专利名称：水的非化学等离子消毒方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及水消毒的改进，具体地说是涉及用于例如在冷却塔空调系统、投币操作的洗衣房洗涤水和漂洗水、医院和商业洗衣房、游泳池、饮用水源、飞机盥洗室水源和某些工业和商业水流中的再循环水流的处理的改进。
彻底的消毒、也就是消灭和除掉细菌、病毒等是广泛的水流领域中的一个日趋重要的问题。一方面，由于用化学添加剂例如通过氯化作用或添加卤素配合物进行消毒的方法(基本上是数十年来唯一的商业消毒方法)会将毒素引入水中而要在许多行业禁止使用似乎越来越成为必然，另一方面，由于市政当局认识到了化学净化和处理的水的价值而提高了它们的税收，故使多需要水源的商业装置的成本迅速增高。
例如，在本专利申请时，加利福尼亚的圣第亚戈(San Diego，California)每台商业洗衣机的最初联机税为6000美元，一般的投币操作洗衣机房有50台洗衣机，这样，其最初的营业税支出绝对地有300000美元。采用再循环水将可显著降低这一极高的商业成本。类似的情况在奥兰多(Orlando)、佛罗里达(Florida)和其它的美国行政区均有出现，特别是由于人口增长和类似因素而使水源濒临枯竭的地方更是如此。最终的用户、投资者以及管理机构都同样在寻找能对上述的和很多其它公用的地方例如投币操作洗衣房、饭馆、工业洗涤水加工、商用医院洗衣房、游泳池、温泉等等地方使用过的大量水进行再循环的安全、可靠而且成本低的方法和装置。
上述这些装置用的再循环水的主要问题在于消毒，以便有效地消灭所有的细菌、原虫、病毒等，特别是那些能导致当今通过呼吸道传染的疾病例如艾滋病、结核病等的发病率的增加以及其它能由水携带而传播的传染疾病的病菌。氯化作用对于消毒那种含有脂肪或其它脂类和胶状物质的水流常常是无效的。因此，迫切需要有不对来自上述的或类似的水源的水流进行氯化作用的安全而可靠的消毒方法和消毒装置。
改进冷却塔热交换和空调系统中水的清毒方法也变得越来越需要。在这些系统中，采用空气与水的热交换来降低空气的温度，然后将已冷却的空气泵入要降温的室内，而后再将水喷入冷却塔内的蒸发冷却和再使用。致冷水空调系统(其中的水是通过与致冷剂进行热交换而冷却的)也需要消毒。更具体地说，最近已经弄清楚，许多高致死病菌、特别是能引起“军团病”的军团杆菌和结核病菌都在冷却塔和致冷水再循环系统中找到了理想的滋生地。这些细菌能通过普通的处理水系统中的损伤的和破漏的焊接接头等部位而进入通风装置中的空气里。因此，设置有效的装置以对这种冷却塔和致冷水空调装置中的水进行消毒、防止上述危险的菌类和其它的呼吸致病菌的蔓延是很重要的。
飞机上用于冲洗卫生间等的“水源”也需要可靠和彻底的消毒。由于飞机机舱中的气压会突然改变，因此对这种水进行消毒便尤为重要。当机舱气压突然降低时，溶于贮存水源中的气体的蒸气压可能高于空气的蒸气压，结果，大量的气体会猛烈地进入机舱的循环空气中。由于收集在飞机贮水箱中的水明显受到各种废物的污染，突然释放的溶解气体可能含有大量的细菌、病毒等传染病源，这对于乘客呼吸道的健康是十分危险的。因此，显然极其需要对飞机的废水进行消毒。由于因重量的限制，飞机上的水是循环使用的，也就是说，反复用于冲洗卫生间，故对飞机业上水源的消毒尤为重要。对多次使用中的水进行简单的中间过滤是不足以除掉水中携带的各种传染病菌的。
还有许多极需要对水流进行彻底而可靠的消毒的、尤其是不能使用氯化作用或添加其它不符合环保要求和危险的化学物质进行水消毒的地方，包括饮用水源、医院和商业洗衣房、游泳池、温泉、工业洗涤操作等。
本发明主要涉及以特别有效的方式对上述的水流进行的消毒。实际上所遇到的各种水流也都要求附加过滤、沉淀、絮凝等前处理和后处理工步。本专利申请中所公开的具体消毒组件和工艺步骤可与本申请人的有关专利和未决专利申请中所公开的组件和工艺以及已知的组件结合使用，以便对每一特定处理的水流提供化学处理的装置和方法，并提供“足够有余的”消毒能力。
例如，在美国专利5443719及其部分继续专利申请No.08/481994(申请日1995.7.7)中，申请人公开了一种用于使等离子气流、絮凝剂和其它添加剂与要处理的水流相混合的特别有利的混合容器。必要时，可将该专利及未决申请的内容与本专利相结合。又如，在美国专利申请No.08/326339中，申请人提出了一种用于使紫外线照射空气流而产生离子化气体原子和分子流的装置。这些离子化气流包括单态分子氧、离子化的氧原子、臭氧、离子化氮和其它的离子气体物质。这些离子化气体原子流(本专利中有时也称之为等离子)也用于本专利申请。在美国专利申请No.08/326339中所示的特定结构也用于产生这种离子化的气体原子和分子流。在美国的部分继续申请No.08/627227(申请日1996.4.4代理人卷号No.DJ-11)中所示的改进也被用于本专利中。
在美国的专利申请No.08/377620中，申请人提出了几种不同类型的可用于本发明的对水流进行前处理和后处理的装置，并附带说明这些装置和上述专利No.5443719中公开的混合容器如何有效地用于处理水流。此外，在专利申请No.08/377620中所示的部件也可用于与本发明的新装置和新方法相结合，以对要处理的特定水流进行消毒。
