CN113272253A - 用于处理沼气和废水的系统与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种处理废水的系统和方法，所述方法包括如下步骤：提供用于接收废水和气体的容器，其中所述气体包含一种或多种组成气体组分；将所述废水和所述气体的第一气体组分引导到所述容器；将所述容器的内容物的温度从第一温度降低到第二温度以促进形成包含所述废水和所述第一气体组分的包合物水合物；相对于所述第二温度升高所述容器的内容物的温度以促进所述包合物水合物的熔化；以及将清洁水和/或所述第一气体组分从所述容器中移出。

Description

用于处理沼气和废水的系统与方法
技术领域
本发明涉及处理沼气(biogas)和废水的系统和方法。特别但不唯一地，本发明涉及通过形成纳米气泡和气体水合物对源自厌氧消化的沼气和废水进行处理。本发明还涉及处理多组分混合物。本发明还涉及产生纳米气泡或纳米液滴的系统、方法。特别但不唯一地，本发明涉及在不使用电解的条件下产生纳米气泡或纳米液滴。
背景技术
厌氧消化(AD)是将生物可降解原料如动物废物、污水、废弃食品等转化为三种主要产物：沼气、沼渣和水。沼气的提取是极其期望的，因为它在工业中、特别是在热能或电力的产生方面发现了大量的应用。然而，包含H2S的污染物具有很强的腐蚀性，并抑制燃烧，因此在有效利用沼气之前，需要对沼气进行显著的净化。此外，在不充分提取沼气如甲烷和二氧化碳的情况下厌氧消化产生的废弃产物的处置普遍认为会产生负面的环境影响，例如推动全球温室气体排放。现有的净化方法如变压吸收、低温分离、化学洗涤和膜技术通常具有明显的资本和操作成本。此外，现有的净化方法一般只在大规模沼气生产中具有成本效益，意味着小型、本地化的解决方案在经济上不可行。
作为沼气提取后残留的沉淀物的沼渣可用于化肥、堆肥等。然而，沼气提取后残留的废水和沼渣通常含有污染物或其他不期望的污染物，需要对水的输出进行处理。
在发现的对于纳米气泡的大量应用中，能够清楚地看到纳米气泡对工业的价值。它们在液体中的高亚稳定性发现纳米气泡在数月规模的气体存储中很受欢迎。此外，它们的高表面积:体积比意味着它们可用于表面清洁应用，因为它们能够粘附表面上的不溶性污垢。发现纳米气泡还广泛用于通过浮选的废水处理中，并且还广泛用于沼气应用中，包括控制农业甲烷排放。
这种应用激发了对纳米气泡的各种物理性质及其生产手段的大量研究。例如其中液体中压力的突然变化导致形成低压空穴的空化效应已被用于生产纳米气泡。
已经发现这些方法就能量需求和所需的物理设备而言是昂贵的。此外，一些方法在过程中需要添加剂，所述添加剂污染液体，同时还产生相对较低的气体溶解度。
美国公布的专利申请2018141837号涉及一种纳米气泡和羟基自由基发生器(NBHRG)以及使用NBHRG对水进行净化而无需化学物质的处理系统。公布的PCT专利申请W02005084786号涉及含有氧气纳米气泡的水及其生产方法。美国公布的专利申请US20100147701号涉及一种通过液体施加交变电场以增强消毒性能的方法和设备。公布的PCT专利申请WO2017156410号涉及一种用于生产纳米气泡的方法和设备，其中在一定压力下向设备供应气体，迫使气体穿过多孔侧壁并在气体可透过的构件的外表面上形成纳米气泡。这些技术基于如下方法：使用水电解的方法，所述水电解为如下过程：将水分解为氢气和氧气，并且产生的气体形成纳米气泡；以及使用流体动力空化的方法，所述流体动力空化是一种汽化、产生气泡和气泡内爆的过程，其是由于局部压力的降低和随后的升高而在流动的液体中发生的。涉及电解的方法需要水与电极的直接液电接触或放电，或引入另一种离子源。可替代地，诸如流体动力空化的不使用电解的方法被认为在产生可持续的纳米气泡方面效率较低，并且导致溶解度的提高降低。
迄今为止，与纳米气泡的制备有关的各种方法是已知的，然而，这样的方法通常在其中产生纳米气泡的水中引入电解或外来物质(例如离子)，这可能导致污染。公布的PCT专利申请WO2014148397号使用水电解，导致水分解成氢气和氧气，其中产生的气体形成纳米气泡。公布的PCT专利申请W02005084786号使用超声辐射，并且还使用添加离子来稳定纳米气泡。美国公布的专利申请US20070189972号涉及一种形成纳米气泡的方法，所述方法通过对液体中包含的微泡施加物理刺激以使微泡突然收缩来形成纳米气泡。此外，该方法还涉及使用添加离子。在无微泡的情况下形成相对更大量的纳米气泡在操作上很容易且能量高效，获得了更高的气体溶解度。
公布的欧洲专利申请EP2986975号涉及用于控制圆锥形纳米孔中的纳米气泡和纳米粒子动力学的方法和系统。
因此，需要用于处理由厌氧消化器产生的沼气和废水的方法和系统，其解决现有技术中的至少一部分缺点。此外，还需要用于处理多组分混合物的方法和系统。此外，需要用于产生纳米气泡或纳米液滴的方法、系统和设备，其解决现有技术的至少一部分缺点。
发明内容
因此，提供一种生产纳米气泡或纳米液滴的方法，所述方法包括：
提供用于容纳液体的容积区(volume)；
将介质分配在所述液体中；
在所述容积区附近使用电极产生电场以促进纳米气泡或纳米液滴的产生，其中所述电极和所述液体不直接电接触以防止在所述容积区内发生电解。
在一个方面，所述介质是气体介质。有利地，气体介质包含两种或更多种气体的混合物。优选地，至少一种气体被富集。
在另一个方面，所述介质是液体介质。有利地，液体介质是两种或更多种液体组分的混合物。优选地，至少一种液体组分被富集。
在一个方面，液体是水性液体。
在另一个方面，液体包含去离子水。
在示例性方面，电场是静态电场。
在另一个方面，提供一种冷却装置，以用于冷却容积区的内容物。有利地，冷却装置使冷却剂在容积区附近循环。
在一个方面，所述方法包括排空所述容积区。
在另一个方面，所述方法包括搅动所述容积区的内容物。有利地，通过摇摆运动来提供所述搅动。
在示例性的布置中，所述方法包括：感测温度；和/或感测压力。
在一个实例中，液体的体积为约20cm3。有利地，将高达100bar的压力施加到所述容积区上。优选地，将约30V的直流电压施加到电极。
在一个方面，施加声音信号以从液体释放纳米气泡或纳米液滴。
在另一个方面，施加磁信号以从液体释放纳米气泡或纳米液滴。
在一个方面，将容积区冷却至预定水平，以便于将纳米气泡或纳米液滴储存在液体主体内。有利地，液体主体被冷冻。
在一个示例性方面，提供一种生产纳米气泡或纳米液滴的方法，所述方法包括：
提供用于容纳液体的容积区；
将介质分配在所述液体中；
在所述容积区附近产生电场以促进纳米气泡或纳米液滴的产生，其中在所述容积区内不发生电解。
本发明还涉及一种用于生产纳米气泡或纳米液滴的发生器，所述发生器包含：
容积区，所述容积区用于容纳液体；
源，所述源用于将介质供应到所述容积区以分配在所述液体内；
电极，所述电极用于在所述容积区附近产生电场以促进纳米气泡或纳米液滴的产生，其中所述电极和所述液体不直接电接触以避免电解。
在一个方面，所述源包含用于供应气体介质的气体源。
在另一个方面，所述源包含用于供应液体介质的液体源。
在另一个方面，所述电极以用于提供静态电场的方式构造。
在示例性布置中，发生器还包含用于冷却容积区的内容物的冷却装置。有利地，冷却装置以用于使冷却剂在容积区附近循环的方式构造。在一个实例中，发生器的至少一个部分限定用于在其中容纳冷却剂的通道。
在另一个方面，提供一种真空装置以用于排空所述容积区。
在另一个方面，提供一种搅动装置以用于搅动所述容积区的内容物。
有利地，搅动装置包含机械搅动器。
在一个方面，电极包含阴极和阳极。
在另一个方面，限制阴极和阳极与容积区的内容物直接电接触，以防止在容积区内发生电解。
在一个方面，阴极和阳极涂布或覆盖有电绝缘涂层或材料。
在另一个方面，阴极和阳极以平行构造的方式布置，以提供强度与阴极和阳极之间的距离成反比的电场。
在另一个方面，电极包含多个阳极和多个阴极。
在另一个方面，电极包含网状构造。有利地，电极包含多个网状元件。
在示例性布置中，多个阳极和多个阴极以平行构造的方式布置。
在一个方面，各个网状元件包含用于在其中容纳输送机构的一部分的孔。
