CN109641766B - 用于处理和修复含水废物流的组合物和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于处理污染水流的装置，污染水流具有浓度升高的轻金属、重金属、硫酸盐中的至少一种，包括：与工艺管道连通的至少一个工艺流体入口；与所述工艺管道流体连通的至少一个电极反应容器，所述反应容器具有内腔室和至少一个位于反应腔室中的电极，所述电极由交流电源供电；以及与所述工艺管道流体连通的至少一个磁场反应容器，所述磁场反应容器具有向外取向的表面和相对的向内取向的表面，所述磁场反应容器具有至少一个与所述磁场反应容器的向内取向的表面接触的磁体。

Description

用于处理和修复含水废物流的组合物和方法

背景技术

本申请要求2016年6月24日提交的未决美国临时申请号62/354,556的优先权，其公开内容通过引用的方式并入本文。

本发明涉及用于处理源自包括但不限于制造以及挖掘和采矿作业来源的废物和污水的方法和组合物。

很多时候，污水是制造和采矿作业的必然产物。所产生的污水可包括溶解或悬浮于工艺流中的一种或多种痕量化合物。这些夹带在工艺流中的许多痕量化合物如果排放到周围环境中可能会产生有害或不利的影响。许多此类化合物的排放受到各州、地方和联邦环境机构的管制。

在诸如矿物和能量提取的作业中，有时可以在各种工艺和子工艺中使用大量的水。通常，这种水必须在排放前进行处理，以减少或消除工艺污染物。在某些情况下，例如矿物提取作业，无论是活动的还是非活动的提取地点本身，提供了生成源，雨水、暴雨径流和含水层浸出的水将各种污染物从原始提取地点带到周围环境中。在采矿作业中，这通常被称为酸性矿井排水(AMD)或酸性岩石排水。酸性矿井排水是由诸如黄铁矿和其他矿石的金属硫化物矿物的氧化产生的。各种提取地点可以产生流出物，其具有水平升高的下列金属污染物、含硫化合物、挥发性和溶解性有机物中的一种或多种。这些污染物可以以溶解或悬浮的形式存在，并且可以作为离子或诸如高氧化态化合物的化合物存在。

金属污染物和金属化合物可以包括重金属和/或轻金属。重金属包括但不限于铁、铜、锌、镁、锰、铝、镉、镍和铅、硒、汞、钴等。含硫化合物包括各种硫酸盐、硫化物和亚硫酸盐。另外，水材料可以含有各种氰化物、氰酸盐等。

过去的努力已致力于能处理中等至高浓度的溶解的金属和硫酸盐的方法，即高于约5000ppm的水平。在许多方法中，处理技术采用多种策略来沉淀金属污染物并降低硫酸盐和氰酸盐的浓度。这些方法的不利副作用包括金属氢氧化物和硫酸钙有害物质的沉淀，这导致显著的处理成本，并需要使用危险和/或难以处理的试剂。此外，各起始地点的性质、质量和污染物各不相同，使得难以在各种位置和情况下提供高效且有效的修复方法和方案。

很难提供能适当处理和修复每个给定产生地特有的环境挑战的方法。这将需要提供一种装置和方法，其能够处理和减轻特定流出物材料(如与酸性矿井排水相关的材料)中存在的各种浓度水平的各种目标化合物。还将需要提供一种装置和方法，其能够解决和减轻工业工艺流中各种浓度水平的各种目标化合物。

发明内容

本发明公开了一种用于处理污染水流的装置，包括：与工艺管道连通的至少一个工艺流体入口，以及与所述工艺管道流体连通的至少一个电极反应容器。所述反应容器具有内腔室和至少一个位于内腔室中的电极。所述电极由交流电源供电。所述装置还包括与所述工艺管道流体连通的至少一个磁场反应容器。所述磁场反应容器具有向外取向的表面和相对的向内取向的表面，并且具有至少一个与所述磁场反应容器的向内取向的表面物理接触的磁体。所述装置可用于处理具有浓度升高的至少一种目标污染物化合物或组分的含水工艺流，并且可以在工艺流的处理中具有特定的适用性，其中，所述目标化合物组分或组分包括轻金属、重金属、硫酸盐、氰化物及其化合物和络合物中的至少一种。

本发明还公开了一种处理具有浓度升高的至少一种目标化合物组分或组分的污染水流的方法。在某些实施方式中，所述目标化合物组分可以包括轻金属、重金属、硫酸盐、氰化物、烃、取代的烃及其化合物和络合物中的至少一种。所述方法包括用一定量的具有下式的化合物对工艺流进行进料的步骤：

