shí)間顯著減少排向污水系統(tǒng)的水量，并且 最小化更換放掉的水而需要的補(bǔ)給水。然而，當(dāng)使用的化學(xué)品具有高腐蝕性時(shí)，許多化學(xué)處 理成分和方法會(huì)損害被處理的水系統(tǒng)的組件。還有就是環(huán)境也倒向了苛刻的化學(xué)處理的一 邊，包括日益關(guān)注的有毒消毒副產(chǎn)物的形成，諸如三鹵甲烷、鹵代乙腈和鹵代酚，這些在釋 放到環(huán)境中的排放水中已被鑒定出來。估計(jì)由冷卻塔處理導(dǎo)致的每年排放的水處理化學(xué)品 有5360億鎊，這會(huì)影響接收排出水的區(qū)域和水道中或附近生存的各種物種或接收排出水 的污水處理廠的細(xì)菌成分。
[0007] 在最小化與一些化學(xué)處理相關(guān)的環(huán)境影響的嘗試中，許多水處理公司以及更重要 地他們的客戶正在尋求使用非化學(xué)基水處理技術(shù)維持它們的系統(tǒng)性能。近來有約30種目 前可商購的用于商業(yè)和住宅的水系統(tǒng)中的非化學(xué)處理設(shè)備或水調(diào)節(jié)技術(shù)。這些系統(tǒng)可以分 為三類：（1)間接化學(xué)生產(chǎn)者，使用良性或安全的化學(xué)添加物，例如空氣或鹽以產(chǎn)生殺生物 劑。這些系統(tǒng)包括臭氧發(fā)生器和電化學(xué)次氯酸鹽發(fā)生器以及混合氧化劑發(fā)生器。（2)直接 化學(xué)生產(chǎn)者，由對水的直接相互作用產(chǎn)生活性化學(xué)物質(zhì)。這些設(shè)備使用機(jī)械處理（諸如水 力空化或超聲空化）以沿著水中高溫高壓的局部區(qū)域生產(chǎn)羥基自由基。適合該種類的其他 設(shè)備類型是紫外線系統(tǒng)。（3)電氣和磁性設(shè)備，包括等離子體的產(chǎn)生，使用感應(yīng)電場和磁場 以誘導(dǎo)離子迀移和運(yùn)動(dòng)，離子的迀移和運(yùn)動(dòng)能夠通過電穿孔或在細(xì)胞壁內(nèi)引起離子回旋共 振效果導(dǎo)致細(xì)胞死亡。在所有這些技術(shù)之中，電氣和磁性設(shè)備是最常見的；然而，它們是具 有最少嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)支持的技術(shù)。直接和間接化學(xué)方法具有更多科學(xué)可信度；然而，這種更好 的理解會(huì)限制它們的潛在應(yīng)用，因此它們還不能夠占領(lǐng)更大部分的市場份額。
[0008] 高壓放電和在水中產(chǎn)生等離子體的應(yīng)用在現(xiàn)有技術(shù)中是公知的。例如，B. R. Locke 等人（Ind Eng. Chem Res 2006,45,882-905)出版的文章描述了電極構(gòu)造和幾何結(jié)構(gòu)、脈沖 電弧與脈沖電暈以及水中放電放電期間形成的化學(xué)物質(zhì)和在水放電過程中的非熱能等離 子體。該文章解決了許多與使用該技術(shù)的水處理有關(guān)的基本問題，但是卻未解決與在工業(yè)、 商業(yè)或居住環(huán)境中的水處理有關(guān)的實(shí)際應(yīng)用，尤其是涉及多個(gè)地面點(diǎn)的需求時(shí)最小化釋放 進(jìn)入水和周圍大氣的電磁輻射的影響。
[0009] 使用臭氧氣體處理水也是已知的。例如，Gupta等人的文章（S. B. Gupta, IEEE Transactions on Plasma Science, 2008, 36, 40, 1612-163)描述了在水中使用由脈沖放電 引起的高級(jí)氧化過程。Gupta描述的過程使用從次級(jí)獨(dú)立源（而不是由高壓發(fā)生器）供應(yīng) 至放電反應(yīng)室的氧氣或臭氧氣體。他們也報(bào)告說，系統(tǒng)輸出和性能高度依賴于溶液的電導(dǎo) 率。對于其中水的電導(dǎo)率很高的系統(tǒng)（諸如在冷卻塔和閉環(huán)回路應(yīng)用中）需要更高的電壓 放電，這反過來產(chǎn)生電磁輻射的問題。
[0010] 也有幾個(gè)現(xiàn)有技術(shù)專利或公布的專利申請解決了用于各種目的（包括水處理或 凈化）的等離子體產(chǎn)生，諸如美國專利申請公開號(hào)2009/0297409(在大氣壓或更高壓力 下流放電等離子體的產(chǎn)生）、美國專利申請公開號(hào)2006/0060464(流體中等離子的產(chǎn)生， 尤其在水性介質(zhì)中包含和產(chǎn)生的氣泡內(nèi)形成的）、美國專利號(hào)6, 558, 638 (使用高壓放電 處理液體，同時(shí)整合用于在放電區(qū)中產(chǎn)生氣泡的氣體傳輸設(shè)備）以及美國專利申請公開 號(hào)2010/0 219136 (脈沖等離子體放電以處理流體（諸如流速為5 gp m的水，同時(shí)只消耗 120-150瓦特的功率）。
