CN101203458B - 用于净化流体的方法以及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于净化流体，特别是借助于电解来从水清除重金属和/或砷和/或它们的化合物的方法以及装置，其中所述水有待经受不同极性的电极进行净化。本发明可以包括用于控制流体pH的装置。本发明还可以包括允许电极自清洗、过滤器自清洗以及自动化监控维护情况的控制系统。

Description

用于净化流体的方法以及装置 

发明领域

本发明涉及用于净化水的装置，特别是借助电解装置来清除砷、重金属、碳氢化合物、表面活性剂、磷酸盐、镝(dies)、悬浮物质、毒性物质、可电化学裂解的其他物质及其化合物的装置。这种装置除了可以降低CSB值以及可以清除氯和芳族化合物之外，甚至可以消灭并且随后过滤出诸如霍乱弧菌以及乳酸肠球菌(enterococcus faecium)的顽固细菌培养物。本发明可以提供受污染的水源的处理，比如地上和地下来源的饮用水净化，以及提供工业废水和生活废水的净化用于处理后排放。 

发明背景 

施加于国家水道(nation′s waterways)的环境以及社会压力正在渐增。对现有水源日益增长的需求量迫使对先前不能使用的水源进行评估以便满足国内的需求。此外，对国家水道中各种形式的已处理污水施加了更多的压力。各种污染物，比如重金属、砷、天然形成的以及工业的致癌物等，都须符合日渐严格的规章要求。联邦、州以及当地政府针对饮用水分布以及排入公共和私有水道的废水的最大污染程度进行课税。 

存在旨在处理各种废水和饮用水源的、经济且有效的方法以及装置的需求，所述方法以及装置可以将受控制的污染物减少到所控制和提出的最大限量以下。目前的方法以及装置通常只能处理一种污染物，并且需要持续的监控、化学添加物，或者需要多次通过装置以从水分离出污染物。具有支持每小时20加仑至每小时100000加仑范围处理量的能力和灵活性的方法以及装置是合乎需求的。 

发明概述 

本发明涉及用于净化流体，特别是借助于电解来从水清除重金属和/或 砷和/或它们的化合物的方法以及装置，其中所述水有待经受不同极性的电极进行净化。本发明可以包括用于控制流体pH的装置。本发明还可以通过减少水中的诸如钙、镁组分的浓度或者碱度来降低水的“硬度”。本发明还可以包括允许电极自清洗、过滤器自清洗以及自动化监控维护情况的控制系统。 

根据本发明的方法可以包括提供其中安装有电极的、并且适用于容纳充满污染物的流体的反应器。可以通过在所述电极之间施加电势来使其通电，从而有助于与污染物的电解反应。该电解反应产生电极材料与污染物的组合物，从而生成可以经由过滤清除的絮状体。 

激发某种电流所需的电势可以取决于电极之间的间距。由于电极受到反应的损耗，因此电极间的间距增加，正如所需的电势也增加一样。可以监测这种电势以便提供所述电极状态的指示。例如，所需的电势超过阈值(或者相等，得到的电流低于阈值)可能表明电极应进行更换。 

流体中的污染物还可以粘附至未损耗的电极，从而降低反应器的效能。可以定期地使所述电势的极性发生逆转。通过逆转极性，已经受到污染的电极可转化为反应中损耗的电极。电极材料的耗损可以从电极表面清除污染物，从而允许反应器进行某种程度的自清洗。 

本发明提供一种从流体除去污染物的方法，其包括以下步骤：a)提供阳极和阴极；b)将所述流体设置成与所述阳极和所述阴极接触；c)提供所述阳极和所述阴极之间的电压，其中所述电压使得电流通过所述流体在所述阳极和所述阴极之间流通，并通过来自所述阳极的材料与所述污染物的电化学结合来形成絮状体；d)从所述流体去除至少一些所述絮状体。所述阳极可以由铁、铝、碳或其合金制成。所述阴极可以由铁、铝、碳或其合金制成。 

本发明提供一种从流体去除污染物的方法，其包括以下步骤：a)提供含碳的pH型阳极；b)提供阴极；c)将所述流体设置成与所述pH型阳极和所述阴极接触；d)提供所述pH型阳极和所述阴极之间的电压，其中所述电压使得电流通过所述流体在所述阳极和所述阴极之间流通并降低所述流体的pH；e)所述的方法从所述流体去除污染物。提供电压的所述步骤 可包括：第一次提供第一极性的电压，然后第二次提供与所述第一极性相反的、第二极性的电压。当可以检测到维持通过所述流体的最小电流所需要的电压有确定的增加时，所述第一次结束。当可以检测到所述阳极和所述阴极之间的电阻增加时，所述第一次结束。本发明所述的方法可进一步包括：感测所述电压和电流，并提供基于所述电压和电流组合的维护信号。从所述流体去除至少一些所述絮状体的所述步骤可以包括使充满絮状体的流体通过过滤器。 

