水净化系统的制作方法

水净化系统的制作方法
【专利摘要】水净化系统通过在从水中产生臭氧并使臭氧直接进入水中之前过滤水来对进入水进行消毒。水在通过暴露于臭氧而被消毒之后，在将经消毒的水提供给最终使用者之前去除过量的臭氧。一些实施例将进入水划分为分开的水流，并仅将其中一个水流提供到臭氧化电极。一些实施例包括用于控制系统的反馈网络，以产生净化水和/或保持之前净化的水的纯度。
【专利说明】水净化系统
[0001] 优先权
[0002] 本发明要求2012年1月17日提交的名称为"水净化系统"、发明人为Jeffrey D.Booth、Hossein Zarrin 和 Carl David Lutz 的美国临时申请序列号 61/587, 635 的优先 权。以上申请的全部内容通过引用合并于此。

【技术领域】
[0003] 本发明涉及水净化系统，更具体地，涉及基于臭氧的水净化系统。

【背景技术】
[0004] 在现有技术中，已知利用各种方法来净化水，包括将水暴露于紫外线辐射或将含 臭氧的气体注入水中。
[0005] 提供水净化的一种领先技术是使用紫外灯辐射可能被污染的水，以便清除其中的 细菌。这些系统是耗能装置，因为它们需要高瓦数的紫外灯。此外，它们需要紫外线与细菌 直接接触。提供不具有会阻挡与所存在的所有水的直接接触的一些间隙的紫外辐射水流系 统几乎是不可能的。这会留下可继续生长的小细菌菌落。
[0006] 利用臭氧净化水的系统倾向于大型、昂贵和复杂。例如，通过电晕放电产生含臭氧 气体会产生比臭氧多很多的废气，并且还会将源气体中存在的所有杂质都携带到水中。这 类杂质和废气必须被处理，通常花费相当高的成本。


【发明内容】

[0007] 利用臭氧净化水的系统的第一实施例包括：用于接收未净化的水的水入口；与水 入口流体连通的预过滤器；可变输出臭氧化槽，其包括控制输入端和掺杂金刚石电极，并且 被配置为从水中产生臭氧，臭氧化槽与预过滤器流体连通；水储存器，其被配置为存储臭氧 水，水储存器与臭氧化槽流体连通；臭氧去除腔，其被配置为从水储存器接收臭氧水，并且 被配置为从水中去除臭氧；系统出口，其与臭氧去除腔流体连通，并且被配置为输出净化 水，水入口、预过滤器、臭氧化槽、水储存器、臭氧去除腔和系统出口限定通过系统的流体路 径；以及反馈电路。反馈电路包括：臭氧传感器，其联接到臭氧化槽下游的流体路径，臭氧 传感器被联接以检测臭氧水中的臭氧水平；以及控制器，其被配置为从臭氧传感器接收臭 氧数据，并且被配置为控制臭氧化槽的臭氧产生。
[0008] 水储存器可还包括：储存器臭氧化槽,其与臭氧水流体接触并与控制器电通信； 以及储存器臭氧传感器，其被配置为检测储存器内臭氧水中的臭氧水平，储存器臭氧传感 器与控制器电通信。控制器被配置为，当储存器臭氧传感器检测到臭氧水内的臭氧水平低 于预定阈值时，使储存器臭氧化槽从储存器内的水中产生臭氧。
[0009] 替代性地，系统可包括被配置为使水从水储存器返回臭氧化槽的再循环管道，并 且控制器被配置为经由再循环管道将水从水储存器再循环到臭氧化槽，并且当储存器臭 氧传感器检测到臭氧水内的臭氧水平低于预定阈值时，使臭氧化槽再次臭氧化被再循环的 水。
[0010] 在一些实施例中，系统可包括：水流传感器，其联接到流体路径并被配置为确定水 是否和/或有多少水沿流体路径的至少一部分流动；以及储存器臭氧化槽，其与储存器内 的臭氧水流体接触。在这类实施例中，控制器被配置为评估来自水流传感器的数据，并且当 预定间隔内没有水流过水流传感器时，使储存器臭氧化槽从水中产生臭氧。替代性地或额 外地，系统可包括再循环管道，其被配置为使水从水储存器返回臭氧化槽，并且控制器可被 配置为评估来自水流传感器的数据，并且经由再循环管道将水从水储存器再循环到臭氧化 槽，并且当预定间隔内没有水流过水流传感器时，使臭氧化槽再次臭氧化所述水。
[0011] 在各个实施例中，过滤器可以是炭过滤器和层叠式物理过滤器中的一个或多个。 此外，系统可包括位于预过滤器和臭氧化槽之间的流体路径中的反渗透过滤器。此外，在一 些实施例中，可变输出臭氧化槽还包括使阳极与阴极流体隔离的膜（诸如PEM膜），并且反 渗透过滤器具有第一输出端和与第一输出端流体隔离的第二输出端。反渗透过滤器的第一 输出端向可变输出臭氧化槽的阳极侧提供R.O.过滤水，并且反渗透过滤器的第二输出端 向可变输出臭氧化槽的阴极侧提供废水，从而使得在可变输出臭氧化槽内废水保持与臭氧 水分离。
[0012] 在各个实施例中，臭氧去除腔可包括紫外线源和/或炭后过滤器。在其它实施例 中，臭氧去除腔包括减压喷嘴，其被配置为减小流动的水中的压力，从而使臭氧从水中离 开，而在其它实施例中，臭氧去除腔可包括被配置为从水中去除臭氧的泵。此外，臭氧去除 腔包括无毒臭氧抑制化学制剂注入元件，其被配置为将无毒的臭氧抑制化学制剂（诸如硫 代硫酸钠）提供到水中。
[0013] 操作水净化系统的方法包括：使水穿过至少一个预过滤器；使水穿过预过滤器下 游的臭氧发生器；将水保留在臭氧发生器下游的储存器中；确定是否需要再次臭氧化储存 器中的水；以及再次臭氧化储存器中的水。
[0014] 监测储存器中的水的臭氧水平的步骤可包括经由臭氧传感器感测臭氧水平。
