專(zhuān)利名稱(chēng)：用于分離油和水的超聲和聲泳技術(shù)以及用于制備水的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文描述的主題涉及利用超聲生成的聲駐波來(lái)實(shí)現(xiàn)懸浮相成分的捕集、濃縮和分離，從而將這些污染物從諸如水等流體介質(zhì)中除去。
背景技術(shù)：
本發(fā)明總體上涉及利用超聲來(lái)實(shí)現(xiàn)從水中分離和濃縮二次相成分(特別是油水分離)。轉(zhuǎn)移并濃縮這些二次相的能力稱(chēng)為聲泳(acoustophoresis)。聲泳是一種將顆?；蛴偷?< 10微米)從流體分散液中去除的低功率、無(wú)壓降、無(wú)堵塞的固態(tài)方法；該方法是非常有效的，這是因?yàn)樗梢杂脕?lái)在單次通過(guò)聲泳腔體的過(guò)程中將具有不同尺寸、密度或可壓縮性的顆粒分類(lèi)。需要一種能夠處理大量負(fù)載有油或油類(lèi)物質(zhì)的基底介質(zhì)(如水)的系統(tǒng)。需要一種能夠?qū)⑦@些油從基底介質(zhì)中濃縮并分離的系統(tǒng)。聲泳物理學(xué)聲泳是利用聲壓產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，從而將一種或多種二次相從基底流體(host fluid)中分離出來(lái)。使用在固定頻率f (Hz)下運(yùn)行的超聲換能器在填充有流體的腔體中產(chǎn)生聲駐波。該駐波的特征在于，局部壓力P是位置(X)和時(shí)間(t)的函數(shù)。P (x, t) =P cos (kx) sin (ω t), (I)其中，P為聲壓的振幅；k為波數(shù)(等于2π/λ，其中λ為波長(zhǎng))，并且ω=2π ·，其中ω是角頻率。根據(jù)下式
η 2
Frysy- τ% 3 JI \
_ . m = k-^ sm(2fec)
p 產(chǎn) $， (2)聲波的壓力對(duì)二次相成分產(chǎn)生聲輻射力Fa。，其中，Rp是顆粒半徑，P f是流體介質(zhì)的密度，cf是流體中的聲速，并且X是聲對(duì)比因數(shù)，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。聲輻射力作用于聲場(chǎng)方向上。聲輻射力與聲壓和聲壓梯度的乘積成比例。對(duì)聲輻射力的研究顯示出其與顆粒體積、頻率(或波數(shù))、聲能密度(或聲壓振幅的平方)、以及聲對(duì)比因數(shù)成比例。還注意到，其空間依賴(lài)性是聲場(chǎng)周期性的兩倍。因此，聲輻射力為兩種機(jī)械性質(zhì)(即密度和可壓縮性)的函數(shù)。表I水和4種所選二次相的性質(zhì)
權(quán)利要求
1.一種用于從油/水乳液或脂/水乳液中濃縮并分離脂相或油相的系統(tǒng)，包括 流動(dòng)室，水與微小的油滴或脂的所述乳液流經(jīng)所述流動(dòng)室，所述流動(dòng)室包括一個(gè)或多個(gè)流入口和流出口，其中所述流動(dòng)室的橫截面尺寸大于與所產(chǎn)生的聲音相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)； 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(hào)驅(qū)動(dòng)；以及 反射器，其中所述反射器被設(shè)置成使得在基底介質(zhì)中產(chǎn)生聲駐波； 其中聲場(chǎng)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(chǎng)中，從而隨著時(shí)間的流逝能大規(guī)模收集所述二次相成分；并且其中油滴的快速收集導(dǎo)致油滴發(fā)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(dòng)至所述流動(dòng)室的頂部，從而隨著時(shí)間的流逝，在所述流動(dòng)室的頂部積聚形成表示所有收集到的油滴的油層；并且其中能使用常規(guī)手段來(lái)收獲所述油層。
2.權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其在恒定的激發(fā)頻率下被驅(qū)動(dòng)。
3.權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其用掃頻模式來(lái)驅(qū)動(dòng)，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(zhuǎn)移至換能器表面或相對(duì)的反射器表面。
4.權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其由除了壓電換能器的任何類(lèi)型的超聲換能器所驅(qū)動(dòng)。
5.權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，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(chǎng)的方向上發(fā)生的轉(zhuǎn)移能夠通過(guò)掃頻法實(shí)現(xiàn)。
6.權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其可用于純化艙底水。
7.權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其不僅從艙底水艙中分離出水和油，還消滅可能污染脆弱的自然水生生態(tài)系統(tǒng)的水生搭載物或不期望的原生動(dòng)物。
8.權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述流動(dòng)室沿豎直方向定向。
9.權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述超聲換能器嵌入所述流動(dòng)室的室壁中。
10.權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述超聲換能器由超聲頻率的振蕩電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)，所述超聲頻率在每秒十萬(wàn)至數(shù)百萬(wàn)次循環(huán)的范圍內(nèi)，振幅為數(shù)十伏特。
