CN107683261A - 液体处理系统和方法 - Google Patents
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Abstract
一种处理液体的方法，所述方法包括：接收经过化学处理的液体；使所述经过化学处理的液体流经纳米气泡发生器以产生含有纳米气泡的液体；使用消毒辐射处理所述含有纳米气泡的液体以产生所得液体；以及释放所述所得液体以供使用。一种液体处理系统，包括：液体源；化学处理站，用于测试所述液体源的源液的化学成分，并且若有必要，对所述液体进行适量的化学处理以提供化学处理液；纳米气泡发生器，与所述化学处理站流体连通，所述纳米气泡发生器在所述化学处理液中产生纳米气泡以提供纳米气泡液体；辐射消毒单元(RDU)，与所述纳米气泡发生器流体连通，所述辐射消毒单元将所述纳米气泡液体暴露于辐射中，并提供经过处理的液体；泵，用于产生流经所述系统的液体；以及出口，所述经过处理的液体经所述出口流出。
Description
交叉引用
本专利申请要求在2015年4月24日提交的美国临时专利62/158,648和在2015年7月20日提交的美国临时专利62/194,567的优先权，其内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本申请涉及处理液体溶液的系统和方法。具体来说涉及使用辐射消毒单元处理含有化学处理的液体的系统和方法。
背景技术
水传播疾病通常是由在受污染的水中传播的病原微生物引起的。在洗澡、洗涤、饮用、准备食物或食用食物的过程中可能导致感染。各种形式的水性腹泻病可能是最突出的例子。据世界卫生组织统计，这种疾病约占全球每日疾病的4.1％，每年造成约180万人死亡。世界卫生组织估计，88％的死亡归因于不安全供水和清洁卫生。即使在发达国家，也存在水系统中的细菌对人群造成重大危害的问题。因此，需要改进的水处理系统、方法和装置。如果能提供成本较低，占地面积较小的系统、方法和装置，则还可以解决社区因穷困、乡村、山区和/或人口密集的而造成的限制和要求。
除了水之外，其他液体也可以从改进的消毒/清洁中受益，例如食品和饮料工业。例如，氯化合物、臭氧等化学品在食品和饮料行业中被广泛用于减少细菌并消毒或净化液体。实例包括处理巴氏灭菌器冷却水、清洗水果和蔬菜以及消毒食物接触表面。氯化合物也常用于消毒容器中的水或其他液体。
在氯化合物中，二氧化氯(ClO2)是水处理和漂白中使用的强氧化剂。作为消毒剂，ClO2比氯具有更强的杀菌能力。
通常使用两种机制来产生二氧化氯：使亚氯酸钠与氯气或盐酸反应(两种化合物体系)，或使亚氯酸钠与次氯酸钠和酸如盐酸或硫酸反应(三种化合物体系)。
2NaClO 2+Cl2→2ClO2+2NaCl(两种化合物)
5NaClO2+4HCl→4ClO2+5NaCl+2H2O(两种化合物)
2NaClO2+NaOCl+H2SO4→2ClO2+NaCl+Na2SO4+H2O(三种化合物)。
2NaClO2+NaOCl+2HCl→2ClO2+3NaCl+H2O(三种化合物)。
二氧化氯废水的卫生问题是由氧化引起的。二氧化氯发生氧化，影响微生物的繁殖和代谢。一般认为二氧化氯的氧化能力是氯气的2.5倍以上。二氧化氯的氧化还原电位(0.95V)远低于氯气(1.36V)，但其氧化能力(5)远高于氯气(2)。氧化还原电位(ORP)测定氧化剂与易氧化材料反应的强度或速度。虽然二氧化氯的ORP低，但它对与其反应的易氧化材料的类型选择性更强。二氧化氯以特定的有机分子作为目标，所述有机分子包括半胱氨酸、酪氨酸、甲基离子基(methoionyl)、DNA和RNA。相比之下，氯气和臭氧反应范围更广。氧化能力表明，以摩尔计，二氧化氯比氯气消毒能力更强。二氧化氯的选择性和氧化能力使其成为比氯气更强的氧化消毒剂(“二氧化氯二次消毒系统的评估”，弗兰克P·斯达林三世(FrankP.Sidari III)和珍妮·范贝利森博士(Jeanne VanBriesen)，水及废水处理，星期四，2002-10-24 13:39)。
二氧化氯会使溶液中的悬浮颗粒相互吸引，使其易于过滤。因此，浑浊的水很容易被二氧化氯和过滤器净化。
二氧化氯对多种病原体有效，但有其局限性。在二氧化氯浓度为0.75-5ppm(百万分率)的水中，霉菌和酵母菌孢子减少80-99％。使用二氧化氯，细菌和病毒也大大减少。
铁和锰的含量可能降低二氧化氯的有效性。在许多生产操作中，铁可能存在于水中。因此，优选地，在消毒之前过滤含有这两种金属之一的液体。
浓缩二氧化氯气体(大于30％的空气体积)是自发爆炸性的。二氧化氯不能储存或运输，因为它在正常条件下不稳定并且可在压力下爆炸。因此，有必要对反应中产生的气体进行稀释。空气和氢气通常被用作稀释气体。二氧化氯可以以例如约高达10克/升的浓度溶解在水中。
各种因素可能会影响氯化合物的消毒能力。这些因素包括有机材料的存在、pH值、温度、浓度、接触时间等。
在某些情况下，除了用于消毒外，对液体可增加化学处理或化学处理与液体一起使用以改变液体的特性，例如增加颜色等。
