专利名称：液体和气体消毒和净化的方法
技术领域：
本发明涉及一种同时消毒和净化液体和气体的方法。更具体地说， 本发明涉及一种使液体和/或气体通过复合聚能器几何形状的反应器更 具体地为复合抛物线形聚能器的反应器并同时将处于运动状态的大量发 射的和/或输送的和/或各种形式的能量聚集在所述反应器的特别预定内 部空间中以形成高能密度区来消毒和净化所述的液体和气体的方法。所 述的能量包括声学的和/或超声的瞬间空穴作用以及由选自电磁谱的各 波段的电磁能(例如紫外钱、可见光、红外线、微波等)。反应器的内表面优选用例如氧化钛的光催化剂薄层涂覆，而所述的 内表面任选用预定的全息沟槽图案开槽或次波长合成，以便使波长相关 的反射和/或折射和/或衍射或其任何组合容易发生。本发明还涉及所述方法的聚能器(下文称为流体动力复合抛物线形 聚能器，即HDCPC)以及涉及以串联或并联或其组合方式相互连接的所述 聚能器组。 ，背景技术全球需求水的高效消毒技术是毫无疑问的。由于对消毒剂和消毒副 产物的严格法规，消毒技术对紫外线技术的偏爱胜于对消毒化学品使用 的偏爱。用传统的灯产生的紫外线是产生紫外线能量的基本方法，其无 残留作用不产生有害的物质(例如与氯化法比较)。这些灯排列成灯组， 常常放在每个有大量所述灯的通道(或反应器)中。这些灯(例如汞弧 灯和蒸汽灯)需要费用很高以定期更换和维修。当前由于传统灯的反应
引起的。此外，为确保充分保护这些灯而使用保护套(例如石英套已知能传送200至320纳米的深紫外线)进一步增加了费用，其常常需要配 置另外更加需要的资源以及使设计者、生产者和/或用户难以将光学或声 学聚能器用在反应器。本发明不受如此限制，这就是为什么本发明可以 用于处理液体或气体的各种消毒、中和、溶解和脱臭。本发明的目的是提供这样一种对液体和/或气体进行消毒和净化的 高效方法使液体和/或气体通过复合聚能器，同时将各种电磁能以及声 能、超声能(瞬间空穴作用)聚集成高能密度和聚集的区域，在该过程 中进行DNA和RNA复制序列(例如在有害的微生物中)的消毒或失活， 以及进行污染物和被污染介质的溶解、中和和脱臭(例如有机和非有机 化合物)。 、非成象的光聚能器的光学基本形式一一光锥已应用多年[(Holter 等(1962 ))。这些年来，简单的锥型光学聚能器已发展成更有效的复杂 的结构物，例如，复合抛物形聚能器(下文称CPC)如在US 5727108所 公开的，或复合椭圆聚能器(下文称CEC)。已证实例如CPC的光学聚能 器可高效利用和聚集收集、聚集和转化的太阳能、并在纤维偶合应用中 很好地得以阐述。声学聚能器也已用于乐器例如喇叭、长笛、风琴和喇叭以及其他乐 器发展和进步过程中的各代产品上。在乐器和建筑物的整个历史中可观 测到在建筑物、庙宇、教堂和其他建筑结构物中的声学几何的聚集形式。聚集通过特定导管或室截面的液体和气流的锥形界面存在于许多流 体动力和/或气动体系结构中。上述光学和声学几何形状聚能器用于单独的目的，即用于光聚集的光 学聚能器和用于声聚集和/或放大的声学聚能器，但当有液体或气体流通过 时未同时用于这两个目的。此外，上述聚能器从来未用作流体动力液流聚 能器。更具体地说，此前从未将复合聚能器同时用于增强液体和气体流以 及聚集电磁能和声能。电磁能可为任何电磁语范围的电磁能，例如微波、 红外线、可见光、紫外线等，而声能可为^^T适合频率的声能。令人吃惊的是，本发明中已发现，使用复合聚能器作为这样一种聚
能器或反应器，其中，当液体和气体同时通过聚能器(单级和/或多级聚 能器组)形状的反应器时电磁能和声能相互作用，这使所述的气体和液 体得到消毒和/或脱臭和/或净化，同时有^f艮高的生产率。在本发明的内容中，吸收是这样一种过程，通过这一过程气体、液体或固体形式的物质被溶解或与其他物质混合(ASCE， 1985 )在本发明的内容中，吸附为气体分子、离子或溶液中的分子附着到 固体表面上(ASCEW, 1985 )。在本发明的内容中，吸附等温线为表示恒温下吸附质的本体活性与 吸附数量之间关系的图示(Stumm和Morgan以后，1981)。在本发明的内容中，移流为溶质借流动流体的主体而转移的过程 (Freeze和Cherry， 1979 )。在本发明的内容中，空隙比为(a)在重力作用下可以从饱和土壤或 岩石排出的水的体积与(b)空穴的总体积之比(ASTM， 1980 )。在本发明的内容中，各向异性为在不同方向具有不同性质的状态 (AGI， 1980 )。在本发明的内容中，各向异性物质为任意给定点处在不同方向有不 同性质的物质(ASTM， 1980 )。在本发明的内容中，隔水层为这样一种水文地质单元，虽然它是多 孔的和能够贮水的，但它不能以足够的速率为井或泉眼提供显著供应量 的水(WM0以后，1974 )。在本发明的内容中，蓄水层指含有充分饱和的可渗透材料的地层 (formation )、地层组或部分地层，可给井或泉眼提供大量的水(Lohman 等以后，1972 )。指能为井或泉眼提供大量地下水的地质地层、地层組或 部分地层。由铀或钍回收操作产生的任何饱和区不认为是蓄水层，除非 该层是或可能是a)与天然蓄水层流体动力连接，b)能排泄至地表水或c) 由于超过长期政府主权和管理转让的土地范围的垂直投影的迁移可适当 接近的(IOCFR第40部分，附件A)在本发明的内容中，蓄水层体系是在地质学上起出水单元作用可渗 透的和渗透性差的材料的物体；它包含两个或两个以上至少局部^f皮限制
