CN104030434B - 一种纳米曝气装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纳米曝气装置及其方法。装置下部为进气区，由进气管和缓冲室组成。进气管连接供气装置，缓冲室用于缓存气体。装置上部为气体切割区，由基座、顶盖、密封胶圈、紧固螺钉和纳米曝气膜组成。纳米曝气膜内部均匀排布定向排列碳纳米管，并贯穿膜片两侧。密封胶圈与纳米曝气膜连接为一体，边缘固定于基座和顶盖间的卡槽内，卡槽在紧固螺钉的作用下被密封。本发明可将气体切割为直径1~10nm的气泡，增加其与液相的接触，强化液相传质速率，提高曝气有效利用率，削减实际曝气量，节约设备投资和运营成本。同时，也可降低气流对活性污泥的强烈冲刷作用，减少其机械流失的可能性，增加生物处理系统的稳定性，提高其运行效能。

Description

一种纳米曝气装置及其方法
技术领域
本发明涉及一种曝气装置，尤其涉及一种纳米曝气装置及其方法。
背景技术
微孔曝气盘的氧气利用率可达15%~25%，动力效率可达2kgO2/kw.h，是好氧生物处理系统中应用最为广泛的曝气装置。然而，微孔曝气盘释放出的气泡直径仍可达1.5~3.0mm，而O2的平均直径约为0.346nm，据此估计，一个气泡中可包含8.1×1019~6.51×1020个O2分子。在与水相接触的过程中，只有气泡表面的O2分子才有机会与水分子碰撞，与之结合而转变为溶解氧。而气泡内部的大量O2分子则不能与水相接触，而随上升气流溢出液相白白浪费掉。如果将气泡切割为直径为10nm左右，则一个气泡中包含的O2分子仅有2.4×104个，将大大提高O2分子与水相的接触几率，提高其传质速率。
碳纳米管具有极高的拉伸强度、杨氏模量和断裂伸长率，是迄今为止发现的力学性能最好的材料之一。近年来，其制备及加工技术也得到了长足发展，为其在各领域的广泛应用奠定了基础。一方面，碳纳米管的纵向生长难题被逐渐攻破，制备出的碳纳米管的尺度已由微米级提升至厘米级甚至更高。据报道，国外已有制备管径几个纳米、长几个厘米的单壁纳米管的技术，且已经相当成熟。国内近期也报道，已能够合成单根长度达半米的超长碳纳米管。
另一方面，以内径小于2nm的双壁碳纳米管阵列为基础，通过催化裂解法填充氮化硅，可以制备出碳纳米管纳滤膜。测试结果显示，气体分子在该纳滤膜中的传输速度比传统奴森扩散模型预测值提高近1个数量级；水分子在该纳滤膜中的传输速度比连续流体力学模型预测值提高约3个数量级。与聚碳酸酯滤膜相比，该滤膜孔径尺寸小得多，但气体液体在其内的渗透能力却提高了几个数量级。
将纳米材料应用于好氧生物处理系统的曝气过程，可以显著降低释出气泡的直径，增加O2分子与水相的接触几率，强化气相液相传质速率，提高氧气利用率，大幅削减实际曝气量，节约设备投资和运营成本。另外，若将此发明应用于甲烷好氧氧化系统，还可大幅削减甲烷气体的供给量，节约可观的甲烷气体购置成本。此外，有效降低实际曝气量，还会带来一个额外的好处，即可以减缓气流对活性污泥的强烈冲刷作用，减少其机械流失的可能性，提高生物处理系统的稳定性，增加操作的灵活性，进而提升其运行效能。
发明内容
本发明目的是克服现有曝气装置气体利用率低的缺陷，提供一种纳米曝气装置及其方法。