紫外线(UV)也被用于一些应用中，以杀菌和处理液体，例如水、废水等。通常理解为短波紫外线辐射(UV-C)直接攻击致病微生物和其他微生物的DNA。微生物例如细菌失去繁殖能力而被消灭。研究表明，甚至寄生虫例如对化学消毒剂有极强的抵抗力的隐孢子虫或贾第鞭毛虫，在紫外线照射下有效减少。
紫外线和化学处理结合来处理液体似乎是有用的。然而，许多类型的化学处理，包括使用氯系消毒剂，例如NH(2)Cl、HOCl和OCl(-)和ClO2处理，在UV照射下光降解，降低了其有效性。此外，如果在某些应用中还使用高剂量的紫外线，则在称为光解的过程中会去除化学处理例如氯气和氯胺物质，这会抵消化学处理的作用，例如水的氯化。因此，通常不使用这种组合。
仍然需要改进的处理液体的系统和方法，特别是生产进行化学处理的更稳定的液体的系统和方法，即使在高浓度下也不脱气，并具有较高的氧化还原电位。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种液体处理系统，包括：液体源；化学处理站，用于测试所述液体源的源液的化学成分，并且若有必要，对所述液体进行适量的化学处理以提供化学处理液；纳米气泡发生器，与所述化学处理站流体连通，所述纳米气泡发生器在所述化学处理液中产生纳米气泡以提供纳米气泡液体；辐射消毒单元(RDU)，与所述纳米气泡发生器流体连通，所述辐射消毒单元将所述纳米气泡液体暴露于辐射中，并提供经过处理的液体；泵，用于产生流经所述系统的液体；以及出口，所述经过处理的液体经所述出口流出。
在特定情况下，所述纳米气泡发生器可以包括：壳体，所述壳体具有流入部，用于接收所述源液；流出部，用于释放含有纳米气泡的液体；以及处理部，设置在所述流入部与流出部之间，并用于处理所述源液，所述处理部具有至少两个连续剪切面，所述连续剪切面由空化空间、室或区间隔开。
在另一情况下，所述RDU可包括：RDU入口，可操作地连接至所述纳米气泡发生器；消毒单元，与RDU入口流体连通并包括外壳和辐射发射装置；以及RDU出口，用于从所述消毒单元释放经辐射处理的液体。
在上述情况下，所述测试所述液体源的源液的化学成分包括确定所述源液是否含有适量的化学品，所述化学品用于与纳米气泡发生器和RDU一起对所述源液进行消毒。在特定的实施例中，所述化学品包括二氧化氯。在本实施例中，向所述纳米气泡发生器注入所述二氧化氯约0.5-5ppm。更具体地，向所述纳米气泡发生器注入所述二氧化氯约3-4ppm。
在上述情况下，所述泵在所述纳米气泡发生器处产生约1-10巴之间的压力。在一些实施例中，所述压力约为2-5巴之间。
而且，在上述情况下，所述辐射可以是电磁辐射，在特定的实施例中，所述辐射是紫外辐射。
根据本发明的另一方面，提供一种处理液体的方法，其中所述方法包括使源液流经如上述方面所述的液体处理系统。
根据本发明的另一方面，提供一种处理液体的方法，所述方法包括接收经过化学处理的液体；使所述经过化学处理的液体流经纳米气泡发生器以产生含有纳米气泡的液体；使用消毒辐射处理所述含有纳米气泡的液体以产生所得液体；以及释放所述所得液体以供使用。
在特定情况下，所述经过化学处理的液体包括暴露于化学处理以产生所述经过化学处理的液体的源液。在本实施例中，所述化学处理包括将适量的化学品注入所述源液中。此外，所述适量包括用于与所述纳米气泡发生器和所述消毒辐射结合以对所述源液进行消毒的化学品的量。
在使用上述方法的情况下，所述液体流在所述纳米气泡发生器处在约1-10巴之间的压力下被驱动。更具体地，所述压力约在2-5巴之间。
在使用上述方法的情况下，所述辐射可以是电磁辐射，在特定情况下，可以是紫外辐射。所述紫外辐射以约200-250mJ/cm2递送。
在上述任何方面或情况下，所述源液是水，包括饮用水、废水和循环水。
根据本发明的另一方面，提供了一种液体处理系统，参考附图并如附图所示，其为在此大体描述和和具体描述的处理液体系统。
根据本发明的又一个方面，提供一种处理液体的方法，参考附图并如附图所示，其为在此大体描述和具体描述的处理液体的方法。
根据本发明的另一个方面，提供了一种液体处理系统，包括纳米气泡发生器，与所述辐射消毒单元(RDU)流体连通。具体地，RDU可以包括消毒入口，可操作地连接至所述纳米气泡发生器的流出部；消毒外壳，容纳辐射发射装置例如UV灯；以及消毒出口，用于释放处理过的液体。流入部、处理部、出口部、消毒入口、消毒外壳和消毒出口彼此流体连通。
根据本发明的另一方面，提供一种处理源液的方法，所述方法包括：使所述源液流经纳米气泡发生器以产生含有纳米气泡的液体；并用辐射例如UV辐射处理所述含纳米气泡的液体。所述源液可以是不同液体的混合物。此外，所述源液体可以是液体和气体的混合物。在某些实施例中，所述气体是不同气体的组合。在其他情况下，所述气体是天然存在于液体中的气体或添加到液体中的气体。在特定情况下，通过注射添加气体。
在上述方面和情况下，所述纳米气泡优选以相对高的浓度存在于经过处理的液体中，且处于纳米尺寸范围内，优选在约10-2000纳米之间，更优选在约10-150nm之间。
