CN101023032A - 用于水垢和生物膜控制的方法和设备 - Google Patents

Abstract

用于电解控制在水净化和其它系统中形成水垢和生物膜的方法和设备。阳极30，52，66或76被沉积在或布置在诸如石英UV管22，64或72的表面34或50上或其附近，产生阻止碳酸盐水垢和生物膜的形成的低pH的环境。

Description

用于水垢和生物膜控制的方法和设备

相关申请的交叉引用

本申请要求于2004年6月10日提交的题目为“用于水垢和生物膜控制的方法和设备”、序列号为No.60/579,053的美国临时专利申请的权益，并且还要求于2005年6月9日提交的题目为“用于水垢和生物膜控制的方法和设备”的代理人案卷号为No.30750-Ulti-29的美国专利申请的优先权，其内容通过引用被结合于此。

技术领域

本申请是一种用于溶解表面上的碳酸盐水垢并防止在表面上形成生物膜的电解方法和设备。

背景技术

注意，下述论述内容参考许多公开物和参考物。其中这些公开物的论述内容用于科学原理的更加完整的背景技术，并且不应被解释为承认这些公开物是用于专利性决定目的的现有技术。

在处理设备、管路系统和其它应用中的表面上形成碳酸钙和生长生物膜是导致这些系统维护和运行失败的原因。例如，已经证明，紫外线(UV)系统对于灭除在流体处理系统，特别是水处理系统中的微生物、有机物、化学制品和其它化合物非常有效。在富含营养物的环境中，UV提供了用于在UV石英管上生长生物膜和藻类的极好的能量源。如今，许多系统都利用昂贵的刮除机构来擦拭石英管，以便从石英管表面上清除碳酸盐水垢和生物膜。Lshiyama的美国专利5,874,740说明了这种用于清洁紫外管的刮除系统。

已开发出利用尺寸固定不变的阳极的电解技术，用于从氯化钠盐水溶液中制得混合氧化剂和次氯酸钠溶液。尺寸固定不变的阳极在Beer的题目为“电极及其制作方法”的美国专利No.3,234,110中有所说明，其中在钛基底上涂敷贵金属涂层。在1990s，密歇根州立大学的Greg Swain博士的研究表明，金刚石涂层的电极会使得常规的尺寸固定不变的阳极的耐用性显著改善。Gram，等的美国专利4,761,208说明了用于对水进行杀菌的电解方法和电解池。电解过程可以用于从在溶液中含有大量的总溶解固体物的水溶液中产生这些氧化剂。

另外，Robson的美国专利5,308,507说明了混合氧化剂产生的方法设备，用于利用混合氧化剂和紫外线的组合来去除有机污染物。已知在电解池的阳极处产生的氧化剂溶液的pH值较低，典型地在2至3pH的范围内。阴极表面在表面处的pH值典型地较高，通常在12至13pH的范围内。同样也已知由于阳极表面的低pH条件而不会在阳极形成碳酸钙水垢。然而，在阴极表面会形成碳酸钙水垢，特别是如果钙作为流经电解池的离子而出现在水中。一些电解池，特别是用于游泳池的那些电解池，利用这种特征通过将池电极的极性定期地颠倒，有效地将阴极改变成阳极来对阴极进行去垢。现在在阳极(以前是载有碳酸钙的阴极)表面形成的低pH酸性溶液将碳酸钙溶解。

可以利用在阳极处产生低pH条件的这种电解氧化剂特征来防止在UV管和其它处理设备的表面生成水垢。

发明内容

本发明是一种用于减少在表面上形成碳酸盐水垢的设备，所述设备包括：目标物；电源；被污染流体；阴极；以及位于目标物上或其附近的阳极；其中阳极在表面处的流体中产生低pH的环境。目标物优选包括UV元件，优选包括石英管或任选地包括传感器。阳极优选缠绕目标物并优选包括螺旋缠绕的导线。阴极任选地包括外壳，或优选包括螺旋缠绕的导线。阴极任选地通过一个或多个非导电的隔离物与阳极分开。阳极任选地包括沉积在表面上的导电的优选可透过UV的材料，例如金刚石。

流体优选包括水溶液。设备优选用于防止在表面上形成生物膜。目标物任选地与流体的流动方向成横向地定向，其中阳极优选平行于目标物并位于其上游，并且在阳极处产生的酸性溶液优选在目标物周围被冲洗。设备任选地另外包括第二阴极，其电压不同于阳极的电压和阴极的电压。

