用于延长臭氧的半衰期的水处理的制作方法
【专利摘要】本发明涉及提供酸性离子化的臭氧化液体的系统。所述系统包括配置成接受液体到所述系统中的液体入口；与所述液体入口流体连通的基于酸的阳离子交换树脂，所述树脂适合使在所述接受的液体中的阳离子与在所述树脂上的H+离子交换；与所述液体入口和所述基于酸的阳离子交换树脂流体连通的臭氧溶解设备；和与所述液体入口、所述基于酸的阳离子交换树脂和所述臭氧溶解设备流体连通的液体出口。所述臭氧溶解设备和所述基于酸的阳离子交换树脂共同生成所述酸性离子化的臭氧化液体以便经所述液体出口分配到所述系统以外。
【专利说明】用于延长臭氧的半衰期的水处理
[0001]相关申请的交叉引用
本申请要求2011年8月25日提交的美国临时专利申请61/527，284号的优先权，其通过引用全文结合到本文中来。
[0002]领域
概括地讲，本发明涉及用于生成臭氧化水的系统和方法。更详细地讲，本发明涉及在臭氧化水的生产中处理水的臭氧化方法和系统。
[0003]背景
臭氧是氧气的天然存在的同素异形体。其是已知的并作为氧化剂和消毒剂使用。在水溶液中，在适当浓度下臭氧能够在数秒内杀死细菌。常常需要使用臭氧作为消毒或卫生处理剂，因为其无味且不留下残留。溶解于水中的臭氧的卫生处理性质以及其无味且无残留使得这种溶液适合用于清洁和消毒的需要。臭氧化水可用于在商业和家庭设备中消毒或卫生处理。例如，臭氧化水可用于消毒或卫生处理浴室柜、制品、盘子和餐具或地板。
[0004]使用臭氧作为消毒剂或卫生处理剂的一种便利方法是将其溶解于水或水基溶液中。臭氧的稳定性在其作为消毒或卫生处理剂使用时经常是一项复杂的因素，因为赋予臭氧消毒和卫生处理性质的臭氧高反应性还引起与还原剂的反应，且因此引起分解。在预期需求下生成的臭氧水中的臭氧最终将分解并恢复成未臭氧化的水。 [0005]生成适合清洁、消毒或卫生处理的臭氧化水的臭氧化系统可为再循环或非再循环的系统。
[0006]再循环臭氧化系统设计有水槽和再循环臭氧化流动路径。水流经该臭氧化流动路径并使适量的臭氧溶解于其中。在臭氧化流动路径中的低效率导致需要臭氧化水经臭氧化流动路径再循环回来以达到所期望量的溶解的臭氧。这典型地通过使臭氧化水再循环回到水槽并操作臭氧化系统一段时间直至在该槽中的水全部充分臭氧化来实现。
[0007]臭氧化系统已经通过增加臭氧化流动路径的效率和/或通过使用连续再循环系统解决了在(a)启动系统和(b)传送具有可用水平的臭氧的臭氧化水之间的延迟。
[0008]可以使用连续再循环臭氧化系统“按需(on demand)”生成臭氧化水。连续再循环臭氧化系统具有使臭氧化水再循环回到收集槽的臭氧化流动路径，且该系统使水在系统中臭氧化而与臭氧化水是否正在分配无关。在这种系统中，将臭氧连续地加到水中以替换已经分解的任何臭氧，或者使已经加入以替换从系统中除去的臭氧化水的任何新鲜水臭氧化。最终基于入口和出口流速以及在臭氧化系统中使用的臭氧化流动路径的效率达到臭氧化水的稳态。然而，在臭氧化开始时，溶解的臭氧的水平低且逐渐增加直至达到稳态。
[0009]也可以使用非再循环臭氧化系统。所述系统“按需”分配臭氧化水而不需要连续再循环系统。也就是说，非再循环臭氧化系统经由单次通过臭氧化流动路径分配已经加到水中的臭氧，由此废除对于收集槽的需要。
[0010]在再循环臭氧化系统和非再循环臭氧化系统两者中，与系统是否“按需”分配臭氧化水无关，期望增加溶解的臭氧的浓度并降低臭氧分解的速率。
