CN101678367A - 水净化系统 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例提供用于水净化的系统和方法。该系统可以包括用于减少水蒸馏系统中的水垢聚集的装置和方法。

Description

水净化系统

相关申请

[0001]该申请享有2007年3月21日提交的美国临时专利申请No.60/896,224的权益。

技术领域

[0002]本发明涉及水净化的领域。具体地，本发明的实施例涉及从水净化装置去除水垢的系统和方法。

背景技术

[0003]随着常规的水资源日益稀少、饮用水市政分配系统随时间而恶化、以及增加的耗水量耗尽水井和水库，从而造成盐水污染，因此水净化技术正迅速成为现代生活的重要方面。另外，由于各种活动，(包括，例如集约农业、汽油添加剂和毒性重金属)产生了其它水源污染。这些问题导致在水系统中病菌(germ)、细菌、盐、MTBE、氯酸盐、高氯酸盐、砷、汞和甚至用于消毒饮用水的化学物质的不断增加且违禁的水平。诸如反渗透(RO)、过滤及化学处理等常规技术很少能够处理各种各样的水污染物。另外，即使这些常规技术是商业上可获得的，但是它们通常需要多个处理阶段或各种技术的组合，以实现可接受的水品质。不太常规的技术(例如紫外(UV)光辐射或臭氧处理)可以有效地处理病毒及细菌，但几乎不能除去诸如溶解气体、盐、碳氢化合物及不溶性固体等其它污染物。另外，大多数蒸馏技术尽管可有利地除去部分污染物，但通常它们不能够处理所有类别的污染物。

[0004]当前的蒸馏系统也受到通常称为水垢的钙质沉积物的问题的影响，所述钙质沉积物由通常含有钙、镁和/或磷酸盐离子的水的蒸发而产生；而且这些离子相继沉淀为盐。

[0005]这些可以是碳酸钙或碳酸镁、或者相对应的磷酸盐的形式的水垢沉积物通常是较差的热导体，并且降低蒸馏系统中的传热效率，而且这些水垢沉积物还堵塞导管，从而增加了维护成本。结果，市场上可买到的大部分蒸馏系统为了适当的操作而指定低硬度的水，否则需要水软化作为先决条件。

发明内容

[0006]在某些方面，提供一种用于在蒸馏系统中处理硬水的机构。所述机构有效地防止或减少在蒸馏单元或其部件中水垢的形成。在某些实施例中，所述机构还具有操作便宜的其它期望特征。因此，在某些实施例中，提供一种在蒸馏系统中(特别在包括脱气、除雾、沸腾以及冷凝操作的整流系统中)防止水垢形成的便宜方法。

[0007]本发明的某些实施例还包括一种先进的蒸馏系统(其包括脱气、除雾和水蒸发操作)以及在例如脱气和蒸发期间防止硬水垢形成的一个或多个机构。此外，本发明描述了用于将水垢控制机构与水净化系统或者甚至其它器具集成的多种构造，从而实现有效的操作而不管输入水的硬度。本发明的某些实施例包括通过使用紧凑且可再生的软水器、超声波发生器、特殊的涂层或者一个或多个电磁场(其通过直流电、交流电、永久磁体、电磁铁等产生)中的至少一个来减少水净化中的水垢形成的方法。

[0008]本发明的某些实施例提供改进的水净化系统。该水净化系统可以包括入口、预热器、煮器(蒸发室)、脱气器、除雾器、产物冷凝器、废物出口、产物出口和控制系统。控制系统允许通过重复循环操作所述净化系统而无需使用者介入或清洁。所述系统能够从被污染的水样除去多种污染物类型，包括：微生物污染物、放射性污染物、金属、盐、挥发性有机物及非挥发性有机物，使得当被污染的水的各类污染物水平高达表1、2或3中所示水平的25倍时，经所述系统净化的水的各类污染物水平低于表1、2或3中的所示水平。在所述系统的实施例中，所生成水的体积可以占输入水体积的约20％与约95％之间。所述系统在至少约2个月、6个月、1年或更长时间的使用期间内不需要清洁。

[0009]所述系统还可包括入口开关，以调节经过所述入口的水流。所述开关可包括例如螺线管、阀、孔等机构。所述入口开关可由控制系统控制。而且，所述系统还可以包括停机控制。所述停机控制可以是例如人工控制、溢流控制、罐容量控制、蒸发室容量控制等。所述控制系统可基于来自蒸发室和/或罐浮标的反馈而控制入口。所述控制系统可基于净化系统的反馈控制开关。所述反馈可基于例如产物水容器中的水量、经过产物出口的产物水流量、水流动时间、无水流动时间、蒸发室中的水量、泄漏检测、蒸发室压力、输出水品质(总溶解固体)、跨越蒸发室的压差、蒸发室溢流堰浮标等。所述系统还可包括流量控制器。所述流量控制器可包括压力调节器。所述压力调节器可将水压维持在约0kPa和250kPa(0至36psi)之间。所述流量控制器可将水流维持在介于10和75毫升/分钟之间的速率。所述系统可包含沉积物捕集器。

[0010]而且，所述系统可具有通过所述蒸发室的预热管。离开所述预热管的水可具有至少约96℃的温度。所述预热管可允许预热管中水的停留时间为至少约15秒。所述预热管可包括盘管。所述盘管可具有基本上水平的净流动(net flow)，且通过所述盘管运动的水可反复通过一个水平面。所述预热管可包括与蒸汽冷凝器的热交换。至少一部分预热管可以与至少一部分蒸汽冷凝器共轴。所述蒸汽冷凝器可含有废蒸汽。

[0011]脱气器可以是基本上竖直取向，从而具有上端和下端。经过加热的水可紧接下端而离开脱气器。在所述系统中，来自蒸发室的蒸汽可紧接该下端而进入所述脱气器，但也可紧接上端而离开所述脱气器。所述脱气器可包括适用于促进水与蒸汽混合的基质(matrix)。所述基质可包含基本上球形的粒子。然而，所述基质也可包含非球形的粒子。所述基质可包含具有经选择的尺寸的粒子，以便可以在所述脱气器中均匀填充。所述基质也可包含尺寸明显不同的粒子，且所述粒子可按尺寸梯度布置在所述脱气器中。

[0012]在所述系统中，水可以以基本上不含有机物及挥发性气体的状态离开所述脱气器。所述蒸发室可至少包括上部分和下部分，且所述上部分的水平断面可以比所述下部分的水平断面具有更大的面积。所述蒸发室可包括位于所述上部分与所述下部分之间的连接处。所述连接处可以是基本上水平的。所述蒸发室也可以包括排放口，该排放口可位于所述连接处或位于所述连接处的上方。所述蒸发室也可包括：包括多个粒子的自清洁介质；具有开口的排放口，所述开口具有不允许所述粒子通过所述排放口的尺寸，所述开口还具有与粒子形状不互补的形状。所述蒸发室可包括用于至少在紧邻蒸发室的加热区的区域中干扰沉淀物聚集的自清洁介质。所述介质可包含多个粒子。所述粒子可以是基本上球形的。所述粒子也可以包括允许通过蒸发室中水的沸腾而基本上连续搅拌的特征。所述特征可以是例如比重、尺寸、形态、群体数量等。所述粒子可具有选择的硬度，使得所述硬度允许通过所述粒子冲刷蒸发室而基本上不侵蚀所述粒子或所述蒸发室。而且，所述粒子可由陶瓷、金属、玻璃或石头组成。所述粒子可具有大于约1.0且小于约8.0或更优选介于约2.0与约5.0之间的比重。所述蒸发室也可包括邻近所述蒸发室底部部分的加热元件。所述加热元件可位于邻近所述蒸发室底部的蒸发室外部，且所述加热元件可与所述蒸发室结合。所述加热元件也可位于邻近所述蒸发室底部的蒸发室内部。

[0013]除雾器可定位成紧邻蒸发室的上表面。来自蒸发室的蒸汽可以在压力下进入除雾器。所述除雾器可包括压差，且所述压差可以是不小于125Pa至约2500Pa。所述除雾器可适于通过气旋作用而从废蒸汽分离洁净蒸汽。洁净蒸汽与废蒸汽之比可以是大于约10∶1。所述控制系统可调节参数，以调整蒸汽品质。蒸汽品质可包括例如洁净蒸汽纯度、洁净蒸汽与废蒸汽的比例等。所述参数可包括至少一个参数，诸如：洁净蒸汽出口的凹进位置、跨越除雾器的压差、蒸汽入口的流动阻力、蒸汽出口的流动阻力等。所述系统也可以包括用于产物冷凝器的冷却器，且所述冷却器可包括风扇。所述产物冷凝器可包括盘管。产物水可经过所述产物出口而从所述产物冷凝器排出。所述系统也可包含废物冷凝器。废水可经过所述废物出口而离开所述废物冷凝器。

[0014]所述系统也可包括产物水储存罐。所述储存罐可包括至少一个控制机构。所述控制机构可以包括例如浮标、电导计等。所述控制系统也可包括延迟，使得在启动循环时，在选择的延迟周期内没有蒸汽被导向到所述产物出口。所述延迟周期可以是至少约10至30分钟。所述控制系统可包括水在蒸发室中的至少约10分钟的平均停留时间。替换地，所述控制系统可包括水在蒸发室中的至少约45分钟的平均停留时间。所述控制系统也可包括蒸发室冲洗(flush)，使得蒸发室中的水迅速排放至废物，从而允许从所述蒸发室除去聚集的杂质和沉淀物。

[0015]可以将所述蒸发室构造成使得在冲洗蒸发室的时候，将残余体积的水保留在所述蒸发室的下部。在后续净化循环启动期间，所述系统的残余水可为所述脱气器提供初始蒸汽。本发明还包括一种净化水的方法。这种方法包括如下步骤：提供包括至少一种第一浓度污染物的入口水源；使所述入口水在能够将该入口水的温度升高到90℃以上的条件下通过预热器；通过在脱气器中使所述入口水与反向气流相逆流来汽提(strip)所述入口水中的基本上所有的有机物、挥发物及气体；在允许形成蒸汽的条件下将水在蒸发室中保持介于10分钟和90分钟之间的平均停留时间；将蒸汽从蒸发室排放到旋风除雾器；在所述除雾器中从含有污染物的废物分离洁净蒸汽，以便洁净蒸汽的产量比来自所述除雾器的废物的产量大至少约4倍；冷凝所述洁净蒸汽以产生包括至少一种第二浓度的污染物的净化水，其中所述第二浓度比所述第一浓度低。在此方法中，至少一种污染物包括例如微生物、放射性核素、盐、或有机物。所述第二浓度可以是例如不大于表1、2或3中所示的浓度；所述第一浓度可以是所述第二浓度的至少约10倍。然而，所述第一浓度可比所述第二浓度大至少约25倍(fold)。所述气体可以是例如蒸汽、空气、氮气等。所述方法中的处理步骤在不需要清洁或维护的情况下可自动重复至少约3个月。然而，所述处理步骤在不需要清洁或维护的情况下可自动重复至少约1年。

附图说明

[0016]图1是水净化系统的实施例的正视图；

[0017]图2是水净化系统的实施例的剖面正视图；

[0018]图3是示出了预热器的细节的视图；

[0019]图4是示出了脱气器的细节的视图；

[0020]图5是示出了蒸发室的细节的视图；

[0021]图6是示出了旋风除雾器的细节的视图；

[0022]图7是水净化系统的实施例的控制电路的视图；

[0023]图8是示例性脱气器设备的横截面图；

图9是与电磁除垢器集成的热量回收系统的视图；

[0024]图10是与水软化集成的热量回收系统的视图；

[0025]图11是水软化装置的视图；

[0026]图12是具有超声波除垢器的先进的蒸馏系统的视图。

具体实施方式

[0027]本发明的实施例在某些情形中以示例形式或参照一个或多个附图而公开在本文中。然而，任何这样的一个具体实施例的公开仅是示例性的，而非指示本发明的全部范围。

[0028]本发明的某些实施例包括防止水垢聚集在各种蒸馏系统的各种表面上的装置(包括涂层)和方法。本发明通过首先描述蒸馏系统的总体说明然后描述水垢减少装置的具体方面及方法而概述多种实施例。然后，该说明书概述可以应用除垢实施例的特定蒸馏装置的各种示例性实施例。

