專利名稱：用于膜分離系統(tǒng)的靜電增強設(shè)備的制作方法
相關(guān)申請的參照該申請是美國專利申請第09/167,115號(申請日為1998年12月6日)的部分繼續(xù)申請，后者是美國專利申請第08/779,819號(申請日為1997年1月6日，專利公開號US5817224)的部分繼續(xù)申請，再后者又是美國專利申請第08/197,154號(申請日為1994年2月16日，專利公開號為US5591317)的部分繼續(xù)申請。
通過在流動的水體中安放一個絕緣電極以通過所述水體產(chǎn)生一個電容層，從而在流動的水體中產(chǎn)生電容靜電場。在水和電極之間絕緣材料的完整性和強度對于系統(tǒng)的連續(xù)操作是關(guān)鍵的，因為絕緣層的任何擊穿會通過水體產(chǎn)生短路及使所述系統(tǒng)不可避免地被關(guān)閉。因而所建造的電容靜電設(shè)備必須確保用于與所述電極(在降低結(jié)垢的應(yīng)用中該電極通常是正極)相絕緣的電介質(zhì)材料的完整性。這一要求已經(jīng)通過如下技術(shù)手段得以實現(xiàn)用Teflon套管包裹一個管狀金屬電極，圍繞所述電極外表面的Teflon套管受熱收縮，以及用保護性的電介質(zhì)襯套密封所得到的絕緣電極的每一端。圍繞所述金屬電極的沒有接合的Teflon絕緣層被用來確保兩種材料之間的緊密接觸。這種緊密接觸是很重要的，因為在所述金屬和電介質(zhì)之間留下的任何空氣隙(如在介電層中通過水泡或氣泡產(chǎn)生)會引起電弧，該電弧最終會擊穿所述Teflon層，造成電介質(zhì)與水體的短路，及大大地降低所述設(shè)備的靜電效率。此外，大空氣隙會在所述系統(tǒng)內(nèi)形成另一個介電層，這不是所期望的，因為空氣的極低電容會進一步降低所述系統(tǒng)的全部電容量。
因為通過水介質(zhì)的電容靜電場與施加于該系統(tǒng)的電壓成比例，在所述裝置的耐壓限度內(nèi)施加盡可能高的電壓是期望的。象發(fā)明人在美國專利US5817224A和US5591317A中公開的，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)較高的電壓是更有效的，這時常是重要的，為了處理具有高溶解或高懸浮的固體濃度(如具有高于1000ppm的總?cè)芙夤腆w)的水，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這樣的水完全不受傳統(tǒng)的僅僅在低于10,000伏電壓下操作的設(shè)備和方法的影響。對于給定的水量和水流速度，存在一個臨界場強，在該場強以下沒有電容靜電效應(yīng)。
現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)備在應(yīng)用中由于存在兩方面問題而受到限制。由于PTFE材料眾所周知的物理性質(zhì)，除了通過熱縮加工之外PTFE材料(如Teflon)不適宜于粘著在金屬導(dǎo)體的表面上。任何試圖通過除熱縮以外的方法用Teflon覆蓋電極(如對于非圓筒形的電極是必須的)須強制性地形成接縫和連接，該接縫和連接將很難實現(xiàn)并在使用中易發(fā)生斷裂。此外，由于所述材料的非粘合性，在所述金屬與電介質(zhì)表面之間空氣隙的形成很難避免。因此，所述靜電設(shè)備的優(yōu)選結(jié)構(gòu)是圓筒形，其每一端通過單獨的電介質(zhì)套管密封。在通常的操作壓力下，在所述管道與這些端部套管之間的連接會產(chǎn)生泄漏，這使得所述水介質(zhì)進入并與高壓金屬管道接觸，從而使得所述系統(tǒng)完全中斷。
另外一個問題涉及現(xiàn)有技術(shù)中使用的電介質(zhì)材料的厚度。為了使電容量最佳化，用于涂抹正極的所述Teflon層被保持在最小量，因而使得介電層更易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)瑕疵，這會導(dǎo)致電弧或其他操作應(yīng)力，從而導(dǎo)致絕緣的中斷。由于這些限制因素，現(xiàn)有設(shè)備在高于約10,000伏的電壓下不能有效和可靠地操作，在高于上述電壓下所述設(shè)備會很快地出現(xiàn)故障。這種因素阻止它們用于大的水處理系統(tǒng)及用于處理含有高濃度溶解固體的水，因為這兩種情況都須要通過水體施加很高的靜電電壓以處理大體積的流量。
因為這些實際問題的限制，向水懸浮物施加靜電場以影響其物理性質(zhì)的概念已經(jīng)被人們應(yīng)用，但是其應(yīng)用僅僅限于具有低處理量和/或低固體含量的小型水處理系統(tǒng)，其目的只是試圖降低結(jié)垢和除去細顆粒物。在美國專利US5591317中，發(fā)明人公開了一種新型靜電設(shè)備，該設(shè)備在極高電壓下操作并具有可靠性和安全性。具體地說，發(fā)明人證實了這種設(shè)備在所述材料的電介質(zhì)完整性受到破壞或阻斷時不易發(fā)生整體故障。即使給定相當高的電壓所發(fā)明的電容靜電設(shè)備也能安全可靠地操作，發(fā)明人已經(jīng)利用了它的用途來改善其他處理工藝，如用于化學(xué)絮凝工藝(其公開在發(fā)明人的申請第09/167,115中)，及現(xiàn)在的膜分離工藝，尤其是反滲透(RO)工藝，該工藝是用來處理水進行民用或工業(yè)應(yīng)用的重要工藝。
在膜分離設(shè)備(反滲透、納米過濾、超濾)中遇到的主要問題是礦物質(zhì)、有機物和生物沉淀引起膜的堵塞。因為隨著膜堵塞區(qū)域的增加，干凈水的回收率和水的必要質(zhì)量下降。此外，細菌和其他微生物被捕集在膜表面上也使所述膜被堵塞，這又須要增加操作壓力和能耗，所有這些因素導(dǎo)致了不可逆轉(zhuǎn)的設(shè)備缺陷。
因而，這里公開內(nèi)容的直接目的是通過使用高電壓產(chǎn)生的電容靜電場改善傳統(tǒng)的膜分離工藝，所述高電壓在設(shè)備的容許使用限度內(nèi)，如公開在美國專利US5591317中。本發(fā)明基于如下發(fā)現(xiàn)這種高電壓產(chǎn)生的電場基本上能防止膜出現(xiàn)生物污垢，以及產(chǎn)生比現(xiàn)有技術(shù)更高的滲透回收率。許多現(xiàn)有發(fā)明已經(jīng)使用了一種電源來改善水凈化和脫水工藝，如美國專利US3933606、4238326、4755305、4802991和4915846中所述。其他一些專利已經(jīng)使用靜電和電磁場凈化包含生物質(zhì)和細菌污染物的水，通過降低它們的繁殖速度并使它們沉淀出來，如在美國專利4024047、4902390和5326446中所述。然而，公開的這些電場雖然能有效地提高從水懸浮物中分離雜質(zhì)的效率，但是卻沒有提出使用高電壓電容靜電場來減少生物膜的形成，通過使用所述高電壓電容靜電場還能在膜分離工藝中產(chǎn)生更高的產(chǎn)物滲透效率。
