CN106964176B - 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 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

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
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。
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(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：
Figure BDA0001119642750000021
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：
Figure BDA0001119642750000022
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
Figure BDA0001119642750000023
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：
Figure BDA0001119642750000024
其中场势U定义如下：
Figure BDA0001119642750000031
并且f1和f2是单极和偶极贡献率，定义如下：
Figure BDA0001119642750000032
Figure BDA0001119642750000033
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。
发明内容
本发明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得在基底介质中产生声驻波；其中声场对包含污染气体的二次相成分施加声辐射力，使得气体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；并且其中气体的快速收集导致气体发生聚集，由此该气体的浮力足以促使所述气体浮动至所述流动室的顶部，从而随着时间的流逝，气体在所述流动室的顶部发生积聚；并且其中可使用常规方法来收获气体。
根据一些实施方案，提供了一种浓缩并分离密度比水大的粒子的系统，该系统包括：流动室，含有污染粒子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得在基底介质中产生声驻波；其中声场对包含污染粒子的二次相成分施加声辐射力，使得粒子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；并且其中粒子的快速收集导致粒子发生聚集，由此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；并且其中可使用常规方法来收获该粒子层。
流体可以竖直或水平流经该流动室。流体可以是水。粒子可以选自微藻类、酵母、真菌、细菌、孢子、气体或油类、金属氧化物、金属颗粒、粘土、污垢、塑料或任意具有非零对比因数的粒子。超声频率的振荡、周期或脉冲电压信号可以在10kHz至100MHz的范围内。
在一些实施方案中，所述系统可以在恒定的激发频率下被驱动。在一些实施方案中，该系统用扫频模式来驱动，其中扫频的效果是将所收集的油滴沿着声驻波的方向转移到换能器表面或相对的反射器表面。在一些实施方案中，所述系统由除了压电换能器的任意类型的超声换能器驱动。
在一些实施方案中，所述系统被定向在使得流体流不为纵向的方向上，其中可以通过扫频法实现油滴沿声场方向发生转移。
本实施方案的系统可以用于纯化舱底水。例如，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中搭载物(aquatic hitchhiker)或不期望的原生动物。
在一些实施方案中，所述系统的流动室沿竖直方向定向。
在一些实施方案中，所述系统的超声换能器嵌入所述流动室的室壁中。在一些实施方案中，所述系统的超声换能器由超声频率的振荡电压信号来驱动，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。在一些实施方案中，所述系统的超声换能器由压电材料制成。
在一些实施方案中，所述系统的反射器被设置在换能器的相对侧。
在一些实施方案中，在基底介质中生成声驻波，该声驻波垂直于流体通道中的平均流动方向。
