用于乳化剂及其它混合物的单极分离的系统及方法
【专利说明】
[_1 ] 相关申请案的交叉参考
[0002] 本申请案主张2013年4月16日申请的标题为"单极乳化剂分离的系统及方法 (Systems and Methods for Unipolar Emulsion Separation)" 的第61/812,700号美国临 时专利申请案的优先权及权益，且所述申请案以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
[0003] 本发明大体上涉及乳化剂或其它混合物的两个或两个以上相的分离。在某些实施 例中，本发明涉及通过聚合带相同电荷的液滴来分离乳化剂或其它混合物中的液相。
【背景技术】
[0004] 乳化剂出现于多种多样的行业中，举例来说，石油化学处理、食品加工、金属加工 及抛光、纺织品、纸张、化妆品、药物、生物技术以及其它行业。通常执行这些乳化剂的一或 多种成分的分离是必要的，举例来说，在主要由水相组成的或在主要由非水相组成的乳化 剂中从非水液相(举例来说，油)分离水液相(举例来说，水)。
[0005] 举例来说，在石油行业中，水被认为是油产品的污染物且在进一步处理之前必须 从油产品中分离，因为水可能引起处理设备的严重腐蚀且可能影响所述设备的寿命，这样 可能负面影响整个设备。即使油中的微量水也可能在生产线下一步引起严重的问题。在对 比实例中，油为食品及金属行业中产生的下游废水及副产品中的常见污染物且应从废水分 离。从水(包含微量油)分离油是一重大挑战。为了释放回环境中，政府规定要求水中的油不 含有多于特定油量。允许的最大油量可为10ppm油或更少。
[0006] -项显著挑战是减少能量消耗的资金成本及减少或消除使用化学添加物(尤其是 被认为是污染物的那些添加物及/或原本具有负面环境效应的化学添加物），此为促进将乳 化剂及其它混合物分解成其成分的传统方法。另一重大挑战是实现期望的油水分离水平。
[0007] 存在用于分离乳化剂的成分的许多传统方式。最常见的分离技术中的一者为重力 分离。作为主要及低成本处理步骤，重力分离通常用于分离具有更大液滴尺寸的乳化剂。可 通过沉淀过程完成重力分离。举例来说，油可粘附到固态颗粒的表面且通过沉淀有效移除。 然而，重力分离不能有效用于使具有小液滴尺寸的乳化剂失稳，因为沉淀的时间不切实际 很长(所需的时间与液滴尺寸平方值成反比）。
[0008] 为了分离具有精细液滴的乳化剂，通常预处理乳化剂以促进凝结且增加絮状物尺 寸，借此使重力分离期间乳化相失稳。在一些常规方法中，还可将乳化剂加热以减小粘性、 诱发更强密度差异且减小液滴之间的稳定化膜的表面张力。其它化学处理方法增加酸度或 将离子剂添加到乳化剂以中和液滴的电荷。化学处理方法为能量密集型的且可引入数种不 期望的化学污染物。额外化学污染物的分离可能需要后处理单元操作以用于分离化学品， 导致增加的成本及更大的环境污染风险。
[0009] 除了重力分离，用于使乳化剂失稳的其它物理方法包含加热、离心分离、过滤、超 滤(举例来说，使用膜)及反渗透。超滤(举例来说，膜超滤)具有比重力分离小的化学占用面 积且可能对小液滴尺寸(举例来说，小于100μπι)的乳化剂稍微有效。然而，与超滤相关联的 成本往往较高(或过高），这是由于大容量超滤所需的高能量消耗及由于随着时间推移膜涂 覆材料的退化(举例来说，使得需有规律地提供新膜，进一步增加成本）。
[0010]用于分离乳化剂的成分的另一物理方法是静电分离。存在可用以诱发聚合的三种 静电体积力。在由强加电场引起的电介质液体中的电体积力可如下表达：
[0011]
(1)
[0012] 共中Ρ。为体电何嵆度，ε为沭体介电常数，ρ为流体密度，且Τ为流体温度。公式（1) 的右侧的第一项为由流体中的净自由空间电荷引起的电泳力或库伦(C 0 u 10 mb i C)力。被称 为介电泳力的第二项来源于介电常数梯度。被称为电致伸缩力的最后一项仅对可压缩流体 重要。
[0013] 在这些静电分离器中，主要是利用第二项介电泳力促进乳化剂中的液滴聚合。在 一种常规技术中，将两张平行板浸没到乳化剂中，在电极之间具有小间隙。这些浸没电极用 以诱发外部电场到大多数乳化剂。介质中的水滴变成极化的且正负端吸引彼此使得两个液 滴之间的油膜挤压且被排干。当两个邻近滴之间的油层破裂时，这两滴可融合到一起。这些 液滴不会获得净电荷。此技术的一个限制是随液滴的尺寸按比例决定极化力。液滴尺寸越 小，须施加的场就越大。此外，两个邻近液滴的定向为重要的。如果角度不适当，两个液滴排 斥而不是吸引且它们不能融合-此为常规静电分离器的显著限制。电水动力诱发的流及由 施加的电泳力引起的两极吸引（正负吸引）可诱发液滴的聚合。
