CN101506105A - 处理用于冷却塔和需要从水中去除二氧化硅的工艺的水的方法和整合系统 - Google Patents

处理用于冷却塔和需要从水中去除二氧化硅的工艺的水的方法和整合系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种处理用于冷却塔和诸如反渗透脱除、脱盐系统的阴离子单元的再生等其它工艺的水、航空器蓝水及废水的整合系统，其中需要减少和/或消除诸如二氧化硅、钙镁总硬度、悬浮固体、有机物和微生物、重金属、洗涤剂和砷之类的污染物，以得到能够再用于不同工业过程的水质，从而在水和化学品方面得到节约。所述系统的特征在于使待处理的水流动通过具有铝、铁或一些其它金属板的电化学池，在此时以适当的电流强度施加电流，所述的电流强度使得能得到形成铝、铁或某些其它金属的氢氧化物所需的最佳电流密度，当所述氢氧化物与待处理的水中的污染物反应时形成随后从水中分离出去的污泥，通过该系统使得处理过的水能再利用，通过整合过滤和臭氧化过程，能够得到更好的水质以便再用于冷却塔、工业过程、公用设施、绿地灌溉或任何其它用途。本发明的技术革新在于其完全消除了工业水中存在的二氧化硅，由于所得水质的原因允许这些水再用于不同过程。除了降低钙镁硬度盐的浓度、防止形成结垢和使得在冷却塔系统中能够提高浓缩倍数从而节约水和化学品之外，其还减少了微生物的增殖，这将使得在工业中能够整体上以本新技术替代方案来替代常规的工业水处理程序。本发明的优点和益处是允许100％再利用和循环必须从冷却塔、反渗透脱除、脱盐系统的阴离子单元的再生中废弃的水和工业废水，通过再利用目前必须被废弃的水来节约资金，从而减少冷却塔和废水所需的必要化学品的量，降低因含有使其不能被再利用的污染物和化学品的废弃水而造成的对环境的影响。此外，其能够消除来自含有污染物的水井的水中的污染物，如砷、氰化物、铁、锰和微生物，使得所述水能用于饮用。

Description

处理用于冷却塔和需要从水中去除二氧化硅的工艺的水的方法和整合系统
发明背景
本发明涉及用于处理水以去除通常存在于冷却塔、诸如反渗透脱除(reverse osmosis rejection)、脱盐系统的阴离子单元再生等的其它工艺、航空器蓝水(aircraft blue water)及废水中的污染物的整合系统。采用该系统去除的主要污染物是二氧化硅盐类、总硬度、悬浮固体、染料、洗涤剂、砷和微生物，使得能够由于消除了冲洗过程而使得浓缩倍数提高、在水和化学品方面得到节约、控制和避免腐蚀及结垢问题，以及微生物污染，使得能够对水进行再利用。
本发明涉及处理冷却塔用水的整合系统，该整合系统作为冷却塔的附属系统(side system)来安装，并且用作废水处理系统，其由文丘里管喷射器、氧浓缩器、臭氧发生装置、pH传感器、电导传感器、计量化试验(dosification)体系、带铝电池的电化学池(该电化学池具有筛网以产生水的紊流)、整流器、从水中分离固体的系统、气体-水注入系统(文丘里管喷射器)、氧浓缩器、臭氧发生器和水-臭氧接触罐组成。
冷却塔是用水来冷却用于常规工业的设备和系统的系统；在该过程中当水温上升时，其性质发生变化并产生以下问题：腐蚀、结垢和微生物滋生。通过加入化学品、并根据每种盐在水中的溶解度而设法保持盐类和浓度(其由于在冷却塔处产生的蒸发而提高)之间的平衡来控制及避免这些问题。为了保持盐的浓度，需要持续稳定地排出和处理含有化学品的水。借助该新系统，从冷却塔内的水中去除污染物使得能够提高浓缩倍数、降低这类系统冲洗时浪费的水量、在水和化学品方面获得极大节约，并具有正面的环境保护效果；并且通过向再循环水中加入溴化钠作为杀菌剂，借助臭氧使其氧化，使得溴化物活化以强化系统的微生物控制。
文献MXPA00009962(2002-04-18)描述了用于具有高二氧化硅含量的冷却塔的水处理方法，但其完全不同于本发明，因为其需要混合的化学品作为腐蚀抑制剂、结垢抑制剂和基于低分子量聚合物的分散剂，因而其无论在什么方面与本系统都不具备可比性。
文献US005271862(1993-12-21)描述了抑制二氧化硅和硅酸盐在冷却塔系统中沉积的方法，但其与本发明完全不同，因为其需要应用化学品(羟基膦酰乙酸)和聚合物，因而其根本不能与本系统进行比较。
文献CA2063294(1992-03-18)描述了抑制冷却塔系统中的二氧化硅和硅酸盐沉积的方法，但其与本发明完全不同，因为其需要应用化学品(羟基膦酰乙酸)和聚合物，因而其无论在什么方面与本系统都不具备可比性。
文献JP20000301195(2000-10-31)描述了防止冷却塔系统的二氧化硅结垢的方法，但其与本发明完全不同，因为其需要将水通过由火山岩开发的系统以及其它系统，并且其无论在什么方面与本系统都不具备可比性。
文献JP2002018437(2002-01-22)描述了用于处理具有钙和二氧化硅硬度的水的方法，以再利用来自冷却塔冲洗的水，但其与本发明完全不同，因为这类处理方法需要使用化学品来将3-6的pH值进一步降低以对水进行脱碳酸化，之后水必须通过使用膜和反渗透的去离子系统，并且其根本不能与本系统进行比较。
