TW201802035A - 共晶冷凍結晶噴霧室 - Google Patents

Abstract

一種廢水淨水器，其係具有一容室、一或多個廢水噴嘴、一冷凍空氣入口、一穿孔蓄水器、該蓄水器下方之一排水管、以及冷凍空氣之一排出口，其中該容室係具有一上入口端和一下排水端，該一或多個廢水噴嘴係連接於該入口端附近之一廢水水源以產生廢水液滴，該冷凍空氣入口係位於該入口端附近並連接至一冷凍空氣源以使冷凍空氣可與廢水液滴混合，該穿孔蓄水器接近該排水端，係用以收集冷凍液滴，該排出口係接近該排水端。一種廢水淨水器，其係具有細長的一流動室、一或多個廢水噴嘴、一或多個排氣口、一穿孔蓄水器、一或多個排氣口、以及一冷凍空氣入口，其中該流動室具有一上部及一下部，該一或多個廢水噴嘴係位於該上部附近，該一或多個排氣口係位於該上部附近，該穿孔蓄水器係於該流動室的底部，該冷凍空氣入口係連接於該上部與該下部之間。

Description

共晶冷凍結晶噴霧室

本發明係關於用以分離汙染物與廢水之結晶噴霧室設備之領域。

施加於自然水體中的工業廢水廢棄物已經開始超過接收水體吸收汙染物的自然能力。自然淨化，例如沉積、陽光、氧氣曝氣，已被化學淨化、沉積、臭氧分解、氯化、以及例如離子交換、活性炭吸附、逆滲透和電滲析等之物理過程所取代。冷凍結晶是用以分離汙染物和廢水的一種可能性，其正受到越來越多的關注。

由於處理廢水有毒部分所需之高濃度、大量總沉積固體、大水力直徑的顆粒物以及大的分離效率，由壓裂及採礦廢棄物所施加的廢棄物特別難處理。冷凍結晶在此種廢水的處理上特別已顯示了希望。

冷凍空氣提供讓噴灑出來的廢水液滴冷凍結晶的機會，由(1)戶外北方氣候，其為非常寒冷的冬天(溫度低於-10℉)，係提供大量廢水整季長的冷凍，並於長長的春夏月份解凍，使汙染物自廢水分離，由(2)室內、任何氣候，利用液態氟氯烷和液態廢水噴射的噴霧室，使每個液滴的溫度低於-10℉，如此，汙染物 自廢水分離僅需0.5秒的停留時間，而不用場體積和攪拌槽總體積之結晶與相分離所需之小時長的停留時間。

共晶冷凍結晶(EFC)的第一個研究在1970年代，由Stepakoff發表於1974年。他使用直接冷卻，其係將一冷卻劑直接加入鹵水而實現。由於又一化學品被引入系統，因此會造成一些缺點。

1999年，Van der Ham是第一個使用非直接冷卻的人，並且製造了一台稱作冷卻圓盤塔結晶器的工作結晶器。他證明了使用EFC作冰與鹽結晶之分離是可能的。該研究係於2003年由Vaesen繼續進行，在刮壁式冷卻結晶器中將過程放大至100L。

2008年，Genceli在滑座式第三代冷卻圓盤塔結晶器中將過程放大至220L；Rodriquez Pascual係於2009年注意結晶器之熱傳遞之一些物理觀點。

下一代結晶器係於工業規模上處理程序流。De Graaff係於2012年研究將水垢自熱交換器移除以及將冰自鹵水中移除的問題。

與熱能去鹽相較，冷凍結晶過程的主要優點係為低能耗及低溫運作的需求。其他優點係較少結垢或髒污以及較少的腐蝕問題、能使用廉價塑膠或低成本材料、以及不用預處理。冷凍結晶處理的三大類係(一)直接接觸冷凍、(二)不直接接觸冷凍、(三)真空冷凍。此外，已有研究關於大量溶液的大容量冷凍，其冷凍需要數小時、毫米尺寸的液滴冷凍，其冷凍僅需數秒，於此所 討論的冷凍結晶過程係使用廢水液滴與超冷空氣的直接接觸。

大容量冷凍(攪拌罐)

冷凍結晶(FC)處係調查及顯示為具有環境友善及永續潛力的水處理方法，藉由自高鹽鹵水中產生適合飲用的水和鹽(在一些例子中為純鹽)完成接近零廢棄。Randall和Nathoo之一研究回顧逆滲透(RO)鹽處理之FC技術的歷史與現狀。儘管FC可適用於自例如RO等之膜分離過程產生之鹵水的處理，在主流鹵水脫鹽處理中，此技術的採用已是微不足道的。此回顧亦發現一混合技術方法，例如一整合RO-FC過程，可以從設備資本和運營成本的角度提供最佳處理方案。舉例來說，NIRO已為殼牌在荷蘭建造一工業用的水脫鹽廠，每年處理14億噸廢水。其達到低於50ppm的TDS(總溶解固體含量)純度。

戶外噴霧冷凍

噴霧冷凍的技術係依賴核心處的冷凍液滴及冰結晶結構的物理學，未結凍液體中的汙染物係集中於該固體核心之表面上。正確地完成，噴霧冷凍可為較大的水處理系統之經濟、有效且環境友善的組成部分。一般來說，當不純的水之一液滴結凍時，雜質係由冰結晶前被推開，其通常係由液滴的內部開始，導致表面上的液體比核心具有更高的污染物濃度，其核心通常幾乎為純冰。

隨著這過程繼續下去，剩餘的不純水的凝固點發生於較低溫，隨著時間過去，形成更多的冰，汙染物則更集中於剩餘的未結凍液體中。含有較大濃度汙染物的未結凍液體自噴霧冰 沉積物中排出，導致在噴灑後立即除去污染物。

當周圍的空氣太冷或該液滴太小時，若曝露於空氣中夠長時間，液滴可能完全冷凍，使噴霧冷凍技術的許多好處無效。

此外，在溫暖的春季解凍期間，當冰融化時，溶解的汙染物優先被最初融化的水沖洗而增加了剩餘的水的純度。

這種技術的現場應用包括透過一噴嘴抽取受汙染的水，並將其噴灑於冷空氣中。使用噴嘴調整來對射出水的軌道、抽取率和液滴尺寸進行調整，以針對給定的空氣溫度和風速控制水如何完全冷凍。

