專利名稱：大規(guī)模水凈化和脫鹽的制作方法
大規(guī)模水凈化和脫鹽本申請(qǐng)要求2008年9月17日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)第61/097，835號(hào)的優(yōu)先權(quán)，并且通過(guò)引用將該申請(qǐng)的整個(gè)公開(kāi)內(nèi)容加入本文中。本發(fā)明涉及水凈化和脫鹽領(lǐng)域。特別地，本發(fā)明的實(shí)施方式涉及采用自動(dòng)程序從水中除去基本上所有的多種多樣的雜質(zhì)的系統(tǒng)和方法，該自動(dòng)程序在幾個(gè)月至幾年的期限內(nèi)需要最小限度的清潔或維護(hù)，并且每單位的輸入水能產(chǎn)出相對(duì)較高的產(chǎn)物水并且具有超低的能量需求。
背景技術(shù)：
水凈化技術(shù)正快速成為現(xiàn)代生活的基本方面，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的水資源日益缺乏，用于飲用水的市政分配系統(tǒng)隨著時(shí)間的增長(zhǎng)在衰退，并且不斷增加的用水量會(huì)耗盡水井和水庫(kù)，引起鹽水污染。另外，許多活動(dòng)正引起水源的進(jìn)一步污染，這些活動(dòng)包括例如密集耕作、 汽油添加劑以及有毒的重金屬。這些問(wèn)題正導(dǎo)致水系統(tǒng)中微生物、細(xì)菌、鹽類、MTBE、氯酸鹽、高氯酸鹽、砷、汞、甚至是用于對(duì)飲用水進(jìn)行消毒的化學(xué)物質(zhì)的水平不斷增加并且應(yīng)該應(yīng)對(duì)。而且，雖然地球的四分之三被海洋覆蓋，但是淡水資源只占整個(gè)地球水的約3%， 并且由于人口增長(zhǎng)和全球變暖，這些水正變得稀缺。所有淡水的約69%存在于冰帽和冰川中，隨著不斷增強(qiáng)的全球消融，這些淡水變得不可恢復(fù)，所以小于能被實(shí)際利用并且絕大多數(shù)(超過(guò)90%)是蓄水層內(nèi)的地下水，而這些蓄水層正逐漸被人類活動(dòng)和鹽水侵入所污染。因此，急需能將鹽水(包括海水和鹽湖水)轉(zhuǎn)變成淡水的技術(shù)，同時(shí)清除多種多樣的污染物。傳統(tǒng)的脫鹽和水處理技術(shù)，例如反滲透(RO)過(guò)濾熱蒸溜系統(tǒng)(像多效蒸餾 (MED))、多級(jí)閃蒸(MSF)或壓汽蒸餾，幾乎不能處理鹽堿環(huán)境中存在的多種水污染物。另外，雖然它們是商業(yè)上可利用的，但是它們通常需要多個(gè)處理階段或需要結(jié)合多種技術(shù)以達(dá)到合格的水質(zhì)。當(dāng)鹽堿容量增加時(shí)，RO系統(tǒng)需要承受較高水壓，這使得它們?cè)谏虡I(yè)脫鹽中變得日益昂貴，并且它們通常浪費(fèi)超過(guò)30%的引入水，使得它們?cè)谌狈r(shí)吸引力日益減少。較少的傳統(tǒng)技術(shù)，例如紫外(UV)光照射或臭氧處理，對(duì)病毒和細(xì)菌是有效果的，但是幾乎不能清除其他污染物，例如溶解氣體、鹽類、碳?xì)浠衔镆约安蝗苄怨腆w。另外，大多數(shù)的蒸餾技術(shù)雖然能較好地清除一類污染物，但是通常不能處理所有類型的污染物。由于商業(yè)脫鹽設(shè)備通常是需要一至三年時(shí)間建造的復(fù)雜的工程項(xiàng)目，它們通常是資本密集型的并且很難從一個(gè)地方移至另一地方。它們的復(fù)雜性以及對(duì)多種技術(shù)的依賴性也使得它們的維護(hù)成本容易很高。因此，由于RO設(shè)備被設(shè)計(jì)成能在穩(wěn)定壓力和流動(dòng)條件下持續(xù)工作，較大的壓力波動(dòng)或電力中斷會(huì)損壞更換成本很高的膜；該技術(shù)需要徹底地預(yù)處理引入水以防止阻塞RO膜。熱蒸餾系統(tǒng)常常依靠真空以通過(guò)使用給定量的熱能抽取不斷增加的蒸汽來(lái)增加水的回收率；但是，大規(guī)模系統(tǒng)中的真空系統(tǒng)會(huì)由于泄露而變得麻煩而且需要機(jī)械加固。熱系統(tǒng)也依賴于熱交換器以回收一些冷凝熱，但是熱交換器易于堵塞和結(jié)垢并且需要頻繁的維護(hù)。因此，連續(xù)的和自清潔的、能抵抗腐蝕、輕便緊湊并且能回收利用大部分的輸入水、以及相對(duì)較便宜且低維護(hù)成本的成熟蒸餾系統(tǒng)顯得是解決全球性的不斷增加的水污染問(wèn)題和水匱乏的最好的長(zhǎng)期選擇。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施方式提供一種改良的脫鹽和水凈化系統(tǒng)。所述系統(tǒng)可包括入口、預(yù)熱器、脫氣裝置、多個(gè)蒸發(fā)室和除霧器、產(chǎn)物冷凝器、廢物出口、產(chǎn)物出口、多個(gè)用于熱量傳遞和回收的熱管以及控制系統(tǒng)。所述控制系統(tǒng)使得以最少的使用者介入或清潔來(lái)持續(xù)地進(jìn)行凈化和脫鹽。