CN106660836A - 电化学处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及处理液体混合物的方法,以及电化学液体处理装置和处理设备或系统。本方法包括一种处理液体混合物的方法,所述液体混合物包括水相、疏水相和水污染物,所述方法包括以下步骤:(i)对混合物执行首次电化学处理,以至少部分分离水相和疏水相;(ii)对至少部分分离的水相执行二次电化学处理,从而清除水相中的水污染物。

Description

电化学处理方法
技术领域
本发明尤其涉及电化学处理流体的方法,尤其是来自油井和气井的废水,还涉及一种电化学液体处理装置和一种处理装置或系统。
背景技术
须清楚认识到,如果本文参考了之前的出版资料,这类参考并不代表承认此出版资料构成澳大利亚或任何其他国家/地区的公知常识的一部分。
下述讨论涉及到来自油井和气井(包括探坑和蓄水池)的废水的处理,尤其是通过水力压裂作业获取的流体的处理。但是,为免生疑,本说明书不仅限于此类处理。
油井和气井(包括探坑和蓄水池)经常产生大量的废水。从一方面来说,许多井天然会有很多水,而当清除地下的油或气体时,油或气体会混有废水。这种水通常称为“采出水”或“地层水”。从另一方面来说,为改善井的生产,或者尽可能清除油气,经常要往井内抽送水溶液。例如,当置换井内油气(此过程称为“水浸”)和水力压裂作业时,要往井内抽送此类水溶液。当然,当从井中清除此类水溶液时,此水溶液经常也包括油气,此废水通常称为“回流水”。
许多国家对油气井中废水的处理有很严格的规定,这些规定一部分是受公众对此类废水的环境影响的关注所驱动的。为此,如果废水要排放至环境中,则需要执行处理,包括介质过滤、重力分离、清除乳化剂、化学处理、膜过滤和其他先进的处理。鉴于废水量大以及废水中常见污染物复杂,这些处理操作非常耗时且成本高昂。另外,某些污染物也很难彻底从废水中清除。
水力压裂形成的回流水(通常称为“压裂回流水”)尤其难以处理,因为此类回流水含有碳氢化合物、水、无机物、有机化合物、支撑剂、沸点调节剂、生物杀虫剂、表面活性剂和胶凝剂的复杂混合物。在水力压裂作业中,高黏度胶凝液(或压裂液)通常含有部分碳氢化合物和悬浮颗粒支撑剂材料(例如球形砂或陶瓷、石榴石或矾土),它被抽送通过井坑,进入刺激的地层。压裂液抽送进入地层的压力和速度导致形成裂缝和断裂,在地层横向和纵向延伸。当压裂完成,压裂液返回表面,而一些支撑剂材料仍沉在裂缝处,防止形成的裂缝合上。这样,地层中的导电槽会保持,通过导电槽,生产的碳氢化合物提取液或气体可以很轻松流向表面。因此,水力压裂使之前不可接近或难以接近的油气流向表面,这对于油气行业来说至关重要。
处理油气井中废水的其中一种方法就是通过膜过滤。这种过滤方法可能涉及到使用一系列隔膜(例如微滤和超滤膜)清除油和其他有机物以及(纳滤和反渗透膜)来移除溶解固体,例如盐。但是,因为压裂回流水等混合物非常复杂,膜结垢成为一大弊病。压裂回流水中的盐、油、颗粒和其他污染物可能导致严重的不可逆的渗透通量恶化,且通常要求大量的化学清洗,这就缩短了隔膜的使用寿命(Miller et al.,《膜科学杂志》,437(2013)265-275)。
因此,亟待有一种改进的方法和/或改进的装置处理油气中的废水。
发明摘要
在第一方面中,本发明涉及一种处理流体混合物的方法,所述流体混合物包括水相、疏水相和水污染物,所述方法包括以下步骤:
(i)电化学处理混合物(或对混合物执行一次电化学处理),以至少部分分离水相和疏水相;和
(ii)电化学处理所述至少部分分离的水相(或对至少部分分离的水相执行二次电化学处理),从而清除水相中的水污染物。
在第二方面中,本发明涉及一种处理含有机羧酸的水溶液的方法,所述方法包括同时或连续将水溶液进行电化学处理和加入处理增强剂以至少部分分解有机羧酸的步骤。所述处理增强剂可以是紫外光。
在第三方面中,本发明涉及一种电化学处理水溶液的方法,其中,所述溶液包括氯根离子的源和硫酸根的源,其中,硫酸根至少部分减轻了氯根离子对电化学处理的抑制效应。本发明也可能涉及一种电化学处理水溶液(包括氯根离子的来源)的方法,
所述方法包括以下步骤:
(i)往所述溶液加入硫酸根;和
(ii)电化学处理步骤(i)的溶液。
在第四方面中,本发明涉及一种处理含有机羧酸的水溶液的方法,所述方法包括在存在催化剂的情况下电化学处理所述水溶液,以至少部分分解有机羧酸的步骤。
在第五方面中,本发明涉及一种处理含有机羧酸的水溶液的方法,所述方法包括电化学处理所述水溶液,以至少部分分解有机羧酸的步骤。
在第六方面中,本发明涉及一种处理流体混合物的方法,所述流体混合物包括水相和疏水相,所述方法包括电化学处理混合物的步骤。
在第七方面中,本发明涉及到一种电化学流体处理装置,所述装置包括一个处理室,所述处理室包括至少一个引入待处理流体的入口和至少一个将电化学处理后的流体排出的出口,以及多个在处理室内部用于电化学处理流体的电极(例如,至少一个阳极和至少一个阴极,或多个阳极和/或多个阴极)。在一个实施例中,所述流体是一种液体,所述电化学流体处理装置是一种电化学液体处理装置。在此方面的一个实施例中,本发明涉及一种电化学液体处理装置,包括:
一个包括至少一个待处理的液体入口和至少一个将电化学处理后的液体排出的出口的处理室;
多个位于处理室内部用于电化学处理所述液体的电极;和
一个调整电极间液体流量的流量调整器,其中,流量调整器位于所述至少一个入口与所述电极之间。
在第八方面中,本发明涉及一种电化学流体处理装置,所述装置包括多个与垂直面成一定角度的电极。在此方面的一个实施例中,所述装置还包括一个处理室,处理室内部有多个所述电极,所述处理室包括至少一个用于引入待处理流体的入口和至少一个用于排出电化学处理后的流体的出口。在一个实施例中,所述流体是一种液体,所述电化学流体处理装置是一种电化学液体处理装置。
在第九方面中,本发明涉及一种流体处理装置或系统,其中所述装置或系统包括至少一个电化学流体处理装置。所述电化学流体处理装置可能与本发明第七或第八方面所述的相同。所述流体处理装置或系统还可能包括一个或多个以下组件:调节池、处理池(例如,酸池、碱池、处理剂池)、澄清器、螺旋(污泥脱水)压榨机、可抛油箱、储存罐和过滤系统。所述过滤系统可能包括一个或多个以下组件:砂滤器、炭过滤器和一个或多个膜过滤器(例如超滤膜、微滤膜、纳滤膜或反渗透膜,包括独立的隔膜(平板膜、陶瓷膜、螺旋卷式薄膜和其他形式的薄膜),这些过滤器可按要求提供,以进一步改进处理水)。其他滤膜(例如粒状氢氧化铁或活性炭柱)可用于移除特定的有机污染物(例如醋酸或硼酸盐)。
下文可更进一步介绍本发明的第一到第九方面的特性。
此处描述的任何特性可与在本发明范围内描述的任何一个或多个特性相结合。
在某些方面中,本发明涉及处理各种流体的方法。在一个实施例中,所述流体
(或流体混合物)是来自或源自于油井或气井的流体(包括油气井探坑和蓄水池)。来自油气井的流体可能是采出水(或地层水)(即,井中天然存在的水,当清除地下的油或气体时,会与油气混在一起),或可能是回流水(即,水溶液抽送入井中,然后移除)。来自油气井的流体尤其可能是压裂回流水(其中,抽送入井中的流体用于水力压裂或其他修井作业)。待处理流体可能是一种液体。
本发明的方法中的待处理流体可能包括:水相和/或疏水相,和固体(可能分散或悬浮在水相或疏水相中)。待处理流体可能是一种乳化液。
所述疏水相可能包括烃液。所述烃液或疏水相可能包括(例如)原油、石油馏出物或一种或多种烯烃、煤油、柴油、凝析油和燃油。
流体混合物、疏水相或水相可能包括以下添加剂的一种或多种:胶凝剂、交联胶凝剂的交联剂、交联胶凝剂、沸点改性剂、盐、除垢剂、破胶剂、pH调节剂(例如,酸或碱)、铁螯合剂、铁螯合物、黏土防膨剂或悬浮剂、微生物(或多种微生物)、表面活性剂、脱乳剂和微生物生长或含量控制剂(如生物杀虫剂)。例如,可以在水力压裂前添加这些组分,或者可在回流水返回表面后(即在处理前)加入这些组分。
所述胶凝剂可以是糖类(尤其是多糖类;更特别的是半乳甘露聚糖,如瓜尔豆胶,或淀粉,如,玉米淀粉)。
所述交联剂可以是硼酸盐(例如硼砂或含表面活性剂的硼化合物,例如单乙醇胺、二乙醇胺或三乙醇胺)、碱土(如钙)或过渡金属(如锆)。硼砂和钙均属于交联瓜尔豆胶。所述交联剂可用于控制含胶凝剂的溶液的黏度。溶液黏度很大地影响着溶液支持支撑剂的能力,这在执行水力压裂时非常关键。所属领域技术人员了解其他合适的交联剂和黏度调节剂。
由于水力压裂中所用溶液具有一定黏度,这就可能需要加入破胶剂来减小溶液黏度,才能将其抽送回表面。所属领域技术人员了解合适的破胶剂。破胶剂的例子包括酸(尤其是无机酸(例如盐酸))、有机酸(例如柠檬酸和醋酸)和酶(或微生物)。
所属领域技术人员了解合适的沸点调节剂。沸点调节剂的例子为乙二醇,例如乙烯乙二醇。
盐类可以是碱土金属盐(包括镁盐、钙盐(如碳酸钙或硫酸钙)、或钡盐(例如硫酸钡))、过渡金属盐(包括铁盐,例如碳酸铁)、碳酸盐(例如碳酸钙或碳酸铁)、含硫盐(例如硫酸盐(包括硫酸钙和硫酸钡)、硫酸或过硫酸盐)、卤盐(包括氯化或氟化盐)或磷酸盐。所述盐类可能来自地下水,或可在将水从地下抽送前或后将盐类加入水中(例如,在水力压裂时,可加入盐类,使支撑剂保留在溶液中)。地层渗透率减损可能降低油井的生产效率,当反应离子形态组合在一起,形成水溶或微溶形态时,例如硫酸钡、碳酸钙或硅基化合物(包括硅酸钙和硅酸镁),也可能导致地层渗透率减损。此类形态可能存在于流体中。
所属领域技术人员了解合适的防垢剂。防垢剂的例子包括:酸(例如,盐酸、
磷酸、柠檬酸、醋酸和巯基醋酸)、丙烯酰胺(例如丙烯酰胺或丙烯酰胺共聚物)和螯合剂(例如,氨基-多羧酸,例如乙二胺四乙酸(EDTA)或聚羧酸)。例如,压裂回流水中的防垢剂可能包括钙、镁、钡、锶和二氧化硅的一种或多种。这些防垢剂对于诸如反渗透等一些过滤步骤可能很有问题。
水力压裂期间,铁配合物也可能堵塞孔隙和流路。因此,可添加铁螯合剂,抑制氧化铁形成或沉淀。可通过稳定化亚铁离子和/或悬浮或分散氧化铁来进行抑制。所属领域技术人员了解合适的铁螯合剂。铁螯合剂的例子可能包括柠檬酸、乙二胺四乙酸(EDTA)或次氮基三乙酸(NTA)。铁螯合物可以是与上述其中一种铁螯合剂配合的铁。
所属领域技术人员了解合适的黏土防膨剂或悬浮剂(或稳定剂)。这类添加剂的例子可能包括乙醇(如,甲基、乙烷基、异丙基、丙基或丁氧乙基乙醇)、月桂烷硫酸酯、萘、岩盐、氯化胆硷和四烷基铵盐。此类添加剂通过控制地下和处理流体的电荷和电解特征,使黏土片晶保持在适当位置。如果黏土片晶解凝并在井内迁移,可能发生地层渗透率减损,从而降低井的生产效率。
地下区域可能滋生微生物(例如细菌),而这些微生物可能形成生物膜黏液,堵塞导管,或形成产物,导致井内组件被腐蚀或造成填满支撑剂的裂缝或导管沉淀或结垢。
所属领域技术人员了解合适的微生物含量控制剂。合适的添加剂可能包括:乙醛(戊二醛或甲醛)、铵盐(例如季铵盐)、硫酸四羟甲基鏻、氯酸盐、次氯酸盐、乙醇、次氯酸、次溴酸和氯化或溴化氨化学物(包括单氯胺、二氯胺和三氯胺,以及单溴胺、二溴胺和三溴胺)。
脱乳剂是一种用于促进将乳化液分离成水相和疏水相的添加剂。所属领域技术人员了解合适的脱乳剂。其中一种脱乳剂是一种用于促进将乳化液分离成水相和疏水相微生物(例如细菌或真菌)。水相(或疏水相)也可能包括脱乳活性剂。这里使用的“脱乳活性剂”一词指的是一种促进脱乳微生物生长的添加剂。
固体可能包括支撑剂或地下固体(例如黏土或岩石颗粒)。所属领域技术人员了解合适水力压裂支撑剂。例如,固体可以由以下物质的一种或多种组成:砂(包括粒级砂和树脂涂敷砂)、矾土(尤其是烧结铝矾土)或陶瓷。支撑剂的选择可取决于所压裂的地层的特征。
流体水相的总溶解固体(TDS)含量可能大于每升1,000毫克(mg/L),尤其是大于2000、3000、4000、5000,6000、7000、8000、9000或10000mg/L。流体水相的化学需氧量(COD)可能大于30mg/L,尤其是大于50、100、250、500、750、1000/1250/1500/1750/2250或2500mg/L。流体水相的生物需氧量(BOD)可能大于300mg/L,尤其是大于350、400、450、500、550、600、650、700或750mg/L。
本发明的方法中的待处理流体可能是采出水或回流水(包括压裂回流水),二者均有疏水相和水相。本发明的方法中的待处理流体也可能源自于采出水或回流水。例如,待处理流体可能是采出水或回流水的分离水相。本发明的方法中待处理“水溶液”可能是上述的分离水相,所述水溶液可能是上述水相的水溶液。
水溶液可能包括以下添加剂的一种或多种:胶凝剂、交联胶凝剂的交联剂、交联胶凝剂、沸点改性剂、盐、除垢剂、破胶剂、pH调节剂(例如,酸或碱)、黏土防膨剂或悬浮剂、铁螯合剂、铁螯合物、微生物(或多种微生物)、脱乳剂和微生物含量控制剂(如生物杀虫剂)。这些组分可能与上述水相相同。但是,所述水溶液可能不包括交联胶凝剂,因为这类添加剂可能已在从疏水相中分离水相时被清除。
所述流体(包括所述水溶液)可通过一个或多个电化学处理步骤进行处理。在一个实施例中,所述流体采用一个或多个电化学处理步骤进行处理。
当所述流体混合物包括水相时、疏水相和水污染物时,所述处理方法可能包括一次和二次电化学处理步骤(或一次和二次电化学处理)。所述一次电化学处理步骤可能包括电化学处理混合物,以至少部分分离水相和疏水相。所述二次电化学处理步骤可能包括处理所述至少部分分离水相,从而清除水相中的水污染物。
所述一次电化学处理步骤可在相对温和条件的条件下执行。所述一次电化学处理可在电流电压比大于1:5的条件下执行,尤其是大于1:5.5、1:6、1:6.5、1:7、1:10、
1:15或1:20。所述电化学处理可在电阻大于5Ω的条件下执行,尤其是大于5.5、6、6.5、7、10、15或20Ω。使用温和的条件时,一般可以允许脱乳,更好地分离水相和疏水相,所以优点很多,此外,有益的是,分离后的疏水相可返回给井操作员进行售卖。此步骤可确保所述各种处理阶段期间产生的固体残渣(污泥)和废弃产物的填埋处置符合环境法规的要求。有益的是,所述一次电化学处理步骤可通过凝结和表面电荷的静电扰动移除悬浮和胶体物质。
所述一次电化学处理步骤至少部分分离水相和疏水相。在另一个实施例中,所述一次电化学处理步骤可大体上分离水相和疏水相。经所述一次电化学处理步骤后,水相可能包含少于50mg/L的碳氢化合物,尤其是少于40mg/L,少于30mg/L、20mg/L或10mg/L的碳氢化合物,更特别的是少于8mg/L的碳氢化合物或少于5mg/L的碳氢化合物。
所述一次电化学处理步骤可降低水相中的碱土金属、二氧化硅、硼和硫酸盐的浓度,尤其是水相中的碱土金属的浓度(例如钙和镁)。所述一次电化学处理可将水相中钙浓度降低至少50%,尤其是至少60%、70%、75%、80%、85%或90%。所述一次电化学处理可将水相中镁浓度降低至少50%,尤其是至少60%、70%、75%、80%或85%。所述一次电化学处理可将水相中二氧化硅浓度(可能包括溶解和无定形氧化硅(总))降低至少50%,尤其是至少60%、70%、75%、80%、85%、90%或95%。所述一次电化学处理可将水相中硫酸盐降低至少5%,尤其是至少10%、12.5%、15%、17.5%或20%。所述一次电化学处理可将水相的化学需氧量(COD)降低至少20%,尤其是至少25%、30%、35%、40%、45%或50%。所述一次电化学处理可将生物需氧量(BOD)降低至少20%,尤其是至少25%、30%、35%、40%、45%或50%。所述一次电化学处理可将水相中硼浓度降低至少10%,尤其是至少15%、20%、25%或30%。
一次电化学处理步骤也可以用于分解水溶液中的交联剂(例如瓜尔豆胶)。从这方面来说,相比严苛条件下的相同溶液,温和条件的优点很多,它不仅避免交联剂过氧化,而且会使处理后的水相降低化学需氧量(COD)。
所述一次电化学处理步骤可在酸性条件下执行。例如,所述一次电化学处理步骤可在pH值小于7、6.5、6、5.5、5、4.5或4的条件下执行。在酸性pH值条件下执行所述电化学处理有一定的优点。如果可逆地交联了(例如使用硼砂)瓜尔豆胶等交联剂,酸性pH可使交联逆转。因此,在酸性条件下执行所述一次电化学处理步骤可防止交联剂交联,从而防止溶液黏度增加。溶液的pH值可能随着电化学处理的进度而增加。酸性pH结合牺牲性铁或低碳钢电极也可能有助于在电化学处理步骤期间发生芬顿反应,如果电化学处理水相通过活性炭等介质过滤(使溶液褪色或移除部分促成COD的组分),酸性pH也有优点。
所述一次电化学处理步骤可能包括使用至少一种处理剂帮助处理液体。下文将讨论合适的处理剂。可在一次电化学处理步骤之前、期间或之后往流体加入所述至少一种处理剂。
所述一次电化学处理步骤可能包括加入至少一种处理增强剂。可在一次电化学处理步骤之前、期间或之后加入所述至少一种处理增强剂。处理增强剂的示例包括紫外光、微波辐射和超声波(或超声波处理)。其他处理增强剂的说明如下。
所述一次电化学处理步骤可使用牺牲性阳极执行。执行所述一次电化学处理步骤的电化学电池的阳极和阴极可能包括铁。在一个实施例中,电化学电池的阳极和阴极由钢制成,尤其是低碳钢。可能用到其他类型的电极,所属领域技术人员对此很了解。电极的例子(可能是阳极和/或阴极)包括铝、铁、钢、不锈钢、钢合金(包括低碳钢)、镁、钛和碳(包括掺硼碳或金刚石)。在另一个实施例中,每个电极可由合金,或者从铝、铁、钢、镁、钛和碳的组成中选择的材料制成。阳极和/或阴极可能是惰性电极,包括不锈钢、钛和钛涂层电极,包括涂覆铂、钌、钯、铑、锇、铱及其组合的电极。电极的选择可能影响电化学处理步骤的化学特性。例如,钌较多时一般会产生多个质子,而铱比例加大时一般会产生更多的羟基。这有助于选择所需的氧化或还原电化学反应。所述一次电化学处理步骤中可使用多种不同类型的电极。电极也可能包括至少一种处理剂,下文将详细说明。
所述一次电化学处理步骤可在大气温度和压力条件下执行。但是,所述一次电化学处理步骤可在大于大气压力的条件下执行,例如,从大于1个大气压到10、9、8、7、6、5、4、3或2个大气压(尤其是从1-3个大气压)。或者,所述一次电化学处理步骤可在小于大气压力的条件下执行,例如,从小于1个大气压到0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8或0.9个大气压。
抛开理论束缚不说,人们认为,在一次电化学处理步骤中,水相被带电羟基和水合氢离子所淹没,在牺牲性阳极的溶解氧、过氧化氢和亚铁离子的帮助下,产生羟基和/或硫酸根,氧化水污染物。这些过氧化剂与水反应也会产生过氧化氢。这就可以准备分离水相和疏水相。
在一个实施例中,二次电化学处理步骤中处理的溶液是一种水溶液(或水相)。所述水溶液可以是从所述一次电化学处理步骤中在至少从疏水相中部分分离后得到的水相。第二个步骤中的待处理水溶液(或至少部分分类的水相)可以是所述一次电化学处理步骤中的水相。
所述二次电化学处理步骤的操作条件可以比所述一次电化学处理步骤更严苛。所述二次电化学处理可在电流电压比小于1:5的条件下执行,尤其是小于1:4.5、1:4、1:3.5、1:3、1:2.5、1:2或1:1.5。所述二次电化学处理可在电阻小于5Ω的条件下执行,尤其是小于4.5、4、3.5、3、2.5、2或1.5Ω。
所述二次电化学处理步骤可用于从水相中移除水污染物。所述水污染物可能包括无机化合物、硼和过渡金属的其中一个或多个。抛开理论束缚不说,硼和过渡金属可当做氢氧化物、羟基氯化物和复杂混合分层羟基硅酸矿物质的组分进行清除。在另一个实施例中,水污染物可能包括以下的一种或多种:碳氢化合物、微生物(包括细菌)、碱土金属盐(包括镁或钙盐)、过渡金属盐(包括铁盐)、卤盐(例如氟化盐)、磷酸盐、硫酸盐和难降解有机物(包括有机羧酸)。在另一个实施例中,水污染物可能包括以下添加剂的一种或多种:胶凝剂、交联胶凝剂的交联剂、交联胶凝剂、沸点改性剂、盐、除垢剂、破胶剂、pH调节剂(例如,酸或碱)、黏土防膨剂或悬浮剂、铁螯合剂、铁螯合物、微生物(或多种微生物)、脱乳剂和微生物含量控制剂(如生物杀虫剂)。这些组分可能与上述水相相同。但是,所述水污染物可能不包括交联胶凝剂,因为这类添加剂可能已在从疏水相中分离水相时被清除。
这里使用的“移除水污染物”短句包括部分或完全清除所述污染物,或分解水污染物。所述二次电化学处理步骤可降低水相中的水污染物,尤其是上述水污染物。在另一个实施例中,所述二次电化学处理步骤可能将难降解有机物分解为有机羧酸(例如醋酸和丙酸)。所述二次电化学处理可将水溶液中的一个,至少一个或全部水污染物的浓度降低至少40%,尤其是至少45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%或90%。