實施現場試驗性規模的實驗，以評估噴霧冷凍自西北地區科洛馬克礦區的尾礦湖水移除溶解化學物的效率。針對試驗規模的項目，大約有30%抽出的水被冷凍，剩餘的水作為徑流回流至尾礦池中。在受到控制的實驗室條件下，自融化之一冰芯所收集的水分析顯示，在39%的噴霧冰柱融化之後，去除了87~99%的溶解化學物(取決於化學物的種類)。

實驗室測試對該方法的實用性提供了一些指示。砷濃度係自大約19微公克/公升減少至5微公克/公升(1微公克/公升=1十億分率)。氰化物可移除99.2%，但仍有大約350微公克/公升的濃度。融化物末端所釋出的已處理的水中大約60%僅含有1~17%的溶解物種。此種解凍末端的融化水僅需較少的進一步處理，其可能顯著降低總處理成本。噴霧冷凍技術已使用於寒冷地區的 冰建築結構及人造雪製造。噴霧冷凍過程包括熱質量傳遞及冰成核。水噴霧的冷凍溫度係被許多因素影響，例如液滴尺寸(體積)、環境空氣溫度、以及水的雜質含量。進行一實驗研究以調查液滴尺寸(體積)與環境空氣溫度對不同質量的自由懸浮液滴(豬舍廢水、紙漿廠廢水、油砂尾礦池水)的冰成核溫度的影響。在各種實驗條件下，使用影像技術量測自由懸浮廢水液滴中開始冷凍所需的時間。依據所需的冷凍時間與熱質量傳遞的比率預測液滴的冰成核溫度。

室內的噴霧冷凍(噴霧冷凍機)

在室內噴霧冷凍的例子中，AVCO使用氟氯烷和20%氯化鈉鹽溶液的射流衝擊。液體射流的強烈混合造成一大團液滴，其中各液滴在核芯含有廢水、在核芯外含有氟氯烷。各液滴往下飛過半徑450微米的垂直容室。蒸發的氟氯烷逐漸冷凍液滴。在液滴下降穿過18吋或36吋高的玻璃容室的0.5秒內，尺寸為120微米的清水小冰片係沉積於該容室的底部的多孔物質中。根據上述，本技術需要一冷凍噴霧系統，其可確保使汙染物與水分離的冷凍過程中的一致性，其中液滴尺寸和溫度係控制以將汙染水維持於液體或半液體狀態。

本發明之主要目的係提供一種廢水淨水器，其係具有一容室、一或多個廢水噴嘴、一冷凍空氣入口、一穿孔蓄水器、該蓄水器下方之一排水管、以及冷凍空氣之一排出口，其中該容 室係具有一上入口端和一下排水端，該一或多個廢水噴嘴係連接於該入口端附近之一廢水水源以產生廢水液滴，該冷凍空氣入口係位於該入口端附近並連接至一冷凍空氣源以使冷凍空氣可與廢水液滴混合，該穿孔蓄水器接近該排水端，係用以收集冷凍液滴，該排出口係接近該排水端。

該廢水淨水器具有圍繞該容室之一外殼，其係由圍繞該容室之至少一部分雙層壁組成，該雙層壁界定一排出路徑，其中該排出路徑係連接至該排出口。該噴嘴可用以提供一固定尺寸的液滴。可有一指向該蓄水器內部之一清水噴嘴，該清水噴嘴用以於收集在該蓄水器中之冷凍液滴上噴灑清水。

冷凍空氣源可選自T-CAES渦輪膨脹機、TL-CAES渦輪膨脹機、膨脹機和液態氮(LN2)槽車。在一實施例中，廢水液滴自該噴嘴射出至滴入容器的飛行時間為3.75至7.05秒，在該蓄水器和該排水管之間可以有鹽。

本發明之主要目的係提供一種廢水淨水器，其係具有細長的一流動室、一或多個廢水噴嘴、一或多個排氣口、一穿孔蓄水器、一或多個排氣口、以及一冷凍空氣入口，其中該流動室具有一上部及一下部，該一或多個廢水噴嘴係位於該上部附近，該一或多個排氣口係位於該上部附近，該穿孔蓄水器係於該流動室的底部，該冷凍空氣入口係連接於該上部與該下部之間。

該一或多個噴嘴可產生一固定尺寸的液滴，並將該等液滴往下噴射。廢水淨水器亦可包含一集水器，其係位於該蓄 水器下方，其中來自該蓄水器的鹵水係收集於該集水器中。一清水噴嘴可被指向該蓄水器的內部，該清水噴嘴用以噴灑清水至收集於該蓄水器中的冷凍液滴上。

廢水液滴自該噴嘴射出至滴入容器的飛行時間短如大半徑液滴之4.35秒。在該蓄水器和該集水器之間可以有鹽。該集水器可連接至一排水管，該冷凍空氣源可選自T-CAES渦輪膨脹機、TL-CAES渦輪膨脹機、膨脹機和液態氮(LN2)槽車。

