CN112744901B - 改变极性液体的性质的方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于改变极性液体的性质的装置，包括信号发生器和换能器，该换能器设置在所述液体附近或至少部分地浸入所述液体中。所述信号发生器向所述换能器提供交变电信号，其中，所述电信号具有频率和幅度，以影响所述换能器产生具有磁通量密度的交变磁场，从而改变所述极性液体的性质，其中，所述交变磁场的一部分穿透所述液体，在距离所述换能器至少1米的距离处对所述液体产生影响并且提供对所述液体的所述性质的改变。所述性质是气体交换速率并且所述改变是改变至少5％，或者所述性质是表面张力并且所述改变是改变至少1％，或者所述性质是粘度并且所述改变是改变至少0.5％。

Description

改变极性液体的性质的方法

技术领域

本发明大体上涉及用于向极性液体施加交变磁场以改变该极性液体的性质的系统和方法，更具体地，涉及改变极性液体的表面张力、界面传质、气体吸收或其它性质。

背景技术

在各种应用中，已将磁场施加至极性液体以改变该液体性质。极性液体是含有极性分子的液体。为了使分子是极性的，必须使该分子在其自身内部经历偶极矩。电偶极矩是由共价键中的原子之间的不等电负性所引起的。水分子本身是极性的。本文所用的术语“极性液体”是指至少部分地呈极性的液体，例如极性液体和非极性液体(诸如水和油)的混合物。

具有大梯度的静态场已被用于分离流体中的颗粒。磁场已被用于减小管道中的水垢(scale)，并且电磁信号已被用于工业中的许多应用中。例如，以Moore等人的名义申请的第20140374236号美国专利申请描述了一种液体处理装置，包括：两个天线；用于容纳包括有溶剂和溶质的液体的外壳；发生器，其可操作地连接至所述两个天线，以在每个天线中产生振荡电压，其中每个电压与其它电压异相，以产生振荡电场；以及在磁场存在的情况下，使外壳中的液体经受电场，以改变所述溶质的化学性质和/或物理性质，而不用使液体接触两个天线。该装置基本上是缠绕在管道上的导线，该管道含有与信号发生器耦合的流体。Moore等人提出，磁力线圈可以缠绕在非铁材料或含铁材料上，该材料位于包含有液体的外壳附近但不接触液体。然而，附接到具有极性液体的管道的装置(例如Moore等人和其它现有技术参考文献所公开的)提供有限的输出，而并不能用于诸如河流和工业池的开放水体的处理。

相对于开放水体(open water)，以Chew等人的名义申请的第20180216246号美国专利申请教导了，将线圈浸入到金属结构附近的海水中，以便在海水中产生离子电流，并因此防止腐蚀电流离开金属表面。在金属目标附近实施该方法是节约成本的。Morse等人在第5,606,723号美国专利中也采用了在液体中有效的电场；它们教导了在气密外壳中的线圈，其具有附接在线圈的端部的电压探针盘，用于将电场传递到溶液中。然而，处理大的开放水体或任何其它极性液体的问题仍然是未解决的问题，因此需要开发新的换能器装置及其使用方法。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种改变极性液体的极性液体的性质的方法，包括：提供所述极性液体附近或至少部分地浸入所述极性液体中的第一装置，所述第一装置包括第一信号发生器和与该第一信号发生器电耦合的第一换能器；以及操作所述第一信号发生器以向所述第一换能器提供第一交变电信号，其中，所述第一交变电信号具有第一频率和第一幅度，以影响所述第一换能器产生具有磁通量密度的所得交变磁场，从而改变所述极性液体的性质，其中所述交变磁场的一部分穿透所述极性液体，在距离所述第一换能器至少1米的距离处对所述极性液体产生影响并且提供对所述极性液体的所述性质的改变，其中，所述极性液体的所述性质是气体交换速率并且所述改变是改变至少5％。

根据本发明的一个方面，提供了一种改变极性液体的性质的方法，包括：提供位于所述极性液体附近或者至少部分地浸入所述极性液体中的第一装置，所述第一装置包括第一信号发生器和与该第一信号发生器电耦合的第一换能器；以及操作所述第一信号发生器以向所述第一换能器提供第一交变电信号，其中，所述第一交变电信号具有第一频率和第一幅度，以影响所述第一换能器产生具有磁通量密度的所得交变磁场，从而改变所述极性液体的所述性质，其中，所述交变磁场的一部分穿透所述极性液体，在距离所述第一换能器至少1米的距离处对所述极性液体产生影响并且提供对所述极性液体的所述性质的改变，其中，所述性质是气体交换速率并且所述改变是改变至少5％，或者所述性质是表面张力并且所述改变是改变至少1％，或者所述性质是粘度并且所述改变是改变至少0.5％。优选地，当所述换能器被至少部分地浸入所述极性液体中时，所述极性液体被基本上防止穿过所述换能器线圈的内部，或者所述线圈外部的交变磁场的一部分被实质上防止穿透所述极性液体。

根据另一方面，提供了一种用于改变极性液体的性质的系统，包括一个或多个改变性质装置(property-changing device,PCD)装置，每个PCD装置包括：用于产生交变电流的信号发生器、以及换能器，该换能器包括导电螺线管型线圈，该导电螺线管型线圈耦合至所述信号发生器，用于提供磁场，所述线圈由多个环路形成，每个环路具有内部，所述环路内部形成所述线圈的内部。在一个实施例中，当换能器被浸入在液体中时，来自线圈外部的液体被实质上防止穿过所述线圈内部。每个换能器可以包括两个铁磁端部件，所述铁磁端部件被设置在与其横向的线圈的端部，并且与线圈电绝缘，以用于对磁场进行整形。在另一个实施例中，换能器包括围绕导电螺线管型线圈并与其电隔离的铁磁包层，用于当换能器被浸入极性液体中并操作时，防止导电螺线管型线圈外部的交变磁场的一部分穿透极性液体。该系统可以包括用于控制改变性质装置的控制中心。

根据另一方面，提供了一种硬件系统，其包括改变性质装置，所述改变性质装置包括：信号发生器和与其电耦合的换能器，其中所述信号发生器被配置成向所述换能器提供交变电信号，其中，所述交变电信号具有频率和幅度，以影响被浸入在极性液体中的所述换能器产生具有磁通密度的所得交变磁场，从而在距离所述换能器至少1米的距离处改变所述极性液体的性质。其中，所述性质是气体交换速率并且所述改变是改变至少5％，或者所述性质是表面张力并且所述改变是改变至少1％，或者所述性质是粘度并且所述改变是改变至少0.5％。

根据另一方面，提供了一种改变极性液体的性质的方法，包括：将包括第一导电螺线管型线圈的第一换能器至少部分地设置在极性液体中，所述线圈由多个环路形成，每个环路具有内部，所述环路内部形成所述线圈的内部，其中，当所述换能器被浸入在所述极性液体中时，所述极性液体被实质上防止穿过所述线圈的内部或者所述线圈外部的交变磁场的一部分被基本上防止穿透所述极性液体；以及向线圈施加第一交变电流，以在线圈周围产生交变磁场，其中，所述交变磁场的一部分穿透所述极性液体，并且所述第一交变电流具有第一频率和第一幅度，使得交变磁场在距第一换能器至少1米的距离处对极性液体产生影响，该影响改变极性液体的气体交换速率；还包括：在处理一段时间之后允许所述极性液体经过管道或导管流入滴灌系统或水产养殖系统。

附图说明

本发明的前述和其它目的、特征和优点将从如附图中所图示的实施例的以下描述中变得明了，在各个视图中，相同的附图标记表示相同的部分。附图并不一定是按比例绘制的，而是重点放在说明本公开的原理上：

图1是现有技术的换能器的截面图。

图2是换能器的截面图。

图3是所述换能器的截面图，其示出了当换能器被供电时线圈外部的磁通量线。

图4是所述换能器的截面图。

图5是用于利用磁场来改变极性液体的性质的系统的视图。

图6是多换能器系统的视图。

图7是环形线圈换能器的图。

图7A、图7B和图7C是所述换能器的各种实施例的视图。

图8是方法的流程图。

图9是二氧化碳提取工艺的流程图。

图10是造纸机的示意图。

具体实施方式

我们已经发现，通过利用1安(ampere)以下，优选地利用几百微安(microamp)或以下的非常少量的交变电流给由线环路(loops of wire)形成的电绝缘导电线圈通电，并且通过将通电的线圈放入极性液体(例如水)中，我们可以产生交变磁场，该交变磁场是经由绝缘体从线圈发出的，其将通过改变极性液体的性质(例如气体交换速率或其它性质)来影响暴露于该磁场的极性液体，并且受影响的液体将进而通过扩散效应(contagion effect)或多米诺效应(domino effect)对在至少10米的远距离处的极性液体产生影响，从而改变距发出磁场的线圈(下文称其为换能器)所述较大距离处的极性液体的一个或多个性质。调节气体传输速率或其它性质的益处是很多的，并且对于许多工业应用而言具有适用性。有利的是，环路或线圈换能器对极性液体的电导率不敏感，因此对液体的pH值不敏感，因此允许其在许多不同的液体中使用，而与处理容器附近的电导率或电接地环境无关。

已经进行了提供向水中发射电流或电场的浸入式装置的尝试。然而，我们相信电流或电场的存在性可能具有不利的影响。由于杂质和掺混物的存在性，由电场产生的电流对于人和其它生物而言将是危险的或至少是令人不快的，并且可能引起邻近装置的结构的腐蚀和矿物质积聚。本文公开的方法使用磁场来影响液体。水中的电流，如果由浸入式装置感应，将产生次级磁场，该次级磁场不同于由装置内的电流所产生的磁场。我们的目标是使用磁场而不使用电场。由我们的线圈换能器所可能产生的任何电场都是不希望的，并且该电场小于1V/m或显著地更小并且是可忽略的。所述磁场可以由换能器中的线圈产生，而在理想情况下，由换能器产生的电场为零。

我们已经发现，仅利用交变磁场，并且通过对该磁场进行整形来增强其效果，我们能够以产生低强度交变磁场的非常低的功率信号在40米或更远的距离处改变极性液体的性质。我们相信，当以具有适当频率和适当幅度的电信号进行适当地通电的换能器被置于极性液体中时，所产生的从线圈发出的交变磁场影响紧邻于该线圈的液体，从而改变线圈附近的液体性质。出乎意料的是，这种效应随后通过液体扩张，通常扩张几分钟。应该注意场传播的速度(即特定介质中的光速)与显著地小于光速的液体改变效应的速度之间的差异。所发现的效应可以被预想为液体分子中的多米诺效应：由换能器产生的磁场影响了位于换能器附近的液体中的分子和/或分子间键。我们已经发现，当我们使用适当频率和适当幅度的信号时，液体的受影响的部分影响在距换能器一些距离处的分子的其它部分，等等。术语“多米诺效应”指的是事件的链接序列，而所述事件并不一定如多米诺牌的情形那样呈机械式的。这种效应可以被称为链式反应或扩散效应。

我们已经发现，当线圈被浸入在极性液体中并利用交变电流进行通电时，电流的频率以及因此磁场的变化率影响使液体的特定性质显著变化的距离。换句话说，一些频率比其它频率更好。对于施加至线圈的电流的幅度，已经观察到相同的情况。这可以通过在线圈所产生的磁场的影响下发生在液体的极性分子内和/或分子间键中的共振效应来解释。重要的是线圈中电流的最佳(优选)参数取决于其中使用线圈的应用。特别地，所述最佳参数可以取决于特定的液体和所监测的性质。然而，至关重要的是，包括有线圈的换能器仅利用磁场来影响液体，而在线圈外部实际上不存在电场。因此，电流的参数被调节，以增加由磁场所引起的效应。不同的是，现有技术调节换能器的参数，是以便更好地利用从换能器发射的电场，而在本文所公开的方法的发明人提出调谐参数，是以便更好地利用由换能器提供的磁场。

