CN109996596A - 通过气体溶解来连续流动分离颗粒的装置和方法 - Google Patents

通过气体溶解来连续流动分离颗粒的装置和方法 Download PDF

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Abstract

公开了用于从液体流中分离带电颗粒的一种分离装置和方法。通过引入气体在液体流的方向上建立离子浓度梯度来实现分离，当气体与液体接触时，在可逆反应中形成可溶性离子物质。在液体流的方向上保持浓度梯度，这随即由于扩散电泳的作用而引发液体流内带电颗粒的分离。该装置在很少或没有动力的情况下运行，并且不需要过滤介质或分离膜。该装置和方法适用于许多分离过程中的任何一种，包括生物分离过程、水净化和工业过程。

Description

通过气体溶解来连续流动分离颗粒的装置和方法
本发明要求于2016年9月6日提交的美国序列号62/383719的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
由压力、重力或电磁势的梯度驱动的流体传输是众所周知的并且在许多领域中进行了研究。称为扩散电泳的更微妙的传输类型发生在化学浓度梯度中(电解质或非电解质)。扩散电泳定义为颗粒在溶液或悬浮液(即胶体悬浮液)中的迁移，以响应与颗粒表面相互作用的溶质的宏观浓度梯度；取决于颗粒的电荷，颗粒可以沿指定方向移动。虽然扩散电泳的机制本身是众所周知的，但扩散电泳机制通常被认为是一种深奥的实验室现象，并且尚未发现它在适用于工业应用的大规模分离过程中特别有用。
B.Abecassis,C.Cottin-Bizonne,C.Ybert,A.Ajdari和L.Bocquet的发表文献“Boosting Migration of Large Particles by Solute Contrasts”,Nat.Mater.,7,(2008),pp..785-789描述了颗粒扩散电泳，但没有公开通过在液体中使用溶解气体形成这种离子浓度梯度来在液体中产生离子梯度的任何其他机制。
本发明包括几个方面，包括下面紧接地公开的那些方面。
在一个方面，本发明涉及一种有效地分离液体中颗粒的流动悬浮液中的颗粒的装置，该分离通过将气体溶解到悬浮液的液体中以产生离子浓度梯度来操作，从而使得液体中的带电颗粒运动，并允许产生颗粒富集区和颗粒贫化区，其后可以分离这些区域。如下文更详细描述的，根据预设方面的装置可以单独使用，或者多个单独的装置可以以并行和/或串行方式操作。
在另一方面，提供了一种用于分离流动悬浮液中的带电颗粒的方法，该方法通过将气体溶解到悬浮液中以在液体内形成离子的浓度梯度来操作，该浓度梯度导致悬浮颗粒由于扩散电泳迁移到流动悬浮液内的不同区域，而产生高和低颗粒浓度的区域，然后这些区域彼此分离。如下文更详细描述的，该方法可以作为单个分离过程实施，或者多个单个分离过程可以以并行和/或串行方式实施。
所公开的装置和方法可用于补充(supplement,complement)或替代现有的过滤技术。
与传统的过滤技术相比，所公开的方法提供至少几个关键优势。首先，从流动的悬浮液中分离的颗粒随着时间的推移不会积聚在表面(即过滤器或过滤器底座)上，积聚会导致表面上的压降，并因此强制使过滤装置脱机以允许用于清洁或更换表面。其次，本发明的装置和方法不需要通过过滤介质(例如过滤器或膜)输送悬浮液，导致过滤介质的堵塞以及随后在这种过滤介质上的压降，这会降低操作效率。第三，颗粒的分离可以动态方式操作，也就是说不依赖于一定量悬浮液的静态储存以允许发生絮凝，以使颗粒从液体载体或液相中分离。第四，本发明的装置需要很少或不需要维护，特别是因为不需要更换过滤介质。通过进一步阅读本说明书将理解其他优点。
