用于相分离的电吸附空化装置和方法
阅读说明：本技术 用于相分离的电吸附空化装置和方法 (Electro-adsorption cavitation device and method for phase separation ) 是由 迪派克·M·科帕莱尼 于 2018-03-13 设计创作，主要内容包括：本文提供了一种用于对含水混合物进行相分离的相分离装置和方法。所述装置和方法可包括用于对含水混合物进行空化以产生空化含水混合物的空化部件；和用于对空化含水混合物进行电吸附相分离的电吸附部件。这种装置和方法可用于含水混合物的相分离,该含水混合物例如包括藻类含水混合物和/或矿山水或废水含水混合物。(A phase separation apparatus and method for phase separating an aqueous mixture is provided. The apparatus and method may include cavitation means for subjecting the aqueous mixture to cavitation to produce cavitated aqueous mixture; and an electro-adsorption member for performing electro-adsorption phase separation of the voided aqueous mixture. Such apparatus and methods may be used for phase separation of aqueous mixtures including, for example, algae aqueous mixtures and/or mine or wastewater aqueous mixtures.)
技术领域
本发明总体涉及含水混合物的相分离装置和方法。更具体地说，本发明涉及一种使用电吸附空化的相分离装置和方法。
背景技术
许多工业过程涉及一个或多个相分离步骤，在这些步骤中处理含水混合物以分离亲水和疏水相或组分，和/或分离出存在于含水混合物中的污染物、所需产品或其他组分。例如，在藻类处理领域中，从在水相环境中培养的藻类提取藻类脂质或油质。例如，相分离也作为废水管理作业的一部分进行，并在工业采矿作业中进行。
含水混合物的脂质提取和/或相分离可能成本很高，很耗时，和/或可能需要很高能量。举例来说，藻类生物燃料生产通常涉及细胞破碎、收获、脱水和脂质提取步骤。这种收获和脱水通常涉及过滤、反渗透、电凝-电絮凝(EF-EC)、离心和/或转鼓干燥以进行浓缩、以及涉及使用压力、应力、热量或溶剂处理进行藻类破碎或转化的脂质提取。
目前，诸如高压均化器或超声处理等机械和高能细胞破碎方法通常涉及大约每公斤干质量数百兆焦的能量输入。在将生物质浓缩到至少10wt％之后的热量型方法也可在消耗生物质的同时造成较低燃料质量，使得其他可能有价值的产品的回收复杂化。另外，许多实验室工艺方法不易扩大规模，难以进行商业或中试规模的生物燃料生产。
以前曾经使用过水力空化(HC)进行细胞破碎，但是通过HC进行细胞破碎是周质性的，因此主要局限于细胞壁和细胞膜，并且涉及在HC过程之后使用溶剂进行提取和用于分离各相的附加设备操作。
需要一种用于水性混合物的相分离的替代、附加和/或改良装置和/或方法。
发明内容
在一些实施例中，本发明提供了一种使用电吸附空化对含水混合物进行相分离的装置和方法。含水混合物的空化可用于产生空化含水混合物，可对该空化含水混合物进行电吸附，从而实现含水混合物的相分离。如本文所述的这种空化和电吸附的组合可用于实现各种不同含水混合物的相分离，包括藻类含水混合物和/或采矿或废水含水混合物等。
在一个实施例中，本发明提供了一种用于进行含水混合物的相分离的相分离装置，所述装置包括：
用于对含水混合物进行空化以产生空化含水混合物的空化组件；和用于接收空化含水混合物并对空化含水混合物进行电吸附相分离的电吸附组件。
在上述装置的一个实施例中，该装置可以是用于进行含水混合物的相分离的脂质提取和相分离装置，所述装置包括：
用于对含水混合物进行空化以产生带有提取的脂质的空化含水混合物的空化组件；和
用于接收空化含水混合物并对空化含水混合物进行电吸附相分离的电吸附组件。
在上述一种或多种装置的另一个实施例中，该空化含水混合物可包括含有蒸汽(vapour)的空化空隙，并且空化含水混合物的电吸附相分离可包括电吸收蒸汽泡的产生。
在上述一种或多种装置的另一个实施例中，该电吸附组件可执行电吸附相分离，包括微浮选。
在上述一种或多种装置的另一个实施例中，该空化组件可包括切向流动的含水混合物入口、与该入口连通的涡流稳定器、以及与该涡流稳定器连通的喷嘴，该喷嘴包括与电吸附组件连通的渐扩出口。
在上述装置的另一个实施例中，该涡流稳定器可包括涡流稳定器芯件，该涡流稳定器芯件包括具有纵向狭缝的锥形部分，该锥形部分使涡旋的含水混合物离开涡流稳定器并进入喷嘴。
在上述一种或多种装置的另一个实施例中，该喷嘴可包括具有长度L和直径d的限流通道，其中该限流通道接收含水混合物，并将含水混合物导向渐扩出口。
在上述装置的另一个实施例中，该限流通道可具有约0.005-0.02的d/L比。
在上述一种或多种装置的另一个实施例中，该d可约为0.03-0.0625英寸。
在上述一种或多种装置的另一个实施例中，该渐扩出口可包括锥形通道，该锥形通道朝电吸附组件逐渐变宽，具有约30°-45°的渐扩角。
在上述一种或多种装置的另一个实施例中，该渐扩出口的直径与长度之比可约为0.1875-0.3。
在上述一种或多种装置的另一个实施例中，该电吸附组件可包括阴极和阳极，阴极形成限定内芯的外壳，阳极布置在内芯内。在一些实施例中，该阴极可包括具有中央芯的导电螺旋管，该阳极可包括布置在该中央芯内的导电构件。在一些实施例中，该阴极可包括纵向管、线圈、螺旋或其他适当的结构，并且可限定具有纵轴的内芯，该阳极沿着该纵轴布置。该阴极可以是基本上连续的，或者可包括一系列串联的纵向取向的独立构件。
在另一个实施例中，该阴极可包括导电螺旋线圈或管，该导电螺旋线圈或管包括两匝或更多匝，其中每匝与阳极结合可形成不同的电化学电池。在一些实施例中，该阴极可包括串联地排列的环阵列，每个环与电极结合形成不同的电化学电池。在本申请的教导的基础上，本领域技术人员能知道适当的阴极/阳极配置，并且能够选择适合于特定应用的适当阴极/阳极配置。
在上述一种或多种装置的另一个实施例中，该阴极可包括碳基纤维导电材料、阳极氧化铝、二氧化钛、黄铜或不锈钢。
在上述一种或多种装置的另一个实施例中，该装置可竖直布置或倾斜布置，从而电吸附组件在其下端接收空化含水混合物，并随着空化含水混合物朝电吸附组件的上端移动而对空化含水混合物进行电吸附相分离，该上端相对于该下端是抬高的。在一些实施例中，该空化含水混合物可离开电吸附组件的上端，并被收集在浮选槽或其他相分离槽中。
