CN1168674C - 现场使用的可饮用水源的微生物控制 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了电化学制备臭氧以供使用者现场使用。本发明的电化学臭氧发生器或系统可以用于提供消过毒的水、含臭氧的水和/或臭氧气体。通过将臭氧气体通入饮用水源或净化的水源中进行消毒或控制水源中的微生物可以制得消过毒的水。臭氧化的水或臭氧气体可以被制备并提供给消费者用于各种防微生物和清洁用途中，如洗食物、衣物、盘子、厨台、玩具、水槽、浴室地面等。此外，臭氧发生器可以用于输送含臭氧的水流用于工厂或居室的现场使用以对医疗设备和医疗器械洗涤、消毒、和杀菌。例如，含臭氧的水可以直接使用或用作浓缩的消毒剂以用于医疗器械及设备的洗涤、消毒和杀菌。臭氧还可用在前面所述的许多实施例中，同样可用于空气的除臭和其它各种用途。本发明使电化学臭氧发生器在几乎或完全无源的方式下进行而且设计简单。

Description

现场使用的可饮用水源的微生物控制
技术领域
本发明涉及制备用于对现场使用的可饮用水源进行杀菌的臭氧，如反渗透系统、致冷机、自动饮水器等。
背景技术
臭氧早就被认为是一种有用的化学品，尤其是它具有优良的氧化性。因为这种性能，它在消毒处理中具有广泛的应用。实际上，它杀菌比氯更快并能分解有机分子，及在含水系统中除色。臭氧化作用可除去氰化物、苯酚、铁、锰和洗涤剂。它能控制含水系统中残渣的形成，还可在系统中保持高氧含量。不象氯化作用会在含有机物的系统中留下不想要的已氯化有机物残渣，臭氧化作用只留下很少量可能有害的残渣。已经发现臭氧在气相和液相氧化反应中都会起作用，所述反应可以通过深度氧化方法(AOPs)进行，其中通过紫外线的照射提高了氢氧根自由基的形成(OH·)。某种AOPs甚至包含催化剂面，如一种多孔的二氧化钛光催化剂，这进一步地加强了氧化反应。甚至有证据表明臭氧会破坏病毒。因此，臭氧在酿造工业中用于杀菌，在污水处理和制造业中用于控制气味。臭氧还可用作制造某种有机化合物的原材料，如油酸和过乙酸。
因而，臭氧广泛地应用于在许多不同的领域中，如果制造成本能够降低那么其应用一定会大大增加。因为许多原因，臭氧一般需要在使用地就地制造。然而，臭氧制造设备的造价和制造臭氧的低能量利用率在许多地方限制了它的使用。
在市场上，臭氧通常通过静电释放过程进行，或者称作电晕放电，其中空气或氧气通过一个强烈的、高频交流电电场。电晕放电形成臭氧(O3)的方法如下式反应所示：
；ΔH°298＝34.1千卡
电晕放电方法的产量一般约为2％的臭氧，即排出气约有2％(重量)的臭氧。虽然感觉这种臭氧的浓度的很低，但是其数量已足以用于指定的工业目的。电晕方法的另外一个缺点是产生有害的氮氧化物(NOx)。除了上面提到的放电方法外，工业上没有其它可以生产大量臭氧的方法。
然而，O3也可以通过电解的方法制备，通过将电流(通常为直流电(DC))通过插入电解质(即可导电的流体)中的电极。电解质包括通过电解方法分解为相应元素(O2和H2)的水。在合适的条件下，氧气变为臭氧。臭氧的转化可通过下式表示：
；ΔH°298＝207.5千卡
我们注意到电解方法的ΔH°大于放电方法许多倍，因而，电解方法的缺点是相对需要6倍的能量。
更具体地说，为了与基于放电方法的能量消耗竞争，电解方法必须在臭氧的产量上至少增加6倍。目前为止，在任何可预见的实际的电解系统还来能实现这种必需的高产量。
已知通过不同电解质的电解作用进行臭氧的转化已经100年了。在文献中记载了高达35％的电流效率。电流效率是一种衡量在给定的输出电流下相对于氧气产量的臭氧产量，即35％的电流效率指在所述条件下，阳极放出的O2/O3气体包括35％(重量)的臭氧。然而，这种产量只能在很低的电解温度下得到，如在约-30℃到约-65℃的范围内。保持这种低温显然需要昂贵的致冷设备并伴有额外的操作能耗。
臭氧大量地存在于地球的上部大气层以保护地球不受太阳中有害的紫外线的照射。此外，臭氧已经被用在各种化学方法中，已知它是一种强氧化剂，具有2.07伏的氧化势能。这种势能使它成为已知的第4强的氧化性化学物质。
因为臭氧具有这种强的氧化势能，它具有很短的半衰期。例如，已经溶解在废水中的臭氧可以在约20分钟内分解。臭氧可以分解为次氧化剂如高反应性的羟基自由基(OH·)和过氧化氢自由基(HO2·)。这些自由基属于已知的最有的反应性的氧化性物质之列。它们与溶解的化合物发生快速的、非选择性的自由基反应。羟基自由基的氧化势能为2.8伏(V)，高于包括臭氧在内的大多数的化学氧化剂。大多数OH·自由基在链反应中产生，其中OH·本身或HO2·作为引发剂。
羟基自由基作用于有机污染物是通过除去氢或向双键中加入氢，所得到的自由基歧化或者相互结合形成许多种中间体，所述中间体进一步生成过氧化物、醛和过氧化氢。