本发明也是一种用于减少在表面上形成碳酸盐水垢的方法，所述方法包括的步骤有：设置阴极；将阳极布置在目标物的表面上或其附近；使阳极和表面接触被污染流体；对流体进行净化；在阳极的附近的流体中产生低pH的环境。所述方法优选另外还包括以下一个或多个步骤：阻止在表面上形成碳酸盐水垢、将碳酸盐水垢从表面去除的步骤或者阻止在表面上形成生物膜的步骤。流体优选包括水溶液。净化步骤优选包括利用UV辐射来处理流体和/或利用通过电解反应产生的氧化剂来处理流体。布置步骤优选包括将导线阳极缠绕在表面上，或者任选地包括将阳极，优选导电的透UV的材料，优选金刚石，直接沉积在表面上。

所述方法优选另外还包括利用非导电的隔离物将阴极和阳极分开的步骤。任选地可将产生步骤作为清洁循环的一部分来实施。所述方法优选另外还包括将阳极和阴极的极性颠倒的步骤，以便优选地将水垢从阴极去除。目标物优选包括UV管。所述方法优选另外还包括使得目标物与流体的流动方向成横向地定向，将阳极布置成平行于目标物且位于其上游，和使得在阳极处产生的酸性溶液在目标物周围被冲洗的这些步骤。所述方法优选另外还包括设置第二阴极，该第二阴极的电压不同于所述阳极的电压和所述阴极的电压，以及将阴极和第二阴极的极性颠倒的步骤。

本发明的目的在于，提出一种设备和方法，用于灭除在依靠清洁的表面来有效地工作的处理设备、管路或其它设备的表面上的碳酸盐水垢和生物膜或防止其形成。

本发明的另一目的在于阻止在饮用水、废水、化学制品处理、热交换器和其它设备中形成碳酸盐或生物膜。

本发明的一个主要优点在于，它提出了一个连续的过程，用于防止水垢、生物膜、藻类和其它不希望的物质在处理设备的表面上形成，而无需进行定期维护，为了检修而停下贵重的处理设备，或者为了维护设备而投入巨大的劳力成本。

本发明的其它目的、优点和新颖特征以及进一步的应用范围将部分在下面的结合附图的详细说明中阐述，部分地对于本领域技术人员而言在考查下述内容时显而易见，或者可由实施本发明得知。本发明的目的和优点可以借助于在权利要求中特别指出的手段和组合来实现和获得。

附图说明

被结合其中的并形成说明书一部分的附图示出了本发明的几个实施方式，其与说明书一起用于阐述本发明的原理。附图仅用于说明本发明的优选实施方式，且并不构成对本发明的限制。图中：

图1为具有中心UV管和外壳的环形UV反应器的本发明的优选实施方式的剖视图。

图2为具有中心UV管和外壳的环形UV反应器的本发明的一个可选择的实施方式的剖视图，其中所述外壳兼作外壳和阴极元件。

图3为具有多个UV元件的通道或槽的本发明的一个可选择的实施方式的剖视图，其中所述UV元件具有与其紧邻的阳极电极和被非导电的隔离物支承的阴极电极。

图4示出UV管的配置，所述UV管包括与流体流动流交叉(或相切)安装的阳极和阴极导线。

图5示出本发明的一个可选择的实施方式，其中阳极直接置于或沉积在表面上。

图6示出与流体流动流交叉(或相切)安装的透光的被导电地涂敷的UV管的配置。

具体实施方式

图1示出本发明的一个优选实施方式。紫外线(UV)反应器优选包括管形的UV石英元件22，所述元件22优选居中地位于环形的反应器外壳20之中。元件22优选由电源电路24来供电。电解阳极导线30优选螺旋地缠绕元件22。电解阴极导线32优选螺旋地在环形的反应器外壳20之中缠绕，从而在电解阳极导线30和电解阴极导线32之间形成环形的空间36。可任意选用一组电解阴极导线32。天然的未处理的或相反被污染的水或其它流体通过入口26进入环形的反应器外壳20之中，并且经处理的水从出口28排放出来。有待处理的溶液优选纵向地在环形的空间36中流动。

