用于延長臭氧的半衰期的水處理的制作方法
【專利摘要】本發明涉及提供酸性離子化的臭氧化液體的系統。所述系統包括配置成接受液體到所述系統中的液體入口；與所述液體入口流體連通的基于酸的陽離子交換樹脂，所述樹脂適合使在所述接受的液體中的陽離子與在所述樹脂上的H+離子交換；與所述液體入口和所述基于酸的陽離子交換樹脂流體連通的臭氧溶解設備；和與所述液體入口、所述基于酸的陽離子交換樹脂和所述臭氧溶解設備流體連通的液體出口。所述臭氧溶解設備和所述基于酸的陽離子交換樹脂共同生成所述酸性離子化的臭氧化液體以便經所述液體出口分配到所述系統以外。
【專利說明】用于延長臭氧的半衰期的水處理
[0001]相關申請的交叉引用
本申請要求2011年8月25日提交的美國臨時專利申請61/527，284號的優先權，其通過引用全文結合到本文中來。
[0002]領域
概括地講，本發明涉及用于生成臭氧化水的系統和方法。更詳細地講，本發明涉及在臭氧化水的生產中處理水的臭氧化方法和系統。
[0003]背景
臭氧是氧氣的天然存在的同素異形體。其是已知的并作為氧化劑和消毒劑使用。在水溶液中，在適當濃度下臭氧能夠在數秒內殺死細菌。常常需要使用臭氧作為消毒或衛生處理劑，因為其無味且不留下殘留。溶解于水中的臭氧的衛生處理性質以及其無味且無殘留使得這種溶液適合用于清潔和消毒的需要。臭氧化水可用于在商業和家庭設備中消毒或衛生處理。例如，臭氧化水可用于消毒或衛生處理浴室柜、制品、盤子和餐具或地板。
[0004]使用臭氧作為消毒劑或衛生處理劑的一種便利方法是將其溶解于水或水基溶液中。臭氧的穩定性在其作為消毒或衛生處理劑使用時經常是一項復雜的因素，因為賦予臭氧消毒和衛生處理性質的臭氧高反應性還引起與還原劑的反應，且因此引起分解。在預期需求下生成的臭氧水中的臭氧最終將分解并恢復成未臭氧化的水。 [0005]生成適合清潔、消毒或衛生處理的臭氧化水的臭氧化系統可為再循環或非再循環的系統。
[0006]再循環臭氧化系統設計有水槽和再循環臭氧化流動路徑。水流經該臭氧化流動路徑并使適量的臭氧溶解于其中。在臭氧化流動路徑中的低效率導致需要臭氧化水經臭氧化流動路徑再循環回來以達到所期望量的溶解的臭氧。這典型地通過使臭氧化水再循環回到水槽并操作臭氧化系統一段時間直至在該槽中的水全部充分臭氧化來實現。
[0007]臭氧化系統已經通過增加臭氧化流動路徑的效率和/或通過使用連續再循環系統解決了在(a)啟動系統和(b)傳送具有可用水平的臭氧的臭氧化水之間的延遲。
[0008]可以使用連續再循環臭氧化系統“按需(on demand)”生成臭氧化水。連續再循環臭氧化系統具有使臭氧化水再循環回到收集槽的臭氧化流動路徑，且該系統使水在系統中臭氧化而與臭氧化水是否正在分配無關。在這種系統中，將臭氧連續地加到水中以替換已經分解的任何臭氧，或者使已經加入以替換從系統中除去的臭氧化水的任何新鮮水臭氧化。最終基于入口和出口流速以及在臭氧化系統中使用的臭氧化流動路徑的效率達到臭氧化水的穩態。然而，在臭氧化開始時，溶解的臭氧的水平低且逐漸增加直至達到穩態。
[0009]也可以使用非再循環臭氧化系統。所述系統“按需”分配臭氧化水而不需要連續再循環系統。也就是說，非再循環臭氧化系統經由單次通過臭氧化流動路徑分配已經加到水中的臭氧，由此廢除對于收集槽的需要。
[0010]在再循環臭氧化系統和非再循環臭氧化系統兩者中，與系統是否“按需”分配臭氧化水無關，期望增加溶解的臭氧的濃度并降低臭氧分解的速率。