[0011]各种因素影响着臭氧分解的速率(Ericksson,M.〃0zone Chemistry in AqueousSolution (在水溶液中的臭氧化学)"2005 Licentiate Thesis, Dept, of Chemistry,Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden ;和 Uhm HS 等，"Increase in theozone decay time in acidic ozone water and its effects on sterilization ofbiological warfare agents (在酸性臭氧水中臭氧衰减的增加及其对生物战剂的灭菌作用)〃，J.Hazard Mater.2009 年 9 月 15 日；168(2-3): 1595-601，电子出版 2009 年3月21日)。例如，温度增加、搅拌速度增加和较高的离子强度都加速在水溶液中臭氧分解的速率。相反，加入自由基清除剂或其他稳定剂(例如胶束表面活性剂)和使用酸性缓冲体系减小溶液的PH使臭氧稳定并降低臭氧分解的速率。
[0012]在生成臭氧化水时，使用蒸镏水或去离子水(DI水)被认为是有益的。使用电晕放电的臭氧化系统优选使用去离子水，因为在自来水中存在的离子可能使臭氧室(ozonecell) “中毒”并缩短其寿命(参见美国专利6，964，739号)。使用DI水的臭氧分解系统的一个实例是由 MKS Instruments 制造的 LIQU0Z0N? Ultra-Ozone Sanitization of DIWater Loop and S torage Tank。该LIQU0Z0N?超臭氧化去离子水装置是用于工艺用水系统、储存槽和分配管线的卫生处理的自动臭氧注入系统。
[0013]期望提供用于处理水使得与未处理的水相比较在处理过的水中的平均臭氧分解速率降低的方法和系统。
[0014]概述
本发明提供用于处理水使得与未处理的水相比较在处理过的水中的平均臭氧分解速率降低的方法和系统。由于分解速率降低，在所述处理过的水中溶解的臭氧的平均寿命增加。一方面，本发明提供用于提供酸性离子化的臭氧化液体的系统。所述系统包括配置成接受液体到所述系统中的液体入口 ；与所述液体入口流体连通的基于酸的阳离子交换树脂，所述树脂适合使在所述接受的液体中的阳离子与在所述树脂上的H+离子交换；与所述液体入口和所述基于酸的阳离子交换树脂流体连通的臭氧溶解设备；和与所述液体入口、所述基于酸的阳离子交换树脂和所述臭氧溶解设备流体连通的液体出口。所述臭氧溶解设备和所述基于酸的阳离子交换树脂共同生成所述酸性离子化的臭氧化液体以便经所述液体出口分配到所述系统以外。
[0015]在所述分配的臭氧化液体中的臭氧可具有如下平均寿命:大于在未用所述基于酸的阳离子交换树脂处理但用足够的液体酸处理以生成等于所述分配的酸性离子化的臭氧化液体的PH的pH的液体中的臭氧的平均寿命；且大于在用足够的液体酸处理以生成等于所述分配的酸性离子化的臭氧化液体的pH的pH的去离子液体中臭氧的平均寿命。
[0016]所述臭氧溶解设备可为臭氧化流动路径，所述臭氧化流动路径包括:臭氧发生器以生成臭氧以便与所述接受的液体混合。所述臭氧化流动路径还可包括混合器，所述混合器与所述臭氧发生器流体连通以将产生的臭氧与所述接受的液体混合以生成所述臭氧化液体。
[0017]所述系统还可包括收集槽，其中所述基于酸的阳离子交换树脂位于适合使液体再循环到所述收集槽的再循环流动路径中。或者，所述系统还可包括收集槽且所述基于酸的阳离子交换树脂可位于所述收集槽中。
[0018]或者，所述系统可具有位于非再循环流动路径中的所述基于酸的阳离子交换树月旨。所述系统还可包括收集槽且所述非再循环流动路径可提供液体到所述收集槽。或者，所述非再循环流动路径可提供液体到所述臭氧溶解设备。
[0019]任何先前描述的系统都可具有接受来自所述液体入口的液体的所述基于酸的阳离子交换树脂和接受由所述树脂处理的液体的所述臭氧溶解设备。或者，任何先前描述的系统都可具有接受来自所述液体入口的液体的所述臭氧溶解设备和接受所述臭氧化液体的所述基于酸的阳离子交换树脂。