本发明提供一种降低流体pH的方法，其包括以下步骤：a)提供含碳的pH型阳极；b)提供阴极；c)将所述流体设置成与所述pH型阳极和所述阴极接触；d)提供所述pH型阳极和所述阴极之间的电压，其中所述电压使得电流通过所述流体在所述pH型阳极和所述阴极之间流通并降低所述流体的pH； 

本发明提供一种从流体去除污染物的装置，其包括：a)反应器，所述反应器包括：i)反应器贮存器，其适于容纳一定量的所述流体；ii)阳极子系统，其与所述反应器贮存器安装在一起，以使所述反应器贮存器中的流体与所述阳极子系统的至少一部分接触；iii)阴极子系统，其与所述反应器贮存器安装在一起，以使所述反应器贮存器中的流体与所述阴极子系统的至少一部分接触；iv)电源子系统，其与所述阳极子系统和所述阴极子系统电相通，并适以提供所述阳极子系统和所述阴极子系统之间的电势；b)絮状体去除系统，所述絮状体去除系统包括：i)过滤器子系统，其具有与所述反应器流体相通的入口并具有出口，所述反应器适以大体上去除由污染物与来自所述阳极子系统的材料的电化学结合所生成的絮状体。所述电源子系统可包括：a)电子探测器，其指示与阈值有关的电流或电压；b)电能来源，其具有两种相反极性中的任一种；c)控制系统，其响应所述电子探测器以选择所述电能源的两种极性中的一种。所述絮状体去除系统可包括：a)回洗流体源；b)分配系统，其适以将所述回洗流体源设置成与所述过滤器子系统的流体出口流体相通；c)污染物去除口，其与所述过滤器子系统的流体入口流体相通，当所述回洗流体源流经所述过滤器子系统时，适以允许流体流经所述污染物去除口。所述阴极子系统可包括含 碳或其合金的电极。所述电源子系统可适以提供响应所述流体确定pH的、在所述碳电极和所述阳极子系统之间的电势。所述絮状体去除系统可以包括温和的泵，所述温和的泵的入口与所述反应器流体相通。所述过滤器子系统可包括第一过滤器和第二过滤器，并且进一步包括分配系统，所述分配系统适以将所述第一过滤器和所述第二过滤器中的一个或两个都设置成与回洗流体源流体相通。所述絮状体去除系统可以被加压。本发明所述的方法可以进一步包括：当所述流体与所述阳极和阴极接触时，向所述流体供应至少一些所述去除的絮状体。本发明所述的方法可以进一步包括：测量指示絮状体形成的参数，并控制响应所述参数的所述电压。本发明所述的方法可以进一步包括：以促进所述阳极、所述阴极或两者上生成的沉淀物从其除去的方式搅动所述阳极、所述阴极或两者。本发明所述的装置可以进一步包括絮状体分离器，所述絮状体分离器接收来自所述反应器的流体，并向所述絮状体去除系统提供除去絮状体的流体以及向所述反应器提供富含絮状体的流体或纯的絮状体。本发明所述的装置可以进一步包括响应所述反应器中的絮状体形成的传感器，并且其中所述电源子系统提供至少部分响应所述传感器的电势。本发明所述的装置可以进一步包括搅动器，所述搅动器耦合于所述阳极子系统、所述阴极子系统、所述反应器贮存器或其组合，其中所述搅动器作用以促进从所述阳极子系统、所述阴极子系统以及所述反应器贮存器中的至少一个去除沉淀物。所述反应器贮存器可以所述贮存器第一部分附近的一个或多个入口接收流体，并以所述贮存器第二部分附近的一个或多个出口输出流体，其中从所述第一部分到所述第二部分的流体流路经过所述阳极子系统、所述阴极子系统或两者的大部分面积。所述阳极子系统可包括阳极表面，并且其中所述阴极子系统包括阴极表面，并且其中所述阳极子系统与所述阴极子系统安装在一起以使所述阳极表面与所述阴极表面间隔开，从而在其间形成所述反应器贮存器。所述阳极表面、所述阴极表面或两者可是大体上平坦的。所述阳极表面、所述阴极表面或两者可是纹状的、肋状的、槽状的或波状的。所述阳极表面和所述阴极表面中的一个可以包括中空的柱体，并且其中所述阳极表面和所述阴极表面中的另一个包括一个或多个细长的构件，并且其中所述一个或多个细长的构件安装在所述柱体的内部体积内。 