在另一个方面，输送机构包含用于延伸穿过网状元件的孔的细长管状构件。有利地，管状构件可操作地安装在基座构件上。
在一个方面，输送机构包含多个出口以用于促进介质在容积区内的分配。有利地，出口的尺寸设计成可容纳穿过其中的介质，但可防止液体从所述容积区进入。
在另一个方面，所述电极以由一系列同心元件构成的方式布置。
在一个方面，所述同心元件可以以使得各个元件由接触的阴极和阳极构成的方式构造。
在另一个方面，提供富集器以用于富集介质。
在一个方面，提供一种存储容积区以将纳米气泡或纳米液滴储存在温度受控的环境中。
在另一个方面，将纳米气泡或纳米液滴冷冻以便于存储。
本发明还涉及一种用于产生纳米气泡或纳米液滴的系统，其中所述系统包含：
发生器，所述发生器包含
容积区，所述容积区用于容纳液体；
源，所述源用于将介质供应到所述容积区以分配在所述液体内；
电极，所述电极用于在所述容积区附近产生电场以促进纳米气泡或纳米液滴的产生，其中所述电极和所述液体不直接电接触以避免电解；和
控制电路，所述控制电路以用于控制所述发生器的方式构造。
根据一个方面，提供一种处理废水的方法，所述方法包括如下步骤：
提供用于接收废水和气体的容器，其中所述气体包含一种或多种组成气体组分；
将所述废水和所述气体的第一气体组分引导到所述容器；
将所述容器的内容物的温度从第一温度降低到第二温度以促进形成包含所述废水和所述第一气体组分的包合物(clathrate)水合物；
相对于所述第二温度升高所述容器的内容物的温度以促进所述包合物水合物的熔化；和
将清洁水和/或所述第一气体组分从容器中移出。
在一个方面，所述方法还包括产生第一气体组分的纳米气泡。
在另一个方面，将第一气体组分引导到所述容器包括：从容积区可控地释放第一气体组分的纳米气泡。有利地，所述容积区包含纳米气泡发生器。优选地，可控地释放第一气体组分的纳米气泡包括：向储存纳米气泡的液体施加信号。在一个示例性实施方案中，所述信号包含声音信号或电磁信号中的至少一种。
在一个方面，所述方法还包括：将残留物从容器中除去。
在另一个方面，所述方法还包括：从发生器除去气体的第二气体组分。在一个实例中，第一气体组分包含二氧化碳或一氧化碳。在一个实例中，第二气体组分包含甲烷。
根据另一个方面，提供一种用于处理废水的系统，所述系统包含：
用于接收废水和气体的容器，其中所述气体包含一种或多种组成气体组分；
用于将所述废水和所述气体的第一气体组分引导到所述容器的装置；
控温装置，所述控温装置以如下方式构造：
将所述容器的内容物的温度从第一温度降低到第二温度以促进形成包含所述废水和所述第一气体组分的包合物水合物；并且
相对于所述第二温度升高所述容器的温度以促进所述包合物水合物的熔化；和
用于将清洁水和/或所述第一气体组分从容器中移出的装置。
根据另一个方面，提供一种用于处理多组分混合物的系统，所述系统包含：
用于接收第一介质和第二介质的容器；
用于将第一介质供应到容器的源和用于将第二介质供应到容器的源；
控温装置，用于控制容器的内容物的温度，其中控温装置以控制容器的内容物的温度以促进形成包含第一介质和第二介质的水合物的方式构造，并且其中控温装置以控制温度以促进水合物的熔化来提供第一处理的介质和第二处理的介质的方式构造。
在一个方面，第一介质包含气体，其中所述气体包含一种或多种组成气体组分。有利地，容器中形成的水合物是包合物水合物。
在另一个方面，所述系统还包含用于产生气体的第一气体组分的纳米气泡的纳米气泡发生器，并且还包含用于连接纳米气泡发生器的容积区和其间的容器的至少一个导管。
在一个方面，提供一种用于处理多组分混合物的方法，包括：
向容器提供第一介质；
向容器提供第二介质；
控制容器的内容物的温度以促进形成包含第一介质和第二介质的水合物；以及
控制容器的内容物的温度以促进水合物的熔化，从而提供第一处理的介质和第二处理的介质。
在一个方面，第一介质包含气体，其中所述气体包含一种或多种组成气体组分。
此外，本发明涉及一种从液体释放纳米气泡或纳米液滴的方法，所述方法包括：通过向储存纳米气泡或纳米液滴的液体施加信号来可控地释放纳米气泡或纳米液滴，其中所述信号包括声音信号或电磁信号中的至少一种。
附图说明
现在将参考附图来描述本发明，其中：
图1描绘了详细描述用于实施根据本发明的生产纳米气泡或纳米液滴的方法的系统的流程图；
图2描绘了发生器的实施方案，包括其横截面，所述横截面形成图1的系统的一部分；
图3是显示电极的一个示例性实施方案的透视图；
图4是显示电极的另一个示例性实施方案的透视图；
图5是显示电极的另一个示例性实施方案的透视图；
图6是详细描述用于生产纳米气泡或纳米液滴的示例性步骤的流程图；
图7是显示在各种施加的电场强度下纳米气泡的表面积与它们的稳定性增强之间的关系的图；
图8是显示纳米气泡尺寸与纳米气泡寿命之间的关系的图；
图9是显示直流电源的电流在24小时时间段内的变化的图；
图10也是根据本发明的另一个用于生产纳米气泡或纳米液滴的系统；
图11显示了根据本发明实施方案的用于处理沼气和废水的系统；
图12是显示根据本发明实施方案的使用图11的系统处理沼气和废水的方法的示例性步骤的流程图；
图13是显示用于处理废水的方法的示例性步骤的流程图；
图14是显示用于处理多组分混合物的方法的示例性步骤的流程图。
具体实施方式
现在将参考通过纳米气泡和气体水合物的形成对由厌氧消化产生的沼气和废水进行处理的示例性的方法、发生器和系统来描述本发明。将理解的是，提供示例性方法、发生器和系统以帮助理解本发明，并且不应以任何方式将其解释为限制性的。此外，在不脱离本发明的精神的情况下，参考任何一个附图描述的元件或组件可以与其他附图的元件或组件或其他等同元件互换。将理解的是，为了图示的简单和清楚起见，在认为适当的情况下，可以在附图中重复附图标记以指示相应或相似的元件。
参考附图并且首先参考图1和2，显示了根据本发明的用于产生纳米元素的系统100，所述纳米元素可以为纳米气泡或纳米液滴。系统100包含其中产生纳米元素的发生器101。发生器101包含中空的内部区域，所述中空的内部区域限定了容积区102，所述容积区102在其中容纳液体103。在示例性实施方案中，液体103可以为去离子水或另一种水溶液。将气体或液体形式的介质供应到容器102以分配在液体103内。提供如图2中最佳显示的电极104以用于在容积区102附近产生电场，从而利于在其中产生纳米元素。电极104和液体103不直接电接触，以避免在容积区102内发生电解。在示例性实施方案中，电极104覆盖有或涂布有绝缘材料或涂层等。
提供诸如制冷机或恒温浴105的冷却装置以冷却容积区102内的内容物。恒温浴105以使冷却剂循环通过容积区102附近的发生器101的至少一部分的方式构造。在示例性实施方案中，发生器101是双壁的，其具有通道106，提供所述通道106以用于在其中容纳冷却剂的流动。冷却剂通过进口管107引入通道106。冷却剂然后通过出口管108返回到恒温浴105。本领域技术人员将理解，存在多种可以用作冷却剂的冷却试剂。例如，在示例性实施方案中，冷却剂以水和乙二醇的混合物的形式提供。替代地，冷却剂可以为防冻剂。恒温浴105可操作用于供应在263～343K温度范围内的冷却剂。
发生器101还包含用于密封容积区102的密封装置。所述密封装置可以包含封闭盖109和用于与发生器102的侧壁可操作地接合的密封垫110。在示例性实施方案中，密封垫110由特氟纶(Teflon)制成。例如，可以提供用于排空容积区102的真空装置，其可以由真空泵111提供。可以提供搅动装置以搅动容积区的内容物。在示例性实施方案中，搅动装置包含机械搅动器(未示出)，所述机械搅动器可以以提供摇摆运动的方式构造。
可以使用数据采集系统112来监控与发生器101相关的参数。提供温度传感器113以用于感测与容积区102的内容物相关的温度。在示例性布置中，温度传感器包含热电偶。提供压力传感器114以感测与发生器102相关的压力。在一个实例中，使用铂电阻温度计(热电偶)来监控与发生器102相关的温度。使用数据采集系统112间隔地记录由温度传感器113监控的温度和由压力传感器114监控的压力。
