用于將氣體擴(kuò)散到液體中的系統(tǒng)和方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】用于將氣體擴(kuò)散到液體中的系統(tǒng)和方法
[0001]相關(guān)申請(qǐng)
[0002]本申請(qǐng)是2012年9月14 日提交的名稱(chēng)為“APPARATUS AND METHOD OF DISSOLVINGGAS INTO A LIQUID”的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)13/620,069的部分繼續(xù)專(zhuān)利申請(qǐng)，美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)13/620，069是2008年7月29日提交的名稱(chēng)為“APPARATUS AND METHODOF DISSOLVING GAS INTO A LIQUID”的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)12/162，603 (現(xiàn)美國(guó)專(zhuān)利號(hào)8，267，381)的分案專(zhuān)利申請(qǐng)，且要求享有2007年I月31日提交的PCT/CA2007/000160和加拿大申請(qǐng)?zhí)?534704的優(yōu)先權(quán)；所有專(zhuān)利申請(qǐng)的全部公開(kāi)內(nèi)容以全文引用的方式全部納入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及用于通過(guò)創(chuàng)建并維持創(chuàng)建液體和氣體氣泡的混合物的條件而將氣體擴(kuò)散到液體中的系統(tǒng)和方法。在一些非限制性實(shí)施方式中，所述系統(tǒng)和方法還包括向液體中添加細(xì)菌和/或細(xì)菌營(yíng)養(yǎng)素。
【背景技術(shù)】
[0004]曝氣(aerat1n)在許多行業(yè)(即，釀造、環(huán)境服務(wù)、廢水處理、農(nóng)業(yè)、漁業(yè)和/或選礦)中起重要作用，其中方法效率取決于處理液中的氧氣濃度。一些創(chuàng)造曝氣條件的常規(guī)方法包括使用簡(jiǎn)單的曝氣罐、噴霧塔、泡罩板精飽塔(bubble-tray column)以及填料塔(packed column)來(lái)創(chuàng)建氣液界面。通常，常規(guī)的曝氣技術(shù)使用使得可將氣體吸收在期望的液體中的逆流流動(dòng)法和多階段。雖然這些常規(guī)方法和相關(guān)的設(shè)備確實(shí)實(shí)現(xiàn)了曝氣，但是它們可能是低效的，需要長(zhǎng)的處理時(shí)間，并因此需要大的設(shè)備體積。與一些常規(guī)方法相關(guān)的低效在很大程度上是由與由裝備提供的體積相比相對(duì)低的氣液界面面積引起的。
[0005]已提出，可通過(guò)使用與選礦業(yè)中用于將固體顆粒與含水懸浮液分離的設(shè)計(jì)類(lèi)似的噴氣水力旋流器(air-sparged hydrocyclone)來(lái)實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的曝氣性能。通常，這種噴氣水力旋流器基于使空氣氣泡穿過(guò)固體顆粒的懸浮液以使得疏水性顆粒附著到空氣氣泡并且形成可從分離容器中移除的粘結(jié)性泡沫的構(gòu)思。換言之，這種噴氣水力旋流器的設(shè)計(jì)通常涉及有利于伴隨著傳質(zhì)的有效的顆粒與氣泡的相互作用和分離的氣液接觸條件的創(chuàng)建。
[0006]此外，用于將揮發(fā)性?xún)?nèi)容物(Volatile Content，“VC”)從水和其他液體中移除的各種方法和設(shè)備在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的并使用了許多年。常規(guī)方法之一(通常稱(chēng)為“氣提(air stripping) ” )通過(guò)使?jié)崈舻目諝饬狭骰蚱渌麣怏w料流穿過(guò)水或其他液體以使得VC從液體轉(zhuǎn)移到氣體且可以隨著出氣從該系統(tǒng)中移除而將VC從污染的液體中移除。選擇一些這種氣提裝置的操作參數(shù)以?xún)?yōu)化溶于液相中的氣體和穿過(guò)液體的氣體之間的傳質(zhì)的總效率。此外，與用于顆粒分離的約70Gs的加速度相比，需要設(shè)定液體在一些這種裝置中的流速以產(chǎn)生徑向加速度為400Gs至約1500Gs之間的離心力場(chǎng)。