通过加入电能强制化学反应进行的电化学电池被称作电解电池。任何电池的主要工作都是发生产生或消耗电子的氧化反应和还原反应。这些反应发生在电极/溶液接触的界面上，在这里电极一定要是优良的电导体。在工作中，电池与一个外部的负载或电压电源相连，电荷的移动是阳极和阴极之间的电子通过外电路进行。为了完成通过电池的电路，需要存在另外的机理用于内部的电荷传递。通过使用一种或多种电解质可达此目的，所述电解质通过离子导电以支持电荷的移动。电解质的电导性要低以防止电池的内部短路。
最简单的电化学电池至少由两个电极和一种或多种电解质组成。发生氧化反应产生电子的电极是阳极。发生还原反应消耗电子的电极是阴极。电子在外电路的流向总是由阳极到阴极。
象上面所讨论的，近来对臭氧的研究主要集中在使用臭氧的方法或提高臭氧产生效率的方法。例如，对电化学制备臭氧的研究导致改进了的催化剂、膜和电极装配、流场和双极板等。这些努力有助于使电化学制备臭氧成为一个可靠的而又经济的技术，将使它走出实验室并应用于工业生产中。
然而，因为臭氧在气态下会很快地分解，当溶解于水中时则存在的时间更短，优选在使用现场就地生产臭氧。过去，因为传统的臭氧生产系统本身不适于臭氧的贮存，所以臭氧的生产速度基本上等于臭氧的消耗速度。臭氧可以作为一种压缩的气源贮存，但是当使用电晕系统生产时排出的气流压力基本上等于大气压。因而，需要另外的硬件压缩所述气体，其本身会由于热解和机械降解降低臭氧的浓度。通过电晕方法生产的臭氧可以溶解在液体如水中，但是这种方法一般需要另外的用于将臭氧气体导入液体中的设备，在大气压和外部环境温度条件下仅有少量的臭氧可以溶解在水中。
因为有许多现场使用者需要使用很少量的臭氧，使用传统的臭氧制备系统如电晕放电一般不太经济。另外，由于许多使用者需要臭氧在加压下或溶解在水中传送，如用于消毒、杀菌、处理污染物等，因而另外用来压缩和/或溶解臭氧于水流中的设备进一步增加了系统的费用。
因而，需要一种在标准交流电或直流电和水中能有效操作的臭氧制备系统以输送一种可靠的臭氧气流，所述在一定压力下制备的气流可直接使用。还有其他的使用将受益于已经溶解在水中的高浓缩臭氧，它可以直接使用或在一个操作气流中被稀释以达到所期望的臭氧浓度。理想状况是所述系统是独立的、自身控制的并只需很少的维护。更期望所述系统仅有最少量的耐磨部件、最小的控制系统，并能和低压电源如太阳能电池组、车辆电力系统或蓄电池电源联合使用。
发明内容
一个致冷机与一种臭氧发生器水处理系统相结合，在致冷机的制冰器和/或水分配形成部件得到净化的和消毒的水。所述水可以在一个冰冷的处理池中臭氧化。臭氧可以在处理池的上游或下游导入以对生物膜和微生物进行控制。设有水平仪和纯度传感器以指示水的净化状况。
本发明涉及提供了可饮用的或净化的水的致冷机，使用臭氧从水中除去微生物。
已知现代的致冷机包括一个用于分配冷冻水的分配器及一个用于分配小方冰块或冰片的制冰器。各种各样的设备已经被用于净化水，包括颗粒过滤器、超滤器、碳过滤器、水软化系统、离子交换系统及反渗透系统。为了杀死细菌、病毒和其它微生物，通常使用氯。然而，由于形成潜在有害的副产品水的氯化是有害的。
本发明包括一个由碳块、颗粒状活性碳、反渗透等组成的水处理系统，所述系统在致冷机的内部或向致冷机的分配器提供冷冻水，其中所述水在分配之前已经经过臭氧化。本发明的系统在致冷机的附近或内部制备臭氧，在水处理系统的一处或多处使用臭氧以控制微生物的生长，或者在水管上或者在组成水处理系统的其它水处理设备上。本发明使水处理系统如碳块、颗粒活性碳、反渗透、臭氧发生器等在致冷机内部一体化以制备不含微生物污染物的纯化水。
本发明的一个实施方案中具有致冷机外壳、使外壳冷却的设备、用于打开和关闭外壳的设备、电化学臭氧发生器、供给致冷机的可饮用的或净化的水、将所述水源和电化学臭氧发生器相连的设备、电化学臭氧发生器的废水排放口、及一个或多个用于在臭氧发生器和可饮的或净化的水流之间移动臭氧气体或臭氧化了的水的连接。可饮的或净化的水流与致冷机的进水口相连通，来自可饮的或净化的水流的水被送到制冰器或水分配器以传送不含微生物的净化水。在一定的压力下促使水通过水管流动，例如来自城市的供水。所述水流经过过滤过程如碳过滤、超滤或反渗透。经过水处理阶段之后，净化水在输送前可贮存在贮藏池中。臭氧气体或含臭氧的液体被导入所述池中进行消毒，使水在排放之前改善了气味或味道。水贮藏池可用作冷却的水源。一定要避免这种贮藏室的壁过薄以至于难以避免贮藏室里的水结冰。在这种贮藏室中可以装配一种传感器以防止结冰。
另一方面，或者结合本发明的其它实施方案，臭氧气体可以导入致冷机箱内来控制气味和食物保鲜。
由于所述过滤设备可以产生废水，排水口可以由前述的过滤设备改装在致冷机的通常排放点。废水管道也可以与电化学臭氧发生器产生的废水相连通。
除了将臭氧导入水贮藏池之外，臭氧可以以气态或溶解于水中的形式导入水过滤部件的上游。在这些位置导入的臭氧用于杀死微生物，包括细菌、病毒和原生动物、孢子、和胞囊，包括在水处理系统中附着的微生物膜。臭氧能使过滤部件(过滤膜或碳质过滤器)保持清洁的条件。电化学臭氧发生器与冷冻的致冷机箱相接触。一个壁用来使它和冷藏室或冷冻室相分离。例如，臭氧发生器可以在一个被包围的室中，所述室至少一个壁或壁的一部分与冷藏或冷冻室接触。壁的厚度和壁的物理性质是防止电化学电池内的水结冰。然而，壁的厚度足以使热量从臭氧发生室通过包围的壁转移到冷冻室。臭氧发生器的壁和冷冻水贮藏池连接在一起以使热量从臭氧发生器转移到冷冻水贮藏池。
