CN101801856B - 具有电极特性的超声处理腔 - Google Patents
具有电极特性的超声处理腔 Download PDFInfo
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Abstract
公开了一种具有细长外壳的液体处理腔,液体通过细长外壳从其输入端口纵向流到输出端口。细长超声波导组件在外壳内延伸,其可工作在预定超声频率和预定电极电势,以对外壳内的液体施加超声能量并进行电解。波导组件的细长超声变幅杆至少部分放置在输入端口和输出端口之间,还具有多个分立的搅动构件,其以纵向彼此间隔的关系与输入端口和输出端口之间的变幅杆接触并从变幅杆横向向外延伸。搅动构件和变幅杆构造并设置成使搅动构件以预定频率相对于变幅杆动态运动并工作于与该预定频率和腔内被处理液体相对应的搅动构件的超声空化模式。
Description
技术领域
本发明总体涉及用于对如水性流出物的液体进行超声处理和电解的系统,具体用于对流动液体进行超声处理和电解;更具体地,涉及包括处理腔的系统,该系统用于对水性流出物进行超声处理和电解以处理水性流出物中的一种或多种组份。
背景技术
必须对大量液体进行处理以遵守关于向环境排放的政府法律。例如,许多水流通常包括一种或多种杂质,例如,悬浮固体、溶解的有机物质、微生物、溶解的矿物质等。另一个例子为织物印染工艺。具体而言,在几乎所有织物印染工艺中,所用着色剂的一部分都没有与基质结合。这些未结合的染料和反应物通常由水冲洗过程去除,从而产生大量必须以对环境而言可接受的方式处理掉的水性流出物。此外,在进行处理前,通常还需要对废水(即水性流出物)进行处理,以消灭、去除和/或氧化细菌、孢子和其他微生物。
之前用于处理掉水性流出物中的组份的尝试是使流出物经过连续化学反应器,如包括具有特定表面功能的吸附性珠子或微粒的活塞流反应器,通过这些反应器,流出物中的染料和其他废物组份得到吸附。具体而言,将珠子或微粒封装在活塞流反应器中的柱状物里面,对水性流出物进行泵吸使之流经该柱状物,从而暴露珠子或微粒的表面以吸附流出物中的组份。这部分组份可以被珠子或微粒的表面或其中的小孔吸附。
用如传统活塞流反应器中的柱状物来处理水性流出物的一个问题是,待吸附的许多组份(如染料和反应物)必须通过围绕珠子或微粒的液力边界层。该边界层对于这些组份而言是阻力源,这会延长吸附过程、增加去除水性流出物中未结合组份的时间和成本。
之前用来降低去除水性流出物中的组份所需的吸附时间的一种尝试是增加活塞流反应器中的处理流的流速。这会减小液力边界层的厚度,由此增加向珠子和微粒表面传送组份的速率。然而,该方案使得对于吸附过程而言在活塞流反应器中的停留时间较短。此外,反应器上的压力降会增大,因而需要较大几何形状的活塞流反应器和处理设备。
其他的尝试采用基于臭氧的净化。然而,历史上,臭氧净化并未用于高浓度污染物,这是因为难以将足够的臭氧加到水里,而且,资金和能量成本也很高。因而,必须用其它替代方法来处理掉具有高浓度污染物的水性流出物。例如,制造杀虫剂和除草剂中间产品的废水可能包括10,000单位的COD(化学需氧量),这些废水被运走并作为危险垃圾深井灌注,否则的话,硝基酚会对市政处理工厂造成毒害。此外,这些高浓度废流体泡沫很多。使用如臭氧的气体氧化污染物会引起稳定的泡沫形成泵和随之而来的空化问题。
基于前述内容,本领域需要一种处理系统,该系统既可以防止形成厚的液力边界层,从而可以更快更有效地去除水性流出物中的组份,又可以容易地去除水性流出物中的甚至高浓度废弃组份。
发明内容
根据一方面,用于处理液体的处理腔总体包括具有纵向相对端和内部空间的细长外壳。该外壳总体上在其至少一个纵向端封闭,并具有至少一个输入端口和至少一个输出端口,该输入端口将液体接纳至外壳的内部空间,在对液体进行超声处理后再通过该输出端口将液体排出外壳。输出端口和输入端口纵向间隔开,使得液体在外壳的内部空间内沿纵向从输入端口流到输出端口。细长超声波导组件在外壳的内部空间内纵向延伸并可工作在预定的超声频率以对外壳内流过的液体施加超声能量。
波导组件包括:细长超声变幅杆(ultrasonic horn),其至少部分放置在外壳的输入端口和输出端口之间并具有定位成和外壳内从输入端口流到输出端口的液体相接触的外表面。多个分立的搅动构件以纵向彼此间隔开的关系与输入端口和输出端口之间的变幅杆外表面接触并从外表面横向向外延伸。搅动构件和变幅杆构造并设置成在变幅杆以预定频率超声震动时搅动构件相对于变幅杆动态运动并工作于与预定频率和腔内被处理液体相对应的搅动构件的超声空化模式。电流源另外与变幅杆的外表面和外壳的侧壁电接触,从而在外壳的内部空间内产生电极电势。一个特别优选的实施例中,处理腔还包括至少第一绝缘构件和第二绝缘构件,使外壳和波导组件电绝缘。
根据另一方面,用于处理液体的处理腔总体上包括细长外壳,该细长外壳具有:纵向相对端、内部空间、用于将液体接纳至外壳内部空间的第一输入端口和第二输入端口以及用于在对液体进行超声处理后使液体通过其排出外壳的至少一个输出端口。该输出端口和第一输入端口及第二输入端口纵向间隔开,使得液体在外壳的内部空间内沿纵向从输入端口流到输出端口。第一细长超声波导组件在外壳内部空间内纵向延伸并可工作在第一预定超声频率,以对外壳内流过的液体施加超声能量。第二细长超声波导组件在外壳的内部空间内纵向延伸并且其取向和第一细长超声波导组件平行。第二波导组件可工作在第二预定超声频率,以对外壳内流过的液体施加超声能量。
第一波导组件包括第一细长超声变幅杆,其至少部分放置在外壳的第一输入端口和输出端口之间并具有定位成和外壳内从输入端口流到输出端口的液体相接触的外表面。第二波导组件包括第二细长超声变幅杆,其至少部分放置在外壳的第二输入端口和输出端口之间并具有定位成和外壳内从第二输入端口流到输出端口的液体相接触的外表面。独立构造第一变幅杆和第二变幅杆,使得可以响应于第一变幅杆和第二变幅杆分别在第一预定超声频率和第二预定超声频率下的超声震动产生纵向位移和径向位移。多个搅动构件与第一输入端口和输出端口之间的第一变幅杆的外表面接触并从所述外表面横向向外延伸。另外的多个搅动构件与第二输入端口和输出端口之间的第二变幅杆的外表面接触并从所述外表面横向向外延伸。第一变幅杆和第二变幅杆的搅动构件分别包括总体上从第一变幅杆和第二变幅杆的外表面横向向外延伸的横向部分。此外,从第一变幅杆向外延伸的多个搅动构件中的每一个搅动构件彼此纵向间隔开,而且,从第二变幅杆向外延伸的多个搅动构件中的每一个搅动构件彼此纵向间隔开。电流源另外与第一变幅杆的外表面和第二变幅杆的外表面电接触,从而在外壳的内部空间内产生电极电势。一个特别优选的实施例中,处理腔还至少包括第一绝缘构件和第二绝缘构件,其使外壳和第一波导组件电绝缘;还至少包括第三绝缘构件和第四绝缘构件,其使外壳和第二波导组件电绝缘。
根据另一方面,用于处理液体的处理腔总体上包括细长外壳,该细长外壳具有:纵向相对端、内部空间、用于将液体接纳至外壳内部空间的至少一个输入端口以及在对液体进行超声处理后通过其将液体排出外壳的至少一个输出端口。输出端口和输入端口横向间隔开,使得液体在外壳的内部空间内沿横向从输入端口流到输出端口。第一细长超声波导组件在外壳的内部空间内横向延伸并可工作在第一预定超声频率,以对外壳内流过的液体施加超声能量。第二细长超声波导组件在外壳内部空间内横向延伸并且其取向与第一细长超声波导组件水平。第二波导组件可工作在第二预定超声频率,以对外壳内流过的液体施加超声能量。
第一波导组件包括第一细长超声变幅杆,其至少部分放置在外壳的输入端口和输出端口之间并具有定位成和外壳内从输入端口流到输出端口的液体相接触的外表面。第二波导组件包括第二细长超声变幅杆,其至少部分放置在外壳的输入端口和输出端口之间并具有定位成和外壳内从第二输入端口流到输出端口的液体相接触的外表面。独立构造第一变幅杆和第二变幅杆中的每一个,使得可以响应于第一变幅杆和第二变幅杆分别在第一预定超声频率和第二与超声频率下的超声震动产生横向位移和轴向位移。多个搅动构件与输入端口和输出端口之间的第一变幅杆的外表面接触并从所述外表面横向向外延伸。另外的多个搅动构件与输入端口和输出端口之间的第二变幅杆的外表面接触并从所述外表面横向向外延伸。第一变幅杆和第二变幅杆的搅动构件分别独立包括总体从第一变幅杆和第二变幅杆的外表面横向向外延伸的横向部分。此外,从第一变幅杆向外延伸的多个搅动构件中的每一个搅动构件彼此横向间隔开,而且,从第二变幅杆向外延伸的多个搅动构件中的每一个搅动构件彼此横向间隔开。电流源另外与第一变幅杆的外表面和第二变幅杆的外表面电接触,从而在外壳的内部空间内产生电极电势。
