La présente invention concerne un appareil pour la diffusion de gaz dans un liquide, comme par exemple pour régénérer des lacs et des rivières pollués en introduisant sous forme de bulles de l'air ou de l'oxygène dans l'eau polluée.
L'appareil objet de l'invention comprend un passage avec une pluralité d'ouvertures à travers une partie latérale du passage, un agencement permettant un écoulement de gaz vers les ouvertures de manière à former de petites bulles du gaz à l'endroit des ouvertures et un agencement pour l'établissement d'un écoulement de liquide à travers le passage afin d'arracher par cisaillement les bulles, cet appareil étant caractérisé, selon l'invention, en ce que chaque ouverture est définie par l'extrémité d'un tube respectif parmi plusieurs tubes capillaires qui sont encastrés dans ladite partie latérale du passage et qui recoupent le passage.
Les avantages de l'invention ressortiront de la description ciaprès, donnée à titre d'exemple et en se référant aux dessins annexés, dans lesquels:
La fig. 1 est une vue en perspective d'un assemblage de diffuseur comportant plusieurs unités ou modules réalisés suivant l'invention.
La fig. 2 est une vue en coupe partielle à grande échelle suivant la ligne 2-2 de la fig. 1, illustrant le rapport existant entre les assemblages ou barres de dispersion de gaz, une chambre d'alimentation en eau et plusieurs fentes d'évacuation dans l'une des unités de diffuseur.
La fig. 3 est une vue en élévation latérale à grande échelle suivant la ligne 3-3 de la fig. 2, illustrant des tubes capillaires destinés à former des bulles de gaz le long des côtés opposés d'une fente d'évacuation.
La fig. 4 est une représentation partielle à grande échelle d'une partie de l'un des tubes capillaires de la fig. 3.
La fig. 5 est une vue en coupe illustrant la construction d'une variante de réalisation de l'assemblage de diffuseur.
Bien que l'assemblage de diffuseur 10 (fig. 1) puisse être utilisé dans de nombreux environnements différents, cet assemblage de diffuseur est représenté à la fig. 1 au fond 12 d'un lac ou d'une grande masse 14 d'eau polluée. Cette eau polluée manque d'oxygène et ceci s'oppose aux processus normaux de la vie nécessaires pour permettre aux poissons de vivre et pour maintenir des conditions hygiéniques convenables dans le lac 14. En dissolvant de l'oxygène dans l'eau, on accélère les processus naturels de purification de l'eau. Un procédé et un appareil destinés à compléter le processus naturel de purification de l'eau grâce à l'addition d'oxygène à cette eau ont été décrits dans un brevet aux Etats-Unis d'Amérique N0 3505213 au nom d'Anthony et Fulton.
Bien que l'on envisage que l'assemblage de diffuseur 10 sera avantageusement utilisé pour favoriser l'absorption d'oxygène (ou d'autres gaz, par exemple de l'air) par des masses d'eau, il doit être entendu que l'assemblage de diffuseur peut être utilisé pour favo riser l'absorption d'autres gaz par d'autres masses de liquide.
L'assemblage de diffuseur 10 comprend plusieurs unités ou modules 18 avec des ouvertures ou fentes d'évacuation parallèles 20 à partir desquelles un mélange d'eau et de petites bulles 22 (fig. 2) d'oxygène sont dispsersées dans le lac 14 afin de l'oxygéner. Ces petites bulles 22 d'oxygène sont dispersées dans une relativement grande zone du lac 14 et s'élèvent lentement vers la surface de ce dernier. Les bulles doivent être aussi petites qu'il est possible en pratique afin de rendre l'adsorption maximale avant que les bulles atteignent la surface de l'eau. Si une bulle d'oxygène est relativement grande, elle s'élèvera rapidement jusqu'à la surface de l'eau et sera dissipée dans l'atmosphère avant que l'oxygène de la bulle puisse être absorbé dans l'eau.