[0015] 监测储存器中的水的臭氧水平可包括监测通过水净化系统的水流量并确定水流 量是否在预定阈值以下。确定水流量是否在预定阈值以下包括确定在预定的时间段内水流 量是否已经在预定阈值以下。
[0016] 在一些实施例中，再次臭氧化储存器中的水的步骤可包括使储存器中的至少部分 水再循环通过臭氧发生器。替代性地或额外地，再次臭氧化储存器中的水的步骤可包括经 由储存器内的储存器臭氧发生器向储存器中的水提供臭氧。
[0017] 利用臭氧净化水的系统包括：用于接收未净化的水的水入口装置；与水入口装置 流体连通的预过滤器装置；可变输出臭氧化装置，其包括控制输入端和掺杂金刚石电极，并 且被配置为从水中产生臭氧，臭氧化装置与预过滤器流体连通；水储存器装置，其被配置为 存储臭氧水，水储存器与臭氧化槽流体连通；臭氧去除装置，其被配置为从水储存器接收臭 氧水，并且被配置为从水中去除臭氧；系统出口装置，其与臭氧去除腔流体连通，并且被配 置为输出净化水，水入口装置、预过滤器、臭氧化装置、水储存器装置、臭氧去除装置和系统 出口装置限定通过系统的流体路径；以及反馈装置包括。反馈装置可包括：臭氧传感器，其 联接到臭氧化装置下游的流体路径，臭氧传感器被联接以检测臭氧水中的臭氧水平；以及 控制器装置，其被配置为从臭氧传感器接收臭氧数据，并且被配置为控制臭氧化槽的臭氧 产生。

【专利附图】

【附图说明】
[0018] 通过参照结合附图进行的以下详细描述，将更容易理解实施例的以上特征，在附 图中：
[0019] 图1A示意性地图示利用臭氧净化水的系统的实施例；
[0020] 图1B示意性地图示利用臭氧净化水的系统的另一实施例；
[0021] 图1C示意性地图示利用臭氧净化水的系统的另一实施例；
[0022] 图1D和1E示意性地图示用于操作反馈系统的方法；
[0023] 图2A示意性地图示利用臭氧净化水的系统的另一实施例；
[0024] 图2B示意性地图示利用臭氧净化水的系统的另一实施例；
[0025] 图3示意性地图示利用臭氧净化水的系统的另一实施例；
[0026] 图4示意性地图示利用臭氧净化水的系统的另一实施例。

【具体实施方式】
[0027] 各种实施例提供净化水的系统，但其与现有的基于臭氧的水净化系统相比小型且 成本低廉。与现有的基于臭氧的水净化系统相比，这类实施例的操作成本也更加低廉。一 些实施例还相当紧凑，并可占用例如小于2500立方英寸的体积（例如，小于约41公升或 0. 040968m3)。这些品质允许水净化系统在更大和/或更昂贵的系统经济上或物理上不可 用的地方或应用中提供干净的水。
[0028] 除了从被污染的水中清除细菌之外，各种实施例还可包括从水中去除微粒物质和 减少不期望的水的味道、气味和变色。
[0029] 净化的水可满足各种人类需求，诸如，人类消耗（例如，饮用和烹饪）以及用于清 洁餐具或衣物，仅举几例。这样，尽管下文在提供饮用水方面描述所示实施例，但本文描述 的构思和发明的应用不受限制。
[0030] -般而言，各种实施例可由模块化的构思实现，其允许系统的各个级由从一个或 多个元件中选择的元件来实现。这能够简化配置，以便优化用于专门的最终需求的系统。最 终需求例如可以是但不限于最小的水流量、从净化过程产生的过量的废水和/或净化的水 的最小化、可携带性、效率、系统成本、操作成本等。
[0031] 图1A示意性地图示了利用臭氧从源100净化水的系统150。系统150的元件包括 预过滤器200、臭氧源或臭氧发生器400、水/臭氧储存器500以及臭氧去除元件600。系统 150处理来自被污染水源100的被污染的水并在其出口 152处产生净化的饮用水700。
[0032] 更具体地，未经净化的水通过入口 151进入系统150,入口 151可以是开始将水传 输通过系统150的可控阀门或其它水联接装置。一般而言，水净化系统的元件，诸如这里描 述的那些，是流体连通的，从而限定水流过系统入口（例如，入口 151)和系统出口（例如， 出口 152)之间的元件的水流路径。在各个图中，由小箭头199指示水沿流动路径流过的方 向。一些实施例图示了多个流动路径（例如，两个流动路径），它们可以是平行的流动路径 (即，在正常操作下，水流过两个路径），或者它们可以是替代性的流动路径。一般而言，元 件可被描述为在之前元件的"下游"，那么该元件接收已经穿过之前元件的水。
[0033] 预过滤器
[0034] 在操作时，来自源100的进入水首先穿过预过滤器200。预过滤器200消除各种 污染物，并且可以是炭过滤器，或者可以是去除各种微粒物质的多层式物理过滤器。替代性 地，预过滤器200可以是微粒净化的反渗透装置（典型的反渗透过滤去除至少85%的大多 数任何物质，诸如，微粒、溶解的矿物质/分子等；以及分子量大于100的任何物质）。一般 来说，可使用任何有效的模块化预过滤器，只要它满足系统的具体要求。
[0035] 臭氧发生器
