CN105764857B - 涡轮电动混凝设备 - Google Patents

Abstract

本发明描述了通过电凝法从水中去除污染物的设备和方法。当与污水接触时，交替接地的、转动的平面圆形电极和固定平面电极充当特斯拉流体泵，这使污水在转动电极和固定电极之间流动。在泵吸水流时，引入到水中的不溶性研磨材料去除电极的水垢。使直流电流在每对转动电极和固定电极之间流动，从而使得在转动电极和固定电极之间流动的水中的污染物发生电凝。通过过滤或者通过允许处理过的水放置选定的时间段，可将电凝后生成的物质从处理过的水中分离出来。

Description

涡轮电动混凝设备

相关申请的交叉引用

本专利合作协定(PCT)途径专利申请要求美国正式申请第13/960,697号的优先权，该美国正式申请于2013年8月6号提交，标题为“涡轮电动混凝设备(TURBOELECTRICCOAGULATION APPARATUS)”，该申请的全文以引用方式并入本文中。

技术领域

本公开总体涉及水净化，更具体地，涉及使用电凝法对水进行净化。

背景技术

在发展中国家，用作洁净水源的江河、运河、河湾及其它水体已经由于工业废物和动物排泄物的任意排放和将包括砷的有害元素引入到地下水中的诸如地球化学过程等自然过程而被污染。由日益增长的人口、工业及其它来源产生的废水在发达国家中同样成为了关注的问题。

混凝是用于水处理的重要反应。例如，重金属离子和胶体中的离子由于电荷作用通常保持在溶液中。通过在胶体中加入带有相反电荷的离子，可以使离子和胶体失去稳定，由此通过化学或电学方法可以实现混凝。在化学混凝情况下，例如可以采用明矾(Al₂(SO₄)₃·18H₂O)或氯化铁作为混凝剂。然而，化学混凝往往产生大量的具有很高结合水含量的沉淀物。

在电凝作用下，反应离子可以通过有效阳极材料的氧化反应在原位产生；或者，反应金属氢氧化物可以在流出物中产生，并且成为添加金属盐、聚合物或聚合电解质的替代方案。采用电凝法对废水进行处理已经有约100年的历史，并且目前广泛应用于许多行业中。通过凝聚或混凝因而与水相分离，可将金属、胶体固体和悬浮颗粒及油珠从废水中去除。电凝后的絮状物往往含有更少的水，从而更加容易过滤。

通常，电凝反应器包括成对的平行导电金属板，这些导电金属板被称为消耗电极，这些消耗电极可以由相同或者不同材料制成。当连接到外部电源时，阳极材料将发生电化学腐蚀，而阴极将发生钝化。通常利用例如铝和铁等金属在水中产生离子，如上文中所阐述的，离子通过化学反应和沉淀，或者通过使胶体材料结合而使得这些物质不易溶解来去除污染物。

众所周知，随着时间的积累，电凝反应器中的电极经常会发生结垢或其它金属涂布过程，这降低了电极的效能，因此需要使用易去除且可重新露出表面的结构。

特斯拉泵包括多个平行的、扁平刚性盘，刚性盘具有合适的直径并被键连接到由电机驱动的杆轴上，从而当杆轴转动时，刚性盘可以随着一起转动。将流体在杆轴的附近引入泵中，在刚性盘转动时，流体在液体附着力和粘性作用下而被引导至外围，从而在流体流出设备的过程中，赋予设备能量。

发明内容

因此，本公开的目的是提供一种电凝设备，其中，在电凝设备使用期间，电极表面不会产生水垢和其它沉淀物。

本公开的另外的非限制性目的、优点及新颖特征将在以下的说明书中部分地进行阐述，并且对于本领域的技术人员来说，在阅读完下述内容后会认为其中部分内容是显而易见的，或者他们可以通过实施本发明的多个实施例进行学习。多个实施例的目的和优点可以借助尤其是在所附权利要求中具体指出的手段和组合而实现并获得。

为实现上述和其它目的并根据本公开的目的，如这里具体实施和广泛描述的，用于从水中去除污染物的设备以组合方式包括：盛水的容器；具有轴线的至少一个可转动的平面电极；主轴，该主轴的轴线与至少一个可转动电极中每个电极的轴线共线，该至少一个可转动电极与主轴相连接；至少一个平面固定电极，该平面固定电极中具有用于允许主轴从中有效穿过的开口，至少一个平面固定电极设置于至少一个可转动电极附近并且平行于至少一个可转动电极的平面，从而在平面固定电极和可转动电极之间形成体积，该至少一个可转动电极和该至少一个固定电极设置于水中；与至少一个固定电极和至少一个可转动电极电性连接的电流源，该电流源用于促使水中的污染物发生电凝；以及用于驱动主轴以选定角速度围绕其轴线转动的装置，以便促使污水通过平面固定电极和可转动电极之间形成的体积。

在本公开的另一个方面中，并根据本公开的目的和意图，用于从水中去除污染物的方法包括下述步骤：提供至少一个平面可转动电极，该至少一个平面可转动电极可被与旋转轴共线的主轴驱动而绕旋转轴转动，以及至少一个平面固定电极，该至少一个平面固定电极设置于至少一个可转动电极附近并且平行于至少一个可转动电极的平面，在平面固定电极和可转动电极之间形成体积，该主轴穿过至少一个固定电极上的第一开口；使至少一个可转动电极和至少一个固定电极与污水接触；以选定角速度转动主轴，从而促使污水经过平面固定电极和可转动电极之间形成的体积；以及在至少一个固定电极和至少一个转动圆形电极之间施加电流，以有效地促使水中的污染物发生电凝。

