专利名称：水处理系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及工业用水处理领域。更具体地说，本发明涉及一种采用电、磁协同作用对水进行处理的系统，使用所述系统处理水不产生任何污染。
背景技术：
众所周知，工业水均含有一定量的矿物质，这些矿物质主要以HC03_、CO广、Ca2+、 Mg2+、Cl_、SO42-, SiO32-等存在。使用工业水一般会遇到结垢、腐蚀和细菌滋生等问题。例如，工业水用于冷却水系统，如冷却塔和锅炉，当换热面由于换热而导致冷却循环水产生温升时，在受热面上，水中的HCO3-受热分解，产生游离的(X)2气体，CO2气体在冷却塔中由于充分曝气从冷却循环水中散失，造成水的PH上升，水中CO/—增多。Ca2+与CO/—结合，生成难溶于水的方解石结晶状态的CaCO3，并以固体形式析出，即硬碳酸钙水垢，此碳酸钙硬水垢会均勻附着在受热面及系统管道中，结构致密很难脱落。此碳酸钙硬水垢的导热系数很低，会持续导致换热器换热能力下降，严重阻碍热交换的进行，造成设备换热效率急剧下降，给整个冷却系统带来较大隐患，同时增加管路水流阻力，严重时造成设备报废、爆管、管道堵塞等安全事故。同样，水中的Mg2+与SiO32-也会生成MgSiO3结垢，也会引起换热器换热能力的急剧下降。金属材质在开放式循环冷却水中由于直接与饱和溶解氧接触，金属本身含有一定的杂质，容易在金属表面发生氧电池反应，从而引起金属的全面腐蚀；金属在加工制造过程中，部分位置应力过大，容易引起点蚀；由于细菌繁殖，局部残留而产生锈瘤，也造成生物腐蚀。微生物本身及其代谢产物会造成循环冷却系统换热面能力的急剧下降、局部腐蚀。由于细菌种类繁多，很难去遂一鉴定并加以抑制。因此，有需要控制水中细菌的生长以防止由细菌引致的其他问题。在一个有效的循环冷却系统中，微生物的含量必定会被控制在有效的范围内。目前，有许多方法可以处理工业循环冷却水，基本上可为化学方法和物理方法。但化学方法通常要求使用大量的水，需要定期投放准确剂量的各种化学药剂。另外，这些化学方法中有的处理效果较差，有的尽管效果较好，但成本过高，结构复杂或者对环境造成污染。例如，尽管对金属材质在循环水中的腐蚀原因以及机理在学术上有很多的研究，但防止腐蚀的较为常见的方法只有一种，即预先成膜，在日常运行过程中通过投加缓蚀药剂来降低腐蚀速率；而控制微生物生长主要使用杀菌灭藻剂。但使用缓蚀药剂和杀菌灭藻剂不但对循环水造成污染，而且有着种种难以挥去的弊端。已经发现，根据其中一个处理要求采用的处理方法可能会与根据另一个处理要求采用的另一个处理方法在机理上相互抵触。例如，阻垢缓蚀剂含膦，会促进藻类及菌类的生长，造成杀菌灭藻剂增加用量，同时加剧了生态污染。整体考虑，化学处理方法并不是最优的选择。目前，对水进行处理的方法还包括利用双极电极通过电解产生氧化性物质用于消毒、抑制藻类。这是基于正常电解在工作过程中，水中的部分物质在阳极表面失去电子，使得这部分物质的化合价位升高，且产生微弱的氧化性及酸性，改变了水体的氧化还原电位和微生物的生存环境，从而达到抑制微生物的繁殖水平并使之处于低位。但是由于水体中含有二氧化碳溶解物和钙离子，在电解过程中，阴极表面的氢离子得到电子，生成氢气从水体中逸出，从而促使水的电离平衡向右移动，在阴极表面产生大量的氢氧根离子，吸引水中带有正电荷的钙离子在其表面富集，引起碳酸钙在阴极表面沉积。在电解一段时间后，阴极将形成大量的结垢，降低了电解效率，从而影响水处理的效果。