利用来自电弧的波能处理液体的系统、方法和装置的制作方法

专利名称：利用来自电弧的波能处理液体的系统、方法和装置的制作方法
技术领域：
概括地说，本发明涉及液体处理领域，更特别地涉及利用电弧产生的 波能处理液体的方法、系统和装置。
背景技术：
本发明的背景不限制本发明的范围，所描述的背景与液体处理有关， 特别是例如饮用水、废水、饮料、果汁、牛奶、乳液、压载水、舱底水、 冷却塔水、工艺用水、选矿用水、未经处理的污水、原油、液态烃、黑液 和任何可泵送的液体。在过去十年里，对替代饮用水氯化和废水排放的需 求越来越迫切。这主要是因为新出现的对许多氧化剂如氯有耐受性的病原 微生物，以及与饮用水源中存在的有机物与氯反应形成的副产物有关的问 题。
例如，许多々大用水源中包含有机物，当有机物^皮氯化时，副产物是一
类被称之为三囟代曱烷(THMs)的化合物，其中的一些致癌。因此，这 样促使USEPA公布了新的有关病原微生物和THMs形成的消毒规范。目 前需要筒单而经济有效的，还能够用于处理其它水流的替代氯化添加剂的 方法，该需求还未得到满足。例如， 一种这样的替代消毒系统是使用紫外 (UV)辐射来增强氯化作用。同样地，UV辐射可以替代污水处理厂中的 氯化室，因为流出物必须去氯化，就需要另外的化学物质，如二氧化硫。 两种其它可以用UV辐射处理的大体积流体是来自船舶的压载水和合流制 排水系统溢流污水(CSO)。
在此之前，包括UV辐射的水处理系统已经被构建成将灯封装在石英 套管内。以前的UV辐射系统的例子包括低压或中压汞弧灯。现有的包括 汞弧灯的UV辐射系统的主要问题之一是它们不能最大程度地利用电力。 更特别地，仅利用由整个电路中使用的电力转换而成的UV辐射形式的能 量，灯的效率低，而且需要较高的UV辐射剂量，其高于如果电路中更多 的电能可以被用于灭活病原体或处理污染物时所必需的UV辐射剂量。例 如，典型的紫外灯仅可以将30%.此外，这些灯包含汞，汞是可以通过食物链转移的污染物。
此外，任何包括"灯泡"的紫外辐射系统易于烧掉。而且，由于紫外
光，玻璃或石英罩和灯泡随时间而被过度辐射(solarized )。此外，封装灯 的石英罩随时间变脏。如果其不包括用于原位清洗管的擦拭系统，石英管 就必须被移出并手动清洁。结果，当灯老化和石英套管罩变脏时，紫外辐 射系统对隐孢子虫的灭活效果会随时间下降。
此外，有一种值得关注的新出现的病原体一分枝杆菌，它能耐受氯和 许多生物杀灭剂。同样地，分枝杆菌的灭活需要比隐孢子虫和Giardi更高 剂量的紫外光。此外，应用低剂量的紫外光不符合USFDA、 USDA、 UPH 提出的灭菌或巴氏灭菌指导原则。术语消毒和灭菌被几个管理机构明确定 义和区分。
因此，需要紧凑的i"更携式、还不使用汞的波能水处理系统。此外，需 要能量高效、结实、少维护和紧凑的波能水处理系统。同样地，需要还能 够除去细小沉积物，或者降低水的混浊度的波能系统。此外，需要还可以 从水中相分离出不同密度的物质，如从水中分离出油和油脂、木材、树叶 以及塑料瓶的消毒系统。而且，需要减少水中的有机物。

发明内容
本发明提供一种利用来自电弧的波能处理液体的系统、方法和装置， 它是(l)紧凑的、便携式的，还不使用汞；(2)能量高效、结实、少维 护和紧凑的；(3)还能够除去细小沉积物或降低水的混浊度；(4)还能够 从水中相分离出不同密度的物质，如从水中相分离出油、油脂、木材、树 叶、塑料瓶；和/或(5)能够减少水中的有机物。液体可以是饮用水、废 水、饮料、果汁、牛奶、乳液、压载水、舱底水、冷却塔水、工艺用水、 选矿用水、未经处理的污水、原油、液态烃、黑液和任何可泵送的液体。 本发明能够在世界的偏远地区运行，能够将各种形式的波能传递到水和污 染物，不仅仅是紫外辐射，将有助于分解有机物，形成适于饮用的水源， 它需要迅速地普及到世界各地。此外，本发明可以在没有电力线路时通过 使用风力发电机或光电池来运行，无需发电机或电力线路就能够处理偏远 地区的水和废水。
本发明产生旋涡或气旋流，以及一种或多种处在旋涡的"目艮，，"等离 子体核，，或"中空气核，，中的波能。本发明这样处理液体或流体，首先用
6位于涡动液体气核中心的等离子体电弧照射流体，然后再以流体形成薄膜 并照射薄膜流体，第三步反射波能以提高被流体或流体内的物质吸收的波 能的剂量。本发明还提供了一种先进的使用半导体催化剂处理流体的氧化
/还原方法(AORP)。同样地，本发明包括引入荷电的纳米金属和矿物质
以及碳来处理水的方法。此外，本发明包括相分离4几构。
下面将详细描述本发明。本发明提供了优良的向待处理流体输送波能 的方法，优良的用于原位除去和破坏挥发物的方法，以及使流体、污染物、 病原体同时接受几种形式的波能的方法。此外，本发明提供了利用几种形 式的波能，如紫外辐射、真空紫外辐射、红外辐射、可见光照射、声能、 超声波能、电解作用或它们的组合来处理物质的机构。此外，本发明提供 了原位形成氧化剂或自由基的机构。而且，本发明使用了独一无二的在同 一系统内消毒和过滤水的方法。因此，利用本发明不釆用灯而采用碳弧结 合涡动流体的新型波能处理流体的方法，可以设计出采用风力发电机或光 电池对直流电池再充电来处理极低流速的系统，而目前还没有听说过通过 使用非常大的直流电源和铸造工业的碳弧炉中常见的石墨棒成比例放大 水处理体积。