所有現(xiàn)有技術(shù)試圖控制生物膜的產(chǎn)生和生長的努力是基于化學(xué)殺菌劑和化學(xué)分散劑的使用，許多分散劑已經(jīng)被使用了一段時間以促進礦物顆粒的懸浮。然而，化學(xué)物質(zhì)限制生物膜形成的效力不論是在范圍上還是持續(xù)時間上都極其有限，只是對生物膜結(jié)構(gòu)的滲透性和持久性問題及相關(guān)的膜分離設(shè)備的結(jié)垢問題起到一點緩解作用。
本發(fā)明的另一個目的是提高傳統(tǒng)的膜分離工藝的回收率。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種用在膜分離工藝中的靜電設(shè)備，該設(shè)備容許使用很高的電壓以達到前面所述的目的。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種設(shè)備，該設(shè)備使用的電介質(zhì)材料能抵抗高電壓，而該高電壓在膜分離工藝中正適宜進行水處理，從而使得有用的靜電場強度可以有利地通過流動的水體轉(zhuǎn)移。
因此，根據(jù)上述這些目的和其他目的，本發(fā)明包括使用在大于10,000伏下操作的高壓電容靜電設(shè)備以阻止生物膜的形成并相應(yīng)地提高了膜分離工藝的性能。所述設(shè)備與傳統(tǒng)的膜分離設(shè)備結(jié)合使用，尤其是反滲透設(shè)備，其中給定離子極性的物質(zhì)從水中被分離出來。所述設(shè)備被浸沒在流過膜的水中及持續(xù)地在高電壓下操作，尤其是高于30,000V DC。通過靜電場的作用懸浮顆粒濕表面帶的電荷被改變，發(fā)現(xiàn)其能防止生物膜的形成，因而大大地提高了膜分離系統(tǒng)的性能。高電壓電容靜電場的應(yīng)用還能降低系統(tǒng)中金屬表面的腐蝕。優(yōu)選的靜電設(shè)備是單片式結(jié)構(gòu)的玻璃化陶瓷管，所述陶瓷管一端開口以通過一個絕緣帽接受高電壓電纜。所述陶瓷管的內(nèi)表面襯有一層與所述電纜電連接的導(dǎo)電材料，因而提供與所述陶瓷管的電介質(zhì)表面直接接觸的相當大的導(dǎo)電面。
從說明書下面描述的內(nèi)容中，尤其是從后面權(quán)利要求書提出的新穎性特征中，本發(fā)明的各種其他目的和優(yōu)點將會變得更加清楚。因而，為了實現(xiàn)上面所描述的目標，本發(fā)明包括下面將要在附圖中描述的特征，附圖的內(nèi)容將參照優(yōu)選的實施方案作出詳細地說明，尤其是權(quán)利要求書中引用的內(nèi)容。然而，所述附圖和說明書僅僅公開了實現(xiàn)本發(fā)明的多種方案中的一些。
圖2是

圖1所示設(shè)備詳細的正視剖面圖。
圖3是圖2中所示設(shè)備沿線3-3方向的截面的俯視圖。
圖4是圖3所示設(shè)備的開口端部分的剖視圖。
圖5是圖1-4的設(shè)備用在大規(guī)模水處理系統(tǒng)的肘管裝置時的示意圖，如在所述系統(tǒng)中使用的膜的肘管上游。
圖6是本發(fā)明的設(shè)備用在大規(guī)模水處理系統(tǒng)的T形管裝置時的示意圖，如用在膜分離裝置的上游。
圖7為所述設(shè)備的另一個實施方案的示意圖，其中所述金屬導(dǎo)體層被一種導(dǎo)電溶液替代。
圖8是現(xiàn)有技術(shù)中RO分離工藝的示意流程圖。
圖9是圖8所述RO分離工藝圖的變形，包括使用一個根據(jù)本發(fā)明的高電壓靜電電容器。
圖10是一種RO設(shè)備根據(jù)實施例1描述的條件運行時進料速度、進料壓力、滲透速度及橫跨膜的壓降隨時間變化的曲線圖。
圖11是所述RO設(shè)備根據(jù)實施例1描述的條件運行時回收速度、脫鹽速度隨時間變化的曲線圖。
圖12是第一種RO設(shè)備根據(jù)實施例2描述的條件試驗運行時滲透速度、進料壓力及橫跨膜的壓降隨時間變化的曲線圖。
圖13是第二種RO設(shè)備根據(jù)實施例2描述的條件試驗運行時滲透速度、進料壓力及橫跨膜的壓降隨時間變化的曲線圖。
圖14是第一種RO設(shè)備根據(jù)實施例3描述的條件試驗運行時滲透速度、進料速度及橫跨膜的壓降隨時間變化的曲線圖。
圖15是第二種RO設(shè)備根據(jù)實施例3描述的條件運行測試時滲透速度、進料壓力及橫跨膜的壓降隨時間變化的曲線圖。
圖16是一種傳統(tǒng)的實驗室反滲透系統(tǒng)的示意圖。
圖17是圖16所示的傳統(tǒng)實驗室RO設(shè)備裝配了本發(fā)明的靜電發(fā)生器以后的示意圖。
優(yōu)選的實施方案的描述在這里和在美國專利第5591317號中公開的改進的高電壓電容靜電設(shè)備為解決液體分離設(shè)備中尚未解決的許多問題提供了基礎(chǔ)。發(fā)明人同時提交的專利申請第09/167,115號公開了使用高電壓設(shè)備以改善絮凝工藝。由于受到現(xiàn)有技術(shù)中電容器低電壓的限制，在這之前仍然不可能研究高電壓電容靜電設(shè)備的應(yīng)用對工業(yè)膜分離系統(tǒng)的影響，尤其是納米過濾系統(tǒng)、超濾系統(tǒng)和反滲透系統(tǒng)。這里公開的內(nèi)容是基于下述發(fā)現(xiàn)在通過所述系統(tǒng)流動的水體中由高電壓產(chǎn)生的電容靜電場可顯著地防止生物膜在所述系統(tǒng)的分離膜處積聚，及相應(yīng)地在它們的滲透回收側(cè)積聚。
關(guān)于絮凝工藝還比如在申請第09/167,115號中詳細描述的那樣，在本發(fā)明優(yōu)選的實施方案中使用的電容靜電場發(fā)生器包括一個由玻璃化陶瓷材料制成的外管，所述外管作為靜電設(shè)備的支撐結(jié)構(gòu)，而不是象現(xiàn)有技術(shù)披露的那樣使用絕緣的內(nèi)金屬管，圍繞該內(nèi)金屬管包裹一層由薄的和很不牢固的材料組成的介電層。所述陶瓷材料比Teflon強得多并可用作所述設(shè)備的絕緣件和支撐件，因而對于電極來說容許使用更高的電壓。由于玻璃化陶瓷的制造方法，它可被制成具有一個密封端的單片式結(jié)構(gòu)，因而避免了在另一端使用密封的、絕緣的帽。
