Генератор нанопузырьков, способ получения жидких растворов, содержащих нанопузырьки, и их применение - RU2693136C2
Код документа: RU2693136C2
Чертежи
Описание
ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
Настоящая заявка испрашивает приоритет предварительной заявки США серийный номер 61/886318, поданной 3 октября 2013 года, содержание которой включено в настоящее описание в качестве ссылки.
ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к жидким растворам, имеющим нанопузырьки, и к системе и способу производства жидких растворов, содержащих нанопузырьки.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В последние годы газожидкостные смеси, содержащие мелкие пузырьки (пузырьки миллиметрового, микрометрового и нанометрового размера), используются в различных отраслях промышленности и в различных областях применения.
Имеющиеся в настоящее время на рынке генераторы микро- и нанопузырьков используют воздух или газ для образования мелких пузырьков, но они не могут эффективно уменьшить размер пузырька до размера частиц манометрического диапазона.
Многие генераторы могут производить нанопузырьки только через микропузырьки с использованием камеры закрученного потока жидкости, с одной точкой сдвига, форсунки или трубки Вентури, чтобы уменьшить размер пузырька. Другие системы используют растворение под давлением или электролиз для создания нанопузырьков. Все эти системы не способны создавать эндотермическую реакцию, необходимую чтобы сделать жидкости парамагнитными.
Например, в патенте США №8317165, описывается устройство, создающее жидкость, содержащую нанопузырьки, однако, устройство, описанный в этом патенте США, может производить нанопузырьки только из микропузырька базовой жидкости и в нем необходимо использовать внешний газ/воздух, чтобы создать большое количество нанопузырьков.
Таким образом, одной целью настоящего изобретения является создание системы и способа производства жидких растворов, содержащих нанопузырьки, которые устраняют недостатки известного уровня техники. Задачей настоящего изобретения является создание системы и способа получения жидких растворов, содержащих нанопузырьки,
которые не требуют воздуха или газа для получения нанопузырьков и которые не требуют исходного раствора с микропузырьками.
Другие цели настоящего изобретения будут понятны из следующего краткого изложения сущности изобретения, описания изобретения, вариантов воплощения и примеров осуществления.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В настоящем изобретении используются растворы, имеющие нанопузырьки, а также генераторы нанопузырьков и системы и способы, обеспечивающие приготовление указанных растворов. Системы и способы согласно настоящему изобретению и способ получения жидких растворов, содержащих нанопузырьки, не требуют внешнего источника воздуха или газа для производства нанопузырьков или создания большого количества нанопузырьков, и они не требуют исходного раствора, содержащего нанопузырьки или микропузырьки.
Генератор нанопузырьков по настоящему изобретению в одном варианте воплощения содержит камеру, имеющую по меньшей мере две последовательные кавитационные зоны и плоскости поверхности сдвига. Источник жидкого раствора включает полярные жидкие растворы, неполярные жидкие растворы или их смеси. Обработанный жидкий раствор затем распределяется для использования и/или потребления.
В одном варианте воплощения генератор нанопузырьков содержит корпус, имеющий впускную часть для приема исходного жидкого раствора, выпускную часть для выпуска жидкого раствора, содержащего нанопузырьки, и участок обработки для обработки исходного жидкого раствора, при этом участок обработки имеет, по меньшей мере, две последовательные плоскости поверхности сдвига, разделенные кавитационными пространствами, камерами или зонами.
В другом варианте воплощения генератора нанопузырьков участок обработки включает, по меньшей мере, два дискообразных элемента, установленных на валу, проходящем в осевом направлении через корпус, причем дискообразные элементы разделены пространством.
В другом варианте воплощения генератора нанопузырьков согласно настоящему изобретению, ширина каждой плоскости поверхности сдвига составляет около половины ширины каждого кавитационного пространства. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения, ширина каждого дискообразного элемента составляет приблизительно половину расстояния между двумя последовательными плоскостями сдвига или меньше.
В еще одном варианте воплощения генератора нанопузырьков по настоящему изобретению, каждый дискообразный элемент включает первую стенку, обращенную к впускной части, вторую стенку, обращенную к выпускной части, и периферийную стенку, проходящую между первой и второй стенками, в котором периферийная стенку включает канавку или прорезь.
В другом варианте воплощения генератора нанопузырьков по настоящему изобретению дискообразные элементы установлены вдоль вала, причем их пазы расположены по окружности в шахматном порядке по отношению друг к другу.
В еще одном варианте воплощения генератора нанопузырьков по настоящему изобретению указанный генератор нанопузырьков содержит от 2 до 30 дискообразных элементов.
В другом варианте воплощения генератора нанопузырьков по настоящему изобретению дискообразные элементы изготовлены из металла или сочетания металлов. В одном варианте воплощения дискообразные элементы изготовлены из нержавеющей стали.
В одном варианте воплощения настоящее изобретение относится к системе приготовления раствора жидкости, содержащей нанопузырьки, причем система имеет источник жидкости и генератор нанопузырьков по любому из предыдущих вариантов осуществления, при этом впускная часть для входа потока исходного раствора в генератор нанопузырьков функционально соединена с источником жидкого раствора.
В еще одном варианте воплощения настоящее изобретение относится к способу производства жидкого раствора, содержащего нанопузырьки. В одном варианте воплощения способ включает пропускание исходного жидкого раствора через генератор, получая, таким образом, жидкий раствор, содержащий нанопузырьки согласно настоящему изобретению.
В другом варианте воплощения способа производства раствора, содержащего нанопузырьки согласно настоящему изобретению, источник жидкости содержит смесь жидкости и газа.
Исходный жидкий раствор обрабатывают путем пропускания через генератор нанопузырьков для получения нанопузырьков в исходном жидком растворе.
Нанопузырьки предпочтительно присутствуют в обрабатываемом растворе с относительно высокой концентрацией при малом размере, предпочтительно в диапазоне наноразмеров, от около 10 до около 2000 нм, наиболее предпочтительно от около 10 нм до около 150 нм.
В одном из вариантов воплощения настоящего изобретения, жидкий раствор до или после генератора нанопузырьков дополнительно проходит, по меньшей мере, через одну систему фильтрации, в результате чего бактерии, вирусы, цисты и тому подобные организмы, в основном, будут удалены из обрабатываемой жидкости. Согласно изобретению, могут быть использованы любые системы фильтрации, известные в данной области техники. Системы Фильтрации могут включать, без ограничения, фильтры для удаления твердых частиц, угольные фильтры, фильтры обратного осмоса, активные угольные фильтры, керамические угольные фильтры, фильтры для дистиллята, ионизированные фильтры, ионообменные фильтры, ультрафиолетовые фильтры, обратные фильтры-прессы, магнитные фильтры, энергетические фильтры, вихревые фильтры, фильтры химического окисления, фильтры химических добавок, фильтры «живой воды», фильтры смолы, мембранные дисковые фильтры, микрофильтрационные мембранные фильтры, мембранные фильтры нитроцеллюлозы, сетчатые фильтры, ситовые фильтры или микропористые фильтры, а также их сочетания. Учитывая тот факт, что нанопузырьки имеют относительно длительный срок службы, растворы, содержащие нанопузырьки по настоящему изобретению могут храниться на складе или распространяться для использования и потребления.
В другом варианте воплощения настоящего изобретения, обработанная исходная жидкость дополнительно проходит через систему минеральной фильтрации, в результате чего минеральные вещества, такие как железо, сера, марганец и тому подобные примеси, в основном, удаляются из обработанной исходной жидкости.
Фильтрация жидкого раствора может быть выполнена в любое время и на любой стадии. Например, фильтрация может включать источник жидкого раствора или жидкий раствор, содержащий нанопузырьки.
В еще одном варианте воплощения настоящего изобретения источник жидкости обрабатывают с помощью первого генератора нанопузырьков. Обработанная жидкость дополнительно проходит через вспомогательную систему минеральной фильтрации и дополнительно, по меньшей мере, через один патогенный фильтр. Раствор, содержащий нанопузырьки, может храниться в хранилище, например, контейнере или может быть обработан повторно. Перед распределением раствора, содержащего нанопузырьки, обработанный раствор дополнительно проходит через один или несколько генераторов нанопузырьков, в результате чего генерируются дополнительные нанопузырьки. После такого двойного или тройного прохождения через генератор нанопузырьков обработанный раствор затем распределяется для использования и потребления.
Исходные жидкий раствор, обработанный и дополнительно отфильтрованный с помощью системы по изобретению, в основном, наиболее эффективен для уничтожения или подавления роста клеток, патогенов, вирусов, бактерий, грибков, спор и пресс-форм, а также для повышения общего качества исходных жидкостей. Генератор нанопузырьков может быть объединен с различными жидкостными системами для обработки многих типов исходной жидкости. Эти жидкостные системы могут включать нагреватели воды, охладители воды, системы общего водоснабжения, систем санитарного водоснабжения, кондиционеры воды, ионообменные и тому подобные устройства. Жидкостные системы, включающие генератор нанопузырьков могут быть использованы в домашнем хозяйстве, в научных учреждениях, пищевой промышленности, нефтяной промышленности, в производстве растворителей и в медицинской промышленности.
В одном из вариантов воплощения настоящее изобретение относится к способу повышения качества материала. Способ, в таком варианте воплощения, включает: (а) пропускание исходного жидкого раствора через генератор нанопузырьков по настоящему изобретению, в результате чего получают жидкий раствор, содержащий нанопузырьки; и (b) контакт материала с раствором, содержащим нанопузырьки.
В другом варианте воплощения настоящее изобретение относится к способу удаления или предотвращения образования биопленки на поверхности. В одном варианте воплощения, способ включает: (а) пропускание исходного жидкого раствора через генератор нанопузырьков по настоящему изобретению, в результате чего получают жидкий раствор, содержащий нанопузырьки; и (b) контакт поверхности с раствором, содержащим нанопузырьки.
В еще одном варианте воплощения настоящее изобретение относится к способу снижения содержания аммиака в помете птиц.
В одном из вариантов воплощения этот способ включает обеспечение птиц жидким раствором, содержащим нанопузырьки.
В одном из вариантов способа снижения содержания аммиака в помете птиц, жидкий раствор получают путем пропускания исходного жидкого раствора через генератор нанопузырьков по настоящему изобретению, создавая, таким образом, жидкий раствор, содержащий нанопузырьки.
В другом варианте воплощения настоящее изобретение относится к способу удаления тяжелых металлов из материала. В одном варианте воплощения способ включает: (а) пропускание исходного жидкого раствора через генератор нанопузырьков по настоящему изобретению, получая, таким образом, жидкий раствор, содержащий нанопузырьки, и (b) контакт материала с раствором жидкости, содержащей нанопузырьки.
Растворы, содержащие нанопузырьки по настоящему изобретению, включают пузырьки, имеющие средний размер частиц в нанометровом диапазоне от 10 до 2000 нм. В отличие от жидкостей, содержащих нанопузырьки, известные из предшествующего уровня техники, жидкие растворы, содержащие нанопузырьки по настоящему изобретению, являются стабильными и обладают парамагнитными свойствами. Растворы, содержащие нанопузырьки согласно настоящему изобретению, имеют окислительно-восстановительный потенциал (ОВП), который выше потенциала исходной жидкости, используемой для создания раствора, содержащего нанопузырьки по настоящему изобретению. Растворы, содержащие нанопузырьки по настоящему изобретению, являются стабильными и могут присутствовать в растворе в течение длительного времени.
Таким образом, в одном варианте воплощения настоящее изобретение относится к жидкому раствору, содержащему нанопузырьки размером примерно от 10 до 2000 нм. В одном из вариантов настоящего изобретения, жидкий раствор, содержащий нанопузырьки по настоящему изобретению, является стабильными. В другом варианте воплощения настоящего изобретения жидкий раствор, содержащий нанопузырьки, является парамагнитным. В одном варианте жидкого раствора, содержащего нанопузырьки, жидкий раствор, содержащий нанопузырьки, имеет окислительно-восстановительный потенциал, который относительно выше, чем ОВП исходного жидкого раствора, используемого для создания раствора, содержащего нанопузырьки. В случае воды, в одном из вариантов воплощения настоящего изобретения, вода, обработанная в генераторе нанопузырьков по настоящему изобретению, имеет окислительно-восстановительный потенциал порядка 650 мВ или выше.
