用于乳化劑及其它混合物的單極分離的系統(tǒng)及方法
【專利說(shuō)明】
[_1 ] 相關(guān)申請(qǐng)案的交叉參考
[0002] 本申請(qǐng)案主張2013年4月16日申請(qǐng)的標(biāo)題為"單極乳化劑分離的系統(tǒng)及方法 (Systems and Methods for Unipolar Emulsion Separation)" 的第61/812,700號(hào)美國(guó)臨 時(shí)專利申請(qǐng)案的優(yōu)先權(quán)及權(quán)益，且所述申請(qǐng)案以全文引用的方式并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明大體上涉及乳化劑或其它混合物的兩個(gè)或兩個(gè)以上相的分離。在某些實(shí)施 例中，本發(fā)明涉及通過(guò)聚合帶相同電荷的液滴來(lái)分離乳化劑或其它混合物中的液相。
【背景技術(shù)】
[0004] 乳化劑出現(xiàn)于多種多樣的行業(yè)中，舉例來(lái)說(shuō)，石油化學(xué)處理、食品加工、金屬加工 及拋光、紡織品、紙張、化妝品、藥物、生物技術(shù)以及其它行業(yè)。通常執(zhí)行這些乳化劑的一或 多種成分的分離是必要的，舉例來(lái)說(shuō)，在主要由水相組成的或在主要由非水相組成的乳化 劑中從非水液相(舉例來(lái)說(shuō)，油)分離水液相(舉例來(lái)說(shuō)，水)。
[0005] 舉例來(lái)說(shuō)，在石油行業(yè)中，水被認(rèn)為是油產(chǎn)品的污染物且在進(jìn)一步處理之前必須 從油產(chǎn)品中分離，因?yàn)樗赡芤鹛幚碓O(shè)備的嚴(yán)重腐蝕且可能影響所述設(shè)備的壽命，這樣 可能負(fù)面影響整個(gè)設(shè)備。即使油中的微量水也可能在生產(chǎn)線下一步引起嚴(yán)重的問(wèn)題。在對(duì) 比實(shí)例中，油為食品及金屬行業(yè)中產(chǎn)生的下游廢水及副產(chǎn)品中的常見(jiàn)污染物且應(yīng)從廢水分 離。從水(包含微量油)分離油是一重大挑戰(zhàn)。為了釋放回環(huán)境中，政府規(guī)定要求水中的油不 含有多于特定油量。允許的最大油量可為10ppm油或更少。
[0006] -項(xiàng)顯著挑戰(zhàn)是減少能量消耗的資金成本及減少或消除使用化學(xué)添加物(尤其是 被認(rèn)為是污染物的那些添加物及/或原本具有負(fù)面環(huán)境效應(yīng)的化學(xué)添加物），此為促進(jìn)將乳 化劑及其它混合物分解成其成分的傳統(tǒng)方法。另一重大挑戰(zhàn)是實(shí)現(xiàn)期望的油水分離水平。
[0007] 存在用于分離乳化劑的成分的許多傳統(tǒng)方式。最常見(jiàn)的分離技術(shù)中的一者為重力 分離。作為主要及低成本處理步驟，重力分離通常用于分離具有更大液滴尺寸的乳化劑。可 通過(guò)沉淀過(guò)程完成重力分離。舉例來(lái)說(shuō)，油可粘附到固態(tài)顆粒的表面且通過(guò)沉淀有效移除。 然而，重力分離不能有效用于使具有小液滴尺寸的乳化劑失穩(wěn)，因?yàn)槌恋淼臅r(shí)間不切實(shí)際 很長(zhǎng)(所需的時(shí)間與液滴尺寸平方值成反比）。