在上述一种或多种装置的另一个实施例中，该电吸附组件可包括阴极和阳极，阴极形成限定内芯的外壳，并且阳极布置在内芯内。
在上述一种或多种装置的另一个实施例中，该阴极可包括连续的导电构件。
在上述一种或多种装置的另一个实施例中，其中该阴极可包括多个串联的纵向排列的独立导电构件。
在另一个实施例中，该阴极可包括管、螺旋或线圈。在另一个实施例中，该阴极可包括两个或更多管、螺旋、线圈或环、或者它们的组合。在另一个实施例中，该管、螺旋或线圈可限定螺旋体，该螺旋体包括两匝或更多匝，其中每匝与阳极结合形成不同的电化学电池。在另一个实施例中，该阴极可包括串联地排列的两个或更多间隔开的环，这些环与该阳极结合形成多个不同的电化学电池。
在一些实施例中，本发明提供了一种用于对含水混合物进行连续相分离的方法，所述方法包括：
对含水混合物进行空化以产生空化含水混合物；和
对空化含水混合物进行电吸附相分离。
在上述方法的另一个实施例中，该对含水混合物进行空化在空化含水混合物中产生含有蒸汽的空化空隙，并且其中该空化含水混合物的电吸附相分离引起电吸收蒸汽泡的产生。
在上述一种或多种方法的另一个实施例中，该电吸附相分离可包括微浮选。
在上述一种或多种方法的另一个实施例中，该空化步骤可包括使含水混合物通过如上文所限定的空化组件。
在上述一种或多种方法的另一个实施例中，该进行电吸附相分离的步骤可包括使空化含水混合物通过如上文所限定的电吸附组件。
在上述一种或多种装置之中的任何一个的另一个实施例中，该含水混合物可包括微藻培养物。在一些实施例中，该微藻培养物例如可包括v小球藻(Chlorella vulgaris)藻类生物质、栅藻(Scenedesmus)藻类生物质、或者它们的组合。
在上述一种或多种方法之中的任何一个的另一个实施例中，该含水混合物可包括微藻培养物。在一些实施例中，该微藻培养物例如可包括v小球藻藻类生物质、栅藻藻类生物质、或者它们的组合。
在上述一种或多种装置的另一个实施例中，该电吸附相分离可包括藻类脂质提取。
在上述一种或多种方法的另一个实施例中，该电吸附相分离可包括藻类脂质提取。
附图说明
图1示出了如本文所述的相分离装置的一个实施例的透视图，其中空化和电吸附组件的外表面被制为透明的，以示出装置的内部部件；
图2示出了图1所示装置的前视平面图，其中空化和电吸附组件的外表面被制为透明的，以示出装置的内部部件；
图3示出了图1所示装置的空化组件的透视图，其中空化组件的外表面被制为透明的，以示出装置的内部部件；
图4示出了图1所示装置的空化组件的前视平面图，其中空化组件的外表面被制为透明的，以示出装置的内部部件；
图5的A示出了图1所示装置的电吸附组件的导电螺旋线圈阴极的前视平面图；图5的B示出了图1所示装置的电吸附组件的棒状阳极的前视平面图；图5的C示出了图1所示装置的电吸附组件的外壳的前视平面图；图5的D示出了图1所示装置的组装好的电吸附组件的透视图；
图6的A示出了图1中所示装置的电吸附组件的阳极分离器部件的侧视图，图6的B示出了该部件的透视图，图6的C示出了该部件的前视图，图6的D示出了该部件的侧视平面图；
图7的A示出了图1所示装置的空化组件的涡流稳定器的透视图，图7的B示出了该部件的侧视图，图7的C示出了该部件的侧视图，图7的D示出了该部件的前视平面图；
图8的A示出了图1所示装置的空化组件的喷嘴的透视图，图8的B示出了该部件的侧视图，图8的C示出了该部件的侧视图，图8的D示出了该部件的前视平面图；
图9的A示出了图1所示装置的空化组件的法兰的透视图，图9的B示出了该部件的侧视图，图9的C示出了该部件的侧视图，图9的D示出了该部件的前视平面图；
图10的A示出了图1所示装置的空化组件的涡流稳定器芯件的透视图，图10的B示出了该部件的侧视图，图10的C示出了该部件的侧视图，
图10的D示出了该部件的后视平面图；
图11示出了小尺寸和大尺寸涡流稳定器芯件的示例；
图12示出了空化组件的实施例的喷嘴部分的小尺寸、中尺寸和大尺寸渐扩出口的示例；
图13的A和B示出了电吸附过程和电凝过程的示例性对比；
图14示出了可能需要相分离的含水混合物的实例、以及通常与之相关的工业或商业操作；
图15示出了使用如示例2中所示的2.5克/升藻类培养物的电吸附过程的实验设置，其中发生了明确的相分离；
图16示出了如示例2中所示的使用添加了30毫升/升盐酸的2.5克/升藻类培养物的电吸附过程的实验设置，其中发生了明确的相分离；
图17示出了如示例2中所示的使用添加了8毫升/升盐酸的2.5克/升藻类培养物的电吸附过程的实验设置，其中发生了明确的相分离；
图18示出了如示例2中所示的使用添加了2毫升/升再加7毫升/升盐酸的2.5克/升藻类培养物的电吸附过程的实验设置，其中发生了明确的相分离；
图19示出了如示例2中所示的使用2.5克/升藻类培养物的电吸附空化过程的实验设置，该藻类培养物是通过使用空化系统在1200psi(8375kPa)压力下添加10mL盐酸并在31V和1.45A下进行电吸附处理的，其中发生了明确的相分离；
图20示出了如示例2中所示的使用2.5克/升藻类培养物的电吸附空化过程的实验设置，该藻类培养物是通过使用1升批量系统在750毫升培养物中添加10mL盐酸并在31V和1.45A下进行电吸附处理的，其中发生了明确的相分离；
图21示出了如示例2中所示的使用2.5克/升藻类培养物的电吸附过程的实验设置，该藻类培养物是通过使用1升批量系统在750毫升培养物中添加0.5mL盐酸并在31V和1.45A下进行电吸附处理的，其中发生了明确的相分离；
图22示出了如示例2中所示的使用2.5克/升藻类培养物的电吸附空化过程的实验设置，该藻类培养物是通过使用1升批量系统在750毫升培养物中添加1.5mL盐酸并在31V和1.45A下进行电吸附处理的，其中发生了明确的相分离；
图23-29示出了在示例2中进行的试验中的实验设置和产生的处理样品；
图30-45示出了在示例3中进行的试验中的实验设置和产生的处理样品；
图46示出了在示例5中进行的试验中藻类培养物、空化试验设置、低压空化设置和处理后得到的处理藻类产物；
图47-52示出了在示例6中进行的试验中的实验设置和产生的处理样品；
图53是使用电吸空化从s小球藻(Chlorella sorokiniana)提取脂质后脂质产量与生物质浓度的函数关系图；
图54的A示出了未处理样品中低脂质产量藻类的显微照片；图54的B示出了使用电吸附空化处理的样品-反映出了全部团聚；图54的C示出了采用较长停留时间时的空化处理样品；图54的D示出了仅使用电吸附处理的样品-反映出了有限的团聚；
图55示出了使用氧化处理方法和电吸附空化处理以除硒的一系列煤矿水样品的紫外-可见光谱；
图56示出了使用连续电吸附空化与在独立过程中进行电吸附和空化相比的生物质分析显微照片：图56的A示出了0.5克/升A族布朗葡萄藻原料；图56的B仅示出了喷嘴；图56的C示出了独立的喷嘴->电极(含水混合物流过)；图56的D示出了独立的喷嘴->电极(泡沫)；图56的E示出了集成的喷嘴+电极(含水混合物流过)；图56的F示出了集成的喷嘴+电极(泡沫)；图56的G示出了集成的喷嘴+电极(含水混合物沉降)；