纳米曝气装置包括进气区和气体切割区，进气区位于气体切割区下部；进气区包括进气管、缓冲室，气体切割区包括基座、密封胶圈、顶盖、紧固螺钉和纳米曝气膜。进气管与缓冲室的下部相连，基座下部与缓冲室上部相连，基座上部设有顶盖，顶盖通过紧固螺钉与基座连接，顶盖与基座的结合处内侧设有卡槽，卡槽内设有密封胶圈，密封胶圈内侧设有纳米曝气膜，密封胶圈与纳米曝气膜连接为一体。
所述的进气管、缓冲室、基座和顶盖的耐压强度以及固定螺钉的耐受强度均≥1.0Mpa；缓冲室为中空圆锥体，锥角为90°~120°，缓冲室底圆直径与进气管内径之比为10:1~15:1；基座厚度与进气管内径之比为1.5:1，顶盖厚度与基座厚度之比为1:2，基座宽度与进气管内径之比为2:1~3:1，卡槽与基座宽度之比为1:2~3:4；纳米曝气膜厚度为5~15mm，纳米曝气膜直径与缓冲室底圆直径之比为1:1；纳米曝气膜内布设定向排列碳纳米管，其定向排列方向垂直于膜片径向；碳纳米管的直径为1~10nm，长度为膜片的厚度；碳纳米管纵向间距与直径之比为15:1~25:1，横向间距与直径之比为15:1~25:1。
所述的纳米曝气装置的曝气方法是：气体经由进气管进入缓冲室，在纳米曝气膜内外压差的驱动下，进入纳米曝气膜内排布的定向排列碳纳米管，并被切割成直径为1~10nm的极小气泡，极小气泡到达纳米曝气膜外侧表面后被释放至液相，气泡表面的气体分子与水分子接触，与水分子结合转化为溶解态；未与水分子发生有效接触，或处于气泡内部不能与水分子接触的气体分子则随气泡上升，与上层的水分子接触并转化为溶解态；到达液相顶端但仍未能与水分子有效接触的气体分子则随气泡逸散至环境中。
与现有微孔曝气器相比，本发明具有明显的优势：1）碳纳米管切割出的氧气泡直径仅为1~10nm，单个气泡中的O2分子数下降15~16个数量级，O2分子与水相接触的几率大大提高，气相液相传质速率加快，氧气利用率提升2~3倍，大幅度削减实际曝气量，节约供气设备投资和运营成本。2）若将此发明应用于甲烷好氧氧化系统，则可显著削减甲烷实际曝气量，节约甲烷气体购置成本，同时降低储存大量甲烷所带来的事故风险。3）削减实际曝气量，减缓气流对活性污泥的强烈冲刷作用，减少其机械流失的可能性，提高生物处理系统的稳定性，增加其操作的灵活性，进而提升其运行效能。
附图说明
图1是纳米曝气装置结构俯视图；
图2是纳米曝气装置结构主视图；
图3是纳米曝气装置纳米曝气膜微观结构图；
图中：进气管1、缓冲室2、基座3、密封胶圈4、顶盖5、紧固螺钉6、纳米曝气膜7。
具体实施方式
如图1、2和3所示，一种纳米曝气装置包括进气区Ⅰ和气体切割区Ⅱ，进气区Ⅰ位于气体切割区Ⅱ下部；进气区Ⅰ包括进气管1、缓冲室2，气体切割区Ⅱ包括基座3、密封胶圈4、顶盖5、紧固螺钉6和纳米曝气膜7。进气管1与缓冲室2的下部相连，基座3下部与缓冲室2上部相连，基座3上部设有顶盖5，顶盖5通过紧固螺钉6与基座3连接，顶盖5与基座3的结合处内侧设有卡槽，卡槽内设有密封胶圈4，密封胶圈4内侧设有纳米曝气膜7，密封胶圈4与纳米曝气膜7连接为一体。
所述的进气管1、缓冲室2、基座3和顶盖5的耐压强度以及固定螺钉6的耐受强度均≥1.0Mpa；缓冲室2为中空圆锥体，锥角为90°~120°，缓冲室2底圆直径与进气管1内径之比为10:1~15:1；基座3厚度与进气管1内径之比为1.5:1，顶盖5厚度与基座3厚度之比为1:2，基座3宽度与进气管1内径之比为2:1~3:1，卡槽与基座3宽度之比为1:2~3:4；纳米曝气膜7厚度为5~15mm，纳米曝气膜7直径与缓冲室2底圆直径之比为1:1；纳米曝气膜7内布设定向排列碳纳米管，其定向排列方向垂直于膜片径向；碳纳米管的直径为1~10nm，长度为膜片的厚度；碳纳米管纵向间距与直径之比为15:1~25:1，横向间距与直径之比为15:1~25:1。