[0008] 為了分離具有精細(xì)液滴的乳化劑，通常預(yù)處理乳化劑以促進(jìn)凝結(jié)且增加絮狀物尺 寸，借此使重力分離期間乳化相失穩(wěn)。在一些常規(guī)方法中，還可將乳化劑加熱以減小粘性、 誘發(fā)更強(qiáng)密度差異且減小液滴之間的穩(wěn)定化膜的表面張力。其它化學(xué)處理方法增加酸度或 將離子劑添加到乳化劑以中和液滴的電荷。化學(xué)處理方法為能量密集型的且可引入數(shù)種不 期望的化學(xué)污染物。額外化學(xué)污染物的分離可能需要后處理單元操作以用于分離化學(xué)品， 導(dǎo)致增加的成本及更大的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。
[0009] 除了重力分離，用于使乳化劑失穩(wěn)的其它物理方法包含加熱、離心分離、過(guò)濾、超 濾(舉例來(lái)說(shuō)，使用膜)及反滲透。超濾(舉例來(lái)說(shuō)，膜超濾)具有比重力分離小的化學(xué)占用面 積且可能對(duì)小液滴尺寸(舉例來(lái)說(shuō)，小于100μπι)的乳化劑稍微有效。然而，與超濾相關(guān)聯(lián)的 成本往往較高(或過(guò)高），這是由于大容量超濾所需的高能量消耗及由于隨著時(shí)間推移膜涂 覆材料的退化(舉例來(lái)說(shuō)，使得需有規(guī)律地提供新膜，進(jìn)一步增加成本）。
[0010]用于分離乳化劑的成分的另一物理方法是靜電分離。存在可用以誘發(fā)聚合的三種 靜電體積力。在由強(qiáng)加電場(chǎng)引起的電介質(zhì)液體中的電體積力可如下表達(dá)：
[0011]
(1)
[0012] 共中Ρ。為體電何嵆度，ε為沭體介電常數(shù)，ρ為流體密度，且Τ為流體溫度。公式（1) 的右側(cè)的第一項(xiàng)為由流體中的凈自由空間電荷引起的電泳力或庫(kù)倫(C 0 u 10 mb i C)力。被稱 為介電泳力的第二項(xiàng)來(lái)源于介電常數(shù)梯度。被稱為電致伸縮力的最后一項(xiàng)僅對(duì)可壓縮流體 重要。
[0013] 在這些靜電分離器中，主要是利用第二項(xiàng)介電泳力促進(jìn)乳化劑中的液滴聚合。在 一種常規(guī)技術(shù)中，將兩張平行板浸沒(méi)到乳化劑中，在電極之間具有小間隙。這些浸沒(méi)電極用 以誘發(fā)外部電場(chǎng)到大多數(shù)乳化劑。介質(zhì)中的水滴變成極化的且正負(fù)端吸引彼此使得兩個(gè)液 滴之間的油膜擠壓且被排干。當(dāng)兩個(gè)鄰近滴之間的油層破裂時(shí)，這兩滴可融合到一起。這些 液滴不會(huì)獲得凈電荷。此技術(shù)的一個(gè)限制是隨液滴的尺寸按比例決定極化力。液滴尺寸越 小，須施加的場(chǎng)就越大。此外，兩個(gè)鄰近液滴的定向?yàn)橹匾摹Ｈ绻嵌炔贿m當(dāng)，兩個(gè)液滴排 斥而不是吸引且它們不能融合-此為常規(guī)靜電分離器的顯著限制。電水動(dòng)力誘發(fā)的流及由 施加的電泳力引起的兩極吸引（正負(fù)吸引）可誘發(fā)液滴的聚合。
[0014] 通過(guò)電場(chǎng)與流體流的相互作用產(chǎn)生的電水動(dòng)力流還可增加液滴聚合的可能性。AC 及DC場(chǎng)用以在浸沒(méi)電極之間建立勻質(zhì)或異質(zhì)場(chǎng)。靜電分離器在分離小到幾百微米的液滴方 面為有效的;然而，這些分離器對(duì)于中等電場(chǎng)中的更小液滴尺寸為無(wú)效的。