根据另一方面,用于处理液体的处理腔总体上包括细长外壳,该细长外壳具有:纵向相对端、内部空间、用于将液体接纳至外壳内部空间的至少一个输入端口以及在对液体进行超声处理后通过其将液体排出外壳的至少一个输出端口。输出端口和输入端口横向间隔开,使得液体在外壳的内部空间内沿横向从输入端口流到输出端口。第一细长超声波导组件在外壳的内部空间内横向延伸并可工作在第一预定超声频率,以对外壳内流过的液体施加超声能量。第二细长超声波导组件在外壳的内部空间内横向延伸并且其取向与第一细长超声波导组件水平。第二波导组件可工作在第二预定超声频率,以对外壳内流过的液体施加超声能量。
第一波导组件包括第一细长超声变幅杆,其至少部分放置在外壳的输入端口和输出端口之间并具有定位成和外壳内从输入端口流到输出端口的液体相接触的外表面。第二波导组件包括第二细长超声变幅杆,其至少部分放置在外壳的输入端口和输出端口之间并具有定位成和外壳内从第二输入端口流到输出端口的液体相接触的外表面。第二变幅杆配置为中空圆柱形,其中第一变幅杆设置在第二变幅杆的边之间。独立构造第一变幅杆和第二变幅杆中的每一个,使得可以响应于第一变幅杆和第二变幅杆分别在第一预定超声频率和第二与超声频率下的超声震动产生横向位移和轴向位移。多个搅动构件与输入端口和输出端口之间的第一变幅杆的外表面接触并从所述外表面横向向外延伸。另外的多个搅动构件与输入端口和输出端口之间的第二变幅杆的外表面接触并从所述外表面横向向外延伸。第一变幅杆和第二变幅杆的搅动构件分别独立包括总体从第一变幅杆和第二变幅杆的外表面横向向外延伸的横向部分。此外,从第一变幅杆向外延伸的多个搅动构件中的每一个搅动构件彼此横向间隔开,而且,从第二变幅杆向外延伸的多个搅动构件中的每一个搅动构件彼此横向间隔开。电流源另外与第一变幅杆的外表面以及第二变幅杆的第一臂构件和第二臂构件中的至少一个电接触,从而在外壳的内部空间内产生电极电势。
本发明的其他特征在下文中部分是显然的还有部分其他特征在下文中进行描述。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例用于对液体进行超声处理和电解的处理腔的示意图;
图2A是根据本发明第二实施例用于对液体进行超声处理和电解的处理腔的示意图;
图2B是图2的处理腔的俯视图;
图3是根据本发明第三实施例用于对液体进行超声处理和电解的处理腔的示意图;
图4是根据本发明第四实施例用于对液体进行超声处理和电解的处理腔的示意图;
图5是根据本发明第五实施例用于对液体进行超声处理和电解的处理腔的示意图;
图6是根据本发明第六实施例用于对液体进行超声处理和电解的处理腔的示意图;
图7是根据本发明第七实施例用于对液体进行超声处理和电解的处理腔的示意图;
图8是根据本发明第八实施例用于对液体进行超声处理和电解的处理腔的示意图。
所有图中相应的参考符号指示相应的部件。
具体实施方式
现在,具体参看图1,一个实施例中,用于处理液体的系统总的包括总体以121指示的处理腔,其用于对液体进行超声处理和电解。应该理解,本发明的处理腔用于某些应用时,可以并不对液体进行电解。例如,处理腔用于将各个组份混合在一起时,不需要或不希望进行电解。然而,处理腔具有电极类的特性,可以改善组份混合和其他化学反应。具体而言,已发现许多从化学上难以进行或不能进行的反应,可以轻易简便地以电化学方式实现(如,产生活性物质,例如超氧化离子、羟基、过氧化物、二氧化碳阴离子基、氢原子、金属氢化物、卤素等)。此外,通过电化学处理过程来处理液体和反应可以提供各种其他益处,包括:需要的能量少很多;过程危险性较小;处理中需要的污染性副产品最少或被消除;和多步化学反应相比,电化学过程更简单;起始原料更便宜且更易获得。
这里所用的术语“液体”意指单组份液体、包括两种或更多种组份的溶液(其中至少一种组份是如液体-液体混合物的液体)、液体-气体混合物、或者是携带有颗粒物的液体、或其他粘性液体。
图1示意性地示出处理腔121,这里,参考使用该处理腔来通过向腔内的液体溶液施加超声能量除去该溶液中的一种或多种组份来进一步描述该处理腔;处理腔具有电极电势,具体用于电解溶液(如,将如水和氨水这样的化合物分解成较简单的组份(如,氧、氮、氢等)并用于还原金属离子以便液体溶液中的金属(如金、铜、银等)从溶液中沉淀出来,然后除去液体溶液中的一种或多种组份)。还应理解,处理腔121可用于不是用来电解溶液的液体处理系统,而是用于在其中对液体的超声搅拌至少部分包括所需的液体处理的液体处理系统。
具体而言,处理腔121适用于在一系列如连续的流动过程(其中流体连续流过处理腔)中需要对液体溶液进行超声搅动(如下文更加详述的,与对溶液施加电极电势相结合)的液体处理系统。例如,一个具体应用中,如上所述,对废水进行处理以在被处理掉前消灭、去除和/或氧化微生物。本发明的处理腔可以通过将臭氧气体喷射到腔内同时加入过氧化氢来实现以上处理。此外,如下文所述的超声变幅杆工作于空化模式,以增强废水中的化合物和臭氧气体以及过氧化氢之间的声化学作用。由于本发明的处理腔还作为电极类型系统充电,该腔还可引入氧化还原反应以除去废水中的化合物。
超声处理腔的其他可预见用途的例子包括但不限于:混合溶液、颜料和其他粘性材料(如墨水溶液);食物加工和处理;除去溶液中的气体(例如,如氧气、氮气等的气体);以及增强化学反应,例如,如声化学中常见的,其中对化学反应进行激励以加速反应。虽然如此,可以预见,处理腔121可用于按照批量过程而不是连续流动过程来处理液体的液体处理系统,这依然在本发明公开范围内。
处理腔121的其他可预见用途的例子包括但不限于:混合塑料业所用的树脂和固化剂;混合纸浆和化学添加剂,如漂白剂、湿强剂、淀粉、染料、酶、填料、抗泥(anti-slime)剂、硅酮添加剂等;混合造纸和纸巾(tissue)业中使用的化合物,如用于涂布的粘土浆、聚合添加剂如湿强树脂、淀粉悬浮液、硅酮化合物、乳液、填料悬浮液等;混合树脂和着色剂、填料及其他化合物;混合不混溶相以制备乳状液,如食品乳状液、化妆品(例如用于防晒产品、护手乳液、唇膏化合物等)、清洁剂(包括油和水的纳米乳)、药物化合物等;以及混合着色剂和其他化合物以形成化妆品,如染发剂。
处理腔121的其他可预见用途包括但不限于:除去混合物中的气体以简化后续处理并减少孔隙成形;给回收的造纸纤维脱墨,其中超声能量(结合电解)可以帮助除墨(特别是在有酶、清洁剂或其他化学品存在时);将油、奶酪或其他食材氢化,其中必须将气体和浆料或液体混合;将牛奶和其他化合物均质化;加入生物反应器和发酵单元内,其中必须将易损的细胞和滋养物及其他化合物混合而不能存在可能损伤细胞的剧烈机械剪切力;处理废水和/或肥料,其中可能需要将各种添加剂和气泡与浆料混合;生产石化产品(例如润滑油混合物、汽油混合物、蜡混合物等)以及由石化产品衍生的化合物;加工面团(例如,混合要加入面粉中的制剂组合物或加工面团自身,这可导致增强的面筋断裂等)。处理腔121还可用于包括浆料、涉及单相或多相的化学反应器内。
在其他可预见用途中,处理腔121可用于从涂布溶液中去除残存的气泡,这些涂布溶液用于凹版印刷涂布、迈耶(meyer)棒涂布或需要将其用于从溶液中去除气泡的任意其他涂布应用。
在如图1所示的特别优选的实施例中,处理腔121总体是细长的,具有总的(general)入口端部(inlet end)125(所示实施例的下端)和总的出口端部(outlet end)127(所示实施例的上端)。处理腔121设置成使流体(如液体溶液;本文的一些实施例中也称之为水性流出物)通常从处理腔121的入口端部125进入处理腔121,通常在腔内纵向流过(如,在所示实施例中为向上流),并通常从腔的出口端部127流出腔外。
本文中所用的“上”和“下”两词是针对各图所示的处理腔121的竖直朝向而言,而不是为了描述使用腔时的必须朝向。即,虽然腔121最适于如各图所示竖直定向,同时使腔的出口端部127位于入口端部125之上,但是,应该理解,腔的朝向也可以设定成使得入口端部位于出口端部之上,或者,可以不是竖直朝向的(参看图4-6),这仍落入本发明范围内。
术语“轴向”和“纵向”在本文中方向性地表示腔121的竖直方向(例如,端到端,如图1所示实施例中的竖直方向)。术语“横向”、“横的”和“径向”在此指垂直于轴向(例如纵向)的方向。术语“内”和“外”也用于指横切于处理腔121轴向的方向,其中术语“内”表示向着腔内部的方向,而术语“外”则表示向着腔外部的方向。
处理腔121的入口端部125和总体以129指示的适当输送系统流体连通,该输送系统用于将一种或多种液体溶液导引至腔121,更适于将一种或多种液体溶液导引流过腔121。虽然图中未示出,本领域技术人员应该理解输送系统129可以包括一个或多个泵,用于将来自其各自源的各种相应溶液通过适当的管道(未示出)抽送到腔121的入口端部125。
