用於分離油和水的超聲和聲泳技術以及用於製備水的應用的製作方法
2023-06-10 03:00:56
專利名稱：用於分離油和水的超聲和聲泳技術以及用於製備水的應用的製作方法
技術領域：
本文描述的主題涉及利用超聲生成的聲駐波來實現懸浮相成分的捕集、濃縮和分離，從而將這些汙染物從諸如水等流體介質中除去。
背景技術：
本發明總體上涉及利用超聲來實現從水中分離和濃縮二次相成分(特別是油水分離)。轉移並濃縮這些二次相的能力稱為聲泳(acoustophoresis)。聲泳是一種將顆粒或油滴(< 10微米)從流體分散液中去除的低功率、無壓降、無堵塞的固態方法；該方法是非常有效的，這是因為它可以用來在單次通過聲泳腔體的過程中將具有不同尺寸、密度或可壓縮性的顆粒分類。需要一種能夠處理大量負載有油或油類物質的基底介質(如水)的系統。需要一種能夠將這些油從基底介質中濃縮並分離的系統。聲泳物理學聲泳是利用聲壓產生驅動力，從而將一種或多種二次相從基底流體(host fluid)中分離出來。使用在固定頻率f (Hz)下運行的超聲換能器在填充有流體的腔體中產生聲駐波。該駐波的特徵在於，局部壓力P是位置(X)和時間(t)的函數。P (x, t) =P cos (kx) sin (ω t), (I)其中，P為聲壓的振幅；k為波數(等於2π/λ，其中λ為波長)，並且ω=2π ·，其中ω是角頻率。根據下式
η 2
Frysy- τ% 3 JI \
_ . m = k-^ sm(2fec)
p 產 $， (2)聲波的壓力對二次相成分產生聲輻射力Fa。，其中，Rp是顆粒半徑，P f是流體介質的密度，cf是流體中的聲速，並且X是聲對比因數，其定義如下
ν 1「5Λ-2 I IJi = — -· — ~r- m
3 LI + 2Λ σ AJ 1J其中Λ為顆粒密度與流體密度的比值，σ是顆粒中的聲速與流體中的聲速的比值。聲輻射力作用於聲場方向上。聲輻射力與聲壓和聲壓梯度的乘積成比例。對聲輻射力的研究顯示出其與顆粒體積、頻率(或波數)、聲能密度(或聲壓振幅的平方)、以及聲對比因數成比例。還注意到，其空間依賴性是聲場周期性的兩倍。因此，聲輻射力為兩種機械性質(即密度和可壓縮性)的函數。表I水和4種所選二次相的性質
權利要求
1.一種用於從油/水乳液或脂/水乳液中濃縮並分離脂相或油相的系統，包括 流動室，水與微小的油滴或脂的所述乳液流經所述流動室，所述流動室包括一個或多個流入口和流出口，其中所述流動室的橫截面尺寸大於與所產生的聲音相對應的波長； 超聲換能器，其中所述超聲換能器由超聲頻率的振蕩電壓信號驅動；以及 反射器，其中所述反射器被設置成使得在基底介質中產生聲駐波； 其中聲場將聲輻射力施加到含有油滴或脂的二次相成分上，使得所述油滴抵抗流體拖曳力而被捕集在所述聲場中，從而隨著時間的流逝能大規模收集所述二次相成分；並且其中油滴的快速收集導致油滴發生聚集或形成微小油滴的大聚集體，這樣，所述油滴聚集體的浮力足以促使所述油滴聚集體浮動至所述流動室的頂部，從而隨著時間的流逝，在所述流動室的頂部積聚形成表示所有收集到的油滴的油層；並且其中能使用常規手段來收穫所述油層。
2.權利要求I所述的系統，其在恆定的激發頻率下被驅動。
3.權利要求I所述的系統，其用掃頻模式來驅動，其中掃頻的作用是將所收集的油滴沿所述聲駐波的方向轉移至換能器表面或相對的反射器表面。
4.權利要求I所述的系統，其由除了壓電換能器的任何類型的超聲換能器所驅動。
5.權利要求I所述的系統，其被定向在使得流體流不為縱向的方向上，其中油滴在所述聲場的方向上發生的轉移能夠通過掃頻法實現。
6.權利要求I所述的系統，其可用於純化艙底水。
