利用高压放电和臭氧来处理水系统的系统和方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2013年5月1日提交的美国临时申请序列号61/818, 229的权益。
技术领域
[0003] 本发明涉及一种用于使用高压放电产生等离子体和使用从高压产生的臭氧副产 物来处理流水系统的系统和方法，尤其用于处理冷却塔或其他再循环或闭环系统。
【背景技术】
[0004] 人为（供）水系统是大多数的世界能源生产设施、工业和制造工厂、医院和其他机 构的建筑群和建筑中常见的重要组成部分。这些系统每年消耗7000亿加仑左右的水，并且 在补给水方面的成本就达18亿美元且污水处理成本单算。所有这些人为水系统需要一些 形式的处理，化学或非化学的处理，以控制在重要传热表面上的水垢、生物膜和其他腐蚀副 产物的堆积，该重要传热表面对于有效系统运行是必须的。
[0005] 对于涉及热交换的水系统，例如冷却塔和锅炉，有效处理以去除这些污染物和延 长系统被重新污染之前的时间量，可以节省相当数量的资金。有效彻底的处理可以通过减 少周期性处理的频率或减少日常维护和/或周期性处理所需要的化学品的量，节省劳动和 处理化学品的成本。通过清洁热交换表面的操作，这样的处理也可以节省能源费用。热交 换表面的污垢每年花费美国工业数千万美元，并且直接关系到每年增加近3千万亿Btu (库 德，quad)的能源消耗。
[0006] 为了最大化水的使用和减少浪费，这些系统的许多系统应用一系列化学处理保护 系统不受结垢、生物膜形成和腐蚀。在必需排出水并用新鲜水更换它之前，这些化学处理 使水再利用和循环多次。增加水可以循环的持续时间显著减少排向污水系统的水量，并且 最小化更换放掉的水而需要的补给水。然而，当使用的化学品具有高腐蚀性时，许多化学处 理成分和方法会损害被处理的水系统的组件。还有就是环境也倒向了苛刻的化学处理的一 边，包括日益关注的有毒消毒副产物的形成，诸如三卤甲烷、卤代乙腈和卤代酚，这些在释 放到环境中的排放水中已被鉴定出来。估计由冷却塔处理导致的每年排放的水处理化学品 有5360亿镑，这会影响接收排出水的区域和水道中或附近生存的各种物种或接收排出水 的污水处理厂的细菌成分。
[0007] 在最小化与一些化学处理相关的环境影响的尝试中，许多水处理公司以及更重要 地他们的客户正在寻求使用非化学基水处理技术维持它们的系统性能。近来有约30种目 前可商购的用于商业和住宅的水系统中的非化学处理设备或水调节技术。这些系统可以分 为三类：（1)间接化学生产者，使用良性或安全的化学添加物，例如空气或盐以产生杀生物 剂。这些系统包括臭氧发生器和电化学次氯酸盐发生器以及混合氧化剂发生器。（2)直接 化学生产者，由对水的直接相互作用产生活性化学物质。这些设备使用机械处理（诸如水 力空化或超声空化）以沿着水中高温高压的局部区域生产羟基自由基。适合该种类的其他 设备类型是紫外线系统。（3)电气和磁性设备，包括等离子体的产生，使用感应电场和磁场 以诱导离子迀移和运动，离子的迀移和运动能够通过电穿孔或在细胞壁内引起离子回旋共 振效果导致细胞死亡。在所有这些技术之中，电气和磁性设备是最常见的；然而，它们是具 有最少严谨的科学支持的技术。直接和间接化学方法具有更多科学可信度；然而，这种更好 的理解会限制它们的潜在应用，因此它们还不能够占领更大部分的市场份额。
[0008] 高压放电和在水中产生等离子体的应用在现有技术中是公知的。例如，B. R. Locke 等人（Ind Eng. Chem Res 2006,45,882-905)出版的文章描述了电极构造和几何结构、脉冲 电弧与脉冲电晕以及水中放电放电期间形成的化学物质和在水放电过程中的非热能等离 子体。该文章解决了许多与使用该技术的水处理有关的基本问题，但是却未解决与在工业、 商业或居住环境中的水处理有关的实际应用，尤其是涉及多个地面点的需求时最小化释放 进入水和周围大气的电磁辐射的影响。
[0009] 使用臭氧气体处理水也是已知的。例如，Gupta等人的文章（S. B. Gupta, IEEE Transactions on Plasma Science, 2008, 36, 40, 1612-163)描述了在水中使用由脉冲放电 引起的高级氧化过程。Gupta描述的过程使用从次级独立源（而不是由高压发生器）供应 至放电反应室的氧气或臭氧气体。他们也报告说，系统输出和性能高度依赖于溶液的电导 率。对于其中水的电导率很高的系统（诸如在冷却塔和闭环回路应用中）需要更高的电压 放电，这反过来产生电磁辐射的问题。