在阳极和阴极导线上施加有合适的电源，以便建立电场，用于在阳极产生低pH的氧化剂溶液，并且在阴极导线附近产生高pH的溶液。因此在元件22的表面34上出现由电解反应激发的低pH的酸性条件。在表面34上的酸性条件避免了碳酸钙(或其它形式的碳酸盐)的形成，或者将已经形成的碳酸盐水垢溶解，由此保持表面34清洁，从而UV辐射不会受到碳酸钙水垢的防碍，并且有效地将UV能量传递给水或其它流体。UV能量灭除在表面34上的以及在环形的空间36内有待处理的水中的微生物和生物膜。另外，通过在紧靠电解阳极导线30的附近产生氧化剂便于将微生物和有机物灭除。另外，氧化剂扩散到在环形的空间36内的大量溶液中，从而为有待处理的溶液附加地消毒或灭除有机物。UV辐射和由水流中的阳极表面产生的氧化剂，优选混合的氧化剂的组合保证了将有机物灭除，并且防止在UV管上形成生物膜和藻类。该过程对于保持UV管清洁非常有效，其在一年以上都无需维护。

根据如图2所示的本发明的一个可选实施方式，环形的反应器外壳40包括与电解池合适地兼容的金属。兼容材料的实例包括钛、哈司特镍合金(Hastalloy)、不锈钢或其它导电材料。根据本实施方式，环形的反应器外壳40用作阴极，因此无需单独的阴极导线。在这种配置中，直流电源优选施加至阳极导线30，并直接施加至用作阴极的环形的反应器外壳40。本实施方式对于处理相对软的流水或水溶液来说非常有用，其中由于每英寸阴极表面面积的安培数小于大约0.13安培，所以阴极表面的pH不会上升至高于大约8.3至8.4(钙盐的去垢点)。由于pH低于去垢点，所以阴极表面使用数月都可以保持清洁。当阴极表面开始生水垢时，优选采用稀释的酸性溶液对其进行清洁。

图3示出本发明的另一可选的实施方式，其是在槽48中流动的被污染流体46的剖视图。两个或多个UV元件石英管54a、54b在槽30中优选平行对准。阳极导线56在紧靠石英管54a、54b的附近优选螺旋地缠绕。阴极导线58优选同中心地在阳极导线56的外围螺旋地缠绕，并且被非导电的隔离物59支承。隔离物59可以由石英管54a、54b或阳极导线56支承。可以任意选用一组阴极导线。任选地，阴极导线38可以由槽48内的纵长的板来代替，或者任选地，槽48可以由合适的导电材料构成，以便用作过程中的阴极。使用畅流(open flow)隔离物允许在开放槽(opentrough)48中或者大管路中对被污染的流体46进行处理，在所述槽或管路内具有多个UV管。

根据图4所示的本发明的一个可选的实施方式，流体流60与UV管或灯64的方向相切。阳极导线66位于UV灯64的上游侧，并且优选与UV灯64平行对齐(即线的长度与图面垂直)。因为流体流与UV灯64的方向相切，所以在阳极导线66上产生的且具有一种或多种氧化剂的酸性溶液67环绕UV灯64进行冲洗，由此将UV灯64的表面上的碳酸盐水垢和生物膜洗掉。一条或多条阴极导线68优选与阳极导线66和UV灯64平行对齐。流体流60中的溶解的固体使得在阳极导线66和阴极导线68之间形成导电的路径，以便于在阳极导线66处产生酸性流体。阳极导线66和阴极导线68由于沿着UV灯64的长度隔开的非导电的保持器62而被保持在相对于UV灯64的适当的位置。阳极和阴极可以包括导电的迹线，而不是导线，并且极性可以随意颠倒，以便从阴极清除水垢和生物膜。

当除了UV辐射之外还通过由电解产生的氧化剂来处理水时，本发明的去垢过程典型地是连续的，这是因为阳极和阴极在所述应用中连续使用的缘故。然而，如果电解不是去垢过程的一部分，那么本发明也可以用于对UV的表面或其它表面定期清洁，例如通过只在自动清洁循环期间给阳极通电。

根据前面的实施方式，阳极可以合适地缠绕任一希望的部分，以便防止诸如水垢的不希望的物质在表面堆积。可选地，阳极可以为相同的目的而置于在电解池中的任一表面上，即使缠绕是不可能的或不希望的。图5示出本发明的优选实施方式。优选包括导线的阳极52与表面50相邻，从而保证沿着大致整个表面50都存在低pH的条件。可选地，阳极52可以包括任一导电的结构。表面50可以包括任一材料，包括但不限于金属、玻璃、蓝宝石、石英和硅。阳极52可以直接置于表面52上，或者可以通过一个或多个隔离物而与表面50分开。例如，如果表面50包括导电材料，那么隔离物将优选是电绝缘的。