文献WO2006033450(2006-03-30)描述了防止冷却塔系统中的结垢并抑制二氧化硅沉积的方法，但其与本发明完全不同，因为其需要应用化学品和共聚物(甲基，丙烯酸)，以及具有硫基团和羧基的单体，因此其无论在什么方面与本系统都不具备可比性。
文献US5236673(1993-08-17)描述了在冷却塔系统中使用臭氧的方法，但其与本发明完全不同，因为其仅将臭氧用作杀菌剂来去除微生物而其中没有任何部分涉及去除二氧化硅，因此其根本不能与本系统进行比较。
文献US2006060816(2006-03-23)描述了控制水系统和冷却塔系统中的二氧化硅结垢的方法，但其与本发明完全不同，因为其需要应用化学品(疏水改性的聚醚聚合物)，因此其无论在什么方面与本系统都不具备可比性。
文献US6416672(2002-07-09)描述了去除冷却塔系统中溶解和溶胶状的二氧化硅、并控制由二氧化硅沉积导致的结垢的方法，但其与本发明完全不同，因为其需要多个过滤、重力分离、微滤和真空过滤系统、以及其它分离技术，因此其无论在什么方面与本系统都不具备可比性。
文献JP2002263635(2002-09-17)描述了处理具有悬浮固体和二氧化硅的废水的方法，但其与本发明完全不同，因为对于锅炉其需要使用化学品来将8-10的pH值进一步提高，并且其根本不能与本系统进行比较。
文献JP2001170656(2001-06-26)描述了处理微电子工业的含固体和二氧化硅的废水的方法，但其与本发明完全不同，因为其需要使用诸如石灰和凝聚剂的化学品以及超滤系统，因而其根本不能与本系统进行比较。
文献US6461518(2002-10-08)和WO0051945(2002-09-08)描述了抑制水中的二氧化硅结垢形成和沉积的方法，但其与本发明完全不同，因为它们需要使用诸如多胺类和醚胺类的化学品，并且它们无论在什么方面与本系统都不具备可比性。
文献JP2001096282(2001-04-10)描述了从地热过程的水中去除二氧化硅的方法，但其与本发明完全不同，因为其需要使用诸如硝酸铝的化学品，并且其根本不能与本发明进行比较。
发明内容
本发明涉及去除存在于水中作为溶解和不溶的污染物的物质的技术，对于水在工业中(主要在冷却塔中)的用途这些物质会引起麻烦，因为这类过程会发生以下问题：腐蚀、结垢和微生物滋生。
通过从冷却塔的水中去除这类污染物，我们能够提高浓缩倍数、减少冲洗这类系统所耗费的水量，以及能够以更高质量再循环用作冲洗水的水，因为我们能够减少在这类系统中引起问题的污染物，在水和化学品方面得到节约，并且具有正面的环境保护效果。
1-本发明涉及处理用于冷却塔和其它工艺如反渗透脱除(reverseosmosis rejection)、脱盐系统的阴离子单元的再生的水、航空器蓝水及废水的方法和整合系统。采用该系统去除的主要污染物是二氧化硅盐类、钙镁总硬度、悬浮固体、有机物、微生物、重金属、染料、洗涤剂和砷，得到能再用于多种工业、半工业或家用过程的水质、在水和化学品方面得到节约。本发明由以下部分构成：
文丘里系统，其基本上是帮助水-气体(臭氧)混合的喷射器，使得待处理的水与臭氧气体得到最佳混合。
氧气浓缩系统，其通过给定压力下的物理过滤过程将大气中的氮气和氧气分离，其中我们可以浓缩所需氧气作为生产臭氧的原料。
臭氧发生装置，其中一旦氧气在上述设备中浓缩，其流动通过高电压反应器，并产生氧化待处理的水中的所有污染物所需的臭氧。应用臭氧气体有多种用途。第一是污染物氧化，引起二氧化硅盐晶体的形态结构变化促进污泥的形成，从而优化二氧化硅从冷却塔的水中的去除，并且由于污染物氧化的反应有利于形成能从水中分离的固体，从而使所述过程得到优化。第二，在电化学池之后向冷却塔内的水应用臭氧提高了水化学处理程序的效率，这种提高通过降低并控制腐蚀速率、形成硬度和二氧化硅盐结垢、保持对微生物繁殖的控制，以及减少化学品的加入(其为所述处理用于冷却塔的水的程序的一部分)来实现。
pH值控制系统，具有检测pH值并向plc传输信号的传感器，该plc向调节pH值的系统传输另一信号，从而将pH值保持在6.5到9.0之间的数值，这种调节通过加入硫酸、盐酸、硝酸或任意有机酸来降低pH值，或者通过加入诸如氢氧化钠、碳酸钠的碱或任何能提高水pH值的其它化学品来实现。
电导率控制系统，具有检测水的电导率并向plc传输信号的传感器，该plc向调节水的电导率值的系统传输另一信号，从而将其保持在100到20,000微欧之间的数值，这种调节通过加入氯化钠或任何能提高水的电导率的其它化学品来实现。
具有铝(铁或锌)电池的电化学池，在其中形成氢氧化铝(或者压缩或压紧的铝块)，其也可以是铁或锌，其与水中的污染物反应形成污泥(电絮凝)，通过应用电流(以给定的电流强度，该电流强度在每平方厘米的铝板上产生0.001到3安培的电流密度)，所述污泥易于与水分离；得到给定的电压，该电压取决于水(电解液)的导电率，而该电导率取决于待处理的水中存在的溶解固体的浓度，通过应用氯化钠可提高该导电率以降低所述电压，降低所需的功率并显著降低所需电能的消耗，从而优化所述过程。