床层分离的可渗透床层，限制床层阻止地下水移动，但不显著影响该本系的区域流体动力连续性；包括可渗透材料的饱和的各不饱和的部分 (ASCE以后，1985 )。在本发明的内容中，蓄水层试验为测定蓄水层流体动力性质的试验， 包括从加到井中的水中取出测量数量的水以及测量在排放或加入期间和 以后蓄水层水头中产生的变化(ASCE， 1985 )。在本发明的内容中，不透水层指这样一水文地质单元，它没有互连 的开口，因此不能]i&存或传送水(WM0以后，1974 )。 一种不含互连开口 或不含缝隙的岩石，所以既不能贮水也不能传送水(ASCE， 1985 )。在本发明的内容中，基线监测指设计的用于连续测量或定期测量的立和操作(NRC以后，1982 )。在本发明的内容中，示踪剂曲线为相对浓度对时间的曲线，在这里 相对浓度规定为C/Co， C为地下水流域中某点的浓度，而Co为源浓度。在本发明的内容中，紫外线为约200至400纳米的光学射线(例如用于使有害微生物失活)。在本发明的内容中，可见光为400至700纳米光学射线。 在本发明的内容中，PDMS指聚二甲基法氧烷。(根据本发明的方法，它用于贯穿(构成)整个设备的各元件中(例如制成弹性导管和室))。 在本发明的内容中，解析指与准确的时钟或时间轨迹同步(例如同步激光、超声探针、空气流、水流、定长光谱、氧混合和溶解时间、自由基产生和维持时间、压力水平、峰值功率、脉冲重复频率、强度、波长)。发明内容本发明涉及一种液体和气体消毒和净化的方法，该法包括a)所述 的液体或气体通过一有平截头的复合聚能器几何形状的反应器或反应器 组；以及b)同时使各种电磁能和声能传送和聚集在所述的复合聚能器反 应器的指定预定的内部空间中，在预定的时期内在所述的反应器或反应 器组中形成高能量密度区。
本发明的反应器优选为复合抛物形聚能器或复合椭圓聚能器。根据本发明的方法，用例如Ti02的光催化剂薄层涂覆反应器的内表面。传送和聚集到反应器內的电磁能可为任何范围的电磁镨，例如紫外 线、可见光、红外线、微波等或它们的组合。 声能可具有任何适合的频率。提供电磁射线的辐射源可包封在反应器内或在反应器外或它们的组 合。射线源可为连续波激光器或脉沖激光器。在本发明一优选的实施方案中，有高强度光源的射线单元为高重复 频率(约1Hz至约50kHz )和高峰值功率(约lmJ至约50Js )的闪光灯。本发明还涉及这样一种方法，其中液体和气体通过串联的或并联的 或其组合的至少两个复合抛物形反应器组。本发明还涉及这样一种按所述方法规定使用的设备，其中该设备有 供气体和液体流通过的宽入口和窄出口的中空平截头的复合聚能器，所 述的聚能器有能将光聚集夸其中形成高密度能量区的特别预定的光学聚 能几何形状。聚能器的内部形状可为复合抛物形或椭圆聚能器几何形状 或任何其他的复合聚能器几何形状。该设备的内表面可用光催化剂例如Ti02 (二氧化钛)涂覆。内表面 可用等离子体溅射法涂覆约0.8至约1000微米厚，以及可涂覆在Si02 基材上，其厚度为0. 8至约1500微米，从而产生预定的折射指数。涂覆材料的折射指数可低于在反应器中流动的液体或气体的折射指数。涂覆的各层可有许多沟槽，其中所述的沟槽平行排列或呈栅格结构 排列，以及其中两相邻的沟槽之间的距离小于照射其上的单一入射波长 的长度。本发明还涉及这样一种方法和设备，其中反应器M渗析体系或过 滤体系的一部分。本发明公开了 一种新的方法，其中许多能量在一定空间和时间内相 互作用，产生对消毒、溶解和中和液体和气体(例如水和空气)中的污
染物特别有利的高能密度区。此外，本发明的方法促进形成高能密度区的各种能量连续地相互作用。这样的区域特别适用于(a) 使液体和气体消毒(b) 使有机化合物和/或无机化合物溶解(例如污染化合物)(c) 使液体和气体正常化(mormalize)和/或中和，无害地使不间断 输出最大化。发明详述本发明公开了一种新方法，用于(a)控制各种进入组装式复合聚 能器几何体的各种能量，(b)复合和(c)以催化和/或相互作用方式施 加(d)在所述的有液体或气体在其中(遍及)流动的几何体内同时产生 预定量的各能量，其包括污染物或有害物质，所述污染物由于步骤(e)的 作用而变得较为无害，(e)为了将所有波阵面的能量密度最大限度地形 成在(预定)空间或区域内，以便在预定的时间段内对所述液体或气体 中的所述量的污染物进行消毒、溶解和/或中和或失活的时间解析同步作 用对各种波阵面产生影响。此外，失效型式评价和临界状态评价(FME/CA) 是优越的。使用Ti02光催化剂的传统体系有各种限制，其中引发强烈依 赖于光源(例如如果要出现引发，光必需存在)。本发明利用了激光(190 至约315纳米)和超声波瞬间空穴作用(21-180千赫)的利用和聚集， 后者在212至约511纳米范围内产生声致冷光(sono-luminecense)，因 此本发明以一种以上的方式引发光催化剂，从而大大提高了本发明方法 的设备的安全性系数。本发明公开了一种将不同能量聚集到特别预定的 内部空间的新方法，其中液体和/或气体在其中流动或遍及其中，该空间 有均匀的高能密度区，以便使有害微生物中的DNA和RNA复制序列失活 和/或溶解和中和有机化合物、无机化合物和消毒剂副产物(DBP)。此外， 本发明通过在导管或室(例如反应器)内形成均匀空间分布的高能密度 区，利用复合的各种能量波阵面一起(例如同时)在单一反应器(例如 HDCPC反应器)中进行消毒。本发明还涉及一种通过相互解析光学峰值功率、声学瞬间空穴作用 和表面下光催化剂的激光引发的互相作用来催化消毒、溶解或中和生物