附图简述 

通过使用引入并形成说明书一部分的实施方案的实例以及相应的附图来解释本发明。 

图1是根据本发明的装置的示意图。 

图2(a、b、c)是依据本发明的各种阳极/阴极结构的示意图。 

图3是根据本发明的装置的示意图。 

图4是适用于本发明一些应用的反应槽的示意图。 

图5(a、b、c、d)是作为反应器使用的各种流路构形的示意图。 

发明以及工业实用性的详细描述 

净化流体的方法

本发明提供了促进从水或其他低传导性流体清除砷、重金属、碳氢化合物、表面活性剂、磷酸盐、镝、悬浮物质、毒性物质、电化学裂解的物质及其化合物的方法以及装置。本发明还可以降低CSB值以及清除氯和芳族化合物，甚至可以消灭并且随后过滤出诸如霍乱弧菌以及乳酸肠球菌的顽固细菌培养物。本发明还可以抑制气味。与以前的方法不同的是，本发明不需要使用膜、化学制品、微滤，或者是用于阳极和阴极结构的特殊材料或合金。本发明可以使用简单的构造方法来实现，并且充分灵活地支持多种设计选择。 

本发明可以在敞开的系统方法、部分敞开的系统方法以及闭合的系统方法中使用。敞开的系统方法是一种待处理的流体暴露于大气并且不受压力的方法。闭合的系统方法是一种待处理的流体不暴露于大气但通常受到压力的方法。部分敞开的系统具有一部分处于大气压的系统，如，可以将反应容器向大气敞开，而闭合并加压所述系统的剩余部分。可以使用诸如图1用示意图显示的装置来实施所述方法中的任何一种。受污染的流体于入口108进入到反应器101。反应器101包括一个或多个阳极和一个或多个阴极，以及适以经由所述阳极和阴极来供给通过流体的电流的电系统。 反应器101中的电解反应将污染物结合入絮状体材料，并利用剩余的流体将该絮状体材料传递至絮状体清除子系统102。絮状体清除子系统102可以包括贮料容器(holding vessel)103和过滤器104。在清除絮状体后，清除掉污染物的剩余流体经由出口109离开该装置。本发明还可以包括下文描述的反应pH的控制。 

根据本发明净化流体的、敞开的系统方法包括通过反应器的流体处理。所述流体在施加了电势的反应器的阳极与反应器的阴极之间通过，并且持续有效的时间量以从所述流体分离出污染物。反应可以增大所述流体的pH。污染物与流体形成絮状体材料以及少量的O₂和H₂。然后，流体与絮状体可以送至贮料容器。所述贮料容器可以包括中空的贮存器，该贮存器增加了絮状体成形(building)过程的滞留时间。经过适于絮状体成形过程的时间量后，随后可以将该流体与污染物送至过滤器。当该流体与絮状体流经过滤器时，过滤器材料可以截留所述絮状体并使净化的流体通过该过滤器。在敞开的系统中，可以使用泵来使流体从反应器转移至贮料容器，以及从贮料容器转移至过滤器。 

根据本发明净化水的、闭合的系统方法包括通过诸如此处描述的那些反应器的流体处理。所述水在施加了电势的反应器的阳极与反应器的阴极之间通过，并且持续有效的时间量以从流体分离出污染物。污染物与流体形成絮状体材料以及少量的O₂和H₂。闭合的反应容器可以具有设置(builtup)在该闭合系统内的排气装置。流体与絮状体可以送至闭合的贮料容器。所述贮料容器可以包括空的贮存器，该贮存器增加了絮状体成形过程的滞留时间。经过适于絮状体成形过程的时间量后，随后可以将该流体与污染物送至过滤器。当该流体与絮状体流经过滤器时，过滤器材料截留所述絮状体并使净化的流体通过该过滤器。在闭合的系统中，所述流体一般在压力下进入，并且该压力使得所述流体流经反应器、贮料容器以及过滤器。 

适用于本发明的反应器可以包括不同的构形。受污染的流体在阳极与阴极之间通过。包括阳极与阴极的材料、阳极与阴极之间的间隔以及阳极与阴极的通电均可以影响反应器的性能。图2(a、b、c)是各种阳极/阴极构形的示意图。图中的构形仅用于说明，本领域的技术人员应理解的是其 他构形也是合适的。在图2a中，大体上平坦的板包括阳极202和阴极203。阳极202和阴极203安装在槽内以形成反应器201。电气系统204使阳极202和阴极203通电。在图2b中，阳极212安装在阴极213内，尽管不是必须但图中显示其为共轴的，以便形成反应器。在图2c中，阳极222与阴极223为U形，并且与槽安装在一起以形成反应器221。 

可以使用铝阳极和阴极来从饮用水和废水中清除污染物。所述铝电极可以至少为95％纯的。在一些应用中，反应将导致pH值增加0.5。所述铝阳极在净化过程中可以被损耗。6.5-7.5之间的pH值可以促进高效的反应。当pH升高到8.5以上时，效率可能出现显著降低并且可能出现不期望的阳极损耗。 

可以使用铁阳极和阴极来从工业用水和废水中清除污染物。所述铁可以至少为95％纯的。在一些应用中，反应将导致pH值增加0.5。所述铁阳极在净化过程中可以被损耗。该反应与使用铝阳极和阴极的反应相比，对pH值的敏感度更低。工作pH值可以在4.5-9.5之间。 

