水处理系统的制作方法

专利名称：水处理系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及对水进行处理，以移除井水及地下水中的金属及其他不希望有 的物质，从而使水可以饮用。
背景技术：
生活用水、工业用水及田间用水常常受到矿物质、有机物质及细菌的污染， 致使水不能饮用甚至危害身体健康。这些污染物包括二价铁，其会与水形成胶 团并使管道系统结污。锰及砷二者均为有毒的金属，也常见于水中。另一种污 染物是硫化氢，其使水具有臭鸡蛋味。有机物质可包括残留的杀虫剂、药物代 谢物以及释放到地下水中的其他污染物。有害细菌，例如沙门氏菌、大肠杆菌、 志贺氏菌以及梭菌，也曾经导致爆发过造成大量死亡的疾病。
这些污染物通常具有一种共性其在被氧化时会被灭活、杀灭或转变成无 害物质。市政部门很久以来一直通过使用例如氯气等氧化剂对其水源进行处理 来控制污染。氯气也并非完全无害。而对于小的市政部门或个体农场或家庭， 使用氯气进行水处理不切实际。
一种广泛使用的处理系统是采用化学氧化剂高锰酸钾来氧化污染物。基本 而言，使流动的水经过一层高锰酸盐，从而将会结污的二价铁转变成可溶解的 三价铁以及将有臭味的硫化氢转变成无味的硫酸盐。其他污染物也同样被氧化 成无害的化学物质，并且细菌会被杀灭。此种系统尽管有效，但是其维护困难 且维护成本很高，需要定期进行反洗及更换高锰酸盐。由于高锰酸盐是一种有 毒的反应性化学品，因而对系统的维护存在危险性。
可使用氧气。可通过以下几种途径提高水中的氧含量使用空气进行起泡； 将水喷到空气中；施用压力来提供氧气溶解度；或者通过电解水。
第6， 171， 469号美国专利描述了通过使水流经一组电解池来提高水中的氧 含量。为将氧含量提高到期望的13-17 ppm，需要使水循环流经这些电解池15
4到55次。
除高锰酸盐系统外，这些方法均不能随时根据需要提供经过处理的水，而 是需要建造容纳槽，因而不方便于在家中或农田中使用。

发明内容
本发明提供容纳在一个或多个电解室中的一个或多个发射器，水从该一个 或多个电解室中流过。当被启动时，所述发射器使得形成氧气的微气泡。所述 发射器连接至由控制器控制的电源，所述控制器包含流量开关。当流量开关感 测到用水需求时，即当开启水龙头时，控制器使电压施加至电解池。所述电解 池包括彼此间隔开一临界距离的电极，此更全面地阐述于同在申请中的专利申
请案第10/732,326号("326"申请案)中，"326"申请案的教示内容以引用 方式并入本文中。简而言之，阳极与阴极间隔开0.005英寸至0.140英寸。最佳 的临界距离是0.065英寸。可利用所属领域中已知的任何阴极或电极。可将任 意数量的发射器排列在电解室中；下文的各实例显示由三个矩形发射器构成的 典型阵列，但应理解，本发明并不限于三个，而是可包括一个至几个或上百个 发射器，此根据所要处理的流动水量而定。同样，可方便地使水通过多个串联 或平行排列的室，以形成更紧凑的设备或处理较大的流动水量。
在较佳实施例中，阴极及电极是由相同的材料形成，且控制器以设定的信 号使极性反转。存在许多市售的阴极及阳极。美国专利第5,982,609号揭露包含 选自由下列组成的至少一种金属或金属氧化物的阴极钌、铱、镍、铁、铑、 铼、钴、鸨、锰、钽、钼、铅、钛、铂、钯、锇、或其氧化物。阳极较佳由与 阴极相同的金属氧化物或金属形成。电极也可由上述金属的合金或共同沉积于 基底上的金属及氧化物形成。阴极及阳极可按任意所需形状或尺寸形成于任意 方便的支撑物上。最佳的电极是涂覆有氧化铱的钛。