固体分离或过滤系统，其中各种工艺均可采用，无论是使用砂砾、砂层、硬煤或者活性炭滤系统、真空过滤、通过离心作用将固体与液体分离、真空旋转过滤器，还是任何用于固液分离的其它工艺，只要其能够分离电化学反应器的水中形成的固体。
借助上述发明，我们得到了能再用做冷却塔冲洗水的水质，其中二氧化硅浓度为0-40ppm，且总硬度盐、悬浮固体和微生物的浓度降低，这使得能够提高浓缩倍数(concentration cycle)、消除因冲洗而导致的水损失，从而将水再用于冷却塔，同时控制腐蚀速率、硬度和二氧化硅盐结构的形成、避免和保持微生物繁殖受到控制，以及减少化学品的加入。
在所述系统中，可对水进行过滤以降低悬浮固体和不溶性二氧化硅的含量，但其也可直接通过电解池而无需预先过滤，并且其也可直接流通至电化学反应器而无需臭氧化，因为其可在通过电解池之前臭氧化以氧化污染物，并改善固体和二氧化硅的分离。在电化学池之后向冷却塔中的水应用臭氧，提高了水化学处理程序的效率，降低并控制了腐蚀速率、硬度和二氧化硅盐结垢的形成、保持微生物繁殖受到控制，并减少了用于冷却塔的水处理程序中加入的化学品，并且通过将电化学过程与臭氧化过程结合，提高了其它污染物的去除效率，使得能获得符合再用于不同工业过程的水质标准的废水质量。
臭氧化的电化学反应器形成氢氧化铝并俘获水中的污染物，通过控制适当的水流并使用筛网作为静态混合器或者使用任何其它搅拌系统对其进行优化，以促进系统中形成的氢氧化铝与待处理的水中的污染物的结合，从而在此之后分离未能通过过滤系统从水中分离的微量的污泥。
2.-所述整合系统处理用于冷却塔和其它过程的水的方法，该方法由以下步骤组成：
将冷却塔的冲洗水或废水引入通过文丘里喷射器系统以加入臭氧。
随后，臭氧化的水流过pH传感器，从而可通过加入硫酸、盐酸、硝酸或任何有机酸降低pH，或者通过加入诸如氢氧化钠、碳酸钠的碱或任何能提高水pH值的其它化学品来调节pH值，从而将水保持在pH6.5-9.0。随后将水流过电导传感器，通过加入氯化钠进行调节，从而将电导率保持在100到20,000微欧。
将调节后的水流通至我们臭氧化的电解反应器，当向电流整流器应用电能时其将交变电流转换成直流电流，并且应用0.001-3.0安培/平方厘米的给定电流密度，我们得到从阳极到铝板(或压紧的铝块)的金属溶解，其也可以是铁或锌板，其中氢氧化铝(铁或锌)与水中的污染物反应形成固体化合物，其作为污泥与水分离。
使用过滤器或固体分离系统从水中分离这类污泥。
澄清并过滤的水流过接触罐，其中再次加入臭氧，以将臭氧残量保持在每升处理的水中0.01-1.0毫克，提供水质从而其可再用作冷却塔的冲洗水，这使得能够提高浓缩倍数、消除因冲洗而导致的水损耗，并达到控制腐蚀速率、硬度和二氧化硅盐结垢的形成，保持微生物繁殖受到控制，以及减少化学品的加入(其为当前冷却塔水处理程序的基础)的目的。
向再循环水中加入溴化钠作为杀菌剂具有如下优点，用臭氧将其氧化并活化溴来强化系统的微生物控制。
本系统的技术革新是它去除了100％的二氧化硅，并降低了导致形成结垢的钙镁硬度盐的浓度。其还去除了处理水中的悬浮固体，形成了可通过固体分离或过滤系统处理的污泥；借助该系统我们得到了可再用作冷却塔冲洗水的水质，其中二氧化硅浓度为0-40ppm，并降低了总硬度盐、悬浮固体和微生物的浓度，使得能够提高浓缩倍数、消除因冲洗而导致的水损耗，从而将水再用于冷却塔，并且控制腐蚀速率、硬度和二氧化硅盐结垢的形成，避免和保持微生物繁殖受到控制，以及减少化学品的加入。
所述系统能够去除高达100％的用于冷却塔和其它过程的水中所包含的二氧化硅。通过结合不同的系统，可以提高二氧化硅的去除效率，由于过滤仅去除20％(对应于不溶的二氧化硅)，臭氧化能氧化溶解的二氧化硅并且结合过滤能够去除30％，没有过滤的电化学过程能够去除30％，而将电化学过程与应用臭氧和过滤系统结合起来时，我们能够去除水中100％的溶解和不溶的二氧化硅。通过加入氯化钠对水进行调节，我们提高了电导率并降低了电压，从而降低了所述过程的电能消耗。
所述系统的关键操作是在我们的臭氧化电解反应器(具有铝板的电化学池)中进行的，其中发生电化学过程：通过向整流器应用电能，交变电流转变为直流电流，并且通过应用0.001-3.0安培/平方厘米的给定电流密度，我们实现了阳极铝板(或压紧的铝块)的金属溶解，所述铝板也可以是铁或锌，铝板保持浸没在含有来自冷却塔的水待处理废水的罐中，并得到给定的电压，该电压取决于水(电解液)的电导率。所述电导率取决于待处理的水中存在的溶解固体的浓度；通过应用氯化钠可提高导电率并调节至100-20,000微欧的范围以降低所述电压，从而降低电能消耗并优化所述过程。
在应用电流的过程中，在阴极处产生氢气形成气泡，这使得氢氧化铝形成的污泥漂浮(电絮凝)，并且通过电解池的上升水流使得污泥上升，其随后流过一系统来分离水中的固体，并且最终通过一系统使不含固体的水与一定量的臭氧混合使臭氧残量保持在处理水的百万分之0.01-1(毫克/升)，从而能获得臭氧在冷却塔系统或处理过的废水中提供的优点和益处，符合其再利用所需的质量。向再循环水中加入溴化钠作为杀菌剂具有如下优点，用臭氧将其氧化并活化溴来强化系统的微生物控制。