[0036] 在离开过滤器之后，水穿过臭氧发生器400,臭氧发生器400是在被称作"臭氧化" 的过程中在水中产生臭氧的装置。在一些实施例中，臭氧发生器400可被配置为可控制地 改变其臭氧产量。换言之，臭氧发生器可以是可变输出的臭氧槽。为此，在各个实施例中，臭 氧发生器400可包括与控制器162通信的控制输入装置445。例如，臭氧发生器可包括臭氧 发生器电源电路444,以向电解槽供电。例如，臭氧发生器电源电路可向电解槽提供受控的 电流。在替代实施例中，臭氧发生器电源电路可向电解槽提供受控的电压。无论哪种情况， 都可控制臭氧发生器的电源电路，并且因此可以通过控制器（诸如以下描述的控制器162) 控制对臭氧发生器的供电。为此，臭氧发生器可电联接到控制器162,如图1A示意性地示出 的。
[0037] 在系统150中，通过从水中产生臭氧并使其直接返回水中来执行臭氧化（即，在正 在进行净化的水内提供臭氧）。更具体地，可从水自身中电解产生臭氧。与经电晕放电产生 的臭氧不同，以此方式产生的臭氧不会产生废气或过量的臭氧（例如，未溶解在水中的臭 氧），并且不会携带存在于经由电晕放电由环境空气产生的臭氧中的污染物。
[0038] 用于电解产生臭氧的模块小巧，并且可通过蓄电池（诸如，9伏蓄电池）或小型太 阳能电池来供电，并且易于模块化，以便满足系统流速需要。例如，这种模块可使用掺杂的 金刚石阳极（例如，硼掺杂金刚石）。
[0039] 例如，臭氧可由浸没在水流中的一个或多个金刚石电极来产生。当电流在阴极电 极和阳极电极之间流过时，在金刚石电极的表面上直接产生臭氧。臭氧立即进入水流中。通 过改变电流水平、增加电极的面积或通过层叠多电极系统（即，配置串联的多个电解槽，从 而使得水连续地穿过多个槽），可改变水流中的所得臭氧浓度。
[0040] 一些实施例可包括一个或多个溶解臭氧传感器161、161R，如本领域已知的，其检 测水中臭氧的存在和/或监测其含量。这种传感器161或161R可用作安全装置，用以确保 水中实际存在臭氧或者水中乃至下文更详细地描述的反馈系统内的臭氧处于期望水平。一 般而言，一个或多个臭氧传感器可位于流动路径上，在臭氧发生器400和储存器500中或之 间。
[0041] 在各个实施例中，可通过臭氧传感器161直接地或间接地监测处于溶解状态或气 体状态的臭氧。
[0042] 在溶解状态，基于电化学或光的方法可优选用于臭氧。例如，可优选例如紫外 (254nm)或可见光（580nm)的基于光的检测，因为臭氧吸收在这些和其它波长内的能量。另 一种已知类型的基于氧化还原电势（0RP)的价格低廉的传感器未必是臭氧的选择（例如， 它与其它氧化物反应，诸如氯、过氧化氢等），但是无论怎样，相比较低的0RP，具有高0RP值 的水本质上将更好地杀死病原体。采用这些方法的各种已知和可用的传感器可被配置为显 示在例如已有的参照上的净增长，并因此提供本文描述的必要的传感器功能。
[0043] 可通过若干已知的电化学装置测量气体状态的臭氧，并且根据亨利定律通过除气 推测溶解水平。各种已知和可用的传感器基于这些原理操作，并因此可提供本文描述的必 要的传感器功能。
[0044] 储存器
[0045] 然后，臭氧水接触储存器500,在该处臭氧继续净化水。
[0046] 当臭氧与水中的污染物相互作用时进行水的净化。为了实现可接受程度的净化， 一些过程确保水和臭氧之间的接触，其可被表达为开始接触时存在的臭氧量和接触持续时 间的函数。这种表达被称作"接触时间"或" Ct "。
[0047] 例如，一些过程可能需要至少0. 9ppm*分钟的Ct (即暴露），其中"ppm"是"百万 分之一"。这样，臭氧水将需要1分钟的接触时间，利用在该分钟内至少0. 9ppm的臭氧浓度 实现0. 9ppm*分钟的暴露。这种臭氧浓度可通过以下方式获得，S卩，在暴露开始时提供更高 浓度的臭氧，从而使得浓度在整个暴露时间内保持在目标水平以上，或在暴露开始时建立 这种臭氧浓度并经由臭氧发生器（在暴露期间水暴露于臭氧发生器）保持水中臭氧至少处 于该浓度。
[0048] 作为另一个例子，一些过程可能需要0· 48ppm*分钟的暴露。在这种实施例中，一 旦以0. 48ppm的比率在水中产生臭氧，至少该浓度的臭氧就应该与水保持接触至少一分 钟。臭氧结合和接触时间的结合是线性成比例的。例如，为了获得〇. 48ppm*分钟的接触，系 统可在两分钟的接触时间内提供〇· 24ppm的臭氧（即，Ct = 0· 24ppm*2分钟=0· 48ppm*分 钟）。类似地，系统可在半分钟的接触时间内提供〇· 96ppm的臭氧（即，Ct = 0· 96ppm*0. 5 分钟=0· 48ppm*分钟）。
[0049] 接触时间发生在容纳空间或储存器500中。储存器500可具有各种形状，诸如圆 柱形、蛇形管或任何其它体积容器。
[0050] 系统150中的储存器500是体积为20公升的腔。但是，该体积仅是说明性的，并 且其它实施例可具有体积大于20公升或小于20公升的储存器。在任何情况下，当臭氧对 水进行消毒时，储存器容纳臭氧水，并且方便地存储立即或稍后使用的净化水。
[0051] 一些实施例可搅动系统内的水，例如利用储存器500,或例如在将臭氧发生器400 连接到储存器500的管道152C中。例如，一些实施例包括诸如推进器153或泵等特征，以 促进储存器500中的混合，并由此增加得到的接触时间的效力和效率。在系统150中进行 搅动通常是合适的并且增加细菌处理过程的有效性。