污染物、有机污染物和无机污染物以及被污染的介质的方法以及使用这 一方法的所有设备。本发明提出这样一种新方法，其中该法的设备可结合到现有压力容 器(过滤体系)中或可加在按分子过滤和/或颗粒物过滤或其组合操作的所述体系的前后或其中。此外，本发明提供了一些好处提高现有过滤 和净化体系的安全系数(例如反渗析、超过滤、薄膜分离体系和较大颗粒物过滤体系)。本发明的优选实施方案本发明方法的一优选实施方案中，许多CPC串行排列以提高效率和/ 或并联排列以提高生产率，它们构成HDCPC阵列，其中每一个HDCPC表 示一聚集级(例如第l级、第2级、第3级等等)，得到增效的多级聚能 器阵列，其中7JC入口通向第一级的输入，以及其中水出口通向最后聚集 级或通过至少一远程相连的激光器或每一模体专用的激光源驱动的并联 装置。本发明一优选的实施方案中，许多HDCPC排列成CPC的平面或平 板筛，其中所有宽输入口中的大多数向上或向下或以预定的角度或其任 意组合。本发明方法设备的一新环境实施方案中，中央光源(例如固态二极 管泵浦脉冲激光)为包括^体动力复合抛物形聚能器的至少一个聚集级 提供足够的光能。此外，本发明方法的一环境优选实施方案中，使用电 子束或激光束对HDCPC的内壁进^f亍全息开槽，以形成对导向和/或控制光 射线(例如激光脉冲)有适合折射指数的亚波长表面，以及所述的控制 形成对消毒、溶解和/或中和有害物质特别有利的高能密度区。本发明方法的一新环境实施方案中，串联的CPC用来得到每一聚集 级有足够辐射长度的多级聚能器，其顺序地使其中的光催化剂和激光射 线的相互作用最大化(例如产生自由基以及限制和/或中和所述的自由 基)。本发明方法的另一新环境实施方案有一系列CPC的并联排列代替所 述的串联排列/或与其组合或其任何组合。本发明方法的一有利的实施方案中，至少一个CPC有金属主体，其
内表面用Si02层等离子体溅射和/或涂覆，以及其中所述的Si02基质层用 Ti02或光催化剂涂覆。此外，本发明一新方法有预定的折射指数以增强 反射和/或其中(例如在hdcpc反应器中)的光催化剂的引发。本发明的一优选实施方案有这样一反应器聚能器，其中通过反应器 的液体或气体通过在其中形成的高能密度区来消毒。此外，本发明提供 溶解和/或中和污染物和/或有害微生物的能力。本发明一适用的环境实施方案中，cpc的一些部分被涂覆以反射釣 190至约399纳米的波长，而另一些部分净皮涂覆以吸收约199至约400 纳米的波长，以确保在hdcpc内表面光催化剂涂覆的预定部分中有高能 密度区。本发明方法的一优选实施方案中，每一 cpc附于或连接或结合到至 少另一个cpc上，和cpc组在空间上或在框架中或其任何组合中相互连接。 '，本发明方法的一优选实施方案中，至少一 cpc的内表面被弯曲或扭 转或开槽，以便提高与其中流动的液体和气体的接触表面，此外，在多 层涂层的最后层上用等离子体溅射或蒸气沉积或表面加工或其任何组合 来做到开槽或弯曲。本发明的方法可用于各种各样的和环境上有利的应用场合(例如消 毒和/或溶解和/或中和)，它们需要本发明方法的每一要素单独地或与选自以下的其他要素协同地和/或同步地操作(1 )单色脉冲激光(或滤光 灯)光能，(2)超声瞬间空穴作用，(3)微波，(O输入氧气的空气泡 (例如对第1级)(废水和/或液体或气体)，O)声致冷光，(6)緩和的 残留物中和和/或氧化作用就地产生的臭氧，(7)多色连续波(cw)(例 如紫外线光能)，(8 )富集空气的气泡(例如通过早期将光催化剂设置在 设g中加入的自由基利用空气的优良传递作用和其21%可得的游离氧 或其任何组合)。本发明方法的一优选实施方案中，可制成约几厘米(例如流量为每 分或秒几升)至约几百米尺寸的cpc，以容纳大量静置或暂时贮存的液体 (或气体)。这样的大型cpc可能对环境应用是有利的，其中空气以气泡进入所述池或槽的底部中央，而光通过单个波导和/或组合臂或从单独的 聚能器和/或聚能器阵列传送到槽中。本发明方法的一优选实施方案中，装有分别至少一个HDCPC的标准 组件(module)串联和/或并联连接；形成标准组件的工作台或站。这样 的工作台和站对其中的液体和气体提供另外的暴露时间是特别有利的 (例如紫外线)(>26千赫超声波)，(自由基的生成及为所述的自由基 更有效起作用提供足够的时间)，(为超声波净化提供另外的空间)，(为 确保不含自由基的无害输出而提供另外的辐射点或输入(例如在体系的 出口级照射紫外线))。本发明一优选实施方案中，使用光催化剂插入件。这样的插入件提 供了一种方便的手段，它可以很容易清洗(例如通过逆流洗涤作用)，此 外，由于使用光催化剂插入件，本发明方法的设备的制造和生产费用大 幅度下降。通过使用插入件，生产商和/或用户可按比例放大或缩小体系 (例如反应器)，不需要使用昂贵的涂层步骤。用户以及生产商可简单地 按比例放大体系的硬件，并选择适合的光催化剂插入件来与特定的尺寸 相配，光催化剂插入件这样的应用提高了光催化剂的质量和反应速率。本发明一优选实施方案中，至少一 HDCPC中装有涡轮，其中所述的 涡轮涂覆有光催化剂或由光催化剂制成，涡轮在反应器内的旋转提高了 其中(例如在反应器中)的光催化剂的反应速率。