在一些实施方案中，声辐射力为声泳力。
在一些实施方案中，在换能器元件周围，没有以导致流动减少的方式布置壁障。
在一些实施方案中，流动室的横截面的尺寸比与所生成的声音相对应的波长大，为2至1000倍(例如，2倍、4倍、5倍、10倍、20倍、50倍、100倍、200倍、300倍、400倍、500倍、600倍、700倍、800倍、900倍)。
本发明主题的各种实施方式可以有效地从基底介质中捕集、浓缩并分离颗粒。根据本发明主题的系统、方法等可以从水中浓缩并分离油。
本发明主题的其它优点可包括，但不限于，可以在体积非常大的情况中以及具有非常高的流速的流体系统中利用声泳进行分离。虽然针对微米尺寸的颗粒的声泳力非常小，但是所述颗粒仍然可以被聚集成易于除去的较大颗粒。采用单道次声学收集器(single-pass acoustocollector)可以达到1000或更大的浓缩比。此外，在采用较大型的流动室的情况下，流体的流速可以更大。
更具体而言，本发明主题描述了这样一种装置，该装置包括：具有流入口和流出口的流动室，流体和粒子的混合物流经所述流动室；以及嵌入所述流动室的室壁中或外部的两个或更多个超声换能器。当所述两个或更多个超声换能器位于所述流动室壁的外部时，流动室壁的厚度可以被调整成使得转移到流体中的声能最大化。这些超声换能器被布置在与流动室入口的间距不同的位置处。超声换能器可以通过超声频率的振荡、周期或脉冲电压信号来驱动。所述装置还包括与各超声换能器对应的两个或更多个反射器，它们位于与所对应的换能器相对的流动室壁上。每个超声换能器在不同的超声频率下形成声驻波。可以根据流体中颗粒尺寸的特定范围来优化各频率。
流体可以水平流经所述流动室。流体可以是水。粒子可以选自微藻类、酵母、真菌、细菌、孢子、气体或油类、金属氧化物、金属颗粒、粘土、污垢、塑料或任意具有非零对比因数的粒子。超声频率的振荡、周期或脉冲电压信号可以在10kHz至100MHz的范围内。
所述装置可以包含三个、四个、五个或更多个超声换能器。每个换能器在不同的超声频率下形成声驻波，并且可以根据流体中颗粒尺寸的特定范围来优化各频率。
所述装置可以用来在流体中产生两种或更多种声驻波。所述驻波可以垂直于流体通道中的平均流动方向。所述驻波可以具有水平或竖直取向。于是该驻波可以对粒子施加声辐射力，使得粒子抵抗流体拖曳力而被捕集在声场中。因此，随着时间的流逝，粒子(例如油)在声场中被浓缩。驻波的激发频率可以是恒定的，或者以扫频模式变化。扫频模式变化可用来将所收集的颗粒沿着声驻波的方向转移至换能器表面或反射器表面。
所述装置还可以包括位于换能器上或位于与换能器相对的流动室室壁上的收集袋。该收集袋的形状可以是平面的、圆锥形的、弯曲的或球面状的。
超声换能器可以由压电材料制成。
该装置还可以包括附加的一个或多个换能器，这些换能器嵌入流动通道壁中或容器壁外部，同时壁厚被调整为使得声能转移最大化。对于每个换能器，在流动室壁的相对侧上设置有反射器。收集袋还可以具有第一封口，以密封所述收集袋从而与流体隔开。收集袋还可以与导管连接。该导管可以包括第二封口，当该第一封口打开时，该第二封口防止流体从流动室进入导管。
本发明主题还描述了一种从流体中分离粒子的方法，该方法包括：使流体流经两个或更多个位置；并且在该两个或更多个位置处形成声驻波。各声驻波可以保持处于不同的超声频率，并且可以根据颗粒尺寸的特定范围来优化各超声频率。属于该优化尺寸的粒子抵抗流体的流动而被捕集在相应的声驻波中。由此，所述粒子在其相应的声驻波中得到浓缩。
该方法还可以包括对声驻波施以扫频，从而将浓缩的粒子导入到收集袋中。所述两种或更多种声驻波可以为脉冲波形，从而产生高强度的声压。
本文所述的主题的一个或多个变型的详细情况在下述附图和说明书中阐明。根据说明书和附图以及权利要求书，本文所述的主题的其它特征和优点将变得明显。
附图简要说明
图1：在流动水中声泳捕集的杜氏盐藻(Dunaliella salina)的显微照片。换能器在顶部，恰好在图像外；所捕集的藻的条柱约为2.5cm高×1cm宽。超声压力波节如捕获了藻细胞的水平面所示；水的流向为从左至右。
图2：在1MHz的频率和0.5MPa的声压振幅下，作用于微米尺寸的颗粒上的声作用力计算值与颗粒(或液滴)半径的函数关系。
图3：用于通过声泳捕集来收集微藻的装置，示出了流动通道、声换能器、反射表面、以及收集袋。换能器为2MHz PZT-4换能器。流体流动方向为水平方向，并且声场方向为竖直方向。
图4：用于从油/水乳液中捕集、浓缩并分离脂/生物油的系统的典型实施方案的几个视图。
图5：通过对微藻悬浮液进行空化处理而获得的油/水乳液的照片(放大400倍)。典型的油滴直径大约为3μm。