所述二次电化学处理可将水溶液中硼浓度(取决于溶液pH值,硼可能构成部分较大的分子,例如硼酸盐)降低至少40%,尤其是至少45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%或90%。所述二次电化学处理可将水溶液中碳氢化合物的浓度降低至少50%,尤其是至少55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%或95%。所述二次电化学处理可将水溶液中微生物(尤其是细菌)的浓度降低至少60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%或95%。所述二次电化学处理可将水溶液中钙的浓度降低至少50%,尤其是至少55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%或90%。所述二次电化学处理可将水溶液中镁的浓度降低至少30%,尤其是至少35%、40%、45%、50%、55%、60%或65%。所述二次电化学处理可将水溶液中二氧化硅(尤其是无定形氧化硅或溶解硅)的浓度降低至少50%,尤其是至少55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%或90%。所述二次电化学处理可将水溶液中铁的浓度降低至少30%,尤其是至少35%、40%、45%、50%、55%或60%。所述二次电化学处理可将水溶液中氟化物的浓度降低至少5%,尤其是至少10%、15%、20%、25%或30%。所述二次电化学处理可将水溶液中磷酸盐的浓度降低至少5%,尤其是至少10%或15%。所述二次电化学处理可将水溶液中硫酸盐的浓度降低至少5%,尤其是至少10%、15%或20%。所述二次电化学处理可将水溶液的化学需氧量(COD)降低至少30%,尤其是至少35%、40%、45%、50%或55%。所述二次电化学处理可将生物需氧量(BOD)降低至少30%,尤其是至少35%、40%、45%、50%或55%。
经过所述二次电化学处理步骤的电化学处理,所述水溶液可能包括有机羧酸。有机羧酸的例子包括醋酸、丙酸和异丙酸。因为这些化合物可在后续的水力压裂作业中重复用作破胶剂等,所以很有必要回收有机羧酸。因此,在一个实施例中,所述有机羧酸从水溶液中进行回收。
或者,所述二次电化学处理步骤可用于分解水溶液中可能存在的有机羧酸。所述有机羧酸可分解为(或矿化为)二氧化碳和水。
所述二次电化学处理步骤可能包括使用至少一种处理剂帮助处理液体。因此,在一个实施例中,执行二次电化学处理时至少存在一种处理剂。使用至少一种处理剂可帮助分解有机羧酸。下文将讨论合适的处理剂。但是,在一些实施例中,所述处理剂可选自至少其中一个组成,包括硫酸根的源、氧化剂、pH调节剂(例如酸或碱)、吸附材料(便于移除氧化污染物)和催化剂。可在二次电化学处理步骤之前、期间或之后可往水溶液中加入所述至少一种处理剂。所述水溶液可通过或依次进行电化学处理或者加入至少一种处理剂进行处理。
所述二次电化学处理步骤可能包括加入至少一种处理增强剂。可在二次电化学处理步骤之前、期间或之后加入所述至少一种处理增强剂。据此,在一个实施例中,二次电化学处理期间或之后,往水相加入了处理增强剂。处理增强剂的示例包括紫外光、超声波(或声音)和微波辐射。其他处理增强剂的说明如下。
此处所用的“处理增强剂”一词指的是可渗透处理室实心壁,增强处理室内反应的物质或能量(包括辐射、声音或光子)。处理增强剂的示例包括电磁辐射和声波。电磁辐射可能包括一个或多个无线电波、微波、红外辐射、可见光、紫外线辐射、X射线和伽马射线。声波可能包括超声波、次声波和听得见的波。在一个实施例中,处理增强剂可能是微波或紫外线辐射或超声波。所述处理增强剂可在电化学处理期间加速或改变处理室内的反应(尤其是涉及到污染物的反应)。所述处理增强剂也可以减少电极的钝化蓄积(尤其是阴极;声波可起此作用,尤其是超声波)。在电化学处理期间,所述处理增强剂(尤其是紫外光)可引至处理室。
最好将高能量超声波(超声波作用)与电化学处理结合使用。尽管单独超声波作用不会氧化羧酸,但是有益的是,发现将125-150瓦特的超声波作用与过氧化氢(H2O2)或最好3mg/L的臭氧结合,作为处理剂,对羧酸的矿化有很大的影响,同时将化学需氧量(COD)降低75-85%。除了按此方式破坏性移除水污染物之外,超声波作用也降低了电化学电池中阴极的钝化,从而保持电极干净。
另外,最好将紫外光与电化学处理结合使用,这种方式成本效率特别高。所述紫外光可以选择任何合适的波长,例如从400到10nm。在示范性实施例中,所述紫外光的波长从400到100nm,尤其是从350到100nm,或从280nm到100nm(紫外C光),更特别的是,从280到200nm,最特别的是约250nm或254nm。所述紫外光可帮助分解有机羧酸。例如,发明者发现,使用38W紫外光(波长254nm)对含有有机羧酸的水溶液进行两个小时的处理后,有机羧酸减少75%,一个小时的处理,有机羧酸减少50%。
在一个示例中,所述紫外光可能来自或源自于太阳光。在此示例中,所述太阳光可能直接来自太阳,或可能涉及到使用太阳能集中器。所述太阳能集中器可将所述太阳光集中于特定的位置(例如,发生处理的位置),和/或可过滤所述太阳光,以至于只集中所需波长的光。在另一个示例中,所述紫外光可能来自紫外光设备。
催化剂(例如钛催化剂,包括二氧化钛)和/或氧化剂(例如高锰酸盐、过硫酸盐、臭氧和过氧化氢)可与处理增强剂结合使用。合适催化剂和氧化剂可能是本文其他地方所述的催化剂和氧化剂。
因此,在第二方面中,本发明涉及一种处理含有机羧酸的水溶液的方法,所述方法包括同时或连续将水溶液进行电化学处理和加入处理增强剂以至少部分分解有机羧酸的步骤。所述处理增强剂可以是紫外光,尤其是紫外C(UVC)光。尤其是在商业生产环境中,可通过低成本接入太阳能,例如开放式箱子,来使用UVC光,成本效益较高。这可以通过澄清,允许UVC穿透,以达到最佳效果。
硫酸根的来源可能是过硫酸盐,例如过硫酸钠。在电化学处理期间,水溶液中的氯根离子可能在阴极转化为氯,所以包含硫酸根比较有利。但是,例如,氯的强度不足以分解醋酸。而且,水溶液中存在氯根离子可能会抑制电化学处理(例如,移除水污染物或分解有机羧酸)。人们已经发现,各种处理阶段产生的羟基的寿命极短,当氯根离子的浓度较大时,其氧化电位受限。电化学处理中的高锰酸盐、过氧化氢和臭氧等氧化剂都会产生羟基。同时还发现,硫酸根的氧化电位等于或大于难降解性有机化合物,但是不易与多余氯根离子发生反应(硫酸根的半衰期要比羟基长,而且相比羟基,硫酸根也更不会与氯根离子发生反应)。
因此,在第三方面中,本发明涉及一种电化学处理水溶液的方法,其中,所述溶液包括氯根离子的源和硫酸根的源,其中,硫酸根至少部分减轻了氯根离子对电化学处理的抑制效应。在另一个方面中,本发明涉及一种电化学处理水溶液(包括氯根离子的来源)的方法,所述方法包括以下步骤:
(i)往所述溶液加入硫酸根;和
(ii)电化学处理步骤(i)的溶液。
在另一个方面中,本发明涉及一种电化学处理含难降解性有机化合物(或有机羧酸)和氯根离子的水溶液的方法方法,其中,所述方法包括在存在硫酸根来源的情况下电化学处理所述水溶液,以至少部分分解难降解有机化合物(或有机羧酸)的步骤。所述水溶液可能包括的氯根离子浓度大于500mg/L,尤其是大于1000mg/L、1500mg/L、2000mg/L、2500mg/L、3000mg/L、3500mg/L、4000mg/L、4500mg/L、5000mg/L、5500mg/L、6000mg/L或6500mg/L。
下文将讨论合适的氧化剂。氧化剂的例子包括臭氧、过氧化物(过氧化氢)、高锰酸盐(例如,高锰酸钾)和过硫酸盐(过硫酸钠)。氧化剂的选择可能取决于水质参数,例如氯根离子浓度、pH值和碳酸氢盐碱度。
在第四方面中,本发明涉及一种处理含有机羧酸的水溶液的方法,所述方法包括在存在催化剂的情况下电化学处理所述水溶液,以至少部分分解有机羧酸的步骤。
这里使用的“至少部分分解有机羧酸”短句可能包括将水溶液中有机羧酸的浓度降低至少10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%或95%。
在一个实施例中,所述二次电化学处理步骤使用催化剂和紫外光执行,尤其是使用催化剂、紫外光和超声波。
所述催化剂可以是非均相催化剂、均相催化剂或酶。例如,所述非均相催化剂可以由掺杂过渡金属的电极提供,尤其是与光催化作用结合使用的掺杂过渡金属的电极。所述催化剂也可以是铁盐或铁化合物(例如氧化铁)。使用铁盐或铁化合物时,这些催化剂可提供类芬顿反应,所以十分有帮助。可将所述催化剂加入所述水溶液,或涂覆于所述电化学电池的组件上(例如,电极或处理室)。在所述电化学电池的组件上涂覆所述催化剂可减少催化剂回收成本,所以这十分有帮助。在一个实施例中,所述催化剂涂覆于所述电化学电池的某个组件上。在另一个实施例中,所述催化剂加入所述水溶液(电化学处理之前或期间)。使用催化剂可将处理损失控制在较低水平,所以十分有帮助。
所属领域技术人员了解合适的催化剂(尤其是存在UV-C光时用于加速或增强羧酸矿化为二氧化或水的催化剂),在不以任何方式限制本发明的普遍性的情况下,催化剂包括以下一种或多种:钛催化剂(例如基于锐钛矿的二氧化钛催化剂(例如DegussaP25));铁催化剂(例如针铁矿(例如纳米颗粒针铁矿悬浮液)或磁铁矿(例如酸化纳米颗粒磁铁矿))、过硫酸盐离子(过二硫酸盐离子,S2O8 2-)、掺铈二氧化锰催化剂(尤其是当将高锰酸盐用作羟基形成的前体时)、与过氧化物配合使用的亚铁离子(在类光芬顿反应中作为羟基形成的中间物)、贵金属(例如铂、钯和铑,以及铂、钌、钯、铑、锇、铱涂层钛及其组合,尤其是与外部活化能结合使用时,例如UV光)。所属领域技术人员了解其他金属、非金属和过渡金属催化剂。上述催化剂的组合离子包括铁催化剂与过硫酸盐离子结合使用(例如,纳米颗粒针铁矿悬浮液与过硫酸盐离子结合使用;和酸化纳米颗粒磁铁矿与过硫酸盐离子结合使用(这允许在分离过程中部分回收非均相催化剂))。催化剂最终的选择可能取决于是否需要实现处理水的产量,要考虑的因素可能包括催化剂的成本及在随后的步骤中通过沉淀和澄清或其他方式将其回收的能力。
执行所述二次电化学处理步骤的电化学电池的阳极和阴极可能是铝或含铁。可能用到其他类型的电极,所属领域技术人员对此很了解。电极的例子(可能是阳极和/或阴极)包括铝、铁、钢、不锈钢、钢合金(包括低碳钢)、镁、钛和碳。在另一个实施例中,每个电极可由合金,或者从铝、铁、钢、镁、钛和碳(包括掺硼碳或金刚石)的组成中选择的材料制成。阳极和/或阴极可能是惰性电极,包括不锈钢、钛和钛涂层电极,包括涂覆铂、钌、钯、铑、锇、铱及其组合的电极。电极的选择可能影响电化学处理步骤的化学特性。例如,钌较多时一般会产生多个质子,而铱比例加大时一般会产生更多的羟基。所述二次电化学处理步骤中可使用多种不同类型的电极。
所述二次电化学处理步骤可在大气温度和压力条件下执行。但是,所述二次电化学处理步骤可在大于大气压力的条件下执行,例如,从大于1个大气压到10、9、8、7、6、5、4、3或2个大气压(尤其是从1-3个大气压)。或者,所述二次电化学处理步骤可在小于大气压力的条件下执行,例如,从小于1个大气压到0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8或0.9个大气压。
抛开理论束缚不说,人们认为,在所述二次电化学处理步骤中,铝或惰性电极(例如)结合溶解氧、过氧化氢和羟基或硫酸根可增强氧化能,并使其高于所述一次电化学处理步骤。氧化能提高后,难降解有机物被强制分解为羧酸(例如醋酸或丙酸)、二氧化碳和水。相对于铁而言,铝,尤其是惰性电极能改善硼的移除效率。所述二次电化学处理可改善从流体中清除COD和TOC的效率,尤其是通过随后加入氧化剂(例如臭氧和高锰酸钾),进一步移除所述一次电化学处理步骤中残余的污染物。
如果所处理的水含高比例的压裂回流水,其对应的COD较高,则可使用紫外C光、臭氧和过氧化氢执行所述二次电化学处理步骤,帮助矿化有机羧酸。含较高浓度有机酸的水溶液可能需要均相纳米颗粒大小的催化剂,用作电化学电池内的悬浮液,并进行紫外C光处理(纳米颗粒大小可确保催化剂的表面积,结合UV-C处理,矿化任何残留的羧酸)。
本发明的方法也可能包括多于两个电化学处理步骤,尤其是三次、四次或五次电化学处理步骤。所述第三、第四或第五电化学处理步骤可能与上述一次和二次电化学处理步骤所述内容相同。
所述方法还可能包括一个紫外光处理步骤。这可独立于所述二次电化学处理步骤进行操作。但是,最好在所述二次电化学处理步骤后立即执行紫外光处理步骤(在这种情况下,从电化学电池(执行所述二次电化学处理步骤的位置)中排出的电化学处理液可能直接流入紫外光单元)。要利用紫外光处理的溶液最好包括足量的过氧化物(可在所述二次电化学处理步骤中产生),以清除着色有机物,否则会降低紫外光处理的效率。
在一个实施例中,使用紫外光处理水溶液的步骤可在存在催化剂的情况下执行。合适的催化剂如上文所述。也可以在所述二次电化学处理步骤中澄清电化学处理溶液后执行使用紫外光处理水溶液的步骤(如下文所述)。
在COD异常高的一些情况下(例如,压裂回流组分产生的情况),在紫外光处理前,可能需要使所述水溶液流过活性炭(例如在活性炭塔或床中),清除残余的颜色(但是,除非隔离处理压裂回流水,否则不要这么做)。在这些情况下,在所述二次电化学处理步骤中处理的液体可能流过活性炭床,然后再进行紫外光处理。
紫外光处理步骤中所用紫外光可能与上述二次电化学处理步骤一样。使用紫外光对于减少溶液中污染物的含量也十分有帮助。
本发明的方法还可能包括一个过滤步骤。但是,在一些实施例中,无需过滤步骤,尤其是当此溶液要在水力压裂作业中重复使用时。但是,为了满足环境保护机构设定的排放标准,可能需要执行过滤步骤。
这些方法可能包括一个或多个过滤步骤。这些过滤步骤可以在此方法的任何阶段进行。例如,所述方法可能包括在所述一次电化学处理前执行过滤、在所述一次与二次电化学处理间执行过滤或在所述二次电化学处理后执行过滤。
这些过滤步骤可以使用任何合适的过滤介质。例如,过滤步骤可能包括活性炭、砂、筛(例如2mm筛)、预过滤器或膜滤(包括超滤、微滤、纳滤和反渗透)。所述过滤步骤可能包括介质过滤,所述介质过滤可能包括使用碳(尤其是活性炭,更特别的是颗粒活性炭)或使用氢氧化铁(尤其是氢氧化铁,更特别的是细粒度的氢氧化铁)。过滤介质的类型可由技术人员根据要从水溶液移除的组分进行选择。例如,如果残余COD较高,则可使用隔膜过滤步骤降低COD。在一些情况下,可使用多种类型的过滤步骤。在一个实施例中,所述过滤步骤可能包括使用纳滤或反渗透膜,水溶液流过纳滤或反渗透膜,形成渗入物和渗余物(在处置前,可能需要对渗余物进一步处理,以确保符合环境保护规定)。
在一些情况下,可过滤部分水溶液(例如,通过纳滤或反渗透),过滤形成的渗入物与未过滤的水溶液再次组合。这对于减少水溶液中水污染物的浓度来说是一个具有成本效益的方法。在一些情况下,相比在二次电化学处理步骤中通过电化学方法分解有机羧酸,通过过滤来清除有机羧酸可能更具成本效益。
在又一个示例中,传统介质和微滤可用于清除吸附化学物质,而纳滤膜允许几乎所有单价离子形态(包括钠和钾)通过,未渗透率低。在此示例中,可捕捉和不渗透二阶离或高分子量的化合物(如有),临时储存,用于进一步处理。如果由于纳滤膜未渗透率差而使得渗入物的残余COD保持较高水平,则可以使用反渗透膜产生COD较低(或无COD)的渗入混合物和未渗透液,以临时储存,进一步处理或与其他处理过的水流混在一起。
本发明的方法还可能包括将流体(包括水溶液)存放于流体储罐等装置的步骤。储存流体的步骤可能包括将流体(包括水溶液)转移到流体储罐(例如储水罐);和/或从流体储罐中取出流体(包括水溶液)。所述流体储罐可以是储罐或池。可以电化学处理前执行储存流体的步骤。这样,流体的组分更容易测试。了解流体的准确组分对于正确评估该如何处理流体极其重要。例如,相比COD较低的流体,化学需氧量(COD;可使用Hach COD瓶现场测量,或根据总有机碳数据进行评估)较高的流体可能要求更广泛的处理。一般而言,采出水的COD低于压裂回流水。本发明的方法还可能包括加入处理增强剂(例如紫外光)处理储存流体的步骤。所述紫外光处理可能如上所述。
本发明的方法可能还包括往储存的流体中加入一种或多种处理剂的步骤。此步骤所述一次电化学处理前执行。例如,可往储存的流体中加入pH调节剂和/或氧化剂,以提高所述一次电化学处理步骤中清除水污染物的效率。
本发明的方法也可能包括在电化学处理后储存流体的步骤(即,在所述一次电化学处理步骤和/或所述二次电化学处理步骤后)。例如,如果经处理的流体要重复使用或处置至环境中,可能需要将流体放入临时储罐中等待进一步使用或处置。
本发明的方法也可能包括澄清流体的步骤。可在电化学处理步骤后执行澄清步骤,例如,在所述一次电化学处理步骤或所述一次电化学处理步骤之后。
在一个示例中,澄清步骤可能包括在所述一次电化学处理步骤中澄清至少部分分离的水相。所述澄清后的水相可进行所述二次电化学处理步骤。澄清所述至少部分分离的水相的步骤可提高所述二次电化学处理步骤的效率,因此这个步骤可能十分关键。
在另一个示例中,澄清步骤可能包括在所述二次电化学处理步骤中澄清电化学处理水相(或澄清电化学处理水溶液)。所述澄清后的水相(或水溶液)可重复使用、进一步处理(例如,通过过滤)或处置至环境中。在所述二次电化学处理步骤中澄清电化学处理水相的步骤可提高从残留物或污泥颗粒中分离出清水的效率,因此此步骤可能十分关键。如果执行此澄清步骤后,固体残留物中存在任何催化剂,则可在未来的二次电化学处理步骤中分离和重复使用这些催化剂。因此,澄清步骤可能包括从固体残留物中回收催化剂。澄清步骤也可能包括从电化学处理液中分离絮状物。
电化学处理可能产生凝胶状或固体物质,例如污泥,通过澄清步骤,会使所述凝胶状或固体物质沉淀下来,因此,澄清步骤可能很关键。澄清步骤可能包括往流体中添加助沉剂。所属领域技术人员了解合适的助沉剂,可能包括表面活性剂和/或聚合物。澄清步骤也可能包括凝胶状或固体物质脱气(可能需要脱气,凝胶状或固体物质才能沉淀)。
澄清步骤可能产生澄清液或固体残留物。澄清步骤产生的澄清液可进一步处理。例如,本发明提供一种处理流体混合物的方法,所述流体混合物包括水相、疏水相和水污染物,所述方法包括以下步骤:
(i)一次电化学处理步骤,包括电化学处理混合物,以至少部分分离水相和疏水相。
(ii)一次澄清步骤,包括在所述一次电化学处理步骤中澄清至少部分分离的水相,以提供固体残留物和水澄清液;和
(iii)二次电化学处理步骤,包括在所述第一澄清步骤中电化学处理所述水澄清液,从而清除水澄清液中的水污染物。
上述方法可能还包括二次澄清步骤,包括在所述二次电化学处理步骤中澄清电化学处理水澄清液,以提供固体残留物和水澄清液。一般而言,经过二次澄清步骤后,固体残留物会比一次澄清步骤后少。所述二次澄清步骤中的水澄清液可进行过滤,如上所述。
所述固体残留物可能包括凝胶状或固体物质。所述固体残留物可能包括少于10%的固体,尤其是少于5%的固体,更特别的是少于2%的固体。每个澄清步骤中的固体残留物可进一步单独处理,或组合在一起以进一步处理。
在一个示例中,方法可能包括澄清步骤中固体残留物的脱水步骤。例如,可往固体残留物中加入助沉剂和/或稠化剂,以提高游离水的回收。所述助沉剂和/或稠化剂可用于中和固体残留物上的残留电子电荷,促使脱水。所述脱水步骤可使用脱水装置执行。
所述脱水装置可能配备一个混合室,用于将固体残留物与一种或多种助沉剂和/或稠化剂混在一起。然后,所述混合室形成的絮状残渣可能受压(例如机械压力机),将水从固体残留物中压出。例如,所述机械压力机可能有一个斜螺杆(例如,20°)在楔形筛内旋转(楔形筛由钢制成,楔形筛可能200微米)。所螺杆可能有一系列逐渐缩窄的螺纹,当固体残留物上升到逐渐缩窄的螺杆螺纹时会被压缩(所述螺杆也可能有一个固定于螺杆螺纹的毛刷,用于清洁楔形筛)。随着固体残留物向螺杆推进,滤液流过楔形筛。此滤液可进一步澄清(例如,如上所述)。当固体残留物向螺杆推进时,可向固体残留物(例如通过螺旋喂送)加入吸附剂或聚合物(例如膨润土或专门的聚合物,如聚丙烯酰胺)。所述吸附剂的喂送速度可以是每小时约20kg到约100kg(此速度可能受固体残留物的含水量影响)。螺杆内的压力可通过螺杆排料端与锥体之间的距离进行控制(因为,脱水后的固体残留物通过此距离形成的缝隙)。脱水步骤的效率可能受以下一个或多个因素的影响:吸附剂的吸附效果、楔形筛与固体残留物之间的摩擦力和螺杆出口的限制。所述螺杆可以是一种螺旋压榨机。
所述脱水装置也可能有一个预脱水部分,在此通过重力中作用排出游离水,然后在使用机械压力机进行处理。所述预脱水部分可能有一个网格地板。
从所述螺杆排出的固体残留物(可能是污泥饼)可包括达10%固体、尤其是达15%、20%或25%固体。所述脱水步骤可能包括干燥从螺杆排出的固体残留物(例如,在环境温度和压力条件下),再进行处置。
从螺杆排出的固体残留物可传送到拖车上(例如,半拖挂车)。例如,从螺杆排出的固体残留物(可选择在干燥后)可通过螺旋钻(尤其是水平螺旋钻)传送到拖车上进行处置。最好安排两辆拖车,这样在现场就无需堆放固体残留物和重新装运。
例如,经处理后的水溶液在油气场重复使用(例如,在水浸或水力压裂作业中重复使用)或排到环境中。在一个实施例中,有机羧酸,尤其是醋酸可分离出来,并返回给油气井操作人员,供其在水力压裂作业中进一步使用。
本发明的方法(包括所述一次和二次电化学处理步骤其中之一或二者)中所用电化学处理装置的特性可能如下所述。而且,本发明第七和第八方面所述电化学液体处理装置以及构成本发明第九方面一部分的电化学处理装置的特性可能在下文进一步详述。
所述装置可用于(或可配置为)清除、稳定、氧化或还原液体中的污染物,或将污染物分离出来。污染物可以选自以下其中一组或多组:金属类(包括过渡金属和重金属)、盐类、固体类、病原体类(包括细菌、原生动物、病毒和其他生物,包括藻类)、两性类、胶体(有机和无机)、悬浮颗粒、有机或无机化学制品(包括表面活性剂、生物杀虫剂、交联剂或破碎剂)和油类或其他烃类(例如液滴和乳化形式的烃类)以及各种其他不良物质。所述污染物可能包括难降解性有机物、阳离子(例如金属离子,包括Fe2+)或阴离子(包括硫酸盐、氯化物、氢氧化物、硝酸盐、碳酸氢盐或碳酸盐)的一种或多种。所述液体可能是各种工业生产过程产生的一种或多种油废料、染料、悬浮颗粒、化学制品和有机物与废水的混合物。所述装置可用于(或可配置为)清除、稳定、氧化或还原液体中的污染物,或将污染物分离出来。污染物一般以絮凝颗粒或絮状物的形式从液体中移除。