[0020]所述基于酸的阳离子交换树脂可为强酸树脂。所述基于酸的阳离子交换树脂可为弱酸树脂。
[0021]在所述接受的液体中的阳离子可在所述液体被所述臭氧化系统接受时已存在于所述液体中，或者可由所述臭氧化系统加到所述液体中。
[0022]另一方面，提供生成酸性离子化的臭氧化液体的方法。所述方法包括使在所述液体中存在的阳离子与来自基于酸的阳离子交换树脂的H+离子交换，并使所述液体臭氧化。交换所述阳离子和使所述液体臭氧化共同生成所述酸性离子化的臭氧化液体。
[0023]所述液体可在所述阳离子交换之后臭氧化。所述液体可在所述阳离子交换之前臭氧化。
[0024]在使用如上所述的方法生成的臭氧化液体中的臭氧可具有如下平均寿命:大于在未用所述基于酸的阳离子交换树脂处理但用足够的液体酸处理以生成等于所述酸性离子化的臭氧化液体的pH的pH的液体中的臭氧的平均寿命；且大于在用足够的液体酸处理以生成等于所述酸性离子化的臭氧化液体的PH的pH的去离子液体中臭氧的平均寿命。
[0025]所述方法还可包括在阳离子交换之前将所述阳离子加到接收的液体中。
[0026]又一方面，提供增加溶解于液体中的臭氧的平均寿命的系统。所述系统包括:基于酸的阳离子交换树脂，所述树脂适合使在所述液体中的阳离子与在所述树脂上的H+离子交换；和与所述基于酸的阳离子交换树脂流体连通的臭氧溶解设备，所述臭氧溶解设备和所述基于酸的阳离子交换树脂共同生成酸性离子化的臭氧化液体。在所述酸性离子化的臭氧化液体中的臭氧具有如下平均寿命:大于在未用所述基于酸的阳离子交换树脂处理但用足够的液体酸处理以生成等于所述酸性离子化的臭氧化液体的PH的pH的液体中的臭氧的平均寿命；且大于在用足够的液体酸处理以生成等于所述酸性离子化的臭氧化液体的PH的pH的去离子液体中臭氧的平均寿命。
[0027]又一方面，提供增加溶解于液体中的臭氧的平均寿命的方法。所述方法包括:使在所述液体中存在的阳离子与来自基于酸的阳离子交换树脂的H+离子交换；和使所述液体臭氧化，其中交换所述阳离子和使所述液体臭氧化共同生成酸性离子化的臭氧化液体。在所得酸性离子化的臭氧化液体中的臭氧具有如下平均寿命:大于在未用所述基于酸的阳离子交换树脂处理但用足够的液体酸处理以生成等于所述酸性离子化的臭氧化液体的PH的pH的液体中的臭氧的平均寿命；且大于在用足够的液体酸处理以生成等于所述酸性离子化的臭氧化液体的PH的pH的去离子液体中臭氧的平均寿命。
[0028]本领域普通技术人员在结合附图回顾特定实施例的以下描述时将显而易见本发明的其他方面和特点。
[0029]附图简述
现在将仅通过举例来参考附图描述本发明的实施例。 [0030]图1为根据本发明提供臭氧化液体的系统的示意图。[0031]图2A为在图1中图示的系统的一个实施例的示意图。
[0032]图 2B为在图1中图示的系统的另一实施例的示意图。
[0033]图2C为在图1中图示的系统的又一实施例的示意图。
[0034]图2D为在图1中图示的系统的又一实施例的示意图。
[0035]图3A为可在根据本发明的系统中使用的臭氧化流动路径的一个实施例的示意图。
[0036]图3B为可在根据本发明的系统中使用的臭氧化流动路径的另一实施例的示意图。
[0037]图3C为可在根据本发明的系统中使用的臭氧化流动路径的又一实施例的示意图。
[0038]图4A为根据本发明提供臭氧化液体的方法的示意图。
[0039]图4B为根据本发明提供臭氧化液体的另一方法的示意图。
[0040]发明详述
概括地讲，本发明提供处理水溶液(例如水)使得与在未处理的水溶液中溶解的臭氧相比在处理过的溶液中的臭氧分解速率降低且在处理过的溶液中溶解的臭氧的平均寿命增加的方法和系统。
[0041]尽管水是可使用本文所述的实施方案的基于酸的阳离子交换树脂处理的水溶液的一个实例，但对于本发明的目的，术语“水溶液”、“液体”和“7jC”可互换使用。
