CN108341466B - 利用等离子体放电处理流水系统中的水的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及利用等离子体放电处理流水系统中的水的方法。该方法包括：将至少一部分水从流水系统转向流过反应室，反应室包括：与流水系统流体连通的入口、与流水系统流体连通的出口、主体、至少部分布置在主体内的高压电极以及至少部分布置在主体内的接地电极；通过将电压供应至高压电极来在转向流过反应室的主体中的一部分水中产生等离子体放电，以处理该一部分水；将处理过的该一部分水返回到流水系统；并且其中，高压电极的至少一部分在被供应电压时，与转向主体中的一部分水接触。

Description

利用等离子体放电处理流水系统中的水的方法
本申请是申请号为2014800246673，申请日为2014年4月28日，发明创造名称为“利用高压放电和臭氧来处理水系统的系统和方法”的发明专利申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请要求2013年5月1日提交的美国临时申请序列号61/818,229的权益。
技术领域
本发明涉及一种用于使用高压放电产生等离子体和使用从高压产生的臭氧副产物来处理流水系统的系统和方法，尤其用于处理冷却塔或其他再循环或闭环系统。
背景技术
人为(供)水系统是大多数的世界能源生产设施、工业和制造工厂、医院和其他机构的建筑群和建筑中常见的重要组成部分。这些系统每年消耗7000亿加仑左右的水，并且在补给水方面的成本就达18亿美元且污水处理成本单算。所有这些人为水系统需要一些形式的处理，化学或非化学的处理，以控制在重要传热表面上的水垢、生物膜和其他腐蚀副产物的堆积，该重要传热表面对于有效系统运行是必须的。
对于涉及热交换的水系统，例如冷却塔和锅炉，有效处理以去除这些污染物和延长系统被重新污染之前的时间量，可以节省相当数量的资金。有效彻底的处理可以通过减少周期性处理的频率或减少日常维护和/或周期性处理所需要的化学品的量，节省劳动和处理化学品的成本。通过清洁热交换表面的操作，这样的处理也可以节省能源费用。热交换表面的污垢每年花费美国工业数千万美元，并且直接关系到每年增加近3千万亿Btu(库德，quad)的能源消耗。
为了最大化水的使用和减少浪费，这些系统的许多系统应用一系列化学处理保护系统不受结垢、生物膜形成和腐蚀。在必需排出水并用新鲜水更换它之前，这些化学处理使水再利用和循环多次。增加水可以循环的持续时间显著减少排向污水系统的水量，并且最小化更换放掉的水而需要的补给水。然而，当使用的化学品具有高腐蚀性时，许多化学处理成分和方法会损害被处理的水系统的组件。还有就是环境也倒向了苛刻的化学处理的一边，包括日益关注的有毒消毒副产物的形成，诸如三卤甲烷、卤代乙腈和卤代酚，这些在释放到环境中的排放水中已被鉴定出来。估计由冷却塔处理导致的每年排放的水处理化学品有5360亿磅，这会影响接收排出水的区域和水道中或附近生存的各种物种或接收排出水的污水处理厂的细菌成分。
在最小化与一些化学处理相关的环境影响的尝试中，许多水处理公司以及更重要地他们的客户正在寻求使用非化学基水处理技术维持它们的系统性能。近来有约30种目前可商购的用于商业和住宅的水系统中的非化学处理设备或水调节技术。这些系统可以分为三类：(1)间接化学生产者，使用良性或安全的化学添加物，例如空气或盐以产生杀生物剂。这些系统包括臭氧发生器和电化学次氯酸盐发生器以及混合氧化剂发生器。(2)直接化学生产者，由对水的直接相互作用产生活性化学物质。这些设备使用机械处理(诸如水力空化或超声空化)以沿着水中高温高压的局部区域生产羟基自由基。适合该种类的其他设备类型是紫外线系统。(3)电气和磁性设备，包括等离子体的产生，使用感应电场和磁场以诱导离子迁移和运动，离子的迁移和运动能够通过电穿孔或在细胞壁内引起离子回旋共振效果导致细胞死亡。在所有这些技术之中，电气和磁性设备是最常见的；然而，它们是具有最少严谨的科学支持的技术。直接和间接化学方法具有更多科学可信度；然而，这种更好的理解会限制它们的潜在应用，因此它们还不能够占领更大部分的市场份额。
高压放电和在水中产生等离子体的应用在现有技术中是公知的。例如，B.R.Locke等人(Ind Eng.Chem Res 2006,45,882-905)出版的文章描述了电极构造和几何结构、脉冲电弧与脉冲电晕以及水中放电放电期间形成的化学物质和在水放电过程中的非热能等离子体。该文章解决了许多与使用该技术的水处理有关的基本问题，但是却未解决与在工业、商业或居住环境中的水处理有关的实际应用，尤其是涉及多个地面点的需求时最小化释放进入水和周围大气的电磁辐射的影响。