參照附圖，其中同樣的部件被標示為同樣的數(shù)字和符號，圖1介紹了靜電設(shè)備10的各個部件的正視圖，所述設(shè)備10被有利地用在本發(fā)明的膜分離系統(tǒng)中。更詳細的描述見圖2和3，所述設(shè)備10由陶瓷管12組成，該陶瓷管優(yōu)選單片式結(jié)構(gòu)并具有遠端整體密封端14和近側(cè)開口端16。所述管12的內(nèi)表面18襯有一層導(dǎo)電材料20，如鋁箔或銅箔，導(dǎo)電材料層20與所述表面18緊密接觸以使二者之間存在的縫隙或空氣隙最小化。根據(jù)用于涂布所述陶瓷管內(nèi)表面的方法和材料的不同，所述密封端14的內(nèi)部既可以加襯也可以不加襯。在附圖中，所述密封端14的內(nèi)部沒有加襯。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會認識到所述管的電容效應(yīng)與所述導(dǎo)電材料20的全部表面相聯(lián)系。
保護管25包含的適當絕緣的高壓電纜24的末端22與所述管道12內(nèi)部的導(dǎo)電材料20電連接。導(dǎo)電襯軸26與所述電纜的末端22相連并與所述導(dǎo)電材料20壓力配合或以其他方式連接，從而可以在二者之間提供電連接，但是任何相當?shù)姆椒ɑ蛟O(shè)備(如焊接)同樣適用于本發(fā)明。如圖所示所述電連接接近所述陶瓷管的開口端16，但是只要所述導(dǎo)電材料20的全部表面都可以通過所述連接被明顯地通電，那么沿著所述管道內(nèi)部的長度方向在任何位置所述電連接都可以起作用并具有同樣的結(jié)果。然而最重要的是，在所述電纜的絕緣保護層30與所述開口端16的內(nèi)壁之間，所述開口端16必須通過絕緣的(優(yōu)選彈性的)、粘合的材料28密封(如封裝)，所述材料如硅樹脂、乳膠或被緊緊地壓縮或成形的橡膠。優(yōu)選地，所述開口端16內(nèi)壁的最外邊環(huán)形部件32未被覆蓋導(dǎo)電材料20，從而在所述絕緣材料28形成的那端提供了連續(xù)的絕緣屏障，所述絕緣材料28填充在所述電纜保護層30與陶瓷管12之間。
最后，具體如圖4所示，所述陶瓷管12的開口端16被一個緊固夾套34密封地蓋住，所述夾套34的一側(cè)與開口端16緊密地不透水地配合，另一側(cè)與電纜連接器36密封地不透水地配合。對于本發(fā)明來說所述夾套34和連接器36的具體形狀是不重要的，只要它們能夠保護所述陶瓷管的開口端16不滲入來自外部水體中的液體，這是由于所述設(shè)備在使用時會被浸入水中。因而位于所述夾套34的凹面38與所述管12的凸面40之間的空隙不論是通過螺旋方式還是通過其他方式配合，都必須被完全地密封以維持所述設(shè)備的長時間操作。對于所述夾套34的凹面42與所述連接器36的凸面44來說同樣如此。當使用各種連接方式時，使用硅樹脂或其他不溶的(優(yōu)選彈性的)密封材料37以確保不透水的連接。
象已經(jīng)描述的，與高電壓電源正極相連的外部陶瓷管12和導(dǎo)電材料20的內(nèi)襯為現(xiàn)有技術(shù)的靜電場發(fā)生器提供了一種可靠的選擇。如圖5和6的示意圖所示，操作浸沒在水體中的設(shè)備10，所述水體直接接地46或通過一個浸沒在水中并距所述設(shè)備一定距離處的電極接地46。這種接地電極可以由管道48(如圖5和6所示)、泵或其他金屬設(shè)備(圖中未示出)組成。根據(jù)水的通過量和顆粒物和/或溶解量，調(diào)整本發(fā)明的設(shè)備10與接地電極的距離以提供所需要的電場，從而促使分散在水中的顆?；蛉芙庠谒械碾x子發(fā)生電容靜電效應(yīng)。經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的裝置距接地端約2-3英寸的距離處十分有效；但是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)進行理論計算得知在超過10英尺的距離處才能成功地操作，并且水中溶解的固體量最高達3,000ppm。當所述導(dǎo)電材料20從高正壓電源52處被通電時，所述陶瓷管12的絕緣性質(zhì)使其與地面絕緣，從而產(chǎn)生一個通過所述陶瓷管和水體的靜電場。正象期望的那樣，由于所述陶瓷的介電常數(shù)與水的介電常數(shù)的差異，所述靜電場主要影響水體。所述設(shè)備10的構(gòu)造允許在很高的電壓下操作。所述設(shè)備10在最高達50,000V DC的電壓下已經(jīng)被成功地使用了很長時間而沒有出現(xiàn)故障，如果需要的話還可以設(shè)計在更高的電壓下操作，從而使得在大規(guī)模處理場合有效地運用該設(shè)備成為可能。
設(shè)備10的另一個重要發(fā)明要素是裝配導(dǎo)體/介電層連接的方式能使較弱的連接不會與待處理的水相接觸。在現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)備中，一種結(jié)構(gòu)強度較弱的Teflon層將水與強度較大的金屬管分離。當介電層發(fā)生任何故障時，則高電壓管會立即短路從而使所述系統(tǒng)癱瘓。具體地說，在所述管的表面和圍繞該管的Teflon熱縮層之間即使存在別針大小的縫隙也會使系統(tǒng)癱瘓。當該設(shè)備在靜電場作用下時，通過這些縫隙發(fā)生的電弧會產(chǎn)生熱點，該熱點最后擊穿薄介電層，從而使系統(tǒng)完全地癱瘓。由于電弧的強度是施加于所述系統(tǒng)中的電壓的函數(shù)，這個問題嚴重地限制了現(xiàn)有的裝置在操作時使用的DC電壓。
另一方面，本發(fā)明的設(shè)備在強度較大的陶瓷管內(nèi)部提供了一個較弱的金屬內(nèi)襯。如果該內(nèi)襯被破壞，如由于空氣隙產(chǎn)生的電弧，那么在所述導(dǎo)電材料中會出現(xiàn)中斷，而不是在所述介電層，并且所述設(shè)備的高壓部位仍然與周圍的水相絕緣。因而，除了對所述系統(tǒng)的電容具有不可忽視的影響之外，這些類型的問題不會影響所述靜電設(shè)備的使用壽命和操作。因此，不象現(xiàn)有技術(shù)的裝置那樣使很高的DC電壓成為系統(tǒng)癱瘓的電勢源。