所公开的装置和方法可用于从夹带或悬浮了带电颗粒的载体或本体液体(即胶体)中分离带电颗粒。带电颗粒响应于所公开的装置内的液体内存在的离子梯度，使得其中液体中存在具有离子浓度梯度的区域，颗粒将在该梯度内沿一个方向移动。虽然所公开的装置和方法可以以其中液体是静态的并且不是流动的流的方式使用，但是在优选的实施例中，离子浓度梯度存在于液体中并且定向在相对于流动液体(流动液体包含带电颗粒)倾斜的方向或者更优选地横向于流动液体方向上，使得由于引发于颗粒的泳动而发生带电颗粒在该离子浓度梯度内的运动，因此在该液体内产生高和低颗粒浓度的区域，这些区域随后可以彼此分离。
所公开的装置和方法可用于从其中夹带或悬浮了颗粒的载体或本体液体(即胶体)中分离不同地带电的颗粒。例如，可以使用所公开的装置和方法将具有正电荷的颗粒与具有负电荷的颗粒彼此分离。带电颗粒响应于所公开的装置内的液体内存在的离子梯度，使得其中具有离子浓度梯度的区域存在于液体中，各种尺寸和形状，不同的电荷(即，负或正)和/或不同幅度的颗粒将在该梯度内沿不同方向移动。虽然所公开的装置和方法可以以其中液体是静态的方式使用，但是在优选实施例中，离子浓度梯度存在于液体中并且定向在相对于流动液体(流动液体包含带电颗粒)倾斜的方向或者更优选地横向于流动液体方向上，使得由于引发于带电颗粒的泳动而发生带电颗粒在该离子浓度梯度内的运动，产生不同颗粒浓度的区域，这些区域随后可以彼此分离。
通过首先引入可溶于容纳液体的气体来形成液体内的离子浓度梯度，该气体将在液体内产生离子。作为非限制性实例，其中水是载体或本体液体，可以有利地使用以下气体中的一种或多种：H2S、CO2、HCN、HCl、HBr、HF、HI、Cl2、N2O4、NO2、SO2、SO3和NH3，其中大部分在水中形成水酸性物质。氨形成碱性溶液，但仍在液体中形成离子。挥发性有机酸也是有用的，其在水中的蒸气压和溶解度在该方法的操作条件下足够高。挥发性有机酸的非限制性实例包括甲酸，其在1大气压下具有100℃的沸点，乙酸，其在一个大气压下具有118℃的沸点。也可以使用此处未特别列出的其他物质。
在优选的实施例中，气体是CO2，其在水中经历以下可逆反应：
CO2+H2O<＝＝>H++HCO3 -
在水中形成溶解的碳酸，从而在水中提供溶解的离子。可以使用一种或多种不同的气体可以形成其他离子物质，并且可以存在多种不同的离子物质并且可以用于形成离子浓度梯度。其次，通过将含有带电颗粒的液体暴露于跨越液体的一种或多种气体的压力梯度来建立梯度。这可以通过将液体定位在具有体积(或气室)的腔中来实现，所述腔具有透气材料的至少第一部分或壁，以及透气材料的至少第二和分开的第二部分或壁，两者对所用气体都是可透过的，并且有效地容纳含有带电颗粒的液体。存在于第一部分或壁上的气体压力大于或小于第二部分或壁处的气体压力，使得这些压力之间的差异确保气体渗透相应的部分或壁并溶解在液体中，并且部分形成溶解的离子物质，在较低的相对气体压力下的另一部分或壁确保气体的浓度不会达到饱和水平，从而确保在这些部分或壁之间的含有带电颗粒的液体内形成离子浓度梯度。在一个实施例中，第一部分或壁和第二部分或壁后面的气体都高于大气压，但是处于不同的相对压力。在另一个实施例中，所述部分或壁之一后面的气体处于高于大气压的压力下，而另一部分或壁处于大气压下并且不一定容纳气体，但可以向环境大气开放。在另一个实施例中，所述部分或壁中的一个暴露于真空。
离子浓度梯度可以形成并存在于透气材料的第一部分或壁与透气材料的第二部分或壁之间的腔(或气室)的部分之间。
