專利名稱：分離不可混溶的液體混合物中各組分的裝置和方法
各方面的專家已考察了分離分散在水溶液中的油狀或烴物質(以下簡稱“油”)，即從含分散油相的水相完全分離不可溶油相的問題并且到目前為止已提出和應用了不同的工藝。
在該分離過程中，要想將分離后的水中油殘留量降到盡可能低的水平，難度就會明顯加大，這種難度的加大就會增加操作費用。
目前所采用的已知工藝例如包括活性物質(如活性炭)吸收，蒸餾，經密集葉片傾析，超濾和離心分離。
所有上述工藝均有某些不便之處，這大大限制了其可行性，在用必須將殘留油清除并達到盡可能低水平的大量水操作時尤其是如此。例如，重力分離法就因水相和油相間的密度差不夠而受到限制，尤其是在處理極細乳液時是如此;熱分離法能耗大，不能大規模應用，如不能用于從地面水中分離油;而膜分離技術又具有產量低的缺陷并且有結垢的問題。
目前眾所周知，大量油污染的地面水須處理才能滿足適當的環境條件，因為油的存在對環境，水生物和通用水源有害。因此，目前的改進技術并不能滿足要求，因為不能比較經濟地大規模從水中分離油。
本發明的主要目的是提出上述技術問題的解決方案。
因此，本發明提供一種分離至少部分不可混溶的液體混合物中兩組分的裝置，其特征在于該裝置由設有混合物入口，分別排出混合物中分離后的重/輕質組分的第一出口和第二出口以及完全浸入混合物的組分之一(直到從中排出所有空氣)的過濾器的空心體構成，其中過濾器位于入口和其浸漬組分出口之間。
液體之一優選為水或類似于水或易與水混合的液體并且至少另一種液體為油狀液，而過濾器由親水物料構成。
本發明還提出在設有混合物入口和分離組分出口的分離室中進行的至少部分不可混溶液體混合物中兩組分分離方法，其特征在于其中包括以下初步間歇步驟a)將位于入口和所述出口之一之間的過濾器浸入到所述混合物的組分之一中，直到完全排除過濾器中存在的任何空氣并使其過濾床層完全浸沒;
以及后續連續步驟b)在預定靜水壓頭下讓混合物通過上述浸沒和脫氣的過濾器;
c)從過濾器面對入口一側的相反一側的出口回收分離組分之一，更具體地講回收浸漬步驟a)中所用組分;和d)從過濾器與入口相同一側面對的出口回收另一分離組分。
從以下參見附圖進行的詳細說明中可更清楚地看出本發明的其它特征和優點，
圖1為本發明裝置的優選實施方案的橫截面圖。
如圖所示，裝置1由靜止空心體2構成，該中心體中設有分離室3，其中裝有待分離混合物11的側面入口4以及分別排出混合物11分離后的重質(水)和輕質(油)組分的下部出口5和上部橫向出口6。為了提高裝置1的效率并使其構造更為經濟，空心體2優選為如圖所示的長筒形，其橫截面為環形或矩形。
分離室3由過濾器7分成上部室3a和下部室3b，過濾器封接在位于入口4和下部出口5之間的空心體2的壁上。過濾器7按任何合適的方法如用法蘭固定在空心體2的壁上，從而防止過濾器7的橫向表面和空心體2的壁之間出現任何形式的溝流通道。該過濾器7由親水物質8，優選由裝在一對金屬絲網或塑料網9或由任何可將過濾材料8保持到位并讓液體通過的其它裝置之間的短纖維組成。網9的孔應足夠小以使親水物料8不致于流失并且應足夠大以使水以所需流速通過。支撐網9的過濾器7的機械結構按已知方式制成，該結構必須能夠承受由正常過濾物流以及過濾器7最初試壓和必要時清洗所需水反向流所確定的水壓應力，同時又不要使其中所含親水物料8受損害或使其堆積起來并導致分布不均。
本發明人已發現親水物料8應為細粒狀態，其單個粒子的尺寸之一應大于另兩個尺寸。該親水物料8在過濾器7中應成層或以其它隨意的方式位于過濾器7中，并且在浸入水中時宜于形成在過濾器7應用期間使水流通的幾乎連續細微通道系統。
根據本發明，適宜于構成過濾器7的床層的親水物料8優選由短段的天然纖維(如棉，毛，亞麻等)組成，該短纖維段下稱“纖絲”，可單獨應用或與其它天然或合成的含極性基團的親水性纖維混合應用。更具體地講，為此所用的物料可由紡絲廢料或在紡絲過程中作為廢料或紡絲屑得到的纖維“束”組成。
本發明的重要特征是親水物料8由預定尺寸的纖絲制成。該纖絲的尺寸不應太小，否則就會使親水物料纖維床層堆積并因此大為降低經過過濾器7的額定水流速。另一方面，該纖絲的尺寸又不要太大，因為這樣會形成溝流并因此降低過濾器7的效率。纖絲直徑優選應為10-3000μm，長應為2-50mm。