反应器中可以使用碳石墨阳极和阴极，并且可以降低流体的pH值。此外，特别是当碳电极作为阴极使用时，其可以更少地受到降低性能的电镀或平覆(pacification)的影响。这些阳极和阴极可以由至少99％纯的、通过典型的工业操作转化为石墨的碳制成。如果初始PH值低于7.0，则石墨板可以不必进行pH处理。当使用铁或铝的阳极和阴极进行净化处理时，pH可能增加0.5至1.0。如果流体受到高度污染，则所需的反应功率就会高并且反应时间就会长，这些均可增大pH。如果初始pH值高于8.0，通常具有高百分比的石墨板(超过总量的25％)或者具有两个步骤处理。第一步骤可以使石墨的反应只将pH降低至优选的工作值(如，6.0-8.0)。此步骤将降低pH值并允许出现正常的净化反应。在许多应用中，20％的石墨阳极和阴极将足以使流体保持恒定的pH值。通过增加施加到石墨阳极和阴极的电流，还可能增强pH的降低能力。 

可以用实验方法来确定阳极和阴极材料的期望比例。首先可以确定输入与输出需求。对于工业废水应用而言，铁更为常用。对于饮用水应用而言，铝更为常用。在一些情况中，可能同时使用铝和铁。其次可以确定进 料pH(incoming pH)。如果该值为5.5至6.5，则可以不需要石墨阳极和阴极。如果pH在6.5至7.5之间，大约20％的石墨板可能是合适的。如果pH超过该值，则必须通过实验来确定使pH降低至正常值所需的石墨量。在pH相当高的情况中(如，大于8.5)，以下两个步骤的处理是必须的：第一步骤用于降低pH，而第二步骤的降低用于去除污染物，并且任选地，进一步控制pH。可以通过预期的应用以及预期的污染物来确定铝以及铁阳极和阴极的比例，并且可以容易地使用实验方法来进行优化。 

根据反应器的设计以及期望的性能，阳极和阴极可以具有不同的形状和表面。在一些实施方案中，阳极和阴极可以包括固体的、大体上不可渗透的、平滑的板。在其他实施方案中，阳极和阴极可以具有其他形状(如，环形反应器中的管或棒)。在一些实施方案中，所述阳极和阴极的表面可以是不平滑的(如，纹状的、起褶的、粗糙的)。 

可以根据流体的传导性来使阳极和阴极彼此间隔开一定的距离。所述流体的传导性有利于电源的电负荷。一般而言，较大的阳极-阴极间隔与所需的较大电源电压相对应。在许多应用中，阳极与阴极之间15mm的间隔是合适的。在一些应用中，电源需要10VDC或更高的电压表明阳极-阴极的间隔过大。在一些应用中，电源需要8VDC或更低的电压表明阳极-阴极的间隔过小。尽管其他的排列(包括数目不相等的阳极和阴极)也是适宜的，但是可以交替的次序来进行阳极与阴极的配对。 

阳极和阴极的厚度可以与反应器的整个结构一致。在具有平行板阳极和阴极的反应器中，可以确定其厚度以便进行制造和组装。由于生成絮状体的反应损耗了阳极的材料，因此阳极的厚度可以影响更换阳极的间隔时间。由于生成絮状体的反应未损耗阴极的材料，因此阴极的厚度通常不是反应器寿命的关键所在。 

电源的极性有时也可以逆转。逆转极性有效地交换了阳极与阴极的作用：某一极性的阳极变成了相反极性的阴极。逆转极性可以在所有的电极之间分配材料的消耗，即，消耗设置有某一极性的电极，然后再消耗另一种设置有相反极性的电极。这种操作可以延长更换电极的间隔时间。 

逆转极性还可以提供反应器电极的自动化自清洗。当阴极变成阳极时， 其开始阳极损耗过程并且可以去掉累积到阴极上的任何潜在的污染物。在一些应用中，这种极性逆转循环可以每六小时进行一次。其将平衡两组电极上的反应器阳极损耗。在高度污染的环境中，可以缩短这种循环时间。可以通过监测电源所需的电压来检测所述阴极上累积的污染物。所需的电压快速升高表明阳极-阴极的间隔增加或者污染物累积于阴极。因此，所需电压的升高预示要依序进行极性的逆转，但是如果逆转极性并未降低所需的电压，那么随后可能需要更换电极(例如，电极表面消耗的材料过多以至于不能保持期望的间隔)。 

尽管希望设置反应器以使所述阳极和阴极的表面积尽可能大，从而提高该系统去除污染物的能力，但是所述阳极和阴极可以具有任何的尺寸。例如，在具有平行板电极的槽中，阳极的总表面积可以约等于阴极的总表面积。如在环形反应器的情况中，总表面积也可以不同。在一些应用中，希望将某些部分的电极保持在流体外，以防止流体损坏电极的电连接。 