所述系統(tǒng)能從被污染的水樣本中清除多種污染物類型，包括微生物污染物、 放射性污染物、金屬、鹽類、揮發(fā)性有機(jī)物和非揮發(fā)性有機(jī)物中。在本系統(tǒng)的實(shí)施方式中，所生產(chǎn)的水的體積可為引入水體積的約20%至約95%。所述系統(tǒng)包括垂直疊加排列的蒸發(fā)室、冷凝器和預(yù)熱器，所述垂直疊加排列在每天生產(chǎn)1000加侖至5000萬(wàn)加侖的水的情況下是緊湊的，因而是輕便的。所述系統(tǒng)也可包括用于輸入水的流量控制器。流量控制器可包括壓力調(diào)節(jié)器、泵、 螺線管、閥、孔等等。壓力控制器能維持水壓在約OkI^a至250kPa(0至36psi)之間。流量控制器能維持水流速度在0. 5至3500加侖/分鐘之間。所述系統(tǒng)能包括沉淀物捕集器、沙子過(guò)濾器等等。同樣，所述系統(tǒng)可進(jìn)一步包括關(guān)閉控制裝置。所述關(guān)閉控制裝置可以例如是人工控制裝置、溢流控制裝置、儲(chǔ)水罐容量控制裝置、蒸發(fā)室容量控制裝置或類似的控制裝置。反饋控制系統(tǒng)可基于例如產(chǎn)物水儲(chǔ)水罐中的水的量、經(jīng)過(guò)產(chǎn)物出口的產(chǎn)物水流量、水流時(shí)間、無(wú)水流時(shí)間、蒸發(fā)室內(nèi)的水量、泄露的檢測(cè)結(jié)果、蒸發(fā)室壓力、輸出水質(zhì)(總?cè)芙夤腆w)、蒸發(fā)室壓差、蒸發(fā)室溢流壩浮球等等。此外，所述系統(tǒng)具有預(yù)熱器，預(yù)熱器將引入水加熱至脫氣裝置內(nèi)所需的溫度。離開(kāi)預(yù)熱器的水的溫度至少約為96°C。預(yù)熱罐可具有螺旋設(shè)置的葉片從而使得引入水在儲(chǔ)水罐內(nèi)循環(huán)多圈，因此提供能實(shí)現(xiàn)預(yù)熱的駐留時(shí)間。引入水切線地(tangentially)進(jìn)入預(yù)熱器，被熱管逐漸加熱直至達(dá)到所需的溫度，并且經(jīng)下水管離開(kāi)預(yù)熱器，該下水管與脫氣裝置連接，或者在無(wú)需脫氣時(shí)直接與下蒸發(fā)室連接。脫氣裝置可處于實(shí)質(zhì)上垂直的方向，具有上端和下端。被預(yù)熱的水在上端進(jìn)入脫氣裝置，而被脫氣的水靠近下端離開(kāi)脫氣裝置。在本系統(tǒng)中，來(lái)自最高蒸發(fā)室的蒸汽能靠近下端進(jìn)入脫氣裝置，并且能靠近上端離開(kāi)脫氣裝置。所述脫氣裝置包括基體(matrix)，其通過(guò)朝脫氣裝置內(nèi)氣體流動(dòng)的相反方向逆向流動(dòng)所述引入水而便于混合水和蒸汽并且除去基本上所有的有機(jī)物、揮發(fā)物和氣體。所述氣體例如是蒸汽、空氣、氮?dú)獾鹊取Ｋ龌w可包括實(shí)質(zhì)上球形的顆粒。但是，所述基體也可包括非球形的顆粒。所述基體可包括具有選定的尺寸的顆粒，所述尺寸能使得顆粒在所述脫氣裝置內(nèi)均勻填裝。所述基體也可包括不同尺寸的顆粒，并且所述顆粒按照尺寸梯度地被設(shè)置在脫氣裝置內(nèi)。水離開(kāi)脫氣裝置時(shí)可本質(zhì)上不含有機(jī)物和揮發(fā)性氣體。上部的蒸發(fā)室可包括圓柱的或矩形的罐，所述罐具有多孔底部，所述多孔底部能容納多個(gè)熱傳遞管。上部的蒸發(fā)室也可包括中央排泄裝置，所述中央排泄裝置可為與下蒸發(fā)室流體連通的下水管，或處于蒸發(fā)室的底部，或兩者皆可。蒸發(fā)室也可包括自清潔介質(zhì)， 自清潔介質(zhì)包括多個(gè)顆粒，排泄裝置具有開(kāi)口，所述開(kāi)口的大小使得顆粒不會(huì)通過(guò)底部排泄裝置，所述開(kāi)口的形狀不與顆粒的形狀互補(bǔ)。蒸發(fā)室可包括用于至少在靠近蒸發(fā)室的被加熱區(qū)的區(qū)域內(nèi)干擾沉淀物的積累的自清潔介質(zhì)。所述介質(zhì)可包括多個(gè)顆粒。所述顆粒實(shí)質(zhì)上可為球形。所述顆?？删哂型ㄟ^(guò)蒸發(fā)室內(nèi)的水的沸騰來(lái)實(shí)質(zhì)上持續(xù)地?cái)噭?dòng)所述顆粒的特性。所述特性可以例如是比重、大小、形態(tài)、群體數(shù)量等等。所述顆?？删哂羞x定的硬度， 所述硬度使得所述顆粒沖刷所述蒸發(fā)室，而本質(zhì)上不會(huì)侵蝕所述顆?；蛘舭l(fā)室。另外，所述顆?？捎商沾?、金屬、玻璃或石材組成。所述顆粒的比重可大于約1. 0且小于約8. 0，或者更優(yōu)選地，在約2. 0至約5. 0之間。上部的除霧器可被靠近蒸發(fā)室的上表面設(shè)置。來(lái)自蒸發(fā)室的蒸汽可在壓力下進(jìn)入除霧器。除霧器可包括壓差，并且壓差可不低于125至約25001^。除霧器可適于通過(guò)氣旋作用或通過(guò)給被蒸汽攜帶的薄霧狀顆粒提供機(jī)械障礙來(lái)分離清潔蒸汽和廢蒸汽。