Способ флокуляции, осаждения, агломерации или коагуляции и устройство для его осуществления - RU2067079C1
Код документа: RU2067079C1
Чертежи
Описание
Изобретение относится к способу и устройству флокуляции, осаждения, агломерации или коагуляции растворенных, коллоидно растворенных, суспендированных или эмульгированных в жидкости ингредиентов или микроорганизмов, и отделения из этой жидкости этих веществ или микроорганизмов, причем жидкость, содержащую подлежащие отделению ингредиенты и/или микроорганизмы, подвергают в потоке воздействию поля ультразвуковых волн, образующих поле стоячих волн, которые заставляют накапливаться отделяемые частицы в зонах узлов колебаний или в зонах пучности колебаний поля ультразвуковых волн, и собранные таким образом частицы отделяют от жидкости осаждением.
Чтобы суспендированные частицы, могущие иметь субмикроскопические размеры, можно было бы за весьма короткое время выделить из жидкости осаждением или фильтрацией, их необходимо объединить в более крупные или же присоединить к частицам большего размера. В дисперсной системе это можно осуществить снижением электростатических поверхностных зарядов частиц (дестабилизация) или же приданием энергии движения (транспортирование) для процессов коагуляции.
Известен способ флокуляции суспендированных в жидкости частиц, при котором такую жидкость подвергают воздействию поля ультразвуковых волн, после чего флокированный материал отделяют от жидкости (патент США N 4055491, кл. В 01 D 35/20, 1981).
Известен далее один способ (выложенное описание Великобритании N 2098498, кл. В 01 D 43/00, 1979), в соответствии с которым текущую через трубопровод или резервуар жидкость подвергают воздействию ультразвукового поля, которое распространяется поперек направления течения потока жидкости. Находящиеся в жидкости подлежащие отделению частицы должны выноситься в сторону из потока поперек направления его течения. Частицы должны перемещаться, следовательно, в ультразвуковом поле по сравнительно большому пути поперек потока, в результате чего невозможно достигнуть высокой степени отделения частиц из жидкости. После прохождения через ультразвуковое поле в обрабатываемой жидкости остается сравнительно большое количество еще не отделенных частиц.
Целью изобретения является создание способа вышеназванного вида, по которому с максимально высокой эффективностью простым и сберегающим энергию путем можно обрабатывать жидкости, в частности воду, с целью очистки, а также суспензии с целью получения и регенерации сырья и микроорганизмов. Кроме того, должно быть возможным получение мелкозернистого угля из содержащих уголь суспензий также и тогда, если эти суспензии содержат включения еще других веществ.
Способ вышеназванного вида согласно настоящему изобретению отличается тем, что жидкость, содержащую ингредиенты и/или микроорганизмы, направляют примерно под прямым углом к горизонтальному направлению распространения ультразвука через одно или несколько полей стоячих ультразвуковых волн, причем частота f ультразвука больше одной седьмой предельной частоты f0, при этом предпочтительна область выше половины предельной частоты f0 и для f0 имеет силу: f0 (Гц) 0,4775 н/R2, где н кинематическая вязкость жидкости, м2/с; R активный радиус частицы в случае сферических частиц равен их радиусам, а для частиц другой формы R является радиусом той сферы из аналогичного вещества, которая оказывает то же самое гидравлическое сопротивление колеблющейся жидкости.
Эти приемы позволяют достичь поставленную выше цель. Быструю коагуляцию и соответственно сплочение ингредиентов жидкости удается достигнуть при небольшом расходе энергии. Предлагаемый выше выбор ультразвуковой частоты, особая комбинация направления распространения звука и направление потока оказывают очень выгодное влияние, потому что образуется поле стоячих волн, в котором плоскости, в которых собираются отделяемые частицы, проходят в направлении потока жидкости, и поэтому накапливанию частиц практически не мешает протекание потока. Накапливание этих частиц происходит непрерывно, причем частицы проделывают при этом лишь небольшие участки пути для сбора в ультразвуковом поле. Отделение частиц за счет осаждения из собранных масс частиц идет непрекращающимся процессом. В зоне плоскостей, имеющих взаимное расстояние половины ультразвуковых волн в соответствующей жидкости и проходящих перпендикулярно направлению распространения звука, образуются агломераты такой величины, что они могут легко отделяться от жидкости осаждением.