最后，在美国专利申请No.08/377621中，申请人提出了一种能同时产生离子化气体等离子流的改进的水灭菌器，如果需要的话，这种灭菌器也可与本发明的消毒装置结合使用。上述的几个未决专利申请均纳入本发明作为参考。
本发明的一个目的是提供一种改进的非化学法的水的消毒方法及装置，也就是说，不添加氯或其它有毒物质而对水进行消毒。
本发明的另一个目的是提供一种通过产生几种离子消毒剂而对水进行消毒的方法和装置，这种方法是至今还未被发现的，它操作容易、消毒装置的能量消耗低。
根据本发明的对水流进行消毒的方法及装置包括向水流添加由消耗电极释出的一种或多种特定金属离子流和/或来自盐类的特定消毒离子，并同时向水流引入含有多种离子化气体物质的气流。在一种综合所有上述的消毒源的实施例中，从要处理的水流中分流出一小部分水流、例如水流中的10～20％。使这一小部分水流在一个装有粒状的要引入水流中的物质的盐类例如溴化银、溴化钠、溴化钙或碘化银、碘化钠、碘化钙(工业上可用于其它目的)的容器中停留至少一段最小的平均停留时间。再将这一小部分水流重新导入主水流中，而后喷入含有臭氧、离子化的氧和氮的原子和分子以及类似的高氧化性的离子化气体物质的空气流。这些等离子流可由大体如美国专利申请No.08/326339或No.08/627227(申请日1996.4.4；代理人卷号No.DJ-11)中公开的紫外线照射室产生。含有回流的一小部分水流并已引入离子化的气流的水流然后通过两对或多对的含有要加入水流中的金属离子的金属材料消耗电极。
在一个特别有利的实施例中，通过采用铜/锰或锰/银消耗电极向水流中加入大量的锰。也可采用铜/银电极。在电极的金属材料中可加入≤10.0wt％。的氧化硅催化剂。在哪一种情况下，都在两个电极间跨接极性以数秒钟左右的时间间隔反复反向的直流电源，使之缓慢而连续地向水流释放用于消毒的金属离子。
根据要处理的特定水流，可以采用上述这些消毒技术的不同综合、并与按照常规的或者上述未决专利申请所述方法实施的过滤、沉淀、絮凝和类似的普通方法相结合。
通过参考附图将可更了解本发明，附图中
图1是按照本发明进行再循环冷却水的消毒的冷却塔空调系统的总图；图1A是类似图1系统的另一种结构；图2是使一部分要处理的水流与盐类相接触并向水流中添加离子化的气体等离子和金属离子流的组件的一种可能的结构；图3是使水流与盐类相接触的一种特别方便的组件的一个实施例的细节；图4是按照本发明的对飞机上的再循环冲洗水源进行消毒的装置的简图；图5是采用本发明的消毒装置和方法的商用投币操作的洗衣房供水系统的简图。
图1示出采用本发明的消毒方法的空气调节用冷却水的典型冷却塔系统的简单结构。所示的具体结构代表容量达100吨的冷却塔系统，当然，这种装置可以并联地进行工作，或者进一步改装成更大的系统。
这种冷却塔系统的主要原理是由空气流按热交换关系而变热的水向下流过冷却塔，使其暴露在大气中而冷却。然后再使已冷却的水与空气流进行热交换，使空气冷却，这种过程重复进行。而后，再将已冷却的空气导入要降温的室内。
例如，如图1所示，冷却水被导入多个热交换装置10中，要冷却的空气则按12所示的方向流过该热交换装置，然后再将这些空气导入要降温的室内。水在离开热交换器10之后，由管道送到冷却塔14。在冷却塔14中使其将热量转移到大气中。之后，被冷却的水流到水槽16中，再由泵18将水槽16中的水泵回到热交换器10中，这就是一个循环。在有关的水冷却系统中，上述的冷却塔换成或加上使用一种容易激冷的致冷液(以前是氟利昂，现在改用含非氯氟烃基的致冷液)的热交换步骤进一步使水降温。熟悉本技术的人一定会明白这种代换。
如上所述，这种冷却塔和冷却水空调系统为那些能侵入空气系统、特别是通过热交换器中的不密焊接接头等而侵入空气系统中的病毒和其它病原菌提供多产的繁殖场地。这些细菌、例如军团杆菌或结核病菌是十分危险的，其危害是可以致命的。诱发各种呼吸道疾病的病毒能以类似方式传播。极不主张花高价来改造现有的冷却塔或冷却水空调系统以图消除所有能使细菌或病毒进入空气系统中的部位(即使能达到这一目的)。冷却塔系统一旦与大气相通，便特别容易因空气中的细菌等的侵入而使水受到污染。
采用例如紫外线照射等方法来消毒被冷却的空气是不可行的。更具体地说，为了使空气流暴露在紫外线中足够的时间以便杀死所有的病菌，必须对气流的流速进行严格的限制，同时还需要有极强的紫外线源，这样便增加了该系统的最初成本和工作成本。最后，紫外线的照射还会加热空气，故有损于本装置的意图。
因此，重要的是提供对冷却塔和空调机的水冷系统的彻底而可靠的消毒方法。
因此，本发明的消毒装置设置在20、22和24处。在所示的实施例中，上述的通过第一消毒装置20的回收主水流的总流量的15％左右由阀23分流。然后，由总的以26表示的一个或多个过滤装置对所分流出来的部分水流进行过滤。这些过滤器可以是美国的专利申请08/377620中所述的那种，或者是其它具有类似功能的装置。已消毒的部分水流再回流到27处的主水流中。进入的水流也可通过22处的第二消毒装置。在水流回水槽16的路途中设置了来自气体等离子源24的等离子流。在另一个实施例中(例如图2详图所示)，来自等离子源24的等离子流在大致与设置生物消毒装置20同一位置处射入水流中，以保证水流中的细菌完全氧化，从而消毒冷水，以利于防止任何细菌的扩散。管道32将任何不溶解的气体排入冷却塔14中。