本发明可以间歇的和连续的模式来进行操作。在间歇的模式中，使反应器装满受污染的流体并进行操作直到所期望的最终状态为止(如，期望的剩余污染物水平)。间歇的操作允许精确地控制操作参数，比如电极的电压和电流。在连续的模式中，受污染的流体与反应器连续地相通，并且净化的流体连续地从该反应器离开。连续模式的潜在缺点在于受污染流体可能与净化的流体混合，从而降低该反应器的有效性能。某些反应器构形可以控制混合的量，以便保持稳定的污染物清除。 

可以通过实验方式来确定贮料槽的尺寸。可以进行设计以使反应的流体保留至少3分钟以允许另外的絮状体生长。在一些例子中，提供另外的絮状体生长时间是有用的。可以采用多种技术中的任何一种来处理充满絮状体的流体(如贮料槽或管道中的流体)，以便促进絮状体和污染物与干净流体分离。作为例子，在一些应用中，施加于流体的超声能可以通过不同程度地吸引絮状体来促进所述絮状体与所述流体的分离。可以借助于电场来对具有电荷的絮状体进行静电分离。运动的荷电絮状体颗粒(如，管道中)可以用磁力分离。还可以使用其他的絮状体颗粒驱动方式(drivers)，如可见光和红外线、重力以及压力差。所描述的技术可以单独使用或者与 这些或其他的技术结合。 

可以使用作为贮料槽备选方案的、或者与贮料槽结合的分离器来分离絮状体与被处理的流体。值得注意的是该分离器可以恰当地产生富含絮状体的流体部分和除去絮状体的(flock-depleted)流体部分。可以使用贮料槽、过滤器或其组合来从所述流体中完全地清除絮状体。可以将分离的絮状体或者富含絮状体的流体送至反应器(与最初形成的反应器相同，或者为另一个反应器)，或者送至贮料槽或储存器，以促进与待处理流体的混合。已经发现在许多应用中，所生成的絮状体只有小部分结合了污染物。然而，期望具有高浓度的絮状体以便确保污染物与絮状体的结合。因此，使用分离器再循环絮状体可以获得所期望的高浓度絮状体，而无需通过电极来连续的产生更多的絮状体。可以通过这样的絮状体再循环来降低系统所需的功率以及减少电极损耗。在操作中，可以控制反应器中生成的絮状体(如，通过控制电极的电压或电流、电极的间距、通电的电极数目、通电的电极类型等等)以产生期望浓度的絮状体。在启动状态下，可以控制电极以生成大量的絮状体。当所述絮状体流经反应器并且进行再循环时，控制系统可以减少经由电极生成的絮状体，并保持所期望的絮状体浓度(或者其他监测的特性)，且降低功率并减少电极损耗。 

可以基于期望的性能特征来选择反应器的各种参数和操作过程的参数。例如，每天2百万加仑的生产量可能需要4个分别具有500AMP容量的反应器，而每天更少的、50,000加仑的设施可能需要一个50AMP容量的反应器。 

在一些操作环境下，可以在电极上形成诸如钙的沉淀物并且降低其性能。搅动受影响的电极，如，通过机械振动可以阻止沉淀物的形成、清除沉淀物，或者两者均可。通过改变流体的流速、模式或压力；通过搅动个别电极、电极组或整个反应器容器；或通过改变其他性能，比如在适当模式中的流体温度；或通过人工或自动化的刮削可以获得类似的结果。这样的搅动可以持续地施行，或者可以根据时间表来定期地施行，所述时间表通过时间或者通过另一种性能，如通过反应的流体体积或者经由反应生成的絮状体来确定。此外，可以进行这样的搅动以响应已产生沉淀物的指示， 如电极质量或重量的测量结果(增加可能表明电极上形成了沉淀物)、流体的流速和压力(沉淀物可以堵塞流体的流路(flow path))、电极的厚度(增加可能表明电极上具有沉淀物)、系统性能的测量结果，或者形成了沉淀的其他直接或间接的测量结果。 

子系统

在一些构形中，可以将流体和絮状体从反应位置输送到贮料槽或絮状体成形区。这种输送可以是连续的，或者可以在时间延迟后或感测到反应条件后定期地进行。流体的输送允许控制暴露于所述反应的流体。可以使用低剪切率(sheer)的或“缓和的”泵来输送流体以便减少所述絮状体的破裂。这样的泵可以包括惯量泵以及敞开或闭合的推进器。所述推进器的直径可以取决于流量需求。在一些实施方案中，所述推进器可以1100至1200RPM驱动。通常，推进器速率低于约1700RPM可能是合适的。 

可以设置电气控制系统以使该反应器的板最初以低电压进行通电。可以逐渐提高功率直到达到期望的功率水平或者反应器的操作特性。从启动到全功率来逐渐提高功率可能需要约1分钟或更少。在一些实施方案中，逐渐的启动可以促使电子仪器以及电源具有较长的使用寿命。 