由以下本發明較佳實施例、附圖及權利要求之更具體的說明，前述以及本發明之其他特性和優點係為顯而易見的。

2‧‧‧外殼

4‧‧‧排出路徑

5‧‧‧容室

6‧‧‧籃

7‧‧‧入口端

8‧‧‧排水端

10‧‧‧廢水噴嘴

11‧‧‧連接部

12‧‧‧空氣入口

13‧‧‧液滴

14‧‧‧清水噴嘴

15‧‧‧清水

17‧‧‧排水管

19‧‧‧冰錐

20‧‧‧廢水管

30‧‧‧外殼

31‧‧‧容室

32‧‧‧上部

33‧‧‧下部

34‧‧‧排氣孔

35‧‧‧噴嘴

37‧‧‧蓄水器

38‧‧‧格柵

40‧‧‧集水器

41‧‧‧鹵水

42‧‧‧空氣入口

44‧‧‧蜂窩氣流矯直器

45‧‧‧液滴

46‧‧‧細格柵

102‧‧‧容室

102a‧‧‧頂部

102b‧‧‧底部

102c‧‧‧對面

104‧‧‧廢水噴嘴

106‧‧‧蓄水器

108‧‧‧冷凍空氣入口

112‧‧‧液態氮源

114‧‧‧液態氮杜瓦瓶

116‧‧‧氣態氮

118‧‧‧排氣孔

120‧‧‧集水器

122‧‧‧細格柵

124‧‧‧鹽

126‧‧‧廢水液滴

129‧‧‧鹵水

130‧‧‧錄影機

132‧‧‧光投影機

134‧‧‧照相機

136‧‧‧光偏振器

138‧‧‧窗透鏡

139‧‧‧乾燥氮源

140‧‧‧窗透鏡

142‧‧‧光偏振器

144‧‧‧乾燥氮源

A‧‧‧區域

B‧‧‧區域

C‧‧‧區域

為了更全面地了解本發明、其目的以及優點，參考資料係由接下來的說明結合相關附圖簡要描述於下。

圖1係本發明一實施例之共流結晶噴霧室之一剖視圖。

圖2係本發明一實施例之逆流結晶噴霧室之一剖視圖。

圖3係本發明一實施例之氯化鈉溶液之一平衡相圖。

圖4a係本發明一實施例之能量平衡計算。

圖4b係本發明一實施例之進一步的能量平衡計算。

圖5係顯示本發明一實施例在該容室中之一粒子之停留時間之圖示。

圖6係先前技術之脫鹽方法之比較。

圖7係顯示分離過程之能源效率之先前技術圖表。

圖8係產生冷凍空氣之三種方法之先前技術圖表。

圖9係本發明一實施例之共晶冷凍結晶噴霧室(EFCSC)廢水淨化系統之流程圖。

圖10係顯示本發明一實施例於低進氣溫度時之輸出功率之圖示。

圖11係本發明一實施例之冷凍結晶噴霧室(FCSC)設備之流程圖。

圖12係本發明一實施例之共晶冷凍結晶噴霧室(EFCSC)設備之實驗室設置之剖面圖。

本發明之最佳實施例及其優點可由參照圖1至圖12來了解，其中相同的元件符號表示相同的元件。

較佳地，所述的共晶冷凍結晶噴霧室(EFCSC)設備係使用-175℉的空氣溫度以及在一封閉設備中超過3秒的停留時間，其係為有用的熱或冷的氣候。因此，相較先前在0.5秒進行研究，使用較暖的空氣溫度(~-10℉)和較短的停留時間以使成核、結晶和分離，汙染物自廢水液滴中的分離係已改善。

特別是在圖1及圖9中，此揭露說明為了更永久性的安裝而設計的共流共晶冷凍結晶噴霧室(EFCSC)設備，其係位於一公用工程附近、或可由TL-CAES系統或T-CAES系統有效提供。特別是在圖2及圖11中，該揭露亦說明用於中型設備之一逆流共晶冷凍結晶噴霧室(EFCSC)設備，其可由一公用工程、或由二級自由纏繞耦合渦輪壓縮機和渦輪膨脹機獲得其超冷空氣之一發電機驅動。共晶冷凍結晶噴霧室(EFCSC)設備的主要優點為建造、運作 和維護的資本成本低、所佔面積小、高度低、可由卡車或火車運輸、以及具有高分離效率。

在圖12中係說明一通用測試設備，其為桌面大小、並由液態氮蒸氣於-320℉驅動，用以評估在各個新濃度下，各種新汙染物的隔離效率。在此設備中所累積的測試資料將提供全規模的設計參數。由於我們正在處理來自噴頭的噴霧，所以測試模組係線性按比例增加至全規模(圖12)。

有兩種方法可以在-175℉得到所需高質量流量的超冷空氣：(一)TL-CAES系統、或T-CAES系統(圖9)、或(二)膨脹機(圖11)。使用例如液態氮之一低溫杜瓦瓶可以得到低質量流量的超冷氣體。在一範例中，液態氮蒸氣的潛熱是86英熱單位/磅，-320℉的蒸發溫度可於一混合容室中與來自氮氣瓶之室溫氣態氮結合，例如圖12中所示，以產生規定的氣體溫度以接觸廢水液滴。

圖1係顯示為每天95000加侖之廢水淨化所設計之一範例之共晶冷凍結晶噴霧室(EFCSC)設備之一示意圖。一外殼2包含用來混合廢水噴霧與冷凍空氣之一內容室5、以及界定一外排出路徑4之雙層壁，其圍繞該容室5但與之分離。該排出路徑4可存在於整個容室5周圍，如此該外殼2係為一雙層壁的氣缸或容器、或該排出路徑4可僅存在於該容室5的一部分的周圍。該排出路徑4與該容室5講該容室之該排水端8處相通，其中一穿孔可移動式籃子6將他們分開，但容許液體流通。

該容室5具有一頂部(入口端7)、一底部(排水端8) 並包含該廢水噴霧。該外殼2具有一入口端7及排水端8。一或多個廢水噴嘴10係位於該外殼之該入口端7附近，並藉由一連接部11連接至一加壓廢水源(未顯示)。位於該入口端7附近之空氣入口12係用以將冷凍空氣引入該容室5中。該等噴嘴10和空氣入口係非常接近以使廢水和冷凍空氣混合。在該容室5的底部係一穿孔的籃子6，用以收集冰液滴。在該容室周圍係該排出路徑4，其係使該冷凍空氣自該外殼排出。該排出路徑4係連接至暖通空調或一實施例中之冷儲存。在該籃子的側邊，用以於收集於該籃子中的冷凍液滴(圖未示)上噴灑清水的一或多個清水噴嘴14係配置以噴入該籃子。在該籃子6下方之一排水管17係收集液態汙染廢水、以及廢水/清水混合物。該排水管上方可形成一冰錐19以導引廢水進入該排水管，在該排水管下方係一廢水管，其係用以收集濃縮廢水。

在一實施例中，該空氣入口係位於以該入口端7為切線方向之該入口端之一側，以提供進來的空氣一旋轉力以混合空氣和水。在另一實施例中，該空氣入口係指向下方。

在一實施例中，該容室5係為有一矩形橫截面的氣缸，其中各端7、8係為扁平、圓錐形、或金字塔形，以促進冷凍空氣和廢水在該入口端的均勻混合、以及汙染物在該排水端的收集。若容易建造是最重要的，容室可由現有建材、以一矩形橫截面製成，四個平面壁在轉角處互相連接並簡單末端終止，其中噴嘴突出穿過頂端，且底端包含一排水管。