附图说明
以下附图示出了本发明公开的用于液体处理的系统、方法和装置的各个方面和实施例。
图1示出了根据一个实施例的液体处理装置备或系统的侧视图；
图2示出了根据一个实施例的用于系统或方法中的示例性纳米气泡发生器的透视图；
图3示出了图2中纳米气泡发生器的外部视图(A)、透视图(B)和纵向截面视图(C)；
图4示出了图2中纳米气泡发生器的纵向截面的放大图；
图5示出了图2中纳米气泡发生器的处理部；
图6是液体处理方法的流程图；
图7A示出了根据一个实施例的水处理系统的侧视图；
图7B示出了图7A的水处理系统的侧视图；图8是储存罐的照片，该存储罐包含图7A中系统处理过的水。
具体实施方式
除非另由限定，本发明使用的所有技术术语和科学术语与本领域普通技术人员通常理解的含义相同。而且，除非另外指明，在权利要求中，“或”的含义包括“和”，反之亦然。除非明确说明或上下文另外明确指出，非限定性术语不应被解释为限制性的(例如“含有(containing)”、“包括(including)”、“具有(having)”和“包含(comprising)”通常表示“包括但不限于”)。限定性术语的例子包括“由......组成(consisting of)”和“基本上由...组成(consisting essentially of)”。权利要求中的单数形式，例如“一(a/an)”和“该/所述(the)”包括复数形式，除非另有明确说明。
为了帮助理解和准备所述系统、方法和装置，提供了以下说明性、非限制性实施例。
通常，本发明提供的方法、系统和装置结合辐射消毒，例如紫外线(UV)辐射和化学处理，例如氯气处理。本发明的方法、系统和装置的实施例允许两种处理方式一起使用，并产生了意料不到的效果。
一般而言，所述系统、方法和装置包括液体源，处理模块和用于经过处理的液体的出口。处理模块可以包括化学处理部、纳米气泡发生器和辐射消毒单元。所述化学处理部调节液体中的化学品的水平以适于消毒，纳米气泡发生器在液体中产生纳米气泡，辐射消毒单元处理液体以用于消毒。
本发明公开的方法、系统和装置旨在减少或防止辐射存在下的化学品的光降解，从而使得每种处理方式都是有效的。所述液体处理系统在本发明所述的各种应用中都有效。
本发明公开的系统、方法和装置还旨在将紫外线辐射的消毒能力与化学品结合来对液体消毒而不改变源液材料的元素组成。使用液体处理的系统和方法，可以保护消毒化学品，例如氯系消毒剂(如次氯酸钠、二氧化氯、次氯酸盐、氯胺)、溴系消毒剂、过乙酸(C2H4O3)(PAA)、臭氧等在紫外线辐射下不被光降解。
本发明公开的系统、方法和装置旨在生产含有以下特性的液体的化学消毒剂(例如二氧化氯(ClO2))，所述特性包括：更稳定、脱气减少、具有增强的氧化锰以更有效过滤锰、比常规含液体的化学消毒剂的ORP高50-100mV。尽管描述了几个特定的实施例，但是显然，本发明公开的内容不限于所示出的实施例，其他实施例也是可以的。本发明公开的含纳米气泡的ClO2溶液在各种应用中都有效，其中一些应用在下文中描述。
所述系统、方法和装置可以在固定单元或便携式单元中实施。在一些实施例中，用于液体处理的系统、方法和装置可能不需要外部空气或气体在源液溶液中产生纳米气泡或产生更大量的纳米气泡，并且不需要纳米气泡或微气泡基或源液溶液。
如图1所示，液体处理系统10的实施例包括一个或多个纳米气泡发生器100a、100b和辐射消毒单元(RDU)200。纳米气泡发生器100a、100b和辐射消毒单元200彼此流体连通。在本实施例中，已经包含或已经被注入化学消毒剂的液体源沿着方块箭头的方向流动：流经第一纳米气泡发生器100a、流经RDU进行辐射，并流经第二纳米气泡发生器100b。
在图1所示的实施例中，系统10包括两个纳米气泡发生器。然而，应该理解，所述系统可以包括任何数量的纳米气泡发生器，例如，所述系统可以包括三个或更多纳米气泡发生器。同样地，所述系统可以包括两个或更多辐射消毒单元。可以毫无困难地制造具有3、4、5或更多纳米气泡发生器以及2、3、4、5或更多RDU的系统。多个单元可使用歧管。
如果所述系统包括一个单独的纳米气泡发生器，则该纳米气泡发生器将位于含有液体的化学处理的液体源与RDU之间，从而使得含纳米气泡的液体到达RDU。
纳米气泡发生器
如图2-5所示，示例性纳米气泡发生器100包括壳体110，所述壳体110具有流入部140，用于接收源液溶液,；流出部150，用于释放含有纳米气泡的液体溶液；以及处理部115，位于流入部140和流出部150之间，用于处理源液溶液。应该理解，也可以使用或开发其他类型的纳米气泡发生器，示例性纳米气泡发生器100用于说明。纳米气泡发生器的进一步描述可以在Walter Bauer(瓦尔特·鲍威尔)的国际申请号为PCT/CA2014/050957(公开号WO2015/048904)的申请文件中找到。