应该理解,输送系统129可配置为将多于一种液体溶液(如混合液体溶液时)输送到处理腔121,这不脱离本发明的范围。还可以预见,不同于图1所示和这里所述的输送系统可用于将一种或多种溶液输送到处理腔121的入口端部125,这也不脱离本发明的范围。
此外,入口端部125可以和总体以171指示的空气喷射头流体连通,其被设计成迫使空气进入外壳的内部。空气喷射头171促使液体流横向向内流向变幅杆,从而有助于对液体施加超声能量(即搅动)。通常,迫使空气经过多孔介质,以产生小的气泡。希望处理腔中使用的空气喷射头的气体扩散器的孔隙度为中等到细小,气体流速为约0.01升/分钟到约100升/分钟,更适宜地,为约10升/分钟到约50升/分钟。此外,空气喷射头迫使空气进入外壳内部的气压为约0.2psi到约100psi,更适宜地,为约10psi到约50psi,这取决于所需的气体流速和处理系统的背压。
还是参看图1,处理腔121包括限定处理腔121内部空间153的外壳151,输送到腔内的液体流过该内部空间153从处理腔的入口端部125流到出口端部127。适当地,外壳151包括细长管155,其大体上至少部分限定腔121的侧壁157。管155可以具有在其中形成的一个或多个输入端口(inlet port)(图1示出一个这样的输入端口,用159表示),一种或多种待在腔121内处理的溶液通过输入端口被输送到腔121的内部空间153。本领域技术人员应该理解,外壳的入口端部可以包括多于一个的端口。例如,虽然未示出,外壳可以包括两个输入端口,其中,适当地,第一输入端口和第二输入端口彼此平行且间隔开。此外,如图2A所示,外壳可以包括两个入口端部269和279。两个入口端部269和279还可以各自包括至少一个输入端口(总的分别以235和245指示)。
此外,一个适当的实施例中,外壳还包括连接并安装到管的一端的输入环(未示出),以进一步(和输入端口一起)限定腔的入口端部。腔的入口端部的输入环通常是环形的,其中形成有至少一个输入端口,更适宜地有多个输入端口,用于将液体溶液接收到腔的内部空间中。至少一个输入端口的朝向相对于环形环总体成切向,这样,液体总体以切向方向流入腔的内部空间,从而在液体进入腔时引起液体的涡旋动作。更适宜地,设置一对彼此平行对准的输入端口,其通常相对于环形环切向延伸,这里,一个端口被指定为外部输入端口,另一个端口被指定为内部输入端口。
双切向输入端口结构对于在腔内对液体溶液进行超声处理和电解之前对两种或多种组份进行初始混合在一起而言是非常有用。在该结构的一个特别适宜的应用中,有待在腔内处理的液体包括两种或多种液体,粘性最低的液体被引导经过外部输入端口流入腔内,而粘性最高的液体被引导经过内部输入端口流入腔内。经过外部输入端口的较低粘性成份的流倾向于将较高粘性的成份拉入腔的内部空间,从而加快将较高粘性成份引入腔的速度。
该动作和由液体组份被引导进腔内的切向方向所造成的涡旋动作相结合,有助于在液体溶液进一步流过腔进行超声处理和电处理之前对这两种组份进行初始混合。如果需将其他组份加入混合物,可以通过在腔侧壁上形成的输入端口将这些组份输送到腔的内部空间。输入环还可以具有另一组切向输入端口和一对大体为竖直朝向的输入端口。然而,应该理解,不必将任何一个端口相对于输入环切向朝向,仍落入本发明的范围之内。还可以预见可以彻底省略输入环,这样,所有待混合在一起的组份被输送至腔侧壁上形成的输入端口。
现在参看图2A,一个实施例中,外壳251可以包括连接到侧壁257的纵向相对端并基本将纵向相对端封闭的封盖263,封盖263上具有至少一个输出端口265,其通常用于限定处理腔221的出口端部227。腔221的侧壁257(例如,由细长管255限定)具有内部表面267,内部表面267和波导组件(或者如下文所述的总体由201和203指示的多个波导组件)以及封盖263共同限定腔的内部空间253。在所示实施例中,管255通常是圆柱形的,这样,腔侧壁257的横截面大体是环形的。然而,可以预见,腔侧壁257的横截面也可以是除环形以外的形状,比如多边形的或者其他适当形状,这仍在本发明范围内。适当地,所示腔221的腔侧壁257由透明材料构成,虽然可以理解的是也可以使用任何适当的材料,只要该材料和腔中处理的液体溶液、该腔工作所处的压力以及腔内的其他环境条件(如温度)相兼容。
现在再参看图1,总体用101指示的波导组件至少部分在腔121的内部空间153内纵向延伸,以对腔121的内部空间153内流动的液体(及液体溶液的任何其他组份)施加超声能量。具体而言,所示实施例的波导组件101从腔121的下端或入口端部125纵向向上延伸至腔的内部空间153,然后延伸至设置在输入端口(例如,所示的输入端口159)中间的波导组件的末端(terminal end)113。虽然在图1和2A中示出的波导组件纵向延伸到腔121的内部空间153,但是,如图4-6具体所示,本领域技术人员应该理解,波导组件可以自腔外壳侧壁横向延伸并水平经过腔的内部空间。典型地,如下文所述,波导组件101直接或间接安装到腔外壳151上。
还参看图1,波导组件101适当地包括总体用133指示的细长变幅杆组件,其完全放置在输入端口159和输出端口165之间的外壳151的内部空间153内,以完全浸在腔121内所处理的液体中;更恰当地,在所示实施例中,变幅杆组件133和腔侧壁157同轴对准。变幅杆组件133的外表面107与侧壁157的内表面167共同限定腔121的内部空间153内的流动通道,液体及其他组份沿该流动通道流过腔内的变幅杆(本文中,这一部分流动通道广义地称为超声处理区域)。变幅杆组件133具有限定变幅杆组件末端的上端(因而也限定波导组件的末端113)和纵向相对的下端111。虽然未示出,特别优选的是,波导组件101还包括和变幅杆组件133的下端111同轴对准且在其上端连接到变幅杆组件133的下端111的增强器。然而,应该理解,波导组件101可以只包括变幅杆组件133,这依然落入本发明范围内。可预见,增强器可以完全放置在腔外壳151之外部,同时变幅杆组件133安装在腔外壳151上,这不脱离本发明的范围。
适当地,波导组件101,更具体地是增强器在其上端通过安装构件(未示出)安装在腔外壳151上,例如,安装在限定腔侧壁157的管155上,该安装构件用于震动隔离波导组件(其在工作时超声震动)和处理腔外壳。即,安装构件防止波导组件101的纵向和横向机械震动传导到腔外壳151,同时保持波导组件(具体为变幅杆组件133)在腔外壳内部空间153内的所需横向位置,并使得变幅杆组件可在腔外壳内进行纵向和横向位移。安装构件也至少部分(例如同增强器和/或变幅杆组件的下端一起)封闭腔121的入口端部125。美国专利No.6,676,003说明并描述了安装构件结构的适当例子,此专利的全部公开内容通过引用与其一致的内容而并入本申请。
在一个特别适当的实施例中,安装构件是单件结构。更恰当地,安装构件可以与增强器整体形成在一起(更广义而言与波导组件101整体形成)。然而,应该理解,安装构件可以构造为和波导组件101分立的,这依然落入本发明的保护范围。还应理解,可以单独构造安装构件的一个或多个部件,并将它们适当地连接或组装起来。
一个适当实施例中,安装构件还构造成总体上是刚性的(如,负载情况下抗静态位移),以保持波导组件101在腔121内部空间153内的正确对准。例如,一个实施例中的刚性安装构件可以包括非弹性材料,更适当地为金属,更加适当地是和增强器(更广义而言即波导组件101)使用相同的材料。然而,术语“刚性”并不意味着安装构件不能响应于波导组件101的超声震动而动态挠曲和/或弯曲。其他实施例中,刚性安装构件可以由在负载情况下足够抗静态位移的弹性材料构成,然而在别的方面,这种材料能够响应于波导组件101的超声震动而动态挠曲和/或弯曲。
至少包括激励器(未示出)和电源(未示出)的适当超声驱动系统131设置在腔121之外,并且可操作地连接到(未示出的)增强器(更广义而言连接到波导组件101),以对波导组件供能使之超声机械震动。适当的超声驱动系统131的实例包括可从伊利诺伊州St.Charles的DukaneUltrasonics购得的Model 20A3000系统和可从伊利诺伊州Schaumberg的Herrmann Ultrasonics购得的Model 2000CS系统。
一个实施例中,驱动系统131可以在约15kHz到约100kHz的频率范围内运行波导组件101,更适当地,在约15kHz到约60kHz的范围内,甚至更适当地,在约20kHz到约40kHz的范围内。这种超声驱动系统131对本领域技术人员是公知的,本文无需进一步描述。