本方法的特征在于使待处理的水通过具有铝板的电化学池，当引入适当的电流强度时，根据待处理的水量，产生氢氧化铝(或金属)充当水中的絮凝剂，俘获水中氧化的和未氧化的颗粒，形成使污染物以污泥形式与水分离的化合物或絮状物，从而使得能够再利用、过滤、臭氧化以及通过加入氯化钠来调节处理的水，以较低成本得到更好的水质，有利于其在常规工业中的再利用。
由于产生铝或金属氢氧化物，电凝法电絮凝的电解过程形成与水分离的不溶性化合物，由于阴极产生的氢气泡的形成有利于漂浮物与臭氧气体的微气泡通过电解反应器，并维持上升水流以及避免这类污泥的沉降，其后使用过滤系统从水中分离该污泥。
本发明通过将多种基本技术结合开发了新的方法，这些技术结合在一起使我们获得技术革新，去除了100％的二氧化硅并降低了钙镁硬度盐的浓度。
结合多种基本技术，通过气体分离过程分离出氮气浓缩了环境空气中所含的氧气；该浓缩的氧气流动通过高电压过程，获得最佳的高浓度的臭氧生成，使得能进行待处理的水中污染物的氧化，从而在此之后通过结合具有铝板的电化学池，我们可以产生氢氧化铝，其与水中的污染物反应时可形成不溶的污泥，其可借助过滤、真空或离心分离系统与水分离，从而得到能再用于各种工业过程和/或灌溉绿地的水质。
通过加入氯化钠来对水进行调节来提高电导率并降低电压，从而降低所述过程中的电能消耗。
当处理废水和/或工业水时，我们得到满足被再利用、并符合对每一具体情况确定的环境标准的水质的水；通过这些技术的适当结合、开发用于各种具体应用的系统，以及在每种情况下确定具体条件可以得到不同的水质。
因此，我们打算将这种系统的方法注册为我们独有的：使用具有铝/铁/锌/镁和其它金属电池的电凝/电絮凝/电浮选的电化学系统来从水中去除二氧化硅；使用电解池以及臭氧(无论是之前或之后(预臭氧化或后臭氧化)(臭氧/电化学/过滤/臭氧))进行水处理；使用臭氧和电化学从水中去除污染物，以降低任何类型和质量的水中的二氧化硅盐类、诸如钙和镁的总硬度、氯化物、金属、油脂和油、染料、有机物、化学需氧量、生物需氧量、总体微生物、氰化物、砷、氟化物；加入诸如溴化钠的溴盐，以在处理用于冷却塔的水的过程中通过用臭氧氧化所述盐来促进对微生物的控制；电化学方法以在任何水的类型、处理和/或调节中去除二氧化硅，无论是加工或工业用水或废水；水中二氧化硅的任何其它类似的去除或降低；使用任何电化学系统来去除和/或降低二氧化硅和总硬度；用于冷却塔、反渗透脱除、阴离子-离子交换树脂的系统再生和/或脱盐设备的水、废水的任何其它系统、工艺和/或处理；或者任何涉及从水中去除二氧化硅或总硬度的其它工艺。
向臭氧处理的水中加入溴盐有利于污染物的氧化，改善了用于冷却塔的水系统中的微生物繁殖的控制；溴的应用使得我们能借助臭氧获得再生，因为游离溴与污染物或微生物反应，其分解并且借助臭氧的作用发生化学反应，形成溴化物和溴酸盐，这使得能再激发溴在水中的作用。
本发明的优点和益处是其使得能再利用和循环100％的水，否则在冷却塔、反渗透脱除、脱盐系统的阴离子单元的再生中的水和工业产生的废水必须被排放，通过再利用目前必须被排放的水节约资金，并减少对于冷却塔和废水必需且必不可少的化学品的量，降低含有妨碍其再利用的污染物和化学品的水的排放造成的环境影响，并且能够去除来自污染的水井的水中的污染物，如砷、氰化物、铁、锰和微生物，用于饮用水用途。
附图说明
图1.显示了整合水处理系统的示意图。
图2.显示了整合水处理系统的流程。
图3.描述了电化学池，其中：1)铝板，2)隔离的材料板之间的隔离物，其充当筛网以在水中产生紊流，从而促进氢氧化铝与待处理的水中的污染物之间的反应，3)夹层(intercalated)板内的带片(strap)，使得能进行电极的连接，4)板间的距离，5)正极，6)负极。
图4.显示了电化学反应器电解池的俯视图，其中：7)臭氧化的电解反应器。
图5.电化学反应器电解池的剖视图，其中：8)水入口，9)水出口，10)正电接头，11)负电接头。
图6.EFP电解池中发生的相互作用。
图7.氢氧化铝的溶解度图，仅考虑含铝物质。
图8.不同电流密度(I)值1A、2A、3A下二氧化硅浓度(y轴)随时间(x轴)的变化。
图9.不同操作条件下的二氧化硅浓度。
图10.I＝1A下电势随时间的变化图
图11.I＝1.5A下电势随时间的变化图
图12.I＝1.9A下电势随时间的变化图
图13.I＝1.9A下电势随时间的变化图，溶液的EFC曲线代表：不含盐的溶液(上部曲线)，含2g NaBr的溶液(中间曲线)，含2g NaCl的溶液(下部曲线)。
图14.含2g/L NaBr的溶液的循环电压电流分析(voltamperometry)。
图15.含2g/L NaCl的溶液的循环电压电流分析。
图16.处于I＝1.9A以及不同初始盐浓度的溶液的计时电位曲线：0.5g NaCl(最高的曲线)，0.75g NaCl(次高的曲线)，1g NaCl(最低的曲线)和2g NaCl(次低的曲线)。
具体实施方式
我们的发明基于结合多种技术和工艺的水处理系统，这些技术和工艺结合起来并适当应用使得我们能够去除二氧化硅，降低用于冷却塔的水中的硬度盐的浓度，并且减少化学品的使用，以避免这类系统中的腐蚀和结垢问题以及微生物繁殖。