Toutefois, si les bulles d'oxygène sont relativement petites, elles s'élèveront lentement vers la surface d'une masse d'eau, de telle sorte qu'on disposera d'une plus longue période pour l'absorption de l'oxygène. En outre, de plus petites bulles présentent de relativement grandes superficies par unité d'oxygène dans les bulles, afin de promouvoir l'absorption de gaz par l'intermédiaire des surfaces des bulles. Alors que les bulles 22 s'élèvent, l'oxygène dans ces bulles est absorbé par les eaux pauvres en oxygène du lac.
Etant donné que les bulles 22 d'oxygène s'élèvent lentement et sont relativement petites avec une relativement grande superficie par unité d'oxygène contenue dans les bulles, pratiquement la totalité de l'oxygène est absorbée alors que les petites bulles s'élèvent lentement vers la surface du lac 14. Si les bulles étaient relativement grandes, elles monteraient rapidement vers la surface du lac, de telle sorte qu'on ne disposerait pas d'une période suffisante pour l'absorption de l'oxygène. Ceci pourrait avoir pour résultat une perte par bouillonnement ou dissipation de l'oxygène vers l'atmosphère. Bien évidemment, la dissipation de l'oxygène dans l'atmosphère augmente le prix de revient de l'obtention de la teneur en oxygène désirée dans l'eau du lac 14 et on peut également créer des conditions dangereuses pour la sécurité.
Les modules ou unités 18 sont connectés à une source commune d'oxygène sous pression par une conduite à gaz principale 24 (fig. 1). La conduite à gaz principale 24 est connectée à des barres de dispersion de gaz 28 dans chacune des unités 18, grâce à des conduites d'alimentation 30. En outre, chacune des unités 18 est alimentée en eau sous pression par un tuyau commun 32 auquel les unités de diffuseur 18 sont connectées par une plaque de base 34. Une pompe 33 illustrée schématiquement peut être associée au tuyau 32 et agit de manière à aspirer de l'eau à partir du lac 14 et l'envoyer dans le tuyau 32. Un filtre convenable peut être utilisé pour empêcher les matières solides d'atteindre la pompe ou les barres de dispersion 28.
Ainsi, lorsque les assemblages de diffuseur 18 sont utilisés pour oxygéner le lac 14, les assemblages de diffuseur sont continuellement alimentés en oxygène gazeux par la conduite à gaz 24 et ils sont continuellement alimentés en eau par le tuyau à eau 32. Bien que la conduite à gaz 24 et le tuyau à eau 32 aient été représentés à la fig. 1 comme reposant sur le fond 12 du lac, ils pourraient être suspendus ou supportés d'une autre façon au-dessus du fond du lac, si on le désire.
Les modules d'assemblage de diffuseur 18 sont capables de produire des bulles extrêmement fines ou petites qui sont dispersées dans le lac 14. Les bulles 22 sont formées de part et d'autre des fentes 14 définies par les assemblages ou barres de dispersion de gaz 29 (voir les fig. 2 et 3). Ainsi, les petites bulles 22 sont formées en rangées ou séries rectilignes 42 et 44 (fig. 3) qui s'étendent parallèlement entre elles sur toute la longueur des côtés opposés s'étendant longitudinalement 46 et 48 des fentes 20. Ces bulles sont entraînées par l'eau qui s'écoule en un courant continu à partir d'une chambre 49 (fig. 2) et à travers les fentes 20 dans le lac.
Les bulles sont entraînées avant d'être totalement formées. La chambre à eau 49 est connectée en communication pour le fluide au tuyau à eau 32 par des passages (non représentés) qui s'étendent à travers la plaque de montage 34 (fig. 1).
L'écoulement de l'eau à partir des fentes 20 entraîne les bulles sur une relativement grande distance dans le lac. Ceci a pour résultat la formation d'un brouillard de gaz ou nuage de bulles qui s'étend vers l'extérieur sur une distance importante à partir de l'assemblage de diffuseur 10.