故有必要通过经常清洗阴极表面的碳酸钙水垢来恢复电极的工作能力。这大大增加了频繁的人工清垢成本。为此，有人对上述双极电极加以改进，在工作过程中变换电极的极性来防止在电极上形成水垢，但是这种做法没有完全解决消除水垢的问题。或者，有人设置了惰性电极与消耗电极进行互倒， 这虽然可以降低碳酸钙在阴极表面的沉积，但是这种处理方法会导致惰性电极表面电荷经常发生正负变化，惰性电极疲劳度增加，使用寿命大大降低，增加了惰性电极的成本。因此，有需要提供一种替换的处理方法和系统，能够有效地对工业水进行处理，而且对环境不产生任何污染，减少用水，节省能耗。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的上述缺点，提供一种新颖的水处理系统。与传统的化学水处理技术相比，本发明的水处理系统具有环保、节水、节能、安全等特点。本发明的目的是通过以下技术方案实现的，提供一种水处理系统，包括低频抑垢缓蚀系统，所述低频抑垢缓蚀系统包括至少一个低频发生器以及与所述至少一个低频发生器连接的低频控制装置，其中所述低频控制装置包括驱动器和与所述驱动器连接的信号发生器，所述信号发生器包括可编程的微处理器，由所述微处理器控制所述驱动器向所述低频发生器输出时变频驱动信号，以驱动所述低频发生器产生具有不同频率范围的低频时变频磁场，对受到所述磁场作用的水进行处理；以及离子抑菌系统，所述离子抑菌系统包括至少一个离子发生器以及控制所述至少一个离子发生器的离子控制装置，所述离子发生器包括至少一组电极组，所述电极组由第一阳极、第一阴极和第二阴极组成，对所述电极组施加直流电流使电解反应在所述第一阳极、 第一阴极和第二阴极之间发生以对流经的水进行处理，所述离子控制装置包括控制所述三极电极按预定程序循环地进行电解和倒极的控制器。在本发明一优选实施例中，所述低频控制器包括与所述驱动器连接的波形发生器，产生时变频方波驱动信号输出至所述低频发生器。所述时变频磁场的频率在IHz至 500KHz之间，较佳地在IOHz至400KHz之间。根据本发明，在所述离子抑菌系统中，三极电极按以下预定程序循环地工作a).以第一阳极作为阳极，第一阴极和第二阴极同时作为阴极进行电解0.5至6小时；b).第一阳极不工作，以第一阴极作为阳极，第二阴极作为阴极进行电解1至10分钟；以及c).第一阳极不工作，以第二阴极作为阳极，第一阴极作为阴极进行电解1至10分钟。较佳地，所述步骤a)的电解时间为1至3小时，步骤b)和c)的电解时间为2至 5分钟。
4
所述第一阳极由以下材料制成石墨、金、钼、碳或在钛或钛合金基材上涂覆钌、铱或钼金属涂层，优选是由在钛或钛合金基材上涂覆钌、铱或钼金属涂层制成。所述第一阴极和第二阴极由以下材料制成不锈钢、铜及铜合金、锌及锌合金、镍及镍合金、铁及铁合金、 镁及镁合金，优选由不锈钢制成。所述三极电极的形状可以是网状、片状、棒状或球形。根据本发明，所述离子控制装置根据电极之间水体的电导率，控制施加在电极组上的直流电流自动地调整向水中释放的电压大小。一般地，所述电压控制在3V至36V之间。本发明的水处理系统可以根据实际生产需要包括多个低频发生器和多个离子发生器，它们分别以串联和/或并联方式与所述低频控制装置和所述离子控制装置连接。由于本发明的水处理系统利用了时变低频的能量，通过复合交变磁场，改变了水的物理性质，增大了水分子的极性，提高了水对碳酸钙的溶解度，使得水不易结垢。这样的磁场作用也能够促使碳酸钙水垢以另外一种结晶形式即无定形的文石析出，此物质结构疏松，不会附着在换热面，会随水流被带走，随着系统排污、过滤而被从整个冷却系统中移除， 从而保证换热面无碳酸钙结垢，保持正常的额定的换热能力。