擴散器、擴散方法以及氧化水的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種擴散器，該擴散器包括：一個導管，一個第一材料和一個第二材料可以在其中流過；一個轉動部件，具有包括表面干擾的一個表面，轉動使所述第一和第二材料接觸；轉動所述轉動部件的裝置，使得所述表面干擾在所述第一材料中形成空穴，來將所述第二材料擴散到所述第一材料中去。
【專利說明】擴散器、擴散方法以及氧化水
[0001]本申請是原始母案名稱為“擴散器/乳化器”、國際申請日為2002年4月17日、國際申請號為PCT/US02/12168、國家申請號為02829025.9、母案國家申請號為200710186082.3的發明專利申請的分案申請。
【技術領域】
[0002]本發明大體上涉及一種擴散器，尤其是將一種氣體或液體擴散或乳化到一種材料中的方法和設備。
【背景技術】
[0003]在許多用途中，需要將一種材料-氣體或液體-擴散或乳化到一個第二材料中。乳化是擴散過程的一個子過程，其中一種液體的小液滴懸浮在第二液體之中，第一液體不與第二液體混合，例如油混在醋中。擴散過程的一個重要用途是在廢水處理方面。許多城市向廢水供氧，將其當作處理過程的一部分，以促使有機物的生物降解。有機物的生物分解率主要取決于廢水中氧的數量，因為氧對靠維持食用有機物的微生物的生命是必須的。另外，氧能夠去除一些化合物例如氧化鐵、氧化鎂和二氧化碳。
[0004]有幾種向水供氧的方法，第一，用渦輪機供氧系統將空氣釋放到一個葉輪的轉動葉片附近，葉輪將空氣或者氧氣與水混合。第二，將水噴到空氣中以增加氧的含量。第三，用AQUATEX提出的一個系統將空氣或者氧氣注入到水中，并使水/氣體經過一個大規模的旋渦。對AQUATEX裝置的試驗已經顯示，在理想條件下可增加到200%的溶解氧(大約20ppm(百萬分之一))，而在水中氧天然存在的濃度是最多約lOppm，這被認為是100%溶解氧的濃度。因此，AQUATEX裝置將水中氧濃度提高了一倍。在回到100%溶解氧的濃度之前，增加的氧濃度僅持續幾分鐘。
[0005]氧的濃度越大，以及增加的氧濃度的持續時間越長，在廢水處理上就能夠提供顯著的有益效果。重要的是，有機物分解效率將增加，生物矯正需要的時間數將減少，因而改善了廢水處理設施的能力。
[0006]因此，出現了對一種擴散器的需要，它能夠將高濃度的一個或多個材料擴散到另一個材料中去。
【發明內容】
[0007]本發明的擴散器包括:一個第一部件，具有包含表面干擾的一個表面；以及一個第二部件，其位置相對于第一擴散部件形成一個第一材料和第二材料可以流過的通道。為了將第二材料擴散到第一材料中去，相對于表面干擾驅動第一材料，使得在第一材料中形成空穴。
[0008]根據本發明的一個方面，提供一種擴散器，所述擴散器包括:一個導管，一個第一材料和一個第二材料可以在其中流過；一個轉動部件，具有包括表面干擾的一個表面，轉動使所述第一和第二材料接觸；轉動所述轉動部件的裝置，使得所述表面干擾在所述第一材料中形成空穴，來將所述第二材料擴散到所述第一材料中去。
[0009]根據本發明的另一方面，提供一種將一個第二材料擴散到一個第一材料中的方法，包括以下步驟:將所述第一和第二材料輸入到一個導管內；轉動一個轉動部件，該轉動部件具有至少一個帶有在其上形成的、對著所述第一和第二材料的表面干擾的表面，來使所述第一和第二材料受到壓縮和減壓，導致所述第一材料出現空穴。