发生器101还包含介质的源115。在示例性实施方案中，源115包含三个分立的气体源，所述气体源被选择性地控制以向容积区102提供合适的气体或气体组合。尽管图1显示了三个气体源是丙烷、甲烷和氢气，但本领域技术人员将认识到，可以使用任何适当的气体源并且无意将本发明限制为所描述的示例性气体。发生器102通过控制电路116控制。控制电路116与源115、真空泵111、温度传感器113、压力传感器114、数据采集系统112以及恒温浴105通信。背压阀117有助于介质从源115受控地引入到容器102，而不会使液体103从容积区102损失。入口导管118有助于介质从源115到容积区102的输送。提供流量计119以用于计量流向容积区102的介质的流量。
在使用中，经由一系列球阀120控制气体从气体源115到容积区102的引入，并且将在下面更详细地描述。气体源115的控制包括改变一系列球阀120以在需要时将气体或气体的组合输送至真空泵111或排出区(dump)121。如果背压阀117关闭，则背压缸122容纳气流。
图2详细显示了包括容积区102的双壁发生器101的横截面，其中加载了液体103和介质。在示例性实施方案中，液体103是去离子水，并且具有20cm3的体积。本领域技术人员将认识到，液体103可以包括任何合适的水溶液，并且以举例的方式提供了去离子水。如图3中最佳显示的，电极104包含阴极123和阳极124，在示例性实施方案中所述阴极123和阳极124以平行布置的方式被安置到容积区102的底部，以产生被施加到容积区102的内容物上的静电电场。电场的作用导致液体103内部的气体介质的纳米气泡或液体介质的纳米液滴的形成和堆积。向电极104施加直流电流，产生高达60V的电势差。发明人在实施本发明时设计了更大的电压，其与所使用的其他参数如引入容积区102的液体103和介质的体积的成正比例地增加。
重要的是，本发明的一个有利特征是，电极104的实施方案中没有任何一个与液体-气体混合物直接电接触，所述电极已经被绝缘涂层或材料等涂布或覆盖。这种绝缘涂层可以例如为介电涂料或其他合适的材料。因此，本发明不同于迄今已知的基于电解的方法。通过对包含纳米气泡的容积区102的内容物施加声学信号如声音脉冲来进行纳米气泡的方便、受控和按需的提取。在确定的时间段内施加声音信号后，将纳米气泡或纳米液滴从液体103中完全提取出来，从而使容积区102主要含有液体103。这种提取方法不仅足够方便且可控，而且还允许在远远超过纳米气泡亚稳定性的时间段内进行提取，能够延伸到数月的时间尺度。此外，可以使用磁场来进行纳米气泡的方便、受控和按需的释放。磁场可以由永磁体提供，但发明人设计了其他手段，例如电磁脉冲或一系列脉冲。此外，如下文参考图9所述，这种提取气体的纳米气泡或液体介质的纳米液滴的方法是能量高效的。
图3描绘了电极104A的第一代实施方案，所述电极104A由平行设置并放置在容积区102的基座126处的阴极123和阳极124构成。发明人进行的有限元研究发现，在该实施方案中容积区102内的液体103仅有30％暴露于电场中。因此，又开发了两个实施方案。
图4描绘了由同心元件127构成的电极104B的第二代实施方案，各个同心元件127还包含在同心元件127上的任意给定点处以平行接触的方式设置的阴极123和阳极124。将阴极123和阳极124通过中心孔128安置到它们各自的电触点。与图3所示的第一实施方案相比，该实施方案使得液体103更大程度地暴露于电场，所述液体103被输送到同心元件127之间的空穴。
图5描绘了电极104C的第三代实施方案，其中电极104包含以平行构造布置的并连接到多个网状元件129的多个阴极123和多个阳极124。各个网状元件129包含孔130以用于接收输送机构131的一部分，所述输送机构131用于将气体介质或液体介质输送到容积区102。输送机构131包含细长的管状构件132。细长的管状构件132的尺寸使得其延伸穿过网状元件129的孔130。在示例性实施方案中，细长管状构件132可操作地安装在基座构件133上。细长管状构件132和基座构件133均可以由任何合适的绝缘材料如特定的聚合物制成。输送机构131包含多个出口134，以用于促进介质在容积区102内的分配。这些出口134的尺寸使得可以容纳介质，但是防止液体103进入由细长管状构件132或基座构件133限定的内部容积区。
基座构件133上的出口134相对于网状元件129安置，使得从源115引入到容积区102中的介质不会被网状元件129的材料线捕获在容积区102的底部附近。横截面136描绘了出口134相对于网状元件129的布置。在示例性实施方案中，出口134从管状构件132在基座构件133上径向延伸。阴极123和阳极124都单独连接到在导电网31的相对侧上它们自己的集电器母线，以避免不期望的短路。与先前的实施方案相比，电极104的这种实施方案使液体在电场中的暴露水平和电场强度都增加了十倍，因此，发明人认为该实施方案对于工业应用而言还可以扩展。
如表1所示，通过该方法可获得的亚稳定气体的溶解度水平明显高于迄今已知的水平。对于甲烷，发现气体溶解度水平是甲烷的实际亨利(Henry)定律的22.5倍，而对于氧气，利用这种方法，气体溶解度水平为2.5倍。对于二氧化碳，发现实际亨利定律系数增加了15倍。发明人认为，这在气体存储行业中具有明确的应用。发明人还认为，这在减少工业碳排放方面具有重要用途。
表1-以气泡形式作为气泡储存在水中的甲烷
Figure BDA0003021926760000151
此外，该方法还能够应用于与在本发明中称为液体103的母液相接触的相混合物(多种气体或多种液体)。尽管不应理解为限制其范围，但是对此的一种可能的现实情况是甲烷和二氧化碳的混合物。二氧化碳的亨利定律系数溶解度(单位为mg/l)是甲烷的亨利定律系数溶解度的30倍。如在本发明的方法中向这样的混合物施加电场将导致二氧化碳的溶解度增加12倍，因此，与甲烷相比，明显更大部分的二氧化碳将扩散到液体中，从而将甲烷净化到在97～98％的范围内的水平。这在例如沼气工业中用于控制农业中的甲烷生产或用于处理来自厌氧消化器的沼气(例如在废水处理工业中)具有重要的应用。可以将可能还会抑制燃烧的腐蚀性污染物如H2S除去，从而使例如在组合的热电循环中将沼气用于热和/或电的产生成为可能。
历史上已将不使用电解来生产纳米气泡的方法理解为能量效率较低，然而，本发明比任何现有技术发明明显具有更高的能量效率。从这个角度来看，技术人员将理解，本发明对于工业具有重要价值。
现在参考图6，图6显示了流程图150，其详细显示了根据本发明产生纳米气泡或纳米液滴的示例性步骤。在步骤154中，将液体加载到容积区102内。在步骤156中，将诸如气体介质或液体介质的介质分配在容积区102内的液体103内。在步骤158中，在容积区102附近产生电场以利于使用电极104产生纳米气泡或纳米液滴。在步骤159中，电极104和液体103不直接电接触，以防止在容积区102内发生电解。
在图1中显示了根据本发明的示例性设置的示意图，其可用于实施流程图150的步骤。将理解的是，其并不旨在将本发明限制为此处所描述的特定发生器101，其仅通过举例来提供。发生器101提供为具有340cm3体积的不锈钢(SS-316)平衡容积区102，并且使用24MPa的最大设计压力来进行实验。通过使作为冷却剂的水和乙二醇的混合物在恒温浴105中循环来控制容积区102的温度。恒温浴105的温度可以在263～343K的范围内调节。使用精度为0.1K的铂电阻温度计(Pt-100)来测量容积区102的温度。使用双壁发生器有助于控制温度，同时冷却液不会污染水103。温度计根据参比铂电阻温度计进行校准。通过具有±0.010MPa误差的传感器114监控与容积区102相关的压力。可调速摇摆装置用于在容积区102中进行机械搅动。系统100还配备有数据采集程序112，以记录不同时间间隔的温度和压力。将理解的是，此处所描述的示例性值仅通过举例来提供，并且可以使用替代值。
电极104的阴极123和阳极124可操作地连接到具有30V电势的直流电源。向水103施加电场。在第一步骤中加载水103，然后使用封闭盖109和密封垫110密封容积区102。发生器101加载有100bar的气体，并且在形成纳米气泡或纳米液滴的过程中记录压力。本领域技术人员将认识到，其无意将本发明限制为所描述的示例性值。例如，设想可以将直流电源的电压设置为任何期望值。
