Обработка воды для увеличения периода полураспада озона

Группа изобретений относится к получению озонированной воды. Система для увеличения среднего времени жизни озона, растворенного в жидкости, содержит входное отверстие для жидкости, расположенное для приема жидкости в систему; катионообменную смолу на основе кислоты, флюидно соединенную с входным отверстием для жидкости, причем смола приспособлена к обмену катионов в принятой жидкости с ионами Н⁺ на смоле; блок растворения озона, флюидно соединенный с входным отверстием для жидкости и катионообменной смолой на основе кислоты; и выходное отверстие для жидкости, флюидно соединенное с входным отверстием для жидкости, катионообменной смолой на основе кислоты и блоком растворения озона, причем блок растворения озона и катионообменная смола на основе кислоты совместно обеспечивают получение кислой ионизированной озонированной жидкости для распределения из системы через выходное отверстие для жидкости. Помимо этого представлен способ увеличения среднего времени жизни озона, растворенного в жидкости, а также - применение системы для увеличения среднего времени жизни озона, растворенного в жидкости. Достигается снижение скорости разложения озона в жидкости. 5 н. и 21 з.п. ф-лы, 2 табл., 10 ил.

 

Описание

Перекрестная ссылка на родственные заявки

Настоящая заявка испрашивает приоритет по предварительной патентной заявке США № 61/527284, поданной 25 августа 2011 года, которая включена в данное описание посредством ссылки во всей своей полноте.

Область техники

Настоящее изобретение относится главным образом к способам и системам для получения озонированной воды. Более конкретно, настоящее раскрытие относится к способам и системам для озонирования, с помощью которых обрабатывают воду в производстве озонированной воды.

Уровень техники

Озон представляет собой встречающуюся в природе аллотропную модификацию кислорода. Он известен и применяется в качестве антиоксиданта и дезинфицирующего средства. В водных растворах озон способен уничтожать бактерии за секунды при соответствующих концентрациях. Часто желательно применять озон в качестве дезинфицирующего или санирующего средства, так как он не придает запах и не оставляет никакого осадка. Санирующие свойства озона, растворенного в воде, а также отсутствие его запаха и осадка делают подобный раствор желательным для применения для очистки и дезинфекции. Озонированную воду можно применять для дезинфекции или санитарной обработки как в коммерческих целях, так и в домашних условиях. Например, озонированную воду можно применять для дезинфекции или санитарной обработки поверхностей в ванных комнатах, изделий, посуды и столовых приборов или полов.

Один подходящий способ применения озона в качестве дезинфицирующего или санирующего средства заключается в растворении его в воде или в растворе на основе воды. Стабильность озона часто является осложняющим фактором в его применении в качестве дезинфицирующего или санирующего средства, так как высокая реакционная способность озона, которая придает ему дезинфицирующие или санирующие свойства, также приводит к взаимодействию с восстановителями, и следовательно, к разложению. Озон в озонированной воде, полученной в ожидании спроса, будет в конце концов разлагаться и превращать ее в неозонированную воду.

Системы озонирования для получения озонированной воды, подходящей для очистки, дезинфекции или санитарной обработки, могут быть рециркуляционными или нерециркуляционными системами.

Рециркуляционные системы озонирования конструируют с резервуаром для воды и рециркуляционным озонирующим протоком. Вода течет через озонирующий проток и растворяет в себе некоторое количество озона. Низкая эффективность в озонирующем протоке приводит к необходимости рециркулировать озонированную воду обратно через озонирующий проток для достижения желательного количества растворенного озона. Это в основном достигается посредством рециркуляции озонированной воды обратно в резервуар с водой и функционирования системы для озонирования в течение промежутка времени до тех пор, пока вся вода в резервуаре не станет достаточно озонированной.

Системы для озонирования направлены на отсрочку между (a) запуском системы и (b) доставкой озонированной воды, имеющей годный для эксплуатации уровень озона, посредством увеличения эффективности озонирующего протока и/или посредством применения непрерывно рециркулирующей системы.

Возможно получить озонированную воду "по требованию" с применением непрерывно рециркулирующей системы озонирования. Непрерывно рециркулирующие системы озонирования содержат озонирующий проток, который рециркулирует озонированную воду обратно к накопительному резервуару, и система озонирует воду в системе независимо от того, озонированная ли вода распределяется. В подобных системах озон непрерывно добавляют к воде, чтобы заменить озон, который разложился, или озонировать свежую воду, которая добавлена для замены озонированной воды, удаленной из системы. В конце-концов устойчивое состояние озонированной воды достигается на основании скоростей потоков на входе и выходе, а также эффективности озонирующего протока, применяемого в системе для озонирования. Однако в начале озонирования уровень растворенного озона низок и постепенно увеличивается, пока не будет достигнуто устойчивое состояние.

Также возможно применять нерециркуляционную систему озонирования. Подобные системы распределяют озонированную воду "по требованию" без необходимости в непрерывно рециркулирующей системе. То есть нерециркуляционные системы озонирования распределяют озон, который добавлен к воде, за один проход через озонирующий проток, устраняя таким образом необходимость в накопительном баке.

Как в рециркуляционных, так и нерециркуляционных системах озонирования, независимо от того, распределяют ли системы озонированную воду "по требованию", желательно увеличить концентрацию растворенного озона и понизить скорость разложения озона.

На скорость разложения озона воздействуют различные факторы (Ericksson, М. "Ozone Chemistry in Aqueous Solution" 2005 Licentiate Thesis, Dept. of Chemistry, Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden; и Uhm HS и др. "Increase in the ozone decay time in acidic ozone water and its effects on sterilization of biological warfare agents", J. Hazard Mater. 2009 Sep 15; 168(2-3): 1595-601, epub 2009 Mar 21). Например, увеличение температуры, увеличение скорости перемешивания и более высокая ионная сила все ускоряют скорость разложения озона в водных растворах. Для сравнения, добавление акцепторов радикалов или других стабилизаторов (например, мицеллярных поверхностно-активных веществ) и снижение pH раствора с применением кислотных буферных систем стабилизируют озон и понижают скорость разложения озона.

Понятно, что применение дистиллированной или деионизированной воды (DI воды) является выгодным при получении озонированной воды. Системы для озонирования, которые применяют коронный разряд, предпочтительно применяют деионизированную (DI) воду, так как ионы, присутствующие в водопроводной воде, могут "отравить" электролизер для получения озона и укоротить его срок эксплуатации (см. патент США №6,964,739). Один пример системы для озонолиза, которая применяет DI воду, представляет собой LIQUOZON® Ultra - Ozone Sanitization of DI Water Loop and Storage Tank, изготовленный MKS Instruments. Элемент с ультраозонированной DI водой LIQUOZON® представляет собой систему с автоматизированным впрыском озона, применяемую для санитарной обработки систем с технологической водой, резервуаров для хранения и распределительных трубопроводов.

Желательно предоставить способ и систему для обработки воды с тем, чтобы снизить среднюю скорость разложения озона в обработанной воде по сравнению с необработанной водой.

Краткое изложение изобретения

Настоящее изобретение обеспечивает способ и систему для обработки воды с тем, чтобы снизить среднюю скорость разложения озона в обработанной воде по сравнению с необработанной водой. Как следствие пониженной скорости разложения, увеличивается среднее время жизни растворенного озона в обработанной воде. В одном аспекте настоящего изобретения предложена система для обеспечения кислой ионизированной озонированной жидкости. Система включает входное отверстие для жидкости, расположенное для приема жидкости в систему; катионообменную смолу на основе кислоты, гидравлически соединенную с входным отверстием для жидкости; смолу, приспособленную для обмена катионами в принятой жидкости с ионами Н⁺ на смоле; блок для растворения озона, гидравлически соединенный с входным отверстием для жидкости и катионообменной смолой на основе кислоты; и выходное отверстие для жидкости, гидравлически соединенное с входным отверстием для жидкости, катионообменной смолой на основе кислоты и растворяющим озон блоком. Блок для растворения озона и катионообменная смола на основе кислоты совместно обеспечивают получение кислой ионизированной озонированной жидкости для распределения из системы через выходное отверстие для жидкости.