如图2和图3A所示，在本实施例中，壳体110可以采用大体上管状的形式。流入部140和流出部150的每一端部可包括螺纹凸台120和130。壳体110和凸台120和130优选地由大体上惰性的材料例如聚氯乙烯(PVC)制成。
如图3B和图3C和图4所示，纳米气泡发生器的处理部115可以包括一系列连续的空化区190和剪切面168。这一系列连续的空化区190和剪切面168凭借具有大体上细长的元件180是可行的，所述细长的元件180具有一系列(2个或更多)间隔元件160，所述间隔元件160沿轴向延伸穿过壳体110并插置在纳米气泡发生器的流入部和流出部之间。在一些实施例中，根据纳米气泡发生器的应用，可以提供其他数目的间隔元件160，例如5个元件、10个元件、20个元件、30个元件等。此外，也可以使用超过30个间隔元件160。每个元件160可以采用圆盘的形式。圆盘状元件160可以被支撑或安装在中心杆或轴180上。如图4所示，圆盘160可以包括相对的壁161、162(也称为剪切壁)以及外周壁或侧壁163。剪切壁161可以面朝流入部，相对的剪切壁162可以面朝纳米气泡发生器的流出部。外周壁163可以在相对的剪切壁161、162之间延伸。圆盘状元件160被保持为彼此间隔开，并且可以通过空间170彼此间隔开。
如图4所示，每个元件160可以由从外周壁163向下延伸的至少一个凹槽或凹口310形成。在某些情况下，每个元件160可以包括开口而不是凹槽或凹口。每个凹槽或凹口310可以包括边缘或剪切边缘167，以及在剪切边缘167之间的剪切面168。剪切面168可以被视为外周壁163延伸到凹槽310中的延续部分。边缘167可以设计为扇贝状，可能会很锋利。
如图5所示，在一个实施例中，每个圆盘状元件160的宽度“a”以及因此剪切面的宽度大约是两个连续的圆盘状元件160之间的距离“b”的一半。
如图5所示，轴向连续的圆盘状元件160沿杆180设置，其凹口或凹槽相对于彼此周向交错。元件160可以设置在杆180上，从而使得每个元件160中的凹口310交替。也就是说，关于图5，如果一个圆盘状元件中的凹口面朝下，则随后的圆盘状元件中的凹口将面朝上。
圆盘状元件可以由单一金属制造。优选地，所述圆盘状元件可以由耐腐蚀金属制造。优选地，所述圆盘状元件可以由不锈钢300系列，例如316L制造。相信当水流经元件/圆盘160时，纳米气泡发生器通过对水的剪切作用产生离子，然后所述离子作为产生吸热反应的催化剂。优选地，使用激光切割所述圆盘。
如图4所示，每个圆盘状元件160可以设置为大体上垂直于壳体110内的液体溶液的流动方向，从而使得元件160可以基本上阻挡流体直接流经壳体110，因此流体流经每个圆盘中的凹口、凹槽或开口310。由于凹口交替设置，圆盘160之间的流体流动为湍流，由于每个圆盘160中的开口310的横截面积、圆盘的宽度以及圆盘160之间的空间170不同，使得流体经过壳体110时加速和减速，以确保圆盘160表面上的湍流。在某些情况下，如图1、图2和图4中的箭头所示，纳米气泡发生器可以被配置为单向和固定位置的。
经过化学处理的液体在合适的压力下流经纳米气泡发生器以产生纳米气泡。在一些实施例中，所述压力可以在约1巴(100kPa)至10巴(1Mpa)之间，尽管最大压力可能更合适，但是受系统的结构完整性限制。在一些实施例中，所述压力可以在约2巴(200kPa)至5巴(500kPa)之间、3巴(300kPa)至4巴(400kPa)之间等。在一个特定的实施例中，合适的压力可以是约3.2巴(320kPa)。
测试结果显示，当水流经纳米气泡发生器时存在吸热反应，其中，第一次处理时，水冷却例如2-4摄氏度。这表明水体本身的能量转换。水在压力下流经纳米气泡发生器内的一系列元件上的能量可以启动所述反应。
如图4所示，当液体(由图4中的宽箭头表示)进入空化区或室190时，很多反应基本上同时发生，包括：剪切、空化、微射流形成、流动电流/电势形成、电解、纳米气泡形成、晶体的成核以及水液体结构的重新组织。
当液体溶液流经纳米气泡发生器时，上述提到的同时发生的反应可以按照公式n-1次的顺序依次复制，以增加溶液的动能频率，其中“n”是壳体110内的圆盘状元件160的数目。
所得的含有纳米气泡的液体具有提高的顺磁性质量，这可能影响液体的性质。例如，在水中，其可能会改变清洁性能、蒸汽和冰的产生、热传递，甚至是抽水所需的能量。其可能会减少结垢、生物膜和生物污染，并可能改变水与油脂相互作用的方式。
辐射消毒单元
参见图1，辐射消毒单元(RDU)200可以是密封外壳220。RDU 200将流经的含纳米气泡的液体暴露于电磁辐射。在一个实施例中，RDU200可以是紫外线(UV)消毒单元，紫外线发光灯210可以安装在其中或以其他方式设置。紫外线发光灯210可以是传统的电源，例如通过连接到AC电源和灯的镇流器。通常采用通过外壳220的水密的和气密的导体连接。
电源，例如电池、太阳能电池或其他能源也可以用于操作单元200。灯210可以封装在保护性石英套筒或任何其它可透射UV辐射的材料中，避免灯210液体循环通过单元200。在另一个实施例中，灯也可以直接浸入在通过RDU循环的液体中，而不需要保护性的UV透明套筒。在隔室220中，用纳米气泡发生器100a处理过的液体被迫通过入口222流入外壳220，并向下流入出口224，暴露于灯210发出的紫外光的作用下。这将可能存活的任何微生物和病原体暴露于致命的紫外线辐射水平。