使用臭氧气体处理水也是已知的。例如，Gupta等人的文章(S.B.Gupta,IEEETransactions on Plasma Science,2008,36,40,1612-163)描述了在水中使用由脉冲放电引起的高级氧化过程。Gupta描述的过程使用从次级独立源(而不是由高压发生器)供应至放电反应室的氧气或臭氧气体。他们也报告说，系统输出和性能高度依赖于溶液的电导率。对于其中水的电导率很高的系统(诸如在冷却塔和闭环回路应用中)需要更高的电压放电，这反过来产生电磁辐射的问题。
也有几个现有技术专利或公布的专利申请解决了用于各种目的(包括水处理或净化)的等离子体产生，诸如美国专利申请公开号2009/0297409(在大气压或更高压力下流放电等离子体的产生)、美国专利申请公开号2006/0060464(流体中等离子的产生，尤其在水性介质中包含和产生的气泡内形成的)、美国专利号6,558,638(使用高压放电处理液体，同时整合用于在放电区中产生气泡的气体传输设备)以及美国专利申请公开号2010/0219136(脉冲等离子体放电以处理流体(诸如流速为5gpm的水，同时只消耗120-150瓦特的功率)。
现有技术教导了水中高压放电能够产生化学活性物质，显示出物理效果并控制水的化学反应。然而，已知现有技术未解决怎样应用使用等离子体放电的这种技术在较长的时间周期内去处理工业、商业或住宅环境中较大体积的流水，而不破坏水系统的其他组件，这些组件包括用于水垢和腐蚀控制、排污和节水措施所需要的控制器和监视器。
发明内容
本发明涉及一种系统和方法，使用非化学技术来处理流水系统，诸如冷却塔和闭环或再循环水系统。该处理包含：在被处理水中淹没的两电极之间产生高频和高压放电。每次电极之间的放电，具有大量长寿命的氧化化学品(臭氧、过氧化氢)和短寿命的氧化化学品(超氧化物、羟基自由基和氢自由基)产生，与声音冲击波一起，也产生UV辐射。这些效果在现有技术中是众所周知的。然而，并不明显公知的是，利用电磁或电解系统获取由高压放电产生的过剩能量(通常被浪费)。根据本发明的一个实施例，系统使用该过剩能量进一步通过允许电流流经将水系统管道连接至地的电线环路以在水中产生磁场，来调节(condition，使水处于正常状态)和处理水。已证明该磁场在水处理中具有有益效果，并避免贯穿整个水系统的大量电磁辐射具有的对电子控制系统上的破坏性影响，所述电子控制系统用于测量电导率、pH、生物活性，也用于控制泵和与直接产生高压发电进入水供应的系统一起使用中常见的其他关键组件。
使用高压放电而水中没有多个接地点或高压放电组件周围没有足够屏蔽，严重地限制现有技术的应用。本发明的另一实施例包括使用微气泡发生器，将微气泡的微细水流引入高压放电室。为了最大化在高导电水中高压放电的反应面积，产生超过200kV的能力的电源是必需的。这些电源的运行中副产物是产生臭氧气体，这些臭氧气体必须从所述系统去除。我们的专利教导，作为所述高压电源的副产物产生的臭氧气体可作为微气泡的精细分散体引入所述高压室中，以形成氧化反应增强的区域。另外，所述高压室可以装入流体处理系统，所述流体处理系统通过超声处理或水力空化在高压放电区域内产生微气泡。最后我们的专利教导了使用其中可以以特定时间增量施加高压放电的脉冲高压放电方案，用于防止水、电线或其他供应组件过热。
附图说明
结合下面附图进一步描述和解释本发明的设备，其中：
图1为根据本发明的系统的一个优选实施例的示意图；
图2A和图2B为曲线图，示出了一个试验中在不应用本发明的实施例时测量的电磁场；
图3为曲线图，示出了另一试验中使用本发明的优选实施例时测量的电磁场；
图4为根据本发明的系统的另一优选实施例的示意图；
图5为根据本发明的系统的另一优选实施例的示意图。
具体实施方式
图1描绘了根据本发明的处理系统的优选实施例。处理系统10优选地包括：气体注入系统28、等离子体反应室36、高压发生器40、电源系统46和各种组件保护设备。处理系统10容易地添加至现有水系统12。水系统12可以是任何住宅、商业或住宅水系统，尤其用于冷却应用的那些水系统和再循环水系统，比如冷却塔。水系统12包括图1未描绘的熟知组件。来自水系统12的水流14被处理为穿过在监控水系统中常用的多种传感器16，诸如pH传感器、温度和电导率。根据水系统12的尺寸和流经水系统12水的体积，系统中所有的水可以穿过处理系统10或者只有部分或侧流可以穿过处理系统10。