蒸馏系统

[0029]本发明的某些实施例包括用于水净化的系统、方法及设备。优选的实施例提供完全自动化的并且在很长时期内不需要清洁或使用者介入的广泛范围的水净化。例如，本文所公开的系统可以在没有使用者控制或介入的情况下运行2、4、6、8、10、或12个月或更长时间。在优选实施例中，所述系统可以自动运行1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、或15年，或更长时间。

[0030]因此，本发明的某些实施例提供一种水净化系统，其至少包括：入口、预热器、脱气器、蒸发室、除雾器、产物冷凝器、废物出口、产物出口、及控制系统，其中从所述出口排出的产物水基本上是纯净的，且其中所生成的产物水的体积是输入水体积的至少约10、15、或20％，且其中所述控制系统允许所述净化系统在无需使用者介入的情况下通过重复的循环而操作。在优选实施例中，所生成的产物水的体积是输入水体积的至少约25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、96、97、98、或99％或更多。因而，所述系统在获得入口水和/或处理废水需要较高的费用或不方便的情况下具有很大益处。就其每单位输入水或废水所生成的产物水而言，所述系统比许多其它系统明显更有效。

[0031]在不同实施例中，基本上纯净的水可以是符合任一下列标准的水：对于任一污染物而言，净化后的水的纯度是入口水纯度的至少25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、100、125、150、175、200、250、500、750、1000倍或更多倍。在其它实施例中，对于入口水存在的多种污染物而言，基本上纯净的水是净化至上述其中一种水平的水。即，在这些实施例中，水纯度或品质是一种或多种污染物的一组的浓度的函数，并且基本上纯净的水是具有，例如，如下浓度比例的水：入口水中这些污染物的浓度与产物水中相同污染物的浓度的比例是25倍或更大。

[0032]在其它实施例中，水纯度可通过电导率测量，其中超纯水典型地具有小于约1μ西门子的电导率，并且蒸馏水通常具有约5的电导率。在这些实施例中，产物水的电导率一般是介于约1与7之间，典型地介于约2与6之间，优选地介于2与5之间、2与4之间或2与3之间。电导率是总的溶解固体(TDS)的量度，且是相对于盐、离子、矿物等的水纯度的良好指标。

[0033]可替换地，水纯度可由各种标准测量，这些标准例如是表1和表2中所列出的现行EPA标准以及表2中列出的其它公认的标准。因此，本发明的优选实施例能够减少来自各种污染物的一种或多种污染物中任一种，这些污染物包括例如表1中列出的任何污染物，其中当入口水的这种污染物或者这些种污染物的水平高达特定的MCL约25倍(fold)时，最终产物水的这种污染物或者这些种污染物的水平等于或低于标记为“MCL”的列中所指定水平。同理，在某些实施例中且对于某些污染物而言，当入口水比MCL或产物水具有30-、40-、50-、60-、70-、80-、90-、100-、150-、250-、500-、或1000-倍(fold)或更高倍数的污染时，本发明的系统可除去污染物至MCL水平。

[0034]尽管任何系统从入口水中除去污染物的能力在某种程度上是都入口水中总杂质水平的函数，但本发明的系统特别好地适合于从单一原料流中除去各种不同类别的多种不同的污染物，从而生成相当于蒸馏水的水，且在某些情形中相当于超纯水。应注意：表1中“待处理水(challenge water)”列含有EPA测试中所用的水的污染物浓度水平。本发明的水净化系统的优选实施例通常可除去比此列中所示量大得多的量的初始污染物。然而，当然，对应在“待处理水”列中提及的那些污染物水平同样地也在本发明实施例的能力范围。

表1

金属            单位 规范         MCL           待处理水

铝              Ppm               0.2           0.6

锑              Ppm               0.006         0.1

砷              Ppm               0.01          0.1

铍              Ppm               0.004         0.1

硼              Ppb                             20

铬              Ppm               0.1           0.1

铜              Ppm               1.3           1.3

铁              Ppm               0.3           8

铅              Ppm               0.015         0.1

锰              ppm               0.05          1

汞              ppm               0.002         0.1

钼              ppm                             0.01

镍              ppm                             0.02

银              ppm               0.1           0.2

铊              ppm               0.002         0.01

钒              ppm                             0.1

锌              ppm               5             5

总混合物小计                                    36.84

无机盐          单位  规范        MCL           待处理水

溴化物          ppm                             0.5

氯化物          ppm               250           350

氰化物          ppm               0.2           0.4

氟化物               ppm            4                  8

硝酸盐，象NO3        ppm            10                 90

亚硝酸盐，象N2       ppm            1                  2

硫酸盐               Ppm            250                350

总混合物小计                                           800.9

第4组：2种高度挥发

性VOC+2种非挥发物

七氯(Heptachlor)   ppm     EPA525.2    0.0004     0.04

四氯乙烯-PCE       ppm     EPA524.2    0.00006    0.02

环氧氯丙烷         ppm                 0.07       0.2

五氯苯酚           ppm     EPA515.4    0.001      0.1

总混合物小计                                      0.36

第5组：2种高度挥发性

VOC+2种非挥发物       单位    规范        MCL     待处理水

四氯化碳              ppm     EPA524.2    0.005   0.01

间，对-二甲苯         ppm     EPA524.2    10      20

二(2-乙基己基)己二酸  ppm     EPA525.2    0.4     0.8

酯

三氯乙酸              ppm     SM6251B     0.06    0.12

总混合物小计                                      21.29

第6组：3种高度挥发性VOC+

3种非挥发物           单位    规范     MCL     待处理水

1，1-二氯乙烯         ppm              0.007   0.15

乙苯                                ppm     EP524.2    0.7     1.5

艾氏剂(Aldrin)                      ppm     EPA505     0.005   0.1

茅草枯(Dalapon)(2，2-二氯丙         ppm     EPA515.4   0.2     0.4

酸)

呋喃丹(Furadan)                     ppm     EPA531.2   0.04    0.1

2，4，5-TP(2，4，5-涕丙酸(silvex))  ppm     EPA515.4   0.05    0.1

总混合物小计                                                   2.35

第7组：3种高度挥发

性VOC+3种非挥发物    单位   规范        MCL      待处理水

三氯乙烯-TCE         ppm    EPA524.2    0.005    0.1

甲苯                 ppm    EPA524.2    1        2

1，2，4三氯(代)苯    ppm    EPA524.2    0.07     0.15

2，4-D               ppm    EPA515.4    0.07     0.15

甲草胺(Alanex)       ppm    EPA525.2    0.002    0.1

西玛津(Simazine)     ppm    EPA525.2    0.004    0.1

总混合物小计                                     2.6

第8组：3种高度挥发性

VOC+3种非挥发物          单位   规范        MCL     待处理水

氯乙烯(Chloroethene)     ppm    EPA524.2    0.002   0.1

1，2-二氯(代)苯(1，2DCB) ppm    EPA524.2    0.6     1

氯苯                     ppm    EPA524.2    0.1     0.2

阿特拉津(Atrazine)       ppm    EPA525.2    0.003   0.1

Endothal                 ppm    EPA548.1    0.01    0.2

杀线威(Oxamyl)           ppm    EPA531.2    0.02    0.4

(Vydate)

总混合物小计                                        2

第9组：3种高度挥发性

VOC+3种非挥发物    单位   规范          MCL    待处理水

苯乙烯             ppm    EPA524.2      0.1    1

苯                 ppm    EPA524.2      0.005  0.2

甲氧氯             ppm    EPA525.2/505  0.04   0.1

草甘膦             ppm    EPA547        0.7    1.5

毕克烂(Pichloram)  ppm    EPA515.4      0.5    1

1，3-二氯(代)苯    ppm    EPA524.2      0.075  0.15

(1，3DCB)

总混合物小计                                   3.95

第10组：3种高度挥发性

VOC+3种非挥发物           单位  规范          MCL     待处理水

1，2-二氯丙烷(DCP)        ppm   EPA524.2      0.005   0.1

氯仿                      ppm   EPA524.2      80      0.1

溴化甲烷(甲基溴)          ppm   EPA524.2              0.1

PCB1242氯化三联苯         ppb   EPA505        0.5     1

氯丹(Chlordane)           ppm   EPA525.2/505  0.002   0.2

MEK-Methylehtylketone(2-  ppb   EPA524.2              0.2

丁酮)

总混合物小计                                          1.7

第11组：4种挥发性VOC+  单位    规范        MCL    待处理水

5种非挥发性PCB

2，4-DDE                      ppm    EPA525.2            0.1

(dichlorodiphenyldichloroeth

ylene)

一溴二氯甲烷                  ppb    EPA524.2    80      0.1

1，1，1-三氯乙烷(TCA)         ppm    EPA524.2    0.2     0.4

溴仿                          ppm    EPA524.2    80      0.1

PCB 1221氯化三联苯            ppm    EPA505      0.5     0.05

PCB 1260氯化三联苯            ppm    EPA505      0.5     0.05

PCB 1232氯化三联苯            ppm    EPA505      0.5     0.05

PCB 1254氯化三联苯            ppm    EPA505      0.5     0.05

PCB 1016氯化三联苯            ppm    EPA505      0.5     0.05

总混合物小计                                             0.95

第12组：5种挥发性VOC+

5种非挥发性PCB       单位   规范          MCL     待处理水

二氯甲烷(DCM)

亚甲基氯

(methylenechloride)   ppm    EPA524.2      0.005   0.1

1，2-二氯乙烷         ppm                  0.005   0.1

林丹(Lindaile)(gamma  ppm

BHC)                         EPA525.2      0.0002  0.05

苯并芘                ppm    EPA525.2      0.0002  0.05

异狄氏剂(Endrin)      ppm    EPA525.2/505  0.002   0.05

1，1，2-三氯乙烷(TCA) ppm    EPA524.2      0.005   0.05

MTBE                  ppm    EPA524.2              0.05

二溴乙烷-EDB                ppm EPA504.1       0.00005  0.05

2-(1-甲基-正丙基)-4，6-二硝

基苯酚(Dinoseb)             ppm EPA515.4       0.007    0.05

邻苯二甲酸二(2-乙基己)酯

(DEHP)                      ppm EPA525.2       0.006    0.05

总混合物小计                                            0.5

第13组：6种VOC的平    单位   规范      MCL      待处理水

衡

氯甲烷(甲基氯)        ppm    EPA524.2           0.1

毒杀芬(Toxaphene)     ppm    EPA505    0.003    0.1

反式-1，2-二氯乙烯    ppm    EPA524.2  0.1      0.2

二溴一氯甲烷          ppm    EPA524.2  80       0.05

顺式-1，2-二氯乙烯    ppm    EPA524.2  0.07     0.05

1，2-二溴-3-氯丙烷    ppm    EPA504.1  0.0002   0.05

总混合物小计                                    0.55

[0035]可以基于系统的除去各种污染物的能力来测定水纯度和/或净化性能效率。对于许多生物污染物而言，目的是除去基本上全部有生命的污染物。表2列出了水源的额外常见污染物及用于测试污染物水平的标准规范。表1和2中所列规范可以以公开方式在以下各处取得：关于常见水污染物的超文本传输协议www.epa.gov/safewater/mcl.html#mcls；Methods for the Determinationof Organic Compounds in Drinking Water，EPA/600/4-88-039，1988年12月，1991年7月修订。方法547、550及550.1是在Methods for theDetermination of Organic Compounds in Drinking Water-Supplement I中，EPA/600-4-90-020，1990年7月。方法548.1、549.1、552.1及555是在Methods for the Determination of Organic Compounds in DrinkingWater-SupplementII中，EPA/600/R-92-129，1992年8月。方法502.2、504.1、505、506、507、508、508.1、515.2、524.2、525.2、531.1、551.1及552.2是在Methods for the Determination of Organic Compounds inDrinking Water-SupplementIII中，EPA/600/R-95-131，1995年8月。方法1613的标题为“Tetra-through OctaChlorinated Dioxins and Furansby Isotope-Dilution HRGC/HRMS”，EPA/821-B-94-005，1994年10月。上述方法的每一个的全部内容都通过参考包含于此。