可以使用极性和非极性液体以及亲水性和亲脂性液体溶液作为被处理液体源的源液，从而在液体源的源液中产生纳米气泡，以产生经过处理的具有高浓度纳米气泡的溶液。因此，液体源可以包括油、醇、水、溶剂、燃料、表面活性剂、凝胶、碳水化合物、氧化剂、还原剂、酶、肥料、微量营养素、核苷酸等等。
所述系统，方法和装置可以包括液体源预处理系统(化学处理部)，可选的高电势晶体发生器，可选的预过滤系统，其他可选的过滤装置，可选的附加的纳米气泡发生器或RDU。预处理系统、纳米气泡发生器、RDU、电势转变晶体发生器、预过滤系统、过滤装置等元件彼此流体连通，且可以通过导管系统连接。导管系统可以包括例如管道、软管、管道、通道等。在某些情况下，可以包括阀，以确保液体在适当的方向上流动，某些情况下是单向的。
源液溶液，例如水(包括废水，循环水或自来水)、油、醇等由液体源(例如水龙头)供应。该液体可以储存在储存器中，并且可以连续或间歇地从液体源供应到系统。源液的组成可通过测试得到，并且若有必要，可以在化学处理部添加矿物质和其他组分，以提供具有适当化学品含量的源液用于消毒。在储存之前或之后，还可以在预处理系统中处理源液以大体上去除可能干扰后续处理过程的有害污染物，例如有机化合物、无机化合物、碎片、含油成分等。
在一些实施例中，所述系统可以包括将合适的消毒化学品如二氧化氯(ClO2)注入源液(在需要的地方)的方法。所述方法可包括：将第一前体与含纳米气泡的水混合以产生第一前体溶液；将第二二氧化氯前体与含纳米气泡的水混合以产生第二前体溶液；以及将第一前体溶液和第二前体溶液在反应器中混合，由此制备含有二氧化氯的源液。如上所述，在一个实施例中，第一前体可以是亚氯酸钠(NaClO2)，第二前体可以是盐酸(HCl)。更具体地，第一前体溶液可以是NaClO2浓度约为7.5％的含纳米气泡的水，第二前体溶液可以是HCl浓度约为10％并含纳米气泡的水溶液。
可以将源液连续地或间歇地添加到液体储存器中。液体可以以足够的力量和压力流经纳米气泡发生器以引发吸热反应，从而产生具有顺磁性的纳米气泡。可以用泵来产生所述力量和压力。这样，在系统或装置内的一处或多处，可主动地泵送液体溶液。液体也可以使用重力进料系统或被动系统释放，例如位于羽流中以在水轮机或螺旋桨之前处理水。
在一些实施例中，可以提供过滤装置以减少或去除至少一些细菌、病毒、囊肿、无机化合物、有机化合物、激素、药物化合物、内分泌化学物质等。可以使用本领域已知的各种过滤装置。所述过滤装置包括，例如微粒过滤器、木炭过滤器、反渗透过滤器、活性碳过滤器、陶瓷碳过滤器、蒸馏器过滤器、电离过滤器、离子交换过滤器、紫外线过滤器、反冲洗过滤器、磁性过滤器、高能过滤器、涡流过滤器、化学氧化过滤器、化学添加剂过滤器、π水过滤器、树脂过滤器、膜盘式过滤器、微滤膜过滤器、超滤膜、纳滤膜、硝酸纤维素膜过滤器、网式过滤器、筛滤器、微孔过滤器等及其组合。经过处理和过滤的液体可以被储存或分配以供使用和消费。
高电势晶体发生器是本领域已知的，通常用于防止或减少结垢。一种已知的高电势晶体发生器是Zeta RodTM系统。Zeta RodTM系统通过电子分散液体系统中细菌和矿物胶体，增加了晶体的电势，消除了生物污垢和结垢的威胁，并显著减少了化学添加剂的使用。液体系统中的胶体成为电容器的组成部分，对其自然表面电荷有强烈地促进作用，改变管理粒子相互作用的双层条件。由于Zeta RodTM系统稳定了胶体材料和悬浮物的分散，防止成核及其附着在湿润的表面，从而防止矿物结垢的形成。细菌仍然散布在流体中，而不是附着在表面上，不能吸收营养或复制形成粘液并产生恶臭。原有生物膜过度水化，失去结合力而分散。此外，Zeta RodTM系统也阻止了生物污垢、微生物引起的腐蚀和结垢。
预过滤系统旨在减少或大体上从经过处理的源液中除去矿物质，例如铁、硫、锰等。预过滤系统可以是例如不锈钢网过滤器。经过处理和预过滤的源液可以流经任选的过滤装置，其中经过处理的液体中基本上除去了细菌、病毒、囊肿等。优选地，经辐射处理的流体中微生物可以被过滤掉。
例如，可以在第一纳米气泡发生器的下游提供泵，从而在各种液体系统应用中可释放并间歇地或连续地分配经过处理的液体。可选地，泵可以设置在第一纳米气泡发生器的上游。
所得已消毒的或净化的液体，现在具有高浓度纳米气泡并通过了消毒化学品和辐射处理，就可被分配并储存在储存容器中，或者可被分配去使用或任何适当的用途。
图6示出了液体处理的方法400。在405处，从液体源接收液体。系统可以间歇地或连续地接收液体。作为一个简单的例子，水可以从标准井头进入系统。