其中，x为≥3的奇数，y为1-20之间的整数，Z为多原子离子，且Z为第14族到第17族中电荷在-1～-3之间的单原子离子，和/或电荷在-1～-3之间的多原子离子。所述方法还包括将所述工艺流暴露于脉冲电场和具有值在10高斯和1000000高斯之间的聚焦磁场的步骤。所述暴露步骤和进料步骤可以相对于彼此以任何顺序发生。

附图说明

在本公开中，请参考以下各个附图，其中类似的参考标记用于各附图中的类似元件。这些附图仅供说明之用，且包括以下内容：

图1为用于处理具有至少一种目标污染物的工艺流的设备的一种实施方式的图示；及

图2为概述了与进一步处理在图1中概述的方法中产生的含水材料相关的方法的实施方式的工艺流程图。

具体实施方式

本发明公开了一种用于处理污染水流的装置和方法。如概括描述的，该装置包括至少一个工艺流体入口，其与污染水源连通，允许至少一部分污染水输送到与所述装置操作接触处。如图1和图2中所示，它可以配置为至少一个工艺流体入口。所述工艺流体入口以将至少一部分污染水输送到与所述装置操作接触处的方式配置。在某些实施方式中，该设备可用于减少和/或消除目标污染物。目标化学污染物化合物的非限制性实例包括以下中的至少一种：金属、重金属、烃、取代的烃、硫酸盐化合物等。

该设备可以包括至少一个电解反应容器，其与至少一个工艺流体管道流体连通。所述电解反应容器具有内腔室和至少一个可操作地定位于该反应腔室中的电极，该电极由交流电源供电。所述电解反应容器可以配置成接收一定体积的工艺流材料并将其保持在电解反应容器中一段时间，以足以允许工艺流体暴露并与至少一个电极相互作用合适的接触时间。在某些实施方式中，该接触时间可以是2秒到90分钟。

在某些实施方式中，该装置可以被配置成便于根据需要或要求连续地处理连续或半连续工艺流中的污染水材料。在某些实施方式中，所述至少一个电极反应容器可配置有合适的内部体积，以允许工艺流体停留，足以使构成工艺流体的污染水与电极之间的接触时间达到2秒至90分钟/每100加仑的工艺流体材料。在某些实施方式中，相对于每100加仑的工艺流体材料，该时间可以为5秒至60分钟之间。在某些实施方式中，相对于每100加仑的工艺流体材料，该接触时间可以在10秒至30分钟之间；相对于每100加仑的工艺流体材料，该接触时间可以在20秒至30分钟之间；相对于每100加仑的工艺流体材料，该接触时间可以在15秒至15分钟之间。

将所述处理流体暴露于脉冲电场。该暴露可以通过一种或多种方法完成，包括但不限于以下中的至少一种：改变位于所述电解反应容器中的至少一个电极中的电压强度，改变位于所述电解反应容器中的至少一个电极中的电压输送持续时间，改变位于所述电解反应容器中的至少一个电极中的电极极性。在某些实施方式中，脉冲频率可以在每秒60个脉冲和每10分钟1个脉冲之间。在其他实施方式中，可以预见，该脉冲率可以在每秒1个脉冲和每分钟1个脉冲之间，而在其他实施方式中，可以预见，脉冲率可以在每5秒1个脉冲和每分钟1个脉冲之间。在某些实施方式中，该脉冲电场通过电极中的极性反转来完成。

在某些实施方式中，所述至少一个电解反应容器可配置有至少一个电极。在需要或要求时，该电极可以配置为双极性电极。在某些实施方式中，所述至少一个电解反应容器配置有至少一对电极，以给存在于所述至少一个电解反应容器中的工艺流体提供阳极和阴极暴露。还可以预见的是，如果需要或要求的话，所述至少一个电极反应容器可包括多个电极组件。

在所公开的装置中，所述至少一个电解反应容器可以与合适的控制单元电连接，并且可以包括合适的调节器、接口等，调节器、接口等被配置成向所述至少一个电极提供合适的脉冲电流。