液体中存在的溶解的离子物质的浓度可以通过在液体中建立所需的可溶性气体压力梯度来控制，也就是说，向第一部分或壁和第二部分或壁建立所需的压力梯度。由于可溶性气体可以与或不与其他惰性气体一起使用，即在混合物中，可溶性气体的压力控制液体中存在的溶解的离子物质的浓度，因为其他惰性气体(如果存在的话)可能不一定进入液体中或如果存在于液体中则可能不会在液体中形成在分离过程中有用的溶解离子物质。第一部分或壁后面的气体压力与第二部分或壁后面的气体压力的相对比率优选为100：0，其中零值设想第二部分或壁后面的气体压力实际上是真空。然而，优选地，相对比率在约100：0.1的范围内；更优选介于约：100：1、50：1、40：1、30：1、25：1、20：1、15：1、10：1、9：1、8：1、7：1、6：1、5：1、4：1、3：1、2：1和1.5：1。当然，本发明的装置的最佳压力将根据液体的性质和气体在液体中的溶解度而变化，并且可以通过参考已知的溶解度参数和/或经由常规分析方法，通过液体的所需流速用所需气体来操作根据本发明的装置，并改变液体中所需的压力梯度，以确定所导致的气体溶解度，以及在液体内建立的离子浓度梯度，其随即将改变使用该装置的带电颗粒的分离程度，来确立。
含有带电颗粒的液体温度的控制也影响离子浓度梯度，因为液体温度直接影响溶解的离子物质的溶解度。因此，如本文所述，除了本文所述的经由在液体中建立所需压力梯度的控制之外，还可以使用对该温度的控制。当然，最佳温度将根据液体的性质和气体在液体中的溶解度而变化，并且可以通过参考已知的溶解度参数和/或经由常规分析方法，通过液体的所需流速和所需气体来操作根据本发明的装置，并改变温度以确定所导致的气体溶解度，以及在液体中建立的离子浓度梯度，这随即将改变使用该装置的带电颗粒的分离程度，来确定。
待分离的颗粒的性质可以广泛变化，并且当在本发明的装置内时，当它们存在于液体中时，预期它们具有净正电荷或负电荷，使得它们可以通过由液体中溶解的离子物质的存在而引发于颗粒的泳动而移动，离子物质由进入液体的气体和液体本身的原位反应形成；优选地，溶解的离子物质由可逆的原位反应形成。具有不同电荷的两种或多种不同类型的颗粒可以同时与液体分离。这些颗粒可能具有不同的电荷，即正电荷、负电荷。颗粒本身可以是生物或非生物材料。它们的尺寸是非限制性的；它只需要悬浮或夹带在液体中，并响应于液体中溶解的离子物质引发的泳动。在某个实施例中，带电颗粒是微生物有机体，例如细菌和/或可以是病原体。在另一实施例中，颗粒是非生物材料，其具有净电荷或表面电荷，表面电荷可以是正电荷或负电荷。
有利地，第一气体腔存在于第一部分或壁的后面，第二气体腔存在于第二部分或壁的后面；在这样的实施例中，存在于相应腔中的气体可以穿过所述第一部分或壁以及第二部分或壁迁移到腔中的液体中。第一和第二气体腔可以连接到合适的源或加压气体，或者可以向大气开放，或者可以连接到合适的装置或真空源。在一个具体实施例中，第二气体腔仅是暴露的环境大气。
在优选实施例中，如下文更详细描述的并且如一个或多个附图所示，腔是具有非圆形横截面的通道，或者是具有圆形横截面的管。
图1示出了连续流动颗粒分离装置1的示意图，该装置具有适于容纳气体的第一加压(或可加压)腔10或气室，该腔10由第一透气壁12与第二腔20或气室隔开，第二腔20或气室容纳含有带电颗粒(“p”)的液体15，其还容纳由液体中的气体溶解形成的离子物质，该第二腔20随即由第二可渗透壁14与环境大气或第三，相对减压的腔30或气室隔开，该第三腔30可容纳气体或真空；其中，存在于大气或第三腔30中的压力小于第一腔10的压力，从而在第一腔与大气或第三腔30之间的液体内形成离子浓度差。可渗透壁12、14用于允许气体从第一腔10穿过第二腔20传递到第三腔30或穿过第二可渗透壁14传递到大气。在优选实施例中，至少第二腔20，但优选第一腔、第二腔中的每一个，以及第三腔(当存在时)具有长度尺寸(由箭头“L”示意性地表示)和平均横向尺寸(由箭头“T”示意性地表示)，平均横向尺寸是可测量的并且大体或基本垂直于长度尺寸；优选地，长度尺寸是平均横向尺寸的至少10倍，但优选甚至更长，例如平均横向尺寸的至少20、30、40、50、60、70、80、90或至少100倍。或者，第二腔的长度尺寸：平均横向尺寸(有时是平均宽度或平均直径)的比率至少为10：1，优选地(并且按优先级增加的顺序)至少为25：1、50：1、100：1、200：1、300：1、400：1、500：1和更大。