在410处，液体接收化学测试/处理以测试，并且若有必要，调整液体的化学组成。在某些情况下，如本发明所述，可以将化学品添加到液体中以产生化学处理液。应该理解，所述源液可能已经经过化学处理，例如使用自来水/城市供水作为源液的例子。在这种情况下，可以进行化学测试，以及处理以调整源液的化学组成。在某些情况下，源液的化学成分可能很好理解，不需要测试或处理。在这种情况下，如果不需要其他处理，化学处理源液可以通过导管直接流经化学测试/处理单元(有时称为预处理单元)。在一些实施例中，可以对源液进行氯处理，例如用ClO2处理成为ClO2-水。在某些情况下，可以以合适的消毒量注射ClO2，例如0.5-5ppm。在另一些情况下，ClO2的量可能是3-4ppm。
在415处，通过纳米气泡发生器在化学处理液中产生纳米气泡。这是为了使液体以足够的力量和压力流经纳米气泡发生器以引发吸热反应从而产生具有顺磁性的纳米气泡。如本发明所指出的，在一些实施例中，可以使用泵来产生所述力量和压力。
在420处，可选地，可以过滤液体。本发明详述的过滤装置可用于进一步处理液体。本发明提供的方法和系统旨在使其具有一些优点，例如没有结垢、无通道、反冲洗流量更低、浪费和处理过程更少、介质寿命更长、水头损失更低，以及比标准水处理介质过滤系统占地面积更小。在某些情况下，过滤器可以包括40微米的安全过滤器，从而使检查和维修容易。所述过滤器旨在使生物免于污染，从而提高过滤器的使用寿命。
在425处，化学处理纳米气泡液通过辐射来消毒，例如通过接收紫外线辐射来消毒。UV辐射旨在与本发明公开的纳米气泡发生器协作，并与纳米气泡发生器结合。在UV辐射的情况下，可以提供用于消毒的适当UV辐射量(通常在每平方厘米40-50mJ(毫焦耳)的范围内，在某些情况下，由于纳米气泡发生器对化学处理与辐射处理的保护作用，可以比通常的量更高一些)。在某些情况下，可以施加高剂量UV辐射，例如每平方厘米200-250mJ(毫焦耳)。紫外线照射强烈地减少或消灭有机物、热原和内毒素。
在430，已消毒液体流出系统，并可被储存或分配使用。
本发明旨在提供脱气量少、ORP较大、消毒功效较高的系统、方法和装置，并已显示在宽pH范围内是有效的。
化学处理与纳米气泡生成和RDU处理的结合旨在改进消毒效果。具体来说，是在化学处理水平较低的情况下改善消毒效果。
特别地，纳米气泡发生器可以改变化学处理液的重要特性如氧化还原电位(ORP)。通过增加ORP超过现有化学浓度的能力，该方法旨在提高消毒剂的效果。纳米气泡发生器可能会使ORP增加约650mV以上，这足以立即杀死浮游生物。与常规使用的次氯酸钠的量(见表1和2)相比，该系统和方法可以用相对少量的次氯酸钠递送大于700mV的ORP。
表1：20ppm次氯酸钠/城市供水对几种细菌的影响
表2：5ppm次氯酸钠/含纳米气泡的水对几种细菌的影响
研究表明，在ORP值为650-700mV时，自由浮游的腐败细菌以及致病菌如大肠杆菌O157:H7或沙门氏菌通常在30秒内被杀死。在几分钟或更少的接触时间之后，污染酵母和更敏感的孢子形成的真菌也在ORP值为650-700mV时被杀死。
WHO(世界卫生组织)采用ORP为650mV作为饮用水消毒标准。当水体中的ORP达到650-1000mV时，水中的消毒剂就足够活跃，可以马上快速而有效地摧毁有害生物。
纳米气泡可能通过纳米气体屏障来调节表面。这种纳米气体屏障可用于阻止生物膜附着到表面。上述效果的组合创建了消毒表面/系统。
只需要调节水压，该方法还可以积极影响pH并增加水的溶解度。
当纳米气泡破裂发生空化现象时，纳米气泡可能脱离或扭曲特意与纳米气泡紧密接触的表面。在某些情况下，空化现象被认为是破坏性的并应当被避免，然而，纳米气泡的形成和破裂可以用于对促进表面和/或对其施加表面处理。
饮用水系统
本发明的系统和装置的实施例可以与各种饮用水系统集成。已经发现经过化学处理然后流经含有纳米气泡发生器和辐射消毒单元系统的水可以显著减少或消除所有类型的水包括饮用水、废水和循环水中的细菌和微生物，并提高水质量，从而防止在各种管道系统中形成生物膜，并改善水的味道。饮用水系统可以包括但不限于井、泉、池塘、湖泊、河流、预处理的海洋水源等。由于在水中产生的纳米气泡，对好氧菌来说可能有更多的有效氧气。好氧细菌数量增加，而厌氧菌群减少。
食品加工业
出乎意料地发现，若向经过本发明的实施例处理的水添加最少量的氯(少于5ppm)可以充当消毒剂，用以储存新鲜农产品。已经发现经过处理的水可以消除生物膜的形成，所以食品卫生和生产成本较低，并延长了保质期。此外，由于水表面张力较低，增加了经过处理的水的溶解力，因此已经发现在含有纳米气泡发生器和RDU的系统中经过处理的水产生上述效果，大大增加了茶和咖啡的油的产量。
卫生应用
所述系统可与卫生系统集成，所述卫生系统可以是例如游泳池、洗衣机、洗车台、家用洗衣机、商用洗衣机、家用和商用洗碗机、工业和食品卫生过程等。
水处理应用
所述系统可与水处理应用集成，所述水处理应用的例子有水软化剂，离子交换剂，所有使用氯气、二氧化氯、过氧化氢、臭氧、PAA等的膜和过滤器系统。
化学处理应用
在一些应用中，可以提供化学处理来改变液体的特性而不是杀菌。例如，在一些液体产品中，可以进行化学处理以增加颜色。如果液体需要用紫外线进行消毒/净化，那么化学处理可能会受到紫外线辐射的影响。本发明的系统通过纳米气泡保护化学处理。