[0042]根据本发明的一个实施方案，生成臭氧化水溶液的臭氧化系统和方法包括基于酸的阳离子交换树脂，其从所述水溶液中除去阳离子物质并用H+离子替换所述除去的阳离子物质，由此降低所述水溶液的pH( 即，增加酸度)并生成酸性离子化的溶液。根据本发明的方法和系统使用所述基于酸的阳离子交换树脂和臭氧溶解设备以生成酸性离子化的臭氧化液体。
[0043]为了产生酸性离子化的臭氧化液体，由所述基于酸的阳离子交换树脂接受的液体包含溶解于其中的阳离子以提供可与在所述树脂上的H+离子交换的阳离子。溶解于所述液体中的阳离子可存在于由所述臭氧化系统接受的液体的来源中，或者可由所述臭氧化系统加入。例如，所述臭氧化系统可接受具有少量阳离子的水源且可通过将NaCl溶液加到所述水中而加入另外的阳离子。
[0044]另外，应理解根据本发明的方法和系统不包括产生_0H离子的阴离子交换树脂，因为所述_0H离子将与所加入的H+离子反应以产生中性非离子化溶液。
[0045]根据本发明的一个实施方案的臭氧化系统图示在图1中。如在图1中所见，臭氧化系统I包括接受液体到该系统中的入口 2 ;分配臭氧化液体到该系统以外的液体出口 4，液体出口 4与液体入口 2流体连通；与液体入口 2和液体出口 4流体连通的基于酸的阳离子交换树脂6 ;和与液体入口 2、液体出口 4和基于酸的阳离子交换树脂6流体连通的臭氧溶解设备8。所述臭氧化系统适合:使在接受的液体中的阳离子与在基于酸的阳离子交换树脂6上的H+离子交换；和使用臭氧溶解设备8使接受的液体臭氧化以生成酸性离子化的臭氧化液体以便分配到液体出口 4以外。
[0046]实验结果已经发现用基于酸的阳离子交换树脂和臭氧源处理例如自来水的未处理的含阳离子的液体产生臭氧化溶液，该臭氧化溶液当与I)未处理的自来水、2)去离子水、3)酸化自来水和4)酸化去离子水比较时具有降低的臭氧分解速率(且因此增加的溶解的臭氧的平均寿命)。去离子水使用混合床去离子盒和碳块预滤器生成。臭氧使用电晕放电在I安培的电流和2.5-3加仑/分钟冷自来水的流速下生成。臭氧浓度使用Micro 7+溶解臭氧测量系统测量。五种不同水溶液的半衰期示于下表1和表2中。
[0047]表1-弱酸处理的水的臭氧半衰期
【权利要求】
1.提供酸性离子化的臭氧化液体的系统，所述系统包括: 配置成接受液体到所述系统中的液体入口； 与所述液体入口流体连通的基于酸的阳离子交换树脂，所述树脂适合使在所述接受的液体中的阳离子与在所述树脂上的H+离子交换； 与所述液体入口和所述基于酸的阳离子交换树脂流体连通的臭氧溶解设备；和 与所述液体入口、所述基于酸的阳离子交换树脂和所述臭氧溶解设备流体连通的液体出口， 所述臭氧溶解设备和所述基于酸的阳离子交换树脂共同生成所述酸性离子化的臭氧化液体以便经所述液体出口分配到所述系统以外。
2.权利要求1的系统，在所述分配的臭氧化液体中的臭氧具有如下平均寿命: 大于在未用所述基于酸的阳离子交换树脂处理但用足够的液体酸处理以生成等于所述分配的酸性离子化的臭氧化液体的pH的pH的液体中的臭氧的平均寿命；且 大于在用足够的液体酸处理以生成等于所述分配的酸性离子化的臭氧化液体的pH的pH的去离子液体中的臭氧的平均寿命。
3.权利要求1或2的系统，其中所述臭氧溶解设备为臭氧化流动路径，所述臭氧化流动路径包括: 臭氧发生器，以生成臭氧以便与所述接受的液体混合。
4.权利要求3的系统，其中所述臭氧化流动路径还包括混合器，所述混合器与所述臭氧发生器流体连通以将产生的臭氧与所述接受的液体混合以生成所述臭氧化液体。
5.权利要求1-4中任一项的系统，其中所述系统还包括收集槽且其中所述基于酸的阳离子交换树脂位于适合使液体再循环到所述收集槽的再循环流动路径中。