Les bulles 22 sont formées aux extrémités ouvertes 54 de tubes capillaires 58 qui s'étendent à partir de chambres à gaz 60 vers les côtés 46 et 48 des fentes 20 (voir les fig. 2, 3 et 4). Chacune des chambres à gaz 60 dirigées vers le haut est connectée en communication pour le fluide à la conduite à gaz 24, de telle sorte qu'un courant continu de gaz sous pression s'écoule depuis la conduite 24 à travers les tubes d'alimentation 30 (fig. 1), vers chaque chambre à gaz 60. Le gaz s'écoule à partir des chambres 60 vers les côtés opposés 46 et 48 des fentes 20, par l'intermédiaire de rangées 62 et 64 (fig. 3) de tubes capillaires parallèles 58. Une seule ligne droite ou série de petites bulles de gaz est formée le long de chacun des côtés 46 et 48 de la fente 20 aux extrémités ouvertes 54 des tubes capillaires 58.
Les extrémités ouvertes 54 des tubes capillaires 58 sont espacées le long des côtés 46 et 48 de la fente 20 afin de tendre à réduire au minimum le volume d'eau requis pour disperser les bulles de gaz 22 dans le lac 14. Bien qu'une seule ligne ou rangée de tubes capillaires 58 espacés uniformément soit utilisée sur chaque côté de la fente 20 dans l'assemblage de diffuseur illustré, plusieurs lignes ou rangées parallèles de tubes capillaires pourraient être prévues les unes derrière les autres sur chaque côté de la fente 20.
Les extrémités ouvertes 54 des tubes capillaires 58 doivent offrir un petit diamètre si l'on doit former de petites bulles alors que le gaz s'écoule à partir des extrémités des tubes capillaires.
Afin de faciliter la formation de petites bulles de gaz et la fabrication de l'assemblage de diffuseur 10, les tubes capillaires 58 sont des tubes en fibres de verre creux possédant des passages internes cylindriques avec un diamètre de 0,0064 à 0,0128 mm. Ces tubes en fibres de verre rectilignes sont relativement faciles à incorporer dans des barres de support 66 en association parallèle entre eux et en association perpendicualire avec l'axe longitudinal de la fente 20. Cette incorporation des tubes capillaires 58 est réalisée en situant simplement les tubes avec l'association désirée et en laissant s'écouler une matière d'obturation étanche appropriée autour des tubes. Lorsque la matière d'étanchéité se solidifie, elle connecte entre eux de façon étanche les tubes capillaires 58 afin de former les barres 66 et d'empêcher un écoulement de fluide autour des tubes.
Les petites extrémités ouvertes 54 des tubes en fibres de verre 58 permettent la formation de relativement petites bulles, c'est-à-dire des bulles dans une gamme de dimensions inférieures à 0,10 mm de diamètre. En fait, des essais ont révélé que des bulles avec un diamètre dans la gamme de 0,020 à 0,025 mm ont été formées. Etant donné que les tubes capillaires 58 sont relativement petits et espacés étroitement sur toute la longueur de la fente 20, un grand nombre de bulles de petit diamètre peut être formé le long des côtés 46 et 48 de la fente 20. Bien que les ouvertures 54 puissent être formées en perçant des trous dans les organes 56 ou en réalisant ces organes à partir d'un métal fritté poreux, il a été déterminé que les tubes capillaires 58 produisent des bulles à une vitesse et avec une uniformité de dimension qui ne pouvaient être obtenues avec ces autres constructions.
Afin de favoriser le transfert de petites bulles distinctes 22 à partir des ouvertures 54 des tubes capillaires vers le lac 14, chaque bulle 22 est entraînée à partir d'une ouverture de tube capillaire 54 sur laquelle elle est formée avant la formation de la bulle suivante à l'endroit de l'ouverture. Ceci est réalisé en prévoyant un écoulement d'eau à relativement grande vitesse à travers l'étroite fente 20 et en amenant du gaz à une vitesse quelque peu inférieure vers les extrémités ouvertes 54 des tubes capillaires 58.