图1示出了由缠绕在竖直支撑件12b周围的螺线管型(圆柱形)线圈所提供的磁场。位于螺线管附近的磁通量线34基本上彼此平行并且具有相同的极性。基本单向的(在特定时刻)磁场的部分35可以提供累积效应，该累积效应改变了侵入线圈的位置周围的极性液体的特定性质。优选地，线圈是螺线管型线圈，因为螺线管的圆柱形细长形状提供了围绕螺线管的磁场，该磁场几乎平行于紧邻线圈的螺线管的纵向轴线。由于磁通量的会聚线的极性彼此相对，螺线管的端部潜在地具有不利的影响，因此希望减小或可能性地排除该影响。希望扩大线圈周围的磁通量线彼此靠近并互相平行的空间，使得更多的液体可以经历磁场的累积效应。可以通过使用非常长的螺线管型线圈来实现，或者通过在线圈端部处优选地借助于平坦的端部件来对磁场进行整形来实现。

另外，支撑件12b内的磁通量线具有不同的极性。因此，如果液体已通入(access)到线圈的内部，则累积效应将被抵消。因此，希望防止液体受到反方向磁场的影响。这可以通过防止液体进入线圈的内部，例如将铁磁芯或任何类型的支撑件或填充物放置在线圈的内部，或者通过将线圈放置在防止液体进入线圈的内部区域或极性区域的容器内来实现。然而，磁场必须能够通过所述容器。铁磁芯具有增加磁通量密度以及防止流体进入线圈内部的效果。放置在线圈内部的任何非铁磁体优选地延伸至线圈的端部之外，以便防止液体接近磁极处的最集中的相反极性。

已经进行了这样的实验，其中换能器被设计成增加磁场的单向部分的效果，同时防止相反极性的磁场的另一部分在每个特定时刻穿透液体。磁场的单向部分35被理解为包含由线圈所产生的一部分的磁场的空间体积，其中体积内的磁通量线在特定时刻基本上互相平行，而在其它时刻可以具有相反的方向。

所述改变极性液体的性质的方法包括以下步骤：(A)设置位于所述极性液体附近或者至少部分地浸入所述极性液体中的第一装置，所述装置包括信号发生器和与该信号发生器电耦合的换能器，以及(B)操作所述信号发生器以向所述换能器提供交变电信号，其中所述交变电信号具有频率和幅度以使得所述换能器产生具有磁通密度的所得(resulting)交变磁场，从而改变所述极性液体的性质，其中，所述交变磁场中的一部分穿透所述极性液体，以在距离所述换能器至少1米的距离处对所述极性液体产生影响并且提供对所述极性液体的性质的改变，其中，所述性质是气体交换速率并且所述改变是改变至少5％。气体交换速率涉及跨越液体表面的气体的转移，其中，该表面可以是液体-空气界面或者液体中的气泡的表面等。在一些实施例中，所述液体的表面张力可以改变至少1％，或者所述液体的粘度可以改变至少0.5％，或者冰点可以改变至少0.5℃，或者蒸汽分压(partial vaporpressure)可以改变至少1％。我们相信由磁场产生的效应是上面讨论的多米诺效应。优选地，换能器在其外部不产生大于1V/m的电场。甚至可能由线圈产生的非常小的电场也是不希望的。图8示出了所述方法的流程图，其中，该方法的步骤810和步骤820可以以任何顺序执行，包括并发执行。

该方法可以改变极性液体的固有性质，例如粘度、表面张力、极性液体的气相中的平衡分压、用于特定气体的最大溶解气体饱和浓度、蒸发热，冰点、或者极性液体的沸点。该方法的优点已被证明用于诸如经过液体表面处的界面膜的气体交换速率和液体中气泡的气体交换速率等性质。本发明人相信可以利用如本文所述的磁场来控制极性液体的其它性质。液体的特定性质的改变值取决于所涉及的固有性质和物理机制。特别地，在距换能器1米的距离处，极性液体的气体交换速率可以改变至少5％，或者极性液体的表面张力可以改变至少1％，或者极性液体的粘度可以改变至少0.5％，或者极性液体的冰点温度可以改变至少0.5℃，或者极性液体的蒸汽分压可以改变至少1％。

对于进行改变以变得可以检测所必需的时间取决于距换能器的距离。在我们的实验中，在10米处2分钟以后，界面传质速率的改变是显著的，在6分钟以后有明显变化，并且在96小时以后改变继续增长。也可以在150米处在24小时内测量到这种影响。总体上，极性液体的性质在1米的距离处在10分钟以内改变。

交变电流可以具有正弦轮廓、梯形轮廓、三角形轮廓等。在换能器中使用的电流的频率和幅度取决于特定的液体，并且取决于需要改变的性质。我们的实验表明，一些频率与其它频率相比产生更大和/或更快的改变。本文提供了找到的参数。当所述参数未知时，系统可以被配置成执行一定范围内的频率的扫描，在特定的频率保持预定的时间间隔，同时监测液体性质。大体上，用于给换能器通电的电流的频率大于100Hz并且小于5000Hz，并且幅度的均方根小于3安培，优选地小于500mA(毫安)，并且更优选地小于50mA。尽管如此，更低的频率和更高的频率也是可行的。

应当理解，当线圈的内部是空的但不可通入液体(例如密封的)时，通过简单地利用具有多匝且不具有芯12a的线圈，本文所公开的方法是可行的。在另一实施例中，提供了导磁芯。可替代地，芯可以是塑料线轴(spool)，例如用于形成许多匝的导线从而形成线圈。线轴可以是不会对换能器性能造成不利影响的其它材料，或者可以不存在线轴或芯，并且可以通过其它方式防止液体进入线圈的内部。

图2至图5示出了换能器，由此如果向换能器被提供有例如约2.5kHz且具有约133微安的电流的交变信号，则可以改变极性液体的性质(例如界面传质速率或其它性质)。当然，该方法并不限于上述频率或电流，因为这些仅仅是提供了出乎意料的有利结果的示例性实施例。我们相信，在100Hz至20kHz之间的频率将对极性液体的性质产生改变，优选的频率间隔在1kHz至5kHz之间。

图2示出了示例性的实施例。换能器10具有缠绕在芯12a周围的电绝缘导线的螺线管型线圈11。在图2和附图的其它地方，具有叉号的圆表示其中电流流入附图平面的线圈环路的截面，而双圆表示其中电流流出附图平面的线圈环路的截面。导线的绝缘性允许磁场从其中通过。线圈的两端电耦合至信号发生器(未示出)的两个端子，使得交变电流可以从信号发生器流过线圈11并且返回到信号发生器。在操作中，将2.5kHz正弦波形式的交变电流提供至线圈11。交变电流幅度的均方根(rms)为133微安。如已经了解的，由线圈11发出并且在线圈11的外部产生磁场。换能器10具有由铁磁材料(例如低碳钢或不锈钢)制成的芯12a。与芯一体形成的是平坦的端部件14和16，所述端部件也由低碳钢或不锈钢或其它合金制成，并且具有100至5000以及可能更大的相对导磁率。线圈11和芯12a的高度h＝3.5cm，端部件的直径(最大尺寸)W＝5cm。

图3示出了磁通量线(magnetic lines of flux)32，由于细长且基本上竖直形状的芯以及由于垂直于芯延伸的端部件14和16的磁场整形效应，磁通量线基本上是平行的。如图1所示，在没有限制的情况下，由于芯12b缺少磁极端部件，磁通量线34是不平行的。为了对换能器放于其中的液体获得更大的效果，优选地具有基本上平行的通量线。在换能器10的芯12a的磁极上的端部盖14和16(图2和3)将磁通量线32集中，使得线圈11和芯12a外部的磁通量线几乎是平行的。

现在转到图4，换能器10被示出为具有高度h和半径R₁。半径R₂限定了从金属芯12a的中心到具有N匝的线圈11的外侧的半径。通过示例的方式，线圈的高L＝3cm，h＝3.5cm，R₁＝2.5cm，R₂＝0.8cm，N＝44匝的22号(gauge)的单股绝缘线。芯由低碳钢制成。

已经进行了实验以观察将水暴露于如本文所述的磁场对跨越气泡的空气水界面上的传质速率的影响。已经发现几个频率和电流对提供了比其它频率和电流对更好的结果：0.100mA的电流和2500Hz的频率、0.099mA的电流和2700Hz的频率，0.140mA的电流和4000Hz的频率。对于优选参数的搜索是基于该技术如何工作的理论假设，并且在测量效果的同时包括调整参数。通过实验可以找到更多这样的参数。可以预期，对于分别偏离特定优选参数±10Hz和±15微安的频率和电流，可以实现有利的效果。发明人相信，可以找到使得在至少10米的距离处改变极性液体的性质的其它频率和电流对。应当理解，磁场的参数和所需电信号可以根据液体(例如水中污染的水平和性质)而改变。容器或水体的几何形状也可以影响实现期望的效果所需的参数。对于图2至图4所示的实施例而言，我们已经证明，使线圈11内部的一部分磁场防止接触流体、磁场的其它部分、线圈11外部的部分，能够显著且有效地改变磁场所浸入的液体的性质。因此，阻挡内部磁场或防止液体通入线圈内部的磁场使得线圈11外部的磁场可以显著地改变液体性质。所提出的换能器设计确保这些不同区域中的磁场不会同时穿过极性液体，否则它们将对彼此产生不利影响，从而不会在极性液体中产生所需的变化。优选地，图2中的线圈内部的磁场被完全地或基本上防止传播通过液体，在不太优选的实施例中，线圈11内部的至少75％的磁场被防止穿透极性液体。相对于线圈外部的磁场部分，理想的是，线圈外部的以及从线圈发出的至少75％的磁场穿透液体。

上述换能器可以用于利用磁场改变极性液体的性质的系统中。参照图5，该系统包括用于生成交变电信号的信号发生器910、以及至少一个换能器920，换能器920具有导电线圈930，导电线圈930具有使线圈的一个环路与其它环路彼此电绝缘但允许磁场通过的绝缘体。没有电流从装置传递到极性流体。

线圈930耦合至信号发生器910，使得发生器910可以向线圈930提供交变电流，并因此在线圈930周围提供磁场。

优选地，线圈930是螺线管型线圈，即圆柱体，其意义是，线圈具有竖直中心轴线并且垂直于该轴线的所有截面具有相同形状，但截面不一定是圆形。通过示例的方式，芯12a(图3)可以是具有正方形截面的钢条。缠绕在这种芯上的导线形成圆柱体，其中截面类似于具有圆角的正方形。圆柱体的高度优选在3cm至50cm的范围内。

线圈由导电金属(例如铜等)环路形成。环路的数量可以在20个到2000个的范围内。环路是电绝缘的。每个环路具有中空内部，该中空内部可以例如由支撑件或芯来填充，环绕着该支撑件或芯进行缠绕。环路内部的堆叠形成线圈930的内部960。当换能器被浸入到液体中时，线圈内部960受到保护，从而基本上防止线圈930内部的一部分磁场穿透液体。线圈930的内部960可以由如本文其它部分所讨论的一些材料来填充，或者被密封。尽管图5将线圈930示出为具有单层导线，但是线圈930可以由一层、两层或多层导线形成，其中下一层环绕前一层。图2示出了参照图5描述的换能器的实施例，其中线圈11具有两层导线。

换能器920具有两个端部件940和950，用于对线圈930外部的一部分磁场进行整形，从而使该部分磁场穿透液体。端部件940和950设置在与其横向(优选地与其垂直)的线圈930的端部处，使得端部件之间的磁场的磁力线基本上平行于线圈930的中心轴线。端部件940和950与线圈电绝缘。端部件940和950中的每一者均由相对导磁率(permeability)比处理中的极性液体的相对导磁率高至少100倍的可导磁材料制成，优选地由相对导磁率为100至5000并且有可能更高的铁磁材料(例如低碳钢或不锈钢或其它合金)制成。端部件940和950可以是平坦的并且垂直于线圈。端部件可以是圆形的并且以线圈为中心。端部件的直径(最大测量值)优选地为线圈高度的至少一半，线圈高度L又可以是3cm≤L≤50cm。在一个实施例中，端部件的半径至少为螺线管型线圈的外半径加上芯的半径。在一个实施例中，端部件是两个锥体，这两个锥体的顶点彼此远离，并且它们的对称轴线与螺线管的中心轴线重合。

参照图7A，端部件14’和16’的表面14a和16a可以被称为内表面，其意义是，内表面中的每一个面向另一端部件。内表面14a和16a是倾斜的或弯曲的，使得它们在线圈处彼此更远离并且在远离线圈处彼此更靠近。这种布置的目的是对线圈外部的一部分磁场进行整形，以便扩展线圈11周围的空间部分35(图1)，其中在空间部分35中磁力线34基本上彼此平行。