[0015] 盡管靜電分離器顯示出一些前景，但他們也經(jīng)受數(shù)種顯著限制。在常規(guī)電聚合器 中，兩個(gè)電極被浸入到乳化劑中。直接后果是當(dāng)乳化劑中的含水量較高（舉例來(lái)說(shuō)，大于 40wt. % )時(shí)此技術(shù)可能無(wú)法可靠地使用。高含水量可限制施加到電極的電勢(shì)電平，使得即 使是中等的場(chǎng)也可能引起靜電擊穿。即使當(dāng)含水量為中等或較低時(shí)，所分離的水滴往往也 會(huì)以強(qiáng)加場(chǎng)的方向?qū)?zhǔn)本身且跨越電極之間的間隙形成鏈形結(jié)構(gòu)。此鏈的形成可能會(huì)增加 靜電放電及跨越間隙的電弧的可能性。由于圍繞電極的油的化學(xué)分解，靜電放電造成爆炸 風(fēng)險(xiǎn)以及電極或電極覆蓋物的腐蝕及增加的污染物。此外，靜電放電/擊穿可通過(guò)抑制背景 電場(chǎng)的強(qiáng)度、液滴充電的速率及分離器的效率來(lái)降低聚合速率。另外，傳統(tǒng)靜電分離器在水 相具有高含鹽量的情況下會(huì)發(fā)生故障。
[0016] 需要性價(jià)比高、對(duì)具有小液滴尺寸的乳化劑起作用、不論水相的鹽濃度如何都能 起效、及不造成爆炸風(fēng)險(xiǎn)或不需要將化學(xué)添加物添加到乳化劑的分離方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017] 本發(fā)明的各種實(shí)施例涉及用于分離乳化劑或其它混合物的兩種或兩種以上相的 方法及系統(tǒng)。在某些實(shí)施例中，本發(fā)明將凈單極電荷引入到混合物中，使得其中的鄰近液滴 獲得凈單極電荷且出人意料地提高相似相液滴的聚合，借此使混合物失穩(wěn)且產(chǎn)生兩種或兩 種以上固結(jié)液相或提高兩種或兩種以上固結(jié)液相的產(chǎn)生。
[0018] 本文中論述的一些實(shí)施例提供不管分散相的高導(dǎo)電率、不管高含鹽量及/或不管 表面活化劑或其它乳化劑的存在的乳化劑或其它混合物的兩種或兩種以上相的成功分離。 在一些實(shí)施例中，混合物的導(dǎo)電率在lmS/m到lS/m之間或高達(dá)10S/m。本文中描述的系統(tǒng)及 方法適用于多種多樣的導(dǎo)電率范圍。本文中描述的某些實(shí)施例可在無(wú)需電極配置的任何特 別調(diào)整或其它侵入性操縱的情況下分離具有多種多樣的含鹽量及/或表面活化劑含量的各 種各樣的混合物。
[0019] -方面，本發(fā)明提供用于分離混合物(舉例來(lái)說(shuō)，乳化劑）的兩種或兩種以上相的 方法，所述方法包含以下步驟：（a)提供具有凈單極電荷的混合物(舉例來(lái)說(shuō)，使得其中的鄰 近液滴獲得凈單極電荷），借此提高其中的相似相液滴的聚合且產(chǎn)生兩種或兩種以上固結(jié) 相或提高兩種或兩種以上固結(jié)相的產(chǎn)生；以及(b)收集所述兩種或兩種以上固結(jié)相。
[0020] 在某些實(shí)施例中，步驟(a)包含經(jīng)由電暈放電使用離子轟擊所述混合物。
[0021] 在某些實(shí)施例中，步驟(a)包含提供發(fā)射器電極(舉例來(lái)說(shuō)，銳化電極)及收集器電 極，其中至少所述收集器電極(舉例來(lái)說(shuō)，鈍化電極)與所述混合物在物理上接觸且以電暈 放電閾值或超出電暈放電閾值將電勢(shì)差施加于所述發(fā)射器電極與所述收集器電極之間。
[0022] 在某些實(shí)施例中，所述發(fā)射器電極不與所述混合物在物理上接觸。