11.權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述超聲換能器是由壓電材料制成的。
12.權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中反射器位于所述換能器的相對(duì)側(cè)。
13.權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中在所述基底介質(zhì)中產(chǎn)生聲駐波，該聲駐波垂直于流體通道中的平均流動(dòng)方向。
14.權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述聲輻射力為聲泳力。
15.權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中在所述換能器元件周?chē)?，沒(méi)有以導(dǎo)致流動(dòng)減少的方式布置壁障。
16.一種用于濃縮并分離密度比水大的粒子的系統(tǒng)，包括 流動(dòng)室，含有污染粒子的水流流經(jīng)所述流動(dòng)室，所述流動(dòng)室包括一個(gè)或多個(gè)流入口和流出口，其中所述流動(dòng)室的橫截面尺寸大于與所產(chǎn)生的聲音相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)； 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(hào)驅(qū)動(dòng)；以及 反射器，其中所述反射器被設(shè)置成使得在基底介質(zhì)中產(chǎn)生聲駐波； 其中聲場(chǎng)將聲輻射力施加到含有污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(chǎng)中，從而隨著時(shí)間的流逝能大規(guī)模收集所述二次相成分；并且其中粒子的快速收集導(dǎo)致所述粒子發(fā)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(dòng)室的底部，從而隨著時(shí)間的流逝，在所述流動(dòng)室的底部積聚形成表示所有收集到的粒子的粒子層；并且其中能夠使用常規(guī)手段來(lái)收獲所述粒子層。
17.權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其在恒定的激發(fā)頻率下被驅(qū)動(dòng)。
18.權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其用掃頻模式來(lái)驅(qū)動(dòng)，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(zhuǎn)移至換能器表面或相對(duì)的反射器表面。
19.權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其由除了壓電換能器的任何類(lèi)型的超聲換能器所驅(qū)動(dòng)。
20.權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，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(chǎng)的方向上發(fā)生的轉(zhuǎn)移能夠通過(guò)掃頻法來(lái)實(shí)現(xiàn)。
21.權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其可用于純化艙底水。
22.權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述流動(dòng)室沿豎直方向定向。
23.權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述超聲換能器嵌入所述流動(dòng)室的室壁中。
24.權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述超聲換能器由超聲頻率的振蕩電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)，所述超聲頻率在每秒十萬(wàn)至數(shù)百萬(wàn)次循環(huán)的范圍內(nèi)，振幅為數(shù)十伏特。
25.權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述超聲換能器是由壓電材料制成的。
26.權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中反射器位于所述換能器的相對(duì)側(cè)。
27.權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中在所述基底介質(zhì)中產(chǎn)生聲駐波，該聲駐波垂直于所述流動(dòng)通道中的平均流動(dòng)方向。
28.權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述聲輻射力為聲泳力。
29.權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中在所述換能器元件周?chē)瑳](méi)有以導(dǎo)致流動(dòng)減少的方式布置壁障。
全文摘要
本文描述了用于從乳液中分離油和水的若干原型系統(tǒng)。所述系統(tǒng)在超聲共振下運(yùn)轉(zhuǎn)，因此為低功率的。每個(gè)系統(tǒng)都包含一個(gè)或多個(gè)在100kHz至5MHz范圍內(nèi)運(yùn)行的聲換能器。每個(gè)系統(tǒng)均包含乳液的流入口和兩個(gè)或更多個(gè)供分離后的油和水流出的流出口?，F(xiàn)有的原型在200mL/分鐘至＞15L/分鐘的流速下運(yùn)轉(zhuǎn)。各原型使用1-5W范圍的低功率。
文檔編號(hào)C02F1/36GK102958575SQ201180028860
公開(kāi)日2013年3月6日 申請(qǐng)日期2011年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月12日
發(fā)明者杰森·迪翁, 巴特·利普肯斯, 愛(ài)德華·A·里特曼 申請(qǐng)人:弗洛設(shè)計(jì)聲能學(xué)公司