图1说明一平截头的流体动力复合抛物形聚能器(THDCPC)反应器 几何体，该几何结构具有与激光引发的光需氧流分解的光催化剂(例如 Ti02)结合一起的衍射的亚波长内表面(SWS)。本发明包括(a)有输入 和输出开口的HD/CPC导管几何体，(b)超声瞬间串行空穴作用，(c)流体 动力学界面，(d)热力学界面和(e)就地产生适度残留臭氧，扩大到对在 预定的时间内在预定的空间中控制各种能量及其波阵面的总体相互作用 的同步互连性和协调相互作用性同时起作用(时间分解或锁定的)。本发明方法一优选实施方案中，许多HDCPC顺序排列成标准组件， 每一个标准组件按预定次序连接到至少一个另外标准组件上(例如呈直 线排列和/或并联排列和/或串联排列和/或其任何组合)。此外，本发明
提出一新方法，其中输出吸收器出口无缝地连接到在一条线上的预定HDCPC的下一入口 ，对于多级聚能阵列，这样的排列对液体和气体的消毒、 溶解、中和和脱臭特别有利。对增强水分布的水净化应用特别有利。适合的剂量和/或剂量输送有助于高的生产率，同时保持用户和生产 商经济相互操作性的简化和模块化。本发明方法一优选实施方案中，HDCPC的并联排列与串联排列相互连 接，此外，任何数目的排列都可(相互)连接在一起形成标准组件，标 准组件可分组、连接或重叠，以便满足对标准组件方案不断增长的需求 以及迅速响应变化的产量需要/或预定的应用要求的能力。本发明方法一优选实施方案中，预定的HDCPC的输出吸收器为连接 它的另一 HDCPC的输入进口。此外，许多HDCPC可连接成单个的HDCPC 和/或合并成单一的单元(或标准组件)或单元阵列，使用标准组件结构， 本发明克服了传统CW紫外灯基反应器所受的限制。本发明方法一优选实施方案中，许多HDCPC按串联或并联连接和/或 集成在一起，形成相互连接的HDCPC网络，形成许多对消毒、溶解、中 和和脱臭液体和气体特别有利的高能密度区。此外，使用至少一级聚集 的本发明方法为自由基(夺第一 HDCPC侧壁由光催化剂生成的)溶解、 中和提供了足够的时间，并在最后一级(例如出口 )通过紫外线辐射中 和。本发明一优选实施方案中，在激光和/或光催化剂级(反应器)之前， 为了提高氧溶解在水中的数量以及提高其中光催化剂的反应速率(例如 在各级/反应器)，其包括一氧溶解预反应器。此外，这样的溶解级还可 包括利用激光产生的热(,如用通过不同级的水或空气来冷却激光)，或 者氧的溶解可利用来自激光的红外射线(例如频率加倍以前)，或者氧的 溶解可通过将微波能发射到液体或气体(例如水和/或空气)中来增强， 或者氧的溶解可包括空气混合到水中(溶解的氧进入水中)，或者氧的溶 解可包括借助超声波瞬间的或稳定的空穴作用或其任何组合使空气与水 混合。本发明方法一优选实施方案中，为了消毒和/或溶解和/或中和和/或
脱臭液体和气体中的有害物质(例如细菌或病毒和/或孢嚢)和/或污染物，光学峰值功率和/或超声瞬间空穴作用和/或流动解析光(例如约170 至约364纳米)引发光催化剂，和/或声致冷光和/或氧溶解，溶解或混 合(例如到液体和气体中)以同步和/或顺序和/或协同方式出现。此夕卜， 新方法促进了。本发明方法一优选实施方案中， 一系列HDCPC连接成一直线和/或一 曲线，以及其中第1聚能器的入口 (例如在HDCPC的至少一线上)从高 强度光源投射的和/或扫描的和/或投射的高强度光源接收相干激光光 束，以及所述的光为脉冲波或连续波，和/或所述的光为约170至约400 纳米的不可见光或401至约700纳米的可见光，在每一 HDCPC中形成特 别适用于有害物质和污染物消毒、溶解、和/或中和的高能密度区。本发明方法一优选实施方案中，具有高重复频率和高峰值功率的固 态二极管激励的激光在以下3个频率下操作(1)约1064至约2400纳 米、(2 )约532至约1063纳米和(3 )约266至约531纳米，所述的频 率单个地和/或一起用于液体和气体的消毒、溶解、中和和脱臭目的。此 外，本发明公开了一种新方法，其中每种波长被利用、分配和/或传送到 体系结构中预定的位置，因此它可用来增强总体消毒过程。本发明方法一优选实施方案中，激光射线中的红外线部分通过波导 和/或在组合支管(integrated arm)传送到预反应器中和/或用于将氧 溶解和/或混合到水(或气体)中(在预反应器中)的标准组件中。此夕卜， 可将激光冷却体系(空气对水、7JC对水、空气对空气或任何组合)相连， 以便在水入口或出口前、后或过程中的某一特定位置升高温度。本发明方法一优选实施方案中，液体或气体通过反应器(HDCPC型几;)(例如反应器和/或反应i阵歹'i或反应器j:或其任何组合以前:过程中或以后用溶解的氧富集和/或混合和/或调和。本发明方法一优选实施方案中，连续波激光束(CW)经串联的HDCPC 标准组件的入口发射。此外，HDCPC这样的串联排列有助于通过每一 HDCPC ^f吏反射激光束连续聚集，单个产生顺序的高能密度区(例如整个HDCPC阵列或相互连接的反应器阵列)，这样的辐射几何体通过克服传统的灯和 激光为基础的反应器产生的限制展现了本发明方法的优点。更具体地说, 本发明为光催化剂(和氧)产生的自由基提供了足够的时间，其中光催化剂通过其中的激光(在HDCPC反应器和/或反应器阵列中)不断地引发。 