在开始所述过程之前，使用空气流洗涤、清洁并完全干燥容积区102；这用于清洁将加载有液体和引入的介质的容积区102以避免任何污染。其后，通过在1MPa的压力下注入氮气来检查容积区102是否泄漏。泄漏测试是为了确保纳米气泡形成过程中压力读数的准确性。在下一步骤中，吹扫惰性气体，并使用真空泵111约30分钟以从容积区102中排空捕获的气体。利用惰性气体和气体排空的这种第二洗涤步骤除去了由容积区102限定的体积内任何不需要的气体分子。将体积为20cm3的去离子水3加载到容积区102中；发现该体积的水103提供良好水平的可再现性能。通过从源115注入选定的气体来增加与容积区102相关的压力，直到达到期望的压力为止。在示例性实验中，将约100bar的气体加载到容积区102中。在机械搅动的存在下，气-水接触约2小时后，水103饱和。使用可调速摇动装置(未示出)来增加容积区102中的机械搅动。这种机械搅动使水成为湍流，以便更好地实现水-气接触，从而导致更高的气泡形成产率。然后，施加直流电流(0～60V)，同时每秒记录一次压力和温度。将理解的是，此处所描述的示例性值仅通过举例来提供，并且可以使用替代值。
使用分子动力学模拟对外加电场中纳米气泡的形成机理进行研究并表征其稳定条件。从电场中水合物分解的分子动力学已经看到了纳米气泡。本发明人研究了在施加的电场下纳米气泡的稳定性，结果表明在越高的场强下水合物的稳定性越高，如图7所示。
在形成甲烷纳米气泡之后，将溶液在环境条件(压力、温度)下保存三个月，并使用动态光散射法对其进行表征。结果表明，在老化期间，纳米气泡会合并在一起，从而气泡尺寸会增加，但是这种增加不足以迫使纳米气泡离开水介质，如图8所示。
基于容积区102内部储存的能量能够计算在24小时形成过程期间纳米气泡的生成能，其中电极104和水103的组合能够模拟容量为约3nF的电容器。在纳米气泡形成期间，水103的介电值变化，可将其认为是电容器泄漏。为了补偿泄漏，必须将额外的能量添加到系统100中。因此，为了计算总能量，在这种形成过程期间，将所施加的电流记录在数据采集系统112中。图9的图显示了电流随时间的变化。观察到的电流非常低，但是在24小时内这种振荡的平均值为22nAmp，这意味着需要向电容器增加1.9毫库仑，以保持相同的能量水平。因此，在24小时内形成纳米气泡的总能量为：
Figure BDA0003021926760000181
对于仅20ml的液体103，这是非常少量的能量供应，这指示显著水平的能量效率。这可以通过例如废水工业中当前可用的系统来比较地理解。本系统100的能量消耗为水103的0.3Whr/m3。这远低于废水工业中的现有先进系统所能实现的能量消耗(40Whr/m3)。此外，废水工业中的曝气水平目前达到约0.5mg/l溶解氧的极限，而本发明的方法达到25～30mg/l的水平。此外，本发明中达到的曝气水平在数月的时间尺度上是亚稳态的。将理解的是，此处所描述的示例性值仅通过举例来提供，并且可以使用替代值。
根据本发明的方法中的关键参数为：
场强度(在图3的电极设计中E＝V/d)
其中V是施加的电压；并且
d是电极设计中阴极与阳极之间的距离。
当使用第一代电极104A时，施加30V以产生相对高的场强度。本领域技术人员将理解，由于可施加其他值，因此不旨在将施加的电压限制为60V。阴极和阳极之间的距离d为5mm。因此，最大施加场为12000V/m。该d值在图4的第二代电极104B和图5的第三代电极104C中可以不同，从而场强度将相应地改变。分配主要是电极几何形状和设计的函数。
通常，分子的动能降低，从而纳米气泡更加松弛，导致气泡形成过程更快。另一方面，极低的温度会引起某些不良反应，例如在甲烷或水冷冻的情况下形成水合物。结果，发明人对于甲烷选择了15℃(低于形成甲烷水合物的13℃)，以及对于氧气选择了2℃。
为了加速纳米气泡的形成，发明人意识到需要更多的气体分子与水103接触。这通过升高容积区102内的气体压力来实现。在示例性布置中，容积区102加载有100bar的气体。发明人认识到，通过改变吹扫系统或通过使用富集器增加预饱和步骤，可以明显降低该压力。
参考图10，显示了也是根据本发明的用于产生纳米气泡或纳米液滴的另一个系统200。系统200与系统100基本相似，并且相似的元件用相似的附图标记来表示。系统200与系统100之间的主要区别在于，系统200包含用于富集气体介质的富集器205。发明人意识到，如果它导致在除去电场和减压时在超过数月的长得多的时间段内仍保留了较高的亚稳态气体容量，则通过增加气体吸收可以优化性能。它为在23DoX因子设计中的T、P和电场强度。例如，对于如下两个因变量，在一系列的8个实验中人们可以使用40和160bar、1和35℃以及～5000V/m和20000V/m的(估计)电场强度来开发回归拟合等：在电场和P条件下，储罐中的溶解气体水平；其次是在从压力容积区102移出并在实验室中在环境压力下储存之后数小时内的溶解气体水平(mg/l)。
存储容器210可以用于储存纳米气泡/纳米液滴。在系统200中，存储容器210处于3～4℃，这将反向纳米气泡的空化和聚集减慢至微米尺寸(并逃逸至气相)。然而，为了长期存储(以月计)，或者为了运输含有纳米气泡的液体，将含有纳米气泡的水从容积区102中取出之后直接冷冻，以将纳米气泡长期存储在水中。然后将其解冻以备后用。
值得注意的是，在仍在容积区102中的同时在高压下冷冻液体(含有纳米气泡)将能够实现实际气体溶解度的高得多的水平的保存时间。例如，在冰中可能达到例如O2(在实验室中在～100bar下已经达到1400mg/l的溶解氧)的高水平(数千mg/l)，然后可以将其在环境压力下在制冷器中储存几天；气体会从冰中渗出，但是很慢。如果可以将其储存在廉价日用品～25bar压力容器桶(例如塑料、Al)中，所述容器桶在加工业中通常/常规地用于运输过程中的中压存储，则可以以非常经济的方式将其保存在普通的工业/消费者制冷器中的这种容器中以在气体含量明显提高的情况下进行长期存储和运输，然后在压力等级更高的容器中解冻之后再用于其他应用。
声音和/或磁场暴露可用于提取纳米气泡或纳米液滴，以提供受控的按需的释放。通过将存储容积区210暴露在约10～50N的声音脉冲下，可以看到气体的纳米气泡或液体的纳米液滴基本上另外发生了在数小时内而不是数周或数月内离开亚稳定性的液体。发明人还认识到，磁场可用于提供纳米气泡或纳米液滴从水中的受控释放。可以使用永磁体或电磁脉冲或一系列这样的脉冲来提供磁场。场强度可以为毫特斯拉或更高的量级。
物种在水性纳米相流体中的差异吸收(无论是液滴还是气体，部分取决于相对于它们各自的特定物种的临界点的主要温度和压力)是为了更好地利用纳米相作为物种分离过程的试剂而操纵的重要基本特征。
纳米相增强的气-液吸收操作的发展用于/有利于各种用途和应用的填料塔中经典的气液吸收，例如在气体排放方面符合空气质量标准，或者实际上的液-液萃取操作。有利的是，通常的气-液平衡常数形式yi＝Hixi(其中Hi为亨利定律常数，HLC)可以用
Figure BDA0003021926760000201
代替，其中
Figure BDA0003021926760000202
是增强的实际HLC，这是由于纳米相的额外容纳造成的。(鉴于该亚稳态的时间尺度超过了几个月，并且比单元操作的停留时间短得多，因此这被认为是一种实际有效的工作近似值)。因此，发明人依靠“平衡”条件来保留用于单元操作的过程-工程设计分析的文集(corpus)。
在纳米相中明显大大提高了表面积对体积之比，再加上更有利的实际平衡条件，将容易地设计和研究比目前市场可获得的多组分气体分离/富集操作更有效的多组分气体分离/富集操作。尽管本发明的这一概念能够应用于纯气体汽提，但对于在气相中和溶解于不混溶的液相中的多组分气体混合物的差异吸收(例如沼气净化和如下所述的烟道气处理)而言，它也具有很高的价值。在特定实施方案中，出于过程控制目的(即，对气体组成的比例控制)，能够使用在线气相色谱系统在接近实时的基础上确认气体富集水平。联合的分子动力学模拟表明了液体中多组分气体混合物吸收的微观机理，这将有助于进一步的工艺优化。