[0014] 通过电场与流体流的相互作用产生的电水动力流还可增加液滴聚合的可能性。AC 及DC场用以在浸没电极之间建立匀质或异质场。静电分离器在分离小到几百微米的液滴方 面为有效的;然而，这些分离器对于中等电场中的更小液滴尺寸为无效的。
[0015] 尽管静电分离器显示出一些前景，但他们也经受数种显著限制。在常规电聚合器 中，两个电极被浸入到乳化剂中。直接后果是当乳化剂中的含水量较高（举例来说，大于 40wt. % )时此技术可能无法可靠地使用。高含水量可限制施加到电极的电势电平，使得即 使是中等的场也可能引起静电击穿。即使当含水量为中等或较低时，所分离的水滴往往也 会以强加场的方向对准本身且跨越电极之间的间隙形成链形结构。此链的形成可能会增加 静电放电及跨越间隙的电弧的可能性。由于围绕电极的油的化学分解，静电放电造成爆炸 风险以及电极或电极覆盖物的腐蚀及增加的污染物。此外，静电放电/击穿可通过抑制背景 电场的强度、液滴充电的速率及分离器的效率来降低聚合速率。另外，传统静电分离器在水 相具有高含盐量的情况下会发生故障。
[0016] 需要性价比高、对具有小液滴尺寸的乳化剂起作用、不论水相的盐浓度如何都能 起效、及不造成爆炸风险或不需要将化学添加物添加到乳化剂的分离方法。
【发明内容】
[0017] 本发明的各种实施例涉及用于分离乳化剂或其它混合物的两种或两种以上相的 方法及系统。在某些实施例中，本发明将净单极电荷引入到混合物中，使得其中的邻近液滴 获得净单极电荷且出人意料地提高相似相液滴的聚合，借此使混合物失稳且产生两种或两 种以上固结液相或提高两种或两种以上固结液相的产生。
[0018] 本文中论述的一些实施例提供不管分散相的高导电率、不管高含盐量及/或不管 表面活化剂或其它乳化剂的存在的乳化剂或其它混合物的两种或两种以上相的成功分离。 在一些实施例中，混合物的导电率在lmS/m到lS/m之间或高达10S/m。本文中描述的系统及 方法适用于多种多样的导电率范围。本文中描述的某些实施例可在无需电极配置的任何特 别调整或其它侵入性操纵的情况下分离具有多种多样的含盐量及/或表面活化剂含量的各 种各样的混合物。
[0019] -方面，本发明提供用于分离混合物(举例来说，乳化剂）的两种或两种以上相的 方法，所述方法包含以下步骤：（a)提供具有净单极电荷的混合物(举例来说，使得其中的邻 近液滴获得净单极电荷），借此提高其中的相似相液滴的聚合且产生两种或两种以上固结 相或提高两种或两种以上固结相的产生；以及(b)收集所述两种或两种以上固结相。
[0020] 在某些实施例中，步骤(a)包含经由电晕放电使用离子轰击所述混合物。
[0021] 在某些实施例中，步骤(a)包含提供发射器电极(举例来说，锐化电极)及收集器电 极，其中至少所述收集器电极(举例来说，钝化电极)与所述混合物在物理上接触且以电晕 放电阈值或超出电晕放电阈值将电势差施加于所述发射器电极与所述收集器电极之间。
[0022] 在某些实施例中，所述发射器电极不与所述混合物在物理上接触。
[0023] 在某些实施例中，将气体介质(举例来说，氮气、氧气、空气、氩气、氦气等等或不同 气体的任何混合物)定位于所述发射器电极与所述混合物之间。在一些实施例中，所述气体 介质为静止的。在一些实施例中，所述气体介质为流动的。在一些实施例中，所述气体流动 减少电极的腐蚀，因为电晕放电的副产品浓度变低。此又显著地减少针对本文中论述的系 统及方法须待执行的维护。另外，此增加系统的有用寿命且降低操作成本。所述气体介质可 为任何温度及压力。
[0024] 在一些实施例中，可将电离气体引入到所述混合物中。塌陷气泡引起所述气泡内 的气体的电离。
[0025] 在某些实施例中，将所述收集器电极接地。在一些实施例中，用超出接地电平的相 同极性偏置所述收集器电极。在一些实施例中，所述发射器电极能量为+15kV，所述收集器 电极可为接地(OkV)或可将所述收集器电极偏置(举例来说)+lkV。
[0026] 在某些实施例中，所述发射器电极为锐化电极(举例来说，一针、多个针、一刀片或 多个刀片、细线或多条线等等）。
[0027] 在某些实施例中，所述发射器电极被涂覆及/或纹理化(举例来说，使用微结构、纳 米管(举例来说，CNT)、纳米结构或其它锐化几何体涂覆及/或纹理化）。