反转电极的极性是为了清洁电极上所沉积的矿物质。反转的时间可设定为 任意方便的间隔或者通过任意方便的方法启动。反转的方法包括每当井泵接 通时反转；当水流开始时反转；以从45秒到24小时或更长的定时间隔反转； 或人工反转。当水流为间歇时，较为方便的方法是将控制器编程为每当流量开 关检测到水流时改变极性。较佳实施例是自清洁性的；当电流流动时，残留矿物质趋于积聚在阴极上。当电流反转时，阴极与阳极改变极性，从而使先前的 阴极上所积聚的矿物质受到排斥并开始形成于新的阴极上。此种极性反转可限 制积聚量，且发射器实质为自清洁性的。
所述系统设置有阀门，用以引导水流。可引导水旁通过电解室，引导水通 过电解室以进行氧化，或提供单独的管线来反洗电解室以移除可能已沉积于电 极附近的任何矿物质。
任一实施例均较佳设置有故障安全的传感器、阀门等在所属领域中已知的 装置。当流量开关感测到不存在水流时，电源会被断开。如果施加电流、但没 有水流动，则电解室中的温度传感器将断开电流。在此种情况下，室中的温度 升高，温度传感器将指令控制器切断电压。同样，可在系统中的任意点设置减 压阀，以在液体或气体压力积聚时释放流体。气体减压阀最好通往外界。
所述系统包括电路，用以控制发射器的启动、使极性反转及在水不流动时 停用发射器。
在替代实施例中，通过使氧气以气泡形式进入所述室内而提供氧气。在该 实施例中，可由氧气瓶供应氧气或者利用PSA技术就地产生氧气。最接近于本 发明的结果的实施例是通过微孔口喷射氧气，以形成氧气的微气泡。
水可包含许多有害物质，例如铁、锰、砷、锑、铬及铝。还原性的盐一般
是可溶解的，而氧化的金属，例如Fe203或Mn02，是不可溶解的并形成沉淀。 还原性含硫化合物(例如H2S)具有有毒的气味，而氧化的含硫化合物一般是 无味的。其它有害物质包括残留杀虫剂、药物代谢物及细菌。在所有实施例中， 均推荐使处理后流出的水通过终滤器层，以移除微细的沉淀并改善水的清澈度。 此种过滤器层在所属领域中众所周知，包括Birm过滤器、Greensand、 Pyrolux、 Filtersand、 Filter-Ag、活性碳、无烟煤及石榴石。
当水质较硬时，即当水含有例如钙及镁等二价金属时，可使流出的水流中 欲被加热的部分通过水软化剂。


图1显示简单的水处理系统；
图2显示带有附加安全装置及旁路的水处理系统；图3为电路图； 图4为各种发射器的示意图5显示其中具有两个串联的电解室以及终滤器的实施例；
图6显示位于壳体中的具有平行排列的多个电解室的较佳实施例；以及
图7显示使用氧气进行起泡或喷射的实施例。
具体实施例方式
在下文说明中，以在一个室中具有三个发射器的水处理系统为例。下文所 述电压及流速是适用于该实例，但应理解，也可根据设施的需要而使用或多或 少的单元，使待处理的水流经多个室以得到更紧凑的系统或以处理大容量的水 可比较方便。这些室可串联或平行排列。其中一个紧迫需求是移除氢氧化亚铁， 其具有气味、会使管道系统变脏及结污。被氧化的铁不具有反应性，不会使管 道系统变脏及结污，而且也不具有讨厌的气味。发射器所形成的微气泡可有效 地快速氧化污染物，因为这能在水中获得高的氧含量并且获得大的反应表面积。 较佳使用终滤器来移除被氧化的铁以及其他被氧化金属的沉淀并提高水的清澈 度。在以下各实例中，所提供的电源、尺寸及流速的具体条件只用于举例说明 目的。所属领域的技术人员可容易地对电源、尺寸及流速进行调整，以实现本 发明的有益效果。
实例1.实验模型
参见图l，入口 1附接至待处理的水源。阀门2关闭；阀门3开启，以允 许水流入电解室4。当连接到控制器6的流量开关5感测到水流时，电源7便 供应电压给板8a、 8b及8c，从而形成氧气。被氧化的水经阀门9后通过出口 IO流出。水减压阀ll及气体减压阀12用以减小系统中的压力。当温度传感器 13感测到温度升高时，控制器6便停用板8a、 8b及8c。