图6：由400ml水、10ml婴儿油和4片Ceteareth-20制成的稳定乳液的照片(放大400倍)。
图7：用于浓缩和分离油的装置的照片。稳定的乳液沿竖直方向向下流经声场区域。声场为水平方向。
图8：示出了通过在声场中捕集油滴由此形成油滴聚集体的四张系列照片(放大10倍)。按照时间顺序，最顶部的照片是第一张。由于聚结和聚集而形成的较大串的油滴已经由于浮力开始上升，并且在最后的处于最底部的照片中可以看出，其与较小串的油滴完全分开。
图9：通过油滴的聚结、聚集和浓缩而在流动室的顶部收集到的油层的照片(放大10倍)。
具体实施方式
本发明涉及一种从水中收集并处理油的大型声泳技术。随后可以收获所得的油层并将其用作制备其他石油化学产品的原材料或用于其他用途。
虽然关于声泳在微流体中的应用，已经有一篇公认的文献，但我们的创新在于：将声泳用于体积非常大的情况中以及具有非常高的流速的流动系统中进行分离。这已应用于微米尺寸的颗粒，其中，针对所述颗粒的声泳力非常小。例如，在嵌入流动系统中的声泳腔体中，已经以15％的效率捕集了蜡样芽胞杆菌细菌孢子(一种炭疽模型)，所述流动系统可以在高达120ml/分钟的速率(1cm/秒线性流速)下处理饮用水[1]。在我们的单道次小规模原型声学收集器中，浓缩比已经高达1000。
通过利用压电声换能器和相对的反射表面(或另一个换能器)在所关注的流体中建立共振驻波，创建了声泳分离器。超声驻波产生了与高密度流体和低密度流体相对应的高压局部区域和低压局部区域。根据二次相污染物相对于周围流体的可压缩性和密度，这些污染物被推向驻波波节(固体颗粒)或波腹(油)。密度和可压缩性较高的颗粒(如细菌孢子)移动到驻波中的波节；密度较低的二次相(例如油)移动到波腹。施加在颗粒上的力还取决于它们的尺寸，颗粒越大所承受的力越大。
图1示出声泳收集流动水流中的藻。图1的声学收集器中使用了平坦的圆形换能器。该换能器的压力场为贝塞尔函数，其除了线性驻波之外，还具有径向分量。该径向分量所起的作用是抵抗流体流动而将所捕获的藻保持为条柱。之后将所捕集的藻通过重力沉降或通过与[2,3,4]中所述相似的慢扫频法驱动至收集袋中，而将其进一步局部浓缩。
声辐射力(Fac)作用于二次相颗粒(或流体液滴)，将它们推至声驻波的波节(或波腹)。力的大小取决于颗粒相对于流体介质的密度和可压缩性，并且随着颗粒体积的增大而增大。图2示出了作用于水中的四种不同的二次相的声作用力与颗粒(或液体)半径的函数关系。这四种二次相为己烷(烃混合物，作为油的模型)、红血细胞(作为生物细胞的模型)、细菌孢子(作为“大”蛋白簇和聚苯乙烯珠(例如用于流式细胞仪)的模型)、以及顺磁性聚苯乙烯珠(用于各种生物捕获和分离方案)。
图2的曲线图示出所施加的声频为1MKz(针对超声换能器而言的典型频率)且波腹处声压最大值为0.5MPa(易于在水中实现)时的力。所施加的声频越高且声压越高，则需要具有更优异的阻抗匹配，但也使更小的颗粒(大约10nm)得到更好的分离。
在用于从水中浓缩并分离油的典型实施方案中，采用流体通道供流体分散液(典型的为水和分散于水中的二次相成分所形成的分散液)流动。在这种情况下二次相成分为所关注的油。通常超声换能器位于所述流体通道的壁中。常常使用压电换能器。通过振荡电压(其具有超声频率下的振荡)来驱动换能器(图3)。超声频率通常在几兆赫的范围内，并且电压振幅大约为数十伏特。换能器与位于与所述换能器相对的流动管壁处的声反射表面组合，用来跨流体通道而产生声驻波。在声驻波或声场区域中的典型压力振幅大约为0.5MPa，该振幅可以通过常规压电换能器而容易地获得。该压力振幅低于空化阈值，从而产生高密度驻波场，而没有产生空化效应或明显的声流。
声流是指通过声场产生的水的时均流。通常，当产生声流时，其导致可能会引起水搅动的循环运动。当在水中存在气体(如空气微泡)时，通常发生空化。声压效应会产生导致微流的微泡振荡和辐射力。气泡周围的微流导致周围液体发生剪切流动。该流动包含明显的速度梯度。在较高的声强度水平，微泡振荡变得更剧烈，并且气泡可以塌陷，导致产生冲击波并生成自由基。这称之为惯性空化。由于空化力实际上会将悬浮的油乳化从而使其更加难以除去，因此对于将油从水中分离出来而言，需要强烈避免空化。
由声驻波在二次相成分(即，油)上产生的声泳力足以克服流体拖曳力。换句话说，声泳力充当这样一种机构，该机构捕集声场中的油滴甚至是微小的油滴。声泳力将油滴驱动至最大声泳力振幅的稳定位置处。随着时间的流逝，油的收集渐渐稳定。在几分钟内，这取决于二次相成分的浓度，收集的油呈现出束状油汇集体的形状，其由油滴的圆盘状汇集体构成，每个圆盘之间的间隔为声场的半波长。这些油滴簇通过表面张力聚结在一起，并且从流体中向上浮动。成束的圆盘状油滴汇集体堆叠在换能器与相对设置的声学反射流动管壁之间。因此，声泳力能够在声场区域中捕集并浓缩油滴，基底介质则越过被浓缩的油而继续流动。可以继续收集油，直至已经有体积非常大的基底介质流经捕集区域并且已经捕获了其所含的油。