在一實施例中，該冷凍空氣源較佳係來自四個來源之一。T-CAES渦輪膨脹機、TL-CAES渦輪膨脹機、膨脹機、或液態氮(LN2)槽車。LN2槽車是最不經濟的驅動器，但在實驗室規模上是有用的。

在一實施例中，該噴嘴10的組成控制該液滴13尺寸，其中較小的液滴在該容室5中具有較長的停留時間，在下圖中有一些例子。全錐形噴嘴由於其葉片設計具有大流量通道和控制特性，提供中至大尺寸液滴之一均勻噴霧分佈，係為業界最廣泛使用的種類。

在各種噴霧典型中，最小的容量製造最小的噴霧液滴，最大的容量製造最大的噴霧液滴。各噴嘴的形狀將給定液滴尺寸的數量分佈，其中有許多相較平均尺寸較小的液滴和較少的尺寸較大的液滴。體積中數直徑(VMD)係根據噴灑的液體體積，因此，其為一廣泛接受的度量法。下表係顯示液滴尺寸的範圖。

在使用上，係使加壓廢水通過噴嘴10而作為具有一預定尺寸之液滴之一噴霧射入容器5。

自該噴嘴(32F以上)射出的該廢水噴霧13穿過由空氣入口引入容器的冷凍空氣，該噴霧和冷凍空氣結合以產生一組合，其中該噴霧液滴係被冷凍空氣冷卻。冷凍空氣可由一渦輪膨 脹機排出製造，並可於-175℉下以每分鐘44,000立方呎的流量引入。該組合發生於區域A並移動通過該容室5(在一實施例中，大約5呎/秒)。在區域B中，由於與冷凍空氣長時間接觸，該等液滴係部分或完全結凍並且移動得更快(在一實施例中，大約7.8呎/秒)，可選擇地，清水15係由該等清水噴嘴14噴灑於冷凍液滴上作為洗滌水，以將池子液體置換成沉積層的冰粒。在一實施例中，清水來自解凍的冰。在區域C，冷凍液滴已收集於該籃子6中，冷凍空氣係由該排出路徑4出去。組合的廢水液滴混合物沿該容室5向下移動至該排水端8。在區域D，冷凍空氣自該外殼2排出。

在一範例中，設備係設計為用以每天處理95000加侖的廢水，其中廢水必須以144英熱單位/磅的融合熱從100℉至-10℉，其係使用127531英熱單位/分鐘。使用二級渦輪膨脹機及發電機組，該系統將產生大約4021.45馬力(3000千瓦)的電力。作為渦輪膨脹過程的副產品，具有11SCFM/馬力的效率，當此44236SCFM(每分鐘標準立方呎)的空氣係從-175℉至-10℉時，我們可以得到131381英熱單位/分鐘。

當我們比較131381英熱單位/分鐘和127531英熱單位/分鐘時，可知和需要的冷卻功率相比，得到的冷卻功率略有超過。此係設計用以考慮到設備的冷卻以開始進行純化程序，以及考慮傳熱損失而繼續純化程序。藉由使用重量輕和低熱容的設備結構元件，減少使用冷卻功率的總時間。藉由使用冷排放空氣經過該設備外殼之外部周圍，使傳熱損失最小化。

考慮共晶冷凍結晶噴霧室(EFCSC)設備頂部上的噴霧器。使用液態氟氯烷蒸氣作為冷卻劑之先前技術AVCO噴霧室產生200至360微米直徑的廢水液滴，其係於0.5秒內可生成134微米尺寸的清水小冰片。此外，沉積小冰片形成一積聚體，其為多孔和高滲透性的(=0.453)。

在空氣和廢水液滴之間有一個更大的溫差，停留時間更長。400微米直徑的廢水液將有7.05秒的停留時間，相較AVCO的0.5秒，如此確保了冰的成形和分離。然而，我們對1200微米直徑的廢水液滴尺寸更有興趣，即使其停留時間短短3.75秒，因為我們可生成更大的小冰片、以及漂浮於一網狀支撐隔板上之一更多孔的冰堆積，如此濃鹵水將通過堆積雪塊排出而減少洗滌需求。

舉例來說，每分鐘12加侖高體積流量的水，經過在噴嘴面上有10磅每平方吋(psi)壓降之一全錐形噴嘴，其液滴尺寸體積中位數直徑=4300微米；每分鐘0.16加侖低體積流量的水，經過在噴嘴面上有100psi壓降之一中空錐形噴嘴，其液滴尺寸體積中位數直徑=200微米。我們對於在400和1200微米之間的直徑有興趣。

在有10psid壓力差的噴嘴上的液滴的速度將為22.8呎/秒；在40psid其將為45.7呎/秒，在100psid其將為72呎/秒。

考慮往下移動通過該結晶容室之空氣平均為6.35呎/秒，400微米液滴具有5呎/秒的附加終端速度，總共為11.35呎/ 秒。因此噴霧將以比空氣流動更高的速度進入共晶冷凍結晶噴霧室設備的頂部，所以這些液滴將在強熱傳遞下迅速減速。

在另一範圍中，考慮往下移動通過該結晶容室的空氣平均為6.35呎/秒，1200微米的液滴具有15呎/秒的附加終端速度，總共為21.35呎/秒。因此，為了讓噴霧將以比空氣流動更高的速度進入共晶冷凍結晶噴霧室設備的頂部，所以這些液滴將在強熱傳遞下迅速減速，在該噴嘴上使用一較高的超壓是必要的。

重要的是，液滴核心溫度達到共晶冷凍溫度，正如塗覆的冰顆粒到達該容室底部並停留於網孔上。因此，冷凍廢水的三相都將出現。

所有的計算係顯示在結晶容室中3.75至7.05秒之一飛行時間應可使空氣與液滴的完全混合，如此空氣的最終平衡溫度將接近比-6℉稍低，液滴係於沉積於該結晶容室的底部上時，接近比-6℉稍暖。