水流18优选地流经气体注入系统28，该气体注入系统将空气和/或气体的微气泡注入水流18中。优选地，气体注入系统28包含一个或多个微起泡器设备20，其中空气或气体22、反应气体26和/或臭氧30以微气泡被引入等离子体反应室36上游的水流中。反应气体(诸如臭氧、单原子氧、亚稳定单线态氧、气相过氧化氢、氯气、二氧化氯气体)也可以用于实现从水系统12最大化地去除微生物种类。这些气体的使用和选择将取决于水系统12内的水条件。不需要向水流18添加空气、臭氧或其他气流或作为微气泡添加的那些，但是微气泡有助于等离子体产生，臭氧气体或反应气体也用于处理水系统的水。如果添加气泡，注入气泡的水流24馈入等离子体反应室36，否则水流18馈入等离子体反应室36。
在一优选实施例中，气体注入系统28包括文丘里管系统，用于向水流18注入空气/气体、反应气体和/或臭氧的微气泡分散体以产生水流24。文丘里管入口位于高压反应室36的上游，且向反应室36内的高压放电引入这些气体中的一种或多种的微泡沫。在另一个优选实施例中，通过装入水力空化系统产生微气泡，水力空化系统将通过水力空化过程生产的微气泡的高分散悬浮液引入反应室36内的反应区中。在第三个优选实施例中，一起使用文丘里管系统和水力空化系统。该组合具有以下优点：产生优化反应动力学和活性物种产生的协同环境。在第四优选实施例中，高压反应室36可以装配有多个超声探针，这些超声探针可以在反应室36内高压放电区内原位产生微气泡，再次提供协同反应性能。最后在第五实施例中，这些气体中的一种或多种和由超声探针产生的微气泡一起经文丘里管进入高压反应区中。使用这些系统或设备的任何一个导入微气泡、在本技术领域是公知的组件及其应用，进一步有助于等离子体产生，因为空气的介质击穿强度比水的小。随着等离子体击穿在空气中启动，来自空气中的电离电子然后将传递并开始在水分子中电子电离。
反应室36包括密封的不透水外壳35，该外壳被内电介质阻挡层34a和外接地屏蔽34b所包围和屏蔽。电介质阻挡层34a是非导电层，防止向接地层34b电弧放电，接地层34b是接地的导电外层。电介质阻挡层34a和接地屏蔽34b减少从反应室36发射的电磁干扰。如果不屏蔽反应室36，反应室36内产生的等离子体会损害敏感的电子设备。反应室36内设有高压电极和接地电极，随着高压发生器40产生的电压传递至反应室36内的高压电极，高压电极和接地电极在室36内产生等离子体放电。这些用于产生等离子体放电的组件是本领域普通技术人员所熟知的。反应室36、外壳35和反应室36内的高压和接地电极的形状和构造不是关键的，且可以使用任何已知形状和构造。另一接地48也设置为与外壳35周围的接地层34b接触，外壳35需要在反应室36中产生等离子体放电。高绝缘高压电线38连接高压发生器40与反应室36中的高压电极。电线38优选地用高强度电介质绝缘以防止向其他电子设备、金属结构或人/操作者电弧放电。处理的水流50排出反应室36，并返回储槽54(尤其是在水系统是冷却塔)或水系统12的其他组件或管道以通过系统进行再循环。用于进出反应室36的水流24和50的入口和出口管接头应接地。
高压发生器40可以产生高频率、高电压放电，在每个放电阶段超过200kV。高电压发生器40优选地包括马克斯梯子(Mark ladder)或马克斯发生器42，该发生器设置在外壳43的火花隙室41内，外壳43包括电介质阻挡层，该电介质阻挡层用于使马克斯梯子42与周围环境隔离，并防止内部组件向周围金属结构、电插座和其他监视和控制系统电弧放电。为了类似于在传统冷却塔或闭环系统中看到的有效地处理导电水，高压发生器40优选地能够向反应室36中高压放电电极与接地电极之间的5mm左右的电极间隙输出200kV的电压。尽管可以使用本领域中的普通技术人员能够理解的修改的其他间隙距离，5mm左右的间隙距离是优选的。这之所以是优选的，是因为更大间隙距离需要增加输出电压，这会引入其他问题，比如高压发生器40中的组件失效，而更小的间隙距离减少暴露于等离子体放电的水的体积。