从水源入口或净化水流到电化学臭氧池的水管包含一个限流设备。电化学臭氧池包含的水不能逆流和入水口流相接触。逆流限制设备可以包括一个止回阀，它还可以防止压力的损失。
理想条件是致冷机箱被冷冻。所述箱将处于或接近于水的冰点，也可以处于水的冰点以下。理想条件是电化学臭氧发生器的结构部件和臭氧发生器内部所含的流体的温度显著高于致冷室的温度(10-20℃)。然而，理想条件是对于所述臭氧发生器希望其温度低于致冷机外部的一般温度，例如室周围的气温。本发明使用冷冻室以保持电化学臭氧发生器的电池温度。通过将电化学电池与冷冻室的壁相接触或位于其附近可达此目的。通过使用具有一定热量传导特性的隔板材料可保持所希望的温度。所述隔板材料调节电化学臭氧电池和冷藏室的热量转移。
附图说明
附图中所介绍的实施方案更具体地描述了本发明(上面作了简要概括)，本发明上述的特征和优点可以被详细地理解。然而，应该注意附图只是说明本发明优选的实施方案，因而不能认为是对本发明保护范围的限制，因为本发明包含其它同样有效的实施方案。
图1是电化学臭氧发生器子系统的示意图，电化学臭氧发生器具有一个憎水相分离膜以防止阳极的水与要被处理的水相混合。一个压差感应元件被用于证实相分离膜的完整性。
图2是一个具有电化学臭氧发生器的水处理系统的流程图，所述发生器的操作压力基本上高于环境压力。处于标准输出压力(如室压)的水被送往所述系统。一种电化学臭氧发生器子系统直接与水输送或分配系统相连。
图3是一个具有臭氧发生器和输送子系统的水处理系统的流程图，所述系统将入口端的臭氧输送到一个系统中并发生作用。
图4是一个具有可听或可视指示器的水质量监控系统的流程图。根据得到的信息，所述控制器可以控制臭氧发生器子系统的操作并可提供一个或多个指令表示系统的状况。
图5是一个适合的废气分解子系统的流程图，作为整体水处理系统的一部分。
图6A是一个电化学电池的断面图，核心部件可以作为一个单槽电解槽，或者注塑成型后作为插入件以形成一个完整的电解装置系统。
图6B是另一个电化学电池断面图。
图7是一个水处理、贮藏和输送系统的示意图，所述系统包含一个没有气泡的蓄水池，当水的再生速度基本上小于短期需要时它可以临时供水。通过对系统变量的调节，所述系统的设计可以提供最小的平均接触时间。
图8是一个具有多个可以在不同压力下操作的电化学系统的水处理装置的流程图，其中一个电化学气体发生器的操作压力可以等于或基本上高于主水流的压力。
图9是一个臭氧发生器的实施例的图解，所述发生器被设计为直接和贮水池连接。
图10显示了在致冷机内部现场使用的微生物控制设备的流程图，所述致冷机具有通过特征。
具体实施方式
本发明提供了电化学制备臭氧以供使用者“现场使用”。本发明的电化学臭氧发生器或系统可以用于提供消过毒的水、含臭氧的水和/或臭氧气体。通过将臭氧气体通入饮用水源或净化的水源中进行消毒或控制水源中的微生物可以制得消过毒的水。臭氧化的水或臭氧气体可以被制备并提供给消费者用于各种防微生物和清洁使用中，如清洗食物、衣物、盘子、厨台、玩具、水槽、浴室地面等。来自电化学发生器的臭氧化处理的水、消毒后的水或臭氧气体可提供到(例如)致冷机、冰箱、制冷机、自动售水机、自动售饮料机、饮水器、带倾口的大水罐、过滤水龙头或反渗透装置。此外，臭氧发生器可以用于输送含臭氧的水流用于工厂或居室的现场使用以对医疗设备和医疗器械的洗涤、消毒、和杀菌。例如，含臭氧的水可以直接使用或用作浓缩的消毒剂以用于血液透析、腹膜透析、固定和活动内窥镜、导尿管、外科器械、牙科设备、假体、隐形眼镜等的洗涤、消毒和杀菌。臭氧还可用在前面所述的许多实施例中，同样可用在空气的除臭和其它各种用途中。本发明的各个方面使电化学臭氧发生器在几乎或完全无源的方式下进行并具有迄今为止最简单的设计。
本发明的一个方面，还包括一个二次电化学电池，所述电池具有一个与反应物水的供应出口通过流体相连的阳极和一个与臭氧发生器的阳极通过流体相连的阴极流体出口。其中二次电化学电池，以高于邻近臭氧气体输送通道的水处理系统的压力，向电化学臭氧发生器的阳极提供阴极流体。
本发明的一个方面，一种憎水膜被放置在阳极和产生臭氧的阳极槽之间，水从而被消毒。对于用在设备中的憎水膜的性质没有特别地限制，憎水膜例如可以由下述物质形成：称作TEFLON(a trademarkof Dupont of Wilmington，Deleware)的PTFE(四氟乙烯树脂)、PFA(四氟乙烯-全氟烷氧基乙烯共聚物树脂)、PVDF(1，1-二氟乙烯树脂)、FEP(四氟乙烯-六氟丙烯共聚物树脂)、ETFE(四氟乙烯-乙烯共聚物树脂)等，憎水膜孔径的选择应保证水不能透过，其厚度优选0.01-10微米，更优选为0.1-2微米。