使用玻璃化高氧化鋁陶瓷，典型地氧化鋁高于99.5％，或任何數(shù)量的其他組成如玻璃化多鋁紅柱石，及含有較少氧化鋁和較多二氧化硅的陶瓷在本發(fā)明中是優(yōu)選的。注意到氧化鋁含量低至50％的陶瓷可被用來實施本發(fā)明，但是由于它們的機械性能和電學(xué)性能更加不期望將其用于高電壓操作。這些陶瓷具有高物理強度、高耐磨性及耐蝕性，并且可以以相當?shù)偷某杀狙b配，這些因素都使它們的應(yīng)用具有多樣性和靈活性。
因此，通過使用一個已經(jīng)被鑄造和燒制且一端封閉的陶瓷管，用于本發(fā)明的牢固而又有效的電極便制作完畢。使用的高氧化鋁等級的陶瓷不會滲透流體，并具有足夠的結(jié)構(gòu)強度以用作支撐件。所述導(dǎo)體(與現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)相對)不作為一個支撐件而僅僅用于分配單極電荷。因此，所述導(dǎo)體可以簡單地由連接在所述管道內(nèi)表面的薄層材料組成。因為對導(dǎo)體的選擇沒有結(jié)構(gòu)上的要求，所以適宜于操作環(huán)境、降低成本或易于建造的材料都是可以選擇的。所述導(dǎo)體可以是一種薄層金屬箔片，如銅箔或鋁箔，用一種導(dǎo)電的粘合劑將其粘著在所述管的內(nèi)壁上，或者所述導(dǎo)體僅僅是含有銀或鎳的導(dǎo)電粘合劑，如環(huán)氧或丙烯酸粘合劑。另一方面，所述導(dǎo)電層可以被壓在所述陶瓷管的內(nèi)表面上，或者通過等離子金屬噴鍍設(shè)備噴鍍，或者所述導(dǎo)體被涂抹成導(dǎo)體陶瓷釉或者在這樣一種釉涂層上面進行電鍍。由于不需要傳導(dǎo)高電流，所述導(dǎo)體可以是很薄的，甚至是一種相當?shù)托У膶?dǎo)體。一種導(dǎo)電液或一種固體金屬芯也可作為適宜的導(dǎo)體，所述導(dǎo)電液如完全填滿了陶瓷管內(nèi)空穴的硫酸銅濃溶液L(如圖7的實施例60所示)。主要要求是所述導(dǎo)電層與所述電介質(zhì)材料之間的接觸盡可能地緊密和沒有空隙，從而避免低介電系數(shù)的孔隙，否則會降低所述電容器系統(tǒng)的整體效率。
除了控制結(jié)垢和泥渣沉積物工藝(公開在美國專利5591317)和改善絮凝工藝(被描述在美國專利5817224)之外，發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)了一種在各種操作條件下都能提高膜分離工藝的效率的方法，如RO、超濾和納米過濾膜。具體地，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)了高電壓的電容靜電場能急劇地增加濕表面的表面電荷，及降低用膜系統(tǒng)處理的本體溶液的表面張力。除了發(fā)現(xiàn)已知的在帶電顆粒上的分散效應(yīng)之外，發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)了這些現(xiàn)象能破壞生物膜的形成和促使已經(jīng)存在的生物膜溶解，因而極大地改善了膜分離系統(tǒng)的性能和保養(yǎng)要求。
一種典型的RO系統(tǒng)70如圖8所示，由系列并行的膜設(shè)備72組成，溶液流74通過該膜設(shè)備組之后產(chǎn)生相當純的滲透流76和濃縮流出物78。所述濃縮流78的一部分再循環(huán)，使其流入高壓泵80的吸入端以輸入該系統(tǒng)；所述濃縮流的另一部分通過一個排放管82排放。然而由于所述濃縮流中的總?cè)芙夤腆w的濃度很高，通常所述濃縮流不再循環(huán)使用。典型的濃縮流由清晰的、高總?cè)芙夤腆w(TDS)的溶液組成，用傳統(tǒng)的分離技術(shù)(如絮凝)很難將固體分離出來。因而丟棄全部的濃縮流是最經(jīng)濟的。傳統(tǒng)的RO系統(tǒng)的回收率約為75％，因而約25％的進料作為濃縮液由排放管82丟棄。進料液74在所述RO設(shè)備72中被處理之前，在過濾器84或其他適宜的處理設(shè)備中對該進料液74進行預(yù)處理。
除了由部分進料作為濃縮流須被丟棄而引起相對低效的回收率之外，由于膜的結(jié)垢也會降低RO性能，所述結(jié)垢增加了能耗并常常達不到產(chǎn)品流的標準。因而，對于膜分離系統(tǒng)來說膜結(jié)垢是主要的操作受限因素和成本限制因素。象上面已經(jīng)提到的，膜性能的下降會導(dǎo)致多種不利后果，如由于進料流的高濃度而使得礦物沉淀形成晶體污垢；由粘土、泥渣、顆粒狀腐殖物、碎片和二氧化硅而引起的顆粒污垢；及由能形成生物膜的微生物積聚和粘附而形成的膠狀和微生物污垢、或生物污垢。
過去人們使用了幾種工藝以減少或阻止膜的結(jié)垢，主要通過復(fù)雜的設(shè)備對進料流進行預(yù)處理，如預(yù)過濾設(shè)備或水軟化設(shè)備。一些工藝包括向所述進料流中加入分散劑和/或殺菌劑以減少生物膜的形成。這些技術(shù)須要定期地對所述膜過濾設(shè)備進行化學(xué)和/或機械清掃，從而須要關(guān)閉每種設(shè)備。因而，這些防垢工藝本身須要使設(shè)備停工，勞動強度大，以及由于膜與用于清洗的化學(xué)物質(zhì)不相容還會導(dǎo)致膜的效率和使用壽命下降。然而最重要地是，這些化學(xué)物質(zhì)不能有效地作為長期使用的溶液。
所有未處理的水源中包含的礦物質(zhì)和生物膠狀顆粒都會在所述膜上產(chǎn)生大量的污垢。一般地任何粒徑小于1.0微米的顆粒被認為是膠狀顆粒。生物膠狀物包括微生物、病毒、小纖維、腐殖質(zhì)、及滲出物和大分子有機物的聚集物。上述這些不同的物質(zhì)與生物生長一起使通過化學(xué)添加劑控制生物污垢是困難的，這既是由于不同的微生物要忍耐由生物膜的保護效應(yīng)產(chǎn)生的具體化學(xué)物質(zhì)，也是由于化學(xué)殺菌劑、腐蝕劑、酸和溶劑清洗劑對所述膜會產(chǎn)生潛在的損害。
現(xiàn)在應(yīng)該理解到，要想發(fā)生生物結(jié)垢，必須具有將微生物和腐殖物顆粒粘著在膜表面上的初始粘著。主要的粘著步驟由來自三種不同相(液相、固相和半固相)的異相反應(yīng)及與它們相聯(lián)系的多種變量。所述半固相由微生物組成，并受到變量如物質(zhì)組成、周圍的微生物群落、營養(yǎng)狀況、疏水性、表面電荷和細胞外聚合物之存在的影響。所述液相由經(jīng)過過濾的流體組成，并受到變量如溫度、pH、溶解的有機物和無機物、粘度、表面張力和水動力學(xué)參數(shù)的影響。所述固相由RO膜表面組成，固相通過化學(xué)組成、表面電荷、生物親合力以及在所述膜上調(diào)節(jié)膜的性質(zhì)(如果它們之中存在任何一種的話)影響粘著性。