在一优选实施例中，高压发生器40包括阶段1低压组件，该组件从典型壁装电源插座获取110V输出并产生40kV DC信号。这通过使回扫变压器的输入端产生脉冲的零压开关电路来实现。可通过增加或降低所述变压器的匝数来改变回扫变压器的输出电压。使用零压开关驱动器电路的优点是，它具有高噪声抗干扰性，也就是不容易受脉冲功率系统中产生的电磁干扰的影响。也可以使用数字电路或其他电路，但它们对等离子体反应室36产生的外部干扰比零压开关驱动器产生的干扰更敏感。为了保护电子设备免受高压输出干扰，这构造成单独屏蔽体。来自阶段1低压组件的信号用于给马克斯发生器42中的电容器组充电，马克斯发生器42具有并联装配的电容器。当电容器组达到放电极限时，只要在放电与接地电极之间的终端电压大于200kV，在马克斯梯子中的火花间隙中引发级联放电事件。
用于增压或吹气的气泵44或其他设备优选地集成到高压发生器40，但也可以在发生器40外部与适当管道连接以允许气流进入发生器40。气泵44吹入空气穿过高压发生器40以熄灭马克斯梯子42的电极，这有助于增加电极寿命。气泵44吹空气穿过电极并进入反应室41的火花间隙。由火花间隙室41产生的臭氧气体30从高压发生器40撤出并优选地向回循环注入或灌入到水流18以提供进一步水处理。从马克斯梯子产生的臭氧通常视作浪费产物，但根据本发明它有益地作为水处理的来源使用。更优选地，在进入反应室36的入口处或附近，臭氧气体30进入水流18。这允许将臭氧引入水供应，且也用微气泡给水流18充气以形成进料流24。
处理系统10也包括电源系统46和多种保护设备以保护水系统的组件免受产生的过电压影响。电源系统46优选地包括不间断电源或隔离变压器，这减少了任何瞬态电压尖峰进入其中水系统12被收纳的建筑物的电源。这也使高压发生器40与建筑物和水系统12的其他电子组件隔离，诸如具有单独不间断电源或隔离变压器60的传感器16。接地金属组件56优选地放于用于水系统12的蓄水池中(比如冷却塔外壳中的储槽54)。接地金属组件56优选地是一片金属或具有大表面积的网，但可以使用其他形状和构造。该接地组件减少或消除穿过水的电磁干扰。电磁干扰消除器58优选地连接至或被夹紧在水系统12的电子组件上，尤其是将用于监控水质量(诸如电导率、温度和pH)的任何传感器(如传感器16)。根据需要，其他接地设备(比如52)可以加至其他蓄水池或水系统12内或连接水系统12与处理系统10的管道。在一优选实施例中，接地设备52包括插入管道壁的螺钉且水系统中的水经其流出，以及一定长度的电线，该电线一端连接至螺钉的头部并缠绕在管道周围多圈，另一端接地。也可以使用本领域普通技术人员将理解的其他接地设备或构造。通常，这些接地设备被放于特定种类设备(诸如腐蚀计(腐蚀监视系统)，化学控制器、流动控制器、电导率探针)上或附近，或者利用在大多数的大型水系统应用中使用的2到4个设备将其在整个水系统中间隔开。这些接地设备用于保护水系统12的组件，并且允许来自多个接地点的能量收入并储存入电容器或电感器。收入和存储的能量可以用于产生低等级能量场(电磁或电化学)以对水处理过程提供进一步利益。电磁场已经用于防止化学结垢，并已用于引起电穿孔和离子回旋共振，它们已显示出具有抗菌性能。电化学反应能够产生集中高pH和低pH的区域，也能够引起电穿孔。它们还能在水系统内局部地产生低级别电磁场而不储存能量。例如，凭借绕在上述水系统中的管道上的绕线设备，每次(来自等离子体的)脉冲沉入地表，便将有电流通过管道周围的电线圈，以在该位置在流经管道的水中产生磁场。
处理系统10优选地使用计时器或其他控制设备运转，其中该系统可以以定期间隔(优选地，15分钟间隔左右)启动/停用，以减少整个系统发热并且增加效率。随着系统热量上升，马克斯发生器40中将会消散更多能量，这导致更多充电损失，更少能量可用于等离子体产生。定期停用期间允许系统冷却，减少了充电损失并增加了效率。定期启动/停用还将允许来自火花间隙室的臭氧定期地流出并在大于5mm的电极间隙上维持脉冲电弧放电。为了安全地运行系统，有必要通过具有接地故障电路中断特点的配电箱45为系统供电。如果从设备流出的电流与流进设备的电流不匹配，将触发该应急系统。
下面是其中列出了根据本发明的多种实施例的处理系统10的实例。