清潔蒸汽與廢蒸汽的比率可大于約10 1。控制系統(tǒng)能調(diào)整參數(shù)從而調(diào)節(jié)蒸汽質(zhì)量。蒸汽質(zhì)量例如可包括清潔蒸汽純度、清潔蒸汽與廢蒸汽的比率等等。所述參數(shù)可包括例如清潔蒸汽出口的凹入位置、除霧器內(nèi)的壓差、對(duì)蒸汽入口的流動(dòng)的阻力和對(duì)蒸汽出口的流動(dòng)的阻力等參數(shù)中的至少一個(gè)參數(shù)。來(lái)自除霧器的清潔蒸汽進(jìn)入上部的冷凝器，上部的冷凝器包括用于給蒸汽施加循環(huán)運(yùn)動(dòng)的葉片，因此加強(qiáng)其在冷凝器中的駐留時(shí)間以及確保完全的蒸汽冷凝。所述冷凝器罐為圓柱形的或矩形的罐，具有多孔的頂部，多孔的頂部容納多個(gè)熱管。熱管移除蒸汽的冷凝熱并且將所述熱量傳遞至上部的預(yù)熱器或上部的蒸發(fā)室。產(chǎn)物水能經(jīng)產(chǎn)物出口離開(kāi)產(chǎn)物冷凝器。在上部的冷凝器下可設(shè)置有多級(jí)沸騰和冷凝，因此回收熱量用于多級(jí)蒸餾。除了最后一級(jí)(即，底部蒸發(fā)室)外，每級(jí)由蒸發(fā)室、除霧器、冷凝器和多個(gè)熱管組成，所有的這些裝置都與上述的裝置相同。底部蒸發(fā)室與上部的蒸發(fā)室相同，只是熱量源被放置在蒸發(fā)室下或蒸發(fā)室自身內(nèi)部。用于蒸發(fā)的熱量可以是電力、天然氣、石油或其他的碳?xì)淙剂?，或者是任何能提供超過(guò)約110°c或更高的溫度的廢熱源。更加詳細(xì)地，本文涉及一種水凈化和脫鹽系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括入口、預(yù)熱器、脫氣裝置、多個(gè)蒸發(fā)室、除霧器、熱管以及產(chǎn)物冷凝器、廢物出口、多個(gè)產(chǎn)物出口、加熱室和控制系統(tǒng)，其中冷凝熱被回收并被重新用于另外的蒸發(fā)，其中蒸餾能量可由電力、油的燃燒、碳?xì)浠衔锏娜紵蛱烊粴獾娜紵驈U熱組成，并且所述控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)凈化和脫鹽的連續(xù)操作而不需要使用者介入或清潔，并且所述系統(tǒng)能從被污染的水樣中清除多種污染物類型，包括微生物污染物、放射性污染物、金屬、鹽類、揮發(fā)性有機(jī)物和非揮發(fā)性有機(jī)物；從而使得當(dāng)被污染的水的污染物類型的水平比表ι的MCL欄中所示水平高達(dá)25倍時(shí)，在所述系統(tǒng)內(nèi)凈化的水的所有污染物類型的水平低于表1的MCL欄中所示的水平。另一方面，所述系統(tǒng)生產(chǎn)的凈化水的體積占輸入水的體積的約20%至約95%之間。另一方面，所述系統(tǒng)經(jīng)過(guò)至少約兩個(gè)月的使用而不需要清潔。另一方面，所述系統(tǒng)經(jīng)過(guò)至少約一年或更長(zhǎng)時(shí)間的使用而不需要清潔。另一方面，所述系統(tǒng)包括入口開(kāi)關(guān)，用以調(diào)節(jié)經(jīng)過(guò)入口的水流。另一方面，入口開(kāi)關(guān)包括選自螺線管、閥和孔的機(jī)構(gòu)。另一方面，入口開(kāi)關(guān)被控制系統(tǒng)控制。
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另一方面，所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括關(guān)閉控制裝置。另一方面，所述關(guān)閉控制裝置選自人工控制裝置、溢流控制裝置、冷凝器容量控制裝置以及蒸發(fā)室容量控制裝置。另一方面，所述控制系統(tǒng)基于蒸發(fā)室內(nèi)的溫度傳感器、冷凝器浮球和溢流探測(cè)器的至少一個(gè)的反饋來(lái)控制入口。另一方面，所述控制系統(tǒng)基于來(lái)自凈化系統(tǒng)的反饋控制所述開(kāi)關(guān)。另一方面，所述反饋基于選自以下的至少一個(gè)特征產(chǎn)物水容器內(nèi)的水量、經(jīng)過(guò)產(chǎn)物出口的產(chǎn)物水流量、水流時(shí)間、無(wú)水流時(shí)間、蒸發(fā)室內(nèi)的水量、泄露的探測(cè)、蒸發(fā)室壓力、 輸出水質(zhì)(總?cè)芙夤腆w)、蒸發(fā)室的壓差以及經(jīng)過(guò)蒸發(fā)室溢流壩浮球的水運(yùn)動(dòng)。另一方面，所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括流量控制器。另一方面，所述流量控制器包括壓力調(diào)節(jié)器。另一方面，所述壓力調(diào)節(jié)器將水壓保持在約OkPa至250kPa之間(0至36psi)。另一方面，所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括沉淀物捕集器。