В другом варианте воплощения жидкий раствор, содержащий нанопузырьки по настоящему изобретению, выбирают из неполярного жидкого раствора, полярного жидкого раствора или их сочетания.
В вариантах раствора, содержащего нанопузырьки по настоящему изобретению, жидкость раствора выбирают из группы, состоящей из воды (водопроводной воды, хозяйственной воды, колодезной воды, сточных вод и т.д.), растворителя, топлива, пищевых масел, минеральных масел и спиртов.
В другом варианте раствора, содержащего нанопузырьки по настоящему изобретению, этот раствор содержит смесь жидкости и газа. В вариантах раствора, содержащего нанопузырьки по настоящему изобретению компонент газовой смеси выбирают из группы, состоящей из азота, кислорода, диоксида углерода, озона, этанола, метанола и водорода.
В одном из вариантов воплощения жидкого раствора, содержащего нанопузырьки, эти пузырьки, имеют размеры от около 10 до около 2000 нанометров. В другом варианте воплощения настоящего изобретения нанопузырьки в жидких растворах, имеют размеры в диапазоне 10-1000 нм. В другом варианте воплощения жидкого раствора, нанопузырьки этого жидкого раствора имеют размер порядка 10-900 нм. В еще одном варианте воплощения изобретения нанопузырьки, содержащиеся в жидких растворах, имеют размер порядка 10-850 нм. В другом варианте воплощения изобретения нанопузырьки, содержащиеся в жидких растворах, имеют размеры порядка 10-800 нм. В другом варианте воплощения изобретения нанопузырьки, содержащиеся в жидких растворах, имеют размеры порядка 10-750 нм. В другом варианте воплощения изобретения нанопузырьки, содержащиеся в жидких растворах, имеют размеры порядка 10-700 нм. В еще одном варианте воплощения изобретения нанопузырьки, содержащиеся в жидких растворах, имеют размеры порядка 10-650 нм. В другом варианте воплощения изобретения нанопузырьки, содержащиеся в жидких растворах, имеют размеры порядка 10-600 нм. В другом варианте воплощения изобретения нанопузырьки, содержащиеся в жидких растворах, имеют размеры порядка 10-550 нм. В другом варианте воплощения изобретения нанопузырьки, содержащиеся в жидких растворах, имеют размеры порядка 10-500 нм. В другом варианте воплощения изобретения нанопузырьки, содержащиеся в жидких растворах, имеют размеры порядка 10-450 нм или порядка 10-400 нм. В еще одном варианте воплощения изобретения нанопузырьки, содержащиеся в жидких растворах, имеют размеры порядка 10-350 нм. В другом варианте воплощения изобретения нанопузырьки, содержащиеся в жидких растворах, имеют размеры порядка 10-300 нм или 10-250 нм. В другом варианте воплощения изобретения нанопузырьки, содержащиеся в жидких растворах, имеют размеры порядка 10-200 нм. В другом варианте воплощения изобретения нанопузырьки, содержащиеся в жидких растворах, имеют размеры порядка 10-150 нм. В другом варианте воплощения изобретения нанопузырьки, содержащиеся в жидких растворах, имеют размеры порядка 10-100 нм. В другом варианте воплощения изобретения нанопузырьки, содержащиеся в жидких растворах, имеют размер порядка 10-90 нм или 10-80 нм. В другом варианте воплощения изобретения нанопузырьки, содержащиеся в жидких растворах, имеют размер порядка 10-70 нм. В другом варианте воплощения изобретения нанопузырьки, содержащиеся в жидких растворах, имеют размер порядка 10-60 нм. В другом варианте воплощения изобретения нанопузырьки, содержащиеся в жидких растворах, имеют размер порядка 10-50 нм. В другом варианте воплощения изобретения нанопузырьки, содержащиеся в жидких растворах, имеют размер порядка 10-40 нм. В другом варианте воплощения изобретения нанопузырьки, содержащиеся в жидких растворах, имеют размер порядка 10-30 нм или 10-20 нм.
В другом варианте воплощения настоящего изобретения жидкие растворы, содержащие нанопузырьки, включают от около 1,13 Е8 нанопузырьков/мл до около 5,14 Е8 нанопузырьков/мл.
В еще одном варианте воплощения настоящего изобретения жидкие растворы, содержащие нанопузырьки, имеют нанопузырьки со средним размером частиц примерно от 70 нм до 190 нм. В другом варианте воплощения жидкие растворы, содержащие нанопузырьки согласно настоящему изобретению, имеют нанопузырьки с модальным размером частиц в диапазоне приблизительно от 45 нм до 85 нм.
В одном из вариантов воплощения настоящего изобретения нанопузырьки, содержащиеся в жидких растворах, имеют средний размер менее чем приблизительно 100 нм. В другом варианте воплощения изобретения нанопузырьки, содержащиеся в жидких растворах, имеют средний размер менее чем приблизительно 75 нм.
В одном из вариантов воплощения изобретения нанопузырьки, содержащиеся в жидких растворах, имеют модальный размер ниже чем приблизительно 60 нм. В другом варианте воплощения изобретения нанопузырьки, содержащиеся в жидких растворах, имеют средний размер менее чем приблизительно 50 нм.
В одном из вариантов воплощения настоящего изобретения исходный жидкий раствор, используемый в генераторе нанопузырьков, системе и способе по любому из указанных выше вариантов воплощения не имеет газов.
В другом варианте воплощения настоящего изобретения источник жидкого раствора, используемого в генераторе нанопузырьков, системе и способе по любому из указанных выше вариантов воплощения не использует внешние газы.
В еще одном варианте воплощения настоящего изобретения исходный жидкий раствор, используемый в генераторе нанопузырьков, системе и способе по любому из приведенных выше вариантов воплощения, не имеет микропузырьков или нанопузырьков.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Приложенные чертежи иллюстрируют различные аспекты и предпочтительные и альтернативные варианты осуществления настоящего изобретения.
Фигура 1 - Вид сбоку устройства для смягчения воды предшествующего уровня техники.
Фигура 2 - схема диска из устройства фигуры 1.
Фигура 3 - перспективный вид генератора нанопузырьков в соответствии с одним из вариантов воплощения настоящего изобретения.
Фигура 4 - общий внешний вид (А), прозрачный вид (В) и продольный поперечный разрез (С) генератора нанопузырьков фигуры 3.
Фигура 5 - вид сбоку секции обработки среды генератора нанопузырьков в соответствии с одним из вариантов воплощения настоящего изобретения.
Фигура 6 - изометрическое изображение секции обработки среды генератора нанопузырьков фигуры 3.
Фигура 7 - вид спереди дискообразного элемента генератора нанопузырьков в соответствии с одним из вариантов воплощения изобретения.
Фигура 8 - увеличенный вид продольного сечения генератора нанопузырьков Фигуры 3, иллюстрирующий поток жидкого раствора через генератор нанопузырьков.
Фигура 9 - один из вариантов воплощения системы, используемой для генерирования нанопузырьков.
Фигура 10 - один из вариантов осуществления системы для генерирования нанопузырьков.
Фигура 11 - результаты анализа наночастиц (NTA) в пробе сырой воды для определения концентрации и размеров нанопузырьков в пробе сырой воды.
Фигура 12 - результаты NTA пробы сырой воды для определения концентрации и размера нанопузырьков в необработанной пробе воды.
Фигура 13 - результаты анализа NTA генератора нанопузырьков в пробе обработанной воды для определения концентрации и размера нанопузырьков в пробе воды.
Фигура 14 - результаты анализа NTA генератора нанопузырьков в обработанной пробе воды для определения концентрации и размера нанопузырьков в обработанной пробе воды.
Фигура 15 - фотография, иллюстрирующая физические характеристики хранимых образцов фекалий бройлеров, с контрольной водой, обработанной в генераторе нанопузырьковом по настоящему изобретению.
Фигура 16 - схема системы стеклянного капиллярного реактора биопленки. Биопленки выращивают в условиях непрерывного потока. Стеклянные трубки имеют квадратное поперечное сечение, что обеспечивает прямое микроскопическое наблюдение биопленки, растущей на внутренней стороне трубки. Устройство состоит из бутыли (емкостью 4 литра) с вентилируемой подачей среды, отсекателя потока, входа отфильтрованного воздуха, перистальтического насоса, капилляра, держателя проточной кюветы, порта инокуляции и контейнера для отходов. Эти компоненты соединены вместе силиконовой резиновой трубкой.
Фигура 17 - микрофотографии клеток кишечных палочек в чашках Петри с покровным стеклом, погруженным в водопроводную воду и в обработанную водопроводную воду с выдержкой в течение двух часов. Покровные стекла дважды промывали отфильтрованной водой, окрашивали материалом SYTO 9 и просматривали с помощью эпифлуоресцентного микроскопа после 2 часов и после 20 часов.
Фигура 18 - формирование биопленки (8 дней) в потоке клеток природных бактерий в очищенной водопроводной воде и контрольной водопроводной воде.
Фигура 19 - удаление ранее сформированных биопленок кишечных палочек, используя процессор обработки воды с нанопузырьками. 6-дневная биопленка кишечных палочек, образованная в проточных кюветах, промывалась очищенной водопроводной водой (панель А) и контрольной водопроводной водой (панель В) в течение 30 минут. Панели С (обработанная вода) и D (необработанная вода) представляют собой трехмерные изображения, показывающие остатки биопленок на поверхности. Точками обозначены отдельные бактериальные клетки. Панели Е (обработанная вода) и F (необработанная вода) представляют собой фотографии стеклянных капилляров системы фигуры 16, через которые подается обработанная водопроводная вода (Е) и необработанная водопроводная вода (F).
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Определения
Если не указано иное, все используемые здесь технические и научные термины, имеют значение, хорошо знакомые специалистами в области техники, к которой принадлежит настоящее изобретение. Кроме того, за исключением формулы изобретения, если не указано иное, термин "или" включает "и" и наоборот. Не ограничивающие термины не должны интерпретироваться как ограничивающие, если не указано иное, или контекст ясно указывает на нечто иное (например, "содержащий", "включающий" и "имеющий", как правило, обозначают "в том числе, без ограничения"). Примеры ограничивающих терминов включают в себя "состоящий из" и "состоящий, в основном, из". Формы единственного числа, включая формулу изобретения, обозначенные а английском тексте артиклями "a", "an" и "the" включают ссылки на множественное число, если явно не указано иное.
Для ясного понимания изобретения, приводятся следующие иллюстративные и не ограничивающие примеры.
a. Общий обзор
Система и способ согласно настоящему изобретению обеспечивают эффективное производство нанопузырьков в качестве источника жидкого материала без изменения элементного состава исходного жидкого материала и без необходимости использования катализаторов и токсичных или вредных добавок. Система и способ могут быть реализованы в стационарной установке или в портативном устройстве. Изобретательская система также может быть встроена в существующие системы распределения жидких растворов, таких как системы распределения воды. Хотя здесь описаны некоторые конкретные варианты воплощения изобретения, специалистам понятно, что настоящее изобретение не ограничивается описанными вариантами осуществления, и что также могут быть использованы дополнительные варианты. Жидкий раствор, содержащий нанопузырьки по настоящему изобретению, является весьма эффективным средством в различных областях применения, как это будет описано ниже. Эти генераторы, системы и способы по настоящему изобретению не требуют внешнего источника воздуха или газа для производства нанопузырьков или создания большого количества нанопузырьков в источнике жидкого раствора, и они не требуют исходного жидкого раствора с нанопузырьками или микропузырьками.
b. Генератор нанопузырьков
Как показано на фигурах 3-8, генератор нанопузырьков 100 по настоящему изобретению может включать корпус 110, имеющий впускную часть 140 для получения жидкого раствора от источника; выпускную часть 150 для выхода потока жидкого раствора, содержащего нанопузырьки, и участок обработки 115 между входом 140 и выходом 150 для обработки исходного жидкого раствора.