[0010]根據本發明的又一方面，提供一種采用上述方法得到的氧化水，所述水包括分子擴散的空氣和/或氧氣的水溶液，所述水包括大約400%的溶解氧，其中，增加的氧濃度水平在環境溫度下被維持在300%溶解氧以上四個小時，并且在環境溫度下被維持在200%溶解氧以上十九個小時。
[0011]與現有技術相比，本發明提供了許多明顯的有益效果。第一，該裝置產生的微空穴使擴散出現在分子水平上，所以增加了將由主體材料保持的注入材料的數量，并延長了持續擴散。第二，微空穴和沖擊波可以通過比較簡單的機械裝置產生。第三，由該裝置產生的沖擊波的頻率或多個頻率可以用于許多用途，或者分解復雜結構或者幫助合成結構。第四，空穴和沖擊波可以在整個材料內均勻產生以便持續擴散。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]為了更完整地理解本發明，下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】作進一步詳細的描述。其中，
[0013]圖l、la為一個擴散器的一個實施例的局部剖視圖和局部流程圖；
[0014]圖2a、2b、2c為該擴散器內部的擴散過程；
[0015]圖3為該擴散器的轉子和定子的分解視圖；
[0016]圖4為該定子的一個實施例
[0017]圖5a為本發明的第二個實施例的轉子-定子組件的剖面圖；
[0018]圖5b為本發明的第二個實施例的轉子的頂視圖；
[0019]圖6為本發明的第三個實施例的剖面圖；
[0020]圖7a到7h為產生擴散的多個可選實施例；
[0021]圖8a、8b為本發明的另一個可選實施例。
【具體實施方式】
[0022]結合附圖1-8，本發明可以得到最好的理解，各圖中同樣的部件使用同樣的標號。
[0023]圖l、la示出了第一個實施例的一個裝置10的一個局部流程圖和局部剖視圖，它能將一個或者兩個氣體或者液體材料(下面稱之為“注入材料”)擴散或者乳化到另一個氣體或者液體材料(下面稱之為“主體材料”)中。主體材料可以是正常狀態下的固體材料，它在擴散/乳化過程中被加熱或者處理成一種液體或者氣體的狀態。
[0024]一個轉子12包括一個一般兩頭封閉的空心圓柱體。軸14和進口 16連接到轉子12的端部。第一注入材料可以通過進口 16進入到轉子12的內部。軸14連接到一個馬達18上，馬達以要求的速度轉動轉子。轉子12具有多個制在其上的通孔22，在圖1a中以更大的詳細視圖示出出了該通孔。在優選的實施例中，每個通孔22具有一個窄的小孔24和一個大一些的開孔26。開孔26的側壁28可以采用各種形狀，包括直線形(如圖4所示)、折彎形(如圖1所示)或者曲線形。
[0025]定子30包圍轉子12，在轉子和定子之間留下了一個通道32，主體材料可以流過該通道。定子30還包括開在其圓周上的許多通孔22。外殼34包圍定子30，進口 36使第二注入材料通到位于定子30和外殼34之間的一個區域35。主體材料通過進口 37進入到通道32。在軸14、16和外殼34之間形成密封38。出口 40將主體材料從通道32通過泵42，主體材料通過泵的出口 44排出。該泵也可以由馬達18驅動或者由一個輔助動力源驅動。
[0026]在運行時，擴散器通過進口 37接受主體材料。在優選的實施例中，泵42吸進泵吸入側的主體材料以使得主體材料通過處在低壓下的通道。通過通孔22，第一和第二注入材料被引入到主體材料上。在注入材料的來源處可以將其加壓以防止主體材料通過通孔22。
[0027]圖1中所示的實施例中已經為擴散材料將進口分成進口 16和36。這種布置使得兩種不同的注入材料被引入到主體材料中。也可以選擇將一種注入材料引入到兩個進口中。
