NO139833B - Fremgangsmaate og apparat for ultrasonisk fjernelse av forurensninger fra vann - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår utnyttelse av ultralydbølger for fjernelse av forurensende materiale fra overflaten av vann.

Det velkjente og omstridte problem vedrørende fjernelse

av oljesøl fra havner og andre steder har resultert i utvikling av et antall anordninger hvorav mange har vist seg ikke å være sær-

lig effektive. Olje på vann representerer en substans som det er vanskelig å inneslutte og oppsamle, og konvensjonelle hjelpemidler utviklet for dette formål, så som roterende transportører forsynt med belter av tekstil og lange flytelenser som skal tjene til å sveipe vannoverflaten, har mange ulemper.

Foreliggende oppfinnelse gir en spesielt effektiv løsning på problemet ved å utnytte akustiske bølger for å frembringe den kraft som er nødvendig for å separere oljen fra vann. Slike bølger blir frembragt av en enkelt konstruert og billig transduser og anordningen for understøttelse av denne lydbølgegenerator kan lett utformes og settes i drift.

Nærmere bestemt går således denne oppfinnelse ut på en fremgangsmåte for fjernelse av forurensende materiale eller substans som flyter på vann, karakterisert ved at det anvendes en transduser som arbeider efter i og for seg kjente prinsipper og som neddykkes i vannet, at transduseren energiseres elektrisk for å generere lydbølger, at lydbølgene fokuseres til å stråles oppad gjennom vannet tii et fokuseringsområde, at fokuseringsområdet plasseres nær et grenseskikt mellom det forurensende materiale og overflaten av vannet, og at det sørges for oppfangning av en del av det forurensende materiale som sprutes opp over vannoverflaten av de fokuserte lydbølger.

Denne fremgangsmåte for ultralydfjernelse av forurensninger fra vann kan arbeide effektivt ved fjernelse av oljesøl eller lignende. Den akustiske utstrålingskraft kaster oljen opp fra vannet uten at det er nødvéndig å bruke mekaniske deler eller konvensjonelle oljeoppsamlingsinnretninger som så ofte blir tilstoppet og satt ut av drift av forurensningene slik at utstyret ikke lenger

.er effektivt.

Oppfinnelsen omfatter også et apparat for utførelse av fremgangsmåten. De nye og særegne trekk ved dette apparat er nærmere angitt i patentkravene.

Oppfinnelsen skal .i det følgende forklares nærmere ved hjelp av tegningen som illustrerer foretrukne utførelsesformer av oppfinnelsen, og hvor

figur 1 er et skjematisk riss av et apparat for ultralydfjernelse av forurensninger fra vann,

figur 2 er et forstørret snitt gjennom en fokuserende ultralyd-transduser som inngår i apparatet på figur 1,

figur 3 er et skjematisk riss som viser en modifisert form for transduser,

figur 4 er et vertikalsnitt gjennom en annen transduser forsynt med en fokuseringslinse,

figur 5 er et skjematisk grunnriss av en utførelsesform av apparatet som er spesielt beregnet for bruk ved fjernelse av oljesøl i en havn, og

figur 6 er et forstørret vertikalsnitt tatt efter linjen 6-6 på figur 5, og viser detaljer ved en flottør festet til apparatet eller oppsamlingsfartøyet på figur 5.

På fig. 1 angir henvisningstallet 10 generelt en forenklet utførelsesform av apparatet ifølge foreliggende oppfinnelse. Dette apparat omfatter en avlang tank 12 som er oppad åpen og har en bunn 13 forsynt med en tømmeventil 14. Et tilførselsrør 16 er ført over en sidevegg 17 på separasjonstanken 12 for å tillate fylling med en blanding av vann og olje. Vannet er angitt ved 18 og oljen ved 19, idet oljen har en spesifikk vekt som bevirker at denne flyter på overflaten av vannet. Tanken har også en sidevegg 20 som grenser til et trau 21 hvis bunn 22 er forsynt med en avløpsplugg 23. En sidevegg 24 på trauet er forlenget med en innad skrånende sprutplate 25.