本公开的益处和优点包括但不限于提供一种电凝反应器，其中当本设备从水中去除不需要的污染物时，可使电极干净清洁。本转动板设备的另一个益处是，由于水流多次暴露于转动电极上，因此在处理相同体积的水量时，本发明较小体积的设备的效能与较大固定板的设备相同。

附图说明

说明书中包含附图并且附图为说明书的组成部分，附图说明本公开的实施例，并且连同描述一起用于解释多个实施例的原理。附图中：

图1A为本电凝设备的一实施例的分解示意图；图1B示出了电凝设备的俯视示意图；图1C为组装好的设备的透视示意图。

图2A为电凝设备的另一实施例的透视示意图，图中示出了水以垂直于电极结构的方式进入和离开设备；图2B为顶盖内部的示意图，图中示出了固定电极，以及示出了当可转动电极处于运转状态时，在设备的泵吸作用下水流穿过和绕过电极的预期流动；并且图2C为图2A所示的电凝设备的实施例的俯视示意图，再次示出了在设备的泵吸作用下水流穿过和绕过电极的预期流动。

图3A为用于转动圆形电极的垂直的中空轴实施例的侧视示意图，图中示出了水流穿过中空轴的运输，该运输过程是本设备的抽吸作用的一部分；而图3B为图3A中所示设备的透视示意图，图中进一步示出了固定电极中的外围槽，这些外围槽用于允许水流穿过电极而流动。

图4为本电凝设备的示意图，该电凝设备适于处理来自可用水源的水，例如来自湖、井、矿井或船舶舱底的水。

图5A为电凝设备另一实施例的分解示意图；图5B示出了电凝设备的俯视示意图；并且图5C示出了组装好的设备的等轴示意图。

图6A为图5A所示电凝设备中的盖组件的正视图。

图6B为图5A所示电凝设备中的盖组件的俯视图。

图6C为图5A所示电凝设备中的盖组件的仰视图。

图7为图5A所示电凝设备中的转动电极组件的分解透视图。

图8A为图5A所示电凝设备中的固定电极组件的分解透视图。

图8B为图5A所示电凝设备中的固定电极组件的正视图。

图9为图5A所示电凝设备内部的多个水流流动路径的近距离示意图。

具体实施方式

简要地，本公开描述了通过电凝法从水中去除污染物质的设备和方法。水由于至少一个平面刚性圆盘和至少一个平面刚性固定板而循环流动，至少一个平面刚性圆盘和至少一个平面刚性固定板共同组成流体泵；其中平面刚性圆盘具有合适的直径并且被键连接到电机驱动轴上，从而平面刚性圆盘可随着驱动轴的转动而转动，至少一个平面刚性固定板与平面刚性圆盘相互平行且间隔设置。使流体(例如污水)进入固定板上的至少一个开口，开口位于轴附近；当刚性圆盘转动时，在流体的附着力和粘性作用下，将流体朝向盘或板组件的外围引导，从而当流体离开转动盘的外围时将能量传递给圆盘。然后，流体再循环返回到靠近轴的开口，在开口处再次进入固定板和转动盘之间的体积，从而流体可被转动盘再次加速并返回到转动盘的外围。可将额外的平面刚性圆盘键连接到电机驱动轴上，使得当驱动轴转动时它们一起随着转动，此外，可以添加以可交替的板/盘/板的结构设置的额外固定板。设备可位于反应罐或反应器中，并且水流进出反应器的流速和圆盘的转速确定水流动过泵的重复次数。

使电流在每对转动和固定电极之间流动，从而使流过转动和固定电极之间的水中的污染物发生电凝。泵吸作用连续不断地将水流重复暴露于电凝过程中，这使得较小的反应器可用于对给定量的污水进行处理。当在电极处泵吸水流时，引入到水流中的不溶性研磨材料可将电极上的水垢清除。

通过过滤或者通过允许处理过的水放置选定的时间段，可将电凝后生成的物质从处理过的水中分离出来。

现在详细描述本发明的实施例，其实例已在附图中示出。在附图中，相似结构将使用相同的附图标记表示。现在转向图1A，示出了一实施例的电凝设备10的分解示意图。具有内部体积13的容器12包括入口14和出口16，入口14和出口16分别充当用于引入污水到容器12内和允许处理过的水离开容器12的端口。间隔设置的平面圆形导电电极18a-18d(它们彼此平行设置并且由导电轴或主轴20连接，导电轴或主轴20能够绕纵向轴线22转动)和间隔设置的平面固定导电电极24a、24b、24c、24d、26a、26b及26c、26d(它们彼此相互平行设置)被示出为电极对，适于在它们之间分别容纳圆形电极18a-18d。应当指出，尽管附图中显示的电极18为圆形，但是具有转动轴线的其它形状也可以满足要求。电极18可使用活性金属制造，例如铝、铁、钙以及镁；而电极24和26可使用惰性导电材料制造，例如不锈钢、钛、铂及石墨等。替代地，固定电极可使用活性金属制造，而转动电极可使用惰性导电材料制造。从实施例2中可知，本发明中由不同活性金属制造的电极可应用于同一轴上。作为实例，固定电极24a、24b和26a、26b上的开口28和30分别允许主轴20穿过而不与主轴20接触。明显地，电极对24c、24d和26c、26d具有相似的开口(图1A中未显示)以允许主轴20穿过。分别设置在板24a、24b和26a、26b上的额外开口32a、32b和36a、36b，以及分别设置在板24c、24d和26c、26d上的额外开口34a、34b和38a、38b分别与开口28a、28b以及30a、30b相连通，这些开口未显示在图1A中，这样的构造允许水流更加自由地流进圆形电极18a-18d和固定电极24a-26d之间形成的体积中。作为实例，固定电极24和26可以具有弯曲的或成角度的基部40和42，以更好地适应容器12的底部44的内部形状(图1A中未显示)。在本具体实例中，挡板46上具有缺口50并且适于安装在容器12内的凹槽48a和48b中，前面描述的特征以及结合挡板46的使用使得挡板46能更紧密或更接近地安装在固定电极24和26的周围，减少了在容器12的流体入口14和出口16之间流动的水量，而使这些水流不经过圆形电极和固定电极之间形成的体积。作为实例，盖子52防止材料由于起泡而离开容器12。