所述装置可适用于导电性能合理的流体。待电化学处理的流体可能有任何合适的导电性能。总溶解固体(TDS)处于中高水平的液体一般对处理反应良好,所以,所需电极的数量和表面积一般是TDS的函数。
所述装置包括一个处理室(或一个指代处理室的处理容器)。所述处理室可以是任何合适的尺寸。在一个实施例中,所述处理室是一个大型的工业用装置。例如,所述处理室可以容纳60kL到1000kL不等的液体;尤其是从80kL到750kL或从100kL到600kL;更特别的是,从125kL到500kL或从180kL到400kL;最特别的是从200kL到300kL或约250kL的液体。
另一个实施例中的处理室是一个便携式处理室。例如,所述处理室可容纳少于50kL、40kL、30kL、20kL、10kL、1kL、900L、800L、700L、600L、500L、400L、300L、200L、100L、80L、60L、40L、20L或10L的液体。在另一个示例中,所述处理室可容纳大于40kL、30kL、20kL、10kL、1kL、900L、800L、700L、600L、500L、400L、300L、200L、100L、80L、60L、40L、20L、10L或5L的液体。在又一个示例中,所述处理室可容纳上述上下限范围内的液体。
任何合理流速的液体都可以流通至少一个入口,从而进入处理室。最佳流速将取决于装置的尺寸、处理室的容量和液体的导电性(EC),一般是总溶解固体(TDS)的函数。装置可将液体流速配置为至少500mL/s;尤其是至少1、3、5、7、10或13L/s;更特别的是至少15、18或20L/s;最特别的是约23L/s。在另一个实施例中,装置可将液体流速配置为小于100L/s;尤其是小于90、80、70、60、50或40L/s;更特别的是小于30L/s;最特别的是约23L/s。
液体在处理室内的停留时间可控制或改变,这取决于处理室的尺寸、电极的表面积和/或液体的流速。例如,这可以提高凝结、氧化还原反应或脱乳性能。在一些实施例中,在处理室的停留时间少于10分钟,尤其是少于9、8、7、6、5、4、3、2或1分钟,更特别的是约30秒钟。在其他实施例中,在处理室的停留时间从5秒钟到5分钟,尤其是从10秒钟到2分钟,更特别的是从20秒钟到55秒钟,最特别的是30-45秒钟。
处理室可在大气压力条件下使用。处理室的应用环境可大于大气压力,例如,从大于1个大气压到10、9、8、7、6、5、4、3或2个大气压(尤其是从1-3个大气压)。可使用大于大气压的压力加快处理室内的反应。处理室的应用环境可小于大气压力,例如,从小于1个大气压到0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8或0.9个大气压。压力小于一个大气压可能有利于去除溶解气体(例如碳酸氢盐或碳酸盐),例如,可以限制溶解二氧化碳的电极钝化效应。也可以在处理室内通过使用膜系统,在此类对比压力下运行,从处理室中清除气体,以优先使所处理液体脱气。
所述处理室可以由任何合适的材料制成。在一个实施例中,所述处理室可以由聚合物制成,例如聚合物塑料(示例包括高密度聚乙烯(HDPE)、丙烯腈·丁二烯·苯乙烯(ABS)、聚氯乙烯(PVC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、酚醛聚合物塑料、聚丙烯或聚乙烯(PE));使用非导电性纤维制成的合成材料或与树脂或树脂溶液(例如聚酯、乙烯基酯、环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺、聚酰胺、聚丙烯或聚醚醚酮(PEEK))混合制成聚合物基体的嵌板(例如纤维玻璃);橡胶;金属,例如钢、钢合金、铝或不锈钢(尤其是使用聚合物塑料或合成材料绝缘的金属);会用聚合物塑料或合成材料绝缘的碳纤维;或粘合(尤其是热粘合)到基体(例如金属、混凝土或压缩纤维水泥板)的绝缘塑料(例如酚醛绝缘塑料)。所述处理室可以是经过机械精整加工的。所述处理室可以部分或全部透明(例如,所述处理室可以由玻璃或透明塑料制成)。对于诸如UV光等一些处理增强剂,使用透明的处理室更有利。
在一个实施例中,所述处理室经过配置,多个电极定位(或打算定位)在至少一个入口和至少一个出口中间。在此实施例中,液体可通过所述至少一个入口进入处理室,通过多个电极之间,然后通过所述至少一个出口排出处理室。在第一示例中,所述处理室经过配置,液体基本垂直流过处理室。在此示例中,所述至少一个入口可定位在所述处理室的下部;所述至少一个出口可定位在所述处理室的上部(即,液体基本上上升通过处理室)。或者,所述至少一个入口可定位在所述处理室的上部;所述至少一个出口可定位在所述处理室的下部(即,液体基本上下降通过处理室)。在第二示例中,所述处理室经过配置,液体基本水平流过处理室。在此示例中,所述至少一个入口可定位在所述处理室的一面侧壁上或附近;所述至少一个出口可定位在所述处理室的另一面侧壁上或附近。在第三示例中,所述处理室经过配置,液体斜向流过处理室。
所述处理室可以是并行布置的多个处理室。为了增加电化学处理期间处理的外表面积,比较有利的做法是使用多个并行处理室。使在电化学处理期间处理增强剂(例如,紫外光、微波或超声波)进一步接触或渗透。
所述处理室可以是任何合适的形状或尺寸。所述处理室可以是方形、圆形、卵形、椭圆形、多边形或矩形横截面。在一个实施例中,所述处理室有一个第一壁和一个或多个侧壁。所述第一壁可能拥有或靠近所述至少一个入口。所述第一壁可能远离电极或靠近所述至少一个入口。在此实施例中,所述处理室可能有一个相对于所述第一壁的第二壁。所述第二壁可能远离电极或靠近所述至少一个出口。所述第二壁可拆卸(例如,如果所述第二壁构成了处理室的孔盖)。所述第二壁可能拥有或靠近所述至少一个出口。侧壁也可能拥有或靠近所述至少一个出口。在另一个实施例中,所述处理室可能包括一个基座(第一壁)、一个顶部或唇板(第二壁)和一个或多个侧壁(尤其是如果所述处理室经过配置,液体基本垂直流过处理室)。所述处理室最好有一个孔盖,这样,处理室内的压力会随着电化学处理的进行而逐渐蓄积。如果液体基本垂直通过处理室,则所述至少一个出口可定位在所述处理室的上部,而所述至少一个入口可定位在所述处理室的下部。所述处理室的壁板或面板至少可部分拆卸或打开。在一个实施例中,所述处理室可以是圆筒状,尤其是管道。
所述一个或多个侧壁可以是平面形、圆形或卵形。所述第二壁可能有一个通风口或气体出口,用于排出电化学过程产生的气体。
所述第一壁的内表面可以是平面形。所述第一壁的内表面也可以经过配置,将液流引向电极。所述第一壁的内表面可能至少有一个(尤其是一个)凹槽或通道,向着其基座逐渐变窄。所述凹槽或通道基本上呈V形。所述凹槽或通道可用于将水流引向电极。所述第一壁(尤其是所述凹槽或通道)可能包括所述至少一个入口,或所述至少一个入口可能在所述凹槽或通道内。
此装置可能包括任何合理数量的处理室(或任何数量的消泡室)。所述装置可能有多个处理室。在一个实施例中,所述装置包括至少一个第一和一个第二处理室(每一个都可能是此处所描述的处理室),其中,所述装置经过配置,使来自所述第一处理室的至少一个出口的液体流入所述第二处理室的至少一个入口。在另一个实施例中,所述装置包括至少一个第一和一个第二处理室以及一个第一或一个第二消泡室(每一个都可能是此处所描述的处理室或消泡室),其中,所述装置经过配置,使液体通过所述第一处理室、所述第一消泡室、所述第二处理室和所述第二消泡室;尤其是,其中液体基本通过上述处理室和消泡室。
在一个实施例中,所述至少一个入口是指多个用于引入待处理液体的入口。所述处理室可能有至少10个入口,尤其是至少15个入口,更特别的是至少20个入口,最特别的是至少30个入口。所述多个入口可能用于将待处理液体分配给处理室,尤其是将待处理液体均匀分配给处理室。
有益的是,通过使用多个入口,液体可均匀进入处理室。这可以改善液流(或所谓的层流)进入处理室的均匀性,且所述液流可最大化处理室内电极与所处理液体之间的接触均匀性和效率。抛开理论束缚不说,鼓励此类层流或均匀流的优点可能包括部分或完全降低电极或功率消耗,改善将电荷传输至待处理液体的性能,通过短瞬存在的自由基加快杂质的氧化(尤其是难降解性有机污染物)和减少电极钝化。
可通过至少一个液体分散器,尤其是一个液体分散器,将液体分配至处理室。
所述液体分散器可独立于所述第一壁之外,或集成于所述第一壁。所述分散器可能包括将液体引入处理室的多个液体入口(这些液体入口就是分散器的出口)。相对于处理室中的电极,所述液体分散器可用于在处理室内均匀分配待处理液体,且特别可能是液体歧管。在一个实施例中,所述处理室包括一个液体分散器,用于将待处理的液体分散到所述处理室,其中,所述液体分散器拥有多个入口,在处理室内用于引入待处理的液体。可使用任何合适类型的液体分散器。
在第一示例中,所述液体分散器是一根管道,特别是一根沿其长度穿孔,提供将液体引入处理室的多个入口的管道。所述管道可以是圆形、卵形、方形、矩形或三角形横截面。所述管道可以在所有面,或除了电极对面以外的所有面上穿孔。有益的是,此实施例中的分散器可能在至少一个(尤其是一个)凹槽或通道内,所述凹槽或通道向着其在第一壁上的基座逐渐变窄。如果所述第一壁包括多个凹槽或通道,则每个凹槽或通道内都可以有一个分散器。在一个实施例中,所述处理室包括至少一个液体分散器,用于将待处理的液体分散到所述处理室,其中,所述液体分散器拥有多个入口,在处理室内用于引入待处理的液体,且,在所述至少一个通道内,各布置有一个所述液体分散器。
在第二示例中,所述分散器包括多个液体通道,其中,各个所述液体通道包括至少一个入口直通处理室,用于引入待处理液体。在此示例中,所述分散器可能是一根歧管。所述多个液体通道可能包括至少一个纵向液体通道和/或至少一个横向液体通道。所述通道相互之间可能通过流体连通。例如,所述分散器可能包括至少一个液体入口点、至少一个纵向液体通道和/或至少一个横向液体通道。至少一个或每一个液体通道可能包括至少一个入口(最好多个)直通处理室。所述液体通道可以任何合适的方式布置。有益的是,可利用计算流体力学(CFD)建模,模拟处理室内电极表面上的层流。一般而言,所述至少一个横向液体通道可与所述至少一个纵向液体通道实现流体连通。所述至少一个液体入口点可与所述至少一个纵向液体通道或所述至少一个横向液体通道实现流体连通,或相互毗邻。所述至少一个纵向液体通道可与所述至少一个横向液体通道实现流体连通,或从中延伸出来(尤其是从30到150度;更特别的是从60到120度;最特别的是约90度)。所述液体分散器的出口可提供处理室的入口。在第二示例中,所述分散器(尤其是歧管)可能包括至少一个纵向液体通道与至少一个横向液体通道实现流体连通,其中,所述至少一个纵向液体通道和/或所述至少一个横向液体通道包括至少一个直通处理室,用于引入待处理液体的入口。所述至少一个入口和/或分散器可定位于多个电极下方(如果液体基本上升通过处理室)。
所述分散器可能包括一个均匀分配液体,将液体排出分散器的扩散器。但是,根据上述CFD建模的结果或其他因素,可能不需要所述扩散器。
所述分散器可以由任何合适的材料制成。在一个实施例中,所述分散器可选用前述处理室相同的材料类型制成。在一个实施例中,所述分散器采用焊接聚丙烯或聚乙烯、聚酯、环氧树脂玻璃纤维、聚合物、橡胶或基于聚合物塑料的铸件或挤压件制成。
所述装置可能包括一个定位在所述至少一个入口前,与其实现流体连通的预处理器。所述预处理器可以是过滤器,用于清除液流中可能会停留在电极之间,阻断液流或阻碍设备运行的大颗粒固体。
所述装置可能还包括一个调整电极间液体流量的流量调整器(或流量分配器)。所述流量调整器也可用于在电极之间分配液体。所述流量调整器可定位于所述至少一个入口与所述电极之间。因为所述电极与所述至少一个入口(或如果液体基本上升通过处理室,在电极下方)之间的液体可能特别紊乱,所以布置一个流量调整器非常有好处。所述流量调整器可能有助于使液体基本上或均匀地沿着与多个电极相同的纵向轴移动,反过来改善待处理液体与电极之间的接触时间和电化学反应。
在第一示例中,所述流量调整器可能采用至少一块(尤其是多个)隔板或遮挡墙从电极下方(或在电极与所述至少一个入口之间)伸出的形式。所述至少一块隔板或遮挡墙可能基本上从电极下方垂直伸出(或在垂直于处理室第一壁的平面上)。所述至少一块隔板或遮挡墙可能基本上沿着与电极相同的纵向轴伸出。所述至少一块隔板或遮挡墙可能横向或基本上垂直于电极。所述流量调整器可能与处理室成为一体,或可拆卸和/或可更换。每块隔板或遮挡墙可能采用平板的形式。每块隔板或遮挡墙可能从20mm到500mm长,尤其是50mm到250mm长或从60mm到150mm长,更特别的是80mm到120mm长,最特别的是约100mm长。
在第二示例中,所述流量调整器可以是一块有多个孔隙供液体通过的隔板(或壁板或挡板)(尤其是可拆卸式隔板)。所述可拆卸式隔板上的孔隙可能间距和尺寸相同,以至于液体看均匀流过所述隔板。所述流量调整器可以在处理室的侧壁之间伸出。所述装置可能经过配置,装置运行时,隔板靠近所述至少一个入口一侧的液体压力大于隔板靠近电极一侧的压力。在一个实施例中,装置运行时,所述隔板经过配置,所述隔板靠近所述至少一个入口一侧的液体压力大于隔板靠近电极一侧的压力。有益的是,这可能有助于电极之间实现均匀、一致或层式液流。在一个备选实施例中,所述处理室可能只有一个入口。在此实施例中,所述流量调整器下方的液体体积可能足够大,以至于液体通过所述液体调整器后,液体紊流得到改善。根据流体、电极和元件设计参数,此类进一步设计优化可能受上述CFD建模的影响或由此决定。
在第二示例中,所述流量调整器(或可拆卸式隔板或壁板)可采用多段形式,以至于任何一段都可以独立于其他段单独拆下。每个所述分段都可能毗邻相邻分段,或者每个所述分段都可能靠近相邻分段。在一个实施例中,所述装置包括多个电极座,且每个所述电极座包括一段流量调整器。所述流量调整器可采用至少一块平板(或面板)(尤其是多块平板)的形式,其中,每块所述平板有多个孔隙供液体通过。所述流量调整器可能有多个孔隙,每个孔隙可以是多边形(尤其是六边形)、圆形或卵形。
分散器和流量调整器的组合(尤其是第一壁中凹槽或通道内采用多孔管形式的分散器和采用隔板(或壁板)形式、有多个孔隙供液体通过的流量调整器)可促使电极间的液体均匀、统一或呈层状流过,从而最大化电荷的传输以及电化学反应的效率。用这种方法,可以最小化通过反应室的液流中的所谓的“哑点”。
所述流量调整器可以由任何合适的材料制成,最好是非导电性材料。所述流量调整器可以使用上述讨论的处理室制作材料制成。所述流量调整器尤其可使用以下材料制作,包括非导电性纤维制成的合成材料或与树脂或树脂溶液(例如聚酯、乙烯基酯、环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺、聚酰胺、聚丙烯或聚醚醚酮(PEEK))混合制成聚合物基体的嵌板(例如纤维玻璃);聚合物塑料,例如高密度聚乙烯(HDPE)、聚乙烯(PE)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚氯乙烯(PVC);酚醛聚合物塑料;或使用大量合成材料,包括碳纤维(例如,使用聚合物塑料或合成材料绝缘的碳纤维)和其各种变体进行制造。
发明者对各种处理室配置执行了计算流体力学分析。发明者也在电化学处理期间使用pH敏感指标,通过往处理室内的流体流加入合成树脂珠(尺寸小于0.5mm),研究处理室内的流体流和pH变化。这些方法用于确定流体流的优选通道。有益的是,发明者发现,在所述至少一个入口与所述电极中间增加一个流量调整器,尤其是采用多孔隙隔板形式的流量调整器,减少流体流的优选通道,提高流体流通过处理室的均匀性。
所述装置经过配置,可在存在至少一个处理增强剂或至少一种处理剂时通过电化学方式处理液体。
所述至少一种处理剂可以是流体(包括气体或液体)或固体。所述至少一种处理剂可以是多种处理剂。所述至少一种处理剂可帮助处理液体。所述至少一种处理剂在电化学处理期间可起反应剂或催化剂的作用,或者可以改变或调整反应剂的特性、电化学处理的液体(溶剂)或产物,或在电化学处理期间呈惰性。所述至少一种处理剂可在电化学处理期间就地形成反应剂或催化剂。每个所述至少一种处理剂也可以执行多个功能。为免生疑,“处理剂”一词不包括电化学处理过程中产生的化学物(例如牺牲阳极产生的氢气、金属离子,以及阴极产生的羟离子和羟基);“处理剂”一词指的是操作员在电化学处理期间、之前或之后特意加入待处理液体的化学物质。例如,电极可能掺杂处理剂,以至于随着阳极腐蚀,电化学处理期间,会释放出处理剂,或者起催化作用,但电极本身不是处理剂。
所述至少一种处理剂可以是氧化剂、还原剂或催化剂。所述至少一种处理剂在电化学处理期间可能在处理室内就地形成氧化剂、还原剂或催化剂。所述至少一种处理剂可选自组合,包括:氧化剂、还原剂、均相或非均相催化剂、pH改性剂(酸化剂(或酸)或碱化剂(或碱))、表面活性剂、消泡剂、导电率改性剂(用于改变待处理液体的导电性)、螯合掩蔽剂(用于与液体中的金属离子螯合)、黏度调节剂(用于调节液体或絮状物的黏度)、配体(用于形成催化剂)和活性气体(有助于改善或提高电极间的液流速度和/或改善此液体内成分的反应)。合适的催化剂如上所述。
所述至少一种处理剂可以是硫酸根的来源。上述过硫酸钠就是一个硫酸根的来源的例子。
氧化剂的例子可能包括高锰酸盐(例如高锰酸钾)、过氧化氢、无机过氧化物、过氧酸盐、硫酸氢盐、过酸(例如有机或无机过酸——例如,间氯过氧苯甲酸)、氧气、臭氧、卤素气体(例如氟或氯气)、硝酸、硫酸、亚氯酸盐、氯酸盐、高氯酸盐、次氯酸盐、前述氧化剂的盐类。还原剂的例子可能包括一氧化碳、铁(II)化合物、硫化氢、二硫化物、甲酸、亚硫酸盐化合物、硼还原剂和氢气。技术人员了解其他氧化剂和还原剂。所述氧化剂或还原剂可能有助于电化学转化污染物(尤其是可以清除或回收污染物)。氧化剂有助于增强氧化过程(EOP),例如,对于难降解性污染物。
有益的是,处理室内存在氧化剂或还原剂可以鼓励或促进还原或氧化的进一步电化学反应,或者可能造成反应室内增强氧化过程或增强还原过程。在一个示例中,在电化学(或电解)处理期间可通过氧化或还原反应优化待处理液体,其中,液体中污染物的物化特性通过电化学处理,尤其是电凝法改变。
所述至少一种处理剂可能用于与待处理液体中的某些污染物发生反应,可能用于调节所处理液体的特性(例如调节液体的pH值),或可能用于调节絮状物的特性(例如,絮状物的凝聚、黏度、流动性或沉淀速度)。
所述至少一种处理剂可以是气体(例如,惰性气体、氧化剂或还原剂)。所述气体可选自以下组成的其中一个或多个,包括空气、氢、氧、臭氧、一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、硫化氢、氮、氯、氟、二氧化氯、氨或其组合;尤其是氢、硫化氢、臭氧、氯、一氧化碳、空气、二氧化碳或者其组合;更特别的是,空气、二氧化碳、硫化氢、臭氧、氢、一氧化碳或其组合。多种处理剂可进入处理室,例如惰性气体和氧化剂或还原剂。
化学处理后(液体排出处理室前或后),可往液体中加入所述至少一种处理剂。例如,如果电化学处理后提供的液体转移到池中(例如澄清池),可添加所述至少一种处理剂,以促进絮状物的分离(尤其是通过重力沉降)。
所述装置适合在电化学处理液体期间为处理室提供至少一种处理剂。可以采用任何合理的方式往处理室加入所述至少一种处理剂。
在第一示例中,可在液体进入处理室之前,将所述至少一种处理剂与待处理液体混合在一起。所述装置可能配备一个混合器与待处理液体的至少一个入口通过流体连通,其中所述混合器用于在待处理液体通过所述至少一个入口前,将至少一种处理剂(可以是液体、气体或固体)与待处理液体进行混合。或者,所述处理剂可以涂在处理室的液体导管上,例如用于将待处理液体传输到处理室的管道或歧管。
在第二示例中,所述至少一种处理剂可以涂在处理室内的表面上。例如,催化剂可以涂覆在处理室内侧壁上、放置电极的壁面(例如,在电极座上)上或者至少其中一个电极内(例如通过掺杂电极),其中,处理剂可通过化学的方式在内部掺杂,或通过物理的方式在电极材料上附着、层压或形成分层。当电极起阳极的作用时,掺杂电极可能释放出所述处理剂(这种情况下,阳极会往液体中释放金属离子)。掺铈电极就是掺杂电极的一个例子,但所属领域技术人员了解一些其他涂覆于惰性电极(例如钛)的稀土元素或贵重金属也属于掺杂电极。
在第三示例中,可加入所述至少一种处理剂,然后进行电化学处理。
在第四示例中,所述至少一种处理剂可通过至少一个处理入口进入处理室。所述处理室可包括每一种处理剂或每一种处理剂混合物的至少一个入口(或多个处理入口,尤其是相互之间通过流体连通的处理入口)。所述处理室可能有至少10个处理入口,尤其是至少15个入口,更特别的是至少20个入口,最特别的是至少30个入口。所述至少一个处理入口可帮助处理液体。
所述至少一个处理入口可能是至少一个流体处理入口(所述流体可能包括气体和液体,例如含悬浮固体的液体)。所述至少一个流体处理入口可以采用流体处理分散器的形式。所述至少一个流体处理入口可能是至少一个液体处理入口。所述至少一个液体处理入口可以采用液体处理分散器的形式。所述液体处理分散器可能与上述液体分散器相同。