参见图2，入口 1附接至待处理的水源。阀门2关闭；闽门3开启，以允 许水流入电解室4。阀门14及15关闭。当连接到控制器6的流量开关5感测 到水流时，电源7便供应电压给板8a、 8b及8c，从而形成氧气。被氧化的水经 阀门9后通过出口 IO流出。减压阀11及气体减压阀12用以在压力表16检测到产生过高压力且压力开关16a被激活时，减小系统中的压力。当温度传感器 13或压力开关16a感测到温度或压力升高时，控制器6便停用板8a、 8b及8c。 提供连接器17是为了便于安装。入口18连接至水源。当阀门14及15开启且 阀门3及9关闭时，水可沿反洗方向流过电解室4并流出出口 19。
图1中的实施例或图2中的实施例可具有以下几种工作模式
1. 旁通过该系统阀门2开启；阀门3及9关闭。水从入口 l流至出口 10， 从而旁通过发射器。
2. 流经该系统阀门3及9开启；阀门2、 14及15 (仅图1)关闭。水从 入口1流经电解室4。流量开关5感测到水流，且控制器6启动电源7以供应 电流给发射器。
3. 在自清洁功能被启动的情况下流经该系统。阔门3及9开启；阀门2、 14及15 (仅图2)关闭。流量开关5感测到水流，且控制器6启动电源7。控 制器6根据程序切换极性。对于间歇式应用，将控制器编程为每当水流启动时 切换极性可比较方便。
4. 反洗循环(仅对于图2中的模型)阀门14及15开启，阀门3及9关 闭。水通过入口 18被引入电解室，沿反向流经该室并流出出口 19。电路被旁 通，且调节不是通过编程进行，而是手动进行。
实例2.电路操作说明
该说明是基于具有三个发射器且在每次启动水流时使自清洁极性反转的实 例性系统。可针对更大或更小的系统进行调整。电路操作首先是施加120VAC 的线电压给电源26，由电源26将线电压转换成12VDC。控制器电路与流量开 关23、温度传感器22及按钮开关21电连通，在温度传感器22显示温度低时， 按钮开关21启动该电路，从而将12V的电压施加至按钮开关21。当该按钮开 关被按下时，其使继电器24K1A通电。该继电器的接线使其在按钮被松开后仍 保持通电。该继电器上的其他接点用于监视流量开关以检测是否有水流在流动。 如果有，则下一继电器25K1B被通电，将120VAC电压施加至第二电源20 及继电器27K2。 K2是顺序继电器，其接点在被通电时将改变状态并在电源被 移除后保持于通电状态。当该继电器下一次被通电时，其接点会改变状态并随后保持于那一位置上。
当供应120 V AC电力给电源20时，电源20发送DC电压至其输出连接线。 继电器28K3、 29K4及30K5通过端子排31、 32及33发送电流至发射器。如果 K2处于"1"位置，则施加到发射器的电压是"正向"偏置的。下一水流检测 将会改变K2的状态，并且这些继电器将改变状态，使得发射器上的极性反转。 在这两种状态中，均将产生氧气。
只要温度传感器检测到温度未升高，该动作就将无限期地继续下去。如果 传感器检测到温度升高至其高于其设定点，则其将断开电路并移除供应给各继 电器的12VDC电力，从而关闭电路。只有当再次启动按钮开关时，该电路才 可重新启动。当水龙头关上时，存在略微的温度升高，直到流量开关关闭控制 器为止。此种升高不足以触发温度开关的高得多的设定点。因此， 一旦流量开 关检测到流量，该系统将会再次接通。温度开关是一种安全装置，且较佳地， 当温度开关断开电源系统时，需要人工干预才能重新启动该系统。
实例3.发射器配置
根据所要氧化的流体的体积而定，本发明的发射器可被造型成圆形、矩形、 圆锥形或其他型式。在基底中可设置一个或多个发射器，该基底可以是金属、