因此，本发明以具有优于已有方法的波长、焦点、强度、停留时间的 几种形式的波能来处理液体或流体。本发明利用角动量守恒首先形成速度 增加的涡动流体，然后向外扩展形成倒置的薄膜旋涡或漏斗，通常形成伞 形或抛物面反射器的形式。本发明还克服了与光化学反应有关的停留时间 和吸收现象。
更特别地，本发明提供了一种处理液体的方法，其通过提供波能源并 在波能源周围形成涡动液体薄膜，使得一种或多种波能照射液体。同样地， 本发明提供了 一种通过提供三个波能区，并使液体通过三个波能区来处理
-液体的方法。
此外，本发明提供一种处理液体的装置，其使用泵蜗壳或水力旋流器 头，连接到泵蜗壳或水力旋流器头的喉口，连接到喉口的抛物面反射器以
及照射液体的波能源。波能源包括从泵蜗壳或水力旋流器头沿着喉口的中 心轴延伸至喉口的第一电极，以及延伸至抛物面反射器中第二电极，第二 电极被隔开并与第 一 电极轴向排列。该装置可以作为现有系统的改进型工具。
而且，本发明才是供了一种处理液体的系统，该系统包括储罐，以及设
7置在储罐顶部的两个或多个电弧涡动装置。每个电弧涡动装置包括泵蜗壳 或水力旋流器头，连接到泵蜗壳或水力旋流器头的喉口，连接到喉口的抛 物面反射器，以及照射液体的波能源。每个波能装置包括从泵蜗壳或水力 旋流器头沿着喉口的中心轴延伸到喉口的第 一 电极，以及延伸到抛物面反 射器中的第二电极，第二电极被隔开并与第一电极轴向排列。 以下参考附图详细说明本发明。


通过参考以下说明和附图可以更好地理解本发明以上的和进一步的 优点。
图1说明了依据本发明的一个实施方案的电弧涡动装置。
图2说明了依据本发明的第二实施方案的电弧涡动旋流分离器。
图3说明了依据本发明的第三实施方案的电弧涡动喷气水力旋流器。
图4说明了依据本发明的第四实施方案的具有切向流的电弧涡动喷气管。
图5说明了依据本发明的第五实施方案的电弧涡动蜗壳。
图6说明了依据本发明的第六实施方案的电弧涡动水力旋流器反射器。
图7说明了依据本发明的第七实施方案的电弧涡动水力旋流器反射器 管道。
图8说明了依据本发明的第八实施方案的储罐中的多个电弧涡动。 图9说明了依据本发明的第九实施方案的带砂滤器的电弧涡动。 图IO说明了依据本发明处理液体的方法的流程图。 图11说明了依据本发明处理液体的另一种方法的流程图。
发明描述
下文详细地讨论了本发明的各种实施方案的形成和应用，应当理解本 发明提供了许多可应用的创造性概念，这些概念可以包含在很多个具体的 上下文中。这里讨论的特定实施方案只是阐明用于形成和应用本发明的特 定方式，并不限定本发明的范围。这里的讨论主要与水处理有关，但应理 解为本发明的概念可应用于处理任何液体。
这里使用的术语"波能，，包括辐射以及通过各种介质传导的波能，并且包括电磁波或辐射；声波、超声波(supersonic )和超声波(ultrasonic wave); 以及中子、质子、氘核和其它粒子辐射。术语"电磁波，，包括，例如X-射线、伽玛射线、紫外线、红外线、可见光线、微波、短波和无线电波。 本发明提供一种利用来自电弧的波能处理液体的系统、方法和装置， 它是(l)紧凑的、便携式的，还不使用汞；(2)能量高效、结实、少维 护和紧凑的；(3)还能够除去细小沉积物或降低水的混浊度；(4)还能够 从水中相分离出不同密度的物质，如从水中相分离出油、油脂、木材、树 叶、塑料瓶；和/或(5)能够减少水中的有机物。液体可以是饮用水、废 水、饮料、果汁、牛奶、乳液、压载水、舱底水、冷却塔水、工艺用水、 选矿用水、未经处理的污水、原油、液态烃、黑液和任何可泵送的液体。 本发明能够在世界的偏远地区运行，能够将各种形式的波能传递到水和污 染物，不仅仅是紫外辐射，并且将有助于分解有机物，形成适于饮用的水 源，它需要迅速地普及到世界各地。此外，本发明可以在没有电力线路和 发电机时通过^f吏用风力发电机或光电池来运行，能够处理偏远地区的水和 废水。
本发明产生旋涡或气旋流，以及一种或多种处在旋涡的"目艮"或"中 空气核"中的波能。本发明这样处理液体或流体，首先用位于涡动流体气 核中心的等离子体电弧照射流体，然后再以流体形成薄膜并照射薄膜流 体，第三步反射波能以提高被流体或流体内物质吸收的波能的剂量。本发 明还提供了 一种先进的使用半导体催化剂处理流体的氧化/还原方法 (AORP)。同样地，本发明包括引入荷电的纳米金属和矿物质以及碳来处 理水的方法。此外，本发明包括相分离方法。
下面将详细描述本发明。本发明提供了优良的向待处理流体输送波能 的方法，优良的用于原位除去和破坏挥发物的方法，以及使流体、污染物 和病原体同时接受几种形式的波能的方法。此外，本发明提供了利用几种 形式的波能，如紫外辐射、真空紫外辐射、红外辐射、可见光照射、声能、 超声波能、电解作用或它们的组合来处理物质的机构。此外，本发明提供 了原位形成氧化剂或自由基的机构。而且，本发明使用了独一无二的在同 一系统内消毒和过滤水的方法。因此，利用本发明不采用灯而采用碳弧结 合涡动流体的新型波能处理流体方法，可以设计出采用风力发电机或光电