此外，本发明的水处理系统通过控制循环水的pH值可以抑制硅酸镁的产生，从而避免此类结垢的产生。在受到本发明的特定频率范围的时变频脉冲方波和文变电磁场作用之后，水会含有饱和溶解氧，铁元素和铜元素会和氧元素的单质发生氧化还原反应，分别产生较高能级的铁的低价氧化物和铜的低价氧化物，此两种氧化物即为磁铁层、红铜锈，致密附着在铁和铜材质表面从而形成保护膜，也就是传统化学方法预先成膜的产物。在这样的状况下，随着本发明的水处理系统的不间断连续运行，此成膜过程将被一直保持，因此可以完全取代传统的通过连续投加缓蚀剂来延缓腐蚀的技术。本发明的水处理系统在电解反应过程中持续地在水中产生大量的氧化型离子、原子团、自由基，在与电磁场的协同效应下，这些微量的氧化性物质能够有效阻止微生物的大量繁殖，抑制水中的藻类孢子生根发芽，从而降低了循环水的浊度，减少了生物软垢的产生，减少了垢下腐蚀，取代了杀菌剂的投加。本发明的水处理系统结合了低压低频时变频脉冲技术和低压直流电解技术来处理工业循环冷却水，其中低频抑垢缓蚀系统将低频电磁能量按照设计要求释放在水中，从而达到周期性改变水分子的结构，使得处理之后的水在循环冷却系统中具备一定特性，取代常规的化学循环冷却水处理技术，满足循环冷却水的使用要求；离子抑菌系统中采用了三极电极，可以在水中周期性产生恒流电场装置，持续地在水中电解产生氧化性物质，改变水体的氧化还原电位，从而达到抑制细菌大量繁殖的效果，所述三极电极产生的电极电场， 有效阻止了阴极碳酸钙水垢的积累而需要清理的弊病，实现了阴极自动去除碳酸钙水垢， 稳定电解所需要的输出电流，不随时间的延伸而下降。以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
图Ia和图Ib所示分别为本发明的水处理系统两个实施方式的运行示意图。
图2所示为本发明的水处理系统中低频抑垢缓蚀系统采用多个低频发生器的示意图。图3所示为本发明的水处理系统中离子抑菌系统采用多个离子发生器的示意图。图4所示为本发明的水处理系统采用的低频抑垢缓蚀系统的原理框图。图5所示为本发明的水处理系统采用的离子抑菌系统的原理框图。图6所示为本发明的离子抑菌系统使用三极电极电解的原理示意图。图7所示为本发明其中一个实施例的离子发生器的立体图。图8所示为图8所示的离子发生器的水平截面图。图9所示为图8所示的离子发生器的立体分解图。
具体实施例方式首先参照图Ia和图lb，图中分别示出了应用在冷却塔循环冷却水中的本发明的水处理系统的两个实施方式，所述水处理系统主要包括低频抑垢缓蚀系统200和离子抑菌系统100。所述低频抑垢缓蚀系统200包括低频控制装置220和低频发生器M0。所述离子抑菌系统100包括离子控制装置120和离子发生器140。如图Ia和Ib所示，低频抑垢缓蚀系统200和离子抑菌系统100可以设置在冷却塔300的出水口与凝汽器400的入口之间的任何位置。根据实际生产需要，低频抑垢缓蚀系统200和离子抑菌系统100可以有各种各样的组合。例如，在低频抑垢缓蚀系统200中，可以由多个低频发生器串联成一组，多个串联组再并联在一起，受一个或多个低频控制装置220控制并以远程监控计算机500监控，如图 2所示。在离子抑菌系统100中，多个离子发生器可以串联成一组，受一个离子控制装置控制，这样的组合再并联在一起，如图3所示。图4示出了低频抑垢缓蚀系统200的原理框图。