CN101848744B - 通过受控制的电场减少水生细菌和病毒的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于给流体消毒的装置具有：流体容纳结构；面向内的导电的第一柱状体，其包含在所述流体容纳结构内；面向外的导电的第二柱状体，其布置在所述第一柱状体内，与所述第一柱状体为互相面对的平行和同轴关系，并且与所述第一柱状体间隔开以界定可填满流体的腔；电源，其电耦合在所述第一柱状体和所述第二柱状体之间，所述电源在所述第一柱状体和所述第二柱状体之间产生电场，所述场包括近似为一系列交替的相反极性的方波脉冲的波形，所述脉冲的最大绝对值近似为每厘米60伏特，所述波形的全循环，包括第一脉冲和相反极性的随后脉冲，以约2kHz和约5kHz之间的频率循环，并提供约2安培到约4安培的电流。

Description

通过受控制的电场减少水生细菌和病毒的装置和方法

技术领域

本发明涉及通过受控制的电场减少水中的细菌和病毒的装置和方法。 

背景技术

在许多场所，供水系统被以化学方式和生物方式污染了。以生物方式污染的水不仅给人而且给牲畜带来了公共健康问题。据报道，大都市地区已经具有了关于病原体、令人不愉快的臭味和讨厌的味道的问题。农村地区也正在应付增长的污染。供水系统必须应付各种各样的微生物，所述微生物包括但不限于：大肠型细菌例如大肠杆菌、克雷白氏杆菌属、粪肠球菌、弯曲杆菌属和沙门氏菌、原生动物例如肠兰伯氏鞭毛虫，以及病毒例如脊髓灰质炎病毒和轮状病毒。 

因此，净化饮用水和/或工业用水的化学方法，例如氯和过氧化氢，继续大规模地被使用。已知，这种方法尤其是提供不了能立刻使用的水，需要时，这样的水在使用之前首先要被煮沸。 

氯化了的水，例如，能引起具有过敏反应的人、由于疾病而体弱的恢复期的病人或儿童从恶心到更严重的消化问题的一系列问题。因此，通常，能在没有任何健康风险忧虑的情况下使用的仅有的水是从合格的矿泉中取出并以合适的包装销售的水。因此，在世界上严重短缺饮用水的国家和地区中，水变成了越来越贵的商品。 

集约农业中的土壤的施肥过多以及这些肥料渗透到地下水中进一步加剧了饮用水和/或工业用水的缺乏。 

根据目前技术水平，基于将电流引入到液体中，尤其是引入水中来使被细菌和/或病毒污染的水或其它液体能够被充分地净化的装置和方法还没有开发出来。 

从DE 2455205中可知一种用电力净化液体和给液体消毒的方法和装置。例如，除了用于野外战士的供水系统、用于边远山区地质学家的供水系统以及用于其它应用领域的供水系统以外，本发明还生产用于医疗/生物用途的水。本发明具有流动的脉冲电流，且电流脉冲的持续时间和电压选择成使得电极之间的放电增加。 

DE 100 14 289 A1提出了一种基于电流和电场来实施达到医疗质量标准的消毒以及来控制工业生产工艺中的生物进程和产品的方法。在该发明中，直流电或交流电，适当的电压、电流和频率中的每一个，被随时地、不时地或连续地通过电极或通过电感或电容耦合到物质中而被传导并被放出。所述物质能用电解质来丰富并且是在传导的聚集阶段。该发明的目的是去除全部的或一些不想要的孢子物质、病毒物质、细菌物质和其它具有生物活性的微生物物质，以及有害的寄生虫和微生物及它们的轮换寄主和/或它们的发育形式，使得这些物质被杀死、使其不能繁殖或生长，或者使其短期或长期麻痹。 

从EP 0647 594 A2中可知一种静电水消毒装置，其由带凸缘的圆柱外壳和位于外壳中央的细长电极组成，所述外壳的外部具有低电压静电发生器，且进水口和出水口在外壳的两端靠近两个绝缘件定位。整个外壳的整个内表面衬有处在负电势上的高传导材料，使得其能起到负电极作用。发生器打开后，在外壳内部的正电极和负电极之间建立了低压静电场。 

在US 3,766,050中提及了一种相似的装置。该装置是一种用于通过电场净化液体或溶液的装置。该装置由容器组成，容器装有待处理的液体，其中容器的壁由电介质材料制成，且以并行布置和可变的强度定位在内部和外部的电极产生用于净化液体的电场。 