[0011] 現(xiàn)有技術(shù)教導(dǎo)了水中高壓放電能夠產(chǎn)生化學(xué)活性物質(zhì)，顯示出物理效果并控制水 的化學(xué)反應(yīng)。然而，已知現(xiàn)有技術(shù)未解決怎樣應(yīng)用使用等離子體放電的這種技術(shù)在較長的 時(shí)間周期內(nèi)去處理工業(yè)、商業(yè)或住宅環(huán)境中較大體積的流水，而不破壞水系統(tǒng)的其他組件， 這些組件包括用于水垢和腐蝕控制、排污和節(jié)水措施所需要的控制器和監(jiān)視器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明涉及一種系統(tǒng)和方法，使用非化學(xué)技術(shù)來處理流水系統(tǒng)，諸如冷卻塔和閉 環(huán)或再循環(huán)水系統(tǒng)。該處理包含：在被處理水中淹沒的兩電極之間產(chǎn)生高頻和高壓放電。 每次電極之間的放電，具有大量長壽命的氧化化學(xué)品（臭氧、過氧化氫）和短壽命的氧化化 學(xué)品（超氧化物、羥基自由基和氫自由基）產(chǎn)生，與聲音沖擊波一起，也產(chǎn)生UV輻射。這些 效果在現(xiàn)有技術(shù)中是眾所周知的。然而，并不明顯公知的是，利用電磁或電解系統(tǒng)獲取由 高壓放電產(chǎn)生的過剩能量（通常被浪費(fèi)）。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，系統(tǒng)使用該過剩能 量進(jìn)一步通過允許電流流經(jīng)將水系統(tǒng)管道連接至地的電線環(huán)路以在水中產(chǎn)生磁場，來調(diào)節(jié) (condition，使水處于正常狀態(tài)）和處理水。已證明該磁場在水處理中具有有益效果，并避 免貫穿整個(gè)水系統(tǒng)的大量電磁輻射具有的對電子控制系統(tǒng)上的破壞性影響，所述電子控制 系統(tǒng)用于測量電導(dǎo)率、PH、生物活性，也用于控制栗和與直接產(chǎn)生高壓發(fā)電進(jìn)入水供應(yīng)的系 統(tǒng)一起使用中常見的其他關(guān)鍵組件。
[0013] 使用高壓放電而水中沒有多個(gè)接地點(diǎn)或高壓放電組件周圍沒有足夠屏蔽，嚴(yán)重地 限制現(xiàn)有技術(shù)的應(yīng)用。本發(fā)明的另一實(shí)施例包括使用微氣泡發(fā)生器，將微氣泡的微細(xì)水流 引入尚壓放電室。為了最大化在尚導(dǎo)電水中尚壓放電的反應(yīng)面積，廣生超過200kV的能力 的電源是必需的。這些電源的運(yùn)行中副產(chǎn)物是產(chǎn)生臭氧氣體，這些臭氧氣體必須從所述系 統(tǒng)去除。我們的專利教導(dǎo)，作為所述高壓電源的副產(chǎn)物產(chǎn)生的臭氧氣體可作為微氣泡的精 細(xì)分散體引入所述高壓室中，以形成氧化反應(yīng)增強(qiáng)的區(qū)域。另外，所述高壓室可以裝入流體 處理系統(tǒng)，所述流體處理系統(tǒng)通過超聲處理或水力空化在高壓放電區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生微氣泡。最 后我們的專利教導(dǎo)了使用其中可以以特定時(shí)間增量施加高壓放電的脈沖高壓放電方案，用 于防止水、電線或其他供應(yīng)組件過熱。
【附圖說明】
[0014] 結(jié)合下面附圖進(jìn)一步描述和解釋本發(fā)明的設(shè)備，其中：
[0015] 圖1為根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的示意圖；
[0016] 圖2A和圖2B為曲線圖，示出了一個(gè)試驗(yàn)中在不應(yīng)用本發(fā)明的實(shí)施例時(shí)測量的電 磁場；
[0017] 圖3為曲線圖，示出了另一試驗(yàn)中使用本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例時(shí)測量的電磁場；
[0018] 圖4為根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的另一優(yōu)選實(shí)施例的示意圖；
[0019] 圖5為根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的另一優(yōu)選實(shí)施例的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 圖1描繪了根據(jù)本發(fā)明的處理系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施例。處理系統(tǒng)10優(yōu)選地包括：氣體 注入系統(tǒng)28、等離子體反應(yīng)室36、高壓發(fā)生器40、電源系統(tǒng)46和各種組件保護(hù)設(shè)備。處理 系統(tǒng)10容易地添加至現(xiàn)有水系統(tǒng)12。水系統(tǒng)12可以是任何住宅、商業(yè)或住宅水系統(tǒng)，尤其 用于冷卻應(yīng)用的那些水系統(tǒng)和再循環(huán)水系統(tǒng)，比如冷卻塔。水系統(tǒng)12包括圖1未描繪的熟 知組件。來自水系統(tǒng)12的水流14被處理為穿過在監(jiān)控水系統(tǒng)中常用的多種傳感器16,諸 如PH傳感器、溫度和電導(dǎo)率。根據(jù)水系統(tǒng)12的尺寸和流經(jīng)水系統(tǒng)12水的體積，系統(tǒng)中所 有的水可以穿過處理系統(tǒng)10或者只有部分或側(cè)流可以穿過處理系統(tǒng)10。
[0021 ] 水流18優(yōu)選地流經(jīng)氣體注入系統(tǒng)28,該氣體注入系統(tǒng)將空氣和/或氣體的微氣泡 注入水流18中。優(yōu)選地，氣體