隨著排出的雪塊堆積在多孔籃子裡，連續小體積流量的清水噴霧係持續於堆積的多孔雪塊上。因此，除了自雪塊頂部至底部濃鹵水液體的自然排出之外，冷清水噴霧積在各雪結晶的任何剩餘薄膜上並將其往下沖洗。此步驟是必須的以實現極高的水純度。

冰漂浮於網狀支撐隔板上，如此濃鹵水將通過堆積的雪塊排出而減少洗滌的需要。雪塊的移除可藉由輸送帶定期地移動整個多孔籃子批次完成。或可以藉由使用連續移動雪塊至輸 送帶上之一螺桿而連續實現。

重要的是，在收集該濃縮鹵水之後適當地處理。其不應再進入環境。在許多應用中，濃縮液態鹵水可以進一步處理而回收有用的產品及附加的飲用水。

圖2係顯示逆流共晶冷凍結晶噴霧室設備，其中冷凍輸入空氣係往上注入該流動室經過往下移動的廢水液滴。一外殼30界定一容室31，其係具有一上部32和一下部33，並具有連接至一廢水水源36之一或多個廢水噴嘴35位於該上部上或附近，其中該等噴嘴35係產生一相對一致尺寸的廢水液滴45並將液滴噴霧指向下方。該上部亦有一或多個排氣孔34以使冷凍空氣排出，冷凍空氣係經由一較低的空氣入口42進入。一移動式蓄水器37係位於該下部以截獲排出的冰，蓄水器37可於裝滿時清空和置換。穿孔蓄水器37排入一集水器40以收集濃縮鹵水41。

在一些實施例中，該下部沒有空氣流出所用之空氣出口，只有鹵水41之一排水管。在上管32和下管33之間有一空氣入口42，其係連接至一冷凍空氣源，其將冷凍空氣攜入該外殼中朝向該上部。在一實施例中，該冷凍空氣源係渦輪膨脹機，其係排出溫度大約-175℉的空氣。在一實施例中，該冷凍空氣係經過一蜂窩流矯直器44。

廢水噴霧通常係由該等噴嘴35引入該上部，液滴45係用重力和該射出噴嘴所給的速度往下移動至該下部33。發射時，液滴係高於32℉，但冷凍空氣係自A的空氣入口42引入，並於B 的外殼中朝該上部32向上移動，於此冷凍空氣係經該等排氣孔34排出。因為沒有空氣出口，冷凍空氣不會在該外殼30中向下前進。當空氣上升時，其經過正在下降的液滴35，並冷卻液滴35，如此液滴係於進入該下部33的時候部分或全部冷凍。冷凍液滴35係累積於該蓄水器37中，其外表面有顯示相對較高汙染物濃度的鹵水。因此，外表面具有較高的熔化溫度，也因此當液滴35到達蓄水器37時可能是液態，在此例中包含汙染常物的鹵水係收集於集水器40中，並可由一集中處理系統(圖未示)排出。在一實施例中，蓄水器下方是一格柵38，其將較大的冰粒留住，但小冰粒和鹵水可通過。集水器在整個頂部有一更細的格柵46，僅鹵水可通過，冰粒不行。在較大的格柵38和較細的格柵46之間夾有鹽，其與通過較大格欄38之較小冰粒結合，其中鹵水使鹽與冰混合以經洗滌程序提高分離效率。

洗滌程序將從接近+32℉之少量清水開始。一旦洗滌過程開始，一部份已解凍的冰將回收於該容室中，以噴灑堆積的多孔小冰片塊。清水噴霧沖擊只殘留有非常薄的鹵水薄膜的小冰片堆，將使該薄膜作為液態鹵水排出，而使原本的小冰片在尺寸上變大。對於需要強分離效率的特殊毒性汙染物，需要一到二次這樣的洗滌。

在一實施例中，該外殼是圓柱形的，並且係與空氣入口42密封地接合。在另一實施例中，該外殼具有容易建造之一方形截面，係有花費不多的壁面材質。

在一實施例中，該等噴嘴係全錐形噴嘴，其係因葉片設計所具有之大流量通道和控制特性，而可提供中至大尺寸液滴之一均勻噴霧分佈，在業界是最廣泛使用的型式。在各種噴霧典型中，最小的容量製造最小的噴霧液滴，最大的容量製造最大的噴霧液滴。體積中數直徑(VMD)係根據噴灑的液體體積，因此，其為一廣泛接受的度量法。上表係顯示由噴嘴型式的液滴尺寸範圍。

即使技術上比圖1所示更複雜，此實施例有幾個優點。

儘管廢水液滴的停留時間可以長至4.35秒，甚至對1200微米直徑的廢水液滴也是，共晶冷凍結晶噴霧室設備的整體高度要小得多。上升氣流速大約是15呎/秒。

基本上，隨著液滴冷凍，液滴係藉由上升氣流保持於接近該共晶冷凍結晶噴霧室設備的頂部。非常緩慢的下降速度使表面覆蓋濃縮鹵水的冷凍液滴(例如在-10℉)掉落至該共晶冷凍結晶噴霧室(EFCSC)設備底部之靜止體積內。進入向上移動之一冷空氣流之溫暖廢水液滴之向下噴射速度，係增強了氣流最暖的共晶冷凍結晶噴霧室(EFCSC)設備頂部的熱交換。冷凍廢水液滴到達靜止水區頂部的時候，冷凍液滴移動緩慢，但其表面施加有最高的溫度差。此處進入的空氣是-175℉，冷凍液滴是-10℉。容室底部的靜止空氣容室溫度可以控制地更好，以確保共晶溫度係於引入排水和洗滌循環時維持。

圖3係顯示以溫度及濃度為座標之鹽(NaCl)溶液相圖。考慮一6%的鹽水溶液。當溫度自室溫下降至32℉以下時，整個溶液保持液態。

隨著溫度再下降，遇到相界，冰核在冷的液體中形成和增大。由於各冰粒的密度較周圍的鹵水低，因此會漂浮於濃液態鹵水的頂部。此過程會持續直到這些冰晶的泡沫出現在鹵水頂部。

當鹵水的液體體積溫度降低至其共晶溫度時，浮冰層已經增加到其之最大厚度。但額外的事件也會發生。個別的濃鹽水結晶出現並沉澱至液態鹵水底部。剩餘鹵水達到稱為共晶濃度之一濃度。右下圖描繪在共晶溫度和共晶濃度下之一鹵水溶液。