所述至少一个处理入口可以是气体处理剂的入口(即,气体入口)。所述处理室还可能包括一个拥有多个直通处理室的气体入口的气体分散器。相对于处理室中的电极,所述气体分散器可用于均匀分配气体,且特别可能是气体歧管。
所述气体分散器包括多个气体通道,其中,各个所述气体通道包括至少一个入口,用于引入气体。所述多个气体通道可能包括至少一个纵向气体通道和/或至少一个横向气体通道。可使用任何合适类型的气体分散器。例如,所述气体分散器可能包括至少一个气体入口点和至少一个纵向气体通道和/或至少一个横向气体通道。每个气体通道可能包括至少一个(最好多个)气体入口。所述气体通道可以任何合适的方式布置。一般而言,所述至少一个横向气体通道可与所述至少一个纵向气体通道实现气体连通。所述至少一个气体入口点可与所述至少一个纵向气体通道或所述至少一个横向气体通道实现气体连通,或相互毗邻。所述至少一个纵向气体通道可与所述至少一个横向气体通道实现气体连通,或从中延伸出来(尤其是从30到150度;更特别的是从60到120度;最特别的是约90度)。所述气体分散器的出口可提供处理室的至少一个气体入口。所述处理室可能包括至少20个气体入口。
所述至少一个处理入口可定位在处理室的任何合适点或多个点。在一个实施例中,所述至少一个处理入口定位在电极与所述第一壁之间(尤其是所述流量调整器与所述第一壁之间)。如果液体基本上升通过处理室,则所述至少一个处理入口可定位于电极下方(这样,处理剂基本上升通过处理室)。在一个实施例中,所述至少一个处理入口(包括流体处理分散器)与处理室的第一壁(或基座)成一体。在另一个实施例中,所述至少一个处理入口(包括流体处理分散器)可从处理室拆下。
所述处理室可包括每一种处理剂或每一种处理剂混合物的至少一个入口(或多个处理入口,即相互之间通过流体连通的处理入口)。当所述处理室针对不同类型的处理剂布设多个处理入口时(例如,液体处理分散器和气体分散器),这些入口可采用任何合适的方式按其相对位置和相对于所述至少一个液体入口进行定位。例如,如果所述装置包括一个液体分散器和一个气体分散器,所述液体分散器可靠近所述气体分散器(例如,所述液体分散器可在所述气体分散器的顶部、下方或旁边)。同样地,如果所述装置包括一个液体处理分散器和一个液体分散器,所述液体处理分散器可靠近所述液体分散器(例如,所述液体分散器可在所述液体处理分散器的顶部、下方或旁边)。
可在处理室的任何合适位置布设用于排出电化学(或电解)处理液的至少一个出口。但是,布设所述至少一个出口时,要使电极定位在所述至少一个出口与所述至少一个入口中间。在一个实施例中,所述至少一个出口在所述处理室的第二壁上或附近。
在第一示例中,所述至少一个出口可能包括至少两个出口,特别是两个出口。所述至少两个出口可能包括至少一个用于排出絮状物的絮状物出口和至少一个用于排出电化学处理液的液体出口。当液体基本上升通过处理室时,这种布局方式尤其有利(即,如此一来,至少有一个出口在多个电极上方)。所述絮状物出口定位在液体出口上方。为免生疑,一些液体可能从处理室的絮状物出口排出,另一些絮状物可能通过处理室的液体出口(尽管所有絮状物基本从处理室的絮状物出口排出)排出。
在此示例中,所述液体出口可采用任何合适的方式相对于絮状物出口进行定位。在一个实施例中,所述絮状物出口定位在液体出口上方。所述液体出口可能采用孔隙或通道从处理室的侧壁伸出的形式。所述处理室可能包括一个、两个、三个、四个或五个液体出口。所述液体出口可使用一个或多个阀门进行控制,使其可选择性关闭或部分关闭各个液体出口。有益的是,这允许调整通过处理室的液体流速。所述絮状物出口可以是堰或溢流道。所述溢流道可能包括一块隔板(尤其是可调式隔板),隔板可构成所述溢流道的下唇板。所述可调式隔板可能升降,调整从电化学处理液中分离絮状物的条件。所述可调式隔板可以是一块平板。所述装置可能包括一个、两个、三个或四个絮状物出口,尤其是在处理室的不同侧面上。所述絮状物出口大体上可以定位在处理室内液体的预期高度上。
在第二示例中,所述至少一个出口是一个出口。在此实施例中,在液体排出处理室后,可从处理液中分离出絮状物。例如,所述装置还可能包括一个与所述至少一个出口实现流体连通的容器(如前所述,可在所述至少一个出口与容器之间布设一个消泡室)。排出液体出口的电化学处理液可能流入所述容器中,从液体中分离絮状物。在一个实施例中,所述容器可以是澄清池,用于澄清液体。所述容器可能包括至少一个液体出口和至少一个絮状物出口。液体出口和絮状物出口的特性如前两段所述。
所述装置也可能包括一个絮状物移动器,用于移动絮状物,尤其是处理室中液体表面的絮状物(或者,与所述至少一个出口实现流体连通的容器的表面上的絮状物)。所述絮状物移动器经过配置,可将絮状物移向所述至少一个絮状物出口,且可能有助于在处理室顶部形成水平液流(或在容器顶部)。所述絮状物移动器可能是絮状物撇清器。所述絮状物移动器可以大体上定位在处理室中液体表面的上方或下方。
所述絮状物移动器可能包括至少一个絮状物驱动器,用于将絮状物推到所述至少一个絮状物出口,也可能包括多个絮状物驱动器(可采用桨叶或凸出的形式)。所述至少一个絮状物驱动器可以安装到皮带、束带、链条或线缆上,或相对这些元件进行安装。所述皮带、束带、链条或线缆可由皮带传动来带动旋转。所述皮带传动可以部分灵活。所述皮带传动可能包括至少一个轮子,尤其是至少两个轮子,更特别的是两个轮子。所述至少一个轮子可能包括轮齿,且可采用钝齿或链轮齿的形式。
分离器可与絮状物出口形成流体连通,以从液体中分离出絮状物。分离后的絮状物可处置、进一步处理或作其他用途。分离后的液体可通过液体出口与处理室(容器)内的液体组合在一起;返回处理室作进一步处理;转移到其他地方(例如,使用浮子式或传感式潜水污泥泵)作进一步处理,或者排至环境。
分离器可采用过滤器的形式。在一个实施例中,所述过滤器可能是滤袋,尤其是由聚合材料制成的滤袋,更特别的是可收集部分或几乎全部固体、允许分离液体自由流动的含编织聚合物纤维的滤袋。
所述装置可能还包括一个消泡器。所述消泡器可用于在电化学处理后减少泡沫量(或气泡)。电化学处理期间,经常会产生泡沫,例如,阴极产生的气泡。因为这些气泡通过液体时,会产生难以控制的泡沫,且会导致有机化合物含量高的液体出现溢流(例如源自于植物胶的角叉菜胶、黄酸盐或瓜尔豆胶)。所述消泡器可能包括一个或多个喷嘴,用于将液体喷向泡沫。液体喷向泡沫时,液滴刺穿泡沫,释放内部气体,从而减少泡沫量。所述喷嘴可调,以改变喷溅液体的速度和喷溅液滴的尺寸。有益的是,电化学处理中产生的泡沫的特性可能随着液体组成而变化,可调喷嘴可高效地消除各种液体类型的泡沫。例如,如果电化学处理期间液体中含有瓜尔豆胶,则形成的泡沫可能极具弹性,要求更大的液滴和/或更高的速度才能刺穿。所述装置可能包括一个或多个消泡器。所述喷嘴可能产生射流或者形成雾气。所述喷嘴喷出的液体可能是来自于处理室的电化学处理液。所述消泡器可能包括一个抽送液体使其通过喷嘴的泵。
所述消泡器可能定位在处理室(或容器)表面上方,用于消除液体表面上絮状物的泡沫。所述消泡器也可以存在于消泡室内(所述装置可能包括一个配备消泡器的消泡室)。在一个实施例中,所述装置可能还包括一个消泡室(或指代消泡室的消泡容器)。通过至少一个出口从处理室中排出的液体可能流入所述的消泡室。从处理室中排出的液体可能通过消泡室进入消泡室基座上的出口。在消泡室内可布设(尤其是竖直布设)一个或多个消泡器,以将液体喷向通过(或掉入)消泡室的泡沫。所述消泡室也可能包括一个或多个(尤其是一个或两个)引流器。所述引流器可以定位在消泡室内,用于引导液流,进一步释放液体中的气体。引流器可能是一块平板,尤其是基本竖直安装在消泡室内的平板。
至少第一引流器可在消泡室内形成一个堰。第二引流器可定位在所述第一引流器与消泡室入口(可能是处理室的出口)中间。所述第二引流器可能提供一个下溢堰(通过消泡室的流体从下溢堰下方流过)。所述第二引流器的底部可能在所述第一引流器的顶部下方伸出。所述第一和/或第二引流器可能基本垂直布设。所述第一和/或第二引流器可能是一块壁板或平板。有益的是,所述第一和第二引流器可收集进入所述第二引流器与所述消泡室入口之间的消泡室的泡沫。进入消泡室的流体可能掉到收集的泡沫上,帮助分解泡沫。
所述消泡室可能包括一个将消泡后的液体排出的出口。所述消泡室出口可能在消泡室的基座上。
有益的是,在电化学处理期间,电极可能产生氢气等气体,观察到的量取决于液体成分。这些气体可能产生泡沫,如果处理室无盖,可能导致溢流。而且,如果进入泵中的液体中有泡沫,会因为泡沫内的截留气体而产生问题(例如形成气阻)。使用消泡室可缓解这些问题。
可从阳极、阴极和导电体的组成中选择多个电极。装置运行时,所述装置包括至少一个阳极和至少一个阴极。但是,所有电极可能拥有类似的结构,只能借助电极所连接的电源,使其成为阳极、阴极或导电体(或对于导电体,缺乏电源)。每个所述至少一个导电体可定位于至少一个阳极与至少一个阴极之间或中间。在一个实施例中,多个电极包括至少一个阳极、至少一个阴极和至少一个导电体,其中所述至少一个导电体位于所述至少一个阴极和所述至少一个阳极之间。
此处所用的“导电体”一词指的是一种不接受处理室以外电源供电的电极。所述导电体可从其容器内所含电场的电子流中获取电解电荷。
所述装置可能包括10到1000个电极;尤其是20到500个电极;更特别的是30到250个电极;最特别的是40到100个电极。
在一个实施例中,所述装置中2到12个电极连接到一个电源;尤其是所述装置中2到10个或2到8个电极连接到一个电源;更特别的是,所述装置中2到6个或2到4个电极连接到一个电源;最特别的是,所述装置中三个电极连接到一个电源。如果所述装置中有三个电极连接到一个电源,两个端电极(即,多个电极的每一端)的极性相同(即,阳极或阴极),端电极之间的电极(端电极之间基本等距)的极性相反(即,阳极或阴极)。多个电极中剩余的电极将是导电体。在一个实施例中,所述装置经过配置,装置中5%到25%的电极是阳极或阴极;尤其是,装置中8%到20%的电极是阳极或阴极;更特别的是,装置中10%到20%的电极是阳极或阴极,或装置中10%到15%的电极是阳极或阴极。在另一个实施例中,所述装置经过配置,装置中0.5%到25%的电极是阳极或阴极;尤其是,装置中0.5%到15%的电极是阳极或阴极;更特别的是,装置中0.5%到10%的电极是阳极或阴极,或装置中0.5%到5%的电极是阳极或阴极。在一个实施例中,所述装置中约2.5%的电极是阳极或阴极。
每个电极、一组电极或多个电极可更换和/或拆下。例如,可使用桥门式起重机从处理室拆下电极。可将电极整套拆下临时保管(例如,在装置上方的水平机架上),或可单独更换,例如,当因为表面积逐渐减少而导致电极损失阳极电位时,例如腐蚀。
每个电极可采用任何合适的形状,但是某些形状更容易从处理室中拆下。例如,每个电极可以是曲面或平面形,尤其是平面形。每个电极也可以是方形、矩形、梯形、长斜方形或多边形,尤其是矩形和方形。每个电极也可以是实心结构,或包括多个孔隙。每个电极最好是实心结构。在一个实施例中,每个电极都是一块平板。在另一个实施例中,所述电极或多个电极的部分电极可以是圆形、卵形或椭圆形横截面。在此实施例中,多电极中部分电极的布设使一个电极在相邻电极的内部。例如,多个电极的部分电极可同中心布置(尤其是当所述电极是圆筒状时)。
每个电极可以由任何合适的材料制成。材料的例子如上所述,且也可能包括铝、铁、钢、不锈钢、钢合金(包括低碳钢)、镁、钛和碳。在另一个实施例中,每个电极可由合金,或者从铝、铁、钢、镁、钛和碳的组成中选择的材料制成。每个电极都可以根据待处理液体、液体中的污染物、会形成的絮状物和当时各种金属电极的相对成本进行选择。所述装置内的各个所述电极可以相同或不同,且可能包括相同金属或不同金属(例如,取决于所需性能)。所述或每个电极也可能包括电化学处理期间释放的一种或多种处理剂。所述或每个电极也可能一种或多种处理剂,用于在电化学处理期间催化特定的反应,尤其是氧化反应。
所述电极可定位在处理室中液面以上或以下。但是,所述电极最好定位在处理室中液面以下。如果液体基本上升通过处理室,此布局可能不会阻挡液体或液体表面的絮状物水平流。
电极可以任何合适的角度定位在反应室内。例如,所述电极或部分电极(例如上部分)可与垂直面(斜向配置)或垂直于处理室第一壁的平面成一定角度。电极可基本垂直定位,或与垂直面或者垂直于处理室第一壁的平面成10到30°的角度,尤其是与垂直面或垂直于处理室第一壁的平面成10到15°或约15°的角度。在一个示例中,电极或部分电极(例如上部分,或靠近所述至少一个出口的部分)可与垂直面或者垂直于处理室第一壁的平面成5到40°的角度,尤其是与垂直面或垂直于处理室第一壁的平面成5到35°的角度,更特别的是,与垂直面或垂直于处理室第一壁的平面成10到30°、10到15°或15到30°的角度。在其他示例中,电极或部分电极(例如上部分,或靠近所述至少一个出口的部分)可与垂直面或者垂直于处理室第一壁的平面成小于40°的角度,更特别的是,与垂直面或垂直于处理室第一壁的平面成小于35、30、25、20、15、10或5°的角度。在又一些示例中,电极或部分电极(例如上部分,或靠近所述至少一个出口的部分)可与垂直面或垂直于处理室第一壁的平面成大于5、10、15、20、25、30或35°的角度。在其他实施例中,电极可能基本垂直(或在垂直面上)或基本上在垂直于处理室第一壁的平面上。发明者发现,不同液体对不同电极角度的反应不同。为免生疑,如果所述第一壁有一个凹槽或通道,则这里使用的“垂直于处理室第一壁的平面”短句指的是垂直于所述凹槽或通道基座的平面。
当液体基本上升通过处理室时,将电极以一定角度放入处理室可能有许多优点。首先,将电极以一定角度定位意味着,液体上升通过处理室时会逆着电极流动(同时,气体在上升通过处理室时也会逆着电极运动)。例如,这有助于处理室内的还原处理,或者防止材料(例如,絮状物)蓄积在电极上。这在当电极的极性(尤其是阴极)还原气体沿着其表面或在其表面上通过期间,会反转时尤其有用。
其次,将电极以一定角度定位会导致液体通过处理室时呈水平运动。这有助于将液体引导通过所述至少一个出口,尤其是使絮状物通过絮状物出口。在一个示例中,液体内悬浮或分散的颗粒的水平或基本切向运动将任何凝固沉积物或絮状物强制排出处理室,从而提供一个干净的处理通路,将絮状物排出处理室。
第三,将电极以一定角度定位有助于聚合絮状物。例如,当液体上升通过处理室时,絮状物可能逆着电极流动。这意味着,絮状物逆着电极更为集中,促使进一步聚合。在示范性实施例中,如果絮状物含有油颗粒,在电极下方摩擦的作用下,形成部分夹带,导致上升中的油颗粒可能凝集成更大的液滴。平板采用垂直配置时,一般不会发生这种情况。在此示范性实施例中,液体中溶解或乳化的油颗粒可能接触电极底侧并在此蓄积,与带电界面上形成的其他油颗粒组合,直到形成较大(凝集)的液滴,然后,借助占主导地位的对角和垂直(与液滴相切)液流使其浮于表面。
每个电极可以是任何合适的厚度,例如从1mm到20mm厚,尤其是从1mm到10mm厚,更特别的是从1mm到5mm厚,最特别的是约3mm厚。在一些实施例中,每个电极小于20mm厚,尤其是小于19、18、17、16、15、14、13、12、11、10、9、8、7、6、5、4、3或2mm厚。在其他实施例中,每个电极大于0.5mm厚,尤其是大于1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18或19mm厚。在又一个实施例中,所述电极的厚度可在上述上下限的范围内。在一个实施例中,电极的厚度从1mm到10mm,尤其是约3mm厚。
上述电极之间可以是任何合适的间距。例如,电极之间(尤其是按平均值)的间距可以为1mm到150mm,尤其是1mm到100mm,或者从1mm到50mm,更特别的是,从1mm到10mm。电极之间(尤其是按平均值)的间距可以为1mm到5mm,或者从1.5mm到4.5mm,更特别的是,约3mm。在一些实施例中,电极(尤其是按平均值)之间的间距小于150mm,尤其是小于140、130、120、110、100、90、80、70、60、50、40、30、25、20、15、10、9、8、7、6、5、4或3mm。在其他实施例中,电极(尤其是按平均值)之间的间距大于1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120、130或150mm。电极之间的间距也可以在上述上下限的范围内。当处理室包括多于2个电极时,电极之间的间距可以相同或不同。
电极之间可以是任何合适的间距。例如,处理室可能包括将电极固定到位的导板。在一个实施例中,导板可能是位于处理室对面壁的凹槽或槽位。导板可由高密度、电绝缘聚合物材料制成,例如,HDPE或PVC,或上述介绍的电极座的制作材料。
在一个实施例中,电极厚度从1mm到10mm,更特别的是1mm到5mm;电极间距从1mm到10mm,更特别的是从1mm到5mm。使用较细小的电极,然后靠在一起,可在处理室内部署更多的电极。这会增加电极与液体接触的表面积,从而增强液体的电化学处理。
为了改善液流,电极可设一个锥形下缘,或靠近所述至少一个入口的边缘。电极下缘(或靠近所述至少一个入口的边缘)可做成锥形,与电极纵向轴成约4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19或20°的角度。锥形的伸出部分可能小于电极长度的40%、30%、20%、15%、10%、9%、8%、7%、6%、5%、4%或3%。电极下缘或靠近所述至少一个入口的边缘可在一面或多面做成锥形,例如,两个相对的纵向面,更特别的是一个纵向面。如果电极下缘或靠近所述至少一个入口的边缘在不止一面做成锥形,则每一面上的锥形可以相同或不同。
所述装置也可能包括至少一个非导电元件布设于处理室内。所述非导电元件可能改变处理室内的电场(电流和电压)。所述非导电元件的位置、形状和配置可与上述电极的相同。但是,所述非导电元件由不会导电的材料制成,例如,从以下组成选择的材料,包括聚合物塑料(例如,聚氯乙烯(PVC)、高密度聚乙烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)、丙烯腈·丁二烯·苯乙烯(ABS)、聚丙烯(PP));使用非导电性纤维制成的合成材料或与树脂或树脂溶液(例如聚酯、乙烯基酯、环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺、聚酰胺、聚丙烯或聚醚醚酮(PEEK))混合制成聚合物基体的嵌板(例如纤维玻璃),或上述材料的组合。在一个实施例中,所述装置不包括任何非导电性元件。
所述装置还可能包括放置多个电极的电极座,尤其是多个电极(尤其是合理接合的电极)置于处理室内。所述至少一个电极座可装在处理室内。所述处理室经过配置,可接合(尤其是合理接合)所述至少一个电极座,尤其是至少一个放置多个电极用于电化学处理液体的电极座。所述处理室可能包括至少一块将电极座引导到位的导板。所述处理室可能包括至少一个(或多个)凹槽,可将电极座滑入并接合在处理室。所述处理室可能包括至少一个电源接头,用于将电源接入电极座,或者所述电极座内的至少一个电极。所述处理室可能包括多个电源接头(例如极性相同或不同),用于将电源接入各个电极座,或者所述电极座内的电极。
所述处理室可能包括至少一个电源接头,用于将电源接入电极座,或者为所述电极座内的至少其中一个电极供电。对于各个电极座,所述处理室可能包括至少一个电源接头,用于将电源接入电极座中的至少一个阳极(尤其是一个或两个电源接头),和至少一个电源接头,用于将电源接入电极座中的至少一个阴极(尤其是一个或两个电源接头)。
在第一示范性实施例中,所述至少一个电源接头可布设在处理室壁上(尤其是侧壁或第一壁),尤其是在可滑入并接合电极座的凹槽中。处理室仅一面可布设一个各电极座使用的电源接头。所述至少一个电源接头可由金属,尤其是青铜制成。
在第二示范性实施例中,处理室包括至少一个电源接头,适合接触至少一个(例如一个或两个)电极的工作面。这里使用的“工作面”一词指的是电化学处理期间电极接触液体的表面。在此实施例中,至少一个(尤其是一个或两个)电源接头可布设在靠近处理室的一个或多个侧壁的位置上,尤其是平行于电极工作面的一个或多个侧壁。至少一个电源接头可定位在处理室内的电极座之间。至少一个电源接头可定位在两个电极座之间,且所述至少一个电源接头可定位在每个电极座的端电极的工作面中间(在这种情况下,一个电源接头可为每个电极座中的一个电极供电。在这种情况下,所述至少一个电源接头可布设在处于两个电极座之间的电源接头外壳内)。在此实施例中,所述至少一个电源接头可能包括一个偏置机构,用于使电源接头偏斜在电极上。所述偏置机构可能包括一个压缩弹簧。所述至少一个电源接头可由金属,尤其是弹性金属制成,例如钢,更特别的是不锈钢,最特别的是弹簧钢。有益的是,在电源接头中使用偏置机构可改善电极与电源接头之间的接触,帮助固定住电极座,并在更换电极座时,避免用螺丝固定接头。在一个实施例中,所述电源接头可能穿过处理室的壁板(尤其是侧壁),为电源接头提供一个连接片(可能通过电流控制器,后文将会详细介绍)。所述至少一个电源接头可能拥有或包括一个波纹形状。
处理室经过配置,可轻松接合1到100个电极座,尤其是2到50个电极座,更特别的是2到40、2到30、2到20或2到10个电极座。