[0052] -些实施例包括在储存器500内的第二臭氧槽（或"储存器槽"）177。经由臭氧 槽400被引入储存器500中的水已经含有足以对水进行消毒的臭氧，但是如果水在储存器 中保留延长的时间，则需要更新臭氧供应。为此，第二臭氧槽177可位于储液器500内，并 且可由控制器（例如，162)或仅由计时器控制。
[0053] 再循环
[0054] 当臭氧随时间自然耗散时，会出现没有新的水进入罐但需要臭氧化的情况。图1A 所示的一种方法涉及经由再循环管道550凭借泵155并通过止回阀156将水从储存器500 再循环到臭氧发生器400。例如，控制器162可经由控制线路155C控制泵155。止回阀可 被设置为阻止回流。即使在延长的时间段内有限的或没有新的水流进入存储罐500的情况 下，通过泵155再循环的水也循环通过臭氧槽400,以便产生额外的臭氧或将水"再次臭氧 化"。
[0055] 臭氧去除
[0056] 如果任何臭氧保留在水中，在对水进行处理之后，需要或期望去除一些剩余的臭 氧，例如，以使所得到的净化水达到可接受的可饮用水平。存在可采用的用于处理此成分的 若干现有技术。
[0057] 例如，一些实施例通过使水通过臭氧去除元件600,诸如炭后过滤器，来去除过量 的臭氧。臭氧去除元件600的其它实施例通过将水暴露于紫外线辐射来去除过量的臭氧， 并且其它实施例将水暴露于无毒的臭氧抑制化学制品（诸如，例如硫代硫酸钠）注入成分 来去除过量的臭氧。臭氧去除元件600的一些实施例包括降低水压的喷嘴，并通过使水穿 过喷嘴（这致使从水中释放臭氧）来去除过量的臭氧，和/或产生湍流来破坏溶解的臭氧。 实际上，一些实施例可使用并列的若干这类喷嘴来增加流速。在其它实施例中，臭氧水可穿 过泵，并且泵送作用用于从水中去除过量的臭氧或，或者臭氧水穿过或暴露于另一装置或 搅拌元件667,以产生湍流，从而破坏溶解的臭氧。
[0058] 替代性地，在一些实施例中，过量的臭氧通过穿过"催化臭氧毁坏"元件（诸如，例 如图1B中的元件163)被去除。臭氧在水中的半衰期为约20分钟。为了加速臭氧分子的 分解，臭氧水可暴露于催化剂，诸如活性炭。这种催化剂可与其它过滤元件一起或替代其它 过滤元件被包括在过滤器（例如，过滤器267或173)。
[0059] 替代性地或额外地，可通过氢气和氧气的可管理的燃烧破坏臭氧。由于电解臭氧 产生过程可产生少量氢气和氧气，因此这些气体可被管理、收集和释放，从而在容器内或外 燃烧。此燃烧也去除臭氧气体。可以用安全的方式管理这种燃烧（也可被称作爆炸），以便 减少陷于气体和水中的臭氧。
[0060] 最后，具有安全和可接受水平的臭氧的净化水可经由出口 152离开系统150。出口 152可以是手控或电子控制的阀门、旋塞或其它联接构件，仅举几例。
[0061] 反馈
[0062] 在一些实施例中，一个或多个溶解臭氧传感器161可一体形成到控制系统的各个 元件的反馈电路800中。例如，控制器162可从一个或多个流量传感器403接收水流数据， 并且可从一个或多个臭氧传感器161接收臭氧水平数据。一般而言，在本文描述的任何实 施例中，一个或多个流量传感器403可被配置和放置为感测和/或测量流出、流入系统的元 件或在系统的元件之间流动的水流，系统元件包括但不限于输入端151、过滤器200、反渗 透过滤器300、臭氧发生器400、储存器500、臭氧去除元件600和/或输出端152。
[0063] 运行软件的控制器可处理这种数据以评估系统内水的状态（例如，水是否流动、 水的流速、水中的臭氧水平），以评估系统150的操作或状态。这种反馈回路可控制水流（例 如通过控制阀151)和/或臭氧发生器300产生的臭氧，以调节臭氧水的产生。例如，如图 1A示意性地示出的，控制器162电联接到各个流量传感器403、臭氧传感器161、臭氧发生器 400和阀151、152,从而从传感器接收数据并向臭氧发生器300和阀151、152提供控制输入 信息。
[0064] 替代性地或额外地，在各个实施例中，反馈电路800可控制系统（例如150)，以便 保持之前臭氧化的水的纯度。例如，反馈电路800可运行一算法，诸如图1D中的流程图所 示的算法。在步骤131，传感器161检测水中的臭氧水平。在步骤132,将该臭氧水平与期望 的阈值（例如，使用者指示或设定的水平）相比较。如果水平等于或高于阈值，则算法返回 步骤131以再次测量臭氧。否则，反馈电路800命令臭氧发生器400增加臭氧产量，并且返 回步骤131以再次测量臭氧水平。在各个实施例中，控制电路800可控制臭氧发生器400， 以产生臭氧，直到测量的臭氧水平达到阈值，或者可以控制臭氧发生器400,以在固定的预 定量时间内产生臭氧。
[0065] 相反，如果检测到的臭氧水平高于期望值，则反馈电路800可命令臭氧发生器400 减少臭氧产量。
[0066] 在一些实施例中，例如，可通过驱动电解臭氧槽的电压或电流控制臭氧的产生，并 且可通过包括控制器162的反馈回路电路控制这种电压或电流。在一些实施例中，控制电 路162可以是专用集成电路（ASIC)，而在其它实施例中，控制电路162可以是例如程序化的 微处理器或微控制器。在一些实施例中，控制器162可以是例如可从Microchip Technology Inc.购买的PIC16F1829,但也可使用其它微控制器或电路。在本实施例中，控制器162具 有可编程的CPU，并且除其它元件之外还包括数字存储器、比较器、模拟数字（A/D)转换器、 通信接口（诸如，I2C总线接口或RS232接口）以及各种输入和输出终端。