如上所述，因为水还不能用电力充分地被净化，而且由于避免使用化学方法的需要，所以在极端情况下以及，例如，在低降雨量地区，在土壤被细菌污染了的地区的井系统的水供应中，保障所有生命的真正的基础是必要的，也就是说保障饮用水和/或工业用水的充足供应是必要的。 

发明内容

在限定的条件下操作的装置和方法在适合的频率、电压和电流下通过物理方式实现了电延迟作用的正电荷场和负电荷场，使得被检测为细菌污染的水，尤其是饮用水，能够被净化。根据本发明处理的水不需要贵的化学处理来去除水中经常出现的有害病原体，而且这样的水对动物的饮用和人的饮用都十分安全。 

假设在以这样的方式处理之水前，水已经用常规的机械方法清洁过了，也就是说，水中存在的悬浮固体或者其它固体结晶颗粒已经被去除了。 

根据本发明，用于给流体消毒的装置的示范性实施方式包括：流体容纳结构(fluid-containing structure)、面向内的导电的第一柱状体和面向外的导电的第二柱状体，面向内的导电的第一柱状体包含在流体容纳结构内，面向外的导电的第二柱状体布置在第一柱状体内，与第一柱状体为互相面对的平行和同轴关系，并且与第一柱状体间隔开以界定可填满流体的腔(fluid-occupiable cavity)。电源电耦合在第一柱状体和第二柱状体之间，以在第一柱状体和第二柱状体之间的可填满流体的空间内产生电场。该场随着时间变化，包括近似为一系列交替的相反极性的方波脉冲的波形。脉冲的最大绝对值约为每厘米60伏特。波形的全循环，包括第一脉冲和相反极性的随后脉冲，以约2kHz和约5kHz之间的频率循环。 

在根据本发明的另一示范性实施方式中，波形包括在脉冲和随后的相反脉冲之间的延迟时间(delay period)，在该延迟时间的过程中，电场强度的值近似为零，所述延迟时间在零和20微秒之间。 

在根据本发明的另一示范性实施方式中，全循环以约3kHz和约4kHz之间的频率循环。在最优选的实施方式中，频率约为3.5kHz。 

在根据本发明的另一示范性实施方式中，第一柱状体和第二柱状体包括304不锈钢。 

在根据本发明的另一示范性实施方式中，流体容纳结构包括电介质。 

在根据本发明的另一示范性实施方式中，流体容纳结构包括Schedule40PVC管。 

在根据本发明的另一示范性实施方式中，第二柱状体具有约16cm的长度和约4cm的外部直径，第一柱状体具有16cm的长度和约7cm的内部直径，而电源应用的电压具有约90伏特的最大绝对值，导致大部分循环的电流的绝对值上升到至少约3安培，在最优选的实施方式中，约3.3安培。 

同样地，根据本发明，一种给流体消毒的方法包括以下步骤：在面向内的导电的第一柱状体和面向外的导电的第二柱状体之间放置流体，面向外的导电的第二柱状体布置在第一柱状体内，与第一柱状体为互相面对的平行和同轴关系，并且与第一柱状体间隔开以界定可填满流体的腔；以及给予第一柱状体和第二柱状体电能，在第一柱状体和第二柱状体之间产生电场。该场包括近似为一系列交替的相反极性的方波脉冲的波形。脉冲的最大绝对值近似为每厘米60伏特。波形的全循环，包括第一脉冲和相反极性的随后脉冲，以约2kHz和约5kHz之间的频率循环。 

在另一示范性方法中，波形包括在脉冲和随后的相反脉冲之间的延迟时间，在该延迟时间的过程中，电场强度的值近似为0，延迟时间在0和约20微秒之间。 

在另一示范性方法中，全循环以约3kHz和约4kHz之间的频率循环。在最优选的实施方式中，频率约为3.5kHz。 

在另一示范性方法中，第一柱状体和第二柱状体包括304不锈钢。 

在另一示范性方法中，流体容纳结构包括电介质。在另一示范性方法中，流体容纳结构包括管号40的PVC管(Schedule 40 PVC pipe)。 

在另一示范性方法中，第二柱状体具有约16cm的长度和约4cm的外部直径，第一柱状体具有16cm的长度和约7cm的内部直径，而电源应用的电压具有约90伏特的最大绝对值，导致大部分循环的电流的绝对值上升到至少约3安培，且在最优选的实施方式中，约3.3安培。 