因此，一种用于向极性液体提供交变磁场以用于改变该极性液体的性质、或者用于改变来自极性液体内的生物材料的生物响应的系统，包括：第一装置，所述第一装置包括：用于生成第一交变电流的第一信号发生器；以及用于至少部分地浸入所述极性液体中的第一换能器，该第一换能器包括：导电螺线管型线圈以及两个铁磁端部件。所述导电螺线管型线圈用于耦合至第一信号发生器，以响应于所述第一交变电流来提供交变磁场，所述导电螺线管型线圈由多个环路形成，每个环路具有内部，环路的内部形成所述导电螺线管型线圈的内部，其中，当所述第一换能器被浸入所述极性液体中时，所述极性液体被防止穿透所述导电螺线管型线圈的内部。所述两个铁磁端部件中的一者位于所述导电螺线管型线圈的每个端部处，并且横向于导电螺线管型线圈并与之电绝缘，以用于在所述系统浸入所述极性液体中并且被操作时，对所述导电螺线管型线圈外部的一部分交变磁场进行整形并且使该部分交变磁场穿透所述极性液体。该系统包括在所述导电螺线管型线圈内部中的铁磁芯，该铁磁芯与导电螺线管型线圈电绝缘。两个铁磁端部件磁耦合至铁磁芯或与铁磁芯一体成型，其中两个铁磁端部件中的每一个端部件均具有面向两个铁磁端部件中的另一者的表面部分，所述表面部分被设置成在所述导电螺线管型线圈处彼此更远离，并且在远离所述导电螺线管型线圈处彼此更靠近，以用于对所述导电螺线管型线圈外部的所述一部分交变磁场进行整形。

线圈930的内部960可以用任何材料进行填充，以确保基本上防止液体进入线圈的内部，并且因此不受线圈内部中的一部分磁场的影响。理想地，防止100％的液体进入线圈的内部。较不优选地，防止80％的液体进入线圈的内部，并且较不优选地，防止50％的液体进入线圈的内部。进入线圈的水具有不利的效果。在一个实施例中，线圈的内部960用一种或多种非铁磁材料进行填充，即用相对导磁率小于或等于1H/m的材料进行填充。

在一个实施例中，例如通过将线圈放置在允许磁场从中穿过的容器中，来将线圈930的内部960密封，从而当换能器920被至少部分地浸入液体中时，该液体不能通入内部960。端部件940和950可以在容器的外部，使得液体可以受到端部件之间的一部分磁场的影响。在一个实施例中，线圈内部仅被部分地密封，而开口不与液体接触，例如，换能器920被设置在液体的表面处。

在一个实施例中，线圈的内部由空气、其它气体或气体的混合物填充，并且可以在液体表面处支撑装置。在另一实施例中，在线圈的内部存在真空，其应该被适当地密封。

在一个实施例中，线圈930的内部960可以包含由适合于端部件940和950的材料所形成的竖直芯，所述材料优选地为铁磁材料，用于增加由线圈所产生的磁通量密度。如图2所示，端部件940和950可以电连接到芯，或者与芯一体成型，其中换能器10是换能器920的一个实施例。虽然端部件940和950应当被设置在线圈的端部并且非常临近于线圈的端部，并且优选地与芯接触，然而，端部件940和950并不必须与芯接触。在一个实施例中，芯件和端部件与液体电绝缘。

信号发生器910可以被配置成用于提供具有预定幅度和预定频率的周期性电流。电流优选地小于3安培，更优选地小于500mA，更优选地小于50mA。可以使用反馈回路根据所测量的参数来控制电信号。信号发生器910能够提供多个预定频率或预定频率的范围，并且系统可以利用从多个频率中确定为最优的频率。能够测量诸如气体交换速率、表面张力、粘度、冰点温度或蒸汽分压值的参数的测量仪器可以连接到反馈电路，该反馈电路可以被用于调节被提供至换能器的信号的频率和幅度，以优化或增强需要改变极性液体的性质的过程。

特别地，信号发生器910可以被配置成在以下实验性发现的模式中的至少一种模式下进行工作，以提供有利的结果：0.100mA的电流和2500Hz的频率，0.099mA的电流和2700Hz的频率，以及0.140mA的电流和4000Hz的频率。可以预期，对于分别偏离特定最佳参数+/-10Hz和+/-15μA的频率和电流，也可以获得几乎有利的效果，同时该效果可以减小到峰值有效性的大约63％。

换能器920和信号发生器910可以是PCD装置970的一部分，该PCD装置970旨在被至少部分地浸入工业池、河流、海洋等中。优选地，信号发生器和换能器被单独地容纳并且通过一对导线或同轴电缆进行连接。在一个实施例中，线圈被至少部分地浸入液体中，而信号发生器是不浸入的–其被设置在筏上，线圈附接至该阀。在另一实施例中，信号发生器被至少部分地浸入液体中。然后，装置970的内部提供电绝缘空间，在该空间中容纳有操作该装置所需的电子设备。在一个实施例中，所述装置包括悬浮装置，例如泡沫悬浮压载物。在一个实施例中，通过将空气或泡沫储存到在其中保存电子装置的密封容器中来提供悬浮。泡沫有助于避免空气的每日膨胀和收缩以及所伴随的电子壳体内的湿气的冷凝。可以使用穿过泡沫的金属条来允许由电子电路产生的热的传递。设备970可以具有天线，该天线用于与控制中心或其它换能器和/或GPS接收机进行无线通信。

在一个实施例中，如图7所示，以环形线圈90形式的换能器被布置成完整的圆，其两端电耦合至信号发生器，使得小的交变电流可以通过环形线圈90，环形线圈90又产生围绕环形线圈内部的磁场。当然，环形件应该被构造成允许极性液体流过该环形件本身的线圈。这可以通过提供刚性塑料套管92来实现，该套管允许磁场从中穿过，形成为环形件形状以及将一定长度的导电线94送入到其中。导线94的端部电耦合至信号发生器(未示出)。导线94本身是电绝缘的，并且允许产生的磁场从中穿过。

由于在环形件90本身的外部仅存在非常弱的外部磁场，并且所有主要的磁场在环形件90本身的区域的内部，因此基本上防止了与在不同区域中具有两个相反磁场相关的问题。因此，我们已经开发的换能器的另一实施例是环形换能器，其中暴露于内部场的液体影响与该环形换能器相距一定距离的液体，并且因此我们可以通过以预定频率施加交变电流来改变所述液体的性质。在操作中，环形换能器被浸入极性液体中，并且向换能器提供具有适当频率的正弦波形式的交变信号。

在一个实施例中，相对较长的螺线管型线圈被部分地浸入在与其横向的液体中，使得线圈的上端和磁场的相关曲率在液面上方，并且实际上不影响液体，而线圈的下端和磁场的相关曲率相对地远离液面，因此对液体的近液面层几乎没有影响。然后，在每个特定时刻，液体的近液面层受到改变液体性质的基本上平行的磁场的影响。线圈可以具有芯，并且可以具有在两端或仅在底端密封而使上端对空气开放的线圈的内部。所述换能器可以由悬浮装置(例如浮标)支撑，或者附着至容器壁或水体等上。如在其它实施例中，液体被防止进入线圈的内部。

在一个实施例中，螺线管型线圈被密封在水密容器340(图7A)中，该水密容器340沿着线圈紧密配合并且显著地延伸至线圈的端部之外，优选地延伸超过至少5％，优选地延伸超过10％，更优选地延伸超过至少20％的线圈高度，以便防止液体进入线圈内部和磁场的极性部分。容器允许磁场穿过。因此，一种用于向极性液体提供交变磁场以改变该极性液体的性质、或者用于改变来自极性液体内的生物材料的生物响应的系统，包括PCD装置。该装置包括：用于生成交变电流信号的发生器，例如信号发生器910；以及用于浸入所述极性液体中的换能器，该换能器包括：导电螺线管型线圈(例如线圈11)以及防水容器(例如容器340)。所述导电螺线管型线圈用于耦合至信号发生器，以响应于所述交变电流来提供交变磁场。所述防水容器围绕导电螺线管型线圈，并且延伸超过螺线管型线圈的每一端至少10％的线圈高度，其中，所述磁场可以穿过该容器。可选地，换能器包括如上所述的两个铁磁端部件，该铁磁端部件设置在线圈的端部并且与之横向，用于对所述磁场进行整形。

在又一实施例中，线圈具有非磁芯350，出于相同的目的，非磁芯350显著地延伸至线圈的端部之外，延伸超过至少1％或5％，优选地延伸超过10％，更优选地延伸超过至少20％的线圈高度。当然，换能器可以仅部分地浸入极性液体中。一种用于向极性液体提供交变磁场以改变极性液体内的生物材料的性质、或用于改变极性液体内的生物材料的生物响应的系统，包括PCD装置。该PCD装置包括：用于生成交变电流信号的发生器，例如信号发生器910；以及用于浸入所述极性液体中的换能器，该换能器包括：导电螺线管型线圈(例如线圈11)、以及在所述导电螺线管型线圈内部的非磁芯(例如非磁芯350)。所述导电螺线管型线圈用于耦合至信号发生器，以响应于所述交变电流来提供交变磁场，所述导电螺线管型线圈由多个环路形成，每个环路具有内部，所述环路内部形成所述导电螺线管型线圈的内部。所述非磁芯延伸超过螺线管型线圈的每一端至少10％的线圈高度，其中磁场可以穿过容器。可选地，换能器包括如上所述的两个铁磁端部件，该铁磁端部件设置在线圈的端部并且与之横向，用于对所述磁场进行整形。

在一个实施例中，所述PCD装置可以在小船、货船或船艇的帮助下，优选以受控的方式或者由浮标或筏支撑，移动越过水体或其它液体。在该实施例中，防水浮力容器容纳有电池以及耦合至换能器的信号发生器。太阳能板容纳在该防水浮力容器的顶部，并且与电池电耦合。PCD相对较轻并且可以容易地由人携带并且被放入水中。容纳在容器内的是收发器和控制电路，以便其可以被远程供电和关闭。

根据本发明的一个方面，提供了一种处理具有至少100平方英尺表面积的水体、废水、污水或淤泥以增加其中溶解的氧含量的方法，该方法包括：在所述水体、废水、污水或淤泥内的第一位置处提供便携式浮力装置，该便携式浮力装置具有容纳在其中的信号发生器；使可浸入式换能器电耦合至所述信号发生器；以及操作所述信号发生器以向所述侵入式换能器提供小于500瓦(watt)、优选地小于1瓦的低功率交变电信号，其中，所述侵入式换能器响应于所述低功率交变电信号产生交变磁场，其中，所述交变电信号具有频率和强度，以影响所述换能器产生所得交变磁通量密度，从而通过所述交变磁通量使得邻近或附近的水分子受到影响，以影响其它更远距离的水分子，从而在整个100平方英尺区域产生链式反应，其中，向附近的水分子施加交变磁通量密度的效果使得在施加所述信号的24小时以内、在整个100平方英尺区域中的气体交换速率和溶解的氧通量速率增加至少5％。

在另一方面，提供了一种处理具有表面积并且长度为至少为15英尺的水体、废水、污水或淤泥以增加其中溶解的氧含量的方法，该方法包括：在所述水体、废水、污水或淤泥内的第一位置处提供便携式浮力单元，该便携式浮力单元具有电源和侵入式换能器，所述电源耦合至容纳在其中的信号发生器，所述侵入式换能器耦合至该信号发生器；以及致动所述信号发生器以向所述换能器提供具有第一频率和小于5瓦特的功率并且优选地小几个数量级的功率的低功率交变电信号，其中，所述换能器被设计成当被放置在水、废水、污水或淤泥中时响应于所述低功率交变电信号而产生被散发到所述水、废水、污水或淤泥中的交变磁场，其中，所述交变电信号的第一频率和功率在所述水、废水、污水或淤泥中产生所得磁通量，其通过交变磁通量使得所述换能器附近的水分子受到影响，以影响其它更远距离的水分子，从而产生了距离所述换能器至少15英尺的链式反应，其中，所述交变频率和磁通量密度使得在施加所述信号的24小时以内，在距离所述第一位置至少15英尺的基线处，气体交换速率和溶解的氧通量速率增加至少2倍。