Как показано на фигурах 3 и 4А, корпус 110 может иметь, в основном, трубчатую форму. Впускная часть 140 и выпускная часть 150 может включать болт с резьбой 120 и 130 на каждом конце. Корпус 110 и болты 120 и 130 предпочтительно выполнены, в основном, из инертного материала, такого как поливинилхлорид (ПВХ).
Как показано на фигурах 4 В и 4С, 5, 6 и 8, участок обработки 115 генератора нанопузырьков может включать ряд последовательных кавитационных зон 190 и плоскость поверхности сдвига 168. Ряд последовательных кавитационных зон 190 и плоскость поверхности сдвига 168 может иметь, в основном, удлиненный элемент 180, имеющий ряд (2 или больше) разнесенных друг от друга элементов 160, которые проходят в осевом направлении через корпус 110 и могут быть размещены между входной и выходной частями генератора нанопузырьков. Может быть использовано от 2 до 30 разнесенных элементов 160. Также может быть использовано больше 30 разнесенных элементов 160. Каждый элемент 160 может иметь форму диска. Дискообразные элементы 160 могут быть установлены на центральном штоке или валу 180. Как показано на фигуре 8, диск 160 может включать противоположные стенки 161, 162 (также упоминаемые как стенки жесткости) и периферийную или боковую стенку 163. Одна стенка жесткости 161 может быть обращена к впускной части и противоположная стенка жесткости 162 может быть обращена к выпускной части генератора. Периферийная стенка 163 может проходить между противоположными стенками жесткости 161, 162. Дискообразные элементы 160 могут быть разнесены друг от друга на определенное расстояние. Элементы 160 могут быть отделены друг от друга пространством 170.
Как показано на фигурах 5-8, каждый элемент 160 может иметь, по меньшей мере, одну канавку или прорезь 310, проходящую вниз от периферийной стенки 163. Каждая канавка или прорезь 310 может включать края или отжимные края 167 и плоскость поверхности сдвига 168 между отжимными краями 167. Плоскость поверхности сдвига 168 можно рассматривать как продолжение периферийных стенок 163 в пазах 310. Края 167, которые могут иметь зубчатую форму, в основном, могут быть острыми. Предпочтительно дискообразные элементы могут быть выполнены лазерной резкой. Как показано на фигуре 5, ширина "а" каждого дискообразного элемента 160 и, следовательно, ширина плоскости сдвига составляет около половины расстояния "b" между двумя последовательными дискообразными элементами 160.
Как показано на фигурах 5, 6 и 8, последовательные диски 160 расположены вдоль штока 180 со своими пазами или канавками, расположенными по окружности в шахматном порядке по отношению друг к другу. Элементы 160 могут быть расположены на штоке 180 таким образом, что пазы 310 в каждом элементе 160 чередуются. Иными словами, если прорезь в одном дискообразном элементе обращена вниз, прорези в следующем дискообразном элементе будут обращены вверх.
Дискообразные элементы могут быть изготовлены из одного металла. Предпочтительно дискообразные элементы должны быть изготовлены из металла, стойкого к коррозии. Предпочтительно дискообразные элементы могут быть изготовлены из нержавеющей стали 300-й серии, такой как 316L. Предпочтительно диски изготавливаются лазерной резкой.
Как показано на фигуре 8, каждый дискообразный элемент 160 может быть расположен, в основном, перпендикулярно потоку жидкого раствора внутри корпуса 110. В частности, элементы 160 могут блокировать любой прямой поток жидкости через корпус 110, в результате чего поток жидкости проходит через ряд прорезей, канавок или отверстий 310 в каждом диске. Благодаря чередованию отверстий поток текучей среды между дисками 160 является турбулентным и в силу различных площадей поперечного сечения отверстий 310 в каждом диске 160, ширине дисков и пространства 170 между дисками 160 жидкость ускоряется и замедляется при прохождении через корпус 110, что создает турбулентный поток на поверхности дисков 160. Генератор нанопузырьков может быть однонаправленным и однопозиционным, как показано стрелками на фигурах 3 и 8.
Австралийская патентная заявка №1987070484 раскрывает кондиционер воды 10, показанный на фигурах 1-2. Кондиционер воды 10 включает смежные диски 17, установленные на центральном валу 18. Каждый диск имеет три отверстия 21, которые расположены на одной стороне диска. Кондиционер, описанный в этой заявке, не является генератором нанопузырьков, потому что, в отличие от прорезей в дискообразных элементах по настоящему изобретению, три отверстия 21 австралийской патентной заявки №1987070484 не обеспечивают плоскость поверхности сдвига и отжимные края, необходимые для создания нанопузырьков. Кроме того, как показано на фигуре 1, ширина каждого диска 17 значительно меньше половины расстояния между соседними дисками.
с. Система создания раствора, содержащего нанопузырьки
Система по настоящему изобретению может быть выполнена в различных модификациях и может быть использована в различных областях применения, связанных с созданием нанопузырьков в жидких растворах. Предлагаемая система создания раствора, содержащего нанопузырьки, может включать генератор нанопузырьков по настоящему изобретению. В другом варианте воплощения система может включать источник жидкого раствора и модуль обработки, содержащий генератор нанопузырьков по настоящему изобретению.
Для системы согласно изобретению в качестве исходной жидкости могут быть использованы полярные и неполярные жидкости, гидрофильный и липофильный жидкие растворы, которые обрабатывают для создания нанопузырьков в исходной жидкости для получения обработанного раствора, имеющего высокую концентрацию нанопузырьков. При этом источник может включать масла, спирты, воду, растворители, поверхностно-активные вещества, топлива, гели, углеводы и так далее.
На фигуре 9 показан вариант воплощения системы 10 для создания нанопузырьков в исходной жидкости. Система 10 может включать дополнительную систему 15 для предварительной обработки исходной жидкости, первый генератор 30 нанопузырьков по настоящему изобретению, дополнительный электрокинетический кристалл-генератор 100, дополнительную систему 50 предварительной фильтрации, дополнительное, по меньшей мере, одно фильтрующее устройство 60 и дополнительный второй генератор 80 нанопузырьков по настоящему изобретению. Система 15 предварительной обработки, генератор 30 нанопузырьков, электрокинетический кристалл-генератор 100, система 50 предварительной фильтрации, фильтрующее устройство 60 и второй генератор 80 нанопузырьков находятся в жидкостной связи друг с другом и соединены системой трубопроводов. Система трубопроводов может включать, например, трубы, шланги, трубки, каналы и тому подобные компоненты.
Исходный жидкий раствор, такой как родниковая или водопроводная вода масла, спирты и т.д. забирается из любого подходящего источника (например, из водопроводного крана), и жидкость может храниться в баке 20 или может подаваться непрерывно или периодически из любого источника. Состав исходной жидкости может быть проверен, и при необходимости могут быть добавлены дополнительные минеральные вещества и другие компоненты, чтобы обеспечить нужное качество раствора для генерации нанопузырьков. Источник жидкости также может быть обработан до и после подачи жидкости в бак 20, причем система предварительной обработки 15, в основном, используется для удаления нежелательных примесей, которые могут помешать процессу обработки, такие как мусор, маслосодержащие жидкости и тому подобные загрязнители.
Исходная жидкость может добавляться в бак 20 непрерывно или периодически. Жидкий раствор может проходить через генератор нанопузырьков с достаточной интенсивностью и давлением, чтобы инициировать эндотермическую реакцию для создания нанопузырьков с парамагнитной свойствами. Для создания указанного давления может быть использован насос. Таким образом, жидкий раствор может активно прокачиваться в генератор нанопузырьков системы по настоящему изобретению. Жидкость также может выпускаться с использованием пассивной системы, например, через контур для обработки воды перед подачей в водяную турбину или шнек.
В другом варианте воплощения обработанная исходная жидкость затем может быть пропущена, по меньшей мере, через одно фильтрующее устройство 60. В предпочтительном варианте воплощения фильтрующее устройство 60 снижает или, в основном, удаляет бактерии, вирусы, цисты и тому подобные организмы. Могут быть использованы любые Фильтрующие устройства, известные в данной области техники. Фильтрующее устройство 60 может включать, без ограничения, фильтры для удаления твердых частиц, угольные фильтры, фильтры обратного осмоса, активные угольные фильтры, керамические угольные фильтры, фильтры для дистиллята, ионизированные фильтры, ионообменные фильтры, ультрафиолетовые фильтры, обратные фильтры-прессы, магнитные фильтры, энергетические фильтры, вихревые фильтры, фильтры химического окисления, фильтры химических добавок, фильтры «живой воды», фильтры смолы, мембранные дисковые фильтры, микрофильтрационные мембранные фильтры, мембранные фильтры нитроцеллюлозы, сетчатые фильтры, ситовые фильтры или микропористые фильтры, а также их сочетания. Обработанная и отфильтрованная жидкость может храниться или распространяться для использования и потребления. Как показано на фигуре 9, до поступления, по меньшей мере, в одно фильтрующее устройство 60, обработанная жидкость дополнительно может быть пропущена через электрокинетический кристалл-генератор 100.
Электрокинетические кристалл-генераторы с высоким потенциалом хорошо известны в данной области техники и в целом полезны для предотвращения или уменьшения образования накипи. Одним из известных электрокинетических кристалл-генераторов 100 является система Zeta Rod™. Система Zeta Rod™ увеличивает электрокинетический потенциал кристаллов с электронным диспергированием бактерий и минеральных коллоидов в жидких системах, устраняет угрозу биологического обрастания и образования накипи и значительно снижает использование химических добавок. Коллоиды в жидких системах становятся компонентами конденсатора и получают мощный импульс к своему естественному поверхностному заряду, изменяя двухслойные условия, которые регулируют взаимодействия частиц. Формирование минеральных отложений предотвращается, поскольку система Zeta Rod™ стабилизирует дисперсию коллоидных и взвешенных веществ, предотвращающая зарождение и прикрепление накипи к влажным поверхностям. Бактерии остаются рассеянными в основном объеме жидкости и не осаждаются на поверхности. Они не могут поглощать питание или реплицировать с образованием слизи и создания неприятных запахов. Существующие биопленки теряют прочность сцепления и рассеиваются. Кроме того, системой Зета Rod™ задерживают образование загрязнений, биокоррозию и формирование накипи.
Другим известным электрокинетическим кристалл-генератором 100 является устройство «Sterling Анти-Scale Appliance» производства компании Sterling Water Systems, LLC, дочерняя компания Porta Via Water Company. Когда вода проходит через устройство Sterling Water Anti-Scale Appliance, электрический заряд разряжается в воду, снижая поверхностное натяжение воды и препятствуя образованию накипи и пятен жесткой воды. Ингибирование образования накипи происходит из-за увеличения электрокинетического потенциала обработанной воды, который удерживает минеральные частицы от контакта друг с другом.
Как показано на фигуре 9, после прохождения через генератор 30 нанопузырьков и дополнительный электрокинетический кристалл-генератор 100 и до достижения дополнительного, по меньшей мере, одного фильтрующего устройства 60, обработанная жидкость может быть пропущена через систему 50 предварительной фильтрации, в которой минеральные вещества, такие как железо, сера, марганец, и тому подобные примеси, в основном, удаляются из обработанной исходной жидкости. Система 50 предварительной фильтрации может содержать сетчатый фильтр из нержавеющей стали. Обработанная и предварительно отфильтрованная исходная жидкость затем пропускается, по меньшей мере, через одно дополнительное фильтрующее устройство 60, в котором бактерии, вирусы, цисты и другие организмы, в основном, удаляются из обработанной жидкости.
В варианте воплощения, показанном на фигуре 9, на выходе генератора 30 нанопузырьков установлен насос 25, и обработанная жидкость выпускается и распределяется периодически или непрерывно для различных областей применения. Альтернативно насос может быть установлен на входе в генератор 30 нанопузырьков.