图57示出了使用连续电吸附空化与在独立过程中进行电吸附和空化相比的生物质样品分析照片：图(1)示出了原料，图(2)示出了空化输出(仅有喷嘴)，图(3)示出了进行空化并停留5分钟时间，然后进行电吸附(独立的喷嘴+电极)，图(4)示出了电吸附空化(集成的喷嘴+电极)；
图58示出了冶金煤炭影响的出水中由强碱阴离子交换引起的快速硒浓度提高；和
图59示出了用Adsorbia As 600吸附剂进行吸附处理对含硒污水浓度没有显著影响。
具体实施方式
本文说明了一种使用电吸附空化对含水混合物进行相分离的装置和方法。含水混合物的空化可用于产生空化含水混合物，可对该空化含水混合物进行电吸附，从而实现含水混合物的相分离。举例来说，在一些实施例中，本文所述的装置和方法可用于从含脂质的含水混合物(例如藻类含水混合物)中提取脂质。在这种实施例中，含水混合物的空化可产生包含藻类生物质、脂质和水的空化含水混合物，可对该空化含水混合物进行电吸附。本领域技术人员应理解，所提供的实施例和示例仅是出于示例性目的，并不意味着以任何方式进行限制。
在一个实施例中，本发明提供了一种用于进行含水混合物的相分离的相分离装置，所述装置包括：
用于对含水混合物进行空化以产生空化含水混合物的空化组件；和用于接收空化含水混合物并对空化含水混合物进行电吸附相分离的电吸附组件。
在另一个实施例中，本发明提供了一种用于对含水混合物进行连续相分离的方法，所述方法包括：
对含水混合物进行空化以产生空化含水混合物；和
对空化含水混合物进行电吸附相分离。
应理解，该含水混合物可以是包括水和一种或多种待从中分离的适当组分的任何适当的含水混合物。举例来说，适当的含水混合物可包括藻类含水混合物和/或采矿或废水含水混合物。在一些实施例中，该含水混合物可包括工业废水或工业采矿废水。该含水混合物例如可包括海藻、淡水藻类、微藻类、胶质废水、矿藏污水、金矿污水、水泥矿污水和/或来自金矿处理和精炼作业、冶金煤炭生产、其他适当的采矿水应用和/或城市污水处理的废水。在本文的教导基础上，本领域技术人员能知道可能需要相分离的适当含水混合物。图14提供了可能需要相分离的含水混合物的一些实例、以及通常与之相关的工业或商业操作。
在此已考虑到，在一些实施例中，该含水混合物可包括可能需要对其进行以下处理的含水混合物：可能需要去除含氧阴离子，例如砷和硒；可能需要从污水回收碱和/或贵金属；可能需要消除氰化物；可能需要除氨；可能需要通过发酵过程进行水处理；可能需要从油中去除污染物；和/或可能需要对木质纤维素生物质进行预处理。
应理解，相分离可包括含水混合物组分的任何适当的分离，并且可涉及部分、基本或完全的相分离。在一些实施例中，可将水性混合物中存在的疏水性组分和/或具有低水溶性的组分与水部分地分离。举例来说，相分离可涉及形成单独的疏水性(即油质、脂类或油性)层和亲水性(即水)层，或从含水混合物隔离/提取疏水性(即油质、脂质、烃类)组分，或隔离/提取在水中具有较低或降低的溶解度的混合物组分，或在电吸附组件的相应阴极或阳极部分上收集混合物组分，例如金属或其他阳离子/阴离子(可选地被氧化)和/或脂质和/或其他疏水性组分，或者它们的任何组合。
在一些实施例中，如本文所述的相分离装置可与一种或多种常规分离系统流体连通，其中经过处理的液体离开相分离装置并进入常规分离系统，以进一步进行相分离和/或隔离。举例来说，如本文所述的相分离装置可与一个或多个沉降室、浮选槽或撇渣槽流体连通(例如参见美国专利8,968,571，该专利的内容通过完整引用结合在此)这些装置从如本文所述的相分离装置接收处理过的样品，并允许对其进行进一步的相分离。
本领域技术人员应认识到，例如，在一些实施例中，可使用如本文所述的相分离来分离和/或隔离给定含水混合物的特定组分，和/或从给定含水混合物提取/去除特定污染物。在一些实施例中，相分离可涉及从含水混合物提取所需组分，例如藻类脂质/油质、木质纤维素材料或贵金属。在一些其他实施例中，相分离可涉及通过去除一种或多种疏水或金属污染物来对废水进行再生。应认识到，通过相分离从含水混合物中提取或分离的组分取决于所用的特定含水混合物、以及含水混合物和/或从其分离的组分的特定下游应用。
该空化组件可以是能够接收待处理的含水混合物并对该含水混合物进行空化以产生空化含水混合物的任何适当的组件。应理解，空化组件可处理(即，空化)含水混合物，以在含水混合物中形成含有蒸汽的空化空隙。在一些实施例中，不管具体理论是什么，至少一部分这样的空化空隙可能会坍缩，从而产生可有助于电吸附组件中的电吸附相分离的核心，如下文所进一步详述。应理解，在一些实施例中，空化组件可包括喷嘴，在该喷嘴中接收含水混合物，并将含水混合物导向渐扩出口部分，如下文所进一步详述。在本文的教导基础上，本领域技术人员能知道适当的空化组件设计，并且能够为特定应用选择适当的空化组件。
例如，在要处理藻类含水混合物的情况下，空化组件的空化可能导致藻类细胞的至少一定程度的破坏或破裂，从而暴露出所需的藻类组分(例如藻类脂质)，这些藻类组分可能聚集在空化空隙上。例如，在处理采矿废水含水混合物的情况下，空化组件的空化和空化空隙的形成/坍缩作用可能导致形成至少一些羟基自由基，这些羟基自由基可能氧化采矿废物中的金属(即，高级氧化(AOP)过程)，从而改变金属溶解度和/或制备用于电吸附组件中的阴极附着的金属。应理解，在一些实施例中，通过本文所述的处理，可改变含水混合物的化学需氧量(COD)。
在一些实施例中，空化组件可包括切向流动的含水混合物入口、与该入口连通的涡流稳定器、以及与该涡流稳定器连通的喷嘴，该喷嘴包括与电吸附组件连通的渐扩出口。切向流动的含水混合物入口和涡流稳定器可使进入喷嘴的含水混合物发生漩涡或螺旋流动。喷嘴部分可接收螺旋流动的含水混合物，并将混合物导向渐扩出口部分，如下文所进一步详述。在一些实施例中，涡流稳定器可包括涡流稳定器芯件，该涡流稳定器芯件包括具有纵向狭缝的锥形部分，该锥形部分使涡旋的含水混合物离开涡流稳定器并进入喷嘴。
在一些实施例中，空化组件可包括喷嘴，该喷嘴可包括具有长度L和直径d的限流通道，其中该限流通道接收含水混合物，并将含水混合物导向渐扩出口。在另一个实施例中，该限流通道例如可具有大约0.005-0.02的d/L比。在另一个实施例中，d例如可以是大约0.03-0.0625英寸。在另一个实施例中，渐扩出口可包括锥形通道，该锥形通道朝电吸附组件逐渐变宽，例如具有大约30°-45°的渐扩角。在另一个实施例中，渐扩出口例如可具有大约0.1875-0.3的直径与长度比。
电吸附组件可以是可接收空化含水混合物并进行空化含水混合物的电吸附相分离的任何适当组件。应理解，电吸附组件可包括阴极和阳极，含水混合物的某些组分可附着或聚集在该阴极和阳极上，从而促进它们与含水混合物的分离等。在一些实施例中，不管具体理论是什么，电吸附组件可通过高级氧化过程在空化含水混合物中倍增空化空隙，从而实现电吸附蒸汽泡的产生。在一些实施例中，这种电吸附蒸汽泡的产生可通过微浮选促进相分离。在本文的教导基础上，本领域技术人员能知道适当的电吸附组件设计，并且能够为特定应用选择适当的电吸附组件。