[0023] 在某些實(shí)施例中，將氣體介質(zhì)(舉例來(lái)說(shuō)，氮?dú)?、氧氣、空氣、氬氣、氦氣等等或不?氣體的任何混合物)定位于所述發(fā)射器電極與所述混合物之間。在一些實(shí)施例中，所述氣體 介質(zhì)為靜止的。在一些實(shí)施例中，所述氣體介質(zhì)為流動(dòng)的。在一些實(shí)施例中，所述氣體流動(dòng) 減少電極的腐蝕，因?yàn)殡姇灧烹姷母碑a(chǎn)品濃度變低。此又顯著地減少針對(duì)本文中論述的系 統(tǒng)及方法須待執(zhí)行的維護(hù)。另外，此增加系統(tǒng)的有用壽命且降低操作成本。所述氣體介質(zhì)可 為任何溫度及壓力。
[0024] 在一些實(shí)施例中，可將電離氣體引入到所述混合物中。塌陷氣泡引起所述氣泡內(nèi) 的氣體的電離。
[0025] 在某些實(shí)施例中，將所述收集器電極接地。在一些實(shí)施例中，用超出接地電平的相 同極性偏置所述收集器電極。在一些實(shí)施例中，所述發(fā)射器電極能量為+15kV，所述收集器 電極可為接地(OkV)或可將所述收集器電極偏置(舉例來(lái)說(shuō))+lkV。
[0026] 在某些實(shí)施例中，所述發(fā)射器電極為銳化電極(舉例來(lái)說(shuō)，一針、多個(gè)針、一刀片或 多個(gè)刀片、細(xì)線或多條線等等）。
[0027] 在某些實(shí)施例中，所述發(fā)射器電極被涂覆及/或紋理化(舉例來(lái)說(shuō)，使用微結(jié)構(gòu)、納 米管(舉例來(lái)說(shuō)，CNT)、納米結(jié)構(gòu)或其它銳化幾何體涂覆及/或紋理化）。
[0028] 在某些實(shí)施例中，所述發(fā)射器電極由對(duì)離子化誘發(fā)的腐蝕有抵抗力的材料組成或 涂覆。
[0029] 在某些實(shí)施例中，所述收集器電極包含從由下列各物組成的群組中選出的一或多 個(gè)構(gòu)件:金屬、硅及具有自然氧化層的硅，及/或其中所述收集器電極涂覆有電介質(zhì)膜(舉例 來(lái)說(shuō)，及/或其中所述收集器電極為含有混合物的襯底，舉例來(lái)說(shuō)，為通道、管、板等等）。在 一些實(shí)施例中，所述收集器電極未涂覆電介質(zhì)膜，舉例來(lái)說(shuō)，在一些實(shí)施例中，所述收集器 電極是裸露的。
[0030] 在一些實(shí)施例中，通過(guò)施加高電壓到針或通過(guò)施加高電壓到混合物通過(guò)反轉(zhuǎn)所述 發(fā)射器電極極性建立混合物與所述發(fā)射器電極之間的電勢(shì)差。在一些實(shí)施例中，所述發(fā)射 器電極為單電極(舉例來(lái)說(shuō)，銳化針、線或工程化表面或其任何組合）。
[0031 ]在一些實(shí)施例中，經(jīng)由連續(xù)AC或DC放電或經(jīng)由脈沖放電將電場(chǎng)施加到混合物。在 一些實(shí)施例中，所述放電為具有時(shí)間滯后放電的兩相、三相或多相放電。在一些實(shí)施例中， 所述放電為直接放電或阻擋放電。
[0032] 在一些實(shí)施例中，基于所述混合物的性質(zhì)(舉例來(lái)說(shuō)，化學(xué)性質(zhì)、物理性質(zhì)）調(diào)整所 施加的電壓。
[0033] 在一些實(shí)施例中，在運(yùn)輸(舉例來(lái)說(shuō)，傳送帶或另一導(dǎo)管上的運(yùn)輸)期間分離所述 混合物。
[0034] 在一些實(shí)施例中，步驟(a)包含提供具有單極電荷的混合物的一部分，所述方法進(jìn) 一步包括:將混合物的帶電部分混合到混合物的剩余部分中，借此提高其中的相似相液滴 的聚合且產(chǎn)生兩種或兩種以上固結(jié)相或提高兩種或兩種以上固結(jié)相的產(chǎn)生：以及(b)收集 所述兩種或兩種以上固結(jié)相。