由于物料8應親水，所以植物纖維如棉，亞麻和大麻等纖維以及某些動物纖維如羊毛等最宜于用在本發明之中。合成纖維可用由具有足夠極性的樹脂如丙烯酸，聚酰胺，纖維素如聚氨酯樹脂制成的纖維。
構成過濾器7的親水物料8的層厚為例如約1-10cm(優選2-5cm)。為了在高流速下達到有效分離，纖絲層優選應很軟，換句話說纖絲應松散填充，其中使單一的纖絲僅簡單地相互接觸，也就是說不經任何壓制。因此，填充過濾器7中的孔隙比例(定義為過濾器中的孔隙體積與該過濾器的總體積之比)優選應達到5-80%。為了避免過量填充過濾器床層，天然纖絲(如棉纖絲)優選應與丙烯酸或合成纖絲混合，這后一纖絲在與水接觸時不會發生機械變化，因此可構成天然纖絲的防堆積劑。所加合成纖絲也可為纖維“束”。作為所述混合物的一種替代方案，也可用天然纖絲層與合成纖絲層交替形成過濾器7。采用無紡布工藝亦可得到過濾床層。
本發明親水物料8的其它重要優點是在不同工作環境中具有抗化學腐蝕性并且可采用無污染方法如通過堆肥(composting)技術進行循環。
親水物料8的纖絲可以其天然狀態應用，如以其作為紡絲廢料得到的狀態應用，但更為方便的是也可進行預處理，以便獲得更為高質量的過濾床層，當然首要的是達到更高的均勻性。
第一步預處理是用表面活性劑進行洗滌步驟后用5-10%過氧化氫于30-40℃進行光氧化，這意味著使纖絲表面活化，從而達到更高的親水性，其中洗滌步驟是為了去除纖絲上粘附的油脂和漿料。然后進行“水梳理”操作以使纖絲軟化和光滑，接著進行干燥操作，最后在Lodige型犁鏵混合器中進行混合，從而按本發明要求使各種纖絲之間達到均勻混合。
根據本發明的分離方法，上述裝置1按如下所述應用。首先，從下部出口5引入清潔水，直到過濾器7用水浸沒并充滿親水物料8的纖絲之間的所有空間和在這樣浸沒的過濾器7之上形成水層。用清潔水對過濾器7的浸漬持續到過濾器7中存在的所有空氣均被排除并且各纖絲均溶脹為止。
本發明分離方法的這一初始步驟就裝置1有效地分離水/油混合物11而言是極其重要的，須準確進行。事實上，根據本發明，浸漬水應基本上占有三個不同的位置，即水被吸收進入纖絲內;水粘附在纖絲表面上以及水在纖絲之間連成橋，從而形成親水屏障。
根據對極有效地操作本發明裝置的似乎合理的解釋(當然，這種解釋僅為舉例，決不能認為是對本發明的限制)，過濾器的特殊性質及其進行分離操作前的完全浸漬事實上可在其表面上形成水分子疊層，相互間和與親水物料8的結合極牢。該水疊層也可構成待分離混合物11中所含油滴不能穿透的親水屏障。事實上，水分子又可通過該屏障，而油滴不能通過。
然后，經入口4向裝置1中引入待分離混合物11，如水(圖中短線)和油(圖中圓圈)。為此，可將入口4插入空心體2，其中管端伸入面朝上的錐形擴散器10中，從而阻止任何渦流到達過濾器7的表面，因為這可能阻礙適當形成上面所述水疊層。事實上，由于這種結構，過濾器上部分的待處理混合物11物流為層流，最大速度為數分之一至數個厘米/秒，優選0.1-10厘米/秒。
混合物11這樣充入分離室3，其表面液位由自由出口6的高度確定，從而在過濾器上形成靜水壓頭。優選的是，提純液從出口5經收集器(未示出)排出，這很容易保證在過濾器7上達到恒壓頭，等于出口6和該收集器出口間的液柱高度。收集器出口優選位于過濾器7之上，以便保證分離室3b中一直充有液體。
該靜水壓頭本身足以使液體通過過濾器7。在單一的細乳化油滴到達過濾器7上形成的水疊層時，這些油滴被阻止經過該過濾器，直到與其它油滴結合達到足以使其浮力高于水流夾帶力的尺寸，從而使油在空心體2頂上集結并經出口6流出。設置已知類型的適當控制器可在分離室3a中保持油/混合物分離面，其位置低于出口6的高度，從而避免了任何混合物從該出口排出。
因此很驚人地注意到，在本發明裝置1中油滴被阻止進入過濾器7，而是留在其表面以上。過濾器7既不要求再生，也不需要定期更換，除非因為該過濾器制備有誤或其它任何偶然的原因而使過濾器上表面上形成的水疊層破裂，導致該過濾器7中形成未提純混合物流通渠道或叫溝流。這種分離的效果示于圖中，其中油滴(圓圈)在過濾器7的水疊層上集結。同時，混合物中與油分離后的水穿過水疊層后經過浸沒過濾器7，最后從出口5流出。