过滤装置26的反洗水由储水槽28提供。反洗水在排入下水道31之前，可储存在存水槽30中。设置了三通阀34和36，以例与反洗泵进行适当的连接。
显然，在图1所示的实施例中，一部分再循环水在回流混入主水流27之前经过了消毒和过滤。上述系统中的所有再循环水在一个短时间内都通过生物消毒装置。更具体地说，所有的水都通过生物消毒装置22，而等离子流(也就是含有各种离子化气体原子的气体)则加入在24处的回流中。如上所述，所有的水都能通过生物消毒装置20、22和过滤装置26，上述过程是借助完全封闭阀23完成的。
图1A示出在冷却塔空调系统中采用本发明的水消毒方法的另一种结构。在这一实施例中，由泵18泵出的总冷却水流的一部分从热交换器10分流出来而流过消毒装置20和过滤装置26再流回水槽16中。本实施例比图1所示的实施例更易改成现有的装置。
图2示出本发明的对水流进行彻底消毒(也就是使水中的所有细菌、病毒、原虫等氧化和毁灭)的装置的整体结构。离子化气体的等离子由装置24供给。一部分水流在44处与消毒盐类例如银盐、钠盐、碘化钙或溴化物盐相接触。在图中46、48所示的地方将金属离子加入水流中。
首先借助于装置44向水中加入消毒盐，此处的设计是使较小股的水流在相当长的时间内与盐类相接触，使有效量的消毒盐溶于各股水流中，然后再反渗入初始水流中并与其相混合。不希望使整个水流与消毒盐相接触，而是不必以太大的速度将盐加到水流中，并且还要经常再补给盐。
所选的盐可以是粒状的银盐、钠盐或溴化钙或碘化钙盐或它们的混合物。例如，根据本发明，可先将溴化银盐溶于水中，再引入适当的离子化气体等离子原子，使其形成次溴酸。这种酸具有高的氧化性(如下面将要结合表I所讨论的那样)，因此，是一种有效的消灭细菌和病毒的消毒剂。例如，加入碘化钙盐便形成类似的氧化性的碘酸。
上述的有技术规格的盐可在市场上买到。如上所述，水与上述这些盐相接触，并与离子化气体流相混合的结果是可使其原位(也就是在水流本身中)形成有效量的次溴酸和/或碘酸消毒剂。原位形成这些酸的极大好处在于这些酸一形成马上就具有高的氧化能力并可通过氧化作用而杀死细菌和病毒，其好处还在于完全避免了具有腐蚀性的物理处理和有危险的化学处理。
按照一个实施本发明的这一方面的最合适的实施例，所需的盐45放入密封的容器46中。该容器46配有盖子48，它们都是在市场上可买到的构件，这就大大地降低了本发明的装置的成本。盖子的细节示于图3。如图所示，盖子48具有在其内部形成的横向通道50，该通道50具有接纳由入口管54进来的水流的入口端52。盖子48具有一个横截面积与入口孔52相同的出口孔56。按照本发明，将一段管子58插入到盖子的第二个孔(出口孔)中以便使横向通道50的出口侧的横截面积减小20％左右，这就使流过出口侧的水流速度一般增大至20～60psi(表压)，流量为30～50加仑/分。通过盖子的出口孔56时流速的增大将在测流量孔60处形成真空，该测流量孔60是在管子58上钻出的、面朝下并通过钻透由盖子48的横向通道50的出口孔56形成的下壁的大孔61与容器的内部相连通。如图所示，横向通道50也与接纳向下延伸到容器46的下封闭端处的浸管64的向下延伸的通道62相连通。
使用时，要处理的水流由管54供入。水通过浸管64而充满容器46。有较少量的水流(总水流量的1～20％，其余的直接流过横向通道)由于通过出口孔56的流速增大而形成的真空而被从测流量孔60向上吸出，如图2中箭头所示。这一少量的水流当其存留在容器46一定时间(该时间取决于测流量孔60与入口孔52间的相对横截面积和由管段58所减小的出口孔的面积)内与盐相接触。可通过试验调到合适的孔尺寸，该尺寸在一定的宽范围内不太严格。例如，入口管54的直径约为3～4英寸(内径)，并且，通过插入管段58使其减小1/3的面积，则测流量孔的直径可为0.125～0.183英寸左右，这样便有1～10％的主水流被分流而通过容器44中的粒状盐物质45。总水流的这一小部分在容器44中的平均停留时间约为1～15分钟，在这一时间内，有一定量的盐溶于水流中，并在它们与离子化的气流相混合时形成有消毒作用的酸。
在图2所示的实施例中(该实施例同样不限制本发明，而只是本发明的例子而已)，在水流被分流而使其中的一小部分流入盛盐的容器44中然后再与主水流相结合之后，再由等离子源引入离子化气体的等离子流。离子化气体的等离子流的典型组分将在下面结合表I详细说明。简言之，可以很方便地从等离子发生器68获得含有有效量的离子化气体原子例如原子氧、离子化的氧原子团、臭氧、和离子化的氮等的空气流，上述的等离子发生器见美国专利申请No.08/326339及其部分继续No.08/627227(申请日1996.4.4；代理人卷号No.DJ-11)。