Образование поля стоячих ультразвуковых волн можно обеспечивать простым путем, возбуждая пьезоэлектрические электроакустические преобразователи в резонансной частоте или в одной из нечетных гармоник озвучиваемого пространства, образующего резонатор, и поэтому в озвучиваемом пространстве создается поле стоячих ультразвуковых волн, причем в качестве резонатора следует считать пакет всех прозвучиваемых акустических слоев, включая также и те поверхности, на которых происходит отражение звуковых волн.
Как известно, давление звукового излучения перемещает частицы в те места ультразвукового поля, где отклонение молекул воды является наибольшим. Если частота ультразвука превышает определенную предельную частоту f0, то частицы только минимально следуют колебаниям воды. В пучностях колебательной скорости существует поэтому максимальное относительное движение между частицами и колеблющейся водой. Молекулы воды периодически проходят плоскости пучности колебательной скорости под прямым углом с максимальной колебательной скоростью. Из-за собравшихся в плоскостях пучности колебательной скорости частиц, минимально следующих колебаниям воды, там имеется сужение проточного поперечного сечения. Скорость колеблющейся воды должна поэтому между частицами повышаться, вследствие чего при сохранении общей энергии там неизбежно происходит местное снижение давления между частицами. Это сравнительно низкое давление между частицами имеет своим следствием их взаимное притяжение, которое в способе согласно изобретению используют для проведения коагуляции частиц.
При проведении способа согласно настоящему изобретению выгодно направлять жидкость через ультразвуковое поле или поля ламинарным потоком.
Если через ультразвуковое поле течет суспензия, то там задерживаются и агломерируются частицы, а жидкость покидает звуковое поле очищенной. Для отбора агломератов можно предусмотреть ниже озвучиваемого пространства отстойную камеру. Благодаря горизонтальному направлению распространения звука частицы располагаются в вертикальных плоскостях, укрупняются и после этого осаждаются под действием силы тяжести.
Выгодная форма выполнения способа согласно настоящему изобретению предусматривает озвучивание жидкости и поля ультразвуковых стоячих волн, образующегося между двумя параллельными и противоположно друг другу расположенными ультразвуковыми преобразователями, в горизонтальном протекании. Таким путем можно простым образом собирать ингредиенты жидкости в плоскостях в ультразвуковом поле и осуществлять простое и эффективное отделение частиц из жидкости, используя для этой цели действие силы тяжести.
В соответствии с другим вариантом выполнения способа согласно настоящему изобретению предусмотрено подвергать обрабатываемую жидкость воздействию двух ультразвуковых полей, которые пространственно пересекаются друг с другом внутри озвучиваемого пространства и одновременно или же попеременно воздействуют на жидкость, причем преимущественно два плоских ультразвуковых поля, пересекающих друг друга под прямым углом и линии пересечения плоскостей узлов колебаний которых проходят параллельно направлению течения жидкости. Особенно выгодный аспект выполнения в таком виде заключается в том, что собирающиеся частицы располагаются в линии и благодаря этому концентрируются в значительно большей степени по сравнению с одновременным озвучиванием. Линии, по которым располагаются частицы, представляют собой сечение плоскостей пучности колебательной скорости обоих ультразвуковых полей.
Еще одна выгодная форма выполнения способа в соответствии с настоящим изобретением отличается тем, что жидкость направляют течь в цилиндрическом ультразвуковом поле, узлы колебаний которого расположены примерно в цилиндрических и относительно друг друга коаксиальных поверхностях и через которое жидкость течет приблизительно параллельно геометрической оси поля, или последовательно озвучивают в нескольких таких полях.
Мощность электрических колебаний, с какой возбуждают ультразвуковые преобразователи, выбирают выгодным образом менее 3 Вт/см2 регулируемой поверхности ультразвуковых преобразователей, причем предпочтителен интервал от 0,5 до 2 Вт/см2.
Количество энергии на м3 суспензии зависит от ее плотности, а также от электростатического поверхностного заряда суспендированных частиц и его целесообразно выбирать равным от 0, 05 до 10 кВт, причем предпочтителен интервал от 0,1 до 4 кВт•час.
