JP2016518977A - エマルションまたは他の混合物の単極分離のためのシステムおよび方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、米国仮特許出願第61/812,700号(2013年4月16日出願、名称「Systems and Methods for Unipolar Emulsion Separation」)に対する優先権および利益を主張し、上記出願は、その全体が参照により本明細書に引用される。
本発明は、概して、エマルションまたは他の混合物の2以上の相の分離に関する。特定の実施形態では、本発明は、同符号に帯電した液滴を合体させることによるエマルションまたは他の混合物の液相の分離に関する。
いくつかの実施形態では、コロナ放電が、エマルションを不安定化するために使用され得る。一例を挙げると、高圧送電線がその固体/油の絶縁ジャケットを失った。裸電極からコロナ放電が発生した間、ジャケット内の油が導電性の天板上に溢れ出た。天板上に漏洩した油が広がったが、隣接するビーカー内の水メニスカスには同様の影響は観察されなかった。コロナ放電は油に力を加えたが、水の界面には観察可能な影響を及ぼさなかった。この観察は、十分に定義されたコロナ放電の設定を用いた、コロナ放電に基づく新しい分離器の作製を促した。
(直接イオン注入−コロナ放電)
図1は、本発明のいくつかの実施形態による、液滴の合体を促進するための、エマルション界面を標的とする正イオンまたは負イオンのコロナ放電を示す略図である。左の略図100は、電圧を印加する前の、多数の液滴104がエマルション102全体に分散したエマルション102の略図を示す。右の略図100’は、電圧を印加した後のエマルション102’の略図を示す。この略図に見られるように、液滴104の少なくともいくつかは、合体してより大きな液滴104’を形成している。コロナ放電によるイオン照射は、形成されたイオンを界面からエマルションの体積中に直接注入し得る。エマルションの帯電は、外部の源(コロナ放電)から起こる。イオンは、エマルションの外側で形成され、エマルション/空気の界面から体積中に直接注入される。イオンは、エマルション中に分布し、液滴は、正味電荷を獲得するが、同じ極性を有する。コロナ放電は、エマルション中に非常に不均一な単一極性電荷を形成する。任意の所与の理論に拘束されることを望むものではないが、隣接する液滴間の電荷の差が、引力を引き起こし、最終的には、液滴の融合を引き起こすものと考えられる。ばく露時間を延長することにより、小さな水液滴を合体させて液滴径を増加させることによって油を水から分離することができる。
コロナ放電照射実施形態では、電荷は、気体分子のイオン化によって直接導入される。しかしながら、帯電した物質を介して単極電荷をバルクエマルションに送達し得る。例えば、単極帯電した滴または流れをエマルション中に噴霧することは、その中の隣接する液滴が正味かつ単極の電荷を獲得するように正味かつ単極の電荷を獲得するエマルションを生じ得る。いくつかの実施形態では、噴霧は、エレクトロスプレーまたは機械的スプレー(例えば、微粒化)によって行われる。
物質移動による単極電荷移動の別の非限定的な実施例では、ある量のエマルションを最初に帯電させ、次いで、より多くの量のエマルションに導入する。例えば、いくつかの実施形態では、エマルションの一部を含む浴に電荷を注入するためにコロナ放電が用いられることができる。次いで、帯電した液体または混合物の浴が、より大きなエマルションのバッチまたは流れに導入され、そこで分離が行われる。帯電した液体は、エマルションに拡散し、伝導および対流の両方によって電荷を移動させる。物質移送および電気伝導によって移動させられる単極電荷は、バルク中で液滴の合体を引き起こすことができ、それによって分散相の液滴径が大きくなる。分離された液滴は、沈降してバッチの底部に集まるために十分なほど大きい。この方法は、分離プロセスを促進するために重力分離と組み合わされることができる。純粋な油が帯電させられ、重力分離器のタンクに注ぐことができる。単極分離に起因して単極電気合体が起こる。
いくつかの実施形態では、単極性エマルションの分離を行うために摩擦帯電が用いられる。この方法は、コロナ放電ばく露および単極帯電した液滴のエマルション中への噴霧の代替である。これは、コロナ放電法と同じくらい単純であるが、本発明のいくつかの実施形態によれば、活性電源の必要性を排除し得る。
本明細書に記載の方法は、それらのレイアウトを実質的に変更せずに、現在の油/水分離プロセスと組み合わせられ得る。既存のシステムは、例えば、本明細書に記載されるような単極電荷分離の段階またはモジュールを用いて改良され得る。