池对直流电池再充电来处理极低流速的系统，而目前还没有听说过通过使 用非常大的直流电源和铸造工业的碳弧炉中常见的石墨棒成比例放大水处理体积。
因此，本发明以具有优于已有方法的波长、焦点、强度、停留时间的 几种形式的波能来处理液体或流体。本发明利用角动量守恒首先形成速度 增加的涡动流体，然后向外扩展形成倒置的薄膜旋涡或漏斗，通常形成伞 形或抛物面反射器的形式。本发明还克服了与光化学反应有关的停留时间 和吸收现象。
现有技术的波能，特别是EMR装置和方法是针对给定的流速范围而
设计的。简单地说，光化学反应器具有已知的体积，并且基于反应器的体
积，计算在特定时间周期内引发反应所需的EMR源的数量，该特定时间 周期通常^皮称为停留时间(RT)。通常，EMR源是连续的波源，如长线性 低压汞弧灯，中压汞灯，短弧汞/氮灯。但是，高强度的闪光灯被用于处理 不太透明的液体，如果汁。因为这些灯是按瓦特划分的，那么灯发射出的 焦耳/秒乘以RT可以表示应用于^L处理液体的面积上的有效剂量(瓦/秒/ 面积)。
例如，灭活细菌所必需的辐射剂量是已知的。因此，通过由该已知值 结合细菌的平均菌群密度筒单地反推，EMR源的变量或数量和反应器的 大小就可以容易地计算出来。但是，当细菌数量由假定的平均值增加时就 出现问题。要么必须安装第二个反应器，要么必须在已有的反应器上增加 更多的光源。
可以应用Beer-Lambert定律来清楚地显示出管道中放置的长线性灯是 无效的光化学反应器。Beer-Lambert定律及相关的公式对于光化学或波能 反应器的设计是很重要的。虽然下面的公式简单明了，但是经常被误解和 不正确地^使用。
A=,bc
其中A为吸光度(无单位)；
,为摩尔吸光系数，单位为L/摩尔/cm;
B为样品的通路长度(或光化学反应器的长度)；以及
C为溶液中化合物的浓度，单位为摩尔/升。
在这个定律中，吸光度是与其它参数呈正比的。这个定律显示流体的 每一层所吸收的辐射比例是相同的。公式"A=,bc"告诉光化学反应器的
总量。因此，如果设计者涉及透光百分率(％T)，以Q/。T相对于通路长度生成指数曲线。但是，如果以吸光度相对于浓度作图会产生直线。因此， 浓度和吸光度之间的线性关系是筒单的和直接的。
但是，由于全方向波能是从其在特定容器中的波源传播出去的，根据 "A = ,bc，，，容器壁附近的光子数量减少，但是流体内部的污染物浓度在距 离全方向灯的任何距离处都是相等的。因此，如果该反应器被设计用于灭 菌，相比于容器壁周围的细菌，波能源附近的细菌接收到更大量的能量。 结果，波能源周围杀灭的细菌更多，杀灭的细菌随着离灯距离的平方减少。
由于这是全方向的灯，其遵循平方反比定律，该定律表明从具有恒定 内禀光度的光源观测到的光强度随着距离目标的距离的平方呈正比下降。
作为例子，如果距离光源lm测得的光强度为16 W/cm2,那么距离光源2m 测得的光强度就是4W/cm2。类似地，可以计算任何其它距离的光强度。 平方反比定律可应用于光强度的变化，无需考虑光源的方向，只要光源接 近于点光源。但是，相同的规律可用于理解在垂直于长光源的轴的方向上， 从线性光源如长灯泡向外发出的强度降低。
在用波能处理流体的过程中，另一个对处理效果具有显著影响的重要 因素是特定波能粒子，如紫外光光子在物质穿过的距离。例如，波长为 253.7nm的紫外光可以穿透深度超过24英寸的水，但非常薄的铝箔片会完 全阻挡紫外光。同样地，水的浊度会部分阻挡紫外光。另一方面，经强化 的铝能够反射超过80%的紫外光。因此，所有的紫外光处理系统都存在与 吸光率或通过所处理液体的穿透距离有关的缺陷和障碍。穿透距离也被称 为通路长度。由于这些因素，就可以理解增加反应器的体积来延长流体停 留时间不会影响或改变通路长度，并且不必然提高处理效率。
鉴于这些因素，本发明更容易被理解，它的新颖性和重要性也更容易 被认识到。本发明通过将流体薄层暴露于很接近能源的波能下解决了强度 降低以及通路长度的问题。
现在参照图1说明依据本发明的一个实施方案的电弧涡动装置100。 容器102能够产生如箭头104所示的涡流，如漏斗或气旋，用于在气核或 等离子体核周围的容器壁上形成流动液体薄膜。容器102的形状和入口 106 的位置和/或类型并不限于图1所示的那样。任何形状和方向组合的替代品 都可以使用，只要产生涡流104。当液体如水经入口 106被引入容器102 中产生涡流104时，就形成了无液体的中心气核。碳弧棒108和110被设 置在中心核内。当将电极108和110连接到电源时，通过延长碳弧棒108和110之间的灯丝形成完全短路，从而形成碳弧112。备选地，当电极108 和110连接到电源时，通过一起移动碳弧棒108和110形成完全短路，然 后将它们分开以"吸引，， >碳弧112，从而可以形成石炭弧112。在^ 友弧棒108 和110的近端之间延伸的碳弧112产生一种或多种波能114，如远紫外光 来处理液体。液体经出口 (exit)或出口 (outlet) 116从容器102中释放出 去。