低频控制装置220包括直流电源 222、与直流电源222连接的包括微处理器224的信号发生器(未示出)、与微处理器2 连接的全桥功放驱动器226以及两个分别连接在微处理器2M与全桥功放驱动器2 之间的方波发生器228。交流电源220V通过直流电源给信号发生器输入稳定的直流电压例如 48V,由信号发生器中的微处理器2M控制全桥功放驱动器226向低频发生器240输出由方波发生器2 产生的时变频方波驱动信号。低频发生器240接收时变频方波驱动信号后向水中发射电磁波能量，形成低频交变磁场。低频发生器240可以是由缠绕在管道、容器或贮水池外表面的感应线圈组成，流经线圈内部的冷却水会受到所述电磁场及时变频脉冲方波的作用。当磁场的频率在1Ηζ-500ΚΗζ范围内，特别是在10Hz-400KHz范围内，水发生物理性能和结构的变化。众所周知，水是由一个氧原子和两个氢原子组成的，通常水分子以氢键缔合成水分子团的形式存在。已发现，在1Ηζ-500ΚΗζ范围内的时变频电磁场的作用下，水分子团(链)增大，水分子的偶极子极性增强，从而增加了无机盐类在水中的溶解度。偶极子的负极与水中的Ca2+、Mg2+等阳离子亲和，偶极子的正极与水中的CO:等阴离子亲和。大量的偶极子分别包围在Ca2+、Mg2+和CO:周围，使Ca2+、Mg2+和⑶广相互隔开，运动速度大大降低，碰撞结合的机率减小，从而有效阻止了 CaC03、MgC03、MgSiO3的形成，达到控垢的目的。另外，这样的也能场能够改变CaCO3的结晶过程，使其生成松散泡沫状的文石，抑制了致密的方解石硬垢生成。同时能提高碳酸钙在水中的溶解度。
本发明的微处理器是可编程的，能够控制信号发生器产生在不同频率范围内的时变频信号，例如1Ηζ-500ΚΗζ、10Ηζ-400ΚΗζ、1ΚΗζ-200ΚΗζ，从而能对不同的水处理的特定要求输出不同的变频脉冲方波。图5示出了离子抑菌系统100的原理框图。离子控制装置120包括直流电源122、 分别与直流电源122连接的第一接触器KM1、第二接触器KM2和第三接触器KM3、与所述三组接触器连接的PLC控制器124。所述三组接触器的另一端与离子发生器140的电极连接以控制离子发生器进行电解和倒极程序，这将在下文详细描述。离子控制装置120根据电极之间水体的电导率，控制施加在电极组上的直流电流自动地调整向水中释放的电压大小，一般为3V至36V之间，以保持稳定的电流输出。离子发生器140如图7至图9所示，包括阳极框架142和阴极框架144，所述阳极框架142和阴极框架144通过本领域已知的任何连接件连接，使得阳极框架142和阴极框架144成彼此相对设置。离子发生器140还包括放置在所述阳极框架142和阴极框架144 之间的第一阳极146、第一阴极148和第二阴极150，其中第一阳极146由阳极框架142支承，第一阴极148和第二阴极150由阴极框架144支承。电极的形状可以是网状、片状、棒状或球形。在本实施例中，第一阳极146通过在钛基材上涂覆钌、铱或钼金属涂层制成(下称 MOx电极)，第一阴极148和第二阴极150均采用不锈钢材质(下称不锈钢电极Sl和S2)。参照图6所示，MOx电极通过第一接触器KMl的一接触点与电源正极连接，不锈钢电极Sl和S2通过第一接触器KMl的另外两个接触点并联后与电源负极连接。不锈钢电极Sl通过第二接触器KM2的一接触点与电源正极连接，不锈钢电极S2则通过第二接触器 KM2的另外一个接触点与电源负极连接。不锈钢电极Sl通过第三接触器KM3的一接触点与电源负极连接，不锈钢电极S2则通过第三接触器KM3的另外一个接触点与电源正极连接。 