在特定实施方案中，无论是单一组分还是多种组分，该原理都可以进一步应用于蒸馏。此外，对于纳米气泡增强的气-液操作，可以使用“NB移动平衡”
Figure BDA0003021926760000211
其中
Figure BDA0003021926760000212
是增强的实际HLC，这是由于纳米相的额外容纳造成的。在具有这种移动平衡关系的初步过程模拟结果中，获得了低得多的能耗(约40％)，并且相对于常规蒸馏，大幅提高了挥发性最强的组分(MVC)的气相富集。
在此，在初步的“预NB”操作中，根据烟道气组成，能够采用变压吸附(PSA)型方法以除去更高的CO2浓度，尤其是如果％CO2高于约10～12％时，因为其通常是在来自钢铁厂和水泥厂以及发电厂或CHP装置(无论是沼气还是任何其他部分中)的烟道气排放物中。现在，一旦PSA可用于更高CO2浓度的烟道气处理，即用于除去CO2的“重大举措”、“容易实现的目的”或“对经济/操作有利的边际除去CO2的处理”，我们具有启用NB的(NB-enabled)差异烟道气汽提/去除的前景。
在本发明的有利的实施方案中，例如通过喷射器或文丘里(Venturi)型喷嘴，(残留的)烟道气直接通过水，同时形成一部分初步的微泡，然后如上所述形成活性的纳米气泡/液滴，将使烟道气富集。作为超临界的不可冷凝气体的O2和N2几乎消失了，就水浓度而言，略高于HLC水平(不超过～2.5倍)。这可能会使其他(污染物)气体的溶解度极限大大提高。
在从烟道气中除去气体组分的另一个实施方案中，可以使用通过含有碳纳米管的平面(或任何其他疏水性多孔固体网络，阻止水从一侧流到另一侧)隔开的双向液体/气体室。最初，双向盒的“空”侧可以具有由真空泵施加的真空，使得该侧上的绝对压力为约0.3～0.5bara。优选地，双向盒的该侧上的压力具有小于1bara的压力。(装有NB或纳米液滴的)液态水在双向盒的另一侧。然后，(污染的、疏水性)气体(例如CO、CO2、甲烷、氨气等)通过碳纳米管传递到气体侧，因为它们的化学势驱动它们通过气相，而碳纳米管不允许水在任何明显的范围内通过。
在与上述关于从烟道气中除去气体组分相类似的实施方案中，可以实现直接空气捕集(DAC)。除非期望，否则如上所述的PSA型方法步骤并不特别需要作为预备步骤。据设计，除了“环境空气”之外，在其他实施方案中还能够使用纳米气泡的产生和基于阻止/拒绝水通过的疏水性或碳纳米管过滤。更具体地，此处的“环境空气”或DAC是指室内或室外的空气，但关键是处于或接近环境压力。然而，据设计，除了如上所述的用于点发射体的专用CCS型系统之外，还能够将其应用于(季节性或全年)农事中的空气如室内电池农事(具有升高的甲烷水平或氨水平等)以及DAC，尤其是在城市及周边地区。这些实施方案的进一步应用可以包括但不限于作物生长、灌溉、水培、养鱼场和水产养殖。将理解的是，作为减轻气候变化努力的一部分以及特别是在城市和工业环境中的污染防治中，DAC也被认为是非常期望的。同样地，对DAC方法和系统的任何这种改进都被广泛理解为是有利的。
有利地，对于不混溶的液体的混合物，液-液平衡-分配关系的形式xi,k＝Ki,j,kxi,j(其中Ki,j,k是液相i中物种j相对于k的液-液分配系数)可用
Figure BDA0003021926760000221
(其中
Figure BDA0003021926760000222
是增强的实际分配系数，这是由于在一个相中的额外的优先容纳造成的)替代。在关于不混溶液体的实验中，已经观察到，在各个液相中不同程度的纳米液滴的产生，导致在一个液相中实现了大量的物种富集。这是本发明明显有利的方面，并且是化学工业中的重要单元操作。有利地，在特定实施方案中，使用上述的纳米液滴形成方法，可以将多组分石油纳米液滴用作在水中富集石油馏分的物种浓度的一种方式。在利用
Figure BDA0003021926760000231
的模拟中，已观察到石油纳米液滴在水中的大量富集。据设计，这样的应用对于重新开采(revisit)成熟的油井会是有用的。
用于生产纳米气泡的示例性发生器、系统和方法的另一有利应用是在农业环境中。具体但不唯一地，用于生产纳米气泡或纳米液滴的示例性发生器、系统和方法可用于增强种子发芽。增强种子发芽为农业、动物饲料和生物燃料生产中的作物生长生产力带来诸多好处。如所讨论的，在使用示例性发生器、系统和方法的各个实施方案中，可以获得具有大量吸收期望气体的水。在某些实施方案中，气体可以为氧气。有利地，使用示例性发生器、系统和方法，水可以含有高达25～30mg/l的溶解氧水平。举例来说，进行了实验以测试强氧化水在增强豆瓣菜(watercress)种子发芽方面的效用。将五到六颗豆瓣菜种子放在24槽托盘中；在各个槽中放置约70ml的泥煤苔。向第一托盘的各个槽中提供约15ml的去离子水，并向第二托盘的各个槽中提供具有约15mg/l溶解氧(大部分为纳米气泡的形式)的15ml去离子水。在7天的时间之后，比较两个托盘，发现在具有含有纳米气泡的去离子水的托盘中，与含有无纳米气泡的去离子水的托盘相比，种子发芽生长提高了约35％。因此，本发明的用于生产纳米气泡的发生器、系统和方法的另一个有利方面是其在增强作物生长方面的效用。将理解的是，豆瓣菜种子发芽的实例仅作为实例提供，并且不应解释为以任何方式、形状或形式进行限制。可以将根据本发明生产的含有纳米气泡的液体应用于各种液体和气体，并根据用户的需要以不同的比例变化。例如，据设计，除了用于私人用途之外，还可以针对其中产生纳米气泡所使用的液体和气体的体积进行工业规模的调整。有利地，可以将要富集DO的液态水以与大气直接接触的方式放置，然后可以进行纳米气泡的产生过程。这可以通过对露天水(沉降)箱和蓄水池进行翻新改造以达到较大的“网格”规模来实现。
有利地且类似于上述关于气-液吸收和液-液萃取的实施方案，固-液平衡-分配关系的形式zk＝Kj,kxj(其中Kj,k是固相中的物种j相对于k的固-液分配系数)可用
Figure BDA0003021926760000241
(其中
Figure BDA0003021926760000242
是增强的实际分配系数，这是由于在液相中作为纳米气泡或纳米液滴而另外优先容纳造成的)替代。在实验中，已经观察到在液相中不同程度地产生纳米液滴或纳米气泡，实现了液相中大量物种的富集。固-液浸出是采矿和采掘业中非常重要的单元操作。产生的具有增强的矿物质和溶解的离子物种的废水可以根据分别在图11和12中最佳描述的系统和方法通过形成水合物来进行处理/清洁。如前所述，如果期望，可用O2-纳米气泡增强的活性污泥进一步对残留的水进行清洁。
在本发明的另一个有利的实施方案中，可以将化学计量上过量的H2以纳米气泡的形式放入厌氧消化器中，以获得“网格质量”纯净的沼气如生物甲烷，而无需随后的净化。如将在下面讨论的，纳米气泡的产生也可以在AD步骤本身中用于H2S和CO2的吸收。因此，事后沼气净化的需求在很大程度上是多余的，为现有技术的厌氧消化器提供了进一步的改进。AD步骤中多余的氢气使它能够生产出更多的纯净沼气/生物甲烷，同时减少了CO2和H2S。使用纳米气泡形式的H2能够实现更高水平的甲烷纯度，这意味着需要更少的生物甲烷富集(这仍然能够根据下面的图11和12中所述的系统和方法来完成)。
现在参考图11，显示了用于处理多组分混合物的示例性系统1100的流程图。在示例性实施方案中，系统1100可以包含先前附图中的示例性发生器101，然而认为纳米气泡或纳米液滴的其他源是可行的，并且在不同实施方案中在现场产生纳米相组分是可选并且有利的。在示例性实施方案中，系统1100可以经由纳米气泡和气体水合物的形成来用于对由厌氧消化器产生的沼气和废水进行处理。然而，示例性系统1100不限于在厌氧消化方面的用途，设想将其用于其他用途。
现在将针对处理来自厌氧消化器的废水的示例性方法来描述系统1100的操作，然而要注意，废水是第一介质的一个实例，而诸如沼气的气体是第二介质的一个实例。而且，第一介质和/或第二介质的源不必是厌氧消化器，如考虑到(例如)上文所述的各种实施方案所理解的。