7.權利要求6所述的系統，其不僅從艙底水艙中分離出水和油，還消滅可能汙染脆弱的自然水生生態系統的水生搭載物或不期望的原生動物。
8.權利要求I所述的系統，其中所述流動室沿豎直方向定向。
9.權利要求I所述的系統，其中所述超聲換能器嵌入所述流動室的室壁中。
10.權利要求I所述的系統，其中所述超聲換能器由超聲頻率的振蕩電壓信號驅動，所述超聲頻率在每秒十萬至數百萬次循環的範圍內，振幅為數十伏特。
11.權利要求I所述的系統，其中所述超聲換能器是由壓電材料製成的。
12.權利要求I所述的系統，其中反射器位於所述換能器的相對側。
13.權利要求I所述的系統，其中在所述基底介質中產生聲駐波，該聲駐波垂直於流體通道中的平均流動方向。
14.權利要求I所述的系統，其中所述聲輻射力為聲泳力。
15.權利要求I所述的系統，其中在所述換能器元件周圍，沒有以導致流動減少的方式布置壁障。
16.一種用於濃縮並分離密度比水大的粒子的系統，包括 流動室，含有汙染粒子的水流流經所述流動室，所述流動室包括一個或多個流入口和流出口，其中所述流動室的橫截面尺寸大於與所產生的聲音相對應的波長； 超聲換能器，其中所述超聲換能器由超聲頻率的振蕩電壓信號驅動；以及 反射器，其中所述反射器被設置成使得在基底介質中產生聲駐波； 其中聲場將聲輻射力施加到含有汙染粒子的二次相成分上，使得所述粒子抵抗流體拖曳力而被捕集在所述聲場中，從而隨著時間的流逝能大規模收集所述二次相成分；並且其中粒子的快速收集導致所述粒子發生聚集，這樣，所述粒子聚集體的重力足以促使所述粒子聚集體沉降至所述流動室的底部，從而隨著時間的流逝，在所述流動室的底部積聚形成表示所有收集到的粒子的粒子層；並且其中能夠使用常規手段來收穫所述粒子層。
17.權利要求I所述的系統，其在恆定的激發頻率下被驅動。
18.權利要求I所述的系統，其用掃頻模式來驅動，其中掃頻的作用是將所收集的粒子沿所述聲駐波的方向轉移至換能器表面或相對的反射器表面。
19.權利要求I所述的系統，其由除了壓電換能器的任何類型的超聲換能器所驅動。
20.權利要求I所述的系統，其被定向在使得流體流不為縱向的方向上，其中粒子在所述聲場的方向上發生的轉移能夠通過掃頻法來實現。
21.權利要求I所述的系統，其可用於純化艙底水。
22.權利要求I所述的系統，其中所述流動室沿豎直方向定向。
23.權利要求I所述的系統，其中所述超聲換能器嵌入所述流動室的室壁中。
24.權利要求I所述的系統，其中所述超聲換能器由超聲頻率的振蕩電壓信號驅動，所述超聲頻率在每秒十萬至數百萬次循環的範圍內，振幅為數十伏特。
25.權利要求I所述的系統，其中所述超聲換能器是由壓電材料製成的。
26.權利要求I所述的系統，其中反射器位於所述換能器的相對側。
27.權利要求I所述的系統，其中在所述基底介質中產生聲駐波，該聲駐波垂直於所述流動通道中的平均流動方向。
28.權利要求I所述的系統，其中所述聲輻射力為聲泳力。
29.權利要求I所述的系統，其中在所述換能器元件周圍，沒有以導致流動減少的方式布置壁障。
全文摘要
本文描述了用於從乳液中分離油和水的若干原型系統。所述系統在超聲共振下運轉，因此為低功率的。每個系統都包含一個或多個在100kHz至5MHz範圍內運行的聲換能器。每個系統均包含乳液的流入口和兩個或更多個供分離後的油和水流出的流出口。現有的原型在200mL/分鐘至＞15L/分鐘的流速下運轉。各原型使用1-5W範圍的低功率。
文檔編號C02F1/36GK102958575SQ201180028860
公開日2013年3月6日 申請日期2011年4月12日 優先權日2010年4月12日
發明者傑森·迪翁, 巴特·利普肯斯, 愛德華·A·裡特曼 申請人:弗洛設計聲能學公司