Озон в распределенной озонированной жидкости может обладать средним временем жизни, которое больше, чем среднее время жизни озона в жидкости, которая не обработана катионообменной смолой на основе кислоты, а обработана достаточным количеством жидкой кислоты, чтобы получить pH, равный pH распределенной кислой ионизированной озонированной жидкости; и больше, чем среднее время жизни озона в деионизированной жидкости, которая обработана достаточным количеством жидкой кислоты, чтобы получить pH, равный pH распределенной кислой ионизированной озонированной жидкости.

Блок для растворения озона может представлять собой озонирующий проток, который содержит генератор озона, чтобы получить озон для смешения с принятой жидкостью. Озонирующий проток может дополнительно содержать смеситель, гидравлически соединенный с генератором озона, для смешения произведенного озона и принятой жидкости с получением озонированной жидкости.

Система также может включать накопительный резервуар, где катионообменная смола на основе кислоты располагается в рециркулирующем протоке, который приспособлен для рециркуляции жидкости в накопительный резервуар. В альтернативном случае система может также включать накопительный резервуар, и катионообменная смола на основе кислоты может располагаться в накопительном резервуаре.

В альтернативном случае система может содержать катионообменную смолу на основе кислоты, расположенную в канале с нерециркулирующим протоком. Подобная система может также включать накопительный резервуар, и нерециркулирующий проток может обеспечивать жидкостью накопительный резервуар. В альтернативном случае нерециркулирующий проток может обеспечивать жидкостью блок для растворения озона.

Любая из ранее описанных систем может содержать катионообменную смолу на основе кислоты, принимающую жидкость из входного отверстия для жидкости, и блок растворения озона, принимающий жидкость, обработанную смолой. В альтернативном случае любая из ранее описанных систем может содержать блок растворения озона, принимающий жидкость из входного отверстия для жидкости, и катионообменную смолу на основе кислоты, принимающую озонированную жидкость.

Катионообменная смола на основе кислоты может быть смолой на основе сильной кислоты. Катионообменная смола на основе кислоты может быть смолой на основе слабой кислоты.

Катионы в принятой жидкости могут находиться в жидкости, когда система для озонирования принимает жидкость, или их можно добавлять в жидкость посредством системы для озонирования.

В другом аспекте предложен способ для получения кислой ионизированной озонированной жидкости. Способ включает обмен катионов, присутствующих в жидкости, с ионами Н⁺ из катионообменной смолы на основе кислоты, и озонирование жидкости. Обмен катионов и озонирование жидкости сообща обеспечивают получение кислой ионизированной озонированной жидкости.

Жидкость можно озонировать после обмена катионов. Жидкость можно озонировать до обмена катионов.

Озон в озонированной жидкости, полученной с применением описанного выше способа может обладать средним временем жизни, которое больше, чем среднее время жизни озона в жидкости, которая не обработана катионообменной смолой на основе кислоты, а обработана достаточным количеством жидкой кислоты, чтобы получить pH, равный pH кислой ионизированной озонированной жидкости; и больше чем среднее время жизни озона в деионизированной жидкости, которая обработана достаточным количеством жидкой кислоты, чтобы получить pH, равный pH кислой ионизированной озонированной жидкости.

Также способ может включать добавление катионов в принятую жидкость до обмена катионов.

В еще одном аспекте предложена система для увеличения среднего времени жизни озона, растворенного в жидкости. Система включает катионообменную смолу на основе кислоты, смолу, приспособленную для обмена катионов в жидкости с ионами Н⁺ в смоле, и блок растворения озона, гидравлически соединенный с катионообменной смолой на основе кислоты, причем блок растворения озона и катионообменная смола на основе кислоты вместе способствуют получению кислой ионизированной озонированной жидкости. Озон в кислой ионизированной озонированной жидкости обладает средним временем жизни, которое больше, чем среднее время жизни озона в жидкости, которая не обработана катионообменной смолой на основе кислоты, а обработана достаточным количеством жидкой кислоты, чтобы получить pH, равный pH кислой ионизированной озонированной жидкости; и больше, чем среднее время жизни озона в деионизированной жидкости, которая обработана достаточным количеством жидкой кислоты, чтобы получить pH, равный pH кислой ионизированной озонированной жидкости.

В еще одном аспекте предложен способ увеличения среднего времени жизни озона, растворенного в жидкости. Способ включает обмен катионов, присутствующих в жидкости, с ионами Н⁺ из катионообменной смолы на основе кислоты, и озонирование жидкости, где обмен катионов и озонирование жидкости сообща обеспечивают получение кислой ионизированной озонированной жидкости. Озон в полученной кислой ионизированной озонированной жидкости обладает средним временем жизни, которое больше, чем среднее время жизни озона в жидкости, которая не обработана катионообменной смолой на основе кислоты, а обработана достаточным количеством жидкой кислоты, чтобы получить pH, равный pH кислой ионизированной озонированной жидкости; и больше, чем среднее время жизни озона в деионизированной жидкости, которая обработана достаточным количеством жидкой кислоты, чтобы получить pH, равный pH кислой ионизированной озонированной жидкости.

Другие аспекты и особенности настоящего изобретения будут очевидны специалистам в данной области техники при ознакомлении со следующим описанием конкретных примеров в совокупности с прилагаемыми чертежами.

Краткое описание чертежей

Примеры настоящего изобретения будут описаны далее, только в иллюстративных целях, со ссылкой на прилагаемые чертежи.

Фиг.1 представляет собой иллюстрацию системы для обеспечения озонированной жидкости согласно настоящему изобретению.

Фиг.2А является иллюстрацией одного примера системы, иллюстрированной на Фиг.1.

Фиг.2В является иллюстрацией другого примера системы, иллюстрированной на Фиг.1.

Фиг.2С является иллюстрацией еще одного примера системы, иллюстрированной на Фиг.1.

Фиг.2D является иллюстрацией еще одного примера системы, иллюстрированной на Фиг.1.

Фиг.3А является иллюстрацией примера озонирующего протока, который можно применять в системе согласно настоящему изобретению.

Фиг.3В является иллюстрацией другого примера озонирующего протока, который можно применять в системе согласно настоящему изобретению.

Фиг.3С является иллюстрацией дополнительного примера озонирующего протока, который можно применять в системе согласно настоящему изобретению.

Фиг.4А является иллюстрацией способа для обеспечения озонированной жидкости согласно настоящему изобретению.

Фиг.4В является иллюстрацией другого способа для обеспечения озонированной жидкости согласно настоящему изобретению.

Подробное описание

В основном, настоящее изобретение обеспечивает способ и систему для обработки водного раствора (например, воды) так, чтобы понижалась скорость разложения озона в обработанном растворе по сравнению с озоном, растворенном в необработанном водном растворе, и увеличивалась среднее время жизни растворенного озона в обработанном растворе.

Для целей этого описания термины "водный раствор", "жидкость" и "вода" применяются взаимозаменяемо, хотя вода является одним примером водного раствора, который можно обрабатывать с применением катионообменной смолы на основе кислоты вариантов выполнения, описанных в данном документе.

Система для озонирования и способ получения озонированного водного раствора согласно варианту выполнения настоящего изобретения включает катионообменную смолу на основе кислоты, которая удаляет катионы из водного раствора и заменяет удаленные катионы на ионы Н⁺, понижая таким образом pH водного раствора (т.е. увеличивая кислотность) и получая кислый ионизированный раствор. В способах и системах согласно настоящему изобретению применяются катионообменные смолы на основе кислот и блок растворения озона, чтобы получить кислые ионизированные озонированные жидкости.