生产的石墨棒的尺寸范围从直径为0.125英寸的焊条到普遍用于电弧 炉的直径为6英尺的碳棒。自从二次世界大战后，古老的碳弧探照灯被广 泛使用，本发明可以容易地由剩余的探照灯产品来实现。任何直流电源都 可以用于由石墨棒来形成碳弧。简单的太阳能电池可以被用作用于形成碳 弧的直流电源，其使利用便宜的消毒系统来处理例如偏远地区以及第三世 界国家的饮用水成为可能。本发明还提供一种用于紧凑的但非常有效的波 能系统的机构，其用于对高流速流体，如船舶压载水和大量市政饮用水以 及工厂流出的废水消毒。与典型的紫外光系统相比，本发明不受因灯的构 造而形成的尺寸的限制，也不受因石英灯罩的过度辐射(solarization )而 导致的性能的限制。此外，在本发明中出现了波能的最大转移，因为本发 明采用的是开弧。此外，本发明利用碳弧产生的所有形式的波能，不仅仅 就是由等离子体或热的碳棒端部辐射的紫外光。
容器102非常适于形成本发明中所使用的用于消毒和灭菌的涡流，其 利用了诱导的空化作用(induced cavitations ),其公开在2000年2月1曰 授权给Kucherov的美国专利No.6，019，947中，题为"用于连续液体流灭菌 的方法和装置"，因此将该专利全部引入本发明。本发明相对于Kucherov 的'947专利的教导的改进包括但不局限于这样的因素，即本发明的碳弧增 加了至少两种其它形式的波能用于灭菌-紫外光和自由基或电子。
现在参照图2说明依据本发明的第二实施方案的电弧涡动旋流分离 器。旋流分离器200可以容易地经改进而用于本发明。将碳棒108和110 插到旋流分离器200的底流204和溢流206中。液体经入口 208被引入到 旋流分离器202中。旋流分离器202核心内的棒108和110之间形成碳弧。
现在参照图3说明依据本发明的第三实施方案的电弧涡动喷气水力旋 流器300。具有多孔壁304的水力旋流器被称为喷气水力旋流器，可以被 用作本发明的容器302。石友才奉108和110插入喷气水力4t流器300的底流 204和溢流206中。液体经入口 208被引入到容器302中。在容器302的
12核心内的棒108和110之间形成碳弧。空气或气体306经气体入口 308被 引入到容器302中，气体入口 308连接到多孔壁304。除了形成薄流体膜 之外，喷射空气或气体的水力旋流器有助于除去流体中的挥发物，诱导空 化作用。空气喷射水力旋流器可以除去水中的吸水分子，如乙醇。此外， 喷射表面和流体之间的空气边界层减小了摩擦，这样使得流体在较低的泵 压下获得并保持较高的速度。如果流体获得了足以空化的速度，这就具有 非常理想的效果。空化作用是指在液体中形成气泡，之后气泡破裂 (collapse)。空化作用可以被视为一种形式的波能，因为空化作用形成了 声波，而声能是一种形式的波能。
此外，空化作用能够"杀死，，病原体，引发化学反应，充分混合流体。 此外，充分混合的流体以螺旋状或涡流状路径通过喷气水力旋流器，但作 为很薄的一层。该薄层获得了非常短的穿透整个液体厚度的距离，这必须 通过实现有效处理的波能来实现。因此，被处理流体中可用的波能通路长 度不会限制处理效果，并且将会获得波能的最大吸收。应该理解波能的通 路长度和穿透距离与容器长度无关或者不必然受到容器长度的影响。
当薄膜喷气水力旋流器中的液体速度足以在液体中产生空化作用时， 来自空化作用的高水平波能结合根据本发明中不受限制的碳弧所产生的 波能，能够显著增强基于波能的液体处理的效果。在任何气体喷射系统上 增加上述碳弧系统也会显著改善处理效果，这源于由不受限制的碳弧产生 的波能的范围扩大。
需要注意的是采用喷气水力旋流器作为本发明的容器并不简单地是 为了空化作用和去除效果。例如，REVEXTMmTU形成了非常薄的流体膜。 与该薄的流体层相组合，流体以围绕或沿着装置的多孔管部件纵轴的螺旋 状路径流动。与直线流过相同长度的反应器相比，这明显增加了反应器内 液体的停留时间，而且与使用现有技术的反应器能够实现的处理能力相 比，可以以更高效的处理能力使用紧凑式反应器。
现在参考图4说明依据本发明的第四实施方案的具有切向流400的电 弧涡动喷气管。带有多孔壁404的管402也可用于本发明。碳棒108和110 插在管402的每个末端。液体经入口 406被引入到管402中，并且能够经 出口 408流出。在容器402的核心内，棒108和110之间形成碳弧。空气 或气体306经气体入口 410被引入到容器402中。
现在参考图5说明依据本发明的第五实施方案的电弧涡动蜗壳500。