MOx极不与第二接触器KM2和第三接触器KM3连接。通过PLC控制器的预定程序来控制三组接触器与三极电极之间的连线变化，使离子发生器实现循环地电解和倒极的功能。具体地，PCL控制器控制三极电极按以下三个步骤循环地运行。步骤一 PLC控制器给出持续0. 5至6小时，优选地1至3小时，的控制信号给第一接触器KM1，第一接触器接通电源开始工作。此时，MOx电极连接电源正极，作为阳极，不锈钢电极Sl和S2并联后连接电源负极，同时作为阴极工作，电解过程开始，发生如下电解反应，阳极表面产生氧化性物质，阴极表面产生氢气，并且沉积碳酸钙。阳极反应(MOx电极)CF-e — ClΟΓ-θ — OHH2O — or+H+02:2e — 0阴极反应(不锈钢电极Sl和S2)H++e — H2H2O — OF+H+HC(V+0!T —⑶广CO 广+OH- — CaCO3由上述反应式可知，阳极产生氧化性物质C1、0H和0，阴极则产生碳酸钙结垢。在工作上述预定时间之后，作为阴极的两个不锈钢电极形成结垢，影响电解效果，这时PCL控制器给出进入下一步的倒极除垢程序。步骤二 PLC控制器给出持续1至10分钟，优选地2至5分钟，的控制信号给第二接触器KM2，第二接触器接通电源开始工作。此时，MOx电极不通电，退出电解系统，不锈钢电极Sl连接电源正极，转为阳极，不锈钢电极S2连接电源负极，仍为阴极，电解就在所述两个不锈钢电极之间进行，发生如下电解反应阳极反应(消耗阳极)Fe-e — Fe3+Fe3++0『一Fe (OH) 3H2O — OF+H+CaC03+H+ — Ca2++C02阴极反应H++e — H2H2O — OF+H+HC(V+0!T — CO32-CO 广+OH- — CaCO3由上述反应式可知，在阳极区，铁元素与0H—反应导致0H—减少，引起水离解平衡右移，酸性H+富集。因此作为阳极的不锈钢表面产生酸性物质，与碳酸钙反应，这是一个溶垢过程，能够有效地消除不锈钢电极Sl在步骤一作为阴极电解时产生的结垢。设定1至10 分钟的倒极时间是重要的，这是因为若时间设定得太短，电器开关的寿命会受影响，若时间设定得太长，又会造成积垢硬化，倒极程序无法达到除垢效果。步骤二完成后，系统将自动进入下一步除垢程序。步骤三PLC控制器给出持续1至10分钟，优选地2至5分钟，的控制信号给第三接触器KM3，第三接触器接通电源开始工作。此时，MOx电极不通电，退出电解系统，不锈钢电极S2连接电源正极，转为阳极，不锈钢电极Sl连接电源负极，转为阴极，电解就在所述两个不锈钢电极之间进行。电解反应与上述步骤二相同，因此能有效地消除不锈钢电极S2在步骤一和步骤二作为阴极电解时产生的结垢。步骤三完成之后，PLC控制器给出信号返回第一接触器KMl的工作状态，系统进入下一个工作周期，不断循环。离子发生器通过向水中不断释放氧化性离子、原子团，在交变电磁场的协同效应下，提高水中氧化还原电位(ORP)，显著地抑制微生物的大量繁殖，抑制水中的藻类孢子生根发芽，从而降低了循环水的浊度，使水中的微生物及菌类的繁殖得到有效抑制。试验结果将本发明的水处理系统应用在河南南阳普光电厂的冷却循环水系统中，对循环水的硬度、碱度、氯离子含量等进行监控检测，结果见下表1。表1使用本发明的水处理系统前后循环水指标的对比
权利要求