Суспензии, содержащие минеральные вещества, считается целесообразным озвучивать с частотой ультразвука между f0/3 и 10 f0, причем при изменяющемся в широких масштабах распределении крупности зерен особенно выгодно применение частот между f0/2 и 4 f0. В случае суспендированных органических веществ или же веществ, плотность которых равна примерно плотности жидкости, целесообразно вести работу с частотами между 2 f0 и 12 f0, при этом считается предпочтительным интервал между 3 f0 и 5 f0.
Для коагуляции угольных частиц, находящихся в воде, а также для их отделения выгодно использование частот ультразвука, равных от f0/2 до 10 f0, причем особенно интенсивная флокуляция происходит при интервале между f0 и 4 f0. Для коагуляции ингредиентов с более высокой плотностью, как например, металлическую пыль, выгодно применять частоту ультразвука в интервале между f0/7 и 10 f0, причем из соображений сбережения энергии следует предпочитать интервал между f0/6 и f0/2.
С нарастанием коагулятов увеличивается их радиус R и уменьшается зависящая от радиуса R предельная частота f0 . В определенном ряде случае целесообразно проводить ультразвуковую обработку в две или же несколько следующих одна за другой ступеней при использовании уменьшающейся частоты. Образующиеся за первую ступень агломераты будут тогда в состоянии еще раз объединиться на последующих ступенях обработки. Радиус R агломератов может увеличиться максимально до четверти соответствующей длины ультразвуковой волны.
Более интенсивную коагуляцию можно достигнуть озвучиванием ультразвуком с модулированной амплитудой. Особенно выгодна модуляция амплитуды при частотах до 20 кГц, причем в качестве сигнала модуляции можно применять, например, синусоидальный или прямоугольный сигнал.
Независимо от всевозможных модуляций выгодно также, впрочем, периодическое проведение ультразвуковой обработки.
В качестве адсорбционных сред для ингредиентов жидкости, которые также могут быть растворены, применяют активированный уголь или другие поверхностно-активные вещества, как например, некоторые виды глин. Внесение порошкообразных адсорбционных сред обеспечивает более тщательное перемешивание с жидкостью, а также сокращает поэтому время контактирования, благодаря чему предотвращается возможность образования процессов десорбции. При проведении ультразвуковой обработки по способу согласно изобретению агломерированные частицы отделяются от жидкости благодаря седиментации. Кроме того, ультразвуковая обработка может способствовать также присоединению ингредиентов жидкости к адсорбционной среде.
С целью облегчения взаимного сближения частиц выгодно часто снижать или же нейтрализовать имеющиеся электростатические поверхностные заряды частиц добавкой коагулирующих средств. В некоторых случаях может быть также целесообразным добавки полимеров в качестве коагулянтов для повышения механической стабильности агломератов.
Отделение угля в воде можно улучшить добавкой до 5% масла, благодаря чему образуются более крупные и более стабильные хлопья.
Настоящее изобретение относится также и к устройствам для осуществления предложенного способа.
Устройство согласно изобретению содержит по предпочтительной форме выполнения озвучиваемое пространство, через которое пропускают подлежащую обработке жидкость, на одной стенке этого пространства установлены ультразвуковые преобразователи, образующие в озвучиваемом пространстве ультразвуковое поле, при этом озвучиваемое пространство оснащено одной или несколькими отстойными камерами, в самых глубоких местах которых предусмотрены устройства для удаления осадившихся частиц, отличается тем, что озвучиваемое пространство представляет собой озвучиваемый резервуар, который на одной или в одной боковой стенке, параллельной горизонтальному направлению течения жидкости, содержит один или несколько ультразвуковых преобразователей, а на противоположной параллельной боковой стенке содержит звукоотражатели, при этом в донной части резервуара предусмотрены один или несколько преимущественно воронкообразной формы отстойные камеры, ограниченные сверху гидравлическими блендами. Таким образом, распространение звука происходит горизонтально и под прямым углом к направлению течения жидкости. На обеих боковых стенках, стоящих перпендикулярно направлению потока, находятся впускное и выпускное отверстия для жидкости. Гидравлические бленды, отделяющие отдельные отстойные камеры от озвучиваемого пространства, выполнены преимущественно горизонтальными в виде колосниковых решеток. После впускного и выпускного отверстий можно предусмотреть вертикальные, установленные под прямым углом к направлению потока успокоительные решетки. Непосредственно перед впускным и выпускным отверстиями можно установить в озвучиваемом резервуаре по одному отклоняющему элементу.