每个所述电极座可能有一个机架,所述机架可能有一个把手和至少两个侧壁。电极座把手(一个在处理室内)可能构成处理室的唇板。电极座把手在处理室内可紧密靠在一起。所述机架也可能有一个流量调整器(或一段流量调整器)。在一个实施例中,所述流量调整器是一面拥有多个孔隙供液体通过的壁板,其中所述处理室包括一个搁架,当电极座轻松接合所述处理室时,所述电极座靠在搁架上方。所述机架基本上采用U形设计,U形底部形成把手,而U形侧面形成侧壁。或者,所述机架可采用方形或矩形涉及,方形/矩形两个相对的侧壁构成机架的侧壁,另外两个相对的侧面构成流量调整器和把手。所述电极座可采用套筒形式。据此,每个所述电极座(或至少一个所述电极座)可能包括一个流量调整器,具体如上所述。所述流量调整器可定位于电极与所述至少一个入口之间。所述电极座把手可能包括一个电极座拆卸装置(例如束带(或带环),尤其是线缆、绳或线),帮助从处理室拆下电极座。
所述电极座,尤其是所述电极座的至少两个侧壁经过配置,可轻松接合处理室。所述电极座可接合所述处理室(尤其是,这样一来,所述处理室内拥有多个电极,或者是电极合理接合处理室)。所述电极座(尤其是至少两个侧壁)可滑入以接合处理室。所述电极座(尤其是至少两个侧壁)可通过摩擦、卡箍或其他合适的紧固件轻松接合处理室。在其他实施例中,所述处理室可能有一个搁架,用于放置电极座。
在一个实施例中,所述处理室或电极座可能有一个卡箍,用于轻松将电极座卡到位。所述电极座(尤其是所述至少两个侧壁的至少其中一个或电极座靠近处理室第一壁的侧面)经过配置,可放置电源,尤其是来自于处理室壁板的电源。所述电极座(尤其是至少两个侧壁的至少其中一个)经过配置,可沿放置在电极座上的至少一个电极的纵向边缘供电。所述处理室经过配置,也可以沿着至少一个电极的工作面纵向供电。沿着至少一个电极的纵向边缘供电,或者沿着至少一个电极的工作面纵向供电,电流的质量可能比仅对至少一个电极单点供电的质量高。
所述电极座可能有一个电源接头,用于连接来自处理室的电源接头。如有,电极座和处理室中的电源接头可以任何合适的方式进行连接。例如,所述两个电源接头可通过表面或突出部分相互靠近,或者公母连接进行连接。
所述电极座上可能有多个电极。所述电极座内的电极可能可更换和/或可拆卸。在一个实施例中,所述电极座内的电极可能无法更换和/或拆卸。所述电极座可能有槽位,使电极可按要求滑入电极座或从中滑出。这样,即便所述装置正在运行,也可以更换所述电极座内的电极。所述电极、电极特性、电极方向和电极座中两个电极之间的关系(例如电极之间的距离)可能与上述内容相同。为免生疑,所述电极座也可能包括至少一个非导电元件。因此,所述电极座可能有一个或多个电极和一个或多个非导电元件。
所述电极座内可容纳任何合适数量的电极。在一个实施例中,所述电极座可能含有3到100个电极,尤其是3到50个电极,更特别的是3到25个电极,最特别的是5到15或8到15个电极,约10个电极或约13个电极。在一个实施例中,所述电极座容纳至少3、4、5、6、7、8、9或10个电极。在另一个实施例中,所述电极座容纳少于100、90、80、70、80、70、60、50、40、30、20或15个电极。
所述电极座或所述电极座内的电极可以任何合适的角度定位在处理室内。所述电极座的方向可与上述处理室内电极角度相同。
在一个实施例中,所述电极座可基本垂直地布设在处理室内。如果液体基本上升通过处理室,这种布设方法十分有益。在此实施例中,所述电极座可使电极呈基本垂直布设,或者利用电极座使电极与垂直面成一定角度。在另一个实施例中,所述电极座可以一定角度定位在处理室内。
所述电极座内的电极可定位在与所述电极座相同的平面上,或所述电极可以与所述电极座的纵向面成一定角度。例如,所述电极可与电极座的纵向面成0-20°的角度,更特别的是0-15°或0-10°,最特别的是与电极座的纵向面成0-5°或0-3°或0°。
有益的是,所述电极座可允许轻松、快速更换装置中的电极。所述电极座可能克服更换反应室内单个电极与生俱来的延迟情况,在低头高区域尤其有用。
所述电极座的机架可由任何合适的材料制成,但最好是非导电性材料。所述电极座的机架可以使用上述讨论的处理室制作材料制成。所述电极座的机架尤其可使用以下材料制作,包括非导电性纤维制成的合成材料或与树脂或树脂溶液(例如聚酯、乙烯基酯、环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺、聚酰胺、聚丙烯或聚醚醚酮(PEEK))混合制成聚合物基体的嵌板(例如纤维玻璃);或聚合物塑料,例如高密度聚乙烯(HDPE)、聚乙烯(PE)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或聚氯乙烯(PVC);酚醛聚合物塑料;或使用大量合成材料,包括碳纤维(例如,使用聚合物塑料或合成材料绝缘的碳纤维)和其各种变体进行制造。
所述电极座可使用拆除装置(尤其是将电极座从处理室提起的提升装置)从处理室上拆下。在一个示例中,所述提升装置可将所述电极座几乎垂直提起,然后允许电极座在装置上水平移动。所述提升装置可滑入并安装在至少一个(特别是两个)导轨上。在一个实施例中,所述电极座可使用桥门式起重机拆下。
所述装置可能还配备一个液体泵,用于将待处理液体泵入至少一个入口,引入待处理液体,和/或至少一种处理剂泵(可以是液体泵和/或气体泵),用于将处理剂泵入至少一个处理入口。所述泵可能是一种变速泵。可以使用任何合适的泵。例如,所述气体泵可以是掺气泵或离心、隔膜、蠕动、齿轮或类似泵。根据传输到处理室的液体的压力,可能需要或不需要液体泵。但是,液体泵,尤其是齿轮泵或隔膜泵可以更好地控制处理室内的液体流速,所以这点可能很有帮助。
所述装置可能还有一个或多个传感器,用于感测:通过处理室的流速;处理室内的液体体积(包括液体高度,尤其是液体基本上升通过处理室时);处理室内是否形成产物或者是否从中排出(包括气体,尤其是爆炸性气体);处理室是否存在污染物,或是否从中排出;一个或多个电极是否存在钝化蓄积;和处理室内液体的导电性。
在一个实施例中,所述装置包括一个用于调节电化学处理的系统。所述系统可自动运行,包括一个或多个上一段落介绍的传感器和一个或多个用于调节电化学处理的装置,其中所述一个或多个装置与所述一个或多个传感器连接,从而自动化处理过程。所述系统可由控制器(例如,可编程逻辑控制器(PLC))进行控制。所述一个或多个装置可能包括至少一个从以下组成选择的装置,包括一个泵(尤其是可变速泵),用于调节进入处理室的液流;一个电流控制器,用于控制进入电极的电流(尤其是,用于控制电流的极性及其反极性,从而提供阴极和阳极,和/或电流的电压);处理增强剂敷抹器,用于将处理增强剂涂覆于处理室(例如,电磁辐射源或声波发生器);一个阀门,用于排空处理室(或者与此阀门实现流体连通的泵);一种处理剂敷抹器,用于将一种或多种处理剂涂覆于处理室(这可能包括一种处理剂泵);流体射流(包括液体和气体射流),用于减少电极的钝化蓄积(流体射流可能是高压流体射流);一个电极座拆除装置和插入装置;和一个电极板拆除装置和插入装置。
如上所述,所述电流控制器可控制电流的极性及其反极性,从而提供阴极和阳极。在一个实施例中,电极的极性在电化学处理期间可能反转。可向多个电极施加任何合理电流。有益的是,电极的极性可以交替,从而减少电极上的钝化蓄积,并在处理室内形成可逆电场。电极的极性切换可按要求延迟或加快特定的化学反应。电化学处理期间,阳极一般具有牺牲性,大小会逐渐变小。相反,阴极一般会经历钝化,并在其表面蓄积物质。通过定期反转流向电极的电流极性,同一个电极可先后作为阴极和阳极使用。按此方法,阴极的钝化面变成阳极的腐蚀面,这减少了电极上的钝化蓄积,并使电极尺寸减小速度放缓。在一个实施例中,施加到装置的电源为直流,但是由于通过电流控制器可交替电流的极性,所以,施加到电极的电流为交流。换言之,施加到多个电极的电流可能是交替频率可调的直流。在电化学处理期间,所述电流控制器也可以改变正弦波坡度角,和/或改变电流施加于电极的速率。
为此,所述电流控制器可控制电极的电流换向频率。所述电流控制器也可控制电化学处理装置中阴极和阳极的相对比例。控制好相对比例以及阳极和阴极的表面积将会改变电化学处理的化学过程,因此很有帮助。例如,如果阳极总表面积超出(尤其是超出一定程度)阴极的表面积,则处理室内会形成氧化环境。或者,如果阴极总表面积超出(尤其是超出一定程度)阳极的表面积,则处理室内会形成还原环境。所述电流控制器可向处理室提供电压,至每一单元的有效电压从0.1到50V,尤其是0.1到40V、从0.5到30V或从0.5到20V;更特别的是,从1到50V或从1到5V或从2到4V;最特别的是,约2-3V或约3V(“至每一单元的有效电压”指的是处理室内两个相邻电极之间的电压)。
发明者发现,至每一单元的有效电压可通过使用电流控制器调节施加于电极的电压、调节接入电流的电极数量、在处理室内布设非导电元件和/或改变处理室内的电极数量(例如,使用电极座拆除装置和插入装置和/或电极板拆除装置和插入装置)进行调节。电流可由电压源提供。在一个实施例中,所述装置还包括一个电压源。处理室内液体的导电性可能不同,而且,在电化学处理期间,此导电性会影响处理室内发生的反应程度和类型。例如,处理高导电性液体,但电极较少时,电化学处理的效果可能与处理导电性差的液体,电极数量较多的情况相同或类似。用于感测处理室内液体导电性的传感器可以与电流控制器、电极座拆除装置和插入装置和/或电极板拆除装置和插入装置通讯(例如,通过PLC),从而控制至每一单元的有效电压(自动模式下可能发生这种情况)。
在另一方面中,本发明涉及到电化学液体处理装置的电极座,其中,所述电极座可用于放置多个电极,并与电化学处理室(尤其是本发明第九方面所述装置的处理室)接合(尤其是轻松接合)。在此方面的一个实施例中,本发明提供一种电化学液体处理装置的电极座,所述电极座托住多个电极,经过配置,可轻松接合所述电化学液体处理装置的处理室,其中,所述电极座包括一个调整电极间液体流量的流量调整器。在一个实施例中,所述流量调整器用于在电极之间分配液体。在另一个实施例中,所述流量调整器是一面拥有多个孔隙供液体通过的壁板。
所述电极座上可能有多个电极。所述电极座可采用套筒形式。所述电极座可滑入以接合处理室。所述电极座经过配置可接收来自处理室壁板的电源。所述电极座经过配置,可沿放置在电极座上的至少一个电极的纵向边缘供电。所述电极座经过配置,可向所述电极座中的至少一个电极的工作面供电。本发明的此方面所述电极座的特性可能与上述电极座相同。
所述装置可能还包括一个调整或分配电极间液流的流量调整器。所述流量调整器可能如上所述。所述流量调整器可能采用至少一块(尤其是多个)隔板或遮挡墙从电极下方伸出的形式。所述至少一块隔板或遮挡墙可能基本上从电极下方垂直伸出。所述至少一块隔板或遮挡墙可能基本上沿着与电极相同的纵向轴伸出。所述至少一块隔板或遮挡墙可能横向或基本上垂直于电极。所述流量调整器也可能是一面拥有多个孔隙供液体通过的壁板或隔板。
所述电极座或所述电极座内的电极可以任何合适的角度定位在处理室内,尤其是与垂直面成10到30°的角度,更特别的是与垂直面成10到15°或约15°的角度。所述电极座内的电极间距可以是1mm到10mm,尤其是约3mm。所述电极座内的电极可能可更换和/或可拆卸。所述电极座内电极的特性可能与上述电极相同。
在另一方面中,本发明涉及到一种电化学液体处理装置,该装置包括一个处理室,处理室包括至少一个引入待处理液体的入口和至少一个将电化学处理后的液体排出的出口,其中,所述处理室可容纳多个电极。在此方面的一个实施例中,所述装置还包括多个位于处理室内部用于电化学处理所述液体的电极。所述多个电极可从处理室拆下。本发明的此方面的特性可能与上述相同。
在一个实施例中,提供一种电化学液体处理装置,所述装置包括:一个包括至少一个待处理的液体入口和至少一个将电化学处理后的液体排出的出口的处理室,其中,所述处理室可轻松与至少一个用于托住多个电解处理液体的电极的电极座接合,其中所述电极座包括一个调整电极间,与电极大体沿着同一个纵向轴的液体流量的流量调整器,其中,当所述电极座轻松接合所述处理室时,所述流量调整器位于所述至少一个入口与多个电极之间,而且,其中,所述流量调整器是一面壁,壁上有多个开孔,供液体通过。
在又一个方面中,本发明涉及到一种电化学处理液体的方法,所述方法包括以下步骤:
-将待处理液体引入所述电化学液体处理装置;
-至少其中两个电极施加电压,提供至少一个负极和至少一个正极,从而通过电化学的方式处理液体;和
-从装置中排出电化学处理后的液体。
此方面所述的方法可能也包括电化学处理液体时产生絮状物,然后从装置中去除絮状物的步骤。所述方法可能也包括将至少一种处理剂(例如,上述的处理剂)引入装置的步骤,尤其是处理剂为气体、氧化剂或还原剂时。所述方法可能也包括将处理增强剂加入处理室的步骤。在又一个实施例中,所述方法包括在电化学处理期间反转至少一个阳极和至少一个阴极的极性的步骤。此方面所述的方法可能是一种通过电解的方式处理液体的方法。本发明的上述几个方面(与处理流体混合物方法有关,或与电化学处理水溶液有关)可能包括本段和前一段讨论的本发明的此方面的方法的特性。本段和前一段所描述的本发明的此方面的其他特性可能如上所述(尤其是与本发明的装置的特性相关的部分)。
在一个实施例中,本发明涉及到一种电化学处理液体的方法,所述方法包括以下步骤:
(i)将液体引入一种电化学处理装置,该装置包括一个处理室,处理室包括至少一个引入待处理液体的入口和至少一个将电化学处理后的液体排出的出口,以及多个在处理室内部用于电化学处理液体的电极。
(ii)将至少一种处理剂引入所述装置;
(iii)至少其中两个所述电极施加电压,提供至少一个负极和至少一个正极,从而通过电化学的方式处理液体;和
(iv)从装置中排出电化学处理后的液体。
在又一个方面中,本发明涉及到一种将装有多个电极(如本发明[00208]所述)的电极座插入所述装置(如本发明[00212]所述)或从中拆下的方法。
附图说明
现在,本发明的示例将用例子结合附图的形式进行说明,其中:
附图1为第一示例电化学液体处理装置的侧视图;
附图2为第一示例装置所用液体分散器的顶视图;
附图3为第二示例电化学液体处理装置的侧视图;
附图4为第二示例电化学液体处理装置中一个处理室的侧视图;
附图5为第二示例电化学液体处理装置的正视图;
附图6为第一示例装置所用气体分散器的顶视图;
附图7为第三示例电化学液体处理装置的侧视图;
附图8为示例电极座的透视图;
附图9为附图8所示示例电极座的正视图;
附图10为附图8所示示例电极座的透视图;
附图11为装有电化学/电解液体处理装置的水处理系统(HEC20016)的流程图;
附图12为装有附图11所示水处理系统的拖车的布局顶视图;
附图13为附图11和12所示系统中电化学/电解液体处理装置的顶视图;
附图14为附图13所示电化学/电解液体处理装置的侧视图;
附图15为附图13所示电化学/电解液体处理装置的透视图;
附图16为第二示例电极座的透视图;
附图17为附图16所示电极座的分解透视图;
附图18为示例处理室和消泡室的透视图;
附图19为附图18所示处理室和消泡室的顶视图;
附图20为第四示例电化学/电解液体处理装置的透视图;
附图21为附图20所示装置透过液体入口点和消泡室出口的横截面图;
附图22为附图20所示装置透过处理室的横截面图;
附图23为附图20所示装置中电极座的透视图;
附图24为附图23所示电极座的底部透视图;
附图25为透过附图23所示电极座的横截面图;
附图26为附图20所示装置中处理室和消泡室的顶部透视图;
附图27为附图26所示处理室和消泡室的透视图;
附图28为透过附图26所示处理室的横截面图;
附图29为附图20所示装置部分拆下电极座时的透视图;和
附图30为透过附图20所示处理室和电极座,其中电极座部分拆下时的横截面图;
附图31为第五示例电化学/电解液体处理装置的透视图;
附图32为附图31所示装置的横截面图;和
附图33为附图31所示装置的分解透视图;
附图34为待处理液体的流程图;
附图35为煤层气井采出水的其他处理流程图;
附图36为第流示例电化学/电解液体处理装置的透视图;
附图37为附图36所示装置的横截面图;
附图38为附图36所示装置的横截面图。
以下说明为所属领域技术人员执行本发明提供了充分的信息,本发明的优选特性、实施例和变化可从中判断。以下说明不视作对前述发明摘要范围任何形式上的限制。
实施例说明
现在,本发明的实施例将结合附图1到38进行介绍。在这些附图中,相同参考编号指代相同特性。
附图34提供流程图示例。在此附图中,流体混合物从402进入流体处理装置或系统400。所述流体混合物可能首先进入流体储罐404。在所述流体储罐中404,可评估所述流体的组分,组分可能影响处理所述流体的方法。然后,所述流体混合物从流体储罐404排出,添加处理剂406,在一次电化学处理装置408中对所示流体混合物进行一次电化学处理。如果所述流体是压力回流水,则在此步骤,疏水相会从水相中分离,并分解交联剂。
所述一次电化学处理步骤完成后,所述流体流入第一澄清器410。然后,来自所述第一澄清器410的固体残留物流入脱水装置424。来自所述第一澄清器410的疏水性物质可能被清除(附图34不显示)。来自所述第一澄清器410的澄清液从所述澄清器410排出,添加处理剂412,然后在二次电化学处理装置414中对所示澄清器执行二次电化学处理。如果所述原始流体是压裂回流水,是所述二次电化学处理步骤可清除水溶液中的水污染物。
经过所述二次电化学处理步骤后,所述水溶液流向第二澄清器416。来自所述第二澄清器416的固体残留物流入脱水装置424,而澄清液在过滤器418进行裹过滤。如果需要,来自所述第一澄清器410的所述澄清液可能直接流入所述过滤器418。可向来自所述过滤器420的渗余物和渗入物加入其它处理剂或添加剂,而来自过滤器418的渗入物可能流入另一个流体储罐422进行处置,来自所述过滤器418的渗余物可能流入脱水装置424。所述固体残留物在所述脱水装置424中脱水,之后脱水后的固体残留物运走进行处置426。
如果需要,所述装置或系统400经过配置,可允许两个电化学处理装置408和414并行运行,而不是串行运行,如果这些装置408和414并行运行(例如,对采出水来说十分有帮助),则两个装置408和414均可用于执行所述一次电化学处理步骤和所述二次电化学处理步骤。同样地,此方法中的各个步骤或所述装置或系统400的组件可忽略,包括第一澄清器410、第二澄清器416、过滤器418和流体储罐404和422。
其他过程见附图35。此过程预期用于处理煤层气井的采出水。如附图所示,来自气井的采出水首先流入煤层水管理池。接下来,所述采出水流入电化学处理装置(在此执行所述一次或二次电化学处理步骤),然后澄清。然后,将电化学处理后的液体进行粗滤和精滤,再通过离子交换介质进行过滤。然后,过滤后的液体流入反渗透装置,并在此过滤,形成脱盐水。
现在,将可能在上述任何电化学处理步骤中用到的示范性电化学处理装置和系统与附图1到33结合在一起进行讨论。为免生疑,下述各种处理剂和处理条件可适用于上述一次和二次电化学处理步骤(视情况而定)。
附图1到附图7所示为三种不同的电化学流体或液体处理装置1。每一个装置1有一个处理室10,处理室有至少一个入口20用于引入待处理流体或液体和至少一个出口30,用于排出电化学处理液或流体。所述处理室10内有多个电极40。所述多个电极包括至少一个阴极42和至少一个阳极44。
在电化学(尤其是电凝)过程中,正在处理的流体流过阳极44与阴极42之间产生的电场。阳极44可能产生金属离子,阴极42伴随着产生羟离子(或自由基)和更高能量的硫酸盐离子(或自由基)。也可能形成氢气等气体。这些离子种类(和气体)可能造成液体中的污染物出现化学改性(例如,通过氧化),也会造成液体中的带电荷污染物变得不稳定(即,降低污染物的表面净电荷,从而减小排斥电荷)。后一种效应可能会导致污染物颗粒相互靠近,进而聚集在一起(例如,在van der Waals力的作用下),另外,溶液中存在凝胶状高分子金属氢氧化物也会加剧聚集效应。
本发明的所述装置1可用于(或可配置为)清除、稳定、氧化或还原液体中的污染物,或将污染物分离出来。污染物可以选自以下其中一组或多组:金属类(包括过渡金属和重金属)、盐类、固体类、病原体类(包括细菌、原生动物、病毒和其他生物,包括藻类)、两性类、胶体(有机和无机)、悬浮颗粒、有机化学制品、油类(例如液滴和乳化形式的烃类)、难降解性有机物和以及各种其他不良物质。所述污染物一般以絮状物的形式从液体中移除。所述污染物也可能包括水污染物,具体如上所述。
这里使用的“絮状物”一词指的是电化学处理期间产生的任何凝固、沉淀物质或污泥(例如,固体或凝胶状,或可能是油或含油)。电化学处理形成絮状物的过程会使液体(尤其是水)中的杂质容易去除或从絮状物中分离。
在处理室10内的电极40之间(介于至少一个阴极42与至少一个阳极44之间)施加电场可能形成高电荷聚合物金属氢氧化物形态(这些一般在所述至少一个阳极44上形成)。这些形态一般会中和液体(例如悬浮固体或油滴)中污染物的静电电荷,并有利于它们凝聚或结块,从而从液体中分离出来。在前述装置中,电化学处理一般会造成某些金属、盐分和两性形态作为凝聚粒子沉淀在装置内部,尤其是电极40表面上。电极40的表面污垢或钝化对前述装置来说是一个明显的不足。
在一个实施例中,液体上升通过处理室10。在又一个实施例中,液体斜向上升通过处理室10。
处理室10可以是任何合适的形状。在附图1、3到5和7中,处理室10有一个方形横截面,但是处理室10也可以是圆形、卵形、椭圆形、多边形或矩形横截面。处理室10一般有一个基座12、一个顶部或唇板14和一个或多个侧壁。在一个实施例中,所述处理室10可以是圆筒状,尤其是管道。