Для того чтобы генерировать кислые ионизированные озонированные жидкости, жидкости, которые принимаются катионообменными смолами на основе кислот, включают растворенные в них катионы с целью обеспечивания катионов, которые могут обмениваться с ионами Н⁺ на смоле. Катионы, растворенные в жидкости, могут присутствовать в источнике жидкости, принимаемой системой для озонирования, или их можно добавлять системой для озонирования. Например, система для озонирования может принимать источник воды, содержащей небольшое количество катионов, и может добавлять дополнительные катионы посредством добавления к воде раствора NaCl.

Кроме того, следует понимать, что способы и системы согласно настоящему изобретению не включают анионообменные смолы, которые генерируют ионы ОН^-, поскольку такие ионы ОН^- будут взаимодействовать с добавленными ионами Н⁺, получая нейтральный неионизированный раствор.

На Фиг.1 иллюстрируется система для озонирования согласно одному варианту выполнения настоящего изобретения. Как видно на Фиг.1, система 1 для озонирования включает входное отверстие 2 для приема жидкости в систему; выходное отверстие 4 для жидкости для распределения озонированной жидкости из системы, причем выходное отверстие 4 для жидкости гидравлически соединено с входным отверстием 2 для жидкости; катионообменную смолу 6 на основе кислоты, гидравлически соединенную с входным отверстием 2 для жидкости и выходным отверстием 4 для жидкости; и блок растворения озона 8, гидравлически соединенный с входным отверстием 2 для жидкости, выходным отверстием 4 для жидкости и катионообменной смолой 6 на основе кислоты. Система для озонирования приспособлена для обмена катионов в принятой жидкости с ионами Н⁺ на катионообменной смоле 6 на основе кислоты; и для озонирования принятой жидкости, используя блок растворения озона 8, чтобы получить кислую ионизированную озонированную жидкость для распределения из выходного отверстия 4 для жидкости.

Экспериментальные результаты. Обнаружено, что обработка необработанной содержащей катионы жидкости, например водопроводной воды, с помощью катионообменной смолы на основе кислоты и источника озона приводит к получению озонированного раствора, который обладает скоростью разложения озона, которая снижена (и таким образом средним временем жизни растворенного озона, которое повышено) по сравнению с: 1) необработанной водопроводной водой, 2) деионизированной водой, 3) окисленной водопроводной водой, и 4) окисленной деионизированной водой. Деионизированную воду получали с применением деионизирующего картриджа со смешанным слоем с фильтром предварительной очистки с угольным блоком. Озон получали с применением коронного разряда, с силой тока 1 А и скорости потока холодной водопроводной воды между 2,5 и 3 галлонов в минуту. Концентрацию озона измеряли с применением измерительной системы растворенного озона Micro 7+. Ниже в Таблицах 1 и 2 показаны периоды полураспада пяти различных водных растворов.

Таблица 1
- Период полураспада озона для обработанной слабой кислотой воды
Обработка - Слабая кислота	Первоначальная концентрация озона (част./млн)	Период полураспада озона
Необработанная водопроводная вода	0	20 мин
Деионизированная водопроводная вода	0,4	5 мин
Водопроводная вода, обработанная уксусной кислотой (pH 4,65)	1,56	40 мин
Деионизированная водопроводная вода, обработанная уксусной кислотой (pH 3,4)	1,24	1,5 часа
Водопроводная вода, обработанная катионообменной смолой на основе слабой кислоты (pH 5,2)	1,42	2 часа
Таблица 2
- Период полураспада озона для обработанной сильной кислотой воды
Обработка - Сильная кислота	Первоначальная концентрация озона (част./млн)	Период полураспада озона
Необработанная водопроводная вода	0	20 мин
Деионизированная водопроводная вода	0,4	5 мин
Водопроводная вода, обработанная HCI (рН 3,26)	1,35	3,5 часа
Деионизированная водопроводная вода, обработанная HCI (рН 2,7)	1,08	4 часа
Водопроводная вода, обработанная катионообменной смолой на основе сильной кислоты (рН 3,15)	1,68	6 часов

Как можно видеть в Таблицах 1 и 2, обработка водопроводной воды с применением катионообменной смолы на основе кислоты и озонирование раствора приводит к увеличению периода полураспада озона, который больше, чем период полураспада озона в других растворах с похожими уровнями pH, которые не обработаны катионообменной смолой на основе кислоты.

Это удивительно, так как согласно Ericksson и Uhm, как обсуждалось в разделе Уровень техники, следовало ожидать, что все растворы с похожими уровнями pH должны иметь похожие периоды полураспада озона и что растворы с более низкими уровнями pH должны иметь более длинные периоды полураспада озона.

Однако как видно в Таблице 1, водопроводная вода, обработанная катионообменной смолой на основе слабой кислоты, обеспечивает более длинный период полураспада озона (2 часа против 40 минут), даже хотя раствор, полученный с применением катионообменной смолы на основе слабой кислоты, менее кислый, чем раствор водопроводной воды, полученный с применением уксусной кислоты (АсОН) (pH 5,2 против 4,65).

Кроме того, как можно видеть в Таблицах 1 и 2, водопроводная вода, обработанная катионообменной смолой на основе сильной кислоты, приводит к периоду полураспада озона, который значительно длиннее, чем период полураспада озона в деионизированной воде, даже хотя оба раствора имеют очень похожие уровни pH. Если бы период полураспада определялся уровнем pH, ожидалось бы, что деионизированная водопроводная вода, обработанная уксусной кислотой с получением pH 3,4, имеет период полураспада озона, схожий с периодом полураспада озона в водопроводной воде, обработанной катионообменной смолой на основе сильной кислоты с получением pH 3,15. Однако это не происходит, так как деионизированная водопроводная вода при pH 3,4 имеет период полураспада озона, равный 1,5 часа, в то время как водопроводная вода, обработанная катионообменной смолой на основе сильной кислоты, при pH 3,15 имеет период полураспада озона, равный 6 часов.

Подобным образом, согласно патенту США №6964739, в получении озона выгодно применять деионизированную воду. Однако деионизированная вода сама по себе приводит к очень короткому периоду полураспада озона (5 минут) и деионизированная вода, обработанная кислотой, обеспечивает период полураспада озона, который короче, чем у водопроводной воды, обработанной соответствующей катионообменной смолой на основе кислоты. Это верно, даже когда pH деионизированной воды, обработанной кислотой, ниже, чем pH водопроводной воды, обработанной катионообменной смолой на основе кислоты. Как можно видеть, слабые кислоты: pH 3,4 (DI вода) против 5,2 (обработка катионообменной смолой) соответствует периодам полураспада 1,5 часа против 2 часов; и сильные кислоты: pH 2,7 (DI вода) против 3,15 (обработка катионообменной смолой) соответствует периодам полураспада 4 часа против 6 часов.

Как очевидно из приведенных выше данных, удаление катионов из водопроводной воды с применением колонны со смешанным слоем для получения деионизированной воды и затем последовательное добавление кислоты для понижения pH не обеспечивает получение раствора, эквивалентного водопроводной воде, обработанной катионообменной смолой на основе кислоты. Средний период полураспада озона в водопроводной воде, обработанной катионообменной смолой на основе кислоты, длиннее, чем в окисленной деионизированной воде.

Экспериментальные результаты, которые обсуждались выше, подтверждают, что системы, которые применяют катионообменную смолу на основе кислоты, и блок растворения озона, чтобы благодаря совместным усилиям получить кислую ионизированную озонированную жидкость, генерируют раствор, в котором растворенный озон обладает средним временем жизни, которое больше, чем среднее время жизни озона в жидкости, которая не обработана катионообменной смолой на основе кислоты, а обработана достаточным количеством жидкой кислоты, чтобы получить pH, равный pH кислой ионизированной озонированной жидкости; и больше, чем среднее время жизни озона в деионизированной жидкости, которая обработана достаточным количеством жидкой кислоты, чтобы получить pH, равный pH кислой ионизированной озонированной жидкости.