导电连接器54和56允许将来自直流电源58的电压分别施加到固定电极24和26上。在将导电驱动轴部件60和62连接到主轴20上时，可使圆形电极18转动。组装好的驱动轴部件与刷子外壳64、刷子66或者其它导电滑环机构以及端盖68共同作用，以允许电流通过体积13中的水而在电极之间流动。电流源58可以是恒定电流源或者有效用于促进混凝的其它波形的电流源。端盖68可以被接地，或者可将电流导回至电源58。

由电源72供电的电机70利用附接于皮带74上的第一带轮76驱动皮带74，这些部件的结合可驱动附接于驱动轴部件60上的第二带轮78，继而通过主轴20转动电极18。附加衬套和轴密封件为驱动轴提供平滑的转动，同时可防止流体从容器12中泄漏。电源72可以包括蓄电池、太阳能电池、以及其它合适的线路电压(line voltage)。盖子80保护用户不受皮带74的伤害。可以预期到的是，可使用其它驱动设备来转动轴部件60，例如采用步进电机直接转动轴部件60。

图1B示出了图1A所示的电凝设备的实施例的俯视图。图1B中另外示出了水泵82，作为实例，水泵82用于使水以选定的速度流经体积13，由此使水在电凝环境中以及在转动的圆形电极18a和固定电极24a和24b之间的体积84和86中分别停留选定的时间，由此转动电极促使对水进行处理。

图1C示出了图1A中所示组装后的设备的透视图，对于电机70、容器12的弯曲的下内部88、以及端盖68的电连接部90，图中示出了稍微不同的结构。

在使用过程中，电凝设备10中充填待处理的水，从而使电极相连接。一般地，电极需浸入水中，即使不需要完全浸入。如果待处理的原始水样包含的悬浮在其中的研磨材料(abrasive material)不足，可以在容器12中引入一定量的不溶性研磨材料以有效确保电极不会结垢和镀上其它涂层。研磨材料可以从沙、玻璃珠、磨砂玻璃或石榴石(garnet)及它们的任意组合中选择，虽然任何的研磨材料都是有效的。主轴转速的选定需满足，研磨材料可有效地循环以用于电极的去钝化，以及设备可使选定量的水循环流动。每分钟100至1000转(100-1000RPM)范围内的转速是有效的。流过具有上述部件的设备的水流的典型流速在约1加仑/分钟至约5加仑/分钟之间，具体取决于流体的污染程度。研磨材料的用量和颗粒大小的确定需满足，具有一定流速的泵吸的水中保持着处于悬浮状态的有效颗粒量并且保持有效颗粒量的水在板之间循环。作为实例，通过允许这些材料沉淀(settle)，或者通过执行过滤操作，可将研磨材料从输出流中去除。随后，如图4中的附图标记117所示，可使收集到的材料重新返回到容器12，以重复使用。

已经发现，电凝的效率与水的传导率有关。在电凝过程中，对于恒定的电流密度，所施加的电压可以从6V改变为高达70V。已经知道，添加少量的食盐可加快电凝过程的速度并可减少电力需求。还已经注意到，由于金属电离而引起的电极消耗是电流密度的直接函数(direct function)。由于水的传导率不容易控制并且可能随着时间变化，所以已采用恒定电流发生器，用于改变电极之间的电压从而将电流保持为恒定值。

对于本发明的电凝过程，直径在约2英寸至约120英寸之间、厚度在约1/32英寸至约1英寸之间、以及间距在约1/8英寸至约0.5英寸之间的电极是有效的。设备的尺寸、板的数目以及所需的电流大小由每分钟需处理的水量确定。对于每分钟在几夸脱至数千加仑之间的水量，本发明的实施例中的设备都可进行有效处理。

图2A是电凝设备的另一实施例的透视示意图，图中示出了水以垂直于电极结构的方式分别通过管子14和16进入和离开本设备，图中电极结构包括两个固定电极24a和24b以及转动电极18a。图中每个电极24a和24b具有两个部分，当盖子52在恰当的位置时，这两个部分接合在一起，此外每个电极24a和24b也可以由单一的电极制成。为简化图2A，用于表面92a和92b的水密封垫圈以及用于在转动轴20和容器12以及顶部52之间提供水密封的轴密封件94a和94b未示出，同理也没有示出与电极的电性连接关系。当轴20转动电极18a而产生泵吸作用时，固定电极24a和24b上的开口28a和28b的尺寸需满足，允许水很容易流进固定电极和转动电极18a之间以及电极与容器12和盖子52的内表面之间的区域内；而图2B为盖子52内部的示意图，图中示出了固定电极，以及在电极的泵吸作用下水流穿过和绕过电极的预期水流方向96；图2C为图2A所示实施例中的电凝设备的俯视示意图，再次示出了在转动电极的泵吸作用下水流穿过和绕过电极的预期路线。

图3A为电凝设备10的侧视示意图，其中轴20垂直设置并且具有中空部分98和开口端100，当电极18a-18b处于转动状态时，轴20的开口端100允许水流96进入轴和出口孔102a-102e中，出口孔102a-102e允许水流离开轴。图3B为图3A中所示设备的透视示意图，图中进一步示出了固定电极24a上的外围槽104以及转动轴的垂直定向，其中外围槽104允许水流96穿过电极而流动。

