專利名稱：水凈化系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種水凈化系統(tǒng)及其方法，尤其涉及一種通過使用電離器和臭氧處理來分解和氧化水中不可分解的污染物質(zhì)，來凈化污水的系統(tǒng)及其方法。
既然無論加入氯、聚電解質(zhì)，還是絮凝劑來殺滅微生物或除去金屬或化合物的污水處理系統(tǒng)，都需要在它們使用之前生產(chǎn)出這些物料，因此從生態(tài)的角度講，人們希望得到一種能夠盡可能減少在水處理過程中這些材料的使用量的水處理系統(tǒng)，從而能夠進(jìn)一步減少這些材料的生產(chǎn)量。
氯氣常用來對(duì)家庭用水和廢水的消毒處理，然而，已經(jīng)表明氯氣可以和存在于水中的腐殖質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生與動(dòng)物體內(nèi)的致癌物質(zhì)是一樣的三鹵甲烷(THM)，即三氯甲烷。
有時(shí)電化學(xué)方法也被用于去除或分解水中的雜質(zhì)，可以使用陽極氧化方法來破壞水中的氰化物和苯酚類、銨和有機(jī)染料。
雖然早在1903年臭氧就被用來處理飲用水，但很多人只考慮到其作為消毒劑的使用，并沒有利用臭氧的高活性氧化質(zhì)量。換句話說，習(xí)慣上臭氧是被用來殺菌，而不是輔助分解和/或除去污染物。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一個(gè)電離器，該電離器能夠通過施加一高頻高電壓電源來誘發(fā)和加速出射電子，從而電離或分解水中不可降解的物質(zhì)。
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式的一個(gè)突出的有益特征是該發(fā)明可以應(yīng)用于各種不同類型的水處理，包括但不限于飲用水處理、廢水處理、家庭用水處理以及工業(yè)或畜牧業(yè)的水處理應(yīng)用。
為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的這些目的和其它的目的，以及其相關(guān)特征，在此作廣泛的描述，本發(fā)明包括至少一個(gè)電離器，該電離器包括一個(gè)圓柱狀的筒體，該簡(jiǎn)體具有一個(gè)水流進(jìn)口和一個(gè)水流出口；至少一個(gè)陽極棒，該陽極棒被一個(gè)同軸的圓柱狀絕緣護(hù)套所包圍；至少一個(gè)陰極棒，該陰極棒被一個(gè)同軸的圓柱狀絕緣護(hù)套所包圍；至少一個(gè)圓柱形網(wǎng)狀柵，該網(wǎng)狀柵與陰極同軸且被陰極所包圍；一個(gè)用來產(chǎn)生臭氧的臭氧發(fā)生器；和一個(gè)臭氧混合器，該臭氧混合器用來使水與臭氧發(fā)生器提供的臭氧相混合。
依照本發(fā)明的另一方面披露了一種水凈化方法，包括以下步驟(a)提供至少一個(gè)適于產(chǎn)生電場(chǎng)的電離器；(b)通過施加一高電壓來激勵(lì)電離器，從而產(chǎn)生一電場(chǎng)；(c)使水流經(jīng)過電離器，對(duì)水中不可降解的物質(zhì)進(jìn)行分解和氧化；(d)過濾上一步驟中產(chǎn)生的淤泥；和(e)向水中導(dǎo)入臭氧與水相混合。
另一方面，本發(fā)明提供了一種用于水凈化體統(tǒng)的電離器，包括一個(gè)圓柱狀的筒體，該圓柱狀的筒體具有能使水流進(jìn)和流出的一個(gè)進(jìn)口和一個(gè)出口，該簡(jiǎn)體使得水可以流經(jīng)從進(jìn)口到出口的流動(dòng)路程；至少一個(gè)陽極棒，該陽極棒被一同軸圓柱狀絕緣護(hù)套所包圍；至少一個(gè)陰極棒，該陰極棒被一同軸圓柱狀的絕緣護(hù)套所包圍；至少一個(gè)圓柱形網(wǎng)狀柵，該網(wǎng)狀柵與陰極同軸且被陰極所包圍；其中圓柱狀簡(jiǎn)體的兩端被一固定裝置覆蓋密封，形成與外界隔絕的不透水裝配。