13泵蜗壳或水力旋流器头502用来产生角动量。当液体如水按箭头504所示 被引入到水力旋流器中，液体在形成旋涡或涡流的中心轴附近的环路中流 动，产生角动量。因此，这里的术语"涡动"是指或近似于涡流、旋流、 气旋、龙巻风、飓风、台风或通常任何具有角动量的流动。在应用本发明 的方法时，将很简单的电极，如碳棒或石墨棒108和110沿着角动量发生 器一涡壳502的中心核或中心轴设置。一个电才及108^皮设置在涡壳502内， 另一个IIO被设置在喉口 506外面。当提及泵时，喉口 506实际上是泵的 吸入口。运行时水按照箭头504的指向流进涡壳502,如果与大气相通就 形成具有空气核的涡流。旋涡进入喉口 506,由于角动量守恒，水的速度 一定增加。只要漩涡离开喉口 506,在出口点508处，水会如箭头510所 示继续涡动，但是会如箭头512所示立即向外扩展。涡动的水呈现薄膜伞 形或倒置漏斗形，具有非常大的空气核。本发明的涡动方法的独特形状或 轮廓形成了 一种全新的处理液体的方法。因为低压气核是沿着中心轴形成 的，那么电弧被触发或保持在中心气体核内以及伞或倒置漏斗内。为了触 发电弧，并将气核转变为电弧等离子体核， 一个电极108可以连接到推杆 514，推杆514连4姿到驱动器516。驱动器516移动电极108直到它接触到 电极110。当电极108和IIO接触，电极连接到电源时形成完全短路。接 着，电极108缩回，这样迫4吏电子流动穿过气核，将气核转变为离子化的 气体，通常被称为等离子体。替代移动电极108,推杆514可以移动并接 触电极110。推杆514用作探臂(stinger)将电弧从一个电极110牵引到 其它的电极108。
为了减少电极的氧化以及改变等离子体的EMR谱，可以使用惰性气 体，如氩、氦、氮、氙或氖。可以加入氧生成臭氧和原子氧。当然，可以 加入任何气体并对其离子化，包括蒸汽和氢。再者，可以利用任何导电材 料来制造电极，而不仅仅是碳。
现在参考图6说明依据本发明的第六实施方案的电弧涡动水力旋流器 反射器600。本发明的新颖性在于碳弧和等离子体612产生的能量或波能 与涡动液体的独特形状相结合。喉口 602可以如图5所示是直的或者是锥 形的，如图6中所示的同心异径接头。如前面所述，当水在出口点604向 外扩展512,水呈现抛物面形倒置的漏斗状。该形状几乎与照明和光学工 业中普遍使用的许多普通反射器是相同的。
现在，当进入电弧涡动之前水压和流速提高时，伞形会转变成更像锥
14形，而不是伞形或抛物面形。这当然不影响本发明。在出口 604加上反射 器606,白色热碳电极110发射的电磁辐射(EMR)可以被反射形成如EMR 箭头所示的平行束。反射器606可以具有涂层608以提高反射率或发生预 期的化学反应。而且，可以引入气体614以发生预期的化学反应，或者减 少或消除电极的消耗或氧化。电极108或电极IIO可以是阳极。通常，阳 极产生的EMR比阴极更多。因此，为了充分利用和最大限度使用波能， 两个电极可以按箭头610所示方向移动，以使电极位于最有效的处理区域， 用来处理特殊的液体、^:生物或污染物。
现在参照图7 i兌明依据本发明的第七实施方案的电弧涡动水力旋流器 反射器管道700。水力旋流器502和反射器606被安装在罐702的顶部。 抛物面或椭圆形反射器606可以用于照射罐702中的水，并增加停留时间 或剂量。反射器606可以涂覆紫外强化材料，或者可以涂覆半导体催化剂， 如Ti02。本发明的该实施方案700形成几个波能区。波能区l是由等离子 体612形成的。等离子体发射EMR和声能。等离子体612发射的EMR是 基于可以成为被等离子体捕获和离子化的气体以及任何液体或固体的。同 样地，等离子体包含离子化气体。由电子和阳离子组成的离子化气体可以 进入水中，并有助于处理水。因此，由于水非常接近等离子体612，水可 以被几种形式的波能处理。此外，如果氧存在，可以形成原子氧和臭氧。 两者都是高反应性氧化剂，其可以用于水处理，来消毒以及氧化有机物、 金属和矿物质。
碳弧产生真空UV ( VUV)。因此，如前面所述的VUV光子具有足够 的能量来裂解水分子，并形成高反应性自由基，如羟基自由基。此外，VUV 光子具有足够的能量裂解烃中的碳-碳键。碳弧也产生大量的近红外和远红 外(IR)辐射。这会进一步增强消毒效果以及有助于处理有机化合物，因 为有机物吸收IR和振动电子。不受理论的局限，除了紫外光和声能外，IR 可以催化水中的有机物和病原体的石皮坏。
接着，水进入第二个波能区2。水或液体再次被几种形式的波能处理。 首先，薄膜伞形或锥形水漏斗必须通过EMR,然后再通过被反射的EMR。 现在，真正独特的和非显而易见之处是电极110的位置是否在水中，并且 水是导电的，那么水会被另外形式的波能-电解作用处理。这样l^供了处理 重金属，如铀矿加工厂流出的废水中存在的硒的方法。如果电才及110用作 阴极，金属可以被镀到电极IIO上。罐702可以仅由很长的管组成。沿着管的纵轴照射的优点在美国专利 5,832,361中有讨论，该专利被全部引入作为参考。同样地，罐或管702形 成波能区3。正是在这个区中，仅通过增加具有合适的反射器的罐702的 直径，或者增加管道702的长度或深度，就可以显著增加停留时间。