在一个实施例中，螺线管型线圈11并不浸入在所述液体中，而是被设置成紧邻于该液体，例如被设置在具有液体的容器的壁上或容器底部的下方，或者被设置在容纳所述液体的容器的盖上或穿过所述盖。容器至少在线圈所附接的位置处对于磁场基本上是透明的。通过示例的形式，出于该目的，容器可以具有玻璃窗或塑料窗。可以使用允许磁场穿过但阻止液体的其它材料。优选地，线圈尽可能地靠近液体。液体与线圈之间的距离优选地小于螺线管内部的直径。线圈11由导电金属(例如铜线)的环路形成。导电线是电绝缘的，例如用护套覆盖，以便使线圈彼此电绝缘并且与液体电绝缘。环路的数量可以在20个至2000个或更大的范围内。每个环路具有内部，并且环路内部的堆叠形成线圈11的内部。在该实施例中，容器不在线圈的内部中，并且线圈不在容器中。相反，容器和线圈在彼此外部。

因此，本发明的一个方面提出了一种向极性液体提供交变磁场以用于改变该极性液体的性质、或用于改变来自所述极性液体中的生物材料的生物响应的方法，该方法包括：提供换能器，该换能器包括由多个环路形成的导电螺线管型线圈；将所述线圈布置在所述极性液体附近驻留或从其穿过的容器处，其中，所述容器和所述线圈在彼此外部；以及向所述线圈施加交变电流，以在所述线圈周围产生交变磁场，其中，所述交变电流具有频率和幅度，使得所述交变磁场对所述极性液体具有影响，从而提供对所述极性液体的性质的改变。人体可以被看作所述容器。

本发明的又一方面提出了一种医疗或非医疗处理方法，包括：向极性液体提供交变磁场以用于改变其性质，或用于改变来自极性液体内的生物材料的生物响应，所述方法包括：将包括导电螺线管型线圈的换能器设置在接近于人或动物皮肤处，并且在预定的时间间隔内向线圈施加交变电流，以便在线圈周围产生交变磁场。其中，所述交变电流具有预定频率和预定幅度。参照图7B，线圈11可以被放置在悬浮平台200上。该平台对于磁场基本上是透明的，至少在设置线圈的位置是透明的，或者出于目的可以具有玻璃窗口或塑料窗口。此外，液体101和线圈之间的距离小于螺线管内部的直径。优选地，平台支撑信号发生器，该信号发生器向线圈11提供交变电流。优选地，线圈11是螺线管型线圈，即圆柱体，其意义是，该圆柱体具有竖直的中心轴线，并且垂直于该轴线的所有截面具有相同的形状，但并不一定是圆形。螺线管的圆柱形细长形状确保位于螺线管附近的液体中的磁场的磁力线基本上平行于螺线管的纵向轴线。线圈可以被设置成邻近于或者安装在容器的壁、盖或底部。平台200或任何其它支撑/悬浮装置设置在线圈11的外部和液体101之间，如图7B所示。本发明的另一方面提出了一种向极性液体提供交变磁场以用于改变其性质或用于改变来自极性液体内的生物材料的生物响应的方法，该方法包括：提供换能器，该换能器包括由极性液体的表面上的支撑件支撑的导电螺线管型线圈，其中，所述支撑件和极性液体在线圈外部；以及向所述线圈施加交变电流以便在线圈周围产生交变磁场。其中，所述交变电流具有频率和幅度，使得所述交变磁场对所述极性液体具有影响，从而提供对所述极性液体的性质的改变。

参照图7C，换能器100具有螺线管型线圈11，螺线管型线圈11的内部对液体开放，采用磁场的单向部分以改变极性液体的性质，同时屏蔽线圈外部的磁场的另一部分。当换能器100被浸入极性液体中时，线圈的内部可以通入液体。因此，该部分液体受到基本单向的(在特定时刻)磁场部分的影响。至于磁场的外部部分，希望消除其对液体的影响。螺线管的端部也潜在地具有不利的效果，因为磁通量的会聚线的极性彼此相对，所以也希望减小或可能排除该效果。

优选地，线圈11是螺线管型线圈，即圆柱体，其意义是，该圆柱体具有竖直的中心轴线，并且垂直于该轴线的所有截面具有相同的形状，但并不一定是圆形。螺线管的圆柱形细长形状确保螺线管内部的磁场的磁力线基本上平行于螺线管的纵向轴线。线圈的高度可以在3cm至50cm的范围内。环路的数量可以在20个到2000个的范围内。每个环路具有内部，并且环路内部的堆叠形成线圈11的内部。线圈11的外部区域，以及优选地螺线管的端部，被包层20覆盖，包层20也被称为容器或盖罩(cover)。

包层20用于在系统浸入极性液体并且被操作时，防止导电螺线管型线圈外部的交变磁场的一部分穿透极性液体。包层20可以由铁磁材料制成，可能由相对导磁率为100至5000并且有可能更高的低碳钢或不锈钢或其它合金制成。其它材料也可以用于包层20，其将引导来自液体的外部场并且将该外部场引入材料。包层可以形成在螺线管的外表面上或与其相邻。在一个实施例中，包层基本上是围绕螺线管型线圈的圆柱体。在另一个实施例中，包层包括如图7C所示的圆柱体21。

包层的端部部分22在螺线管型线圈的端部处横向于包层的圆柱壁21。包层覆盖线圈的端部，以便尽可能多地将液体与螺线管端部的磁场部分屏蔽开。在一个实施例中，一些填充物被设置在涂层20和线圈11之间。优选地，填充物不能被液体渗透。包层20可以被看作铁磁外“芯”，其被用于在磁极(螺线管的端部)处对磁场进行整形，以将瞬时极性的模糊性最小化，并且完全捕获螺线管外部的磁场。在操作中，换能器被浸入在液体中，使得通道的两端可被液体通入。换能器可以是固定的或者移动通过极性液体的本体，以便增加吞吐量。换能器可以在小船或者可以在使其移动通过水域的东西(例如船)的后方被拉动通过水域。可以通过将换能器安装在船的前方或船的旁边来推动换能器。可以将换能器安装在小船或任何其它货船的前面，或者朝向货船的前端安装，以便降低水的粘度并允许货船更有效地移动。

在一个实施例中，信号发生器被安装在移动的筏上，该移动的筏也使浸入式换能器移动。换能器100(图7C)还包括信号发生器(未示出)，用于产生交变电流并将其提供给线圈11。因此，本发明的一个方面提供了一种用于向极性液体提供交变磁场以用于改变其性质或用于改变来自极性液体内的生物材料的生物响应的系统。该系统包括PCD装置，该PCD装置包括：用于生成交变电流的信号发生器；以及用于浸入极性液体中的换能器，该换能器包括：导电螺线管型线圈和铁磁包层。该导电螺线管型线圈用于耦合至信号发生器，以用于响应于交变电流来提供交变磁场，所述导电螺线管型线圈由多个环路形成，每个环路具有内部，所述环路内部形成所述导电螺线管型线圈的内部，其中，所述导电螺线管型线圈的内部具有用于当换能器被浸入极性液体时供极性液体通过的通道。所述铁磁包层围绕所述导电螺线管型线圈并与其电绝缘，以当所述换能器被浸入极性液体中并且被操作时，防止导电螺线管型线圈外部的交变磁场的一部分穿透所述极性液体。

上述换能器与信号发生器(例如发生器910(图5))一起可以被用于改变性质装置(PCD)中，用于执行本文所公开的方法，包括：在第一位置处设置位于极性液体附近或者至少部分地浸入所述极性液体中的第一换能器，步骤810(图8)，以及操作信号发生器以向所述换能器提供交变电信号。其中，所述交变电信号具有频率和幅度，以使得所述换能器产生具有磁通量密度的所得交变磁场，从而改变所述极性液体的性质，其中，所述交变磁场中的一部分穿透所述极性液体，以在距离所述换能器至少1米的距离处对所述极性液体产生影响并且提供对所述极性液体的性质的改变，其中，所述性质是气体交换率并且所述改变是改变至少5％(步骤820)。可替代地，在所述位置处的极性液体的其它性质也可以被改变：表面张力可以改变至少1％，或者粘度可以改变至少0.5％，或者冰点可以改变至少0.5℃，或者蒸汽分压可以改变至少1％。为了采用磁场的基本上单向的部分，在一个实施例中，当换能器被浸入所述液体中时，所述换能器外部的液体被基本上防止穿过线圈的内部，并且在另一实施例中，当换能器被浸入所述极性液体中时，所述导电螺线管型线圈外部的一部分交变磁场被基本上防止穿透所述极性液体。

参照图6，上述的换能器可以被用于包括至少两个换能器210和230以及控制中心250的多换能器系统中。每个换能器包括线圈，该线圈用于在提供有交变电流时产生磁场。优选地，所述换能器是圆柱形线圈并且包括如上所述的端部件。然而，也可以使用在控制中心250的控制下的其它换能器。优选地，每个换能器电连接到其自身的信号发生器。如图6所示，第一信号发生器220向第一换能器210提供交变电流，并且第二信号发生器240向第二换能器230提供交变电流。在另一实施例中，一个信号发生器向两个或多个换能器提供电流。

回到图6，换能器可以被放置在器皿或开放的水体或淤泥等260中。通过示例的方式，可以将各自结合换能器并且优选地结合信号发生器的浸入式装置201和202放置在彼此之间间隔距离D(20cm≤D≤300m)处，并至少部分地浸入在工业池、河流、湖泊或海洋中。控制中心250可以位于岸上或其它位置处，并通过任何通信协议(优选地无线地)与设备201和202通信。在一个实施例中，可以在没有控制器的情况下部署多个换能器。换能器可以彼此独立地运行，或者经由对等协议而彼此合作。

我们已经发现，通过在极性液体或水体中放置两个相同的换能器，例如两个线圈换能器，可以根据这两个换能器如何工作来获得不同的效果。这提供了一种方便的方法，其中可以控制极性液体的所需性质，例如粘度、表面张力、气相中的平衡分压、最大溶解气体饱和浓度、蒸发热、以及极性液体的冰点或沸点。

可以一起使用两个或多个换能器，并且由相同的控制中心控制所述换能器，其中，这些换能器中的电流的频率是相同的，并且第一交变电流和第二交变电流是同相位的，具有零度相位关系，以增加对极性液体的改变。我们已经发现，通过利用具有相同频率交变信号并且其中信号是同相位的两个换能器10，界面传质速率比由单个换能器所提供的增加进一步地增加。通过示例的方式，当引入具有相同频率和相同相位的第二换能器时，由单个换能器提供的界面传质速率的16％的增加进一步地增加到20％；换能器应该间隔适当的距离以使期望的效果最大化。例如，多个换能器可以沿着诸如通道的水体被间隔开，以便改变换能器围绕其放置的通道区域中的水的冰点温度。调节提供给两个换能器的两个信号之间的相位，使得两个信号异相，即通过改变量使相位偏移或偏斜，会减弱所期望的效果。性质改变减小到接近或大约为零，在这种情况下，换能器几乎没有或没有影响。尽管如此，由于使相位偏斜减弱了所期望的效果，所以通过以(逐渐地)小偏移来调节相位的方式进行调整是可以实现对所期望效果进行控制的方式。例如，利用具有同相位信号的两个换能器所实现的界面传质速率的20％的增加，可以通过相应地使相位偏移而使之减小到10％。

此外，可以一起使用两个或多个换能器，并且由相同的控制中心来控制，其中，这些换能器中的电流的频率彼此不同，以用于改变极性液体的性质，所述改变与单独由一个换能器所引起的改变相反。该相反的改变被理解为与当液体还未被磁场处理时的性质的基准相反。所述基准是在一个或多个换能器被开启并且以任何方式影响液体之前的液体的自然状态。通过示例的方式，一个换能器可以增加用于测量高于表征未处理液体的基线的液体性质的特定参数，而具有偏移频率的两个换能器将相同参数降低至低于基线。

我们已经发现，两个换能器之间的甚至1Hz的频率差异也改变对极性液体的影响，降低了比未处理的极性液体的界面传质速率低的界面传质速率，而不是增加了界面传质速率。界面传质速率是可以改变的许多性质中的一者。在频率上具有5Hz偏移的情况下发现了相同的效果。如果我们逐渐地偏移相位，则该效果越来越衰减直到为零。这是重要的，因为它允许我们控制效果的强度。