Согласно другой выгодной форме выполнения такого устройства последнее имеет озвучиваемое пространство, через которое пропускают обрабатываемую жидкость, содержащее ультразвуковой преобразователь, создающий в озвучиваемом пространстве ультразвуковое поле, отличается тем, что озвучиваемое пространство устройства образовано емкостью в форме прямого цилиндра из преимущественно звукоотражающего материала, в который коаксиально вмонтирован радиально колеблющийся ультразвуковой преобразователь. При таком выполнении устройства можно получить еще один выгодный вариант, если предусмотреть, чтобы цилиндрический ультразвуковой преобразователь имел форму трубы и чтобы жидкость не только проходила через него изнутри, но также и обтекала бы его снаружи. В случае такой формы выполнения общая ось преобразователя и емкости может быть вертикальной и жидкость сначала течет сверху вниз через внутреннюю часть трубчатого ультразвукового преобразователя и затем вытекает на его нижнем конце в наружный сосуд и течет вверх, тогда как коагулянты опускаются вниз и таким образом выделяются из жидкости.
Другая форма выполнения устройства согласно изобретению с озвучиваемым пространством, через которое пропускают обрабатываемую жидкость, имеющим на одной стенке ультразвуковые преобразователи, образующие в озвучиваемом пространстве ультразвуковое поле, при этом озвучиваемое пространство оснащено одним или несколькими отстойными камерами, в самом глубоком месте которых предусмотрены устройства для удаления выделившихся из жидкости частиц, отличается тем, что озвучиваемое пространство такого устройства образовано проточным прямоугольной формы резервуаром, в который встроены две стоящие перпендикулярно друг другу плоских стенки, несущие группы ультразвуковых преобразователей, причем эти стенки установлены параллельно боковым поверхностям озвучиваемого резервуара и внутри озвучиваемого пространства пересекают друг друга преимущественно таким образом, что озвучиваемое пространство разделяют на два или же несколько отдельных пространств. Проточный озвучиваемый резервуар может быть разделен поэтому, например, на четыре секции, которые могут иметь как различное поперечное сечение, так и быть проточными параллельно друг другу или последовательно, причем отдельные из этих секций жидкость может проходить в противоположном направлении.
Еще один вариант выполнения устройства согласно изобретению с озвучиваемым пространством, через которое пропускают подлежащую обработке жидкость, содержащим ультразвуковой преобразователь, образующий в озвучиваемом пространстве ультразвуковое поле, отличается тем, что в озвучиваемом пространстве устройства расположен осадитель с параллельными пластинами и через промежуток между пластинами осадителя пропускают жидкость, что параллельно пакету осадительных пластин расположены две плоских группы ультразвуковых генераторов, причем весь пакет осадительных пластин помещен между ультразвуковыми преобразователями. Плотность (толщина) отделительных пластин преимущественно соответствует нечетному числу, кратному четверти длины волн ультразвука в этих отделительных пластинах, а шероховатость поверхности отделительных пластин не превышает одну десятую длину ультразвуковой волны. Создается поле стоячих волн, подвижное относительно ультразвуковых преобразователей. Особая выгода этого варианта выполнения устройства заключается в том, что частицы в ультразвуковом поле коагулируют и, следуя движению поля, перемещаются по направлению к осадительным пластинам и там осаждаются, благодаря чему происходит более интенсивное отделение частиц из жидкости по сравнению со способом, использующим традиционные осадители с параллельными пластинами.
Наряду с традиционными электроакустическими ультразвуковыми преобразователями из пьезокерамических материалов, в устройстве согласно изобретению можно выгодным образом применять (специально для более высоких частот) также и ультразвуковые преобразователи из пьезоэлектрических синтетических материалов, как например, поливинилиденфторида (ПВДФ). При изготовлении преобразователя из поливинилиденфторида металлическую пластину покрывают беспористым слоем этого материала, после чего поливинилиденфторидный слой поляризуют и свободную поверхность покрывают слоем металла (преимущественно золотом).