这种憎水膜可保证不同质量等级的水的分离，例如，待处理的水可能含有氯或不应该和阳极水接触的离子，阳极水可能含有不应该传输到待处理水中的副产品或污染物。两种水可以存在于不同的压力下，所述系统可以装配一个差压传感器以监测分离膜或膜是否失效。
为进一步防止两种水的混合，第二个憎水膜和第一个憎水膜可以串联，两膜之间的空间所处的压力既不同于阳极水源也不同于待消毒的水源。压力传感器或其它控制通过每个憎水膜的压差的设备可用来确保每个膜的完整性。
本发明的另一个方面，电化学臭氧发生器的操作压力不低于待消毒的水的压力。采用这种方式，所制备的臭氧气体可以直接导入待消毒的水中而不需要文氏管、泵或压缩机。
本发明的另一个方面，通过电化学臭氧发生器产生的气体被导入水过滤设备和/或处理系统的上游以防止生物膜的成长，所述生物膜会降低过滤剂、碳块和其它过滤介质的使用寿命。
本发明的另一个方面，通过电化学臭氧发生器制备的臭氧被导入膜基水处理系统(如反渗透(RO)或超滤系统)的上游以防止生物膜的增长和积累，已知这种生物膜会降低所述渗透膜功效。所述臭氧定期地或以可控制的方式导入以防止水处理系统的膜被氧化或其它对臭氧只有有限抵抗力的成分被氧化。
本发明的另一个方面，一种可视的或可听的指示器被用来为使用者提供一种指示信号以表征臭氧发生器的性能。在一个实施方案中，被设计和操作的传感器指示了溶解在待消毒的水中的臭氧的量。在另一个实施方案中，指示了通过产生臭氧的电化学电池的电压和电流测量值。横跨电化学电池的电压可以设于阳极和阴极电压传感器测定。通过电化学电池的电流可以与电化学电池串联的电流传感器测定。电化学电池的输出和电池的操作参数相互关联，因而可用来监控臭氧发生器的性能。作为一个实施例，电化学电池的阳极和阴极之间的电压指示了电化学过程，由所述电压可以看出电化学电池是在制备氧还是臭氧。
在所述系统的许多设备中，电化学臭氧发生器操作中出现的副产品废氢气不能被排出或不容易被处理。因而，可以结合一种氢分解系统以使氢和空气中的氧相结合形成较易处理的水蒸气。
可选择地，氢可以结合任何来自电化学臭氧发生器的阳极的过剩气流。这种气流可能源于直接来自发生器的过量气体，或者是在臭氧已经和待消毒的水反应之后从待消毒的水中排放的气体。
相对于包括反渗透系统的全部水处理系统，电化学臭氧发生器可以作为一个子系统来操作。来自反渗透系统的水可以直接或者经过进一步处理后(如设计一种可从水源中除去离子的树脂层)用在电化学臭氧发生器的阳极上。然后在水处理系统的多个步骤和子系统之前和/或之后，所得到的臭氧可用来处理任何品质的水。
本发明的系统有利于“现场使用”，实际使用也包括“进入点使用”。所述“进入点”一般是指水从水源进入家庭或装备的地方，而“现场使用”是位于消费地的附近。在进入点处理的水适用于整个家庭或装备。相比之下，现场使用的水处理方法得到的水一般直接用来饮用、洗澡、洗涤等。
本发明的另一方面，通过装配的冷却系统将电解槽冷却到环境温度或环境温度以下。一般需要冷却以防止电化学操作因阳极的温度升至约35℃而出现的低效率，从而使制备的臭氧的热分解最小化。将臭氧或含臭氧的水冷却到环境温度和冰点温度之间有利于提高臭氧的使用寿命并提高臭氧在水中的溶解度。作为一个实施例，如果臭氧发生器被用来处理进入的水或来自致冷机或冰箱的水，臭氧发生器可以位于致冷机的内部或部分与致冷机热接触或相连通。
本发明的另一个方面，溶解了大量臭氧的水可以在现场用来洗涤或消毒。在厨房水槽的附近可添加一个水龙头用来提供含臭氧的水流以洗涤食物、厨台、玩具、器具等。
臭氧发生器的建造本身要有利于批量生产，直接将热塑性塑料的模型注入电极、膜、流场等的周围。质子交换膜(PEM)和阳极催化剂对温度都很敏感，因而在生产过程中一定要避免过高的温度(高于180℃)。此外，质子交换膜虽然不是固体，但是当充分水合后显示出与凝胶相似的性质。因而，本发明的另一个目的是提供一种密封圈，所述密封圈在电解槽的活性区域的周围用膜装配了一个凸缘-槽或弹性密封并延伸到热塑性塑料，在注入模型的过程中这里形成了密封。在制备过程中，各部件被提前装配好，用一个热塑性夹子夹在一起，插入到注射模型和注入的热塑性塑料中。阳极和阴极的多孔基底和模型表面直接接触以确保所述装配的精确厚度，在铸模过程中从催化剂和膜中移走热量。
本发明的另一个方面，通过电去离子或电渗析方法可以提高用在电化学电池中的水的质量，提供了一个不能消费的连续的去离子水流。不管水源的质量(可能包括可饮用的和/或过滤的水源)，供给电化学电池的水的数量应该足以支持形成臭氧的电池反应及水合离子交换膜所需的水。过去，水直接供至阳极，这是由于这里是臭氧形成反应发生的地方及水通过电渗析从阳极转移到阴极。然而，根据本发明，水可以被供至阴极并反向扩散到阳极和膜，横向地流过膜(所述膜可以是如美国专利US5635039公开的管状膜，在这里引作参考)，或者出于特定目的通过毛细作用提供。
本发明的另一个方面，当臭氧发生器和致冷机一起使用时，一部分来自发生器或待处理的水中未消耗的臭氧气体可以排入致冷机或冰箱中对空气进行处理，因而在致冷机和冰箱里可以控制气味和食物的保鲜。