Ceci a pour résultat une action de cisaillement grâce à laquelle les bulles sont arrachées des tubes capillaires. A cause de la différence de vitesse de l'eau et du gaz, on dispose d'un temps suffisant pour que chaque bulle 22 soit cisaillée ou arrachée à partir du côté de la fente 20 et entraînée à partir de son ouverture capillaire 54 associée par l'écoulement d'eau avant la formation de la bulle suivante. La fente 20 a une relativement petite largeur, afin de réduire au minimum l'écoulement volumétrique de l'eau à grande vitesse à travers la fente.
Comme indiqué précédemment, plus petite est la dimension des bulles et plus efficace est l'adsorption. Par conséquent, l'assemblage de diffuseur illustré, qui produit des bulles extrêmement petites, offre un système efficace et sûr à cause de la valeur élevée d'absorption avant que les bulles ne viennent se briser à la surface du lac.
Comme indiqué précédemment, plus petit est le diamètre des bulles et plus lentement cette bulle s'élèvera. De même, plus petite est la bulle et plus rapide est la vitesse d'absorption. Par exemple, il a été déterminé que pour qu'une bulle se dissolve lorsqu'elle est libérée dans dix pieds d'eau, le diamètre de la bulle ne doit pas dépasser 0,18 mm. Une bulle de cette dimension a une vitesse d'élévation d'environ 3 cm/s, ce qui signifie que la bulle aura besoin de 100 secondes pour s'élever sur 300 cm. Cette même bulle a besoin d'environ 100 secondes pour être totalement dissoute. Ces données indiquent que pour obtenir une utilisation à 100% de l'oxygène dans 300 cm d'eau, les bulles ne doivent pas avoir une dimension supérieure à 0,18 mm. Des exemples analogues pour d'autres profondeurs peuvent également être déterminés.
Etant donné que la dimension de bulles nécessaire pour procurer la flottabilité essentielle pour surmonter la tension superficielle maintenant la bulle sur le tube capillaire est supérieure à un diamètre de 0,5 mm, il ne s'est pas révélé possible d'engendrer des bulles uniformes avec un diamètre inférieur à 0,5 nun en laissant simplement s'écouler un gaz à travers un petit tube capillaire.
De plus, les tubes capillaires en verre avec un diamètre de 0,064 mm offrent un trou de passage à gaz uniforme, rectiligne et extrêmement petit. Ces capillaires uniformes produisent de petites bulles uniformes, à cause de leur configuration. En outre, la conservation de l'eau pompée est réalisée en assurant que la totalité de l'eau alors qu'elle est pompée est envoyée transversalement par rapport à la surface de cisaillement des bulles. Ceci est dû en partie au fait que le diffuseur est conçu avec une fente à eau qui envoie de force la totalité de l'eau pompée sur la surface de cisaillement des bulles.
Dans l'assemblage illustré aux fig. 1 à 4, la série de tubes capillaires 58 est disposée le long de chaque côté s'étendant longitudinalement d'une fente 20, de telle sorte qu'une série de bulles de gaz est formée sur les côtés opposés de la fente. Ceci favorise un mélange efficace des bulles de gaz avec l'eau alors que le gaz s'écoule à travers la fente 20 dans le lac 14. L'assemblage illustré à la fig. 5 est construit et fonctionne approximativement de la même façon que l'assemblage des fig. 1 à 4. Toutefois, l'assemblage de diffuseur 70 à la fig. 5 possède une seule série 72 de tubes capil lairés 74 agencés le long d'un côté 76 d'une fente 78. Par conséquent, des bulles de gaz sont formées uniquement le long du côté 76 de la fente 78. Le côté 80 de la fente 78 n'est pas interrompu par des ouvertures de tubes capillaires.