前面對(duì)該發(fā)明的概括描述和下面對(duì)發(fā)明的詳細(xì)描述均為示范性的描述，其目是為了進(jìn)一步解釋本發(fā)明。


圖1為說明本發(fā)明中的水凈化系統(tǒng)的實(shí)施例的框圖；圖2為本發(fā)明中的電離器的斷面視圖；和圖3為說明本發(fā)明中的電離器的電極的構(gòu)造的透視圖。
參考圖1，對(duì)本發(fā)明優(yōu)選的水凈化系統(tǒng)的實(shí)施方式進(jìn)行解釋。如圖所示，水凈化系統(tǒng)包括許多個(gè)電離器11，許多個(gè)電源17以及一個(gè)第一過濾器12，其中每個(gè)電源均向每個(gè)電離器提供一個(gè)高頻高壓電源，該第一過濾器12用來過濾流過電離器11后水中的污染物和淤泥。該系統(tǒng)進(jìn)一步包括一個(gè)用來向水中引入臭氧的臭氧混合器13，一個(gè)用來向臭氧混合器13提供臭氧的臭氧發(fā)生器14，一個(gè)用來過濾流經(jīng)臭氧混合器13后水中的污染物和淤泥的第二過濾裝置15。該系統(tǒng)也可以包括一個(gè)磁化器，用來對(duì)水施加一磁場(chǎng)從而使水適于飲用。
一個(gè)水源(未示出)通過水管向多個(gè)的電離器11供給需要凈化的水，在電離器11中，通過高頻高壓電源產(chǎn)生的高能電場(chǎng)的作用下，水中包括不可降解的物質(zhì)在內(nèi)的污染物被電離和/或被分解。
參考圖2-3，依照本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方式，對(duì)電離器進(jìn)行詳細(xì)解釋。電離器11具有一個(gè)圓柱狀筒體21，該筒體具有可供水流進(jìn)和流出的一個(gè)進(jìn)口和出口，筒體21的結(jié)構(gòu)可以使水沿著從進(jìn)口22到出口23的路徑流過。
簡(jiǎn)體21中裝有多個(gè)電極，它們包括一個(gè)陰極棒和一個(gè)陽極棒。陰極棒26圍繞陽極棒27放置，雖然圖中只顯示了一個(gè)陽極棒，但存在放置多個(gè)陽極以及多個(gè)陰極圍繞陽極放置的可能性。每一個(gè)陰極棒26被一同軸圓柱狀絕緣護(hù)套24所包圍，該護(hù)套由諸如陶瓷或玻璃等材料制成，所以可以防止陰極26直接和水接觸，每一個(gè)陰極26的周圍有一個(gè)同軸圓柱形網(wǎng)狀柵。
陽極27也被一同軸圓柱狀絕緣護(hù)套28所包圍，該護(hù)套由與絕緣護(hù)套24相同的材料制成，所以也可以防止陽極直接與水接觸，圓柱狀筒體21的兩端均被一固定裝置器30覆蓋密封，以提供不透水裝配，固定裝置器30也可能支撐住電極、絕緣護(hù)套和網(wǎng)狀柵。
電源17產(chǎn)生在陰極26上激發(fā)電子感應(yīng)所必須的高電壓，電源17包括一個(gè)能夠?qū)⒌徒涣麟妷悍糯蟮酵ǔＴ?0至25KV之間的高整流電壓的變壓器，該低交流電壓可以是市售的如100V、220V、380V或者440V電壓。電源17進(jìn)一步包括一個(gè)頻率轉(zhuǎn)換電路，該電路由可以將頻率轉(zhuǎn)換為范圍在40到60KHz的高頻率的整流器和轉(zhuǎn)換器組成，如一個(gè)絕緣門控制雙極晶體管(IGBT)。