表2

1金属&无机物                                      规范

石棉                                              EPA 100.2

游离氰化物                                        SM 4500CN-F

金属Al、Sb、Be、B、Fe、Mn、Mo、Ni、Ag、Tl、V、Zn  EPA 200.7/200.8

阴离子-NO₃-N、NO₂-N、Cl、SO₄，总硝酸盐/亚硝酸盐   EPA 300.0A

溴化物                                            EPA 300.0/300.1

浊度                                              EPA 180.1

2有机物

挥发性有机物-VOASDWA列表+硝基苯    EPA 524.2

EDB&DBCP                           EPA 504.1

半挥发性有机物-ML525列表+EPTC      EPA 525.2

农药和PCB                          EPA 505

除草剂-调节(regulated)/未调节      EPA 515.4

(unregulated)的化合物

氨基甲酸酯                         EPA 531.2

草甘膦                             EPA 547

敌草快                             EPA 549.2

二恶英(Dioxin)                          EPA 1613b

1，4-二氧六环                           EPA 8270m

NDMA-2ppt MRL                           EPA 1625

3放射物

总α和β(cross Alpha & Beta)            EPA 900.0

镭226                                   EPA 903.1

铀                                      EPA 200.8

4消毒副产物

THMs/HANs/HKs                           EPA 551.1

HAAs                                    EPA 6251B

醛类                                    SM 6252m

水合氯醛                                EPA 551.1

氯胺                                    SM 4500

氯化氰                                  EPA 524.2m

表3-用于系统检验的示例性污染物

1金属&无机物                                       MCLG ¹

石棉                                               ＜7MFL²

游离氰化物                                         ＜0.2ppm

金属Al、Sb、Be、B、Fe、Mn、Mo、Ni、Ag、Tl、V、Zn   0.0005ppm

阴离子-NO₃-N、NO₂-N、Cl、SO₄，总硝酸盐/亚硝酸盐    ＜1ppm

浊度                                               ＜0.3NTU

2有机物

挥发性有机物-VOASDWA列表+硝基苯

EDB&DBCP                               0ppm

半挥发性有机物-ML525列表+EPTC          ＜0.001ppm

农药和PCB                              ＜0.2ppb

除草剂-调节/未调节的化合物             ＜0.007ppm

草甘膦                                 ＜0.7ppm

敌草快                                 ＜0.02ppm

二恶英(Dioxin)                         0ppm

3放射物

总α和β                               ＜5pCi/l³

镭226                                  0pCi/l³

铀                                     ＜3ppb

4消毒副产物

氯胺                                   4ppm

氯化氰                                 0.1ppm

5生物制品

隐性芽胞虫菌(Cryptosporidium)          0⁴

贾第虫(Giardia lamblia)                0⁴

总大肠菌                               0⁴

1MCLG＝最大浓度限值指导

2MFL＝百万纤维/升

3pCi/l＝皮可居里(pico Curies)/升

4基本上没有可检测到的生物污染物

[0036]在优选实施例中，入口开关是当接收到表明所述系统能够接收用于净化处理的额外水的信号时可启动(打开)的螺线管。需要更多入口水的这种反馈可以来自所述系统内各个点，包括，例如，蒸发室中的水位、产物储存罐中的水位、进入脱气器的预热水的温度、离开蒸发室的蒸汽的温度或体积等。同样，螺线管型开关的各种替换方案是本领域的技术人员能够得到的，例如，阀、孔、蠕动型管压缩机构及封口、压电开关等。

[0037]与流量控制器有关，任选地，所述流量控制器可通过改变压力来调节进入所述系统中的水流量，这样的压力变化可通过在所述系统内测定对入口水的更大需求等以信号告知。此可变的流量控制而非二元流量控制可允许在所述系统中获得某些功效。

[0038]其它控制及反馈点可在系统自动化功能方面提供其它益处，包括，例如，检测所述系统中任一点处的水品质，检测所述系统中任一点处的水或蒸汽的体积、检测表明系统故障的泄漏或温度等。所述系统的实施例涵盖所有这些控制及这些控制的组合。这些包括，例如，控制检测溢流、储存罐容量、蒸发室容量等。在各个实施例中，反馈可以是定性的和/或定量的。这些可包括，例如，产物水容器中的水量、经过产物出口的产物水流量、水流动时间、无水流动时间、蒸发室中的水量、泄漏检测、蒸发室压力、输出水品质(例如，总溶解固体的测量)、跨越所述蒸发室或所述系统中其它多个点的压差、跨越蒸发室溢流堰浮标(overflow weir float)的水流量等。

[0039]一旦通电并启动所述系统，所述系统可在所述系统基本上整个使用寿命期间设置成完全自动控制。所述系统包括各种反馈机构，以避免溢流并调节水流量、压力、输出及清洁循环，以便在正常环境下不需要使用者介入。这些控制包括蒸发室中的浮标水平检测器、侧浮动开关、定时器、风扇开关及功率计。

[0040]停机控制包括：人工控制；溢流控制，其可以是位于临近容纳罐的系统底部中的浮标或湿气检测器；罐容量控制及蒸发室容量控制。除了提供二元、开/关、切换入口水或其它参数的控制外，所述系统还涵盖变量控制，例如，基于压力或体积的流量控制、压力调节器等。例如，在优选实施例中，压力调节器可调节入口水压力，使得入口水压力在例如0与250kPa之间。在其它实施例中，所述压力可以是10、20、30、40、50、75、100、125、150、175、200、225、275、300、350、400、450、或500kPa或更大。压力调节(任选地与其它参数调节相结合)可减小(attenuate)所述系统中水流体积及速度。例如，与所述系统尺寸相结合的压力调节可提供5和1000毫升/分钟之间或更大的水流速率。尽管本文所描述的系统主要针对相对小规模的水生产而阐述，但是所述系统可升级到任何体积的水生产。因此，水流体积没有上限。然而，示例性水流速率包括如下范围：10至500毫升/分钟、20至400毫升/分钟、30至300毫升/分钟、40至200毫升/分钟、50至150毫升/分钟、60至125毫升/分钟、70至100毫升/分钟、80至90毫升/分钟等。

[0041]所述系统还可以包括能够从入口水除去沉积物的沉积物捕集器，以避免所述系统由于这些沉积物而过早堵塞。本发明的系统可选择使用本领域已知的各种沉积物捕集器。同样地，为了最小化使用者介入以及对清洁的需求，沉积物捕集器本身可具有自清洁特征。例如，沉积物捕集器可具有多个旋转筛，其中从淤塞筛至新筛的旋转可由跨越所述装置的水压差驱动，使得当筛子到达聚集沉积物的某一饱和点时，沉积物捕集器会切换成未受沉积物淤塞的筛。在某些实施例中，可将淤塞筛放置到水的流通路径中，使得水可以沿着与流过所述筛的初始流向的相反的方向流过所述筛，从而将沉积物移至废物路径或排放口。因此，本文所公开的系统涵盖使用常规的以及自清洁的沉积物捕集器。

[0042]所述水净化系统的预加热功能元件优选涉及预热管。然而，此功能可以以许多不同的方式实施，只要能使流入所述系统的水在约90℃或更高温度下到达脱气器即可。因此，所述预加热功能元件可以以许多不同的形式体现，包括，例如，圆柱形管、螺旋体、平板或分支网、具有表面积与内体积的高比例设计的任一种空心结构、管腔(其与允更大或更小的管腔共轴，以许在所述两个管腔之间通过管壁进行热交换)等。

[0043]在优选实施例中，预热管穿过所述蒸发室或在蒸发室邻近通过，且预热管构造成使得入口水经过所述预热管的流速允许其在所述蒸发室中或所述蒸发室附近具有一定范围的停留时间，该停留时间足以将预热管中的水温升高至约90℃或更高。依据系统规模及用于水的通过量的系统容量，所述预加热功能可受益于允许有效的热交换的材料及构造。可替换地，在某些实施例中，结构的耐久性、空间考虑、维护方便性、材料的可用性或费用以及其它考虑因素可影响本发明在该方面的设计选择。

[0044]在优选实施例中，预加热功能元件是不锈钢管，尽管不锈钢管具有相对低的导热率，但其具有有益的耐久性的性质。在这样的实施例中，不锈钢管具有壁厚、内径及其它性质，以便提高在热源与管内的水之间的热交换效率。在特别优选的实施例中，所述预热管是穿过蒸发室的盘管。优选地，所述盘管的取向是水平的：进入所述盘管与离开所述盘管的水在蒸发室内大致处于同一高度，且经过所述盘管的水在所述盘管内经历一系列上升运动然后经历一系列下降运动，这有利于水与气泡混合，并可避免大气泡聚并。大气泡的这种聚并通常是不期望的，这是因为所述大气泡能够干扰水正常地流过预热器，并进入脱气器和/或能够干扰所述脱气器的正常功能。然而，在某些实施例中，脱气器功能元件是足够坚固的，以承受来自入口水的大体积蒸汽，并且在这样的实施例中，预加热功能元件的设计不需要特别考虑避免这种聚并。

[0045]在某些实施例中，所述系统在非标准环境条件(例如高海拔)可有利地发挥作用。在高海拔处，水沸点低于100℃，因而以正常速率对蒸发室实施加热时会产生更大量蒸汽，并允许所述系统的更高数量的通过量。在这样的实施例中，显然预加热温度也会被影响。考虑到更低的蒸发室温度，则可通过允许水在预热管中更长的停留时间来实现预加热至期望温度，例如，通过将所述管构造成在等同流速下具有更大体积或在等同体积下具有更低流速。然而，由于蒸发室中蒸汽产生的水平升高，因此在大多数实施例中，通过下调预热管中的流速来获得有利的停留时间及期望的预加热温度将是不利的。这是因为产生蒸汽的速率越大意味着伴随着越高的入口水需求。

[0046]在其中预热管与另一管共轴的实施例中，可发生所述系统的任何高热量部分与低热量入口水之间的热交换。此热交换可通过共轴区的结构确定，并且可受诸如壁厚、热交换材料组成等因素的显著影响。在优选实施例中，通过与入口水进行热交换而实现蒸汽冷凝，从而允许来自废蒸汽或产物蒸汽的过量热量转移至较低温度的入口水中，由此有助于预加热功能，并且在某些情形中允许蒸发室中更短的停留时间和/或经过所述系统的更高的水总流量。此外，这种热交换的另一个益处是提高的能量效率和减少的离开所述系统而进入周围环境中的过量热量。共轴布置的替换实施例包括具有热交换能力的任一常规构型，例如，临近的平板；根本上，可将高温水或蒸汽与低温水邻近放置并能够使能量从高温水传递至低温的任意构型都可以实现热交换效应，并且被视为本发明的实施例。