例如，在一些实施例中，该电吸附组件可包括阴极和阳极，阴极形成限定内芯的外壳，阳极布置在内芯内。举例来说，该阴极可包括具有中央芯的导电螺旋管，该阳极可包括布置在该中央芯内的导电构件。在一些实施例中，该阴极例如可包括纵向管、线圈、螺旋或其他适当的结构，并且可限定具有纵轴的内芯，该阳极沿着该纵轴布置。该阴极可以是基本上连续的，或者可包括一系列串联的纵向取向的独立构件。在另一个实施例中，该阴极可包括导电螺旋线圈或管，该导电螺旋线圈或管包括两匝或更多匝，其中每匝与阳极结合可形成不同的电化学电池。在一些实施例中，该阴极可包括串联地排列的环阵列，每个环与电极结合形成不同的电化学电池。在本申请的教导的基础上，本领域技术人员能知道适当的阴极/阳极配置，并且能够选择适合于特定应用的适当阴极/阳极配置。
例如，在要处理藻类含水混合物的情况下，通过电吸附组件进行的电吸附相分离可导致藻类脂质/油质在电吸附组件的阴极部分的表面上的至少一定程度的附着和/或聚集。不管具体理论是什么，可以认为藻类脂质/油质可能积聚在空化空隙、核心和/或在空化和/或电吸附组件的作用下产生的其他空隙或蒸汽泡上，然后可能附着于电吸附组件的阴极部分。附着于阴极的附着有藻类脂质或油质的空化空隙和/或其他空隙或蒸汽泡的坍缩可进一步促进阴极处的藻类脂质或油质凝集或团聚。然后可从阴极回收藻类脂质或油质，和/或例如可通过浮选或其他密度分离方法回收藻类脂质或油质。举例来说，可使离开电吸附组件的液体发生相分离，并且可收集富含脂质的层。在一些实施例中，电吸附组件中的电吸收蒸汽泡的产生可通过相分离作用促进相分离，尤其是在通过调节在电吸附组件处施加的压力、流量和/或能量而产生藻类大小的气泡(即，大约2-5微米)的情况下。
例如，在要处理采矿废水含水混合物的情况下，通过电吸附组件进行的电吸附相分离可包括在阴极处积聚阳离子或氧化金属物质，以及在阳极处积聚阴离子物质。由空化空隙的形成/坍缩引起的羟基自由基的作用可导致采矿废物中的金属氧化，从而改变金属溶解度和/或促进金属向电吸附组件的阴极的附着，并在该过程中进一步减少所形成的配偶阴离子。
在一些实施例中，电吸附组件可包括阴极和阳极，阴极包括限定内中央芯或通道的导电螺旋线圈或管，阳极包括轴向布置在该中央芯或通道内的导电构件。在一些实施例中，该阴极的导电螺旋线圈或管可包括两匝或更多匝，其中每匝与阳极结合可形成不同的电化学电池。应理解，在一些实施例中，如本文所述的电吸附组件的阳极不是牺牲阳极，本领域技术人员可据此相应地选择适当的阳极材料。
在一些实施例中，螺旋阴极和阳极可封闭在外壳内，使得离开空化组件的空化含水混合物(并且具有螺旋流动模式)可遇到具有由外壳限定的基本上为圆形的横截面的流动通道，并且在通过流动通道时可暴露于电吸附组件的阴极和阳极。在一些实施例中，通过流动通道的空化含水混合物的螺旋流和阴极的螺旋结构(即，旋向性等)可以是相匹配的，从而通过电吸附装置可降低流体流动阻力并增加空化含水混合物与电吸附组件之间的接触和停留时间。
在一些实施例中，电吸附组件的阴极可包括碳基导电材料、铜、铝(有和没有阳极氧化)、二氧化钛、黄铜或不锈钢。在一些实施例中，电吸附组件的阳极可包括碳、不锈钢、铁或铝(阳极氧化或非阳极氧化)。在本文所提供的教导基础上，本领域技术人员能根据特定应用、所涉及的特定污染物，所需的废物排放限值和/或其他此类考虑因素来选择适当的阴极和阳极材料。
在另一些实施例中，相分离装置可竖直布置或倾斜布置，从而电吸附组件在其下端接收空化含水混合物，并随着空化含水混合物朝电吸附组件的上端移动而对空化含水混合物进行电吸附相分离，该上端相对于该下端是抬高的。在一些实施例中，该空化含水混合物可离开电吸附组件的上端，并被收集在浮选槽或其他相分离槽中。
例1——示例性相分离装置
图1示出了如本文所述的“电吸附空化”相分离装置的一个实施例的透视图。该示例性装置实施例采用流体在圆形横截面流动通道(即，管导或导管)中的流动原理和螺旋流动的最小阻力路径原理，以增加待处理的含水混合物与电吸附组件之间的接触和停留时间。在应用于藻类含水混合物时，所示的相分离装置可采用通过电吸附增强的空化脂质提取过程，以批量或连续地提取和分离水、脂质和生物质相。
所示的相分离装置(1)包括用于对含水混合物进行空化以产生空化含水混合物的空化组件(2)，以及用于接收空化含水混合物并对含水混合物进行电吸附相分离的电吸附组件(3)。图2示出了图1中所示装置的前视平面图。相分离装置(1)可用于执行含水混合物的连续相分离的方法，所述方法包括：对含水混合物进行空化以产生空化含水混合物；以及对空化含水混合物进行电吸附相分离。在此示例中，说明了使用装置(1)进行藻类含水混合物的相分离以获得用于生物燃料应用的藻类脂质/油质，但是应理解，这些装置不限于处理藻类含水混合物，也可用于处理其他各种适当的含水混合物。
相分离装置(1)包括空化组件(2)，该空化组件配置为接收待处理的含水混合物，并对该含水混合物进行空化，以产生空化含水混合物。空化组件(2)对含水混合物进行空化，以在含水混合物中形成含有蒸汽的空化空隙，其中至少一些空化空隙可能坍缩，从而产生可有助于电吸附组件(3)中的电吸附相分离的核心，如下文中所进一步详述。由空化组件(2)进行的空化导致含水混合物的至少一部分或大部分藻类细胞破坏或破裂，从而暴露出所需的藻类脂质，这些藻类脂质通过脂质-泡沫表面力聚集在空化空隙(气泡)的表面上。
如图3和图4所详细示出的，空化组件(2)包括切向流动的含水混合物入口(6)，该入口(6)将含水混合物导向与入口(6)连通的涡流稳定器(7)；还包括与涡流稳定器(7)连通的喷嘴(13)，该喷嘴(13)包括与电吸附组件(3)连通的渐扩出口(9)。图7更详细地示出了装置(1)的空化组件(2)的涡流稳定器(7)。图8更详细地示出了装置(1)的空化组件(2)的喷嘴(13)。
例如，可根据藻类培养物的浓度、藻类细胞大小和形状、和/或所需的流通量/流速向切向流动的含水混合物入口(6)施加较低或较高压力(例如1724-11721kPa)，并且切向流动的含水混合物入口(6)和涡流稳定器(7)可使进入喷嘴(13)的含水混合物形成漩涡或螺旋流。在一些实施例中，例如可施加较低压力(例如大约240kPa至大约1825kPa的压力，例如大约1724kPa)，并且可相应地调节流量以保持形成的脂质的质量。喷嘴(13)可接收螺旋流动的含水混合物，并将该混合物导向渐扩出口(9)。在所示的空化组件(2)中，涡流稳定器(7)可包括涡流稳定器芯件(10)，该涡流稳定器芯件(11)包括具有纵向狭缝(12)的锥形部分(11)，该锥形部分(11)使涡旋的含水混合物离开涡流稳定器(7)并进入喷嘴(13)。在图10中进一步详细示出了涡流稳定器芯件(10)。