实例1A.直接放电进入未保护系统：在实验的第一组中，使用导频冷却塔。该实验系统的与图1中描绘的系统一致的组件根据图1中的参考数字来表示。冷却塔(总体积100L)水系统12装入水，系统设为循环。使用优势控制系统和生物监测来监视水化学，使用两个内部生物监测系统和ChemTrak生物监测器执行生物监测。这些系统与在大型商业或工业冷却塔操作中通常发现的类似。为了将高压发生器系统装入冷却塔，从热交换器机架经由机械球阀和12英尺0.75英寸直径的透明柔性PVC管引出侧水流(水流18)。该阀允许系统基于被处理水的特定成分改变流动动力学。例如，改变经过文丘里管的流速改变气泡如何散布至水中，这反过来可以改变在高压放电电极产生等离子体的形式。在使用直流高压放电的生物控制的整个系统水的处理方面，体积和流速也是很重要的，因为成功处理不仅取决于传递的能量的量，也取决于处理时间。因为细菌不断在一个典型的系统中的大体积的水内复制，重要的是达到通过反应室36足够高的流速，以确保系统的水的总体积被反复处理或者循环通过高电压放电区，以增加总处理时间(带有生物成分的水柱与高压放电接触的时间总量)。
使用导频冷却塔上的这种设置允许最大侧水流为2gpm。该管道通过螺纹聚乙烯倒钩配合件连接至等离子体室36。在反应室的出口，5英尺的透明PVC管用于排出反应室(水流50)流出的水进入储槽54。有关上面优选实施例描述的接地点(比如接地52和56)都没有落实到位。反应室36连接至高压发生器40。单元被激活并观察到1cm电极间隙上在具有1,500μmhos电导率的水中发生脉冲火花放电。刚激活高压发生器40时，水系统12的流动控制继电器开始激活关和开，切断水系统12的电源。优势控制器中的电子设备过载并关闭系统，生物监测输出(位于空间中远离高压发生器的另一侧)过载并关闭。图2A和图2B示出了在该测试实施例中具有等离子体单元的水中测得的电磁场，在两个情况下中具有水流和没有水流以及经过水的电磁场。可以看出，当水流动时(图2A)，具有高共振电磁脉冲穿透在整个系统流通的水。可以看出，即使当水不流动时(图2B)，仍然具有由高压放电导致的可测的电磁场。
实例1B.直接放电进入保护系统：重复1A的实验，不同之处是多个接地保护系统落实到位。接地放于储槽54中和贯穿系统的管道(如上讨论的使用螺钉和电线)的部分。图3示出了在水中的电磁场明显减少。使用多个接地系统，现在能够连续运转高压放电系统几个小时而不对作为水系统12的部分的电子控制和监视设备引起问题。
实例2.去除微生物的工作台试验：进行了四项工作台级的研究以确定在水中的非热等离子体放电灭活微生物的功效。众所周知，水中等离子体放电会产生活性氧种、紫外线辐射和压力场冲击波，所有这些可以灭活微生物。可以通过在溶液中增加电场超过溶液的击穿电压实现等离子体放电。击穿电压取决于溶液的电导率和介电性能。已观察到，在输入能量和系统中微生物的对数减少(log reduction)之间存在关系。也已记录下来的是，实现在大肠杆菌中一个对数减少(已知为D值)需要的输入能量可以从14J/L变化至大于366J/L。至于特定种类菌属的实验，报告实现一个对数减少需要的平均输入能量为85kJ/L。
在第一实验组中，有杆圆柱电极放置在含有1600毫升水(800毫升水和800毫升蒸馏水)的烧杯中。由马克斯发生器产生的臭氧(从非热等离子体的电压倍增器)被通入到含有1600毫升的水(也是800毫升水和800毫升蒸馏水)的次级烧杯中(烧杯#2)。对于这些测试，使用大肠杆菌(大肠杆菌)，是因为它对于定向能失活方法有高易感性。对于含有1600毫升的所述水的每个烧杯，2毫升的TSB原液与已知浓度的悬浮大肠杆菌用于接种到每个装水的烧杯，以得到最终大肠杆菌浓度为4.65×106cfu/ml(测试#1)和4.50×106cfu/ml。对于只有烧杯(烧杯#1)测试的等离子体，圆柱电极直径从1/4英寸(其产生电弧放电)增加至1英寸尺寸使得放电期间溶液中产生脉冲电晕。该测试的目的是确定哪个电弧放电(哪个投入系统更多能量，哪个优选)或脉冲电晕导致最大生物失活。
至于只有烧杯的臭氧处理，臭氧被推入穿过马克斯发生器室，使用增氧气石鼓入烧杯。实验期间，在0分钟，2分钟，4分钟，10分钟，20分钟，和30分钟从每个烧杯独立地收集25mL样品并进行生物鉴定，以确定cfu/mL。只测试了脉冲电晕等离子体的结果如下面的表1的测试#1下所示。
第二实验结合通入的臭氧和有杆圆柱电极设置到包含1600毫升(800毫升水和800毫升蒸馏水)的烧杯中(测试#2)。在这个测试中，2毫升的TSB原液与已知浓度的悬浮大肠杆菌用于接种到装满水的烧杯中，以得到最终大肠杆菌浓度为6.10×106cfu/ml。圆柱电极直径1/4寸使得放电期间溶液中产生脉冲火花(电弧放电)和由马克斯发生器所产生的臭氧通入电极设置之下的烧杯中。在实验过程中，在0分钟，10分钟，30分钟，45分钟和60分钟收集25毫升样并进行生物测定以确定cfu/mL。结果显示表1的测试#2的下面。