废水可以通过第一入口1105引入发生器101，而沼气可以通过第二入口1110引入发生器101。废水可任选地在到达发生器101之前被引导通过沙滤器1115，以使到达发生器101的废水自身之外的颗粒物质或其他不期望的材料的体积最小化。一旦将沼气和/或废水提供给发生器101，就可以启动沼气净化过程。在示例性实施方案中，沼气净化过程是诸如根据图6的纳米气泡产生过程。有利地，诸如图6的沼气净化过程的沼气净化过程可以一次完成，即可以获得高达～98％纯度的甲烷，因此可能不需要重复进行净化过程。在示例性实施方案中，微生物可能会对H2S进行转化，沉淀出硫；在添加铁的情况下，转化为FeSO4。通过形成CO2纳米气泡从CO2净化的CH4可以经由第一出口1120从发生器101输送到气体存储单元1125。在示例性实施方案中，气体存储单元1125包含大量的气体存储容器。在沼气净化之后，废水和CO2纳米气泡可从发生器101释放。在示例性实施方案中，如上所述，通过施加声音或电磁信号，在发生器101中可控地从其溶剂化纳米气泡形式释放CO2。可以将废水和CO2经由第一出口1135引导到二级处理容器1130。作为将废水引导到发生器101的替代，可以在发生器101处提供出口(未示出)，所述出口连接到将废水引导到二级处理容器1130的导管。所述出口可以通过水龙头或诸如阀机构(未示出)的受控释放机构连接到导管。
将理解的是，尽管本附图显示了二级处理容器1130的三个副本，但是这是仅出于阐明二级处理容器1130中发生的三阶段过程的图示目的而呈现的。现在将描述该三阶段过程。
在第一阶段，将废水和CO2加载到二级处理容器1130。在示例性实施方案中，将废水和CO2加载到在室温下的处理容器1130。
在第二阶段，将二级处理容器1130冷却至小于第一阶段的加载温度的温度。在第二阶段，由CO2和废水形成包合物水合物。包合物水合物的形成明显净化了废水。然后可以将已经与水分离的残留污垢导出二级处理容器1130，从而留下CO2和清洁水。
在第三阶段，然后可以升高二级处理容器1130的温度，以促进熔化包合物水合物。然后可以将清洁水经由第二出口1140导出二级处理容器1130。在一个实施方案中，可以将清洁水引导到贮水容器(未示出)，所述贮水容器例如但不限于储水箱或窖。贮水容器可用于临时或长期储存水。在另一个实施方案中，清洁水可以被引导到公共或私人供水设施。可以经由第三出口1145将CO2引导到气体存储单元1125的气体存储容器。
图12是显示使用图11的示例性系统1100处理多组分混合物的示例性方法1200的流程图。首先，实施图6的步骤1210。在一个实施方案中，在步骤1210中提供给发生器101的液体完全包含废水。在替代性实施方案中，在步骤1210中提供给发生器101的液体部分地包含废水并且部分地包含除了废水之外的其他液体。在另一个实施方案中，提供给发生器101的液体不包含任何废水，并且将废水从厌氧消化器或另一源直接提供给二级处理容器1130。通常，将从厌氧消化器接收废水，然而将理解的是，废水的其他来源，例如但不限于污水，也是同样可行的。例如，使用图11和图12的系统和/或方法净化的废水可以包括但不限于：海水、压裂水、反渗透废水、农业废水、屠宰场和制革厂废水、采矿废水、以及水泥和建筑废水。此外，气体的来源不必一定来自厌氧消化器-仅通过举例，气体可以来自垃圾填埋场、采矿场、建筑、工业、车辆或其他场所。实际上，厌氧消化器的实施方案仅通过举例来提供；诸如气体的客体物种的纳米气泡或纳米液滴与废水组分一起形成水合物并处理废水的应用可以应用于各种废水处理方案。的确，多组分气体和废水流的综合净化可设计为可广泛应用于除厌氧消化之外的各种不同规模的场所，从小型农业或家庭用途到大规模工业应用如化学处理或生产工厂。如前所述，供应给发生器101的介质可以为两种或更多种气体的混合物。在示例性实施方案中，在步骤1210中供应给发生器101的气体介质至少包含甲烷和二氧化碳。而且，如上所述，也可以使用发生器101来形成纳米液滴，并且同样的纳米液滴可以用在图12的上述过程中和图11的系统1100中。甲烷之外的气体组分可以包括但不限于丙烷、乙烷、丁烷、戊烷、己烷等，以及它们的异构体如异丁烷(如果期望)。在多组分混合物涉及多种液体的实施方案中，可以形成包含液体而不一定是气体的水合物。
第二气体的纳米气泡(或纳米液滴或某种组合)的形成基本上净化了第一气体。在示例性实施方案中，第二气体的纳米气泡的形成可以将第一气体净化至约98％。一旦根据步骤1210中存在的示例性步骤完成了第一气体的净化，就可以从发生器101中除去1220净化的第一气体。在示例性实施方案中，净化的第一气体可以被引导到气体存储单元1125。在示例性实施方案中，第一气体组分是甲烷。
在示例性实施方案中，被供应156到发生器101的容积区的介质是多组分气体。可以根据图6的步骤来分离1210该多组分气体，并且可以将净化的第一气体组分任选地从发生器101的容积区中导出。在除去1220净化的第一气体之后，可以从发生器101可控地释放1230介质的第二气体组分(由于步骤1210而现在处于溶剂化的纳米气泡的形式)。除了所述介质的第二气体组分之外，在示例性实施方案中为废水的第二介质也可以被引导到二级处理容器1130。废水可以从发生器101的容积区或直接从源导入。废水的来源可以与第一介质的来源相同或不同。在示例性实施方案中，废水和第一介质的来源是厌氧消化器。在示例性实施方案中，可以根据先前描述的释放方法(其中将声音或电磁信号施加到发生器101)来实施第二气体组分从其纳米气泡形式的可控释放。在示例性实施方案中，形成纳米气泡的第二气体组分可以为二氧化碳，并且被引导出发生器101的容积区的净化的组分可以为甲烷。
在步骤1230之后，第二气体的纳米气泡和废水然后可以被引导1240到保持在第一温度T1下的二级处理容器1130。在示例性实施方案中，第一温度T1是室温或在大约293≤T1(K)≤298的范围内。将理解的是，此处的温度以开尔文(K)的SI基本单位给出。
然后，可以将二级处理容器1130的温度降低1250至温度T2<T1。在示例性实施方案中，温度T2在约273K～283K的范围内。随后，开始从第二气体和废水形成1260包合物水合物，基本净化了废水。包合物水合物是非化学计量的结晶夹杂物，其中氢键结合的水主体晶格将小客体分子包裹在空穴中。由于水合物能与引入的气体形成化学计量的纯晶体，并通过浮选与残留污泥分离，所以水合物对于处理(重度污染的)水已经变得非常重要。为了使水合物结晶有效，需要使气体与水紧密接触。显然，利用纳米相(无论是气泡还是液滴形式，或某种组合)将提高水的浓度，特别是对于液态纳米液滴，并提高接触面积。例如，到目前为止，在丙烷纳米液滴和约4重量％(固体)废水的研究中，水合物的形成速率约为压力容器系统中没有纳米相的水合物形成速率的两倍，并且另外对于CO2和甲烷速率提高了数倍。在纳米液滴的分子动力学(MD)模拟中，发明人还目睹了由于水相客体过饱和而大大提高了水合物形成速率。
将现在由于气体-水合物的形成而与废水分离的残留污垢从二级处理容器1130中除去1270。在特定实施方案中，残留污垢可以被转移到废物保持单元。残留污垢可在工业或其他地方找到后续用途，例如用作给料。
在从二级处理容器1130中除去残留的污垢之后，可以升高1280二级处理容器1130的温度。在示例性实施方案中，二级处理容器1130的温度返回到室温，或在约293≤T1(K)≤298的范围内。通过相对于T2升高温度，可以发生包合物水合物的熔化。然后可以从二级处理容器1130中除去1290第二气体和清洁水中的一者或两者。
图11和12的系统和/或方法分别可以一起或单独具有多种应用。有利地，存在各种小规模的应用，与现有技术相比，这些小规模的应用在经济上明显更加可行。仅通过举例，图11和12的系统和/或方法可分别用于包括小规模农业环境的农业环境，例如具有少量牲畜或晚切青贮饲料/beat的农场。在这样的实施方案中，除了废水处理之外，根据上述方法和系统的净化生物甲烷或其他气体的方法还可以促进生物甲烷或其他气体的自给自足生产，以支持家庭和奶业运营、运输(例如汽车、拖拉机等)。
参考图13的流程图1300，所述图13显示了根据本发明的处理废水的方法的示例性步骤。在步骤1305中，提供用于接收废水和气体的容器，其中所述气体包含一种或多种组成气体组分。在步骤1310中，将废水和气体的第一气体组分引导到容器。在步骤1315中，将容器的内容物的温度从第一温度降低至第二温度，以促进形成包含废水和第一气体组分的包合物水合物。在步骤1320中，相对于第二温度升高容器的内容物的温度，以促进包合物水合物的熔化。在步骤1325中，从容器中除去清洁水和/或第一气体组分。