通过两种手段实现进一步从基底介质中分离出被浓缩的油。对于水平流动的基底介质，由于水与当前的体积大约为1-10mL的非常大的油滴之间存在的密度差，所述油滴将自然而然地向上浮动进入收集区域。
在典型的实施方案中，由声驻波在二次相成分(即油滴)上产生的声泳力足以克服流体拖曳力。换句话说，声泳力充当这样一种机构，该机构捕集声场中的油滴。在几秒钟内，这取决于浓度，油滴形成由圆盘状的油滴聚集体构成的束状条纹，每个圆盘之间的间隔为声场的半波长；这些圆盘堆叠在换能器和声反射器之间。一旦油聚集体达到临界体积，该聚集体受到的浮力就足以将该聚集体驱动至流体层的顶部。因此，声泳力充当油滴的浓缩器，使得油滴聚结和聚集，并使它们变成大的油滴聚集体，此时，浮力促使油聚集体上升。随着时间的流逝，在流动室的顶部收集到稳定增加的分离出的油(即，脂)层。可以想到使用简单的传统手段除去油层。
图4示出三个原型系统。位于顶部的具有大的正方形横截面的照片(图4a)为能够处理3加仑/分钟的乳化油-水的设备。乳液在左侧(设备底部，位于侧面)流入；换能器位于该侧面上；油从右侧(设备顶部)除去。在该照片底部示出的设备被设计为使乳液在左侧(设备底部，位于侧面)流入；存在两个分离区，其中油在一个分离区行进，纯水在另一个分离区行进。在图4b的底部示出的设备中，乳液在左侧流入，并且在设备的右侧示出了分离的油和水的通道。
作为概念验证进行了演示，结果证实了油滴从稳定的油/水乳液中聚结、聚集、浓缩和分离出来。制造乳液以模拟微藻脂质在水中的乳液。使用水、婴儿油和Ceteareth-20制造稳定的乳液。然后使用流体流动装置分离该乳液的成分，结果产生彼此分离的油层和水层。
由四片Ceteareth-20(常用乳化剂)、400mL的热水(180℉)和10ml的婴儿油的混合物制备稳定的乳液。在图5和图6中示出了稳定的乳液在放大400倍的情况下拍摄的照片。稳定乳液中的油滴的直径范围为约3至6。
接下来，采用穿流式装置(flow-through apparatus)从乳液中浓缩并分离油相。图7中示出了该装置的照片。乳液沿竖直方向向下流动。声场垂直于流动场，并且采用声泳来捕集油颗粒。
换能器为2MHz PZT-4换能器，在2MHz下运行，并且施加约15Vrms的电压。乳液通过流动装置的流速大约为200ml/分钟。在通常5分钟的捕集时间后，使流体停止流动，并且测量已经在室顶部收集的油层的高度。
图8示出在声场中捕集的油滴的形成情况。一旦油滴被捕集，它们就会聚结形成更大的油滴，并且聚集形成油滴聚集体。一旦聚集体长到足够的大小，它们的浮力就会驱动油滴聚集体到达室的表面。观察到油滴聚集体的连续形成，然后，聚集体由于浮力而快速转移。表明了油滴从水中快速分离的另一个观测结果是：通过视觉观察到在换能器之上形成了混浊溶液(即，在该处，未处理的乳液还没有通过声场)，但在换能器之下形成了非常清澈的溶液(在该处，油已经通过声场除去)。位于声捕集区之上和之下的这些区域被位于混浊溶液和清澈溶液之间的清晰的界线分开。在使乳液流动的同时施加约5分钟的声捕集场之后，如图9所示，在室的顶部观察到由所收集的油滴形成的层。
在某些实施方式中，可以使用压电声换能器和相对的反射面(或另一个换能器)在所关注的流体中建立共振驻波，从而建立声泳分离器。超声驻波生成了与高密度流体和低密度流体相对应的高压局部区域和低压局部区域。根据二次相污染物相对于周围流体的可压缩性和密度，这些污染物被推至驻波波节或波腹。密度和可压缩性较高的颗粒(如细菌孢子)移动至驻波中的波节，而密度较低的二次相(如油)移动至波腹。施加在颗粒上的力还取决于它们的尺寸，颗粒越大承受的力越大。
声辐射力(Fac)作用于二次相颗粒，将它们推至声驻波的波节(或波腹)。该力的振幅取决于颗粒相对于流体介质的密度和可压缩性，并且随着颗粒体积的增大而增大。
驻波的声压可以将低密度油滴和高密度颗粒(如金属氧化物(尺寸范围为0.2微米至100微米))分离。图2为示出了作用于水中四种不同的二次相的声作用力与颗粒(或液滴)半径的函数关系的图。这四种二次相为：己烷(烃混合物，作为油的模型，由曲线图顶部的线表示)，红血细胞(作为生物细胞的模型)和细菌孢子(这两者都由曲线图中心的线表示)，以及顺磁性聚苯乙烯珠(密度和尺寸类似于金属氧化物颗粒的颗粒实例，由曲线图底部的线表示)。图2中示出了所施加的声频为1MHz(针对超声换能器的典型频率)和在波腹处的声压最大值为0.5MPa(易于在水中实现)时的力。