另一方面，離開(kāi)預(yù)熱器的水溫度為至少約96°C。另一方面，所述脫氣裝置處于實(shí)質(zhì)上垂直的方向，具有上端和下端。另一方面，來(lái)自預(yù)熱器的被加熱的水靠近上端進(jìn)入所述脫氣裝置。另一方面，被加熱的水靠近下端離開(kāi)所述脫氣裝置。另一方面，來(lái)自蒸發(fā)室的蒸汽靠近下端進(jìn)入所述脫氣裝置。另一方面，所述蒸汽靠近上端離開(kāi)所述脫氣裝置。另一方面，所述脫氣裝置包括便于混合水和蒸汽的基體。另一方面，所述基體包括實(shí)質(zhì)上球形的顆粒。另一方面，所述基體包括非球形的顆粒。另一方面，所述基體包括具有選定尺寸的顆粒，所述尺寸使得所述顆粒在所述脫氣裝置內(nèi)被均勻填裝。另一方面，所述基體包括尺寸不同的顆粒，其中所述顆粒按照尺寸梯度地被設(shè)置在脫氣裝置內(nèi)。另一方面，離開(kāi)所述脫氣裝置的水本質(zhì)上不含有機(jī)物和揮發(fā)性氣體。另一方面，蒸發(fā)室包括多個(gè)傳遞熱量的熱管，所述熱量從下冷凝器被轉(zhuǎn)移。另一方面，所述蒸發(fā)室進(jìn)一步包括排泄設(shè)備，其中所述排泄設(shè)備位于所述蒸發(fā)室的中間或接近所述蒸發(fā)室的中部。另一方面，所述蒸發(fā)室進(jìn)一步包括自清潔介質(zhì)，所述自清潔介質(zhì)包括多個(gè)顆粒，所述多個(gè)顆粒被裝入包圍每個(gè)熱管的同心多孔圓柱體內(nèi)。另一方面，蒸發(fā)室包括用于至少在靠近蒸發(fā)室內(nèi)的熱管的區(qū)域干擾沉淀物積累的自清潔介質(zhì)。另一方面，所述介質(zhì)包括多個(gè)顆粒。另一方面，所述顆粒本質(zhì)上為球形的。另一方面，所述顆粒具有通過(guò)蒸發(fā)室內(nèi)的水的沸騰能實(shí)質(zhì)上持續(xù)地?cái)噭?dòng)所述顆粒的特性。另一方面，所述特性選自比重、大小、形態(tài)、群體數(shù)量和成分。
另一方面，所述顆粒具有選定的硬度，其中所述硬度使得所述顆粒沖刷所述蒸發(fā)室，而本質(zhì)上不會(huì)侵蝕所述顆?；蛘舭l(fā)室。另一方面，所述顆粒由陶瓷、金屬、玻璃或石材組成。另一方面，所述顆粒的比重大于約1. 0且小于約8. 0。另一方面，所述顆粒的比重在約2. 0至約5. 0之間。另一方面，所述加熱室進(jìn)一步包括電加熱元件、氣體燃燒器或燃油器、或從廢熱源傳遞熱量的熱管，并且其中所述加熱室靠近所述蒸發(fā)室的底部。另一方面，除霧器被靠近蒸發(fā)室的上表面放置。另一方面，來(lái)自蒸發(fā)室的蒸汽在壓力下進(jìn)入除霧器。另一方面，除霧器被構(gòu)造成能產(chǎn)生壓差，其中所述壓差不少于125至25001^。另一方面，除霧器適于通過(guò)氣旋作用分離清潔蒸汽和廢蒸汽。另一方面，蒸發(fā)室通過(guò)折流防護(hù)裝置和金屬凹槽防止冷凝的液滴進(jìn)入除霧器。另一方面，清潔蒸汽與廢蒸汽的比例大于約10 1。另一方面，蒸汽質(zhì)量包括選自以下的至少一種質(zhì)量清潔蒸汽純度、清潔蒸汽與廢蒸汽的比例以及清潔蒸汽的總體積。另一方面，除霧器控制參數(shù)包括選自以下的至少一種參數(shù)清潔蒸汽出口的凹入位置、除霧器的壓差、對(duì)蒸汽入口的流動(dòng)的阻力和對(duì)蒸汽出口的流動(dòng)的阻力。另一方面，所述系統(tǒng)包括用于冷卻冷凝器產(chǎn)物的熱管。另一方面，產(chǎn)物水經(jīng)產(chǎn)物出口離開(kāi)產(chǎn)物冷凝器。另一方面，廢水經(jīng)廢物出口離開(kāi)所述系統(tǒng)。另一方面，所述控制系統(tǒng)將產(chǎn)物水轉(zhuǎn)至廢棄排出物直到所述系統(tǒng)到達(dá)穩(wěn)定運(yùn)行溫度。在另一實(shí)施方式中，本文涉及一種用于對(duì)水凈化和脫鹽的方法，包括以下步驟提供引入水的來(lái)源，所述引入水包括至少一種第一濃度的污染物；將所述引入水通過(guò)預(yù)熱器， 所述預(yù)熱器能將引入水的溫度上升到超過(guò)90°C ；通過(guò)朝脫氣裝置內(nèi)的氣體流動(dòng)的反方向逆向流動(dòng)所述引入水而分離本質(zhì)上所有的有機(jī)物、揮發(fā)物和氣體；在能形成蒸汽的條件下將所述引入水保持在蒸發(fā)室內(nèi)10至90分鐘或更長(zhǎng)的平均駐留時(shí)間；將蒸汽從蒸發(fā)室排放至氣旋除霧器；在除霧器內(nèi)分離清潔蒸汽和包含污染物的廢物從而使得清潔蒸汽的產(chǎn)量至少比來(lái)自除霧器的廢物產(chǎn)量大約4倍；將清潔蒸汽冷凝成產(chǎn)出的被凈化的水，所述凈化的水包括至少一種第二濃度的污染物，其中所述第二濃度小于所述第一濃度；以及將來(lái)自冷凝器的熱量回收并傳遞至上部的蒸發(fā)室或預(yù)熱器，從而使得被回收的熱量至少為冷凝熱的 50%。另一方面，所述至少一種污染物包括選自微生物、放射性核素、鹽類和有機(jī)物中的污染物；并且其中所述第二濃度不高于表3所示的濃度，并且其中所述第一濃度至少為所述第二濃度的約10倍。另一方面，所述第一濃度至少比所述第二濃度大約25倍。另一方面，所述氣體選自蒸汽、空氣和氮?dú)狻Ａ硪环矫?，所述加工步驟被自動(dòng)地重復(fù)至少約三個(gè)月而不需要清潔或維護(hù)。另一方面，所述加工步驟被自動(dòng)地重復(fù)至少約一年而不需要清潔或維護(hù)。