具体参看图1,变幅杆组件133包括细长、通常为圆柱形的变幅杆105,其具有外表面107和两个或更多(即多个)搅动构件137,搅动构件137连接到变幅杆并且以彼此纵向间隔开的关系至少部分从变幅杆的外表面横向向外延伸。变幅杆105的大小适当地选择为长度等于大约变幅杆谐振波长的一半(换句话说通常称为半波波长)。在一个具体实施例中,变幅杆105适当地配置为在前述超声频率范围内谐振,最适当的谐振频率为20kHz。例如,适当地,变幅杆105由钛合金构成(例如Ti6Al4V),大小适于谐振于20kHz。工作于该频率的半波变幅杆105的长度范围(对应于半波)由此在约4英寸到约6英寸之间,更适当地在约4.5英寸到约5.5英寸之间,甚至更适当地在约5.0英寸到约5.5英寸之间,最适当的长度为约5.25英寸(133.4mm)。然而,应该理解,超声处理腔121可以包括其大小以半波长增加的变幅杆105,这不脱离本发明的保护范围。
所示实施例中,搅动构件137包括一组六个垫圈形状的环,其以纵向彼此间隔开的关系连续绕变幅杆105的外缘延伸出,并且从变幅杆的外表面横向(例如,在所示实施例中为径向)向外延伸。这样,每个搅动构件137相对于变幅杆105的震动位移绕变幅杆的外缘相对均一。但是,应该理解,搅动构件137无需每个都连续围绕变幅杆105的外缘。例如,搅动构件137的形状相反可以是辐条、叶片、翅片或从变幅杆105的外表面107横向向外延伸的其他不连续结构构件。例如,如图7所示,六个搅动构件中有两个是T形的,即701、703、705和707。具体而言,如下文所详述的,围绕波节区域的两个搅动构件是T形的。已发现T形的构件产生较强的径向(如水平方向)声波,这进一步增加如本发明中详述的空化效应。
举个大小方面的例子,图1所示实施例的变幅杆组件133的长度为约5.25英寸(133.4mm),一个环137适当地设置在邻近变幅杆105的末端113(因而也邻近波导组件101的末端)处,更适当地,纵向和变幅杆105的末端间隔开约0.063英寸(1.6mm)。其他实施例中,最上面的环137可以设置在变幅杆105的末端,这依然落入本发明的保护范围。每个环137的厚度为约0.125英寸(3.2mm),彼此纵向间隔开(环的相面对的表面之间)的距离为约0.875英寸(22.2mm)。
应该理解,搅动构件137(例如,所示实施例中的环)的数目在不脱离本发明的保护范围情况下可以多于或少于六个。还应该理解,搅动构件137之间的纵向间隔可以和图1所示及上文所述不同(例如,间隔更近或更远)。此外,虽然图1所示的环137彼此纵向均匀间隔开,但是,还可预见存在多于两个搅动构件时,纵向相邻的搅动构件之间的间隔不需要是均一的,这依然落入本发明的保护范围。此外,如图4-6所示,波导组件在腔内部空间内横向延伸时,搅动构件可以彼此横向间隔开。
具体而言,搅动构件137的位置至少部分是变幅杆组件133震动时所需的搅动构件震动位移的函数。例如,在图1所示实施例中,变幅杆组件133的波节区域通常位于变幅杆105的纵向中心处(例如,位于第三和第四环之间)。如此处所用且在图1具体所示的,变幅杆105的“波节区域”指变幅杆构件的一段纵向区域或纵向部分,沿着这一区域或部分,在变幅杆超声震动期间很少出现(或不出现)纵向位移,而变幅杆的横向(例如,所示实施例的径向)位移通常最大。适当地,变幅杆组件133的横向位移包括变幅杆的横向膨胀,但也可以包括变幅杆的横向运动(如弯曲)。类似的,图4-6中,即,变幅杆沿腔外壳的内部空间内的横向延伸的情况中,“波节区域”指变幅杆构件的一段横向区域或部分,沿着这一区域或部分,在变幅杆超声震动期间很少出现(或不出现)横向位移,而变幅杆的轴向(例如,所示实施例的纵向)位移通常最大。
图1所示实施例中,半波变幅杆105的配置为使得波节区域具体由波节平面(即,存在一个横穿变幅杆构件的平面,在该平面上不出现纵向位移而横向位移通常最大)限定。这个平面有时也称为“波节点”。相应地,设置成纵向离变幅杆105的波节区域较远的搅动构件137(例如,图示实施例中的环)主要进行纵向位移,而相对于纵向远端的搅动构件而言,纵向离该波节区域较近的搅动构件的横向位移量增加但纵向位移量减小。
应该理解,可将变幅杆105配置为使得波节区域不是位于变幅杆构件的纵向中心,这不脱离本发明的保护范围。还应理解,一个或多个搅动构件137可以纵向位于变幅杆上,以在变幅杆105超声震动时既相对变幅杆纵向位移又相对变幅杆横向位移。
还是参看图1,搅动构件137充分构造为(例如,就材料和/或尺寸而言,尺寸如厚度和横向长度,横向长度是搅动构件从变幅杆105的外表面107横向向外延伸的距离)有助于动态运动,具体而言,有助于搅动构件响应于变幅杆的超声震动而进行的动态挠曲/弯曲。一个特别适当的实例中,对于在处理腔中波导组件101所要工作的给定超声频率(这里也称为波导组件的预定频率)以及有待在腔121内处理的特定液体,搅动构件137和变幅杆105适当地构造并设置为使搅动构件以预定频率工作于这里所谓的超声空化模式。
如此处所述,搅动构件的超声空化模式指搅动构件的震动位移足以引起被处理的液体在预定超声频率下的空化(即,液体中气泡的形成、增长和破裂坍塌)。例如,当腔内流动的液体包括水性流出物(具体而言为水)且波导组件101将工作在约20kHz的超声频率(即预定频率)下,则一个或多个搅动构件137可适当地构造成提供至少1.75mils(即0.00175英寸,即0.044mm)的震动位移,以建立搅动构件的空化模式。应该理解,波导组件101的配置可以不同(例如,材料、大小等),以实现和所处理的特定液体相关的所需空化模式。例如,在所处理的液体的粘性改变时,需要改变搅动构件的空化模式。
在一个特别适当的实施例中,搅动构件的空化模式对应于搅动构件的谐振模式,通过该模式,搅动构件的震动位移相对于变幅杆的位移被放大。然而,应该理解,搅动构件不工作于其谐振模式时也可出现空化,甚至搅动构件的震动位移大于变幅杆的震动位移时也可出现空化,这不脱离本发明保护范围。
一个适当实施例中,至少一个搅动构件(更适当地情况下所有搅动构件)的横向长度和搅动构件的厚度之比范围为约2∶1到约6∶1。再例如,每个环从变幅杆105的外表面107向外横向延伸出的长度为约0.5英寸(12.7mm),每个环的厚度为约0.125英寸(3.2mm),因而,每个环的横向长度和厚度之比为约4∶1。然而,应该理解,搅动构件的厚度和/或横向长度可以和上文所述环的厚度和/或长度不同,这不脱离本发明保护范围。而且,虽然每个搅动构件137(环)可以适当地具有相同的横向长度和厚度,但应该理解,搅动构件也可以具有不同的厚度和/或横向长度。
上述实施例中,搅动构件的横向长度还至少部分限定流动通道的大小(并且至少部分限定其方向),腔内部空间内的液体或其他可流动组份沿该流动通道流过变幅杆。例如,变幅杆的半径可以为约0.875英寸(22.2mm),每个环的横向长度为如上述的约0.5英寸(12.7mm)。外壳侧壁的内表面半径为约1.75英寸(44.5mm),这样,每个环和外壳侧壁内表面之间的横向间隔为约0.375英寸(9.5mm)。可以预见,变幅杆外表面和腔侧壁内表面之间的间隔和/或搅动构件和腔侧壁内表面之间的间隔可以大于或小于上述值,这不脱离本发明的保护范围。
通常,变幅杆105可由具有适当声学和机械特性的金属构成。用于构造变幅杆105的适当金属的例子包括但不限于:铝、蒙耐合金、钛、不锈钢和一些合金钢。还可预见,变幅杆105的一部分或其全部可用另一种金属涂布,如银、铂、金、钯、二氧化铅和铜,仅举这几个为例。在一个特别适当的实施例中,构成搅动部件137的材料和变幅杆105相同,更适当地,搅动构件和变幅杆整体成形。在其他实施例中,一个或多个搅动构件137可以与变幅杆105分开而形成,并连接到变幅杆上。
虽然图1所示搅动构件137(例如,环)相对扁平,即,横截面相对为长方形,应该理解,环的横截面可以是长方形以外的形状,这不脱离本发明范围。本例中使用的术语“横截面”用于指沿横向方向(例如,在所示实施例中为相对于变幅杆外表面107的径向)所获得的截面。此外,虽然图1所示搅动构件137(如环)构造为仅具横向部件,可以预见,一个或多个搅动构件可以具有至少一个纵向(如轴向)构件,以在波导组件101超声震动期间利用变幅杆的横向震动位移(例如,位于或靠近图1所示变幅杆的波节区域)的优势。
如图1清楚示意的,变幅杆105的近端和图1的输入端口125适当地纵向间隔开,以限定此处称为液体进入区域的位置,在该进入区域中,腔外壳151内部空间153内液体的初始涡流出现在变幅杆105的上游。该进入区域对于处理腔121被用于将两种或多种组份混合在一起的情况特别有用,其中在待混合的组份进入腔外壳151时在进入区域发生的涡旋动作有助于初始混合。此外,从液体中除去组份时,可能需要使用另一种成份(例如,过氧化氢),在液体和处理腔的超声变幅杆接触之前,能够将该成份和被处理的液体预先混合。具体而言,如过氧化氢的附加成份可用作强氧化剂,以更好地从液体中去除化合物。然而,应该理解,变幅杆105的近端可以比图1所示的情况更接近输入端口125,而且可以基本邻近输入端口以便通常省去进入区域,这不脱离本发明范围。