[0047]脱气器性能的关键因素是传质比(mass transfer ratio)：在竖直脱气器中下行的水质量与上升的蒸汽质量的比。实际上，可使用各种使水与气体发生传质逆流的构造实现脱气功能。在某些实施例中，所述气体是蒸汽；在其它实施例中，所述气体可以是空气、氮气等。水与蒸汽混合的速度及活动性受脱气器柱介质的尺寸、构型及填料以及所述介质粒子之间的空隙体积的影响。在优选实施例中，填充介质粒子以形成螺旋。脱气器性能受经过它的蒸汽与水的速度和体积的影响；这些可通过诸如蒸汽入口和出口孔的尺寸、水流速率等因素控制。其全部内容通过参考包含于此的Williams，Robert The Geometrical Foundation ofNatural Structure：A Source Book of Design，纽约：多佛，1979提供了关于脱气器功能和设计有关的的有用信息。

[0048]因此，控制入口水流速、避免预热管中出现大蒸汽泡等可有助于有效地发挥所述脱气器的功能。当这些参数不在期望范围内时，脱气器中可能会发生溢流或喷射。入口水的溢流会在脱气器中形成水塞，喷射会使水随着蒸汽从所述脱气器中射出，两种情形的任一种都会影响脱气器的性能。因此，期望在可最小化溢流和喷射并具有水流入与蒸汽流出之间的良好平衡的区域中进行操作。本发明的实施例的脱气器特别重要，原因是该脱气器不像许多常规脱气器那样为了严格地除去一种污染物而设计。相反，它可极为有效地除去各种污染物。在其中入口水例如含有1ppm污染物的典型情形中，该处理旨在实现将所述污染物减少至50、40、10、5、2或1ppb。

[0049]依据期望的系统吞吐量以及基于影响系统设计的因素所作出的其它设计选择，蒸发室基本上可具有任意尺寸及构造。例如，所述蒸发室可具有约1加仑或2加仑至10加仑、11至100加仑、101至1000加仑或更大的体积容量。因为本发明的系统可完全升级，所以所述蒸发室的尺寸是可变化的，并可根据需要加以选择。同样，蒸发室的构造可根据需要而变化。例如，所述蒸发室可以是圆柱形、球形、矩形或任何其它形状。

[0050]在优选实施例中，蒸发室的下部呈阶梯状，以具有比所述蒸发室的上部更小的横截面积。在所述阶梯的上方优选地是排放口，使得当排水时，残留的水保留在所述阶梯的下方。蒸发室的低于所述阶梯的部分也可容纳清洁介质，使得在排水后，所有清洁介质和一些残留的水会保持在下部中。所述下部的益处是在蒸发室迅速排水后，热量可再次施加于所述蒸发室，从而允许在第一批新的入口水进入蒸发室之前迅速产生蒸汽。该初始生成的蒸汽允许蒸汽流过脱气器，以在开始新的循环时实现稳定状态，这有利于有效地对入口水脱气。同样，蒸发室中的残留水量可避免对所述蒸发室干加热，所述干加热可对所述蒸发室自身以及自清洁介质的耐久性和稳定性造成不利影响。

[0051]在某些实施例中，蒸发室仅通过重力排水，在其它实施例中，蒸发室排水由泵作用驱动。期望的是，蒸发室迅速排水，以避免沉积物、盐及其它微粒沉积。迅速排水优选地持续约不足30秒，尽管稍微缓慢地排水基本上仍可实现避免沉积等期望的益处。

[0052]自清洁介质可选自许多适宜的代替方案的任一种。这些代替方案包括玻璃或陶瓷珠或球、石头、具有各种形状中的任何一种的合成结构等。在每一种情形中，自清洁介质的性质应选择成使得通过沸腾水搅动将使自清洁介质的各个粒子移位，但这种移位可受到自清洁介质的物理性质的克制，从而致使每个粒子都再次落到蒸发室的底部、撞击所述蒸发室的底部，以驱逐任何沉淀物或水垢。例如，具有相对高的比重但具有相对小的表面积与体积比例的自清洁介质可以以与具有较低比重但具有相对大的表面与体积比例的第二自清洁介质大致相当的方式发挥作用。在每一情形中，本领域的技术人员能够选择形态和组成的组合，以实现期望的结果。在某些实施例中，可采用代替的自清洁方法，例如，应用超声波能量。

[0053]设计选择自清洁介质的另一个考虑因素是其硬度。一般而言，该硬度应与构成蒸发室的材料的硬度大致相当。这允许长期持续地使用自清洁介质，而不会对所述介质或所述蒸发室的壁或底部造成明显磨蚀。在某些其中蒸发室的加热元件位于所述蒸发室内部的实施例中，可选择自清洁介质的硬度及其它性质，以避免对所述加热元件以及蒸发室自身造成磨蚀和/或其它损害。

[0054]由于由蒸发室的结构及蒸发室清洁介质提供的自清洁功能，因此本发明的实施例的系统在其正常使用寿命期间不需要清洁。在某些实施例中，在2、3、4、5或6个月内不需要清洗。在其它实施例中，在9、12、18、24、30、或36个月内不需要清洗，在其它实施例中，在4、5、6、7、8、9、10年、或更长时间内不需要清洗。

[0055]所述加热元件可位于蒸发室内、蒸发室正下方，或可与蒸发室形成一个整体。例如，在优选实施例中，所述加热元件放置在蒸发室的底部的正下方，并且通过例如钎焊而结合至所述蒸发室。加热器与蒸发室的连接方法会影响自清洁介质的清洁和搅动，以及所述系统的效率。钎焊(大致相当于低温焊接)是一种可使不同金属形成合金结合的过程，从而允许紧密接触以及从加热元件传热至蒸发室。在优选实施例中，加热元件与蒸发室的底部成水平板，这对于把热量传递到水是优选的，并且对于自清洁功能也是优选的。

[0056]水在蒸发室中的停留时间可基于入口水的性质及系统的期望性能而在一个范围内变化。可通过各种因素(包括输入水中是否含有生物污染物)确定适宜的范围。有效地除去生物污染物可能要求在蒸发室中暴露于高温下一不定量的时间。某些生物污染物较其它污染物倾向于更快地受到高热的影响。在许多实施例中，短达10分钟的停留时间足以杀灭大部分的生物污染物。在其它实施例中，期望更长的停留时间，以便更彻底地消除广谱的生物污染物。蒸发室中停留时间范围的上限值通常由效率因素决定，该效率因素与维持选择的体积水处于沸腾温度所需的能量和期望的产物水生成速率的比较相关。因此，蒸发室中的停留时间可与水到达沸点并形成蒸汽所需的最短时间一般短至可有利于去除生物污染物的时间点，例如10、15、20、25、30、35、40、45分钟等等。而且，在某些实施例中可选择更长的停留时间，例如50、60、70、80及90分钟或更长时间。

[0057]离开蒸发室的蒸汽一般不含有微粒、沉积物及其它污染物。然而，沸腾作用可使某些污染物被携带入蒸汽相中，例如在空气/水界面处所形成雾的微滴表面上。可利用除雾器从这种载有污染物的雾中分离洁净的蒸汽。各种除雾器为本领域的技术人员所知，包括那些采用筛子、挡板等以基于尺寸及流动性从雾分离蒸汽的那些除雾器。优选的除雾器是基于差别密度利用气旋作用从雾分离蒸汽的那些除雾器。气旋分离器的工作原理是使流体或气体以径向运动高速运动，从而对所述流体或气体的组分施加离心力。常规气旋分离器具有在某些情形中可有助于角加速度的圆锥形部分。然而，在优选实施例中，所述系统中所用的旋风分离除雾器不具有圆锥形部分，而基本是平的。控制气旋分离器的分离效率的关键参数是蒸汽入口的尺寸、用于洁净蒸汽和用于载有污染物的雾的两个出口的尺寸、以及进口点与出口点之间的压差。

[0058]除雾器通常位于蒸发室内或蒸发室上方，从而允许蒸汽自蒸发室经过入口孔而进入除雾器。经过此孔进入除雾器的蒸汽具有初速度，所述初速度主要是蒸发室与除雾器之间的压差和所述孔的构造的函数。通常，跨越所述除雾器的压差是约0.5至10英寸水柱(column inch ofwater)-约125至2500Pa。入口孔一般设计为不会对进入气旋分离器的蒸汽提供明显的阻力。然后，通过使蒸汽穿过例如比入口孔显著更窄的加速孔来进一步加速蒸汽。在高速下，具有比雾更低得多的密度的洁净蒸汽移向气旋分离器中心，同时所述雾移向周边。位于气旋分离器的中心的洁净蒸汽出口为洁净蒸汽提供排出点，而位于气旋分离器周边附近的雾出口使雾自所述除雾器流出。洁净蒸汽从除雾器进入冷凝器，而雾被导向到废物。在典型操作中，洁净蒸汽与雾的比例是至少约2∶1；更经常为3∶1、4∶1、5∶1或6∶1；优选为7∶1、8∶1、9∶1或10∶1，并且最优选地大于10∶1。可基于若干因素调节除雾器选择性，这些因素包括，例如，洁净蒸汽出口的位置和尺寸、跨越除雾器的压差及除雾器的构造和尺寸等。在2005年7月6日提交的标题为IMPROVED CYCLONEDEMISTER的美国临时专利申请No.60/697107中提供了关于除雾器设计的其它信息，其全部内容通过参考包含于此。本文所公开的除雾器可极为有效地除去含有亚微细粒级别的污染物。相反，其它设计的除雾器，例如，筛型及挡板型除雾器，在除去亚微细粒级别的污染物方面效率要低得多。

[0059]产物和废蒸汽通常在所述系统中冷凝。过量的热量可通过散热片、风扇、换热器或热管而散失。2006年10月16日提交的题为ENERGY-EFFICIENT DISTILLATION SYSTEM的PCT专利申请No：PCT/US2006/04533(代理人案号SYLVAN.010VPC)中提供了关于用于将热量自冷凝蒸汽转移到入口水的热管的讨论，其全部内容通过参考包含于此。

[0060]例如，冷凝成净化水的产物蒸汽被引导到产物出口或储存罐。储存罐可具有抵抗腐蚀和氧化的任何适合的成分。用于储存罐的优选成分包括不锈钢、包括聚丙烯的塑料等。在某些实施例中，所述储存罐包括可避免溢流和/或检测水位的控制。这样的控制可减少入口水流量和/或消弱所述系统的其它功能，使得产物水响应于需求而生产。尽管进入储存罐的产物水极为清洁且基本上无菌，但可能需要在所述储存罐中提供任选的清洁/灭菌功能，以防外部污染物进入所述罐中并损害其清洁度。

[0061]所述储存罐内可具有用于整个控制系统的各种反馈控制。在优选实施例中，这些控制可包括控制入口水流量的反馈浮动开关，以及检测产物水中溶解的固体的电导计。在典型操作中，产物水中溶解的固体会非常地少。然而，如果污染物由于例如啮齿类动物或昆虫而沉积于储存罐中，则所产生的污染物会增加水的电导率。所述电导计可检测这种电导率的升高，并提供建议启动所述储存罐的蒸汽灭菌循环的指示。所述控制系统可具有如下能力：从储存罐排水；向所述储存罐连续输送蒸汽以对所述储存罐进行清洁和灭菌；以及然后重新启动水净化循环。在本发明的各个实施例中，这些操作可以以人工方式控制或以自动方式控制。