有利地，本文所公开的系统可以放置在可以将其容纳的任何液体内。它可以根据需要按比例放大或缩小大小。不同的工业应用可以规定我们的装置的不同的放置深度。在大多数开放的水体中，补救工作是由水体表面上的氧转移来驱动的。在优选实施例中，将一个或多个换能器放置在具有悬浮装置的水面附近以适应波动的水位。相反，现有技术的系统中(其需要位于水在其中流动的管道或导管的外部)需要允许磁场穿透和流过而不显著地影响磁场的管道。此外，这种系统不能被容易地从一个位置移动到另一位置。一旦被固定到管道上，该系统通常被保持在适当位置。

在此描述的换能器或多个这种换能器，被间隔开并且处于各种操作模式中，可以用于通过在低强度磁场的存在下增加溶解氧的水平和增加氧化还原电位(oxidation-reduction potential，ORP)来改变水体中的水条件，以促进好氧细菌和添加的硅藻的生长，作为抑制残留氨浓度和蓝藻菌等的生长的手段。

由于水的富营养化所导致的死水中的过多的蓝藻菌是世界范围内的问题，特别是由于蓝藻菌的植物分泌物可能是有毒的事实。

目前，湖和水库的死水中的蓝藻是通过利用悬浮结构的生物力学设备来处理的，这是基于通过培育特殊的水生植物来生物还原水中的磷和氮的原理。这些设备的缺点是效率低，需要考虑植物生长以及由于植物的植被期而受到的限制。

因此，本发明提供了可行的成本有效的系统和方法，用于显著地减少位于大水体中的残留氨和蓝藻菌(通常被称为蓝绿藻)的存在性。已经发现，利用硅藻来播种(seed)水体减少了蓝绿藻华(algal bloom)或红潮藻华的存在性。然而，并没有发现，仅靠这种处理总是足够可靠且有效的。

根据本发明，提供了用于减少残留氨和/或蓝绿藻的存在性的方法，该方法包括：利用硅藻群体来播种水体；如果由水体的化学组成所保证，则添加少量的硝酸盐和微量营养素，并且通过将换能器浸入水中并且在水体内提供磁场来改变水体的一个方面，使得在存在高ORP和更多的溶解氧的情况下，水中的硅藻和硝化细菌与不提供磁场时相比被“活化”。

本文公开的方法的出乎意料且意想不到的方面是，非常低强度的交变电信号可以影响水的溶解氧含量、ORP(氧化还原电位)和其它物理化学性质，并且结果是，硅藻和硝化细菌的生长距离信号源50米或更远。我们相信这种效应是目前为止描述的多米诺现象的功能，由此改变了经受磁场的水分子的某些性质，影响了其它附近的分子，并且重复相当远的距离。

硅藻是具有二氧化硅细胞壁的单细胞藻类。硅藻可以在其生长期间同化氨和硝酸盐。与不具有内膜的蓝藻菌不同，硝酸盐可以迁移通过硅藻的细胞膜，并在硅藻内被还原成氨，然后被转化为用于硅藻的生长和其通过细胞分裂进行繁殖的氨基酸。另一方面，水中铵离子的存在性对于蓝藻菌的孢子和异形细胞的萌发是必需的。蓝绿藻和硅藻对水中氨的竞争也可能受到水中氮磷比(N:P)的影响。

已公开的研究表明，硅藻、蓝藻菌(蓝绿藻)和叶绿素(绿藻)竞争性吸收氨和硝酸盐。当生物需氧量(BOD)超过5ppm时，硅藻，特别是由梅尼小环藻(Cyclotellameneghiniana)、尺骨针杆藻(Synedra ulna)和各种菱形藻(Nitzschia)物种的组合而成的物种具有高的硝酸盐吸收速率。

在由一个或多个换能器产生的高溶解氧和ORP(+50至+350mV)环境下，大部分铵离子被水体中存在的好氧硝化细菌氧化成硝酸盐。然而，当存在大量有机淤泥时，它竞争水中的溶解氧，如由在夜间水体中溶解氧反复下降到接近零所证明的。水体中铵离子的存在性将很可能持续，直到污泥诱导的对溶解氧的竞争性需求开始下降。因此，蓝绿藻的持续存在性也将一直持续到水中有足够的溶解氧和/或硅藻以消除水中任何氨和/或磷酸盐的显著存在。单独利用硅藻来播种水体将不能有效地且一致地抑制蓝绿藻的生长。

然而，利用硅藻来播种水体并且通过将换能器浸入水体中来使水体经受磁场，可以随着时间的推移来减少水体中的蓝绿藻的含量。

为了影响待处理的水体，磁场必须能够在某点处穿透待处理的水，从该点处多米诺效应行进通过水体至将磁场引入水中的换能器的紧邻附近处之外。这可以通过根据由信号发生器产生的信号产生电流来实现。具有预定频率和预定幅度的正弦波被用于生成用于向执行器或换能器提供所需电流的所需信号，这导致在换能器周围和外部产生从换能器发出的磁场。提供浸入在待受影响的液体中的换能器具有许多优点。例如，通过交变信号供电的这种类型的适当大小的换能器可以用于通过将待处理的液体样品直接地引入其中来改变湖泊、池塘、污水池、蓄水池、雨水池和类似水体中的水的性质。此外，这种类型的换能器在毫瓦范围内以非常低的功率工作，以具有远距离到达的效果。我们已经发现，根据本发明的适当尺寸的换能器能够随着时间的推移影响距离放置换能器位置处几十米远的水中溶解的氧的含量。对于我们使用的换能器，在出乎意料的情况下，在约2.5kHz下的频率和约133微安的信号能够产生在开阔水中在远离处理点超过40米处可测量的效应。

本文公开的方法可以包括：利用所述换能器将大水体内的已播种的硅藻暴露于低功率交变磁信号。取决于水体中的残留氨浓度和蓝绿藻的存在程度，水体中的有效活性硅藻浓度应在每毫升(ml)100个至10000个中间计数的范围内。考虑到成本效益，优选的活性硅藻浓度为每毫升1000个至5000个中间计数(medial counts)/ml。对于需要大量和加速处理的水体而言，优选地将活性硅藻浓度维持在每毫升10000个中间计数以上。高溶解氧和生长的硅藻的存在性将促进鱼群的增长。硅藻的生长以及通过鱼所进行的消耗将恢复水体的平衡生态。具有硝酸盐和/或微量营养素的活性硅藻可以来自商业供应商，例如，LakeSavers、Nualgi Ponds等。

可以通过在播种之前首先向水井提供低功率信号，并且在播种发生之后以一段时间继续提供该信号来对水体进行预处理。

可替代地，如果在水体中没有鱼并且溶解氧浓度低于3毫克/升(mg/l)，则优选地首先由如上所述的用低功率信号供电的换能器来处理水体，直到在引入活性硅藻之前溶解氧水平始终高于3mg/l。随着持续施加低功率信号，优选的溶解氧水平应该始终高于6mg/l并且ORP始终高于+150mV。在播种活性硅藻之后并且当活性硅藻浓度为每毫升至少1000个中间计数，优选地每毫升5000个或更多个中间计数时，可以将自然鱼引入水体中以保持生态平衡和，并且抑制藻华和有害物种(例如水蚤)的侵染。

在另一实施例中，水体中的溶解氧可以是6mg/l。在将活性硅藻播种到水体中之前或之后依然应当立即部署具有低功率信号的换能器，以使ORP始终保持高于+150mV，并且使活性硅藻和硝化细菌“活化”。

在连续输入营养物的废水池中，应用具有低功率信号的换能器可以持续地保持高于3mg/l的高溶解氧水平，高于+150mV的ORP，以及高于每毫升1000个中间计数的活性硅藻浓度。

如果在处理过程中，活性硅藻浓度应该低于每毫升1000个中间计数，则可以进行将活性硅藻向水体中的另一次播种，其目的是在水中始终保持每毫升2000个至5000个中间计数的活性硅藻浓度，直到已经实现目标残留氨浓度和对蓝绿藻的所需控制。

在另一实施例中，如果目标水体的活性硅藻浓度高于每毫升5000个中间计数，则单独地施加低功率信号而不用进行进一步的活性硅藻播种就可以足以实现目标残留氨浓度和对蓝绿藻的控制。

如果目标水体被固体冰层覆盖，则对低功率信号的部署将伴随有水下空气扩散器，以提供足够的氧源，从而将水中的溶解氧水平和相关的ORP提高到优选的高于6mg/l的溶解氧水平和高于+150mV的ORP。

根据本发明，可以通过在水体中利用交变磁信号在跨越大的水面上产生高溶解氧和ORP，同时播种硅藻和添加少量的硝酸盐和微量营养素(如果需要的话)以促进硅藻的生长并抑制蓝绿藻孢子的萌发，来保持健壮的活性水生环境。同时健康的天然鱼群将有助于维持所需的水体生态平衡。

总之，我们已经发现，通过提供适当设计的换能器，在不考虑水的传导性的情况下，我们能够在远离效应器所放置并浸入大水体的地方至少150米处影响水的物理化学性质。此外，这可以使用非常低功率的信号来实现，该信号可以通过太阳能电池板和用于能量存储的随附电池来进行供电。我们相信，这种方法与利用硅藻来播种水体以及如果需要的话，利用少量硝酸盐、微量营养素和该区域本地的鱼群相结合，可以具有深远的效果，并且可以显著地减少湖泊、池塘、溪流或池塘中存在的残留氨、蓝藻菌和/或水生昆虫的侵染。

在一个实施例中，目前为止描述的换能器和信号发生器被用于分离乳液中的不同成分，其中一种乳液是极性液体。水包油是本发明所涉及的许多乳液中的一种。然而，大体上，本公开涉及形成乳液的极性液体和非极性液体的分离。

在油田和炼油厂中，从水包油乳液中去除油是重要过程。当与诸如化学去乳化、重力或离心沉降、pH调节、过滤、热处理、膜分离等方法相比时，利用电场的方法被认为是有吸引力的，因为对于许多水去除应用而言，其具有提高生产量、节省空间和降低操作成本的潜力。在1911年，首次演示了利用电场从原油的水-油混合物中分离水，并且已经进行了超过一个世纪的大量研究，以优化该方法并扩展原始思想。利用磁场将油从水中分离是已知的，由此将具有磁属性的颗粒物添加到乳液中，并结合到油上，并且使用磁体将这些物质连同油一起从水中抽出。尽管这些电/磁构思中的一些构思可能具有一些益处，但是已经证明这些构思中的很少的构思对于商业化来说是成本有效的。在乳液成分的分离领域中具有显著的改进空间。

在一个实施例中，两个间隔大约1米距离的换能器被固定在混合室内壁上，在混合室底部或距离混合室的底部大约10cm处，与混合室的入口相对。

在一个实施例中，可以将一个或多个具有对准的频率、相位、幅度的换能器固定在传统的分离器腔室中并位于靠近分离器腔的入口的内壁上，例如溶解式或分散式空气浮选单元，以允许磁场改变物理化学性质，例如降低极性液体的粘度以实现非极性聚结液滴的更高的沉降/上升速度，从而实现加速的分离。

在溶解式空气浮选单元的情况下，分离特别缓慢，因为非常细小的气泡从溶液中沉淀出来并自身附着到非极性液体颗粒上，这将趋于非常缓慢地上升。如本文所公开的影响液体性质的磁场可以提供更大的浮力和更快的非极性颗粒的上升。

本文所公开的方法还可以降低极性液体的粘度。这种较低的粘度将允许分散式空气浮选单元中的聚结的非极性液体颗粒和/或气泡更快地上升通过极性液体并加速分离。

在该实施例中，该方法将提高溶解式空气浮选单元和分散式空气浮选单元的处理能力。

在另一实施例中，位于美国石油学会(American Petroleum Institute，API)油/水分离器的入口附近的弯头内的换能器将在流过换能器的乳液上施加指定的磁场。当乳液平缓地流过API油/水分离器内的板时，在极性液体中处理效应可以扩展并且持续。经磁性处理的极性液体的较低粘度可以促使非极性液滴向API油/水分离器中的板更快速地迁移，从而导致分离器的更快的分离和更高的处理能力。