此外，罐702可以加入过滤介质704。这样得到了可以在世界的偏远 地区使用的进行消毒和去除混浊的独立水处理系统。采用5个十二伏串联 工作的直流电池构建了与图7相似的样机。利用60伏特和20安培维持的 一英寸的电弧形成约lkW的紫外辐射系统，其充分照射了塑料罐702。用 多功能充电器(multi-charger)对电池再充电，该充电器被设计用于对串 联电池充电。当然，应该理解可以用绿色能源对电池再充电，如风力发电 机、光电池或水轮机。而且，本发明提供了高机动性和便携的应急反应水 处理系统，以用于军事、市政和应急反应。电弧涡动可以连接在任何新型 混合动力汽车的蓄电池组电池上。
如图5、图6中所述，针对本发明，任何水力旋流器502可以很容易 地通过以下的方法进行改进。通过将反射器606连接到水力旋流器502的 底流，这样提供了用波能处理水的新方法。如前面所解释的，EMR可以 用各种本领域已知方法反射。但是，为了形成伞形必须将水力旋流器的顶 阀移去。此外，插入碳棒108会实质上堵塞溢流。移去顶阀的原因是形成 伞形倒置水漏斗的新方法的 一 部分。
当罐测试水力旋流器时，将顶阀从标准水力旋流器的底流处移去。为 了测试，将水力旋流器的溢流阀关闭。当水流过水力旋流器时， 一旦水通 过水力旋流器的底部或底流离开，水散开形成非常薄的伞形，并沿着水力 旋流器的整个中心轴维持形成的空气核。这是完全预料不到的，因为在这 个测试之前，具有相同锥底直径的一段直管经过测试，结果是呈弯曲绳状 排出。
非显而易见且完全预料不到之处在于用于处理小体积以及非常大体 积液体的独特的方法和装置。通过将惰性气体如氩引入系统中，会在水力 旋流器和反射器中形成并保持气泡核。因为氩的密度小于水，它会保留在 系统的上部，即4吏当系统不运行时。当运行时，氩会寻找中心并形成气核。 当电极108和110之间触发电弧时，氩将离子化并形成涡动的等离子体612 核。使用氩有几个主要原因。首先，氩是惰性的并且不影响水或不与水反 应。第二，氩屏蔽碳电极，从而延长电极的期望寿命。而且，氩容易离子化，是理想的等离子气体。
现在参照图8说明依据本发明的第八实施方案的储罐800中的多个电 弧涡动。事实上除了流速以外，电弧涡动可以适用的罐802的大小没有限 制。例如，5兆瓦直流电源可以从HDR Ametek获得。同样地，尺寸高达 6英尺直径的石墨电极也可以使用。因此，如图8所示，非常大的罐可以 采用多个电弧涡动804来处理。
现在参照图9说明依据本发明的第九实施方案的带砂滤器900的电弧 涡动。该实施方案可以是现有砂滤器的改进型，用以再次形成独立的液体 处理系统。因此，这种快速的改进型不要求任何对罐的改进。此外，与传 统的紫外辐射系统相比，电弧涡动砂滤器的改进型是很便宜的。
例如，构建一千瓦的电弧涡动的总成本为约3000美元。现在市场上 最便宜的一千瓦紫外辐射系统的零售价为26000美元。它是由26个容器 中的灯组成的。因此，从资本费用成本和运行成本两方面来说，本发明的 电弧涡动是非常优越的。筒单地说，在可以利用日照或风的世界偏远地区， 电力运行成本可以降低为零。同样地， 一千瓦的系统以及目前的100KW 模型的大小和重量可以与小汽车车厢相匹配。
构建4英寸的100kW电弧涡动，并采用汽车工厂的喷漆室废水(paint booth water)进行测试。喷漆室废水是黑色的、不透明的，具有非常难闻 的气p未，并且含有很大量的细菌。喷漆室废水经第一遍和第二遍电弧涡动 处理。喷漆室废水的颜色变成透明的黄色，并且水没有气味。实验室测试 显示99.99%的细菌被杀死。
现在参照图IO显示依据本发明处理液体的方法1000的流程图。方块 1002中提供了波能源，并且在波能源周围形成液体涡动薄膜，使得一种或 多种波能照射方块1004中的液体。 一种或多种波能可以包括紫外辐射、 真空紫外辐射、红外辐射、可见光照射、声能、超声波能、电解作用或它 们的组合。
现在参照图11显示依据本发明处理液体的另一种方法1100的流程 图。提供的第一电极和第二电极彼此轴向排列，并连接到方块1102中的 电源。方块1104中的第一电极和第二电极之间的电弧净皮触发。第一电^L 和第二电极之间形成等离子体核心，产生一种或多种方块1106中的波能， 并且在波能源周围形成液体涡动薄膜，从而使得一种或多种波能照射方块 1108中的液体。创造性概念的新颖性，在这些实施例中可以应用本发明。这些实施例也说 明这样的发明对于健康和环境安全问题是非常急需的。
金属加工液中的分枝杆菌
环境中的机会性(opportunistic)分枝杆菌与很多种背景下多种呼吸问
题的爆发有关。爆发的一个共同特点是暴露于气溶胶中。气溶胶产生于机 械加工和研磨才喿作过程中的金属加工液，以及其它来源，如室内游泳池、
热浴盆、水损坏的建筑。在工业环境下，据估计有120万美国工人暴露于
金属研磨产生的气溶胶中，这些工人遭受的呼吸问题的经济和社会影响是 实质性的。分枝杆菌容易被雾化，并对消毒耐受。在大多数归因于雾化的 分枝杆菌的呼吸问题的爆发中，含有气溶胶的水源已经被消毒。事实上认
为传统的消毒可以对分枝杆菌的分布(predominance )和生长进行选择。