本发明的另一个方面，当臭氧气体用来对饮用水进行消毒时，任何残留的臭氧可以通过碳块、颗粒状活性碳、紫外灯、微波或加热从饮用的水流中除去。
本发明的另一个方面，电化学臭氧发生器可位于水处理系统的其它部件的内部以使系统最优化。例如，臭氧发生器可以完全放置于RO水槽的内部，带有需要用于电线和氢排放的连接，完全放置于过滤室的内部、水龙头上等。电化学臭氧发生器和另外的水处理部件可置于具有进水口和出水口的同一室中。该室每一端可具有可移动的末端插销，在端部之间设有一个侧翼以形成两个段，一个用于电化学臭氧发生器，并且另一个用于另外的水处理部件。此外，电化学臭氧发生器可任意使用的并和其它可任意使用的部件(如反渗透膜、碳质过滤器和/或其它过滤元件等)相连。
本发明的另一方面，没有溶解在待处理的水中的臭氧气体可以通过放置于水槽上部的憎水膜除去。过剩的臭氧气体在排放前可以通过一个自毁子系统(如一个臭氧自毁催化剂或加热的催化剂)。
本发明的另一个方面，电渗透阴极水可以用来使水处理系统的电化学制备臭氧的子系统的一部分加压。例如，来自电化学臭氧发生器的在反渗透贮水池的压力下操作的电渗透阴极水可以提供给电化学臭氧发生器，所述发生器的操作压力为入口水的较高压力或碳块或其它过滤元件的压力。由于电渗透产生的水可以提供所需要的压力，因而电化学臭氧发生器的压力可以和待处理的水的压力相匹配。在一个相关的实施例中，一种二次电化学电池(如一种氧发生器)可以被装配为一种子系统，仅在系统的其它地方提供用于电化学臭氧发生器中的高压水。
本发明的另一个方面涉及一种物理的隔板(如一种含有气体的缝隙)被装配在阳极的水和待处理的水之间以防止阳极的水和待处理的水之间的横向污染。这种气隙可以通过一种浮子机构、憎水膜、机械液面控制阀等来装配。
本发明的另一个方面，为了在具有捕气池(顶部空间型或球囊型)的系统中输送具有一定压力的水，一种电解槽可用来加压所述捕气池。此外，电解槽、贮水池等的大小尺寸可以调整以致于水从贮水池中传送的速度和臭氧发生的速度相匹配，以确保水和臭氧充分地发生作用。水的输送速度高于臭氧产生的速度将在贮水池内导致压力下降，降低并最终导致水的供应停止。
本发明的另一个方面，电化学臭氧发生器位于水处理系统的不同的子系统之间的管道上(如在一个三通上)。
图1显示了一种电化学臭氧发生器子系统112，所述子系统具有一个电化学臭氧发生器105，一个阳极槽104，一个阴极槽106，并和待处理的水源100相连接，使用憎水相分离膜102、103以防止阳极104的水和待处理的水100相混合。由可透气性憎水膜102、103围成的中间区域101所处的压力明显地不同于含水区域100或104。中间区域101和阳极槽的压力分别通过外部连接的设备111和110控制。一个差压感应部件107控制室100、101、104之间的压差并将压差和预定值相比较。如果压差落在优选的范围之外，控制系统109可以去除电解槽105的动力，或者向使用者提供需要维修的指令。另一方面，如果中间槽101的压力低于待处理的水100或阳极槽104的压力，位于连接器111末端的流动监控器可用来监测各自通过失效的膜102或103的水池100或104的过量水流。
图2是水处理系统161的流程图，所述系统具有在基本上高于环境压力的条件下操作的电化学臭氧发生器155。处于标准输送压力(如室压)的水通过150被送到所述系统并进入初始处理室(如一种用于除去沉淀物的过滤器)151，水流过151之后压力降低，从而出过滤器的位于152的水压力比入口150的水压低。在水的流动过程中其它一些处理步骤(图示连接部152和154间的单一步骤153)会进一步地降低水的压力。一种电化学臭氧发生器子系统155和支撑系统159(一起代表如图1中的系统112)直接和水输送或分配系统相连。臭氧发生器子系统155的压力可以在水输送或分配系统156的水压上下波动，这取决于水的流速、到150的初始入口压力等。产生的臭氧被送到分配系统156，所述分配系统156可以包括一个储水系统160、一个流动控制设备157及一个水龙头158。
图3是一个水处理系统186的流程图，所述系统具有一个臭氧发生和输送子系统179以将臭氧输送并作用到一个系统入口端，其中主水流184和176的水的质量不能满足臭氧发生器子系统179的需要。一个限压调整部件、前过滤器或前修理子系统185可用来提供入口水184和臭氧导入点176的压降。这种压差使水根据需要通过一个连接部175从进水口184流到水处理子系统187。然后水可以从调节子系统187流到臭氧发生器子系统179。然后臭氧发生器系统在不低于导入主水流176的点的压力下工作。臭氧发生和导入可以通过任意数量的子系统180，如反渗透、超滤、去离子作用等，并通过水池181。
图4是一个具有可听或可视指示器214的水质量控制系统200的流程图。一种臭氧发生和作用子系统210通过一个管道203向来自水源201的主水流202中输送臭氧。在通过各分配和输送系统的地方监控臭氧的浓度，所述系统使用与控制系统213相连的臭氧监控器204和207。控制系统213还通过连接部211提供臭氧发生器子系统210的操作参数。其中由控制器提供的信号包括通过臭氧发生器的电流、发生器的电压和温度等。根据可得到的信息，控制器213可以通过一个连接部212控制臭氧发生器子系统210的操作，并根据系统的状况提供一个或多个指示器214。