Для целей этого описания термин "увеличение" или "удлинение" среднего времени жизни озона, растворенного в кислой ионизированной озонированной жидкости, относится к продлению среднего времени жизни озона в кислой ионизированной озонированной жидкости по сравнению со средним временем жизни озона в жидкости, которая не обработана катионообменной смолой на основе кислоты, а обработана достаточным количеством жидкой кислоты, чтобы получить pH, равный pH кислой ионизированной озонированной жидкости; и больше, чем среднее время жизни озона в деионизированной жидкости, которая обработана достаточным количеством жидкой кислоты, чтобы получить pH, равный pH кислой ионизированной озонированной жидкости.

Например, как иллюстрировано в Таблице 2, среднее время жизни озона в водопроводной воде, обработанной катионообменной смолой на основе сильной кислоты (pH 3,15) "увеличивается" или "удлиняется" по сравнению с: необработанной водопроводной водой; водопроводной водой, обработанной HCl (pH 3,26); и деионизированной водопроводной водой, обработанной HCl (pH 2,7).

В различных вариантах выполнения система 1 для озонирования согласно настоящему описанию может представлять собой, например, рециркуляционную систему озонирования, рециркуляционную систему озонирования "по требованию", нерециркуляционную систему озонирования "по требованию" или любой другой тип системы для озонирования, известный в технике. Примеры конкретных систем для озонирования согласно вариантам выполнения настоящего изобретения, которые включают катионообменную смолу на основе кислоты, обсуждаются ниже более подробно. Блок растворения озона согласно варианту выполнения настоящего описания, может представлять собой, например, озонирующий проток. Примеры озонирующих протоков обсуждаются ниже более подробно.

Катионообменные смолы

Следующее обсуждение относится к вариантам выполнения катионообменной смолы 6 на основе кислоты. Ионообменные смолы часто применяют для разделения, очистки и обеззараживания растворов. Ионообменная смола представляет собой нерастворимую матрицу, которая на поверхности матрицы включает функциональные группы, которые одновременно улавливают ионы из раствора на поверхность и в обмен выделяют ионы с поверхности в раствор. Таким образом обработка раствора приводит к ионному обмену между смолой и раствором.

Ионообменные смолы нагружены одним ионом, который выделяется в раствор, и их можно изготовить с селективным предпочтением одного или более альтернативных ионов, которые удаляются из раствора.

Ионообменные смолы грубо подразделяют на катионообменные смолы и анионообменные смолы. Катионообменные смолы обменивают положительно заряженные ионы (т.е. катионы), в то время как анионообменные смолы обменивают отрицательно заряженные ионы (т.е. анионы).

Порядок сродства для некоторых распространенных катионов приблизительно следующий: Hg²⁺<Li⁺<Н⁺<Na⁺<К⁺≈NH⁴⁺<Cd²⁺<Cs⁺<Ag⁺<Mn²⁺<Mg²⁺<Zn²⁺<Cu²⁺<Ni²⁺<Co²⁺<Ca²⁺<Sr²⁺<Pb²⁺<Al³⁺<Fe³⁺. Следовательно, с участием катионообменных смол могут проходить обмены, например, раствора на основе иона К⁺ со смолой на основе иона Na⁺; или раствора на основе ионов Са²⁺, Mg²⁺, или Fe³⁺ со смолой на основе ионов Na⁺ или Н⁺.

Порядок сродства для некоторых распространенных анионов приблизительно следующий: $$O{H}^{-}\approx F^{-}<HC{O}^{3-}<C{l}^{-}<B{r}^{-}<N{O}^{3-}<HS{O}^{4-}<P{O}_4^3-<Cr{O}_4^{2-}<S{O}_4^{2-}$$ . Следовательно, с участием анионообменных смол могут проходить обмены, например, раствора на основе иона Cl^- со смолой на основе иона ОН^-.

Деионизированная вода представляет собой воду, которая обработана как катионообменной смолой, так и анионообменной смолой, например в колонне со смешанным слоем, чтобы (1) удалить катионы из раствора и заменить их на ионы Н⁺, и (2) удалить анионы из раствора и заменить их на ионы ОН^-. Добавленные ионы Н+ и ОН" взаимодействуют с образованием воды (H₂O), получая таким образом деионизированную воду.

Катионообменные смолы классифицируют как "сильно кислые" или "слабо кислые" в зависимости от функциональных групп на поверхности смолы. Смолы на основе сильных кислот называют так потому, что их склонность терять ион Н⁺ является похожей на склонность сильных кислот (кислот, которые, например, обладают рКа менее чем 1). То есть, функциональные группы сильных кислот и смол на основе сильных кислот легко диссоциируют, давая ион Н⁺. Смолы на основе слабых кислот называют так потому, что их склонность терять ион Н⁺ является похожей на склонность слабых кислот (кислот, которые, например, обладают рКа более чем 1). Функциональные группы слабых кислот и смол на основе слабых кислот должны менее вероятно терять ион Н⁺, чем функциональные группы сильных кислот и смол на основе сильных кислот.

Катионообменные смолы на основе сильных кислот могут включать, например, функциональные группы сульфоновой кислоты (pKa≈-2,5). Катионообменные смол на основе слабых кислот могут включать, например, группы карбоновых кислот (рКа≈4,75).

Системы для озонирования согласно вариантам выполнения настоящей заявки включают катионообменные смолы на основе кислот, которые удаляют катионы из водного раствора и заменяют удаленные катионы на ионы Н⁺, понижая таким образом pH водного раствора. Системы для озонирования могут включать смесь катионообменных смол на основе кислот, например, катионообменная смола может быть смолой на основе сильной кислоты, смолой на основе слабой кислоты, смесью смол на основе сильных кислот, смесью смол на основе слабых кислот или любой их комбинацией. Катионообменные смолы на основе кислот могут быть любой коммерчески доступной катионообменной смолой на основе кислоты.

В альтернативном случае катионообменная смола на основе кислоты может содержать коммерчески доступную катионообменную смолу, которая преобразуется на месте в катионообменную смолу на основе кислоты. Например, катионообменные смолы на основе кислот можно получить или приобрести сначала как катионообменные смолы с ионами, отличающимися от Н⁺, и затем, до добавления в систему для озонирования, преобразовать их в катионообменные смолы на основе кислот. В альтернативном случае катионообменную смолу можно преобразовать в катионообменную смолу на основе кислоты после добавления смолы в систему для озонирования, например, посредством перемещения регенерирующего количества кислоты через проток, который содержит смолу.

Типичные смолы можно образовать из органического полимерного субстрата, например сшитого полистирола, где сшивающим средством может быть дивинилбензол; смолы можно образовать с порами в матрице; смолы могут представлять собой частицы или мембраны, где частицы могут быть от менее чем 30 мкм до более чем 800 мкм; смолы могут, например, обладать пропускной способностью более чем 0 и менее чем 6 миллиэквивалентов на грамм.

Катионообменную смолу на основе кислоты можно утилизировать после обмена по существу всех катионов Н⁺, или катионообменную смолу на основе кислоты может регенерировать посредством контакта с кислым раствором.