圖4係顯示為了每天使90000加侖廢水到達-20℉、每天使95000加侖廢水到達-10℉而用以獲得所需空氣質量流量之能量平衡。若以一發電機輸送電力至所需的空氣壓縮機，則使用前一種情況。這是一種能量平衡，其係假設無限時間可用於該過程，且所有的水都在攪拌槽中以確保完美混合。因此，這是一個近似的計算。

冷空氣和溫廢水液滴之間的熱傳速率是需要考慮的。為了確保能量平衡，在液滴和空氣間之高相對速度(即高雷諾數)、以及表面積對體積之高比例是必須的。具有相似環境條件的實驗資料顯示，對一些廢水溶液來說，0.5秒已足夠讓一廢水液滴形成 冰核、增大各冰核、使鹵水移動至下降冰粒的外表面。

圖5顯示一液滴之終端速度。終端速度是一下降液滴在我們的重力場內所達到的速度，受到由下降速度所產生之一氣動阻力阻礙。

最初，在共晶冷凍結晶噴霧室(EFCSC)設備頂部，廢水係為一液體柱，於噴嘴直徑上具有壓力差，其係產生一速度且液體柱分散成固定直徑的液滴。然而，在液滴的向下飛行期間，其係於共流設備中遇到一向下的風、或於逆流設備中遇到一向上的風。因此，終端速度和設備風速結合，以產生固定長度之容室中之相對值。

在共流設備中，設施被限制於可由鐵路或卡車輸送的高度(或90呎)。在逆流設備中，高度需求可以減少一個尺寸等級。容室高度除以液滴的相對速度的結果是液滴的停留時間。

容室內的空氣速度由空氣流決定，其係以每分鐘立方呎或每分鐘磅計算。若我們假設該容室之一橫截面面積以及容室頂部和底部的空氣溫度，並將其與質量流量相結合，則我們獲得容室頂部和底部的局部速度。

這一系列計算產生出共流與逆流容室之高度與橫截面面積。要注意的是，選擇每日加侖廢水作為起點是必要的。

圖6係顯示冷凍結晶過程的能量消耗不如膜過程中那樣低，其具有其他的優點。第一個優點是結晶通常是一單一平衡階段過程。由於其運行於較低的溫度，且結晶潛熱永遠小於蒸 發，所以此過程之熵變係較一蒸發過程小。較低的溫度亦降低了腐蝕的影響，如此較便宜的結構材料是必要的。非常高的分離因數是結晶過程的定則，因此產品的純度是極好的。

結晶可以自總溶解固體含量濃度高達650000毫克/升的飽合鹵水中產生乾淨的水。結晶通常與其他處理過程配對，其係於移除水中低總溶解固體含量濃度上更節能。結晶器很少應用於低總溶解固體含量水源，因為其高操作能量輸入需求以及其後處理成本。

圖7係顯示雖然冷凍結晶消耗較多能量，但冷凍結晶係應用於必須強分離汙染物的地方。藉由使用冷凍結晶過程的逆滲透逆流可以克服明顯的能源缺點，如此以冷凍結晶處理來逆滲透的鹵水。

圖8顯示了在-175℉下獲得超冷空氣高質量流量的兩種方法，即，TL-CAES以及壓縮擴張器方法。TL-CAES系統不僅儲存能量，還傳輸能量，如此在電源和最終使用電力之間不需要不美觀的高壓電力線。使用風電場或太陽能電場作為電源係使該系統完全環保，無燃燒燃料。TL-CAES系統不僅為最終使用者提供電力，且於-175℉時有高空氣質量流量。此系統在1至10兆瓦供電數日是可實行的。該情況包括距離使用者大約3英里以上之一電源，如此一高氣壓管線係用以供應壓縮空氣至渦輪膨脹機/發電機配置。

T-CAES系統僅儲存能量，但不傳輸能量。使用風電 場或太陽能電場作為電源係使該系統完全環保，無燃燒燃料。T-CAES系統不僅供電至最終使用者，且在-175℉時有高空氣質量流量。此系統在1至10兆瓦供電4小時是可實行的。該情況包括具有現場使用者之一電源，如此多個高空氣壓力容器係用以供給壓縮空氣至使用者渦輪膨脹機/發電機配置。

壓縮擴張器為由來自一低壓商用壓縮機之大約90psia的壓縮空氣所驅動之一裝置。壓縮擴張器係一共軸上之一渦輪壓縮機及渦輪膨脹機、與一共軸上之另一渦輪壓縮機及渦輪膨脹機之二級配置。輸入的加壓空氣(90psia和70℉)係輸送至該第一渦輪壓縮機和熱交換器，接著再輸送至該第二渦輪壓縮機和熱交換器。通過該渦輪壓縮機的最初空氣流亦通過各自的渦輪膨脹機輸入。所有的旋轉機械加速至自由纏繞轉速都需要幾秒鐘的時間。此時僅產生-175℉的高質量超冷空氣。沒有電力產生。系統唯一的驅動器是公用設施或發電機電力，其係驅動具90psia壓力輸出之一低壓空氣壓縮機。

上述二系統能維持至少每天95,000加侖的廢水純化。杜瓦瓶尺寸和拖車尺寸的液態氮驅動系統意欲維持一小型但高度設備化的共晶冷凍結晶噴霧室(EFCSC)設備。此永久設備的目的是確定維持各新客戶所需之全規模設備之設計。預期各新客戶都有自己的汙染物和最初汙染物濃度，其係必須移除以達到特定的水純度。

圖9係顯示了T-CAES系統及TL-CAES系統，其中 來自風電場或太陽能電場的電力係供電至一空氣壓縮機，其係於風吹或太陽照射時，將T-CAES系統的多個槽或一長加壓管道加壓至1200psig。

當沒風吹且沒太陽、但需要電力時，壓力容器提供穩定的200psig至渦輪膨脹機/發電機。發電機(由渦輪膨脹機所驅動)提供所需電力，渦輪膨脹機排氣產生-175℉高質量的超冷空氣。

T-CAES系統和TL-CAES系統的最新發展已可提供這樣高質量流量的極冷空氣。正是該副產品驅動共晶冷凍結晶噴霧室(EFCSC)設備。到目前為止，例如那些接近-10℉的寒冷溫度係聯想到傳統電冰箱或加拿大的冬天的寒冷溫度，而不是現在可用的-175℉。