已知細菌能分泌一種可形成膜的多糖物，所述膜能促進菌落的形成并促使它們粘著在支撐面上。所述生物膜材料一般由細胞外聚合物組成，主要是多糖，當允許細菌營養(yǎng)物和廢物與周圍介質(zhì)相交換時，該生物膜保護細菌免受水流中化學(xué)介質(zhì)和物理介質(zhì)的影響。該生物膜具有很高的水合性，含有至少95wt％的水，其余的是細菌和殘物。所述細菌生物膜由粘性的、粘液狀的物質(zhì)組成，該物質(zhì)粘著在靜止表面上并將與之相接觸的外界物質(zhì)捕獲。因此，已知生物膜沉積物能捕集陽離子如銅、鎂、錳和鐵，這些物質(zhì)能產(chǎn)生原電池效應(yīng)并促進對金屬表面的腐蝕。還知道適當厚度的生物膜沉積物在與器壁接觸的位置是厭氧的。在厭氧條件下，一些細菌分散了含氧的化合物，從而得到了新陳代謝的氧并產(chǎn)生了硫化氫作為副產(chǎn)品。硫化氫又與水中的其他產(chǎn)物相結(jié)合形成局部濃度的酸，該酸進一步增加了生物膜的腐蝕作用。其他細菌能直接從鋼鐵中分離它們新陳代謝所需要的碳，因而也會產(chǎn)生嚴重的腐蝕。因而，去除生物膜對于防止腐蝕過濾膜、管道和設(shè)備也是重要的。
進料流中的微生物和膠狀顆粒的表面電荷很可能影響微生物粘著過程的主要步驟。由于大多數(shù)細菌在水合系統(tǒng)里帶微量負電荷，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)它們最初粘著到膜上要受到電解質(zhì)濃度的影響，也就是說，要受到所述細菌周圍的電荷分布的影響。因而，相信這一性質(zhì)提供了一個控制膜的生物結(jié)垢的可能。通過防止細菌和礦物質(zhì)沉積物的形成或粘著在膜的表面上，生物結(jié)垢所需的起始步驟將不會發(fā)生。因而，生物結(jié)垢現(xiàn)象將大大地減少。
許多有機和礦物質(zhì)膠狀顆粒在含水環(huán)境里帶負電荷，這促使它們相互排斥并維持穩(wěn)定的分散狀態(tài)，這種分散狀態(tài)表現(xiàn)了它們的特征。膠狀顆粒的電化學(xué)分散狀態(tài)已經(jīng)被研究了多年。人們創(chuàng)建了幾種模型(如雙電層理論和DLVO理論)來解釋膠體的穩(wěn)定性。所述雙電層模型預(yù)言，當懸浮的顆粒存在于液相時，在每個顆粒的表面有一個內(nèi)部的厚層，該內(nèi)層由顆粒所帶電荷吸引溶液中的離子組成，在該懸浮物所處的物理和化學(xué)條件下該內(nèi)層顯示了一種與顆粒自身的自由電荷相對的電荷。相反極性的外層也由溶液中的離子組成，在距離所述顆粒表面的一定距離之內(nèi)發(fā)生擴散。在本領(lǐng)域中兩層之間的凈電勢通常指ζ電勢，該電勢抵消了顆粒之間相互吸引的范德華力。如果外層擴散至足夠大的半徑，那么將增加ζ電勢的影響，顆粒彼此被分開并保持穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)。另一方面，如果外層的擴散半徑被降至范德華力占優(yōu)勢的位置，那么顆粒將被吸引到一起而形成聚集物，該聚集物易于從液相中分離出來。
本發(fā)明基于如下想法影響RO設(shè)備進料流中存在的顆粒(尤其是膠狀生物顆粒)的表面電荷，為了將它們分散開來而施加一個很強的電容靜電場。膠體的分散已經(jīng)被認為是一種維持RO膜免受膠狀結(jié)垢的手段。然而，目前增加膠體和膜的表面電荷的每種嘗試都是通過使用化學(xué)分散劑，并且效果有限。象圖9中介紹的RO系統(tǒng)90的示意圖，本發(fā)明通過將靜電發(fā)生器10(其詳細描述參見上面的圖5和6)與傳統(tǒng)處理裝置中反滲透設(shè)備72的進料流相連。相信該電容靜電發(fā)生器作為一種替代方式，替代一個與組成無關(guān)的懸浮顆粒的天然外層電荷密度。具體地說，通過應(yīng)用高電壓電容靜電場所述ζ電勢會增加。所述靜電發(fā)生器10的導(dǎo)電材料20與接地管壁形成一個電容器，該電容器產(chǎn)生一個通過水流的電場，該電場是施加的電動勢、系統(tǒng)容積、及陶瓷管12和水溶液介電性質(zhì)的函數(shù)。在足夠高DC電壓的情況下，該電容電荷產(chǎn)生一個通過水體的電場，該電場影響了所有濕表面的表面電荷，不論是固定的還是懸浮的。在實際應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)在工業(yè)應(yīng)用中為了影響RO性能，DC電壓至少約為10,000V，優(yōu)選大于30,000V。如果需要的話還可以使用多個靜電電容器，從而維持一個通過流動水體的高靜電場。在大型設(shè)備中包括最高達12個電極的電池組經(jīng)過測試都取得了很大的成功。
實施圖9所示的總方案來驗證本發(fā)明的思路。此外，在濃縮液循環(huán)回路上加入澄清器/絮凝系統(tǒng)92以進一步提高回收率，基本上所有來自RO設(shè)備的濃縮廢液都可以循環(huán)。發(fā)現(xiàn)在所述RO系統(tǒng)中應(yīng)用高電壓產(chǎn)生的靜電場能產(chǎn)生富含膠體物的濃縮物，所述膠體物容易從水中分離出來而澄清了水，這已經(jīng)在美國專利5817224中得到證實。因而，在所述設(shè)備92中成功地分離出固體之后，有利地是所有的液體廢料都可再循環(huán)至泵80的入口側(cè)，剩下的泥渣只須從排放管82排出。
本發(fā)明的方法和設(shè)備在各種膜分離設(shè)備在工業(yè)條件下進行了測試，如下面實施例所描述的。
通過在約30,000V DC下對靜電電容器充電進行所述測試，并維持所產(chǎn)生的靜電持續(xù)到所述測試的整個操作期間(超過三個月)。所得到的結(jié)果顯示滲透回收速度具有顯著的增加，如圖10和11中的曲線所示。所述回收速度在測試期之前平均為77.26％(參見圖11的曲線100)，所述回收速度為滲透產(chǎn)生的水量相對于系統(tǒng)進料水量的百分數(shù)；鹽濾去量平均為97.50％(參見圖11中的曲線102)；及所述膜的壓降平均為490kPa(參見圖10中的曲線104)。安裝了所述設(shè)備10之后，這些同樣的參數(shù)值分別為79.50％、97.00％和474kPa，顯示了回收速度增加約3％，這是膜性能增加的結(jié)果(沒有濃縮回收步驟)。
