阅读说明：本技术 流体净化设备 (Fluid purification device ) 是由 杰拉尔德·弗克斯 于 2018-11-15 设计创作，主要内容包括：一种流体净化设备,其具有容器本体,该容器本体具有在其内间隔开的多个三维开放式结构的(3DOS)基材,其中流过该容器本体的被污染流体将接触该3DOS基材。围绕该容器本体设置的喷嘴,其构造成注入有/没有空气的被污染流体以引发水力空化。基材可以是多孔的和可渗透的,从而使被污染流体能够穿其而过流动,其中穿过孔的流体流动通道扩展了暴露于湍流和空化引发流动条件的被污染流体的体积。此外,3DOS基材可以涂覆有一种或多种类型的催化剂。这样,被污染流体长时间暴露于水力空化形成条件下、以及在多孔表面上发生的化学反应,使得更多数量的有毒物质和不希望有机化合物被破坏和/或改变,从而增强净化能力。(A fluid purification apparatus having a container body with a plurality of three-dimensional open architecture (3DOS) substrates spaced therein, wherein contaminated fluid flowing through the container body will contact the 3DOS substrates. A nozzle disposed about the container body configured to inject a contaminated fluid with/without air to induce hydrodynamic cavitation. The substrate may be porous and permeable to enable contaminated fluid to flow therethrough, wherein fluid flow channels through the apertures expand the volume of contaminated fluid exposed to turbulent and cavitation-inducing flow conditions. In addition, the 3DOS substrate can be coated with one or more types of catalysts. In this way, prolonged exposure of the contaminated fluid to hydrodynamic cavitation-forming conditions, as well as chemical reactions occurring on the porous surface, causes a greater number of toxic substances and undesirable organic compounds to be destroyed and/or altered, thereby enhancing purification capacity.)

流体净化设备

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年11月16日提交的美国临时申请号62/587,043和于2018年3月12日提交的美国临时申请号62/641,677的权益，所述美国临时申请通过援引并入。

技术领域

本发明总体上涉及流体净化，并且更具体地，涉及三维开放式结构化材料用于增强现有流体净化方法的用途。

背景技术

液体(特别是比如水的液体)容易受到有毒物质和其他不希望的有机化合物的污染。因此，在各种行业中使用若干方法来对这种被污染流体进行净化和处理。这些方法包括超声处理、水力空化和/或使用化学反应(特别是在催化剂的辅助下)。

但是，由于物理和/或空间约束，这些现有方法中的若干方法通常在它们的有效性方面受到限制。例如，依赖于流体流动湍流的增加和空化或气体空洞/气泡的发生的水力空化通常限于对发生空化的特定局部区域进行净化。因此，为了产生有效的净化，需要将很大一部分流体流动暴露于空化。另一示例是使用催化剂来引起化学反应，该化学反应破坏或改性这些不希望的化学物质以使它们安全。通常，使用仅可以有效地靶向一部分不希望的化合物的单一或均匀类型的催化剂。

因此，应当理解，仍然需求有效地对液体进行净化，包括增强现有的净化方法以改善对有毒物质和其他不希望的有机化合物的破坏。本发明解决了这种需求和其他需求。

发明内容

简而言之，总的来说，本发明提供了一种流体净化设备，其包含一个或多个三维开放式结构的(3DOS)基材，以促进破坏被污染流体中所含的有毒物质和不希望的有机化合物。该设备可以包括本体，该本体被配置为通过一个或多个配置为引发湍流流动的喷嘴引入被污染流体，其中，被污染流体在流过本体之前接触一个或多个3DOS基材，然后通过出口排出。3DOS基材可以是多孔的和可渗透的，其中孔隙率使得能够扩展暴露于流动湍流的流体流量，进一步引发空化，从而促进有毒物质和不希望的有机化学物质的降解和/或改变。3DOS基材还配置为在其外表面和内表面上引起化学反应。这样，3DOS基材提供了一种增强对被污染流体中所含有毒物质和不希望的有机化合物的破坏的方法。

在示例性实施例的详细方面中，围绕本体设置有一个或多个入口孔，其中可以将相应的喷嘴插入并固定在每个所述入口孔内。每个喷嘴被配置成以引发湍流的方式喷洒被污染流体，同时湍流被引导投射到相应的3DOS基材的内表面和/或外表面上。喷嘴可以具有沿任何方向定向的喷嘴开口，比如平行于或正交于通过3DOS基材的流体流，其中被污染流体通过所述喷嘴开口喷洒。喷嘴也可以具有不同的构造、取向、尺寸，并且还可以在数量和位置上变化，以便改变引导至3DOS基材的喷洒投射并优化对污染流体的净化。