L'oxygène ou un autre gaz est envoyé à partir d'une conduite à gaz (non représentée) et par l'intermédiaire d'un passage 82, à une chambre 84 dirigée vers le haut, qui est connectée en communication pour le fluide avec les extrémités ouvertes des tubes capillaires 74. Les autres extrémités de ces derniers sont disposées le long du côté 76 de la fente 78. Une chambre 88 est connectée à un tuyau à eau (non représenté) par un passage 90, de telle sorte que de l'eau sous pression s'écoule à partir de la chambre 88 à travers la fente 78, franchit les extrémités ouvertes des tubes capillaires 74 et cisaille les bulles de gaz à partir des tubes capillaires aussitôt qu'elles commencent à se former.
Il convient de remarquer que les assemblages de diffuseur 10 et 70 présentent tous deux des ouvertures ou fentes allongées 20 et 78 avec une largeur ou intervalle qui peut être aisément fixé au cours de la fabrication des assemblages de diffuseur de manière à offrir le rapport désiré entre la largeur du courant d'eau s'écoulant à travers les fentes et les bulles de gaz formées sur les côtés des fentes.
Au cours du fonctionnement des assemblages de diffuseur 10 et 72, de petites bulles de gaz sont formées aux extrémités ouvertes des tubes capillaires, le long des côtés des fentes. Aussitôt que les bulles se sont formées, elles sont cisaillées à partir des côtés des fentes par un écoulement d'eau à travers ces fentes et dans dan le lac dans lequel le gaz doit être absorbé. La vitesse de l'eau s'écoulant à travers les fentes est supérieure à la vitesse du gaz s'écoulant à travers les tubes capillaires 58 et 74, de telle sorte que chaque bulle est entraînée à partir de son tube capillaire associé par l'écoulement d'eau à travers la fente avant que la bulle de gaz suivante ne soit formée sur le tube capillaire.
Ces bulles de gaz sont relativement petites et s'élèvent lentement, de telle sorte qu'elles sont balayées à partir du diffuseur sur une relativement grande distance dans le lac. La vitesse d'ascension relativement lente des bulles de gaz et le fait qu'elles sont entraînées vers l'extérieur sur une relativement grande distance à partir du diffuseur favorisent l'absorption du gaz dans la masse d'eau et réduisent la perte par bouillonnement du gaz vers l'atmosphère.
L'assemblage de diffuseur 10 peut être utilisé pour le traitement des eaux usées, la fermentation et d'autres processus dans lesquels un gaz est diffusé dans une masse de liquide.
The present invention relates to an apparatus for diffusing gas into a liquid, such as for example for regenerating polluted lakes and rivers by introducing air or oxygen in the form of bubbles into the polluted water.
The apparatus of the invention comprises a passage with a plurality of openings through a lateral portion of the passage, an arrangement allowing gas to flow towards the openings so as to form small bubbles of the gas at the location of the openings. and an arrangement for establishing a flow of liquid through the passage to shear off the bubbles, this apparatus being characterized, according to the invention, in that each opening is defined by the end of a respective tube among several capillary tubes which are embedded in said lateral portion of the passage and which intersect the passage.
The advantages of the invention will emerge from the description below, given by way of example and with reference to the accompanying drawings, in which:
Fig. 1 is a perspective view of a diffuser assembly comprising several units or modules produced according to the invention.
Fig. 2 is a partial cross-sectional view on a large scale taken along line 2-2 of FIG. 1, illustrating the relationship between gas dispersion assemblies or bars, a water supply chamber and several exhaust slots in one of the diffuser units.
Fig. 3 is an enlarged side elevational view taken along line 3-3 of FIG. 2, illustrating capillary tubes for forming gas bubbles along opposite sides of an exhaust slit.
Fig. 4 is a partial representation on a large scale of part of one of the capillary tubes of FIG. 3.