附图简述 

图1是与适当的装置连接的示范性电子电路结构的方框图。 

图2是装置的剖视透视图，示出了管的一半，所述管包括衬里阴极(lining cathode)和中央设置的阳极(centrally placed anode)，以及电连接器和绝缘体。 

图3是具有关于设计布局的示范性细节的装置的侧视剖面图。 

执行本发明的模式 

因此，本发明的目的是提供一种与包括电子元件的电路结构相结合的简单结构的装置。该电路结构，当保持被显示的参数时，在本发明的装置的一部分内以规定的频率控制延迟的负电荷场和正电荷场，因此破坏存在于饮用水和/或工业用水中的细菌和/或病毒。本发明意欲代替饮用水和/或工业用水的净化中通常使用的其它的化学物质，因此除了已知的健康好处外，在经济方面也实现了更有利的结果。 

对比现有的杀微生物的电场，其利用大约15千伏/厘米到80千伏/厘米的高强度电场，本发明利用低电压(小于约80伏特)来杀死水中的微生物。发明者揭露了在消灭水中的微生物过程中并非一定使用高电压。此外，高电压且特别是放电的使用快速地破坏了阳极和阴极。使用低电压的其它优点是部件例如阴极和阳极持续更长久，较低的输入电压要求(较低的电压电流的使用)，以及更经济的运行。 

在较低的电压下成功地消灭微生物的关键是受控制的波形和适当的电流强度。优选地，波的轮廓十分接近于方波形式，使得在阴极和阳极的电流中有“间隔(break)”。这个“间隔”或暂停有助于减少对阴极和阳极的腐蚀并降低维持费用。所述装置还使用了双极性脉冲，用脉冲之间的间隔交替阳极和阴极。这建立了维持阳极和阴极的稳定性所需要的平衡。精确的频率范围在阳极和阴极之间变化，并且对于彻底地减少大范围的水生微生物的数量的效率来说显然是关键的。 

使用低电压允许较宽范围的应用且特别是在偏远地区的应用。应用包括：住宅的、商业的以及工业设施，例如冷却塔、游泳池和水疗馆。由于不需要接触反应的部件(catalytic part)，因此既没有预定的更换被预定，也没有化学制品被添加到水中。该系统被设计并包括基本上免维护的材料。该系统不包含导致磨损的移动部件。在大多数情况下，不需要用于流速控制的附加的泵或电动机。通常不需要储存箱，因为水仅仅是以正常的流速流过死亡微生物的容器。当然，根据地形和水供应的装置，可以选择地在系统中使用泵和储存箱。不需要外部发生器来提供超过标准(110伏特、220伏特或380伏特)电流的额外电力。该系统仅仅需要内部热熔断变压器(internal thermal fused transformer)来减少和控制供应电压。

根据下面陈述的本发明解决了本发明的目的。下面的关于本发明方法的补充说明是必要的。本发明具体地设计为使用所应用的110伏特、220伏特或380伏特的交流电压；并且通过根据所述装置的布置中的变压器或其它的适合的转换器提供交流电压1和交流电压2。两个交流电压都被整流，其中交流电压1，即工作电压，用来触发其它效果，而交流电压2用来维持印刷电路板及其电子元件的工作电压。 

它们的规定的电压参数的维持通过将适合的元件定位在变压器的下游提供。在中央与上述印刷电路板连接的微处理器借助应用的工作电压，产生用于与微处理器接触的两个无源晶体管的两个延迟控制信号。这些延迟控制信号以几微秒的间隔以选定的恒定频率应用到晶体管，所述选定的恒定频率高达约5000Hz。其后，晶体管I供给正电荷，而晶体管II供给负电荷，按照零交叉法，其峰值电压大约为66伏特。另外，晶体管I和II的输出一方面通过有源连接与本发明装置的阴极连接，并且另一方面通过电路结构的电容组合连接，使得电容器组件在大约90伏特的电压下产生具有交变电荷的电场，由此产生了略微超过约3安培的电流，最优选地为约3.3安培。电容器组件的输出与本发明的装置的阳极连接，关于所述阳极，其是金属棒或金属管的形式，位于绝缘阴极的中央，所述绝缘阴极是金属管。在阳极的两端都使用合适的紧固件来将阳极保持在中央位置，而阳极末端延伸到阴极末端之上。阴极占去了管状装置内的可用空间的大约三分之一。本发明的装置装配有外部壳体，所述壳体由非金属材料制成，优选地是塑料，且最优选地是管号40的PVC。被细菌和/或病毒污染的水的流向是从装置一侧离开阴极。 