Обработанная жидкость, имеющая теперь высокую концентрацию нанопузырьков, может быть распределена и храниться в контейнере 70, например, в баке. В данном варианте воплощения, перед распределением сохраняемой обработанной жидкости, сохраняемая жидкость может быть пропущена через второй генератор 80 нанопузырьков, для генерирования дополнительных нанопузырьков в обработанной исходной жидкости. Повторно обработанная жидкость затем может быть распределена для использования и потребления. Следует отметить, что система может включать более 2 генераторов нанопузырьков, и жидкость может быть обработана три или более раз и затем быть распределена для потребления.
На фигуре 10 показан еще один вариант реализации системы 10 согласно изобретению. Система 10 содержит исходный источник воды 20, содержащий исходную жидкость, дополнительную систему 15 для предварительной обработки исходной жидкости, первый генератор 30 нанопузырьков, дополнительный электрокинетический кристалл-генератор 100, дополнительную систему 50 предварительной фильтрации, по меньшей мере, одно дополнительное фильтрующее устройство 6 и второй дополнительный генератор 80 нанопузырьков. Система предварительной обработки 15, генератор 30 нанопузырьков, электрокинетический кристалл-генератор 100, система 50 предварительной фильтрации, фильтрующее устройство 60, второй генератор 80 нанопузырьков находятся в жидкостной связи друг с другом и объединены системой технологических циркуляционных трубопроводов. Примеры исходного источника воды могут включать, без ограничения, паровые котлы, водонагреватели, градирни, баки с питьевой водой, бассейны, пруды аквакультуры, аквариумы, резервуары промышленного водоснабжения, садовые пруды и тому подобное. Исходная жидкость может храниться или непрерывно/периодически добавляться в исходный источник или водохранилище 20, и исходная жидкость может выпускаться с помощью пассивной системы, как описано выше, или с помощью насоса в направлении генератора 30, в котором образуются нанопузырьки. Альтернативно исходная жидкость может быть обработана до или после подачи в водохранилище 20 в системе предварительной обработки 15 для удаления нежелательных загрязняющих веществ, которые могут повлиять на процесс обработки, такие как мусор и маслосодержащие компоненты.
В варианте воплощения, показанном на фигуре 10, исходная жидкость хранится в водохранилище 20, при этом система предварительной обработки 15, генератор 30 нанопузырьков, электрокинетический кристалл-генератор 100, система 50 предварительной фильтрации, фильтрующее устройство 60, второй генератор 80 нанопузырьков и насос 25 объединены в контур с помощью системы трубопроводов. Примерные системы трубопроводов могут включать, без ограничения, трубы, шланги, трубки, каналы и т.д., и контур может быть открыт для связи с атмосферой или закрыт. Этот циркулярный или петлевой тип соединения обеспечивает непрерывную или прерывистую циркуляцию исходной жидкости через исходное водохранилище 20, систему предварительной обработки 15, генератор 30 нанопузырьков, электрокинетический кристалл-генератор 100, систему 50 предварительной фильтрации, фильтрующее устройство 60 и второй генератор 80 нанопузырьков.
Непрерывная или периодическая обработка исходной жидкости системой генератора нанопузырьков по настоящему изобретению, в конечном счете, в определенный момент времени доходит до точки, когда весь объем исходной жидкости в системе 10 обработан генераторами 30, 80 нанопузырьков. Другими словами, вся изобретательская система 10, в конечном счете, может придти в равновесное состояние, в котором весь объем жидкости внутри системы 10 обработан с целью генерирования нанопузырьков. Микропузырьки имеют тенденцию группироваться, чтобы сформировать большие плавучие пузыри, которые либо уплывают, либо лопаются при высоком давлении, вызванном интенсивным поверхностным натяжением, как и было предсказано теорией. Тем не менее, нанопузырьки, генерируемые генераторами 30, 80 обычно остаются в суспензии, так как газы внутри них не диффундируют.
Перед прохождением через дополнительное фильтрующее устройство 60, обработанная жидкость, содержащая высокую концентрацию нанопузырьков, может быть дополнительно пропущена через электрокинетический кристалл-генератор 100 для генерации электрокинетических кристаллов для удаления минералов, которые могут привести к образованию накипи.
Обработанная жидкость, после прохождения через генератор 30 и дополнительный электрокинетический кристалл-генератор 100, дополнительно может быть пропущена через систему 50 предварительной фильтрации, в которой минеральные вещества, такие как железо, сера, марганец и тому подобные примеси, в основном, удаляются из обработанной исходной жидкости.
В альтернативном варианте воплощения, показанном на фигуре 10, после прохождения через дополнительное фильтрующее устройства 60, обработанная жидкость может быть пропущена через дополнительный второй генератор 80 нанопузырьков для генерирования дополнительных нанопузырьков. В этом варианте воплощения непрерывная и периодическая обработка исходной жидкости первым генератором 30 нанопузырьков и вторым генератором 80 нанопузырьков, в конечном счете, в определенный момент времени приводит к точке, когда весь объем исходной жидкости в системе 10 полностью обработан с помощью первого генератора 30 нанопузырьков и второго генератор 80 нанопузырьков.
В систему может быть включено более двух генераторов нанопузырьков. Например, были установлены системы, имеющие три генератора нанопузырьков. Однако отметим, что без труда могут быть сделаны системы с 4, 5 или более генераторами нанопузырьков.
d. Способ получения раствора, содержащего нанопузырьки
В одном варианте воплощения настоящее изобретение относится к способу производства раствора, содержащего нанопузырьки. В одном из вариантов воплощения, этот способ может включать пропускание исходного жидкого раствора через генератор нанопузырьков по настоящему изобретению, создавая, таким образом, раствор, содержащий нанопузырьки. Раствор, содержащий нанопузырьки, полученный с помощью способов и систем по настоящему изобретению, может иметь, в основном, высокую концентрацию нанопузырьков, причем повышенная концентрация нанопузырьков является стабильной.
В одной стадии способа, жидкий раствор может быть пропущен через генератор, который может инициировать эндотермическую реакцию. Исходная жидкость может быть передана под подходящим давлением. Подходящее давление для систем, показанных на фигурах 9-10, может составлять 3,2 бара. Давление может составлять около 4, бар и максимальное давление может составлять приблизительно 8 бар.
Эндотермическая реакция, в которой вода остывает от 2 до 4 градусов Цельсия при первой обработке, свидетельствует о преобразовании энергии внутри самого водного массива.
Критический материал для элементов может быть изготовлен из одного металла, предпочтительно из коррозионностойкого металла, например, из нержавеющей стали 300-ой серии. Критические ионы, которые она создает благодаря сдвигающему действию на воде, проходят над элементами/дисками 160, а затем действует как катализатор в процессе эндотермической реакции.
Реакция может быть инициирована энергией потока воды при критическом давлении в ряду элементов в генераторе. В генераторе нанопузырьков могут быть, по меньшей мере, два элемента. В одном из вариантов воплощения в общей сложности может быть 21 элемент в небольшом генераторе и 25 элементов в большем генераторе. В нем также может быть более 25 элементов.
Каждый элемент внутри генератора может выступать в качестве плоскости сдвига и может быть расположен, в основном, перпендикулярно потоку жидкого раствора для использования всей плоскости сдвига.
Расстояние между элементами в генераторе также может быть выбрано с расчетом обеспечения подходящей степени кавитации. В одном варианте воплощения расстояние между двумя соседними дисками примерно в 2 раза превышает ширину дисков.
Как показано на фигуре 8, когда жидкость (представлена широкими стрелками на фигуре 8) входит в кавитационную зону или камеру 190, может иметь место ряд реакций, в основном, проходящих одновременно, включая кавитацию, электролиз, образование нанопузырьков и реорганизацию жидкостной структуры воды.
Когда жидкий раствор проходит через генератор нанопузырьков, упомянутые выше одновременные реакции, могут быть воспроизведены последовательно в соответствии с формулой N-1 раз, где "N" представляет собой количество дискообразных элементов 160 внутри корпуса 110, необходимого для увеличения частоты кинетической энергии раствора.
Полученный нанопузырек, содержащий жидкий раствор по настоящему изобретению увеличивает парамагнитные свойства, которые могут влиять на все, что связано с использованием воды. Он может изменять очищающие свойства, влиять на производство водяного пара и льда, передачу тепла и даже на энергию, необходимую для работы водяного насоса. Он может уменьшить образование накипи, биопленок и обрастания и может изменить порядок, по которому вода взаимодействует с маслами и жирами.
Способ по настоящему изобретению изменяет важные свойства, такие как окислительно-восстановительный потенциал (ОВП). Увеличивая ОВП за пределы возможностей концентрации химического вещества, способ по настоящему изобретению значительно повышает эффективность дезинфицирующих веществ. Системы и способы по настоящему изобретению могут увеличить ОВП примерно до 650 мВ, что достаточно для мгновенного уничтожения планктонных организмов. Системы и способы по настоящему изобретению могут поставлять ОВП и более 700 мВ с относительно небольшим количеством гипохлорита натрия (см. таблицы 1 и 2).
Исследования показали, что при величине ОВП 60-700 мВ, свободно плавающие гниющие бактерии и бактерии, вызывающих порчу, а также патогенные бактерии, такие как кишечные палочки 0157: Н7 или сальмонелла погибает в течение 30 секунд. Дрожжи, вызывающие порчу и более чувствительные виды спорообразующих грибов также погибают на этом уровне после времени контакта в несколько минут или меньше.
Всемирная Организация Здравоохранения (ВОЗ) приняла стандарт ОВП 650 мВ для дезинфекции питьевой воды. Когда ОВП в толще воды равен 650/1 ООО мВ, дезинфицирующие средства в воде достаточно активны, чтобы уничтожать вредные организмы почти мгновенно.
Нанопузырьки по настоящему изобретению, могут обусловливать поверхности с помощью нано-газообразного барьера. Этот нано-газообразный барьер может служить для сдерживания накопления биопленки на поверхностях. Сочетание вышеприведенных эффектов создает дезинфицированную поверхность/систему.
Способ по настоящему изобретению также может положительно воздействовать на рН и увеличить растворимость воды. Для работы может быть необходимым только давление воды.
е. Жидкий раствор, содержащий нанопузырьки
Нанопузырьки, полученные после прохождения исходного жидкого раствора через генератор нанопузырьков системы по настоящему изобретению имеют другой размер и свойства, чем мелкие пузырьки, присутствующие в необработанных источниках жидкости или в обработанных жидкостях предшествующего уровня техники.
Жидкие растворы, содержащие нанопузырьки по настоящему изобретению, являются параметрическими, о чем свидетельствует таблица 3, имеют окислительно-восстановительный потенциал (ОВП), который выше ОВП необработанного источника жидкого раствора, и могут иметь, в основном, высокую концентрацию нанопузырьков (см. фигуры 11-14).
Нанопузырьки, содержащиеся в жидких растворах, могут иметь размер порядка от около 10 до 2000 нм и любой диапазон между ними. Например, нанопузырьки, содержащиеся в жидких растворах могут иметь размеры порядка 10-1000 нм; порядка 10-900 нм; порядка 10-850 нм; порядка 10-800 нм; порядка 10-750 нм; порядка 10-700 нм; порядка 10-650 нм; порядка 10-600 нм; порядка 10-550 нм; порядка 10-500 нм; порядка 10-450 нм; порядка 10-400 нм; порядка 10-350 нм; порядка 10-300 нм; порядка 10-250 нм; порядка 10-200 нм; порядка 10-150 нм; порядка 10-100 нм; от около 10-90 нм до 10-80 нм;
порядка 10-70 нм; порядка 10-60 нм; порядка 10-50 нм; порядка 10-40 нм; порядка 10-30 нм и порядка 10-20 нм.
В одном из вариантов воплощения изобретения нанопузырьки, содержащиеся в жидких растворах могут иметь средний размер менее чем приблизительно 100 нм. В другом варианте воплощения изобретения нанопузырьки, содержащиеся в жидких растворах могут иметь средний размер менее чем приблизительно 75 нм.
В одном из вариантов воплощения изобретения нанопузырьки, содержащиеся в жидких растворах могут иметь модальный размер менее чем приблизительно 60 нм. В другом варианте воплощения изобретения нанопузырьки, содержащиеся в жидких растворах могут иметь средний размер менее чем приблизительно 50 нм.