在可以用来从水中浓缩并分离油的一个实施方式中，可以利用流体通道来引导流体分散液(典型的为水和分散在水中的二次相成分所形成的分散液)流动。在一个例子中二次相成分可以包含油。超声换能器(在一些实施方式中可以为压电换能器)可位于流动通道的壁中。换能器可以通过振荡电压(其具有超声频率下的振荡)来驱动，在一些实施方式中超声频率可以在几兆赫范围内。电压振幅可以介于1伏特和100伏特之间。换能器和位于与该换能器相对的流动管壁处的声反射表面组合，可以跨流动通道产生声驻波。在声驻波或声场区域中的典型压力振幅可以为大约0.5MPa。这种振幅易于用压电换能器获得。该压力可以足够高，以致能将10微米以上的生物体粉碎并消灭。
在一些实施方式中，该声泳工序的压力振幅有利地保持为低于空化阈值，从而可以产生高强度驻波场，而没有产生空化效应或明显的声流。声流是指通过声场产生的水的时均流。通常，当产生声流时，其导致可能会引起水搅动的循环运动。当在水中存在气体(如空气微泡)时，通常发生空化。声压效应会产生导致微流的微泡振荡和辐射力。气泡周围的微流导致周围液体发生剪切流动。该流动包含明显的速度梯度。声强度水平越高，微泡振荡就变得越剧烈，并且气泡可以塌陷，导致产生冲击波并生成自由基。这称之为惯性空化。在一些可供替代的实施方式中，可以采用诱导空化的预处理步骤来破坏或至少部分消灭悬浮的生物污染物。在其中诱导空化的流路区域之后，可以采用本文所述的声泳使悬浮物聚集，并且还能破坏较小的、可能未受到空化环境的较大作用力影响的悬浮病原体。
由声驻波在二次相成分(例如，油)上产生的声泳力能够足以克服由流体移动而对这些颗粒/液滴所施加的流体拖曳力。换句话说，声泳力可充当这样一种机构，该机构捕集声场中的油滴。声泳力可将悬浮颗粒驱动至最小声泳力振幅的稳定位置处。这些最小声泳力振幅的位置可以是声驻波的波节。随着时间的流逝，油滴/粒子/气体在波节处的收集渐渐稳定。在一段时间内(可能是几分钟或更短的时间，取决于二次相成分的浓度)，收集的油滴/粒子/气体可呈现出束状的油滴/粒子/气体汇集体的形状，其具有圆盘状的油滴/粒子/气体汇集体。每个圆盘之间的间隔可以为声场的半波长。成束的圆盘状的油滴/粒子/气体汇集体可以“堆叠”在换能器与相对设置的声学反射流动管壁之间。以这种方式，声泳力能够在声场区域中捕集并浓缩油滴/粒子/气体，基底介质则越过被浓缩的油滴/粒子/气体而继续流动。
收集油滴/粒子/气体的工序可以持续进行，直至已经有体积非常大的基底介质流经捕集区域并且已经实现了所含油滴/粒子/气体的捕获。可以通过一个或多个方法实现从基底介质中进一步分离被浓缩的油滴/粒子/气体。
对于水平流动的基底介质，如果油滴/粒子/气体的密度比基底介质大，则可以利用重力沉降将浓缩的油滴/粒子/气体驱入收集袋中。如果油滴/粒子/气体的密度比基底流体小，则浓缩的油滴/粒子/气体将获得浮力并浮动。对于竖直或水平流动的基底介质，可以采用慢扫频法将油滴/粒子/气体转移至收集袋中。在该方法中，声驻波的频率可以缓慢地扫过较小的频率范围，该频率范围覆盖至少为腔体的最低阶(lowest-order)驻波模式所对应的频率的两倍的范围。在一个例子中，扫频周期可大约为1秒。该扫频法可以使收集到的油滴/粒子/气体沿声场方向缓慢地朝着流动室的一个室壁(在此，油滴/粒子/气体可以被收集以进一步处理)转移。
在可供替代的实施方式中，压电换能器可以通过这样的脉冲电压信号来驱动，所述脉冲电压信号包括持续时间短的、大的、正振幅的电压尖峰，然后是持续时间较长的未施加电压信号。该脉冲模式可以根据重复速率或周期来重复。该激发方式可以在水中产生非常大的振幅压缩型压力脉冲。
在另一个实施方式中，压电换能器可以通过这样的脉冲电压信号来驱动，所述脉冲电压信号包括持续时间短的、大的、负振幅的电压尖峰，然后是持续时间较长的未施加电压信号。该脉冲模式可以根据重复速率或周期来重复。在声泳收集之前，该激发方式可以在水中产生非常大的振幅扩张型压力脉冲。
本发明主题可以提供大型声泳技术来收集并处理被油滴/粒子/气体污染的水，从而降低或消除它们在水中的存在。在一个实施方式中，该效果可以通过使用简单的一步法实现，该一步法涉及声泳，其将粒子收集并悬浮至声压波节，在这里，它们积聚并聚集，从而使得通过重力或其它方式(如浮力)可以有效地除去，最终落入收集口中以备排除。该方法可以在分批或连续式流动反应器构造中进行。本发明主题还可以用来从水中收集、除去油滴/粒子/气体以纯化水(例如饮用水)，等等。