图5显示了一个适合的废水自毁子系统231的流程图，所述子系统作为全部水处理子系统225的一个部件。当用来自臭氧发生和作用子系统227处理初始水流226时，产生了作为电化学反应的副产品的废氢气。所述氢气通过管道229输送到废水自毁子系统231，在这里通过使用贵金属催化剂氢与来自空气泵230输送的空气中的氧相结合。额外的氧和可能剩余的臭氧可以从另外一个处理系统(如水池233)收集。剩余气体可以通过相分离器234从水中分离，得到的气体通过一个管道236被送到自毁系统231。初始的不含不溶气体的水可以从管道235被输送到分配和输送系统。一个辅助加热器238可以连在自毁子系统中以确保自毁系统231内的催化剂是干燥的和有活性的。无害的气态和/或液态产物通过管道232从废气自毁子系统231排出。
图6A是一个电化学电池300的断面图，所述电池包括与阳极催化剂和多孔基底302及阴极催化剂和多孔基底303相接触的质子交换膜(PEM)301。所述阳极基底和阴极基底分别通过流场304和305被支持，所述流场可选择地作为一种支撑阳极和阴极的设备。电连接可以通过流场304和305装配，或者通过专用于此的导电体306和307装配。优选一种密封件309(如一种弹性体或凸缘-槽)装配在质子交换膜的每一边以使阳极和阴极的操作分开进行。全部核心部件301、302、303、304和305可以通过成型的塑料件315和316放置在一起，它们可以通过一个销308咬合在一起，或者紧固在一起成为一个单独的设备。所述核心部件然后用作单槽电解槽或注模成型一个插入件形成一个完全的电解槽装配，所述装配包含一个阳极池311、一个阴极槽312、一个结构支撑设备310及使用一个如图所示分别用于阳极和阴极槽311和312的螺纹313和314得到一个联合的系统的设备。
图6B是一个电化学电池325的断面图。所述系统包括与阳极催化剂和多孔基底302及阴极催化剂和多孔基底303相接触的质子交换膜(PEM)301。所述阳极和阴极基底分别通过流场304和305被支持，所述流场可选择地作为一种支撑阳极和阴极的设备。为此，电连接可以通过流场304和305提供，或者通过导电体306和307提供。优选一种密封件309(如一种弹性体或凸缘-槽)装配在质子交换膜的每一边以使阳极和阴极的操作分开进行。一个或两个环形片326压在对着质子交接膜301的密封件309上，以防止熔化的热塑性塑料在随后的注模成型过程中进入流场304和305。所述环326还可省去位于凝胶(如质子交换膜301)和随后的注模成型过程中形成的热塑室或实体之间的直接密封。装配后全部核心部件301、302、303、304和305可以通过一个模型塑料夹327放置在一起，在注模成型前可移走或和模型结合为一个整体。
图7是一个水处理、贮藏和输送系统350的示意图，所述系统包含一个没有气泡的蓄水池，当水的再生速度基本上小于短期需要而需要一个水池时它可以临时供水。水从水源通过入口363被供到处理子系统364。处理子系统364的出口351和水输送系统362和水贮藏池353相连通。水贮藏池353具有顶部空间354，其当贮槽中充满了水时压缩，当水从贮槽中流出时膨胀。一个臭氧发生器356和贮藏槽联在一起，臭氧气体357进入贮藏槽并和水365发生作用。当通过电化学发生器356、359向贮水槽中加入氧气或臭氧时，顶部空间354的压力会增加，如果压力超过预定值时，当辅助压力控制器355打开时水会通过管道361从贮水槽353排出。辅助压力控制器355的排放口367可以与适宜的排水管、相分离器等相连。所述辅助压力控制器被设置为当压力高于水处理子系统364产生的极限压力时处于开放位置，从而水不连续地从贮水槽353排出并消耗掉。当气体被送到贮水槽353时，没有溶解在水中的气体最后被收集在顶部空间354，如果水没有通过管道362从系统350排出这样便会增加贮水池353的压力。所述辅助压力控制器355将维持贮槽中的压力及水面高度366于一设定的极大值。当水被消耗时顶部空间354膨胀，贮水槽353内部的压力会减少，所述设备364会恢复工作。当水的消耗持续进行及顶部空间进一步增加时，贮水槽内的压力会降到水的输送压力以下，这时从排水口362流出的水会显著地减少或停止。因而，从贮水槽353输送水的速度与电化学发生器356、359的气体产生速度及处理子系统364中水的产生速度相联系。通过调整系统参数，所述系统的设计可以确保提供最小的平均接触时间。