更具体地说，在示例性实施例中，3DOS基材可以由金属合金构成，比如FeCrAl，也称为fecralloy(其包括品牌)。金属合金可以被构造为金属泡沫或者被构造为具有与金属泡沫类似的特性，比如高弹性、拉伸强度和耐热性。这些特性也可以根据所使用的任何其他流体净化手段而变化。3DOS基材还可以配置为取决于开孔尺寸范围为几微米至几毫米的规定孔隙率级别、渗透率级别和弯曲度级别，包括末端开放和末端封闭的孔，如常见的金属和陶瓷泡沫、丝网和其他网状材料所见。孔隙率可以在3DOS基材内限定流体流动路径(流动图案)，从而能够扩展经历湍流流动条件的流体的体积，并且因而增加暴露于流体内的水力空化，从而进一步破坏不希望的和有毒的化学物质。3DOS基材还在其外表面和/或内表面上提供了可以进行化学反应的活性部位，还导致了不希望和有毒化学物质的破坏。3DOS基材也可以配置为多种形状和尺寸，包括圆柱体和/或圆锥端圆柱体，或者成形成接纳来自喷嘴的流体流的片材。

在示例性实施例的详细方面，可以将3DOS基材配置为金属泡沫，其表面经过化学改性，以使在所述表面上发生的化学反应得以增强，这将有助于化学破坏流体流中的有毒化学物质。另外，泡沫材料可以由任何非金属材料构成，比如但不限于陶瓷、比如铝或氧化硅，并且可以是开口孔结构的网状碳或石英。而且，由于有毒物质与改性表面的性质之间的化学或物理相互作用，可以对基材的表面改性以特异性地捕获和除去有毒化学物质。

在示例性实施例的另一个详细方面，可以在3DOS基材上涂覆催化剂，以增强在其外表面和/或内表面上引起化学反应的能力。此外，3DOS基材可以包含选择性催化剂系统，其中在3DOS基材的不同部分涂覆多种不同类型的催化剂，以促进和加速破坏或改变流体特定污染物的不同化学反应。此外，3DOS基材在基材的入口处涂覆有催化剂，其后是涂覆有能够吸收和/或吸附特定化学物质的材料的表面，将最大化去除不希望的污染物。

在示例性实施例的又一个详细方面，流体净化设备可以包括彼此依次联接的多个单独的净化本体，每个净化本体包括：1)被配置为引发水力空化的入口喷嘴，以及2)3DOS基材区段。这样，随着流体依次流过每个净化本体，就增加了暴露于空化形成条件的被污染流体的体积。

在示例性实施例的又一个详细方面，3DOS基材可以包括波纹状和/或光滑的金属带，其缠绕有或没有心轴，提供了与先前使用具有金属泡沫特性的金属合金所描述的相似的效果。金属带可以包括以不同角度放置的波纹状金属带(比如V字形波纹)，穿孔波纹状金属带和不同长度的金属带。

在示例性实施例的又一个详细方面，3DOS基材可以包括缠绕在圆柱体中或作为填充床放置在容器本体内的丝网，从而提供与先前使用金属泡沫或波纹状金属带所描述的相似的效果。

在示例性实施例的又一个详细方面，流体净化设备可以与UV光谱辐射反应室一起使用，其中流体流过反应室，并被来自杀菌UV灯的UV光所瞄准。反应室可以是以石英为壁的，以使UV光能够投射到被污染流体上。此外，3DOS基材可以由石英材料制成，以使UV光持续投射到被污染流体上。3DOS基材可以是有石英珠或颗粒的填充床，也可以是融合在石英支撑柱上的多个石英颗粒的填充床，其中两种方法都可以扩展流体暴露在湍流条件下的体积。

在示例性实施例的又一个详细方面，该系统可以被配置成当流体以连续流或脉冲流穿其而过流动时净化该流体。实施例可包括(1)连续流，(2)脉冲流，或(3)连续流和脉冲流二者。

出于将本发明和现有技术中实现的优点汇总的目的，在此描述了本发明的某些优点。当然，应当理解的是，根据本发明的任何具体实施例不一定都可以实现全部这些优点。因此，例如，本领域技术人员将认识到可以实施或执行本发明，其方式为使得实现或优化如在此所教授的一个优点或一组优点，而不一定实现如在此可能教授或建议的其他优点。

所有这些实施例旨在落入在此披露的本发明的范围内。参照附图，本发明的这些实施例和其他实施例从优选实施例的以下详细说明中对本领域技术人员将变得明显，本发明不局限于任何所披露的特定优选实施例。