図4Aは、同符号に帯電した(正に帯電した)2つの液滴の接触(t=0)に関連する種々の時点で得られたシリコン油中の脱イオン水の2つの液滴の一連の顕微鏡写真を示す。Qaは、液滴aの電荷であり、Qbは、液滴bの電荷であり、raは、液滴aの半径であり、rbは、液滴bの半径である。液滴の電荷密度が異なる場合、例えば、例として、Qa/ra>>Qb/rbであり、液滴が互いに十分に接近している場合、液滴の引力および合体が観察される。
この実施例では、分離した油の静電ポンピングの存在下で、コロナ放電補助式エマルションの分離を実行した。図13に示すように、湾曲した電極1314を、シリコン油中の脱イオン水のエマルション1316(25重量%の水、75重量%の油)で最初に充填した。湾曲した電極1314を接地した。コロナ針1318をエマルション/空気界面の上に固定した。コロナ電極とエマルション界面との間の距離は、数十ミリメートルであった。したがって、接地電極1314がエマルション1316と接触する一方で、コロナ針1318は、周囲空気中に位置し、エマルション1316との抵抗接点を有していなかった。針1318に臨界値を超える電圧を印加することにより、エマルション1316の表面および湾曲した接地電極1314の上に正のコロナ放電を確立した。コロナ放電の確立は、コロナ電流を測定することによって確認した。
図16の設定1600は、ポンピング効果を利用しないエマルションのコロナ放電分離を示した。コロナ放電補助による技術は、主として油であるエマルションから水を分離するために使用することができ、エマルションは、油バックグラウンドに乳化された低濃度の水および/または小さい液滴径の水を含有する。他の実施形態では、コロナ放電補助による技術は、主として水であるエマルションから水相および油相を分離するために使用することができる。
図17に示した構成において、液滴1730は、図13に示される実施形態と類似したコロナ針1718による単極イオン注入によってエマルションの浴中で直接的に帯電している。しかしながら、容器1720は湾曲しておらず、油を汲み上げることができない。分離した油は上に留まり、コロナ放電によって汲み出されない。合体後、標準的なプロセスを用いて相を分離し得る。
図18に示すように、油中水エマルションを2つの容器に分割する(またはエマルションもしくは他の混合物は、最初に2つの容器内に提供され得る)。エマルションまたは他の混合物の第1の部分を容器1820に入れる。エマルション1816をコロナ放電によって帯電させる。コロナ針1818および誘電体コーティングを有する接地電極1814を使用して、上のいくつかの実施形態において論じたようにコロナ放電を確立する。接地電極1814はエマルション1816と接触している。ガス媒体(例えば、任意の圧力および温度の、上で論じた1つのガスまたはガスの混合物)は、エマルション1816とコロナ針1818との間に位置する。コロナ針1818と接地電極1814との間の電気電位の差をコロナ放電閾値超で印加すると(例えば、連続的な交流もしくは直流放電またはパルス放電)、コロナ針1818の鋭い先端の周辺で強制電場が十分に強くなり、その結果、電極分離領域内の周辺の中性ガス媒体が部分的にイオン化され、エマルション1816を帯電させる正イオンの雲1840を形成する。帯電したエマルション1816’は、次いで、導管1842を介して第2の容器1844に輸送される。第2の容器は、最初は中性のエマルション1846を含む。帯電したエマルション1816’は、次いで、分離される必要がある、最初は中性のエマルション1846と混合され得る。
次に図19を参照すると、実験設定1900は、複数のエミッタ電極1918と、誘電体コーティング1914を有する接地電極とを用いる。実験設定1900’は、複数のエミッタ電極1918と裸の接地電極1914’とを用いる。実験設定1901は、単一のワイヤエミッタ電極1918’と、誘電体コーティング1914を有する接地電極とを用いる。実験設定1901’は、単一のワイヤエミッタ電極1918’と裸の接地電極1914’とを用いる。
次に図20を参照すると、実験設定2000および2001が図示される。実験設定2000は、油中水エマルション2016(他の混合物も分離され得る)の輸送中のコロナ放電の印加を図示している。コロナ放電ワイヤ2018’は、エマルション2016の上に配置される(例えば、コロナ放電ワイヤ2018は、エマルション2016と接触していない)。いくつかの実施形態では、コロナ放電ワイヤ2018’は被覆されている。いくつかの実施形態では、コロナ放電ワイヤ2018’は裸である。半分(または管容積の別の適切な部分)がガス(例えば、空気または電流放電の効果を効果的に増加させ得る任意のガス組成物)で充填されている。実験設定2000は、コロナ放電を用いた輸送中にエマルション2016(または、別の混合物)が分離することを可能にする。任意の適切なコロナ放電電極の形状が用いられ得る。