[0007]一般而言，氣提的一些方法，使氣體氣泡與液體動(dòng)態(tài)地混合(從而快速地補(bǔ)充緊鄰氣液界面的傳遞組分的分子供給且使質(zhì)量擴(kuò)散對(duì)傳遞速率的限制最小化)，優(yōu)化氣泡和液體之間的接觸時(shí)間(從而允許物質(zhì)傳遞達(dá)到平衡或非常接近平衡)，且徹底地分離后接觸的氣體料流和液體料流(從而使逆向傳遞最小化)。在許多這樣的方法中，目標(biāo)是使流經(jīng)液體且在設(shè)備出口處使兩相(液相和氣相)轉(zhuǎn)向的氣體速度最大化。如果大量氣體穿過(guò)液體單元，則溶解在液體中的氣體向傳遞氣體的傳質(zhì)被最大化，由此增加了總氣提效率。因此，一些這樣的裝置在非常高的Gs區(qū)域內(nèi)工作，從而促進(jìn)氣體從液體到氣體的移動(dòng)一一而不是反過(guò)來(lái)。
[0008]除了上述曝氣法、移除污染物的方法以及以其他方式處理液體的方法之外，一些用于處理污染液體(例如，來(lái)自溢油的包含烴的水)的常規(guī)方法涉及將合成的石油基化學(xué)表面活性劑應(yīng)用到液體。雖然這樣的表面活性劑可以起作用以使液體中的污染物乳化，并從而使得這樣的污染物混合和分散，但是這樣的表面活性劑通常是對(duì)人、動(dòng)物以及環(huán)境有毒的且可能甚至是不可生物降解的。
[0009]因此，雖然當(dāng)前存在用于曝氣液體以及處理液體(諸如，污水)的技術(shù)，但是仍然存在挑戰(zhàn)，包括上文所討論的那些。因此，加強(qiáng)當(dāng)前技術(shù)或甚至用其他技術(shù)代替當(dāng)前技術(shù)將是本領(lǐng)域中的改進(jìn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明涉及用于通過(guò)創(chuàng)建并維持創(chuàng)建液體和氣體氣泡的混合物的條件而將氣體擴(kuò)散到液體中的系統(tǒng)和方法。在一些非限制性實(shí)施方式中，所述系統(tǒng)和方法還包括向液體中添加細(xì)菌和/或細(xì)菌營(yíng)養(yǎng)素(例如，從而有助于生物修復(fù))。就此而言，術(shù)語(yǔ)細(xì)菌營(yíng)養(yǎng)素在本文中可被用來(lái)指細(xì)菌存活和/或生長(zhǎng)所必須的或有用的一種或多種營(yíng)養(yǎng)素。
[0011]在至少一些非限制性實(shí)施方式中，所述系統(tǒng)和方法包括將液體料流引入圓柱形腔室內(nèi)，所述圓柱形腔室具有圓柱形內(nèi)壁且在第一端處封閉，在所述腔室的第一端附近的輸入?yún)^(qū)以使所述料流產(chǎn)生沿著圓柱形內(nèi)壁朝向腔室的相反的輸出端的螺旋流方式切向地引入所述料流。在一些實(shí)施方式中，所述系統(tǒng)和方法還包括在氣體于所述腔室內(nèi)傳送的至少部分時(shí)間內(nèi)將氣體引入所述料流中，通過(guò)位于腔室內(nèi)壁處的裝置垂直地向所述料流中引入氣體以用于產(chǎn)生移動(dòng)到所述料流中的氣體氣泡。此外，一些實(shí)施方式涉及控制液體和氣體氣泡的流動(dòng)以使得液體流速與氣體氣泡流速的比率不超過(guò)將不富含細(xì)菌的清水轉(zhuǎn)變成泡沫的值。在一些情況下，所述腔室具有足夠的長(zhǎng)度，從而提供在腔室內(nèi)使得氣體在液體中擴(kuò)散的停留時(shí)間，且所述腔室被配置成可使得液體和氣體氣泡的混合物在輸出端附近離開(kāi)腔室。
[0012]盡管所述系統(tǒng)和方法可以使用任何合適的液體和氣體，但是在一些非限制性實(shí)施方式中，所述液體包括清水(例如，過(guò)濾水、井水、飲用水等)且所述氣體包括氧氣、臭氧和/或適合于促進(jìn)細(xì)菌生長(zhǎng)(例如，食油細(xì)菌的生長(zhǎng))或以其他方式增加污染物降解/移除的另一種氣體。