可选地，阳极52也可以通过蒸发、喷墨印刷、直接写、冷喷涂处理或任何其它现有技术公知的方式直接沉积到表面50上。为此可以利用任何电解阳极材料。例如，可以以希望的样式将金钢石涂层蒸发在表面50上。可选地，在表面50上光蚀刻希望的样式，沉积钛从而与蚀刻样式一致，然后沉积钌以便形成阳极52。可以随意地采用任一金属组合；例如，可以首先与蚀刻样式一致地沉积铜，之后电镀或以其它方式沉积钛。可选地，当以离子轰击处理表面时，也可以产生阳极。例如，可以利用金属离子束或者基本完全地或者以希望的样式对玻璃表面进行轰击，以便产生仍然可透过UV线的但导电的阳极。对较大的阳极电流来说，表面50优选以重离子轰击被剥去，这产生高导电性电路径，其反射或阻挡UV线。这些过程中的任一个都可以扩展至三维，从而阳极沉积在希望目标物的所有侧面上，类似于将导线缠绕在管形的或圆柱形的如上所公开的目标物上，优选通过所述部分在沉积期间相对旋转。

这种表面的实例是可以用于测量pH、氧化还原电位、氯气浓度、总溶解固体物(TDS)等的水质监视器、探测器或传感器的表面。通常这种类型的传感器被碳酸盐水垢和生物膜污浊，并且最终必须将其清洁。通过在传感器的表面上或充分地靠近其表面沉积或设置阳极，水垢和生物膜或者可以通过激活阳极定期地从所述表面去除，例如在自动清洁循环期间，或者被连续地清洁以防止水垢和生物膜形成。

图6示出在有待去垢的表面上直接沉积导电材料的另一应用。流体流70垂直于UV管72，74的纵轴的方向流动，所述UV管72，74优选涂敷有可透过UV的导电膜76。可透过UV的导电膜76例如包括通过适当的方式被沉积在UV灯或管的表面上的金刚石膜。最初，可透过UV的导电膜76用作UV管72上的阳极，当施加适当的相对电压时，则用作UV管74上的阴极。可选地，阴极可以是导线或其它导电的迹线，其优选经由贴在UV管上的一个或多个绝缘的隔离物以适当的间隔与阳极管分开。在这种配置中，UV管72通过在透光的导电膜76的表面上形成酸性溶液来清洁。经过希望的时间间隔之后，对于UV管72和UV管74来说，透光的导电膜76上的电极性颠倒。通过这种方式，UV管74上的膜76于是用作阳极，并且通过阳极形成酸性溶液被清洁，而UV管72上的膜76现在用作反应中的阴极。在规定的时间间隔，膜76的电极性优选再次被切换，以便可选地允许清洁UV管72和UV管74。就硬水而言，优选采用交变的不对称电流，其时间间隔优选为大约1Hz至大约400Hz。

根据上述任一实施方式，可以任选地采用两条(或多条)阴极导线或其它阴极迹线或被涂层的表面。给阴极导线施加以不同的电压，所述阴极导线相对于阳极电压保持较大的负性。在较高电压的阴极上产生略微酸性的溶液，其pH低得足以防止水垢形成，而在另一阴极导线上产生高pH的溶液。通过将阴极导线组上的返回阴极电流和滴下(drip anode)阳极电流交替(即使极性颠倒)，可交替地将诸如碳酸钙或硫酸钙的水垢从两条阴极导线上清除。当由于探测到水垢形成而在滴下阳极导线和返回电流导线之间建立附加电压时可以触发极性颠倒。对于使用非常硬的水来说，可以允许在盐酸的稀释溶液中或有机酸的稀溶液中浸泡阴极表面，以便将钡盐或硫酸盐水垢生成物溶解。因此所述系统具有优点，即在清洁一条或另一条阴极导线时可以对其连续使用。

尽管已经特别地参照这些优选的实施方式对本发明进行了详细说明，其它实施方式也可以达到相同的效果。显然，本领域技术人员可以对本发明做出变形和改型，并且目的在于覆盖所有这些改型和等效部分。通过引用将上述引用的所有专利和公开物的全部公开内容结合于此。