此外，本发明还有助于反应器标准组件网络的形成，当它们相连和/或相 互在一起操作(例如一起解析和/或同步)时，提供了高的失活效率(消 毒、溶解和/或中和污染物)，或者更具体地说，利用(a)多级光学聚能 器(例如HDCPC)和(b)连接在生产商和/或用户(以及液体和/或气体体 系管理者)的网络上的多段暴露室和/或反应器，本发明能将液体和/或 气体(它们流过预定的反应器、HDCPC标准组件或HDCPC阵列或阵列的网 络)中存在的有害物质转化成更加无害的物质，例如可祐人类、动物或 植物接受和/或消费的物质。此外，这样的过程(a、 b、 c)比这一领域中 任何其他已知的方法进行得更快、更有效和更经济。本发明方法一新的环境实施方案中，HDCPC的单一标准组件装有许多 单个相连的较小标准组件。,此外，这样的单个标准组件(和/或反应器) 可包括以下类型光催化剂型、波导型、脉冲暴露型、连续波(CW)型、 准连续波型、悬浮体型、氧溶解和/或混合型、加热型、冷却型、温度和 /或流体交换型、可见光照射型、红外线照射型、UVA、 UVB和UVC照射型、 多色光型、单色光型、闪光灯型、二极管型、激光型、需氧型和/或不需 氧型、整体过滤型。光学(E. M. R )。声学(超声)瞬间/稳定的空穴作用。 液体和气体的流体动力流(例如含水介质)。激光引发的光催化剂(气动地和需氧地(氧增强的)微波发生设备或磁控管医学解析的均衡器/分解装置本发明一优选实施方案中，催化消毒(医学)仪器保持器使用本发 明的方法。本发明的这一实施方案提供一种基本工具，其中可显著更加 快速和安全提供安全的医学处理和步骤并减少对昂贵能量和/或消耗时
间的过程的依赖(例如自动分解，或含氧水和其他溶剂和有毒化合物的 使用)。内科医生、外科医生、生物技术学家、牙科医生、农艺学家、研 究人员、教师和多学科专业人员可将这些仪器放在保持器内，这样的仪 器可包括刀片、激光组件、镜子、钻附件、超声波探头、取样工具、细 针和/或医学的和/或工业的注射器。
本发明一优选实施方案中，消毒用催化医学仪器架由透明的外壳和/
或聚合复合材料层(如PDM)制成的，其中聚合物外壳是足够透明的和/ 或以某一预定的角度过渡地处于至少一相干光束或脉冲路径中。此外， 这样的聚合物外壳可被涂覆(等离子体溅射，CVD的各种涂覆)，以便改 变其光学性质和/或机械性质(例如折射指数、柔性才莫量以及结构、吸收、 发射、反射和衍射)。弹性对于本发明的设备能够经受住强烈沖击和提供 现场应用的解决办法是极其重要的。
参照以下附图进一步描述和说明本发明
图1说明本发明方法的串行连接的HDCPC阵列的示意图。所示的顺 序或串联的HDCPC阵列包括(l)具有由现有的电学基本结构或太阳板、
转换器和/或电池供能的高强度光源的远程辐射单元，未示出的(2)直 线布置在辐射单元和最上部CPC (第l级聚集)之间的波导管，O)电导 管(可为波导管外壳上的导电涂层或内捆扎的传导(电和/或光)元件， (4)所示的一束光和/或电传导元件，达到设备随中的第2CPC (例如第 2级聚集)，其中液体和/或气体在其中流动或流遍。数字(5)表示设备 链中第一CPC的主体。数字(6)表示入口 (例如水和空气，例如液体或 气体)，为了清楚起见，这一点表示为类圆柱形管的体系输入口以表明体 系输入口 (例如反应器阵列输入端，HDCPC标准组件)。数字(7)说明管 束的输入阵列，这些输入口表示成以下这样的点，约190至约399纳米 的光从这些点投射到HDCPC外壳和/或反应器主体(例如第1级聚集)中。 整体式超声探针表示为数字(8)，虚线(10)穿过第1级HDCPC结构的 截面(例如仅3个说明用的HDCPC聚集/过滤级的设M中的反应器1 )， 说明瞬间空穴作用的液流的(回声现象的)声学反射。从约26999赫(26. 9
千赫)至约51000赫(51千赫)。数字(9 )表示一组细菌簇(例如六肠 杆菌野生型菌林K12)和/或液体和/或气体中存在的其他有害物质。数字 (11)表示第2超声探针，它将约26千赫至约1. 5兆赫的声学瞬间空穴 作用投射在HDCPC第2级反应器内。数字(12)表示第1级后残留的细 菌簇。数字(13)表示ii^第2级反应器(例如HDCPC)的波导管输入区， 为了清楚起见表示为从高强度、高峰值功率(例如高重复频率)的脉冲 光源接收单束进光，传送的约210至约370纳米的光与电能一起传送(例 如在束内的单股中)，所述的束表示为传送与每一单个HDCPC单元、标准 组件或阵列(未示出)的操作有关的光、电、时间、光谱、温度、磁场 双向传感数据。数字(14 )表示在约10赫至约110千赫范围内操作以帮
中)(如在以前的阶段中)(在i一单个m)CPC级和/i标准组件和/或 HDCPC反应器阵列中)的第3超声探针。数字(15 )表示从单个束进光的 第3输入口，这一复合的光输入口是按中和前几级残留的自由基和/或 DBP (消毒剂副产物)的特定校定标准物质而特别设计和传送。数字(16 ) 表示在第3级输出路径上(例如水或空气出口)已失活的细菌簇(例如 经消毒的)。数字(17)表示两层等离子体溅射的涂层，包括Si02第l基 质层，它是平滑的和耐冲击的，有高的粘合力和预定的约l. 00至约6.1 的折射指数，与另一 Ti(V光催化剂等离子体溅射层形成足够的折射指数 分布，厚度为约0.8至约1000微米(每一层)，形成波导型聚能器几何 体，使整个发射增强。数字(18)表示体系的输出口 (例如水和/或空气 出口 )。