在该方法的另一实施例中，在从作为乳脂的水乳液的原乳中分离乳脂的过程中，被放置在靠近入口的底部10cm处的储乳罐的内壁上或悬挂在该储乳罐中的换能器可以在流经该换能器的原乳上施加指定的磁场。当牛奶受到离心机内部的离心力时，处理效应可以在极性液体中扩展并且持续。经磁性处理的极性液体的较低粘度可以促使非极性液滴(乳膏)向离心机中心更快速地迁移，从而导致分离器的更快的分离和更高的处理能力。可替代地，该方法可以允许离心机的较低旋转速度，从而在从原乳中分离乳脂中具有较低的资本成本和操作成本。

为了影响待处理的乳液，磁场应该能够在某点处穿透待处理的极性液体，在该点处受磁性影响的极性分子的作用迁移通过极性液体，超出将磁场引入到乳液中的换能器的紧邻范围。因此，性能(例如表面张力)的改变通过这种多米诺效应到达很远的距离。受影响的水分子影响其它附近的水分子，并且出乎意料地向外持续一段距离。这可以通过根据由信号发生器生成的信号产生电流来实现。具有预定频率和预定幅度的正弦波被用于生成期望的信号，该期望的信号用于向换能器提供期望的电流，这使得在换能器周围和外部产生从换能器发出的磁场。提供被浸入在待受影响的液体中的换能器具有许多优点。在较小的容器中处理乳液是可行的。

本发明的一个实施例涉及使用目前为至所描述的换能器来加速木浆的氧脱木素中的气态氧的吸收。当气态氧和纸浆浆料进入混合器时，气态氧在纸浆浆料中分散成的小气泡。混合器将气态氧和中等稠度(85％至90％的水)的木浆浆料的所得混合物泵送到高压氧脱木素反应器中。氧溶解在木浆的水相中并与木浆中的木质素反应。为了加速氧的溶解，可以采用一个或多个目前为至所述的换能器。

可以在木浆浆料中设置一个或多个换能器，可能将其设置在氧脱木素反应器的入口附近的内壁上，以使木浆浆料在反应器中驻留期间该木浆浆料暴露于换能器的效应最大化。木浆浆料在反应器中典型的30分钟至120分钟的驻留时间对于使换能器帮助加速氧从气泡转移到木浆中的水中是足够的。基于实验数据，已经证明与未处理的参考情况下相比，适当地调节以加速气体在水中跨越气/水界面的传输速率的换能器实现了高20％％至40％的速率。净效应是氧脱木素反应器的处理能力的提高或在木浆通过反应器的过程中实现从气泡到木浆的水中的所希望的氧转移速率所需的操作压力的降低。高资本成本是常规氧脱木素过程的主要缺点。具有适当信号的换能器将显著地降低氧脱木素过程的资本成本和/或反应时间。

因此，本发明的一个方面提出了木浆的氧脱木素的方法，该方法包括：向木浆提供氧；在纸浆浆料中或纸浆浆料周围提供换能器，并且向所述换能器施加交变电流以产生交变磁场，其中，具有频率和幅度所述交变电流使得所述交变磁场在距离第一换能器至少1米的距离处对纸浆浆料中的水产生影响，并且提供对气体交换速率的至少5％的增加；向脱木素反应器提供混合有氧气并受到所述交变磁场影响的纸浆。优选地，换能器设置在所述脱木素反应器中的入口附近的内壁上。

存在许多异相化学反应，其中，可应用的化学物从气相转移到极性液体中的转移速率是反应速率限制步骤。通过将一个或多个具有适当调整的频率、幅度和相位的换能器放置在反应器的壁上或极性液体的储液罐上，以改变极性液体的性质，从而加速极性液体中通常分散的气泡跨越气/液界面的界面气体转移率，可以实现更高效且成本有效的化学反应过程。换能器可以设置在容器内，例如设置在壁的内表面上，或者设置在壁的外表面上，然后壁应该是磁透明的，例如具有磁透明的窗口。壁被理解为侧壁、底部或顶盖。

本发明的另一个实施例涉及使用目前为至描述的换能器来减少工业过程中的干燥时间。图10是采用双线长网造纸机(Fourdrinier)成形工艺的典型造纸机的示意图。在原料制备部分，通过将进入的纸浆配料与从在造纸机的双线排水部分(湿端或成形部分)下的白水(white water)贮存器(线槽(wire pit))回收的白水混合，生产由99.3％至99.9％的水组成的水混合物中的纸浆配料浆料。白水是在成形部分的后部通过抽吸并且从成形部分的前部通过重力从纸浆浆料中排出的工艺水。然后将纸张压靠在辊上的毡带上，以将水从纸张转移到湿压榨部分中的毡上。在随后的干燥部分中，利用蒸汽通过一组辊来加热纸张，以通过蒸发将水去除。然后通过一组压光辊对纸张进行压制，以获得所需的厚度和表面光滑度。长网造纸机的生产能力受限于湿端的排水率、从纸张到湿压榨部分中的毛毡的水流动率、以及干燥部分的水的蒸发率。磁性处理的水的改进的性质(降低的水粘度)允许水从纸浆浆料中更快地排出，该纸浆浆料通过重力以或者大约0.1％至0.4％的固态稠度从流浆箱以薄片(Slice)形式被供给到造纸机的成形部分的快速移动(200m/min至2500m/min)的线网上。当片材离开成形区并进入湿压区时，片材的稠度将为约25％的固态，片材将以约40％至55％的固态稠度离开湿压榨部分。纸张将以约2％至12％的水分含量离开随后的干燥部分。片材中的磁处理的水的较高的平衡蒸汽分压可以允许更快的干燥速率和更低的能量消耗。

在一个实施例中，一个或多个目前为止所述的具有对准的频率、相位和幅度的换能器被放置在壁上的白水线槽中，并且远离出口，该出口通向风扇泵的吸入口，该风扇泵将白水循环回造纸机的成形部分。具有对准的频率、相位和幅度的一个或多个换能器可以远离白水箱(未示出)和/或流浆箱的相应出口进行放置，以提供特定磁场对白水的最大暴露，并且纸浆浆料在成形部分循环。优选地，所有换能器被同步以产生具有相同频率、相位和幅度的交变电信号。优选地，在该过程中，不同组换能器的相应频率、相位和幅度是基本上对准的。微小的不对准将减少目标处理对过程的影响。

通过操作的优化，可以增加或减少换能器的数量，以实现最理想的成本效益。

在另一实施例中，换能器可以被放置通过成形部分中的管道弯头，作为放置在罐体中的换能器的替代物或者补充。在一个实施例中，如果多于一个换能器被放置在罐体内，则换能器被布置在罐体的相对壁或相对角上。

根据造纸机的具体配置，随着成形部分中的白水和后续处理部分中的纸张的磁场处理，生产能力预期增加为大约5％至30％。

不同干燥操作的流速从高端造纸到低端药物跨越很宽的范围。液相可以包括但不限于水、醇和许多不同的极性和非极性溶剂。最终产品可以包括纸张、板、纸浆、塑料、汽车涂料等、无定形颗粒或粉末、谷物、玉米、切碎的蔬菜、线体(例如面条)等。所有这些物质在其制造过程中都需要干燥。

此外，根据本文所公开的方法，可以放置多个具有频率、相位、幅度和间隔距离的组合的换能器，以便在不添加化学物的情况下实现对极性液体的性质的改变。

极性液体可以形成河流、湖泊、池塘、泻湖或其它水体。将交变电流施加到换能器可致使极性液体中的溶解氧或其它溶解气体的增加。可以在给换能器通电之前，之后或同时，向极性液体加入硅藻，以便随时间来减少极性液体中的蓝藻菌、藻华、氨、磷酸盐或总体氮。

由一个或多个换能器处理的极性液体可用于水产养殖，特别是用于生长水生动物，例如鱼或虾。可选地，可以将硅藻、氧和/或空气添加至极性液体。我们相信，本文公开的方法对鱼和/或虾养殖是有益的。通常，虾养殖在大型池塘中进行，并且这些池塘经常需要机械式曝气机，以在夜间在水中保持3mg/l的最低可接受的溶解氧浓度，并且由于鱼/虾废物沉积在这些池塘的底部，在一段时间之后需要对这些废物进行疏浚或排空。

本发明的一个方面涉及鱼和虾的养殖。原位消化鱼类废物的生化过程与消化人类污水的生化过程不同。然而，鱼类废物通常由鱼饲料中的成分表征。鱼饲料中的任何不希望的污染物，例如重金属、无机化学物，将在鱼类废物中出现。获得与鱼饲料和鱼类废物中的无机化学物(包括重金属、氯化物和硫酸盐)相关的信息，以确保原位废物消化过程不会成为在鱼池的水中积累无机化学物(特别是重金属)的途径将是有用的。

关于鱼会以鱼类废物为食的说法在科学上是可疑的，特别是如果鱼饲料颗粒是可利用的情况下。这一观察结果可能与鱼试图索取掩埋在堆积的鱼废物下的鱼饲料颗粒相混淆。因此，如果大部分的鱼饲料，特别是那些颗粒状的饲料，被掩埋在厚的鱼废物下面，鱼的生长将会受到抑制。

如果允许氨从鱼废物的持续排放中积累，则较高浓度的氨将降低鱼类种群的健康恢复力。不仅对于鱼或虾而且对于将消化鱼或虾废物的好氧菌，通过利用我们的具有适当频率和振幅的信号的传感器可以帮助增加水中的溶解氧(dissolved oxygen，DO)。氧化还原电位(ORP)的升高和好氧硝化细菌的不断增加，将促使水中的化学平衡从氨水变为硝酸盐，从而促进浮游植物和浮游动物的生长，这两种生物都是鱼类的理想食物。鱼饲料与鱼生长重量的比的下降可能是在鱼塘中部署传感器的额外益处。鱼塘中的最高产的水并不是具有高清澈度的水。栖息有浮游植物和浮游动物的稍呈褐色或浅绿色的水对鱼和虾的生长更健康也更为有益。

我们相信，在我们通电的传感器的存在下，鱼的生长速度会更快。但是，可以定期监测水中的pH值和无机化学物的浓度，以避免来自鱼饲料的溶解固体(例如硫酸盐和氯化物)的浓度升高。如果在通电传感器存在的情况下，在现场消化鱼废物的过程中，观察到水中的“总溶解固体”继续上升，则需要制定这样的计划：定期排出一小部分水并且用新鲜消毒水代替，以维持对于鱼类种群而言健康的生长环境。放水量将由水中化学物的累积速率来决定。优选地，使用紫外线或双氧水对补充的水进行消毒。应避免使用用于水消毒的氯化化学物，以尽量减少氯化有机物进入水中。

除定期放水以外，特别是在持续受到重金属污染的情况下，可以在鱼塘岸线种植已选的水生植物，通过水生植物的吸收和生长，去除重金属和积累的无机化学物。这些水生“森林”将为某些鱼类提供产卵场所。

如果需要对养殖的鱼类持续供应活饲料鱼，则应当严格监控供应链的质量，以避免无意地从受污染的饲料鱼种群中引入疾病和化学物。

使用我们的传感器的好处是多方面的。由于跨越空气水屏障的有助于鱼/虾生长的气体传质速率，水的氧化增加，并且对这些鱼虾池塘的排水和清洁要求降低。

在水中存在高DO时，通过好氧细菌对鱼或虾废物的原位消化会增加氧化化学物质(例如硝酸盐)的浓度，并且提高水体的ORP，这将抑制水产养殖操作中的许多典型病原体和病毒的存在性和活性。

根据本发明的方法具有一些其它优点。通过示例的方式，通过在不使用机械式曝气机或向可应用的水体中添加氧化性化学物的情况下，在可应用的水体底部的淤泥上方直接地保持水中的至少1mg/l，优选地高于3mg/l至4mg/l的溶解氧浓度，我们可以抑制受重金属污染的沉积物和/或河岸中有机金属化合物的形成和/或释放到水体中。

在另一方面，我们的方法可以在适用稻田的水中不使用机械式曝气机的情况下，在水饱和的土壤中的氧化还原电位为+150mV或更高的条件下，通过抑制土壤颗粒中砷的释放，以使对稻米的砷污染最小化，或者在适用的水体中不使用机械式曝气机的情况下，通过在整个水体中将氧化还原电位保持在+150mV或更高，来抑制对包括池塘、湖泊、河流、河口和地下水的水体的砷污染。