Системы озонирования

Настоящая заявка главным образом описывает способы и системы для озонирования, которые также более подробно описаны в предварительной патентной заявке США 61/409274 (поданной 2 ноября 2010 года) и РСТ заявке № РСТ/СА2010/001520, поданной 30 сентября 2009 года, которая имеет общих авторов с настоящей заявкой, и которые включены в данное описание посредством ссылки. Заявка РСТ/СА2010/001520 испрашивает приоритет по предварительным патентным заявкам США: предварительной заявке США 61/248102 (поданной 2 октября 2009 года); предварительной заявке США 61/248075 (поданной 2 октября 2009 года); и предварительной заявке США 61/248055 (поданной 2 октября 2009 года).

Рециркуляционные системы озонирования

В одном примере системы для озонирования согласно настоящему изобретению система для озонирования включает рециркулирующий озонирующий проток. Как обсуждалось выше, рециркуляционные системы озонирования разработаны с резервуаром, который содержит водный раствор, и рециркулирующий озонирующий проток. Водный раствор течет через озонирующий проток и растворяет в себе количество озона. Водный раствор рециркулируется назад в резервуар.

Один конкретный пример подобной рециркуляционной системы озонирования иллюстрируется на Фиг.2А. Рециркуляционная система озонирования 10 включает входное отверстие 12 для водного раствора, катионообменную смолу 14 на основе кислоты, приспособленную для приема водного раствора из входного отверстия 12 и обработки водного раствора путем замены катионов в растворе на ионы Н⁺, накопительный резервуар 16, приспособленный для приема водного раствора из смолы 14, озонирующий проток 18, приспособленный для растворения озона в водном растворе и рециркуляции водного раствора обратно в накопительный резервуар 16, и выходное отверстие 20, приспособленное для распределения обработанного озонированного водного раствора из системы 10.

Рециркуляционная система озонирования согласно настоящему изобретению может включать катионообменную смолу на основе кислоты в ряде альтернативных местоположений, например непосредственно в озонирующем протоке (как иллюстрировано на Фиг.2А); в рециркулирующем протоке, который, например, рециркулирует раствор из накопительного резервуара в катионообменную смолу и обратно в накопительный резервуар, или в самом накопительном резервуаре. В альтернативном случае система для озонирования может включать накопительный резервуар, который приспособлен для приема водного раствора, который обработан с помощью катионообменной смолы на основе кислоты, где накопительный резервуар и катионообменная смола на основе кислоты независимо могут быть или не быть частью озонирующего протока. Например, водный раствор можно обработать в первом резервуаре, который не является частью озонирующего протока, и затем обработанный водный раствор можно направить в накопительный резервуар, который является частью озонирующего протока. В другом примере водный раствор можно обработать катионообменной смолой на основе кислоты посредством воздействия смолы на водный раствор по мере того, как раствор закачивают в накопительный резервуар, где накопительный резервуар не является частью озонирующего протока.

Рециркуляционные системы озонирования "по требованию". В другом примере системы для озонирования согласно настоящему изобретению система для озонирования включает рециркуляционную систему озонирования "по требованию". Как обсуждалось выше, рециркуляционные системы озонирования "по требованию" разработаны с резервуаром, который содержит водный раствор и озонирующий проток, который рециркулирует озонированный раствор обратно в накопительный резервуар. Система озонирует раствор в системе независимо от того, распределяют ли озонированный раствор. В подобных системах озон непрерывно добавляют к водному раствору для замены любого количества озона, который разложился, или озонирования любого свежего раствора, который добавлен для замены озонированного раствора, который удален из системы. Устойчивое состояние озонированного раствора в конечном итоге достигается на основании входной и выходной скоростей потока, а также эффективности озонирующего протока, применяемого в системе для озонирования.

Один конкретный пример подобной рециркуляционной системы озонирования "по требованию" иллюстрирован на Фиг.2В. Рециркуляционная система озонирования 10′ озонирования включает входное отверстие 12′ для водного раствора, катионообменную смолу 14′ на основе кислоты, расположенную в рециркулирующем протоке и приспособленную для обработки водного раствора посредством замены катионов в растворе на ионы Н⁺ и рециркуляции водного раствора обратно в накопительный резервуар 16′, накопительный резервуар 16′, приспособленный для приема водного раствора из входного отверстия 12′, озонирующий проток 18′, приспособленный для растворения озона в водном растворе и рециркуляции водного раствора обратно в накопительный резервуар 16′, и выходное отверстие 20′, приспособленное для распределения обработанного озонированного водного раствора из системы 10′.

Рециркуляционная система озонирования "по требованию" согласно настоящему изобретению может включать катионообменную смолу на основе кислоты в ряде альтернативных местоположений, например, непосредственно в озонирующем протоке; в рециркулирующем протоке, который, например, рециркулирует раствор из накопительного резервуара в катионообменную смолу и обратно в накопительный резервуар (как иллюстрировано на Фиг.2В), или в самом накопительном резервуаре. В альтернативном случае система для озонирования может включать накопительный резервуар, который приспособлен для приема водного раствора, обработанного с помощью катионообменной смолы на основе кислоты, где накопительный резервуар и катионообменная смола на основе кислоты независимо могут быть или не быть частью озонирующего протока. Например, водный раствор можно обработать в первом резервуаре, который не является частью озонирующего протока, и затем обработанный водный раствор можно направить в накопительный резервуар, который является частью озонирующего протока. В другом примере водный раствор можно обработать катионообменной смолой на основе кислоты посредством воздействия смолы на водный раствор по мере того, как раствор закачивают в накопительный резервуар, где накопительный резервуар не является частью озонирующего протока.

Нерециркуляционные системы озонирования "по требованию". В еще одном примере системы для озонирования согласно настоящему изобретению система для озонирования включает нерециркуляционную систему озонирования "по требованию". Как обсуждалось выше, нерециркуляционные системы озонирования "по требованию" распределяют озон, который был добавлен к раствору, за один проход через озонирующий проток.

Один конкретный пример подобной нерециркуляционной системы озонирования "по требованию" проиллюстрирован на Фиг.2С. Нерециркуляционная система 10″ озонирования включает входное отверстие 12″ для водного раствора, катионообменную смолу 14″ на основе кислоты, расположенную в рециркулирующем протоке и приспособленную для обработки водного раствора путем замены катионов в растворе ионами Н⁺ и рециркуляции водного раствора обратно в накопительный резервуар 16″, накопительный резервуар 16″, приспособленный для приема водного раствора из входного отверстия 12″, нерециркулирующий озонирующий проток 18″, предназначенный для приема водного раствора в накопительном резервуаре 16″ и растворения озона в водном растворе, и выходное отверстие 20″, приспособленное для распределения обработанного озонированного водного раствора из системы 10″. В системе, проиллюстрированной на Фиг.2С, озонирующий проток 18″ активируется только тогда, когда озонированную воду следует распределить из системы 10″, в то время как рециркуляция от катионообменной смолы 14″ на основе кислоты к накопительному резервуару 16″ может осуществляться непрерывно, периодически, после добавления водного раствора в накопительный резервуар 16″ или в любое другое время, которое дает возможность смоле 14″ заменить катионы в растворе ионами Н⁺ до прохождения водного раствора через озонирующий проток 18″.

Другой конкретный пример подобной нерециркуляционной системы озонирования "по требованию" проиллюстрирован на Фиг.2D. Нерециркуляционная система озонирования 10″′ включает входное отверстие 12″′ для водного раствора, катионообменную смолу 14″′ на основе кислоты, приспособленную для приема водного раствора из входного отверстия 12″′ и обработки водного раствора посредством замены катионов в растворе ионами Н⁺, нерециркулирующий озонирующий проток 18″′, приспособленный для приема водного раствора из катионообменной смолы 14″′ на основе кислоты и растворения озона в водном растворе, и выходное отверстие 20″′, приспособленное для распределения обработанного озонированного водного раствора из системы 10″′.