[0011]各種因素影響著臭氧分解的速率(Ericksson,M.〃0zone Chemistry in AqueousSolution (在水溶液中的臭氧化學)"2005 Licentiate Thesis, Dept, of Chemistry,Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden ;和 Uhm HS 等，"Increase in theozone decay time in acidic ozone water and its effects on sterilization ofbiological warfare agents (在酸性臭氧水中臭氧衰減的增加及其對生物戰劑的滅菌作用)〃，J.Hazard Mater.2009 年 9 月 15 日；168(2-3): 1595-601，電子出版 2009 年3月21日)。例如，溫度增加、攪拌速度增加和較高的離子強度都加速在水溶液中臭氧分解的速率。相反，加入自由基清除劑或其他穩定劑(例如膠束表面活性劑)和使用酸性緩沖體系減小溶液的PH使臭氧穩定并降低臭氧分解的速率。
[0012]在生成臭氧化水時，使用蒸鎦水或去離子水(DI水)被認為是有益的。使用電暈放電的臭氧化系統優選使用去離子水，因為在自來水中存在的離子可能使臭氧室(ozonecell) “中毒”并縮短其壽命(參見美國專利6，964，739號)。使用DI水的臭氧分解系統的一個實例是由 MKS Instruments 制造的 LIQU0Z0N? Ultra-Ozone Sanitization of DIWater Loop and S torage Tank。該LIQU0Z0N?超臭氧化去離子水裝置是用于工藝用水系統、儲存槽和分配管線的衛生處理的自動臭氧注入系統。
[0013]期望提供用于處理水使得與未處理的水相比較在處理過的水中的平均臭氧分解速率降低的方法和系統。
[0014]概述
本發明提供用于處理水使得與未處理的水相比較在處理過的水中的平均臭氧分解速率降低的方法和系統。由于分解速率降低，在所述處理過的水中溶解的臭氧的平均壽命增加。一方面，本發明提供用于提供酸性離子化的臭氧化液體的系統。所述系統包括配置成接受液體到所述系統中的液體入口 ；與所述液體入口流體連通的基于酸的陽離子交換樹脂，所述樹脂適合使在所述接受的液體中的陽離子與在所述樹脂上的H+離子交換；與所述液體入口和所述基于酸的陽離子交換樹脂流體連通的臭氧溶解設備；和與所述液體入口、所述基于酸的陽離子交換樹脂和所述臭氧溶解設備流體連通的液體出口。所述臭氧溶解設備和所述基于酸的陽離子交換樹脂共同生成所述酸性離子化的臭氧化液體以便經所述液體出口分配到所述系統以外。
[0015]在所述分配的臭氧化液體中的臭氧可具有如下平均壽命:大于在未用所述基于酸的陽離子交換樹脂處理但用足夠的液體酸處理以生成等于所述分配的酸性離子化的臭氧化液體的PH的pH的液體中的臭氧的平均壽命；且大于在用足夠的液體酸處理以生成等于所述分配的酸性離子化的臭氧化液體的pH的pH的去離子液體中臭氧的平均壽命。
[0016]所述臭氧溶解設備可為臭氧化流動路徑，所述臭氧化流動路徑包括:臭氧發生器以生成臭氧以便與所述接受的液體混合。所述臭氧化流動路徑還可包括混合器，所述混合器與所述臭氧發生器流體連通以將產生的臭氧與所述接受的液體混合以生成所述臭氧化液體。
[0017]所述系統還可包括收集槽，其中所述基于酸的陽離子交換樹脂位于適合使液體再循環到所述收集槽的再循環流動路徑中。或者，所述系統還可包括收集槽且所述基于酸的陽離子交換樹脂可位于所述收集槽中。
[0018]或者，所述系統可具有位于非再循環流動路徑中的所述基于酸的陽離子交換樹月旨。所述系統還可包括收集槽且所述非再循環流動路徑可提供液體到所述收集槽。或者，所述非再循環流動路徑可提供液體到所述臭氧溶解設備。
[0019]任何先前描述的系統都可具有接受來自所述液體入口的液體的所述基于酸的陽離子交換樹脂和接受由所述樹脂處理的液體的所述臭氧溶解設備。或者，任何先前描述的系統都可具有接受來自所述液體入口的液體的所述臭氧溶解設備和接受所述臭氧化液體的所述基于酸的陽離子交換樹脂。