Fig. 5 is a sectional view illustrating the construction of an alternative embodiment of the diffuser assembly.
Although the diffuser assembly 10 (fig. 1) can be used in many different environments, this diffuser assembly is shown in fig. 1 at the bottom 12 of a lake or a large body 14 of polluted water. This polluted water lacks oxygen and this is in opposition to the normal life processes necessary to allow the fish to live and to maintain suitable hygienic conditions in lake 14. Dissolving oxygen in the water accelerates natural water purification processes. A method and apparatus for supplementing the natural water purification process by adding oxygen to this water has been described in U.S. Patent No. 3505213 in the name of Anthony and Fulton .
Although it is contemplated that the diffuser assembly 10 will be advantageously used to promote the absorption of oxygen (or other gases, for example air) by bodies of water, it should be understood that the diffuser assembly can be used to aid absorption of other gases by other masses of liquid.
Diffuser assembly 10 comprises several units or modules 18 with parallel discharge openings or slits 20 from which a mixture of water and small bubbles 22 (Fig. 2) of oxygen are dispersed into the lake 14 in order to oxygenate it. These small oxygen bubbles 22 are dispersed over a relatively large area of lake 14 and slowly rise to the surface of the latter. The bubbles should be as small as practicable in order to maximize adsorption before the bubbles reach the surface of the water. If an oxygen bubble is relatively large, it will rise quickly to the surface of the water and be dissipated into the atmosphere before the oxygen in the bubble can be absorbed into the water.
However, if the oxygen bubbles are relatively small, they will slowly rise to the surface of a body of water, so that a longer period will be available for the absorption of oxygen. Further, smaller bubbles have relatively large areas per unit of oxygen in the bubbles, in order to promote gas absorption through the bubble surfaces. As the bubbles 22 rise, the oxygen in these bubbles is absorbed by the oxygen-poor waters of the lake.
Since oxygen bubbles 22 rise slowly and are relatively small with a relatively large area per unit of oxygen contained in the bubbles, virtually all of the oxygen is absorbed while the small bubbles slowly rise. towards the surface of the lake 14. If the bubbles were relatively large, they would rise rapidly towards the surface of the lake, so that there would not be sufficient time for the absorption of oxygen. This could result in the loss by bubbling or dissipation of oxygen to the atmosphere. Obviously, the dissipation of oxygen in the atmosphere increases the cost price of obtaining the desired oxygen content in the water of the lake 14 and it is also possible to create dangerous conditions for safety.
The modules or units 18 are connected to a common source of pressurized oxygen through a main gas line 24 (Fig. 1). The main gas line 24 is connected to gas dispersion bars 28 in each of the units 18, through supply lines 30. Furthermore, each of the units 18 is supplied with pressurized water through a common pipe 32 to which the diffuser units 18 are connected by a base plate 34. A schematically illustrated pump 33 can be associated with the pipe 32 and acts to draw water from the lake 14 and send it to the pipe 32. A A suitable filter can be used to prevent solids from reaching the pump or the dispersion bars 28.
Thus, when the diffuser assemblies 18 are used to oxygenate the lake 14, the diffuser assemblies are continuously supplied with gaseous oxygen through the gas line 24 and they are continuously supplied with water through the water pipe 32. Although the line gas 24 and the water pipe 32 have been shown in FIG. 1 as resting on the bottom 12 of the lake, they could be suspended or otherwise supported above the bottom of the lake, if desired.
The diffuser assembly modules 18 are capable of producing extremely fine or small bubbles which are dispersed in the lake 14. The bubbles 22 are formed on either side of the slits 14 defined by the gas dispersion assemblies or bars. 29 (see fig. 2 and 3). Thus, the small bubbles 22 are formed in straight rows or series 42 and 44 (Fig. 3) which extend parallel to each other over the entire length of the opposing longitudinally extending sides 46 and 48 of the slots 20. These bubbles are entrained. by water flowing in a direct current from a chamber 49 (Fig. 2) and through the slits 20 into the lake.