可以使用交替的极性来使电极通电。例如，在设置的时间间隔或当某些反应器达到操作状态时，可以定期地改变供应至电极的电压极性，从而交换阳极与阴极的作用。极性的逆转并不会对絮状体的产生或者污染物的清除过程(假定设置所述阳极和阴极以使其可以履行各自的作用)产生不利的影响。在一些实施方案中，极性的逆转可以通过使所有的电极受到阳极损耗的影响而延长反应器或电极的寿命。此外，极性的逆转可以促进电极的自清洗。污染物或镀层可以增大某一极性的阴极；当极性逆转时，所述阴极变成阳极并开始向反应中释放电极材料。因此，附着于这种材料的污染物或镀层被清除，这成为电极的阳极操作的一部分。对于一些实施方案而言，每1至6小时进行极性逆转是适宜的。 

通过监测进料流体或反应器中流体的pH可以控制反应器中流体的pH。如果感测到pH升高，那么可以增加流经含碳电极的电流。如果感测到pH下降，那么降低流经含碳电极的电流。此外，可以控制反应器中流 体的温度。例如，加热进入反应器的流体可以提高反应速率，并且可以促进所述流体与反应元素的充分混合。 

反应器内絮状体的产生对于该系统的效能是重要的。絮状体不足可以导致低的污染物清除性能；产生的絮状体过多可能需要额外产生的电并且缩短电极的寿命。可以监测离开反应器的流体性质，以便确定所生成的絮状体的特性和该控制系统中所使用的那些特性，从而确定电压、电流、断续负载(duty cycles)、电极间距、特定电极的活化，等等。例如，离开反应器的流体的常规浊度测量结果可以提供对生成的絮状体的估计值。其他的测量结果也可以描述生成的絮状体，比如流体密度、粘度、声学性能。生成絮状体的期望程度还可以根据进料流体的污染程度、期望的污染物清除性能、可利用的功率或者那些或其他因素的组合而变动。 

可以监测电极的电源以便获得与系统维护相关的信息。电极之间的间距有利于所述电源中存在的电阻。随着电极材料受到反应的消耗，电极表面之间的间距会增加。通过监测电源可以感觉到随之发生的电阻增加。过高的电阻或电源需求可能表明需要更换电极，或者需要维持电极间的间距。 

示例性的系统

图3是根据本发明的装置的示意图。该装置包括反应器301(比如上文讨论的那些)、过滤器子系统302、絮状体流体容器304、净化的流体储存器305、消毒子系统306以及压滤机307，其相互之间经由分配系统300而流体相通。 

用示意图显示了反应器301的电极配置，可以使用上文描述的任何构形。电源和控制系统(未显示)使电极通电，并且可以提供如上所述的自清洗和维护信号。可以经由入口331将待净化的流体引入反应器301。传感器311可以与反应器安装在一起以便感测反应器的状态(如，压力、流体平面(fluid level)、流速、pH、传导性、溶解的氧或纯度)。 

在暴露于反应器301适宜的时间后，可以使用泵308(如上文描述的“缓和的”泵)来使流体离开反应器301。泵308输送流体通过分配系统300到达过滤器子系统302。过滤器子系统302从该流体中清除絮状体，并将净化的流体从过滤器子系统302送至净化的流体储存器305。在显示的示例性实施方案中，可以使用消毒系统306来进一步处理净化的流体，所述消毒系统的例子如氯或紫外线。可以使用泵309来使净化的流体离开净化的流体储存器305并送至其最后的应用处。传感器313可以与净化的流体储存器305安装在一起以便感测净化的流体储存器中的状态(如，压力、流体平面、流速、pH、传导性、溶解的氧或纯度)。 

可以设置分配系统300，以便使用泵310来使净化的流体定期地从净化的流体储存器305通过分配系统300泵送回到过滤器子系统302中。这种反向的流体流迫使蓄积的絮状体离开该过滤器子系统。可以进一步设置分配系统300以将充满絮状体的流体输送至絮状体流体容器304。絮状体流体容器304可以具有传感器312以便感测絮状体流体容器中的状态(如，压力、流体平面、流速、pH、传导性、溶解的氧或纯度)。在絮状体流体容器304中充分蓄积充满絮状体的流体后，可以将其容纳物输送至压滤机307，在压滤机307中，可以压缩固体以便更容易进行处理和处置。可以丢弃来自压滤机的过量流体，将其输送回过滤器子系统302，或者输送回反应器301。 

在一些实施方案中，过滤器子系统302可以包括多个过滤器。可以设置分配系统300以允许向前(从反应器301直到过滤器子系统302)流经多个过滤器中的一个子装置，而且同时允许反向流动(从过滤器子系统302至絮状体流体容器304)。这样的话，可以对所述多个过滤器中的一个进行“回洗”，而另外的过滤器仍可照常操作，因此不必停止反应以及过滤过程来进行过滤器的回洗。在一些实施方案中，停止以及重新起动该净化过程可以导致性能降低。 