本发明涉及多种技术的结合，这些技术是：通过将环境空气中的氧气与氮气分离来浓缩氧；通过对氧气流路应用高电压来产生臭氧；结合受控制的电化学过程来产生氢氧化铝，以俘获水中的污染物，以及控制水流动的变量并采用筛网作为静态混合器，以促进该系统中形成的氢氧化铝与待处理的水中的污染物的结合，从而在此之后分离未能借助过滤、真空或离心系统从水中分离的微量污泥；然后，不含这些污染物的水流过文丘里系统，使得向水中适当加入臭氧，以在工业水的冷却过程的每一阶段保持给定的残量，以避免冷却塔系统中的腐蚀、结垢和微生物繁殖问题，通过向再循环水中加入溴化钠作为杀菌剂，借助臭氧将其氧化并活化溴化物来强化所述系统的微生物控制。
方法步骤
臭氧化：使用文丘里管或喷射器应用臭氧气体以取得最大的效率，并实现待处理的水中发现的各种污染物的氧化。
电化学澄清：进行电解过程(电凝-电絮凝)，在具有铝或铁板的电解池中与水中的污染物如二氧化硅盐、硬度盐、悬浮固体、有机物、染料和微生物、洗涤剂、砷或任何其它污染物发生电化学反应，产生不溶性化合物，该化合物沉淀为污泥并可与水分离。
过滤：使用用于固-液分离的过滤方法或系统来执行过滤过程，其捕获未能在之前的过程中分离的微量的固体或污泥，使得我们能获得更好的处理水质量。
系统说明(参见图1)
1.来自冷却塔冲洗的水流过液体-气体喷射器系统(文丘里)并注入浓缩的臭氧气体，该臭氧由采用PSA系统或膜分离大气中的氮气与氧气的氧浓缩器产生；该浓缩氧气(70-95％)流过由电子系统控制的高电压反应器，该电子系统调节频率/谐振/电压/温度。
2.臭氧化的水流过调节pH的最优值的pH控制系统，其接收来自传感器的信号并传输另一信号至调节pH值的系统，以将其保持在6.5到9.0之间的数值，所述调节或者通过添加硫酸、盐酸、硝酸和任何其它有机酸来降低pH值来实现，或者通过添加诸如氢氧化钠、碳酸钠的碱或能够提高水pH值的任何化学品来实现。
3.在进入电化学反应器之前，具有足够pH值的水流过采用传感器的自动系统，其监测并控制水的电导率并传输信号至plc，而plc传输另一信号至调节电导率值的系统，从而将其保持在100到20,000微欧之间的树脂，所述调节通过添加一定量的氯化钠或者能提高电导率的任何化学品来实现，将这类参数保持在预先设定的范围，以降低电压并减少电能消耗。
4.将被臭氧气体氧化并调节至适当pH值和电导率值的水进料入在阴极和阳极放置有铝电池的电化学池(电凝/电絮凝和电浮选的电化学反应器)，其借助预先编程的定时器周期性地(每小时)改变极性，以同时清洁和销蚀所有的板。
5.所述系统具有向PLC传输浓度信号的针对二氧化硅的选择性电极并控制整流器，从而其可自动保持电流强度以控制适当的电流密度，由于水流率和反应器的容积保持恒定，这使得我们能优化转移至水中的铝量以去除其中的污染物如二氧化硅，因为其代表了冷却塔中待控制的变量。
6.当与水中的污染物如在待处理的水中发现的二氧化硅、钙镁总硬度、悬浮固体和微生物反应时，电化学反应器中产生的氢氧化铝形成污泥，根据每一系统最适合的条件，借助过滤系统(砂砾、砂层、挤压、旋转、真空旋转、离心机或者任何其它固液分离系统)从水中分离该污泥。
7.通过电化学反应器处理和澄清的水流过活性炭过滤器砂层，以去除未彻底从水中分离的少量悬浮固体和絮状物。
8.澄清并过滤的水流过加压接触罐，在其中借助泵送系统和文丘里管与臭氧混合，以对所述水进行调节并保持臭氧残量在0.001到1.0毫克每升处理水，并将其再用作冷却塔的冲洗水。
9.向塔的水池(basin)中加入氯化溴(Bromine chloride)作为杀菌剂，氯化溴具有与水中的微生物反应时发生分解的特性，但当与臭氧接触时，其具有循环杀菌的效果，在冷却塔内的水中保持恒定的余效(residualeffect)。
10.在从冷却塔流至工业设备并贯穿多个过程的情况下，监测溴和臭氧残量，以在必要的位点安装臭氧发生器，以得到确保用于冷却塔的水得到充分处理的结果。
实验结果
在用于来自冷却塔的冲洗水处理的电凝-电絮凝方法(EFP)中，采用了铝电极，该电极被电解作用溶解形成凝结剂物质(氢氧化铝)，其破坏悬浮颗粒的稳定性并与其结合，或者沉淀并吸收溶解的污染物。如图6所示，铝的阳极溶解通过在阴极形成氢气来实现，而氢气泡俘获由于去除污染物而形成的悬浮颗粒并携带至表面。
参见图6
在EFP的铝电极电解池中，阳极反应为
Al
Figure A200780031335D0021092725QIETU
Al3++3e                  (1)
在阴极为
2H2O+2e→H2+2OH-             (2)
Al3+阳离子可水合形成各种离子物质，
Al3++H2O→AlOH2++H+           (3)
Figure A200780031335D00221
Figure A200780031335D00222
水合的进程取决于金属(Al3+)总浓度和溶液的pH值，以及溶液中存在的其它物质。图7显示了氢氧化铝(Al(OH)3(s))的溶解度图(mg/L)，并假定仅存在铝物质。
参见图7。
溶解度界限显示了在铝优势物种(在某pH值)与固体氢氧化铝之间存在的热力学平衡。图7显示，在浓度0.03mg/L和pH值6.3的条件下得到最低的铝溶解度。通过提高溶解度，溶液变得更偏酸性或更偏碱性。