图4为本电凝设备的示意图，本电凝设备适于处理来自可用水源112(例如湖、井、矿井或船舶舱底(ship bilge))的水。可使用过滤器114将来自水源的水进行预过滤，并且利用泵82将水引入电凝器10中，其中泵82可用于控制水的流速进而控制水在电凝器中的停留时间。可使用粗预过滤器(coarse prefilter)116对水进行进一步过滤。随着处理过的水一起离开电凝器10的研磨剂可由分离器117去除，并且返回到凝结器10中。离开凝结器10的处理过的水被引导通过分批阀(batch valve)118并到达一个或多个澄清池120、122；在澄清池中，电凝后的污染物由于重力作用而从水中分离并且分别被引导通过阀124和126到达污泥处理区128。可利用阀130将净化水从罐120和122中引导出来，并且利用后过滤器132对净化水做进一步过滤，然后将净化水存储在罐134中。如果需要对水进一步进行额外净化，可利用泵136将水从罐134引导通过臭氧发生器138，并且利用阀140对水进行分配。虽然图4中示出的是通过分批处理的方式将电凝后的污染物分离，然而采用连续的沉积工序或连续的过滤工序也同样是有效的。

前文已经总体描述了本发明，以下实例提供另外的细节：

实例1：将200ml煤尘和3.7L水混合后添加到1加仑的容器内，该容器具有如图3A和3B所示的类似结构，区别仅在于该容器采用一个铝质转动电极和两个铝质固定电极。在固定和转动电极之间施加12V的电压5分钟，转动电极具有3″的直径、1/16英寸的厚度，并且与固定电极间隔1/4英寸，转动电极的转速为600rpm。固定电极的厚度为1/16英寸。电极之间的电流约为5A。水中不添加研磨剂或盐。经混凝后，将处理过的水放置5分钟，并且利用市售的浊度计观察到浊度从高变低。

实例2：替代(对比)水样中包括浓度超过200ppb的砷(砷以As³⁺存在)，将对比水样以约20L/h的速度加入1.25加仑的电凝室内，电凝室具有类似于图3A和3B中所示电凝设备的结构，电凝室中包括直径为3英寸的铁质和铝质电极，铁质和铝质电极相互间隔0.250英寸并且设置在同一主轴上，从而两者均以约900rpm的速度转动，铁质和铝质电极由铝质固定电极等距间隔开。采用地面沙作为研磨剂，转动和固定电极之间的电压约为12V并且之间的电流约为5A。处理后，将水排出容器后静置30分钟，接着在不进行额外过滤操作的情况下轻轻倒出。结果发现砷的浓度低于使用的测试仪器的检测极限，被估计为小于10ppb。对絮凝物分析后发现其中砷的浓度大于300ppb。本发明人认为以Fe³⁺(Fe+++)离子形式存在的铁与砷发生了反应，并且铝可有效去除铁和反应后的砷。

图5A为电凝设备500另一实施例的分解示意图。该电凝设备500包括容纳在容器506中的一套由三个转动电极组件502a-502c构成的电极组合以及固定电极组件504。容器506安装在框架组件508中并由框架组件508支撑。盖组件510附接到框架组件508的顶部并且封闭容器506的开口侧，且盖组件510位于电凝设备500的顶侧。每个转动电极组件502a-502c包括彼此间隔的平面圆形导电电极512(称为转动电极)。虽然图5A所示实施例中每个转动电极组件502a-502c包括12个转动电极512，从而总共包括36个转动电极512，但是转动电极512的数量可根据任何特定实施方案而改变。类似地，虽然图5A所示实施例中包括三个转动电极组件502a-502c，但是转动电极组件502a-502c的数量可根据任何特定实施方案而改变。每个转动电极512沿着导电轴或主轴514与另外的转动电极512平行设置。每个转动电极组件502a-502c能够绕着纵向轴线516转动，所示纵向轴线516分别沿着各个转动电极组件的轴514设置。一个转动电极组件502a-502c的转动电极512与相邻转动电极组件502a-502c上的转动电极512相互交错设置。换句话说，三个转动电极组件502a-502c中的每个转动电极组相互间隔并且相互偏移，从而一组转动电极512的部分区域与相邻的转动电极组件502a-502c上的转动电极512重叠。由此，外侧转动电极组件502a或502c上的转动电极512重叠于或夹于中间或内部转动电极组件502b上的转动电极512，这是因为中间转动电极组件502b上的转动电极512沿着他们各自的轴线514稍微偏离外侧转动电极组件502a，502c上的转动电极512。在图5A所示的实施例中，转动电极512是阳极，而转动电极512可无困难地充当阴极。

继续参照图5A及图8A-图8B，固定电极组件504包括多个间隔设置的平面固定导电电极518(称为固定电极)。固定电极518设置在转动电极512的附近并与转动电极512平行，从而每个转动电极512夹于一对固定电极518之间。固定电极518和转动电极512总体定位为相互平行并且两者大体垂直设置于容器506中，从而流体的重力平行于平面电极512、518；由此使得流体的自身重力不会过多地阻碍其流动。然而平面电极512、518也可定位为不成垂直设置，虽然大体垂直的定位确保研磨材料(例如砂石)在容器中的循环。固定电极518通过电极间隔板520相互间隔设置，电极间隔板520位于电极组件504的四周。每个电极间隔板520包括方形轴525，方形轴525具有均匀间隔设置的狭槽517，当电极间隔板520与固定电极518啮合时，狭槽517的尺寸设置成用于容纳固定电极518的宽度。电极间隔板520还包括沿方形轴525的纵向轴线的孔519，孔519还穿过狭槽517。每个固定电极518包括匹配孔，当狭槽517与固定电极518的宽度啮合时，匹配孔与电极间隔板520中的孔519共线。螺纹构件521可以穿过固定电极518和电极间隔板520的孔519，以通过设置在螺纹构件521端部的紧固件将电极间隔板520固定到固定电极518。在图5A所示的实施例中，固定电极组件504包括25个固定电极518，然而固定电极518的数量可以因此变化。例如，图9所示的实施例描绘了电凝设备500具有6个固定电极518。在图5A的实施例中，固定电极518是阴极，而固定电极518可无困难地充当阳极。