附图说明

现在将参照以下附图仅以举例方式来描述本发明的实施例，在附图中：

图1是根据本发明的流体净化设备的侧视剖视透视图，其描绘了被污染流体通过喷嘴进入本体并接触多个3DOS基材。

图2是根据本发明的流体净化设备的侧视剖视透视图，其描绘了喷嘴以不同的取向将被污染流体喷洒到本体中并且撞击到具有圆锥形头部和圆柱形本体的3DOS基材上。

图3是根据本发明的流体净化设备的侧视剖视透视图，其描绘了喷嘴以不同的取向将被污染流体喷洒到本体中并且撞击到具有均匀直径的圆柱形本体的3DOS基材上。

图4是根据本发明的流体净化设备的侧视剖透视图，其描绘了被污染流体流经管道系统并接触3DOS基材，其中喷嘴具有沿与流体流动方向正交的方向定向的喷嘴开口。

图5描绘了具有孔的随机空间构造的开放式单元泡沫结构。

图6描绘了体现为金属泡沫的3DOS基材，其具有组织的孔的空间构造。

图7描绘了根据本发明的流体净化设备，其描绘了入口区段和3DOS基材区段以及连接的管道。

图8描绘了根据本发明的流体净化设备，其描绘了依次布置的多个净化本体，每个净化本体包括入口区段和3DOS基材区段。

图9描绘了穿孔的波纹状金属带，其在缠绕时附接到心轴。

图10描绘了以圆柱形方式缠绕而没有心轴的波纹状金属带。

图11描绘了可以被分层组合并且可以在有或没有心轴的情况下缠绕的穿孔的波纹状金属带。

图12描绘了可以分层组合并且可以在有芯轴或没有芯轴的情况下缠绕的波纹状金属带。

图13描绘了穿孔的波纹状金属带，其中波纹以成角度的V字形的方式对准，并且这种金属带可以分层组合，并且在有或没有心轴的情况下缠绕。

图14是用于流体净化的UV反应室的侧视剖视透视图，该腔室包括入口孔口或文丘里管，用于以湍流方式将被污染流体喷洒到3DOS基材上。

图15是图14的流体净化设备的侧视剖视图，其描绘了3DOS基材，该基板包括附着在石英柱上的石英颗粒，并且在反应室周围设置了UV灯。

图16是图14的流体净化设备的侧视剖视图，其描绘了3DOS基材，该基材包括以填充床方式布置的石英颗粒或珠，并且在反应室周围布置有杀菌UV灯。

图17描绘了用于破坏被污染流体中不希望的生物复合物和物质的光谱中的最佳UV光波长。

图18描绘了针对UV波长的杀菌效力的图形表示，表明了峰值效率。

图19是通过文丘里喷嘴的流体流动的描绘，其描绘了空化气泡路径或轨迹重叠在所得压力轮廓上。

图20是流过孔口的流体的描绘，其描绘了重叠在所得压力轮廓上的空化气泡路径或轨迹。

具体实施方式

现在参照附图特别是参照图1，示出了一种具有本体10的流体净化设备，该本体具有在其中被间隔开的多个三维开放式结构的(3DOS)基材14，其中流过12本体10的被污染流体将接触3DOS基材14。喷嘴16可以插入并固定在围绕本体10设置的入口孔内，并被配置为将具有/没有空气的被污染流体注入28，以引发水力空化18的发生。基材14可以是多孔的和可渗透的，从而使得被污染流体能够穿其而过流动12，其中穿过孔的流体流动通道扩展了暴露于湍流和空化引发流动条件的被污染流体的体积。此外，3DOS基材14可以涂覆有一种或多种类型的催化剂，其中被污染流体与多孔表面之间的相互作用可以引起化学反应。这样，被污染流体长时间暴露于由于水力空化的气态空洞的形成和内爆以及在多孔表面上进行的化学反应，使得更多数量的有毒物质和不希望的有机化合物能够被破坏和/或改变，从而增强流动流体12的净化。

参照图1至图3，示例性实施例描绘了本体(10、40)，其限定外壳，该外壳通过一个或多个喷嘴(16、42、46)接纳被污染流体，这些喷嘴被插入并固定在围绕相应本体设置的入口孔内。每个喷嘴在本体(10、40)和外部流体源(比如管道系统)之间限定流体流动通道。被污染流体流过本体(10、40)，流体的至少一部分流过一个或多个三维开放式结构化基材(14、44、52)之后通过一个或多个出口(例如，图7中的附图标记207)离开本体。流体流动的净位移沿平行于本体(10、40)的纵向轴线(Ax)22的方向。每个喷嘴可以配置为以均匀的方式喷洒被污染流体。附加地或替代地，由于其湍流，实际的流体流动曲线也可能是不均匀的。