Нерециркуляционная система озонирования "по требованию" согласно настоящему изобретению может включать катионообменную смолу на основе кислоты в ряде альтернативных местоположений, например: непосредственно в озонирующем протоке (как проиллюстрировано на Фиг. 2D); в рециркулирующем протоке, например, чтобы рециркулировать раствор из накопительного резервуара в катионообменную смолу и обратно в накопительный резервуар (как проиллюстрировано на Фиг. 2С), или в самом накопительном резервуаре. В альтернативном случае система для озонирования может включать накопительный резервуар, который приспособлен для приема водного раствора, обработанного с помощью катионообменной смолы на основе кислоты, где накопительный резервуар и катионообменная смола на основе кислоты независимо могут быть или не быть частью озонирующего протока. Например, водный раствор можно обработать в первом резервуаре, который не является частью озонирующего протока, и затем обработанный водный раствор можно направить в накопительный резервуар, который является частью озонирующего протока. В другом примере водный раствор можно обработать катионообменной смолой на основе кислоты посредством воздействия смолы на водный раствор по мере того, как раствор закачивают в накопительный резервуар, где накопительный резервуар не является частью озонирующего протока.

В одном конкретном примере водный раствор можно обработать катионообменной смолой на основе кислоты посредством воздействия смолы на водный раствор по мере того, как раствор закачивают в первый резервуар. Обработанный водный раствор может содержаться в первом резервуаре, пока необходима часть обработанного водного раствора, в результате чего затем часть обработанного водного раствора перемещают в накопительный резервуар системы, распределяющей озонированный водный раствор, например ручной разбрызгиватель. Распределяющая озонированный водный раствор система включает озонирующий проток, частью которого является накопительный резервуар. В подобном примере система для озонирования согласно настоящей заявке будет включать, по меньшей мере, катионообменную смолу на основе кислоты, первый резервуар, накопительный резервуар и озонирующий проток.

Озонирующий проток

Озонирующий проток включает источник озона. Водный раствор (например, вода) течет с желательной скоростью потока через озонирующий проток, в раствор добавляют озон. Как обсуждается более подробно далее, озон можно добавлять, например, путем добавления газа озона в раствор или посредством создания озона непосредственно в озонирующем протоке. В различных иллюстративных озонирующих протоках согласно настоящей заявке озонирующий проток включает смеситель, где к водному раствору добавляют озон и затем смешивают в смесителе.

Источник жидкости. Следует понимать, что источник жидкости, входящий в озонирующий проток, может быть любым источником жидкости. Например, источник жидкости может быть городским источником воды или накопительным резервуаром. Накопительный резервуар может быть частью системы для озонирования или может быть отдельным от системы для озонирования. Если накопительный резервуар является частью системы для озонирования, он может быть частью озонирующего протока.

Источники озона. В озонирующих протоках может применяться газ озон, предоставляемый в газожидкостной смеситель для получения смеси озона и жидкости. Газ озон может быть предоставлен из ряда различных источников. Например, озон можно добавлять в водный раствор с применением газа озона, полученного в генераторе газа озона разрядного типа, например в генераторе газа озона на основе коронного разряда.

Система с коронным разрядом применяет электрод с высоким напряжением и берет газ кислород и пропускает ток через газ так, чтобы ионизировать газ и создать вокруг электрода плазму. Ионизированный газ повторно соединяется с кислородом с образованием озона. Газ кислород, применяемый в системе с коронным разрядом, может быть кислородом из воздуха или из другого источника кислорода, например продуктом концентратора кислорода. В случае применения воздуха для получения газа озона более высокую концентрацию озона, можно достичь посредством снижения количества влаги в предоставленном воздухе и/или увеличения концентрации кислорода (например, удаления азота) в предоставленном воздухе. Снижения количества влаги или увеличения концентрации кислорода можно достичь, например, посредством применения удаляемого картриджа, как описано ниже. Для получения озона системы с коронным разрядом могут применять непрерывную ионизацию или периодическую ионизацию. Коронный разряд в основном применяет два асимметричных электрода, сильно изогнутый электрод (например, кончик иглы или провод небольшого диаметра) и электрод с низкой кривизной (например, пластина или площадка). Короны могут быть положительными или отрицательными в зависимости от полярности электрического напряжения на сильно изогнутом электроде. В частных вариантах выполнения применяют систему с отрицательным коронным разрядом. В некоторых вариантах выполнения известных систем на основе коронного разряда можно получить до 10 граммов озона в час.

В качестве альтернативы озон можно добавлять в водный раствор, используя озон, полученный посредством электролитического генератора озона. Такой генератор производит озон путем электролитического разложения воды или жидкости, содержащей воду, генерируя таким образом смесь озона и жидкости без получения газообразного озона. Электролитические озонные генераторы раскрыты в опубликованной патентной заявке US 2008/0067078, автор изобретения Kitaori, опубликована 20 марта 2008 года; патенте US 5407550, автор изобретения Shimamune, опубликован 18 апреля 1995 года; патенте US 5326444, автор изобретения Nakamatsu, опубликован 5 июля 1994 года; патенте US 5900127, автор изобретения Iida, опубликован 4 мая 1999 года; опубликованной патентной заявке US 2007/0212594, автор изобретения Takasu, опубликованной 13 сентября 2007 года, все из которых включены в данное описание посредством ссылки.

Смеситель. Смеситель, применяемый в озонирующем протоке, может быть, например, частью протока, которая находится ниже по потоку от генератора озона, временным сужением протока, которое находится ниже по потоку от генератора озона, или любым другим элементом, который вызывает турбулентность в потоке текучей среды так, чтобы уменьшить размер пузырьков, увеличивая таким образом растворение озона в водном растворе. В озонирующих протоках, которые применяют газ озон, полученный генератором озона, смеситель может представлять собой, например, трубку Вентури, и газ озон и водный раствор могут смешиваться в трубке Вентури.

Временное сужение в протоке увеличивает скорость текучей среды, проходящей через сужение, уменьшая таким образом давление ниже по потоку от сужения и увеличивая давление выше по потоку от сужения. Временное сужение создает турбулентность в текучей среде и увеличивает растворение озона в текучей среде. Когда источником озона является электролитический генератор озона, может быть выгодно применять временное сужение в протоке ниже по потоку от электролитического генератора озона, чтобы увеличить давление текучей среды в электролитическом генераторе озона, поскольку электролитические генераторы озона может функционировать более эффективно при повышенном давлении.

Другим примером элемента, который вызывает турбулентность, является гидронасос. Гидронасос можно расположить в озонирующем протоке для перемещения раствора от входного отверстия для жидкости, снабжающего озонирующий проток водным раствором. Турбулентность, созданная напором насоса, может разрушить размер пузырьков озона, создаваемых источником озона, и увеличить растворение озона в водном растворе.

Газожидкостной сепаратор. Озонирующий проток также может включать газожидкостной сепаратор, который разделяет газожидкостную смесь на дегазированную озонированную воду и отделенный газ озон. В подобных вариантах выполнения отделенный газ озон можно разрушить в деструкторе озона и выпустить полученный газ кислород в атмосферу. Дегазированную озонированную воду можно направить к выходному отверстию для жидкости посредством газожидкостного сепаратора. Примеры различных предполагаемых газожидкостных сепараторов обсуждаются в предварительной заявке США 61/409274 (поданной 2 ноября 2010 года), которая включена в данное описание в виде ссылки.

Протоки

Озонирующие протоки, например протоки, которые для получения озона включают или системы с коронным разрядом, или электролитические генераторы озона, можно конструировать с помощью разнообразных способов для обеспечения водного раствора озоном.