实验工作分为两部分：
第一部分，使用具有类似的电流密度(I)和电势(E)指示器的整流器进行了多次实验，从而验证电流密度、搅拌和臭氧气体鼓泡对Al3+生成、进而对二氧化硅的EFP的影响。在使用搅拌的前三次实验中，应用了1、2和3A的电流密度，从溶液中取样以检测二氧化硅浓度(ppm)随时间的变化。然后，在I＝2A，不借助搅拌、借助搅拌和最终借助搅拌并鼓泡臭氧气体的条件下进行三次实验
第二部分使用相同的具有10块板的电解池、Princeton AppliedResearch 263A型稳压器/恒流器、PowerSuite卡和软件，以及COMPAQ电脑来进行。在搅拌以及不搅拌的情况下，由1、1.5到1.9A进行实验。最后，在1.9A下、用2g NaBr与0.5、0.75、1和2g NaCl进行多次实验。在使用NaCl的每一实验中，跟踪电导率随时间的变化。
第一部分
表1、2和3显示了从电流密度值不同的前三次实验获得的实验结果随时间的变化。我们可以观察到溶液的pH值为8.72，电导率值为1272μS，即溶液显示出低导电性；Ca2+、Mg2+、磷酸盐类和二氧化硅浓度随时间降低；且Cl-浓度几乎保持不变。我们还可观察到在三次实验中，对I＝1、2和3A分别在16、6和5分斜后达到0ppm的二氧化硅浓度，而表4显示了这三次实验的实验结果。
表1.I＝1A的EFP过程的实验结果
Figure A200780031335D00231
表2.I＝2A的EFP过程的实验结果
Figure A200780031335D00232
Figure A200780031335D00241
表3.I＝3A的EFP过程的实验结果
Figure A200780031335D00242
表4.二氧化硅浓度随时间和I的变化
Figure A200780031335D00243
Figure A200780031335D00251
上述使得我们观察到在第二次实验中约5分钟时实际达到二氧化硅的零浓度。图8显示了二氧化硅浓度随时间的变化。
参见图8
以85.5ppm的二氧化硅初始浓度和I＝2A的数值进行三次EFP实验。第一次实验在没有搅拌下进行；第二次实验中对电解液进行搅拌；而在第三次实验中保持搅拌并鼓泡臭氧气体。从所得结果中(表5和图9所示)，我们可以观察到首先达到二氧化硅的零浓度，并且按如下顺序：3rd实验>2nd实验>1st实验。上述结果暗示更好地混合能促进EFC，并且二氧化硅更快从溶液中消失。
表5.对于I＝2A和不同的操作条件二氧化硅浓度随时间的变化
参见图9.
第二部分
通过计时电势分析法在I＝1、1.5和1.9A用冲洗水进行多次实验，并且对I＝1.9A的特定情况，使用2g NaBr和0、0.5、1和2g NaCl。所得结果用于确定
参见图10/图11/图12/图13/图14/图15/图16。
表6.I＝1A时通过EFC分离的二氧化硅以及产生的Al3+
Figure A200780031335D00261
发展：
我们使用了具有10块铝板的电解池，每块板的高、宽和厚分别为0.07、0.11和0.00635m。阳极总面积(9个面)为0.0693m2。每块板之间间隔0.005m。
材料和设备：
1台在0-5A和0-20V区间内操作的整流器。
1个用于确认二氧化硅的Hatch实验室工具箱。
1个具有10块铝板的电解池
50L来自冷却塔的冲洗水
NaBr和NaCl盐。
1个甘汞电极
3个1000mL的大口杯
4个200mL的大口杯
Princeton Applied Research 263A型稳压器/恒流器。该设备处理±20V的电压和±2A的电流密度，由具有Power Suite卡和软件的COMPAQ电脑控制。
Power Suite卡和软件(Sistemas Automatizados Industriales商标)使得我们能实施腐蚀、循环伏安法、计时安培分析法、开路电位和计时电势分析法技术，以及电化学阻抗技术。
1台Perkin-Elmer 2100型原子吸收光谱设备，能够在Llama模式(空气/乙炔和一氧化二氮/乙炔)工作，具有AS-70型自动进样器的HGA-700型石墨炉，MHS-10型氢化物发生器。
1台电导仪(conductimeter)
1个万用表
pH试纸。

Claims (27)

1.一种处理用于冷却塔和诸如反渗透脱除、脱盐系统的阴离子单元的再生等工艺的水、航空器蓝水及废水的整合系统，其中诸如二氧化硅、钙镁总硬度、悬浮固体、有机物、微生物、重金属、染料、洗涤剂和砷等的污染物被减少和/或去除，得到允许再用于多种工业、半工业或家用过程的水质，在水和化学品方面得到节约。
本系统的技术革新在于其去除了100％的二氧化硅，并降低了导致形成结垢的钙镁硬度盐的浓度。其还去除了处理水中的悬浮固体，形成了可通过固体分离或过滤系统处理的污泥；借助该系统，我们得到了可再用作冷却塔用备用水的水质，其中二氧化硅浓度为0-40ppm，并降低了总硬度盐、悬浮固体和微生物的浓度，使得能够提高浓缩倍数、消除因冲洗而导致的水的损耗，从而将水再用于冷却塔，还控制了腐蚀速率、硬度和二氧化硅盐结垢的形成，避免和保持了微生物繁殖受到控制，并减少可化学品的加入。
