用于分离油和水的超声和声泳技术以及用于制备水的应用制造技术

本文描述了用于从乳液中分离油和水的若干原型系统。所述系统在超声共振下运转，因此为低功率的。每个系统都包含一个或多个在100kHz至5MHz范围内运行的声换能器。每个系统均包含乳液的流入口和两个或更多个供分离后的油和水流出的流出口。现有的原型在200mL/分钟至＞15L/分钟的流速下运转。各原型使用1-5W范围的低功率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请本申请要求于2010年4月12日提交的美国临时专利申请No.61/342,307的优先权，其全部内容以引用方式并入本文。
本文描述的主题涉及利用超声生成的声驻波来实现悬浮相成分的捕集、浓缩和分离，从而将这些污染物从诸如水等流体介质中除去。
技术介绍
本专利技术总体上涉及利用超声来实现从水中分离和浓缩二次相成分（特别是油水分离）。转移并浓缩这些二次相的能力称为声泳（acoustophoresis）。声泳是一种将颗粒或油滴（＜10微米）从流体分散液中去除的低功率、无压降、无堵塞的固态方法；该方法是非常有效的，这是因为它可以用来在单次通过声泳腔体的过程中将具有不同尺寸、密度或可压缩性的颗粒分类。需要一种能够处理大量负载有油或油类物质的基底介质（如水）的系统。需要一种能够将这些油从基底介质中浓缩并分离的系统。声泳物理学声泳是利用声压产生驱动力，从而将一种或多种二次相从基底流体（host fluid）中分离出来。使用在固定频率f(Hz)下运行的超声换能器在填充有流体的腔体中产生声驻波。该驻波的特征在于，局部压力p是位置（x）和时间（t）的函数。p(x，t)＝P cos(kx)sin(ωt)，(1)其中，P为声压的振幅；k为波数（等于2π/λ，其中λ为波长），并且ω=2πf，其中ω是角频率。根据下式：Fac=XπRp3kP2ρfcf2sin(2kx),---(2),]]>声波的压力对二次相成分产生声辐射力Fac，其中，Rp是颗粒半径，ρf是流体介质的密度，cf是流体中的声速，并且X是声对比因数，其定义如下：X=13[5Λ-21+2Λ-1σ2Λ],---(3)]]>其中Λ为颗粒密度与流体密度的比值，σ是颗粒中的声速与流体中的声速的比值。声辐射力作用于声场方向上。声辐射力与声压和声压梯度的乘积成比例。对声辐射力的研究显示出：其与颗粒体积、频率（或波数）、声能密度（或声压振幅的平方）、以及声对比因数成比例。还注意到，其空间依赖性是声场周期性的两倍。因此，声辐射力为两种机械性质（即密度和可压缩性）的函数。表1水和4种所选二次相的性质对于三维声场，需要一种更为通用的用于计算声辐射力的方法。Gor’kov公式可用于此[5]。Gor’kov推导出了适用于任何声场的声辐射力Fac的表达式。主声辐射力被定义为场势（field potential）U的函数，其如下表示：Fac=-▿(U)---(4)]]>其中场势U定义如下：U=V0[⟨p2(x,y,t)⟩2ρfcf2f1-3ρf⟨v2(x,y,t)⟩4f2],---(5),]]>并且f1和f2是单极和偶极贡献率，定义如下：f1=1-1Λσ2,]]>f2=2(Λ-1)2Λ+1,---(6)]]>其中p(x,y,z,t)是声压，v(x,y,z,t)是流体颗粒速度。V0是颗粒的体积。另外，文献中并没有报道在大型流体通道中利用声泳来抵抗流体拖曳力而捕集颗粒的应用。“大型”用来表示流体通道的横截面尺寸典型地远大于（大几倍或更多倍）由超声换能器产生的声波的波长。以上对相关技术的描述并非旨在以任何方式承认本文所述的包括待审的美国专利申请在内的任何文献都是本公开实施方案的现有技术。此外，对与所述的产品、方法和/或装置相关的任何缺点的描述并非旨在限制所公开的实施方案。实际上，本公开的实施方案可以包括所述产品、方法和/或装置的某些特征，而不具有它们的所述缺点。本申请提及了许多不同的出版物，这些出版物在整个说明书中以一个或多个括在括号内的参考编号（如[x]）表示。这些不同的出版物按照这些参考编号的顺序列在了以下标题为“参考文献”的段落中。这些出版物均以引用方式并入本文。
技术实现思路