图8是具有多个在不同压力下操作的电化学系统的水处理装置400。水通过一个进水口部件401进入第一个处理子系统402。一个电化学臭氧发生器404产生的臭氧流入主水流403。然而，如果水处理装置的主水流中水的质量不适宜用在电化学系统404中，水一定要由另外一个压力等于或高于位置403处压力的水源提供。因而，第二电化学发生器可以连在具有较高质量的水408的主水流上，所述水408可以通过一个预处理系统415(如一种离子交换树脂层)轻松处理后用在电化学电池410中。由电化学气体发生器410产生的电渗透水和氢气可以通过一个管道414输送到相分离器412，在这里气体被释放到413，水通过管道407被供到电化学气体发生器404。因而电化学气体发生器404的操作压力应等于或基本上高于主水流403的压力。在多次处理405、406之后位于下游的水源是干净的，在这里水的质量高于进水口401或气体导入位置403，而其压力低于进水口401或气体导入位置403。
图9是一个臭氧发生器500的流程图，所述发生器被设计为直接和水处理设备(如用于反渗透系统的水池)相连接。所述系统被制作为一个适宜臭氧使用的单独的室503。所述系统包括一个阳极池501和一个阳极釉料504，所述阳极釉料504由面上涂有二氧化铅催化剂的多孔钛组成，并和质子交换膜507的第一面相接触。所述质子交换膜的第二面与由多孔不锈钢组成的第二釉料508相接触。多孔釉料504、508分别连有与504、508的材料相同的导线505、506，每个釉料的点焊形成阳极和阴极的电连接。直接支撑多孔不锈钢釉料508的是一个延展的不锈钢流场(flowfield)509，通过管道511所述流场提供了一个指向阴极池502的流体连接。用一个具有螺纹的销510将构件504、507、508、509装配在一起。塑料室503容纳构件504、507、508和509并通过挤压位于不锈钢阴极釉料508和塑料室503之间的质子接触膜507而提供密封。在本系统中，通过位于阳极池501和阴极池502之间的间隔物514上的凹槽512可将阴极水直接送到阳极池501。臭氧气体和氢气都被允许进入贮水槽的水中，或者另一方面，所述系统可以装配一个使氢气改流到某个位置而不是阳极池501的出口。
图10显示了在一个将现场使用微生物控制系统结合到具有水分配器的致冷机上的流程图。在这个系统中，致冷机600装配有一个压力水供应装置601，水给入串联的碳过滤器605和反渗透净化器604。来自反渗透设备604的水通过管道617和逆止流设备613进入臭氧发生器602，所述臭氧发生器602与致冷机室608的一个侧壁热接触但是在它们的中间用一个温度调节层612分开以防止电解液结冰。来自电解池602的臭氧流出臭氧发生器并在各注入点(如611)之间进行分配，然后进入反渗透净化器和一个冷冻水贮藏池606。臭氧被从水贮藏池中被移走，过量的臭氧通过一个出口气处理系统616处理。在贮藏室606中含臭氧的水先通过一个流动的除臭氧系统614后再在水分配器607处送至使用者。
实施例
根据图9设计和装配一种每24小时产量为0.16克的臭氧发生器。一个具有约0.08cm2活性区域的单独的电解池被用来制备臭氧并将产生的臭氧直接输送到含反渗透品质水的贮槽中。所述系统由1，1-二氟乙烯树脂(PVDF)制成，约为2英寸长。所述系统由六个单独的部件组成：一个塑料室，一个涂有二氧化铅的1/8英寸直径的多孔钛阳极釉料，一个1/4英寸直径的高氟化质子交换膜，一个1/4英寸直径多孔的不锈钢釉料，一个1/2英寸直径的宽不锈钢流场和一个与所述装配的底部螺旋连接的插销以将所有部件装在所述室中。质子交换膜还可用作衬垫以提供阴极和阳极之间的密封。
多孔钛和多孔不锈钢釉料装配有通过容器的壁向外延伸的导线，从而提供多孔材料的电连接。在所述室中这些线包裹有环氧树脂。PEM是由过氟化磺酸聚合物(NAFION 117)构成的片材。
发生器通过直接和贮水槽相接触而被冷却，这足以消耗掉由所述设备产生的一半热量。所述系统可以在水的冰点和沸点之间的任何温度下进行，但是优选从冰点到环境温度以使所制备的臭氧使用寿命最大化。由于水由反渗透系统提供因而不需要水的调节。
装配具有两个输出端的直流电。所述供电在常规操作提供了167毫安的额定电流，及2伏的恒定输出电压。
当然前面所述只是本发明优选的实施方案，本发明的其它实施方案同样落在本发明的保护范围及下面的权利要求的保护范围之内。

Claims (45)

1.一种装置，包括：
(a)用于饮用水的具有进水口和出水口的现场使用的水处理系统；
(b)具有形成臭氧的阳极、阴极、位于阳极和阴极之间的离子交换膜和供水口的电化学臭氧发生器；及
(c)用于在阳极和水处理系统之间输送臭氧气体的臭氧气体输送通道，所述臭氧气体输送通道具有一含气隔离层以防止阳极和水处理系统之间的液体水的混合，其中水处理系统包括一个或多个水处理装置，而且其中水处理系统还包括一个反应物水的供应出口，所述出口使得从一个或多个水处理装置中的至少一个的下游位置到电化学臭氧发生器之间流体连通。
2.权利要求1的装置，还包括一个二次电化学电池，所述电池具有一个与反应物水的供应出口通过流体相连的阳极和一个与臭氧发生器的阳极通过流体相连的阴极流体出口。
3.权利要求2的装置，其中二次电化学电池，以高于邻近臭氧气体输送通道的水处理系统的压力，向电化学臭氧发生器的阳极提供阴极流体。