Например, электролитический генератор озона можно расположить в протоке с текучей средой параллельно основному протоку с текучей средой. В подобных озонирующих протоках параллельный проток с текучей средой, который включает электролитический генератор озона, может течь с более низкой скоростью потока, чем текучая среда, текущая во входное отверстие для жидкости озонирующего протока или выходное отверстие для жидкости озонирующего протока. Взаимосвязь между концентрацией озона и скоростью потока текучей среды является нелинейной в случае электролитических генераторов озона и снижение скорости потока приводит к повышенной концентрации озона. Отклонение части потока текучей среды от основного протока с текучей средой приводит к пониженной скорости потока через тот параллельный проток с текучей средой; размещение электролитического генератора озона в боковой струе с пониженной скоростью потока может привести к увеличенной концентрации озона по сравнению с концентрацией озона, связанной с электролитическим генератором озона, расположенным в основном протоке с текучей средой. Поскольку взаимосвязь между концентрацией озона и скоростью потока текучей среды является нелинейной, общее количество озона, генерируемого в системе, может увеличиваться, когда электролитический генератор озона располагается в параллельной боковой струе с пониженной скоростью потока.

В другом примере озонирующий проток может включать первое входное отверстие для жидкости и второе входное отверстие для жидкости, где первое входное отверстие для жидкости принимает первую часть жидкости в озонирующий проток в первом протоке с первой скоростью потока, и второе входное отверстие для жидкости принимает вторую часть жидкости в озонирующий проток во втором протоке со второй скоростью потока. Первый и второй протоки объединяются в распределяющий проток. Первую и вторую скорости потоков можно выбирать для оптимизации концентрации озона жидкости, распределяемой через выходное отверстие для жидкости распределяемого протока. В альтернативном случае озонирующие протоки могут включать более чем два входных отверстия для жидкости.

Компоненты

Любой из озонирующих протоков, которые обсуждались выше, может включать более чем один источник озона и/или может дополнительно включать один или более сенсоров окислительно-восстановительного потенциала (ОВП), один или более смесителей жидкость-жидкость, один или более дозирующих насосов, один или более газожидкостных сепараторов, один или более деструкторов озона или любую их комбинацию. Примеры различных предполагаемых озонирующих протоков, которые включают указанные выше компоненты, обсуждаются в предварительной заявке США 61/409274 (поданной 2 ноября 2010 года), которая включена в данное описание в виде ссылки.

Иллюстративные озонирующие протоки

Иллюстративные озонирующие протоки иллюстрируются на Фиг.3А-3С. Эти иллюстративные озонирующие протоки можно включить в любую из озонирующих систем, которые обсуждались выше, например, в озонирующие системы, проиллюстрированные на Фиг.2A-2D.

В иллюстративном озонирующем протоке 110, проиллюстрированном на Фиг.3А, входное отверстие 112 для жидкости располагается для приема водного раствора, который следует озонировать в озонирующем протоке. Входное отверстие 112 для жидкости принимает водный раствор непосредственно в озонирующий проток. Входное отверстие 112 для жидкости принимает водный раствор, пока производится озонированный раствор. Водный раствор течет с желательной скоростью течения через озонирующий проток и смешивается с озоном в смесителе 114. К протоку 110 добавляют озон с применением электролитического генератора 116 озона, который производит озон из электролитического разрушения воды. В протоке, проиллюстрированном на Фиг.3А, электролитический генератор 116 озона находится на одной линии с входным отверстием 112 для жидкости и разрушает воду, принимаемую протоком через входное отверстие 112 для жидкости. Выходное отверстие 118 для жидкости распределяет озонированную жидкость с желательной скоростью течения (например, для применения конечным потребителем). Скорость течения из выходного отверстия 118 для жидкости является, по существу, такой же, как у потока, текущего во входное отверстие 112 для жидкости, так как течение внутрь прямо зависит от течения наружу и жидкость, принимаемая протоком, замещает жидкость внутри протока.

Иллюстративный озонирующий проток, проиллюстрированный на Фиг.3В, аналогичен протоку, проиллюстрированному на Фиг.3А, но располагает электролитический генератор озона 116 в протоке с текучей средой, параллельном основному протоку с текучей средой. Параллельный проток с текучей средой, который включает электролитический генератор 116 озона, будет течь с более низкой скоростью течения, чем текучая среда, которая течет во входное отверстие 112 для жидкости или выходное отверстие 118 для жидкости. Взаимосвязь между концентрацией озона и скоростью течения текучей среды в случае электролитических генераторов озона является нелинейной, и снижение скорости течения приводит к увеличению концентрации озона. Отклонение части потока текучей среды от основного протока с текучей средой приводит к пониженной скорости течения через тот параллельный проток с текучей средой; размещение электролитического генератора 116 озона в боковом потоке со сниженной скоростью течения может привести к увеличению концентрации озона по сравнению с концентрацией озона, которая обусловлена электролитическим генератором озона, расположенным в основном протоке с текучей средой. Поскольку взаимосвязь между концентрацией озона и скоростью течения текучей среды является нелинейной, общее количество озона, генерируемого в системе, можно увеличить в случае расположения электролитического генератора 116 озона в параллельном боковом потоке с пониженной скоростью течения.

Иллюстративный озонирующий проток, проиллюстрированный на Фиг.3С, идентичен протоку, проиллюстрированному на Фиг.3В, но включает первое входное отверстие 112 для жидкости и второе входное отверстие 112′ для жидкости, где первое входное отверстие 112 для жидкости принимает первую часть жидкости в озонирующий проток в первом протоке с первой скоростью течения, и второе входное отверстие 112′ для жидкости принимает вторую часть жидкости в озонирующий проток во втором протоке со второй скоростью течения. Первый и второй протоки объединяются в распределяющий проток. Первую и вторую скорости течения озонирующего протока, проиллюстрированного на Фиг.3С, можно подбирать, чтобы оптимизировать концентрацию озона в жидкости, распределяемой через выходное отверстие 118 для жидкости. Другие варианты выполнения озонирующего протока могут включать более чем два входных отверстия для жидкости, проиллюстрированных на Фиг.3С.

Способ

С помощью способов и систем согласно настоящему описанию можно обработать водный раствор, который следует озонировать с применением катионообменной смолы на основе кислоты до или после воздействия озона на обработанный водный раствор для получения обработанной озонированной жидкости, которая распределяется из выходного отверстия для жидкости.

Один пример способа согласно настоящему описанию иллюстрируется на Фиг.4А. Необработанную неозонированную жидкость 210 принимают в 212 и катионы, присутствующие в принятой жидкости, обмениваются с ионами Н⁺ в 214, используя катионообменную смолу на основе кислоты. Полученную жидкость озонируют в 216 с получением кислой ионизированной озонированной жидкости 218.

В другом примере, проиллюстрированном на Фиг.4В, необработанную неозонированную жидкость 210′ принимают в 212′ и озонируют в 216′ с получением озонированной жидкости. Катионы, присутствующие в озонированной жидкости, обмениваются с ионами Н⁺ в 214′, используя катионообменную смолу на основе кислоты, с получением кислой ионизированной озонированной жидкости 218′.

В изложенном текстовом описании примеры используются для раскрытия изобретения, в том числе наилучшего варианта, и также для предоставления любому специалисту в данной области техники возможности осуществить на практике изобретение, включая изготовление и применение любых приспособлений или систем и осуществление любых включенных сюда способов. Описанные выше примеры предназначены только для иллюстрации. Специалисты могут производить изменения, модификации и вариации над конкретными примерами не выходя за рамки объема изобретения.

Патентоспособный объем изобретения ограничивается формулой изобретения и может включать другие примеры, которые приходят в голову специалистам в данной области техники. Предполагается, что подобные другие примеры находятся в рамках объема формулы изобретения, если они обладают структурными элементами, которые не отличаются от дословной формулировки пунктов формулы изобретения, или если они включают эквивалентные структурные элементы с несущественными отличиями от дословной формулировки пунктов формулы изобретения.