本发明能使流体如金属加工液接触多种波能源，从而显现出有效地除 去或控制这些流体中的分枝杆菌和其它生物污染物的巨大前景。虽然分枝 杆菌能够耐受化学消毒，但据信细菌暴露于来自本发明的碳弧的紫外辐射 和自由电子中，特别是进一步组合了源自空化效用的声波能，细菌将不能 存活。消除或减少与金属加工液有关的车间中的呼吸问题，会对受影响的 工业具有显著的经济效益，以及由于这样的健康问题减少而产生的显著社 会效益。
家禽胴体冷却器用水
据统计，在美国每人每年消耗44Kg (96 lb)的禽肉。家禽占肉类消 耗的36%,在美国人的膳食中仅次于牛肉。家禽产品的卫生安全性对公共 安全和健康有重要影响。美国家禽业每年生产200亿磅的鸡肉和60亿磅 的火鸡。几乎所有的家禽产品都是由具有数百万禽类容量的自动化工厂以 "即席可煮(ready-to-cook)"的形式生产的。在这些工厂中，禽类被宰杀、 褪毛、去内脏、清洗、冷却和包装。将禽体迅速冷却至40F以下对于减少 细菌生长和保持禽体质量很关键。这是通过将清洗过的禽体浸入一、二或 三个长罐一冷却器中的水水中完成的。许多加工者采用氯来控制家禽酮体 冷却器用水(PCW)中的孩i生物。目前，氯和它的水合产物，次氯酸和次 氯酸盐是监管机构允许用于PCW的仅有的消毒剂(美国农业部，1993年)。
18已知家禽胴体冷却器用水含有大量有机物。PCW的氯化作用导致三 卣代曱烷，主要是三氯曱烷，以及其它还必需鉴定的致突变化合物的形成。 虽然这些潜在的有害化合物对健康的影响还没有确定，但是提供可替代的
消毒PCW方法是非常需要的。而且，冷却器用水的再循环可以提供防止
环境污染同时有助于保存有价值的水资源的方法。
据信利用本发明的碳弧产生的高强度紫外辐射和自由电子来处理
PCW,特别是当控制PCW暴露于非常接近于能源的薄膜内的那些波能中
时，将克服已有技术中强度和通路长度的缺陷，并且可以安全、有效地对
PCW进行消毒。在本发明的范围内，通过在例如REVEXTM MTU装置进 行处理，进一步将与空化作用相关的声波能与碳弧波能组合，可以增强处 理效果。
海运压载水
入侵的水生物种是对世界海洋的四大威胁之一，可以导致非常严重的 环境、经济、公共健康影响。经船舶压载水将入侵的海洋物种引入到新环 境已经被确定为对世界海洋的四大威胁之一。每年船运运送了全世界超过 80%的商品，并且在国际间转移了约30至50亿吨压载水。每年有类似体 积的压载水也在国家和地区内部转移。压载水对于现代航运的安全和有效 运转是绝对重要的，其给未装满的船舶提供了平衡和稳定性。但是，它也 可能造成严重的生态、经济和健康威胁。
国际海事组织(IMO)推荐的海上再压载，目前提供了最有效的措施 来降低有害水生生物转移的风险，但是受到重要的船舶安全限制。即使当 它能够被完全执行时，该技术对于除去来自压载水的生物也不是100%有 效的。某些方面甚至提出海上再压载本身可能促使有害物种更大范围扩 散，位于海洋中间的再压载区域下游的岛国可能会因该操作面临特别的风 险。因此，尽可能地发展可替代的、有效的压载水管理和/或处理方法来代 替海上再压载是非常重要的。
々大用水中的MTBE
MTBE, —种汽油添加剂，已经污染了很多含水层。由于其溶解度很 高，很难从水中除去。但是，当碳弧被引入到优选的REVEXTMMTU的中 心核心中时，据信空化作用的能量与来自碳弧的紫外光能和自由电子的结
19合将对除去和/或分解MTBE具有协同效应，无需将它从水中除去。不受 理论的限制，据信由空化作用以及空气与碳弧等离子体的接触会形成氧化 剂，如自由基、过氧化氢和臭氧。结果，MTBE将被氧化为二氧化碳和水。
饮用水和/或空气中的病原体，如炭疽和军团菌
空化作用、紫外光和通过本发明的装置原位产生的氧化剂的协同效应 会对病原体，如炭疽和军团菌有杀灭作用。本发明可以用在双重方法中， 通过净化空气除去病原体，然后液体再循环杀死病原体。
喷漆室VOCs
通常，下向通风瀑布式洗涤器被用来净化从漆点(paint point)散发出 的空气中的VOCs。结果，水被VOCs污染。不受理论的限制，据信应用 本发明优选的REVEX MTU将实现VOCs从水向碳弧核心的转移。核心 内的VOCs将被加热氧化。这说明本发明可以用作热氧化剂。
废碱
精炼厂和石化工厂产生的废碱溶液由于含有苯通常被认为是危险的 废弃物。据信本发明利用优选的Revex.TM. MTU装置能够净化废碱，这 是通过从碱溶液中提取苯，然后在具有碳弧等离子体的装置内分解苯而实 现的。
COD-化学需氧量
不受理论的限制，据信碳弧/喷气水力旋流器系统能够减少工业废水中 的COD。在一定程度上，COD并不完全被氧化为二氧化碳和水，据信本 发明会将COD转变为有机物，该有机物可以在生物污水处理设施中被分解。
前述优选的和备选的实施方案和变化中关于本发明的装置和方法的 说明，以及前述本发明可以被有效利用的过程的实施例，是为了说明并且 不想作为限制。本发明还容许在本发明范围内进一步改变和替代的实施方 案，如以下的权利要求书所述。
权利要求
1. 一种处理液体的方法，其包括以下步骤提供波能源；以及在波能源周围形成涡动液体薄膜，使得一种或多种波能照射液体。
2. 权利要求l所述的方法，其中所述一种或多种波能包括紫外辐射、 真空紫外辐射、红外辐射、可见光照射、声能、超声波能、电解作用或它 们的组合。