[0020]所述基于酸的陽離子交換樹脂可為強酸樹脂。所述基于酸的陽離子交換樹脂可為弱酸樹脂。
[0021]在所述接受的液體中的陽離子可在所述液體被所述臭氧化系統接受時已存在于所述液體中，或者可由所述臭氧化系統加到所述液體中。
[0022]另一方面，提供生成酸性離子化的臭氧化液體的方法。所述方法包括使在所述液體中存在的陽離子與來自基于酸的陽離子交換樹脂的H+離子交換，并使所述液體臭氧化。交換所述陽離子和使所述液體臭氧化共同生成所述酸性離子化的臭氧化液體。
[0023]所述液體可在所述陽離子交換之后臭氧化。所述液體可在所述陽離子交換之前臭氧化。
[0024]在使用如上所述的方法生成的臭氧化液體中的臭氧可具有如下平均壽命:大于在未用所述基于酸的陽離子交換樹脂處理但用足夠的液體酸處理以生成等于所述酸性離子化的臭氧化液體的pH的pH的液體中的臭氧的平均壽命；且大于在用足夠的液體酸處理以生成等于所述酸性離子化的臭氧化液體的PH的pH的去離子液體中臭氧的平均壽命。
[0025]所述方法還可包括在陽離子交換之前將所述陽離子加到接收的液體中。
[0026]又一方面，提供增加溶解于液體中的臭氧的平均壽命的系統。所述系統包括:基于酸的陽離子交換樹脂，所述樹脂適合使在所述液體中的陽離子與在所述樹脂上的H+離子交換；和與所述基于酸的陽離子交換樹脂流體連通的臭氧溶解設備，所述臭氧溶解設備和所述基于酸的陽離子交換樹脂共同生成酸性離子化的臭氧化液體。在所述酸性離子化的臭氧化液體中的臭氧具有如下平均壽命:大于在未用所述基于酸的陽離子交換樹脂處理但用足夠的液體酸處理以生成等于所述酸性離子化的臭氧化液體的PH的pH的液體中的臭氧的平均壽命；且大于在用足夠的液體酸處理以生成等于所述酸性離子化的臭氧化液體的PH的pH的去離子液體中臭氧的平均壽命。
[0027]又一方面，提供增加溶解于液體中的臭氧的平均壽命的方法。所述方法包括:使在所述液體中存在的陽離子與來自基于酸的陽離子交換樹脂的H+離子交換；和使所述液體臭氧化，其中交換所述陽離子和使所述液體臭氧化共同生成酸性離子化的臭氧化液體。在所得酸性離子化的臭氧化液體中的臭氧具有如下平均壽命:大于在未用所述基于酸的陽離子交換樹脂處理但用足夠的液體酸處理以生成等于所述酸性離子化的臭氧化液體的PH的pH的液體中的臭氧的平均壽命；且大于在用足夠的液體酸處理以生成等于所述酸性離子化的臭氧化液體的PH的pH的去離子液體中臭氧的平均壽命。
[0028]本領域普通技術人員在結合附圖回顧特定實施例的以下描述時將顯而易見本發明的其他方面和特點。
[0029]附圖簡述
現在將僅通過舉例來參考附圖描述本發明的實施例。 [0030]圖1為根據本發明提供臭氧化液體的系統的示意圖。[0031]圖2A為在圖1中圖示的系統的一個實施例的示意圖。
[0032]圖 2B為在圖1中圖示的系統的另一實施例的示意圖。
[0033]圖2C為在圖1中圖示的系統的又一實施例的示意圖。
[0034]圖2D為在圖1中圖示的系統的又一實施例的示意圖。
[0035]圖3A為可在根據本發明的系統中使用的臭氧化流動路徑的一個實施例的示意圖。
[0036]圖3B為可在根據本發明的系統中使用的臭氧化流動路徑的另一實施例的示意圖。
[0037]圖3C為可在根據本發明的系統中使用的臭氧化流動路徑的又一實施例的示意圖。
[0038]圖4A為根據本發明提供臭氧化液體的方法的示意圖。
[0039]圖4B為根據本發明提供臭氧化液體的另一方法的示意圖。
[0040]發明詳述
概括地講，本發明提供處理水溶液(例如水)使得與在未處理的水溶液中溶解的臭氧相比在處理過的溶液中的臭氧分解速率降低且在處理過的溶液中溶解的臭氧的平均壽命增加的方法和系統。
[0041]盡管水是可使用本文所述的實施方案的基于酸的陽離子交換樹脂處理的水溶液的一個實例，但對于本發明的目的，術語“水溶液”、“液體”和“7jC”可互換使用。