在一个实施方式中，用于从基底介质(例如水)中浓缩并分离粒子/液滴的系统可以包括具有入口和出口的流动室。在一些变型中，流动方向可以沿水平方向定向。流动室可以接收包含悬浮相的水混合物，该悬浮相可以包含粒子/液滴污染物。流动室可以具有大型尺寸。换句话说，流动室的横截面尺寸远远大于与所产生的声音相对应的波长。该系统还包括超声换能器，该超声换能器可以嵌入流动室的室壁中或位于流动室外部。超声换能器可以包括压电材料，并且可以被超声频率的振荡电压信号所驱动。可以使用除了压电换能器的超声换能器。
超声频率可以在1kHz至100MHz的范围内，振幅为1-100伏特，通常为数十伏特。超声频率可介于200kHz和3MHz之间。超声频率可介于1MHz和3MHz之间。超声频率可以为200、400、800、1000或1200kHz。超声频率可以介于1MHz和5MHz之间。反射器可以位于与换能器相对的位置处，从而使得在基底介质中生成声驻波。声驻波可以被定向为垂直于流动通道中的平均流动方向。在一些实施方式中，针对水平的流体流动方向，声驻波可以是竖直定向的。声场对悬浮相成分施加声辐射力，其可被称为声泳力。所述悬浮相可抵抗流体拖曳力而被捕集在声场中，从而能够大规模收集悬浮相成分。切断流经流动室的水流可导致所收集的颗粒重力沉降至流动室的底部，或导致颗粒获得浮力并浮动至顶部，从而易于除去。
在可选的变型中，可以在恒定的激发频率下和/或采用扫频模式或步进模式(steppattern)来驱动所述系统。扫频或步进的效果可以是将所收集的颗粒沿声驻波的方向转移至换能器表面或相对的反射器表面。可以将收集袋或其它空容积设置成与换能器相对，从而使得沉降的颗粒被收集在收集袋中。收集袋可以包括一个或多个蝶形阀或其它机构，用于将悬浮相浓度高的含水浆料从流动室中除去。以这种方式，在悬浮相沉降至收集袋中后，从流动水流中除去沉降/上浮的悬浮物。
所述系统的流动方向可以沿非水平的方向定向。例如，流体流向可以竖直向上或向下，或与竖直或水平方向成某一角度。可以选择声换能器的位置，使得声场在这样的方向上：该方向使得颗粒向收集袋中的转移能够通过扫频或步进法来实现。可以在所述系统中包含超过一个的换能器。例如，每个换能器可以具有它自己的反射器，并且可以包括收集袋，该收集袋可以进一步包括用于从水流中除去悬浮相物质的浓缩浆料的机构。可以使用一组系统(可使各系统的换能器被设定为不同的频率)来有效地从流动液体介质中浓缩和/或除去悬浮物，例如颗粒和具有一定的尺寸和密度范围的相似密度的颗粒。
声系统还可以与不同的共振换能器串联，以提高颗粒/生物体的捕获效率。该系统可以包括一系列单独的单元。各个换能器或换能器阵列被调制为使得不同的声频捕获不同尺寸范围的颗粒/生物体。
该系统可以包括在200kHz、400kHz、600kHz、800kHz、1000kHz和1200kHz下运行的电池。可以针对特定范围的颗粒尺寸和密度对各个电池进行优化。整个系统可能能够处理0.1至100加仑/分钟的水(例如0.1至50加仑/分钟、0.1至20加仑/分钟、0.1至10加仑/分钟、1至10加仑/分钟、1至20加仑/分钟、1至50加仑/分钟、1至100加仑/分钟)。可以构造与所示类似的并联阵列或串联阵列来处理各种体积流速。
所描述的本发明主题的各个方面可以以数字电路、集成电路、特殊设计的ASIC(专用集成电路)、电脑硬件、固件、软件和/或它们的组合来实现。这些各种各样的实施方式可以包括采用一个或多个电脑程序的实施方式，该电脑程序在可编程系统上是可执行和/或可解释的，所述可编程系统包括至少一个可编程处理器(其可以是专用或通用的)、至少一个输入设备和至少一个输出设备，所述可编程处理器与存储系统连接，以接收由该存储系统发出的数据和指令、并且向该存储系统发送数据和指令。
这些电脑程序(还称为程序、软件、软件应用或代码)包括可编程处理器的机器指令，并且可以以高级程序语言和/或面向对象的程序语言和/或以汇编语言/机器语言来实施。如本文所用，术语“机器可读媒介”是指用来向可编程处理器提供机器指令和/或数据的任何电脑程序产品、装置和/或设备(如磁盘、光盘、存储器、可编程逻辑器件(PLD))，包括接收机器指令作为机器可读信号的机器可读媒介。术语“机器可读信号”是指用来向可编程处理器提供机器指令和/或数据的任何信号。
本文所述的主题可以采用计算系统来实施，所述计算系统包括后端部件(如数据服务器)或包括中间件部件(如应用服务器)或包括前端部件(如具有图形用户界面或网络浏览器的客户电脑，其中通过图形用户界面或网络浏览器，使用者可以与本文所述主题的实施方案相互作用)，或是所述后端部件、中间件部件或前端部件的任意组合。该系统的部件可以通过数字数据通讯(如通讯网络)的任意形式或媒介而互相连接。通讯网络的例子包括局域网(“LAN”)、广域网(“WAN”)和因特网。