所述至少一个电极可以被配置成交替或反转极性。所述至少一个电极可以被配置为电极对，所述电极对可以被配置成以脉冲的方式或间歇交替的方式从阳极到阴极交替或反转极性。可以预见，对象阳极的极性可以以交替的方式反转。在某些实施方式中，极性可以以至少每秒60次反转的频率和每10分钟1次反转的频率反转。在某些实施方式中，该频率可以在每秒1次反转和每分钟1次反转之间，而在其他实施方式中，该频率可以在每5秒1次反转和每分钟1次反转之间。不受任何理论的束缚，据信极性的反转可以增强电极表面活性，并且暴露于电解反应容器可以在工艺流体流中产生诱导的电荷状态。

不受任何理论的束缚，据信，暴露于电极促进了电极表面上或附近的至少一个电化学反应，该电化学反应催化至少一种化学反应，该化学反应破坏在含水工艺流中作为污染物存在的化合物中存在的一个或多个键，使得作为污染物存在的化合物流更易于进行随后的反应性处理。据信，发生在电极表面上或附近的过程使相关含水材料中存在的化合物电离。

所述至少一个电极可由任何合适的材料构成。在某些实施方式中，电极可以由导电材料组成，并且可以是惰性的或反应性的。适合用作电极的惰性材料的非限制性实例可以包括以下中的一种或多种：碳、石墨、金、铂、铑等。反应性电极材料的非限制性实例包括铜、锌、铅、银等。

所述装置还可以包括至少一个与工艺流体管道流体连通的磁场区域反应容器。所述磁场区域反应容器可以被配置成将工艺流体暴露于非极性磁场。所述磁场反应容器具有向外取向的表面和相对的向内取向的表面，其中至少一个磁体与所述磁场反应容器的向内取向的表面接触。所述磁场反应容器具有至少一个磁体，该磁体与磁场反应容器的向内取向的表面接触。在某些实施方式中，该磁体可以是电磁体。在某些实施方式中，该磁体材料可以是稀土磁体。合适的稀土磁体的非限制性实例是由稀土元素的合金制成的材料，包括镧系元素，以及钪和钇的合金。在某些实施方式中，这种磁体可以施加超过5000至10000高斯的磁场，例如钕磁铁和钐钴磁铁。

在各种实施方式中，在磁场区域反应容器中产生的磁场可以被配置为提供具有磁通量值在10高斯和2000000高斯之间的聚焦磁场。在某些实施方式中，该磁场在某些应用中将在5000和1000000高斯之间，并且在5000和100000高斯之间。应该理解的是，在某些应用中，该磁场可以在10到10000高斯之间。

可以预见的是，所述工艺流可以暴露于所产生的磁场一段时间，以足以引起所述工艺流中存在的一个或多个分子相对于所产生磁场的磁场取向。在某些实施方式中，相对于每100加仑的工艺流体材料，该暴露时间可以是在5秒至90分钟之间的一段时间，而在其他实施方式中，可以预见的是，相对于每100加仑的工艺流体材料，该暴露时间为15秒至10分钟。不受任何理论的束缚，据信，含水载体本身中存在的水分子中可以表现出诱导分子取向。在某些实施方式中，相对于每100加仑的工艺流体材料，该接触时间可以为10秒至30分钟；相对于每100加仑的工艺流体材料，该接触时间可以在20秒至30分钟之间；相对于每100的加仑工艺流体材料，该接触时间可以在15秒至15分钟之间。

所述至少一个磁场反应容器可以被配置成使经过该容器的含水工艺流将具有足以影响含水工艺流材料中的磁场取向的停留时间。在某些实施方式中，可以预见该停留时间在15秒至2小时之间，在某些实施方式中，该停留时间在30秒至1小时之间。

所述装置还包括至少一个进料流体引入机构，其与工艺流体管道流体连通。在某些实施方式中，进料流体引入管道可位于所述电极反应容器和/或所述磁场反应容器中的至少一个的上游位置。在所公开的装置的实施方式中，所述进料流体可含有具有下式的化合物：

其中，x为≥3的奇数，y为1-20之间的整数，Z为多原子离子，且Z为第14族到第17族中电荷在-1～-3之间的单原子离子，和/或电荷在-1～-3之间的多原子离子。

根据需要或需要，进料流体输送管道可以包括合适的泵、传感器、计量设备等，以控制进料流体的引入。进料流体输送管道可以在合适的位置处永久地或可释放地连接到工艺流体管道。在某些实施方式中，进料流体输送管道可以在所述至少一个电解反应容器、所述至少一个磁场区域反应容器中的至少一个或两个的上游位置处连接到工艺流体输送管道。还可以预见的是，该装置可以包括多个进料流体输送管道，其沿着工艺流体输送管道放置在多个位置处。

