专利名称：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的制作方法
技术领域：
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。
背景技术：
本发明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 (ω t), (I)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=2π ·，其中ω是角频率。根据下式
η 2
Frysy- τ% 3 JI \
_ . m = k-^ sm(2fec)
p 产 $， (2)声波的压力对二次相成分产生声辐射力Fa。，其中，Rp是颗粒半径，P f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
ν 1「5Λ-2 I IJi = — -· — ~r- m
3 LI + 2Λ σ AJ 1J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I水和4种所选二次相的性质
权利要求
1.一种用于从油/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I所述的系统，其在恒定的激发频率下被驱动。
3.权利要求I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I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I所述的系统，其被定向在使得流体流不为纵向的方向上，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I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I所述的系统，其中所述流动室沿竖直方向定向。
9.权利要求I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I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I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I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I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I所述的系统，其中所述声辐射力为声泳力。
15.权利要求I所述的系统，其中在所述换能器元件周围，没有以导致流动减少的方式布置壁障。
16.一种用于浓缩并分离密度比水大的粒子的系统，包括 流动室，含有污染粒子的水流流经所述流动室，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污染粒子的二次相成分上，使得所述粒子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；并且其中粒子的快速收集导致所述粒子发生聚集，这样，所述粒子聚集体的重力足以促使所述粒子聚集体沉降至所述流动室的底部，从而随着时间的流逝，在所述流动室的底部积聚形成表示所有收集到的粒子的粒子层；并且其中能够使用常规手段来收获所述粒子层。
17.权利要求I所述的系统，其在恒定的激发频率下被驱动。
18.权利要求I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粒子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。
19.权利要求I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。
20.权利要求I所述的系统，其被定向在使得流体流不为纵向的方向上，其中粒子在所述声场的方向上发生的转移能够通过扫频法来实现。
21.权利要求I所述的系统，其可用于纯化舱底水。
22.权利要求I所述的系统，其中所述流动室沿竖直方向定向。
23.权利要求I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。
24.权利要求I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。
25.权利要求I所述的系统，其中所述超声换能器是由压电材料制成的。
26.权利要求I所述的系统，其中反射器位于所述换能器的相对侧。
27.权利要求I所述的系统，其中在所述基底介质中产生声驻波，该声驻波垂直于所述流动通道中的平均流动方向。
28.权利要求I所述的系统，其中所述声辐射力为声泳力。
29.权利要求I所述的系统，其中在所述换能器元件周围，没有以导致流动减少的方式布置壁障。
全文摘要
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。
文档编号C02F1/36GK102958575SQ201180028860
公开日2013年3月6日 申请日期2011年4月12日 优先权日2010年4月12日
发明者杰森·迪翁, 巴特·利普肯斯, 爱德华·A·里特曼 申请人:弗洛设计声能学公司