在進行所述測試之前，每三到四個月須要對設(shè)備中的膜進行例行清洗，常常發(fā)現(xiàn)在膜和容器的內(nèi)壁都覆蓋了大量的殘渣膜。在每次測試期的末尾，容器中的一個被打開進行目視檢查，在容器的壁上沒有發(fā)現(xiàn)生物沉積物；同樣地，在所述膜體也和容器表面一樣沒有發(fā)現(xiàn)生物膜、腐蝕和結(jié)垢。最初的測試期終止之后兩個月，即使膜的性能沒有下降也要對所述膜進行預(yù)防性維護的清洗。象期望的那樣，所述膜的性能不因清洗周期而提高，這證實了所述膜在整個處理期間及之后仍然保持了潔凈。這不同于以往的清洗經(jīng)驗，清洗后膜的性能顯著地增加并在清洗周期之前平穩(wěn)地下降。然后所述處理重新開始并長期地持續(xù)下去，沒有生物結(jié)垢的跡象。
試驗在約35,000V DC下開始后三周，將每個設(shè)備的容器打開進行檢查。當所述膜被除去時，相對于過去的檢查，在任何一個濕表面上沒有發(fā)現(xiàn)沉積物。以前，通常發(fā)現(xiàn)有一個厚厚的殘渣層遍及所述系統(tǒng)。所述系統(tǒng)的性能沒有變壞，系統(tǒng)產(chǎn)量得到提高(伴隨著化學(xué)分散劑使用量的減少)，并且不會影響生產(chǎn)的速度。
檢查該車間的歷史記錄發(fā)現(xiàn)膜的頻繁清洗不能有效地阻止所述系統(tǒng)性能的下降。一般地，膜的清洗導(dǎo)致所述系統(tǒng)在較低的進料壓力和較低的橫跨膜壓降下操作，同時增加了滲透流。如圖12和13所示的那樣，本發(fā)明的試驗開始之后，來自兩個設(shè)備(曲線106和108)的滲透流開始呈上升趨勢，即使兩個系統(tǒng)(曲線110和112)的進料壓力被穩(wěn)定在一個比以前更低的水平。裝配了靜電設(shè)備之后所述第一RO設(shè)備即刻發(fā)生變化，包括增加了7.6％的滲透流，從平均92gpm到平均99gpm(圖12的曲線106)；平均進料壓力下降了13.6％，從308psi降至266psi(曲線110)以及平均壓差降低了16.4％，從216psi降至183psi(曲線114)。同樣地，在開始所述試驗之前第二RO設(shè)備在相當穩(wěn)定的進料壓力下，其滲透流顯示了持續(xù)地下降趨勢，但是其后產(chǎn)量開始增加(見圖13的曲線108)。所述設(shè)備出現(xiàn)了與膜上結(jié)垢層的存在相聯(lián)系地壓力波動(見曲線116)，但是在裝配了靜電電容器之后結(jié)垢立即消失，在所述試驗的前三周內(nèi)檢查發(fā)現(xiàn)所存在的沉積物減少了。
因此，由這些RO設(shè)備的試驗結(jié)果清楚地顯示成功地防止了膜的結(jié)垢，甚至消除了已存在的污垢。所述系統(tǒng)中的兩個RO設(shè)備在裝配了本發(fā)明的設(shè)備之后都立即停止了結(jié)垢，該設(shè)備作為對水進行預(yù)處理的設(shè)備。
在兩個設(shè)備上結(jié)垢的膜通常每三個月用干凈的模件替換，及將結(jié)垢的模件從設(shè)備中取出進行清洗。安裝高電壓電源和本發(fā)明的電極并在30,000V DC條件下操作27天。在操作的第六天，所述電子處理系統(tǒng)被關(guān)閉4小時，然后開始“撞搖”該系統(tǒng)，這種方法在本領(lǐng)域是已知的，該方法能加快膜的凈化。結(jié)果即使進料壓力已經(jīng)顯著地降低，該滲透也會在兩個容器中加快進行。如在圖14中介紹的，裝配了新膜之設(shè)備的進料壓力從平均260psi下降到平均248psi(曲線118)，下降了4.6％，及滲透速度從平均153gpm增加到平均163gpm，增加了6.1％(見曲線120)。如圖15所示，第二設(shè)備使用結(jié)垢的膜進行操作，其進料壓力(見曲線122)減少10％，這使所述系統(tǒng)更接近于設(shè)計的操作條件。在裝配靜電設(shè)備之前，所述設(shè)備的進料壓力已經(jīng)超過300psi，而不是設(shè)計的操作條件250psi裝配該靜電設(shè)備之后七天，所述進料壓力減至270psi。即使進料壓力降低，滲透流也從平均125gpm增加到平均135gpm(見曲線124)。
為了證實這個結(jié)果，在27天的試驗之后電力供應(yīng)被切斷。在本發(fā)明的電容器被關(guān)閉之后，兩個系統(tǒng)(尤其是第二RO設(shè)備)在五天內(nèi)都顯示了膜結(jié)垢的跡象。所述電容靜電設(shè)備失去作用之后30天，第一設(shè)備的滲透流繼續(xù)下降，從160gpm降至150gpm(見圖14)，即使所述設(shè)備的進料壓力被增加至255psi。在沒有設(shè)備10的情況下操作30天之后，即使進料壓力被增加至350psi，第二反滲透設(shè)備的滲透流也降至低于90gpm的水平(見圖15)。象在其他系統(tǒng)的測試過程中經(jīng)歷的那樣，所述回收率和鹽濾去速度顯示了同樣的趨勢。在停止靜電處理之后對于兩個反滲透設(shè)備來說回收速度明顯地下降，這顯示了漸進式膜結(jié)垢的明顯開始。
在調(diào)節(jié)裝置中進一步研究本發(fā)明的思想，以證實靜電場對膜處理步驟中污垢積聚的影響。用地下水和地表水測試一次通過的設(shè)計和再循環(huán)流動的設(shè)計。使用上面所描述的電極設(shè)備10以增強在電接地工藝管道中的靜電場。結(jié)果證實通過安裝本發(fā)明提供的裝置可有效地防止在膜和管面上發(fā)生生物生長；減少了用于污垢控制的化學(xué)物質(zhì)；防止在膜面上形成堅固的污垢；及通過使用廢水循環(huán)工藝增加反滲透回收率。
該試驗的另一個目的是增加所述RO設(shè)備的回收率。因此，濃縮廢水通過一個澄清器和絮凝裝置以降低其中所含沉淀的硬組分，然后再循環(huán)至進料端以增加滲透回收率。對所述沉淀物經(jīng)過絮凝和澄清處理之后，該濃縮物流剩余硬度以碳酸鈣計降到約30-50ppm，而TDS仍維持在約150ppm。注意到這種水的水質(zhì)好于起初送至所述RO設(shè)備的水質(zhì)。因而，有利地是可以將來自固體分離設(shè)備的溢流和上清液廢液再循環(huán)并與所述設(shè)備的進料流混合，這樣可以將所述RO設(shè)備進料的硬度降至約650ppm。此外，在澄清器和絮凝設(shè)備中產(chǎn)生的并需要進行處理的固體和污泥量也減少了。由于再循環(huán)回路的使用，在穩(wěn)定操作的幾天期間，所述RO設(shè)備的回收率一致地增加到約95％，處理后的廢鹽水到達排放管的量約下降到常規(guī)操作的20％。