喷嘴(13)包括具有长度L和直径d的限流通道(8)(参见图4)，其中该限流通道(8)接收含水混合物，并将含水混合物导向渐扩出口(9)。在相分离装置(1)中，限流通道(8)采用较长的流动通道和较低的d/L比(例如d/L比大约为0.005-0.02，并且d大约为0.03-0.0625英寸)，因此产生较小的通道效应，以控制下游的空化区长度和位置。在一些实施例中，这样的系统可允许形成稳定的空化区，使得新的气泡从初始空腔进入，并且气泡在另一端处坍缩，从而产生稳定的区域(长度)或空化区。渐扩出口(9)包括锥形通道，该锥形通道朝电吸附组件(3)逐渐变宽，例如具有大约30°-45°的渐扩角，以及大约0.1875-0.3的较小通道与渐扩出口比。
图11示出了小尺寸和大尺寸涡流稳定器芯件的示例，涡流稳定器芯件(10)是其中一个示例。
图12示出了空化组件的实施例的喷嘴部分的小尺寸、中尺寸和大尺寸渐扩出口的示例，渐扩出口(9)是其中一个示例。
空化组件(2)对含水混合物进行空化，以在含水混合物中形成含有蒸汽的空化空隙，其中至少一些空化空隙可能坍缩，从而产生可有助于电吸附组件(3)中的电吸附相分离的核心。通过渐扩出口(9)的含水混合物经历低于蒸汽压的局部压降，从而形成这种空化空隙。当这种空化空隙坍缩时，由于微内爆而产生高能位点，导致核心的产生，这提高了电吸附期间的气泡产生速率。在一些实施例中，不管具体理论是什么，在空化期间形成的气泡核心能提高电吸附过程中的气泡形成速率，并且能导致气泡云的扩增。在气泡云中可能发生脂质泡附着，并导致气泡在电极表面上的吸附。
空化组件(2)的渐扩出口(9)与电吸附组件(3)连通，使空化含水混合物离开空化组件(2)并进入电吸附组件(3)。在所示的相分离装置(1)中，空化组件(2)和电吸附组件(3)通过法兰(14)结合在一起，如图1、2、4和9所示。
电吸附组件(3)从空化组件(2)接收空化含水混合物，并对空化含水混合物进行电吸附相分离。如图2所示，电吸附组件(3)可包括阴极(4)和阳极(5)，含水混合物的某些组分可附着或聚集在该阴极(4)和阳极(5)上，从而促进它们与含水混合物的分离。
在相分离装置(1)中，电吸附组件(3)包括阴极(4)和阳极(5)，阴极(4)包括限定内中央芯或通道的导电螺旋线圈，阳极(5)包括导电棒状构件，该导电棒状构件同轴地布置在由螺旋形阴极(4)限定的中央芯或通道内。阴极(4)的导电螺旋线圈包括多匝，其中每匝与阳极(5)的相关部分结合形成不同的电化学电池。在此示例的装置中，如图5D和图6所示的一个或多个阳极分隔件(16)用于将阳极(5)定位在由螺旋阴极(4)限定的中央芯内。
虽然阴极在此示例中被描绘为螺旋线圈，但是应理解，阴极可采用其他适当的构造。例如，在一些实施例中，该阴极例如可构造为纵向管、线圈、螺旋或其他适当的结构，并且可限定具有纵轴的内芯，该阳极沿着该纵轴布置。该阴极可以是基本上连续的，或者可包括一系列串联的纵向取向的独立构件。该阴极可包括导电螺旋线圈或管，该导电螺旋线圈或管包括两匝或更多匝，其中每匝与阳极结合可形成不同的电化学电池。在一些实施例中，该阴极可包括串联地排列的环或其他类似单元的阵列，每个环与该阳极结合形成不同的电化学电池。在本申请的教导的基础上，本领域技术人员能知道适当的阴极/阳极配置，并且能够选择适合于特定应用的适当阴极/阳极配置。
在此示例中，螺旋阴极(4)和阳极(5)封闭在包括管道或导管的外壳(15)内，使得离开空化组件(2)的空化含水混合物(并且具有螺旋流动模式)遇到具有由外壳(15)限定的基本上为圆形的横截面的流动通道，并且在通过流动通道时暴露于电吸附组件(3)的阴极(4)和阳极(5)。通过流动通道的空化含水混合物的螺旋流和阴极(5)的螺旋结构(即，旋向性等)相匹配，从而通过电吸附装置(3)可降低流体流动阻力并增加空化含水混合物与电吸附组件(3)之间的接触和停留时间。图5A进一步详细示出了在此示例中说明的相分离装置(1)的电吸附组件(3)的导电螺旋线圈阴极(4)，图5B示出了棒状阳极(5)，图5C示出了外壳(15)。图5D提供了组装好的电吸附组件(3)的透视图，其中外壳(15)包括透明管，以允许在操作期间进行目视检查(绘图单位为英寸，并且是非限制性的，仅用于向本领域技术人员进行说明的目的)。
电吸附组件(3)的阴极(4)例如可包括螺旋缠绕的碳基纤维导电材料、活化或浸渍布导电材料、阳极氧化铝、铁、二氧化钛、黄铜或不锈钢，或者其他适当的导电材料。在相分离装置(1)中，附接至交流电输入的中央芯正导电源用于增强由空化核心产生的高级氧化，导致脂质-生物质-水相通过脂质-气相互作用分离，并使藻类细胞的极性降低，从而通过单个步骤实现脂质和藻类相的有效分离和浮选，并使藻类(通过重力)最终在浮选槽中沉降。
在一些实施例中，电吸附组件的阳极可包括碳、不锈钢、铁或阳极氧化铝。应理解，电吸附组件(3)执行电吸收功能，因此不包括牺牲阳极。应理解，电吸附基于材料或污染物在电极上的吸附，并且不涉及电极材料的释出。因此，在电吸附的情况下，电极是非牺牲性的。
通过电吸附组件(3)进行的电吸附相分离导致藻类脂质/油质在电吸附组件(3)的阴极(4)的表面上的至少一定程度的附着和/或聚集。不管具体理论是什么，可以认为藻类脂质/油质可能积聚在空化空隙、核心和/或在空化和/或电吸附组件的作用下产生的其他空隙或蒸汽泡上，然后可能附着于电吸附组件(3)的阴极(4)。附着于阴极的附着有藻类脂质或油质的空化空隙和/或其他空隙或蒸汽泡的坍缩可进一步促进阴极(4)处的藻类脂质或油质凝集或团聚。然后可从阴极(4)回收藻类脂质或油质，和/或例如可通过浮选或其他密度分离方法回收藻类脂质或油质。举例来说，可使离开电吸附组件(3)的液体发生相分离，并且可收集富含脂质的层。在一些实施例中，电吸附组件(3)中的电吸收蒸汽泡的产生可通过相分离作用促进相分离，尤其是在通过调节在电吸附组件处施加的压力、流量和/或能量而产生藻类大小的气泡(即，大约2-5微米)的情况下。由电吸附组件(3)输入的能量可通过高级氧化过程使空化含水混合物中的空化空隙倍增，从而实现电吸附蒸汽泡的产生。这种电吸附蒸汽泡的产生可通过微浮选进一步促进相分离。不管具体理论是什么，在一些实施例中，空化气泡可视为核心，这些核心例如会在藻类培养物中的高强度拉力下坍缩。这可使得在电吸附部分中形成早期核心，并促进气泡产生。例如，通过脂质泡与藻类的附着可发生分离，分离的层沿着管上行并进入微浮选槽中，这能加速相分离。
此示例中说明的相分离装置(1)设计为以单步方式操作，无需添加化学药剂、溶剂、絮凝剂、吸附剂或pH缓冲剂(应认识到，在要处理藻类含水混合物的示例中，在光生物反应器中的藻类生长期间，需要向培养物提供营养物质)。如此示例中所述，将水力空化和电吸附设计组合在单个步骤中允许扩大提取和分离的单步过程的规模，并降低其复杂性。
应认识到，相分离装置(1)采用电吸附。电吸附通常被认为是分子在带电电极表面上的电位诱导吸附，并且在此利用电吸附并使用高比表面电极来实现相分离。电吸附涉及通过施加电势或电流对电极表面处的双电层进行充电和放电。在此方面，电吸附与常规的电化学或法拉第工艺(例如电凝或电絮凝)不同，并且，与其他分离工艺相比，电吸附能实现吸附材料的原位再生，并具有良好的能耗表现(例如参见Yang,K.L.、Ying T-Y、Yaacoumi,S.,Tsouris,C和Vittoratos,S.的《碳气凝胶对水溶液中的离子的电吸附：双电层模型，Langmuir,2001,17(6)，第1961-1969页；该文献通过整体引用结合在此)。图13A和13B示出了电吸附过程和电凝过程的示例性对比，表明了它们之间的不同之处。