确保长度尺寸的比率大于平均横向尺寸，并且优选地是至少10：1的比率，但是优选地更大，以确保在容纳液体的腔20中流动的含有带电颗粒的液体15(流动方向由箭头“F”表示)具有第一和第二可渗透壁的充足表面区域，以确保第一和第二腔之间的气体传递，并且形成第三腔的一部分的第二可渗透壁在第一和第三腔之间维持负压梯度。进一步确保长度尺寸的比率大于平均横向尺寸，优选地至少为25：1或更大，因为这样的相对高的比率有助于建立含有带电颗粒的液体15穿过容纳液体的腔20的非湍流。然而，本发明的装置也可以在液体15穿过容纳液体的腔20的湍流条件下操作。然而，在特别优选的实施例中，该装置操作使得容纳液体的腔20内的液体处于层流状态。
考虑到待分离的颗粒的性质、本体液体和容纳液体的腔20内的含有颗粒的液体的操作液体流动条件，期望地选择长度尺寸的比率大于平均横向尺寸。理想地，长度足以在本发明的装置的操作条件下允许在本体液体内进行所需程度的颗粒分离。
装置的构造的材料实际上可以是任何可用于在第一和第二腔以及第二和第三腔之间保持令人满意的压差的材料，从而允许本发明的装置和方法如本文所述地操作。这些材料理想地具有足够的刚性，并且对在分离过程中使用的任何液体和/或者气体具有化学耐性或化学惰性。要考虑的是许多合成聚合物、金属、陶瓷材料等中的任何一种。关于腔和/或可能存在的中间壁的构造，当然这些还必须具有允许装置和/或方法中使用的气体在相邻腔之间扩散或转移的能力。这当然在很大程度上取决于装置的操作特性，特别地液体，液体中包含的颗粒的性质以及要使用的气体。同样，允许气体的选择性转移扩散，但仍然保留液体的合成聚合物、金属、陶瓷材料，特别是微孔材料，例如各种类型的膜，预期是特别有用的。这些材料的非限制性实例包括：合成聚合物如硅氧烷聚合物，即聚(二甲基硅氧烷)、聚(甲基丙基硅氧烷)、聚(甲基辛基硅氧烷)、聚(三氟丙基甲基硅氧烷)和聚(苯基甲基硅氧烷)；聚乙炔和替代聚乙炔，即聚(1-三甲基甲硅烷基-1-丙炔)(PTMSP)、聚(4-甲基-2-戊炔)(PMP)；聚烯烃，即聚丙烯，聚(4-甲基-1-戊烯)；聚(2,6-二甲基-1,4-苯醚)(PPO)；聚酰胺、芳香族聚酰胺(聚芳酰胺)；聚酰亚胺、氟化聚酰亚胺，即6FDA-DAF、6FDA-TMDA(2,3,5,6-四甲基-1,4-苯二胺)；聚砜；聚碳酸酯；以及基于纤维素的那些，即乙基纤维素、乙酸纤维素和三乙酸纤维素。其他材料包括水凝胶；微孔聚合物，例如微孔PTFE；通常用作燃料电池中的气体扩散层的涂覆碳纸/织物；天然聚合物和陶瓷。
有利地使用的材料是基于聚硅氧烷的聚合物，例如聚二甲基硅氧烷，其具有足够高的分子量，使得它既为液体提供有效的阻隔特性，又同时允许气体(即二氧化碳)的灌注。这些材料的厚度，特别是腔和/或中间壁的厚度，以允许液体的有效阻隔特性，以及气体穿过这些材料的足够高的传输速率，可以凭经验确立，或通过常规实验确立，当然，根据本发明的教导，将基于要制造的特定装置的配置而改变。
装置的部件的构造优选地以这样的方式布置：第一、第二和第三腔的至少一部分相对于彼此平行，第一腔和第二腔的区域或部分由第一可渗透壁隔开，第一和第二腔的区域或部分由第二可渗透壁隔开。参考一个或多个附图公开了非限制性的并行配置。
在一个特别优选的实施例中，第一腔10、第二腔20和第三腔30优选地是管形或槽形腔，每个腔分别具有入口和至少一个出口：第一腔入口10a和第一腔出口10b；第二腔入口20a和第二腔出口20b；和，第三腔入口30a和第三腔出口30b。第一、第二和第三腔可以基本上是直的，但也可以是弯曲的或包含基本直的部分和弯曲部分。第一腔和第三腔必须包括入口和/或出口，但两者通常不是必需的，因为例如第一腔可以包含入口，通过该入口可以供应一定量的加压气体，但是无需出口因为气体可透过其可渗透壁并进入第二腔。不同的是，第三腔可以包含出口，经由第二可渗透壁进入第三腔的气体可以通过该出口从第二腔进入，并可例如通过真空抽出，或者可以允许排出到环境大气。还可以预见，第三腔可以连接到真空源，以确保与第一腔中存在的压力相比，第三腔中的压力减小。还可以预见，第三腔30可以不存在，因为可渗透壁14可以与环境大气直接接触(并暴露于1个大气压)。