Claims (39)

1.一种用于减少在表面上形成碳酸盐水垢的设备，所述设备包括：

目标物；

电源；

被污染流体；

阴极；和

位于所述目标物的表面上或其附近的阳极；

其中所述阳极在所处表面处的流体中产生低pH的环境。

2.如权利要求1所述的设备，其中所述目标物包括UV元件。

3.如权利要求2所述的设备，其中所述UV元件包括石英管。

4.如权利要求1所述的设备，其中所述目标物包括传感器。

5.如权利要求1所述的设备，其中所述阳极缠绕所述目标物。

6.如权利要求5所述的设备，其中所述阳极包括螺旋缠绕的导线。

7.如权利要求1所述的设备，其中所述阴极包括外壳。

8.如权利要求1所述的设备，其中所述阴极包括螺旋缠绕的导线。

9.如权利要求1所述的设备，其中所述阴极通过一个或多个非导电的隔离物与所述阳极分开。

10.如权利要求1所述的设备，其中所述阳极包括沉积在所述表面上的导电材料。

11.如权利要求10所述的设备，其中所述导电材料是可透过UV的。

12.如权利要求11所述的设备，其中所述导电材料包括金刚石。

13.如权利要求1所述的设备，其中所述流体包括水溶液。

14.如权利要求1所述的设备，用于防止在所述表面上形成生物膜。

15.如权利要求1所述的设备，其中所述目标物与所述流体的流动方向成横向地定向。

16.如权利要求15所述的设备，其中所述阳极平行于所述目标物并位于其上游。

17.如权利要求16所述的设备，其中在所述阳极处产生的酸性溶液在所述目标物周围被冲洗。

18.如权利要求1所述的设备，另外还包括第二阴极，其电压不同于所述阳极的电压和所述阴极的电压。

19.一种用于减少在表面上形成碳酸盐水垢的方法，所述方法包括的步骤有：

设置阴极；

将阳极布置在目标物的表面上或其附近；

使所述阳极和所述表面与被污染流体接触；

对所述流体进行净化；

在所述阳极附近的流体中产生低pH的环境。

20.如权利要求19所述的方法，另外还包括阻止在所述表面上形成碳酸盐水垢的步骤。

21.如权利要求19所述的方法，另外还包括将碳酸盐水垢从所述表面去除的步骤。

22.如权利要求19所述的方法，另外还包括阻止在所述表面上形成生物膜的步骤。

23.如权利要求19所述的方法，其中所述流体包括水溶液。

24.如权利要求19所述的方法，其中所述净化步骤包括利用UV辐射来处理所述流体

25.如权利要求19所述的方法，其中所述净化步骤包括利用通过电解反应产生的氧化剂来处理所述流体。

26.如权利要求19所述的方法，其中所述布置步骤包括将导线阳极缠绕在所述表面上。

27.如权利要求19所述的方法，其中所述布置步骤包括将所述阳极直接沉积在所述表面上。

28.如权利要求27所述的方法，其中所述阳极包括导电的可透过UV的材料。

29.如权利要求28所述的方法，其中所述材料包括金刚石。

30.如权利要求19所述的方法，另外还包括利用非导电的隔离物将所述阴极和所述阳极分开的步骤。

31.如权利要求19所述的方法，其中所述产生步骤作为清洁循环的一部分来实施。

32.如权利要求19所述的方法，另外还包括将所述阳极和所述阴极的极性颠倒的步骤。

33.如权利要求32所述的方法，另外还包括将水垢从所述阴极去除的步骤。

34.如权利要求19所述的方法，其中所述目标物包括UV管。

35.如权利要求19所述的方法，另外还包括使所述目标物与所述流体的流动方向成横向地定向的步骤。

36.如权利要求35所述的方法，另外还包括将所述阳极布置成平行于所述目标物并位于其上游的步骤。

37.如权利要求36所述的方法，另外还包括使在所述阳极处产生的酸性溶液在所述目标物周围被冲洗的步骤。

38.如权利要求19所述的方法，另外还包括设置第二阴极，其电压不同于所述阳极的电压和所述阴极的电压。

39.如权利要求38所述的方法，另外还包括将所述阴极和所述第二阴极的极性颠倒的步骤。

Images