在一个具体的实施例中，图7A和图7B示出了水处理系统500。处理开始于液体源，例如储存罐、水箱等，可能包括已经输送的城市供水。若有必要，可以将化学品例如二氧化氯如本发明所述产生的二氧化氯，注入源水中。
可以将二氧化氯从氯泵505注入水中，然后水流经纳米气泡发生器510，在纳米气泡发生器510中纳米气泡被引入氯化水中。
ClO2，含纳米气泡的水随后进入接触罐515，铁、锰、硫和其他有毒矿物质在接触罐515中被氧化。可以使用绿砂加介质过滤器去除铁、锰、氡、砷、硫化合物等。可以使用碳氢过滤器去除或减少油、草甘膦和有机磷酸盐或酯。
然后经过过滤的水流经UV辐射单元520进一步消毒，并且，理想情况下，杀死任何剩余的微生物。
然后可以使用例如超滤膜进行最终过滤，以除去死亡的和活的内毒素、病毒、细菌。然后经过消毒的水可以被送到储存罐525或使用。
图8是含有用图7A的系统处理过的水的存储罐的照片。
尽管在图8的黑白照片中可能看不出来产生的水是蓝色的(在这张照片里，水在白色的塑料水箱内)。图8的罐厚17毫米，蓝色仍然是显而易见的。我们相信氯气、二氧化氯或任何其他化学品是在水中的气体，并被封装在由纳米气泡发生器产生的纳米气泡中。因此反射光的颜色是封装气体的颜色，在这种情况下是氯气。有趣的是，纳米气泡内部的氯气仍然可消毒并可测定ORP。但是，由于含有气体的纳米气泡反射光，所以气体被紫外线或其他光屏蔽，否则这些光可能会使得气体充分地原位光降解。
通过测试，即使氯剂量低至0.5ppm，也没有证据表明紫外线照射下的游离氯或总氯或ORP显着减少。二氧化氯也是一样。对于二氧化氯的技术文献的回顾明确表明二氧化氯对紫外线降解非常敏感，一旦生成应该避光保存。如本发明所述将二氧化氯包封在纳米气泡中，可以保护定量投入液体流中的大部分二氧化氯免于光降解。
所述方法和系统的另一个特征可以是防止二氧化氯溶液的脱气。从环境、健康和安全角度来看，接触二氧化氯溶液的工作人员必须对如何使用二氧化氯保持警惕，以防止脱气和工人接触。从测试结果可以看出，所述系统和方法可以将潜在脱气降低至少50％。
所述系统和方法还具有减缓蒸发过程的优点，从而减少池、冷却塔、冷凝器和水要素等的水损失，因此需要较少的补给水。
在一个实验中，未经处理的水直接流经纳米气泡发生器。使用10％HOCl(盐酸)和7.5％NaClO2(亚氯酸钠)将含有纳米气泡的水用作2前体组分二氧化氯发生器(AC)的进料水以形成800PPM ClO2(二氧化氯)的批量溶液。在一些情况下，可以通过使用更浓缩的前体化学品来增加批量溶液的ppm。在这个实验中，得到了3000ppm的ClO2。
这一结果是出乎意料的，因为我们注意到由于纳米气泡导致ORP显着增加，并且即使在9ppm浓度下二氧化氯也没有脱气。值得注意的是，通常测量ClO2在550-600mV范围内的ORP。
我们还注意到亚氯酸钠转化为二氧化氯的转化率为95％和100％。2组分发生器的通常转化率在60-70％之间，NaClO2的残留率高。通过计算两天内的化学用量和消耗量来完成的这一计算。
在0.3PPM含量以上没有观察到脱气。至少没有注意到任何与9ppm相似的脱气情况。
在第二个实验中，将800ppm的二氧化氯注入源水中。含二氧化氯的水经纳米气泡发生器处理。纳米气泡发生器的产出保持在接触罐中，平均接触时间为30分钟。接触罐中的二氧化氯测量值为3.6ppm。来自接触罐的含二氧化氯的水通过介质过滤器。水以3.1ppm的ClO2含量排出。然后使用类似于图1的系统，经过ClO2处理的水通过20微米筒式过滤器并接受200mJ(毫焦耳)的紫外(UV)辐射。UV辐射处理后，水中的ClO2仅减少0.4ppm-2.7ppm。200mJ辐射时，预计可以除去水中的大部分或全部ClO2。ClO2-水从紫外线处理流经额定为80K道尔顿的超滤膜。在这个过程结束时，二氧化氯测定值约为2.5ppm。然而，ORP超过了760毫伏，这是意想不到的结果。
将ClO2-水被供给奶牛。在4天内，农场的氨和甲烷排放量明显降低了70％以上，在饮用水槽中农场最远的地方，我们注意到二氧化氯残留量为0.3ppm，没有观察到有生物膜。随着时间的推移，饮用水槽的平均二氧化氯水平预计将上升至1ppm。二氧化氯对锰、铁和其它金属良好氧化的需求量约为3.6-3.8ppm。
在某些情况下，系统投入使用时，系统产生的水在多介质过滤器(MMF)入口的ClO2含量为3.1ppm，MMF出口为2.7ppm，UV出口为2.5ppm，UF放电2.4ppm，在清水池溢出时为1.9ppm，在饮用者(即动物浇水站)处为0.17ppm。
本发明描述的系统和方法旨在降低用于胶体凝聚和絮凝的电势，提高用于控制生物制品的ORP，增加更快的反应速率的表面积，并且不发生或降低潜在的生物或化学污垢。
在前面的描述中，为了解释，阐述了许多细节以便对实施例理解透彻。然而，对于本领域技术人员来说，这些具体细节是显而易见的，不是必需的。在其他情况下，可以以框图的形式示出公知的结构，以免混淆理解。例如，没有提供关于在此描述的实施例的元件是否以软件程序、硬件电路、固件或其组合的具体细节来实施。