现在参看图2A,总体用245指示的挡板组件设置在腔221的内部空间253内,具体而言,其通常横向邻近侧壁257的内表面267,和变幅杆205通常为横向相对关系。一个适当实施例中,挡板组件245包括一个或多个挡板构件247,其邻近外壳侧壁257的内表面267设置且至少部分从侧壁内表面横向向内延伸朝向变幅杆205。更适当地,一个或多个挡板构件247从外壳侧壁内表面267横向向内延伸至与搅动构件237有纵向间隙的位置,搅动构件237从变幅杆205的外表面207向外延伸。术语“有纵向间隙”此处指平行于变幅杆205的纵向轴所画的纵向线既穿过搅动构件237又穿过挡板构件247。例如,在所示实施例中,挡板组件245包括五个通常为环形(即,围绕变幅杆205连续延伸)且和六个搅动构件237有纵向间隙的挡板构件247。类似的,图4-6中,波导组件在外壳内横向延伸时,一个或多个挡板构件从外壳侧壁内表面横向向内延伸至和搅动构件有横向间隙的位置,搅动构件从变幅杆的外表面向外延伸
举一更具体的例子,图2A所示的五个环形挡板构件247和上一个尺寸例子中的搅动构件237的厚度相同(即0.125英寸(3.2mm)),其彼此之间的纵向间隔(例如,相邻挡板构件的相对面之间)等于环之间的纵向间隔(即0.875英寸(22.2mm))。每个环形挡板构件247的横向长度(例如,从外壳侧壁257内表面267向内)为约0.5英寸(12.7mm),这样,挡板构件最内侧边缘横向向内延伸超出搅动构件237(如环)最外侧边缘。然而,应该理解,挡板构件247不必横向向内延伸超出变幅杆205的搅动构件237的最外侧边缘,这依然落入本发明的保护范围。
应该理解,挡板构件247由此延伸到液体在腔221的内部空间253内流经变幅杆205(如,在超声处理区域内)的流动通道。因而,挡板构件247防止液体沿腔侧壁257的内表面267流过变幅杆205,更适当地,挡板构件有助于液体横向向内流向变幅杆,以流过变幅杆的搅动构件,从而有助于对液体施加超声能量(即搅动)。
为了防止气泡淤塞或者沿侧壁257的内表面267并在每个挡板构件247下侧的面上形成气泡(如,由搅动液体所致的),在每个挡板构件的外边缘上形成一系列凹口(广义而言为开口)(未示出),以助于气体(如气泡)在挡板构件的外边缘和腔侧壁内表面之间流动。例如,在一个特别优选的实施例中,在每个挡板构件的外侧边缘上形成彼此等间距的四个这样的凹口。应该理解,在挡板构件上形成的开口可以位于除挡板构件邻接外壳处的外侧边缘之外的位置,这依然落入本发明范围。还应该理解,凹口的数量可以多于或少于如上述的四个,甚至可以彻底省略凹口。
还可预见的是,挡板构件247不必须是环形的,也不必须围绕变幅杆205连续延伸。例如,挡板构件247可以围绕变幅杆205不连续延伸,例如为辐条、突起、片(segment)或其他分立结构形式,并从邻近外壳侧壁257的内表面267的位置横向向内延伸。指挡板构件247绕变幅杆连续延伸的术语“连续”并不排除挡板构件为两个或多个以端对端邻接关系排列的弓形片的情况,也就是说,只要这些片之间没有明显缝隙即可。美国申请序列号No.11/530,311(2006年9月8日提交)公开了适当的挡板构件结构,在此通过对与其一致的内容的引用而并入本申请范围内。
同样,虽然图2A所示的每个挡板构件247通常都是扁平的,例如,具有通常较薄的长方形横截面,但是,可以预见,一个或多个挡板构件中的每一个的横截面可以不是通常扁平或长方形的,以助于气泡沿腔221的内部空间253流动。术语“横截面”这里用来指沿横向方向(例如,所示实施例中为相对于变幅杆外表面207的径向)获得的截面。
再参看图1,处理腔121还连接到如直流发电机(用120指示)的导电发电机,以在腔外壳151的内部空间153内产生电势。已发现,混合如许多电化学反应中所用的液体时,电化学反应是不均匀的并且是在电化学反应器的电极电解界面处进行的这一事实会造成弊端。因而,电化学反应器的性能通常受质量传输和具体电极面积大小的限制。具体而言,控制化学反应速度的一个主要因素是反应物碰到一起的速度。在普通的电化学反应期间,即便对系统有任何搅动的话搅动也很小,因而,有助于反应进行的反应物向各个电极的扩散速率较低。本发明通过对处理腔充电可以克服这些弊端。具体而言,采用还作为电极的超声变幅杆可以对反应质量提供必须的搅动。变幅杆工作于空化模式时,如上述所产生的微流可以使电极类变幅杆周围的液力边界层最小化,更理想的情况下,可以将液力边界层消除。此外,微流使化学反应物及反应产物运动,这可极大增强电极上发生的整个化学反应。
如图1所示,可以通过电线(用122和124指示)把发电机120连接到腔121和处理腔121中的一个或多个部件。具体而言,在所示实施例中,电线122和124分别将直流发电机120电连接到变幅杆105的末端(例如,波导组件101的末端113)和腔外壳151的侧壁157。根据分别用于形成腔外壳的侧壁和波导组件的变幅杆的材料,所产生的电流产生电极电势,以使得腔外壳的侧壁表现出典型的阳极特性,变幅杆表现出阴极特性,反之亦然。
通常,本发明的发电机120产生的电极电势范围为约0.1V到约15V。更适当地,电极电势范围为约0.5V到约5.0V;更适当地,电极电势范围为约1.0V到约3.0V。此外,电极电势在处理腔内产生的典型电流密度范围为约0.1kA/m2到约2kA/m2;更适当地,电流密度可为约1kA/m2到约1.5kA/m2。
具体而言,根据处理腔所需目的需要的量确定并产生电极电势。例如,需要将处理腔用于去除或电解液体溶液中的组份时,产生的电极电势就是电解溶液中的特定组份所需的值。例如,处理腔设计用于电解废弃水性流出物中的氨水时,产生的电极电势就是电解氨水以产生氮和氢所需的电极电势,即,电极电势为约0.77V。类似的,腔设计用于除去水性氯化钾溶液中的氯时,产生的电极电势为约0.82V。再举一例,电解水以产生氢和氧所需的电极电势为约2.06V。本领域技术人员应该理解,上述例子不是限制性的,这是因为可在各个范围内控制电极电势,电极电势还可用于其他用途,例如,这里描述的混合液体溶液和其他化学反应,这不脱离本发明范围。
此外,本领域技术人员应该理解,虽然图1中的发电机120连接到侧壁157和变幅杆105的末端119,但是,发电机可以连接到处理腔21的许多个其他区域,这不脱离本发明范围。具体而言,如图2A和3-6所示及下文所详述的,电线可将发电机连接到多个波导组件,每个波导组件都完全放置在单个处理腔的腔外壳的内部之中。更具体的,如图2A和图3-6所示,有两个波导组件,每个波导组件有其自身相应的变幅杆,这里,电线将发电机连接到每个变幅杆,从而产生作为类阴极的第一变幅杆和作为类阳极的第二变幅杆。应该理解,可选地,电极电势也可以对第一变幅杆充电使其作为阳极并对第二变幅杆充电另其作为阴极,这不脱离本发明范围。
再参看图1,通过将腔外壳151的侧壁157和变幅杆105的外表面107连接到发电机120而在腔外壳151的内部153内产生了电极电势,因而需要使外壳151和波导组件101电绝缘以保持类电极效应。因而,所示实施例中,通过至少两个绝缘构件10和12把外壳侧壁157和波导组件101隔离开(因而也和变幅杆105隔离开)。
通常,可用本领域公知的任何绝缘材料制造绝缘构件10、12。例如,可用公知的许多无机或有机绝缘材料中的任一种来生产绝缘构件10、12。可用于绝缘构件10、12的特别适当的材料包括具有高绝缘强度的固体材料,例如,玻璃、聚脂薄膜、聚酰亚胺(kapton)、陶瓷、酚醛玻璃/环氧树脂层压板等。
上面还提到,一些实施例中,处理腔可包括多于一个波导组件,该波导组件具有至少两个用于超声处理并电解液体溶液的变幅杆组件。参看图2A,处理腔221包括限定腔221内部空间253的外壳251,从两个横向相对的入口端部269和279可将液体输送通过外壳251。外壳251包括细长的管255,该管255至少部分限定腔221的侧壁257。管255具有两个形成于其中的输入端口240和245和至少一个输出端口265,这两个输入端口彼此横向相对,有待在腔221内处理的一种或多种液体溶液或组份通过这两个输入端口输送到腔的内部空间253,液体一旦经过处理后就通过输出端口265排出腔221。