计算系统可以包括客户和服务器。客户和服务器通常彼此远离，并且通常通过通讯网络相互作用。客户和服务器藉由在各自的电脑上运行且彼此具有客户-服务器关系的电脑程序而产生关联。
定义
除非另外指明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的意义相同的含义。虽然在本发明的实施或测试中可以使用与本文所述的那些方法和材料相似或等同的方法和材料，但下面描述了合适的方法和材料。本文提到的所有的出版物、专利申请、专利和其它参考文献均以全文引用方式并入本文。在冲突的情况下，以本说明书(包括定义)为准。另外，材料、方法和例子仅为示例性的，而不是旨在进行限制。由下列详细的描述和权利要求书，本发明的其它特征和优点将变得明显。
为了促进对本文所述的实施方案的理解，将参照优选的实施方案并采用具体的语言对其进行描述。本文所用的术语仅是为了描述特定的实施方案，并非旨在对本发明的范围进行限定。如本申请公开内容全文所用，单数形式“一个”、“一种”、未指明数量的情况和“所述”包括复数涵义，除非上下文清楚地指明不是如此。因此，例如，提到“组合物”时包括多种该组合物，以及单一一种组合物，并且提到“治疗剂”时是指一种或多种治疗剂和/或药物试剂，以及本领域技术人员知道的其等同形式，等等。
在本申请的全文中，术语“约”用来表示这样的值，该值包括由于确定该值所用的设备或方法而产生的标准偏差。
在本说明书的全文中，提到数值范围时涵盖了落入所公开的范围内的所有数值。因此，例如，约1％至约5％的范围表示包括1％、2％、3％、4％和5％，以及例如2.3％、3.9％、4.5％等。
权利要求书中的术语“或者”用来表示“和/或”，除非明确指明了仅指备选方案或备选方案相互排斥，但是本申请的公开内容支持仅指备选方式以及“和/或”的定义。
如本说明书和权利要求书中所用，词语“包含”(以及该词的任意形式)、具有(以及该词的任何形式)、“包括”(以及该词的任何形式)或“含有”(以及该词的任何形式)为包容式或开放式的，不排除另外的、未被描述的元件或方法步骤。
参考文献
下列参考文献以引用方式并入本文。
1)B.Lipkens,J.Dionne,A.Trask,B.Szczur,A.Stevens,E.Rietman,"Separationof micron-sized particles in macro-scale cavities by ultrasonic standingwaves,"Presented at the International Congress on Ultrasonics,Santiago,January 11-17,2009
2)B.Lipkens,M.Costolo,and E.Rietman,"The effect of frequency sweepingand fluid flow on particle trajectories in ultrasonic standing waves",IEEESensors Journal,Vol.8,No.6,pp.667-677,2008.
3)B.Lipkens,J.Dionne,M.Costolo,and E.Rietman,"Frequency sweeping andfluid flow effects on particle trajectories in ultrasonic standing waves,"Acoustics 08,Paris,June 29-July 4,2008.
4)B.Lipkens,J.Dionne,A.Trask,B.Szczur,and E.Rietman,"Prediction andmeasurement of particle velocities in ultrasonic standing waves,"J.Acoust.Soc.Am.124,No.4,pp.2492(A)2008.
5)L.P.Gor'kov,"On the forces acting on a small particle in anacoustical field in an ideal fluid,"Soy.Phys.Dokl.,vol.6,pp.773-775,1962.

Claims (31)

1.一种用于从油/水乳液或脂/水乳液中浓缩并分离含有脂相或油相的二次相成分的系统，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产生具有径向分量和线性分量的压力场；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；