该系统包括以下部分：
a)文丘里喷射器系统，b)氧气浓缩系统，c)臭氧发生装置，d)pH控制系统，e)电导率控制系统，其特征在于：f)具有铝板(铁、锌或任何与二氧化硅反应以将其从水中分离的其它金属)的电化学池，g)固体分离系统或过滤系统，h)氧气浓缩系统，i)臭氧发生装置。
2.根据权利要求1所述的系统，其可去除高达100％的存在于冷却塔和其它过程用水中的二氧化硅；通过结合不同的系统，提高了二氧化硅的去除效率，由于过滤过程仅去除20％，这部分对应于不溶性二氧化硅，臭氧化过程氧化可溶性二氧化硅，其与过滤过程结合去除30％，不带过滤的电化学过程去除30％，而当将电化学过程与臭氧和过滤系统的应用相结合时，我们能够去除水中存在的100％的可溶性和不溶性二氧化硅。通过加入氯化钠对水进行调节，我们提高了电导率并降低了电压，从而降低了过程中的电力消耗。
3.根据权利要求1所述的系统，其能够去除高达100％的存在于用于冷却塔、反渗透过程的排斥、设备再生的冲洗、阴离子过程中的离子交换系统和需要从水中去除二氧化硅的其它工艺的水中的二氧化硅。
4.根据权利要求1所述的整合水处理系统，其特征在于，使水流动通过臭氧化的电解池，得到能再用作冷却塔用备用水的水质，其中二氧化硅浓度为0-40ppm，且总硬度盐、悬浮固体和微生物的浓度降低，这使得能够提高浓缩倍数、消除因冲洗而导致的水损失，从而将水再用于冷却塔。
5.借助权利要求1所述的系统，可对水进行过滤以减少悬浮固体和不溶性二氧化硅的含量，但是其也可直接流至电解池而不进行预先过滤。
6.根据权利要求1所述，未经臭氧化的水可直接通入电化学反应器，选择性地在流动通过电解池之前进行臭氧化，以氧化污染物并改善固体和二氧化硅的分离。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在电化学池之后向冷却塔中的水施加臭氧，这通过降低并控制腐蚀速率、硬度和二氧化硅盐结垢的形成、保持微生物繁殖受到控制以及减少用于冷却塔的水处理程序中加入的化学品而提高了水化学处理程序的效率。
8.根据权利要求1所述的整合水处理系统，其特征在于，将臭氧化过程与电化学过程结合，从而提高二氧化硅和其它污染物的去除效率，使得能获得符合标准的废水质量，由此其可再用于多种工业过程，因为当使浓缩的氧气通过高电压反应器时，产生了使待处理的水中存在的所有污染物氧化所需的臭氧。施加臭氧气体有多种用途。第一是污染物氧化，这导致二氧化硅盐晶体的形态结构发生变化，促进了污泥的形成，从而优化了二氧化硅从冷却塔水中的去除，并且因污染物氧化发生的反应有利于形成能从水中分离的固体，从而优化所述过程。在电化学池之后向冷却塔中的水施加臭氧的第二用途是提高水化学处理程序的效率，这种提高通过降低并控制腐蚀速率、形成硬度和二氧化硅盐结垢、保持对微生物繁殖的控制以及减少用于冷却塔的水处理程序的化学品的加入来实现。
9.处理用于冷却塔和其它工艺(反渗透脱除(reverse osmosisrejection)、脱盐系统的阴离子单元的再生和废水)的水的整合方法，其中诸如二氧化硅、钙镁总硬度、悬浮固体、有机物、微生物、重金属、染料和洗涤剂的污染物得以减少和/或去除，提高再用于多种工业、半工业或家用过程的水质，在水和化学品方面得到节约，其包括：
a)文丘里系统，所述系统基本上是有助于水-气(臭氧)混合的喷射器，使得待处理的水与臭氧气体得到最佳混合。
b)氧气浓缩系统，其在给定压力下通过物理过滤过程来将大气中的氮气和氧气分离，在这里我们可以浓缩所需的氧气作为生产臭氧的原料。
c)臭氧发生装置，使在上面提及的装置中浓缩的氧气流动通过高电压反应器，产生使待处理的水中存在的所有污染物氧化所需的臭氧。施加臭氧气体有多种用途。第一是污染物氧化，导致二氧化硅盐晶体的形态结构发生变化以促进污泥的形成，从而优化二氧化硅从冷却塔的水中的去除，并且因污染物氧化而发生的反应有利于形成能从水中分离的固体，从而使所述过程得到优化。
d)pH控制系统，其具有检测pH值并向plc传输信号的传感器，所述plc向调节pH的系统传输另一信号，从而将pH保持在6.5到9.0之间的数值，这种调节通过加入硫酸、盐酸、硝酸或任意有机酸来降低pH或者通过加入诸如氢氧化钠、碳酸钠等的碱或任何能提高水pH的其它化学品来实现，从而将pH保持在6.5到9.0之间的数值。
e)电导率控制系统，其具有检测水的电导率并向plc传输信号的传感器，所述plc向调节水的电导率值的系统传输另一信号，从而将其保持在100到20,000微欧之间的数值，这种调节通过加入氯化钠或任何能提高水电导率的化学品来实现。
其特征在于：
f)具有铝(铁或锌)电池的电化学池，在其中形成氢氧化铝(或者压紧或压缩的铝块，其也可以是铁或锌)，其与水中存在的污染物反应形成污泥(电絮凝)，当以0.001-3安培/平方厘米的电流强度来施加电流时，所述污泥易于与水分离，所述电流强度能够得到最佳电流密度以转移与待处理的水中存在的污染物反应所需的铝，形成随后从水中分离的污泥，从而能够再利用使用该系统处理过的水，并且通过结合过滤过程和臭氧化过程，我们获得了更好的水质。