次に図21を参照すると、輸送中にエマルションまたは別の混合物を分離するための実験設定2100が示される。輸送中の摩擦帯電による帯電によって、移動中のエマルション2116に電荷を導入することができる。図21に示すように、エマルション2116は、パイプ2150(または、エマルションもしくは別の混合物を輸送することができる任意の他の導管)中を輸送中に分離され得る。パイプの内側表面2148(例えば、輸送されるエマルションまたは他の混合物と接触している表面)は、摩擦帯電による帯電を改善するように構成される摩擦帯電用コーティングで被覆されている。いくつかの実施形態では、コーティング2150は、テフロン(登録商標)およびナイロンの組み合わせを(適切な割合で)含む。いくつかの実施形態では、コーティング2150は、適切な種類の(例えば、摩擦帯電による帯電を改善するのに適した)静電コーティングである。混合物の体積中の単極電荷は、輸送中にパイプ2150を通過する際にエマルション2116の分離を促進させることができる。単極分離は、パイプ2150を通るエマルションの輸送中に、完全にまたは部分的に終了させることができる。
次に図22を参照すると、エマルションまたは他の混合物を分離するための実験設定2200が示される。中性ガス(例えば、正味電荷を有しないガス)2254がイオン化チャンバ2256に供給される。中性ガス2254は、次いで、イオン化チャンバ2256内でイオン化される。いくつかの実施形態では、中性ガス2254は、コロナ放電を用いることによってイオン化される(例えば、他のコロナ放電の実施形態について上で論じたように)。単極電荷を帯びた部分的にイオン化されたガス2254’が、次いでエマルションまたは他の混合物2216に(例えば、1つの場所からまたは複数の場所から)導入される。いくつかの実施形態では、部分的にイオン化されたガス2254’は、エマルションまたは他の混合物2216を通過する。
本明細書に記載される実施形態および実施例は、例示目的のためにすぎず、限定のためではない。本発明の範囲は、本明細書に添付される特許請求の範囲によって図示され、本発明の範囲内の種々の変更および修正は、当業者には明白であろう。
Claims (50)
- エマルション混合物(例えばエマルション)の2以上の相を分離する方法であって、前記方法は、
(a)前記混合物に正味かつ単極の電荷を提供し(例えば、前記混合物中の隣接する液滴が正味かつ単極の電荷を獲得するように)、それによって前記混合物中の同様の相の液滴の合体を強化し、2以上の結合した相を生成するかまたはその生成を強化するステップと、
(b)前記2以上の結合した相を回収するステップと
を含む、方法。 - ステップ(a)は、コロナ放電により前記混合物をイオン照射することを含む、請求項1に記載の方法。
- ステップ(a)は、エミッタ電極(例えば、鋭い電極)およびコレクタ電極(例えば、鋭くない電極)を提供することを含み、少なくとも前記コレクタ電極は前記混合物と物理的に接触しており、コロナ放電閾値以上の電位差が前記エミッタ電極と前記コレクタ電極との間に印加される、請求項2に記載の方法。
- 前記エミッタ電極は、前記混合物と物理的に接触していない、請求項3に記載の方法。
- ガス媒体(例えば、窒素、酸素、空気、アルゴン、ヘリウム等、またはその混合物)が、前記エミッタ電極と前記混合物との間に位置している、請求項4に記載の方法。
- 前記コレクタ電極は、接地されている、請求項3〜5のいずれか1項に記載の方法。
- 前記エミッタ電極は、鋭い電極(例えば、1本の針、複数の針、1つのブレードまたは複数のブレード、細いワイヤまたは複数のワイヤ、ヘリカル、のこぎり歯等)である、請求項3〜6のいずれか1項に記載の方法。
- 前記エミッタ電極は、被覆および/またはテクスチャ加工されている(例えば、微細構造、ナノチューブ(例えば、CNT)、ナノ構造、または他の鋭い形状で被覆および/またはテクスチャ加工されている)、請求項3〜7のいずれか1項に記載の方法。
- 前記エミッタ電極は、イオン化によって誘導される腐食に対して抵抗力がある材料でできているかまたは被覆されている、請求項3〜8のいずれか1項に記載の方法。