已经在藻类浓度为大约0.1克/升和1克/升的藻类含水混合物的处理中针对1.5升/分钟以下流量的连续流操作试验了此示例的相分离装置。
例2——使用电吸附空化进行直接藻类培养提取
为了使用如本文所述的相分离装置试验藻类含水混合物的相分离，设计并进行了一系列实验。试验包括分析各个空化组件和电吸附组件，以及试验如本文所述的组合电吸附空化相分离装置。
下列表格提供了用于评估本文所述的电吸附空化装置的各种实验的实验设置和处理条件。在此提供了每个试验的实验观测结果以及描绘实验设置和产生的处理样品的附图。
表1：台架试验-1A
实验设置以及产生的处理后样品如图15所示。
表2：台架试验-1B
实验设置以及产生的处理后样品如图16所示。
表3：台架试验-1C
实验设置以及产生的处理后样品如图17所示。
表4：台架试验-1D
实验设置以及产生的处理后样品如图18所示。
表5：台架试验-1E
实验设置以及产生的处理后样品如图19所示。
表6：台架试验-1F
实验设置以及产生的处理后样品如图20所示。
表7：台架试验-2A
实验设置以及产生的处理后样品如图21所示。
表8：台架试验-2B
实验设置以及产生的处理后样品如图22所示。
表9：台架试验-2C
实验设置以及产生的处理后样品如图23所示。
表10：台架试验-3A
实验设置以及产生的处理后样品如图24所示。
表11：台架试验-3B
实验设置以及产生的处理后样品如图25所示。
表12：台架试验-4A
进行这些实验的目的是研究磁性对电吸附过程的影响。相分离是使用旋转磁力搅拌器实现的。在试验条件下，长时间后发生相分离，并且未发现使用磁体有任何特定益处。但是，如表13和14(以及其他)所示，电导率增加时相分离时间缩短。
实验设置以及产生的处理后样品如图26所示。
表13：台架试验-4B
实验设置以及产生的处理后样品如图27所示。
表14：台架试验-5A
实验设置以及产生的处理后样品如图28所示。
表15：台架试验-5B
实验设置以及产生的处理后样品如图29所示。
例3——使用减少的横截面面积评估电容型分离
为了使用减小的横截面积来试验电容型分离，设计并进行了一系列实验。下列表格提供了进行的一系列试验的实验设置和处理条件。在此提供了每个试验的实验观测结果以及描绘实验设置和产生的处理样品的附图。
表16：分析试验1
实验设置以及产生的处理后样品如图30所示。
表17：分析试验-2A
实验设置以及产生的处理后样品如图31所示。
表18：分析试验-2B
实验设置以及产生的处理后样品如图32所示。
表19：分析试验-3
矩阵试验
实验设置以及产生的处理后样品如图33所示。
表20：分析试验-4
营养丰富的水和藻类糊剂溶液矩阵试验
实验设置以及产生的处理后样品如图34所示。
表21：系统试验-1
电极设置
实验设置以及产生的处理后样品如图35所示。
表22：系统试验-2
电极设置
实验设置以及产生的处理后样品如图36所示。
表23：系统试验-3
实验设置以及产生的处理后样品如图37所示。
表24：系统试验-4
实验设置以及产生的处理后样品如图38所示。
表25：系统试验-5
实验设置以及产生的处理后样品如图39所示。
表26：系统试验-6
实验设置以及产生的处理后样品如图40所示。
表27：系统试验-7
实验设置以及产生的处理后样品如图41所示。
表28：系统试验-8
实验设置以及产生的处理后样品如图42所示。
表29：系统试验-9
实验设置以及产生的处理后样品如图43所示。
表30：系统试验-10
实验设置以及产生的处理后样品如图44所示。
表31：系统试验-11
实验设置以及产生的处理后样品如图45所示。
例4——脂质提取物和干燥藻类生物质的FAME分析
进行了FAME(脂肪酸甲酯)分析实验，以评估根据本文所述的方法产生的脂质提取物和干燥的藻类生物质产物(参见示例5)。
下表(表32)提供了4个样品的FAME分析结果：CV2生物质、CN2生物质、CV2脂质和CN1脂质。示例5中提供了实验方案。对示例5中的1500psi和18psi实验运行的两个生物质样品(CN2和CV2)进行了光谱分析，并且还分析了18psi运行(CN1)的1个脂质样品。使用改进的布莱和德威尔方法用溶剂从CV2生物质中提取了脂质，然后进行了分析，如表32所示。
材料和方法
FAME标准：37组分FAME混合物和PUFA-3(Supelco，美国)
二十三酸甲酯(23:0甲酯)：Sigma-Aldrich，美国
氟化硼的甲醇溶液：Sigma-Aldrich，美国
氢氧化钠：Sigma-Aldrich，美国
己烷：Caledon，加拿大
实验方案
用氢氧化钠直接进行酯交换-皂化，然后进行氟化硼催化的甲基化。
方案如下：
1.在干燥的螺旋盖小瓶中加入10毫克(或按毫克精确称量的)的样品。
2.添加含有0.1毫克内标物(二十三酸甲酯；23:0甲酯)的1.0毫升甲醇。
3.超声处理10分钟。
4.添加0.5毫升1.5N氢氧化钠的甲醇溶液，用氮气覆盖，盖上盖子并混合。
5.在100℃加热5分钟，并冷却。
6.添加氮气覆盖的1.0毫升14％氟化硼的甲醇溶液，混合，并在100℃下加热30分钟。
7.添加0.5毫升蒸馏水并混合。
8.添加2.0毫升己烷，用氮气覆盖，并涡旋30秒。
9.使用台式离心机(Fisher Scientific centrific model 228)离心1分钟。
10.将己烷层(300-600μL)转移至GC小瓶中，用氮气覆盖，并在分析前在-20℃温度下储存样品。
11.样品中的EPA和DHA的质量以毫克/克样品为单位计算如下：
EPA或DHA，mg/g＝(Ax·WIS·CFx/AIS·WS·1.04)·1000
其中AX＝EPA或DHA的面积计数；AIS＝内标物(二十三酸甲酯)的面积计数，CFX＝EPA或DHA的理论检测器关联因子(EPA为0.99，DHA为0.97)；WIS＝添加到样品中的IS的重量，单位为毫克；WS＝样品重量，单位为毫克；1.04是以毫克脂肪酸/克样品表示结果时所需的因子。
其余脂肪酸的重量也使用与上述相同的公式计算，假定所有脂肪酸都具有与内标物相同的响应(即，理论检测器关联因子等于1)，不论其结构如何。
参考：AOAC官方方法991.39。封装鱼油中的脂肪酸以及鱼油甲酯和乙酯。气相色谱法。
表32：脂肪酸(FA)含量，以毫克/克样品表示
(-)未检测到
例5——藻类含水混合物的附加试验
进行了两次高压试验(1500psi)，并且在两次试验中，在30分钟和60分钟沉降期后没有发生变化(即，在位于立式系统顶部的收集罐中未看到分离)。在低压试验期间，前一批s小球藻在收集容器中表现出很明确的分离。参见示例6的实验方案细节。在1500psi和18psi下进行的高压和低压实验针对的是表32中报告的“1”和“2”样品。