Обработанная жидкость, после прохождения через генератор нанопузырьков, содержит высокую концентрацию нанопузырьков. В одном варианте воплощения концентрация нанопузырьков в жидком материале после обработки в системе генератора нанопузырьков по настоящему изобретению может находиться в диапазоне порядка 1,13 и 5,14 Е8 частиц/мл. В другом варианте воплощения концентрация наночастиц может быть порядка 3,62 и 5,14 Е8 частиц/мл.
Нанопузырьки, генерируемые генератором нанопузырьков способом по настоящему изобретению, являются стабильными, не оседают на поверхность и, в основном, остаются в виде суспензии в течение длительного времени даже без перемешивания раствора. Нанопузырьки могут оставаться в суспензии от нескольких часов до нескольких лет. Авторы настоящего изобретения получили устойчивые коллоидные дисперсии возрастом более 5 лет и нанопузырьки все еще были жизнеспособны. На основе теории броуновского движения частиц, нанопузырьки дрейфуют случайным образом и взвешены в жидкости, и результат столкновения быстро движущихся атомов или молекул в жидкости не влияет на плавучесть частиц.
е. Области применения
Генератор нанопузырьков и система по настоящему изобретению могут быть использованы для уничтожения бактерий и микроорганизмов и повышения качества жидкости в различных жидкостных системах. Эти жидкостные системы, описанные ниже более подробно, могут включать, без ограничения, водонагреватели, охладители воды, системы питьевой воды, установки для пищевой промышленности, очистку молекул, системы фильтрации воды в домашних условиях, санитарные узлы, умягчители воды, ионообменники, медицинские устройства, стоматологические аппараты, промышленное водоснабжение, гравитационное дренирование при закачке водяного пара (SAGD) и тому подобные системы.
Системы водяного отопления
Генератор нанопузырьков по настоящему изобретению может быть встроен в различные системы водяного отопления. Неожиданно было обнаружено, что вода, обработанная генератором нанопузырьков и используемая в системе водяного отопления, может уничтожать бактерии и микроорганизмы в воде, повывшая, таким образом, эффективность теплопередачи в системах водяного отопления. Жидкостные системы, получающие выгоду от системы согласно изобретению, могут включать, без ограничения, непрерывные водонагреватели, баки для горячей воды с газовыми горелками, обогреватели, электрические нагреватели с баком для воды, системы рециркуляции горячего водоснабжения для сети горячей воды, непрерывные водонагреватели, районные отопительные системы, встроенные в пол системы отопления, теплообменники, коммунальные системы горячей воды и/или водяного пара с использованием жидких теплоносителей, таких как горячие масла природного или синтетического характера.
Система водяного охлаждения
Генератор нанопузырьков может быть встроен в различные системы водяного охлаждения. Было найдено, что вода, обработанная генератором нанопузырьков и используемая в системе водяного охлаждения, может уничтожать бактерии и микроорганизмы в жидкости, повышая, таким образом, эффективность охлаждающей среды. Системы водяного охлаждения могут включать, без ограничения, непрерывные охладители воды, холодильники, газовые и электрические испарители, охлаждающие подушки, влажные пленки, испарительные системы охлаждения, наземный источник в системах охлаждения, озеро или река для системы водяного охлаждения, теплообменные системы охлаждения воды из озер, прудов рек или океанов, районные системы охлаждения, циркуляционные системы охлаждения, встроенные в пол системы охлаждения, градирни всех типов марок и моделей, вакуумные охладители для промышленного охлаждения, варочные котлы для сахарных заводов, бумажные фабрики, предприятия нефтеперерабатывающей и горнодобывающей промышленности, электростанции, включая угольные, газовые, нефтяные, биомассовые электростанции и ядерные реакторы.
Системы питьевой воды
Генератор нанопузырьков может быть объединен с различными системами питьевой воды. Было обнаружено, что вода, обработанная в системе, включающей генератор нанопузырьков, может устранять бактерии и микроорганизмы, повышая качество воды и, таким образом, предотвращать образование биопленки в различных системах трубопроводов, при этом улучшая вкус воды. Системы питьевой воды могут включать, без ограничения, колодцы, родники, пруды, озера, реки и тому подобные водные источники.
Пищевая промышленность
Было обнаружено, что вода, обработанная с помощью генератора нанопузырьков по настоящему изобретению, может выступать в качестве дезинфицирующего средства с добавлением минимального количества хлора (до 5 частей на миллион) для хранения свежих продуктов. Поскольку было обнаружено, что обработанная вода может предотвратить образование биопленки, расходы по пищевой санитарии и производственные издержки снижаются вместе со снижением срока хранения. Кроме того, поскольку поверхностное натяжение воды увеличивает растворяющую способность обработанной воды, эта вода, обработанная в системе с генератором нанопузырьков, значительно увеличивает выход масла из чая и кофе.
Санитарно-гигиенические применения
Генераторы нанопузырьков могут быть встроены в санитарно-технические системы, такие как плавательные бассейны, автомойки, кухонные мойки, бытовые стиральные машины, коммерческие объекты для стирки белья, бытовые и коммерческие объекты для мытья посуды и тому подобные объекты.
Области водообработки
Генераторы нанопузырьков могут быть встроены в устройства для обработки воды, такие как смягчители воды, ионообменные мембраны и все системы фильтров, которые используют хлор, диоксид хлора, пероксид водорода, озон, и тому подобные вещества.
Медицинская промышленность
Генераторы нанопузырьков могут быть встроены в медицинское оборудование и системы, связанные, в основном с лечением кожи влажным способом, и для ежедневного использования, улучшенное поглощение кальция, улучшение зубов и условий, а также в медицинских, стоматологических и производственных линиях водоснабжения.
Бытовые системы фильтрации воды
Система с генератором нанопузарьков для использования в домашнем хозяйстве может быть объединена с любым фильтрующим устройством, известным в данной области техники, как описано выше.
Устройства, содержащие генераторы, системы и способы по настоящему изобретению
Очевидно, что способы, генераторы и системы по настоящему изобретению могут быть использованы совместно с существующими устройствами и системами распределения жидкости, такими, как системы водяного отопления, включая, без ограничения, непрерывные водонагреватели на газовом топливе для горячей воды типа бака для воды, электрические конфорки с баком для воды, рециркуляционные системы горячего водоснабжения, емкости для горячей воды, непрерывные водонагреватели, системы централизованного теплоснабжения, встроенные в пол системы отопления, теплообменники, коммунальные услуги по горячему водоснабжению и/или пару, или в смеси с жидкостями для теплопередачи, такими как горячие масла натуральные или синтетические носители; системы водяного охлаждения, включая, без ограничения, непрерывные охладители воды, холодильники, газовые и электрические испарители, прокладки для охлаждения, испарители влажных пленок, системы испарительного охлаждения, наземные источники охлаждения типа озера или реки, вода которых используется для системы охлаждения, теплообменные системы охлаждения на базе озер, площадок, рек или морей, районные системы охлаждения, рециркуляционные системы охлаждения, системы охлаждения пола, градирни всех типов марок и моделей, вакуумные применения для промышленного охлаждения в бойлерах, варочные котлы для сахарных заводов, бумажные фабрики, нефтеперерабатывающие установки, горнодобывающие предприятия, электростанции в том числе: угольные, газовые, нефтяные, биомассовые и с ядерным реактором; системы обеспечения питьевой воды, включая, без ограничения, колодцы, источники, пруды, озера, реки и тому подобные объекты; применения в пищевой промышленности, в частности, связанные кофе и чаем; санитарные системы, включая, без ограничения, бассейны, моечные машины, автомойки, бытовые стиральные машины, коммерческие объекты для стирки, бытовые посудомоечные машины и коммерческие объекты для мытья посуды и тому подобные объекты; смягчители воды; иониты; все мембранные и фильтрующие системы, в которых используется хлор, диоксид хлора, пероксид водорода, озон, и тому подобные вещества; системы очистки кожи влажным способом и устройства ежедневного использования, улучшенное поглощение кальция, улучшенные зубы и условия; медицинские, стоматологические и производственные водяные линии и любые бытовые системы фильтрации воды.
Сельскохозяйственные фермы
Обеспечение животных водой, обработанной генераторами по настоящему изобретению, получение фекалий с меньшим количеством аммиака (аммиак преобразуется в органический азот). Фекалии были изменены и стабилизированы и не выделяют метана или сероводорода. Применение навоза, обработанного нанопузырьками, на полях с сельскохозяйственными культурами показало следующее: повышение урожайности более чем на 12 процентов с тем же количеством азотных удобрений, интенсивное развитие корневой системы, устойчивость к грибкам, устойчивость к насекомым, крайне низкие уровни микротоксинов, устойчивость полевых культур к засухе и граница раздела между водой и воздухом позволяет растениям поглощать влагу из воздуха; молочные продукты были аэробными и имели гораздо более длительный срок хранения, вода была в состоянии уничтожить бактерии - возбудители листериоза.
Водорастворимая краска
Краска, изготовленная на основе растворов, содержащих нанопузырьки по настоящему изобретению, демонстрирует следующие качества: короткое время сушки и менее летучие органические соединения, расход краски за счет лучшей адгезии был снижен на 40 процентов, краска продемонстрировала устойчивость формы, краска отличается яркостью и гладкой поверхностью.
Вода для приготовления напитков
Вода с нанопузырьками по настоящему изобретению заменяет потребность в очистке на месте (CIP); бутылок с напитком в течение более 1 года в туннеле охлаждения; распыленная на конвейерах обработанная вода удаляет биопленку в течение нескольких дней.
Птицеперерабатывающее предприятие
Использование обработанной воды с системой нанопузырьков по настоящему изобретению, в парильных аппаратах позволяет снизить температуру на 3-5 градусов по Фаренгейту. Птицы выходят заметно более чистыми. Использование обработанной воды в холодильниках птицепродуктов позволило снизить температуру продуктов на 3 градуса при том же составе холодильного оборудования. Кроме того, химические вещества были более эффективными, и произошло резкое снижение патогенных микроорганизмов до нуля и один ложный отрицательный результат в течение 51-дневного испытания на заводе Mary's Maple Leaf.
Удаление тяжелых металлов из сухого белка
Содержащая нанопузырьки вода по настоящему изобретению при контакте отделяет от белков тяжелые металлы, такие как железо, свинец, марганец, мышьяк и другие. Реакция протекает очень быстро и может быть использована в любом осветлителе или центробежном сепараторе. Белок при добавлении в напиток естественным образом инкапсулируются нанопузырьками, что делает его более стабильным при хранении в виде коллоидной дисперсии.
Полученный в результате сухой белковый материал при добавлении к обработанной воде может быть использован для всех сухих материалов для напитков, включая чай, кофе, фруктовые концентраты, лекарственные средства, фармацевтические препараты, крахмалы, сахар, шоколадные смеси, все ароматизирующие смеси и все пищевые продукты, включая мясной фарш. Таким образом, этот вариант воплощения настоящего изобретения представляет собой способ удаления/отделения тяжелых металлов от сухого белка, причем указанный способ включает контакт сухого белка с подходящей жидкостью, содержащей нанопузырьки, такое как вода, таким образом, удаляя/отделяя тяжелые металлы от сухого белка.
Способ удаления/отделения тяжелых металлов от сухого белка может также включать предварительное смачивание необработанного материала содержащего белок, подходящей жидкостью, содержащий нанопузырьки, например, водой, сушку предварительно смоченного материала, измельчение содержащего белок материала, измельчение материала до размера 70-100 меш, и повторное промывание содержащего белок материала в жидкости, содержащей нанопузырьки, отделяя, таким образом, тяжелые металлы от необработанного, содержащего белок материала. Способ может также включать сушку распылением влажного содержащего белок материала, перемалывание высушенного содержащего белок материала и повторную промывку сухого содержащего белок материала, чтобы отделить мелкие частицы тяжелых металлов, сушку содержащего белок материала распылением или с использованием альтернативного способа сушки, при этом белок, полученный таким способом, в основном, будет свободен от тяжелых металлов. Полученные таким образом тяжелые металлы затем могут быть проданы или использованы для других целей.