正如上述的专利申请中所述的，合适的等离子发生器68(也就是空气中的离子化气体原子流的有效源)含有一个带有空气入口72的密封室70。通过一个泵或者通过使空气流在离子化后的状态下与水流相混合而由于水流形成的文杜里效应对空气流产生吸力而将空气流吸入密封室70中。在上述的任一种情况下，进入的空气流都由例如绕在紫外线灯(由适当的电源76供电)周围的管子75导引以便将一定量的空气原子离子化。这种过程本身是众所周知的。上述的未决专利申请中涉及到发明的以有效和可靠的方法使大部分气体的原子离子化的特别有利的装置。本申请人具体发现，如果采用高频电源(20～50000Hz)，特别是采用这种频率的脉冲电源时，普通的紫外线灯也能发射出附加的离子化红外线。正如上面的未决专利申请所述，离子化的气体原子在它们受到离子化的辐射作用时也受到磁场的作用。因此，可在合适的能量消耗下形成含有大百分比的臭氧、离子化氮和含离子化单态氧原子和分子类的离子化氧原子的等离子流。
上述的离子化气体等离子流在图2所示的80处引入水流中。也可以提供又一个文杜里制约而将气流吸入水流中，而后，从一对或多对安装在十字头86或类似构件中并直接与水流相接触的消耗电极46、48将金属离子流加入水流中。上述的电极通过跨接两对电极的约为6～24V，500～5000毫安的直流电源88供电。直流电流的极性每隔数秒钟反向一次，以保证电极材料的均匀消耗，并防止导电性污染物沉积在电极上。
电极46、48的材料随要加入水流中的金属离子的种类而变化。所要加入的金属离子又按照有关的水流的特定的污染化学进行选择。当然，业已知道，铜和银离子可在消毒过程中有效地杀死水流中的生物体。而锰则比较少用于此类目的。按照本发明，二氧化硅是在熔炼铸造时加入电极材料中的。因此，电极中含有的铜和银的相对比例可以是50～95wt％Cu、≤1.0wt％SiO2、余Ag；70～95wt％Cu、≤1.0wt％SiO2、余Mn；或者80～90wt％Mn、≤10wt％SiO2和至少5wt％Ag或Cu。此处所说的组分以及下面各项权利要求中所述的组分指的是在熔炼铸造成电极之前称重的电极材料。
业已发现，本发明提供的在锰成分中特别加入高达10wt％的SiO2是采用普通的铸造设备而能铸出这些金属的均匀的合金电极所必需的。更具体地说，在Cu/Mn混合物中添加少量的SiO2(以粉末状二氧化硅砂的形式加到铸造坩埚中)可使这种合金具有综合的可铸性，而这通常是不可能的。根据本发明，也可在Mn/Ag和Cu/Ag电极组分中加入SiO2以提高其可铸性。添加与所提供的Mn量成一定比例的SiO2有助于熔融金属中的均匀混合。因此，按照本发明的一个重要方面，就是在铸造电极的金属中加入SiO2以便水的消毒。在消毒过程中添加SiO2也是有益的。加入SiO2的铸造电极在使用时消蚀也较均匀，这就可增加其有效寿命。
当需要形成特殊的消毒化合物、或者当需要避免在通常用于处理水的消耗电极中使用铜时，可采用含Mn和Ag并如上述添加SiO2的电极。过量使用铜会导致铜沉积在连接管道及其它配件的内部。
要处理的水流最好以高度紊流的形式与(1)已与盐相接触过的小部分水流、(2)气体等离子流、和/或(3)来自电极46、48的金属离子流相混合。具体地说，紊流式的混合可保证水流的组分与电极释放的锰离子和等离子流中的离子化氧产生有效反应而形成例如高锰酸盐基团(MnO4-)。由此原位形成的其它种类的消毒原理将在下面讨论。图2所示的装置可在十字头86中产生紊流式混合从而对水流进行有效的消毒。
现有技术中通常都认为消毒的机理是氧化，也就是说，水中的细菌、病毒、藻类、原虫以及其它有危险的生物病原菌能够通过与氧化性物质相接触而被杀死。然后，通过过滤、沉淀、凝聚以及其它已知的技术(上述的任一种方法或所有的方法都可与本发明的消毒技术相结合)除掉其氧化的残留物。通常用于水处理的氯气也是一种氧化剂，也就是说，数十年来用于水消毒的氯化工艺与本发明所用的通过氧化作用而杀死生物体的消毒方法相似。但是，正如下面表I所示，氯和氯溶于水中所产生的次氯酸盐(以及有关的氯化消毒处理用的化合物)的有效氧化作用实际上比本发明的将氧化剂加入水流中的氧化作用小得多。而且，当生物病菌被乳状的油、脂、胶状颗粒等包住(这种情况在受污染的水中是经常发生的)时，氯还不能氧化和杀死这些病菌。因此，通过使用本发明，不仅可防止氯的腐蚀作用及可能产生的危险的副作用，而且由于提高了本发明所加入的消毒物质的氧化势而更有效地完成消毒功能。
表I比较了由等离子发生器产生的各类等离子和按照本发明在水流中形成的其它氧化性物质与氯和次氯酸盐离子的氧化势。等离子流包括离子化的原子氧和分子氧，也就是说包括离子化的单态分子氧和多原子离子化氧分子、氧原子团和臭氧。在等离子发生器68中还产生氮离子。当等离子流与水流在80处混合时，便形成附加的过氧化氢、羟基团和全氢基团。来自电极46、48的金属离子与氧原子发生反应而形成高锰酸盐离子，与氧和氮离子发生反应而形成硝酸铜和硝酸银。溴化物及碘与等离子气体离子、全氢基团、羟基团发生反应形成次溴酸和碘酸。
如表I所示，按照本发明加入水流中的离子的氧化势的范围从全氢基团(H+)的1.7ev(电子伏特)至羟基团(OH)的2.8ev。通过比较可以看出，氯的氧化势为1.36ev。
表I还示出由释出的锰与水中的氧离子形成的高锰酸盐离子(MnO4-)的氧化势以及由加入容器44中的水流的溴化物随后与作为部分气体等离子流加入的离子化氧相结合生成的次溴酸H(OBr-)的氧化势。它们中每一种的氧化势都显著地高于普通使用的氯。
表I中还有一行标题为“相对氧化能力”，它是指将氯的氧化势定为1时按比值形式计算出来的按照本发明加入水中的物质的氧化势，以备比较。
表I