可以预见的是，所述至少一个进料流体输送管道、所述至少一个电解反应容器和所述至少一个磁场区域反应容器可以以任何合适的顺序沿着工艺流体管道放置。在某些实施方式中，所述至少一个进料流体输送管道将定位于所述至少一个电解反应容器和所述至少一个磁场区域反应容器的上游。所述至少一个电解反应容器和所述至少一个磁场区域反应容器可以相对于彼此以任何顺序定位于所述工艺流体管道中。在某些实施方式中，所述至少一个电解反应容器可位于所述至少一个磁场区域反应容器的上游。

在某些实施方式中，所述装置可以包括至少两个磁场区域反应容器和至少两个电解反应容器，它们被放置成与所述工艺管道流体接触，使得所述工艺流从电解反应容器中的驻留物依次输送到一个磁场区域反应容器，并从磁场区域反应容器中的驻留物输送到至少一个下游电解反应容器，并从那里进入到下游的磁场区域反应容器。

本发明公开的方法涉及工艺流出物流，其具有存在于含水工艺流中的水平升高的至少一种目标污染物。该目标污染物可以是以下中的一种或多种：轻金属、重金属、硫酸盐、氰化物、烃、取代的烃及其化合物和络合物。

本发明公开的方法包括以下步骤：收集至少一部分的含水工艺流，将收集到的工艺流暴露于脉冲电场中约15秒至60分钟；将收集到的流体暴露于聚焦磁场，该磁场在某些应用中具有在10高斯和100000高斯之间的值。

在某些实施方式中，所述方法涉及用于处理具有浓度升高的至少一种目标化合物组分或组分的污染水流的方法。在某些实施方式中，该方法包括用一定量的具有下式的化合物对工艺流进行进料的步骤：

其中，x为≥3的奇数，y为1-20之间的整数，Z为多原子离子，且Z为第14族到第17族中电荷在-1～-3之间的单原子离子，和/或电荷在-1～-3之间的多原子离子。

所述方法还包括将所述工艺流暴露于脉冲电场和具有值在10高斯和1000000高斯之间的聚焦磁场的步骤。将所述工艺流暴露于脉冲电场和聚焦磁场可以相对于彼此以任何顺序发生。所述暴露步骤和进料步骤可以相对于彼此以任何顺序发生。

通过本发明公开的方法和装置处理的所述流出物流可以是来自各种来源的含水材料。该流出物流将含有至少一种目标污染物。在某些应用中，该目标污染物可以是金属、重金属、硫化物和氯化物、烃、取代的烃以及其化合物和络合物中的至少一种。该目标污染物可以以悬浮固体、分散固体、溶解固体和/或其混合物存在。如本文所用的术语“重金属”被定义为致密的金属和类金属，其比重至少是水的五倍。这些材料的非限制性实例包括铬、钴、镍、铜、银、锌、镉、汞、铊、铅、锑、砷、硒。在诸如与金属清洁、处理和加工相关的其他应用中，所述目标污染物可以是诸如一价过渡金属的材料，诸如含有硒、锰、钼等的铝络合物的材料以及诸如铬镍镉配合物的含铬材料，诸如汞铅化合物的含汞化合物，诸如银的贵金属，银配合物，铜和诸如铜-锌材料的含铜化合物。可通过本发明公开的方法和装置处理的经工业方法产生的其他目标材料，包括有机磷酸盐材料、有机硫酸盐材料、有机硝酸盐材料、金属碳酸盐以及氰化物，它们都是游离的和络合的。络合的氰化物的非限制性实例包括硝普钠和诸如K₃FeCn₆的材料。

工艺流体所暴露于其中的脉冲电场，可以通过将工艺流体暴露于脉冲电场来实现，包括使工艺流体与至少一个电极接触并改变位于所述电解反应容器中的至少一个电极中的电压强度、电压输送持续时间、电极极性中的至少一种。在某些实施方式中，脉冲频率可以在每秒60个脉冲和每10分钟1个脉冲之间。在其他实施方式中，可以预见，该脉冲率可以在每秒1个脉冲和每分钟1个脉冲之间，而在其他实施方式中，可以预见，脉冲率可以在每5秒1个脉冲和每分钟1个脉冲之间。