当第一腔10和第三腔30内的压力不同时，由存在于液体15中的溶解气体形成的离子物质的浓度在壁12、14之间横向变化。离子物质的浓度也可以部分地受液体15的温度控制或影响。这导致悬浮颗粒P由于扩散电泳而迁移到流动悬浮液内的不同区域，这产生高和低颗粒浓度的区域，这些区域其后可以彼此分离。这在图1中示意性地示出；如在其中看到的，邻近壁14的颗粒P的局部浓度(在第二腔20内的相同横向位置内)大于壁16处的局部浓度。因此，液体15内的颗粒P的相对浓度在液体的流动方向F上不同，并且在第二腔20的长度上变化。以这种方式，液体15可以在一个或多个出口20b的下游分成单独的流，一个具有比最初存在于入口20a处的颗粒P更高的相对浓度(或“滞留物”)，另一个具有比最初存在于入口20a处的颗粒P更低的相对浓度(或“滤液”)。这种分离不需要传统的过滤介质或膜的情况下进行以实现这种分离。这种分离也不需要任何显着的能量消耗，因为可以通过重力或用能量高效的泵送装置(即机械泵)提供流动。
第二腔20的出口可包括两个或多个出口，其中至少一个(第一)出口含有并用于输送一定量的含有相对减少量的颗粒的液体，以及至少一个(第二或其他)出口含有一定量的富含颗粒的液体，两者都是相对于，或相比于提供给入口20a的液体。以这种方式，可以控制在第二腔20的入口和出口之间流过第二腔20的液体的不同层内的颗粒P的离散浓度，并且该离散浓度用作不需要使用传统过滤介质的分离过程，传统过滤介质必须允许液体通过或强制通过。而在本发明的装置和方法中，引入第一腔中的气体迁移穿过第一可渗透壁，并进入流过第二腔或者也称为“液体腔”)的包含颗粒的液体，其中气体被夹带，但优选溶解于其中。由于第三腔中存在的相对减小的压力，第二腔上的压差引起第一腔和第三腔之间在“净横向”上的气体传递。需要可溶性气体的分压力的差；而总压力可以是恒定的。横向于包含颗粒的液体的纵向流动方向的气流方向确保溶解气体的浓度梯度存在于第一和第三腔之间的第二腔内，这随即有利于带电颗粒在液体中的分离。
本发明的方法和装置也可用于同时分离两种(或多种)不同种类类型的带电颗粒。
现在参考图2，其中描绘了根据本发明的连续流动无膜过滤装置1的示意图，其在此被描绘为用作水过滤装置并且利用CO2作为气体来形成水中溶解的离子物质，其中水被泵送穿过装置的液体腔。溶解的离子物质的形成将夹带在液体中的不同地带电的生物和非生物材料分离成两个输出液体流，第一出口流20b1(“过滤的水”)和第二出口流20b2(标记为“废物(颗粒)”:)。
可以单独使用本发明的装置(或“单元装置”，其可以在下文中标识成标记为“A”的虚线框)，或者可以同时操作多个这样的装置。两个或更多个这样的装置可以以串行方式、并行方式或两者的组合来操作。
图3描绘了本发明的单独装置1(其中一个标记为“A”)的阵列，其可以以并行方式同时操作，其中含有带电颗粒的液体，例如悬浮液或胶体，通过相应的出口20a1和20b1分离而进入过滤的水流和废物流。从图中可以理解，每个装置1的每个入口20连接到含有带电颗粒的液体的共同源(“颗粒悬浮液”)，它们被送入并行排列的各个装置中。需要注意的是，这样的放置允许两个重要特征：(a)第一室的放置，在该实施例中，CO2与含有空气的第三室(或者更准确地说是在周围环境中向大气开放的室)的CO2交替，这样允许产生物理上更紧凑的单位装置的阵列。还如图3所示，每个单元装置具有分别连接到公共出口歧管的多个出口，一个用于接收滤液(“过滤的水”)或滞留物(“废物(颗粒)”)。