本专利技术涉及利用超声和声泳从基底介质中浓缩并分离油。根据一些实施方案，提供了一种从水中浓缩并分离气体、脂和/或油的系统，该系统包括：流动室，包含水和微小油滴或脂的乳液流经该流动室，所述流动室包括一个或多个流入口和流出口，该流动室具有大尺度的典型尺寸，这是指所述流动室的横截面尺寸远大于与所产生的声音相对应的波长；超声换能器，其通常嵌入所述流动室的室壁中，并且通常由压电材料制成，该超声换能器由超声频率的振荡电压信号驱动，该超声频率通常在每秒十万至数百万次循环的范围内，振幅为数十伏特；以及反射器，其通常位于所述换能器的相对侧，使得在基底介质中产生声驻波，该声驻波通常正交（即垂直）于所述流体通道中的平均流动方向；其中声场对二次相成分（即油滴或脂）施加声辐射力，即，声泳力（acoustophoretic force），使得油滴抵抗流体拖曳力而被捕集在声场中，从而能大规模收集所述二次相成分（如脂、气体、油）。二次相成分可以通过常规手段来除去，例如，通过常规手段来收获该油层。根据一些实施方案，提供了一种从油/水或脂/水乳液中浓缩并分离脂相或油相的系统，该系统包括：流动室，水和微小油滴或脂的所述乳液流经所述流动室，所述流动室包括一个或多个流入口和流出口，其中所述流动室的横截面尺寸大于（例如2倍、4倍、5倍、10倍、20倍、50倍、100倍）与所产生的声音相对应的波长；超声换能器，其中所述超声换能器由超声频率的振荡电压信号驱动；以及反射器，其中所述反射器被设置成使得在基底介质中产生声驻波；其中声场对包含油滴或脂的二次相成分施加声辐射力，使得油滴抵抗流体拖曳力而被捕集在声场中，从而能随着时间的流逝大规模收集所述二次相成分；并且其中油滴的快速收集导致油滴发生聚集或形成微小油滴的大聚集体，由此，油滴聚集体的浮力足以促使所述油滴聚集体浮动至所述流动室的顶部，从而随着时间的流逝，在所述流动室的顶部积聚形成表示所有收集到的油滴的油层；并且其中可使用常规方法来收获该油层。根据一些实施方案，提供了一种从水中浓缩并分离污染气体的系统，该系统包括：流动室，含有污染气体的水流经所述流动室，所述流动室包括一个或多个流入口和流出口，其中所述流动室的横截面尺寸大于（例如2倍、4倍、5倍、10倍、20倍、50倍、100倍）与所产生的声音相对应的波长；超声换能器，其中所述超声换能器由超声频率的振荡电压信号驱动；以及反射器，其中所述反射器被设置成使<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.04.12 US 61/342,3071.一种用于从油/水乳液或脂/水乳液中浓缩并分离脂相或油相
的系统，包括：
流动室，水与微小的油滴或脂的所述乳液流经所述流动室，所述
流动室包括一个或多个流入口和流出口，其中所述流动室的横截面尺
寸大于与所产生的声音相对应的波长；
超声换能器，其中所述超声换能器由超声频率的振荡电压信号驱
动；以及
反射器，其中所述反射器被设置成使得在基底介质中产生声驻
波；
其中声场将声辐射力施加到含有油滴或脂的二次相成分上，使得
所述油滴抵抗流体拖曳力而被捕集在所述声场中，从而随着时间的流
逝能大规模收集所述二次相成分；并且
其中油滴的快速收集导致油滴发生聚集或形成微小油滴的大聚
集体，这样，所述油滴聚集体的浮力足以促使所述油滴聚集体浮动至
所述流动室的顶部，从而随着时间的流逝，在所述流动室的顶部积聚
形成表示所有收集到的油滴的油层；并且
其中能使用常规手段来收获所述油层。
2.权利要求1所述的系统，其在恒定的激发频率下被驱动。
3.权利要求1所述的系统，其用扫频模式来驱动，其中扫频的
作用是将所收集的油滴沿所述声驻波的方向转移至换能器表面或相
对的反射器表面。
4.权利要求1所述的系统，其由除了压电换能器的任何类型的
超声换能器所驱动。
5.权利要求1所述的系统，其被定向在使得流体流不为纵向的

\t方向上，其中油滴在所述声场的方向上发生的转移能够通过扫频法实
现。
6.权利要求1所述的系统，其可用于纯化舱底水。
7.权利要求6所述的系统，其不仅从舱底水舱中分离出水和油，
还消灭可能污染脆弱的自然水生生态系统的水生搭载物或不期望的
原生动物。
8.权利要求1所述的系统，其中所述流动室沿竖直方向定向。
9.权利要求1所述的系统，其中所述超声换能器嵌入所述流动
室的室壁中。
10.权利要求1所述的系统，其中所述超声换能器由超声频率的
振荡电压信号驱动，所述超声频率在每秒十万至数百万次循环的范围
内，振幅为数十伏特。
11.权利要求1所述的系统，其中所述超声换能器是由压电材料
制成的。
12.权利要求1所述的系统，其中反射器位于所述换能器的相对
侧。
13.权利要求1所述的系统，其中在所述基底介质中产生声驻
波，该声驻波垂直于流体通道中的平均流动方向。
14.权利要求1所述的系统，其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：杰森·迪翁，巴特·利普肯斯，爱德华·A·里特曼，
申请(专利权)人：弗洛设计声能学公司，
类型：
国别省市：