1.一种水处理系统，其特征在于，所述水处理系统包括低频抑垢缓蚀系统，所述低频抑垢缓蚀系统包括至少一个低频发生器以及与所述至少一个低频发生器连接的低频控制装置，其中所述低频控制装置包括驱动器和与所述驱动器连接的信号发生器，所述信号发生器包括可编程的微处理器，由所述微处理器控制所述驱动器向所述低频发生器输出时变频驱动信号，以驱动所述低频发生器产生具有不同频率范围的低频时变频磁场，对受到所述磁场作用的水进行处理；以及离子抑菌系统，所述离子抑菌系统包括至少一个离子发生器以及控制所述至少一个离子发生器的离子控制装置，所述离子发生器包括至少一组电极组，所述电极组由第一阳极、 第一阴极和第二阴极组成，对所述电极组施加直流电流使电解反应在所述第一阳极、第一阴极和第二阴极之间发生以对流经的水进行处理，所述离子控制装置包括控制所述三极电极按预定程序循环地进行电解和倒极的控制器。
2.如权利要求1所述的水处理系统，其特征在于，所述低频控制器包括与所述驱动器连接的波形发生器，产生时变频方波驱动信号输出至所述低频发生器。
3.如权利要求1或2所述的水处理系统，其特征在于，所述时变频磁场的频率在IHz至 500KHz 之间。
4.如权利要求3所述的水处理系统，其特征在于，所述的频率在IOHz至400KHz之间。
5.如权利要求1所述的水处理系统，其特征在于，所述预定程序包括如下三个步骤a)以第一阳极作为阳极，第一阴极和第二阴极同时作为阴极进行电解0.5至6小时；b)第一阳极不工作，以第一阴极作为阳极，第二阴极作为阴极进行电解1至10分钟；以及c)第一阳极不工作，以第二阴极作为阳极，第一阴极作为阴极进行电解1至10分钟。
6.如权利要求5所述的水处理系统，其特征在于，所述步骤a)的电解时间为1至3小时，步骤b)和c)的电解时间为2至5分钟。
7.如权利要求1、5或6所述的水处理系统，其特征在于，所述第一阳极由以下材料制成石墨、金、钼、碳或在钛或钛合金基材上涂覆钌、铱或钼金属涂层。
8.如权利要求1、5或6所述的水处理系统，其特征在于，所述第一阴极和第二阴极由由以下材料制成不锈钢、铜及铜合金、锌及锌合金、镍及镍合金、铁及铁合金、镁及镁合金。
9.如权利要求1、5或6所述的水处理系统，其特征在于，所述三极电极的形状是网状、 片状、棒状或球形。
10.如权利要求1所述的水处理系统，其特征在于，所述离子控制装置根据电极之间水体的电导率，控制施加在电极组上的直流电流自动地调整向水中释放的电压大小。
11.如权利要求10所述的水处理系统，其特征在于，所述电压控制在3V至36V之间。
12.如权利要求1所述的水处理系统，其特征在于，所述水处理系统包括多个低频发生器和多个离子发生器，它们分别以串联和/或并联方式与所述低频控制装置和所述离子控制装置连接。
全文摘要
本发明提供一种水处理系统，包括低频抑垢缓蚀系统，所述低频抑垢缓蚀系统包括至少一个低频发生器以及与所述至少一个低频发生器连接的低频控制装置，其中所述低频控制装置控制所述低频发生器输出时变频信号以产生不同频率范围的低频时变频磁场，对受到所述磁场作用的水进行处理；以及离子抑菌系统，所述离子抑菌系统包括至少一个离子发生器以及控制所述至少一个离子发生器的离子控制装置，所述离子发生器包括至少一组电极组，所述电极组由第一阳极、第一阴极和第二阴极组成，所述离子控制装置包括控制所述三极电极按预定程序循环地进行电解和倒极的控制器。与传统的化学水处理技术相比，本发明的水处理系统具有环保、节水、节能、安全等特点。
文档编号C02F9/12GK102311197SQ201010223588
公开日2012年1月11日 申请日期2010年6月30日 优先权日2010年6月30日
发明者胡安华 申请人:马士科技有限公司