第三个实验的特点是，有杆圆柱电极构造放置在含有1600毫升水(800毫升水和800毫升蒸馏水)的烧杯中(测试#3)。由马克斯发生器产生的臭氧(从非热等离子体的电压倍增器)通入到含有1600毫升的水(800毫升水和800毫升蒸馏水)的次级烧杯中。对于这项研究，利用大肠杆菌(大肠杆菌)，是因为它对于定向能失活方法有高易感性。对于含有1600毫升的所述水的每个烧杯，2毫升的TSB原液与已知浓度的悬浮大肠杆菌用于接种到每个装水的烧杯，以分别得到最终大肠杆菌浓度为3.05×106cfu/ml和3.40×106cfu/ml。类似于第二试验，减小圆柱电极直径使得放电期间溶液中产生脉冲放电(脉冲电弧放电)。至于只有烧杯的臭氧处理，臭氧被推入穿过马克斯发生器反应室，使用增氧气石鼓入烧杯。实验期间，在0分钟，10分钟，15分钟，30分钟，和45分钟，从每个烧杯独立地收集25mL样品并进行生物鉴定，以确定cfu/mL。只测试了脉冲电晕等离子体的结果如下面的表1的测试#3下所示。
在第四实验中，结合通入的臭氧和有杆圆柱电极结构放入包含2000毫升(1000毫升水和1000毫升蒸馏水)的烧杯中(测试#4)。在这个测试中5毫升的TSB原液与已知浓度的悬浮大肠杆菌用于接种到装满水的烧杯中，以得到最终大肠杆菌浓度为7.00×107cfu/ml。与第一实验不同，圆柱电极的直径减小，因此放电期间溶液中产生脉冲放电(脉冲电弧放电)，并且马克斯发生器生成的臭氧随气泡进入电极结构下的烧杯。实验期间，在0分钟，15分钟，30分钟，45分钟，和60分钟收集25mL样品并进行生物鉴定，以确定cfu/mL。结果如表1所示。
表1-等离子体效果研究概要(工作台级测试)
Figure BDA0001593285510000131
参照图4，也可以使用本发明的系统和方法的优选实施例执行现场测试。该现场测试的目标是在冷却塔水系统112中安装等离子体水处理系统110。冷却塔水系统112使用氧化杀菌剂控制水中的微生物种群，冷却塔水系统112具有1,400加仑的总体积，位于当地大学的管理楼外部的街面。监视水流和水导电率的控制单元115用于控制系统排污和化学品进入储槽154。该单元维持水电导率在900μmhos到1500μmhos之间。等离子体处理系统110包括高压发生器140和等离子体反应室136。高压发生器包括马克斯梯子或马克斯发生器42，该马克斯发生器设置在包括电解质阻挡层的外壳43内的火花间隙室41中。臭氧气流130从火花室141中撤出并通过文丘里管121注入入口水流114。尽管在测试中最初未使用，空气122和/或活性气体126也可以通过微起泡器或相似设备120注入水流。T型物、混合器或类似设备129可以用于来自将微起泡器120的空气和/或活性气体灌入水流124(包含臭氧)并提供至进入反应室136的入口。反应室136包括密封不透水外壳135，该外壳被内电介质阻挡层134a和外接地屏蔽134b包围和屏蔽。电介质阻挡层34a是非导电层，防止向接地层34b电弧放电，接地层34b是接地的导电外层。反应室136内设有高压电极和接地电极，随着高压发生器140产生的电压通过电线138传递至反应室136内的高压电极，高压电极和接地电极产生等离子体放电。另外设置另一接地148与外壳135周围的接地层34b接触。该现场测试中的反应室136为4英寸左右直径。该现场测试中的反应室136直接铺设水管至水系统112的水线路。反应器入口129从泵113的高压侧连接至水线路114，泵113从冷却塔储槽154中除去水。在泵113与反应室136之间插入的文丘里管121用于使由马克斯梯子142产生的臭氧气体130进入被处理的水中。在反应室136中排出的处理水150返回至冷却设备的输出侧，该输出侧循环返回至冷却塔。
当最初安装系统110时，参考图1提到的建议预防措施或保护措施和处理系统10落实到位。系统110安装在靠近主控制系统的位置，它未接地，没有对控制单元屏蔽，在用于EMI抑制的传感器引脚周围没有铁氧体磁珠。高压发生器140直接塞进壁中的插座。
为了开始过程，将水流114引入反应室136并起动高压系统140。立即穿过水的电磁反馈引起水系统112上的电导率仪表跳至6000μmhos，使水系统112进入即刻排放模式(blowdown mode，排污模式)，引起倾倒的水进入下水管道。没有参考图1的系统10的一个或多个保护措施情况下，能够在冷却系统中有效地运行高压放电系统。