在示例性实施例中，流体流动位移是基于(多个)入口孔(16、42、46)和(多个)出口孔(未示出)的位置的，其中流体将从入口孔流到出口孔。附加地或替代地，污染流体在本体内的流动可以是连续的和/或脉动的流动。此外，在附加或替代实施例中，(多个)入口孔可以与用于接纳流体的其他器件(比如其他类型的管装配件)对准或插入该其他器件。本体(10、40)可以包括与纵向轴线22(Ax)平行的纵向区段(24、48)，并且本体可以进一步包括相反端，所述相反端包括第一端(26、50)和第二端(未示出)。本体可以被配置为管状或任何其他形状。

现在参照图1，被污染流体经由围绕容器本体10的纵向区段24设置的注入喷嘴16(插入相应的入口孔内)引入到本体内。每个注入喷嘴16包括喷嘴开口，该喷嘴开口定向成与纵向轴线22正交，并因此被配置成与通过3DOS基材14和容器本体10的流体流动正交地喷洒被污染流体。对于在3.5升/分钟至5.0升/分钟之间的水流量，引入到容器本体内的流体的示例性条件包括范围从0.2MPa至0.55MPa的压力。

相比之下，现在参照图2和图3，本体40包括设置在相反两侧50之一处的平行喷洒注入喷嘴42和设置在纵向区段48上的正交喷洒注入喷嘴46，其中(多个)3DOS基材(44、52)在相应的纵向区段48的规定长度上覆盖本体40和流体通道的截面。图2中的3DOS基材(44)包括圆锥形入口部分，而图3中描绘的3DOS基材(52)是具有均匀直径的圆柱体。可以改变用于任一本体(10、40)的喷嘴的数量和位置，以便以对被污染流体进行最佳净化的方式朝着(多个)相应3DOS基材喷洒流体并且使其撞击基材(下面进一步描述)。

此外，喷嘴的类型和尺寸可以针对每个入口孔(16、42、46)而变化，从而影响3DOS基材净化流体的性能。例如，文丘里喷嘴可以用来促进流体带有增加的湍流地注入/分散。每个喷嘴可以包括喷嘴开口，该喷嘴开口可以是缝、圆锥形的或类似形状，从而可以改变喷洒图案，从而影响流体流动湍流。如前所述，每个喷嘴开口可以被构造成使得流体的流动图案会被引导到3DOS基材，使得流体流动能够投射到3DOS基材的外表面和/或内表面上(在下面进一步描述)。此外，每个喷嘴开口可以被配置为喷洒被污染流体，使得被污染流体在相应的3DOS基材的入口区段上均匀地相互作用。应当理解，在不脱离本发明的情况下，给定的流体净化设备除了包含这种喷嘴的数量和位置的任何组合之外，还可以包含这种喷嘴的尺寸、取向和入口结构的各种组合。

现在参照图4，在替代实施例中，净化组件可以被包括在连续管60(被污染流体在内部流动62)的管区段内，其中管60限定与纵向轴线(Ay)68平行的流体流动路径。净化组件包括一个或多个3DOS基材66和配置有用于增加流体湍流(增加流体湍流可以包括在中压或高压下注入被污染流体和/或空气)的注入喷嘴的入口64。

继续参照图1至4，(多个)3DOS基材(14、44、52、66)可以由刚性的多孔材料构成，其中与3DOS基材的液体相互作用基于孔隙率而增加。开放式结构是基材中空洞体积(即3DOS基材中占据的空洞空间的总体积)的功能。在示例性实施例中，3DOS基材包括金属合金，比如例如可以商品名商购的FeCrAl。金属合金可以被配置为金属泡沫(例如，金属海绵)，或表现出与金属泡沫中所见类似的特性，比如高孔隙率、弹性、拉伸强度和良好的耐热性。附加地或替代地，3DOS基材可以配置有陶瓷泡沫。比如孔隙率、渗透性和弯曲度的特性可以根据从5微米至5毫米范围的开口孔尺寸进行配置。而且，3DOS基材的特性(包括孔隙率)可以关于基材、比如在其长度(例如从入口到出口)上而改变。