[0067] 这种可编程控制器的程序代码可位于非临时性介质中，诸如储存器，或在其它介 质上，包括静态RAM或CD-ROM,仅举几例。
[0068] 一些实施例包括一个或多个流速传感器（或"流量传感器")403。流量传感器403 可用于例如确定从水流过系统开始已经过去了多长时间，并由此确定从已经产生新的臭氧 水开始已经过去了多长时间。例如，如图1E的流程图所示，在步骤141系统可感测水流（如 果存在）。如果水正在流动，则所述方法可以开始或继续，以从上一次测量的水流开始追踪 时间。在步骤142,可将经过的时间与预定的阈值相比较，并且如果经过的时间超过阈值，则 反馈系统800可以使系统产生新的臭氧水，或从储存器500再循环之前的臭氧水，从而更新 净化水700 (步骤143)。
[0069] 水净化系统160的替代性实施例在图1B中被示意性地图示，并且包括以上联系图 1A描述的许多元件。在系统160中，臭氧发生器是紧凑的臭氧槽，例如在2011年12月2日 提交的美国专利申请13/310, 406 (执业人文件3503/109 ;公开为US2012/0138478A1)中描 述的那种类型的臭氧槽，该美国专利申请的全部内容通过引用合并于此。在本实施例中，臭 氧槽400通过利用金刚石电极进行电解来产生臭氧。
[0070] 系统160还包括溶解臭氧传感器161，其检测和监测离开臭氧槽的水的臭氧含量。
[0071] 在使用之前，来自储存器500的净化水穿过臭氧去除级600。在系统160中，过量 的臭氧通过穿过臭氧去除器600,诸如"催化臭氧毁坏"元件163,而被去除。然后，净化水 700被捕获（例如，供稍后使用）在存储空间165中。
[0072] 水净化系统170的另一实施例在图1C中被示意性地示出，并且包括在输入端处的 多级预过滤器171。在本实施例中，过量的臭氧通过穿过"炭过滤器"173而被去除。在穿 过过滤器173之后，净化水700被保存在存储空间175 (例如，储存器500)中。
[0073] 在本实施例170中，储存器可被描述为"溢出"储存器，具有两个腔500A和500B。 臭氧水进入腔500,与腔500A接触，在该处，水暴露于（例如，Ct)臭氧。然后，在进入臭氧 去除元件600 (例如，炭过滤器173)之前，净化水从壁500C溢出到臭氧分离腔500B中。
[0074] 系统170还包括联接到存储空间175的可选的紫外线源176。紫外线源176用于 在存储期间保持水700的纯度。实施例还包括在储存器500内的第二臭氧槽（或"储存器 臭氧槽"）177。
[0075] 在进入水被臭氧发生器臭氧化之前，一些实施例将进入水划分到两个单独的路径 或流径中，臭氧发生器包括被膜分开的电极（即，阳极和阴极），诸如图2A中的系统250。这 类实施例解决了特别恼人的问题，即，钙和镁的阳离子可前进穿过膜并结合在具有碳酸阴 离子的阴极侧上，从而产生不可溶的水垢沉淀产物，诸如碳酸钙或碳酸镁。注意事项是，由 于槽操作的性质，阳极区域中的水变得局部呈酸性（低pH)并且在阴极区域中的水变得局 部呈碱性（高pH)。这加剧了碳酸钙和碳酸镁的水垢现象，因为它们在pH值升高时显示降 低的溶解度。然后，这些衬垫可覆盖阴极并进一步阻碍电化学作用，由此使得整个槽不能操 作。
[0076] 解决此问题的一个方法时通过某种过滤从水中去除钙和镁。具体地，很有利的是 将"被处理"的水指定或引导到臭氧槽的特定侧，该特定侧是阳极侧还是阴极侧取决于处理 技术的细节。
[0077] 这种实施例是有利的，因为仅一个电极（例如阳极）需要是硼掺杂的金刚石，而在 阴极处逐渐产生的氢气可发生在任何数量的不昂贵的电极（阴极）材料上，诸如钛、不锈钢 等。但是，被划分的流径可以对着阳极、阴极或两者，如以下例子所示。
[0078] 例子1 :反渗透（"R0"）过滤器将从水中去除大百分比的矿物质和化学物质。实 际上，它还去除大部分钙和镁。R0系统的独特之处在于输出之一是供最终使用的高纯度流， 另一个是通常被丢弃的纯度极低的流（通常被称作盐水）。这为臭氧槽提供了难得的机会， 因为高纯度水可单独地被推送通过专用的阳极腔并臭氧化，同时盐水可用于在阴极处产生 氢气并将其携带到排水装置。这具有低成本的优点，并且使得槽在传送臭氧方面更加高效， 因为不存在臭氧和氢气的再结合（例如，当允许流过阳极的臭氧水与流过阴极的水再结合 时可能发生的）。
[0079] 例子2 :阳离子交换系统具有有限的树脂珠寿命（它们在需要被更换或丢弃之前 仅能处理这么多水）。在一些实施例中，仅去往电解臭氧槽的阳极侧的水穿过阳离子交换 床，由此通过不处理阴极电解液的水而相对于所有水都穿过床的系统延长了床的寿命。在 各个实施例中，相同的方法可用于从水中去除钙和镁的任何技术，即，如果仅处理阳极电解 液，则处理系统可以更加小型化、更便宜等。换言之，显著减少对阴极电解液侧的过滤将是 有益的，并且在一些情形中，完全不过滤是可行的。与上述反渗透（"R0"）过滤器（例子 1)不同，在一些实施例中，阳极电解液和阴极电解液可在臭氧槽之后再结合。