仍然参照图5A以图8A-图8B所示的实施例，每个固定电极518包括三个垂直的切口522，切口522被成形为可容纳各个平面转动电极组件502a-502c的轴514，并且允许轴514以不接触的方式穿过切口522。更具体地，每个切口522限定了上部通道部分522和下部圆形部分524。下部半圆轴状切口524的尺寸大于垂直的上部部分522的尺寸。下部半圆形部分524允许沿着位于圆形部分524中的圆形轴514的方向容纳转动电极512以及允许水更自由地在转动电极512和固定电极518之间形成的体积中流动。在将转动电极组件502a-502c容纳在固定电极组件504中时，轴状切口524环绕轴514并且为水流在设备中的循环提供流动通道。

固定电极518包括大致相对的平面和顶侧部，该顶侧部限定出位于垂直切口522侧部的弓形切口526，垂直切口522大体上与盖组件510的下侧部相匹配，盖组件510包括半圆形的扩散器540，该扩散器540可匹配固定电极组件504上的弓形切口526。固定电极518的底侧部在相对侧间线性延伸，并且大体上垂直于该相对侧。在底侧部与相对侧之间形成有圆角505，该圆角505大体上与容器506的底面相匹配。

虽然电极512被示意成圆形，但具有旋转轴线的其它形状也可以考虑。电极512可利用活性金属制造，例如铝、铁、钙以及镁；而电极518可由惰性导电材料制造，例如不锈钢、钛、铂及石墨等。另一方面，固定电极518可由活性金属制造，而转动电极512可由惰性材料制造。此外，由不同活性金属制造的电极可应用于同一轴514上。

如图5A所示，固定电极组件504和转动电极组件502a-502c容纳在容器506中。容器506可将固定电极组件504固定在适当位置，此时电极间隔板520位于容器的内表面上。电极间隔板520与相对于固定电极组件504讨论的类似，区别在于固定电极组件504安装到容器的内表面，而在将固定电极组件504插入容器506中时，电极间隔板520以可滑动的方式容纳固定电极518。在图5A所示的具体实施例中，两个电极间隔板520与固定电极518的每个侧部啮合，并且与固定电极518的底侧部啮合。容器506被成形为使得具有较狭窄的底部530，该较狭窄的底部530略宽于固定电极组件。容器506还包括平台534，该平台534将较狭窄的底部530转换为较宽的上部532，平台可调节转动电极组件502a-502c上的安装构件的位置。如前面提到的，容器506包括大体平坦的底面，该底面具有圆角505和正交边，正交边与固定电极组件504的轮廓大体相匹配。用于处理过的水和/或研磨材料的出口(图中未示出)可以位于容器506的底部表面或者附近。

容器506由框架508支撑在外部表面上。如图5A和5C所示，框架508为钢管式结构并且支撑容器506，在电凝过程中，该结构能够分散支撑多种组件以及水的重力。虽然图5A描绘了钢管式结构，但其它的多种结构也可支撑设备500的重力。

参照图5A和图6A-图6C，一旦转动电极组件502a-502c和固定电极组件504在容器506中，盖组件510就封住设备500。盖组件510包括顶部表面，顶部表面包括电机536，该电机536用于通过皮带或者其它类似装置驱动转动电极组件502a-502c的轴514。顶部表面还包括可将盖组件510的顶部表面和底部表面连通的端口538。端口538用作将污水和研磨材料引入设备500中的进入通道。端口538与盖组件底侧上的扩散器540连通，扩散器540进一步包括扩散端口541，扩散端口541将水或研磨材料输入到容器506中并且与电极组件504和502a-502c相接触。在图5A的实施例中，有4个扩散器540，该4个扩散器540沿着与转动电极组件502a-502c的轴514相同的方向在相对的端口之间延伸。扩散器540具有半圆形的横截面，当盖组件510封住设备500时，扩散器540的半圆形横截面与电极518上的弓形切口526匹配地啮合。

图5B示出了图5A中所示的电凝设备的实施例的俯视图，图中盖组件510被移除。如图5B所示，转动电极组件502a-502c的轴514由一对架座轴承542支撑，该对架座轴承542在轴514的端部固定安装到容器506的平台534。当轴514在架座轴承542上转动时，架座轴承542(也称为轴台或者轴承箱)支撑转动电极组件502a-502c的重量。

参照图5B和图7中的转动电极组件502a-502c，轴514上的转动电极512被衬套544分开，衬套544可以是套筒袖衬、拼合衬套或者其它衬套。在转动电极组件502a-502c的组装过程中，衬套544在轴514上滑行，并且在电极512间提供间距。电极512和衬套544沿轴514的相对设置位置使得外侧转动电极组件502a，502c上的电极512能够与内部转动电极组件502b的电极512重叠。换句话说，衬套544和电极512在外侧转动电极组件502a、502c上的放置与衬套544和电极512在内部转动电极组件502b上的放置偏移。由此，外侧转动电极组件502a，502c上的电极512的一部分与内部转动电极组件502b上的电极512的一部分重叠并交错，但两者并不接触。

如图5B-图5C明显的，固定电极518通过电极间隔板520固定至容器506的内侧。然而，固定电极518与容器506的内侧之间有侧面间隙546。此外，容器506中还有大多数外部固定电极和容器506的内壁之间限定的端部间隙547。在电凝过程中，侧面间隙546和端部间隙547加速了污水和研磨材料在设备500中的循环，下面将参照图9进一步讨论。