在替代或附加实施例中，泡沫材料可以由任何非金属材料构成，比如但不限于陶瓷、比如铝或氧化硅，和/或可以是开口孔结构的网状碳或石英。

在示例性实施例中，3DOS基材可以采用开放式单元孔，其由金属体内的孔的互连网络组成，使流体能够在所述3DOS基材内行进并穿过所述基材。附加地或替代地，单元可以被部分地阻塞，但是没有被完全封闭，从而仍然使流体能够在其中流动。此外，可以将单元随机设置在3DOS基材内(图5)，也可以设置为有组织的配置(图6)。泡沫单元的开放度范围可以从标称每英寸10个孔(ppi)到50ppi，但可以高达100ppi，这取决于泡沫材料的选择和入口操作压力。此外，金属泡沫的相对密度的示例性范围可以在构成3DOS结构的金属密度的2％和15％之间。对于相对ppi和密度，可以在相似范围上采用金属氧化物泡沫结构。相对密度的其他示例性范围可以包括范围在3％和20％之间的陶瓷泡沫和范围在3％和4％之间的碳泡沫。相对密度是3DOS结构(具有指定的孔隙率)的密度除以构成3DOS结构的实心材料(即无孔)的密度。可以基于相对密度确定3DOS结构的孔隙率。

3DOS结构可以进一步配置有从三角形到圆形的各种形状的开口孔结构，从而提供控制和/或引导通过所述3DOS基材的流动图案的手段，这将增强显现入口水力空化的能力。这样，由于由3DOS基材内的开放式结构限定的流体流动图案，处于湍流流动并引起水力空化形成的被污染流体可以配置为以将水力空化延伸到整个3DOS结构的方式通过并离开3DOS基材。因此，形成了附加的减压区域，进一步引发流体内发生水力空化(如下所述)。此外，3DOS基材内的流体流动路径(图案)增加了流体与基材外表面和/或内表面之间的相互作用，从而促进了在所述外表面和/或内表面上发生化学反应和/或吸收/吸附(如下所述)。如前所述，孔或网状结构的互连网络可以进一步构造成具有变化的弯曲度和渗透性，从而影响被污染流体暴露于3DOS基材内的孔的长度和程度，这可以被操纵以增强与基材表面的相互作用。

3DOS基材可以具有不同的形状、尺寸和空洞率，以增强被污染流体和基材表面之间的相互作用，并扩展流体暴露于湍流和/或水力引发条件。如前所述，用于3DOS基材的孔尺寸可以从微米到毫米变化，其中指定的尺寸基于流体速度、粘度和在本体入口处引起水力空化的流体的入口压力。如前所述，示例性入口流动条件可以是对于在3.5升/分钟至5.0升/分钟之间的水流量的0.2MPa至0.55MPa，并且被污染流体的粘度可以类似于水的粘度(lcP，20℃下)。3DOS基材的壁厚可以基于指定的每英寸孔数(ppi)和互连孔的密度来定义，其中，这样的规格也影响给定基材的尺寸和孔隙率(空洞率)。而且，给定的3DOS基材的孔隙率可以在其长度上变化，比如在3DOS基材上的增加、减小或不均匀地变化，从而操纵湍流度和/或在其上进行化学反应的活性位点的数量，例如增加湍流和活性位点的数量。可以通过改变单元配置和泡沫成分来实现这种变化的孔隙率，这可以通过不同的方法来制造，从而引起孔尺寸范围和相对密度的变化。

如前所述，3DOS基材的结构可以是具有均匀直径的圆柱体，如图3所示(52)。作为另一示例，如图1、图2和图4(14、44、66)所见，3DOS基材的结构可以在一端是圆锥形。如果采用圆柱形以外的本体(反应器)设计，则反应器(本体)也可以包含3DOS基材片。应当理解，3DOS基材的结构可以是促进水力空化和支持净化的流体流动湍流的任何形状。此外，可以将3DOS基材配置为限制穿其而过流动的流体产生的背压，以确保为1)流体以一定流量流动和2)在流体内引发水力空化而保持最小驱动力(压差)。

如前所述，3DOS基材可以帮助扩展暴露于水力空化形成条件的流体体积。水力空化是指流体中微气泡的形成、生长和随后的破裂，从而导致在几毫秒内每体积释放大量能量。这种微气泡或气体空洞在流体中的形成可以由局部减压点引发。关于3DOS基材，由于流体流动在相应表面上的阻力，在3DOS基材内的基材壁上的流体速度的组合作用导致在所述壁的下游侧上的压降，从而导致空化形成。周围压力的随后增加导致这些气体空洞的内爆(即破裂的微气泡)，这可能分别导致范围(但不限于)在10MPA至500MPa的局部压力和范围在1000K至10,000K的温度。作为破裂的微气泡条件的结果，可能发生可以改变和/或破坏有毒物质和/或不希望的有机化合物的独特化学反应。化学反应可以部分地由于流体(例如水)形成的自由基和/或由于溶解在流体中(例如水)的微量化学物质而发生。