- 前記コレクタ電極は、金属、ケイ素、および自然酸化物を伴うケイ素から成る群から選択される1以上の部材を含み、および/または前記コレクタ電極は、誘電体膜で被覆されている(例えば、および/または、前記コレクタ電極は、前記混合物を含む基板であり、例えば、チャネル、パイプ、プレート等である)、請求項3〜9のいずれか1項に記載の方法。
- 前記エミッタ電極と前記混合物との間の前記電位差は、前記エミッタ電極に高電圧を印加することによって、または前記エミッタ電極の極性を反転させることにより前記混合物に高電圧を印加することによって確立される、請求項3〜10のいずれか1項に記載の方法。
- 電場が、連続的な交流もしくは直流放電によって、またはパルス放電によって印加される、請求項3〜11のいずれかに記載の方法。
- 前記放電は、2段階、3段階、または複数段階の放電である(例えば、放電の時間差がある)、請求項12に記載の方法。
- 前記放電は、直接放電またはバリア放電である、請求項12または13に記載の方法。
- 混合物の特性に基づいて電圧を調整することをさらに含む、請求項3〜14のいずれか1項に記載の方法。
- 前記分離は、前記混合物の輸送中に(例えば、ベルトコンベヤ上で)実行される、請求項1〜15のいずれか1項に記載の方法。
- ステップ(a)は、前記混合物の一部に単極電荷を提供することを含み、前記方法は、前記混合物の帯電した部分を前記混合物の残りの部分に混合し、それによって前記混合物中の同様の相の液滴の合体を強化し、2以上の結合した相を生成するかまたはその生成を強化することと、(b)前記2以上の結合した相を回収することとをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- ステップ(a)は、正味かつ単極の電荷を有する物質(例えば、液滴、液浴、または液流)を前記混合物に注入するか、噴霧するか、または別様に導入し、それによって前記混合物中の同様の相の液滴の合体を強化し、2以上の結合した相を生成するかまたはその生成を強化することを含む、請求項1に記載の方法。
- ステップ(a)は、正味かつ単極の電荷を有するイオン化ガス(例えば、別々のプロセスでイオン化されたガス、前記混合物への輸送中にイオン化されたガス、コロナ放電チャンバ内でコロナ放電によってイオン化されたガス)を前記混合物に注入することを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記イオン化ガスは、単一の場所から前記混合物に注入されるか、または複数のポイントから前記混合物に注入される、請求項19に記載の方法。
- ステップ(a)の前に前記混合物を撹拌することをさらに含む、先行する請求項18〜20のいずれか1項に記載の方法。
- ステップ(a)は、前記混合物を正味かつ単極の電荷を有する基板(例えば、摩擦帯電によって印加された電荷を有する基板)に導入することを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記単極電荷は、正である、請求項1〜22のいずれか1項に記載の方法。
- 前記単極電荷は、負である、請求項1〜22のいずれか1項に記載の方法。
- 前記混合物は、正味かつ単極の電荷を維持する一方で、正電荷および負電荷を有する種の組み合わせ(例えば、所与の期間にわたって変化し得る)を含む、請求項1〜22のいずれか1項に記載の方法。
- ステップ(a)は、導管を介した前記混合物の輸送中に摩擦帯電により電荷を印加することを含み、前記導管は、摩擦帯電による帯電を改善するように構成されているコーティングを含む、請求項1に記載の方法。
- ステップ(a)は、正味かつ単極の電荷の直接注入、伝導、誘導、および/またはそれらの任意の組み合わせによって電荷を印加することを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記混合物は、複数の液相を含む、請求項1〜27のいずれか1項に記載の方法。
- 前記混合物は、粒子、タンパク質、DNA、RNA、および細胞から成る群から選択される1以上の部材を含む(例えば、前記混合物は、粒子または界面活性剤等の安定剤を含む)、請求項1〜28のいずれか1項に記載の方法。
- 前記混合物は、導電率の低い液体を含む(例えば、絶縁液体または誘電液体、例えば、前記導電率の低い液体が前記混合物の少なくとも50重量%を占める)、請求項29に記載の方法。
- 前記混合物は水相を含み、前記水相は、少なくとも約0.5M(例えば、少なくとも約1M、少なくとも約1.5M、少なくとも約2.0M)の塩分含有量を有する、請求項1〜30のいずれか1項に記載の方法。
