[发明专利]用于在流体中形成空化的系统和方法

说明书

提供了一种用于流体修复的系统。该系统具有：入口，该入口被配置用于将流体供应至修复通道；与该修复通道处于流体连通的注入端口，该注入端口被配置用于将至少一种物质注入所述液体中；位于该注入端口下游、与该修复通道处于流体连通的至少一个空气致动器，该空气致动器被配置用于产生空化穴；旋流板，该旋流板布置在该修复通道内，并且被配置用于在流体中产生涡流并进一步增加液体内空化穴的数量。本文还提供了一种修复流体的方法。

技术领域

本发明总体上涉及流体的修复、并且更具体地涉及一种用于以可变方式在流体中形成、集中和/或控制水力空化的系统和方法。

背景技术

人类的许多不同活动产生了无数的废料和副产品。随着污染物对环境、健康和工业的影响增加，开发用于快速且有效地从受污染的水和其他液体中去除各种各样污染物的新方法变得越来越重要。通常所说的修复的目标是从流体中减少或消除污染物和其他不安全物质。

存在许多修复方法。一些生物处理技术包括生物强化、生物通风、生物注气、生物漱洗、以及植物修复。一些化学处理技术包括臭氧和氧气注入、化学沉淀、膜分离、离子交换、碳吸收、水性化学氧化、以及表面活性剂增强回收。一些化学技术可以使用纳米材料来实施。物理处理技术包括但不限于泵送与处理、空气喷射和双相萃取。

最近由于其环境友好性而越来越受欢迎的一种这样的方法是水力空化。空化通常是在液体中形成蒸气腔，这形成了小的无液体区。在工程术语中，术语空化在狭义上使用，即，用于描述在由液体系统的动态作用产生的局部压力减小而在内部中或在固体边界上形成蒸气填充的空腔。

虽然目前存在一些空化方法(例如，声空化)，但对水力空化的探索相对较少。在水力空化中，可以通过使用在液体中触发水力空化事件的浸没射流来实现除污。这些空化事件通过产生强氧化剂和还原剂并有效地分解和破坏污染性有机化合物以及一些无机物来驱动化学反应。这些相同的空化事件不仅物理上使微生物(诸如大肠杆菌和沙门氏菌)和幼虫(诸如斑马贻贝幼虫)的细胞壁或外膜破坏或破裂，并且还产生杀菌化合物(诸如过氧化物、羟基自由基等)，这些杀菌化合物有助于摧毁这些生物。细胞壁或外膜被破坏之后，内部细胞成分易于受到氧化的影响。

水力空化是通过在局部压力区域的流体流内部或边界层处由蒸气气体形成空腔来定义的，该局部压力被减小到流体的蒸气压以下。局部压降受到经过流动区域中的缩窄部(即，在缩流部处或缩流部之前)时流体速度增大的影响。当填充有空腔的流体移动到高于该流体的蒸气压的压力区域(例如，具有更大截面积、更小流体速度、并且因此更高压力的区域)时，蒸气气体空腔冷凝变回流体并溃灭。

气泡溃灭时发生的化学反应的原因有几种理论。根据一种理论，气泡溃灭时产生“热点”(局部高温高压区)是这些增强反应的原因。根据该理论，空化区域中无数气泡的溃灭产生了大量局部高温高压点(高达5000℃和1000个大气压)，这些高温高压点实现氧化(和/或还原)并且因此实现了期望的修复效果。其他空化理论表明，这些反应是由气泡溃灭时产生的冲击波或放盘管产生的，或者是由于在溃灭的气泡中形成类似等离子体的状态。不管原因如何，在空化事件位点处发生的物理和化学反应在本发明的过程中被有效利用，以从液体中去除有机污染物和其他污染物。

如Chahine等人的US 6221260所描述的，所产生的空腔的特性和行为强烈影响氧化效率。由于涡流室的中心处产生低压，在中等喷射压力下可以产生侵蚀性空化，而无需降低环境压力(对于本发明来说，“环境压力”是指流体射流喷入的液体压力)。在低至中等环境压力(即，约0至100psi)下的操作中，这种修复方法中使用的涡流流体喷射空化仍然产生大量的小空腔、或形态展现出大的表面积与体积比(例如，非常细长的气泡、螺旋图案等)的空腔。

空化技术已经在各种各样的工业和生态修复环境中使用，包括但不限于农业、采矿、制药、食品和饮料制造和加工、渔业、石油和天然气生产和加工、水处理、以及替代燃料。由于如此广泛的使用领域，一些公司越来越渴望进一步开发空化技术。