参照图19和图20，分别示出了在文丘里喷嘴(图19)中和通过孔口(图20)的重叠在压力轮廓上的空化气泡路径或轨迹的描绘。如图19所描绘的，流过文丘里喷嘴的流体导致暴露于低压区域的较大的截面面积，而当流体流过孔口时(图20)，在孔眼周围产生低压区域。

使用水力空化对流体进行净化的有效性取决于流体体积暴露于足够湍流条件的程度。这样，基于1)包含在基材内的互连空洞和2)3DOS基材作为整体对流体流动呈现的半屏障，使用3DOS基材将扩展暴露于这种湍流条件下的流体体积，从而扩展了由入口喷嘴产生的空化形成条件。取决于流动路径内的流速和3DOS基材壁/结构，在3DOS基材内也可能发生连续的空化。

现在参照图7，描绘了示例性净化设备200与管道系统202连接并且被配置为进行实验测试，以评估使用(多个)3DOS基材进行流体净化的有效性。设备200包括2”入口区段204(包括被配置为在流体内引发水力空化的喷嘴(未示出))以及更大的4”区段206(被配置为在其中包含3DOS基材)。连接到设备的管202为1/4英寸。在示例性实验测试中，流过管202和设备200的流体是四种卤代烃的水溶液。通过入口喷嘴204以500gpd的速率和0.00527MPa的压力引入水。实验测试评估了通过以下方法实现的水溶液的净化：1)仅使用由入口喷嘴引发的水力空化，其中流体未遇到3DOS基材；2)引发水力空化，随后使流体流过3DOS基材区段，该区段包括约50ppi的FeCrAl泡沫结构。实验测试的结果如下：

仅水力空化(经由喷嘴)(不具有3DOS基材)

具有3DOS基材的水力空化(经由喷嘴)

测试结果表明，当在流体内(经由入口喷嘴)引发水力空化并随后使流体流经3DOS基材区段时，污染物浓度的降低有所增加。具体而言，如从测试结果中看到的，组合了水力空化和Fecralloy泡沫可明显减少每种卤化污染物，而没有Fecralloy泡沫则无法产生水力空化。泡沫的添加所表现出的作用可以由具有多个空洞或开放式空间(例如以网状形状(即泡沫)、穿孔材料或网状材料中发现的)的几种结构中的任何一种来提供，流体可以流过该空间，具有低压降或从入口到出口的类似压力差，并且经历了水力空化，如上述实验所示。这样，当这种流体以湍流流动和压力差的形式流过一个或多个3DOS基材时，通过扩展湍流的暴露并由此形成水力空化，测试结果为改进的流体净化提供了支持。

现在参照图8，在附加或替代实施例中，流体净化设备208可包括以顺序方式彼此联接的多个分开的净化本体(210、212、214)。第一个(210)和最后一个(214)顺序体可以连接到流体容纳系统，比如管道系统(228、230)，而每对顺序体之间的连接形成穿其而过流动的流体路径。每个净化本体(210、212、214)可以包括具有喷嘴(未示出)的入口(216、220、224)，该喷嘴被构造成当流体进入相应的净化本体时在流体内引发水力空化。此外，每个净化本体(210、212、214)可以包括3DOS基材区段(218、222、226)，当流体流过相应净化本体时，基材区段与流体相遇。这样，顺序地布置这种净化本体(210、212、214)进一步扩展了暴露在空化形成条件下的流体的体积，从而增强了对流体的净化。如图8所描绘的，流过管道系统228的流体通过第一入口216喷嘴进入第一净化本体210，其中，空化形成由第一喷嘴引发、并且当流体流过第一3DOS基材区段218时在流体上延伸。流体离开第一净化本体210，并依次流过第二净化本体(212)和第三净化本体(214)，每个净化本体都通过相应入口(220、224)喷嘴引发空化形成，并通过相应的3DOS基材区段(222、226)在流体中扩展这种空化形成条件。流体在离开第三净化本体214之后进入管道系统230。

继续参照图8，入口喷嘴可以被配置为以在流体内引发空化的均匀分布的方式喷洒流体，并且将流体均匀地分布在相应3DOS基材上。这可以通过将产生水力空化的几种方法中的任何一种来实现，在图19至图20中示出了其两个示例。另外，在进入第一净化本体之前，管道系统中的流体的压力足够高，以考虑所有净化本体上的压降，并满足净化设备208排出时的最低要求压力(即最后一个顺序净化本体下游的管道系统中的压力)。每个净化本体上的压力损失可以包括当流体流过相应的入口喷嘴时的压降以及相应的3DOS基材上的压降。