图46示出了藻类培养物、空化试验设置、低压空化设置和处理后获得的处理藻类产物。
例6–共生培养评估
实验方案
藻类培养物(v小球藻)是从Symbiotic Algae Inc.获得的。获得的培养物达到了营养耗尽状态，具有680uS/m的低电导率，并且在操作期间未对其施压以产生脂质。为了得到湿藻的干含量，将2.0克湿藻在烘箱中在105℃下干燥一整夜，并计算干含量。在从低压到中压到高压空化(18psi、250psi、800psi和1100psi)的条件下，在电吸附空化系统中使用400毫升(实验室规模)至20升批量(中试规模)进行多次试验。该系统连接至交流电源输入(36V，10A)，以增强由空化核心产生的高级氧化，并单个步骤中通过脂质-气泡相互作用导致脂质-生物质-水相分离，并降低藻类细胞的极性，使它们有效沉降。进行了多次实验以验证从实验室规模到中试规模的开发系统。
在一些实施例中，电吸附空化可以是连续过程，并且可进一步设计为在单个步骤中操作，并且除了在光生物反应器中藻类生长期间向培养物供应营养之外，不添加附加的化学物质、絮凝剂、吸附剂或pH缓冲剂。电吸附空化过程可包括间歇/连续电吸附-空化流量系统，以通过施加复杂的空化流量来进行提取和分离过程，该空化流量向切向流动入口施加高压。
相对于仅采用电吸附的系统对低压和高压电吸附空化之间差异进行了比较，汇总如下：
进行了试验藻类培养物的处理的附加实验。测试了藻类培养物(v小球藻)。培养物达到了营养耗尽状态，具有680uS/m的低电导率，并且在操作期间未对其施压以产生脂质。两桶样品呈褐色，具有明显的降解气味。可以推断样品可能由于储存时间和/或温度而部分地变质。
使用20升批量和电吸附空化处理进行了多次试验。低压和高压空化的结果如下所示。使用显微镜分析藻类细胞，观察到其大小为2至7微米。分离培养物并制备了水样品以及培养物和水样品以进行光谱分析。操作条件和收集的结果汇总在下列表格和附图中。
表33：共生培养评估–系统试验1
实验设置以及产生的处理后样品如图47所示。
表34：共生培养评估–系统试验2
实验设置以及产生的处理后样品如图48所示。
表35：共生培养评估–系统试验3
实验设置以及产生的处理后样品如图49所示。
表36：共生培养评估–系统试验4
实验设置以及产生的处理后样品如图50所示。
表37：共生培养评估–系统试验5
实验设置以及产生的处理后样品如图51所示。
表38：共生培养评估–系统试验6
实验设置以及产生的处理后样品如图52所示。
例7——采矿影响水的金属分离和处理
用矿水进行了实验，并在处理后对金属分离进行了评估。实验结果表明水中金属含量显著降低。
在实验室规模的系统中对采矿影响水进行了电吸附空化。在先前说明的用于藻类-水-脂质提取和相分离的系统中，通过电吸附空化对受采矿影响的富含铝、铁和硫酸盐的水进行了分批试验。
在试验期间，对20升矿水进行了电吸附空化，并收集了样品以进行ICP分析。ICP结果如下所示：
表39：从采矿水分离金属
例8——使用电吸附空化进行藻类培养物处理
1.从s小球藻(Chlorella sorokiniana)中提取脂质
通过空化处理的s小球藻样品表现出相对于生物质负荷的粗脂质回收的增加趋势，在0.1wt％干固体生物质负荷下接近50％的脂质部分回收率。结果显示在下表40和图53中。
表40：利用电吸附空化对s小球藻样品进行脂质回收
2.不同藻类培养物的电导率分析
结果在表41中示出。与未处理的样品相比，除了v小球藻之外，培养物的电导率一般在超声波处理之后提高，这表明了极性细胞内组分的释出。
表41：不同藻类培养物在处理前和处理后的电导率
例9——使用三县蛋白质大豆油进行粘度分析
大豆油是一种高粘度液体。对大豆油进行了空化处理，并且在使用低频或高频空化时大豆油没有表现出显著变化。以4/6幅度的变化频率按不同的时间和占空比处理了200毫升样品。在处理前和处理后记录粘度。结果在表42中示出。
表42：空化后的大豆油粘度
样品
粘度(cP)
空化时间(分钟)
未处理的大豆油
63.4
0
大豆油–声频左右
54.4
2.5
大豆油+较高频率
54.4
2.5
大豆油+水力空化
66.4
5
大豆油高频/空化
63.7
5
由于在较低频率操作的情况下观察到轻微变化，因此在较高流速下进行电吸附空化能实现更高的去除效率。
例10——使用布朗葡萄藻进行电吸附空化
在20升BBM/自来水中制备720μS分散液，并在低压/高压下的两次运行时使用。在连续操作中，将累积在收集浮选槽中的脂质与生物质一起撇去，使澄清的高电导率水中没有生物质。由于脂质泡附着作用，发现细胞被捕获在脂质-气泡产生的泡沫之间的间隙空间中。为了克服这种分离问题，在最后的尝试中，将收集的泡沫在筛子中破碎，离心处理，并通过抽吸收集的顶部泡沫层以进行CHCl3提取来实现更好的分离，同时最大限度地减少水分。将通过离心分离的固体物质冷冻干燥以确定最终的干生物质，以产生化学计量比。结果在表43中示出。
表43：使用布朗葡萄藻的大规模脂质回收结果
在操作期间，电吸附系统在30V DC和10A下操作，以获得没有任何脂质或生物质的澄清水流。
例11——用海洋培养基培养的低脂质产量的微拟球藻
浓度(wt％)
处理
电导率μS
脂质(毫克)
0.019434
DTE
79.3
4.5
0.019434
eCav
85.1
6.5
在这项研究中，重点是确定低脂质产量藻类的技术潜力，并将本申请的电吸附空化方法(eCav)与独立的电吸附或空化的潜力进行比较。处理后脂质提取回收率更高，并且电导率也提高，这表明脂质释出。
将未处理的样品与经过空化、5分钟36V电吸附、以及电吸附空化处理的样品进行了比较。获得了处理的显微照片(图54)，以确定各个工艺的益处，并将它们与电吸附空化处理进行比较。结果在表44中示出。
表44：空化、电吸附和电吸附空化对电导率和生物量回收的影响的比较
浓度(wt％)
处理
电导率
pH值
回收的生物质(克DM)
0.097171
对照
408
8.2
0.135
0.097171
空化
429
7.78
0.123
0.097171
电吸附
334
8.5
0.236
0.097171
电吸附空化
338
8.67
0.206
结果：与未经处理的样品或仅通过空化处理的样品相比，电吸附处理的样品的生物质产量接近2倍，并与电吸附空化处理的样品的生物质产量类似，其中未观察到离子物质的沉淀物。经过电吸附后的离心处理的上清液比未经处理的样品或仅通过空化处理的样品清澈得多。显微照片(图54)示出了在未经处理和经过空化处理的样品中有浮游细胞，而通过电吸附和电吸附空化处理的样品表现出团聚。
由于生长基质的含盐性质，该系统受其他污染物的影响，并且离子物质的沉淀很关键，并可由电导率的降低表示。