图5C示出了图5B中所示的组装好的设备的等轴图。第一固定电极518被清晰地示出以方便观察转动电极512之间的重叠，尤其是最靠近轴514延伸穿过容器506以与电机536的皮带连通的位置。

图6A-图6C进一步示出了盖组件510。如前所述，盖组件510包括顶部表面，顶部表面具有安装在电机安装座上的电机536和用于将污水和研磨材料引入设备500中的进入端口538。电机536由电源供电，驱动附接到皮带轮的皮带，继而驱动转动电极组件502a-502c的轴514转动。电源可包括蓄电池、太阳能电池和其它合适的线路电压。如图6B所示，扩散器540位于成组的两个进入端口538的下方，进入端口538在盖组件510的底面上。扩散器540进一步包括扩散器540的中部上的扩散端口541以及扩散器540外端的端盖546。扩散器540有助于减小进入端口538之间的输入流的水压，以及减小水流与电极组件502a-502c、504第一次接触时的压力。来自进入端口538的进水压力在进入扩散器540后丧失。在端盖546的作用下，水流在扩散器540的各端部被阻挡，接着从扩散端口541排出并且与电极组件502a-502c、504接触。

图7为转动电极组件502a-502c的分解图。电极512位于轴514上，电极512之间有衬套544。虽然本实施例中的电极512为圆形，但电极512还可以被不同地成形。电极组件包括外部衬套544与螺帽550之间的间隔板548。此外，每个电极组件502a-502c包括轴延伸部552。轴514上的电极512和衬套544的布置和位置基于组件是外部电极组件502a、502c还是内部电极组件502b。一般地，内部电极组件502b将在外部电极组件502a、502c包括电极512的对应位置中包括衬套544，反之亦然。

图8A是图5A中所示固定电极组件504的分解图，并且图8B是该固定电极组件504的正视图。单个固定电极518通过电极间隔板520均匀间隔开，电极间隔板520位于固定电极组件504的顶侧和底侧上。如前所述，电极间隔板520包括方形轴525，方形轴525具有狭槽517和穿过电极间隔板520的纵向轴线的孔519，其中狭槽517被配置为容纳固定电极518的宽度。当狭槽517与各个固定电极518的宽度啮合时，孔519与穿过电极518并设置大小为容纳螺纹构件521的孔共线。螺纹构件521通过对应的螺纹紧固件固定在端部，以将电极间隔板520固定到固定电极518。另外的电极间隔板520固定到容器506内表面的侧部。这些电极间隔板520确保电极518的侧部上的正确间隔。

图9描绘了图5A所示电凝设备500中的水流流动图案，区别在于图9中的设备500包括更少的电极512、518，以更清楚地描绘流动路径。当转动电极512转动时，转动电极512(交错设置于固定电极518之间)用作流体泵，以迫使水从转动电极512两侧上的轴514向外径向流出。水从每个轴514向外“泵出”，并且通过半圆形轴状切口524、垂直切口522和/或侧面间隙546中的一个或多个开口或间隙，水在循环返回路径中驱动流动。

参照图9，示出了电凝设备中流动路径的实例。在第一实例中，第一体积554的水限定在外部转动电极组件502c中的电极512与相邻的固定电极518之间。当轴514转动时，在由流体的粘性引起的边界层效应作用下以及由于转动电极512与固定电极518之间的接近，第一体积的水被“泵吸”或迫使从轴514向外径向移动。随着水从轴514向外行进，这部分水通过固定电极组件504中的半圆形轴状切口524和/或垂直切口522移动到第二体积556中。由于体积554和556之间的相对压力梯度，驱使水移动到第二体积556中。第二体积556限定在内部转动电极组件502b中的固定电极518与转动电极512之间。当流体进入第二体积556时，受内部转动电极组件502b的转动电极512的影响，流体发生边界层流动效应，并且由此被泵吸或驱动返回到外部转动电极组件502c。流体在固定电极组件504(固定电极组件504靠近外部转动电极组件502c的轴514)中的半圆形轴状切口524和/或垂直切口522处受到低压影响，并且由此流动返回到第一体积中。刚描述的循环图案在电凝过程中贯穿多个体积连续，而多个体积限定在遍及电凝设备500中的转动电极512和固定电极518之间。

为了进一步示出水在设备500中通过侧面间隙546和端部间隙547的流动路径，再次参照图9。作为第二个实例，第三体积560中的水限定在外部转动电极组件502a上的转动电极512与固定电极518之间。应注意的是，虽然电极512、518在容器506的角落，但经由通过侧面间隙546和端部间隙547的流动，维持循环流动路径。当转动电极512转动时，第三体积560中的水被迫使径向向外并流向侧面间隙546。由于固定电极518允许固定电极518和容器506的内表面之间的侧面间隙546，所以水在固定电极周围具有流动通道，并且流进端部间隙547中，端部间隙547由第四体积558占据。固定电极组件504中的半圆形轴状切口524和/或垂直切口522处的低压效应驱动第四体积558中的水流过切口524或522并再次进入第三体积560。为了便于说明和澄清，虽然前面的实例是针对图9所示的实施例而描述的，但流动路径和示出的体积554、556、558、560也可应用于图5A所示的实施例。

与参照图1A的实施例所讨论的类似，在其它情形下，使电流在每个转动和固定电极518、512之间流动，由此使得流过其间的水中的污染物发生电凝。约3-24伏特之间的直流电源施加到固定电极518，以在设备500中产生电凝。所施加的电压量取决于多种因素，包括污水的水质和水的电导率。