4.权利要求1的装置，其中所述一个或多个水处理装置中的至少一个是电去离子作用装置或电渗析装置。
5.权利要求1的装置，其中所述水处理系统包括一个贮水槽，其中所述臭氧气体输送通道运送的臭氧气体给贮水槽加压。
6.权利要求1的装置，还包括一个差压传感器，以测定通过憎水的气-液分离膜的压差。
7.权利要求1的装置，还包括：
差压传感器以测定通过憎水的气-液分离膜的压差；及
与差压传感器和电化学臭氧发生器电连接的控制器，其中所述控制器控制电化学臭氧发生器的运转。
8.权利要求1的装置，还包括：
分布在臭氧气体输送通道，并与第一气-液分离膜间隔一段距离的第一和第二憎水的气-液分离膜，其中第一和第二憎水膜之间形成一个气室。
9.权利要求8的装置，还包括：
分布在气室中的液体水传感器；及
与液体水传感器和电化学臭氧发生器相连的控制器。
10.权利要求1的装置，还包括设置在水处理系统内的已溶解臭氧的传感器。
11.权利要求1的装置，还包括设置在阳极和阴极之间的电压传感器。
12.权利要求1的装置，还包括与电化学臭氧发生器串联连接的电流传感器。
13.权利要求1的装置，还包括催化自毁系统，所述系统与臭氧出口及阴极处于连接状态或非连接状态，所述系统将氢和臭氧转化为水蒸气和氧气。
14.权利要求1的装置，其中阳极、阴极和离子交换膜在一个预塑的热塑性塑料框架内紧密接合固定。
15.权利要求1的装置，其中阳极、阴极和离子交换膜通过注模成型紧密接合固定。
16.权利要求1的装置，其中所述水处理系统具有一个水处理装置，其中所述水处理装置是一个颗粒过滤器、超滤装置、碳质过滤器、水软化系统、离子交换床及反渗透膜、电去离子装置、电渗析装置或它们的组合。
17.权利要求16的装置，还包括一个室其可代替固定所述处理设备和臭氧发生器。
18.权利要求16的装置，其中水处理装置和电化学臭氧发生器形成一个整体结构。
19.权利要求16的装置，其中水处理装置和电化学臭氧发生器设置在具有进水口和出水口的普通室中。
20.权利要求19的装置，其中水处理装置和电化学臭氧发生器串联设置。
21.权利要求19的装置，其中在所述室的相反端具有第一和第二可移动的末端插销，在相反端的中间设置有一个侧翼，从而在每一边形成了两个相反段，其中水处理装置和电化学臭氧发生器设置在相反段内。
22.权利要求16的装置，其中所述室的进水口与阴极和水处理装置通过流体相连通。
23.权利要求16的装置，其中离子交换膜被制成管状，其中所述室的进水口与管状的离子交换膜和水处理装置通过流体相连通。
24.权利要求19的装置，其中所述室包括一个用于除去阳极和阴极所发生气体的出口。
25.权利要求1的装置，还包括与出水口通过流体相连通的装置，其中所述装置是致冷机、冰箱、制冰机、自动售水机、自动售饮料机、饮水器、带倾口的大水罐、过滤水龙头、或反渗透装置。
26.权利要求1的装置，其中现场使用的水处理系统输送含臭氧的水。
27.权利要求26的装置，还包括一个与出水口通过流体连接的家用电器，其中所述家庭用具是洗碗机、洗衣机、玩具洗涤器、或隐形眼睛洗涤器。
28.权利要求26的装置，还包括与出水口通过流体相连通的医疗设备。
29.权利要求26的装置，还包括一个与出水口通过流体相连通的清洗医疗器械的室，其中所述医疗器械是一个固定内窥镜、活动内窥镜、导尿管、外科器械、牙科设备、假体或其组合。
30.[删除]
31.权利要求1的装置，其中现场使用的水处理系统制备臭氧气体。
32.权利要求1的装置，其中供水口与阴极通过流体相连通。
33.权利要求1的装置，其中供水口与阳极通过流体相连通。
34.权利要求1的装置，其中离子交换膜被制成管状，其中供水口与管状膜通过流体相连通。
35.权利要求1的装置，其中所述水处理系统具有串联的碳质过滤器和反渗透纯化器，其中所述臭氧气体输送通道，在阳极与碳质过滤器上游端之间输送臭氧气体，从而使碳质过滤器中的微生物生长得到控制，并且通过碳质过滤器将残余臭氧清除出水系统，以防止反渗透膜的氧化。
36.权利要求1的装置，其中，所述含气隔离层是通过设于臭氧气体输送通道中的液面控制阀予以保持。
37.权利要求1的装置，其中，含气隔离层是通过设于臭氧气体输送通道中的浮子机构来保持的。
38.权利要求1的装置，其中所述臭氧气体输送通道具有设于其中的憎水型气液隔离膜。
39.权利要求25的装置，其中所述装置为一致冷机。
40.权利要求39的装置，还包括一个用于致冷机中冷却贮水槽的防冻传感器。
41.权利要求25的装置，还包括过滤装置中的排出口。
42.权利要求39的装置，其中，臭氧从贮水槽中除去，并且多余的臭氧将通过排气处理系统予以破坏。
43.权利要求1的装置，还包括经由发声或可视指示器和多个臭氧监控器控制的水质监测系统。
44.权利要求1的装置，还包括设置在水处理系统内的废气自毁子系统。
45.权利要求44的装置，还包括保持催化剂干燥和活性的辅助加热器。
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