[0013]在一些非限制性實(shí)施方式中，在可向液體料流中添加任何其他合適的配料的同時(shí)(例如，在液體料流穿過(guò)腔室之前、期間和/或之后)，向所述料流中添加細(xì)菌(例如，產(chǎn)生表面活性劑的細(xì)菌和/或不產(chǎn)生表面活性劑的細(xì)菌)。在液體料流包括產(chǎn)生表面活性劑的細(xì)菌的一些實(shí)施方式中，所述細(xì)菌產(chǎn)生改變液體的表面張力的表面活性劑且使得離開(kāi)腔室的液體和氣體氣泡的混合物包括相對(duì)致密且穩(wěn)定的泡沫。相反，在液體料流包括不產(chǎn)生表面活性劑的細(xì)菌的一些實(shí)施方式中，離開(kāi)腔室的液體和氣體氣泡的混合物相對(duì)地?zé)o泡沫。
[0014]在一些情況下，為了提高細(xì)菌生長(zhǎng)(例如，所述料流中的細(xì)菌生長(zhǎng)和/或在施用部位處的細(xì)菌生長(zhǎng))，任選地，向液體料流中添加細(xì)菌營(yíng)養(yǎng)素。類(lèi)似地，可以向液體料流中添加任何其他合適的配料以使得離開(kāi)腔室的液體和氣體氣泡的混合物完成期望的目的。這樣的配料的一些實(shí)例包括但不限于一種或多種酵母菌、真菌、細(xì)菌、消毒劑、氣體、氣溶膠、調(diào)節(jié)劑、脫脂劑、肥皂、芳族調(diào)節(jié)劑、聚合物、起泡劑和/或改變PH的化學(xué)品。
[0015]雖然已經(jīng)證明本發(fā)明的方法和過(guò)程在烴類(lèi)污染物的生物修復(fù)領(lǐng)域中是特別有用的，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，所述系統(tǒng)和方法可用于各種不同的應(yīng)用中和各種不同的制造領(lǐng)域中，從而處理期望的施用部位和/或污染物。
[0016]本發(fā)明的這些和其他特征和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中和所附的權(quán)利要求書(shū)中闡明或變得更加充分顯而易現(xiàn)。可以借助所附權(quán)利要求書(shū)中特別指明的儀器和結(jié)合實(shí)現(xiàn)并獲得所述特征和優(yōu)點(diǎn)。此外，本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)可通過(guò)本發(fā)明的實(shí)踐獲悉或從下文闡明的描述中顯而易見(jiàn)。
【附圖說(shuō)明】
[0017]為了獲得本發(fā)明上述及其他特征和優(yōu)點(diǎn)，將參照附圖中例示的具體實(shí)施方案來(lái)提供本發(fā)明更具體的描述。應(yīng)理解，所述附圖僅描述本發(fā)明的典型實(shí)施方案，并因此不應(yīng)認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的范圍的限制，將通過(guò)使用附圖用附加特征和細(xì)節(jié)來(lái)描述和解釋本發(fā)明，其中:
[0018]圖1是用于將氣體溶解在液體中的設(shè)備的代表性實(shí)施方案的示意圖；
[0019]圖2是圖1設(shè)備中的用于將氣體氣泡引入漩渦漿體中的腔室的代表性實(shí)施方案的沿AA線(xiàn)的截面；以及
[0020]圖3是具有交替出口 6的圖1的設(shè)備的代表性實(shí)施方案的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021 ] 本發(fā)明涉及用于通過(guò)創(chuàng)建和維持通過(guò)混合創(chuàng)建液體和氣體氣泡的混合物的條件而將氣體擴(kuò)散到液體中的系統(tǒng)和方法。在一些非限制性實(shí)施方案中，所述系統(tǒng)和方法還包括向液體中添加細(xì)菌和/或細(xì)菌營(yíng)養(yǎng)素。
[0022]如本文中所使用的，術(shù)語(yǔ)液體可以指任何合適的可被引入所述設(shè)備并與氣體混合的一種液體或多種液體。這樣的液體的一些非限制性實(shí)例包括清水，即包含H2O的基本上純的水，例如，基本上不含表面活性物質(zhì)(例如，聚合物、表面活性劑，和/或當(dāng)被添加到純水時(shí)傾向于減小表面張力的其他物質(zhì))的水，包括但不限于，用于一般人體消耗的飲用水、某些過(guò)濾水、泉水等；灌溉水、地下水(例如，來(lái)自潛流區(qū)、含水層等的水)；地表水(例如，來(lái)自河流、溪流等的水)；海