[0062]可将水从储存罐输送至出口，例如龙头，并且这种输送可通过重力和/或泵来进行。在优选实施例中，所述泵是在出口处保持恒定压力的应需(on-demand)泵，以便使来自出口的水流量充沛且一致。出口泵可通过储存罐中的传感器控制，以避免在所述罐中水位低于临界水平时，所述泵空运行。

减少水垢聚集

[0063]本发明的某些实施例包括用于防止水垢聚集在蒸馏系统的表面上的多种方法及设备。依据待处理水的特征，例如形成水中的离子的水垢成分，这些方法中的一种或多种方法可以单独地或相互结合地使用。本领域的技术人员应理解，可以将多种除垢装置应用于多种蒸馏装置的许多不同的部件。例如，本文中所述的室或通路中的任何一个都可以从目前公开的除垢装置中的某些受益。因而，虽然多种除垢器中的某些被描绘为应用于特定的室，但是本领域的技术人员将认识到，这些除垢器在蒸馏系统的其它含有液体的部分中也可以是有益的。

[0064]防止水垢形成的一种方法是通过向流入蒸馏器中的进入水流叠加电磁场，并且向预热器中所容纳的水中叠加类似的电磁场。电场或磁场激励电离的物质，特别是在含有高浓度的钙离子、镁离子和磷酸盐离子的水溶液中发现的那些电离的物质。当这些离子被激励时，它们从通常在硬水垢形成中会遇到的那些离子以不同的结晶形式沉淀。例如，钙离子以文石而非方解石的形式沉淀，并且文石明显较小程度地粘附到固体表面和/或形成更容易以悬浮形式保持的较软且较不稠密的固相。水垢控制机制对于电场或磁场是类似的，并且因此任何形式的电磁能都将具有类似的效应。然而，在某些实施例中，施加在一对电极上的电压足够小，以防止由于水的电解而导致电损。该电压的大小可以例如是小于10伏、小于5至6伏、或小于1至2伏。本发明的一个实施例提供一对或多对电极，例如，用于测量水的电导率电极、用于水垢控制以及用于同时地测量电导率的双重用途的电极。因而，在某些实施例中，可以使用电子除垢器。可以使用很多种电磁装置，并且可以采用变化的电压大小，例如，电压的范围可以是小于毫伏、几个毫伏至1伏、或者更大。

[0065]图9示出了具有两个电磁单元(electromagnetic cell)的先进的蒸馏系统的优选实施例。其中一个单元位于水入口处并且接触入口水管，而第二个单元位于沸腾室或煮器中或与该沸腾室或煮器接触。在图9中所示的实施例中，给水308经由水入口324进入所述系统，在该水入口324处，电磁除垢器321根据以上所述的机制激励存在于水308中的离子并减少水垢的形成。给水308可以通过热管306加热，该热管306用于在所述给水308进入煮器318以前预加热该水，所述煮器318在该实施例中包含第二电磁除垢器321。水蒸发成蒸汽并随后进入脱气器307，在该脱气器处，来自离开脱气器307的废气310的能量可以经由热管306转移到煮器318中的水。水蒸汽也进入除雾器315，所述除雾器315进一步除去废物并产生清洁蒸汽325，所述清洁蒸汽325进入蒸汽压缩机326。所述清洁蒸汽325在制冷回路322中冷却，并变成存储在产物罐323中的产物水。在某些实施例中，除垢器例如通过在给定时间周期内将聚集的水垢减少了1-10、10-20、20-40、40-50、50-55、55-60、60-70、70-80、80-90％或更多而能够显著地减少水垢的量。

[0066]本领域的技术人员应当清楚的是，图9中所示的实施例是包括脱气、除雾、水蒸发、热量回收以及硬水垢形成控制(或减少)的先进的蒸馏系统的许多可能构造中的其中一种。在某些实施例中，通过永久磁体或电磁铁或者通过交流电产生电磁场。此外，在某些实施例中，蒸馏系统可以包含更多或更少的电磁单元，例如，一个单元，或者三个、四个、五个或更多个单元。例如，可以具有接触水入口或煮器或者接触其它位置中的水(例如，产物罐中的水)的多个除垢器。因此，本发明不受本文中所述的优选实施例的具体公开的限制。

[0067]防止硬水垢形成的另一种方法是通过使用与蒸馏系统结合的水软化装置。常规水软化装置通过使用离子交换树脂用钠离子交换钙离子或镁离子而运行。这种树脂材料的交换离子的能力由树脂的成分、树脂的表面积以及树脂已使用的时间长度决定。在离子交换树脂耗尽其储备的钠离子后，它们可以在盐水溶液中再次补充钠离子。然而，由于常规软水器设计成容纳充足的树脂以最小化用盐水再生(recharge)树脂的频率，所以常规软水器是笨重的。某些实施例提供一种紧凑的水软化系统，所述紧凑的水软化系统可以在没有(或减少的)使用者介入的情况下进行再生。这通过如下而实现：控制树脂珠子的表面积，以便使树脂珠子的尺寸设计成均匀地在200筛目以下，并优选在325筛目以下，并且提供至少两个、三个、四个或更多个离子交换树脂的滤罐，以便当一个滤罐正软化进入的水时，至少一个其他的滤罐正用来自储蓄器的盐水进行再生，从而排除人的介入或维护。

[0068]图10示出了其中通过包括新颖的水软化装置而防止或减少硬水垢形成的水净化系统的实施例，所述新颖的水软化装置既紧凑又排除(或减少)了使用者介入。在图10中，水软化装置401是蒸馏系统的集成的部分，并且直接安装在入口水流之后。

[0069]图11是水软化装置401的详细示意图。在图11中，水通过入口308进入所述装置，并通过阀330(例如，电磁阀)被导向到两个交替路径中的一个。电磁阀330连接到定时装置，该定时装置在至少两个填充有离子交换树脂的滤罐331和332之间周期性地切换水流。树脂材料332的尺寸可以小于200筛目(mesh)，并优选小于325筛目，从而充分地细密以提供对于用钠离子有效地交换钙离子和镁离子所必需的表面积。在水通过离子交换滤罐以后，水流过允许软水进入所述蒸馏系统中的预加热阶段的阀330。当进入水在一个滤罐中软化时，含有用过的树脂的另一个滤罐331用由于重力而从容纳罐332中流出的浓缩盐水溶液冲洗，从而再生离子交换滤罐，以用于它的下一个循环。在可以是10-20、20-30、30-40、40-50、50-60、60-70、70-80、80-90、90-100、100-1000小时或更长时间的预定间隔之后，切换阀330，以使进入的水流转向到经过再生的滤罐，从而提供离子交换装置的连续操作。

[0070]本领域的技术人员将应认识到，水软化过程中包含多个可以调节的变量。例如，各滤罐331的尺寸取决于各滤罐中存在的树脂的量和其平均表面积，并且阀330的切换频率进而取决于存在的树脂的量和其粒度(size consist)。

[0071]其中防止或减少硬水垢形成的水净化系统的另一个实施例包括与所述系统中的水接触或相关联的至少一个超声波发生器。所述超声波发生器可以接触预热器(所述预热器例如可以是煮器)中的水，以防止或减少在所述系统的该部件中的硬水垢形成。在另一个实施例中，超声波发生器可以接触脱气器中的水，以防止或减少在脱气器中的硬水垢形成。在又一个实施例中，所述系统可以包括接触预热器或煮器中的水的超声波发生器和接触脱气器中的水的第二超声波发生器，以防止或减少在所述系统的这两个部件上的硬水垢形成。因为水是不可压缩的流体，所以水是用于声音传导的极好的介质。图12示出了其中借助超声波发生器336通过向煮器中的水施加超声波能量而防止或减少硬水垢形成的水净化系统的实施例。由超声波装置所产生的声音频率可以变化，并且可以包括，例如从约80cps至1兆赫或更大。

[0072]水垢由矿物积垢构成，该矿物积垢由碳酸钙、碳酸镁、磷酸铁和其它相对不能溶解的物质构成，上述其它相对不能溶解的物质由于它们在水中的溶解度随着温度而减小并且由于它们在水中的浓度随着沸腾作用而增大，从而从溶液中沉淀。碳酸钙(水垢的一般成分)在水中的溶解度随着温度增大而减小。

[0073]诸如碳酸钙、碳酸镁、磷酸铁和其它形成水垢的化学成分的物质的晶格在受到超声波能量时振动。当超声波能量含有与所述晶格的固有频率类似的频率时，水垢晶体发生共振，并且随着振动的振幅增大，这些晶体的许多部分可以被破环，从而减小了水垢晶体的尺寸。如碳酸钙以及类似的形成水垢的化学成分的物质具有可以使它们共振的多个频率。C.Lacave等人(C.Lacave等人，Measurement of NaturalFrequencies and Damping of Speleothems，12WCEE，2000，其全部内容通过参考包含于此)已经研究了主要由碳酸钙构成的石笋和钟乳石的固有频率，并且已经发现根据材料的尺寸，这些固有频率的在约53Hz至766Hz的范围内变化。其它的固有频率可以是高达700KHz，或者更高。

[0074]在优选实施例中，超声波发生器能够产生的频率在53、65、70、78、100、115、118、122、163、173、175、182、196、205、209、376、433、435、448、531、492、666、700、766Hz的范围内，或者是以上频率中的多个频率，或者高达770Hz，或者是上述值中的任何值之上、之下或之间的频率。

[0075]其中防止或减少硬水垢形成的水净化系统的另一个实施例包括向可以沉积硬水垢的表面(例如，脱气器壁上和珠子上以及煮器的内表面上)施加特殊涂层。诸如碳酸钙、碳酸镁、磷酸铁和其它化学成分的形成水垢的物质是离子物质。例如，在构成水垢的分子中的钙离子或铁离子是带正电的阳离子，而在这些分子中的碳酸盐离子或磷酸盐离子是带负电的阴离子。静电力有助于这些分子的相互吸引并用于这些分子的初期粘合到极性表面，例如，不锈钢或玻璃珠，在不锈钢和玻璃珠中，电荷不均匀地分布在构成表面的分子中。不锈钢和玻璃中的电极性分别来源于它们的金属和硅酸盐的结构。在不锈钢的情形中，铁原子、镍原子和铬原子在材料的表面中实际上用作阳离子并且提供吸引形成水垢的物质的、极化的、带正电的表面。在玻璃的情形中，玻璃分子的硅酸盐部分实际上用作阴离子，并从而提供吸引形成水垢的物质的、极化的、带负电的表面。

[0076]在其中防止或减少硬水垢形成的水净化系统的某些实施例中，煮器和脱气器的表面涂覆有非极性的涂层，例如，碳氟聚合物(例如，

涂层)。脱气器中的玻璃珠的表面被类似地涂覆，从而在预加热的水通过脱气器并在煮器中蒸发时向该预加热的水提供非极性的表面。从而，即使进入的水是硬的或被形成水垢的化学成分高度矿化而使水垢可以沉积，这种水垢也将不粘附或吸附到脱气器或煮器的表面上，而将以悬浮形式保持，直到所述水垢在蒸馏循环的结束时排出为止。

示例性水净化系统

[0077]下述讨论参考根据本发明的实施例的示例性水净化系统的结构特征。附图标记与图1至8中描绘的那些附图标记相对应。

[0078]在操作中，净化系统10包括连接到入口水管22的入口20，水经过所述入口水管22自入口20到达入口开关24。所述入口开关24可通过一个或多个来自控制系统的各种可能的反馈源来控制。在所描绘的实施例中，开关24是基于来自控制系统120的反馈(主要基于蒸发室50中水位的反馈)而打开或关闭的螺线管。入口开关24包括沉积物捕集器25，以避免系统10被沉积物淤塞。邻近入口开关24的是流量调节器26。流量调节器26可通过控制水压力而调节流量，从而一般保持水压力介于0与250kPa之间。