На фиг.1 изображена схема предлагаемого устройства; на фиг.2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг.3 вертикальный разрез устройства, у которого коаксиальное цилиндрообразное волновое поле создают в трубе; на фиг.4 разрез Б-Б на фиг. 3; на фиг. 5 вариант выполнения устройства, вертикальный разрез; на фиг.6 разрез В-В на фиг.5; на фиг.7 схема варианта выполнения устройства, при котором происходит двухмерное озвучивание; на фиг.8 схема варианта выполнения устройства, оснащенного отделителем с параллельными пластинами.
У устройства, изображенного на фиг.1 и 2, в качестве озвучиваемого пространства предусмотрен озвучиваемый резервуар 1, в донную часть 2 которого встроены отстойные воронки 3, которые содержат в своих самых глубоких местах запорные сливные штуцеры 4. Отстойные воронки 3 отделены от озвучиваемого резервуара гидравлическими блендами 5 в виде решетчатых колосников. На обеих, параллельных направлению потока боковых стенках 6 и 7 озвучиваемого резервуара 1 помещены друг против друга параллельно друг другу ультразвуковые преобразователи 8 и ультразвуковые отражатели 9. После впускного штуцера 10 и перед выпускным штуцером 11 расположены гидравлические бленды 12 и 13, а также успокоительные решетки 14 и 15. Поток жидкости имеет направление под прямым углом к направлению распространения звука.
У изображенного на фиг. 3 и 4 устройства в качестве озвучиваемого пространства применен резервуар 16 в форме прямой цилиндрической трубы из звуконепроницаемого материала, в которой находится коаксиально установленный цилиндрический, создающий радиально колебательные волны ультразвуковой преобразователь 17. В резервуаре 16 создают коаксиальное ему цилиндрическое ультразвуковое поле.
Устройство, которое изображено на фиг.5 и 6, содержит в качестве озвучиваемого пространства вертикальный цилиндрический озвучиваемый резервуар 18, закрытый с нижней стороны воронкообразной отстойной камерой 3 с запорным сливным штуцером. В озвучиваемом резервуаре 18 коаксиально установлен ультразвуковой преобразователь 19 в виде трубы, через который пропускают в озвучиваемое пространство жидкость. На верхнем конце озвучиваемого резервуара 18 находится горизонтальный, кольцеобразный желоб 20 для отвода очищенной жидкости. Озвучиваемую жидкость направляют сначала через ультразвуковой преобразователь 19 и затем она течет к наружной стороне этого преобразователя в озвучиваемом резервуаре 18 вверх, после чего ее отводят через желоб 20.
На фиг.7 показано устройство с озвучиваемым резервуаром 21 прямоугольной формы, содержащим две стенки 22 и 23 с установленными в них ультразвуковыми преобразователями 8. Стенки 22 и 23 проходят параллельно боковым поверхностям 24, 25, 26, 27 озвучиваемого резервуара 21 и перпендикулярно друг другу, пересекая одна другую, благодаря чему озвучиваемое пространство разделяется на отдельные секции 28, 29, 30, 31. Ультразвуковые преобразователи образуют в этих секциях ультразвуковые поля, пересекающие друг друга под прямым углом.
Изображенное на фиг. 5 устройство содержит отделитель с группой наклоненных, параллельных друг другу отделительных пластин 32 и два параллельных отделительным пластинам ультразвуковых преобразователя 8. ЫЫЫ2 ЫЫЫ4 ЫЫЫ6
Реферат
Использование: флокирование, осаждение, агломерация или коагуляция ингредиентов, растворенных суспендированных или эмульгированных в жидкости, или микроорганизмов из этой жидкости под действием ультразвука. Сущность изобретения: жидкость, содержащую отделяемые ингредиенты, подвергают воздействию ультразвуковых волн, образующих поле стоячих волн. Обрабатываемую жидкость пропускают под прямым углом к горизонтальному направлению распространения ультразвука через одно или несколько полей стоячих ультразвуковых волн, причем частота ультразвука превышает 1/7 предельной частоты в зоне выше половины предельной частоты. 2 с. и 22 з. п. ф-лы, 8 ил.