本发明的一个方面涉及使用一个或多个PCD装置，所述PCD装置具有被至少部分地浸入长度为至少15英尺的水体中的换能器，其中，每个换能器包括导电螺线管型线圈，并且交变电信号被施加到所述线圈，以便在所述线圈周围产生交变磁场，其中，所述交变电流具有这样的频率和功率，使得所述交变电信号在水中、废水中、污水中或淤泥中产生所得磁通量，使得邻近于换能器的水分子受到该交变磁通量影响，以影响其它更远距离的水分子，从而引起距离换能器至少3英尺远的链式反应，其中，交变频率和磁通量密度引起3mg/l或更高的升高的溶解氧(DO)浓度以及水的ORP至少为150mV，以减少重金属(例如汞)被淤泥中的厌氧细菌甲基化，并且将装置附近的相应重金属(例如汞)的污染降低至少20％，优选地减少80％。在施加信号的几个月内可以达到高降低值，例如降低95％，甚至降低99％。

本发明的另一方面涉及使用一个或多个PCD装置，所述PCD装置具有被至少部分地浸入长度为至少15英尺的水体中的换能器，其中，每个换能器包括导电螺线管型线圈，并且交变电信号被施加到所述线圈，以便在所述线圈周围产生交变磁场，其中，所述交变电流具有这样的频率和功率，使得所述交变电信号在水中、废水中、污水中或淤泥中产生所得磁通量，使得邻近于换能器的水分子受到交变磁通量的影响，以影响其它更远距离的水分子，从而引起距离换能器至少3英尺远的链式反应，其中，交变频率和磁通量密度使得在施加信号的1到2个月内使装置附近的水的ORP至少为100mV，优选地为150mV或更高，从而减少水体中的砷污染，并且防止对水体中生长的稻米的砷污染。

在一个实施例中，所述PCD装置被用于处理污水的水体，其中，极性液体添加了硅藻。处理的结果可以包括：减少了不希望的病原体，增强了好氧微生物种群，消化了悬浮的固体和淤泥，置换了厌氧微生物以及伴随的臭味等。所述水体可以是湖泊、河流、工业池或海洋。可以在对换能器通电之前或同时将氧气或空气添加到极性液体中。以气泡的形式或通过机械搅拌极性液体来提供氧气或空气。作为对添加氧气或空气的替代或补充，可以将硅藻添加到极性液体中。我们的处理提高了水吸收气泡中的气体的能力。该方法可以包括使用本文所述的换能器和鼓泡器或曝气机来增强氧吸收。而且，通过利用换能器来处理水，自然地从底部向上起泡的气体可以更容易地被吸收到水中，并且由水中的生物种群消耗。

在一个实施例中，所述PCD装置被用于在滴灌或水产养殖之前来预处理极性液体。可以通过本文所公开的方法来辅助滴灌，并且滴灌包括：通过各种机制预处理水来消除堵塞(clogging)；碎屑的沉降，碎屑的消化，生物物质的熟化(湿式堆肥)，使得它们不会在滴灌系统中生长。另外，可以通过水的好氧处理来消除病原体，并且可以通过改变液体中的营养物并使它们更容易获得来增加液体的农业价值。

利用优选的频率和幅度的交变电流来供电的目前为止所描述的换能器可以改变水体的性质，使得与试图清洁或过滤相同水体的大多数其它系统相比，处理后的水在成本和能量方面更具有商业优势。在我们的系统中，水本身并不是被简单地过滤来去除其中的不希望的物质。相反，我们的换能器在操作中可以将有害细菌和有害藻类转化为“液体堆肥(liquid compost)”，以在水中留下微量营养素。在处理水体之后，其可以通过歧管/导管被泵送或流到灌溉系统，最重要的是到滴灌系统。可以通过利用我们的装置的各种机制对水进行预处理来减少或消除堵塞，并且允许碎屑的沉降、碎屑的消化、生物物质的熟化(湿式堆肥)，使得重颗粒堆肥物质不会流入到滴灌系统中。由于使用我们的换能器可以产生的好氧增强，因此可以凭借产生的好氧处理来抑制病原体。

通过使用我们的换能器，较高的气体交换速率将确保水中高水平的溶解氧(DO)。高DO将抑制水中的病原体的生长，病原体中大多数是厌氧物种，例如大肠杆菌(E-coli)、沙门氏菌等。我们相信，通过本文公开的方法提供的交变磁场具有减少磷酸盐浓度、农用肥料流失、悬浮固体、兼性细菌、大肠菌、藻类、浮游动物、害虫、水蚤或蚊子幼虫的效果。

高DO和高氧化还原电位(ORP)将促进溶液中金属(包括铁和磷酸盐)的螯合作用(chelation)，并使它们对于灌溉管中的水中的细菌、浮游植物和浮游动物的生长是不太可行的。我们相信，较低的水表面张力(如受影响的)将使颗粒、活体或其它物质更难以附着到灌溉管的内表面上，而较低的水粘度(如受影响的)将加速悬浮颗粒、活体或其它物质在蓄水池中的大量水中的沉降，从而产生了经由灌溉管分布的水中的悬浮固体的较低浓度。经由灌溉管分布的水中较高的DO将有助于使土壤中的微生物种群活跃。这些条件将刺激硝化过程和土壤中有机物的湿堆肥。将导致植物根系的更健康的生长。

在使水流过滴灌系统之前使用我们的换能器作为水的预处理的其它优点不仅仅是减少或防止滴灌器的堵塞，而且通过在湖泊、泻湖或密闭容器的底部收集沉淀的富堆肥，在经处理的液体堆肥的可用性方面实现了其它优点。

换句话说，滴灌系统或水产养殖系统可以使用用以下方法进行预处理的极性液体，该极性液体使。一种包括导电螺线管型线圈的换能器，所述换能器被至少部分地设置在所述极性液体中，其中，所述线圈由多个环路形成，每个环路具有内部，所述环路的内部形成所述线圈的内部，其中，当所述换能器被至少部分地浸入到极性液体中时，所述极性液体被基本上防止穿过所述换能器线圈的内部，或者所述线圈外部的交变磁场的一部分被防止穿透所述极性液体。向所述线圈施加交变电流，以便在该线圈周围产生交变磁场，其中，所述交变磁场的一部分穿透极性液体，并且交变电流具有频率和幅度，使得交变磁场对所述极性液体产生影响，该影响在距离换能器至少1米的距离处改变极性液体的性质。该性质可以是气体交换速率、表面张力、粘度、冰点或蒸汽分压。然后提供经处理的液体，或使其经过管道或导管流入到滴灌系统或水产养殖系统中。可以对形成一部分河流、海洋、湖泊、池塘或工业池的液体来执行预处理。所述液体可以是水、淤泥或污水。

有利地，本文公开的方法可以在开放的水体、或污水，或包括湖泊、湖泊、河流、渠道、池塘和海洋的其它液体中实施。工业应用包括塔体(column)、罐体、反应器、洗涤器、工业池和管线。

通过能够用简单的反馈回路增加和控制溶解氧的量，我们可以通过将我们的处于开-关-开-关状态的装置控制到期望的水平，来增加、测量和保持溶解氧水平。这允许我们通过在不使用机械式曝气机或向可应用的水体中添加氧化性化学物质的情况下，在整个水中保持高于0.5mg/l，优选地至少1mg/l至3mg/l的溶解氧浓度，来在纸浆和纸张生产中提高废水处理设备的处理效率。

其使用并不限于淡水，因为它可以在存在氧化性化学物(例如硝酸盐)的情况下，通过在整个水体中保持高溶解氧浓度和+400mV或更高的ORP而在可应用的水体中不使用机械式曝气机来处理采矿操作的尾矿池中的废水。

增加水体中的溶解氧可有助于废水和具有第一阶段泻湖的金矿废水中的氰化物和氰酸盐的损毁。这是通过在可应用的水体中不使用机械式曝气机的情况下，在pH值为10的水中维持+400mV的氧化还原电位并持续5小时且优选大于10小时的最小平均停留时间，并且第二阶段泻湖通过在pH值为8.5的水中维持+600mV且优选地为+650至+800mV的ORP并持续至少5小时且优选地大于10小时的平均停留时间来完成的。

通过在不使用机械式曝气机或不向可应用的水体中加入氧化性化学物质的情况下，在可应用的水体底部的沉积物正上方的水中保持至少为0.5mg/l，优选地高于2mg/l的溶解氧浓度，可以在缺乏溶解氧的水体中减少或消除臭味排放。

对于基本上不含污泥中的兼性微生物的有机肥料的生产，是通过在不使用机械曝气器或不向可应用的水体中添加氧化化学品的情况下，将处理泻湖的底部的沉积物正上方的水中的ORP保持在至少+300mV，并且优选地高于+450mV至少3天的时间(对于厚度为3cm的沉积物优选地超过6天，并且对于更厚的沉积物相应的时间更长)来实现的，其中，所述污泥是通过将人和动物产生的有机废物(污水)的好氧消化来产生的。

此外，我们可以在不使用机械式曝气机或不向水体中添加氧化性化学物的情况下，减少或消除缺氧水体中的溶解氧的不足性，所述缺氧水体包括但不限于，海洋、河口、河湾、湖泊和河流中的“死区”、缺氧区或氧最小区。

我们的方法的另一个显著优点是，通过在不使用机械曝气器或不向可应用的水体中添加氧化性化学物的情况下，促进具有始终高溶解氧浓度的好氧群体的生长，可以以相对短的时间量以很小的功率来抑制水体中的藻华并且减少水体上方几米处的生长营养素的可用性，其中，所述藻华包括但不限于，蓝绿藻(蓝藻菌)和赤潮(产生毒素的水生生物，例如膝沟藻(Gonyaulax)、裸甲藻(Gymnodinium)、凯伦藻(Karenia)、鳍藻(Dinophysis)等)。

我们相信，本文上述普遍使用的PCD可以在以下方面起到积极效果：通过抑制缺氧区甲烷和一氧化二氮的排放来对气候变化的逆转提供帮助，并且提高海洋表层的生物生产力，以向大气中的二氧化碳提供全球影响力的沉降(sink)。通过将我们的换能器布置在水体中缺氧区中的特定水塔(water column)上方的水面上，在装置的50m至150m内的水面将保持每天24小时的溶解氧(DO)基本饱和，所述水体包括但不限于，海洋、海湾、河流、河口和湖泊。较高的DO和换能器的存在性将加速水塔顶部100m处的好氧微生物群体的生长。在水塔的顶部和底部之间经历足够的对流传质的情况下，水塔顶部的较高DO可进一步向下朝向水体的底部消除或压缩缺氧区。

结果是从缺氧区排放的甲烷和一氧化二氮速率较低。在好氧条件下，除了氨氧化的副产品，通过微生物种群的氧化亚氮的形成通常受到抑制。类似地，在好氧条件下，在水体底部的淤泥中甲烷的形成也将被抑制，并且增强水体中甲烷氧化菌(methanotroph)的活性。当甲烷的气泡(如果有的话)通过水塔上升时，它们将引发水塔的顶部和底部之间的对流传质。对流传质也将通过风和潮汐运动以及鱼和其它水生动物的活动而增强，所述水生动物在水塔中吸引浮游植物和浮游动物的增加的种群，其由较高的DO和旺盛的微生物种群表征。如果我们操作换能器成功地压缩缺氧区，甲烷的上升的气泡(如果有的话)也将通过具有较高DO、ORP、较高的界面气体交换速率和旺盛的好氧微生物群落的较厚的水塔。在缺氧层和水体的其余部分之间可以存在较大的过渡区。以前的研究已表明，甲烷的生物氧化的很大一部分受到该渡区中的甲烷氧化菌的影响。

通过抑制(如果被影响)缺氧区中的一氧化二氮的形成和水塔顶部50m至100m的较高DO和旺盛的好氧微生物种群，可以减少或消除从水体中的ODZ(oxygen deficient zone，缺氧区)到水塔上方大气的甲烷和一氧化二氮的净排放。