1. Система для увеличения среднего времени жизни озона, растворенного в жидкости, которая содержит:
входное отверстие для жидкости, расположенное для приема жидкости в систему;
катионообменную смолу на основе кислоты, флюидно соединенную с входным отверстием для жидкости, причем смола приспособлена к обмену катионов в принятой жидкости с ионами Н⁺ на смоле;
блок растворения озона, флюидно соединенный с входным отверстием для жидкости и катионообменной смолой на основе кислоты, и
выходное отверстие для жидкости, флюидно соединенное с входным отверстием для жидкости, катионообменной смолой на основе кислоты и блоком растворения озона,
причем блок растворения озона и катионообменная смола на основе кислоты совместно обеспечивают увеличение среднего времени жизни озона, растворенного в жидкости, по сравнению с необработанной жидкостью при аналогичном значении рН и получение кислой ионизированной озонированной жидкости для распределения из системы через выходное отверстие для жидкости.

2. Система по п. 1, в которой озон в распределенной озонированной жидкости обладает средним временем жизни, которое
больше, чем среднее время жизни озона в жидкости, которая не обработана катионообменной смолой на основе кислоты, а обработана достаточным количеством жидкой кислоты, чтобы получить pH, равный pH распределенной кислой ионизированной озонированной жидкости, и
больше, чем среднее время жизни озона в деионизированной жидкости, которая обработана достаточным количеством жидкой кислоты, чтобы получить pH, равный pH распределенной кислой ионизированной озонированной жидкости.

3. Система по п. 1, в которой блок растворения озона представляет собой озонирующий проток, который содержит
генератор озона, чтобы вырабатывать озон для смешения с принятой жидкостью.

4. Система по п. 3, в которой генератор газа озона представляет собой генератор озона разрядного типа, выполненный с возможностью получения газа озона для смешения с принятой жидкостью.

5. Система по п. 3, в которой генератор озона представляет собой электролитический генератор озона.

6. Система по пп. 3-5, в которой озонирующий проток дополнительно содержит смеситель, флюидно соединенный с генератором озона, для смешения генерируемого озона и принятой жидкости с получением озонированной жидкости.

7. Система по п. 1, в которой система дополнительно содержит накопительный резервуар и в которой катионообменная смола на основе кислоты располагается в рециркулирующем протоке, который приспособлен для рециркуляции жидкости в накопительный резервуар.

8. Система по п. 1, в которой система дополнительно содержит накопительный резервуар и в которой катионообменная смола на основе кислоты располагается в накопительном резервуаре.

9. Система по п. 1, в которой катионообменная смола на основе кислоты располагается в нерециркулирующем протоке.

10. Система по п. 9, в которой система дополнительно содержит накопительный резервуар и нерециркулирующий проток снабжает жидкостью накопительный резервуар.

11. Система по п. 9, в которой нерециркулирующий проток снабжает жидкостью блок растворения озона.

12. Система по п. 1, в которой катионообменная смола на основе кислоты принимает жидкость из входного отверстия для жидкости и блок растворения озона принимает жидкость, обработанную смолой.

13. Система по п. 1, в которой блок растворения озона принимает жидкость из входного отверстия для жидкости и катионообменная смола на основе кислоты принимает озонированную жидкость.

14. Система по п. 1, в которой катионообменная смола на основе кислоты является смолой на основе сильной кислоты.

15. Система по п. 1, в которой катионообменная смола на основе кислоты является смолой на основе слабой кислоты.

16. Система по любому одному из пп. 1-15, в которой катионы в принятой жидкости находятся в жидкости, когда система озонирования принимает жидкость, или добавляются в жидкость системой озонирования.

17. Способ увеличения среднего времени жизни озона, растворенного в жидкости, который включает:
прием жидкости;
обмен катионов, присутствующих в жидкости, с ионами Н⁺ из катионообменной смолы на основе кислоты и
озонирование жидкости,
в котором обмен катионов и озонирование жидкости сообща обеспечивают увеличение среднего времени жизни озона, растворенного в жидкости, по сравнению с необработанной жидкостью при аналогичном значении рН и получение кислой ионизированной озонированной жидкости.

18. Способ по п. 17, в котором катионы обмениваются с получением кислой ионизированной жидкости и кислую ионизированную жидкость озонируют после обмена катионов.

19. Способ по п. 17, в котором принятую жидкость озонируют до обмена катионов.

20. Способ по п. 17, в котором озон в озонированной жидкости обладает средним временем жизни, которое
больше, чем среднее время жизни озона в жидкости, которая не обработана катионообменной смолой на основе кислоты, а обработана достаточным количеством жидкой кислоты, чтобы получить pH, равный pH кислой ионизированной озонированной жидкости, и
больше, чем среднее время жизни озона в деионизированной жидкости, которая обработана достаточным количеством жидкой кислоты, чтобы получить pH, равный pH кислой ионизированной озонированной жидкости.

21. Способ по п. 17, в котором озонирование жидкости включает получение озона с использованием генератора газа озона разрядного типа.

22. Способ по п. 17, в котором озонирование жидкости включает получение озона с использованием электролитического генератора озона.

23. Способ по пп. 17-22, дополнительно включающий добавление катионов в принятую жидкость до обмена катионов.

24. Система для увеличения среднего времени жизни озона, растворенного в жидкости, причем система содержит:
катионообменную смолу на основе кислоты, где смола приспособлена для обмена катионов в жидкости с ионами Н⁺ на смоле, и
блок растворения озона, флюидно соединенный с катионообменной смолой на основе кислоты,
причем блок растворения озона и катионообменная смола на основе кислоты совместно обеспечивают получение кислой ионизированной озонированной жидкости,
где озон в кислой ионизированной озонированной жидкости обладает средним временем жизни, которое
больше, чем среднее время жизни озона в жидкости, которая не обработана катионообменной смолой на основе кислоты, а обработана достаточным количеством жидкой кислоты, чтобы получить pH, равный pH кислой ионизированной озонированной жидкости, и
больше, чем среднее время жизни озона в деионизированной жидкости, которая обработана достаточным количеством жидкой кислоты, чтобы получить pH, равный pH кислой ионизированной озонированной жидкости.

25. Способ увеличения среднего времени жизни озона, растворенного в жидкости, причем способ включает:
обмен катионов, присутствующих в жидкости, с ионами Н⁺ из катионообменной смолы на основе кислоты и
озонирование жидкости,
в котором обмен катионов и озонирование жидкости сообща обеспечивают получение кислой ионизированной озонированной жидкости;
в котором озон в кислой ионизированной озонированной жидкости обладает средним временем жизни, которое
больше, чем среднее время жизни озона в жидкости, которая не обработана катионообменной смолой на основе кислоты, а обработана достаточным количеством жидкой кислоты, чтобы получить pH, равный pH кислой ионизированной озонированной жидкости, и
больше, чем среднее время жизни озона в деионизированной жидкости, которая обработана достаточным количеством жидкой кислоты, чтобы получить pH, равный pH кислой ионизированной озонированной жидкости.

26. Применение системы для увеличения среднего времени жизни озона, растворенного в жидкости, причем система содержит:
входное отверстие для жидкости, расположенное для приема жидкости в систему;
катионообменную смолу на основе кислоты, флюидно соединенную с входным отверстием для жидкости, причем смола приспособлена к обмену катионов в принятой жидкости с ионами Н⁺ на смоле;
блок растворения озона, флюидно соединенный с входным отверстием для жидкости и катионообменной смолой на основе кислоты, и
выходное отверстие для жидкости, флюидно соединенное с входным отверстием для жидкости, катионообменной смолой на основе кислоты и блоком растворения озона,
причем блок растворения озона и катионообменная смола на основе кислоты совместно обеспечивают увеличение среднего времени жизни озона, растворенного в жидкости, по сравнению с необработанной жидкостью при аналогичном значении рН и получение кислой ионизированной озонированной жидкости для распределения из системы через выходное отверстие для жидкости.