Обработка воды для увеличения периода полураспада озона

Обработка воды для увеличения периода полураспада озона

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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 − ≈ F − < H C O 3 − < C l − < B r − < N O 3 − < H S O 4 − < P O 4 3 − < C r 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 ра