本發(fā)明的發(fā)明者通過大量的實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)注意到產(chǎn)生電子感應(yīng)范圍所需的電壓在大約10至25KV之間，而電壓一定時(shí)，在達(dá)到較高的極限頻率之前，誘發(fā)出的電子數(shù)量大約與頻率成正比。而可用來產(chǎn)生有效的電子感應(yīng)的可行的頻率范圍通常在40至60KHz之間。
電源17對(duì)電極施加一高電壓后，激發(fā)的電子從陰極中誘發(fā)出來，具體的講，電子是通過絕緣護(hù)套24誘發(fā)出來，然后通過網(wǎng)狀柵加速電子，該網(wǎng)狀柵最好是接地的。加速后的電子與水分子以及污染物發(fā)生碰撞，而使其電離或分解，具體說來，諸如重金屬、CFC、THM或其它物質(zhì)的不可降解的污染物，會(huì)在加速后的電子的轟擊下電離。
水分子與加速后的電子碰撞產(chǎn)生氫離子，氫離子可以按如下所示的方式來去除水中的氮
溶解在水中的重金屬如Ni和Cd也可以被加速電子電離，它們也可能與氫氧根離子(OH)結(jié)合，然后形成絮狀沉淀物。溶解在水中的有機(jī)物質(zhì)也可能被加速電子電離后與氫離子結(jié)合。
電離室21可以包括一個(gè)鋁層29，該鋁層位于電離室的內(nèi)表面墻上，可以除去水中的磷酸鹽，鋁層29優(yōu)選分布在電離室內(nèi)表面的周邊區(qū)域，且具有一個(gè)預(yù)定的寬度，鋁層的寬度范圍可以在電離室的部分長(zhǎng)度和電離室的全長(zhǎng)之間。
鋁層29被加速電子轟擊后電離，從而可以提供鋁離子Al3+，鋁離子可以與來自磷酸鹽的磷酸根離子結(jié)合
因?yàn)橛皖愇镔|(zhì)和粘土的表面帶負(fù)電荷，鋁離子也能與懸浮在水中的油類物質(zhì)或粘土結(jié)合。
雖然在最佳實(shí)施方式中公開的是每一個(gè)電離器配備一個(gè)能對(duì)其施加一個(gè)高電壓的電源，但在特定的應(yīng)用條件下，也可以只通過一個(gè)電源供電，激勵(lì)并聯(lián)的多個(gè)電離器。另外，可以根據(jù)各種應(yīng)用情況的需要來調(diào)整電離器的數(shù)量。
在電離器中產(chǎn)生的不溶產(chǎn)物，通過過濾從水中分離除去，也就是說，在電離器11中產(chǎn)生的多種不同種類的淤泥、絮狀物和沉淀物在流經(jīng)第一過濾器單元12時(shí)可以被除去。
然后水被提供給位于過濾器單元下游的臭氧混合器13，臭氧產(chǎn)生于臭氧發(fā)生器14中，再提供給臭氧混合器13。
在最佳實(shí)施方式中，臭氧發(fā)生器14可以為電暈放電型發(fā)生器，電暈放電型臭氧發(fā)生器14通過向起始?xì)怏w施加高能電場(chǎng)，其中起始?xì)怏w可以是過濾過的空氣，或者是PSA(壓力漲落吸附)型氧氣發(fā)生裝置產(chǎn)生的氧氣。其中一種典型的強(qiáng)電場(chǎng)是由一個(gè)變壓器、整流器和一個(gè)如絕緣門控制雙極晶體管(IGBT)的轉(zhuǎn)換器組成的電源(未顯示)供給的。該電源將低交流電壓轉(zhuǎn)換成足夠裂化氧氣分子的15KV，頻率為1000Hz的高整流電壓，該低交流電壓可以是市售的電壓，如頻率為50Hz/60Hz，電壓為100V、220V、380V或440V。高整流電壓提供給一個(gè)為正，另一個(gè)為負(fù)的兩個(gè)電極，該兩個(gè)電極組成一種電容器，該電容器通常包括兩個(gè)平行的板、同心圓筒或一些能使兩電極間距離為一常數(shù)的其它幾何形狀。臭氧發(fā)生器14也可以作調(diào)整，以相似的結(jié)構(gòu)來描述，在此將不對(duì)其作進(jìn)一步的描述。