當來自共晶冷凍結晶噴霧室(EFCSC)設備的排出空氣為-20℉時，為了對同樣的電力輸出在天然氣消耗量上有30%的減少，冰粒被移除時的空氣係送至發電機作為進氣。

在一系統配置中，發電機以正常消耗天然氣運作。另一方面，當供應-20℉進氣時，天然氣消耗減少30%。發電機電力係用以提供電能以驅動一壓縮擴張器，其係提供冷空氣至用以淨化水之共晶冷凍結晶噴霧室(EFCSC)設備。

圖10顯示Caterpillar太陽能公司所製造的MARS 100發電機在電力輸出和進氣溫度的相關性。當渦輪壓縮機的進氣密度較低(高氣溫)時，輸送給定的空氣質量流量至燃燒室所需之 能量增加。渦輪壓縮機係運作於一體積流量基礎上，但燃燒室係運作於一質量流量基礎上。

典型的大型發電機係運作於一封閉的電力大樓內，其室內氣溫為100℉，如此MARS 100發電機將產生9,700仟瓦的電力。電力系統工程師知道此功率損耗，因此他們經由數種類型的冷卻器裝置和製冷裝置來冷卻進氣，如此進氣係降低至47℉，而不是對同樣的天然氣消耗使用100℉達到11700kW的功率輸出。這代表了現有技術狀況。然而，MilStd 810G要求使用於北極圈的發電機運作於-25℉。因此，沒有理由發電機應由進氣於47℉驅動。此操作尚未於商業上進行，但說明於此。-20℉時的運作將造成相同天然氣消耗量下13000仟瓦的電力輸出。

圖11係顯示壓縮擴張器於-175℉下產生高質量流量超冷空氣之使用。二級自由纏繞壓縮擴張器係由傳統的空氣壓縮機所驅動，其通常為氣動工具提供90psia的室內空氣。當附近沒有公用電源時，傳統的空氣壓縮機的電力由發電機提供。

要注意的是，如圖9所示，在-20℉下，來自共晶冷凍結晶噴霧室(EFCSC)設備的高質量流量空氣係用以獲得圖9中所見之發電機之高效率運作。

在此例中，在將空氣輸送至渦輪驅動壓縮機之輸入空氣之高速葉輪葉片之前，將充滿冰粒的輸出空氣離心。

大於10微米直徑的冰粒係於輸送管中採用135度轉動進行離心，而小於10微米直徑的冰粒係由氣流運送流線穿過葉 片間的開放通道，因此冰粒在葉片上沒有碰撞。

重要的是在輸送進氣至渦輪壓縮機之前，要將所有的冰粒自-20℉、具有直徑10微米以上冰粒的充滿冰粒的空氣離心。渦輪機的高速葉輪葉片將被這些冰粒的持續碰撞磨損。

儘管葉片之間有彎曲的飛行軌跡，直徑小於10微米的冰粒將沿進氣的流線前進。隨著空氣由壓縮加熱，這些冰粒將在渦輪機葉片的掃掠中融化和蒸發。這個進一步的冷卻對壓縮過程的效率是有幫助的。

圖12顯示一實驗室設備，其係高度監測以觀察結晶容室的行為，即監測：(1)在共晶冷凍結晶噴霧室(EFCSC)設備頂部的噴射區，以注意廢水液滴尺寸的成長和距離，以達到液滴的終端速度，(2)共晶冷凍結晶噴霧室(EFCSC)設備的中高區域，以提供下降粒子冷凍時之顯微照片，以注意鹵水自冷凍清水冰片核心內部之移動，(3)共晶冷凍結晶噴霧室(EFCSC)設備的底部區域，以提供堆積雪塊與經由多孔雪塊排出鹵水的照片，(4)多孔籃子的網孔上所收集到的雪塊，(5)位於雪塊下方的細網上所收集到的鹽結晶，以及(6)測量在共晶冷凍結晶噴霧室(EFCSC)設備之非常底部所收集到之鹵水的電導率。

同時參考圖12，具有一頂部102a及一底部102b之一細長容室102，其於該頂部102a上有一噴嘴104，於該底部102b上有一穿孔籃型蓄水器106，其係用以累積冰粒。一或多個氮排氣孔118係位於該容室之該頂部102a上或附近，以允許氮氣流出。 排出鹵水的集水器120係在該底部102b上、在該蓄水器106之下，其中該集水器120其上覆有一細格柵122。在一實施例中，鹽124可置於該蓄水器106和該集水器120之間，在該集水器的格欄122的頂部。一冷陳空氣入口108係位於該容室102之該頂部102a和該底部102b之間。冷凍空氣源(氣態氮)可為一液態氮源112，其係包括一液態氮杜瓦瓶114及/或室溫下的氣態氮116。在使用上，冷凍空氣或氮進入該容室102並被引導向上，在與該等廢水液滴126自該噴嘴104被往下射入之相反方向上。隨著冷凍空氣經過液滴，其係降低液滴的溫度而使其部分或全部冷凍，然後滴入該蓄水器106中。鹵水經由穿孔的底部離開該蓄水器並滴入鹽124中，此處會變得更多鹽份。鹵水129係到該集水器120中停留。

為了監視該系統的運作及成效，一錄影機130係定位以查看該蓄水器106，以查看結凍液滴外觀的細節。在該頂部102a上或附近，在噴嘴104下方，係為一光投影機及一數位影像或照相機134，其中該照相機134的視野係由該光投影機132照亮。在一實施例中，該容室在該照相機的對面102c係塗成黑色以於影像上產生較大的對比。該照相機和光投影機的內表面亦可塗成黑色。一窗透鏡138係將光投影機132與容室102的內部分開。一光偏振器136位於光投影機132和該窗透鏡138之間，用以過濾所有來自關注目標之外的來源的散射光、反射和眩光。在一實施例中，一乾燥氮源139係位於該窗透鏡和該容室內部之間，以防止任何潮濕的空氣進入與窗或透鏡接觸，並防止窗和透鏡起霧、 妨礙目標的觀察。一個窗透鏡140亦將照相機134與容室102分開。一光偏振器142位於照相機134和窗透鏡140之間，係用於過濾所有來自關注目標之外的來源的散射光、反射和眩光。在一實施例中，一乾燥氮源144係位於該窗透鏡和該容室102內部之間，以使進入與窗或透鏡接觸的空氣變乾。