系统110和112的设置然后重新配置有被隔离在外壳172内的水控制单元170(用于控制水系统112的多种组件)并且通过在引向电导率传感器116的电线周围夹紧铁氧体磁珠158。外壳172在系统110运行期间围住系统控制单元170，但包括可打开的门或可拆卸的盖，使得内部可被用于服务。外壳172优选地是金属盒，但也可使用其他屏蔽材料(诸如塑料、混凝土或金属塑料复合物)。向着空间的远离控制器的相反侧移动高压发生器140(约12英尺远，优选地至少6英尺远)，电源146从与电源直接连接转换为通过UPS运转。如返回(处理)水线路150通过148接地，冷却塔中的储槽154被接地156。当激活系统110时，对控制系统170或传感器116没有负面影响，允许冷却塔系统112正常运行。
使用这种设置，水处理系统110运转6个月而不用添加杀菌剂。在这个过程期间，在马克斯梯子142产生的臭氧130引入进入反应室136的水中。这在高压电极表面产生气泡的细水流。当水具有900μmhos的低电导率时，足够产生等离子体放电，但当电导率随着浓缩倍数(cycle of concentration)的增加而增加时，这将不再足够在反应室中产生等离子体放电。引入附加空气122到反应室，在接地电极与高压放电电极之间提供更多强力空气，允许在电导率超过1500μmhos的水中产生等离子体。一旦电导率达到预设边界(通常1500μmhos)，冷却塔或其他水系统进入排放模式，倾倒高电导率水至下水道并用新水(通常来自市政供应，但可以使用其他较低电导率的水来源)。
参照图5，在第二现场试验中测试等离子体处理系统210的优选实施例。系统210安装为处理2200加仑不锈钢/镀锌冷却塔水系统212。在安装期间，高压发生器240和等离子体反应室236被屏蔽在外壳260内，并放于远离水控制单元270和水系统212的传感器216的外壁上。外壳260优选地远离水控制单元270和传感器216至少6英尺。外壳260优选地由金属制成，但也可以使用其他材料(诸如塑料或金属塑料复合物)。外壳260在运行期间围住系统210，但包括可打开的门或可拆卸的盖使得内部可以被服务获取。当使用外壳260时，不必在外壳(诸如使用的外壳172与系统110)中围住控制单元170，但这样的外壳也可以用于控制单元的附加保护。来自储槽254的水214使用泵213流通穿过等离子体反应室，泵213直接地放到储槽254中，储槽254接地256。高压发生器240直接连接至作为电源246的主电插座，但插座在其断电器电路上。利用这种结构，系统210能够连续运转6个月(期间冬天关闭冷却系统，但可以相信的是，如果需要冷却，利用本发明实施例系统可以继续运行更长周期)而没有任何电气或EMI问题妨碍水系统212运行。
可以和根据本发明的任何处理系统一起使用保护措施(诸如接地金属片或大面积网放于储槽(与56类似)内)、电磁干扰消除器(比如58)、接地电线缠绕管道段或磁珠(比如52或158或258)、高压发生器和反应室的保护外壳(诸如260)、水控制单元(比如172)周围的保护外壳、从水控制单元和传感器单元定位高压源和反应室足够距离、用于高压发生器的隔离电源(比如在其断电器电路上的插座或UPS或隔离变压器)和/或用于水控制单元或传感器的隔离电源(比如单独UPS或隔离变压器)的组合，以保护水系统组件免受任何干扰或损害，并允许处理系统以延长周期时间连续运行。也可以和根据本发明的任何处理系统一起使用接地设备的任何组合，以收获(并使用电容器或电感器储存)处理系统产生的过剩能量，并产生低级别能量场(电磁或电化学)，给水处理系统提供进一步的利益。
这里水系统的参考包括需要周期处理以控制或消除微生物种群生长的任何类型的流水系统(包括工业、商业和住宅)。流经水系统的水可以包含污染物或化学或生物处理剂。附图中描绘的组件未按比例画出，只是作为在根据本发明的处理系统的优选实施例中使用的多种组件的代表以及和这些处理系统一起使用的水系统。此外，图中描绘的水系统的一定组件可以在相对水系统其他组件的其他位置，本发明的系统可以不是如图中描绘的。本领域的普通技术人员阅读本说明书时应当明白，在本发明范围内，可以做出对具有等离子体放电和臭氧，同时保护水系统组件的系统和方法的修改和替换，且旨在说明文中公开的本发明的范围只受发明者依法享有的所附权利要求书广义解释的限制。

Claims (19)

1.一种利用等离子体放电处理流水系统中的水的方法，所述方法包括：