现在将通过合适的执行实施例来更详细地解释本发明。在执行实施例中，各个图使用下面的参考标号： 

1-变压器 

2-横桥 

3-电压调节器 

4-晶体管I 

5-微处理器 

6-晶体管II 

7-电容器组件 

8-装置 

9-阴极 

10-阳极 

11-绝缘体 

12-晶体管连接件 

13-电容器连接件 

提供48伏特和10伏特的交流电压的变压器跨接连接到维持110伏特、220伏特或380伏特的标准电压网。这些上述的值被变为直流电压，同时调整过的48伏特被用作工作电压，而10伏特V，进一步被转换成5伏特，用作电路结构的印刷电路板的工作电压。 

集成在电路结构的中央的微处理器5以约为2000-5000Hz，优选地为约3000Hz至约4000Hz，最优选地为约3500Hz的频率并以小于20微秒的延迟控制所述微处理器5的下游的两个晶体管I、II(4和6)，使得每一个所述晶体管都以连续的交替周期在流经装置8的水中，尤其是在管状的集成阴极9的部分上，在阳极10所在的中央，产生正电荷和负电荷。例如，晶体管I、II(4和6)的输出电压水平是66.25伏特，而电容器组件的输出电压水平为92.5伏特。优选地，电容器是MKT。流动电流优选地 在约3安培以上，最优选地为约3.3安培。 

举例来说，装置8的尺寸制定成使得当维持上述电参数时，装置中管状阴极的宽度是16cm，阳极加上其绝缘体的总直径是4cm，此时装置的总长度是25cm，而阳极10和阴极9之间的外部间隙此时是1.5cm。阳极和阴极可以由各种材料制成，但是钢是优选的。钢优选地是304不锈钢，以便较长久的使用。阳极优选地至少与阴极一样长或比阴极长。对于流速较高的污染水，也可以改变直径来扩展接触面积和接触时间。 

实例1

根据用于水的微生物净化的EPA协议测试了上述3安培的装置。独立的测试实验室提供有用微生物接种过的预处理过的水样品和处理过的水样品，并且提供了处理前的总数和处理后的总数的总结报告以及处理效果。对于大部分的有机物，实验室使用菌落形成单位(CFU)方法来估计在研究开始时和研究结束时的细菌浓度。下面的表列出了每次测试的有机物、处理前的计数和处理效果。 

微生物          开始CFU/ml      减少率

大肠杆菌        2.8×10⁴        99.88 

沙门氏菌属      3×10⁶          98.70 

克雷白氏杆菌    3×10⁶          99.20 

弯曲杆菌        3.5×10⁶        90.30 

粪肠球菌        2.8×10⁶        98.00 

也有兰伯氏贾第虫原生动物的检测，其利用使用台盼蓝着色剂的淘汰标准来估计能活的包囊和不能活的包囊，以确定装置在这种人体肠道寄生虫上的效果。就肠兰伯氏鞭毛虫来说，减少了97.2％的能活的包囊。 

使用在实验期间得到的不同设置的电压和电流水平来修改装置8的设计是可能的。这尤其应用在当需要较大或较小量的净化水时。 

实例2

在墨西哥索诺拉大学，使用美国环境保护署的协议来测试根据本发明的但是提供3.3安培的装置以确定减少水生微生物的生存能力的效果。结果如下： 

微生物           结果(％不再生存)

沙门氏菌SP            99.9 

克雷白氏杆菌SP        99.9 

弯曲杆菌SP            99.7 

粪肠球菌              99.9 

贾第鞭毛虫            99.4 

用含有已知的脊髓灰质炎病毒浓度和轮状病毒浓度的水样品来进行实验室测试。杀死率大约为99％。 

尽管在这里已经阐述和描述了具体的实施方式，但是本领域技术人员将理解，可以用旨在实现相同目的的任何布置来代替所示的具体实施方式。公开内容的意图是覆盖本发明的各种实施方式的任何的和全部的修改或变化。可以理解，上述描述是以说明的方式进行的，而不是以限制的方式进行的。在回顾上述描述时，上述实施方式以及其它的没有在这里具体描述的实施方式的组合对本领域的技术人员来说是明显的。本发明的各种实施方式的范围包括使用上述结构和方法的任何其它的应用。因此，本发明的各种实施方式的范围应当根据所附权利要求以及这样的权利要求给予的等价物的全范围来确定。 