Apparatet 10 er beregnet til å brukes for fjernelse av en større andel av oljen på vann og for dette formål omfatter apparatet en transduser 30 passende montert på eller i tanken 12. Denne transduser 30 som er vist mer detaljert på fig. 2, omfatter en hul støtte 32 på hvilken det er montert en parabolsk del 33. Denne del 33 som har en konkav flate 34 er laget av et passende piezoelektrisk eller elektrostriktivt materiale og er elektrisk forbundet med en (ikke vist) vekselstrømkilde gjennom en elektrisk krets 35. Et slikt arrangement utgjør en innretning som vanligvis betegnes som en fokuserende ultralydtransduser og det er for tiden kommersielt tilgjengelig mange forskjellige slike transdusere som er egnet for denne anvendelse. Hver av de egnede transduser-typer er i stand til å fokusere de genererte lydbølger mot et forutbestemt punkt eller område og med en parabolsk del 33 er dette område til-nærmet en kule slik som angitt ved 38 på fig. 1.

Når apparatet 10 arbeider for separering av olje fra vann blir utløpsmengden fra tilførselsrøret 16 og utstrømningen av vann fra tanken gjennom ventilen 14 regulert omhyggelig for å opprett-holde et slikt nivå av væske i tanken at fokuseringsområdet 38 holdes på eller i det minste meget nær overflaten av vannet. Transduseren 30 energiseres til å generere ultralydbølger og disse fokuserte bølger har den virkning at en del av oljen 19 sprutes opp i form av en søyle 19A. Det er funnet at denne søyle er i det vesentlige sammenhengende da den nedre del av denne kontinuerlig blir forsynt med olje som flyter over vannoverflaten slik at den olje som kastes ut blir erstattet med ny. Søylen 19a rettes utad på

slik måte av den hensiktsmessig vinkelorienterte transduser 30 at den føres over sideveggen 20 og faller inn i trauet 21 for der-efter å fjernes gjennom pluggen 23. Det kan være tilstede en for-holdsvis liten vannmengde i søylen 19A, spesielt hvis tanken er overfylt slik at fokuseringsområdet 38 befinner seg litt under grensesjiktet mellom de to væsker, men apparatet vil allikevel virke til å avstedkomme en rimelig grad av separasjon.

Det forurensende materiale er blitt beskrevet som olje fordi olje er en vanlig kilde til vannforurensning, men også andre materialer kan adskilles fra vann ved anvendelse av foreliggende oppfinnelse. For eksempel kan partikkelformig materiale så som sagflis kastes opp fra overflaten i en vanntank på denne måte.

på fig. 3 er det vist en fokuserende ultralydtransduser

42 omfattende en del 44 som har en langstrakt tallerken-lignende form slik at det fremkommer en i det vesentlige halvsylindrisk ut-strålingsflate 45 som danner et fokuseringsområde 47 med i det vesentlige sylindrisk form istedenfor en kuleform som nevnt ovenfor. En slik transduser 42 virker til å frembringe en vegg eller

et sjikt av olje som angitt ved 48 på fig. 3 og innebærer at forurensende materiale kan fjernes med større kapasitet enn det som er

tilfelle når oljen kastes ut i form av en søyle.

Fig. 4 viser en utførelsesform av en transduser med flat stråleflate og som er i stand til å generere og fokusere ultralyd-bølger med en intensitet som gjør det mulig ved hjelp av foreliggende oppfinnelse å behandle olje som er temmelig tung og viskøs. Henvisningstallet 50 på fig. 4 angir generelt en fokuserende ultralydtransduser som omfatter en bollelignende støtte 52 som er forsynt med tapper 53 montert i lagerblokker 54. Denne støtte har en bunn 55 på hvilken det er montert en aktiv del 56 av piezoelektrisk krystall, keramisk materiale eller magnetostriktivt materiale. Elektriske kretselementer 58 forbinder denne aktive del eller krystallet 56 med en vekselstrømkilde.

Støtten 52 er forsynt med en lydfokuseringsinnretning eller -linse 60 som har en sentral åpning 61. Den oppadvendende flate av linsen 60 er utformet med trinn for å danne konsentriske ringer eller trinn 62. Hvert trinn har en høyde på en halv bølgelengde slik at det blir oppnådd en maksimal utsendelse av lydbølger. Det felles fokuseringspunkt eller -område for alle de konsentriske trinn 62 er angitt ved 64 på fig. 4.

Transduseren 50 kan f.eks. brukes på samme måte og med tilsvarende plassering som innretningen 30 på fig. 1, men særlig i tilfeller hvor tykk og kanskje kald olje forurenser overflaten av vannet. Da transduseren 50 er montert svingbar kan den skrå-stilles i en vinkel som er beregnet til på beste måte å holde området 64 på eller like under vannoverflaten og slik at oljen på riktig måte dirigeres mot trauet. Når krystallet 56 energiseres vil alle ultralydbølger som genereres og fokuseres mot området 64, utvikle en kraft som bevirker at til og med tungolje spruter opp i form av en søyle slik som tidligere forklart.