另一方面，疊加排布的蒸發(fā)室、冷凝器和預(yù)熱器被封閉在具有多孔板的金屬殼內(nèi)， 多孔板將蒸發(fā)室與冷凝器分離。另一方面，所述多孔板允許熱管、脫氣裝置、除霧器、鹽水溢流管和廢蒸汽管通過(guò)。另一方面，蒸發(fā)室、預(yù)熱器和熱管的構(gòu)建材料由不腐蝕的鈦合金制成。另一方面，所述不腐蝕的鈦合金包括Ti-6A1_4V合金。另一方面，所述蒸發(fā)室、預(yù)熱器和熱管包括鍍有不腐蝕的氟氯烴聚合物的普通鋼或其他金屬或合金。


圖IA和IB是脫鹽/水凈化系統(tǒng)的兩個(gè)實(shí)施方式的主視圖；圖2是底部蒸發(fā)室的示意圖；圖3是底部蒸發(fā)室的正視圖；圖4(a)至圖4(e)顯示了可能的加熱結(jié)構(gòu)；圖5是冷凝器的示意圖；圖6是冷凝器的平面圖；圖7A和7B是用于雙倍和三倍蒸餾結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)室的示意圖；圖8是冷凝器的示意圖；圖9是預(yù)熱器的示意圖；圖10是預(yù)熱器的平面圖；圖11是預(yù)熱器的正視圖；圖12是脫氣裝置的示意圖；圖13是脫氣裝置的正視圖；圖14是折流防護(hù)裝置和金屬凹槽的示圖；圖15是折流防護(hù)裝置的圖示；圖16是氣旋除霧器的示意圖；圖17是熱管的示意圖；圖18是用于圖示熱管的自清潔特征的示圖；圖19是用于附接熱管以提供無(wú)泄漏操作的可能結(jié)構(gòu)的示圖；圖20是脫鹽和水凈化系統(tǒng)的實(shí)施方式的控制線路的示圖；圖21是疊加設(shè)置的脫鹽系統(tǒng)的替代性實(shí)施方式的正視圖；圖22是用于脫鹽系統(tǒng)的替代性實(shí)施方式的多孔板的示圖；圖23是疊加設(shè)置的脫鹽系統(tǒng)的替代性實(shí)施方式的平面圖。
具體實(shí)施例方式在本文中在某些情況下以示范性的方式或通過(guò)參考一個(gè)或多個(gè)附圖公開(kāi)了本發(fā)明的實(shí)施方式。但是，這種特定實(shí)施方式的公開(kāi)僅是示范性的，并不代表本發(fā)明的全部范圍。本發(fā)明的實(shí)施方式包括用于水凈化和脫鹽的系統(tǒng)、方法和設(shè)備。優(yōu)選實(shí)施方式提供了廣泛的水凈化，這種水凈化是全自動(dòng)的并且在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不需要清潔或使用者介入。例如，本文中所公開(kāi)的系統(tǒng)能在無(wú)使用者控制或介入的情況下運(yùn)行2、4、6、8、10或12個(gè)月， 或更長(zhǎng)的時(shí)間。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，該系統(tǒng)能自動(dòng)運(yùn)行1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、 13、14或15年，或更長(zhǎng)的時(shí)間。因此，本發(fā)明實(shí)施方式提供了一種水凈化和脫鹽系統(tǒng)，其至少包括用于鹽水、被污染的水或海水的入口、預(yù)熱器、脫氣裝置、一個(gè)或多個(gè)蒸發(fā)室、一個(gè)或多個(gè)除霧器、一個(gè)或多個(gè)具有產(chǎn)物出口的產(chǎn)物冷凝器、廢物出口以及控制系統(tǒng)，其中離開(kāi)出口的產(chǎn)物水本質(zhì)上是純凈的，并且所生產(chǎn)的產(chǎn)物水量至少為輸入水量的約10、15或20%，并且控制系統(tǒng)使得能持續(xù)地運(yùn)行凈化系統(tǒng)而不需要使用者的介入。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所生產(chǎn)的產(chǎn)物水量至少為輸入水量的約 25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、96、97、98 或 99%， 或者更多。因此，該系統(tǒng)在獲取輸入水和/或處理廢水相對(duì)昂貴并且不方便的情況下效果很好。該系統(tǒng)相比許多其他系統(tǒng)，在每單位輸入水或廢水的產(chǎn)物水產(chǎn)量方面更加有效率。在不同的實(shí)施方式中，本質(zhì)上純凈的水是滿足下述標(biāo)準(zhǔn)的任一個(gè)的水相對(duì)于任何的污染物來(lái)說(shuō)，水被凈化至比輸入水純凈度高出至少25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、 75、80、85、90、95、100、125、150、175、200、250、500、750、1000 倍或更多的純度。