玻璃、塑料或其他材料。该基底并非关键所在，只要通过非导体间隔材料使电 流与电极隔离即可，该非导体间隔材料的厚度介于0.005英寸至0.140英寸之间， 较佳介于0.030英寸至0.075英寸之间，最佳为0.065英寸。在该距离内，形成 微米及纳米级的氧气气泡。这些气泡非常小，以致于无法逸出及在水性媒介中 积聚成所谓的氧气胶状悬浮体。已在静止容器中获得了等于在特定温度及压力 下所计算饱和度的260%的氧浓度。在直通式设备中，氧气悬浮体的氧气富集 程度可使水呈乳状。除获得高的氧含量外，这些微气泡还具有比普通大小的气 泡更大的反应表面积。尽管在所述水处理系统中可使用任何配置，当时构造了 一漏斗形或金字塔形的单元来处理更大的流体量。图4显示一简单的平面发射 器4A; —圆锥形发射器4B;以及一棒形发射器4C。图4D绘示最有利的配置， 其中一组三个发射器以金字塔形配置形式排列于管道中。该直通式实施例适合 快速地处理大量的水，因而被选为可供用于水处理的最佳模式。应理解，任何配置形式均可用于所述水处理系统中，所述系统并不限于金字塔型配置，也不
限于三个发射器或一个室。在这些配置的每一个中，阳极34与阴极35均相隔 0.040英寸至0.75英寸。
实例4.实验系统的操作
A. 在从220英尺深的井中抽取水的住家中对例如图l所示的实验系统进行 了测试。溶解氧为28.9%，铁含量介于2与2.5 ppm之间。由于含有铁及硫化氢， 水具有难闻的气味及味道。该系统被启动后，出口水的氧含量接近100%饱和。 铁减少至0.5ppm，且不再存在难闻的味道或气味。
对所耗费的电力及其成本进行了计算。电流在3.3安与3.8安之间变化。在 12 V电压下，所用功率为约48瓦/每个发射器或总共约144瓦。该系统每天启 动约两小时，日成本(按当前电力公司的电价)约为3.4分/天。
该实验系统不具有自清洁反极性特征。该系统运行了六天，在此期间抽取 了 1400加仑的水。此时，电极开始显示出某些矿物质沉积。
B. 在使用井水的住家中安装了具有三个发射器的第一极性反转实验系统， 其中井水中含2至3 ppm的铁。系统中的流速为6加仑/分钟。每当启动水流时， 即当开启水龙头(每天约70次)时，均使发射器的极性反转。该设备配备有 Birm过滤器。测试显示，铁被完全去除，降至可检测的Oppm。
C. 在流出的水流也用于灌溉的一个地方安装了第二极性反转实验系统。水 中含有12.75 ppm的铁，并以15加仑/分钟的流速工作。每当井泵启动(每天 14次至18次不等)时，均使极性反转。
对于实例B中的样机，流出的水流中的铁已检测不到，且流出的水流通过 Birm过滤器，结果显示铁含量已检测不到。这些结果通过一家独立的测试实验 室得到证实。
D. 第三极性反转实验系统所安装处的水中含有10 ppm的铁和2.25 ppm的 硫化氢。流量为7加仑/分钟，且每当井泵启动(每天约14次)时，均使极性 反转。流出的水流通过Greensand过滤器。流出的水流中的铁及硫化氢含量已 检测不到。
10实例5.对4.0-5.0 T pm的铁的实验室测试
A. 使测试到含有4至5 ppm的铁的七十加仑井水通过配备有一三板式、十 二英寸发射器的管道，电压为12V。改变流速，并在流出的水流通过9x48英 寸的Birm过滤器后测量铁含量。所测试的第一流速为2加仑/分钟。铁含量低 于0.5ppm (测量的实际下限)。当流速增大至2.7加仑/分钟时，铁含量小于 0.5ppm。流速增大至4.87加仑/分钟并随后增大至6加仑/分钟。流出的水流中 的铁含量为0.5ppm或以下。
B. 拖车测试。装备了一台5英尺x8英尺的专用拖车，以便在不同地点进 行水测试以及用于在设备安装前进行结果验证。该拖车配备有两个极性反转充 氧器室、电源、及两个Birm过滤器。在较低流速下使用14英寸x65英寸的Birm 过滤器，在较高流速下则使用21英寸x54英寸的Birm过滤器。该拖车具有其 自身的发电机及大的流量泵，因而可就地立即测试铁、硫化氢及锰的移除效果。