[0080] 作为另一个例子（例子3)，一些实施例向进入水中添加水垢抑制化学制剂，诸如 多磷酸盐。但是添加这种化学制剂成本高并且增加化学制剂。但是，如果阳极电解液和阴 极电解液流被分开，则需要的处理化学制剂的量可减少。替代性地或额外地，一些实施例向 阴极电解液侧提供比阳极电解液侧浓度更高的多磷酸盐，因为多磷酸盐的工作方式是抑制 水垢生长，这发生在阴极处。
[0081] 在各个实施例中，系统设计者使"被处理"水的专用侧通过电化学槽的专用侧，并 对除电极处的纯水之外的物质的电化学反应所产生的副产物加强控制。
[0082] 基于臭氧的水净化系统250的一个实施例在图2A中被示意性地示出，并且包括被 污染的水源100、预过滤器200、臭氧源400、水/臭氧储存器500和臭氧去除元件600。系 统处理被污染的水并在其输出端700处产生净化的水。
[0083] 系统250还包括反渗透过滤300,其在臭氧化之前过滤一些或全部被污染的水。在 本实施例中，反渗透过滤器具有两个输出端，一个输出端301将经反渗透过滤的水（即，已 经被反渗透过滤器过滤的水，其可被称作"R.O.过滤水"）提供到臭氧源400的阳极侧401， 而另一个输出端302将废水（来自反渗透过滤器的其余水）提供到臭氧源400的阴极侧 402。换言之，在一些实施例中，可变输出臭氧化槽包括流体地分离或隔离阳极和阴极的膜， 并且反渗透过滤器具有第一输出端301和第二输出端302,第一输出端301将R. 0.过滤水 提供到可变输出臭氧化槽的阳极侧，其在该处被电解成为臭氧水，并且第二输出端302将 非R.O.过滤水（或废水）提供到可变输出臭氧化槽的阴极侧，从而使得阳极和阴极流体隔 离（即，在可变输出臭氧化槽中非R.O.过滤水保持与R.O.过滤水分离）。以此方式，系统 避免向金刚石阳极提供水中的污染物（例如钙、镁），污染物可能穿过膜并在阴极处产生或 促进产生水垢，并且废水从臭氧化槽的阴极侧带走不期望的氢气。
[0084] 图2B示意性地示出了替代性实施例260。本实施例包括线圈管261而非罐储存器 500。线圈261可在水穿过时搅动水，由此有助于通过将臭氧混合在水中来去污。其它实施 例可包括具有进一步搅动水的搅动装置的储存器500或线圈261。这种线圈管261的使用 不限于诸如系统260的双路径实施例，并且实际上可用于本文描述的任何实施例。
[0085] 系统260示意性地图示了用于从水中去除过滤的臭氧的替代性方法。在一个替代 方案中，水在臭氧去除腔265中经过并暴露于紫外线辐射。在另一替代方案中，无毒的臭氧 抑制化学制剂266,诸如硫代硫酸钠，通过注射装置266A被添加到水中，并且水穿过炭过滤 器 267。
[0086] 水净化系统350的另一实施例在图3中被示意性地图示，并且包括上述许多元件。 除预过滤器200之外，系统350还包括可选的反渗透过滤器351。具体地，反渗透过滤器351 是预过滤器200串联，也就是说，水穿过预过滤器200,然后穿过反渗透过滤器351。反渗透 过滤器351产生两个水流输出，其中一个进入臭氧发生器400,另一个是废水。废水带走反 渗透过滤器过滤出的材料，并且经由废水排放管道352被排出。
[0087] 图4示意性地图示了水净化系统450的另一个实施例。在本实施例中，示出水流 从左到右流动。附图标记401表示被污染水的入口。被污染的水流到预过滤器402,预过滤 器402可以是包括若干过滤级的多级（即，"层叠"的）装置，如上所述。预过滤器402包括 大微粒、中等微粒和精细微粒的去除。预过滤器402还可包括水预过滤器典型的其它预处 理元件。如图4中的各个流径（由箭头199表示）所示意性地示出的，划分流的构思可开 始于此点或稍后在电路中开始。
[0088] 可选地，流量计403可位于流径中的任何位置，以向控制器或包括控制器（例如 162)的智能控制板535提供水流速信息和积累的水流信息。智能控制板535可处理流信 息，以确定臭氧槽的要求的臭氧输出，并且可以在控制系统时考虑积累的流。
[0089] 可选地，反渗透（"R. 0. "）过滤器404可存在于水处理电路中。在一些实施例中， R.O.过滤器404还用于将水流划分为两个（即，"双"）路径，从而使得一个路径可以将已经 穿过反渗透膜的水引导到臭氧发生器的阳极侧，并且使得另一个路径将其余水（即，已经 穿过同一反渗透膜的水）引导到臭氧发生器的阴极侧。臭氧发生器中的膜可防止两个水流 在臭氧发生器内再结合。
[0090] 在R. 0.过滤器404之前或之后，预臭氧发生器405可位于电路中。此预臭氧发生 器405可由先进的电子氧化技术构成，诸如，以氧化容纳在进入水流中的离子的方式操作 的无膜硼掺杂金刚石电极。流可以被划分，从而交替对去往臭氧槽的阳极电解液腔与阴极 电解液腔的水进行预处理。止回阀407可用于控制流。
[0091] 接触时间的构思在以上的臭氧化工作中是众所周知的，并且在杀死病菌和细菌方 面有效（杀死有机体所需的暴露时间VS浓度）。在水进入存储罐500之前，臭氧槽臭氧化 水。臭氧传感器507,诸如0RP(臭氧还原电势传感器）或其它装置或方法，被放置用于感 测罐500内的臭氧浓度。可例如通过反馈电路800调节臭氧发生器406的功率（电压或电 流）驱动水平，这在使流速达到期望的可控的臭氧浓度时需要。