The bubbles are entrained before being fully formed. The water chamber 49 is connected in fluid communication to the water pipe 32 through passages (not shown) which extend through the mounting plate 34 (Fig. 1).
The flow of water from the slits 20 carries the bubbles a relatively large distance into the lake. This results in the formation of a gas mist or cloud of bubbles which extends outwardly a substantial distance from the diffuser assembly 10.
The bubbles 22 are formed at the open ends 54 of capillary tubes 58 which extend from gas chambers 60 to the sides 46 and 48 of the slots 20 (see Figs. 2, 3 and 4). Each of the upwardly directed gas chambers 60 is connected in fluid communication to the gas line 24, so that a continuous stream of pressurized gas flows from the line 24 through the supply tubes. 30 (Fig. 1), to each gas chamber 60. Gas flows from the chambers 60 to opposite sides 46 and 48 of the slots 20, through rows 62 and 64 (Fig. 3) of Parallel capillary tubes 58. A single straight line or series of small gas bubbles is formed along each of sides 46 and 48 of slot 20 at the open ends 54 of capillary tubes 58.
The open ends 54 of the capillary tubes 58 are spaced along the sides 46 and 48 of the slot 20 in order to tend to minimize the volume of water required to disperse the gas bubbles 22 in the lake 14. Although a single row or row of evenly spaced capillary tubes 58 is used on each side of slot 20 in the illustrated diffuser assembly, several parallel rows or rows of capillary tubes could be provided one behind the other on either side of slot 20 .
The open ends 54 of the capillary tubes 58 should be of a small diameter if small bubbles are to be formed as gas flows from the ends of the capillary tubes.
In order to facilitate the formation of small gas bubbles and the fabrication of the diffuser assembly 10, the capillary tubes 58 are hollow fiberglass tubes having cylindrical internal passages with a diameter of 0.0064 to 0.0128 mm. . These rectilinear glass fiber tubes are relatively easy to incorporate into support bars 66 in parallel association with one another and in association perpendicular to the longitudinal axis of the slot 20. This incorporation of the capillary tubes 58 is achieved by simply locating the tubes. with the desired combination and allowing a suitable sealing material to flow around the tubes. As the sealant solidifies, it sealingly connects capillary tubes 58 together to form bars 66 and to prevent fluid flow around the tubes.
The small open ends 54 of the fiberglass tubes 58 allow the formation of relatively small bubbles, i.e. bubbles in a range of sizes less than 0.10 mm in diameter. In fact, tests revealed that bubbles with a diameter in the range of 0.020 to 0.025 mm were formed. Since the capillary tubes 58 are relatively small and closely spaced along the entire length of the slot 20, a large number of small diameter bubbles can be formed along the sides 46 and 48 of the slot 20. Although the openings 54 can be formed by drilling holes in the members 56 or by making these members from a porous sintered metal, it has been determined that the capillary tubes 58 produce bubbles at a rate and with a uniformity of size which could not be achieved. obtained with these other constructions.
In order to promote the transfer of distinct small bubbles 22 from the openings 54 of the capillary tubes to the lake 14, each bubble 22 is entrained from a capillary tube opening 54 on which it is formed before the formation of the next bubble. at the place of the opening. This is accomplished by providing for a relatively high velocity flow of water through the narrow slit 20 and supplying gas at a somewhat lower velocity to the open ends 54 of the capillary tubes 58.
This results in a shearing action whereby the bubbles are stripped from the capillary tubes. Because of the difference in the velocity of water and gas, sufficient time is available for each bubble 22 to be sheared or torn from the side of slot 20 and entrained from its associated capillary opening 54 by water flow before the next bubble forms. The slit 20 has a relatively small width, in order to minimize the volumetric flow of high velocity water through the slit.