光投影機132有多種模式，其中它可藉由一系列閃光照亮、定時顯示一系列靜止照片、或定時顯示冰層形成、或定時顯示鹽結晶。照相機134亦可具有許多照片設置，以使準確觀察飛行中的液滴。為了確定氮的向上速度，可在容室102中丟下塑膠珠子並觀察。

若藉由濃縮鹵水的電導率顯示汙染物係自廢水中完全分離，將執行一系列洗滌程序，並進行微調以開發出一最佳洗滌程序。

細想此設備會於在廢水中使用一預定濃度的汙染物，並會測量最終鹵水的濃度，如此其分離效率將可被測量。針對簡單的鹽，其中濃度為10%至20%的起始溶液將需要簡單的儀器來確定溶液的最終濃度是否約為100ppm。針對較毒的污染物，初始範圍可為百萬分之幾(ppm)，並需要達到十億分之幾(ppb)，該儀器更為複雜。此外，必須遵守安全處理與處置規則。

本發明已使用特定實施例說明於此，其僅為說明目的。然而，對於本領域技術人員來說，本發明的原理可以其他方法實施是顯而易見的。因此，本發明不應被視為限制於此處所揭 露之特定實施例之範圍內，而是完全相應於以下申請專利範圍。

2‧‧‧外殼

4‧‧‧排出路徑

5‧‧‧容室

6‧‧‧籃

7‧‧‧入口端

8‧‧‧排水端

10‧‧‧廢水噴嘴

11‧‧‧連接部

12‧‧‧空氣入口

13‧‧‧液滴

14‧‧‧清水噴嘴

15‧‧‧清水

17‧‧‧排水管

19‧‧‧冰錐

20‧‧‧廢水管

A‧‧‧區域

B‧‧‧區域

C‧‧‧區域

Claims (20)

1. 一種廢水淨水器，包括：一容室，其係具有一上入口端和一下排水端；一或多個廢水噴嘴，其係連接於該入口端附近之一廢水水源，以產生廢水液滴；一冷凍空氣入口，係位於該入口端附近，並連接至一冷凍空氣源，以使冷凍空氣可與廢水液滴混合；一穿孔蓄水器，其係接近該排水端，用以收集冷凍液滴；一排水管，其係位於該蓄水器下方，用以提供液體廢水一出口；以及冷凍空氣之一排出口，其係接近該排水端。
2. 如申請專利範圍第1項所述之廢水淨水器，更包括圍繞該容室之一外殼，其係包括圍繞該容室之至少一部分雙層壁，該雙層壁界定一排出路徑，其中該排出路徑係連接至該排出口。
3. 如申請專利範圍第1項所述之廢水淨水器，其中該噴嘴係用以提供一預定尺寸的液滴。
4. 如申請專利範圍第1項所述之廢水淨水器，更包括一清水噴嘴，其係指向該蓄水器的內部，該清水噴嘴用以於收集在該蓄水器中之冷凍液滴上噴灑清水。
5. 如申請專利範圍第1項所述之廢水淨水器，其中該冷凍空氣源係選自T-CAES渦輪膨脹機、TL-CAES渦輪膨脹機、膨脹機、或液態氮(LN2)槽車。
6. 如申請專利範圍第1項所述之廢水淨水器，其中該等廢水液滴自該噴嘴射出至滴入該容器的飛行時間係3.75至7.05秒。
7. 如申請專利範圍第1項所述之廢水淨水器，更包括在該蓄水器和該排水管之間的鹽。
8. 一種廢水淨水器，包括：細長的一流動室，係具有一上部及一下部；一或多個廢水噴嘴，係位於該上部附近；一或多個排氣口，係位於該上部附近；一穿孔蓄水器，係於該流動室的底部；以及一冷凍空氣入口，係連接於該上部與該下部之間，且該入口連接至一冷凍空氣源。
9. 如申請專利範圍第8項所述之廢水淨水器，其中該一或多個噴嘴係產生預定尺寸的液滴，並將液滴往下噴射。
10. 如申請專利範圍第8項所述之廢水淨水器，更包括一集水器，其係位於該蓄水器下方，其中來自該蓄水器的鹵水係收集於該集水器中。
11. 如申請專利範圍第8項所述之廢水淨水器，更包括一清水噴嘴，其係指向該蓄水器的內部，該清水噴嘴用以將清水噴在收集於該蓄水器中的冷凍液滴上。
12. 如申請專利範圍第8項所述之廢水淨水器，其中一冷凍空氣氣流係來自該冷凍空氣入口，往上至該流動室，從該一或多個排氣口出去。
13. 如申請專利範圍第8項所述之廢水淨水器，更包括在蓄水器及該集水器之間的鹽。
14. 如申請專利範圍第8項所述之廢水淨水器，其中該集水器係進接至一排水管。
15. 如申請專利範圍第8項所述之廢水淨水器，其中該冷凍空氣源係選自T-CAES渦輪膨脹機、TL-CAES渦輪膨脹機、膨脹機、或液態氮(LN2)槽車。
16. 如申請專利範圍第8項所述之廢水淨水器，更包括一錄影機，其係定位以查看該蓄水器。
17. 如申請專利範圍第8項所述之廢水淨水器，更包括一光投影機以及一照相機，該光投影機係指向該細長流動室以照亮該流動室內部的一部分，該照相機係指向該流動室內部被照亮的部分，用以捕捉冷凍液滴的影像。
18. 如申請專利範圍第8項所述之廢水淨水器，該光投影機及該照相機，更分別包括一透鏡，其中該光投影機及該照相機係各自藉由該等透鏡與該流動室的內部分離。
19. 如申請專利範圍第8項所述之廢水淨水器，更包括在該等透鏡與該流動室的內部間之乾燥氮源，以防止濕氣聚集於該等透鏡上。
20. 如申請專利範圍第8項所述之廢水淨水器，更包括位於該照相機與該等透鏡之間之一光偏振器，其係用以濾除來自該光投影機之外之其他來源之散射光和反射。