在附加或替代实施例中，3DOS基材可以帮助提供额外的活性位点，使不希望的化学物质能够进行化学反应并在过程中被破坏或改变。这样的反应的示例包括催化反应，即通过涂覆在基材上的催化剂加速的化学反应。此外，3DOS基材可以采用选择性催化剂体系，其中将不同类型的催化剂应用于给定基材的不同区域。这使得给定的3DOS基材可以特异性地针对在先前给定类型的催化剂的作用下未受伤害或仍具有毒性的不希望的有毒物质和/或有机化合物。例如，可以将一种类型的催化剂涂覆在3DOS基材上以在基材的入口处引起化学反应，而将不同类型的催化剂涂覆在同一3DOS基材的另一端，以针对剩余的或生成的不想要的化学物质和化合物引起不同的化学反应。

可以涂覆或喷涂(或粘结)在3DOS基材表面上的此类催化剂/材料的示例包括氧化物，比如钙钛矿、氧化铝和/或类似材料，它们可以充当有害或有毒物质可以需要较低的能量来激活(用于化学反应)或导致吸附/吸收的活性表面，并进一步增强有害/有毒物质的相互作用。附加的催化剂示例将包括将催化物质比如贵金属或非贵金属物质施加到涂覆的表面上，其中涂覆的表面可以是氧化铝或类似的催化剂载体材料。另外或替代地，可以将氧化物或类似材料涂覆或喷涂(或粘结)在基材的表面上，以充当可以掺入催化剂以降低活化能的表面，同时可以喷涂或涂覆另一种材料以增强催化剂的活性。在改性的金属泡沫表面3DOS基材上发生的反应的示例可以是氧化物表面、溶解的氧和/或有毒烃之间的氧化反应，类似于任何催化烃氧化过程。

在又一个实施例中，仅给定的3DOS基材的入口可以被施加催化剂以加速化学反应。替代地，给定基材的剩余表面可以涂覆或处理有会吸收或吸附在催化位点处产生的物质和/或化合物的材料，以完成不希望的有害物质和/或有机化合物的去除过程。沸石和金属有机骨架(MOF)化学物质是可以涂覆在基材上的材料的示例，这些材料将有助于这种吸收和/或吸附。

应当理解，可以将3DOS基材与现有流体净化方法的任何组合一起使用。例如，可以一起使用3DOS基材，其中同时一起使用所有的水力空化、超声处理、催化反应和吸收/吸附。

在替代或附加实施例中，用于每个入口的喷嘴可以被构造成通过以中压或高压向被污染流体中注入空气来增加流体的湍流，从而导致投射到每个3DOS基材表面上的液滴、空洞和/或压力变化区域。当喷嘴喷入被污染流体时将空气包含在入口喷嘴中，有助于在流体穿其而过流动基材时与3DOS基材内的空洞区域相结合。这样，通过增加流体的湍流，这样的喷嘴使得能够：1)通过直接喷洒到3DOS基材上来引发水力空化的形成，以及2)增加被污染流体和3DOS基材之间的相互作用，从而使涉及不希望化学物质的化学反应得以进行。可以从外部空气供应中接收空气，然后将其注入液体给送流中。

参照图9至图13，也可以使用通过几种方法中的任何一种产生的波纹金属结构，包括但不限于缠绕的波纹状和/或光滑的金属条，代替构造成金属泡沫的金属合金，或者结合这种金属泡沫。同样地，可以采用结合了一系列缠绕的波纹状和/或光滑的金属带的整体件来代替金属泡沫，以达到与先前已经描述的金属泡沫相同的目的。整体件可以以心轴120(图9)缠绕或不以心轴缠绕(图10)，并且可以缠绕到与容器内部或管道直径匹配的给定尺寸(类似于图3所示的3DOS基材(52))。而且，金属带可以以不同的构型沿着心轴或单元中心缠绕，例如来自以相反角度对准的不同金属带的波纹，不同长度的金属带和/或使用长度/角度交替的带。可以缠绕的金属带的类型包括波纹状的金属带层(图12)或类似变形的金属带、穿孔的波纹状金属带层(图11)和/或波纹或变形不嵌套在一起的层，即，波纹/变形不会一起塌陷，从而保持期望的原始开放式结构(在金属带层之间)，从而使得可以不需要光滑的金属条。此外，可以将金属带以一定角度波纹状地使用，例如以V形(图13)或人字形的形式使用，穿孔可以随机地或均匀地就位，或者可以在片材的区段内变化。在替代实施例中，波纹状和/或成角度的波纹状金属带可以层叠在彼此顶部而不是缠绕在心轴上，其中金属带分层而不嵌套。波纹角可以变化以对应于变化的每英寸孔数(ppi)，即，从大ppi到小ppi。可以采用对波纹状金属整体件表面的处理以保持先前所述的金属泡沫的性能，包括催化表面和吸附/吸收表面。此外，可以使用前述使用波纹状和/或光滑的金属带、变化的角度、金属带长度等的任何组合来操纵获得的净化程度。在任何情况下，如果采用泡沫或分层带，则本体(反应器)的整个截面都完全暴露于3DOS基材，以消除流动液体不流过3DOS基材的任何可能的旁通。