As mentioned above, the smaller the size of the bubbles, the more efficient the adsorption. Therefore, the illustrated diffuser assembly, which produces extremely small bubbles, provides an efficient and safe system because of the high absorption value before the bubbles break up on the surface of the lake.
As stated earlier, the smaller the diameter of the bubbles, the slower this bubble will rise. Likewise, the smaller the bubble, the faster the absorption rate. For example, it has been determined that in order for a bubble to dissolve when released in ten feet of water, the diameter of the bubble should not exceed 0.18mm. A bubble of this size has an elevation speed of about 3 cm / s, which means that the bubble will need 100 seconds to rise 300 cm. This same bubble needs about 100 seconds to be completely dissolved. These data indicate that to achieve 100% oxygen utilization in 300 cm of water, the bubbles should not be larger than 0.18 mm. Similar examples for other depths can also be determined.
Since the size of the bubbles necessary to provide the buoyancy essential to overcome the surface tension holding the bubble on the capillary tube is greater than a diameter of 0.5 mm, it has not been found possible to generate uniform bubbles. with a diameter of less than 0.5 nun by simply letting a gas flow through a small capillary tube.
In addition, glass capillary tubes with a diameter of 0.064mm provide a uniform, straight and extremely small gas passage hole. These uniform capillaries produce small, uniform bubbles, due to their configuration. Further, the conservation of pumped water is achieved by ensuring that all of the water as it is pumped is sent transversely to the shear surface of the bubbles. This is in part due to the fact that the diffuser is designed with a water slit which forcibly sends all of the pumped water onto the bubble shear surface.
In the assembly illustrated in fig. 1-4, the series of capillary tubes 58 are disposed along each longitudinally extending side of a slot 20, such that a series of gas bubbles are formed on opposite sides of the slot. This promotes efficient mixing of the gas bubbles with the water as the gas flows through slit 20 into lake 14. The assembly shown in FIG. 5 is constructed and operated in approximately the same way as the assembly of Figs. 1 to 4. However, the diffuser assembly 70 in FIG. 5 has a single series 72 of capillary tubes 74 arranged along one side 76 of a slot 78. Therefore, gas bubbles are formed only along the side 76 of the slot 78. The side 80 of the slot 78 is formed. slot 78 is not interrupted by capillary tube openings.
Oxygen or other gas is supplied from a gas line (not shown) and through passage 82, to an upwardly directed chamber 84, which is connected in fluid communication with the open ends of the capillary tubes 74. The other ends of the latter are disposed along the side 76 of the slot 78. A chamber 88 is connected to a water pipe (not shown) by a passage 90, so that pressurized water flows from chamber 88 through slit 78, passes the open ends of capillary tubes 74, and shears gas bubbles from capillary tubes as soon as they begin to form.
It should be noted that the diffuser assemblies 10 and 70 both have elongated apertures or slots 20 and 78 with a width or gap which can be readily fixed during manufacture of the diffuser assemblies so as to provide the desired ratio between the width of the water stream flowing through the slits and the gas bubbles formed on the sides of the slits.
During the operation of diffuser assemblies 10 and 72, small gas bubbles are formed at the open ends of the capillary tubes, along the sides of the slits. As soon as the bubbles have formed, they are sheared from the sides of the slits by water flow through these slits and into the lake in which the gas is to be absorbed. The velocity of the water flowing through the slits is greater than the velocity of the gas flowing through the capillary tubes 58 and 74, so that each bubble is entrained from its associated capillary tube by the water flow through the slit before the next gas bubble is formed on the capillary tube.
These gas bubbles are relatively small and rise slowly, so that they are swept from the diffuser a relatively large distance into the lake. The relatively slow rate of rise of the gas bubbles and the fact that they are drawn out a relatively large distance from the diffuser promotes absorption of the gas into the water body and reduces the loss through boiling. gas to the atmosphere.
Diffuser assembly 10 can be used for wastewater treatment, fermentation and other processes in which a gas is diffused into a mass of liquid.