[0028]在試驗中，圖1中所示的實施例已經表明了進入主體材料中的注入材料的高水平擴散。用氧作為注入材料、用水作為主體材料的試驗，已經達到了在水中400%溶解氧的水平，并且增加的氧的水平可持續數日。
[0029]高效和持續的擴散的原因被認為是由于有微空穴，下面結合圖2a_2c來描述微空穴。
[0030]當一個材料流過一個光滑表面時，相當于建立了一個層流，該層流的薄的邊界層是靜止的或者流動得很慢，因為在流動的流體和靜止表面之間有表面張力。然而，通孔22破壞了這個層流，并使得該材料被壓縮和減壓。如果在減壓過程中的壓力足夠低，在該材料中將形成空渦(空穴泡)。空穴泡形成一種旋轉流動方式46，如同一個龍卷風，因為局部區域的低壓使主體材料和注入材料被吸入，如圖2a所示。當空穴泡爆炸時，出現了特別高的壓力。當兩個對齊的通孔互相相通時，出現激振(沖擊波)，產生很大的能量。與空穴和激振有關的能量使注入材料和主體材料在特別高的程度上混合，也許在分子水平上。
[0031]轉子12的切線速率和每圈相遇的通孔數量決定了裝置工作的頻率。已經發現，在超聲波頻率下工作在許多用途中具備有益效果。人們相信，該裝置工作在超聲波的頻段下，提供了最大的激振沖擊能，來改變流體分子的結合角，這就使得流體能夠輸送增加的、一般情況下不能保持的注入材料。擴散器工作的頻率顯然影響了擴散的水平，導致了注入材料在主體材料中持續更長時間。
[0032]在一些用途中，例如在水凈化的情況下可能希望一個特定的頻率或者多個頻率來分解某種復雜分子。在這一用途下，可以用多個激振頻率來將復雜結構，例如揮發性有機化合物(VOC, volatile organic compounds),打破成小的子結構。臭氧可以被用作注入材料的一種，以高效氧化這種子結構。
[0033]裝置10可以用來實現其它的聲化學用途。通常，聲化學用超聲波來幫助化學反應。一般用壓電裝置或者其它電聲裝置來產生超聲波。與電聲轉換裝置相關聯的一個問題是不能在整個材料中提供均勻的聲波；或者說，期望的空穴被局限在裝置自身周圍。本發明采用簡單的機械裝置使得超聲波在整個材料中產生。
[0034]圖3示出了該擴散器的轉子12和定子30的分解視圖，在一個轉動速度下可以獲得多個頻率。在圖3中，在轉子12的圓周上，設置了通孔22的三排圓周方向的通孔50 (分別表示成50a、50b和50c)。每一個環上具有不同數量的、均勻間隔在圓周上的通孔。以同樣的方式，定子30將設有三排圓周方向的通孔52 (分別表示成52a、52b和52c)。為了確保在相對應的排上每次只有一對通孔重合，在定子30上的某排52中通孔22的數量，可以比轉子12上對應的排50中通孔22的數量多(或者少)一個。例如，如果一個排50a具有二十個均勻間隔在轉子12圓周周圍的通孔20，那么一個排52可能具有二十一個均勻間隔在定子30圓周周圍的通孔。
[0035]當圖3中的轉子12相對定子30轉動時，每一排將形成不同頻率的激振。通過適當選擇不同的頻率，將出現迭加和不同的相干涉方式，形成一個寬的頻譜。在許多用途中，其中在主體液體中未知的雜質需要被分解和氧化，這個頻譜具有有益效果。
[0036]圖4示出了定子30的一個實施例的剖面側視圖。對于小尺寸的定子，也許在定子30的內側形成開孔26有困難。圖4的實施例中使用了一個內套管54和一個外套管56。可以從內套管54的外側鏜出開孔26。對內套管54的每一個開孔26，在外套管56上鉆出對應的對齊的小孔24。然后將內套管54放置并固定在外套管56中，以形成定子30。也可以用其它方法，例如鑄造，來制造定子30。