电吸附空化的电导率降低明显高于空化的情况，因为空化期间引发的高级氧化过程通过立即引发电吸附而被进一步增强，高级氧化过程不释出脂质，但引发的空化空隙进一步扩大能量耗散并导致脂质增加，而不是促进藻类细胞的团聚。因此，溶液内的较高电导率和pH表明了电吸附空化的益处。为了证实这些结果，图54中所示的显微照片示出了细胞在电吸空化作用下在整个溶液中的团聚。在电吸附处理的情况下没有观察到这种情况，仅观察到零星的团聚区域。
例12——使用电吸附空化处理采矿影响水
1.为从采矿影响水除硒开发最佳条件
除了对煤矿水进行电吸附空化之外，还应用了一系列高级氧化处理方法以确定去除效率。基于超声波的方法仅适用于大规模矿水。这项工作的目的是开发一种方法来实现大量(吞吐量)处理，以从采煤影响水除硒。
改良的采煤污水的初始pH值为7.68。不同的实验条件如下：
S1:空化处理频率为574kHz，功率输入为50％，超声处理时间为30分钟。
S2:空化处理频率为40kHz，幅值为50％，超声处理时间为1小时。
S3:空化处理频率为20kHz，幅值为80％，超声处理时间为1小时。
S4:通过添加1毫升H2O2、0.2克FeSO4.7H2O进行氧化处理，pH为7.6，以200rpm振荡1小时。
S5:添加0.2克FeSO4.7H2O进行氧化-空化处理，pH为7.68，频率为40kHz，功率输入为80％，超声处理时间为1小时，样品量为350毫升。
S6:使用60升/小时臭氧剂进行臭氧化处理，臭氧化时间为30分钟，样品量为350毫升，pH为7.68。
S7:电吸附空化处理。
S8:通过添加1毫升H2O2、0.2克FeSO4.7H2O进行氧化处理，pH为(2.5-3.5)，以200rpm振荡1小时，样品量为350毫升。
每次处理后，使用紫外-可见光(UV-Vis)分光光度法测量硒浓度。试验重复三次。将结果与已知硒浓度的空白溶液进行比较。将通过UV-Vis获得的所有结果与ICP-MS结果进行比较以验证该方法。样品分析的紫外-可见光谱如图55所示。在处理过程中获得的不同结果在下表45中示出。表45：对采煤影响水进行不同处理后采用UV-Vis和ICP-MS获得的硒浓 度
空化系统的调校：使用上述条件，电吸附空化系统中的空化在降低的压力下操作，以仅形成初始空腔。
2.金矿工艺水的处理
i.除硒
从金精炼作业获得了金矿工艺水样品CAV-S2。处理的重点仅在于除硒。如下表46所示，通过该处理实现了从原始矿水(硒浓度为1ppm)到0.369ppm浓度的显著硒浓度降低。样品CAV-S10、CAV-S11和CAV-S12的结果示出了空化压力的变化对电吸附空化系统中的除硒效果的影响。
表46：使用电吸附空化从金矿处理水除硒的结果
i.除盐
对不富含硒的金矿开采和提取水的处理不可避免地含有污染物，例如盐和铜。表47示出了250psi初始空化条件和30V和10A电吸附操作的盐和铜去除效率。
表47：使用电吸附空化从金矿处理水除盐和铜的结果
例13——连续电吸附空化与在单独过程中进行的电吸附和空化的比较
为了表明本发明的装置和方法中涉及的两个过程在彼此分离地使用时不能达到相同的结果，在此按以下两种方式操作电吸附空化设备：(i)作为连续电吸附空化过程操作；以及(ii)作为2个不同的工艺级操作，在空化后增加了中间槽，使用单独的泵以相同的流速向电吸附工艺级泵送。
将由按0.5克/升分散在电导率为720μS的基础矿物培养基中的布朗葡萄藻培养物组成的含水原料按2种不同配置处理：1.电吸附空化：在300psi下进行低压空化，并直接送入36VDC/10A电吸附系统，没有额外的停留时间；2.将相同的培养物进行低压空化，并将空化出口液流收集在储液器中，然后泵入电吸附系统。将由按0.5克/升分散在电导率为720μS的基础矿物培养基中的布朗葡萄藻培养物组成的含水原料在300psi压力下通过喷嘴进行空化，并直接送入包含钢线圈和铝棒电极的柱中在36VDC/10A条件下进行电吸附。
为了比较依次进行的独立空化和电吸附处理的效果，还使原料通过空化喷嘴，然后在电吸附之前空闲5分钟，使产生的空化气泡消散。然后使原料以与在集成的空化-电吸附试验中所用的流量相同的流量通过电极柱，在每次处理中产生相似的停留时间，但通过过程中的5分钟停留时间消除因电吸附期间的活性空化气泡的存在而引起的任何协同效应。
拍摄了样品的照片、生物量的显微照片，并获得了光密度测量值，并在下表48和图56和57中示出。如表格和附图所示，与通过独立的空化、闲置一段时间、然后独立的电吸附处理的相同样品相比，集成的电吸附空化过程使得脂质层(泡沫)的量显著增加。
与进料相比，光密度测量值降低了大约50％，表明从分散液中去除了生物质。
表47：光密度测量值
例14——金矿污水处理
对具有高浊度(5.4)的金矿污水进行了电吸附空化(e-Cav)，其水质在下表48中列出。用于确定e-Cav之前和之后的金属含量的测定表明钠显著减少(减少～45％)。这表明该方法可用于从矿井水废物除盐。
表48：经过电吸附空化的金矿污水的分析
为了研究较低进料浊度对相同的矿污水的影响，对具有较低浊度的预处理样品进行了电吸附空化处理。初始和处理后的污水的特征如下表49所示。
e-Cav过程表明金属减少和硒的大量减少，而硒是一种很难去除的污染物。
表49：较低浊度(2.49)预处理后矿藏污水(来自表48的原料)的分析
例15——现有的最佳物理化学技术(离子交换和吸附)之间的硒去除效果的基准测试
使用现有的最佳技术--离子交换工艺对本文所述的硒提取结果进一步进行了基准测试。
·对使用强碱阴离子树脂(Amberlite IRA 410)进行离子交换进行了评估，以评价从冶金煤废水除硒的效果(对上述的相同的受冶金煤影响的水样品进行了离子交换和吸附)。(参见图58)
·使用完全再生床获得了低于1ppb的显著降低的硒浓度。但是，在不到9个床体积的情况下，硒含量突破了60ppb(超过所有已知的环境排放限值)，而在15个床体积的情况下则完全耗尽，表明该工艺不适合于处理大量矿藏污水。
为了比较离子交换与电吸附空化的性能，使用e-Cav系统处理了相同的水样品，在100个床体积以上(等效)的情况下，流出液的硒浓度始终保持在8ppb。
还使用特种氧阴离子吸附剂对相同冶金煤影响矿水是处理进行了基准测试。(参见图59)。ADSORBSIATM As600媒质是一种易于使用的颗粒状二氧化钛，对砷具有很强的亲和力(在水、铅和其他重金属中以砷的砷酸盐或亚砷酸盐-氧阴离子形式存在)。这种独特的媒质是专为非再生应用设计的。基于陶氏氧化钛的技术所固有的高吸附能力已经结合到机械稳定的颗粒产品中，这种颗粒产品适用于各种饮用水应用。由于ADSORBSIA As600是基于钛的，因此它不像铁基媒质那样促进细菌滋生。但是，如图59所示，在整个评估过程中，在15个床体积以上的情况下，使用As-600对煤矿污水的硒浓度没有显著影响，并且出水的硒浓度为400ppb以上。大量实验显示，在20个床体积以上的情况下，在处理过程结束时，硒浓度能降低到175ppb，但远达不到污水排放限值的要求。
在上文中已示例性地说明了本发明的一个或多个示例性实施例。但是，本领域技术人员应理解，在不脱离如所附权利要求所限定的本发明的范围的前提下，能够做出各种变化和修改。