在其他實(shí)施方式中，相對(duì)于存在于輸入水中的多種污染物來(lái)說(shuō)，本質(zhì)上純凈的水是被純化至前述水平之一的水。也即，在這些實(shí)施方式中，水的純凈度或品質(zhì)與一種或多種污染物的濃度有關(guān)， 并且實(shí)質(zhì)上純凈的水是指例如輸入水中的這些污染物的濃度與產(chǎn)物水中相同污染物的濃度的比率為25或更高的水。在其他實(shí)施方式中，水的純凈度能通過(guò)傳導(dǎo)率測(cè)量出，其中超純水的傳導(dǎo)率通常小于約0. 1μ西門子/cm，而蒸餾水的傳導(dǎo)率通常為約0.5。在這些實(shí)施方式中，產(chǎn)物水的傳導(dǎo)率通常處于約0. 1至0. 77之間，典型地處于約0. 2至0. 6之間，優(yōu)選地處于約0. 2至 0. 5之間、0. 2至0. 4之間、或0. 2至0. 3之間。傳導(dǎo)率是總?cè)芙夤腆w(TDS)的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，并且是水在鹽類、離子、礦物質(zhì)等方面的純凈度的良好指標(biāo)。作為選擇，水的純凈度能通過(guò)各種標(biāo)準(zhǔn)被測(cè)量，例如，表1和2列出的現(xiàn)行的美國(guó)環(huán)境保護(hù)局(EPA)的標(biāo)準(zhǔn)，以及表2列出的其他公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)。因此，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式能從一系列的污染物中減少任何一種或更多的污染物，包括例如表1所列出的任何污染物，其中最終的產(chǎn)物水的所述污染物水平處于或低于標(biāo)記有“MCL”(最大濃度水平)的一欄中所指定的水平，其中輸入水的所述污染物的水平多達(dá)所指定的MCL的約25倍。同樣，在一些實(shí)施方式中，對(duì)于一些污染物，當(dāng)輸入水的污染物比MCL或產(chǎn)物水高出30-、40-、50_、 60-、70-、80-、90-、100-、150-、250-、500-、或1000倍或更多倍時(shí)，本發(fā)明系統(tǒng)能清除污染物至MCL水平。雖然任何系統(tǒng)從輸入水清除污染物的能力在某種程度上與輸入水中的總雜質(zhì)水平有關(guān)，但是本發(fā)明系統(tǒng)特別適于從單一的原料流中清除大多數(shù)的截然不同類型的污染物，從而生產(chǎn)能與蒸餾水相比的以及在某些情況下能與超純水相比的水。應(yīng)當(dāng)提及的是，表 1中“測(cè)試水”欄包含EPA測(cè)試中所使用的水中的污染物的濃度水平。本發(fā)明水凈化系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施方式通常能清除比該欄目中所列出數(shù)量更多數(shù)量的初始污染物。但是，當(dāng)然，對(duì)應(yīng)于“測(cè)試水”欄所述的污染物水平同樣在本發(fā)明實(shí)施方式的能力范圍內(nèi)。表1金屬 單位 試驗(yàn)方案MCL 測(cè)試水
招 Ppm0.2 0.6
鋪 Ppm0.006 0.1
石申 Ppm0.01 0.1
鈹 Ppm0.004 0.1
硼 Ppb20
鉻 Ppm0.1 0.1
銅 Ppm1.3 1.3
鐵 Ppm0.3 8
鉛 Ppm0.015 0.1
猛 ppm0.05 1
萊 ppm0.002 0.1
銀 ppm0.01
鎳 ppm0.02
銀 ppm0.1 0.2
,它 ppm0.002 0.01
#1 ppm0.1
鋅 ppm5 5
總體混合物小計(jì)36.84
無(wú)機(jī)鹽 單位試驗(yàn)方案 MCL測(cè)試水
溴化物 ppm0.5
氯化物 ppm250 350
氰化物 ppm0.2 0.4
氟化物 ppm4 8
硝酸鹽，如N03 ppm10 90
亞硝酸鹽，如N2 ppm1 2
硫酸鹽 ppm250 350
總體混合物小計(jì)800.9第四組2種高揮發(fā)性的V0C+2種非揮發(fā)物
七氯 ppmEPA525.2 0.00040.04
四氯乙烯一PCE ppmEPA524.2 0.000060.02
表氯醇 ppm0.070.2
五氯苯酚 ppmEPA515.4 0.0010.1
總體混合物小計(jì)0.36第五組2種高揮發(fā)性的VOC+2個(gè)非揮發(fā)物
單位試驗(yàn)方案 MCL 測(cè)試水
四氯化碳 ppmEPA524.2 0.0050.01
間二甲苯，對(duì)二甲苯 ppmEPA524.2 1020
己ニ酸ニ (2-乙基己)酷 ppmEPA525.2 0.40.8
三氯乙酸 ppmSM6251B 0.060.12
總體混合物小計(jì)21.