[0037]圖5a_b和6示出了本發明的可選的擴散器的實施例。在這些圖中重復了圖1中適當的序號。
[0038]圖5a示出了一個實施例的剖面側視圖，其中轉子12和定子30是盤狀的。圖5b示出了盤狀轉子12的頂視圖。定子被制造在轉子12的上方和下方。定子12和轉子30具有多個結合圖1所描述的那種形式的通孔，當轉子12受馬達驅動時它們相遇。與前面一樣，對每排52而言，為了防止在一排內的兩個通孔上同時激振，定子30比轉子12上對應的排50中通孔的數量多或者少一個。通孔22可以是與圖1中所示的同樣的形狀。一個空心軸用作將第一注入材料通到盤狀轉子內部的進口 16。同樣，在定子30和外殼34之間的區域35接受第二注入材料。當主體材料流入到位于轉子12和定子30之間的通道32中的時候，它受到通孔22處生成渦流的作用，使得第一和第二材料對主體材料擴散。被注入的主體材料通向出口 40。
[0039]圖5b示出了轉子12的頂視圖。可以看出，多個通孔構成轉子12上的同心的通孔排列。如果需要，每一排可以在不同的頻率下產生激振。在優選的實施例中，通孔22將形成在轉子12的頂部和底部。在定子30上，在這些通孔的上方和下方將形成對應的通孔。
[0040]圖6示出了本發明的一個實施例的剖面圖，其中轉子12具有圓錐形。定子12和轉子30設有結合圖1所描述的那種形式的多個通孔，當轉子12由馬達驅動時這些通孔相遇。除了在轉子12圓周周圍的通孔外，也可以在圓錐形的底部設有通孔，在一部分定子30的底部，設置有對應的通孔。與前面一樣，對每個排而言，為了防止在一排內的兩個通孔22上同時激振，定子30比轉子12上的通孔多或者少一個。一個空心軸用作將第一注入材料通到盤狀轉子內側的進口 16。同樣，在定子30和外殼34之間的區域35接受第二注入材料。當主體材料在轉子12和定子30之間流動的時候，它受到通孔22處生成渦流的作用，使得第一和第二材料對主體材料擴散。被注入的主體材料通向出口 40。
[0041]在圖5a_b和6的實施例中，因為通孔22的排列可以形成在逐漸增加的直徑上，所以容易生成多個頻率。應該指出的是，可以采用許多形狀，包括用半球形和球形來實現轉子12和定子30。[0042]這里描述的擴散器可以用在許多用途中。最佳的開孔尺寸(小孔24和開孔26)、通道32的寬度、轉速和轉子/定子直徑取決于該裝置的用途。
[0043]如上所述，擴散器可以用作向水中加氧。在該實施例中，空氣或者氧氣用作第一和第二注入材料。空氣/氧氣被擴散到結合圖1所描述的那種廢水(或者其它需要氧化的水)中。已經發現，擴散器可以使氧增加到約400%的溶解氧，當對該用途下的參數優化時可以產生更大的濃度。在試驗中，將約二十五加侖的環境溫度下的城市污水(初始溶解氧的讀數為84.4%)通過該裝置，五分鐘后獲得390%的溶解氧含量，增加的氧濃度水平被維持在300%溶解氧以上是四個小時，200%以上的溶解氧為十九個小時。三天后,溶解氧的濃度維持在134%以上。在這些試驗中，采用169kHz的頻率。通孔的尺寸，小孔24是0.030英寸，開孔為0.25英寸(轉子上的開孔26具有斜邊)。冷的溫度可以明顯增加氧的水平和持續性。
[0044]仍然是廢水處理，或者是對其它有毒材料的生物糾正中，氧可以用作一種注入材料，臭氧可以被用作另一個注入材料。在這種情況下，臭氧將被用來氧化主體材料中有害的結構，例如VOC和有害的微生物。還有，如上所述，使用一套頻率(由轉子12和定子30中通孔的排列來決定)來提供一種破壞干擾的方式，將許多復雜結構分解成小的子結構。如果這種處理方法被用來氧化一種單一的、已知的有害物質，將可能使用一種單一的頻率，而該頻率對成功分解該結構是已知的。反之，也能使用一套頻率，該頻率導致一種結構干擾方式，來將兩種或者更多的化合物聚合成一種更復雜和更大結構的物質。