Ультра-дезинфекция
Вода, обработанная нанопузырьками по настоящему изобретению, может предотвратить образование биопленки или растворять ее с добавлением или без добавления активных химических веществ.
Обеззараживание и фильтрация воздуха
Парамагнитные нанопузырьки по настоящему изобретению, которые присутствуют во влажном воздухе, уничтожают плесень в зданиях, обработанных водой по настоящему изобретению.
Аммиак в туалетах, выделяемый мочой в мужских писсуарах может быть преобразован в органический азот, устраняя, таким образом, пары аммиака.
Количество пыли и биопленок на всех поверхностях, таких как стекло, дерево, плитка, металлы, может быть значительно снижено.
Производство алкоголя
Время брожения вин может быть уменьшено более чем на 50% с использованием воды, обработанной в генераторе нанопузырьков по настоящему изобретению.
Для получения этанола и/или метанола потребуется меньшее количество энергии. Производство этанола может потребовать до 17 процентов меньше энергии.
Когда вода, содержащая нанопузырьки по настоящему изобретению, используется для разведения спирта, она изменяет химические характеристики спирта, создавая тонкий вкус напитка.
Раствор жидкости, содержащей нанопузырьки, полученные по настоящему изобретению может быть использован для производства алкогольных напитков, включая сакэ, водку, виски, ром, хлебную водку, джин, бренди, коньяк, текилу, мескаль, вино, пиво и так далее.
Изготовление льда
Установка промышленного льда Vogt™ позволяет получить твердый лед в более короткий период времени. Производительность машины повышается более чем на 17 процентов.
Нагрев воды:
Вода нагревается и высыхает при меньших затратах энергии и приблизительно до 30 процентов быстрее при испарении с поверхности.
Применение на электростанциях
На паровых или тепловых электростанциях можно ожидать повышенную эффективность из-за улучшенной теплопередачи, предотвращения биообрастания мембран и большей смазывающей способности воды.
Конденсаторные паровых турбин с использованием охлаждающей воды могут работать в замкнутом контуре, используя градирни, при значительном увеличении эффективности турбин.
Морские перевозки
Содержащие нанопузырьки жидкости по настоящему изобретению, могут уменьшить трение корпуса судна о морскую воду.
Очистные устройства
Генератор нанопузырьков по настоящему изобретению может быть использован в следующих устройствах: моечные машины, автомойки, стиральные машины, машины для чистки ковров, чистка паром, чистка горячей водой.
Другие применения включают: ввод газообразного водорода в растительные масла, чтобы уменьшить катализ и улучшить качество масла, использование в биореакторах для производства метана, устранение хлорида железа в сточных водах из-за аэробных условий сточной воды и нейтральный рН сточных вод (в настоящее время это было продемонстрировано в навозных ямах и проверено в установке для производства пищевых продуктов. Это также было подтверждено в охлаждающих туннелях с повторным использованием воды).
Растворы, содержащие нанопузырьки согласно настоящему изобретению могут быть использованы в следующих товарных продуктах:
(1) В воде и связанных с водой товарах, включая питьевую воду, газированную воду, одеколон, шипучку, негазированную воду, ароматизированную воду, ледяную воду, талую воду, минеральную воду, газированную воду, туалетную воду, усиленную витаминами воду, водяную кровать, воду для спас-салонов, бань, гидромассажных ванн и бассейнов, воду для использования в животноводстве и при кормлении домашних животных, воду для использования для орошения овощей, растений, деревьев, декоративных культур, воду для использования в производстве растворителей, воду для использования в производстве красок, воду, используемую для очистки белков и воду, используемую в производстве моющих средств.
(2) В молочных продуктах, включая молоко, молочные продукты, сгущенное молоко, белок, обогащенное молоко, какао с молоком, молочные фруктовые напитки, сыр, сметану, сухое молоко, сливочное масло, сливки, плавленый сыр, соевый заменитель сыра, молочные сливки, взбитые сливки, мороженое, производство мороженого, заменитель мороженого на основе сои.
(3) В алкогольных напитках, включая алкогольные коктейли, алкогольный кофе на основе напитков, охладители алкоголя, алкогольные фруктовые напитки, алкогольный лимонад, алкогольный солод, пиво, алкогольные напитки на основе чая, сакэ, водки, виски, рома, самогона, джина, бренди, коньяка, текилы, мескаля, вина.
(4) В связанных со льдом продуктах, включая лед, лед в кубиках, пакеты со льдом, промышленный лед.
(5) В мясе, включая говядину, свинину, рыбу, птицу, замороженное мясо, копчености, мясные консервы.
(6) В стоматологической промышленности, включая зубную пасту, содержащую нанопузырьки, жидкости для полоскания рта, межзубную нить, зубной гель, полоскания для рта и препараты для чистки зубных протезов.
(7) В фармацевтической/косметической промышленности, включая глазные капли, воду для использования в производстве косметических средств, воду для использования в производстве фармацевтических препаратов и лекарственных средств.
(8) Пар, включая парогенераторы, воду для использования в производстве водяного пара, пара, используемого при добыче нефти из нефтяных месторождений, пар, используемый в гравитационном дренаже.
(9) Средства чистки, включая все препараты для чистки, препараты для чистки ковров, воду для паровой санитарии и очистки паром, воду для других санитарных нужд, краски на водной основе.
(10) Содержащие нанопузырьки масла, включая антикоррозионное масло, вспомогательные жидкости для использования с абразивными материалами для нефтедобывающей промышленности, детское масло, масло для ванн, растительные, минеральные и животные масла, катализаторы для использования при переработке нефти, химические добавки в буровой раствор нефтяных скважин, растительное масло, буровой раствор для нефтяных и газовых скважин, буровой раствор для бурении нефтяных скважин, пищевое масло, мазут, печное топливо, система воды высокого давления для газовой и нефтяной промышленности, индустриальное масло, изоляционное масло для трансформаторов, моторное масло, присадки в моторное масло, масло для использования в производстве свечей, масло для использования в производстве косметики, масло для использования в производстве красок, протирочное масло для древесины, вазелин, дизельное топливо, авиационное топливо, топливные присадки и топливо для отопления жилых помещений.
(11) Белок для использования в качестве пищевой добавки, белок для применения в качестве пищевого наполнителя, пищевые добавки, вода для обработанных животных и растительных белков.
Жидкие растворы, содержащих нанопузырьки согласно настоящему изобретению, могут сохранять вкусовые добавки и эссенции для пищевых продуктов. Инкапсуляция ароматизаторов, душистых веществ и тому подобных веществ может служить для улучшения или изменения внешнего вида пищевых продуктов и напитков. Используются в качестве консерванта, восстановления природной питательной ценности путем добавления витаминов, минералов и белков.
Жидкие растворы, содержащие нанопузырьки по настоящему изобретению, могут быть использованы для очистки объектов и удаления загрязняющих веществ, имеющихся в гнездах съедобных птиц, например, удаление перьев, грибков, нитратов, нитритов и так далее. Жидкие растворы, содержащие нанопузырьки по настоящему изобретению, могут сделать гнезда птиц более приспособленными для ручного удаления загрязнений, сохраняя при этом оригинальную структуру гнезда, корм и добавки.
Содержащие нанопузырьки жидкости по настоящему изобретению также могут быть использованы в технологическом процессе, включая очистку сточных вод, очистку и контроль канализации, очистку воды, пищевую санитарию, чистку ковров, уборку помещений, смену пеленок, химчистку, чистку меховых изделий, чистку ювелирных изделий, чистку кожи, мытье окон, очистку бассейна, мойку транспортных средств (легковые и грузовые автомобили, автобусы, велосипеды, мотоциклы и т.д.), мойку вагонов поезда, мойку судов, мойку самолетов, обработку нефтяных и газовых скважин, переработку нефти, обработку топлива и пара, гравитационный дренаж.
(12) Захват газа
Нанопузырьки устойчивы к объемному растворению, в некотором роде нарушая основы физики. Стабильность может быть вызвана наноскопическим размером пузырьков. Чем меньше размер, тем выше стабильность пузырька, что увеличивает его долговечность, и время контакта на поверхности раздела газ/жидкость.
Мелкие пузырьки размером до миллиметра и нанопузырьки выше 250 нанометров могут покинуть систему, легко перенося лишь малую часть своего груза. С
нанопузырьками ниже 100 нм, скорость переноса массы огромна (площадь поверхности на единицу объема увеличивается с диаметром). В известных системах диапазон среднего размера лежит в пределах 150-400 нм. Системы и способы по настоящему изобретению производят раствор нанопузырьков, имеющих средний размер менее чем приблизительно 100 нм.
ПРИМЕРЫ
Примеры приведены для целей иллюстрации и не предназначены ограничить объем настоящего изобретения.
Пример 1 - Измерения времени спин-спиновой релаксации (Т2) методом спинового эха
Измерения времени релаксации были сделаны с использованием устройства Acorn Area NMR (XiGo Nanjtools, Inc., Bethlehem, PA 18015, США: патент США 7,417,426 от 26 августа 2008 года), используя необработанную воду и воду, обработанную генератором нанопузырьков. Пробы воды были получены из двух мест: WB и JF.
На каждом из образцов проводились пять последовательных измерений.
В таблице 3 приведены результаты. Хотя данные для двух обработанных проб воды менее воспроизводимы, чем необработанные контрольные и исходные пробы, ясно, что каждая из двух обработанных проб имеет статистически достоверное более короткое время релаксации Т2 по сравнению с их родственными контрольными (исходными) пробами.
Было отмечено: (а) случайное изменение в 5 последовательных измерениях, выполненных на каждой из двух необработанных (контрольной/исходной) проб воды и хорошая воспроизводимость (низкое среднеквадратическое отклонение (СКО) и ковариация), и (b) постепенное увеличение значение Т2 для 5 последовательных измерений, выполненных на каждой из двух WB, обработанных водой и худшей повторяемостью (увеличенное СКО и ковариация).
Пример 2 - Анализ отслеживания воды, обработанной генератором нанопузырьков
Вода, использованная в данном анализе, был получена с одной птицефермы, расположенной в Юго-Западном Онтарио, США.
Обработка воды
Исходная вода закачивается из цистерны. Насос включает первый генератор нанопузырьков. Хлор вводили в исходную воду, которую затем пропускали через второй генератор нанопузырьков.
После этого дважды обработанная вода поступает в контактные баки, где железо, марганец, сера и другие токсичные минералы окисляются и удаляются с помощью фильтров GreensandPlus™.
Затем были использованы углеводородные фильтры для фильтрации масла, глифосатов и органофосфатов.
Ультрафильтрационный капиллярный модуль HYDRAcap60 был использован для удаления эндотоксинов, вирусов и бактерий. Повторно обработанная вода затем пропускается через третий генератор нанопузырьков.
Пробы были собраны из закачанной исходной воды (т.е. один раз обрабатывают через генератор нанопузырьков; упоминается как «сырая проба» на фигурах 6 и 7), и из дважды обработанной воды (упоминаемой как "обработанная" проба на фигурах 8 и 9).
Анализ нанопузырьков
Анализ слежения наночастиц (NTA) был использован для получения оценок размера, распределения размеров и концентрации наноразмерных пузырьков в сырых и обработанных пробах (для общего обзора использования этой техники в промышленности см. Bob Carr & Matthew Wright, "NanoSight Ltd Nanoparticle Tracking Analysis A Review of Applications and Usage 2010-2012", глава 6, 2013).
Доклады были подготовлены для каждой из анализируемых проб. Также были получены видеоролики, показывающие как пробы выглядели на самом деле. Многие из проб содержат очень большие частицы, диаметр которых, вероятно, составляет много микрон. Однако некоторые из популяций частиц были весьма малого размера.
В некоторых случаях увеличение было изменено, чтобы увидеть меньшее количество более крупных частиц. Имя файла указывает на длину волны используемого лазера (фиолетовый 405 нм), тип камеры (научный CMOS), увеличение объектива микроскопа (×10 или ×20) и длину видео.