第六組3種高揮發(fā)性的V0C+3種非揮發(fā)物
權(quán)利要求
1.一種水凈化和脫鹽系統(tǒng)，包括入口、預(yù)熱器、脫氣裝置、多個(gè)蒸發(fā)室、除霧器、熱管以及產(chǎn)物冷凝器、廢物出口、多個(gè)產(chǎn)物出口、加熱室和控制系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)被構(gòu)造成回收冷凝熱以及重新使用冷凝熱以用于另外的蒸發(fā)；從選自電力、燃燒和廢熱的能源中獲得蒸餾能量，并且所述燃燒是選自燃油、碳?xì)浠衔锖吞烊粴獾奈镔|(zhì)的燃燒；所述控制系統(tǒng)被構(gòu)造成允許連續(xù)進(jìn)行凈化和脫鹽而不需要使用者介入或清潔；所述系統(tǒng)被構(gòu)造成能從被污染的水樣本中清除選自微生物污染物、放射性污染物、金屬、鹽類、揮發(fā)性有機(jī)物和非揮發(fā)性有機(jī)物中的至少一種污染物；并且所述系統(tǒng)被構(gòu)造得使得當(dāng)被污染的水的污染物水平比表1的MCL欄中所示水平高多達(dá) 25倍時(shí)，在所述系統(tǒng)內(nèi)被凈化的水的所有污染物的水平低于表1的MCL欄中所示的水平。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所生產(chǎn)的凈化水的體積占輸入水的體積的約20%至約95%之間。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)經(jīng)過(guò)至少約兩個(gè)月的使用而不需要清潔。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)經(jīng)過(guò)至少約一年或更長(zhǎng)時(shí)間的使用而不需要清潔。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括入口開(kāi)關(guān)，所述入口開(kāi)關(guān)用以調(diào)節(jié)經(jīng)過(guò)入口的水流。
6.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述入口開(kāi)關(guān)包括選自螺線管、閥和孔的機(jī)構(gòu)。
7.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述入口開(kāi)關(guān)被控制系統(tǒng)控制。
8.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括關(guān)閉控制。
9.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述關(guān)閉控制選自人工控制、溢流控制、冷凝器容量控制以及蒸發(fā)室容量控制。
10.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述控制系統(tǒng)基于蒸發(fā)室內(nèi)的溫度傳感器、冷凝器浮球和溢流探測(cè)器中的至少一個(gè)的反饋來(lái)控制入口。
11.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述控制系統(tǒng)基于來(lái)自凈化系統(tǒng)的反饋來(lái)控制所述開(kāi)關(guān)。
12.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述反饋基于選自產(chǎn)物水容器內(nèi)的水量、經(jīng)過(guò)產(chǎn)物出口的產(chǎn)物水流量、水流時(shí)間、無(wú)水流時(shí)間、蒸發(fā)室內(nèi)的水量、泄露的探測(cè)、蒸發(fā)室壓力、 輸出水質(zhì)(總?cè)芙夤腆w)、蒸發(fā)室的壓差以及經(jīng)過(guò)蒸發(fā)室溢流壩浮球的水運(yùn)動(dòng)中的至少一個(gè)特征。
13.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括流量控制器。
14.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述流量控制器包括壓力調(diào)節(jié)器。
15.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中所述壓力調(diào)節(jié)器將水壓維持在約OkPa至250kPa 之間(0至36psi)。
16.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括沉淀物捕集器。
17.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中離開(kāi)所述預(yù)熱器的水溫度為至少約96°C。
18.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述脫氣裝置處于實(shí)質(zhì)上垂直的方向，具有上端和下端。
19.如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中來(lái)自所述預(yù)熱器的被加熱的水靠近所述上端進(jìn)入所述脫氣裝置。
20.如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中被加熱的水靠近所述下端離開(kāi)所述脫氣裝置。
21.如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中來(lái)自所述蒸發(fā)室的蒸汽靠近所述下端進(jìn)入所述脫氣^^直ο
22.如權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中所述蒸汽靠近所述上端離開(kāi)所述脫氣裝置。
23.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述脫氣裝置包括便于混合水和蒸汽的基體。
24.如權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其中所述基體包括實(shí)質(zhì)上球形的顆粒。
25.如權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其中所述基體包括非球形的顆粒。
26.如權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其中所述基體包括大小被選擇以允許均勻填裝在所述脫氣裝置內(nèi)的顆粒。
27.如權(quán)利要去23所述的系統(tǒng)，其中所述基體包括大小不同的顆粒，其中所述顆粒按照大小梯度地被設(shè)置在所述脫氣裝置內(nèi)。
28.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中離開(kāi)所述脫氣裝置的水本質(zhì)上無(wú)有機(jī)物和揮發(fā)性的氣體。
29.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中蒸發(fā)室包括多個(gè)熱管，所述熱管傳遞從下方的冷凝器中轉(zhuǎn)移出的熱量。
30.如權(quán)利要求29所述的系統(tǒng)，其中所述蒸發(fā)室進(jìn)一步包括排水設(shè)備，其中所述排水設(shè)備位于所述蒸發(fā)室的中間或接近所述蒸發(fā)室的中間。
31.如權(quán)利要求29所述的系統(tǒng)，所述蒸發(fā)室進(jìn)一步包括自清潔介質(zhì)，所述自清潔介質(zhì)包括多個(gè)顆粒，所述多個(gè)顆粒被裝入包圍每個(gè)熱管的同心多孔圓柱體內(nèi)。