[0045]為了生產飲用水，臭氧被用作第一和第二注入材料來分解和氧化污染物。
[0046]結合大量的用途，例如城市廢水糾正，已經討論了該擴散器的運行，但是它還可以用于家庭用途，例如飲水凈化機、游泳池和養魚池。
[0047]該擴散器還可以用于其它的用途，其中一個氣體或者液體在其它液體中的擴散改變主體材料的特性。這種用途的例子包括，使牛奶均勻或者使油均勻。其它的用途包括在混合燃料和氣體/液體方面提高效率，實現更高的燃料經濟性。
[0048]圖7a_b示出了轉子12和定子30的多個可選的實施例。在圖7a中，“定子”30也轉動；在這種情況下，激振頻率將取決于轉子12和定子30之間的相對轉動速度。在圖7b中，轉子12和定子30中的一個，不讓注入材料通過該裝置(在圖7b中，只有轉子通過一個注入材料)；不讓注入材料通過的該裝置具有代替通孔22的空腔58，來產生紊流。空腔58被作成類似于不帶相伴小孔24的開孔26。
[0049]在圖7c中，注入材料通過的、轉子12或者定子30的小孔24被設置在開孔26附近，而不是象前面的實施例那樣，設在開孔26中。應該指出的是，開孔26的主要目的是干擾沿著轉子12和定子30表面的、主體材料的層流。主體材料的壓縮和稀薄(減壓)引起微空穴，微空穴提供了由該裝置引起的高度擴散。在減壓的過程中，在主體材料中形成空渦(空穴泡)。空穴泡長大以及在激振頻率施加的壓迫作用下收縮(或者爆炸)。當主體材料流過通道32時，空穴泡爆炸產生能量，該能量有助于將注入材料高度擴散到主體材料中。因此，只要注入材料和主體材料混合達到一點，其中空穴和引起的沖擊波正在出現，上面描述的擴散將產生。
[0050]圖7d示出了一個實施例，其中主體材料與一個或多個注入材料之間的初步混合在通道32之外進行。在該實施例中，采用Mazzie擴散器60(或者其它裝置)來實現注入材料和主體材料的初始混合。混合物被輸入到轉子12和定子30之間的通道32中，在這里經受上面討論的壓縮/稀薄循環，導致混合物中出現空穴，并且混合物受到沖擊波頻率的作用。
[0051]還有，可以用不同于上面實施例中所示的開孔26的結構來實現空穴和沖擊波的生成。正如上面所指出的，開孔26是為了表面干擾，它阻礙主體材料沿著通道32壁面的層流。在圖7e中，一個突起，例如凸起62可以代替開孔26或者與開孔26配合起來形成一個表面干擾。還可以用圓形之外的形狀。如圖7f所示，可以在轉子12和/或定子30中形成溝槽(或者凸起)64，以產生空穴和沖擊波。
[0052]正如上面所指出的，并不是所有的用途都需要生成一個特定頻率下的沖擊波，或者從中獲得有益效果。因此，轉子12和定子30可設置多個能夠出現白噪聲而不是某一個特定頻率的開孔26 (或者其它表面干擾)。用來形成空穴的結構不需要單一化；在轉子12和定子30上形成一個充分粗糙的表面也將引起空穴。另外，如圖7g所示，并不需要在轉子12和定子30的表面上都形成空穴；然而，在大多數情況下，如果在兩個表面上都被使用，裝置10的運行將更有效。