На фигурах 6-9 многочисленные кривые различного цвета, но одной и той же пробы наложены друг на друга для сравнения в любое данное время
Для анализа NTA пробы не были отфильтрованы или скручены (что обычно делается, чтобы удалить большой не анализируемый материал, создающий помехи).
Каждая из проб анализировался не менее 5 раз, чтобы показать изменения между пробами (что является просто вопросом статистической воспроизводимости - более длительные [или усредненные]) анализы дают более стабильные профили.
Было замечено, что некоторые из проб были заражены бактериями (в виде быстро движущихся дорожек, которые летают по всему полю зрения, и их траектории броуновского движения представляют собой длинные линии, а не просто случайные вибрации.
Результаты
На фигурах показан анализ NTA необработанных и обработанных проб. Необработанные пробы содержат крупные частицы (0,5 μм). Более мелкие частицы являются довольно чистыми с относительно узким распределением размеров около 85-90 нм. Сырые пробы были загрязнены подвижными бактериями.
Обработанная проба является монодисперсной чистой популяцией нанопузырьков размером 50 нм. Можно было видеть высокие концентрации наночастиц. Концентрация нанопузырьков в сырых пробах была порядка 1,54 Е8 частиц/мл и 1,13 Е8 частиц/мл. С другой стороны, концентрация наночастиц в обработанной пробе была измерена при 5,14 Е8 частиц/мл и 3,62 Е8 частиц/мл.
Средний размер нанопузырьков в сырых пробах составлял 147 нм и 190 нм, в то время как в обработанной пробе он был 108 нм и ниже 72 нм.
Модальный размер нанопузырьков составлял 66 нм и 85 нм в сырых пробах и 53/48 в обработанных пробах.
Количество нанопузырьков в сырых пробах можно объяснить наличием генератора нанопузырьков в насосе.
Пример 3 - Вывод для примеров 1 и 2
Результатом применения систем и способов по настоящему изобретению являются жидкие растворы, содержащие нанопузырьки, с улучшенными физическими, химическими и биологическими свойствами. Генератор нанопузырьков обеспечивает уровень сдвига и вихревые токи, которые производит определенную кавитацию. Эта кавитация затем создает перепад давления, достаточный для достижения критической пороговой энергии активации. Превышение этого уровня пороговой энергии приводит к созданию нанопузырьков. Это является основой настоящей методологии, которая отличает ее от традиционных ультразвуковых устройств, гомогенизаторов, статических смесителей и тому подобных устройств.
Нанопузырьки по настоящему изобретению являются парамагнитными.
Фактическое существование парамагнитных нанопузырьков было подтверждено с помощью ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и измерением времени релаксации спин-эхо (таблица 3).
Нанопузырьки по настоящему изобретению имеют размер в диапазоне от 50 до 100 нанометров и парамагнитные характеристики, полностью изменяющие физико-химические свойства жидкого раствора. Например, было обнаружено значительное увеличение окислительно-восстановительного потенциала воды, обработанной генератором нанопузырьков в соответствии со способом по настоящему изобретению.
Пример 4 - подавление аммиака в птичнике
Вступление
Одной из наиболее острых проблем качества воздуха в цехе птицеперерабатывающего предприятия является аммиак (NH3). Известно, что аммиак оказывает негативное воздействие на здоровье птиц и производительность предприятия. Птицы выделяют азот (N) в виде продукта мочевых отходов (мочевой кислоты) и в качестве неиспользованного белка в фекальных отходах. Примерно 50% содержания азота в свежем выделенном птичьем помете находится в виде мочевой кислоты, которая очень быстро превращается в NH3 через несколько микробиальных процессов. По сравнению с разложением мочевой кислоты, фекальный белок через действие бактерий преобразуется медленнее. По нашим оценкам, от 50 до 80% азота в помете превращается в NH3 (см. Ritz, C.W., B.D. Fairchild and М.Р. Lacy. 2004). Implications of ammonia production and emissions from commercial poultry facilities: A Review. J. Appl. Poult. Res. 13:684-692). Факторы, влияющие на микробную пролиферацию и стадии ферментатирования при преобразовании мочевой кислоты в NH3 из помета бройлеров, включают температуру, рН, влажность, активность воды и содержание азота в помете. Большая часть мочевой кислоты разрушается в аэробных условиях, хотя небольшая часть является также анаэробной (см. Groot Koerkamp, P.W.G. 1994. Review on emissions of ammonia from housing systems for laying hens in relation to sources, processes, building design and manure handling. J. Agric. Eng. Res. 59:73-87). Стратегия подавления разложения азотистых соединений в помете была направлена на сведение к минимуму ключевой микробной и ферментативной активности в помете, снижение рН и уменьшение содержания азота в помете.
Задачи
1. Сравнение параметров 0-20-дневных бройлеров, обеспечиваемых водой, обработанной в системе очистки воды по настоящему изобретению, с параметрами 0-20-дневных бройлеров, обеспечиваемых необработанной водой.
2. Сравнение концентрации аммиака из помета 0-20-дневных бройлеров обеспечиваемых водой, обработанной в системе очистки воды по настоящему изобретению, с концентрации аммиака из помета 0-20-дневных бройлеров, обеспечиваемых необработанной водой.
Экспериментальный дизайн
Опыты проводились в Университете штата Мэриленд Восточного Берега. План исследования включал рандомизированный полноблочный план (RCB) с двумя процедурами обработки и 8 повторов каждой обработки. План RCB был использован для устранения влияния расположения клетки на поведение птицы. Каждая процедура проводилась в блоке (в общей сложности 8 блоков). Шесть петушков бройлеров из выводка (экспериментальный блок) были помещены в одну клетку из батареи клеток для обработки. Измеренные переменные включали: эффективность корма, увеличение массы тела, смертность, влажность помета и содержание аммиака в помете.
Стадии обработки
1. Управление (необработанная вода была получена из муниципального источника воды).
2. Вода обрабатывалась в генераторе нанопузырьков по настоящему изобретению.
Материалы и способы
ЖИВЫЕ ОРГАНИЗМЫ: цыплята (Hubbard X Ross) были получены из местного инкубатора (ферма Mountaire). Шесть петушков были выбраны случайным образом, взвешивались и назначались к обработке. Одна птица удалялась из бокса на 14-й день, чтобы обеспечить больше места для остальных птиц. Батарея клеток была расположена в помещении Университета Мериленд - Восточный Берег (UMES) Каждая батарея клеток была оснащена поилкой и кормораздатчиком. Корм и вода предлагались с избытком. Потребление корма в каждой клетке регистрировалось. Поилки очищались раз в день, и не было никакого загрязнения воды между двумя процедурами потребления воды. Смертность регистрировалась ежедневно и сопровождалась стандартными операционными процедурами для данного объекта. Температура, вентиляция и освещение были похожи на обычные условия на фермах.
ПИТАНИЕ: стандартная начальная диета, которая соответствует или превышает рекомендации Национального Исследовательского Совета (1994), была предоставлена всем цыплятам возрастом 0-20 дней.
СБОР АММИАКА: концентрации аммиака в свободном пространстве герметизированных емкостей измерялась на 7-й, 14-й и 20-й день. Перед каждым днем сбора (24-48 часов), под каждой птицей были размещены чистые лотки для сбора помета в течение одного-двух дней. Помет собирали из каждой клетки на каждом образце в день, объединяли и тщательно смешивали друг с другом. Выборки из каждой объединенной пробы помета (50 граммов каждого на 7-й день; 400 граммов на 14-й день и 250 граммов на 20-й день) помещали в герметичные ведра. Дозы аммиака в пробирках были размещены в ведре, чтобы измерить общее промилле аммиака в контейнере в свободном пространстве в течение 22-часового периода. Пробы помета отбирались на 14-й день и 20-й день для анализа влажности. Общие пробы помета также отбирались на 20-й день для анализа питательных веществ.
ОРГАНИЗАЦИЯ ОПЫТОВ: птицы были помещены в исходную батарею. Батарея была помещена в помещение Университета Мериленд - Восточный Берег (UMES). Выполнялись стандартные операционные процедуры для данного объекта. Температура, вентиляции и освещения были похожи на обычные параметры на фермерских хозяйствах.
Результаты
Результаты этого исследования представлены в таблицах ниже. В них нет статистически значимых отличий в соотношении усвоения корма и среднего увеличения веса птиц в условиях контрольной воды по сравнению с коэффициентом усвоения корма и среднего увеличения веса птиц в условиях обработанной воды (таблицы 4 и 5). Кроме того, процент смертности птиц в условиях обработанной воды был похож на процент смертности птиц в условиях контрольной воды. Здесь не было никаких статистических различий при обнаружении аммиака, исходящего из фекалий птиц на 14 день в условиях контрольной воды по сравнению с уровнем аммиака, исходящего из фекалий птиц на 14 день, в условиях обработанной воды. Однако на 20-й день были обнаружены существенные различия в выходе аммиака из помета птиц в условиях контрольной воды по сравнению с уровнем аммиака из помета птиц в условиях обработанной воды (1,3 против 0,67 частей на миллион/час, соответственно). Снижение концентрации аммиака составило 48%. В помете птиц, потребляющих обработанную воду, было обнаружено заметное снижение процента влаги по сравнению с процентом влаги в помете птиц, потребляющих контрольную воду (таблица 6). В помете птиц, потребляющих обработанную воду, было на 1,56% и 4,85% меньше влаги в 14-дневном и 20-дневном возрасте, соответственно. Разница в 20-дневном возрасте приблизилась к значению при Р<0,05. Наблюдаемые различия в содержании питательных веществ в фекалиях, собранных в 20-дневном возрасте (таблица 8) потребует дальнейших испытаний, чтобы подтвердить их важность.
Обсуждение
Результатом этой предварительной оценки воды, обработанной генератором нанопузырьков по настоящему изобретению, является вывод, что при этих условиях помет бройлеров будет выделять меньше водяных паров и аммиака. При хранении фекалий от птиц в условиях контрольной воды образуется липкий, влажный помет с сильным запахом аммиака, тогда как помет птиц, потребляющих воду, обработанную генератором нанопузырьков, имеет зернистую структуру, более сухую массу и имеет "земляной" запах (см. фигуру 15). Не было никакой разницы в поведении птиц в условиях потребления обработанной воды по сравнению с их поведением в условиях потребления обычной водопроводной воды. Тем не менее, следует отметить, что у всех птиц в данном исследовании не было никакого контакта с их фекалиями, и они имели одинаковое качество воздуха. Дополнительные контрольные исследования в обычных птичниках в полевых условиях будут оправданы для проверки потенциального влияния этой технологии на производительность птицеводческих ферм, здравоохранения и социального обеспечения, а также качества воздуха и уборки мусора.
Таблица 4. Затраты корма на единицу продукции (FCR)1 бройлеров (7, 14 и 20 дни) при условии двух стадий обработки воды
Пример 5 - Оценка обработанной водопроводной воды по контролю биопленки в лабораторной системе образования биопленки
Вступление
Биопленки
Микроорганизмы (бактерии, грибы, и/или простейшие животные организмы, связанные бактериофагами и другими вирусами) могут расти вместе в адгезивными полимерами (в основном EPS) на биологических или не биологических поверхностях, формируя биопленку. Биопленки повсеместно распространены в природных и промышленных условиях, и теперь считается, что биопленки являются основным местом обитания многих микроорганизмов, поскольку биопленки могут защитить микробы, включая человеческие патогенны, в жестких условиях окружающей среды, таких как наличие антибиотиков и биоцидов (ссылки 3, 4, 6). В промышленном мире хорошо известно, что биопленки регулярно загрязняют многие поверхности, включая корпуса судов, системы обработки пищевых продуктов, погружные нефтяные платформы, а также внутренние части градирен и трубопроводов, вызывая коррозию и разрушение металлических компонентов. Биопленки в системах очистки воды могут в широком диапазоне влиять на качество воды и создавать проблемы эксплуатации. Биопленки могут нести ответственность за потерю дезинфицирующих веществ, обрастание мембран, возобновления роста микробов в очищенной воде и, особенно, биопленки могут быть накопителем для патогенных бактерий в системе (ссылки 1, 5, 8). Таким образом, биопленки связаны с широким кругом проблем, как в промышленности, так и в медицине, поскольку очень трудно искоренить их обычной практикой.