[0092] 当臭氧随时间自然耗散时，会出现没有新的水进入罐但需要臭氧化的情况。图3 所示的一种方法涉及凭借泵505并通过止回阀506循环水。止回阀根据需要被设置用于阻 止回流。即使在延长的时间段内有限的或没有新的水流进入存储罐500的情况下，通过泵 505经由再循环管道550再循环的水也会返回和穿过臭氧槽406,以便在水中产生额外的臭 氧。在再循环流和正常进入流的两种情形中，都在储存器500的左侧产生臭氧，从而获得合 适的接触时间。当臭氧水流过罐500中的挡板508时，它可以流到出口（例如152)。来自 泵505的再循环管路597流经止回阀506并返回罐（储存器）500。
[0093] 周期性地臭氧化罐中的水的替代方法是臭氧槽540,臭氧槽540在没有泵机构的 情况下周期性地操作并且被布置在罐500中。必须注意不能使槽结构过热，并且因此必须 保持电流驱动水平低或槽尺寸小，以避免过热并导致膜受损。根据需要可使用多个周期性 臭氧发生器540,以保持目标臭氧浓度。
[0094] 作为保持臭氧化的额外的或替代的途径，可将臭氧起泡器（也用附图标记540表 示）放置在罐底部。这是产生直接进入罐的臭氧的小型臭氧槽。此起泡器的能量源可以是 恒定的电流驱动电路，如在其它地方已经描述的。恒定电流电路可以由控制器162(例如， 作为智能控制板535的一部分）驱动。电路系统和/或整个系统的电源可以是交流或直流 电源157。在一些实施例中，电源可将可更换的电池或传统电池536作为备份；在任一情形 中，在断电时完成电力接应。
[0095] 一些实施例包括被配置和放置为清洁来自存储罐500的气体或空气的通风孔 520。在一些实施例中，臭氧和水分可从通风孔520排放。过滤器521是从逸出的气体中去 除臭氧的过滤器，诸如氧化锰空气过滤器。此外，一些实施例包括疏水膜522,以确保水分不 会污染过滤器521中的氧化锰。水量检测方法/装置523可用于罐500中，并且可以是例 如磁性浮动件，以便确保流体量未上升到会使水进入气体通风孔520中的位置。
[0096] 为了防止断电期间受污染，一些实施例包括可更换电池组536。可更换电池536可 通过壁装变压器537来更换，或者最后可以周期性地或根据需要更换。无论如何，周期性臭 氧发生器540是保持低容量的臭氧产生装置，被直接布置在大的罐中，而不存在力连接装 置。臭氧简单地起泡通过罐，部分地通过起泡循环。
[0097] 这里被示出在输出水管路中的附图标记600表示在液态水内破坏臭氧的装置。存 在可采用的用于此部件的若干现有技术，如上所述。
[0098] 然后,净化水700可前进并输出给（例如，经由阀152)使用者。
[0099] 本发明的各个实施例可至少部分地用任何常规的计算机编程语言实现。例如，一 些实施例可用过程性编程语言（例如，"C"）或面向对象的编程语言（例如，"C++"）实现。 本发明的其它实施例可实现为预编程硬件元件（例如，专用集成电路、FPGA和数字信号处 理器）或其它相关部件。
[0100] 在替代性实施例中，公开的设备和方法可实现为与计算机系统一起使用的计算机 程序产品。这种实现方式可包括位于有形介质上的一系列计算机指令，诸如非临时性计算 机可读介质（例如，软盘、CD-R0M、R0M或硬盘）。一系列计算机指令可具体化上文参照系统 描述的全部或部分功能。
[0101] 本领域技术人员应该明白，这类计算机指令可用许多编程语言来编写，与许多计 算机体系结构或操作系统一起使用。此外，这类指令可存储在任何存储装置中，诸如，半导 体、磁的、光的或其它存储装置，并且可以利用任何通信技术传输，诸如光学技术、红外线技 术、微波技术或其它传输技术。
[0102] 除其它方式之外，这种计算机程序产品可被分配为附有印刷的或电子的文件（例 如，压缩软件）的可移动介质，预装有计算机系统（例如，在系统ROM或硬盘上）或经由网 络（因特网或万维网）从服务器或电子公告板分配。当然，本发明的一些实施例可实现为 软件（例如，计算机程序产品）和硬件的结合。本发明的其它实施例可完全实现为硬件或 完全实现为软件。
[0103] 上述本发明的实施例仅是示例性的，对于本领域技术人员来说，许多改变和修改 将是显而易见的。例如，如上所示，一些系统是模块化的，并且可通过结合本文描述的元件 的任何变型来构造，以提供流径。所有这类改变和修改都在任何所附权利要求所限定的本 发明的范围内。
【权利要求】
1. 一种利用臭氧净化水的系统，包括： 用于接收未净化的水的水入口； 与水入口流体连通的预过滤器； 可变输出臭氧化槽，其包括控制输入端、阴极和掺杂金刚石阳极，并且被配置为从水中 产生臭氧，臭氧化槽与预过滤器流体连通； 水储存器，其被配置为存储臭氧水，水储存器与臭氧化槽流体连通； 臭氧去除腔，其被配置为从水储存器接收臭氧水，并且被配置为从水中去除臭氧； 系统出口，其与臭氧去除腔流体连通，并且被配置为输出净化水，水入口、预过滤器、臭 氧化槽、水储存器、臭氧去除腔和系统出口限定通过系统的流体路径； 反馈电路包括： 臭氧传感器，其联接到臭氧化槽下游的流体路径，臭氧传感器被联接以检测臭氧水中 的臭氧水平； 控制器，其被配置为从臭氧传感器接收臭氧数据，并且被配置为控制臭氧化槽的臭氧 产生。