合适的电极材料的非限制性实例包括各种惰性或反应性导电材料。适合用作电极的惰性材料的非限制性实例可包括以下中的一种或多种：碳、石墨、金、铂、铑等。反应性电极材料的非限制性实例包括铜、锌、铅、银等。

含水工艺流可以保持在脉冲电场中一段时间以足以允许反应和产生氢离子-水络合物。在某些实施方式中，相对于每100加仑的工艺流体材料，该时间可以在2秒至90分钟之间。在某些实施方式中，相对于每100加仑的工艺流体材料，该时间可以在5秒至60分钟之间。在某些实施方式中，相对于每100加仑的工艺流体材料，该接触时间可以是10秒至30分钟之间；20秒至30分钟之间；15秒至15分钟之间。

本发明公开的方法还包括将含水工艺流暴露于所产生的在10高斯和2000000高斯之间的磁场的步骤。在某些实施方式中，该磁场在某些应用中将在5000和1000000高斯之间，并且在5000和100000高斯之间。应该理解，在某些应用中，该磁场可以在10到10000高斯之间。所述工艺流体可以暴露于所产生的磁场一段时间，以足以引起所述工艺流中存在的一个或多个分子相对于所产生磁场的磁场取向。不受任何理论的束缚，据信，暴露于所产生的磁场，特别是当暴露于脉冲电场之后发生这种暴露时，由于暴露于脉冲电场而诱导了先前在工艺流体流中产生的水合笼的取向。在这样的实施方式中，可以预见暴露于脉冲电场和暴露所产生的磁场之间的间隔将足以使工艺流中存在的水合笼的浓度最大化。在某些实施方式中，该间隔将小于1分钟，而在其他实施方式中，该间隔将在30秒至3小时之间。

在某些实施方式中，相对于每100加仑工艺流体材料，工艺流体暴露于所产生的磁场的时间在5秒至90分钟之间。在某些实施方式中，相对于每100加仑工艺流体材料，该接触时间可以在10秒至30分钟之间；20秒至30分钟之间；15秒至15分钟之间。

所述用一定量的具有下式的化合物对工艺流进行进料的步骤可以在上述过程中的任何时刻发生：

其中，x为≥3的奇数，y为1-20之间的整数，Z为多原子离子，且Z为第14族到第17族中电荷在-1～-3之间的单原子离子，和/或电荷在-1～-3之间的多原子离子。在某些实施方式中，可以预见，x为3-12之间的整数，而在其他实施方式中，可以预见，x为3-9之间的整数。在某些实施方式中，可以预见，y为1-5之间的整数。合适的材料可以通过美国申请号2016-031209中概述的步骤制备，其内容并入本文。在某些实施方式中，该化合物可以选自由氢(1+)，三水-μ3-氧-三硫酸盐(1:1)；氢(1+)，三水-μ3-氧-三碳酸盐(1:1)；氢(1+)，三水-μ3-氧-三磷酸盐(1:1)；氢(1+)，三水-μ3-氧-三草酸盐(1:1)；氢(1+)，三水-μ3-氧-三铬酸盐(1:1)；氢(1+)，三水-μ3-氧-三重铬酸盐(1:1)；氢(1+)，三水-μ3-氧-三焦磷酸盐(1:1)及其混合构成的组。

在某些实施方式中，所述进料步骤在暴露于脉冲电场和/或所产生的磁场之前很好地发生。所述进料步骤在这些步骤之前、之间和/或期间的间隔发生，也是在本公开的范围内。在某些实施方式中，在所得进料后的含水工艺流体中，该化合物可以以100ppm至1000000ppm的浓度存在于含水组合物中。在通过该方法以分开的剂量加入化合物的情况下，可以预见的是，在每次进料后，进料后的含水工艺流体可以表现出100ppm至1000000ppm之间的浓度。

不受任何理论的束缚，据信，在暴露于电场步骤和/或暴露于聚焦产生的磁场中的一个或两个期间中，含水工艺流中存在的进料化合物有助于在含水工艺流中产生水合笼。另外，据信所述进料化合物的存在产生了含水工艺流体，其具有水平升高的可用的反应性分子氢，其反过来在上述步骤期间和下游处理期间与至少一种目标污染物反应以产生能在澄清和分离步骤中除去的化合物和化学络合物。

可以预见的是，本发明公开的方法和过程可单独使用，或者与各种其他修复和处理操作组合使用以产生具有水平降低的目标材料的修复水。在某些应用中，所产生的材料可适于排放到溪流或水道中。在其他操作中，所产生的水可以适合于后续处理或加工。