在上述的描述中，如果为了简化公开内容而将各种特征在一个实施方式中组合在一起，那么公开内容的该方法不能被解释为反映这样的意图，即所主张的本发明的实施方式要求的特征比在每一项权利要求中清楚地列举出来的特征更多。更确切地说，像下面的权利要求中表达的，本发明的主题在于比所公开的单一实施方式中的所有的特征少。因此，下面的权利要求以及可能以后添加的其它权利要求在此并入本发明的实施方式的描述中，同时每一项权利要求独立地作为单独的优选实施方式。 

Claims (17)

1.一种用于给流体消毒的装置，其包括：

流体容纳结构；

面向内的导电的第一柱状体，其被包含在所述流体容纳结构内；

面向外的导电的第二柱状体，其布置在所述第一柱状体内，与所述第一柱状体为互相面对的平行和同轴关系，并且与所述第一柱状体间隔开以界定可填满流体的腔；

电源，其通过转换器电耦合在所述第一柱状体和所述第二柱状体之间，以减少和控制所述电源的供应电压；

所述转换器与微处理器电耦合，所述微处理器在两个分别与所述微处理器连接的晶体管中产生两个延迟控制信号；以及

一个晶体管也电耦合到所述第一柱状体，且另一个晶体管还连接到电容器，所述电容器转而电耦合到所述第二柱状体；

所述电源在所述第一柱状体和所述第二柱状体之间产生电场，所述场包括近似为一系列交替的相反极性的方波脉冲的波形，所述脉冲的最大绝对值为每厘米60伏特，所述波形的全循环，包括第一脉冲和相反极性的随后脉冲，以2kHz和5kHz之间的频率循环。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述波形包括在脉冲和随后的相反脉冲之间的延迟时间，在所述延迟时间的过程中，电场强度的值为0，所述延迟时间在0和20微秒之间。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述全循环以3kHz和4kHz之间的频率循环。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一柱状体和所述第二柱状体包括304不锈钢。

5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述流体容纳结构包括电介质。

6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述流体容纳结构包括管号40的PVC管。

7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第二柱状体具有16cm的长度和4cm的外部直径，所述第一柱状体具有16cm的长度和7cm的内部直径，而所述电源应用的电压具有90伏特的最大绝对值，导致电流的最小平均绝对值为3安培。

8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述全循环以3.5kHz的频率循环。

9.根据权利要求7所述的装置，其中，所述电流的最小绝对值为3.3安培。

10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述全循环以3.5kHz的频率循环。

11.一种给流体消毒的方法，其包括：

在面向内的导电的第一柱状体和面向外的导电的第二柱状体之间放置流体，所述面向外的导电的第二柱状体布置在所述第一柱状体内，与所述第一柱状体为互相面对的平行和同轴关系，并且与所述第一柱状体间隔开以界定可填满流体的腔；以及

给予所述第一柱状体和所述第二柱状体电能，从而在所述第一柱状体和所述第二柱状体之间产生电场，所述场包括近似为一系列交替的相反极性的方波脉冲的波形，所述脉冲的最大绝对值为每厘米60伏特，所述波形的全循环，包括第一脉冲和相反极性的随后脉冲，以2kHz和5kHz之间的频率循环，其中所述波形包括在脉冲和随后的相反脉冲之间的延迟时间，在所述延迟时间的过程中，电场强度的值为0，所述延迟时间在0和20微秒之间。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述全循环以3kHz和4kHz之间的频率循环。

13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第一柱状体和所述第二柱状体包括304不锈钢。

14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第二柱状体具有16cm的长度和4cm的外部直径，所述第一柱状体具有16cm的长度和7cm的内部直径，而所述电源应用的电压具有90伏特的最大绝对值，导致电流的最小平均绝对值为3安培。

15.根据权利要求11所述的方法，其中，所述全循环以3.5kHz的频率循环。

16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述电流的最小绝对值为3.3安培。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述全循环以3.5kHz的频率循环。

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