参考图14的流程图1400，所述图14显示了处理多组分混合物的方法的示例性步骤。在步骤1405中，将第一介质提供给容器。在步骤1410中，将第二介质提供给容器。在步骤1415中，控制容器的内容物的温度以促进形成包含第一介质和第二介质的水合物。在步骤1420中，控制容器的内容物的温度以促进水合物的熔化以提供第一处理的介质和第二处理的介质。
本领域技术人员将理解，可以在不脱离本发明的范围的情况下对上述实施方案进行各种修改。本领域技术人员将理解，已经参考仅通过举例提供的特定值如压力、温度、电压、体积对系统的操作进行了描述，将理解的是，可以使用替代值。例如，在本发明范围内按比例缩放或修改实验设置时，值可能会变化。此外，本领域技术人员将理解，在示例性实施方案中不使用添加剂和/或电解的确仅是示例性的。以此方式，将理解的是，根据所附权利要求书，仅在认为必要时，才对主旨进行限制。
类似地，当在说明书中使用时，词语“包含”用于明确所陈述的形式、整数、步骤或组分的存在，但不排除存在或添加其一个或多个另外的形式、整数、步骤、组分或其组。
将理解的是，尽管已经描述了用于产生纳米气泡/纳米液滴并处理沼气和废水的设备的示例性特征，但是这样的布置不应解释为将本发明限制为这样的特征。产生纳米气泡/纳米液滴以及处理沼气和废水的方法可以在软件、固件、硬件或其组合中来实现。在一种模式下，所述方法在软件中作为可执行程序来实现，并由一台或多台专用或通用数字计算机如个人计算机(PC；IBM兼容机、Apple兼容机等)、个人数字助理、工作站、小型计算机或大型计算机来执行。所述方法的步骤可以由其中驻留或部分驻留软件模块的服务器或计算机来实现。
通常，就硬件架构而言，如本领域技术人员所容易理解的，这样的计算机将包含处理器、存储器以及一个或多个输入和/或输出(I/O)设备(或外围设备)，其通过本地接口进行通信连接。如本领域中已知的，本地接口能够为例如但不限于一条或多条总线或其他有线或无线连接。本地接口可以具有其他元件如控制器、缓冲区(缓存)、驱动器、转发器和接收器，以启用通信。此外，本地接口可以包括地址、控制和/或数据连接，以实现其他计算机组件之间的适当通信。
可以对处理器编程以实施用于控制纳米气泡/纳米液滴的发生器的方法的功能，以及更广泛地用于处理沼气和废水的系统的功能。处理器是用于执行软件，特别是储存在存储器中的软件的硬件设备。处理器能够为任何定制的或商购获得的处理器、主处理单元(CPU)、与计算机相关的多个处理器中的辅助处理器、基于半导体的微处理器(以微芯片或芯片集的形式)、宏处理器或通常用于执行软件指令的任何设备。
存储器与一个或多个处理器相关联，并且能够包括易失性存储元件(例如随机访问存储器(RAM，例如DRAM、SRAM、SDRAM等))和非易失性存储元件(例如ROM、硬盘驱动器、磁带、CDROM等)中的任意一种或组合。此外，存储器可以结合电子、磁性、光学和/或其他类型的存储介质。存储器能够具有分配式架构，其中各种组件彼此远离，但仍可被一个或多个处理器访问。
存储器中的软件可以包括一个或多个单独的程序。单独的程序包括用于实现逻辑功能以便实现模块功能的可执行指令的有序列表。在上述实例中，存储器中的软件包括所述方法的一个或多个组件，并且可以在适当的操作系统(O/S)上执行。
本发明可以包括作为如下而提供的组件：源程序、可执行程序(目标代码)、脚本或包含要实施的指令集的任何其他实体。当是源程序时，所述程序需要通过可能包含或不包含在存储器中的编译器、汇编器、解释器等进行转录，以便与O/S一起正常运行。此外，根据本发明教导实施的方法可以表示为：(a)具有数据和方法类别的面向对象的编程语言；或(b)具有例程、子例程和/或函数的过程编程语言，例如但不限于C、C++、Pascal、Basic、Fortran、Cobol、Perl、Java和Ada。
当所述方法在软件中实现时，应当注意，这样的软件能够储存在任何计算机可读介质上，以供任何与计算机相关的系统或方法使用或与其结合使用。在本发明的上下文中，计算机可读介质是能够含有或储存供与计算机相关的系统或方法使用或与其结合使用的计算机程序的电子、磁性、光学或其他物理设备或装置。这样的布置能够体现在由指令执行系统、设备或装置如基于计算机的系统、包含处理器的系统或其他系统使用或与其结合使用的任何计算机可读介质中，所述其他系统能够从指令执行系统、设备或装置中获取指令并执行指令。在本发明的上下文中，“计算机可读介质”能够为能够储存、通信、传播或传输供指令执行系统、设备或装置使用或与其结合使用的程序的任何装置。计算机可读介质能够为例如但不限于电子、磁性、光学、电磁、红外或半导体系统、设备、装置或传播介质。如本领域普通技术人员将理解的，附图中的任何过程描述或框图应被理解为表示模块、代码段或代码部分，其包括用于实现过程中的特定逻辑功能或步骤的一个或多个可执行指令。
本发明的实施方案的以上详细描述并不旨在穷举，也不旨在将本发明限制为所公开的确切形式。尽管以上出于说明性目的描述了本发明的具体实例，但是相关领域的技术人员将认识到，在本发明的范围内可以进行各种修改。例如，尽管已按特定顺序展示了流程和框图，但不同的实现方式可能会以替代顺序实施路线或采用具有框图的系统，并且某些过程或框图可能会被删除、补充、添加、移动、分离、组合和/或修改以提供不同的组合或子组合。这些过程或框图各自可以以多种替代方式来实现。而且，尽管有时将过程或框图显示为按顺序实施，但是这些过程或框图可以代之以并行实施或实现，或者可以在不同时间实施。作为增加生产能力和减少处理需求的一种方法，过程或框图的结果也可以保存在非持久性存储中。

Claims (63)

1.一种处理废水的方法，所述方法包括如下步骤：
提供用于接收废水和气体的容器，其中所述气体包含一种或多种组成气体组分；
将所述废水和所述气体的第一气体组分引导到所述容器；
将所述容器的内容物的温度从第一温度降低到第二温度以促进形成包含所述废水和所述第一气体组分的包合物水合物；
相对于所述第二温度升高所述容器的内容物的温度以促进所述包合物水合物的熔化；以及
将清洁水和/或所述第一气体组分从所述容器中移出。
2.根据权利要求1所述的处理废水的方法，所述方法还包括：产生所述第一气体组分的纳米气泡。
3.根据权利要求1或2所述的处理废水的方法，其中将所述第一气体组分引导到所述容器包括：从容积区可控地释放所述第一气体组分的纳米气泡。
4.根据权利要求3所述的处理废水的方法，其中所述容积区包含纳米气泡发生器。
5.根据权利要求3或4所述的处理废水的方法，其中可控地释放所述第一气体组分的纳米气泡包括：向储存所述纳米气泡的液体施加信号。
6.根据权利要求5所述的处理废水的方法，其中所述信号包括声音信号或电磁信号中的至少一种。
7.根据前述权利要求中任一项所述的处理废水的方法，所述方法还包括：从所述容器中除去残留物。
8.根据权利要求3～7中任一项所述的处理废水的方法，所述方法还包括：从所述发生器中除去所述气体的第二气体组分。
9.根据前述权利要求中任一项所述的处理废水的方法，其中所述第一气体组分包含二氧化碳或一氧化碳。
10.根据前述权利要求中任一项所述的处理废水的方法，其中第二气体组分包含甲烷。
11.一种用于处理废水的系统，所述系统包含：
用于接收废水和气体的容器，其中所述气体包含一种或多种组成气体组分；
用于将所述废水和所述气体的第一气体组分引导到所述容器的装置；
控温装置，所述控温装置以如下方式构造：
将所述容器的内容物的温度从第一温度降低到第二温度以促进形成包含所述废水和所述第一气体组分的包合物水合物；以及
相对于所述第二温度升高所述容器的温度以促进所述包合物水合物的熔化；和
用于将清洁水和/或所述第一气体组分从所述容器中移出的装置。
12.根据权利要求11所述的用于处理废水的系统，所述系统还包含用于产生第一气体组分的纳米气泡的纳米气泡发生器。
13.根据权利要求11或12所述的用于处理废水的系统，所述系统还包含用于从容积区可控地释放所述第一气体组分的纳米气泡的装置。