[0053]圖7h示出了一個實施例，其中引起空穴的移動是由主體材料(也可選用被拖入的注入材料)提供的，而不是由轉子12和定子30的相對運動提供的。在圖7h的實施例中，在相互靜止的兩個壁面66之間形成通道32, —個或者兩個壁面具有面向通道32的表面干擾。用一個泵或者其它裝置使主體材料在高速下被驅動通過該通道，以形成高速流。通過小孔24或者通過將主體材料和注入材料在通道外混合，將一個或多個注入材料注入到通道中。主體材料的相對壁面66的高速度引起上述微空穴和激振。
[0054]作為一個示例，一個或多個壁面66可以是一個細網孔，注入材料通過該網孔流入到通道32內的主體材料中并與之混合。當主體材料高速流過該網孔時，網孔中的表面干擾將引起微空穴和激振。激振頻率將取決于網孔的密集度和主體材料的速度。同樣,在微空穴處，注入材料將在分子水平上擴散到主體材料中。
[0055]圖8a、8b示出了本發明的另一個實施例，其中轉動部件70設置在導管70內，并由馬達73轉動。采用Mazzie擴散器74或者其它裝置，在轉動部件70的上游導管72中，將主體材料和注入材料混合。在轉動部件70的表面上，設置有一個或多個表面干擾，這樣，轉動部件70的轉動產生上面討論的微空穴，因而在材料中引起高度擴散。為了上述目的，葉輪葉片的形狀和表面干擾76的方式，能夠在希望的頻率下形成微空穴和激振。另外，轉動裝置的形狀能夠使材料被吸入通過導管。
[0056]與現有技術相比，本發明提供了許多明顯的有益效果。第一，該裝置產生的微空穴使擴散出現在分子水平上，所以增加了將由主體材料保持的注入材料的數量，并延長了持續擴散。第二，微空穴和沖擊波可以通過比較簡單的機械裝置產生。第三，由該裝置產生的沖擊波的頻率或多個頻率可以用于許多用途，或者分解復雜結構或者幫助合成結構。第四，空穴和沖擊波可以在整個材料內均勻產生以便持續擴散。
[0057]盡管本發明的詳細描述是根據說明性的實施例進行的，本領域的技術人員對這些實施例和其它可選用的實施例可以作各種修改。本發明包括在所要求的范圍內的任何修改和可替換的實施例。
【權利要求】
1.一種擴散器，所述擴散器包括: 一個導管，一個第一材料和一個第二材料可以在其中流過； 一個轉動部件，具有包括表面干擾的一個表面，轉動使所述第一和第二材料接觸； 轉動所述轉動部件的裝置，使得所述表面干擾在所述第一材料中形成空穴，來將所述第二材料擴散到所述第一材料中去。
2.根據權利要求1所述的擴散器，其特征在于，所述擴散器還包括一個裝置，在所述第一和第二材料與所述轉動部件接觸之前，所述裝置將所述第一材料和第二材料混合。
3.一種將一個第二材料擴散到一個第一材料中的方法，包括以下步驟: 將所述第一和第二材料輸入到一個導管內； 轉動一個轉動部件，該轉動部件具有至少一個帶有在其上形成的、對著所述第一和第二材料的表面干擾的表面，來使所述第一和第二材料受到壓縮和減壓，導致所述第一材料出現空穴。
4.一種采用權利要求3所述的方法得到的氧化水，所述水包括分子擴散的空氣和/或氧氣的水溶液，所述水包括大約400%的溶解氧，其中，增加的氧濃度水平在環境溫度下被維持在300%溶解氧以上四個小時，并且在環境溫度下被維持在200%溶解氧以上十九個小時。
5.根據權利要求4所述的氧化水，其中，三天后，溶解氧的濃度在環境溫度下維持在134%以上。
6.根據權利要求4所述的氧化水，其中，分子擴散的空氣和/或氧的水溶液包括飲用水。
【文檔編號】C02F1/78GK103464022SQ201310076022
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2002年4月17日 優先權日:2002年4月17日
【發明者】諾曼·L·伍坦, 安東尼·B·伍德 申請人:利發利希奧公司