[0042]根據本發明的一個實施方案，生成臭氧化水溶液的臭氧化系統和方法包括基于酸的陽離子交換樹脂，其從所述水溶液中除去陽離子物質并用H+離子替換所述除去的陽離子物質，由此降低所述水溶液的pH( 即，增加酸度)并生成酸性離子化的溶液。根據本發明的方法和系統使用所述基于酸的陽離子交換樹脂和臭氧溶解設備以生成酸性離子化的臭氧化液體。
[0043]為了產生酸性離子化的臭氧化液體，由所述基于酸的陽離子交換樹脂接受的液體包含溶解于其中的陽離子以提供可與在所述樹脂上的H+離子交換的陽離子。溶解于所述液體中的陽離子可存在于由所述臭氧化系統接受的液體的來源中，或者可由所述臭氧化系統加入。例如，所述臭氧化系統可接受具有少量陽離子的水源且可通過將NaCl溶液加到所述水中而加入另外的陽離子。
[0044]另外，應理解根據本發明的方法和系統不包括產生_0H離子的陰離子交換樹脂，因為所述_0H離子將與所加入的H+離子反應以產生中性非離子化溶液。
[0045]根據本發明的一個實施方案的臭氧化系統圖示在圖1中。如在圖1中所見，臭氧化系統I包括接受液體到該系統中的入口 2 ;分配臭氧化液體到該系統以外的液體出口 4，液體出口 4與液體入口 2流體連通；與液體入口 2和液體出口 4流體連通的基于酸的陽離子交換樹脂6 ;和與液體入口 2、液體出口 4和基于酸的陽離子交換樹脂6流體連通的臭氧溶解設備8。所述臭氧化系統適合:使在接受的液體中的陽離子與在基于酸的陽離子交換樹脂6上的H+離子交換；和使用臭氧溶解設備8使接受的液體臭氧化以生成酸性離子化的臭氧化液體以便分配到液體出口 4以外。
[0046]實驗結果已經發現用基于酸的陽離子交換樹脂和臭氧源處理例如自來水的未處理的含陽離子的液體產生臭氧化溶液，該臭氧化溶液當與I)未處理的自來水、2)去離子水、3)酸化自來水和4)酸化去離子水比較時具有降低的臭氧分解速率(且因此增加的溶解的臭氧的平均壽命)。去離子水使用混合床去離子盒和碳塊預濾器生成。臭氧使用電暈放電在I安培的電流和2.5-3加侖/分鐘冷自來水的流速下生成。臭氧濃度使用Micro 7+溶解臭氧測量系統測量。五種不同水溶液的半衰期示于下表1和表2中。
[0047]表1-弱酸處理的水的臭氧半衰期
【權利要求】
1.提供酸性離子化的臭氧化液體的系統，所述系統包括: 配置成接受液體到所述系統中的液體入口； 與所述液體入口流體連通的基于酸的陽離子交換樹脂，所述樹脂適合使在所述接受的液體中的陽離子與在所述樹脂上的H+離子交換； 與所述液體入口和所述基于酸的陽離子交換樹脂流體連通的臭氧溶解設備；和 與所述液體入口、所述基于酸的陽離子交換樹脂和所述臭氧溶解設備流體連通的液體出口， 所述臭氧溶解設備和所述基于酸的陽離子交換樹脂共同生成所述酸性離子化的臭氧化液體以便經所述液體出口分配到所述系統以外。
2.權利要求1的系統，在所述分配的臭氧化液體中的臭氧具有如下平均壽命: 大于在未用所述基于酸的陽離子交換樹脂處理但用足夠的液體酸處理以生成等于所述分配的酸性離子化的臭氧化液體的pH的pH的液體中的臭氧的平均壽命；且 大于在用足夠的液體酸處理以生成等于所述分配的酸性離子化的臭氧化液體的pH的pH的去離子液體中的臭氧的平均壽命。
3.權利要求1或2的系統，其中所述臭氧溶解設備為臭氧化流動路徑，所述臭氧化流動路徑包括: 臭氧發生器，以生成臭氧以便與所述接受的液體混合。
4.權利要求3的系統，其中所述臭氧化流動路徑還包括混合器，所述混合器與所述臭氧發生器流體連通以將產生的臭氧與所述接受的液體混合以生成所述臭氧化液體。
5.權利要求1-4中任一項的系統，其中所述系統還包括收集槽且其中所述基于酸的陽離子交換樹脂位于適合使液體再循環到所述收集槽的再循環流動路徑中。