本发明公开的实施例或其组件可被提供为或表示为存储在机器可读介质(也称为计算机可读介质、处理器可读介质或具有包含计算机可读程序代码的计算机可用介质)的计算机程序产品。所述机器可读介质可以是任何合适的有形非暂态介质，包括磁盘、光学或电存储介质如软盘、光盘只读存储器(CD-ROM)、存储器设备(易失性或非易失性)或类似的存储机制。机器可读介质可以包含各种指令集、代码序列、配置信息或其他数据，其在执行时使处理器或控制器执行根据本发明公开的实施例的方法中的步骤。本领域普通技术人员理解，也可以将在执行所述的实施操作中所必需的其他指令和操作存储在机器可读介质上。存储在机器可读介质上的指令可以由处理器、控制器或其他合适的处理设备执行，并且可以与电路配合以执行所描述的任务。
上述实施例仅仅是示例。只要不脱离由所附权利要求限定的范围，本领域技术人员可以对具体的实施方式进行改变、修改和变化。
Claims (20)
1.一种液体处理系统，包括：
液体源；
化学处理站，用于测试所述液体源的源液的化学成分，并且若有必要，对所述液体进行适量的化学处理以提供化学处理液；
纳米气泡发生器，与所述化学处理站流体连通，所述纳米气泡发生器在所述化学处理液中产生纳米气泡以提供纳米气泡液体；
辐射消毒单元(RDU)，与所述纳米气泡发生器流体连通，所述辐射消毒单元将所述纳米气泡液体暴露于辐射中，并提供经过处理的液体；
泵，用于产生流经所述系统的液体；以及
出口，所述经过处理的液体经所述出口流出。
2.根据权利要求1所述的液体处理系统，其中所述纳米气泡发生器包括：
壳体，所述壳体具有流入部，用于接收所述源液；
流出部，用于释放含有纳米气泡的液体；以及
处理部，设置在所述流入部与流出部之间，并用于处理所述源液，所述处理部具有至少两个连续剪切面，所述连续剪切面由空化空间、室或区间隔开。
3.根据权利要求1或2所述的液体处理系统，其中所述RDU包括：
RDU入口，可操作地连接至所述纳米气泡发生器；
消毒单元，与RDU入口流体连通并包括外壳和辐射发射装置；以及
RDU出口，用于从所述消毒单元释放经辐射处理的液体。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的液体处理系统，其中所述测试所述液体源的源液的化学成分包括确定所述源液是否含有适量的化学品，所述化学品用于与纳米气泡发生器和RDU一起对所述源液进行消毒。
5.根据权利要求4所述的液体处理系统，其中所述化学品包括二氧化氯。
6.根据权利要求5所述的液体处理系统，其中向所述纳米气泡发生器注入所述二氧化氯约0.5-5ppm。
7.根据权利要求6所述的液体处理系统，其中向所述纳米气泡发生器注入所述二氧化氯约3-4ppm。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的液体处理系统，其中，所述泵在所述纳米气泡发生器处产生约1-10巴之间的压力。
9.根据权利要求3-8中任一项所述的液体处理系统，其中，所述辐射是紫外辐射。
10.一种处理液体的方法，所述方法包括使源液流经如权利要求1-9中任一项所述的液体处理系统。
11.一种处理液体的方法，所述方法包括：
接收经过化学处理的液体；
使所述经过化学处理的液体流经纳米气泡发生器以产生含有纳米气泡的液体；
使用消毒辐射处理所述含有纳米气泡的液体以产生所得液体；以及
释放所述所得液体以供使用。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述经过化学处理的液体包括暴露于化学处理以产生所述经过化学处理的液体的源液。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述化学处理包括将适量的化学品注入所述源液中。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述适量包括用于与所述纳米气泡发生器和所述消毒辐射结合以对所述源液进行消毒的化学品的量。
15.根据权利要求11-14中任一项所述的方法，其中所述液体在所述纳米气泡发生器处在约1-10巴之间的压力下被驱动。
16.根据权利要求11-15中任一项所述的方法，其中所述辐射是紫外辐射。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述紫外辐射以约250mJ/cm2递送。
18.根据权利要求1-17中任一项所述的系统或方法，其中所述源液是水，包括饮用水、废水和循环水。
19.一种液体处理系统，参考附图并如附图所示，其为在此大体描述和和具体描述的处理液体系统。
20.一种处理液体的方法，参考附图并如附图所示，其为在此大体描述和具体描述的处理液体的方法。
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