在不引起DO的缺乏的情况下，在高DO环境中存在的鱼和其它水生物种的增长将提高水塔的生物生产力。当藻类的光合作用在阳光下的水中产生过饱和DO时，我们的装置将加速溶解的氧从水中释放到空气中，并且保持水中较低水平的氧过饱和。在我们的处理下，这种较低水平的氧过饱和对于光合反应将具有较低的阻力或抗性，并且有助于在水的顶部表面层保持藻类的光合动力学和生长。通过利用我们的提供了合适的操作流量密度和频率的换能器，将增加太阳下水体的整个顶部表面层的光合作用，并且增加氧气产生和二氧化碳从大气转移到水体(包括海洋)中和被水体消耗的能力。通过部署许多我们的装置，我们相信，我们的发明将有助于通过在海洋中加速的光合作用将大气二氧化碳转化成氧来逆转气候变化的方向。我们可以通过部署PCD作为30000艘货船的附件，在全球范围内航行和访问港口，从而完成将大量的我们的PCD分配到海洋中。我们的PCD也可以部署在沿海地区的现有浮标上以及世界各地的航道上。

由水生物种的生长所引起的溶解的二氧化碳的加速去除将降低水面下的大量水的酸度。水体表面层中改善的生产力将加速大气二氧化碳与水体中营养素的结合，以提高鱼类和其他水生物种的种群的增长。

因此，本发明提供了一种处理水体以增加该水体中的溶解氧含量的方法，所述水体包括水、废水、污水或污泥，所述方法包括：提供极性液体附近或至少部分地浸入该极性液体的装置，所述装置具有容纳在其中的信号发生器，以及具有被至少部分地浸入在水体中并电耦合至所述信号发生器的潜入式换能器；以及操作所述信号发生器以向所述侵入式换能器提供交变电信号，其中，所述交变电信号具有频率和强度，以影响所述换能器产生具有磁通量密度的所得交变磁场，从而在距离所述侵入式换能器至少1米的距离处提供气体交换速率的至少5％的增加。

本文所公开的方法可以应用于化学物制造和矿物选矿，使得在化学物制造中气态化学物加速吸收到水溶液中或从水溶液中解吸，所述化学物包括但不限于硫酸、盐酸、过氧化氢、硝酸铵、氰化钠等，并且该方法应用于在反应容器中使用气态消毒剂来处理水，所述气态消毒剂包括但不限于，氯、二氧化氯、臭氧等。

可以将适当调整的换能器设置在水或含水化学溶液的储液箱的壁上或者储液箱的入口附近，以使水或含水化学溶液暴露于换能器的时间最大化，使得在随后的洗涤器或吸收塔中，经处理的水或含水化学溶液将经历气相中的目标化学物向液相的加速转移速率。对于该处理过程而言，在储液箱中的15分钟至60分钟的停留时间将是足够的。如果化学水溶液是高腐蚀性的，则可以将换能器放置在罐体外侧的壁上，并且通过玻璃、塑料、陶瓷或类似材料的磁场透明窗口来传输该换能器磁通量。这种配置将显著地提高制造上面列出的化学物的过程效率，其中，气相中的目标化学物需要在具有或不具有可应用的填料的洗涤器、吸收塔中被液相吸收。

本文公开的方法可用于气体萃取或气体纯化，包括碳捕获，导致分别在吸收和解吸容器中的化学水溶液中的气体的加速吸收和解吸，用于气体(包括但不限于氧气、二氧化碳、硫氧化物，氮氧化物等)的萃取或纯化。

在碳捕获方法中，目前最有竞争力的方法是使用胺水溶液在吸收塔中吸收气相中的二氧化碳，并且在随后的解吸塔中通过加热溶液来释放二氧化碳。在吸收塔中二氧化碳从气相到胺水溶液(贫胺溶液)的转移速率是速率受限步骤。在解吸塔中二氧化碳从加热的胺水溶液(富胺溶液)到气相中的转移速率是速率受限步骤。图9示出了使用胺水溶液的典型二氧化碳萃取方法的简化流程图。该系统包括吸收器710、汽提塔720(也被称为解吸塔720)、再沸器730、交叉热交换器740、和冷凝器750。吸收塔710和解吸塔720通常都填充有填料，该填料为即将与逆流气体接触的胺水溶液提供广泛的表面积，以提高界面传质速率。

可以将提供有合适电信号的换能器浸入在吸收塔710底部的容器壁上的富胺水溶液中，以加速解吸塔720中的二氧化碳从液相到气相的转移。根据设备的工艺配置，可以在解吸塔底部或紧接在解吸塔之后在再沸器壁上且入口附近放置另一个适当调整的换能器，以加速再沸器730中的二氧化碳从液相到气相的转移。参照图9，可以将另一个适当调整的换能器放置在贫胺溶液储液罐(未示出)的壁上且入口附近，在吸收塔710的顶部供给分配嘴，以加速吸收塔710中的向上流动的气相中的二氧化碳到填料表面上的向下流动的贫胺水溶液中的转移速率。储液罐中的贫胺水溶液的平均驻留时间应为15分钟至60分钟。

基于换能器对水中界面传质速率的影响的实验数据，具有换能器的现有的胺溶液二氧化碳捕获设备与不具有换能器的设备相比，二氧化碳捕获速率预期高50％至400％。

该技术将显著地降低使用含水化学溶液来捕获二氧化碳的资金和操作成本，并且为控制大气中的温室气体提供有意义的贡献。

本文公开的方法可以应用于制造精细化学物、食品、营养品和药物、用于结晶过程中的水溶液的特定表面张力控制，以控制产品中的晶体的尺寸范围和尺寸分布。

结晶过程中的水溶液的特定界面张力控制可以用于控制产品中的晶体的形状、尺寸范围和尺寸分布。冰淇淋的味道与冰淇淋中的冰晶的形状、尺寸范围和分布密切相关。药物或营养品在水或人体消化系统中的溶解速度由药物或营养品晶体的尺寸范围和分布来控制。

界面张力是结晶过程中的主要控制因素。它控制将大量溶液中的分子移动到生长晶体的固体表面的表面上所需的能量。通过将适当调整的换能器放置在结晶器反应器内壁上且入口附近并侵入水溶液中，以增加或降低水溶液的表面张力，其对大量液体和晶体的固体表面之间的界面张力的影响将允许调节晶体的生长速率。通过将频率或相位与第一适当调整的换能器的频率或相位稍微不同的第二适当调整的换能器放置距离第一换能器1米远的结晶器的内壁上，其连同第一换能器的激活可以迅速地逆转水溶液的初始表面张力调节。所产生的对大量液体与晶体固体表面之间的界面张力的影响可以阻止晶体的进一步生长。在不添加任何其它可能对最终产品造成污染和/或其它不希望的影响的化学物的情况下，这种界面张力控制的范围和精度将允许对所生产的晶体的范围和/或尺寸分布进行控制。

Claims (24)

1.一种改变极性液体的表面张力或气体交换速率的方法，包括：提供第一装置，所述第一装置包括第一信号发生器和与所述第一信号发生器电耦合的第一换能器，所述第一换能器包括由多个环路形成的第一导电螺线管型线圈，所述第一换能器至少部分地浸入所述极性液体中；以及，操作所述第一信号发生器以向所述第一换能器提供第一交变电信号，

其中，所述第一交变电信号具有第一频率和第一幅度，以影响所述第一换能器产生具有磁通量密度的所得交变磁场，从而改变所述极性液体的性质，其中，每个所述环路具有内部，所述环路的内部形成所述第一导电螺线管型线圈的内部，其中，所述第一导电螺线管型线圈被密封使得所述极性液体被防止穿过所述第一导电螺线管型线圈的所述内部，或者所述第一导电螺线管型线圈的所述内部填充有材料，使得至少50％的所述极性液体被防止穿过所述第一导电螺线管型线圈的所述内部，其中所述第一导电螺线管型线圈外部的所述交变磁场的一部分穿透所述极性液体；

其中所述第一频率和所述第一幅度对所述第一换能器周围的液体产生影响，受影响的所述极性液体进而通过扩散效应或多米诺效应对离所述第一换能器更远距离的邻近极性液体分子产生影响，使得在距离所述第一换能器至少1米的距离处提供对所述极性液体的表面张力的改变，并且所述表面张力的改变是改变至少1％，或在距离所述第一换能器至少1米的距离处提供对所述极性液体的气体交换速率的改变，并且所述气体交换速率的改变是改变至少5％。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一换能器包括两个铁磁端部件，所述铁磁端部件被设置在第一导电螺线管型线圈的端部处并且横向于所述第一导电螺线管型线圈，以用于对所述磁场进行整形。

3.如权利要求2所述的方法，其中，所述第一换能器包括铁磁芯，所述铁磁芯在所述第一导电螺线管型线圈的内部中，用于增加所述换能器的磁通量密度。

4.如权利要求2所述的方法，其中，所述端部件中的每一个端部件的半径至少为所述第一导电螺线管型线圈的外半径加上铁磁芯的半径。

5.如权利要求2所述的方法，其中，所述端部件是平坦的并且垂直于所述第一导电螺线管型线圈。

6.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一换能器被设置在容器内或者被设置在容器的磁透明壁的外表面上，用于加速药物、营养品、食品、涂层、或纸浆和纸的干燥。

7.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一幅度具有100±15微安的均方根并且所述第一频率为2500±10Hz，或者所述第一幅度具有99±15微安的均方根并且所述第一频率为2700±10Hz，或者所述第一幅度具有140±15微安的均方根并且所述第一频率为4000±10Hz。

8.如权利要求1所述的方法，其中，还包括：利用所述第一装置和第二装置，所述第二装置包括第二换能器和第二信号发生器，所述第二信号发生器用于向所述第二换能器提供第二交变电信号。

9.如权利要求8所述的方法，其中，所述第二交变电信号的频率等于所述第一频率，并且其中，所述第一交变电信号和所述第二交变电信号同相位并且具有零度相位关系，用于增加对所述极性液体的改变。

10.如权利要求8所述的方法，其中，所述第二交变电信号的频率不同于所述第一频率，以用于相对于当所述液体还未被磁场处理时的性质的基准，以相反于单独由所述第一换能器引起的改变来改变所述极性液体的所述性质。

11.如权利要求10所述的方法，其中，还包括：(A)所述第一频率和所述第二交变电信号的所述频率之间的差异的逐渐改变，或者(B)所述第一交变电信号与所述第二交变电信号之间的相位的偏移，以用于控制对所述极性液体的影响。

12.如权利要求1所述的方法，其中，所述导电螺线管型线圈的所述内部具有通道，所述通道用于当所述第一换能器被浸入所述极性液体中时供所述极性液体通过；所述第一换能器还包括铁磁包层，所述铁磁包层围绕所述导电螺线管型线圈并与其电绝缘，以用于当所述第一换能器被浸入所述极性液体中并且操作时，防止所述导电螺线管型线圈外部的所述交变磁场的一部分穿透所述极性液体。

13.如权利要求1所述的方法，其中，向所述第一换能器提供的所述第一交变电信号的功率小于1瓦，或者所述第一幅度的均方根小于3安培。

14.如权利要求1所述的方法，其中，由所述第一换能器响应于所述第一交变电信号所产生的并穿透所述极性液体的电场具有小于1V/m的强度。

15.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一交变电信号的所述第一频率为20kHz或更低。

16.如权利要求1所述的方法，其中，提供反馈回路，以根据所测量的参数来控制所述第一交变电信号。

17.如权利要求16所述的方法，其中，还包括：从多个预定频率中选择所述第一频率。

18.如权利要求1所述的方法，其中，所述极性液体形成河流、湖泊、池塘、泻湖或其它水体的一部分，并且其中，向所述第一换能器施加所述第一交变电流使得所述极性液体中的溶解氧或其它溶解气体增加。

19.如权利要求18所述的方法，其中，所述水体中的残留氨含量被减少，或者所述水体中的藻华或害虫侵扰被抑制。

20.如权利要求18所述的方法，其中，所述第一频率和所述磁通量密度使得所述极性液体的氧化还原电位至少为150mV。

21.如权利要求20所述的方法，其中，所述第一频率和所述磁通量密度使得位于所述第一装置附近的重金属污染物减少至少20％。

22.如权利要求1所述的方法，其中，所述极性液体是用于制造药物、营养品、食品或化学物的用于晶体尺寸或尺寸分布范围控制的水溶液。

23.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一换能器被设置在容器内或者被设置在所述容器的磁透明壁的外表面上，从而通过对所述气体交换速率的改变来加速所述极性液体中的多相化学反应，所述容器包含化学溶液或分散相。

24.如权利要求23所述的方法，所述方法用于在所述极性液体中通过吸收和解吸来加速去除气体中的二氧化碳。

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