图2说明反应器中元件的波导管部分的示意图，本发明的这一 HDCPC 波导管型设备包括通过快速连接点(20)连接到中空介电波导管(27)
(HDCPC翅型)的最后HDCPC标准组件或标准组件阵列的(19 )平截头的 输出口 ，扩大到形成反应器或标准组件套的单一元件(未示出)。
(21，a，b，c)表示进入介电波导的光学输入，其投射从外部辐射单元到 达的从190nm到2400nm的光，外部辐射单元具有高强度光源，光通过波 导和/或波导束^延伸的HDCPC波导翅中，波导翅从HDCPC的边缘开始
在长度上从1微米扩大到几米，(例如，见19)。 220表示专用的高重复 频率、高峰值功率脉冲激光器(23)的单个控制器。(24)、 (25)、 (26) 表示传送光能以及传送电能进入元件的波导管部分的单束馈送器。(27 ) 表示反应器元件的波导管部分的主体，其中(28)表示单一控制器，它 控制(")和(34)闪光灯。(29，a，b，c)表示反应器元件的波导管远端 处的另 一光输入/输出点。这些另外的输入/输出点提供了补充的光输入 (例如进一步增加元件的波导管部分中的光通量密度)，或者它们可用作 为测量和/或诊断的光取样点。(30)、 (31)、 (32)表示从位于远处的高 强度脉冲闪光灯(34)到达的约210至约400纳米单束馈送，为了清楚 起见用(35)表示其单个控制器单元。该图说明反应器和/或标准组件的 元件(例如波导管部分)，根据本发明的方法，波导管部分可按串联和/ 或并联或其任何组合互连，形成HDCPC的模体。
图3说明本发明方法的设备的全景部件分解图，所示的医疗仪器夹 具解析器包括HDCPC和/或锥形管路或室(36)。用亚波长开槽和更大的 开槽扩展的光需氧混浊度(turbidity)和混合源(spring)以提高它的 表面相互作用(例如空气含有21%游离的可利用的氧，提高空气流可增加 催化效率)。平截头的复合抛物形聚能器主体(在这一说明中以它的初级 锥形剖面示出)(TCPC) (36)，有向上变宽的聚集接收角(38)，带有用 亚波长表面加工处理的内部轮廓，控制和处理其中约200至约3"纳米 光学相互作用的波长特征的全息沟槽(例如在TCPC中)。为了清楚起见， 在较窄的接收角处表示触摸敏感的引发吸收剂(39)，它(a)反射其中 适合的波长(在HDCPC中)，(b)物理保持或支承其中的仪器和/或元件。 一种外科仪器(37)在锥形(例如聚能器)反应器主体中，它有可调节 的需氧亚表面全息沟槽自动膜片(iris) (38)引导闸片，有反射特定波 长的朝内面向表面和(40),保护仪器的柔软弹性接触边，所示的膜片(如 被激发的)围绕外科仪器自动关闭(或打开)，保护周围观测者的眼睛， 同时通过从光催化剂产生自由基来使其中的催化消毒效率最大(例如在 THDCPC主体中)。光从和/或通过衍射的光学元件的表面边缘("b)i^— THDCPC主体，所述光学元件在尺寸上与所述源(spring)和/或THDCPC
主体(36)内轮廓的表面曲度以全息和/或散射方式匹配，使相互操作性 和/或整个反应速率、生产效率最大。(42)说明介电空气管， 一端(41a) 从中央输出吸收器(41，在图的底部)i^v聚能器的主体，而另一端(43) 在空气泵送和/或抽吸远点结束。为了清a见，为说明起见7jc槽(44) 和/或导管，被(45)表示的液体(例如水)部分填充。用(46)、 (46a)、 (47)、 (48)、 (49)说明仪器架/解析器的放置，有可伸缩的或可变长度 的支承设备或臂。为了清楚起见示出支承环(50)，它保持聚能器主体(例 如锥形反应器)(51),和(52)表示用于传感和识别插入的仪器的传感 设备。(53)表示在图的左上侧表示的超声瞬间空穴作用探针(57)的驱 动器和控制器。(54 )表示有积分计时器(未示出)的同步器或解析器单 元。(55)表示系统主控制器，为了请楚起见，用(a)、 (b)、 (c)表示 其集成触发输入。图4说明本发明HDCPC标准组件的全景部件分解图。HDCPC标准组件 包括一中央控制器(57)，它电驱动有高强度的约190至约400纳米紫外 线源的辐射单元。光通过波导管束(58 )(未示出)传送，(59 )表示所 述的波导管公共端，它分成(a)、 (b)、 (c)、 (d)、 (e)和(f)，每一个 表示i^各个HDCPC波导管部分的单个光输入部分(例如在标准组件内 的)外壳(60)内。(A)、 (B)、 (C)组表示在标准组件内另外的HDCPC 波导管部分，每一个都有其自身的光学I/O 口，通过该口可向和/或由每 一单个HDCPC波导管(HDCPC连续翅)部分和/或扩大部分进行细菌的失 活和/或溶解、中和和/或脱臭和/或(光学)过滤和/或光谱传感(例如 荧光场合)并提供平台，许多光源可用在所述的平台上(例如固态二极 管激光、波长为约190至约3000纳米的闪光灯)。(61)说明液体或气体 ii^标准组件入口，到相邻HDCPC标准组件(未示出)边的上述整体式 连接口上有宽箭头。(61，a)表示超声瞬间空穴作用探针，而(61，b)说 明在其中(在各个标准组件或标准组件阵列中)产生微波能的磁控管。(62)表示能从每一单个的HDCPC中空波导管部分(如，在标准组件外 壳中)发射和接收光的控制和数据采集单元。(63)表示一束单个波导管(未示出)，其中，为了清楚起见，它们的共用末端(64)分成(a)、 (b)、