尽管未在图1、2或3中示出，应当理解，单元装置的任何出口，无论是单独使用还是在多个这样的装置中使用，都可以连接到本发明的一个或多个其他单元装置A的入口。这在图4中示意性地示出。以这种方式，可以实施串行过滤方法，从而进一步提高原始存在于液体中的带电颗粒的分离程度。这样也可以有利地提高带电颗粒分离的整体操作效率，并且由于单元装置不需要过滤介质并且需要很少的功率以确保操作；在一些实施例中，优选使用多个单元装置。还应理解，在如图4所示的这种配置中，发生中间步骤，其中在液体进入下个阶段之前，在阶段出口处的任何溶解气体被移除或排出。
图5和6示出了具有不同配置的根据本发明的装置的横截面视图。
在图5中描绘了一系列并行通道，每个通道限定第二腔20(或容器或气室)，每个腔适于容纳含有带电颗粒的液体15，每个腔在一侧由第一透气壁12界定，第一透气壁12与适于容纳气体的第一加压(或可加压)腔10之间形成屏障，每个腔在另一侧由第二透气壁14界定，第二透气壁14与第三相对减压腔30之间形成屏障，所述第三相对减压腔30可含有气体或真空或可能对周围大气开放。所描绘的实施例可以以图3中大致公开的方式形成为这种元件的有序阵列，其中每个单独的并行通道20与第一透气壁12和第二透气壁14的相邻区域以及相应的腔10、30作为单独的单元装置A一起操作；使得多个通道20用作并行操作的紧凑的单元装置阵列。
图6描绘了本发明的装置的一个不同实施例的示意性横截面。在该实施例中，第一腔10位于第二腔20内，并且第一腔和第二腔都在第三腔30内。在所示实施例中，第一透气壁12和第二透气壁14均为管状构造，并且基本上是同心的。第三腔30可以是任何构造，或者如前所述可以省略，因为如果需要，第二透气壁14可以向大气开放。
图7e描绘了本发明的装置的一个实施例，该装置具有一系列10个并行和纵向的第二通道20(或“流动通道”)，第二通道20用于容纳流动的含有带电颗粒的液体，还具有用于容纳加压CO2气体的并行第一腔10，以及相对于CO2气体在减压下向环境大气开放的第三腔30。该装置以图3中公开的方式操作。
装置1由聚二甲基硅氧烷材料(“Sylgard 184Elastomer”套件，来自Dow Corning)采用传统的软光刻技术而构成。将套件中提供的单体和交联剂以10：1的比例混合。第二通道20的宽度为0.1mm，高度为0.02mm，长度为30mm。用于提供透气壁12、14的聚二甲基硅氧烷材料的厚度为30微米。当操作时，第二通道的流速为2μl/h；通道内的压降为Δp≈0.2kPa。该装置用于分离存在于去离子水流中的带负电的颗粒，使用注射泵(“PhD Ultra”，来自Harvard Apparatus)泵送通过该装置。
上述装置也以相同的方式用于评价带正电颗粒的分离。然而，为了避免带正电的颗粒不希望地粘附到第二通道20的壁上，首先使它们与1％的3-氨基丙基三甲氧基硅烷(来自Sigma-Aldrich)水溶液接触，将其泵送通过第二通道20分钟，然后用去离子水冲洗10分钟。此后，向装置提供含有带正电颗粒的液体。
图7f是装置的局部“放大视图”，示出了第一腔10，第二腔20和第三腔30的细节，以及操作中的带电颗粒如何分离进入分开的出口20a1、20b1。如图所示，将滤液流(“过滤的水”)与滞留物流(“废物”)分离，滞留物流具有与滤液流不同的带电颗粒浓度。
这种行为在下面的图7a、7b、7c和7d中示出，其是带负电颗粒(图7a、7b)和带正电颗粒(图7c、7d)的荧光显微图像，其在单元装置的第二腔内横向于流动方向而迁移。第一腔10中的CO2气体的压力保持在10psig。第一腔10、第二腔10和第三腔30之间的中间壁的厚度为30微米。在室温(24℃)下，水是本体液体。图7a、7b示出了具有0.5微米直径的带负电荷的聚苯乙烯颗粒的行为，如图7a中首先所示，其通常均匀地分布在液体中，但是如图7b所示，当向下游流动时，这些颗粒显示为迁移远离与容纳CO2的腔相邻的壁。图7c、7d示出了具有1微米直径的带正电荷的胺官能化聚苯乙烯颗粒的行为，如图7c中首先所示，其通常均匀地分布在液体中，但是如图7b所示，当向下游流动时，由于扩散电泳，这些颗粒显示为迁移远离相对的壁，并且远离界定容纳CO2的腔的壁，并且朝向与环境空气接触的壁。