利用该拖车，测试了所述系统移除锰的能力。在明尼苏达州的Brooklyn Park 市，不同的井的测试结果为锰含量介于L3ppm至2.7ppm之间。利用由拖车供 电的这两个室，在最高达10加仑/分钟的流速下，锰得到氧化并通过21英寸x54 英寸的Birm过滤器得到100%移除。
实例6.具有自清洁特征的紧凑设备
现已开发出新的实施例，这些新的实施例适合在工厂中在壳体内组装成紧 凑的设备以方便安装。改进的特征包括自清洁特征。图5显示可就地组装的典 型系统。在本实例中，提供六套发射器，在两个电解室36A及36B中分别三套， 电源为12VDC电源。在本实施例中，这些室被串联排列。在本实施例中，当 未净化或未处理的水从水输入口 37进入室36A时，连接至控制箱38的流量开 关被启动。在图3中对控制箱进行了详细显示。该流量开关被校准成感测等于 或高于预设流量的水流，该预设流量较佳为0.5加仑/分钟。当感测到水流时， 流量开关便向控制箱38中的电源箱发送信号，电源箱继而施加12VDC的电力 给室36A及36B中的发射器。流出的水流离开室36A而进入室36B。在氧化后， 流出的水流然后通过控制及安全装置39、 40、 41、 42及43并由此进入过滤器 44。当水向下到达过滤器44的底部时，其通过内部管道(未显示)被向上抽引
11至输出口 45。
图6显示可在工厂中组装的紧凑系统。该系统具有两个室46A及46B，这 两个室平行排列并装于壳体47中。该壳体是紧凑的外壳，容纳有管道系统及及 电性元件。水从输入口48进入，然后经过反洗抑制器49的输入侧，分离成平 行的路径后通过电解室46A及46B以在其中被氧化。氧化后的水然后在上部歧 管50中重新汇合并经旁通阀52的输出侧51流出。流出的水流最终穿过壳体进 入终滤器，如图5所示。
应注意，水处理系统中各元件的细节更全面地阐述于实例1至4中。在本 实例6中所述的实施例配备有极性反转控制。只要水流量超过预设流量，该过 程就会继续进行。
实例7.利用氧气进行起泡或喷射
如上所述，通过充气来尝试改善水质己众所周知。先前的空气或氧气起泡 技术不能有效地减少金属及含硫化合物。尽管上述各实施例能实现最大的水质 改善，其他手段也可得到近似的结果。存在将纯氧引入一地点并将其以微气泡 形式注入水中的技术，此会提高水的氧含量并且还提供与有害物质发生反应的 更大表面积。可利用氧气瓶。PSA方法使空气穿过过滤器以移除分子氮，从而 仅留下纯氧。图7显示简单起泡实施例的图式。瓶53中的氧通过微孔口 56被 喷入具有静态混合器55的简单室54中，以形成微气泡，从而将氧含量提高至 高于在该室的压力及温度下被计算为100%饱和度的含量。金属及其他污染物 会被氧化。具有增大的反应表面积的微气泡可通过将空气或氧气经过微孔口喷 入来形成。较佳使用氧气。此一微孔口阐述于第6,394,429号美国专利中，其教 示内容以引用方式并入本文中。气泡室较佳设置有用于在整个室中引导气泡的 装置，而非使气泡成串地上升至出口。该装置可以是惰性离子或更佳地是静态 混合器，例如由Koflo公司(Cary， IL)或Chemineer (Dayton， OH)所出售 的静态混合器。静态混合器55—般而言是一系列叶片或桨片，用于破坏气泡的 流动从而确保实现混合。在该示意图中，显示室54的流出水流经过连接管57 进入过滤器58顶部。在实际中，流出的水流进入过滤器槽顶部，且内部管道(未 显示)将水流穿过过滤器向下抽引。水在入口59处进入系统。实例8.极性反转的启动
对发射器的各种实施例进行了测试。在实验室中对圆形配置、平整配置或 金字塔形配置的发射器进行了超过30天的测试。所选发射器是由钛制成。以从 五秒到三小时不等的间隔切换电流。未观察到矿物质沉积物的积聚。根据地点 及用户的偏好而定，在运行的水处理系统中，可将极性设定为在以下条件下反 转