附图1、3到5和7所示处理室10的基座12为扁平或平面形,但是基座12也可以是任何合适的形状,以容纳液体(或流体)处理系统的其他组件。同样地,附图1、3到5和7所示处理室10的顶部14处于打开状态,但是处理室10可能完全或部分关闭或可用唇板盖上。如果处理室10关闭或可关闭,则处理室10的顶部14或唇板可能有一个通风口或其他出口,用于排出电凝处理期间产生的气体。在又一个实施例中,处理室10的顶部14的尺寸与基座12相同。
处理室10可以是任何合适的尺寸。在一个实施例中,处理室10可容纳125kL到500kL的液体,尤其是约250kL。装置1可将液体流速配置为至少10L/s;尤其是约23L/s。液体停留在处理室10的时间可能少于2分钟,尤其是约30秒钟。
附图2所示为示范性分散器22(采用液体歧管的形式)。在此分散器中,有两个液体(或流体)入口点24与两个纵向液体通道26实现流体连通。在两个纵向液体通道26之间伸出多个横向液体通道28。每个横向液体通道有多个入口20。在可选示范性实施例中,分散器可能有一个液体入口点24与一个横向液体通道28实现流体连通。然后,可能有多个纵向液体通道26与横向液体通道28实现流体连通,并从中伸出。每个纵向液体通道26可能包括多个入口20直通处理室10。纵向液体通道26和/或横向液体通道28可能有一个、两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个、九个、十个或超过十个。
分散器22可能还包括一个均匀分配液体,将液体排出分散器22的扩散器。扩散器可能改善待处理液体流入处理室10的性能。例如,当液体进入所述分散器时,液体入口点24的压力可能高于分散器22上距离液体入口点24最远的位置上的压力。为克服这种情况,其中一种解决方案就是通过改变入口20开口的尺寸,使入口20开口在分散器22的液体入口点24端部较大,而入口20开口在分散器22上距离液体入口点24最远的位置上较小。
所述至少一个入口20和或分散器22可定位在处理室10的任何合适点或多个点。在附图1、3、4和7中,至少有一个入口20和/或分散器22在电极40之间,这样,液体基本上会上升通过处理室10。在一个实施例中,所述分散器22可与处理室10的基座12成为一体。在另一个实施例中,所述分散器22可从处理室10拆下。
至少一种处理剂可用于帮助处理液体。所述至少一种处理剂可以是流体(包括气体或液体)或固体。所述至少一种处理剂可能是氧化剂或还原剂。
所述至少一个处理剂可能用于与待处理液体中的某些污染物发生反应,可能用于调节所处理液体的特性(例如调节液体的pH值),或可能用于调节絮状物的特性(例如,絮状物的凝聚、黏度或流动性)。
所述至少一种处理剂可以是气体(例如,惰性气体、氧化剂或还原剂)。有益的是,所述气体可用于改善或提高电极之间的液流速度和/或提高或改善液体内成分的反应。尤其是,所述气体可在电极40的面上创造有利条件,其中气体反应剂的存在,使得可更好地控制还原或氧化过程,反应剂包括反应性或惰性气体反应剂。
提高电极40之间的液流速度从几个方面来说有显著优点。首先,电极40之间的液流速度提高后,会减少危险气体在电极40上蓄积,例如,氮气、氯气和硫化氢。尽管此类气体一般在电凝处理中形成,但是在缺少高电流密度的情况下,此类气体的形成速度通常非常慢,以至于这些气体的清除效果差。往处理室10加入活性气体可更好地清除此类危险气体。
提高电极40之间的液流速度的第二个相关优点在于,可以减少所述至少一个阴极42的钝化,这是因为,液流速度越高,材料(絮状物)在所述至少一个阴极42上蓄积的可能性越低。
提高电极40之间的液流速度的第三个优点在于,液体更可能将形成的任何絮状物(包括,例如凝聚油滴)推向处理室10的顶部14,并在此高效清除或回收以进一步处理或销售。这可以防止絮状物沉淀在处理室10的基座12上。
引入处理室10的气体也可以用于促进处理室10内的化学反应,从而形成其他化合物,帮助处理或净化液体。例如,如上所述,所选气体可用作氧化剂或还原剂。可选择特定类型的气体,用于移除目标性离子种类。
装置1中可使用的气体包括以下其中一种或多种组成,包括空气、氢、氧、臭氧、一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、硫化氢、氮、氯、氟、二氧化氯、氨或其组合;尤其是氢、硫化氢、臭氧、氯、一氧化碳、空气、二氧化碳或者其组合;更特别的是,空气、二氧化碳、硫化氢、臭氧、氢、一氧化碳或其组合。所述气体因能够在离子种类存在于此类水和废水系统中时增强电场内的反应能力而为人所熟知。所述气体可以是一种活动气体。
多种处理剂可进入处理室10,例如惰性气体和氧化剂或还原剂。
可以采用任何合理的方式往处理室10加入所述至少一种处理剂。例如,如果处理剂是一种固体,所述固体可直接加入处理室10,例如从处理室10的顶部14将固体放入处理室10。在另一个示例中,可在液体进入处理室之前,将所述至少一种处理剂(可以是固体、液体或气体)与待处理液体混合在一起。如果所述至少一种处理剂是固体,则所述固体处理剂可在待处理液体中溶解,或可形成悬浮或胶质。如果所述至少一种处理剂是气体,则所述气体处理剂可添加至待处理液体,或在其中溶解(例如,这可以在压力作用下实现)。所述添加的气体在处理室10中会形成微气泡(例如,随着压力逐渐减小而处于悬浮中),且这些微气泡可上升通过处理室10。因为微气泡接触到电极40,所以会形成紊乱的混合条件,还伴随着出现还原或氧化环境。微气泡可能携带在电极40上形成的材料,以使电极40避开反应产物或可为电极40的面或反应面上的还原或氧化处理提供气体。在一个实施例中,所述装置1可能配备一个混合器与待处理液体20的至少一个入口通过流体连通,其中所述混合器用于在待处理液体通过所述至少一个入口20前,将至少一种处理剂(可以是液体、气体或固体)与待处理液体进行混合。
如果所述至少一种处理剂是一种固体或流体,则所述至少一种处理剂可通过至少一个处理入口进入处理室10,以将所述至少一种处理剂引入处理室10。因此,所述处理室10还可能包括至少一个处理入口,用于引入处理剂,帮助处理液体。所述处理室10可包括每一种处理剂或每一种处理剂混合物的至少一个入口(或多个处理入口,即相互之间通过流体连通的处理入口)。有益的是,所述至少一个处理剂入口可进一步控制处理室10内所述至少一种处理剂的添加速度或浓度(而且,例如,如果所述至少一种处理剂是氧化剂或还原剂,所述至少一个处理入口可控制电化学氧化或还原反应的速度)。例如,所述至少一种处理剂可与液体(例如,部分待处理液体)混合,再通过所述至少一个处理入口。所述至少一种处理剂可与液体混合,再通过所述至少一个处理入口,如前一段落所述。
在一个实施例中,所述至少一个处理入口是多个将所述处理剂分配到处理室10的处理入口,尤其是将处理剂均匀分配到处理室10。所述处理室10可能有至少10个处理入口,尤其是至少15个入口,更特别的是至少20个入口,最特别的是至少30个入口。
有益的是,通过使用多个入口引入处理剂,所述处理剂可均匀进入处理室10。这样,在处理剂靠近电极40前,就可以使电极40下方的液体或液体中处理剂的浓度和/或分配一致,反过来改善待处理液体的反应。当处理剂是一种气体时,为气体处理剂设置多个入口可以改善液流进入处理室10的均匀性,并最大化处理室10内电极40与所处理液体之间的有效接触。为气体处理剂设置多个入口也可以改善气体在所处理液体内的分布情况,反过来可以改善气体在处理室10内化学/电化学反应中的作用(例如,当所述气体是一种氧化剂或还原剂时,装置1在处理、分离或回收污染物方面的性能会有所提高)。
所述至少一个处理入口可能是至少一个流体处理入口(所述流体可能包括气体和液体,例如液体可能含有悬浮固体)。为免生疑,“液体处理入口”一词不意味着处理剂为液态(尽管可能是液态),而是指只有至少含有处理剂的液体会通过液体处理入口。所述至少一个流体处理入口可以采用流体处理分散器的形式。所述至少一个流体处理入口可能是至少一个液体处理入口(再次申明一下,“液体处理入口”一词指的是至少含有处理剂的液体会通过液体处理入口)。所述至少一个液体处理入口可以采用液体处理分散器的形式。所述液体处理分散器可能与上述液体分散器相同。
所述至少一个处理入口可以是气体处理剂的入口(即,气体入口60)。处理室10可能包括气体分散器62,尤其是气体歧管的形式,所述气体分散器62拥有多个气体入口60直通处理室10。
附图6所示为示范性气体分散器62,采用气体歧管的形式。在此分散器中,有两个气体入口点64与两个纵向气体通道66实现气体连通。在两个纵向气体通道66之间伸出多个横向气体通道68。至少有一个或每个横向气体通道有多个气体入口60。在可选示范性实施例中,气体分散器62可能有一个气体入口点64与一个横向气体通道68实现流体连通。然后,可能有多个纵向气体通道66与横向气体通道68实现气体连通,并从中伸出。每个纵向气体通道66可能包括多个气体入口60。纵向气体通道66和/或横向气体通道68可能有一个、两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个、九个、十个或超过十个。
所述至少一个处理入口可定位在处理室10的任何合适点或多个点。在一个实施例中,所述至少有一个处理入口在电极40下方(这样,处理剂基本上会上升通过处理室10)。
在又一个实施例中,所述装置1可能还配备一个液体泵,用于将待处理液体泵入至少一个液体入口20,和/或至少一个处理剂泵(可以是液体泵和/或气体泵),用于将处理剂泵入至少一个处理入口。
所述至少一个出口30可定位于电极40的上方(尤其是在处理室10的顶部14上),这样,液体基本会上升通过处理室10。在一个实施例中,所述至少一个出口30可能包括一个用于排出絮状物的絮状物出口32和/或一个用于排出电化学处理液的液体出口34。所述絮状物出口32定位在液体出口34上方。为免生疑,一些液体可能从处理室10的絮状物出口32排出,另一些絮状物可能通过处理室10的液体出口34(尽管所有絮状物基本从处理室10的絮状物出口32排出)排出。
假如几乎无絮状物能够通过所述液体出口34从处理室10排出,则所述液体出口34可以任何合理的方式定位在处理室10内。在附图1、3到5和7所示的实施例中,所述液体出口34直接定位于所述絮状物出口32下方。但是,情况并不总是如此。例如,所述液体出口34可定位在处理室10下方,例如电极40顶部的下方。
所述液体出口34可采用孔隙或通道从处理室10的侧壁上伸出的形式(如附图1、3到5和7所示)。所述处理室10可能包括一个、两个、三个、四个或五个液体出口34。所述液体出口34可使用一个或多个阀门进行控制,使其可选择性关闭或部分关闭各个液体出口34。这允许调整通过处理室10的液体流速。
在附图1、3到5和7所示的实施例中,所述絮状物出口32采用堰或溢流道的形式。所述絮状物出口32定位在液体出口34上方。所述絮状物出口32定位在电极40上方。布设于电极40之间的分散器22也有所述的至少一个入口20。当装置1在运行时,这种布局方式可使液体上升通过处理室10内的多个电极40。而且,电极40定位在处理室10内液位以下。这意味着,一旦处理中的液体通过电极上方,液体会沿堰的方向水平移动。鉴于附图所示装置1的设计,絮状物会在液体表面上聚集,使所有絮状物在堰或溢流道上从处理室10排出。因此,在另一个实施例中,所示至少一个出口30在处理室10的上部,而所述至少一个入口20可定位在处理室10的下部。在一个实施例中,所示至少一个出口30在处理室10的高度不同于所述至少一个入口20(这种布局方式可防止通过装置的液流过度紊乱)。
有益的是,本发明的装置1的设计会使所有凝固絮状物基本上升到液体表面,并在通过所述絮状物出口32后,分离出絮状物。这与许多现有的电化学液体处理装置有明显差别,对于现有装置,絮状物通常沉在装置底部,需要通过排泄口进行清理。
在一个示例中,装置1包括至少一个絮状物出口32,尤其是采用堰或溢流道形式的絮状物出口。在另一个示例中,装置1包括两个、三个或四个絮状物出口32,尤其是采用堰或溢流道形式的絮状物出口。在又一个示例中,处理室10每侧可能设置一个絮状物出口32(再次说明一下,尤其是采用堰或溢流道形式的絮状物出口)。所述絮状物出口32可能有一块可调式隔板,可能采用平板的形式。所述可调式隔板可能构成堰或溢流道的下唇板,且可升降,调整从电化学处理液中分离絮状物的条件。例如,升起所述隔板时,少部分电化学处理液会通过絮状物出口32。
所述装置1也可能包括一个絮状物移动器80(尤其是采用附图7所示絮状物撇清器的形式),用于移动絮状物,尤其是处理室10中液体表面的絮状物。所述絮状物移动器80经过配置,可将絮状物移向所述至少一个絮状物出口32,且可能有助于在处理室10的顶部14上形成水平液流,尤其是在处理室10的液体表面上。所述絮状物移动器80可以大体上定位在处理室10中液体表面的上方或下方,尤其是液体表面的上方。附图7所示为示范性絮状物移动器80。此絮状物移动器80包括多个絮状物驱动器82,这些驱动器固定于由轮子86带动的皮带、束带、链条或线缆84上。当轮子86转动时,会撇清上升到液体表面的絮状物,然后移向并通过所述至少一个絮状物出口32。
所述絮状物出口32最好在处理室10的顶部14上,其位置几乎在处理室10内的液体预期高度上。
分离器70可定位在与絮状物出口32形成流体连通的位置上,以从液体中分离出絮状物。分离后的絮状物可处置、进一步处理或作其他用途。分离后的液体可通过液体出口34与处理室10内的液体组合在一起;返回处理室10作进一步处理;转移到其他地方(例如,使用浮子式或传感式潜水污泥泵)作进一步处理,或者排至环境。
所述分离器70可采用过滤器的形式。在一个实施例中,所述过滤器可能是滤袋,尤其是由聚合材料制成的滤袋,更特别的是可收集固体、允许分离液体自由流动的含编织聚合物纤维的滤袋。
所述多个电极40可从以下组成中选择,包括至少一个阳极44、至少一个阴极42和至少一个导电体46,尤其是至少一个阳极44、至少一个阴极42和至少一个导电体46,其中所述至少一个导电体46位于所述至少一个阴极42和所述至少一个阳极44之间。
装置运行时,所述装置包括至少一个阳极44和至少一个阴极42。但是,所有电极40可能拥有类似的结构,只能借助电极40所连接的电源,使其成为阳极44、阴极42或导电体46(或对于导电体46,缺乏电源);所述导电体46不用于接收来自处理室10以外的电源供电。但是,由于往所述阳极44和阴极42供电以及离子在液体中移动会形成电流,所以当装置1在运行时,所述至少一个导电体46会携带电荷。所述至少一个导电体46定位于至少一个阳极44与至少一个阴极42之间。
在一个实施例中,所述装置1中2到12个电极40连接到一个电源;尤其是所述装置1中2到10个或2到8个电极40连接到一个电源;更特别的是,所述装置1中2到6个或2到4个电极40连接到一个电源;最特别的是,所述装置1中三个电极40连接到一个电源。如果所述装置1中有三个电极40连接到一个电源,两个端电极40(即,多个电极的每一端)的极性相同(即,阳极44或阴极42),端电极40之间的电极40(端电极40之间基本等距)的极性相反(即,阳极44或阴极42)。多个电极40中剩余的电极40将是导电体46。所述装置1可能包括10到1000个电极40;尤其是20到500个电极40;更特别的是30到250个电极40;最特别的是40到100个电极40。
所述电极40可能可更换和/或可拆卸。例如,可使用桥门式起重机从处理室10拆下电极40。可将电极40整套拆下临时保管(例如,在装置上方的水平机架上),或可单独更换,例如,当因为腐蚀而导致电极40损失阳极电位时。
每个电极40可采用任何合适的形状,但是某些形状更容易从处理室10中拆下。例如,每个电极40可以是曲面或平面形,尤其是平面形(如附图1、3-5和7所示的实施例)。每个电极40也可以是方形、矩形、梯形、长斜方形或多边形,尤其是矩形和方形。每个电极40也可以是实心结构,或包括多个孔隙。每个电极40最好是实心结构。在一个实施例中,每个电极40都是一块平板。
每个电极40可以由任何合适的材料制成。材料的例子包括铝、铁、钢、不锈钢、钢合金(包括低碳钢)、镁、钛和碳。在另一个实施例中,每个电极可由合金,或者从铝、铁、钢、镁、钛和碳的组成中选择的材料制成。每个电极40都可以根据待处理液体、液体中的污染物、会形成的絮状物和当时各种金属电极的相对成本进行选择。所述装置1内的各个所述电极40可以相同或不同,且可能包括相同金属或不同金属(例如,取决于所需性能)。
所述电极40可定位在处理室10中液面以上或以下。但是,所述电极40最好定位在处理室10中液面以下,使其不会阻挡任何液体或者液体表面上的絮状物水平流。
电极40可以任何合适的角度定位在反应室内。例如,所述处理室10内的所述多个电极40可与垂直面成一定角度。在另一个示例中,所述电极40或部分电极40(例如上部分)可与垂直面(斜向配置)成一定角度。在附图1、3、4和7所示的示例中,电极40与垂直面约成15°角。在另一个示例中,电极40或部分电极40(例如上部分)可与垂直面成5到40°的角度,尤其是与垂直面成5到35°的角度,更特别的是,与垂直面成10到30°、10到15°或15到30°的角度。在其他示例中,电极40或部分电极40(例如上部分)可与垂直面成小于40°的角度,更特别的是,与垂直面成小于35、30、25、20、15、10或5°的角度。在又一些示例中,电极40或部分电极40(例如上部分)可与垂直面成大于5、10、15、20、25、30或35°的角度。所述电极与垂直面约成15°角。在其他实施例中,电极40可能基本垂直(或在垂直面上)。发明者发现,不同液体对不同电极角度40的反应不同。
将电极40以一定角度放入处理室10可能有许多优点。首先,将电极40以一定角度定位意味着,液体上升通过处理室10时会逆着电极40流动(同时,气体在上升通过处理室10时也会逆着电极40运动)。这有助于防止材料(例如,絮状物)蓄积在电极40上。
其次,将电极40以一定角度定位会导致液体通过处理室10时呈水平运动。这有助于将液体引导通过所述至少一个出口30,尤其是使絮状物通过絮状物出口32。在一个示例中,液体水平运动将任何凝固沉积物或絮状物强制排出处理室10,从而提供一个干净的处理通路,将絮状物排出处理室10。
第三,将电极40以一定角度定位有助于聚合絮状物。例如,当液体上升通过处理室10时,絮状物可能逆着电极40流动。这意味着,絮状物逆着电极40更为集中,促使进一步聚合。在示范性实施例中,如果絮状物含有油颗粒,在电极40下方夹带的作用下,导致上升中的油颗粒可能凝集成更大的液滴。平板采用垂直配置时,一般不会发生这种情况。在此示范性实施例中,液体中溶解或乳化的油颗粒可能接触电极40底侧并在此蓄积,与带电界面上形成的其他油颗粒组合,直到形成较大(凝集)的液滴,然后,借助占主导地位的对角和垂直液流使其浮于表面。
在本发明的一个实施例中,所述絮状物是或含碳氢化合物(油)颗粒。在一个示例中,在电化学处理期间,凝集碳氢化合物(油)会上升到液体表面,并在油滴的自然浮力、夹带油滴密度或比重较低和电极40成一定角度的综合作用下,通过水平流,将其从处理室10中疏散。在又一个示例中,在电化学处理期间,电极40下方形成的凝集油滴被强制浮于表面,并另外形成一股气流,然后,结合成一定角度的电极40所形成的水平流,将凝聚油滴从处理室10中清除。在另一个示例中,在电化学处理期间,通过强制循环液流以及电极40成一定角度而在液体上形成的水平力矩,使凝聚碳氢化合物滴强制浮于液体表面。
每个电极40也可以是任何合适的厚度,例如从1mm到20mm厚,尤其是从1mm到10mm厚,更特别的是从1mm到5mm厚,最特别的是约3mm厚。在一些实施例中,每个电极40小于20mm厚,尤其是小于19、18、17、16、15、14、13、12、11、10、9、8、7、6、5、4、3或2mm厚。在其他实施例中,每个电极40大于0.5mm厚,尤其是大于1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18或19mm厚。在又一个实施例中,所述电极40的厚度可在上述上下限的范围内。
上述电极40之间可以是任何合适的间距。例如,电极40之间的间距可以为1mm到150mm,尤其是1mm到100mm,或者从1mm到50mm,更特别的是,从1mm到10mm。所述电极40间距可以是1mm到5mm,更特别的是约3mm。在一些实施例中,电极40之间的间距小于150mm,尤其是小于140、130、120、110、100、90、80、70、60、50、40、30、25、20、15、10、9、8、7、6、5、4或3mm。在其他实施例中,电极40之间的间距大于1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120、130或150mm。电极40之间的间距也可以在上述上下限的范围内。当处理室包括多于2个电极时,电极40之间的间距可以相同或不同。电极40之间可以是任何合适的间距。例如,处理室10可能包括将电极40固定到位的导板。在一个实施例中,导板可能是位于处理室10对面壁的凹槽或槽位。导板可由高密度、电绝缘聚合物材料制成,例如,HDPE或PVC,或上述介绍的电极座100的制作材料。
在一个实施例中,电极40厚度从1mm到10mm,更特别的是1mm到5mm;电极40间距从1mm到10mm,更特别的是从1mm到5mm。使用较细小的电极40,然后靠在一起,可在处理室10内部署更多的电极40。这会增加电极40与液体接触的表面积,从而增强液体的电化学处理。