应该明白，表中虽然列出了氯(氯在水中一般形成次氯酸盐，本发明一般不用这些有毒的物质进行水处理)，但是应避免使用它，表中列出这些物质仅仅是为了比较。
最后，应该注意到，由消耗电极释放出来的银和铜离子与水中的氧离子和氮离子相结合而形成硝酸银(AgNO3)和硝酸铜(CuNO3)，它们可提供附加的杀菌和灭藻功能，并且本身具有超过表I所列的氧化剂的杀菌能力。同时使空气流暴露在高能量的紫外线和强磁场中特别有利于形成氮离子，如美国专利申请No.08/326339和08/627227(申请日1996.4，代理人卷号No.DJ-11)中的等离子源的最佳实施例所述。
因此，从分析表I可以看出，本发明所加的消毒氧化剂每一种都比普通使用的氯有效得多。本发明所用的各种氧化剂综合地提供了十分彻底的消灭细菌、病毒和原虫的能力，业已证明，它对于消灭用水系统中的这些危险生物体是极为有效的。
如上所述，本发明的消毒装置和方法能够根据要处理的水流的准确的化学和生物特性以及对最后流出的水的净化要求加入不同的化合物来处理很多不同的水流。
例如，图2示出一种消毒方法的三个主要部分，即(1)使小部分水流与溴化物盐或碘化物盐相接触，再返回与水流相混合；(2)引入离子化气体的等离子，和(3)导入金属离子。所有这三步都可用于从污染源也就是可能含有危险的细菌、病毒或原虫生物菌源的水源流出来的水。
为了达到极高的效率，所有的氧化剂和消毒物质都在高度紊流区中大致相同的部位处导入水流中以保证彻底混合和反应完全。此外，应该注意到，金属离子和由盐生成的离子是在导入等离子的部位或接近该部位处原位产生的，因此，它们之间的反应是同时发生的并且是高效的。故图2～3所示的结构具有多项优点。除了可通化氧化消灭细菌、病毒等外，还可以相信，这种污染物与离子化的气体等离子相接触将促进它们与水中含有的其它固体颗粒和砂泥凝结成大的颗粒，从而更易用物理方法将其过滤掉。但是，本发明并不仅限于这种工作理论。
下面说明本发明的另一个实施例。如所周知，对飞机上的水源、也就是用于冲洗卫生间等的水进行消毒是重要的。更具体地说，飞机机舱的气压常会突然发生变化，当机舱的气压突然降低时，溶于储水箱的水中的气体的蒸气压可能超过空气的蒸汽压，因此便有大量的溶解气体和雾化湿气突然进入机舱的大气中。由于贮存在飞机上盥洗室中的水源显然已为人们的各种废物所污染，上述溶解气体的突然释放可能含有大量的细菌、病毒和类似的生物菌类，这对于乘客是相当危险的。因此，对飞机盥洗室的废水进行消毒显然是迫切需要的。由于重量的限制，飞机上的水常常是循环使用的，也就是说用同样的水反复冲洗卫生间，因此，对其废水进行消毒是特别重要的。
图4示出一种对飞机上用于冲洗卫生间等的循环水进行消毒的小型高效消毒装置。供水箱122最初装有消毒过的水，并将水供到124处的水龙头。进入的废水100储存在收集槽102中，在飞机着陆后将沉淀出来的固体颗粒104除去。在收集槽102中做出一个内室106，该内室106的底部带有一个允许水向上流入内室106的开口。内室106中设有一个磁分离过滤器108，该过滤器可以例如是一个在专利申请No.08/377620中所公开的多级电过滤器。当要去掉沉积出来的固体颗粒104时，可从口盖110处将过滤器108取出，以便将淀沉物例如压实、破碎或烧毁。
已过滤的要消毒的水由泵114通过管道112从过滤器108的中央泵出。泵114与一般如图2所示的消毒装置相连接，当然，应该明白，本专利所述的各种消毒方法都可用在该项用途。泵114安装在第二个口盖115上以方便进入收集槽102的内部。从116出来的已消毒的水通过三通阀118和电磁阀120而储存在消毒水供水箱122中。由供水箱122流出的水随后便可用来洗涤、冲刷卫生间等如124所示。设置在供水箱122中的浮标或水位开关126控制着阀118和120的位置以便使过量的消毒水通过管道128流回收集槽102中。设置了一个与飞机的外通风口相连接的通风口130以便使收集槽102中生物溶解自然产生的气体排出外面。可以设置用于排水和冲洗收集槽用的其它连接管子等，但因简化起见，故图中未示出。
通过设置与废水收集槽相结合的本发明的消毒装置116，并在必要时设置储存消毒水的第二个水槽，可使水源仅流出已消毒的水。彻底根除在飞机乘客舱内的细菌、病毒和其它可能具有传染性的生物菌类的扩散的问题。
图5示出应用本发明的消毒方法和消毒装置的又一个实施例，在本实施例中，本发明的装置用于投币操作的洗衣房用的再循环水系统中。当然，类似的装置还可用于其它类似的用途、热水和冷水分别从加压罐130、132流到联接的洗衣机134、136。从洗衣机流出来的水(包括洗涤水和漂洗水)流入重力倾斜槽138中，并在重力的作用下向下流过多个网眼尺寸逐级变小的绒布筛网，而进行初步的过滤操作。
在一级消毒回路中，流过绒布筛网140的水流进入第一和第二沉淀槽142、144中。而后由泵146、148将水连续从沉淀槽142、144中抽出，在到达图中以组件150、152简要示出的本发明的消毒装置(它们通常对应于图2和3所示的本发明的装置)处进行消毒，再返回到沉淀槽142、144中。这样便完成了重要的初步消毒功能。