两个波导组件201和203至少部分在腔221的内部空间253内纵向延伸,以对腔221的内部空间253内流动的液体施加超声能量。每个波导组件201和203分别包括总体分别由233和235指示的细长变幅杆组件,每个变幅杆组件都完全设置在输入端口269、279和输出端口265之间的外壳251的内部空间253内,以完全浸入腔221内所处理的液体中。如上面图1的单变幅杆组件结构所述,可以单独构造每个变幅杆组件233和235(包括变幅杆205和209,以及多个搅动构件237和239还有挡板组件245和249)。
还参看图2A,可将发电机(未示出)分别电连接到两个变幅杆组件233和235的变幅杆205和209的外表面207和211,以在腔221的外壳251的内部253内产生电极电势。如图2A所示,第二变幅杆209的外表面221被充电作为阳极,而第一变幅杆205的外表面207被充电作为阴极(参看图2B,其中示出第一变幅杆205的末端作为阴极,第二变幅杆209的末端作为阳极)。应该理解,可选地,第一变幅杆205也可以作为阳极,同时第二变幅杆209作为阴极,这不脱离本发明范围。此外,和图1的处理腔一样,用至少第一绝缘构件210和至少第二绝缘构件212隔离外壳251和第一波导组件201,用至少第三绝缘构件214和至少第四绝缘构件216隔离外壳251和第二波导组件203。
现在参看图3,处理腔421和图2A中的处理腔221相似之处在于处理腔421包括两个独立的波导组件401和403。然而,图3的波导组件401和403在外壳451的内部空间453内还通过网状衬底(mesh substrate)450隔离开,网状衬底450在第一波导组件401和第二波导组件403之间横向延伸。具体而言,网状衬底450从总的由463指示(例如,对应于图2A的封盖263)的外壳上侧纵向端(例如第一纵向端)延伸到总的用473指示的外壳下侧纵向端(如第二纵向端)。网状衬底通常可以隔离电解液体中的化合物时产生的气体。例如,电解氨水时,阳极形成氮气,阴极形成氢气。为了随后进行再销售,希望使这两种气体彼此分离。
此外,网状衬底可以被用于使形成的离子横跨处理腔从阳极移动到阴极,以保持整个液体的离子中性。例如,电解水形成氢气和氧气。在阳极形成氧气和氢离子(H+),在阴极形成氢气和氢氧离子(OH-)。氢和氢氧离子都可以穿过网状衬底,以保持处理腔的内部中的离子中性。
通常,网状衬底可由本领域公知的任何适当材料制成。例如,用于网状衬底的一种具体材料为不锈钢。其他例子包括,由聚乙烯、聚丙烯和全氟材料制成的网状衬底。适当地,网状衬底的孔大小为约15微米到约450微米,更适当地,为约20微米到约100微米。网状衬底的厚度通常为约0.001英寸到约0.05英寸,更具体的,为约0.005英寸到约0.04英寸。
由于处理腔421被网状衬底450分成两个室,所以外壳451适于包括多于一个输出端口。具体而言,所示实施例中有两个输出端口427和429。更具体地,第一输出端口427使由第一波导组件401处理后的液体排出腔外壳451的内部空间453,第二输出端口429使由第二波导组件403处理后的液体排出腔外壳451的内部空间453。本领域技术人员应该理解,虽然图3示出两个输出端口,但是处理腔421的外壳451可以包括多于两个输出端口,或者仅包括一个输出端口,这不脱离本发明的范围。
现在参看图4,处理腔521通常是细长的,但是和图1-3不同,处理腔521配置为使流体从其入口端部535进入处理腔521,大体上横向地在腔内流动(例如,在所示实施例的朝向中为向右),并通常从腔521的出口端部527流出腔521。处理腔521包括限定腔521的内部空间553的外壳551,通过外壳551从至少一个输入端口569输送液体。外壳551包括细长管555,其至少部分限定腔521的侧壁557。外壳551具有两个纵向相对端,通过这两端将有待在腔521内处理的一种或多种液体溶液或组份输送到腔的内部空间553(通过一个或多个输入端口),外壳551还具有至少一个输出端口565,液体一旦被处理后就通过该输出端口排出腔521。
两个波导组件501和503至少部分在腔521的内部空间553内横向延伸,以便对腔521的内部空间553内流过的液体施加超声能量。每个波导组件501和503分别包括总的分别用533和535指示的细长变幅杆组件,每个变幅杆组件完全设置在输入端口569和输出端口565之间的外壳551的内部空间553中,以完全浸入腔521中处理的液体中。所示实施例中,变幅杆组件533和535的末端573和575分别直接面对面。每个变幅杆组件533和535可以按上述图1的单个变幅杆组件的结构独立构造(包括变幅杆505和509,以及多个搅动构件537、539和挡板组件(未示出))。
还参看图4,可以将直流电流发电机(未示出)分别电连接到两个变幅杆组件533和535的变幅杆505和509的外表面507和511,以在腔521的外壳551的内部空间553内产生电极电势。如图4所示,第二变幅杆509的外表面511被充电作为阳极,而第一变幅杆505的外表面507被充电作为阴极。应该理解,可选地,第一变幅杆505也可以被充电作为阳极,而第二变幅杆509可被充电作为阴极,这不脱离本发明的范围。此外,和图1和2A的处理腔一样,用至少第一绝缘构件510和至少第二绝缘构件512隔离外壳551和第一波导组件501,用至少第三绝缘构件514和至少第四绝缘构件516隔离外壳551和第二波导组件503。
如图5所示,一些实施例中,两个或多个波导组件601和603至少部分在腔621的内部空间653内横向延伸,以对腔621的内部空间653内流过的液体施加超声能量,变幅杆组件633和635的末端673和675分别彼此背对。
所示实施例中,用和图3所示网状衬底类似的网状衬底650将外壳651内部空间653内的波导组件633和635隔开,网状衬底650在第一波导组件601和第二波导组件603之间横向延伸。具体而言,网状衬底650从总的由663指示(例如,对应于图2A的封盖263)的外壳上侧纵向端(例如第一纵向端)延伸到总的用678指示的外壳下侧纵向端(如第二纵向端)。所示实施例中,网状衬底650为第一波导组件601和第二波导组件603提供结构支撑,更具体地,网状衬底650构造成用于基本将内部空间653内的第一波导组件601和第二波导组件603与腔外壳651震动隔离开。
和上述图1的波导组件一样,第一波导组件601和第二波导组件603可适当地用安装构件(未示出)安装在网状衬底650上。上述用于图1所示实施例的安装构件可用作本实施例的安装构件。
由于处理腔621被网状衬底650分成两个室,所以外壳651适于包括多于一个输入端口(如所示,外壳包括总的用669指示的第一输入端口和总的用679指示的第二输入端口)以及多于一个的输出端口(如所示,外壳包括总的用627指示的第一输出端口和总的用629指示的第二输出端口)。更具体地,第一输入端口669使一种或多种液体溶液进入腔外壳651的内部空间653,以由第一波导组件601进行超声处理和电解,然后,第一输出端口627使由第一波导组件601处理后的液体排出腔外壳651的内部空间653;第二输入端口679使一种或多种液体溶液进入腔外壳651的内部空间653,以由第二波导组件603进行超声处理和电解,然后,第二输出端口629使由第二波导组件603处理后的液体排出腔外壳651的内部空间653。
另一如图6所示的替代实施例中,处理腔721总的是细长的,并配置为使得流体从其入口端部759进入腔721,且总的在腔内横向流动(例如,在所示实施例的朝向中为向左),并总的从腔721的出口端部727排出腔721外。处理腔721包括限定腔721内部空间753的外壳751,通过外壳751从至少一个输入端口769输送液体。外壳751包括细长管755,其至少部分限定腔721的侧壁757。外壳751具有两个纵向相对的端,通过这两端将有待在腔721内处理的一种或多种液体溶液或组份输送到腔的内部空间753;外壳751还具有至少一个输出端口765,液体一旦被处理后就通过该输出端口排出腔721。
两个波导组件701和703至少部分在腔721的内部空间753内横向延伸,以对腔721的内部空间753内流过的液体施加超声能量。每个波导组件701和703分别包括总体用733和735指示的细长变幅杆组件,每个变幅杆组件完全设置在输入端口769和输出端口765之间的外壳751的内部空间753中,以完全浸入腔721中正被处理的液体中。所示实施例中,总体用709指示的第二波导组件703的第二变幅杆组件735的第二变幅杆配置为中空的圆柱形。第一波导组件701的第一变幅杆组件733的第一变幅杆构件用715指示,其沿长度方向设置在中空圆柱形的第二变幅杆709内。
替代实施例中(未示出),第二变幅杆可以配置为U形的,可以包括两个臂构件。第一变幅杆构件设置在第二变幅杆的第一臂构件和第二臂构件之间。第一变幅杆和第二变幅杆构件都包括上述搅动构件时,该结构使得搅动构件的重叠更好,从而产生增强的空化。