[0079]水离开流量调节器26而进入预热器进料管28，其将水输送至预热器30中。任选地，可在入口20、开关24、入口水管22、流量调节器26和预加热进料管28之间的一个或多个位置处设置预过滤器。水在入口32处进入预热器30，通过盘管34，并在出口36处离开所述预热器。盘管34定向成使得经过盘管34的水净流动是基本上水平取向的，同时水经过盘管34的实际路径包括经过所述水平面的多个通路，该多个通路包括经过盘管34的上升水流及下降水流以及盘管34每一圈的顶部及底部处的水平水流。人们相信，使热水通过以此方式定向的盘管可预加热水，同时可维持期望的水混合，这可避免形成大气泡或大蒸汽泡。在优选实施例中，预热器基本上位于蒸发室50内，并且优选以与加热元件56接触的蒸发室部分紧密相邻。

[0080]在出口36处离开预热器30的水进入经过预热的水管38并经过其到达脱气器40。水自预热器30离开时，水是至少约96℃，优选为约97、98或99℃或更高。优选地，脱气器30处于基本上竖直的定向。基本上竖直在优选实施例中指与铅锤或真垂线之间的偏差在0至5度内。在其它实施例中，基本上竖直可以指约5至20度的偏差。在其它实施例中，基本上竖直可以指约20至45度的偏差。脱气器40的构型一般为圆柱形，优选具有比直径大的高度。因此，经过预热的水在脱气器顶部42附近进入脱气器40，并在脱气器底部44附近离开脱气器40，由此进入蒸发室50。“邻近”或“附近”指在此处或接近，例如“邻近”顶部42的水进入点可以指水在顶部42处或经过顶部43而直接进入，或者可以指水在脱气器40的基本上比底部44更接近顶部42的区域中进入。

[0081]水向下经过竖直定向的脱气器40的路径将水置于与脱气器介质45密切接触的流动方式下。在优选实施例中，脱气器介质包括球形粒子。所述球形粒子优选地是玻璃。在替换实施例中，所述粒子可具有不同组成和/或可以是非球形的和/或不规则形状。在下文的标题为脱气器设备的部分中，提供了关于各种脱气器改进及构型的更具体的论述。

[0082]来自蒸发室50的蒸汽在底部44附近进入脱气器40，并且竖直上升与介质45接触，以经过脱气器蒸汽出口46在顶部42附近离开脱气器。向下流动经过脱气器40的水与上升经过脱气器介质45的蒸汽相遇，并且除去基本上全部气体和有机物。经过脱气器介质45的下沉预加热水和上升的蒸汽的明显非线性逆流有利于除去挥发性化合物及基本上全部呈气体形式的化合物。有利地且出人意料地，此脱气器40的构造和功能也允许除去水中原本非常难以除去的有机污染物。例如，所述系统允许从水中除去异丙醇，对于大部分系统而言，异丙醇是一种非常难以除去的污染物，这是因为异丙醇的性质与水的性质相似。

[0083]经过蒸汽出口46离开脱气器40的蒸汽进入废物冷凝器48，在其中该蒸汽冷凝并流入废物。在替换实施例中，通过与入口水管22、预热器进料管28或预热器30的任何部分进行热交换而执行废物冷凝器48的全部或部分功能，其作用是对来自脱气器废蒸汽的热量进行交换，以预加热入口水。这种热量交换具有双重益处：消耗来自系统10的过量热，使得热量不会辐射至系统10的局部环境，以及通过在脱气前对预热入口水提供能量来提高效率。所述热交换构型可包括各种热交换方式。在某些优选实施例中，通过废蒸汽管与预热管的共轴定向实现热交换。

[0084]经过脱气的水在脱气器40的底部44附近排放到蒸发室50中。蒸发室50优选地包括至少两个部分：上部分52和下部分53。所述两个部分在部分连接处54处连接。在优选实施例中，蒸发室50一般是圆柱形，上部分52的直径比下部分53的直径更大。在某些实施例中，部分连接处54基本上是水平的；而在其它实施例中，部分连接处54可具有倾斜取向。蒸发室加热元件56位于下部分53的底部55处，并且与该底部55密切接触。在连接处54处或其附近的是蒸发室排放口60。

[0085]也包含在蒸发室50内的是蒸发室清洁介质58。在优选实施例中，蒸发室清洁介质58是基本上球形的陶瓷粒子59的群。粒子59的尺寸和密度选择成允许粒子59即使在受到沸水搅拌时也会保持在蒸发室50的底部55附近，同时具有使得沸腾作用能够搅拌粒子59的性质(例如，尺寸和密度)。同样，蒸发室粒子59优选地也具有允许持久磨损底部55而不会对粒子59或底部55造成有害退化的硬度。在操作时，沸腾作用搅拌粒子59，使其升高而进入沸水中。当粒子59受到沸腾作用而被搅拌并升高时，它稍后会下落，打击蒸发室的底部。这种连续的上升、降落及打击作用会冲刷蒸发室50的底部55，进而防止水垢或其它沉积物的累积。

[0086]位于蒸发室的部分连接处54处或位于该部分连接处54上方的是蒸发室排放口60。蒸发室排放口60优选地位于连接处54处或位于该连接处54的上方，使得排放时蒸发室50处于清洁循环中，水从上部分52而非下部分53排出。在一个排放循环后，下部分53含有蒸发室清洁介质58及蒸发室水。这提供足够的水，以在开始另一循环时基本上立即生成蒸汽，所述蒸汽可上升并进入脱气器40中。蒸发室排放口60的构造优选地具有足够内部尺寸，以允许蒸发室50非常迅速地排放，这可避免沉积物沉淀。而且，蒸发室排放口60优选地具有开口，该开口构造成与蒸发室清洁介质58的粒子59的形状不互补。这种设计的非互补性可防止蒸发室清洁粒子59与蒸发室排放口60相结合(articulate)，并防止干扰正常排水。

[0087]选择进入蒸发室50和/或蒸发室体积的水流量，使得水在蒸发室50中具有约45分钟的平均停留时间。这样的停留时间大于公认的沸腾灭菌时间，从而杀灭水中的任何生物污染物。蒸发室50还包括蒸发室盖61。蒸发室盖61中的蒸发室蒸汽出口62允许蒸汽离开蒸发室50并进入除雾器70。鉴于基本上全部这些污染物保留在蒸发室50的液体水中而非保留在离开蒸发室50的蒸汽中，离开蒸发室并进入除雾器的蒸汽基本上不含气体、挥发物和有机物-已经通过脱气器40-且同样基本上不含沉积物、微粒、生物体、矿物质等。然而，这样的蒸汽可含有通过沸腾作用而携带入蒸汽相中的少量污染物。因此，离开蒸发室50进入除雾器70的蒸汽需要分离成洁净蒸汽和含有污染物的雾。

[0088]除雾器70以气旋分离器原理操作。蒸汽经由除雾器入口室72进入除雾器70。蒸汽自除雾器入口室72流出经过除雾器孔74进入除雾器气旋分离器空腔75中。气旋分离器空腔75基本上是圆柱形的，且可选择除雾器孔74的形状和取向，以将进入孔74的蒸汽高速引导到气旋分离器空腔75的周边，进而产生气旋分离效应。蒸汽绕气旋分离器空腔75的轴线的高速转动允许基于洁净蒸汽与污染的雾的密度差而分离。较小密度的洁净蒸汽被朝向气旋分离器空腔75中心驱动，并通过除雾器洁净蒸汽出口76离开气旋分离器空腔75。离开所述出口76的洁净蒸汽流入洁净蒸汽出口管78，同时污染的雾经由除雾器废物出口80离开气旋分离器空腔75。

[0089]洁净蒸汽自出口管78流入产物冷凝器90中。在优选实施例中，产物冷凝器包括盘形管，该盘形管的尺寸和组成选择成允许有效地进行热交换。冷凝器风扇94冷却产物冷凝器盘管90和废物冷凝器盘管48。冷凝的洁净蒸汽形成产物水，并经由产物管96导向到储存罐100中。沿产物管96定位的是三通阀98。在操作中，三通阀98可将产物水导向到废物或导向到储存罐100。

[0090]在典型的净化循环中，在蒸发室50升温及填充的开始期间-在完全运行所述系统的预加热和脱气功能之前-新循环的开始几分钟涉及升高预热器30和脱气器40中的温度。最终，所述系统到达允许有效脱气的预加热温度和蒸汽体积。因此，在净化循环的升温期间，在完全有效脱气之前，离开蒸发室50的蒸汽可受到残留挥发物和有机物的污染。为了避免这些污染物进入储存罐100中，在所述循环的前20分钟内进入除雾器清洁蒸汽出口管78并在产物冷凝器90中冷凝成水的蒸汽通过三通阀98分流到废物。系统升温20分钟后，预热器30和脱气器40完全运行，离开除雾器的洁净蒸汽基本上不含有挥发物和有机物，则三通阀切换成允许将产物水收集到储存罐100中。当水没有从储存罐100取出时，所述系统可在自开始启动后约24小时内循环，直至罐充满水。如果水被消耗，则所述系统可在约10小时内产生约2.5加仑水。储存罐100具有6加仑的可用体积。尽管不需要使用者介入和清洁，但如果需要这种清洁，所述系统确实可在收集罐100中为使用者提供选择蒸汽灭菌循环。

[0091]所述系统还包括产物泵102，该产物泵102在出口104处使产物水维持在基本上恒定的压力下。使用者界面板110包括示出了所述系统的开/关状态的LED以及各种任选的人工控制(如果需要)。

[0092]本领域的技术人员将应理解，以上所公开的任何除垢装置、涂层、方法等都可以应用到具有与水相关联的表面的上述元件和或方法，以帮助适宜地减少水垢形成。另外，将减少的水垢不必限制为应用除垢特征的部件(item)。从而，在某些实施例中，脱气器所应用的除垢器也可以很好地帮助减少煮器中的水垢形成。

控制电路

[0093]通过参照图7辅助这个讨论。当主电源开关通电时，所述控制电路借助容纳罐内的浮动开关确定该容纳罐中的水位状态。如果所述控制系统确定需要补充容纳罐中的水，则控制系统启动水净化程序。

[0094]在水净化循环期间，控制电路关闭蒸发室排水阀，打开入口水阀，并且接通“正在处理”灯、蒸发室加热元件、小时计数器及冷却风扇。所述控制电路还借助浮动开关监测蒸发室中的水位，并根据需要调节进入水的流量。流量调节通过入口开关、接收来自蒸发室中的浮动开关的反馈的螺线管而加以控制。作为安全性特征，控制电路也监测加热器和蒸发室的温度，并可在需要时切断加热器电源。

[0095]在系统热稳定的预定间隔(优选为20分钟)后，所述控制电路自动地将净化水输出流从旁路模式切换至容纳罐。一旦控制电路已确定所述容纳罐充满后，控制电路关闭水净化程序并启动所述系统的自清洁特征。

[0096]所述系统的控制电路连续监测容纳罐中水的状态，例如通过浮动开关监测数量并通过电导率监测品质。如果水品质变坏，则所述控制电路发出照亮警示灯的信号。如果水量低，则所述控制电路如上所述自动地开始处理净化水，以补充所述容纳罐。

[0097]所述控制电路还保持对水输送泵的检查，并且会在出现过载或罐中水位过低而不能可靠地供应纯净水时关闭所述泵的电源。最后，所述控制电路也可通过容纳所述系统的底盘中的浮动开关监测所述系统的水泄漏。这个开关在所述底盘中聚集显著数量的水时启动。在这种情况下，所述控制电路会由于泄漏而关闭整个系统。