臭氧發(fā)生器14產(chǎn)生的臭氧被提供給臭氧混合器13，該臭氧混合器可以為一靜態(tài)型輸送管線混合器或其它類型的混合器。然后經(jīng)過濾過的水與臭氧相混合，并滯留在臭氧混合器中一預(yù)定的時(shí)間，最好為幾分鐘。
在這一使水與臭氧結(jié)合的工序中，起到氧化水中有機(jī)成分、凝固細(xì)小顆粒來提高下游的過濾效果，以及從物理上殺滅存在于水中的大部分細(xì)菌、病毒和其它微生物的作用，也就是說，臭氧起到一種不產(chǎn)生有毒副產(chǎn)物的強(qiáng)氧化劑、絮凝劑和消毒劑的作用。
第二過濾器裝置15具有多個(gè)多孔的陶瓷過濾器，該種過濾器能夠除去粒徑在1um到0.01um范圍內(nèi)的細(xì)小微粒，在優(yōu)選的實(shí)施方式中，第二過濾器裝置15可以有三個(gè)能夠分別在1um、0.1um和0.01um粒徑范圍內(nèi)過濾的過濾器。在臭氧混合器13中形成的各種各樣的淤泥、絮凝物和沉淀物可以在流經(jīng)第二過濾裝置15后被除去。
雖然本發(fā)明的操作本身并不一定需要，但已觀察到，如在凈化水出口處安裝一塊磁鐵可以提高本發(fā)明的應(yīng)用效果。磁化器16具有至少一個(gè)磁鐵，用來對(duì)過濾過的水產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)。由于當(dāng)水流經(jīng)電離器11中的高能電場(chǎng)時(shí)，一般說來水會(huì)變成無結(jié)構(gòu)的。而當(dāng)流經(jīng)磁化器16產(chǎn)生的磁場(chǎng)時(shí)，水會(huì)呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)上適于飲用的六邊的，六角形的結(jié)構(gòu)。研究表明人體健康細(xì)胞周圍環(huán)繞的體液也呈現(xiàn)出六角形分子結(jié)構(gòu)。六角形結(jié)構(gòu)的水，因?yàn)榕c人體液相匹配，能夠產(chǎn)生穩(wěn)定性，從而有利于人體和健康。
表1表明使用本發(fā)明的水凈化系統(tǒng)凈化后得到的結(jié)果，可以注意到，在使用本發(fā)明處理后的水中，污染物含量減少，水的純度提高。
表1

對(duì)于本發(fā)明所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，未脫離本發(fā)明精神和范圍的各種對(duì)本發(fā)明裝置的改動(dòng)或變化是顯而易見的，所以本發(fā)明的保護(hù)范圍覆蓋落入本發(fā)明的從屬權(quán)利要求及其等同權(quán)利要求之內(nèi)的對(duì)本發(fā)明的變動(dòng)或修改。
權(quán)利要求
1.一種水凈化系統(tǒng)，包括至少一個(gè)電離器，該電離器包括一個(gè)圓柱狀的室，該室具有供水能從中流進(jìn)和流出的一個(gè)進(jìn)口和一個(gè)出口；至少一個(gè)陽極棒，該陽極棒被一個(gè)同軸的圓柱狀絕緣護(hù)套所包圍；至少一個(gè)陰極棒，該陰極棒被一個(gè)同軸的圓柱狀絕緣護(hù)套所包圍；至少一個(gè)圓柱狀網(wǎng)狀柵，該網(wǎng)狀柵與陰極同軸且被陰極所包圍；和一個(gè)用來產(chǎn)生臭氧的臭氧發(fā)生器；和一個(gè)臭氧混合器，該臭氧混合器用來使水與臭氧發(fā)生器提供的臭氧相混合。
2.如權(quán)利要求1所述的水凈化系統(tǒng)，其特征在于所述的臭氧發(fā)生器為電暈放電型。
3.如權(quán)利要求1所述的水凈化系統(tǒng)，其特征在于所述的臭氧混合器為靜態(tài)型流動(dòng)混合器。