32.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中蒸發(fā)室包括用于至少在靠近所述蒸發(fā)室內(nèi)的熱管的區(qū)域干擾沉淀物積累的自清潔介質(zhì)。
33.如權(quán)利要求32所述的系統(tǒng)，其中所述介質(zhì)包括多個(gè)顆粒。
34.如權(quán)利要求33所述的系統(tǒng)，其中所述顆粒本質(zhì)上為球形的。
35.如權(quán)利要求33所述的系統(tǒng)，其中所述顆粒具有通過(guò)所述蒸發(fā)室內(nèi)的水的沸騰實(shí)現(xiàn)所述顆粒的本質(zhì)上持續(xù)的攪動(dòng)的特性。
36.如權(quán)利要求35所述的系統(tǒng)，其中所述特性選自比重、大小、形態(tài)、群體數(shù)量和成分。
37.如權(quán)利要求33所述的系統(tǒng)，所述顆粒具有選定的硬度，其中所述硬度使得所述顆粒沖刷所述蒸發(fā)室，而本質(zhì)上不會(huì)侵蝕所述顆粒或蒸發(fā)室。
38.如權(quán)利要求33所述的系統(tǒng)，其中所述顆粒由陶瓷、金屬、玻璃或石材組成。
39.如權(quán)利要求33所述的系統(tǒng)，所述顆粒的比重大于約1.0且小于約8. 0。
40.如權(quán)利要求38所述的系統(tǒng)，所述顆粒的比重位于約2.0至約5. 0之間。
41.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，所述加熱室進(jìn)一步包括電加熱元件、氣體或油燃燒器或傳遞來(lái)自廢熱源的熱量的熱管，并且其中所述加熱室靠近所述蒸發(fā)室的底部。
42.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中靠近蒸發(fā)室的上表面設(shè)置有除霧器。
43.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中來(lái)自蒸發(fā)室的蒸汽在壓力下進(jìn)入除霧器。
44.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，除霧器被構(gòu)造成能產(chǎn)生壓差，其中所述壓差不小于125 至 2500Pa。
45.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中設(shè)置除霧器以用來(lái)通過(guò)氣旋作用分離清潔蒸汽和廢蒸汽。
46.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中蒸發(fā)室通過(guò)折流防護(hù)裝置和金屬凹槽防止冷凝的液滴進(jìn)入除霧器。
47.如權(quán)利要求45所述的系統(tǒng)，其中清潔蒸汽與廢蒸汽的比例大于約10 1。
48.如權(quán)利要求47所述的系統(tǒng)，其中蒸汽品質(zhì)包括選自清潔蒸汽純度、清潔蒸汽與廢蒸汽的比例以及清潔蒸汽的總體積中的至少一種品質(zhì)。
49.如權(quán)利要求47所述的系統(tǒng)，其中除霧器控制參數(shù)包括選自清潔蒸汽出口的凹入位置、除霧器的壓差、對(duì)蒸汽入口的流動(dòng)的阻力和對(duì)蒸汽出口的流動(dòng)的阻力中的至少一種參數(shù)。
50.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括用于冷卻冷凝器產(chǎn)物的熱管。
51.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中產(chǎn)物水經(jīng)產(chǎn)物出口離開(kāi)產(chǎn)物冷凝器。
52.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中廢水經(jīng)廢物出口離開(kāi)所述系統(tǒng)。
53.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述控制系統(tǒng)將產(chǎn)物水轉(zhuǎn)至廢物排泄管道直到所述系統(tǒng)到達(dá)穩(wěn)定運(yùn)行溫度。
54.一種用于對(duì)水凈化和脫鹽的方法，包括以下步驟提供引入水，所述引入水包括至少一種第一濃度的污染物；將所述引入水通過(guò)預(yù)熱器，所述預(yù)熱器能將引入水的溫度上升到超過(guò)90°C ；通過(guò)朝脫氣裝置內(nèi)的氣體流動(dòng)的反方向逆向流動(dòng)所述引入水來(lái)分離本質(zhì)上所有的有機(jī)物、揮發(fā)物和氣體；在能形成蒸汽的條件下將所述引入水保持在蒸發(fā)室內(nèi)10至90分鐘或更長(zhǎng)的平均駐留時(shí)間；將蒸汽從蒸發(fā)室排放至氣旋除霧器；在除霧器內(nèi)分離清潔蒸汽和包含污染物的廢物從而使得清潔蒸汽的產(chǎn)量至少比來(lái)自除霧器的廢物產(chǎn)量大約4倍；將清潔蒸汽冷凝以產(chǎn)出被凈化的水，所述被凈化的水包括至少一種第二濃度的污染物，其中所述第二濃度小于所述第一濃度；以及將來(lái)自冷凝器的熱量回收并傳遞至上方的蒸發(fā)室或預(yù)熱器，從而使得被回收的熱量至少為冷凝熱的50%。
55.如權(quán)利要求M所述的方法，其中所述至少一種污染物包括選自微生物、放射性核素、鹽類和有機(jī)物中的污染物；并且其中所述第二濃度不高于表3所示的濃度，并且其中所述第一濃度至少為所述第二濃度的約10倍。
56.如權(quán)利要求M所述的方法，其中所述第一濃度至少比所述第二濃度大約25倍。
57.如權(quán)利要求M所述的方法，其中所述氣體選自蒸汽、空氣和氮?dú)狻?br> 58.如權(quán)利要求M所述的方法，其中所述加工步驟被自動(dòng)地重復(fù)至少約三個(gè)月而不需要清潔或維護(hù)。
59.如權(quán)利要求M所述的方法，其中所述加工步驟被自動(dòng)地重復(fù)至少約一年而不需要清潔或維護(hù)。
60.如權(quán)利要求討所述的方法，所述方法使用權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)來(lái)實(shí)施，其中疊加設(shè)置的蒸發(fā)室、冷凝器和預(yù)熱器被包圍在金屬殼內(nèi)，多孔板將蒸發(fā)室和冷凝器分隔開(kāi)。
61.如權(quán)利要求60所述的方法，其中所述多孔板允許熱管、脫氣裝置、除霧器、鹽水溢流管和廢蒸汽管通過(guò)。
62.如權(quán)利要求60所述的方法，其中蒸發(fā)室、預(yù)熱器和熱管的構(gòu)建材料由不腐蝕的鈦合金制成。
63.如權(quán)利要求62所述的方法，其中所述不腐蝕的鈦合金包括Ti-6A1-4V合金。
64.如權(quán)利要求60所述的方法，其中所述蒸發(fā)室、預(yù)熱器和熱管包括鍍有不腐蝕的含氯氟烴聚合物的普通鋼或其他金屬或合金。
全文摘要
本發(fā)明的實(shí)施方式提供了一種用于水凈化和脫鹽的系統(tǒng)和方法。所述系統(tǒng)包括預(yù)熱器、脫氣裝置、多個(gè)具有除霧器的蒸發(fā)室、熱管和控制系統(tǒng)，其中所述控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)持續(xù)地運(yùn)行凈化和脫鹽系統(tǒng)而不需要使用者介入或清潔。所述系統(tǒng)能從每個(gè)蒸發(fā)階段回收熱量，同時(shí)從被污染的水樣中清除多種污染物，所述多種污染物包括微生物污染物、放射性污染物、金屬、鹽類、揮發(fā)性有機(jī)物和非揮發(fā)性有機(jī)物。
文檔編號(hào)B01D3/42GK102215927SQ200980145207
公開(kāi)日2011年10月12日 申請(qǐng)日期2009年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月17日
發(fā)明者尤金·梯也爾 申請(qǐng)人:純凈源公司