使用过程中，容器506充填待处理的水，从而使电极512、518相连接。一般地，电极浸入水中，即使不需要完全浸入。如果待处理的原始水样含有的悬浮在其中的研磨材料不足，可以在容器506中引入一定量的不溶性研磨材料以有效确保电极不会结垢和镀上其它涂层。如前所述，研磨材料可以从沙、玻璃珠、磨砂玻璃或石榴石及它们的任意组合中选择，虽然任何的研磨材料都是有效的。在电凝过程中，由固定和转动电极518、512的相互作用引发的泵吸动作持续地将水和研磨材料重复暴露于电极518、512，从而使得反应器能够对给定体积的待处理水进行处理。对于图5A中所示的设备500，水在具有上述部件的设备500中的流速可以在约10-75加仑/分钟之间，这取决于水的污染水平。研磨材料的用量和颗粒大小的确定需满足，一定流速的泵吸的水维持处于悬浮状态的有效颗粒量并且维持有效颗粒量的水在电极512、518之间循环。作为实例，通过允许这些材料沉淀，或者通过利用过滤过程，可将研磨材料从输出流中去除。随后，收集到的材料可以重新返回到容器506以重复使用。主轴514转速的选定需满足，研磨材料可有效地循环以用于电极的去钝化，以及设备500可使选定量的水循环流动。可以采用主轴514的约每分钟100至2000转(100-2000RPM)范围内的转速(虽然其它的转速也是可能的)。

已经发现，电凝的效率与水的传导率有关。在电凝过程中，对于恒定的电流密度，所施加的电压可以从3V改变为高达70V。已经知道，添加少量的食盐或其它电解质(例如氯化钠、硫酸镁)可加快电凝过程的速度并可减少电力需求。还已经注意到，由于金属电离而引起的电极512或518消耗是电流密度的直接函数。由于水的传导率不容易控制并且可能随着时间变化，所以已采用恒定电流发生器，该恒定电流发生器改变电极之间的电压以将电流保持为恒定值。

在图5A所示实施例的设备500中，转动电极512可具有以下参数：即，直径在约2英寸至约120英寸之间，厚度在约1/32英寸至约1英寸之间，以及间距在约1/8英寸至约0.5英寸之间。设备500的尺寸、电极板512的数目以及所需的电流大小由每分钟需处理的水量确定。对于每分钟几夸脱至数千加仑之间的水量，本实施例的设备500都可进行有效处理。

对各种实施例的前述描述用于例示和描述的目的，而并非旨在穷举或将本公开限于所公开的具体形式，很显然地，鉴于上述示教，许多修改例和变型例都是可能的。选择并描述这些实施例是为了最好地解释各种实施例的原理，从而使本领域技术人员能够理解本发明的适用于所构想特定用途的各种实施例和各种修改例。旨在由所附权利要求书及其等同物来限定本公开的范围。

Claims (18)

1.一种用于从污染流体中去除污染物的设备，以组合方式包括：

用于盛装流体的容器；

第一轴，所述第一轴可转动地安装在所述容器中并且支撑一第一平面转动电极，所述第一平面转动电极大体上垂直；

第二轴，所述第二轴可转动地安装在所述容器中并且支撑一第二平面转动电极，所述第二平面转动电极大体上垂直；

第一平面固定电极，所述第一平面固定电极定位于所述第一平面转动电极和第二平面转动电极之间，并且包括相对的平面、第一开口和第二开口，所述第一开口允许所述第一轴穿过所述第一开口，所述第二开口允许所述第二轴穿过所述第二开口，所述第一平面固定电极大体垂直和平行于所述第一平面转动电极和所述第二平面转动电极，所述第一平面转动电极和所述第二平面转动电极以及所述第一平面固定电极设置于所述流体中；

电流源，所述电流源与所述第一平面固定电极和所述第一平面转动电极和第二平面转动电极电性连接，以有效使所述流体中的所述污染物发生电凝；以及

电机，所述电机建构成使所述第一轴和所述第二轴以选定角速度转动。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一开口形成所述第一轴和所述第一平面固定电极之间的第一体积，所述第二开口形成所述第二轴和所述第二平面固定电极之间的第二体积；

其中所述电机建构成使所述第一轴和所述第二轴转动，从而使所述流体通过所述第一体积，并从所述第一轴径向地向外流动，并且使水通过所述第一开口流向所述至少一个第一平面转动电极；

所述设备还包括第二平面固定电极，所述第二平面固定电极具有第三开口和第四开口，所述第三开口形成位于所述第一轴和所述第二平面固定电极之间的第三体积，并且允许所述第一轴穿过所述第三开口，所述第四开口形成位于所述第二轴和所述第二平面固定电极之间的第四体积，并且允许所述第二轴穿过所述第四开口，所述第二平面固定电极大体垂直和平行于所述至少一个第一平面转动电极，所述第一平面固定电极和第二平面固定电极设置于所述流体中，所述第一平面转动电极位于所述第一和第二平面固定电极之间。

3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述第一平面固定电极具有用于容许水通过的第五开口，所述第五开口靠近所述第一开口，且其中所述第二平面固定电极具有用于容许水通过的第六开口，所述第六开口靠近所述第三开口。

4.根据权利要求3所述的设备，其中，当所述第一和第二平面固定电极被支撑于所述容器中时，所述第五开口定位于所述第一开口上方，所述第六开口定位于所述第三开口上方，所述第五开口和所述第六开口建构成在组装和替换期间接收其中一个轴。

5.根据权利要求3所述的设备，还包括第三平面转动电极，所述第三平面转动电极由所述第一轴支撑，并且能够绕着所述第一轴旋转；

所述第三平面转动电极定位于所述第二平面固定电极和一第三平面固定电极之间；所述第三平面固定电极具有第七开口，所述第七开口形成位于所述第一轴和所述第三平面固定电极之间的第四体积，并且允许所述第一轴穿过所述第七开口，所述第三平面固定电极大体垂直和平行于所述第一平面转动电极；以及