- 前記正味かつ単極の電荷の導入前、前記混合物は、直径約1000マイクロメートル以下(例えば、≦500μm、≦400μm、≦300μm、≦100μm、≦50μm、≦30μm、≦20μm、≦10μm、≦1μm、≦900nm、≦500nm、≦300nm、≦100nm、≦50nm、≦30nm、≦10nm)の平均液滴径を有する液滴の相を含み、前記液滴は、前記正味かつ単極の電荷の導入後に合体する、請求項1〜31のいずれか1項に記載の方法。
- 前記混合物は、水相および非水相(例えば、油)を含む二相エマルションであり、前記水相は、前記エマルションの50重量%以下(例えば、≦40重量%、≦30重量%、≦20重量%、≦10重量%、≦5重量%、≦3重量%、≦1重量%、または≦0.5重量%)である、請求項1〜32のいずれか1項に記載の方法。
- 前記混合物は、水相および非水相(例えば、油)を含む二相エマルションであり、前記非水相は、前記エマルションの50重量%以下(例えば、≦40重量%、≦30重量%、≦20重量%、≦10重量%、≦5重量%、≦3重量%、≦1重量%、または≦0.5重量%)である、請求項1〜33のいずれか1項に記載の方法。
- 前記混合物は、三相混合物である、請求項1〜34のいずれか1項に記載の方法。
- 前記混合物は、液相、固相、および気相を含む、請求項1〜35のいずれか1項に記載の方法。
- 前記混合物は、油中気泡混合物または油中泡沫混合物である、請求項1〜36のいずれか1項に記載の方法。
- 前記混合物は、乳化剤(例えば、界面活性剤)を含む、請求項1〜37のいずれか1項に記載の方法。
- 前記混合物は、少なくとも約0.5M(例えば、少なくとも約1M、少なくとも約1.5M、または少なくとも約2.0M)の塩分含有量を有する少なくとも1つの相を含む、請求項1〜38のいずれか1項に記載の方法。
- 前記混合物は、導電率の高い液体を含む、請求項1〜39のいずれか1項に記載の方法。
- 前記混合物は、油を含み、前記油は、約10−14S/m(絶縁性が高い)〜約10−5S/m(導電性が高い)の導電率を有する、請求項1〜40のいずれか1項に記載の方法。
- 前記混合物は、約10−7S/m〜約100S/mの導電率を有する、請求項1〜41のいずれか1項に記載の方法。
- 前記ガス媒体は、流動性である、請求項5に記載の方法。
- 放電(V−I)特性の質を最適化するため、および電気破壊限界を制御するために、前記ガス媒体の温度および/または圧力を調節することをさらに含む、請求項5または42のいずれか1項に記載の方法。
- 混合物(例えば、エマルション)の2以上の相を分離するためのシステムであって、前記システムは、
(a)容器または支持体であって、前記容器または支持体は、その中またはその上に前記混合物を含むかまたは支持し、前記容器または支持体は、接地されたコレクタ電極を備え(例えば、接地されたコレクタ電極であり)、前記容器または支持体は、傾斜部、リップ部、縁辺部、および/または他の隆起部を備えている、容器または支持体と、
(b)前記混合物と物理的に接触していないエミッタ電極と、
(c)コロナ放電閾値以上の電位差を前記エミッタ電極と前記コレクタ電極との間に印加するように構成されている電源と
を備え、
ガス媒体(例えば、窒素、酸素、空気、アルゴン、ヘリウム等、またはそれらの混合物)が、前記エミッタ電極と前記混合物との間に位置し、コロナ放電閾値以上の電位差が前記エミッタ電極と前記コレクタ電極との間に印加されると、前記容器または支持体は、その中および/またはその上を通る前記混合物の第1の相の通過を可能にするが、その中および/またはその上を通る前記混合物の少なくとも第2の相の通過を可能にせず(例えば、コロナ放電分離の差動拡散またはポンピング効果を利用する)、それによって、前記混合物の2以上の相の分離を引き起こすかまたは促進するように構成されている、
システム。 - 前記電源は、従来の電源(例えば、電池、直流電源、交流電源、または直流/交流電源)である、請求項45に記載のシステム。
- 前記電源は、静電発電機(例えば、バンデグラーフ発電機)である、請求項45に記載のシステム。
- 前記システムは、スキマー、重力分離器、および遠心分離器から成る群から選択される1以上の部材を備えている、請求項45に記載のシステム。
- 前記エミッタ電極および/または前記コレクタ電極は、裸である、請求項45〜48のいずれか1項に記載のシステム。
- 前記エミッタ電極および/または前記コレクタ電極は、被覆されている、請求項45〜48のいずれか1項に記載のシステム。
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