示例性系统

图4是适用于本发明一些应用的反应器槽的示意图。图4显示了整个槽的截面图。该槽可以包括多种形状中的任何一种，例如，其可以包括大体上为柱体的形状。流引导构件，比如图中显示的中心导流板(baffle)安装在所述槽内。可以将电极安置在所述槽中的反应池以便接触并处理被引入其中的流体。流体入口允许流体在所述槽的底部附近进入槽中。所述槽的顶部附近的流体出口允许流体离开所述槽。可选地，可以在所述导流板 的顶部附近设置一个或多个流体出口。在操作中，进入所述槽的流体须至少从所述槽的底部至顶部来流过电极，并且通常在所述导流板的周围流动，正如其所进行的一样。因此，所述流体将会通过电极绝大部分的面积，从而促使更完全地进行反应和更彻底地去除污染物。作为与周围水的副反应的结果，电解凝固/絮凝过程产生了絮状物。该过程可以采用水作为电解介质来从阳极板首先释放出金属(如，铝或铁)离子；然后这些颗粒形成各种水复合物结构。阳极与阴极之间充足的水流提供了絮状体从阳极板反应部位的运送。除了阳极与阴极之间适当以及充足的水流之外，促使絮状物与污染物混合导致了提高的水净化能力和性能。 

示例性系统

反应器槽可以作为流路的一部分进行设置。图5(a、b、c、d)包括适以作为反应器容器使用的各种流路构形的示意图。在图5a中，将阳极与阴极固定在一起以使它们彼此呈现出大体上平坦的表面。可以根据期望的电极电压和电流以及具体的电极材料的特性、进料流体以及期望的性能来确定平面之间的间隔。所述流体可以在两个平面之间流动，当该流体通过时，可流经电极的大部分面积。可以将一个或两个电极设置成具有非平坦的表面，所述非平坦的表面可以促使所述流体与絮状体的充分混合。图5b显示了这种非平坦的表面的例子，其中两个电极彼此呈现出一系列角状的突起，其类似于锯上的齿或锉上的脊(ridges)。在图5c中，阳极与阴极彼此呈现出复杂的表面，其形成了流体流经的弯曲通道。图5d示出了整个管道的截面，该管道经成形可提供反应器槽。设置第一末端和第二末端以便与共用的柱形管道安装在一起。圆形末端的截面与两个大体上平坦的部分相匹配(图中显示了一个)，所述平坦的部分面向彼此并且包括所述槽的电极。 

引用上述特定的尺寸和装置仅仅用来阐述本发明的特定实施方案。预期本发明所使用的可以包括具有不同尺寸和特性的组件。本发明的范围预期经由此处所附的权利要求来界定。 

Claims (29)

1.一种从流体除去污染物的方法，其包括以下步骤：

a)提供阳极和阴极；

b)将所述流体设置成与所述阳极和所述阴极接触；

c)提供所述阳极和所述阴极之间的电压，其中所述电压使得电流通过所述流体在所述阳极和所述阴极之间流通，并通过来自所述阳极的材料与所述污染物的电化学结合来形成絮状体；

d)从所述流体去除至少一些所述絮状体；

其中所述阳极、所述阴极或所述阳极和所述阴极两者是全部或部分由碳制成。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述阳极由铁、铝、碳或其合金制成。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述阴极由铁、铝、碳或其合金制成。