在一级回路中再循环的水有一部分由管道154进入二级回路中，该二级回路中设有位于另一种净化装置158、160之下游的电解质初步过滤器156。水由泵166泵送流过二级回路。离开电解质初步过滤器156的水在168处进行精细过滤。精细过滤器168和初步过滤器156可以是在本申请人的上述美国专利申请具体地说是申请号为No.08/377620的专利申请中已公开过的那种。如简图所示，装置158、160还含有一对与适当的电源相连接的上述的金属电极，以便在水进入初步过滤器156之前将金属离子释放入水中。具体地说，流过系统的水在每一个白天里一般总是连续不断的，但在夜里则断流。加入净化装置158、160中的金属离子足以阻止在过滤器156及其下游组件(包括过滤器168和水箱170、172)中任何细菌等的过夜生长。如图所示，在162和164处可设置另外的绒布截除过滤器。城市的水在182处供入，并设置适当的阀门以便用泵166对过滤器156、168、162、164进行定期的反洗。
经过过滤器168的精细过滤后的水储存于水箱(图中简单地示出两个水箱170、172)中，当然，本发明并不限于两个水箱。这些水箱中的水由泵174使其连续再循环而通过另外的消毒装置176、178，图中简单标出的176、178也含有按照本发明设置的、如图2和3所示的组件。从水箱170、172流出的水在储存入加压的冷水罐130和热水罐132之前可在简单示为180处加入另一些“强力”消毒物质，具体地说是加入有后效的金属离子。
图5所示的系统是要求节约用水的许多商业和工业装置中循环水消毒和回收使用的普通水处理系统的典型。因此，应该明白，图5所示的系统以及这里所详述的其它装置仅仅是作为例子并简单地说明在公知的用水场合下如何使用本发明的消毒方法和消毒装置的例子。如认为必要时，可对各个组件、附加过滤器、絮凝槽、沉淀槽等进行改动或增加此类组件。
作为使用本发明的又一个实施例，医院的洗衣房必须彻底消毒溢染有各种人体流出液的亚麻织品、衣服等，因此，上面结合图2和3所详述的三种消毒的最佳实施例最好都用于医院的水循环系统中。在某些工业的水循环处理例如商业和/或工业的冲洗水处理等中，使水流与盐接触并加入离子化的气体等离子就足够了，也就是说，不必进行添加金属离子的工步，因为这些水流在再循环后不需与人体相接触。在来自游泳池或温泉的水流或循环通过空调的热交换器的水流中(如上述)，则加入离子化气流和金属离子便足够了，可免去与盐接触的工步。但是，上述这些也仅作为例子，不构成对本发明的限制。同理，在很多情况下，最好使希望设置的附加装置组件，例如在上述未决专利申请中所示的磁分离过滤器、絮凝装置和沉淀装置与下面权利要求中所述的特定装置相结合。
因此，虽然上面详细地说明了本发明的几个最佳实施例，但并不由此来限制本发明，本发明的范围只由下面权利要求所限定。
权利要求
1.一种对水流进行消毒的方法，包含下列步骤使上述水流中的一小部分与由溴化银、溴化钠或溴化钙或碘化银、碘化钠或碘化钙组成的盐组中的一种或多种盐相接触，再使这一小部分水流返回到上述的水流中；产生含有一定比例的氧化气体原子和分子(包含离子化的分子或原子氧或氮，或臭氧中的一种或多种)的空气流，并使其与上述的水流相混合，和产生含有铜、锰和银中的一种或多种的金属离子流并使其与上述的水流混合。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，包括上述回流的小部分水流的上述的水流含有氧化气体的原子和分子的空气与金属离子是在高度紊流状态下几乎同时地互相混合的。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于，上述的含有一定比例的氧化气体的原子和分子的空气流是由紫外线照射大气流而形成的。
4.根据权利要求3的方法，其特征在于，上述的紫外线是由一个或多个低压汞蒸气灯产生的，该灯由50～115伏、500～1500毫安、20000～50000赫兹的高频交流电源供电。
5.根据权利要求4的方法，其特征在于，上述的高频交流电流在它们的峰值的约50～100％之间反复脉冲。
6.根据权利要求1的方法，其特征在于，上述的产生含有铜、锰、银中的一种或多种金属离子流并使其与水流相混合的步骤是通过对置于上述水流中的消耗电极通以直流电而完成的，而该消耗电极中含有要加入上述水流的金属离子。
7.根据权利要求6的方法，其特征在于，上述的第一对电极是由含70～95wt％Cu、≤1wt％SiO2、余为Mn的材料铸造而成的。
8.根据权利要求6的方法，其特征在于，上述的第一对电极是由含80～90wt％Mn、≤10wt％SiO2和至少5～10wt％的Ag或Cu的材料铸造而成的。
9.根据权利要求6的方法，其特征在于，上述的第一对电极是由含50～95wt％Cu、≤1wt％SiO2、余为Ag的材料铸成的。
10.根据权利要求6的方法，其特征在于，上述的供给上述电极的直流电为6～24伏、500～5000毫安、但直流电的极性每隔1秒～5分钟反向一次。
11.根据权利要求1的方法，其特征在于，上述的使一小部分上述的水流与溴化银、溴化钠、溴化钙或碘化银、碘化钠、碘化钙相接触并使这一小部分水流回流的方法是从上述的水流中分流出一小部分，再将这分流出来的小部分水流从装有上述盐的长形容器的一端引入、再从该容器的另一端流出并回流到上述的水流中。
12.根据权利要求11的方法，其特征在于，上述的从水流中分流出来的小部分水流约占总水流中的1～10％。