g)固体分离或过滤系统，根据待处理的水量其可采用各种工艺，无论是使用砂砾、砂层、硬煤或者活性炭过滤系统、真空过滤、通过离心作用将固体与液体分离、真空旋转过滤器，还是任何用于固液分离的其它工艺，只要其能够分离在水电化学反应器中形成的固体。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，使待处理的水通过具有铝板的电化学池，并且在分离形成的污泥后使得可以再利用处理过的水；过滤、臭氧化并通过加入氯化钠来对水进行调节，以较低成本得到更好的水质。
11.应用臭氧，其特征在于，在水流动通过具有铝电池的电化学池之前氧化水中的污染物，促进固体和二氧化硅的分离，并且在过滤后改善水质，有利于其在常规工业中的再利用。
12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，当根据待处理的水量而引入最佳电流强度时，具有铝(铁、锌或镁)板或块(压紧、压缩或压制的)的电化学池产生充当絮凝剂的铝(或金属)的氢氧化物，俘获水中氧化和未氧化的颗粒，形成使污染物以污泥形式与水分离的化合物或絮状物。
13.捕集在根据权利要求9所述形成的污泥中的二氧化硅，其特征在于电凝/电絮凝的电解过程，由于形成铝或金属的氢氧化物，所述电解过程形成能与水分离的不溶性化合物，由于阴极产生的氢气泡的形成以及臭氧气体的微气泡，有利于漂浮通过电解反应器，保持冲洗水流并避免这类污泥的沉降，随后通过过滤系统将污泥与水分离。
14.本发明通过将多种基本技术结合开发了新的方法，这些技术结合在一起使我们获得了技术革新，其去除了100％的二氧化硅并降低了形成结垢的钙镁硬度盐的浓度，去除了水中的悬浮固体和其它污染物，这些污染物用本新方法处理后形成污泥，随后用固体分离或过滤系统分离所述污泥。
15.根据权利要求14所述的方法，使得能够提高冷却塔中的浓缩倍数，在水和化学品方面得到节约，并且保持受控制的微生物繁殖，这使得常规工业可采用本发明的新替代技术来代替常规工业水处理程序。
16.权利要求14的新水处理方法，使得能够以每立方米非常诱人的价格获得用于常规工业的优良的废水质量，将过滤、臭氧化、电化学过程、过滤和臭氧化过程相互结合，使得能实施该工业水和/或废水处理方法，得到符合所需标准的水质，使其能再用于各种工业过程和/或绿地灌溉。
17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，结合多种基本技术，通过气体分离过程分离出氮气从而浓缩环境空气中所含的氧气；该浓缩的氧气流动通过高电压过程，获得最佳的高浓度的臭氧生成，使得能进行待处理的水中污染物的氧化，从而在此之后通过结合具有铝板的电化学池，可以产生氢氧化铝，其与水中的污染物反应时可形成不溶的污泥，其后该污泥可借助过滤、真空或离心分离系统与水分离，从而得到能再用于各种工业过程和/或灌溉绿地的质量的水。
18.根据权利要求14所述的水的调节，其特征在于，通过加入氯化钠来提高电导率并降低电压，从而减少所述过程的电能消耗。
19.通过根据权利要求14所述来处理废水和/或工业水，我们获得了能再利用、并符合对每一具体情况确定的环境标准的水质的水；通过这些技术的适当结合、开发用于各种具体应用的系统，以及在每种情况下确定具体条件可以得到不同的水质。
20.具有铝/铁/锌/镁和其它金属的电凝/电絮凝/电浮选电化学系统用于从水中去除二氧化硅的用途。
21.电解池结合臭氧，无论是之前或之后，(预臭氧化或后臭氧化)(臭氧/电化学/过滤/臭氧)用于进行水处理的用途。
22.使用臭氧和电化学方法从水中去除污染物，以便降低任何类型和质量的水中的二氧化硅盐类、诸如钙和镁的总硬度、氯化物、金属、油脂和油、染料、有机物、化学需氧量、生物需氧量、总体微生物、氰化物、砷、氟化物。
23.加入诸如溴化钠的溴盐，以在处理用于冷却塔的水的过程中通过用臭氧氧化所述盐来促进对微生物的控制。
24.电化学方法以便在任何水的类型、处理和/或调节中去除二氧化硅，所述水无论是加工或工业用水或废水，或者水中二氧化硅的任何类似的去除或降低。
25.任何电化学系统的用途，其用于去除和/或降低二氧化硅、总硬度，以及用于冷却塔、反渗透脱除、阴离子-离子交换树脂的系统再生和/或脱盐设备的水、废水的任何系统、工艺和/或处理，或者任何涉及从水中去除二氧化硅或总硬度的其它工艺。
26.通过控制适当的水流并使用筛网作为静态混合器或者使用任何其它搅拌系统对用以形成氢氧化铝并俘获水中的污染物的臭氧化的电化学反应器进行优化，其能够促进系统中形成的氢氧化铝与待处理的水中的污染物的结合，从而在此之后分离未能通过过滤系统从水中分离的微量的污泥。
27.向臭氧处理的水中加入溴盐促进污染物的氧化，改善了用于冷却塔的水系统中的微生物繁殖的控制；溴的应用使得我们能借助臭氧获得再生，因为游离溴与污染物或微生物反应发生分解并且臭氧的作用会引发化学反应，形成溴化物和溴酸盐，这使得能再激发溴在水中的作用。
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