6.權利要求1-4中任一項的系統，其中所述系統還包括收集槽且其中所述基于酸的陽離子交換樹脂位于所述收集槽中。
7.權利要求1-4中任一項的系統，其中所述基于酸的陽離子交換樹脂位于非再循環流動路徑。
8.權利要求7的系統，其中所述系統還包括收集槽且所述非再循環流動路徑提供液體到所述收集槽。
9.權利要求7的系統，其中所述非再循環流動路徑提供液體到所述臭氧溶解設備。
10.權利要求1-9中任一項的系統，其中所述基于酸的陽離子交換樹脂接受來自所述液體入口的液體且所述臭氧溶解設備接受由所述樹脂處理的液體。
11.權利要求1-9中任一項的系統，其中所述臭氧溶解設備接受來自所述液體入口的液體且所述基于酸的陽離子交換樹脂接受所述臭氧化液體。
12.權利要求1-11中任一項的系統，其中所述基于酸的陽離子交換樹脂為強酸樹脂。
13.權利要求1-11中任一項的系統，其中所述基于酸的陽離子交換樹脂為弱酸樹脂。
14.權利要求1-13中任一項的系統，其中在所述接受的液體中的陽離子在所述液體被所述臭氧化系統接受時存在于所述液體中，或者由所述臭氧化系統加到所述液體中。
15.生成酸性離子化的臭氧化液體的方法，所述方法包括: 接收液體； 使在所述液體中存在的陽離子與來自基于酸的陽離子交換樹脂的H+離子交換；和使所述液體臭氧化； 其中交換所述陽離子和使所述液體臭氧化共同生成所述酸性離子化的臭氧化液體。
16.權利要求15的方法，其中使所述陽離子交換以生成酸性離子化的液體，且所述酸性離子化的液體在所述陽離子交換之后臭氧化。
17.權利要求15的方法，其中所述接收的液體在所述陽離子交換之前臭氧化。
18.權利要求15-17中任一項的方法，其中在所述臭氧化液體中的臭氧具有如下平均壽命: 大于在未用所述基于酸的陽離子交換樹脂處理但用足夠的液體酸處理以生成等于所述酸性離子化的臭氧化液體的PH的pH的液體中的臭氧的平均壽命；且 大于在用足夠的液體酸處理以生成等于所述酸性離子化的臭氧化液體的pH的pH的去離子液體中的臭氧的平均壽命。
19.權利要求15-18中任一項的方法，其還包括在所述陽離子交換之前將所述陽離子加到所述接收的液體中。
20.增加溶解于液體中的臭氧的平均壽命的系統，所述系統包括: 基于酸的陽離子 交換樹脂，所述樹脂適合使在所述液體中的陽離子與在所述樹脂上的H+離子交換；和 與所述基于酸的陽離子交換樹脂流體連通的臭氧溶解設備， 所述臭氧溶解設備和所述基于酸的陽離子交換樹脂共同生成酸性離子化的臭氧化液體； 其中在所述酸性離子化的臭氧化液體中的臭氧具有如下平均壽命: 大于在未用所述基于酸的陽離子交換樹脂處理但用足夠的液體酸處理以生成等于所述酸性離子化的臭氧化液體的PH的pH的液體中的臭氧的平均壽命；且 大于在用足夠的液體酸處理以生成等于所述酸性離子化的臭氧化液體的pH的pH的去離子液體中的臭氧的平均壽命。
21.增加溶解于液體中的臭氧的平均壽命的方法，所述方法包括: 使在所述液體中存在的陽離子與來自基于酸的陽離子交換樹脂的H+離子交換；和 使所述液體臭氧化， 其中交換所述陽離子和使所述液體臭氧化共同生成酸性離子化的臭氧化液體； 其中在所述酸性離子化的臭氧化液體中的臭氧具有如下平均壽命: 大于在未用所述基于酸的陽離子交換樹脂處理但用足夠的液體酸處理以生成等于所述酸性離子化的臭氧化液體的PH的pH的液體中的臭氧的平均壽命；且 大于在用足夠的液體酸處理以生成等于所述酸性離子化的臭氧化液體的pH的pH的去離子液體中臭氧的平均壽命。
【文檔編號】B01J47/00GK103957945SQ201280052029
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2012年8月20日 優先權日:2011年8月25日
【發明者】S.L.亨斯佩格, J.L.納姆斯佩特拉, J.奧奈爾 申請人:特薩諾公司