13.一种对水流进行消毒的方法，它包括下列步骤产生含有一定比例的氧化气体原子和分子的空气流，其包含离子化的分子或原子氧、氮或臭氧中的一种或多种，并使其与上述的水流相混合；和产生含有由铜、银和锰离子组成的离子组中的至少两种离子的金属离子流并使其与上述的水流相混合。
14.根据权利要求13的方法，其特征在于，上述的水流、含有氧化气体原子和分子的空气和金属离子是在高度紊流状态下几乎是同时地互相混合的。
15.根据权利要求13的方法，其特征在于，上述的产生含有由铜、银、锰离子组成的离子组中的至少两种离子的金属离子流，并使其与水流相混合的工步是对一对置于上述水流中的电极通以直流电而完成的，该电极的材料由下列各组合金中选择70～90wt％Cu、≤1％SiO2、余Mn；80～90wt％Mn、1～10wt％SiO2、至少5～10wt％的Ag或Cu；以及50～95wt％Cu、≤1wt％SiO2、余为Ag。
16.根据权利要求15的方法，其特征在于，通到上述电极的直流电为6～24伏、500～5000毫安，其极性每隔1秒～5分钟反向一次。
17.一种对水流进行消毒的方法，它包含下列步骤使上述水流中的一小部分与由溴化银、溴化钠、溴化钙或碘化银、碘化钠、碘化钙组成的盐组中的一种或多种盐相接触，再使这一小部分水流返回到上述的水流中；和产生含有一定比例的氧化气体原子和分子的空气流，其含有离子化的分子或原子氧、氮或臭氧中的一种或多种，并使其与上述水流相混合。
18.根据权利要求17的方法，其特征在于，包括上述的回流的一小部分水流的上述的水流与含有氧化气体原子和分子的空气是在高度紊流状态下几乎同时地互相混合的。
19.根据权利要求17的方法，其特征在于，上述的含有一定比例的氧化气体原子和分子的空气流是由一个或多个紫外线灯发出的紫外线照射大气流而形成的，上述的紫外线灯通以50～115伏、500～5000毫安、20000～50000赫兹的高频交流电。
20.根据权利要求19的方法，其特征在于，上述的高频交流电还以其电流全值的70～100％的甚低频率进行脉冲。
21.一种由70～95wt％Cu、≤1wt％SiO2、余Mn的材料铸成的用于水消毒的消耗电极制品。
22.一种由80～90wt％Mn、1～10wt％SiO2至少5～10wt％Ag或Cu的材料铸成的用于水消毒的消耗电极制品。
23.一种由50～95wt％Cu、≤1wt％SiO2余Ag的材料铸成的用于水消毒的消耗电极制品。
24.水消毒用的装置，含有使上述水流的一小部分与由溴化银、溴化钠、溴化钙或碘化银、碘化钠、碘化钙组成的盐组中的一种或多种盐相接触的装置，和用于产生含有一定比例的氧化气体原子和分子的空气流，其含有离子化的分子或原子氧、氮或臭氧中的一种或多种，并使其与上述水流相混合的装置。
25.根据权利要求24的装置，其特征在于，它还含有包括上述的一小部分回流水的上述的水流在高度紊流状态下与含有氧化气体的原子和分子的空气几乎同时地互相混合的装置。
26.根据权利要求24的装置，其特征在于，它还含有用于产生含有铜、锰和银离子中的一种或多种的金属离子流并使其与上述的水流相混合的装置。
27.根据权利要求26的装置，其特征在于，上述的产生含有铜、锰和银离子中的一种或多种的金属离子流并使其与上述的水流相混合的装置含有一对置于上述的水流中并由含有要释放的离子的材料铸成的电极、以及向该对电极供给6～24伏、500～5000毫安的直流电的装置。
28.根据权利要求24的装置，其特征在于，上述的使上述的水流中的一小部分与上述的选定的盐相接触并使该小部分水流回流到上述的水流中的装置含有用于从上述的水流中分流出一小部分水流的装置；用于将上述的分流出来的一小部分水流从一个含有上述的选定的盐的长形容器的一端导入该容器中的装置；用于使上述的一小部分水流从上述容器的另一端流出的装置；用于使上述的一小部分水流回流至上述的水流中的装置。
29.根据权利要求24的装置，其特征在于，上述的水流供入到用于使上述的一小部分水流与上述选出的盐相接触并使其回流到上述的水流中的装置，该装置含有一个装有上述盐的容器，该容器具有一个跨过其上端的横向通道、一个与上述的管道相连接的上述横向通道的第一端或入口端、一个与上述的横向通道相连接并向下延伸而终止于一个与上述容器的下封闭端相并置的开口端上的第二导管、和一个在上述的横截面积减小的上述的横向通道的第二端或出口端上形成的测流量孔，这样，当上述的容器充满由上述的第二导管送来的上述水流的水时，上述水流的一小部分水流便在已与上述容器中的上述盐接触至少一段最小的平均停留时间后由上述的测流量孔回流入上述的水流中。
30.根据权利要求29的装置，其特征在于，上述横向通道的上述第二端或出口端的横截面积约为该横向通道的第一端或入口端的横截面积的50～90％，因此，在上述的向下敞开的测流量孔之上面形成了一种吸力，从而使通过上述容器的上述水流中的一小部分从上述的测流量孔回流到上述的水流中。
31.根据权利要求29的装置，其特征在于，上述测流量孔的横截面积约为上述横向通道的上述第二端或出口端的横截面积的1～20％。
32.根据权利要求29的装置，其特征在于，上述横向通道的第二端或出口端的减小的横截面积是通过将一段管子插入到上述的横向通道的第二端而形成的，上述测流量孔是在上述的该段管子插入上述的横向通道的出口端之前在该管子上钻出的孔，从而使该孔方向向下而与上述容器的内部相通。