还可以预见的是，本发明公开的方法和装置可用于处理和修复含水工艺流，以产生饮用水和再生水，其中含水工艺流产生自一个或多个市政或消费者产生过程，例如纺织品洗涤，洗衣和轻度清洁操作，以及与诸如洗涤车辆等操作相关的清洁过程。

由本发明公开的方法和装置产生的所得工艺水具有水平降低的污染，足以允许再循环和再利用闭环工业处理系统，甚至用于非农业灌溉应用中以支持非食用植物生长。在某些应用中，基于包括但不限于原始污染水平和/或处理强度水平的因素，所得含水流可适合用于各应用，如用于动物饲料的牧草浇灌等。在某些应用中，所得含水材料可用于非消费的人体接触，甚至可用作某些应用中的饮用水。

图1中描绘了用于处理和修复水的方法10的一种实施方式。被广泛解释的该方法涉及将具有至少一种目标污染物的工艺流暴露于电解反应环境并将工艺流暴露于磁场。这些暴露可以按任何顺序依次发生或以任何顺序迭代发生，并且在某些情况下可以同时全部或部分地进行。如图1所示，方法10包括这样的步骤，其中具有至少一种目标污染物的工艺物流夹带在电极反应容器中，如参考标号20所示。含水流可以保留在电极反应容器中一段时间以足以允许反应和产生氢离子-水络合物。

方法10还包括将含水工艺流引入到至少一个磁场区域反应容器中的步骤，如参考标号30所示。含水工艺流可以停留在反应容器中一段时间以足以影响含水工艺流材料中的磁场取向。可以根据需要或要求迭代地或依次地重复附图标记20和30处概述的步骤。

在需要或所需的情况下，该方法还可以包括用合适的碱添加剂进料，包括但不限于根据需要或要求的合适的稳定的水合氢型添加剂材料。在某些实施方式中，所述稳定的碱性水合氢型添加剂材料可包括以下中的一种或多种：

具有以下化学结构的物质组成：

[H_x O_x-y]_mZ_n

其中，x为≥3的奇数；

其中，y为小于x的整数；

其中，m为1-6之间的整数；

其中，n为1-3之间的整数；

其中，Z为单原子离子、多原子离子或阳离子络合物。

在某些实施方式中，在将含水工艺流暴露于脉冲电场和聚焦磁场的步骤之后，加入所述稳定的碱性水合氢离子络合物，并且在某些实施方式中，可在除去生成的化合物(例如硫酸盐固体)之后进行。在某些实施方式中，可以加入稳定的水合氢化合物以提供10ppm至50000ppm之间的溶液浓度。在某些实施方式中，所述稳定的水合氢添加剂具有上述通式，其中Z为单原子阳离子、多原子离子或电荷为+2以上的阳离子配合物之一，其中至少一部分的第二化合物作为H₄O₃ ^2-、H₅O₂ ^2-、H₇O₂ ^2-、H₆O₅ ^2-及其混合中的至少一种存在，并与在水溶液中含有稳定羟鎓阴离子簇的工作桥联配体配位结合。此类材料的非限制性实例在美国申请号2016-034019中已概述，其公开内容通过引用方式并入本文。

现在参考图2所示的装置，示出了修复系统，其被配置成用于处理可能由工业制造过程、采矿作业等产生的严重污染的含水流。装置50包括至少一个含水工艺流体入口52，其配置成将待处理的含水工艺流体从外部源输送到装置50中。

装置50还包括至少一个电解反应容器54，其被配置成将电荷引入到含水流中并诱导含水物质中的带电状态。装置50还包括至少一个磁场区域反应容器56，其被配置成将工艺流体暴露于非极性磁场，该非极性磁场足以使含水工艺流体中存在的水分子取向。如图所示，磁场区域反应容器56位于电解反应容器54的下游。切换各个容器54、56的顺序，这是在本公开的范围内。如图所示，各反应容器54、56被配置成用于单程处理，然而，装置50可以被配置成允许通过一个或两个反应容器54、56进行迭代再循环，这也是在本公开的范围内。装置50还包括多个上述任一容器，这也是在本公开的范围内。在使用多个容器的情况下，根据需要或需要，各容器可以并联、串联取向或利用两种取向以各种构型取向。

