用于将气体扩散到液体中的系统和方法
【专利说明】用于将气体扩散到液体中的系统和方法
[0001]相关申请
[0002]本申请是2012年9月14 日提交的名称为“APPARATUS AND METHOD OF DISSOLVINGGAS INTO A LIQUID”的美国专利申请序列号13/620,069的部分继续专利申请，美国专利申请序列号13/620，069是2008年7月29日提交的名称为“APPARATUS AND METHODOF DISSOLVING GAS INTO A LIQUID”的美国专利申请序列号12/162，603 (现美国专利号8，267，381)的分案专利申请，且要求享有2007年I月31日提交的PCT/CA2007/000160和加拿大申请号2534704的优先权；所有专利申请的全部公开内容以全文引用的方式全部纳入本文。
技术领域
[0003]本发明涉及用于通过创建并维持创建液体和气体气泡的混合物的条件而将气体扩散到液体中的系统和方法。在一些非限制性实施方式中，所述系统和方法还包括向液体中添加细菌和/或细菌营养素。
【背景技术】
[0004]曝气(aerat1n)在许多行业(即，酿造、环境服务、废水处理、农业、渔业和/或选矿)中起重要作用，其中方法效率取决于处理液中的氧气浓度。一些创造曝气条件的常规方法包括使用简单的曝气罐、喷雾塔、泡罩板精饱塔(bubble-tray column)以及填料塔(packed column)来创建气液界面。通常，常规的曝气技术使用使得可将气体吸收在期望的液体中的逆流流动法和多阶段。虽然这些常规方法和相关的设备确实实现了曝气，但是它们可能是低效的，需要长的处理时间，并因此需要大的设备体积。与一些常规方法相关的低效在很大程度上是由与由装备提供的体积相比相对低的气液界面面积引起的。
[0005]已提出，可通过使用与选矿业中用于将固体颗粒与含水悬浮液分离的设计类似的喷气水力旋流器(air-sparged hydrocyclone)来实现改进的曝气性能。通常，这种喷气水力旋流器基于使空气气泡穿过固体颗粒的悬浮液以使得疏水性颗粒附着到空气气泡并且形成可从分离容器中移除的粘结性泡沫的构思。换言之，这种喷气水力旋流器的设计通常涉及有利于伴随着传质的有效的颗粒与气泡的相互作用和分离的气液接触条件的创建。
[0006]此外，用于将挥发性内容物(Volatile Content，“VC”)从水和其他液体中移除的各种方法和设备在现有技术中是已知的并使用了许多年。常规方法之一(通常称为“气提(air stripping) ” )通过使洁净的空气料流或其他气体料流穿过水或其他液体以使得VC从液体转移到气体且可以随着出气从该系统中移除而将VC从污染的液体中移除。选择一些这种气提装置的操作参数以优化溶于液相中的气体和穿过液体的气体之间的传质的总效率。此外，与用于颗粒分离的约70Gs的加速度相比，需要设定液体在一些这种装置中的流速以产生径向加速度为400Gs至约1500Gs之间的离心力场。
[0007]一般而言，气提的一些方法，使气体气泡与液体动态地混合(从而快速地补充紧邻气液界面的传递组分的分子供给且使质量扩散对传递速率的限制最小化)，优化气泡和液体之间的接触时间(从而允许物质传递达到平衡或非常接近平衡)，且彻底地分离后接触的气体料流和液体料流(从而使逆向传递最小化)。在许多这样的方法中，目标是使流经液体且在设备出口处使两相(液相和气相)转向的气体速度最大化。如果大量气体穿过液体单元，则溶解在液体中的气体向传递气体的传质被最大化，由此增加了总气提效率。因此，一些这样的装置在非常高的Gs区域内工作，从而促进气体从液体到气体的移动一一而不是反过来。
[0008]除了上述曝气法、移除污染物的方法以及以其他方式处理液体的方法之外，一些用于处理污染液体(例如，来自溢油的包含烃的水)的常规方法涉及将合成的石油基化学表面活性剂应用到液体。虽然这样的表面活性剂可以起作用以使液体中的污染物乳化，并从而使得这样的污染物混合和分散，但是这样的表面活性剂通常是对人、动物以及环境有毒的且可能甚至是不可生物降解的。
[0009]因此，虽然当前存在用于曝气液体以及处理液体(诸如，污水)的技术，但是仍然存在挑战，包括上文所讨论的那些。因此，加强当前技术或甚至用其他技术代替当前技术将是本领域中的改进。
【发明内容】