[0010] 也有几个现有技术专利或公布的专利申请解决了用于各种目的（包括水处理或 净化）的等离子体产生，诸如美国专利申请公开号2009/0297409(在大气压或更高压力 下流放电等离子体的产生）、美国专利申请公开号2006/0060464(流体中等离子的产生， 尤其在水性介质中包含和产生的气泡内形成的）、美国专利号6, 558, 638 (使用高压放电 处理液体，同时整合用于在放电区中产生气泡的气体传输设备）以及美国专利申请公开 号2010/0 219136 (脉冲等离子体放电以处理流体（诸如流速为5 gp m的水，同时只消耗 120-150瓦特的功率）。
[0011] 现有技术教导了水中高压放电能够产生化学活性物质，显示出物理效果并控制水 的化学反应。然而，已知现有技术未解决怎样应用使用等离子体放电的这种技术在较长的 时间周期内去处理工业、商业或住宅环境中较大体积的流水，而不破坏水系统的其他组件， 这些组件包括用于水垢和腐蚀控制、排污和节水措施所需要的控制器和监视器。
【发明内容】
[0012] 本发明涉及一种系统和方法，使用非化学技术来处理流水系统，诸如冷却塔和闭 环或再循环水系统。该处理包含：在被处理水中淹没的两电极之间产生高频和高压放电。 每次电极之间的放电，具有大量长寿命的氧化化学品（臭氧、过氧化氢）和短寿命的氧化化 学品（超氧化物、羟基自由基和氢自由基）产生，与声音冲击波一起，也产生UV辐射。这些 效果在现有技术中是众所周知的。然而，并不明显公知的是，利用电磁或电解系统获取由 高压放电产生的过剩能量（通常被浪费）。根据本发明的一个实施例，系统使用该过剩能 量进一步通过允许电流流经将水系统管道连接至地的电线环路以在水中产生磁场，来调节 (condition，使水处于正常状态）和处理水。已证明该磁场在水处理中具有有益效果，并避 免贯穿整个水系统的大量电磁辐射具有的对电子控制系统上的破坏性影响，所述电子控制 系统用于测量电导率、PH、生物活性，也用于控制栗和与直接产生高压发电进入水供应的系 统一起使用中常见的其他关键组件。
[0013] 使用高压放电而水中没有多个接地点或高压放电组件周围没有足够屏蔽，严重地 限制现有技术的应用。本发明的另一实施例包括使用微气泡发生器，将微气泡的微细水流 引入尚压放电室。为了最大化在尚导电水中尚压放电的反应面积，广生超过200kV的能力 的电源是必需的。这些电源的运行中副产物是产生臭氧气体，这些臭氧气体必须从所述系 统去除。我们的专利教导，作为所述高压电源的副产物产生的臭氧气体可作为微气泡的精 细分散体引入所述高压室中，以形成氧化反应增强的区域。另外，所述高压室可以装入流体 处理系统，所述流体处理系统通过超声处理或水力空化在高压放电区域内产生微气泡。最 后我们的专利教导了使用其中可以以特定时间增量施加高压放电的脉冲高压放电方案，用 于防止水、电线或其他供应组件过热。
【附图说明】
[0014] 结合下面附图进一步描述和解释本发明的设备，其中：
[0015] 图1为根据本发明的系统的一个优选实施例的示意图；
[0016] 图2A和图2B为曲线图，示出了一个试验中在不应用本发明的实施例时测量的电 磁场；
[0017] 图3为曲线图，示出了另一试验中使用本发明的优选实施例时测量的电磁场；
[0018] 图4为根据本发明的系统的另一优选实施例的示意图；
[0019] 图5为根据本发明的系统的另一优选实施例的示意图。
【具体实施方式】
[0020] 图1描绘了根据本发明的处理系统的优选实施例。处理系统10优选地包括：气体 注入系统28、等离子体反应室36、高压发生器40、电源系统46和各种组件保护设备。处理 系统10容易地添加至现有水系统12。水系统12可以是任何住宅、商业或住宅水系统，尤其 用于冷却应用的那些水系统和再循环水系统，比如冷却塔。水系统12包括图1未描绘的熟 知组件。来自水系统12的水流14被处理为穿过在监控水系统中常用的多种传感器16,诸 如PH传感器、温度和电导率。根据水系统12的尺寸和流经水系统12水的体积，系统中所 有的水可以穿过处理系统10或者只有部分或侧流可以穿过处理系统10。
[0021 ] 水流18优选地流经气体注入系统28,该气体注入系统将空气和/或气体的微气泡 注入水流18中。优选地，气体