(c)、 (d)、 (e)、 (f)，每一个表示将光能传送到标准组件内的所述 HDCPC波导管部分或将光从它传出的单个波导管或光纤或锥形光纤组。
(65)、 (66)、 (67)表示第一下部波导管部分阵列，在标准组件中其余 的HDCPC波导管部分用(A)组、(B)组、(C)组、(D)组、(E)组中的 三组标记，这些组按标准组件中它们各自的位置排列和描述。(68)表示 连接到图底部下方的相邻HDCPC (略图)的下部快速连接和组合分路(例 如连接安全环)。(69)表示其中上部组合和连接分路。(69a)表示压力 容器标准组件驱动器，它说明本发明的设备与分子水平和颗粒物水平的 过滤体系的新颖方法组合。(70)表示标准组件的输出口 (例如液体和/ 或气体的标准组件出口 )，用标准组件上侧向左的箭头标记。
图5说明在本发明方法的较大室型标准组件中标准组件阵列的等距 视图。示出的本发明的标准组件阵列包括液体和/或气体进入标准组件
(例如标准组件中的标准组件阵列)(72)的标准组件下部入口 (71)。
(73)表示单个较小的标准组件，它能将颗粒材料阻止在预定界限范围 之上或之下以及接收光的馈送(未示出)。(74)表示放在较大的室型标 准组件右侧的另外标准组伊。这一#准组件(")用来将颗粒物、有机 化合物和/或无机化合物(在分子水平上)阻止在预定的范围之上或之下。
(74， a )表示在约26. 5至约180千赫范围内操作的超声瞬间空穴作用探 针，(74，b)表示在其中产生微波能的磁控管(例如在各个框架/标准组件 结构中)。(75)表示过滤标准组件(分子水平)，它有描述为接收两个单 独的光馈送/标记为(a)和(b)的照射薄膜阵列。(76)表示依赖于压力 的压紧分路/环，当压力升高或下降时(进出标准组件)，它起支承装置 的作用。(77)表示用来阻止预定尺寸范围的颗粒材料和悬浮固体的照射 过滤管组(颗粒水平)。(78 )表示装有透明热固和/或热塑弹性光导聚合 物(例如PDM)组合的阵列的标准组件，其中至少一波导管部分内部用等 离子体溅射涂覆Si02和/或另一层光催化剂(例如TiOj在其顶部涂覆， 以便形成适合的折射指数分布，以提高其中的发射(贯穿整个标准组件)。
(79) 表示所述室内标准组件之间的连接，形成压敏安全分路和/或环。
(80) 用箭头表示已通过内部有较小标准组件阵列的标准组件的液体和/
或气体的总出口 (例如较大标准组件的输出口 )，图6说明本发明消毒标准组件的等距视图。示出的本发明的消毒标 准组件包括为清楚起见，用箭头表示的液体或气体的总入口 (水入口 被示出)平行于标准组件的横轴设置(例如入口与标准组件长度呈一线)。 (82)表示位于右边的另一水入口，其与许多等离子体溅射或涂覆PDM 的波状管(wave)和/或液体和/或气体导管的集合点配置成90度。所述 的管子每一根长(小于)约1毫米至(大于)约100米。(83 )表示单个 波状管部分和液体(或气体)导管部分，其中所述的部分为导管部分阵 列的一部分，导管部分中所述的部分用于引入、混合和溶解氧(例如存 在于液体或气体中的)。(84)、 (a)、 (b)表示具有不同的过滤体系组合 的说明本发明方法的组装设备的可选择实施方案，即同时能实施分子水 平过滤((a )用HDCPC成形反应器或标准组件外壳表示)/或颗粒水平过 滤((b) )。 (85)表示侧面的(90度)总的水出口。 (8"表示与各部件 阵列中每一个结合的过滤标准组件和波导管。(87)、 (88)表示另一标准 组件，其中为了清楚起见示出两个光输入/输出口， 一个用于输入用于失 活、消毒、中和/脱臭污染物或有害物质的光。(89)表示装有U个封闭标准件的标准组件的较大正方形标准组件框架(例如照射和/或紫外线 (例如脉冲波或连续波)照射标准組件)(例如从远程的和/或一体的具 有高强度光源(未示出)接收外部激光或闪光灯输入)。(90)表示标准 组件的总出口 (框架输出)，其中液体和/或气体排出体系。(91)表示能 产生约27至约218千赫的超声能的超声瞬间空穴作用探针，防止胶体沉 积物和/或硬水沉积物附着到反应器(HDCPC)内壁或表面(例如每一单 标准组件中包括的波导管部分(PDM)的内壁和表面)。框架，也就是本 发明方法可使用的较大标准组件，其中所迷框架在包括分子过滤和颗粒 物过滤的过滤过程之前和/或之后和/或过程中布置，例如在城市废水处 理、饮用水应用和民用工业和农业应用中的液体和气体处理中存在的以 上过滤过程，本发明公开了一种新方法，其中各种能量在预定的时间内 被激励、解析和/或同步，以确保通过形成高能密度区(使用HDCPC)来 传送足够的消毒剂量。(91)、 (93)说明本发明利用它的任何标准组件作