其中所述声驻波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声场中，从而随着时间的流逝能在声场中大规模收集所述二次相成分；并且
其中在声场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。
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，其由除了压电换能器的任何类型的超声换能器所驱动。
4.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。
5.权利要求1所述的系统，其可用于纯化舱底水。
6.权利要求5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。
7.权利要求1所述的系统，其中所述流动室沿竖直方向定向，并且所述乳液向下流动。
8.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。
9.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1kHz到100MHz的范围内，振幅为1伏特至100伏特。
10.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。
11.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。
12.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，该声驻波垂直于流动通道中的平均流动方向。
13.权利要求1所述的系统，其中所述声辐射力为声泳力。
14.权利要求1所述的系统，其中所述流动室的横截面尺寸至少是所述声驻波波长的10倍。
15.权利要求1所述的系统，其中在所述超声换能器周围，没有布置使得声流最小化的壁障。
16.权利要求1所述的系统，其中所述系统用扫频模式来驱动，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。
17.一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产生具有径向分量和线性分量的压力场；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；
其中所述声驻波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声场中，从而随着时间的流逝能在声场中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。
18.权利要求17所述的系统，其在恒定的激发频率下被驱动。
19.权利要求17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17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17所述的系统，其可用于纯化舱底水。
22.权利要求17所述的系统，其中所述流动室沿竖直方向定向并且所述含有污染粒子的水向上流动。
23.权利要求17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17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1kHz到100MHz的范围内，振幅为1伏特至100伏特。
25.权利要求17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17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17所述的系统，其中在所述基底介质中产生声驻波，该声驻波垂直于流动通道中的平均流动方向。
28.权利要求17所述的系统，其中所述声辐射力为声泳力。
29.权利要求17所述的系统，其中所述流动室的横截面尺寸至少是所述声驻波波长的10倍。
30.权利要求17所述的系统，其中在所述超声换能器周围，没有布置使得声流最小化的壁障。
31.权利要求17所述的系统，其中所述系统用扫频模式来驱动，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。
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