從上述說明中可以看出，本發明提出了物理分離系統，其中由含分散油相的連續水相構成的待處理混合物11分成水和油兩組分，基本上無油的水相穿過該系統中的過濾裝置，而分離的油相逐漸聚集成連續油相，直到以較為經濟的方式使其完全回收。
水和油組分分離所需驅動力可限制為待分離混合物11的自由靜水壓頭產生的壓力。過濾器床層上的這一靜水壓頭可為0.05-5m水柱，流速0.1-10cm/s。另一方面，在要求壓力下泵送待過濾混合物11而達到這種流動。
綜合而言，本發明裝置和方法可使水與油過濾分離，其中所用系統就象極高流量過濾器(最高達100m3/m2·h，過濾器上0.1-0.2巴靜水壓頭)，這基本上以由完全浸沒的親水物料層組成的支持體上永久形成連續水層為其基本點。
通過親水物料8纖絲層支撐的水層形成的屏障而實現水/油分離操作就象實實在在地進行過濾。
因此，可采用任何類型的市場銷售的靜力或動力過濾器，再按本發明用親水物料層8代換常用的濾布或濾片，其中親水物料8經過預浸漬直到所有空氣從中排除。
以下說明實施本發明的方法的具體實施例，這些實施例絕不能對本發明構成任何限制。
實施例1將淡水與潤滑油分離約4cm高的圓形過濾片經法蘭連接到本發明靜壓分離裝置中，該裝置橫截面積為0.125m2，由內徑400mm的圓筒體構成。
濾片由兩張有3mm孔的不銹鋼網保護和支撐。濾片所用親水物料由棉纖絲組成，如上述洗滌和預處理。分離裝置中引入水中含3%油(FIATVS油)的混合物，直到在濾床上形成約1m混合物恒定靜水壓頭。整個系統保持循環，其中用被過濾水混入被分出油后循環。
試驗持續48小時并得到以下平均值結果經過過濾器的流速40m3/m2·h;
被過濾水中潤滑油含量低于3mg/kg。
實施例2從海水中分離石油約5cm高的矩形過濾片經法蘭連接到本發明靜壓分離裝置中，該裝置橫截面積為0.5m2。
濾片由兩張有3mm孔的不銹鋼網保護和支持。親水物料由丙烯酸纖絲底層并在其上面疊置棉纖絲層達到要求的5cm高度而形成。
分離裝置中引入海水中含10%石油的混合物，直到在過濾床層上形成約1.2m混合物恒定靜水壓頭。整個系統保持循環，其中用被過濾水混入被分離石油后循環。
試驗持續長時間并得到以下平均值結果經過過濾器的流速32m3/m2·h;
被過濾海水中CCl4可萃取物質含量低于5mg/kg。
實施例3從水中分離柴油約3cm高的正方形過濾片經法蘭連接到本發明靜壓分離裝置中，該裝置橫截面積為20×20cm。
濾片由兩張有3mm孔的不銹鋼網保護和支持。親水物料由丙烯酸纖絲底層并在其上面疊置棉纖絲層達到要求的3cm高度而形成。
分離裝置中引入水中含5%柴油的混合物，直到在過濾床層上形成約0.7m混合物恒定靜水壓頭。整個系統保持循環，其中用被過濾水混入被分離柴油后循環。
試驗持續長時間并得到以下平均值結果經過過濾器的流速48m3/m2·h;
在被過濾水中沒有留下柴油。
從以上說明中可以看出，本發明可以極高的選擇性效率分離水/油混合物，其方法肯定經濟并且采用極簡單裝置。
關于被處理混合物，這些混合物當然可為各種類型，其中甚至可含許多不同的組分，當然組分之一須為親水組分并且至少另一組分不能與之混合。
權利要求
1.分離至少部分不可混溶的液體混合物(11)中兩組分的裝置，其中包括設有混合物(11)入口(4)，分別排出分開的混合物(11)重質和輕質組分的第一出口(5)和第二出口(6)的空心體(2)以及出口(5，6)之間設置的過濾器(7)，其特征在于該過濾器(7)用混合物中的組分之一完全并持續浸沒以使其中不存在任何空氣并且位于入口(4)和浸漬組分出口之間。
2.權利要求1的裝置，其特征在于液體之一為水或類似于水或易與水混合的液體并且至少另一液體為油狀液，而且過濾器(7)由親水物料(8)構成，用清潔水浸漬過后設在入口(4)和第一出口(5)之間。
3.權利要求2的裝置，其特征在于親水物料(8)為細粒狀。
4.權利要求3的裝置，其特征在于單個粒子的尺寸之一大于另兩個尺寸。