为了改善液流,电极40可设一个锥形下缘41。电极40的下缘41可做成锥形,与电极纵向轴成约4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19或20°的角度。锥形的伸出部分可能小于电极40长度的40%、30%、20%、15%、10%、9%、8%、7%、6%、5%、4%或3%。电极40的下缘41可在一面或多面做成锥形,例如,两个相对的纵向面,更特别的是一个纵向面。如果电极40的下缘41在不止一面做成锥形,则每一面上的锥形可以相同或不同。
可向多个电极40施加任何合理电流。但是,施加到多个电极的电流40最好是交替频率可调的直流。这意味着,在电化学处理期间,起所述至少一个阴极42和所述至少一个阳极44作用的电极40可切换。这样,电极40可在处理室10内形成可逆电场,帮助电极40清理那些可能会由于电化学钝化而抑制电化学处理的杂质或反应产物。电极40的极性切换可按要求延迟或加快特定的化学反应。因此,在一个实施例中,电极40的极性在电化学处理期间可能反转。
在又一个实施例中,可通过将选定的电极40放入,与电压源接触,根据需要调节处理室10内电场的电压和电流。所述电压源可以是一个独立、专有的变压器。
所述装置1也可能包括至少一个非导电元件布设于处理室10内。此非导电元件可用于改变处理室10内的电场(电流和电压)。所述非导电元件的位置、形状和配置可与上述电极40的相同。但是,所述非导电元件由不会导电的材料制成,例如,从以下组成选择的材料,包括聚合物塑料(例如,聚氯乙烯(PVC)、高密度聚乙烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)、丙烯腈·丁二烯·苯乙烯(ABS)、聚丙烯(PP));使用非导电性纤维制成的合成材料或与树脂或树脂溶液(例如聚酯、乙烯基酯、环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺、聚酰胺、聚丙烯或聚醚醚酮(PEEK))混合制成聚合物基体的嵌板(例如纤维玻璃),或上述材料的组合。在一个实施例中,所述装置1不包括任何非导电性元件。
所述装置1可能还包括一个调整电极40间液体流量的流量调整器90,所述流量调整器布设于或可布设于处理室10内部。处理室中电极40下方的液体可能特别紊乱,所以流量调整器90可能非常必要。所述流量调整器90可能有助于使液体基本上沿着与多个电极40相同的纵向轴移动,反过来改善待处理液体与电极40之间的反应。
所述流量调整器90可能采用至少一块(尤其是多个)隔板或遮挡墙92从电极40下方伸出的形式。所述至少一块隔板或遮挡墙92可能基本上从电极40下方垂直伸出。所述至少一块隔板或遮挡墙92可能基本上沿着与电极40相同的纵向轴伸出。所述至少一块隔板或遮挡墙92可能横向或基本上垂直于电极40。所述流量调整器90可能与处理室10成为一体,或可拆卸和/或可更换。每块隔板或遮挡墙92可能采用平板的形式。每块隔板或遮挡墙92可能从20mm到500mm长,尤其是50mm到250mm长或从60mm到150mm长,更特别的是80mm到120mm长,最特别的是约100mm长。
所述流量调整器90可以由任何合适的材料制成,最好是非导电性材料。所述流量调整器90可以使用上述讨论的处理室10制作材料制成。所述流量调整器90尤其可使用以下材料制作,包括非导电性纤维制成的合成材料或与树脂或树脂溶液(例如聚酯、乙烯基酯、环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺、聚酰胺、聚丙烯或聚醚醚酮(PEEK))混合制成聚合物基体的嵌板(例如纤维玻璃);聚合物塑料,例如高密度聚乙烯(HDPE)、聚乙烯(PE)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚氯乙烯(PVC);酚醛聚合物塑料;或使用大量合成材料,包括碳纤维(例如,使用聚合物塑料或合成材料绝缘的碳纤维)和其各种变体进行制造。
所述处理室10经过配置,可合理接合至少一个放置电化学处理液体用的多个电极40的电极座100。所述处理室10可能包括至少一块将电极座100引导到位的导板。所述处理室10可能包括至少一个(或多个)凹槽,可将电极座100滑入并接合在处理室。所述处理室10可能包括至少一个电源接头,用于将电源接入电极座,或者为所述电极座内的至少其中一个电极40供电。所述处理室10可能包括多个电源接头(例如极性不同的电源接头),用于将电源接入各个电极座。例如,如果所述装置1包括一个电极座100,则所述处理室10可能包括至少一个电源接头,用于将电源接入至少一个阳极44(尤其是一个或两个电源接头),和至少一个电源接头,用于将电源接入至少一个阴极46(尤其是一个或两个电源接头)。所述至少一个电源接头可布设在处理室壁上,尤其是在可滑入并接合电极座100的凹槽中。在一个实施例中,处理室10仅一面可布设一个各电极座100使用的电源接头。
处理室经过配置,可轻松接合1到100个电极座100,尤其是2到50个电极座100,更特别的是2到40、2到30、2到20或2到10个电极座100。
装置1还可包括一个电极座100(示范性电极座100如附图8到10所示)。所述电极座100可能有一个机架101,所述机架101可能有一个把手102和至少两个侧壁104。所述机架101基本上采用U形设计,U形底部形成把手102,而U形侧面形成侧壁104。所述电极座100可采用套筒形式。
所述电极座100,尤其是所述电极座104的至少两个侧壁104经过配置,可轻松接合处理室10。所述电极座100(尤其是至少两个侧壁104)可滑入以接合处理室10。所述电极座100(尤其是至少两个侧壁104)可通过摩擦、卡箍或其他合适的紧固件轻松接合处理室10。在一个示例中,所述处理室10或电极座100可能有一个卡箍,用于轻松将电极座100卡到位。所述电极座100(尤其是至少两个侧壁104的至少其中一个)经过配置,可接收电源供电,尤其是来自所述处理室10的壁板,更特别的是,通过电极座100内电源接头的方式(尤其是电极座100的侧壁104)。所述电极座100(尤其是至少两个侧壁104的至少其中一个)经过配置,可沿放置在电极座上的至少一个电极40的纵向边缘供电。沿着至少一个电极40的纵向边缘供电,电流的质量可能比仅对至少一个电极40单点供电的质量高。
电极座100和处理室10中的电源接头可以任何合适的方式进行连接。例如,所述两个电源接头可通过表面或突出部分相互靠近,或者公母连接进行连接。
所述电极座100上可能有多个电极40。所述电极座100内的电极40可能可更换和/或可拆卸。在一个实施例中,所述电极座100内的电极40可能无法更换和/或拆卸。所述电极座100可能有槽位,使电极40可按要求滑入电极座100或从中滑出。这样,可以更换所述电极座100内的电极40,而机器继续使用之前的电极座100运行。所述电极40可能如上所述。而且,电极座100内电极之间的间距可与上述处理室10内电极40的间距相同。
所述电极座100可能包括一个流量调整器90,具体如上所述。所述流量调整器90可以定位在把手102对面,电极40下方。
所述电极座100内可容纳任何合适数量的电极40。在一个实施例中,所述电极座可能含有3到100个电极40,尤其是3到50个电极40,更特别的是3到25个电极40,最特别的是5到15个电极40或约10个电极40。在一个实施例中,所述电极座100容纳至少3、4、5、6、7、8、9或10个电极40。在另一个实施例中,所述电极座100容纳少于100、90、80、70、80、70、60、50、40、30、20或15个电极40。
所述电极座100或所述电极座100内的电极40可以任何合适的角度定位在处理室10内。在一个实施例中,所述电极座100基本垂直地布设在处理室10内。在此实施例中,所述电极座100可使电极40呈基本垂直布设,或者利用电极座100使电极40与垂直面成一定角度。在另一个实施例中,所述电极座可以一定角度定位在处理室10内。在此实施例中,所述电极座100可使电极40呈基本垂直布设(即,所述电极座100内布设的电极40的纵向轴与电极座100的纵向轴基本相同)。或者,在此实施例中,电极40在所述电极座100内可呈一定角度进行布设。所述电极座100的角度,或电极40在所述电极座100内的角度可与上述电极40布设在处理室10内的角度相同。例如,所述电极座100内的电极40可以与垂直面成10到30°的角度,尤其是与垂直面成10到15°或约15°的角度。在另一个示例中,所述电极座100可以与垂直面成10到30°的角度,尤其是与垂直面成10到15°或约15°的角度。所述电极座100内的电极40间距可以是1mm到10mm,尤其是约3mm。所述电极座100内的电极40可能可更换和/或可拆卸。
有益的是,所述电极座100可允许轻松、快速更换装置1中的电极40。所述电极座100可能克服更换反应室内单个电极40与生俱来的延迟情况,在低头高区域尤其有用。
所述电极座100的机架可由任何合适的材料制成,但最好是非导电性材料。所述电极座100的机架可以使用上述讨论的处理室10制作材料制成。所述电极座100的机架尤其可使用以下材料制作,包括非导电性纤维制成的合成材料或与树脂或树脂溶液(例如聚酯、乙烯基酯、环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺、聚酰胺、聚丙烯或聚醚醚酮(PEEK))混合制成聚合物基体的嵌板(例如纤维玻璃);或聚合物塑料,例如高密度聚乙烯(HDPE)、聚乙烯(PE)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或聚氯乙烯(PVC);酚醛聚合物塑料;或使用大量合成材料,包括碳纤维(例如,使用聚合物塑料或合成材料绝缘的碳纤维)和其各种变体进行制造。
所述电极座100可利用提升装置将所述电极座100几乎垂直提起,然后允许电极座100在装置1上水平移动,将其拆下。所述提升装置可滑入并安装在至少一个(特别是两个)导轨上。在一个实施例中,所述电极座100可使用桥门式起重机拆下。
在又一个实施例中,装置1可能有一个电流控制器,用于控制施加到所述至少一个阳极44及所述至少一个阴极42的电流和电压。
在又一个实施例中,装置1可能有多个处理室10。所述处理室10可能包括至少一个引入待处理液体的入口20和至少一个将电化学处理后的液体排出的出口30,以及多个在处理室10内部用于电化学处理液体的电极40。在一个实施例中,所述装置1可能包括至少一个第一和一个第二处理室10a,10b,而且,所述装置1经过配置,使来自所述第一处理室10a的至少一个出口34a的液体流入所述第二处理室10b的至少一个入口20b。附图3所示装置1经过配置,来自第一处理室10a的液体出口34a的液体流入第二处理室10b的液体入口20b。据此,来自第二处理室10b的液体出口34b的液体流入第三处理室10c的液体入口20c。生成的絮状物依次流过絮状物出口32a、32b、32c,直到通过过滤器70,并在此进行收集。
在另一个实施例中,通过絮状物出口32a从第一处理室10a排出的絮状物被分流,以至于此絮状物不会进入第二处理室10b,同样地,通过絮状物出口32b从第二处理室10b排出的絮状物也会被分流,以至于此絮状物不会进入第三处理室10c。但是,在此实施例中,来自第一处理室10a的液体出口34a的液体流入第二处理室10b的液体入口20b,而来自第二处理室10b的液体出口34b的液体流入第三处理室10c的液体入口20c。
所述装置1可能包括一个定位在所述液体入口20前,与其实现流体连通的预处理器。例如,所述预处理器可以是过滤器,用于清除液流中可能会停留在电极之间,阻断液流或阻碍设备运行的大颗粒固体。但是,一般不需要此类预处理。
当使用装置1时,待处理液体通过所述至少一个入口20进入处理室10,并往多个电极40施加电压(尤其是用以提供至少一个阳极44和至少一个阴极42),从而电化学处理液体。电化学处理液体时可能产生絮状物,所述絮状物可上升到液体表面。所述絮状物可通过处理室10的絮状物出口32排出(随后用于从液体中分离出絮状物,例如,通过过滤),而电化学处理液可通过处理室10的液体出口34排出。电化学处理期间可往处理室10加入处理剂。电化学处理期间可往处理室10加入处理增强剂。
所述装置1可在任何合适温度和压力条件下运行。但是,所述装置1在大气温度和压力条件下的运行性能最佳。在另一个实施例中,所述装置1可在高于大气压力,或低于大气压力的条件下运行,具体见本说明书其他部分的介绍。
本发明的装置1也可能构成一个较大型水处理系统的一个组件。
附图11到15所示为采用拖车形式的水处理系统200及其系统组件。附图11到15所示为装有电化学流体处理装置201的水处理系统200。所述水处理系统200可适合用于上述方法。在附图11和12中,标有HEC20016的组件内配备处理室210和消泡室250(例如,此组件的图示见附图13-15和31-33)。
如附图11所示,使用一个离心泵将拖车外部的原流体(如水)300供应到调节池302。可使用正排量泵往流向调节池302的流体中加入至少一种处理剂(存储在配量池304中)。原水300与调节池302之间的导管内(80mm手动球阀)以及配量池304余调节池302之间的导管内(15mm手动球阀)均布设有手动球阀。所示调节池配备一个80mm浮阀和一个液位开关。
然后,流体流过球阀(第一个阀为80mm),进入处理室210,并在此进行电化学处理。电化学处理期间流体的pH值可通过从酸池305中加入酸进行控制。然后,电化学处理后的流体流入消泡室250。电化学处理可通过调节电化学处理的系统(配备一个控制器(PLC)307)进行控制。然后,电化学处理后的流体通过65mm导管和50mm电球阀,进入澄清器306(配备一个液位开关)。
澄清后的流体(和絮状物)可能通过50mm球阀从澄清器306排出,再通过正排量泵,然后依次进入50mm球阀,直到排泄口。或者,来自澄清器306的澄清流体(和絮状物)可通过配备一个浮阀的螺旋压榨机308。受压的絮状物通过25mm球阀从螺旋压榨机排到垃圾桶。从螺旋压榨机306排出的流体通过25mm球阀,进入离心泵,然后通过25mm止回阀,再返回澄清器306。
澄清后的流体可通过100mm导管从澄清器306进入可抛油箱310(配备一个液面传感器和液位开关)。从可抛油箱310排出的液体通过离心泵,进入砂滤器312(用于从流体中分离出絮状物),或通过50mm球阀和65mm止回阀返回澄清器306。砂滤后,流体可通过50mm球阀和65mm导管进入储存罐314(可选择用处理剂进行处理(处理剂存放在配量池304中,配量池中的处理剂可利用正排量泵抽送到储存罐314))。来自储存罐314的处理流体可通过80mm球阀和离心泵再排出。或者,来自储存罐314的流体可通过球阀(80mm和25mm),通过离心泵,然后进入:(i)过滤系统的其他组件,包括炭过滤器316、纳过滤器318和反渗透系统320;(ii)螺旋压榨机308;或(iii)处理室210和消泡室250。过滤后的流体可进入储存罐322,再重新电化学处理或处置掉。在附图11和12中,电化学流体处理装置201包括调节池302、酸池305、配量池304、处理室210、消泡室250和澄清器306。如附图11到15所示,系统200和装置201拥有多个相关的各种泵324和阀。
附图11到13所示系统200经过配置,在电化学处理液从澄清器306排出后,所述澄清液还经过处理室210、消泡室250和澄清器306。
附图16到33所示为三个示例处理室210、电极座280和消泡室250;第一个在附图16-19、第二个在附图20-30和第三个在附图31-33。附图20-22和26-30所示的处理室210只能容纳一个电极座280。附图16-19所示的处理室210能够容纳10个电极座280,附图31-33所示的处理室210能够容纳16个电极座280。附图16和17以及31-33所示的电极座280均能够布设10个电极240,而附图20-25、29和30所示的电极座280能够布设13个电极240。附图11-15所示处理系统200中的处理室210、消泡室250和电极座280的设计与附图16-33所示的类似。但是,在附图11-15所示处理相同200中,处理室210能够容纳400个电极(相对于介于30到40个电极座280之间),或处理室210能够容纳160个电极(相对于16个电极座280)。在一个实施例中,附图11-15所示处理系统200中的处理室210、消泡室250和电极座280即附图31-33所示的处理室210、消泡室250和电极座280。如果环境允许,附图11到33所示装置201的使用方式可能相同,适用流体与附图1-10所示相同。
附图11-15和31-33所示装置201中的处理室210约500L,可接受约14L/秒的流体流速。流体停留在附图11-15和31-33所示装置201中的处理室210的时间一般约30秒。
附图18和19所示处理室210约220L,可接受约5L/秒的流体流速。流体停留在附图11-15所示处理室210的时间一般约30秒。
附图20-22和27-30所示处理室210约1L,可接受约2L/秒的流体流速。流体停留在附图20-22和27-30所示处理室210的时间一般约30秒。
附图11-30所示装置201经过配置,可在大气温度和压力下工作。附图31-33所示装置201经过配置,可在大气温度和压力,或者较低或较高的压力条件下工作(在端口218和258施加吸引力或压力)。
在附图11-33所示的示例中,装置201经过配置,流体可上升通过处理室210。如附图18-22和27-33所示,处理室210包括一个基座212(或第一壁)和四个侧壁216。
在附图18-22和27-30中,处理室不包括第二壁(或唇板),但是可由电极座280的把手形成唇板(有关示例,参见附图20和21)。但是,在附图31-33中,处理室210和消泡室250包括一个唇板219,259。所示唇板219,259包括上述端口218,258。所述端口218,258用于提取气体。
附图18-33所示处理室210一般呈矩形(或方形)横截面。每一侧壁216均是平面形。但是,基座212包括一个凹槽或通道,且基本呈V形。
处理室210包括一个分散器222,所述分散器222包括一根管道,管道上有一个流体入口点224和多个入口220。附图20-33所示装置201中的所述分散器222是一根沿其长度穿孔,提供直通处理室210的多个入口220(特别参见附图21和33)。附图18和19所示处理室210使用了类似的分散器222。所述分散器222布设在基座212上的凹槽或通道内。
所述装置201还包括一个流量调整器290。所述流量调整器290连接到电极座280(见附图16、17、23-24、32和33)。所述流量调整器290采用拥有多个孔隙供流体通过的壁板或隔板的形式。装置运行时,流体流过(或抽送通过)入口220,进入处理室210的下部。流体流通入口220的速度经过设置,流量调整器290靠近所述至少一个入口一侧的流体压力大于流量调整器290靠近电极240一侧的流体压力。有益的是,发明者发现,流量调整器290上形成的压差,加上流量调整器290上间距和尺寸统一的孔隙,使流体流均匀通过电极240之间,从而最小化了电极240之间所谓的“死点”。
附图11-19和31-33所示装置201中的流量调整器290是分段的(每个电极座280一段)。当电极座280位于处理室210时,每个流量调整器290分段靠近相邻的分段,以至于电极座280会集中构成流量调整器290。
附图16、17和31-33所示流量调整器290有多边形(六边形)孔隙,而附图20-25、29和30所示流量调整器290有卵形孔隙。
所述装置201经过配置,可在存在至少一种处理增强剂或至少一种处理剂时通过电化学方式处理流体。所述至少一种处理增强剂能够穿过处理室的实心壁,然后,可往处理室210的侧壁216施加所述至少一种处理增强剂(例如,紫外线辐射、微波辐射或超声波)。所述至少一种处理剂可通过至少一个处理入口进入处理室210,例如通过气体入口260(见附图19)。所述气体入口260可能是气体分散器的一部分,而气体分散器可能与处理室210的基座212成一体。此类气体的类型和功能可能如上所述。或者,在流体进入处理室210之前,所述至少一个处理入口可与待处理流体混合在一起。如附图11所示,在所示系统200中,所述配量池304可能包括一种处理剂与调节池302中的流体混合,之后,流体才进入处理室。同时,可在电化学处理后,从配量池304向进入储存罐314的流体中加入至少一种处理剂。而且,在附图11中,可在电化学处理期间,从酸池305向处理室210加入至少一种处理剂(以pH调节剂(酸)的形式)。
所述处理室210也包括至少一个用于排出电化学处理流体的出口230。在附图18,22和27-33所示的装置201中,所述至少一个出口230是一个出口。如附图18、19、21和32所示,在这些装置201中,所述出口230经过定位,使电极240定位在所述至少一个入口220与所述至少一个出口230之间,而所述至少一个入口220定位在所述处理室210的下部,而所述至少一个出口230定位在所述处理室210的上部。
在附图18-22和27-33所示的装置201中,所述至少一个出口230采用堰或溢流道的形式。所述出口230定位在处理室210中的预期液体高度上。在附图18-22和27-33所示装置201中,液体从处理室210的出口230排出后进入消泡室250。