每当井泵接通及水压升高时； 当水开始流动时；
以从45秒到24小时或更长的定时间隔； 或者人工进行。
每一种选项均具有其优点，目的是使极性反转的频率最小化，从而在维持 水处理效能的同时延长电极的使用寿命。 一般而言，如果水的使用是连续恒定 的，则可选择定时模式。而当间歇地使用水时一如在家庭用水情形中，则较佳 使用基于泵或水流量的模式。
所属领域的技术人员可容易地作出非实质性的改动或添加。这些改动或添 加仍属于随附权利要求书的范围。
权利要求
1. 一种水处理系统，其包括位于一个或多个电解室中的一个或多个发射器，水从所述一个或多个电解室中流过，所述一个或多个发射器可操作地连接至由控制器控制的电源，所述控制器包括流量开关，所述流量开关用于感测水流量并指令所述控制器对所述发射器施加电压，从而形成氧气微气泡。
2. 如权利要求1所述的发射器，其中所述发射器包括阴极与阳极，所述阴极与所述阳极相互水性连通并间隔开0.005英寸至0.75英寸的临界距离。
3. 如权利要求2所述的发射器，其中所述阴极与所述阳极间隔开0.65英寸的临界距离。
4. 如权利要求1所述的发射器，其中所述阴极与所述阳极是由相同的材料形成，所述材料为钛、钉、铱、镍、铁、铑、铼、钴、钨、锰、钽、钼、铅、钼、钯、锇、的氧化物。
5. 如权利要求3所述的水处理系统，其中所述阴极与所述阳极是由涂覆有氧化铱的钛形成。
6. —种用于如权利要求1所述的水处理系统的控制系统，其包括能够感测高于设定点的水流量的流量开关，所述流量开关与电源电性连通，所述电源使交流电流转换成直流电流，所述直流电流随后流经多个继电器以启动所述发射器，从而形成微气泡，只要水在流动，所述启动就会继续进行。
7. 如权利要求6所述的控制系统，其进一步包括压力开关及/或温度开关，所述压力开关及/或温度开关可操作地连接至控制阀，以在压力及/或温度升至高于设定点时，由控制开关终止向所述发射器施加电流。
8. 如权利要求6所述的控制系统，其进一步包括用于以预定的设定信号反转所述直流电流的极性的装置。
9. 如权利要求8所述的设定信号，其为来自井泵的压力的升高、水流的开始、定时的间隔或人工操作。
10. —种水处理系统，其包括具有使水从中流过的静态混合器的室、氧气源、以及微孔口 ，氧气通过所述微孔口被喷射入所述室的底部，从而形成氧气的微气泡。
11. 氧气源为氧气瓶或PSA技术。
12. 如权利要求l、 6及IO所述的水处理系统，其进一步包括终滤器，在所述室中处理过的水流经所述终滤器。
13. 如权利要求11所述的过滤器，其包括Birm过滤器、Greensand、 Pyrolux、Filtersand、 Filter-Ag、活性碳、无烟煤及/或石榴石。
14. 一种水处理系统，其包括氧气微气泡源，用于氧化水中的有害物质。
15. 如权利要求14所述的有害物质，其为铁、锰、砷、锑、铬、铝、还原性含硫化合物、残留杀虫剂、药物代谢物及/或细菌。
16. 如权利要求14所述的有害物质，其为铁、锰及/或硫化氢。
全文摘要
本发明揭露一种水处理系统，用于移除井水及地下水中的金属及有毒气体，从而使水可以饮用。该系统采用氧气微气泡，氧气微气泡以高于在特定温度及压力下所计算饱和浓度的100％的浓度悬浮于水中。这些微气泡能氧化水中的有害物质，这些物质包括铁、锰、砷、锑、铬、铝、还原性含硫化合物、残留杀虫剂、药物代谢物及/或细菌。微气泡是通过电解产生或通过微孔口喷射。本发明还揭露一种用于该电解系统的控制系统。
文档编号C25C7/02GK101466874SQ200780022141
公开日2009年6月24日 申请日期2007年6月6日 优先权日2006年6月13日
发明者R·K·索伦森, R·R·赫格尔 申请人:氧合水技术股份有限公司