该装置还包括与管道52流体连通的至少一个进料流体引入设备53。

一旦处理，被处理的含水工艺流可通过合适的输送管输送到至少一个澄清器单元中。在所示的实施方式中，装置50包括金属澄清器单元60，其被配置成触发作为金属氢氧化物污泥夹带在工艺流中的金属的沉淀。金属氢氧化物污泥可以通过合适的管道(如管道62)输送出金属澄清器单元60，用于进一步处理和环境安全处置。

在图1所示的装置中，金属氢氧化物污泥被输送到脱水单元64，以通过合适的过程(例如重力，压力，离心等)将固体材料与相关的水分离。产生的所得固体材料是金属氢氧化物滤饼污泥66的形式，其可以以环境适宜的方式被再循环、处理或转移以进行处置。在该操作期间分离出的水可以通过任何合适的方式(例如管道68)从脱水单元64输送出去。在所示的装置50中，管道68在一个或多个反应器单元54、56的上游位置与入口管道52流体连接。根据需要，分离出的含水材料可以以合适的方式重新引入到含水工艺流中。在某些应用中，分离出的工艺水可以以允许工艺流的受控稀释的方式计量加入到入口管道52中的工艺流中。管道68可配备有适当的仪表等(未示出)。

澄清后的工艺流体可以通过合适的管道(例如管道70)离开金属澄清器单元60。在图2所示的实施方式中，可以将含水工艺流引入到硫酸盐去除澄清器72中，其被配置成产生可通过合适的管道74去除的硫酸盐和不溶性硫酸钙，以输送到合适的脱水单元76，产生纯的无水硫酸钙78形式的固体材料，硫酸钙可被除去以用于合适的后处理应用。在脱水过程中产生的含水滤液可以通过合适的管道80从脱水单元76输送出去。

为了促进硫酸钙的形成，该装置可包括用于酸化该工艺流的合适装置。装置50中可以包括合适的酸化贮液器82，其在金属澄清器单元60的下游位置处与工艺流体进行流体连通。在所示的实施方式中，酸化单元82在管道70中的一位置处连接到工艺流，并且可以包括合适的仪表、反馈传感器等。

在某些实施方式中，酸化贮液器82可以被配置成允许工艺流体与一定体积的含水材料混合，所述含水材料包括具有下列通式的化合物：

其中，x为≥3的奇数，且在某些实施方式中，x为3-12之间的整数，某些实施方式中，x为3-9之间的整数；

y为1-20之间的整数，且在某些实施方式中，y为1-5之间的整数；

Z为多原子离子，且Z为第14族到第17族中电荷在-1～-3之间的单原子离子，和/或电荷在-1～-3之间的多原子离子。

澄清后的工艺流离开澄清器单元72进入合适的管道82，管道82与合适的储存和分配罐84连通。可以预见的是，在储存和分配罐84中积聚的一部分工艺流体可以被移入管道86中，在那里，它可以被重新引入到初始工艺流中，以便在进入反应器54、56之前实现稀释和引发作用。可以将余量的处理后的材料输送到合适的pH中和罐86中，在pH中和罐86中可以根据需要中和工艺流，并且可以将材料作为最终处理后的流出物释放。

不受任何理论的束缚，据信，本发明公开的方法和装置用于通过改变污染物和水分子的价态来破坏它们之间的化学键，这允许金属从溶液中沉淀出来，形成不溶性金属沉淀物，产生pH在6-10之间的处理后的流出物。该方法能够将水处理至州和联邦排放标准，产生相对少量的金属滤饼材料，并且能在不产生大量污泥的情况下完成。该系统具有简单的设计、相对较小的占地面积、故障安全监测技术、最低的电气要求、最低的维护和运行成本、高吞吐量，并能够连续运行。

与传统的危险熟石灰相比，据信，该系统具有最少量的无害、无毒、无腐蚀性的专有化学品。与传统的危险熟石灰相比，使用了最少量的无害、食品级、GRAS级石灰浆，污泥产量减少了高达50％；产生了不含重金属和其他所需材料的污泥，以及生产可回收金属等材料和硫酸钙等材料，以用于后处理工业过程，例如制造无金属的石膏。