[0035] 在某些實(shí)施例中，步驟(a)包含注射、噴射或以其它方式將具有凈單極電荷的物質(zhì) (舉例來(lái)說(shuō)，液滴、液浴或液流）引入到混合物中，借此提高其中的相似相液滴的聚合且產(chǎn)生 兩種或兩種以上固結(jié)相或提高兩種或兩種以上固結(jié)相的產(chǎn)生。
[0036] 在一些實(shí)施例中，直接將電荷施加到混合物。在一些實(shí)施例中，間接將電荷施加到 混合物。在一些實(shí)施例中，步驟(a)包含將具有凈單極電荷(舉例來(lái)說(shuō)，在分立過(guò)程中離子 化、在運(yùn)輸?shù)交旌衔锲陂g離子化、在電暈放電室中經(jīng)由電暈放電離子化)的離子化氣體注射 到混合物中。在一些實(shí)施例中，所述離子化氣體穿過(guò)所述混合物。在一些實(shí)施例中，氣體氣 泡的尺寸可減小以增加離子化氣體氣泡與混合物的界面。在一些實(shí)施例中，將所述離子化 氣體從單一位置注射到混合物中或從多個(gè)點(diǎn)注射到混合物中。
[0037] 在一些實(shí)施例中，將所述氣體氣泡從頂部(舉例來(lái)說(shuō)，從混合物上方)注射到混合 物中。在一些實(shí)施例中，將所述氣體氣泡從底部(舉例來(lái)說(shuō)，從混合物下方)注射到混合物 中。
[0038] 在某些實(shí)施例中，步驟(a)包含將混合物引入到具有凈單極電荷的襯底(舉例來(lái) 說(shuō)，具有經(jīng)由摩擦帶電施加的電荷的襯底）。
[0039] 在一些實(shí)施例中，所述單極電荷為正。
[0040] 在一些實(shí)施例中，所述單極電荷為負(fù)。
[0041] 在一些實(shí)施例中，所述混合物，當(dāng)維持凈單極電荷時(shí)，包含具有正及負(fù)電荷的物質(zhì) 的組合(舉例來(lái)說(shuō)，在給定時(shí)間周期其可能會(huì)改變）。
[0042] 在一些實(shí)施例中，步驟(a)包含在經(jīng)由導(dǎo)管運(yùn)輸混合物期間經(jīng)由摩擦帶電施加電 荷，所述導(dǎo)管包括經(jīng)配置以改進(jìn)摩擦帶電充電的涂層。在一些實(shí)施例中，其中步驟(a)包含 通過(guò)凈單極電荷的直接注射、傳導(dǎo)、誘發(fā)及/或其任何組合施加電荷。
[0043] 在某些實(shí)施例中，所述混合物包含多個(gè)液相。
[0044] 在某些實(shí)施例中，所述混合物包含從由下列各物組成的群組中選出的一或多個(gè)構(gòu) 件:顆粒、蛋白質(zhì)、DNA、RNA及細(xì)胞(舉例來(lái)說(shuō)，其中所述混合物包含平穩(wěn)劑(例如顆?；虮砻?活化劑））。
[0045] 在某些實(shí)施例中，所述混合物包含低導(dǎo)電率的液體(舉例來(lái)說(shuō)，絕緣液體或電介質(zhì) 液體，舉例來(lái)說(shuō)，其中所述低導(dǎo)電率液體組成混合物的至少50wt. %)。在某些實(shí)施例中，所 述混合物包含具有高導(dǎo)電率的液體。
[0046] 在某些實(shí)施例中，所述混合物包含水相，且所述水相具有至少約0.5M的含鹽量(舉 例來(lái)說(shuō)，至少約1M、至少約1.5M或至少約2.0M)。
[0047] 在某些實(shí)施例中，在引入凈單極電荷之前，所述混合物包含在直徑方面具有小于 或等于約1000微米的平均液滴直徑(舉例來(lái)說(shuō)，< 500μπι，< 400μπι，< 300μπι，< 100μL?，< 50μ m, < 30μηι, < 20μηι, < ΙΟμπι, < Ιμπι, < 900nm, < 500nm, < 300nm, < 100nm, < 50nm, < 30ηηι,??ξ glOnm)的液滴