5.權利要求3的裝置，其特征在于單個粒子橫截面上的最大尺寸為10-3000μm且其長度為2-50mm。
6.權利要求1-5中任一項的裝置，其特征在于過濾器7中孔隙百分比為5-80vol%。
7.權利要求2-6中任一項的裝置，其特征在于親水物料(8)選自植物纖維，天然纖維或合成纖維或其混合物。
8.權利要求7的裝置，其特征在于親水物料(8)由短纖維段構成。
9.權利要求7的裝置，其特征在于親水物料(8)由紡絲廢料或紡絲屑構成。
10.權利要求7的裝置，其特征在于親水物料(8)由所述纖維無紡布構成。
11.權利要求2的裝置，其特征在于宜于混合組分之一流過的親水物料(8)的過濾器(7)的壁由網形成。
12.權利要求2的裝置，其特征在于入口(4)插入空心體(2)中，其中用管端伸入面對過濾器(7)相對一側的錐形擴散器(10)中。
13.權利要求2的裝置，其特征在于出口(5)與收集器連接。
14.權利要求13的裝置，其特征在于收集器出口位置高于過濾器(7)。
15.權利要求2的裝置，其特征在于出口(6)構成空心體(2)的溢流出口。
16.權利要求1-15中任一項的裝置，其特征在于空心體(2)由具有圓形或矩形橫截面的筒體構成。
17.分離至少部分不可混溶的液體混合物(11)中兩組分的方法，該方法在設有混合物入口(4)和分離組分出口(5，6)的分離室中進行，其特征在于其中包括以下初步間歇步驟a)將位于入口(4)和所述的出口(5，6)之一之間的過濾器(7)浸入混合物(11)組分之一中，直到完全排除過濾器(7)中存在的任何空氣并使其過濾床層完全浸沒;以及后續連續步驟b)在預定靜水壓頭下讓混合物(11)通過上述浸沒和脫氣的過濾器(7);c)從位于過濾器(7)面對入口(4)一側的相反一側的出口回收分離組分之一，更具體地講回收浸漬步驟a)中所用組分;和d)從過濾器(7)與入口(4)同一側面對的出口回收另一分離組分。
18.權利要求17的方法，其特征在于液體之一為水或類似于水或易與水混合的液體并且至少另一液體為油狀液，而且過濾器(7)由親水物料(8)構成，用清潔水浸漬過后設在入口(4)和排出分離水相組分的出口(5)之間。
19.權利要求18的方法，其特征在于親水物料(8)為細粒狀。
20.權利要求19的方法，其特征在于單個粒子的尺寸之一大于另兩個尺寸。
21.權利要求19的方法，其特征在于單個粒子橫截面上的最大尺寸為10-3000μm且其長度為2-50mm。
22.權利要求17-21中任一項的方法，其特征在于過濾器7中孔隙百分比為5-80vol%。
23.權利要求18-22中任一項的方法，其特征在于親水物料(8)選自植物纖維，天然纖維或合成纖維或其混合物。
24.權利要求23的方法，其特征在于親水物料(8)由短纖維段構成。
25.權利要求23的方法，其特征在于親水物料(8)由紡絲廢料或紡絲屑構成。
26.權利要求23的方法，其特征在于親水物料(8)由所述纖維無紡布構成。
27.權利要求17或18的方法，其特征在于靜水壓頭為0.05-5m水柱。
28.權利要求27的方法，其特征在于將過濾器(7)上混合物(11)的液位控制在預定高度而獲得靜水壓頭。
29.權利要求27的方法，其特征在于用泵送裝置獲得靜水壓頭。
30.權利要求17或18的方法，其特征在于過濾器(7)上混合物(11)物流為層流。
31.權利要求17或18的方法，其特征在于，過濾器(7)上混合物(11)流速為0.001-0.1m/s。
全文摘要
本發明涉及分離不可混溶液體，尤其是水或鹽水和油的混合物(11)中兩組分的裝置(1)，其中包括設有混合物(11)入口(4)和分離組分出口(5，6)及由松散填充纖維物料(8)構成并位于入口(4)和分離水出口(5)之間的過濾器(7)的空心體(2)，該過濾器(7)用清潔水浸沒時僅讓混合物(11)中的水組分通過，而油組分被阻止。本發明還涉及用上述裝置進行的不可混溶液體混合物中各組分的分離方法。
文檔編號B01D17/022GK1102135SQ9311980
公開日1995年5月3日 申請日期1993年10月29日 優先權日1992年4月30日
發明者A·托里尼 申請人:伊塔爾特雷科有限公司