4.如權(quán)利要求1所述的水凈化系統(tǒng)，其特征在于進(jìn)一步包括過濾裝置，該過濾裝置位于電離器的下游和臭氧混合器的上游，用于去除懸浮在經(jīng)電離器處理后的水中的淤渣、絮凝物和沉降物。
5.如權(quán)利要求1所述的水凈化系統(tǒng)，其特征在于進(jìn)一步包括過濾裝置，該過濾裝置位于臭氧混合器的下游，用于去除懸浮在流經(jīng)臭氧混合器后的水中的淤渣、絮凝物和沉降物。
6.如權(quán)利要求1所述的水凈化系統(tǒng)，其特征在于進(jìn)一步包括磁化裝置，該磁化裝置位于臭氧混合器的下游，用于對(duì)流經(jīng)臭氧混合器后的水施加一磁場(chǎng)。
7.如權(quán)利要求1所述的水凈化系統(tǒng)，其特征在于所述電離器被施加的高電壓范圍在1-25KV之間，頻率在40～60KHz之間。
8.一種用于水凈化系統(tǒng)的電離器，包括一個(gè)圓柱狀的室，該圓柱狀的室具有能使水流進(jìn)和流出的一個(gè)進(jìn)口和一個(gè)出口，該室使得水可以流經(jīng)從進(jìn)口到出口的路徑；至少一個(gè)陽極棒，該陽極棒被一同軸圓柱狀絕緣護(hù)套所包圍；至少一個(gè)陰極棒，該陰極棒被一同軸圓柱狀的絕緣護(hù)套所包圍；和至少一個(gè)圓柱狀網(wǎng)狀柵，該網(wǎng)狀柵與陰極同軸且被陰極所包圍，其中圓柱狀室的兩端被一固定裝置器覆蓋密封，以提供一防水配合。
9.如權(quán)利要求8所述的電離器，其特征在于圓柱狀室的內(nèi)表面上有一鋁層。
10.如權(quán)利要求9所述的電離器，其特征在于鋁層分布在沿所述室的內(nèi)表面的內(nèi)周邊區(qū)域，且具有一個(gè)預(yù)定的寬度。
11.如權(quán)利要求8所述的電離器，其特征在于電離器被施加的高電壓范圍在10～25KV之間，頻率在40～60KHz之間。
12.如權(quán)利要求11所述的電離器，其特征在于所述的網(wǎng)狀柵接地。
13.如權(quán)利要求8所述的電離器，其特征在于所述絕緣護(hù)套的材質(zhì)是陶瓷或者玻璃。
14.一種凈化水的方法，包括(a)提供至少一個(gè)適于產(chǎn)生電場(chǎng)的電離器；(b)通過施加一高電壓激活電離器從而產(chǎn)生一電場(chǎng)；(c)使水流經(jīng)電離器，進(jìn)行對(duì)水中不可分解的物質(zhì)的分解和氧化；(d)過濾上一步驟中產(chǎn)生的淤渣；(e)向水中導(dǎo)入臭氧與水相混合；
15.如權(quán)利要求14所述的水凈化方法，其特征在于在激活步驟(b)中，電離器被施加的高電壓范圍在10～25KV之間，頻率在40～60KHz之間。
16.如權(quán)利要求14所述的水凈化方法，其特征在于在步驟(e)所述的導(dǎo)入臭氧之后，進(jìn)一步包括步驟過濾在上一步驟中產(chǎn)生的淤渣。
17.如權(quán)利要求16所述的水凈化方法，其特征在于進(jìn)一步包括步驟對(duì)水施加一磁場(chǎng)。
全文摘要
本發(fā)明披露了一種水凈化系統(tǒng)及其方法，該系統(tǒng)及其方法使用一個(gè)電離器和臭氧處理裝置，來電離、氧化和/或分解水中的不可降解的污染物。先對(duì)流經(jīng)電離器的水施加一個(gè)能誘發(fā)電子的高電壓使得水中不可降解的物質(zhì)電離和/或分解，再將水與臭氧混合，凈化后得到可飲用的水。
文檔編號(hào)C02F1/78GK1454185SQ00819624
公開日2003年11月5日 申請(qǐng)日期2000年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月30日
發(fā)明者姜漢龍, 趙文基 申請(qǐng)人:趙文基