14.根据权利要求13所述的用于处理废水的系统，其中所述用于可控地释放所述第一气体组分的纳米气泡的装置以向储存所述纳米气泡的液体施加信号的方式来构造。
15.根据权利要求14所述的用于处理废水的系统，其中所述信号包括声音信号或电磁信号中的至少一种。
16.根据权利要求11～15中任一项所述的用于处理废水的系统，所述系统还包含用于从所述容器除去残留物的装置。
17.根据权利要求13～16中任一项所述的用于处理废水的系统，所述系统还包含用于从所述发生器除去所述气体的第二气体组分的装置。
18.根据权利要求11～17中任一项所述的用于处理废水的系统，其中所述第一气体组分包含二氧化碳或一氧化碳。
19.根据权利要求11～18中任一项所述的用于处理废水的系统，其中第二气体组分包含甲烷。
20.一种用于处理多组分混合物的系统，所述系统包含：
用于接收第一介质和第二介质的容器；
用于将所述第一介质供应到所述容器的源和用于将所述第二介质供应到所述容器的源；
控温装置，其用于控制所述容器的内容物的温度，其中所述控温装置以控制所述容器的内容物的温度以促进形成包含所述第一介质和所述第二介质的水合物的方式构造，并且其中所述控温装置以控制温度以促进所述水合物的熔化来提供第一处理的介质和第二处理的介质的方式构造。
21.根据权利要求20所述的用于处理多组分混合物的系统，其中所述第一介质包含气体，其中所述气体包含一种或多种组成气体组分。
22.根据权利要求20或21所述的用于处理多组分混合物的系统，其中在所述容器中形成的所述水合物是包合物水合物。
23.根据权利要求20～22所述的用于处理多组分混合物的系统，所述系统还包含用于产生所述气体的第一气体组分的纳米气泡的纳米气泡发生器，并且还包含用于连接所述纳米气泡发生器的容积区与其间的容器的至少一个导管。
24.根据权利要求23所述的用于处理多组分混合物的系统，所述系统还包含用于可控地将纳米气泡从容积区释放的搅动装置。
25.根据权利要求24所述的用于处理多组分混合物的系统，其中所述搅动装置包含声音信号或电磁信号。
26.根据权利要求24或25所述的用于处理多组分混合物的系统，其中所述容积区包含所述纳米气泡发生器。
27.根据权利要求20～26中任一项所述的用于处理多组分混合物的系统，所述系统还包含至少一个出口，其用于将第一处理的介质、第二处理的介质或颗粒物质中的一种或多种导出所述容器。
28.根据权利要求20～27中任一项所述的用于处理多组分混合物的系统，其中所述第一介质包含甲烷和二氧化碳中的一种或多种。
29.根据权利要求20～28中任一项所述的用于处理多组分混合物的系统，其中所述第二介质包含废水。
30.根据权利要求20所述的用于处理多组分混合物的系统，其中所述包合物水合物由二氧化碳分子和废水形成。
31.根据权利要求20～30中任一项所述的用于处理多组分混合物的系统，其中用于提供所述第一介质的源也是用于提供所述第二介质的源。
32.根据权利要求31所述用于的处理多组分混合物的系统，其中用于提供所述第一介质和所述第二介质的源是厌氧消化器。
33.根据权利要求20～32中任一项所述的用于处理多组分混合物的系统，其中所述第一处理介质和所述第二处理介质中的一种包含净化水组分。
34.根据权利要求20～33中任一项所述的用于处理多组分混合物的系统，其中所述气体的源是烟道。
35.根据权利要求20～35中任一项所述的用于处理多组分混合物的系统，其中所述气体包含O2或N2。
36.根据权利要求29～35中任一项所述的用于处理多组分混合物的系统，其中所述第二介质包含石油。
37.根据权利要求20～36中任一项所述的用于处理多组分混合物的系统，其中所述气体包含大气。
38.一种处理多组分混合物的方法，所述方法包括：
向容器提供第一介质；
向容器提供第二介质；
控制所述容器的内容物的温度以促进形成包含所述第一介质和所述第二介质的水合物；以及
控制所述容器的内容物的温度以促进所述水合物的熔化，从而提供第一处理的介质和第二处理的介质。
39.根据权利要求38所述的处理多组分混合物的方法，其中所述第一介质包含气体，其中所述气体包含一种或多种组成气体组分。
40.根据权利要求38或39所述的处理多组分混合物的方法，其中形成的水合物是包合物水合物。
41.根据权利要求38～40中任一项所述的处理多组分混合物的方法，所述方法还包括：产生所述气体的第一气体组分的纳米气泡。
42.根据权利要求41所述的处理多组分混合物的方法，所述方法还包括：可控地从容积区释放所述纳米气泡。
43.根据权利要求42所述的处理多组分混合物的方法，其中施加声音信号或电磁信号以可控地从容积区释放所述纳米气泡。
44.根据权利要求38～43中任一项所述的处理多组分混合物的方法，所述方法还包括：将第一处理的介质、第二处理的介质或颗粒物质中的一种或多种从所述容器中导出。
45.根据权利要求38～44中任一项所述的处理多组分混合物的方法，其中所述第一介质包含甲烷和二氧化碳中的一种或多种。
46.根据权利要求38～45中任一项所述的处理多组分混合物的方法，其中所述第二介质包含废水。
47.根据权利要求40所述的处理多组分混合物的方法，其中所述包合物水合物是由二氧化碳分子和废水形成的。
48.根据权利要求38～46中任一项所述的处理多组分混合物的方法，其中用于提供所述第一介质的源也是用于提供所述第二介质的源。
49.根据权利要求38～46中任一项所述的处理多组分混合物的方法，其中用于提供所述第一介质和所述第二介质的源是厌氧消化器。
50.根据权利要求38～46中任一项所述的处理多组分混合物的方法，其中所述第一处理的介质和所述第二处理的介质中的一种包含净化水组分。
51.根据权利要求39所述的处理多组分混合物的方法，其中所述气体包含O2或N2。
52.根据权利要求38～45中任一项所述的处理多组分混合物的方法，其中所述第二介质包含石油。
53.根据权利要求39～45中任一项所述的处理多组分混合物的方法，其中所述气体包含大气。
54.根据权利要求39～53中任一项所述的处理多组分混合物的方法，所述方法还包括：开发纳米相以用于在所述气相中和/或溶解在不混溶的液相中的多组分气体混合物的差异吸收。
55.根据权利要求54所述的方法，其中通常的气-液平衡常数形式yi＝Hixi(其中Hi为亨利定律常数，HLC)可以用
Figure FDA0003021926750000071
代替，其中
Figure FDA0003021926750000072
是增强的实际HLC，这是由于所述纳米相的额外容纳造成的。
56.根据权利要求54或55所述的方法，其中在所述纳米相中表面积/体积比增加。
57.根据权利要求54～56中任一项所述的方法，其中将所述纳米相用于蒸馏应用中。
58.根据权利要求38～57中任一项所述的方法，所述方法还包括：从烟道气中除去气体组分。
59.根据权利要求58所述的方法，所述方法还包括：疏水性的或碳纳米管过滤。
60.根据权利要求38～59中任一项所述的方法，所述方法还包括：直接空气捕集(DAC)。
61.根据权利要求48～60中任一项所述的方法，其中对于不混溶的液体的混合物，所述液-液平衡-分配关系的形式xi,k＝Ki,j,kxi,j(其中Ki,j,k是液相i中物种j相对于k的液-液分配系数)可用
Figure FDA0003021926750000081
(其中
Figure FDA0003021926750000082
是增强的实际分配系数，这是由于在一个相中的额外的优先容纳造成的)替代。
62.根据权利要求48～60中任一项所述的方法，其中固-液平衡-分配关系的形式zk＝Kj,kxj(其中Kj,k是所述固相中的物种j相对于k的固-液分配系数)可用
Figure FDA0003021926750000083
(其中
Figure FDA0003021926750000084
是增强的实际分配系数，这是由于在所述液相中作为纳米气泡或纳米液滴而另外优先容纳造成的)替代。
63.根据权利要求49所述的方法，其中将过量的H2以纳米气泡的形式放入所述厌氧消化器中。
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