[0010]本发明涉及用于通过创建并维持创建液体和气体气泡的混合物的条件而将气体扩散到液体中的系统和方法。在一些非限制性实施方式中，所述系统和方法还包括向液体中添加细菌和/或细菌营养素(例如，从而有助于生物修复)。就此而言，术语细菌营养素在本文中可被用来指细菌存活和/或生长所必须的或有用的一种或多种营养素。
[0011]在至少一些非限制性实施方式中，所述系统和方法包括将液体料流引入圆柱形腔室内，所述圆柱形腔室具有圆柱形内壁且在第一端处封闭，在所述腔室的第一端附近的输入区以使所述料流产生沿着圆柱形内壁朝向腔室的相反的输出端的螺旋流方式切向地引入所述料流。在一些实施方式中，所述系统和方法还包括在气体于所述腔室内传送的至少部分时间内将气体引入所述料流中，通过位于腔室内壁处的装置垂直地向所述料流中引入气体以用于产生移动到所述料流中的气体气泡。此外，一些实施方式涉及控制液体和气体气泡的流动以使得液体流速与气体气泡流速的比率不超过将不富含细菌的清水转变成泡沫的值。在一些情况下，所述腔室具有足够的长度，从而提供在腔室内使得气体在液体中扩散的停留时间，且所述腔室被配置成可使得液体和气体气泡的混合物在输出端附近离开腔室。
[0012]尽管所述系统和方法可以使用任何合适的液体和气体，但是在一些非限制性实施方式中，所述液体包括清水(例如，过滤水、井水、饮用水等)且所述气体包括氧气、臭氧和/或适合于促进细菌生长(例如，食油细菌的生长)或以其他方式增加污染物降解/移除的另一种气体。
[0013]在一些非限制性实施方式中，在可向液体料流中添加任何其他合适的配料的同时(例如，在液体料流穿过腔室之前、期间和/或之后)，向所述料流中添加细菌(例如，产生表面活性剂的细菌和/或不产生表面活性剂的细菌)。在液体料流包括产生表面活性剂的细菌的一些实施方式中，所述细菌产生改变液体的表面张力的表面活性剂且使得离开腔室的液体和气体气泡的混合物包括相对致密且稳定的泡沫。相反，在液体料流包括不产生表面活性剂的细菌的一些实施方式中，离开腔室的液体和气体气泡的混合物相对地无泡沫。
[0014]在一些情况下，为了提高细菌生长(例如，所述料流中的细菌生长和/或在施用部位处的细菌生长)，任选地，向液体料流中添加细菌营养素。类似地，可以向液体料流中添加任何其他合适的配料以使得离开腔室的液体和气体气泡的混合物完成期望的目的。这样的配料的一些实例包括但不限于一种或多种酵母菌、真菌、细菌、消毒剂、气体、气溶胶、调节剂、脱脂剂、肥皂、芳族调节剂、聚合物、起泡剂和/或改变PH的化学品。
[0015]虽然已经证明本发明的方法和过程在烃类污染物的生物修复领域中是特别有用的，但是本领域技术人员可以理解的是，所述系统和方法可用于各种不同的应用中和各种不同的制造领域中，从而处理期望的施用部位和/或污染物。
[0016]本发明的这些和其他特征和优点将在下面的描述中和所附的权利要求书中阐明或变得更加充分显而易现。可以借助所附权利要求书中特别指明的仪器和结合实现并获得所述特征和优点。此外，本发明的特征和优点可通过本发明的实践获悉或从下文阐明的描述中显而易见。
【附图说明】
[0017]为了获得本发明上述及其他特征和优点，将参照附图中例示的具体实施方案来提供本发明更具体的描述。应理解，所述附图仅描述本发明的典型实施方案，并因此不应认为是对本发明的范围的限制，将通过使用附图用附加特征和细节来描述和解释本发明，其中:
[0018]图1是用于将气体溶解在液体中的设备的代表性实施方案的示意图；
[0019]图2是图1设备中的用于将气体气泡引入漩涡浆体中的腔室的代表性实施方案的沿AA线的截面；以及
[0020]图3是具有交替出口 6的图1的设备的代表性实施方案的示意图。
【具体实施方式】
[0021 ] 本发明涉及用于通过创建和维持通过混合创建液体和气体气泡的混合物的条件而将气体扩散到液体中的系统和方法。在一些非限制性实施方案中，所述系统和方法还包括向液体中添加细菌和/或细菌营养素。
[0022]如本文中所使用的，术语液体可以指任何合适的可被引入所述设备并与气体混合的一种液体或多种液体。这样的液体的一些非限制性实例包括清水，即包含H2O的基本上纯的水，例如，基本上不含表面活性物质(例如，聚合物、表面活性剂，和/或当被添加到纯水时倾向于减小表面张力的其他物质)的水，包括但不限于，用于一般人体消耗的饮用水、某些过滤水、泉水等；灌溉水、地下水(例如，来自潜流区、含水层等的水)；地表水(例如，来自河流、溪流等的水)；海