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日提交的美國臨時申請序列號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)省能源費用。熱交 換表面的污垢每年花費美國工業(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，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，許多化學(xué)處 理成分和方法會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)離子迀移和運動，離子的迀移和運動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)的實際應(yīng)用，尤其是涉及多個地面點的需求時最小化釋放 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 引起的高級氧化過程。Gupta描述的過程使用從次級獨立源（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6, 558, 638 (使用高壓放電 處理液體，同時整合用于在放電區(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）。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，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接地點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)的一個優(yōu)選實施例的示意圖；
[0016] 圖2A和圖2B為曲線圖，示出了一個試驗中在不應(yīng)用本發(fā)明的實施例時測量的電 磁場；
[0017] 圖3為曲線圖，示出了另一試驗中使用本發(fā)明的優(yōu)選實施例時測量的電磁場；
[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)選實施例的示意圖。
【具體實施方式】
[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