Det meste oljesøl som må fjernes finner sted i havner eller langs kysten og derfor omfatter apparatet ifølge oppfinnelsen et fartøy slik som generelt angitt med henvisningstallet 70 på fig. 5. Dette skjematiske grunnriss viser fartøyet 70 forsynt med en frem-driftsmotor 72, men fartøyet kan også kanske enkelt være en flåte eller lekter innrettet til å skyves eller slepes ved hjelp av en slepebåt eller lignende. I alle tilfeller har den bakre del av fartøyet 70 en lagertank 74 og konstruksjonen er delt for å danne fremad divergerende sveipedeler 75 som delvis avgrenser en fangsone 76.

En flottør 80 er festet til fartøyet 70 slik at den fyller den indre énde av fangsonen 76. Denne flottør som er vist mer detaljert på fig. 6, er en hul ringformet struktur som er festet til fartøyet 70 slik at den kan utføre vertikal bevegelse uavhengig av dette. For å muliggjøre slik relativ bevegelse er siden av flottøren forsynt med glidebrakketter 82 fordelt rundt omkretsen og disse brakketter omslutter vertikale føringer 83 anbragt på den tilstøtende siden av fartøyet. Oppdriften av flottøren 80 kan varieres f.eks. ved hjelp av en håndpumpe 85 eller lignende, som vist på fig. 5. Pumpen 85 brukes til å bringe sjøvann inn i og ut av det indre av flottøren 80 efter behov.

Flottøren 80 har en sentral åpning 87 som et tverrelement 88 spenner over, hvilket element bærer en enhet som generelt er angitt ved 90. Enheten 90 er vist å omfatte et hvelvet hus 92 hvis ytre er forsynt med kjøleflenser 93. En fleksibel membran 94 dekker toppen av huset 92 for i dette å inneslutte en mengde amerikansk olje eller silikonolje 95. Huset 92 inneholder også en fokuserende ultralydtransduser 96 som er fullstendig neddykket i oljen. Elektriske kretselementer 97 forbinder transduseren 96 med en veksel-strømkilde (ikke vist) ombord i fartøyet 70.

En manifold 100 utgjør en del av enheten 90 og denne manifold omfatter et flertall rør 102 som konvergerer oppad over huset 92 for å bære et inntakshode 105. Hodet 105 omfatter et basseng 106 som har en sentral åpning 107. En deflektor 108 strekker seg over åpningen 107 for sammen med bassenget 106 å danne et rom 109 som står i forbindelse med rørene 102. Alle rørene 102 er ved sin nedre ende forbundet med en fleksibel slange 112 som utgjør en del av en pumpeanordning generelt betegnet med 114. For enkelhets skyld er pumpeanordningen 114 ganske enkelt vist som en pumpe 115 festet til undersiden av flottøren 80 og innrettet til å forbinde slangen 112 med et annet slangestykke 116 som fører til lagertanken 74 ombord i fartøyet 70. •

Under drift blir flottøren 80 trimmet slik at det hele unn-tatt inntakshodet 105 er neddykket slik som vist på fig. 6. således brukes vann som ballast for flottøren slik at fokuseringsområdet 120 for transduseren 96 plasseres på eller fortrinnsvis litt under den vannoverflate 121 som et oljesjikt 122 flyter på. Fartøyet 70 beveges fremover gjennom oljesølet slik at oljen sveipes inn i fangsonen 76 og over toppen av flottøren 80. Transduseren 96 blir

I

energisert for å frembringe en lydeffekt eller -kraft i område 120, hvilket kaster oljen opp som en søyle gjennom den dyse-lignende åpning 107 på hodet. Denne søyle treffer deflektoren 108 og blir ført nedad slik at den fyller rommet 109 før den strømmer inn i rørene 102.

Oljen kan være tykk og langsomt-strømmende på grunn av lav temperatur, men den energiserte transduser 96 vil frembringe til-strekkelig meget varme i nærheten av enheten 90 til å holde den tykt-flytende væske i bevegelse gjennom manifolden. Dessuten bi-drar pumpeanordningen 114 til å overføre den oppsamlede olje til lagertanken 74.