实施例1

在脱气器中除去非挥发性或挥发性有机物

[0098]作为本发明的所描述的实施例中的脱气器效能的证明，在输入水中含有异丙醇的情况下进行测试。对所述系统实施通电(charge)以实现所述脱气器的全部功能；使所述系统升温，以便实现预热功能，并将稳态体积的蒸汽自蒸发室输送到脱气器中。将含有4ppm异丙醇的输入水样导入到所述系统中，随后定量测试来自此水样的产物水中异丙醇。测得减少了约100倍：输出水中的异丙醇浓度是约40ppb。

实施例2

除去生物污染物

[0099]由于总大肠菌群能够相对容易地在实验室中培养，因此选择总大肠菌群作为致病生物存在的主要指示细菌。大肠菌细菌不是致病的(可引起疾病的)生物，并且其仅具有轻度感染性。为此，这些细菌可相对安全地在实验室中操作。如果在水中发现大量大肠菌，则非常有可能的是，可能存在其它致病细菌或生物，例如，贾第虫属(Giardia)和隐胞子虫属(Cryptosporidium)。测试公共饮用供水以证明每100毫升饮用水中不存在总大肠菌。总大肠菌细菌的被认可得测试包括膜过滤方法、多管发酵方法、MPN及MMO-MUG(“Colilert”)方法。膜过滤方法使用可截留细菌的微孔过滤器。将所述过滤器置于具有生长丰富培养基(mEndo)的垫上的皮氏培养(培育)皿中并在35℃下培养24小时。收集在所述过滤器上的单独的细菌细胞生长成丘状菌落。所述大肠菌细菌具有金绿色光泽，并直接从所述培养皿计数。由于某些其它细菌可形成类似的颜色，需要实施使用更具体的培养基的验证测试。所述验证程序需要另外的24小时至48小时，以完成可疑阳性总大肠菌(suspectedpositive total coliform)实验的测试。

[0100]培养入口水样，以检测大肠菌细菌的存在。培养100毫升水样并检测大肠菌菌落。在本文中所述的系统中处理过所述入口水，并培养对应测试用产物水100毫升。没有检测到大肠菌菌落，表明产物水中不含有生物污染物。

脱气器设备细节和替换方案

[0101]通常通过加热进入水以升高挥发性化合物的蒸汽压力来对水进行脱气。在各化合物的沸点，所溶解气体的溶解度降至0，并且随后所述气体会从水中排出。例如，发现于饮用水中的许多挥发性物质是氯化化合物，氯化化合物在远低于水的沸点的温度下通常具有非常大的分压力(partial pressure)。因此，许多这些物质可通过将水加热至约200至210°F(93至99℃)以实现适当的脱气，从而将它们从水中除去。然而，这些物质不会立即完全离开水；因此，需要一定的时间以完全除去溶解的气体。

[0102]先前的脱气器设计(例如，家庭应用中所用的水净化系统)的一个难点是，这些脱气器设计对脱气器中的经过加热的水的停留时间控制得较少。因此，当过量挥发性物质存在于进入水中时，可能没有提供足够的停留时间以实现所有挥发性物质的脱气。另外，许多脱气器在没有压力控制的条件下操作，当水蒸汽是选择用于实施挥发性组份离开系统的传质(mass transfer)的介质时，这可能会导致过量水蒸汽损耗。

[0103]脱气器设计的另一个问题是可扩缩性。虽然大型工业脱气器可在有效地进行传质并进而脱气的显著压降以及大体积液体和气体的状况下操作，但小型脱气器不能很好地按比例缩小，并且使小型脱气器在日吞吐量低于10加仑时操作是一个挑战。

[0104]需要的是更紧凑的脱气器，其允许额外的停留时间，并也能够限制使用点(point-of-use)或进入点(point-of-entry)系统中的废蒸汽量。

[0105]在某些实施例中，提供一种具有同心粒子层的脱气器，其中将内层粒子设置为可在所述粒子间形成相对小的间隔，并且其中外层粒子设置为可在所述粒子间形成相对大的间隔。在各个实施例中，所述粒子在脱气器中呈现无规则的和构造的填充。所述粒子可由诸如金属、玻璃和塑料等材料制成。所述脱气器在顶部处可具有水入口。所述脱气器在顶部处可具有废蒸汽出口，并在底部具有加热蒸汽进口和水出口。

[0106]在某些实施例中，提供一种具有容纳同心粒子层的容器的脱气器设备，其中将内层粒子设置为可在所述粒子间形成小间隔，其中将中间层粒子设置为在所述粒子间形成中等间隔，且其中将外层粒子设置为可在所述粒子间形成更大间隔。所述中等间隔可使所述系统中的水蒸汽开始从气相冷凝出来，且所述小间隔足够小从而使此过程能连续进行，以便使水蒸汽转化成液态水。

[0107]在其它实施例中，所述脱气器容器在所述容器的底部外周处具有蒸汽进口。蒸汽进口允许来自沸腾室的加热蒸汽在外周处进入容器，并加热脱气器内侧的外周。所述容器在所述容器的顶部处具有蒸汽出口，废蒸汽从该蒸汽出口排出所述系统。所述容器在所述容器的顶部处具有水入口。所述容器在所述容器的底部处具有净化水出口。例如，水出口位于所述容器底部的中心底部中。所述容器中充满粒子。在某些实施例中，具有三种尺寸的粒子，并且每种既定尺寸的粒子位于同心区中；因此，在这样的实施例中，有3个同心区，各个同心区都具有一种既定尺寸的粒子。在优选实施例中，所述粒子是玻璃珠。在更优选的实施例中，具有三种尺寸的粒子，其中最大尺寸的粒子在所述容器的最外部区中，最小尺寸粒子在所述容器的最内部区中。在最优选的实施例中，在所述容器中存在：具有8毫米玻璃珠的最外部区或最外部层；具有6毫米玻璃珠的中间区或中间层；以及，具有4毫米玻璃珠的中心区或中心层。在某些实施例中，所述珠子是由钠玻璃/钙玻璃制成。在这样的实施例中，20个3毫米的珠子重约0.7克，20个4毫米的珠子重约1.8克，20个6毫米的珠子重约5.7克，并且20个8毫米的珠子重约14.4克。

[0108]某些实施例中包括紧凑且更有效的脱气器。所述脱气器优选地采用具有变化孔隙率的同心层，以便在脱气器中形成一个允许蒸汽通过的区域，并形成促进水蒸汽冷凝的另一个区域。所述脱气器包括位于所述脱气器内部的粒子，其为所述脱气器内部增加表面积，从而允许待净化的水的更长的停留时间。

[0109]在某些实施例中，所述系统的孔隙率通过不同尺寸的粒子实现。在这些实施例中，外层中的粒子具有相对大的尺寸，使得加热蒸汽能够从蒸汽源(例如，蒸发室)更容易地通过外层、进入并穿过脱气器。来自蒸发室的该加热蒸汽也可用作绝热体，以保持所述系统内部的温度接近沸点。外层较大尺寸粒子的内部是中等尺寸粒子层。该中等尺寸粒子层提供足够的透过性和长的停留时间，从而允许更高百分比的挥发性物质被脱气。该中等尺寸微孔和粒子层更可能使水从蒸汽冷凝，这是因为所述粒子间存在更小的间隔。内部层包括较小尺寸粒子，使得微孔最大程度地充满经过脱气的水，该经过脱气的水通过重力流入到蒸发室中。

[0110]图8例示了典型的脱气器单元210的概念。在优选实施例中，待脱气的进入水或其它液体经过所述脱气器的顶部流经进口220。优选地，进入的水是温的或者热的。水可自由地流动经过其中填充有一系列粒子的脱气器。优选地，所述粒子是玻璃珠。进入水经由脱气器中的来自蒸发室的蒸汽进一步加热。外部粒子230比中间层粒子240大，而中间层粒子240又比内层粒子250大。珠朝向脱气器的中心轴线增加的表面积允许从水中汽提更大量的挥发性气体。更大的粒子提供区250，经过加热的蒸汽可以通过区250迅速有效地增加到脱气器中，而中等和较小尺寸的粒子在脱气器中提供区230和240，在区230和区240中，经汽提的蒸汽可冷凝成液体形式，并从脱气器排出，例如，排出到优选位于所述脱气器下方的蒸发室设备中。本领域的技术人员应理解：附图标记230、240和250可以指示所述粒子自身或孔隙区，该孔隙区在所描绘的实施例中是由粒子间的间隔形成的。

[0111]将蒸汽270加入到脱气器中，主要是为了向所述系统增加热量。各种气体可经过出口280而离开所述系统，所述出口280优选位于所述单元的顶部或附近。由于脱气器的会导致蒸汽冷凝成水的部分是具有较小粒子间间隔的部分，并且由于该部分位于所述脱气器的中心，因此所述布置可使蒸汽循环并加热所述脱气器的外部分，同时所述蒸汽会在所述脱气器的中心部分冷凝，并排放到下一部分中。本领域的技术人员应理解：不同尺寸的粒子的位置和不同的区的位置可以改变。例如，在某些实施例中，较小粒子位于所述脱气器的外周上，中等粒子位于内部，而较大粒子位于中心。另外，中等尺寸的粒子可位于中心或外周。在这样的实施例中，蒸汽入口和出口的位置和经过脱气的水的出口位置优选相应地重新部署。然而，优选实施例在图8中示出。

[0112]所述脱气器系统优选紧邻所述蒸发室设备。优选地，脱气器单元位于所述蒸发室的顶部上。这允许来自蒸发室的蒸汽从所述蒸发室直接上升进入脱气器中。这也允许来自脱气器的经过脱气的水直接排放到蒸发室中。本领域的技术人员应理解：在蒸发室与脱气器之间无需任和明显分隔。在一个实施例中，仅有保持所述粒子的筛子将脱气器与蒸发室分隔开。

[0113]所述粒子可具有任何形状，例如球形、半球形、无定形、矩形、椭圆形、方形、圆形、多面体形、不规则形状(例如，砂砾形)等。所述粒子表面可随需要而变化，例如，实心的、多孔的、半多孔的、涂覆的或结构化(structured)的，以提供长的停留时间等。优选地，所述粒子是球形的且是无孔的。本领域的技术人员应理解：不同尺寸的粒子在它们之间会具有不同尺寸的间隔(空隙间隔)。例如，较大玻璃球会具有比较小玻璃球更大的间隔。粒子间的间隔的尺寸可基于粒子尺寸、粒子形状及其它因素而变化。作为一般规律，通常较大的球形粒子也会形成具有较大孔隙率的混合物。即，在所述球体之间会有较大间隔。同样，较小粒子会具有较小的空隙间隔，从而形成一个更易于将蒸汽冷凝成液态水的环境。

[0114]所述粒子可由任何适宜的材料制成。示例性材料包括但不限于金属、玻璃、复合材料、陶瓷、塑料、石头、纤维素材料、纤维材料等。如果需要，可使用多种材料的混合物。本领域的技术人员应能够确定用于各种具体用途的适宜材料。优选地，所述材料由玻璃制成。所选材料优选应能够承受长期高温使用而没有明显裂缝、破裂、其它损伤或将毒性材料浸入到水中。如果需要，不同尺寸的粒子可由不同的材料制成。例如，所述外层粒子可由金属制成，中间层由耐高温塑料制成，而中心层由玻璃制成。所选材料优选可抵抗由于加热处理而引起的破损、生锈或破裂。

[0115]本领域的技术人员应理解，可选择具有任何期望尺寸的粒子。例如，所述外层粒子可具有介于约5毫米至约25毫米之间或更大范围内的直径。所述中间层粒子可具有介于例如约1毫米(或更小)至约15毫米(或更大)之间的直径。中心层粒子可具有介于例如小于约0.1毫米至约10毫米或更大范围内的直径。一般而言，所述直径可介于约0.1毫米至约30毫米的范围内。