将至少一部分水从所述流水系统转向流过反应室，所述反应室包括：与所述流水系统流体连通的入口、与所述流水系统流体连通的出口、主体、至少部分布置在所述主体内以与流动通过所述反应室的主体的水的部分淹没接触的高压电极以及至少部分布置在所述主体内以与流动通过所述反应室的主体的水的部分淹没接触的接地电极；
在高压发生器中产生高电压；
通过将所述高电压供应至所述高压电极来在转向流过所述反应室的主体的所述一部分水中产生所述等离子体放电，以处理所述一部分水；
将处理过的所述一部分水返回到所述流水系统；并且
其中，所述高压电极的至少一部分在被供应电压时，与转向所述主体中的所述一部分水淹没接触，
所述方法进一步包括：通过将电线连接至所述流水系统中的管道并连接至接地，并且允许电流流过所述电线而在所述流水系统的水中产生磁场。
2.根据权利要求1所述的方法，其中：所述高压发生器包括马克斯梯子。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，向所述高压电极供应的电压超过200kV。
4.根据权利要求2所述的方法，进一步包括：保护所述流水系统中的一个或多个电子组件免受电磁辐射。
5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：通过将一个或多个电磁干扰消除器连接至所述流水系统的一个或多个电子组件、将一个或多个接地设备连接至所述流水系统中的一个或多个管道段或储槽或它们的组合来保护所述流水系统中的一个或多个电子组件免受电磁辐射。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述一个或多个接地设备包括缠绕在所述流水系统中的管道周围的电线。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述一个或多个接地设备包括放置在所述流水系统的储槽中的接地金属片。
8.根据权利要求5所述的方法，其中，所述流水系统是冷却塔或冷却环路系统，并且其中，所述一个或多个电子组件包括电导率仪表。
9.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：将一种或多种气体供应至被转向至所述主体中或者所述主体的上游的所述一部分水中。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述流水系统是一种再循环系统并且再循环的所述流水系统中的水的电导率水平随着水的再循环而增加，所述方法进一步包括：当所述电导率水平达到或超过预定阈值时，增加供应至被转向至所述主体中或者所述主体的上游的所述一部分水中的气体的量。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，利用文丘里管系统将所述气体供应至被转向至所述入口上游的所述一部分水中，并且所述方法进一步包括：在转向的所述一部分水流过文丘里管时调整所述转向的一部分水的流速。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，水被处理以去除生物污染物并且在利用所述等离子体放电对水进行处理的同时没有杀生物剂被添加至水中。
13.根据权利要求2所述的方法，进一步包括：捕获由所述电压的产生步骤产生的臭氧并将所述臭氧供应至转向所述主体中或所述主体的上游的所述一部分水中。
14.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：捕获所述等离子体放电的产生步骤中产生的过剩能量以提供至所述电线的电流。
15.根据权利要求1所述的方法，其中，所述等离子体放电的产生步骤定期重复。
16.根据权利要求2所述的方法，进一步包括：使空气吹过所述高压发生器中的电极。
17.根据权利要求2所述的方法，进一步包括：将所述高压发生器的电源与所述流水系统的其他电子组件隔离开。
18.根据权利要求17所述的方法，进一步包括：提供连接至所述流水系统的组件的一个或多个接地设备。
19.根据权利要求4所述的方法，其中，所述保护的步骤包括以下中的一个或多个：将一个或多个电磁干扰消除器连接至所述流水系统的一个或多个电子组件、将所述流水系统的所述一个或多个电子组件的第一电源与所述高压发生器的第二电源隔离以及将一个或多个接地设备连接至所述流水系统中的一个或多个管道段或储槽。
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