为压力容器的能力，其利用、使用、结合由流体动力和气动施加的压力 或其任意组合(例如用于反渗析和其他分子和颗粒物范围的过滤体系)，本发明的方法克服了传统&系产i的限制，也就是在本发明的设备中可同时提供有害微生物中的DNA和RNA复制序列的过滤和/或辐射失活，以 及？ 1发光催化剂生成自由基和超声瞬间空穴作用以防止胶体沉积物和硬 水(液体和/或气体)沉积物。图7表示本发明方法处理和消毒、中和溶解污染物和有害物质的原 理实验数据的证据，其中数字0-40表示本发明设备的照射和操作过程经 过的时间，左边的图标表示CFU数(以10为底的对数)，在图中示出的 高亮数字本身表示从10秒附近的3. 3到5的对数失活率(99. 9%失活、 消毒)，实验中使用的细菌为大肠杆菌野生型菌林K12。在10赫的2" 纳米激光作用下，用等离子体溅射将Ti02光催化剂溅射到钛为基础的反 应器结构壁上，激光峰值功率2. 5-4mJ，在27千赫下超声瞬间空穴作用， 起动磁控管、使氧输入处于使用中。在10-30秒后观测到CFU显著下降。图8说明了本发明的方法和设备的效果。左边的培养脏计数表示有 害物质大肠杆菌野生型菌林K12的CFU计数(菌落形成单位)，其中大肠 杆菌野生型菌林K12在琼脂和0. 9 %的Cl的悬浮液中，尚l暴露于激光。右边的培秦niL计数表示野生大肠杆菌的总减少量，明确地再次证实 无化学品、无残留的本发明方法的高效率。该实验采用266纳米的 AntlantiumNd:YAG，使用激发二^M目互作用的亚微秒时域(纳秒)脉冲 宽度。根据本发明的其它方面，还包括以下项目1. 一种消毒和净化液体和气体的方法，该法包括使所述的液体或 气体通过具有平截头的复合聚能器几何结构的反应器或反应器组合；以 及同时将各种电磁能和声能传送和聚集在所述的复合聚能器反应器的特 别预定的内部空间中，在预定的时期内在所述的反应器中形成高能密度 区。2. 根据项目l的方法，其中反应器为复合抛物形聚能器。3. 根据项目l的方法，其中反应器为复合椭圓聚能器。
4. 根据项目l的方法，其中反应器的内表面用光催化剂的薄层涂覆。
5. 才艮据项目4的方法，其中光催化剂为Ti02。
6. 根据项目1的方法；其中电磁能为任何电磁语范围的电磁能或其 组合。
7. 根据项目l的方法，其中声能有任何适合的频率。
8. 根据项目l的方法，其中至少一种电磁能源封闭在反应器中。
9. 根据项目l的方法，其中至少一个电磁能源在反应器外。
10. 才艮据项目l的方法，其中至少一个电磁能源为激光。
11. 根据项目IO的方法，其中激光为脉冲激光。
12. 根据项目l的方法，其中有高强度光源的辐射单元为约1赫至约 50千赫的高重复频率、约lmJ至约50J的高峰值功率的闪光灯。
13. 根据项目l的方法，其中液体和气体通过至少两个复合抛物形反 应器串联的反应器阵列。
14. 根据项目l的方法，其中液体和气体通过至少两个复合抛物形反 应器并联的反应器阵列。
15. 根据项目l的方法，其中电磁能为约200至约400纳米的紫外线 (UV)能。
16. 根据项目15的方法，其中紫外线辐射为脉冲辐射。
17. —种用于上述项目中任一项的方法的复合聚能器反应器设备，其 中所述的反应器为带有用于气体和液体流过的宽入口和窄出口的中空平 截头聚能器，以及所述的聚能器有能使光聚集在其中形成高能密度区的 特别预定的光聚集几何形状。
18. 根据项目16的设备，其中聚能器的内部形状为复合抛物形或椭 圓聚能器几何形状。
19. 根据项目15的设务，其中反应器的内壁用光催化剂涂覆。
20. 根据项目18的设备，其中光催化剂为Ti02 (钛氧化物)。
21. 根据项目19的设备，其中Ti02被以等离子体溅射方式涂覆，厚 度为约0. 8至约IOOO微米。
22. 根据项目20的设备，其中将厚度0. 8至约1500微米的TiOr凃层,
涂覆在Si0,基质上，形成预定的折射指数。23，根据项目21的设备，其中涂覆材料的折射指数低于流过反应器 的液体或气体的折射指数。24. 根据项目16-22的设备，其中涂覆层有许多沟槽，其中所述的沟 槽平行排列或按栅格结构排列，并且其中两连续沟槽之间的距离小于照 射其上单个入射波长的长度。25. 根据项目17-24的设备，其中反应器为反渗析体系或过滤体系的 一部分。26. —种上面描述和说明的设备。27. —种上面描述和说明的方法。
权利要求
1. 消毒液体的方法，包括使液体在反应器的纵轴方向上经过所述反应器；并且将电磁能从外部辐射源传送到所述反应器中，使得电磁能在所述反应器的纵轴方向上传播，其中所述电磁能的传送包括传送紫外辐射。
2. 权利要求1的方法，包括 将声能传送到所述反应器中。
3. 消毒设备，包括波导装置，该波导装置具有沿着所述装置的纵轴的用于液体或气体 的通道，所述通道具有入口和出口；以及位于所述波导装置外的外部辐射单元，用于将辐射传送到该波导中， 使得所述辐射在所述纵轴方向上传播。
4. 权利要求3的消毒设备，其中该波导装置的内壁具有包括光催化 剂层的涂层。
5. 权利要求3的消毒设备，其中光催化剂层包括二氧化钛。
6. 权利要求4的消毒设备，其中所述涂层包括Si02基质层并且所述 光催化剂层在所述Si02基质层上。
全文摘要
本发明涉及消毒和净化液体和气体的方法，该法包括a)使所述的液体或气体通过有平截头的复合聚能器几何形状的反应器或反应器组合；以及b)同时使各种电磁能和声能在预定的时期内传送和聚集在所述的复合聚能器反应器中的特别预定内部空间中，形成高能密度区。本发明的反应器优选为复合抛物形聚能器或复合椭圆聚能器。传送和聚集在反应器内的电磁能可有任何电磁谱范围的电磁能，例如紫外钱、可见光、红外线、微波等或其组合。声能有任何适合的频率。传送电磁辐射的辐射源可封闭在反应器内或可在反应器外。
文档编号A61L2/02GK101397156SQ20081010946
公开日2009年4月1日 申请日期2000年4月21日 优先权日1999年4月23日
发明者M·安德, Z·特里拜尔斯基 申请人:安特兰德水技术有限公司