[0116]在优选实施例中，同心层粒子是玻璃珠，其具有例如：具有8毫米玻璃珠的最外层；具有6毫米玻璃珠的中间层；以及，具有4毫米玻璃珠的中心层。外层粒子直径与内层粒子直径的比例可随本领域的技术人员所需而变化，外层粒径与内层粒径的比例可以是例如从1∶1至1000∶1。

[0117]优选地，所述粒子分层是以同心圆的方式，其中最小尺寸粒子是位于单元的中心，而最大粒子最接近单元的外壁。本领域的技术人员应理解，圆无需精确且无需必需是同心的。例如，尽管非同心圆周不一定具有所描绘的实施例的所有益处，但是具有可将蒸汽导入到较小孔隙率区的大孔隙率区的实施例可很好地运行，并提供本发明的主要益处。在某些实施例中，通过使用筛子可将不同区域或不同尺寸的粒子保持在离散的组中。在优选实施例中，可通过将各种尺寸的离子填充到所述容器中而将各种尺寸的粒子保持在离散的组中，其中通过中等尺寸粒子的存在而防止小粒子与较大粒子混合。

[0118]如果需要，可使用2层或3层以上。例如可使用4、5、6或7层或更多层。在优选实施例中，使用3层，各层均具有不同的尺寸。在某些实施例中，不是改变所述粒子的尺寸，而是改变所述粒子的其它性质，例如所述粒子的表面性质。另外，如果需要，可使用不同尺寸粒子的混合物填充所述脱气器，其中以允许填充所述脱气器中心区的粒径逐渐减小的方式实施填充程序。在某些实施例中，所述多个层在每一层中填充有均匀的粒子。在其它实施例中，所述多个层是不同种类的且可含有其它形状的珠子、粒子、玻璃绒等。粒子的异质性不仅可包括尺寸而且包括例如组成、表面特性、密度、比热、润湿性(疏水性对亲水性)、硬度、延展性等。优选地，如上文中所述，虽然在本发明的某些实施例中也涵盖非同心的其他布置，但是可呈任何形式的异质性在所述脱气器内分布在同心环中。

[0119]脱气器设备的壁和进口/出口可由任何适宜的材料制成。示例性材料包括例如金属、铝、玻璃、复合材料、耐高温聚丙烯等。优选地，所述壁的材料可由抗锈钢构成。优选地，所述材料应能够承受长期高温使用而不会出现裂缝、破裂、或将毒性材料浸入到水中。

[0120]在某些实施例中，所述脱气器用于提供用于使水脱气的足够停留时间，即使水中含有违禁(objectionable)数量的挥发性物质。因此，脱气器可用于生产更安全的饮用水，或用于许多其它用途的低毒性水。

[0121]可通过使用本发明的方法处理水来除去或减少的挥发性污染物的示例包括但不限于：甲基叔丁基醚；苯；四氯化碳；氯苯；邻二氯苯；对二氯苯；1，1-二氯乙烯；顺式-1，2-二氯乙烯；反式-1，2-二氯乙烯；二氯甲烷；1，2-二氯乙烷；1，2-二氯丙烷；乙苯；苯乙烯；四氯乙烯；1，2，4-三氯苯；1，1，1-三氯乙烷；1，1，2-三氯乙烷；三氯乙烯；甲苯；氯乙烯；二甲苯；天然气体，例如，氧气、氮气、二氧化碳、氯、溴、氟以及氢；其它挥发性有机化合物(VOC)，例如，甲酸、乙肼、甲基丙烯酸甲酯、丁基乙基胺(butylethyl amine)、丁醇、丙醇、乙醛、乙腈、丁胺、乙胺、乙醇、甲醇、丙酮、烯丙胺、烯丙醇、乙酸甲酯、氢氧化铵、及氨等。

[0122]在本发明的其它实施例中，所述脱气器的外部分也可对所述脱气器体积的内部分提供有效的绝热，以便使进入水的温度保持在水沸点附近。在某些实施例中，根据粒子的热保持能力而选择所述粒子自身。这可以节省能量并形成更有效的脱气系统。

[0123]在某些实施例中，本发明的脱气器设计提供稳态路径以将经过脱气的水带入到蒸发室中，同时避免蒸汽的过量放出(evolution)的需要。这是因为蒸汽加热脱气器外壳，并且因为它可在一个区中容易地进入脱气器，同时单独的区允许冷凝和使所述经过脱气的水流出所述系统。通过防止过量的蒸汽放出，可避免可能出现的盐沉淀到粒子中的问题。

[0124]在某些实施例中，脱气器可以比当前使用的型号更紧凑，因为系统的不同粒径可形成大的表面积。因而，可以最小化所述脱气器的高度，从而产生更紧凑的设计。

[0125]在某些实施例中，与常规脱气器相比，本发明的脱气器可更有效地从样品除去杂质。例如，在某些实施例中，图8中的脱气器可从流速高达30毫升/分钟的水中除去40ppm(parts per million)的氯。在某些实施例中，它可除去流速高达20毫升/分钟的水中的2ppm的氨。在某些实施例中，它可除去流速高达30毫升/分钟且达到其溶解度极限的常见气体，例如空气。

脱气器实施例

实施例3

制备脱气器设备

[0126]宽1″×高12″的不锈钢圆筒配备有不锈钢进水口和不锈钢出气口/出水口，如图8所示(在替换实施例中，可使用宽1″×高8″、宽1.5″×高8″、宽3.5″×高12″的装置)。该单元附接至蒸发室设备的顶部。随后，使用洁净的球形玻璃珠按照如下方式填充所述圆筒。使用直径约为8毫米的玻璃珠填充外部区域。随后，使用直径约为6毫米的珠填充中间层。然后，使用直径约为4毫米的玻璃珠填充中心区域。所述脱气器配备有不锈钢盖单元。加热所述蒸发室并使蒸汽通过脱气器。一旦脱气器升温后，预加热待处理水，随后将其加入到所述脱气器的顶部。离开脱气器的水中具有减少量的挥发性化合物。当所述装置到达稳定温度时，它几乎从含有下列浓度的水中完全除去气体：40ppm氯，2ppm氨，和达到溶解度极限的空气中的大部分天然气体。

实施例4

使用按比例扩大的脱气器设备来净化饮用水

[0127]在2加仑蒸发室系统的顶部装配实施例3的脱气器设备。随后以5毫升/分钟至50毫升/分钟的速率经由已经预热的脱气器的入口泵送待净化的水。(在其它实施例中，可使用高达数升/分钟)。将进入脱气器的水预热至约200℃的温度。水基本上在处于水沸点的状态下进入所述脱气器。当处理大体积的水时，脱气器顶部的温度可降低几度(降到98℃)。使用约10％至20％的进入水通过量作为驱动脱气器的蒸汽，且其约有一半在所述脱气器中再次冷凝(虽然蒸汽使用可减少至低于1％的水通过量)。经过净化的水下降到蒸发室中，使其冷却，并取样以测定挥发性污染物水平。通过使用该方法，除去挥发性污染物，并且净化水。

[0128]所述单元可以连续操作，因此它可以在需要对水实施脱气的时候操作。来自脱气器的排放速率根据玻璃珠的填充及尺寸而定，并且在约1秒至数分钟之间变化。

[0129]在某些实施例中，用于净化水的系统(本文中公开了该系统的实施例)可与其它系统和装置组合使用，以提供其它有益特征。例如，所述系统可与公开于下列文献中的任意装置或方法组合使用：2005年5月2日提交的标题为SOLAR ALIGNMENT DEVICE的美国临时专利申请No.60/676870；2005年7月6日提交的标题为VISUAL WATER FLOWINDICATOR的美国临时专利申请No.60/697104；2005年7月6日提交的标题为APPARATUS FOR RESTORING THE MINERAL CONTENTOF DRINKING WATER的美国临时专利申请No.60/697106；2005年7月6日提交的标题为IMPROVED CYCLONE DEMISTETR的美国临时专利申请No.60/697107；2004年12月1日提交的PCT申请No.US2004/039993；2004年12月1日提交的PCT申请No.US2004/039991；和2003年12月2日提交的美国临时专利申请No.60/526,580；上述申请通过参考全部结合于此。

[0130]本领域的技术人员应理解，这些方法和装置是用于或能够用于实现所述目的，并获得所述结果及优点以及各种其它优点及益处。本文所述的方法、程序及装置是优选实施例的现有代表，并且是示例性的而非作为本发明范围的限制。本领域的技术人员能够想到其中的变化和其它用途，这些变化和其他用途均包括在本发明的精神内，并且由公开内容的范围所限定。

[0131]对于本领域的技术人员明显的是，在不背离本发明的范围及精神的情况下，可对本文所公开的本发明进行各种替换及修改。

[0132]本领域的技术人员应理解，本文所述的本发明的许多方面和实施例可相互独立地实施或相互组合地实施。因此，各个实施例的组合属于本文所公开的发明的范围。

[0133]将所有专利和公布通过参考并入本文中，就如同将每一个单独的公布都具体地且个别地通过参考而结合。

[0134]在本文中以例示方式描述的本发明可在缺少未在本文中具体公开的任何一个或多个要素、一种或多种限制的情况下以适宜的方式实施。所用术语及表述是用作说明性的而非限制性术语，并且在使用这些术语及表述时并不排除所示及所述特性或其一部分的等效物。应理解，可在所公开的本发明范围内进行各种修改。因此，应理解，尽管已经通过优选实施例及任选特性具体公开了本发明，但本领域的技术人员可采用本文所公开的概念的修改形式及变化形式，且这样的修改形式及变化形式被视为属于所述公开内容所界定的本发明范围。

Claims (13)

1.一种水净化系统，所述水净化系统包括：入口水管、煮器、废物出口、产物出口和除垢装置，其特征在于，所述除垢装置选自由软水器、电子除垢器、超声波除垢器、碳氟化合物涂层以及它们的某些组合所组成的群组。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述除垢装置包括电子除垢器，所述电子除垢器接触所述入口水管，并被构造成向所述系统中的液体施加电场。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述系统还包括预热器和脱气器，并且其中，所述电子除垢器接触所述入口水管并且减少形成在所述预热器、脱气器和煮器中的至少一个上的硬水垢。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电子除垢器在所述脱气器的上游的位置中接触所述入口水管，并且减少形成在所述煮器中的硬水垢。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述除垢器包括软水器，所述软水器位于所述煮器的上游，以减少形成在所述煮器上的硬水垢。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述软水器包括两个或更多个滤罐，所述两个或更多个滤罐与所述入口水管并行地连接，其中，每个所述滤罐都包括离子交换树脂。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述软水器被构造成允许在所述两个或更多个滤罐之间切换，以经由第一滤罐软化来自所述入口水管的水，而同时至少第二滤罐正用盐水溶液处理以再生所述树脂。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统被构造成允许将再生所述第二滤罐的树脂的盐水传送至排放口。

9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统还包括被定时装置控制的开关。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述除垢器包括接触所述煮器的超声波产生装置。

11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述超声波产生装置接触所述脱气器，并减少形成在所述脱气器中的硬水垢。

12.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述除垢装置包括具有碳氟聚合物的涂层，所述涂层位于所述煮器的表面上，并且所述系统还包括操作地连接至所述煮器的脱气器。

13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述系统还包括操作地连接至所述煮器的脱气器，并且其中，所述脱气器包括构造成促进水和蒸汽混合的基质，并且其中，所述除垢装置包括在所述脱气器的所述基质的至少一部分上的碳氟聚合物的涂层。

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