33.一种用于使水流中的一小部分与所需的材料接触至少一段平均暴露时间后使该小部分水流回流至上述水流中的装置的制品，该装置含有一个装有上述所需材料的封闭容器、一个跨过上述容器的上端而延伸的横向通道、一个与导引上述水流的第一导管相连接的上述横向通道的第一端或入口端、一个与上述横向通道相连接并从其向下延伸并终止于一个与上述容器的下封闭端并排的开口端的第二导管和一个在上述的横向通道的横截面积比其第一端或入口端缩小的第二端或出口端上形成的向下敞开的测流量孔，这样，上述的容器就充满了来自上述水流的水，而由上述测流量孔计量的上述水流中的一小部分则在上述的容器中与上述的材料接触至少一段最小的停留时间后从上述的测流量孔回流到上述的水流中。
34.根据权利要求33的装置，其特征在于，上述横向通道的上述第二端或出口端的横截面积约为上述横向通道的第一端或入口端的横截面积的50～90％，因此可在上述的向下敞开的测流量孔之上面产生一个吸力，从而使通过上述容器的上述水流中的一小部分从上述的测流量孔返回到上述的水流中。
35.根据权利要求33的装置，其特征在于，上述的测流量孔的横截面积约为上述横向通道的上述第二端或出口端的横截面积的1～20％。
36.根据权利要求35的装置，其特征在于，上述横向通道的第二端或出口端上缩小的横截面积通过将第一段管子插入到该横向通道的第二端而形成，上述的测流量孔是在上述的管子插入到上述的横向通道的出口端之前在该管子上钻出的，使该孔方向向下并与上述容器的内部连通。
37.一种用于水消毒的装置，含有用于产生含中一定比例的氧化气体原子和分子的空气流，其含有离子化的分子或原子氧、氮或臭氧中的一种或多种，并使其与上述水流相混合的装置，和用于产生含有锰离子和铜离子、银离子中的一种或多种金属离子流并使其与上述水流相混合的装置。
38.根据权利要求37的装置，其特征在于，它还含有使上述的水流中的一小部分与由溴化银、溴化钠、溴化钙或碘化银、碘化钠、碘化钙组成的盐组中的一种或多种相接触并使其回流至上述的水流中的装置。
39.根据权利要求38的装置，其特征在于，它还含有包括上述回流的一小部分水流的上述的水流在高度紊流状态下几乎是同时地与含有离子化的氧化气体原子和分子互相混合的装置。
40.根据权利要求37的装置，其特征在于，上述的用于产生含有铜、锰和银离子中的一种或多种的金属离子流并使其与上述的水流相混合的装置含有一对置于上述的水流中并由含有要释放的离子的材料铸成的电极、以及向该对电极供给6～24伏、500～5000毫安的直流电的装置。
41.一种对投币操作的洗衣机、工业或空调机用的热交换介质、游泳池、温泉等用的循环水流进行消毒的方法，含有下列步骤产生含有一定比例的氧化气体原子和分子的空气流，其含有离子化的分子或原子氧、氮或臭氧中的一种或多种并使其与上述水流相混合；和产生含有铜、锰和银离子中的一种或多种的金属离子流并使其与上述的水流相混合。
42.一种对旅馆、饭馆、医院、商业洗衣机、或城市、工业或商业水源等的再循环水流进行消毒的方法，含有下列步骤使上述水流中的一小部分与由溴化银、溴化钠、溴化钙或碘化银、碘化钠、碘化钙组成的盐组中的一种或多种相接触并使其回流至上述的水流中；产生含有一定比例的氧化气体原子和分子的空气流，其含有离子化的分子或原子氧、氮或臭氧中的一种或多种，并使其与上述水流相混合；产生含有铜、锰和银离子中的一种或多种的金属离子流并使其与上述水流相混合。
43.一种对工业操作、商业再循环和水储存操作等再循环水流进行消毒的方法，含有下列步骤使上述水流中的一小部分与由溴化银、溴化钠、溴化钙或碘化银、碘化钠、碘化钙组成的盐组中的一种或多种相接触并使其回流至上述水流中；和产生含有一定比例的氧化气体原子和分子的空气流，其含有离子化的分子或原子氧、氮或臭氧中的一种或多种，并使其与上述水流相混合。
44.一种对冲洗飞机卫生间等用的有限水源进行再循环和消毒的方法含有下列步骤将初始用水量存于供水箱和收集槽中；从上述的供水箱中排出水冲洗卫生间；将已用于冲洗卫生间的水收集到上述的收集槽中；对上述收集槽中的水进行过滤以除去其中的固态物质；用下列方法对已过滤的水进行消毒；使上述已过滤的水流与离子化的气体等离子或由金属电极释放出来的离子中的一种或多种相混合；或者使已过滤的水流与溴化银、溴化钠、溴化钙或碘化银、碘化钠、碘化钙中的一种或多种相接触；使上述已消毒的水流回流至上述的供水箱中。
全文摘要
用于对各种各样的受到生物污染的水流进行非化学消毒的装置及方法,该装置含有一个带有水流控制机构的容器,以便使水流中的一小部分与消毒盐类相接触而后回流至要处理的主水流中。此外,还加入离子化的氧化气体等离子流和金属离子流。本专利还公开了用于向水流提供消毒用金属离子的消耗电极的改进的成分。通过结合对用于冷却塔再循环水空调系统以及其它工业水回收应用中的商业洗衣房和飞机冲洗水源等的再循环水的消毒的实施例阐述了本发明。
文档编号B01D24/02GK1188460SQ97190311
公开日1998年7月22日 申请日期1997年4月4日 优先权日1997年4月4日
发明者丹尼斯·E·J·约翰逊 申请人:水合离子系统公司