此外，金属带的替代物可以是使用丝网，而丝网也可以被缠绕成具有各种形状和构造的圆柱体，所述圆柱体以与通过金属泡沫的流动相似的方式导致混乱的流入和穿过床的流动。替代地，可以实施丝网以形成丝网的填充床，以提供期望的三维开放式结构。同样地，这些表面可以以与金属泡沫表面和金属带所述类似的方式改变，以增强催化和吸附/吸收特性，包括在给定区段的长度上变化的特征。

现在参照图14，描绘了根据本发明的流体净化设备的替代实施例，其包括反应室100和设置在反应室100的区段内的3DOS基材106。该反应器可以包括金属和/或紫外线(UV)透明材料，例如石英102。将石英102用于反应室和基材两者使得UV光谱辐射能够暴露给其中流动的流体，其中UV灯/光源可以位于反应器的外部和周围。这样，石英反应器的整个外表面暴露于UV辐射。

可能希望使流体暴露于UV光谱辐射，以破坏流体中发现的生物物质和/或非常稳定的有机化合物。用于有效破坏这种生物物质和/或稳定的有机化合物的UV波长范围在图17和18中描绘。这种UV光谱辐射可以通过使用石英壁反应器来实现，该反应器将使来自杀菌UV灯的无阻碍的UV光穿透流动的流体。

通过与同3DOS基材相结合的空化过程(以湍流方式注入流体)组合，在存在UV光的情况下，可以完成对这些不希望物质的破坏。但是，如前所述，由于希望允许UV光在穿过3DOS结构时穿入并贯穿整个流体，因此所述3DOS的材料选择将是石英，而不是上面介绍的材料选择(比如金属合金)。现在参照图15至图16，石英3DOS可以采取以下形式之一：1)石英颗粒114(比如珠、碎片或小球)的填充床(图16)；或者2)实施将石英颗粒108刚性地保持在固定位置的结构110(图15)。两种方法都将达到相同的目的，将空化的增强、曲折的流体流动路径以及持续暴露于杀菌UV灯112的UV光中结合起来。此外，在任何一种方法中，石英3DOS都可以包含多孔结构。现在参照图14，石英3DOS结构可以被配置成将装配116在反应器内用于各个O形环垫圈的端板的凹槽内，并且与入口孔口或文丘里管104对准，从而在反应器的入口处实现水力空化。

从前述内容应该理解，本发明提供了一种流体净化设备，其具有本体，该本体具有在其内间隔开的多个三维开放式结构的(3DOS)基材，其中流过本体的被污染流体将接触该3DOS基材。可以将喷嘴插入并固定在设置在本体周围的入口孔内，并配置为注入有/无空气的被污染流体，以引发水力空化的发生。基材可以是多孔的和可渗透的，从而使被污染流体能够穿其而过流动，其中穿过孔的流体流动通道扩展了暴露于湍流和空化引发流动条件的被污染流体的体积。此外，3DOS基材可以涂覆有一种或多种类型的催化剂，其中被污染流体与多孔表面之间的相互作用可以引起化学反应。这样，被污染流体长时间暴露于由于水力空化的气态空洞的形成和内爆以及在多孔表面上进行的化学反应，使得更多数量的有毒物质和不希望的有机化合物能够被破坏和/或改变，从而增强流动流体的净化。

已经根据当前优选实施例对本发明进行描述，这样使得可以传达对本发明的理解。然而，存在可应用于本发明的未具体描述的其他实施例。因此，本发明不应当视为受限于所示出的形式，这些形式应当被认为是说明性而非限制性的。

尽管已经仅参照示例性实施例详细地披露了本发明，本领域技术人员将理解的是，可以提供各种不同的其他实施例而不脱离本发明的范围以包括本文讨论的特征的任何和所有组合。