2. 根据权利要求1所述的用于净化水的系统，其中，水储存器还包括： 储存器臭氧化槽，其与臭氧水流体接触并与控制器电通信；以及 储存器臭氧传感器，其被配置为检测储存器内臭氧水中的臭氧水平，储存器臭氧传感 器与控制器电通信； 其中，控制器被配置为，当储存器臭氧传感器检测到臭氧水内的臭氧水平低于预定阈 值时，使储存器臭氧化槽从储存器内的水中产生臭氧。
3. 根据权利要求1所述的用于净化水的系统，其中， 水储存器还包括被配置为检测储存器内臭氧水中的臭氧水平的储存器臭氧传感器，储 存器臭氧传感器与控制器电通信；以及 系统还包括被配置为使水从水储存器返回臭氧化槽的再循环管道； 其中，控制器被配置为经由再循环管道将水从水储存器再循环到臭氧化槽，并且当储 存器臭氧传感器检测到臭氧水内的臭氧水平低于预定阈值时，使臭氧化槽再次臭氧化所述 水。
4. 根据权利要求1所述的用于净化水的系统，还包括： 水流传感器，其联接到流体路径并被配置为确定水是否沿流体路径的至少一部分流 动；以及 储存器臭氧化槽，其与储存器内的臭氧水流体接触； 其中，控制器被配置为评估来自水流传感器的数据，并且当预定间隔内没有水流过水 流传感器时，使储存器臭氧化槽从储存器内的水中产生臭氧。
5. 根据权利要求1所述的用于净化水的系统，还包括： 水流传感器，其联接到流体路径并被配置为确定水是否沿流体路径的至少一部分流 动；以及 再循环管道，其被配置为使水从水储存器返回臭氧化槽； 其中，控制器被配置为评估来自水流传感器的数据，并且经由再循环管道将水从水储 存器再循环到臭氧化槽，并且当预定间隔内没有水流过水流传感器时，使臭氧化槽再次臭 氧化所述水。
6. 根据权利要求1所述的用于净化水的系统，其中，所述预过滤器包括炭过滤器。
7. 根据权利要求1所述的用于净化水的系统，其中，所述预过滤器包括层叠式物理过 滤器。
8. 根据权利要求1所述的用于净化水的系统，还包括位于预过滤器和臭氧化槽之间的 流体路径中的反渗透过滤器。
9. 根据权利要求8所述的用于净化水的系统，其中， 可变输出臭氧化槽还包括使阳极与阴极流体隔离的槽膜，并且 反渗透过滤器具有第一输出端和与第一输出端流体隔离的第二输出端，第一输出端向 可变输出臭氧化槽的阳极侧提供R. 〇.过滤水，并且第二输出端向可变输出臭氧化槽的阴 极侧提供废水，从而使得在可变输出臭氧化槽内废水保持与臭氧水分离。
10. 根据权利要求1所述的用于净化水的系统，其中，臭氧去除腔包括紫外线源和炭后 过滤器中的一个。
11. 根据权利要求1所述的用于净化水的系统，其中，臭氧去除腔包括减压喷嘴，其被 配置为减小流动的水中的压力，从而使臭氧从水中离开和/或产生湍流以破坏溶解的臭 氧。
12. 根据权利要求1所述的用于净化水的系统，其中，臭氧去除腔包括泵。
13. 根据权利要求1所述的用于净化水的系统，其中，臭氧去除腔包括无毒臭氧抑制化 学制剂注入元件。
14. 一种操作水净化系统的方法，包括： 使水穿过至少一个预过滤器； 使水穿过预过滤器下游的臭氧发生器； 将水保留在臭氧发生器下游的储存器中； 确定是否需要再次臭氧化储存器中的水；以及 再次臭氧化储存器中的水。
15. 根据权利要求14所述的操作水净化系统的方法，其中，监测储存器中的水的臭氧 水平包括经由臭氧传感器感测臭氧水平。
16. 根据权利要求14所述的操作水净化系统的方法，其中，监测储存器中的水的臭氧 水平包括监测通过水净化系统的水流量并确定水流量是否在预定阈值以下。
17. 根据权利要求16所述的操作水净化系统的方法，其中，确定水流量是否在预定阈 值以下包括确定在预定的时间段内水流量是否已经在预定阈值以下。
18. 根据权利要求14所述的操作水净化系统的方法，其中，再次臭氧化储存器中的水 包括使储存器中的至少部分水再循环通过臭氧发生器。
19. 根据权利要求14所述的操作水净化系统的方法，其中，再次臭氧化储存器中的水 包括经由储存器内的储存器臭氧发生器向储存器中的水提供臭氧。
20. -种利用臭氧净化水的系统，包括： 用于接收未净化的水的水入口装置； 与水入口装置流体连通的预过滤器装置； 可变输出臭氧化装置，其包括控制输入端和掺杂金刚石电极，并且被配置为从水中产 生臭氧，臭氧化装置与预过滤器流体连通； 水储存器装置，其被配置为存储臭氧水，水储存器与臭氧化槽流体连通； 臭氧去除装置，其被配置为从水储存器接收臭氧水，并且被配置为从水中去除臭氧； 系统出口装置，其与臭氧去除腔流体连通，并且被配置为输出净化水，水入口装置、预 过滤器、臭氧化装置、水储存器装置、臭氧去除装置和系统出口装置限定通过系统的流体路 径； 反馈装置包括： 臭氧传感器，其联接到臭氧化装置下游的流体路径，臭氧传感器被联接以检测臭氧水 中的臭氧水平； 控制器装置，其被配置为从臭氧传感器接收臭氧数据，并且被配置为控制臭氧化槽的 臭氧产生。
【文档编号】C02F1/78GK104159852SQ201380012107
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2013年1月17日 优先权日:2012年1月17日
【发明者】H·扎林, C·D·鲁茨, J·D·布思 申请人:电解臭氧股份有限公司