Enheten 90 som beskrevet, omfatter en transduser av den

type som frembringer en søyle av olje, men det vil innsees at også en transduser som vist på fig. 3 kan brukes som en del av den flytende struktur. Et slikt arrangement vil bare kreve at inntaks-

hodet på enheten modifiseres litt slik at det kan ta imot et sjikt eller en vegg av olje slik som angitt ved henvisningstallet 38 på fig. 3. Eventuelt kan det brukes en gruppe av transdusere 50 med de lydbølger som fokuseres av gruppens linser 62 alle beliggende på et enkelt punkt for å avstedkomme en meget sterk kraft som er i stand til å sprute opp et spesielt tungt forurensende materiale.

Denne oppfinnelse er beskrevet ovenfor i forbindelse med ultralyd, d.v.s. lyd som har frekvenser høyere enn det som kan høres av det menneskelige øre. Det skal imidlertid bemerkes at den nedre grense for ultralydfrekvenser er ubestemt og grunnene til dette er (a) den øvre høregrense varierer fra en person til en annen og (b) under tiden er det hensiktsmessig å bruke ultralyd ved frekvenser som er så lave at de kan oppfattes av det menneskelige øre. Den her beskrevne metode er forsøkt og er funnet å arbeide godt

når det anvendes ultralydfrekvenser, men i noen tilfeller kan det være hensiktsmessig å bruke frekvenser ved de nedre grenser for ultralyd for å frembringe vibrasjonsbevegelse som er nødvendig for å kaste opp en sprut av forurensende olje eller lignende fra overflaten av vann. således, kan vibrasjoner, frembragt av høyfrekvens-lyd innenfor det hørbare område avstedkomme den ønskede effekt og kan under tiden anvendes istedenfor ultralydfrekvenser liggende over høregrensen.

Claims (6)

1. Fremgangsmåte for fjernelse av forurensende materiale eller substans som flyter på vann, karakterisert ved at det anvendes en transduser som arbeider efter i og for seg kjente prinsipper og som neddykkes i vannet, at transduseren energiseres elektrisk for å generere lydbølger, at lydbølgene fokuseres til å stråles oppad gjennom vannet til et fokuseringsområde, at fokuseringsområdet plasseres nær et grenseskikt mellom det forurensende materiale og overflaten av vannet, og at det sørges for oppfangning av en del av det forurensende materiale som sprutes opp over vannoverflaten av de fokuserte lydbølger.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at transduseren monteres på en flytende struktur, at oppdriften av den flytende struktur reguleres for selektivt å variere beliggenheten av fokuseringsområdet, og at det anvendes ultralyd-bølger for å frembringe oljespruten.

3. Apparat for utførelse av fremgangsmåten ifølge krav 1 ved fjernelse av forurensninger som flyter på overflaten av vann, karakterisert ved en transduser som arbeider efter i og for seg kjente prinsipper og som er fokusert for å rette genererte lydbølger mot et forutbestemt fokuseringsområde, en monteringsanord-ning for understøttelse av transduseren under vannoverflaten og med fokuseringsområdet beliggende i det vesentlige nær et grenseskikt mellom vannoverflaten og forurensningen, en elektrisk anordning forbundet med transduseren for energisering av denne slik at den genererer lydbølger, hvorved noe av forurensningene som ligger over fokuseringsområdet kastes over vannoverflaten, og en oppsamlings-anordning tilknyttet monteringsanordningen og utformet med en del nær forkuseringsområdet for å motta og inneholde en mengde av den fjernede forurensning.

4. Apparat ifølge krav 3 omfattende et fartøy som kan beveges over vannet og er forsynt med en lagertank, karakterisert ved at monteringsanordningen holder en enhet som under-støtter transduseren, festet til fartøyet, hvilken elektrisk anordning forbinder transduseren med en vekselstrømkilde ombord i fartøyet, og hvilken enhet omfatter en manifold for oppsamling av olje som sprutes over vannet som følge av en kraft frembragt i fokuseringsområdet ved hjelp av ultralydbølger generert ved energisering av transduseren.

5. Apparat ifølge krav 4, karakterisert ved at monteringsanordningen omfatter en flottør festet til far-tøyet for vertikal bevegelse uavhengig av dette, og en anordning for å variere oppdriften av flottøren for å holde fokuseringsområdet nær vannoverflaten.

6. Apparat ifølge krav 4, karakterisert ved et inntakshode på manifolden for å motta og avbøye oljespruten.