上述两个实施例的任一个中,和上面图1的单变幅杆组件结构一样,每个变幅杆组件733和735还可以单独分别包括多个搅动构件737和739以及挡板构件(未示出)。
现在参看图8,处理腔821包括限定腔821内部空间853的外壳851,通过外壳851从三个横向排列的入口端部869、879和889输送液体。外壳851包括细长管,其至少部分限定腔821的侧壁857。管上形成有三个彼此横向排列的输入端口840、845和850,通过这三个输入端口将有待在腔821内处理的一种或多种液体溶液或组份输送到腔的内部空间853;管还具有至少一个输出端口865,液体一旦被处理后通过该输出端口排出腔821。
两个波导组件801和803至少部分在腔821的内部空间853内纵向延伸,以对腔821的内部空间853内流过的液体施加超声能量。每个波导组件801和803分别包括总的分别用833和835指示的板状细长变幅杆组件,每个变幅杆组件完全设置在输入端口869、879和889以及输出端口865之间的外壳851的内部空间853中,以完全浸入腔821中正被处理的液体中。可根据上述图1的单变幅杆组件结构单独构造每个变幅杆组件833和835(包括变幅杆805和809以及多个搅动构件837和839以及挡板组件(未示出))。该结构中,有搅动构件837和839时,这些搅动构件是围绕板状变幅杆构件的外表面的盘式件。
此外,在图8所示处理腔中,如以上对图2A的处理腔讨论的那样,可将发电机(未示出)电连接到变幅杆805和809的外表面。
根据本发明处理腔的一个实施例进行工作时,处理腔用于除去水性氨溶液中的氮离子和氢离子(即氨)。具体而言,通过管道将水性氨溶液输送到(例如,通过上述的泵)在处理腔外壳上形成的一个或多个输入端口。这些组份通过输入端口进入腔内部空间时,输入端口的朝向可以引起相对的涡旋动作。此外,空气喷射头可以和处理腔流体连通,以迫使空气进入腔内部空间从而进一步引起涡旋动作。
根据上述处理水性氨溶液的实施例,随着溶液在腔内连续向上流动,驱动系统驱动波导组件,具体而言驱动变幅杆组件以预定超声频率震动。响应于变幅杆的超声激励,从变幅杆外表面向外延伸的搅动构件相对于变幅杆动态挠曲/弯曲,或横向位移(取决于搅动构件相对于变幅杆波节区域的纵向位置)。
水性氨溶液沿变幅杆组件和外壳侧壁内表面之间的流动通道连续纵向流动,这样,搅动构件的超声震动和动态运动在溶液中引起空化,以进一步有助于搅动。挡板构件中断液体沿外壳侧壁内表面的纵向流动,反复将流横向向内引导,以流经震动的搅动构件。
此外,外壳侧壁被充电作为阳极,超声变幅杆作为阴极。因而,在水性氨溶液被推动流过腔外壳的内部空间时,带有负电荷的变幅杆吸引溶液中的铵离子,同时,带有正电荷的外壳内侧壁排斥铵离子,进一步分离水性氨溶液中的氨。此外,由于产生了空化,溶解的氨被空化的微泡中的负压变成气相。如上所述,处理腔中可使用空气喷射头。随着用空气喷射头将空气抽入腔内的溶液中,在空化的微泡坍塌之前,气态氨被传送到微泡中。然后,排出的空气减小了水溶液中溶解的氨的浓度。
替代方法中,水性氨溶液中的氨被电解,以形成氮气和氢气。具体而言,在作为阳极充电的外壳侧壁上形成氮气,在作为阴极充电的超声变幅杆外表面上形成氢气。
处理腔还可以可选地和后处理系统结合,后处理系统和处理腔的出口端部流体连通,用于处理流出腔后具有较低的氮浓度的水溶液。例如,所示处理腔可以和一个或多个压力计结合,以监控腔内的液压。还可以沿水溶液的流动通道在处理腔下游设置一个或多个过滤单元,以滤除特定物质,如泥土、碎片或溶液中可能出现的其他污染物(例如,在输送到腔内的原始水性氨溶液中最初出现的物质)。例如,一个实施例中,第一过滤单元可构造用于滤除大小大于约0.5微米的微粒,第一过滤单元下游的第二过滤单元构造用于进一步滤除大小大于约0.2微米的微粒。然而,应该理解,可以仅使用一个过滤单元,或者可以使用多于两个过滤单元,或者可以彻底省掉过滤单元,这不脱离本发明的范围。
后处理系统还可以包括除气和气泡去除单元,该除气和气泡去除单元可用于除去经过处理腔中的超声处理和电解的液体溶液中的气泡(例如,氮浓度降低的水溶液)。一个特别适当的实施例中,除气和气泡去除单元包括传统膜接触器。膜接触器的结构和工作是本领域技术人员公知的,因而这里不做详细描述。膜接触器的一个适当例子是可从美国北卡罗莱纳州的Membrane of Charlotte购得的商标名为SuperPhobic的膜接触器。还可使用一个或多个传感器单元,以监控水溶液的各种特性,如,pH值、导电性、粘性、温度、颜色、表面张力及其他特性,但不限于此。
一个实施例中,如将过氧化氢引入处理腔用作从水溶液中除去化合物的氧化剂时,可能需要使用和过氧化氢反应的后处理单元除去排出的水流中残留的过氧化氢。例如,该后处理单元可以包括分解残留过氧化氢的铂或银表面。类似的,引入臭氧以有助于除去化合物时,可以使用如分解(destruct)单元的后处理单元来分解从处理腔排出的臭氧。
后处理之后,由处理腔处理过的溶液可以被导引到具有任意多种应用的存储容器或操作设备。用于把处理过的液体输送到应用设备(applicator)的任何系统都可设置在后处理系统下游,或者,可以省掉后处理系统,一个系统可以直接和腔的输出端口连通以把处理过的液体输送到后面的应用设备中。
介绍本发明或其优选实施例的部件时,冠词“一”“一个”、“这个”及“所述”意指有一个或多个部件。“包括”、“包含”以及“具有”等词的意思是包括在内并表示还可以有不同于所列举部件的其他部件。
由于可在上述结构和方法中进行各种改变而不脱离本发明的保护范围,所以包含在上述说明书及附图中的所有内容都应该被理解为示意性的而不是限制性的。
Claims (20)
1.一种用于处理液体的处理腔,所述处理腔包括:
具有纵向相对端和内部空间的细长外壳,所述外壳总体上在至少一个纵向端封闭,并具有至少一个输入端口和至少一个输出端口,所述输入端口将液体接纳至所述外壳的内部空间中,在对液体进行超声处理后再通过所述输出端口将液体排出所述外壳,所述输出端口和所述输入端口纵向间隔开,使得液体在所述外壳的内部空间内沿纵向从所述输入端口流到所述输出端口;
细长超声波导组件,其在所述外壳的内部空间内纵向延伸并工作在预定的超声频率以对所述外壳内流过的液体施加超声能量,所述波导组件包括:细长超声变幅杆,其至少部分放置在所述外壳的输入端口和输出端口之间并具有定位成和所述外壳内从所述输入端口流到所述输出端口的液体相接触的外表面;以及多个分立的搅动构件,其以纵向彼此间隔开的关系与所述输入端口和所述输出端口之间的所述变幅杆的外表面接触并从所述外表面横向向外延伸,所述搅动构件和变幅杆构造并设置成在所述变幅杆以预定频率超声震动时所述搅动构件相对于所述变幅杆动态运动并工作于与所述预定频率和所述腔内被处理的液体相对应的所述搅动构件的超声空化模式;
电流源,其与所述变幅杆的外表面和所述外壳的侧壁电接触,从而在所述外壳的内部空间内产生电极电势;以及
至少第一绝缘构件和第二绝缘构件,使所述外壳和所述波导组件电绝缘。
2.根据权利要求1所述的处理腔,其中所产生的所述电极电势位于0.1V到15V的范围内。
3.根据权利要求1所述的处理腔,其中所述电极电势对所述变幅杆充电使其作为阴极,并对所述外壳的侧壁充电使其作为阳极。
4.根据权利要求1所述的处理腔,其中所述电极电势对所述变幅杆充电使其作为阳极,并对所述外壳的侧壁充电使其作为阴极。
5.根据权利要求1所述的处理腔,其结合空气喷射头以将空气压入所述外壳的内部空间。
6.一种用于处理液体的处理腔,所述处理腔包括:
具有纵向相对端和内部空间的细长外壳,所述外壳总体在至少一个纵向端封闭,并具有第一输入端口、第二输入端口以及至少一个输出端口,所述第一、第二输入端口将液体接纳至所述外壳的内部空间中,在对液体进行超声处理后再通过所述输出端口将液体排出所述外壳,所述输出端口和所述第一输入端口和第二输入端口纵向间隔开,使得液体在所述外壳的内部空间内沿纵向从所述第一输入端口和第二输入端口流到所述输出端口;
第一细长超声波导组件,其在所述外壳的内部空间内纵向延伸并工作在第一预定超声频率以对所述外壳内流过的液体施加超声能量,所述第一细长超声波导组件包括:第一细长超声变幅杆,其至少部分放置在所述外壳的第一输入端口和输出端口之间并具有定位成和所述外壳内从所述第一输入端口流到所述输出端口的液体相接触的外表面;以及多个分立的搅动构件,其以纵向彼此间隔开的关系与所述第一输入端口和所述输出端口之间的所述第一细长超声变幅杆的外表面接触并从所述外表面横向向外延伸,所述搅动构件和所述第一细长超声变幅杆构造并设置成在所述第一细长超声变幅杆以第一预定频率超声震动时所述搅动构件相对于所述第一细长超声变幅杆动态运动并工作于与所述第一预定频率和所述腔内被处理的液体相对应的所述搅动构件的超声空化模式;