在附图18和19所示装置201中,所述出口230与消泡室250中的引流器232相关联,电化学处理液(和絮状物)从处理室210排出时会流过消泡室。在附图18和19中,引流器232延伸所述出口230形成的堰或溢流道。所述引流器232用于引导电化学处理液的液流,从而进一步释放液体中的气体。如附图18所示,所述消泡室250可能包括至少一个消泡器252。所述消泡器252可能包括一个或多个喷嘴,用于将液体喷向泡沫。喷溅液体用于穿透泡沫,从而释放泡沫内的气体。液体通过位于消泡室250基座上的出口254从消泡室250排出。
在附图20-22和27-30所示的装置201中,所述消泡室250不包括消泡器252。流过出口230后,液体下降通过消泡室250,然后通过位于消泡室250基座上的出口254排出。
在附图31-33所示的装置201中,所述消泡室250包括一个第一引流器234和一个第二引流器236。所述第一引流器234在消泡室250内形成一个堰。所述第二引流器236提供一个下溢堰(通过消泡室250的流体从下溢堰下方流过)。所述第二引流器236的底部在所述第一引流器234的顶部下方伸出。所述第一和第二引流器234,236几乎垂直,且采用壁板或平板的形式。在附图32所示布局方式中,电化学处理液通过出口230从处理室210中排出。流体然后流入所述第二引流器236与出口230之间的空间,装置运行时,流体会将此空间填充,至少达到第一引流器234的高度。由于泡沫漂浮在上面,泡沫会困在此空间,通过出口230流入此空间的流体会穿透这些泡沫,从而释放截留气体。同时,去除气泡的流体通过第二引流器236下方,然后进入第一引流器234,再通过出口254从消泡室250排出。
在附图11和12中,流体从消泡室250排出后,会流入容器中,从流体中分离絮状物(澄清器306)。所述容器(或澄清器306)可配合使用絮状物移动器80(如上所述),以帮助分离絮状物。
在附图11-33所示装置中,通过电极座280往处理室210添加电极240或从中拆除。在附图18和19所示装置201中,处理室210有凹槽270,用于将电极座280滑入并接合在处理室210上。但是,在附图31-33所示装置201中,存在此类凹槽270。在附图18-22和27-33所示的装置201中,所述处理室210也包括一个搁架276,用于放置就位的电极座280。
在每个电极座280内,只有两个或三个电极240可连接到电源(从而变成阳极和阴极)。剩余电极可能全是导电体。在每个电极座280中,每个电极240基本呈平面形,且采用实心结构。所述电极240可设一个锥形下缘,如前所述。附图11-33所示装置201经过配置,所述电极240可定位在处理室210中的流体液面以下。附图11-33所示装置201经过配置,所述电极240基本垂直(基本在一个垂直于第一壁212的平面上)布设在处理室210内(但是,也可以一定角度布设电极240(或一部分电极),具体见前文所述)。
如附图16、17、23-25和33所示,所述电极座280有一个机架281,所述机架281有一个把手282和两个侧壁284。所述机架281基本采用U形设计。所述机架也有一个流量调整器290(或一段流量调整器)。
附图13-15、18、19、20-22和29-33所示处理室210还包括至少一个电源接头272,用于将电源接入电极座280,或者接入所述电极座280内的至少一个电极240。在附图18和19所示处理室210中,处理室210内每个电极座280对应一个电源接头,所示电源接头从处理室210的基座212中伸出(附图中未显示)。在此示例中,电极座280有一个电极座电源接头,伸向处理室210的基座212。所示处理室电源接头盒电极座电源接头经过配置,可相互接合在一起。所述电源接头可以由任何合适的材料制成,但是在此示例中,采用的是青铜材料。在附图16和17的电极座280中,电流从电源接头流入所述电极座280的侧壁284,然后进入选定的电极240。
附图20-22和26-30所示处理室210中示意了将电源接入电极240的不同机制。在附图20-22和26-30中,所述处理室210经过配置,可沿着至少一个电极240的工作面纵向供电。在此示例中,所述电源接头272适合接触至少一个电极240的工作面。所述电源接头272包括一个波形弹簧钢带。在此示例中,所述电源接头272也会穿过处理室210的壁板,为电源接头提供一个连接片274。多个电极座280时可以采用类似的布局方式(例如附图11-15所示处理室210),因为在这种情况下,每个电源接头272都可以定位两个电极座280内端电极240的工作面中间。定位电源接头272的波峰(和波谷)时,要使电源接头272的波峰接触一个端电极240,电源接头272的波谷接触另一个端电极240。
附图31-33所示处理室210中示意了将电源接入电极240的类似机制。在附图31-33中,所述处理室210经过配置,也可沿着至少一个电极240的工作面纵向供电。但是,对于附图20-22和27-30所示电源接头272,每个电极240有一个波形弹簧钢带,而在附图31-33中的电源接头272,每个电极240有两个波形弹簧钢带(见附图33)。附图31-33所示装置201中的处理室210有四个电源接头272,而每个电源接头仅为一个电极240供电。
在附图16、17、20-25和29-33中,电极240平均厚度为3mm,平均间距为3mm。但是,装置201也可以使用其他厚度和间距。
在附图20-22和26-30所示装置201中,13个电极240中的其中两个(或约电极240的15%)接入电源。剩余的九个电极240全是导电体。
在附图31-33所示装置201中,160个电极240中的其中四个(或约电极240的2.5%)接入电源。剩余的156个电极240全是导电体。
附图31-33所示处理室210也有一面隔墙(或平板)217可定位在电极座280之间。附图31和33所示电极座280也有一个电极座拆卸装置283(采用带环或绳的形式),帮助从处理室210中拆下电极座280。
如附图13-15所示,所述装置201还可配备一个流体泵324,用于将待处理流体泵入至少一个入口,引入待处理流体,和另一个泵324,用于从消泡室250(见附图13)抽送流体。在附图13中,326是处理水出口(DN80),328是新鲜水入口(DN25),330是位置适当的干净接口(DN25),332是一个排放口(DN25),334是一个原水入口(DN80)。附图13-15所示装置201的电源为415V,50Hz和150A。
附图11-15所示装置201还包括传感器,用于感测处理室210中的流体液位,和一个变速泵324,用于控制流体排出处理室210的流速。传感器和变速泵324可构成系统的一部分,用于调节电化学处理,可使用控制器(PLC)307进行控制。所述控制器307可控制电流的极性及其反极性,从而在阴极和阳极之间切换电极240。在电化学处理期间,所述控制器307也可以控制正弦波坡度角,和/或改变电流施加于电极240的速率。附图18-33所示装置201也可以使用类似的组件。
电化学处理期间可以往电极240施加任何合适的电流,但是,施加到附图11-33所示处理室210中每个电极座280的电压一般介于约20与45V之间,尤其是约26V或约40V。至每个单元的有效电压一般约2-3V,尤其是约2.6V或约3V。对于附图31-33所示装置201,施加到处理室210的电压可以约415V,从而使至每个单元的有效电压约(此处假设有160个电极240)2.6V。
装置运行时,流体通过所述至少一个入口220抽入处理室210,然后流体压力在流量调整器290下方蓄积。流体通过流量调整器290,并通过电化学处理流体和产生絮状物的电极240之间。然后,絮状物和电化学处理流体流入处理室210的上部,气泡(例如,来自气体入口260的气泡)可帮助竖直驱动絮状物和电化学处理流体。然后,絮状物和电化学处理流体通过所述至少一个出口230,进入消泡室250,经过/围绕引流器232,或者通过消泡器252。此过程可消除絮状物/电化学处理液的气泡。然后,絮状物/电化学处理流体从消泡室250的出口254流出,然后进入容器,以分离出絮状物(例如,澄清器306)。
附图36-38进一步示意了装置201。所述装置201类似于上述装置,例如附图20-30。所述装置201包括一个流体入口点224,流体通过此入口点,进入处理室201。然后,流体通过电极240之间,电极可单独拆下。每个电极或一部分电极240有一个垂直伸出的连接片278,在所述装置201运行时位于流体液面以上。电源可接入此连接片278,从而提供至少一个阴极和至少一个阳极。电化学处理期间可能形成絮状物,与电化学处理液一起,流过出口230和排泄口239。
附图36-38所示装置201可容纳13个电极240,其中一般两个或三个电极240接入电源(剩余电极为导电体)。附图36-38所示处理室210的容量约1L,可接受约2L/分钟的流体流速。流体停留在附图36-38所示处理室210的时间一般约30秒。
发明示例
在示例1-8中,除非另外说明,否则电化学处理步骤采用表1所述试验条件。
表1:电化学处理步骤所用试验条件
单位
接触时间 0.5~1.0 分钟
流速 1.15 L/m
初始电压 37.9 V
电极数量 13
有源电极数量 12
单电极面的表面积 150 cm2
电极总暴露面积 3,600 cm2
极性反转期 30 s
对于所述一次电化学处理步骤,一般使用低电流(1-5A)和低碳钢电极。对于所述二次电化学处理步骤,一般使用低电流(8-15A)和铝电极。电化学处理步骤中的电极经过配置,其极性约每30秒反转一次。
对压裂回流水(示例1,表2)、回流水(示例2,表3)、压裂回流水(示例3,表4)和采出水(示例4,表5)执行实验。示例5(表6)页提供了示例性垃圾填埋的特性化。这些实验一般根据附图34所示流程图进行操作(示例1-5的过滤步骤包括一次砂或介质(例如细粒度氢氧化铁和细粒度活性炭)过滤,然后可选择进行膜滤(超滤或纳滤),可选择反渗透)。一次和二次澄清步骤得到的固体残留物可一起处置(如“垃圾填埋”栏所示)。除非另外说明,下述实验使用附图36-38所示的装置201进行操作。但是,实验也可以谁用附图所示和上述任何装置201进行操作。典型结果如下。
示例1:压裂回流水
表2:压裂回流水的净化
示例2:回流水
表3:回流水的净化
示例3:压裂回流水
表4:压裂回流水的净化
示例4:采出水
表5:采出水的净化
示例5:垃圾填埋的特征化
表6:垃圾填埋的特征化
示例6:地层水的组分
地层水组分的浓度影响处理方法的选择。因此,确定了地层水各种组分(分析物)的浓度,结果如下。
表7:地层水的组分
示例7:地层水的电化学处理-铝电极
示例6中介绍的地层水要进行电化学处理。除非另外说明,否则电化学处理的条件与上述示例1-5相同。
当前示例使用了铝电极(包括铝牺牲性阳极),并分析了不同接触时间(停留时间)的影响。结果如图8所示。
表8:使用铝电极净化地层水
示例8:地层水的电化学处理-低碳钢电极
示例6中介绍的地层水要进行电化学处理。除非另外说明,否则电化学处理的条件与上述示例1-5相同。
当前示例使用了低碳钢电极(包括低碳钢牺牲性阳极),并分析了不同接触时间(停留时间)的影响。结果如图9所示。
表9:使用低碳钢电极净化地层水
示例9:压裂回流水的净化
压裂回流水的处理结果如表10A、10B和10C所示。此处理使用了附图36-38所示的装置201,但是也可以使用附图1-38所示的任何装置1,201。所有电化学处理步骤均在大气温度和压力条件下进行。
在此方法中,获取的压裂回流水作为原始未处理水。此水一般有很强的碳氢化合物和其他添加剂的味道,因为在厌氧储存和使用环境中这种水可能已经腐败。
压裂回流水要进行一次电化学处理。此步骤一般涉及到在40V电压,5A电流条件下使用低碳钢(铁)电极进行处理。此步骤实现脱乳和相分离,并将部分烃含量回收作为漂浮泡沫和薄膜。含铁污泥一般会沉淀。
然后,经电化学处理的水进行二次电化学处理。此步骤一般涉及到在电压30-40V,电流10-15A的条件下使用铝电极进行处理,并使用氧化剂通过氧化难降解性有机物降低COD。氧化剂示例包括过氧化物、过硫酸盐、高锰酸盐和臭氧。氧化剂的选择取决于溶液中氯化物的浓度。氯化物的浓度超出10,000mg/L时要使用过硫酸盐氧化剂。否则,可以使用上述任何氧化剂。
然后,经过双电化学处理的液体经过碳过滤,移除低级残留着色有机物和膜污秽物,例如使水染色的单宁和木质素。如果水透明度不重要(例如,处理出水在油田作业中重复使用时),可忽略此步骤。
在碳过滤或二次电化学处理后,溶液可通过砂或其他介质过滤。这是在重复使用或膜滤前最后一次对水的净化操作。
可对经过砂或介质过滤的水进行纳滤。但是,晋档对化学需氧量(COD)有严格的排放标准时才要求纳滤。同样地,纳滤过的水可通过反渗透膜,但是只有当总溶解固体(TDS)和氯化物要求去除时才需要,以便于水可以在农业或其他最终用途中重复使用。
表10A:压裂回流水的净化
表10B:压裂回流水的净化
表10C:压裂回流水的净化
本发明优选实施例所述的方法(如附图34和35所示)提供了多个提高油气废水处理效率的优点。例如,这些优点可能包括:
-相比依靠过滤的方法,提高了流体处理效率,例如压裂回流流体。在本方法中,电化学处理在大部分(如果不是全部)颗粒上形成电荷,增强相分离能力。尤其是,所述方法在膜滤之前就可以很早从水相/水溶液中分离出碳氢化合物。而且,在膜滤前也可以去除无机物。这降低了常见的膜结垢的可能性。
-方法高效,系统组件采用模块化设计、可扩展且完全可可重置。
-有效分离出流体,例如压裂回流水降低了:运输成本;化学成本;化学物质用量;废水处理成本;水购买、运输和储存成本;以及降低了水处理装置占用面积。而且,所述方法可提高水处理产量,扩大重复使用或处置方案选择,提高环境符合性。水和化学物质可回收,可有效重复使用或排放至环境。
-系统运行性能稳定,维修间隔长,可远程实时监测、控制和水分析。
-多数传统先进氧化过程的多数处理出水不适合重复使用好偶排放至环境中,处理成本高昂。这是因为,压裂回流水含有大量的难降解性有机成分,用于承受高温钻孔和完井作业,而游离羟基是电化学分裂水产生的强氧化剂,多数现有先进氧化电化学处理工艺忽略了废水基体中存在游离基清除剂。
-催化剂等添加剂的回收提高了工艺效率。
-当处理压裂回流水时,可通过以下方式降低成本:在脱乳后回收碳氢化合物;固体残留物(污泥)的密度更高,更容易沉淀;固体残留物(污泥)量更少,密度更高,降低了处理和管理成本。
-当处理压裂回流水时,可通过以下方式改善环境规定符合性:早期沉淀和澄清,得到透明、低浊度、无污染物的水;长时间暴露于自然光和紫外光,矿化二氧化碳和水等主要污染物,而不是高COD有机残留物(例如有机酸);始终将各种污染物保持在较低水平,让环保机构放心;由于结垢可能性低,而产量高,因此用离子交换或隔膜进行最终处理(如需要)的效率得到提高。
本发明的优选实施例中定义的装置1,201(如附图1到33所示)具备多个优点。例如,这些优点可能包括:
-减少电极40,240的钝化或表面结垢;
-使流体相对于电极40,240在整个处理室10,210内均匀散开,可最大化电极与所处理流体之间的有效接触。
-减小流体流,将处理室10,210内所谓的“死点”降到最低;
-流体基本上升通过处理室10,210,以至于几乎所有絮状物都会移到处理室10,210的顶部14,而不是和许多之前的装置一样沉在底部;
-处理室10,210内存在氧化剂或还原剂(或其他处理剂)可以鼓励或促进还原或氧化的进一步电化学反应,或者可能造成处理室10,210内增强氧化过程或增强还原过程。
-所述絮状物移动器80(尤其是絮状物撇清器)有助于在处理室10的顶部14(或分离絮状物的容器的顶部(例如澄清器))上形成水平流体流,从而帮助移除絮状物;
-电极40成一定角度可以提供多个优点,包括:(i)防止电极40出现钝化(絮状物蓄积);(ii)流体通过处理室10时使其水平运动,这有助于将流体引导至所述流体出口34和将絮状物引导至絮状物出口32;(iii)有助于絮状物凝集。但是,电极40,240不需要成一定角度;
-几乎所有絮状物都可以通过絮状物出口32从处理室10有效排出,并在此从流体中分离出来;
-可轻松更换或拆下电极40,240(电化学处理期间,阳极44尤其容易腐蚀,所以这点非常重要);
-使气体相对于电极40,240在整个处理室10,210内均匀散开,提高电极40,240之间的流体流速度。它的优点包括:(ii)减少危险气体在电极40,240上蓄积;(ii)减少所述至少一个阴极42的钝化;(ii)絮状物更容易推向处理室10,210的顶部14,并在此有效清除;
-电极座100,280可允许快速更换电极40,240,从而将装置1,201的停机时间降到最低程度;
-当处理大量流体时,使用独立的容器来分离絮状物非常有帮助(例如附图11-12所示澄清器306);
-使用流量调制器290,并使所述流量调制器290上形成压差,有助于使电极240之间的流体流均匀流动;
-处理室的第一壁212成一定角度,辅以分散器(例如222),有助于将流体流引向电极280;
-在电化学处理期间、之前或之后使用至少一种处理剂和/或至少一种处理增强剂有助于净化流体。提高压力也可能有助于净化流体(例如,通过促进污染物分解);
-使用消泡器252和/或消泡室250可能有助于从流体中分离絮状物(通过释放出截留气体,如果用泵,可能出现问题)。
上述优点单独或集中考虑时,可以大大改善装置的电化学处理效率(尤其是电凝处理),尤其是对于油气废水处理。这可能包括以下其中一个或多个优点:相比之前的处理工艺,提高了污染物移除效率,增强了氧化和还原过程,减少了维修停机时间,降低了功耗,提高了所处理流体的处理量。未免生疑,这不意味着本发明的其他特性也可以改善电化学处理的效率。
在本说明书和权利要求书中,“包括”一词及其衍生词包括每个所述的完整事物,但是不排除包括一个或多个其他完整事物。
本说明书提及的“一个实施例”或“某个实施例”指的是,所介绍的与本实施例相关的一种特定特性、结构或特征包括在本发明的至少一个实施例中。因此,本说明书各种地方出现“在一个实施例中”或“在某个实施例中”的语句时没必要全部提及同一个实施例。而且,所述特性、结构或特征可利用任何合理的方式在一个或多个组合中综合在一起。
根据法规,本发明采用的描述语言或多或少特指结构或方法特性。必须认识到,本发明不仅限于所示或所述特定特性,因为,本文所述方式包括使本发明生效的优选形式。因此,要以所属领域技术人员合理解释的所附权利要求书的合理范围内的任何形式或修改来申明本发明。

Claims (19)

1.一种处理流体混合物的方法,所述流体混合物包括水相、疏水相和水污染物,所述方法包括以下步骤:
(i)对混合物执行首次电化学处理,以至少部分分离水相和疏水相;和
(ii)对至少部分分离的水相执行二次电化学处理,从而清除水相中的水污染物;
2.根据权利要求1所述的方法,其中,所述流体混合物为来自油井或气井的流体。
3.根据权利要求2所述的方法,其中,所述流体混合物为采出水或回流水。
4.根据权利要求3所述的方法,其中,所述流体混合物包括一个或多个以下物质:胶凝剂、交联胶凝剂的交联剂、表面活性剂、沸点改性剂、盐、除垢剂、破胶剂、pH调节剂、铁螯合剂、铁螯合物、黏土防膨剂或悬浮剂、微生物、脱乳剂和微生物含量控制剂。
5.根据权利要求1到4的任何权利要求所述的方法,其中,执行一次电化学处理时采用的电阻大于5Ω。
6.根据权利要求1到5的任何权利要求所述的方法,其中,一次电化学处理得到水相,包括小于10mg/L的碳氢化合物。
7.根据权利要求1到6的任何权利要求所述的方法,其中,执行一次电化学处理时采用的pH值小于6.5。
8.根据权利要求1到7的任何权利要求所述的方法,其中,执行二次电化学处理时采用的电阻小于5Ω。
9.根据权利要求1到8的任何权利要求所述的方法,其中,水污染物包括一个或多个以下物质:胶凝剂、交联胶凝剂的交联剂、沸点改性剂、盐、表面活性剂、除垢剂、破胶剂、pH调节剂、黏土防膨剂或悬浮剂、铁螯合剂、铁螯合物、微生物、脱乳剂、微生物含量控制剂。
10.根据权利要求1到9的任何权利要求所述的方法,其中,二次电化学处理后,水相中硼的浓度降低至少40%。
11.根据权利要求1到10的任何权利要求所述的方法,其中,二次电化学处理后,水相的化学需氧量降低至少30%。
12.根据权利要求1到11的任何权利要求所述的方法,其中,执行二次电化学处理时至少存在一个处理剂。
13.根据权利要求12所述的方法,其中,至少一个处理剂是氧化剂。
14.根据权利要求13所述的方法,其中,氧化剂是过硫酸盐。
15.根据权利要求1到14的任何权利要求所述的方法,其中,二次电化学处理期间或之后,往水相加入了处理增强剂。
16.根据权利要求15所述的方法,其中,处理增强剂是紫外光或超声波。
17.一种电化学处理水溶液(包括氯根离子的来源)的方法,所述方法包括以下步骤:
(i)往所述溶液加入硫酸根;和
(ii)电化学处理步骤(i)的溶液。
18.一种电化学处理液体的方法,所述方法包括以下步骤:
(i)将液体引入一种电化学处理装置,该装置包括一个处理室,处理室包括至少一个引入待处理液体的入口和至少一个将电化学处理后的液体排出的出口,以及多个在处理室内部用于电化学处理液体的电极。
(ii)将至少一种处理剂引入所述装置;
(iii)至少其中两个所述电极施加电压,提供至少一个负极和至少一个正极,从而通过电化学的方式处理液体;和
(iv)从装置中排出电化学处理后的液体。
19.根据权利要求18所述的方法,其中,至少一个处理剂是氧化剂。
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