3. 权利要求1所述的方法，还包括反射一种或多种波能进一步照射液 体的步骤。
4. 权利要求l所述的方法，还包括将液体暴露于催化剂的步骤。
5. 权利要求l所述的方法，还包括过滤被照射的液体的步骤。
6. 权利要求1所述的方法，其中所述波能源是第一电极和第二电极之 间的电弧，这两个电才及隔开并;f皮此轴向排列。
7. 权利要求1所述的方法，其中所述提供波能源的步骤包括以下步骤提供彼此轴向排列并且连接到电源的第 一 电极和第二电极； 触发第一电极和第二电极之间的电弧；以及 在产生一种或多种波能的第一电极和第二电极之间形成等离子体核。
8. 权利要求7所述的方法，其中所述第一和第二电极包含石灰、导电材 料或它们的组合。
9. 权利要求1所述的方法，还包括在波能源周围提供中心气核的步骤。
10. 权利要求9所述的方法，其中所述气体包括氧、氢、惰性气体或 它们的组合。
11. 权利要求9所述的方法，其中所述气体减少波能源的氧化，改变 一种或多种波能或它们的组合的能谱。
12. —种处理液体的方法，其包括以下步骤 提供三个波能区；以及 使液体通过三个波能区。
13. —种处理液体的装置，其包括 泵蜗壳或水力旋流器头；连接到泵涡壳或水力旋流器头的喉口 ； 连接到喉口的抛物面反射器；以及照射液体的波能源，其包括沿着喉口中心轴从泵涡壳或水力旋流器头 延伸到喉口的第 一 电极，以及隔开的并与第 一 电极轴向排列的延伸到抛物 面反射器的第二电极。
14. 权利要求13所述的装置，其中所述波能源产生紫外辐射、真空紫 外辐射、红外辐射、可见光照射、声能、超声波能、电解作用或它们的组 合。
15. 权利要求13所述的装置，还包括连接到反射器的罐。
16. 权利要求15所述的装置，其中所述罐包括一个或多个过滤器。
17. 权利要求13所述的装置，其中所述喉口是直的或锥形的。
18. 权利要求13所述的装置，其中所述抛物面反射器涂覆催化剂。
19. 权利要求13所述的装置，其中设置的第一和第二电极用于产生提 供三个波能区的等离子体核。
20. 权利要求13所述的装置，其中所述第一和第二电极包含碳、导电 材料或它们的组合。
21. 权利要求13所述的装置，还包括连接到第一电极和第二电极的电源。
22. 权利要求13所述的装置，还包括触发第一电极和第二电极之间的 电 瓜的4几构。
23. 权利要求22所述的装置，其中所述机构包括移动第一电极使其与 第二电极接触的驱动器，或者用于接触第二电极的推杆。
24. 权利要求13所述的装置，还包括在波能源周围形成中心,气核的气 体源。
25. 权利要求24所述的装置，其中所述气体包括氧、氩、惰性气体或 者它们的组合。
26. 权利要求24所述的装置，其中所述气体减少波能源的氧化，改变 一种或多种波能或它们的组合的能谱。
27. —种包括权利要求24所述的装置的改进型工具。
28. —种处理液体的系统，其包括 储罐；储罐顶部设置的两个或多个电弧涡动装置，其中每个电弧涡动装置包括泵涡壳或水力旋流器头，连接到泵涡壳或水力旋流器头的喉口，连接到喉口的抛物面反射器，以及照射液体的波能源；以及其中每个波能装置包括沿着喉口的中心轴从泵涡壳或水力旋流器头 延伸至喉口的第一电极，以及隔开的并与第一电极轴向排列的延伸到抛物 面反射器的第二电极。
29. 权利要求28所述的系统 外辐射、红外辐射、可见光照射、 合。
30. 权利要求28所述的系统器。
31. 权利要求28所述的系统
32. 权利要求28所述的系统
33. 权利要求28所述的系统 供三个波能区的等离子体核。
34. 权利要求28所述的系统 材料或它们的组合。
35. 权利要求28所述的系统源。
36. 权利要求28所述的系统 间的电 瓜的才几构。
37. 权利要求36所述的系统 第二电极接触的驱动器，或者用于接触第二电极的推杆。
38. 权利要求28所述的系统，还包括在波能源周围形成中心气核的气 体源。
39. 权利要求39所述的系统，其中所述气体包括氧、氢、惰性气体或 者它们的组合。
40. 权利要求39所述的系统，其中所述气体减少波能源的氧化，改变 一种或多种波能或它们的组合的能谱。,其中所述波能源产生紫外辐射、真空紫 声能、超声波能、电解作用或它们的组，所述储罐的底部还设置一个或多个过滤,其中所述喉口是直的或锥形的。,其中所述抛物面反射器涂覆催化剂。,其中设置的第一和第二电极用于产生提,其中所述第一和第二电极包含碳、导电，还包括连接到第一电极和第二电极的电，还包括用于触发第一电极和第二电极之,其中所述机构包括移动第一电极使其与
全文摘要
本发明提供一种处理液体的系统、方法和装置，其通过提供波能源和在波能源周围形成涡动液体薄膜，使得一种或多种波能照射液体。同样地，本发明提供一种通过提供三个波能区，并且使液体通过三个波能区来处理液体的方法。
文档编号C02F1/32GK101460405SQ200780020853
公开日2009年6月17日 申请日期2007年4月5日 优先权日2006年4月5日
发明者T·弗雷特 申请人:弗雷特等离子实验室公司