4.一种从流体去除污染物的方法，其包括以下步骤：

a)提供含碳的阳极；

b)提供阴极；

c)将所述流体设置成与所述阳极和所述阴极接触；

d)提供所述阳极和所述阴极之间的电压，其中所述电压使得电流通过所述流体在所述阳极和所述阴极之间流通并降低所述流体的pH；

e)通过来自所述阳极的材料与所述污染物的电化学结合来形成絮状体，从所述流体去除至少一些所述絮状体，从所述流体去除污染物。

5.如权利要求1所述的方法，其中提供电压的所述步骤包括：第一次提供第一极性的电压，然后第二次提供与所述第一极性相反的、第二极性的电压。

6.如权利要求5所述的方法，其中当检测到维持通过所述流体的最小电流所需要的电压有确定的增加时，所述第一次结束。

7.如权利要求5所述的方法，其中当检测到所述阳极和所述阴极之间的电阻增加时，所述第一次结束。

8.如权利要求1所述的方法，其进一步包括：感测所述电压和电流，并提供基于所述电压和电流组合的维护信号。

9.如权利要求1所述的方法，其中从所述流体去除至少一些所述絮状体的所述步骤包括使充满絮状体的流体通过过滤器。

10.一种降低流体pH的方法，其包括以下步骤：

a)提供含碳的阳极；

b)提供阴极；

c)将所述流体设置成与所述阳极和所述阴极接触；

d)提供所述阳极和所述阴极之间的电压，其中所述电压使得电流通过所述流体在所述阳极和所述阴极之间流通并降低所述流体的pH；

11.一种从流体去除污染物的装置，其包括：

a)反应器，所述反应器包括：

i)反应器贮存器，其适于容纳一定量的所述流体；

ii)阳极子系统，其与所述反应器贮存器安装在一起，以使所述反应器贮存器中的流体与所述阳极子系统的至少一部分接触；

iii)阴极子系统，其与所述反应器贮存器安装在一起，以使所述反应器贮存器中的流体与所述阴极子系统的至少一部分接触；

iv)电源子系统，其与所述阳极子系统和所述阴极子系统电相通，并适以提供所述阳极子系统和所述阴极子系统之间的电势；

b)絮状体去除系统，所述絮状体去除系统包括：

i)过滤器子系统，其具有与所述反应器流体相通的入口并具有出口，所述反应器适以大体上去除由污染物与来自所述阳极子系统的材料的电化学结合所生成的絮状体；

其中所述阳极子系统、所述阴极子系统或所述阳极子系统和所述阴极子系统两者是全部或部分由碳制成。

12.如权利要求11所述的装置，其中所述电源子系统包括：

a)电子探测器，其指示与阈值有关的电流或电压；

b)电能来源，其具有两种相反极性中的任一种；

c)控制系统，其响应所述电子探测器以选择所述电能源的两种极性中的一种。

13.如权利要求11所述的装置，其中所述絮状体去除系统包括：

a)回洗流体源；

b)分配系统，其适以将所述回洗流体源设置成与所述过滤器子系统的流体出口流体相通；

c)污染物去除口，其与所述过滤器子系统的流体入口流体相通，当所述回洗流体源流经所述过滤器子系统时，适以允许流体流经所述污染物去除口。

14.如权利要求11所述的装置，其中所述阴极子系统包括含碳或其合金的电极。

15.如权利要求14所述的装置，其中所述电源子系统适以提供响应所述流体确定pH的、在所述碳电极和所述阳极子系统之间的电势。

16.如权利要求11所述的装置，其中所述絮状体去除系统包括温和的泵，所述温和的泵的入口与所述反应器流体相通。

17.如权利要求11所述的装置，其中所述过滤器子系统包括第一过滤器和第二过滤器，并且进一步包括分配系统，所述分配系统适以将所述第一过滤器和所述第二过滤器中的一个或两个都设置成与回洗流体源流体相通。

18.如权利要求11所述的装置，其中所述絮状体去除系统被加压。

19.如权利要求1所述的方法，其进一步包括：当所述流体与所述阳极和阴极接触时，向所述流体供应至少一些所述去除的絮状体。

20.如权利要求1所述的方法，其进一步包括：测量指示絮状体形成的参数，并控制响应所述参数的所述电压。

21.如权利要求1所述的方法，其进一步包括：以促进所述阳极、所述阴极或两者上生成的沉淀物从其除去的方式搅动所述阳极、所述阴极或两者。

22.如权利要求11所述的装置，其进一步包括絮状体分离器，所述絮状体分离器接收来自所述反应器的流体，并向所述絮状体去除系统提供除去絮状体的流体以及向所述反应器提供富含絮状体的流体或纯的絮状体。

23.如权利要求11所述的装置，其进一步包括响应所述反应器中的絮状体形成的传感器，并且其中所述电源子系统提供至少部分响应所述传感器的电势。

24.如权利要求11所述的装置，其进一步包括搅动器，所述搅动器耦合于所述阳极子系统、所述阴极子系统、所述反应器贮存器或其组合，其中所述搅动器作用以促进从所述阳极子系统、所述阴极子系统以及所述反应器贮存器中的至少一个去除沉淀物。

25.如权利要求11所述的装置，其中所述反应器贮存器以所述贮存器第一部分附近的一个或多个入口接收流体，并以所述贮存器第二部分附近的一个或多个出口输出流体，其中从所述第一部分到所述第二部分的流体流路经过所述阳极子系统、所述阴极子系统或两者的大部分面积。

26.如权利要求11所述的装置，其中所述阳极子系统包括阳极表面，并且其中所述阴极子系统包括阴极表面，并且其中所述阳极子系统与所述阴极子系统安装在一起以使所述阳极表面与所述阴极表面间隔开，从而在其间形成所述反应器贮存器。

27.如权利要求26所述的装置，其中所述阳极表面、所述阴极表面或两者是大体上平坦的。

28.如权利要求26所述的装置，其中所述阳极表面、所述阴极表面或两者是纹状的、肋状的、槽状的或波状的。

29.如权利要求26所述的装置，其中所述阳极表面和所述阴极表面中的一个包括中空的柱体，并且其中所述阳极表面和所述阴极表面中的另一个包括一个或多个细长的构件，并且其中所述一个或多个细长的构件安装在所述柱体的内部体积内。

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