图7g、7h是在腔体20的入口附近的带负电颗粒的荧光显微镜图像，其中腔体20包含液体和在腔体出口区域中的带电颗粒(图7g)；这里操作该装置使得CO2压力为5psig。从图7h中所示的颗粒的不同密度可以看出，由于扩散电泳，实现了颗粒的有效分离。
本发明的装置和方法可以用于任何将受益于这种分离技术的应用中，如所公开的那样不需要使用常规的过滤介质，例如多孔过滤器，例如纤维、金属或陶瓷过滤器或膜，也不需要建立电解分离过程中可能需要的电场。

Claims (18)

1.一种装置1，用于分离液体中颗粒的流动悬浮液的颗粒，所述装置包括：
适于容纳气体的第一加压腔10或气室，所述腔10由第一气体可渗透壁12与第二腔20或气室隔开，所述第二腔20容纳含有带电颗粒的液体15，所述第二腔20还含有在所述液体内由气体溶解形成的离子物质，所述第二腔20随即由第二可渗透壁14与环境大气或者可选的第三相对减压的腔30或气室所隔开，所述腔30可容纳气体或真空；其中：
所述可渗透壁12、14操作以允许气体从所述第一腔10穿过所述第二腔20，并穿过所述第二可渗透壁传递到大气或第三腔30，并且
存在于大气或所述第三腔30中的压力小于所述第一腔10的压力，从而在所述液体内和所述可渗透壁12、14之间形成离子浓度差。
2.根据权利要求1所述的装置1，其中所述第二腔20的长度是其平均横向尺寸的至少10倍。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述第二腔20的长度是其平均横向尺寸的至少50倍。
4.根据权利要求1所述的装置1，其中所述第一腔10的长度是其平均横向尺寸的至少10倍。
5.根据权利要求4所述的装置1，其中所述第二腔20的长度是其平均横向尺寸的至少50倍。
6.根据权利要求1所述的装置1，其中所述第三腔30的长度是其平均横向尺寸的至少10倍。
7.根据权利要求6所述的装置1，其中所述第三腔30的长度是其平均横向尺寸的至少50倍。
8.根据权利要求1所述的装置1，其中不存在第三腔。
9.以串行方式或以并行方式连接的根据权利要求1所述的多个装置1。
10.一种从液体流中分离带电颗粒的连续方法，包括以下步骤：
将含有带电颗粒的液体供给根据权利要求1所述的装置1的第二腔20，
向第一腔10供应加压气体，
操作装置1以在液体内建立气体的压力梯度，从而导致形成液体内可电离物质和液体内的离子浓度梯度，导致悬浮颗粒由于扩散电泳迁移到流动悬浮液中的不同区域，这产生高和低颗粒浓度的区域，以及，
分离不同的区域。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述不同区域是滤液和滞留物。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述气体可溶于所述液体中。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述气体在水中形成水酸性物质。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述气体是以下中的一种或多种：H2S、CO2、HCN、HCl、HBr、HF、HI、CL2、N2O4、NO2、SO2、SO3和NH3。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述气体是CO2。
16.根据权利要求10所述的方法，其中所述装置将具有不同电荷的两种或多种不同类型的颗粒与所述液体分离。
17.根据权利要求10所述的方法，其中所述液体是水。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述液体是水，所述带电颗粒是微生物有机体。
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