第二细长超声波导组件,其在所述外壳的内部空间内纵向延伸并且方向和所述第一细长超声波导组件平行,所述第二细长超声波导组件工作在第二预定超声频率以对所述外壳内流过的液体施加超声能量,所述第二细长超声波导组件包括:第二细长超声变幅杆,其至少部分放置在所述外壳的第二输入端口和输出端口之间并具有定位成和所述外壳内从所述第二输入端口流到所述输出端口的液体相接触的外表面;多个分立的搅动构件,其以纵向彼此间隔开的关系与所述第二输入端口和所述输出端口之间的所述第二细长超声变幅杆的外表面接触并从所述外表面横向向外延伸,所述搅动构件和所述第二细长超声变幅杆构造并设置成在所述第二细长超声变幅杆以第二预定频率超声震动时所述搅动构件相对于所述第二细长超声变幅杆动态运动并工作于与所述第二预定频率和所述腔内被处理的液体相对应的所述搅动构件的超声空化模式;
电流源,其与所述第一细长超声变幅杆的外表面以及所述第二细长超声变幅杆的外表面电接触,从而在所述外壳的内部空间内产生电极电势;以及
至少第一绝缘构件和第二绝缘构件,其使所述外壳和所述第一细长超声波导组件电绝缘,以及至少第三绝缘构件和第四绝缘构件,其使所述外壳和所述第二细长超声波导组件电绝缘。
7.根据权利要求6所述的处理腔,其中所述输出端口是第一输出端口,所述处理腔还包括第二输出端口。
8.根据权利要求7所述的处理腔,其中所述外壳包括第一纵向端和第二纵向端,并且,其中所述处理腔还包括横向位于所述第一细长超声波导组件和所述第二细长超声波导组件之间并从所述外壳的第一纵向端延伸到所述外壳的第二纵向端的网状衬底。
9.根据权利要求6所述的处理腔,其中所产生的所述电极电势位于0.1V到15V的范围内。
10.根据权利要求6所述的处理腔,其中所述电极电势对所述第一细长超声变幅杆充电使其作为阴极,并对所述第二细长超声变幅杆充电使其作为阳极。
11.根据权利要求6所述的处理腔,其中所述电极电势对所述第一细长超声变幅杆充电使其作为阳极,并对所述第二细长超声变幅杆充电使其作为阴极。
12.根据权利要求6所述的处理腔,其中所述第一细长超声变幅杆和搅动构件共同限定所述第一细长超声波导组件的第一变幅杆组件,所述第一变幅杆组件完全放置在所述外壳的内部空间内,并且,其中所述第二细长超声变幅杆和搅动构件共同限定所述第二细长超声波导组件的第二变幅杆组件,所述第二变幅杆组件完全放置在所述外壳的内部空间内。
13.根据权利要求6所述的处理腔,其中所述第一细长超声波导组件的至少一个所述搅动构件包括T形件,所述第二细长超声波导组件的至少一个搅动构件包括T形件。
14.一种用于处理液体的处理腔,所述处理腔包括:
具有纵向相对端和内部空间的细长外壳,所述外壳总体上在至少一个纵向端封闭,并具有至少一个输入端口和至少一个输出端口,所述输入端口将液体接纳至所述外壳的内部空间,在对液体进行超声处理后通过所述输出端口再将液体排出所述外壳,所述输出端口和所述输入端口横向间隔开,使得液体在所述外壳的内部空间内沿横向从所述输入端口流到所述输出端口;
第一细长超声波导组件,其在所述外壳的内部空间内横向延伸并工作在第一预定超声频率以对所述外壳内流过的液体施加超声能量,所述第一细长超声波导组件包括:第一细长超声变幅杆,其至少部分放置在所述外壳的输入端口和第一横向端之间并具有定位成和所述外壳内从所述输入端口流到所述输出端口的液体相接触的外表面;多个分立的搅动构件,其以横向彼此间隔开的关系与所述输入端口之间的所述第一细长超声变幅杆的外表面接触并从所述外表面横向向外延伸,所述搅动构件和第一细长超声变幅杆构造并设置成在所述第一细长超声变幅杆以第一预定频率超声震动时所述搅动构件相对于所述第一细长超声变幅杆动态运动并工作于与所述第一预定频率和所述腔内被处理的液体相对应的所述搅动构件的超声空化模式;
第二细长超声波导组件,其在所述外壳的内部空间内横向延伸并且其取向与所述第一细长超声波导组件水平,所述第二细长超声波导组件在工作在第二预定超声频率以对所述外壳内流过的液体施加超声能量,所述第二细长超声波导组件包括:第二细长超声变幅杆,其至少部分放置在所述外壳的输出端口和第二横向端之间并具有定位成和所述外壳内从所述输入端口流到所述输出端口的液体相接触的外表面;多个分立的搅动构件,其以横向彼此间隔开的关系与所述输出端口之间的所述第二细长超声变幅杆的外表面接触并从所述外表面横向向外延伸,所述搅动构件和第二细长超声变幅杆构造并设置成在所述第二细长超声变幅杆以第二预定频率超声震动时所述搅动构件相对于所述第二细长超声变幅杆动态运动并工作于与所述第二预定频率和所述腔内被处理的液体相对应的所述搅动构件的超声空化模式;
电流源,其与所述第一细长超声变幅杆的外表面以及所述第二细长超声变幅杆的外表面电接触,从而在所述外壳的内部空间内产生电极电势。
15.根据权利要求14所述的处理腔,还包括用于总体在所述外壳的第一横向边处将所述第一细长超声波导组件安装到所述外壳上的第一安装构件,所述第一安装构件构造成基本上震动隔离所述第一细长超声波导组件和所述第二细长超声波导组件以及所述外壳;以及用于总体在所述外壳的第二横向边处将所述第二细长超声波导组件安装到所述外壳上的第二安装构件,所述第二安装构件构造成基本上震动隔离所述第二细长超声波导组件和所述第一细长超声波导组件以及所述外壳,其中所述第一横向边和第二横向边是相对的边。
16.根据权利要求15所述的处理腔,还包括至少第一绝缘构件和第二绝缘构件,其使所述外壳和所述第一细长超声波导组件电绝缘;以及至少第三绝缘构件和第四绝缘构件,其使所述外壳和所述第二细长超声波导组件电绝缘。
17.根据权利要求14所述的处理腔,其中所述输入端口是第一输入端口,所述输出端口是第一输出端口,所述处理腔还包括第二输入端口和第二输出端口,所述第一细长超声波导组件至少部分设置在所述外壳的第一输入端口和第一输出端口之间,所述第二细长超声波导组件至少部分设置在所述外壳的第二输入端口和第二输出端口之间。
18.根据权利要求17所述的处理腔,还包括网状衬底,其横向位于所述第一细长超声波导组件和第二细长超声波导组件之间并从所述外壳的第一纵向端延伸到所述外壳的第二纵向端。
19.根据权利要求14所述的处理腔,其中所产生的所述电极电势位于0.1V到15V的范围内。
20.一种用于处理液体的处理腔,所述处理腔包括:
具有纵向相对端和内部空间的细长外壳,所述外壳总体上在至少一个纵向端封闭,并具有至少一个输入端口和至少一个输出端口,该输入端口将液体接纳至所述外壳的内部空间,在对液体进行超声处理后再通过所述输出端口将液体排出所述外壳,所述输出端口和所述输入端口横向间隔开,使得液体在所述外壳的内部空间内沿横向从所述输入端口流到所述输出端口;
第一细长超声波导组件,其在所述外壳的内部空间内横向延伸并工作在第一预定超声频率以对所述外壳内流过的液体施加超声能量,所述第一细长超声波导组件包括:第一细长超声变幅杆,其至少部分放置在所述外壳的输入端口和输出端口之间并具有定位成和所述外壳内从所述输入端口流到所述输出端口的液体相接触的外表面;多个分立的搅动构件,其以横向彼此间隔开的关系与所述输入端口和所述输出端口之间的所述第一细长超声变幅杆的外表面接触并从所述外表面横向向外延伸,所述搅动构件和第一细长超声变幅杆构造并设置成在所述第一细长超声变幅杆以第一预定频率超声震动时所述多个搅动构件相对于所述第一细长超声变幅杆动态运动并工作于与所述第一预定频率和所述腔内被处理的液体相对应的所述搅动构件的超声空化模式;
第二细长超声波导组件,其在所述外壳的内部空间内横向延伸,所述第二细长超声波导组件工作在第二预定超声频率以对所述外壳内流过的液体施加超声能量,所述第二细长超声波导组件包括:第二细长超声变幅杆,其至少部分放置在所述外壳的输入端口和输出端口之间并具有定位成和所述外壳内从所述输入端口流到所述输出端口的液体相接触的外表面;所述第二细长超声变幅杆配置为中空圆柱形,其中所述第一细长超声波导组件的第一细长超声变幅杆沿长度方向设置在所述第二细长超声变幅杆的圆柱内;多个分立的搅动构件,其以横向彼此间隔开的关系与所述输入端口和所述输出端口之间的所述第二细长超声变幅杆的外表面接触并从所述外表面横向向外延伸,所述搅动构件和第二细长超声变幅杆构造并设置成在所述第二细长超声变幅杆以第二预定频率超声震动时所述搅动构件相对于所述第二细长超声变幅杆动态运动并工作于与所述第二预定频率和所述腔内被处理的液体相对应的所述搅动构件的超声空化模式;
电流源,其与所述第一细长超声变幅杆的外表面以及所述第二细长超声变幅杆的外表面电接触,从而在所述外壳的内部空间内产生电极电势。
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