該實施例還證實了在膜分離系統(tǒng)中使用高電壓電容靜電場能改變所述膜設(shè)備的結(jié)垢特性，進行預(yù)定的沖洗便能將它們的性能恢復(fù)到設(shè)計水平。由于所述用于試驗的RO系統(tǒng)已經(jīng)運轉(zhuǎn)了很長一段時間，所以全部回收是很困難的。本發(fā)明能始終獲得大于95％的回收率，并證實了使用所述靜電設(shè)備10能阻止生物活性，避免了在處理設(shè)備上形成生物膜，及除去預(yù)先存在的積聚在膜面上的污垢。
應(yīng)該注意到一般的RO設(shè)備濃縮物不宜于進行澄清處理，因為該溶液雖然TDS含量很高但是十分清澈(它不含任何懸浮的沉積物)。同樣地，不適宜對它們進行絮凝處理，因為其包含的固體主要被溶解掉而不是處于懸浮狀態(tài)。根據(jù)本發(fā)明由于使用了很高的電容靜電場，通常沉積在RO膜上的礦物顆粒和有機顆粒仍然是懸浮的，并且在所述濃縮的廢液中這些顆粒最終是可見的顆粒。這種渾濁的濃縮液很容易被澄清和絮凝，尤其是因為它在前與靜電場的接觸，這具體地公開在美國專利5817224中。因此，可以除去該濃縮物流所含的大部分固體并重新使用，從而可以得到更多的滲透物。同時，這樣除去的固體還包括通常粘著在系統(tǒng)膜之上的生物膜料和細菌，因而能改善這些設(shè)備的性能、維護要求及提高其使用壽命。
因此，發(fā)現(xiàn)在包含生物源(origin)沉積物的水系統(tǒng)中在高DC電壓下使用所述設(shè)備10，能夠促使沉積物溶解并容易地除去。相信這種效果源于兩個不同的現(xiàn)象。一個現(xiàn)象是濕表面上表面電荷的增加，包括圍繞每個顆粒的雙電層ζ電勢的增加，這會增加顆粒的斥力并相應(yīng)地減小了顆粒的積聚、結(jié)垢和膜的堵塞。另一個現(xiàn)象與本發(fā)明的發(fā)現(xiàn)密不可分，即高電壓靜電場降低了本體溶液的表面張力，這促使已經(jīng)存在的生物膜進一步水合。結(jié)果生物膜變得脆弱、被溶脹并容易地通過湍流和其他作用于其上的機械作用被分裂掉。還令人相信地是通常生物膜中包含的顆粒在雙電層結(jié)構(gòu)中得到的細菌營養(yǎng)不會到達懸浮的細菌，從而使得細菌失去了繁殖和再生的能力。因而由于饑餓，該細菌或者死掉，或者由水流從所述系統(tǒng)帶走。
前面對本發(fā)明作用機理的解釋被進一步地在實驗室中進行試驗，在試驗中使用一個控制膜設(shè)備130、一個試驗?zāi)ぴO(shè)備140，分別如圖16、17中所示。兩個圖表示一個由Robbins設(shè)備組成的實驗室反滲透裝置的示意圖，所述Robbins設(shè)備裝配了醋酸纖維素膜試管。圖16中用于控制目的的設(shè)備130包括帶有膜分離元件的Robbins設(shè)備132。通過循環(huán)管136和具有膜處理的Robbins設(shè)備132將富營養(yǎng)液從含有金屬的水槽134中吸出。參照圖17，所述系統(tǒng)140基本上與圖16的系統(tǒng)相同，但是一個電極(如上面所描述的設(shè)備10)被插入所述金屬水槽134中。一個電源142被用來驅(qū)動靜電設(shè)備10。所述水槽134以傳統(tǒng)的方式在144接地。用所述系統(tǒng)140測試本發(fā)明的方法降低細菌在膜上積累(及相應(yīng)地生物膜形成)這一功效。
為了確定電容設(shè)備10產(chǎn)生的靜電分散效應(yīng)是否能阻止生物生長并降低膜在富營養(yǎng)環(huán)境下的生物結(jié)垢，在系統(tǒng)130和140中處理富營養(yǎng)液。為此目的，所制備的溶液混合了自來水和0.1wt％的葡萄糖、1mg/L的硝酸鹽和0.1mg/L的正磷酸鹽以提高原有細菌的生長速度，從而使得所述試驗可以在一個現(xiàn)實可行的時段內(nèi)完成。通過該方案，這種溶液被制備，從而產(chǎn)生一個超乎現(xiàn)實的高細菌量，在實際的水處理設(shè)備中這是從來不會出現(xiàn)的(48小時后，細菌量已經(jīng)提前達到污水處理量的水平)。通過一個30kV DC電源向所述靜電設(shè)備10供電，及通過每個Robbins設(shè)備回路的流體以3-4ml/min的速度再循環(huán)，每隔約48小時加入自來水以防止所試驗細菌群落的死亡。每48個小時在新自來水樣和將被轉(zhuǎn)移的舊水樣中完成活細菌殖數(shù)。在24小時、48小時和7天的試驗后帶有膜試管的塞子被移走。在每個試驗段內(nèi)，試管在控制和試驗設(shè)備內(nèi)被測試三次。此外，在零時刻，測試一個試管以用于本底計數(shù)。這些試驗由活細菌殖數(shù)組成，用滅菌鹽溶液輕輕地洗滌膜表面，在滅菌鹽溶液中用滅菌玻璃球有力地攪動所述膜試管，及完成活細菌殖數(shù)。在R2A Agar上用分散培養(yǎng)皿法完成所有細菌殖數(shù)，并在27℃下培育5到7天。具體的細菌是不同的。
這些試驗結(jié)果顯示，在24小時之后試驗回路140的膜試管表面相對于對比試管的表面具有顯著降低的生物膜。在48小時和7天后，在所述對比和試驗試管之間沒有顯著的不同。在這些最后的樣品中，兩個水槽中細菌的數(shù)量沒有顯著的不同，基于在進料溶液中人工制造的很高數(shù)量這是期望的。因此，由圖16和17的試驗結(jié)果證實高電壓靜電場在工業(yè)水處理系統(tǒng)中的作用，即使它具有很高的細菌群密度。這證實了本發(fā)明的電子處理設(shè)備能作為控制生物膜的有效手段。
參照總流程圖9，注意到幾個試驗在濃縮流的循環(huán)量高于80％的情況下進行。結(jié)果，所述RO設(shè)備能達到高于95％的回收率并維持設(shè)備長時間地使用。此前在本領(lǐng)域中該結(jié)果是不可能的。
對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，可以對已經(jīng)描述的詳細情況、步驟和材料作出不同的變換，但是它們同樣落在本發(fā)明的精神和保護范圍之內(nèi)，保護的內(nèi)容被描述在下面的權(quán)利要求書中。例如，發(fā)現(xiàn)在進行處理的水體中本發(fā)明電容靜電設(shè)備的精確設(shè)置不是關(guān)鍵，只要所得到的電場伸過所述分離膜。因此，如果所述設(shè)備被安放在靠近所述膜下游的位置，基本上能達到同樣的結(jié)果。
另外重要的是發(fā)現(xiàn)本發(fā)明依賴以下事實高電壓電容靜電場破壞生物生長并消滅來自載體液的生物膜，及最重要的是生物膜還來自它們易于粘著其上的底材。因此，本發(fā)明不應(yīng)被認為僅僅適用于膜分離系統(tǒng)，雖然這些系統(tǒng)已經(jīng)在這里被使用和描述以證實其有效性。