Значительный объем исследований был сконцентрирован на разработке новых подходов к контролю развития биопленки с целью предотвратить образование биопленки и уничтожить установившиеся биопленки. Были разработаны и применены модификации поверхности, химические дезинфицирующие средства, и другие физические и химические способы контроля развития биопленки в различных средах, но результаты не являются удовлетворительными, а некоторые из этих способов не являются экологически чистыми и оказывает отрицательное воздействие на здоровье человека (2, 9). По-прежнему имеется острая нужда в новых эффективных и экологически безопасных подходах для контроля биопленки.
В настоящем исследовании приведены данные об эффективности генератора нанопузырьков по настоящему изобретению при очистке городской водопроводной воды для контроля первоначально прикрепленных бактерий и удаления предварительно сформированных биопленок в системе лабораторных исследований.
Материалы и способы
Бактериальные штаммы, химические вещества и процессор нанопузырьков
1. В этом исследовании были использованы два бактериальных штамма. Кишечные палочки К-12 MG16653 были приобретены у организации «Американская коллекция культур» (American Type Culture Collection). Среда LB (бульон и агар-агар) были получены из института «Fisher Scientific».
Процессор нанопузырьков (диаметром 1 дюйм) был поставлен компанией «Bauer Energy Design».
Обработка воды
Процессор нанопузырьков был подключен к водопроводному крану. Кран был полностью открыт, чтобы позволить водопроводной воде пройти через смеситель (давление 40 фунтов на квадратный дюйм и расход 20 л/мин). Обработанная вода собиралась через 5 минут после обработки и хранилась в 4-литровый бутыли до семи дней для дальнейшего использования. Водопроводная вода также была собрана непосредственно из крана и хранилась в 4-литровой бутыли в качестве контрольной воды.
Анализ прикрепления бактерий
Стерильные покровные стекла были погружены в 45-мм чашки Петри, содержащие 20 мл обработанной водопроводной воды или контрольной водопроводной воды. Затем чашки Петри заражали 106 клеток/мл кишечных палочек и инкубировали в течение двух часов при комнатной температуре и осторожном перемешивании. Затем покровные стекла три раза промывали водой MQ, окрашивали красителем SYTO 9 и просматривали с помощью эпифлуоресцентного микроскопа прикрепленные бактериальные клетки.
Развитие биопленки и анализ удаления всех биопленок для исследования были выполнены реакторе с проточной кюветой биопленки с расположением оборудования, показанным на фигуре 16. На фигуре 16, биопленки выращивают в условиях прямоточного потока. Стеклянные трубки имеют квадратное поперечное сечение, что обеспечивает прямое микроскопическое наблюдение за биопленками, растущими на внутренней поверхности трубки. Устройство состоит из вентилируемой подачи среды из бутыли (емкостью 4 литра), отсекателя потока, впускного отверстия отфильтрованного воздуха, перистальтического насоса, капилляра, держателя проточной кюветы, порта инокуляции и бутыли для отходов. Эти компоненты соединены с помощью силиконовой резиновой трубки. Трехканальная проточная кювета с одним прикрепленным покровным стеклом (каждый канал 4 мм ширины × 40 мм длины_× 1 мм толщины) (компании «Stovall Life Science, Inc». Гринсборо, штат Северная Каролина) была собрана и подготовлена, как описано в ссылках (7, 10).
Для развития зрелой биопленки, системы проточных кювет были кондиционированы, пропуская через них среду Лурия-Бертани в течение 2-3 часов. Поток среды был приостановлен для инокуляции бактериальных клеток (~2×108 ЛОЕ) и оставался в течение 1 часа до возобновления с расходом 8 мл/час. Развитие биопленки проводили при комнатной температуре (20±1°С) и образование биопленки в стеклянных капиллярах контролировалось на заранее заданных точках времени в период до 7 дней.
Чтобы проверить первоначальное прикрепление бактерий и формирование биопленки из обработанной и контрольной водопроводной воды, один канал в системе проточной кюветы был заполнен обработанной и контрольной водопроводной водой, соответственно, со скоростью потока 8 мл/час. Колонизация бактерий и формирование биопленки в стеклянных каналах контролировалась свыше установленного времени до 8 дней. Обработанная и контрольная водопроводная вода заменялись в бутыли ежедневно.
Для испытания по удалению биопленки, зрелые биопленки (4 дня) во всех трех каналах дополнено разбавлялись 10% бульоном LB с расходом 8 мл/час были с использованием способа, описанного выше. В один канал непрерывно подавался 10% бульон LB, в другой один канал подавалась обработанная водопроводная водой и в еще один канал подавалась контрольная водопроводная вода с тем же расходом 16 мл/час. Биопленки непрерывно контролировались с помощью флуоресцентного микроскопа (1×71 Olympus, Center Valley, PA)
Изображение биопленок
Наблюдение за биопленками и получение изображения выполнялись с помощью флуоресцентного микроскопа (1X71 Olympus, Center Valley, РА), конфокального лазерного сканирующего микроскопа (CSLM) (IX70 Olympus) или камеры (Canon PowerShot SD1100IS). В конце процесса удаления биопленки буфер PBS (100 мкл), содержащий 1 мкл SYTO 9 (Invitrogen, США) добавляли в каждый канал и инкубировали в течение 15 мин в темноте. Флуоресцентные изображения были получены с помощью конфокального микроскопа Olympus Fluoview™ FV1000 (Olympus, Markham, Ontario) с лазером Melles Griot Laser и набором датчиков и фильтров для мониторинга SYTO 9. Изображения были получены путем погружения объектива с линзой 60х в масло. Трехмерные изображения были реконструированы с использованием программного пакета «Амира» (Amira, San Diego, СА) из набора томографических изображение образцов биопленки.
Результаты
Влияние начального прикрепления бактерий и образование биопленки
Анализ прикрепления бактерий показал, что обработанная водопроводная вода подавляет первоначальное прикрепление бактерий. Бактериальные клетки, прикрепленные к поверхности стекла, исчезают после 2-часовой инкубации в обработанной водопроводной воде, в то время как в контрольной водопроводной воде клетки сразу начали прикрепляться к поверхности стекла. Бактериальные клетки начинали прикрепляться к поверхности стекла спустя 20 часов после инкубации в обработанной водопроводной воде и на поверхности стекла в контрольной водопроводной воде, причем можно было наблюдать скопления мелких бактерий (фигура 17). Было достигнуто снижение начального прикрепления бактерий к поверхности стекла более чем на 75% за счет обработанной водопроводной воды.
Испытание на формирование биопленки обработанной водопроводной водой и контрольной водопроводной водой в системе, проточных кювет предполагает, что водопроводная вода, обработанная процессором нанопузырьков, ингибирует образование биопленки. Через восемь дней после подачи обработанной водопроводной водой, небольшие скопления бактериальных клеток можно редко наблюдать на поверхности стекла. В то же время в канале, питаемом контрольной водопроводной водой, вся стеклянная поверхность была покрыта бактериальными клетками, и начали формироваться большие микроколонии бактериальных клеток (фигура 19). Измерения бактериальной биомассы показали, что было достигнуто снижение образования биопленки более чем на 80%.
Удаление ранее сформированных биопленок
После развития биопленки кишечных палочек в каналах проточной кюветы в течение 6 дней, обработанная водопроводная вода и контрольная водопроводная вода подавалась в каждый канал по отдельности. Через тридцать минут после обработки обработанная водопроводная вода удаляет большую часть биопленок, развившихся в канале, в то время как контрольная водопроводная вода оказывает незначительное влияние на удаление биопленок (фигура 19). Определение количества биомассы биопленки, оставшейся в канале, обнаруживает, что более чем 99% биомассы биопленки удалено обработанной водопроводной водой. Аналогичные испытания по удалению биопленки были проведены компанией «Acineobacter baumannii and Pseudomonas aeragenosa strains». Время, требуемое для удаления 99% биомассы биопленки колебалось от 10 минут до 5 часов в различных испытаниях (данные не показаны).
Выводы
Настоящее исследование доказывает, что водопроводная вода, обработанная процессором нанопузырьков, является эффективной: (1) замедляет прикрепление бактерий к поверхности стекла, что является необходимым для развития биопленки; (2) подавляет развитие биопленки и (3) удаляет ранее сформированную биопленку.
Первоначальные испытания, проведенные с водой, обработанной с помощью устройства, описанного в австралийском патенте номер (не указан) на прикрепление бактерий и образования биопленки показывают, что не существует никакого существенного улучшения между обработанной и необработанной водой. Соответственно, генератор нанопузырьков по настоящему изобретению, который замедляет прикрепление бактерий, ингибирует развитие биопленки и удаляет образованную биопленку, представляют собой явное улучшение по сравнению с устройством предшествующего уровня техники.
Список литературы для примера 5
Camper, А., М. Burr, В. Ellis, P. Butterfield, and С. Abernathy. 1999. Development and structure of drinking water biofilms and techniques for their study. JOURNAL OF APPLIED MICROBIOLOGY 85:1 S-12S.
2. Chen, X.S., P.S. 2000. Biofilm removal caused by chemical treatments. Water Res 34:4229-4233.
3. Costerton, J.W., Z. Lewandowski, D.E. Caldwell, D.R. Korber, and H.M. Lappin-Scott. 1995. Microbial biofilms. Annu Rev Microbiol 49:711-45.
4. Hall-Stoodley, L., J.W. Costerton, and P. Stoodley. 2004. Bacterial biofilms: from the natural environment to infectious diseases. Nat Rev Microbiol 2:95-108.
5. Lechevallier, M. 2000. Biofilms in drinking water distribution systems significance and control, Identifying future drinking water contaminants. The National Academy Press.
6. OToole, G., H.B. Kaplan, and R. Kolter. 2000. Biofilm formation as microbial development. Annu Rev Microbiol 54:49-79.
7. Stoodley, P., Z. Lewandowski, J.D. Boyle, and H.M. Lappin-Scott. 1999. The formation of migratory ripples in a mixed species bacterial biofilm growing in turbulent flow. Environ Microbiol 1:447-55.
8. Walker, J.Т., S.L. Percival, and P.R. Hunter. 2000. Microbiological Aspects of Biofilms and Drinking Water CRC Press.
9. Wu, J., H. Xu, W. Tang, R. Kopelman, M.A. Philbert, and С Xi. 2009. Evaluation of the Eradication of Bacteria in Suspension and Biofilms using Methylene Blue-loaded Dynamic NanoPlatforms. Antimicrob Agents Chemother 75:5390-95.
10. Xi, C, D. Marks, S. Schlachter, W. Luo, and S.A. Boppart. 2006. High-resolution three-dimensional imaging of biofilm development using optical coherence tomography. J Biomed Opt 11:34001.
Приведенное выше описание в целом раскрывает настоящее изобретение. Изменения в форме компонентов и замена эквивалентов могут рассматриваться как предложенные или целесообразные. Хотя в данном описании были использованы конкретные термины, такие термины даются в целях описания, а не ограничения изобретения. Возможны другие варианты и модификации данного изобретения. Предполагается, что такие модификации или изменения, входят объем настоящего изобретения, который определен прилагаемой формулой изобретения.
Реферат
Изобретение относится к жидким растворам, имеющим нанопузырьки, и к системе и способу производства жидких растворов, содержащих нанопузырьки. Генератор нанопузырьков содержит корпус, имеющий впускную часть для приема исходного жидкого раствора, участок обработки для обработки исходного жидкого раствора, выпускную часть для выпуска обработанного жидкого раствора, содержащего нанопузырьки, причем участок обработки включает, по меньшей мере, две последовательные плоскости поверхности сдвига, разделенные кавитационными пространствами. Изобретения обеспечивает создание системы и способа получения жидких растворов, содержащих нанопузырьки, которые не требуют воздуха или газа для получения нанопузырьков и которые не требуют исходного раствора с микропузырьками. 7 н. и 13 з.п. ф-лы, 8 табл., 19 ил.
Формула
Документы, цитированные в отчёте о поиске
Цилиндрическое мембранное устройство для получения пены