6.权利要求1-4中任一项的系统，其中所述系统还包括收集槽且其中所述基于酸的阳离子交换树脂位于所述收集槽中。
7.权利要求1-4中任一项的系统，其中所述基于酸的阳离子交换树脂位于非再循环流动路径。
8.权利要求7的系统，其中所述系统还包括收集槽且所述非再循环流动路径提供液体到所述收集槽。
9.权利要求7的系统，其中所述非再循环流动路径提供液体到所述臭氧溶解设备。
10.权利要求1-9中任一项的系统，其中所述基于酸的阳离子交换树脂接受来自所述液体入口的液体且所述臭氧溶解设备接受由所述树脂处理的液体。
11.权利要求1-9中任一项的系统，其中所述臭氧溶解设备接受来自所述液体入口的液体且所述基于酸的阳离子交换树脂接受所述臭氧化液体。
12.权利要求1-11中任一项的系统，其中所述基于酸的阳离子交换树脂为强酸树脂。
13.权利要求1-11中任一项的系统，其中所述基于酸的阳离子交换树脂为弱酸树脂。
14.权利要求1-13中任一项的系统，其中在所述接受的液体中的阳离子在所述液体被所述臭氧化系统接受时存在于所述液体中，或者由所述臭氧化系统加到所述液体中。
15.生成酸性离子化的臭氧化液体的方法，所述方法包括: 接收液体； 使在所述液体中存在的阳离子与来自基于酸的阳离子交换树脂的H+离子交换；和使所述液体臭氧化； 其中交换所述阳离子和使所述液体臭氧化共同生成所述酸性离子化的臭氧化液体。
16.权利要求15的方法，其中使所述阳离子交换以生成酸性离子化的液体，且所述酸性离子化的液体在所述阳离子交换之后臭氧化。
17.权利要求15的方法，其中所述接收的液体在所述阳离子交换之前臭氧化。
18.权利要求15-17中任一项的方法，其中在所述臭氧化液体中的臭氧具有如下平均寿命: 大于在未用所述基于酸的阳离子交换树脂处理但用足够的液体酸处理以生成等于所述酸性离子化的臭氧化液体的PH的pH的液体中的臭氧的平均寿命；且 大于在用足够的液体酸处理以生成等于所述酸性离子化的臭氧化液体的pH的pH的去离子液体中的臭氧的平均寿命。
19.权利要求15-18中任一项的方法，其还包括在所述阳离子交换之前将所述阳离子加到所述接收的液体中。
20.增加溶解于液体中的臭氧的平均寿命的系统，所述系统包括: 基于酸的阳离子 交换树脂，所述树脂适合使在所述液体中的阳离子与在所述树脂上的H+离子交换；和 与所述基于酸的阳离子交换树脂流体连通的臭氧溶解设备， 所述臭氧溶解设备和所述基于酸的阳离子交换树脂共同生成酸性离子化的臭氧化液体； 其中在所述酸性离子化的臭氧化液体中的臭氧具有如下平均寿命: 大于在未用所述基于酸的阳离子交换树脂处理但用足够的液体酸处理以生成等于所述酸性离子化的臭氧化液体的PH的pH的液体中的臭氧的平均寿命；且 大于在用足够的液体酸处理以生成等于所述酸性离子化的臭氧化液体的pH的pH的去离子液体中的臭氧的平均寿命。
21.增加溶解于液体中的臭氧的平均寿命的方法，所述方法包括: 使在所述液体中存在的阳离子与来自基于酸的阳离子交换树脂的H+离子交换；和 使所述液体臭氧化， 其中交换所述阳离子和使所述液体臭氧化共同生成酸性离子化的臭氧化液体； 其中在所述酸性离子化的臭氧化液体中的臭氧具有如下平均寿命: 大于在未用所述基于酸的阳离子交换树脂处理但用足够的液体酸处理以生成等于所述酸性离子化的臭氧化液体的PH的pH的液体中的臭氧的平均寿命；且 大于在用足够的液体酸处理以生成等于所述酸性离子化的臭氧化液体的pH的pH的去离子液体中臭氧的平均寿命。
【文档编号】B01J47/00GK103957945SQ201280052029
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2012年8月20日 优先权日:2011年8月25日
【发明者】S.L.亨斯佩格, J.L.纳姆斯佩特拉, J.奥奈尔 申请人:特萨诺公司