一第四平面固定电极，具有第八开口，所述第八开口形成位于所述第一轴和所述第四平面固定电极之间的第五体积，并且允许所述第一轴穿过所述第八开口，所述第四平面固定电极大体垂直和平行于所述第一平面转动电极。

6.根据权利要求5所述的设备，其中，一第六体积形成于所述第二平面固定电极和第三平面固定电极之间，使得所述流体于再循环进入所述第三体积和第四体积之前，能够在所述第六体积中畅通无阻地循环流动，由此促进电凝和结垢的去除。

7.根据权利要求5所述的设备，还包括一第四平面转动电极，所述第四平面转动电极被所述第二轴支撑，并且能够绕着所述第二轴旋转，所述第四平面转动电极大体上与所述第一平面转动电极、所述第二平面转动电极和所述第三平面转动电极平行，所述第四平面转动电极定位于所述第三平面固定电极和所述第四平面固定电极之间。

8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一轴和所述第二轴间隔设置，从而所述第二平面转动电极的一部分与所述第一平面转动电极交错。

9.一种用于从污染流体中去除污染物的设备，以组合方式包括：

用于盛装流体的容器；

第一轴，所述第一轴可转动地安装在所述容器中并且支撑一第一平面转动电极，所述第一平面转动电极大体上垂直；

第二轴，所述第二轴可转动地安装在所述容器中并且支撑一第二平面转动电极，所述第二平面转动电极大体上垂直；

第一平面固定电极，所述第一平面固定电极定位于所述第一平面转动电极和第二平面转动电极之间，所述第一平面固定电极大体垂直并且具有相对的平面，所述第一平面固定电极具有第一开口，所述第一开口形成所述第一轴和所述第一平面固定电极之间的第一体积，并且允许所述第一轴穿过所述第一开口，所述第一平面固定电极具有第二开口，所述第二开口形成所述第二轴和所述第一平面固定电极之间的第二体积，并且允许所述第二轴穿过所述第二开口，所述第一平面固定电极大体垂直和平行于所述第一平面转动电极和所述第二平面转动电极，所述第一平面转动电极和所述第二平面转动电极以及所述第一平面固定电极设置于所述流体中；

电流源，所述电流源与所述第一平面固定电极和所述第一平面转动电极和第二平面转动电极电性连接，以有效使所述流体中的所述污染物发生电凝；以及

电机，所述电机与所述第一轴和所述第二轴耦合，并且建构成使所述第一轴和所述第二轴以选定角速度转动，从而使所述流体通过所述第一体积和所述第二体积，并沿所述第一平面固定电极的相对平面分别从所述第一轴和第二轴径向地向外流动，并且使水径向地向内分别通过所述第一开口和第二开口而分别流向所述第一平面转动电极和所述第二平面转动电极。

10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述第一固定电极具有一第三开口和一第四开口，用于分别允许所述流过所述第三开口和第四开口，其中所述第三开口与所述第一开口相邻，并且所述第四开口与所述第二开口相邻，当支撑于容器中时，所述第三开口和所述第四开口分别定位在所述第一开口和所述第二开口上方，所述第三开口和第四开口建构成在组装和替换期间容纳所述第一轴和所述第二轴。

11.根据权利要求9所述的设备，其中，所述第一轴和所述第二轴间隔设置，从而所述第一平面转动电极的一部分与所述第二平面转动电极的一部分重叠。

12.根据权利要求9所述的设备，还包括一第三平面转动电极，所述第三平面转动电极由所述第一轴支撑，并且能够绕着所述第一轴旋转。

13.根据权利要求12所述的设备，还包括一第二平面固定电极，所述第二平面固定电极位于所述第二平面转动电极和第三平面转动电极之间，所述第二平面固定电极大体上垂直并且具有相对的平面，所述第二平面固定电极具有第五开口，所述第五开口形成所述第一轴和所述第二平面固定电极之间的第三体积，并且允许所述第一轴穿过所述第五开口，所述第二平面固定电极具有第六开口，所述第六开口形成所述第二轴和所述第二平面固定电极之间的第四体积，并且允许所述第二轴穿过所述第六开口。

14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述第二平面固定电极具有第七开口和第八开口，容许水分别通过所述第七开口和第八开口，其中所述第七开口与所述第五开口相邻，并且所述第八开口与所述第六开口相邻。

15.根据权利要求14所述的设备，其中，当支撑于容器中时，所述第七开口和所述第八开口分别第为于所述第五开口和所述第六开口上方，所述第七开口和所述第八开口建构成在组装和替换期间接收第一轴和第二轴。

16.根据权利要求15所述的设备，还包括：

一第三轴，所述第三轴可转动地安装在所述容器中并且支撑一第四平面转动电极，所述第一平面转动电极大体上垂直；

其中所述第一平面固定电极还包括一第九开口，所述第九开口形成所述第三轴和所述第一平面固定电极之间的第五体积，并且允许所述第三轴穿过所述第九开口。

17.根据权利要求16所述的设备，其中所述第二平面固定电极还包括一第十开口，所述第十开口形成所述第三轴和所述第二平面固定电极之间的第六体积，并且允许所述第三轴穿过所述第十开口。

18.根据权利要求17所述的设备，其中所述第四平面转动电极位于一平面中，所述平面平行于由所述第一平面转动电极限定的第一平面，

其中所述第一平面转动电极、所述第二平面转动电极、所述第三平面转动电极以及所述第四平面转动电极为阳极，

其中所述第一平面固定电极和所述第二平面固定电极为阴极。