因此，雖然這里就最實際和優(yōu)選的實施方案對本發(fā)明作出了描述，但是應(yīng)該認識到本發(fā)明可以在其保護范圍內(nèi)作出不同的變形，所作變形并不局限于這里公開的細節(jié)，而是根據(jù)權(quán)利要求的總體保護范圍，只要保護內(nèi)容包含相當?shù)脑O(shè)備和方法。
權(quán)利要求
1.一種提高膜分離工藝的效率的方法，包括以下步驟提供一個適宜產(chǎn)生靜電場的電容靜電發(fā)生器；將所述靜電發(fā)生器浸入到流向膜分離設(shè)備的液流中，與地線相連的液體與用來給靜電發(fā)生器通電的電動勢相對；及用所述電壓高于約10,000伏的電動勢給所述靜電發(fā)生器通電，從而在浸入液體中的所述發(fā)生器與所述地線之間產(chǎn)生一個靜電場。
2.如權(quán)利要求1的方法，其中所述液體是水。
3.如權(quán)利要求1的方法，其中所述膜分離設(shè)備包括一種反滲透膜。
4.如權(quán)利要求1的方法，其中所述膜分離設(shè)備包括一種超濾膜。
5.如權(quán)利要求1的方法，其中所述膜分離設(shè)備包括一種納米過濾膜。
6.如權(quán)利要求1的方法，其中所述膜分離工藝效率的提高是通過在所述膜分離設(shè)備中減少生物膜沉積物的形成。
7.如權(quán)利要求1的方法，其中所述膜分離工藝效率的提高是通過降低對所述膜分離設(shè)備內(nèi)金屬表面的腐蝕。
8.如權(quán)利要求1的方法，其中所述靜電發(fā)生器包括一個單片式結(jié)構(gòu)的玻璃化陶瓷管，所述陶瓷管一端完全封閉以與內(nèi)壁圍成一個內(nèi)室；包含在所述內(nèi)室的導(dǎo)電材料與所述內(nèi)室緊密接觸；不導(dǎo)電的密封設(shè)備用于密封所述內(nèi)室；及用靜電動勢對所述導(dǎo)電材料通電的電氣設(shè)備。
9.一種在水處理系統(tǒng)中減少生物膜沉積物形成的方法，包括以下步驟提供一個適宜產(chǎn)生靜電場的電容靜電發(fā)生器；將所述靜電發(fā)生器浸入到流向膜分離設(shè)備的水流本體中，與地線相連的水與用來給靜電發(fā)生器通電的電動勢相對；及用所述電壓高于約10,000伏的電動勢對所述靜電發(fā)生器通電，從而在浸入水體中的所述發(fā)生器與所述地線之間產(chǎn)生一個靜電場。
10.如權(quán)利要求9的方法，其中所述水處理系統(tǒng)包括一種反滲透膜。
11.如權(quán)利要求9的方法，其中所述水處理系統(tǒng)包括一種超濾膜。
12.如權(quán)利要求9的方法，其中所述水處理系統(tǒng)包括一種納米過濾膜。
13.如權(quán)利要求9的方法，其中所述靜電發(fā)生器包括一個單片式結(jié)構(gòu)的玻璃化陶瓷管，所述陶瓷管一端完全封閉以與內(nèi)壁圍成一個內(nèi)室；包含在所述內(nèi)室的導(dǎo)電材料與所述內(nèi)室緊密接觸；不導(dǎo)電的密封設(shè)備用于密封所述內(nèi)室；及用靜電動勢對所述導(dǎo)電材料通電的電氣設(shè)備。
14.一種在水處理系統(tǒng)中減少對金屬表面的腐蝕的方法，包括以下步驟提供一個適宜產(chǎn)生靜電場的電容靜電發(fā)生器；將所述靜電發(fā)生器浸入到流向膜分離設(shè)備的水流本體中，與地線相連的處理系統(tǒng)與用來給靜電發(fā)生器通電的電動勢相對；及用所述電壓高于約10,000伏的電動勢對所述靜電發(fā)生器通電，從而在浸入水體中的所述發(fā)生器與所述地線之間產(chǎn)生一個靜電場。
15.如權(quán)利要求14的方法，其中所述水處理系統(tǒng)包括一種反滲透膜。
16.如權(quán)利要求14的方法，其中所述水處理系統(tǒng)包括一種超濾膜。
17.如權(quán)利要求14的方法，其中所述水處理系統(tǒng)包括一種納米過濾膜。
18.如權(quán)利要求14的方法，其中所述靜電發(fā)生器包括一個單片式結(jié)構(gòu)的玻璃化陶瓷管，所述陶瓷管一端完全封閉以與內(nèi)壁圍成一個內(nèi)室；包含在所述內(nèi)室的導(dǎo)電材料與所述內(nèi)室緊密接觸；不導(dǎo)電的密封設(shè)備用于密封所述內(nèi)室；及用靜電動勢對所述導(dǎo)電材料通電的電氣設(shè)備。
19.一種膜分離裝置，包括膜分離單元；用于輸入通過所述膜分離設(shè)備的液流的單元；浸入液體中的電容靜電發(fā)生器；與所述液體相連的地線；及應(yīng)用高于約10,000V的電動勢對所述靜電發(fā)生器通電從而在液體中產(chǎn)生靜電場的電源。
20.如權(quán)利要求19的裝置，其中所述液體是水。
21.如權(quán)利要求19的裝置，其中所述膜分離設(shè)備包括一種反滲透膜。
22.如權(quán)利要求19的裝置，其中所述膜分離設(shè)備包括一種超濾膜。
23.如權(quán)利要求19的裝置，其中所述膜分離設(shè)備包括一種納米過濾膜。
24.一種在水系統(tǒng)的壁上減少生物膜沉積物形成的方法，包括以下步驟提供一個適宜于產(chǎn)生靜電場的電容靜電發(fā)生器；將所述靜電發(fā)生器浸入所述水系統(tǒng)的水體中，與地線相連的水系統(tǒng)與用來給靜電發(fā)生器通電的電動勢相對；及用所述電壓高于約10,000伏的電動勢對所述靜電發(fā)生器通電，從而在浸入該水系統(tǒng)的所述發(fā)生器與所述地線之間產(chǎn)生一個靜電場。
全文摘要
一種用于提高膜分離系統(tǒng)(70、90)(尤其是反滲透裝置)的性能的高電壓靜電設(shè)備(10),其中特定離子極性的物質(zhì)從水中被分離出來。所述設(shè)備(10)浸入通過膜(74)的水流中并持續(xù)地在高電壓下操作,所述電壓優(yōu)選高于30,000V DC。使用這樣產(chǎn)生的靜電場能改變懸浮顆粒濕表面的電荷,并發(fā)現(xiàn)能減少生物膜的形成,因而大大地提高了所述膜分離系統(tǒng)(70、90)的性能。所述高電壓靜電場的使用還能減少對系統(tǒng)中金屬表面的腐蝕。
文檔編號C25F1/00GK1379697SQ00814235
公開日2002年11月13日 申請日期2000年10月10日 優(yōu)先權(quán)日1999年10月12日
發(fā)明者M·邁克爾·皮茨, 羅德里戈·F·V·魯姆 申請人:M·邁克爾·皮茨