[0028] 在某些实施例中，所述发射器电极由对离子化诱发的腐蚀有抵抗力的材料组成或 涂覆。
[0029] 在某些实施例中，所述收集器电极包含从由下列各物组成的群组中选出的一或多 个构件:金属、硅及具有自然氧化层的硅，及/或其中所述收集器电极涂覆有电介质膜(举例 来说，及/或其中所述收集器电极为含有混合物的衬底，举例来说，为通道、管、板等等）。在 一些实施例中，所述收集器电极未涂覆电介质膜，举例来说，在一些实施例中，所述收集器 电极是裸露的。
[0030] 在一些实施例中，通过施加高电压到针或通过施加高电压到混合物通过反转所述 发射器电极极性建立混合物与所述发射器电极之间的电势差。在一些实施例中，所述发射 器电极为单电极(举例来说，锐化针、线或工程化表面或其任何组合）。
[0031 ]在一些实施例中，经由连续AC或DC放电或经由脉冲放电将电场施加到混合物。在 一些实施例中，所述放电为具有时间滞后放电的两相、三相或多相放电。在一些实施例中， 所述放电为直接放电或阻挡放电。
[0032] 在一些实施例中，基于所述混合物的性质(举例来说，化学性质、物理性质）调整所 施加的电压。
[0033] 在一些实施例中，在运输(举例来说，传送带或另一导管上的运输)期间分离所述 混合物。
[0034] 在一些实施例中，步骤(a)包含提供具有单极电荷的混合物的一部分，所述方法进 一步包括:将混合物的带电部分混合到混合物的剩余部分中，借此提高其中的相似相液滴 的聚合且产生两种或两种以上固结相或提高两种或两种以上固结相的产生：以及(b)收集 所述两种或两种以上固结相。
[0035] 在某些实施例中，步骤(a)包含注射、喷射或以其它方式将具有净单极电荷的物质 (举例来说，液滴、液浴或液流）引入到混合物中，借此提高其中的相似相液滴的聚合且产生 两种或两种以上固结相或提高两种或两种以上固结相的产生。
[0036] 在一些实施例中，直接将电荷施加到混合物。在一些实施例中，间接将电荷施加到 混合物。在一些实施例中，步骤(a)包含将具有净单极电荷(举例来说，在分立过程中离子 化、在运输到混合物期间离子化、在电晕放电室中经由电晕放电离子化)的离子化气体注射 到混合物中。在一些实施例中，所述离子化气体穿过所述混合物。在一些实施例中，气体气 泡的尺寸可减小以增加离子化气体气泡与混合物的界面。在一些实施例中，将所述离子化 气体从单一位置注射到混合物中或从多个点注射到混合物中。
[0037] 在一些实施例中，将所述气体气泡从顶部(举例来说，从混合物上方)注射到混合 物中。在一些实施例中，将所述气体气泡从底部(举例来说，从混合物下方)注射到混合物 中。
[0038] 在某些实施例中，步骤(a)包含将混合物引入到具有净单极电荷的衬底(举例来 说，具有经由摩擦带电施加的电荷的衬底）。
[0039] 在一些实施例中，所述单极电荷为正。
[0040] 在一些实施例中，所述单极电荷为负。
[0041] 在一些实施例中，所述混合物，当维持净单极电荷时，包含具有正及负电荷的物质 的组合(举例来说，在给定时间周期其可能会改变）。
[0042] 在一些实施例中，步骤(a)包含在经由导管运输混合物期间经由摩擦带电施加电 荷，所述导管包括经配置以改进摩擦带电充电的涂层。在一些实施例中，其中步骤(a)包含 通过净单极电荷的直接注射、传导、诱发及/或其任何组合施加电荷。
[0043] 在某些实施例中，所述混合物包含多个液相。
[0044] 在某些实施例中，所述混合物包含从由下列各物组成的群组中选出的一或多个构 件:颗粒、蛋白质、DNA、RNA及细胞(举例来说，其中所述混合物包含平稳剂(例如颗粒或表面 活化剂））。
[0045] 在某些实施例中，所述混合物包含低导电率的液体(举例来说，绝缘液体或电介质 液体，举例来说，其中所述低导电率液体组成混合物的至少50wt. %)。在某些实施例中，所 述混合物包含具有高导电率的液体。
[0046] 在某些实施例中，所述混合物包含水相，且所述水相具有至少约0.5M的含盐量(举 例来说，至少约1M、至少约1.5M或至少约2.0M)。
[0047] 在某些实施例中，在引入净单极电荷之前，所述混合物包含在直径方面具有小于 或等于约1000微米的平均液滴直径(举例来说，< 500μπι，< 400μπι，< 300μπι，< 100μL?，< 50μ m, < 30μηι, < 20μηι, < ΙΟμπι, < Ιμπι, < 900nm, < 500nm, < 300nm, < 100nm, < 50nm, < 30ηηι,??ξ glOnm)的液滴