为了进一步说明本公开，请参考以下非限制性实施例。

实施例I

本发明公开的方法及装置的实施方式使用了取自科罗拉多州水泥溪(CementCreek)的两个样品。将其处理后，测定关键金属的含量。结果总结在表I中。

表I

实施例II

根据本发明公开的方法对来自化工和表面工程公司的流出物进行处理。被处理的流出物包括镉、镍、铜、金、银、锌、汞和铅以及无机配体，且包括游离的和总的氰化物、磷酸盐和氟化物化合物。有机物包括甲基乙基酮、丙酮和三氯乙烯。针对安装中的现有处理系统评估该方法。发现，根据本公开概述的方法处理后的排放水具有与蒸馏水类似的水质，并且能够满足对总的有毒有机物的要求。这是通过在没有反应性、排气或放热的情况下进行处理而产生的固体废物减少90％来实现的。

虽然已经结合某些实施方式描述了本发明，但应该理解的是，本发明不限于所公开的这些实施方式，相反，本发明旨在覆盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等同布置，该权利要求的范围应被赋予最广泛的解释，以包括法律允许的所有此类修改和等效结构。

Claims (8)

1.一种用于处理污染水流的装置，污染水流具有浓度升高的至少一种化学组分，所述装置包括：

与工艺流体管道连通的至少一个工艺流体入口，所述工艺流体入口与污染水源至少暂时流体连通，所述污染水源具有浓度升高的至少一种目标化学组分，所述目标化学组分选自由轻金属、重金属、硫酸盐及其混合物构成的组；

与所述工艺流体管道流体连通的至少一个电解反应容器，所述电解反应容器具有内腔室和至少一个位于所述反应容器的内腔室中的电极，所述电极由脉冲交流电源供电；

至少一个磁场区域反应容器，所述磁场区域反应容器与所述工艺流体管道流体连通，所述磁场区域反应容器具有向外取向的表面和相对的向内取向的表面，所述磁场区域反应容器具有至少一个与所述磁场区域反应容器的向内取向的表面接触的磁体；

至少一个电极功率调节机构，所述电极功率调节机构被配置成改变位于所述电解反应容器中的至少一个电极中的电压强度、电压输送持续时间、电极极性中的至少一种；

至少一个进料入口，所述进料入口被配置成输送计量量的含水组合物，所述含水组合物包含一化合物，所述化合物选自由H₉O₄ ⁺与硫酸根1:1的配合物；H₉O₄ ⁺与碳酸根1:1的配合物；H₉O₄ ⁺与磷酸根1:1的配合物；H₉O₄ ⁺与草酸根1:1的配合物；H₉O₄ ⁺与铬酸根1:1的配合物；H₉O₄ ⁺与重铬酸根1:1的配合物；H₉O₄ ⁺与焦磷酸根1:1的配合物及其混合物构成的组。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述磁场区域反应容器被配置成将含水工艺流暴露于具有值在10高斯和100000高斯之间的聚焦磁场。

3.如权利要求1或2所述的装置，进一步包括：位于所述至少一个电解反应容器和所述至少一个磁场区域反应容器下游的至少一个分离设备，所述分离设备为过滤单元、离心机和/或压缩机中的至少一种。

4.如权利要求1所述的装置，包括至少一个控制器，所述控制器被配置为监控所述工艺流体的特性，其中，所述磁场区域反应容器被配置成将含水工艺流暴露于具有值在10高斯和100000高斯之间的聚焦磁场。

5.一种降低含水工艺流中至少一种目标污染物浓度的方法，所述方法包括步骤：

用一定量的一化合物对所述工艺流进行进料，所述化合物选自由H₉O₄ ⁺与硫酸根1:1的配合物；H₉O₄ ⁺与碳酸根1:1的配合物；H₉O₄ ⁺与磷酸根1:1的配合物；H₉O₄ ⁺与草酸根1:1的配合物；H₉O₄ ⁺与铬酸根1:1的配合物；H₉O₄ ⁺与重铬酸根1:1的配合物；H₉O₄ ⁺与焦磷酸根1:1的配合物及其混合物构成的组；以及

依次进行以下步骤：

a)将所述工艺流暴露于脉冲电场；

b)将所述工艺流暴露于具有值在10高斯和1000000高斯之间的聚焦磁场。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述目标污染物为金属、重金属、硫化物和氯化物、烃、取代的烃以及其化合物和络合物中的至少一种。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述工艺流与至少一个电解反应容器连通，所述将所述工艺流暴露于脉冲电场的步骤包括：

使所述工艺流与至少一个电极接触并改变位于所述电解反应容器中的至少一个电极中的电压强度、电压输送持续时间、电极极性中的至少一种。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，将所述工艺流暴露于所述脉冲电场2秒至90分钟，其中，所述脉冲至少部分地起到改变电极极性的作用。

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