一种纳米曝气装置除纳米曝气膜和密封胶圈外，其余机械结构均可用钢板制作。纳米曝气膜的制作过程如下：首先，采用催化裂解法，在单晶硅片或石英片上生长垂直排列的、具有一定长度的碳纳米管阵列；然后，以气密性材料填充碳纳米管间隙，并在阵列边缘预留一定宽度的填充液，形成具有一定厚度的连续薄膜；最后，将薄膜从基片剥离，对碳纳米管两端开孔，从而获得边缘带密封胶圈的纳米曝气膜。
其工作过程如下：气体（氧气、空气或甲烷）经由进气管1进入缓冲室2，在纳米曝气膜7内外压差的驱动下，进入纳米曝气膜7内排布的定向排列碳纳米管，并被切割成直径为1~10nm的极小气泡，极小气泡到达纳米曝气膜7外侧表面后被释放至液相，气泡表面的气体分子与水分子接触，与水分子结合转化为溶解态；未与水分子发生有效接触，或处于气泡内部不能与水分子接触的气体分子则随气泡上升，与上层的水分子接触并转化为溶解态；到达液相顶端，但未仍能与水分子有效接触的气体分子，则随气泡逸散至环境中。
本发明中气体切割区II有效工作的关键，在于纳米曝气膜的加工和整个装置的气密性。必须使碳纳米管生长至所需长度，定向排列于膜内部，并贯穿整个膜。气密性材料必须将碳纳米管间的的空隙有效密封。此外，必须保证整个装置的密封性，使气体只能通过碳纳米管内腔扩散至液相，而不能有其它通道。

Claims (4)

1.一种纳米曝气装置，其特征在于：装置包括进气区（Ⅰ）和气体切割区（Ⅱ），进气区（Ⅰ）位于气体切割区（Ⅱ）下部；进气区（Ⅰ）包括进气管（1）、缓冲室（2），气体切割区（Ⅱ）包括基座（3）、密封胶圈（4）、顶盖（5）、紧固螺钉（6）和纳米曝气膜（7），
进气管（1）与缓冲室（2）的下部相连，基座（3）下部与缓冲室（2）上部相连，基座（3）上部设有顶盖（5），顶盖（5）通过紧固螺钉（6）与基座（3）连接，顶盖（5）与基座（3）的结合处内侧设有卡槽，卡槽内设有密封胶圈（4），密封胶圈（4）内侧设有纳米曝气膜（7），密封胶圈（4）与纳米曝气膜（7）连接为一体，所述的纳米曝气膜（7）内布设定向排列碳纳米管，其定向排列方向垂直于膜片径向；碳纳米管的直径为1~10nm，长度为膜片的厚度；碳纳米管纵向间距与直径之比为15:1~25:1，横向间距与直径之比为15:1~25:1。
2.根据权利要求1所述的一种纳米曝气装置，其特征在于：所述的进气管（1）、缓冲室（2）、基座（3）和顶盖（5）的耐压强度以及固定螺钉（6）的耐受强度均≥1.0MPa，所述的纳米曝气膜（7）厚度为5~15mm，纳米曝气膜（7）直径与缓冲室（2）底圆直径之比为1:1。
3.根据权利要求1所述的一种纳米曝气装置，其特征在于：所述的缓冲室（2）为中空圆锥体，锥角为90°~120°，缓冲室（2）底圆直径与进气管（1）内径之比为10:1~15:1，所述的基座（3）厚度与进气管（1）内径之比为1.5:1，顶盖（5）厚度与基座（3）厚度之比为1:2，基座（3）宽度与进气管（1）内径之比为2:1~3:1，卡槽与基座（3）宽度之比为1:2~3:4。
4.一种实施如权利要求1所述的纳米曝气装置的曝气方法，其特征在于：气体经由进气管（1）进入缓冲室（2），在纳米曝气膜（7）内外压差的驱动下，进入纳米曝气膜（7）内排布的定向排列碳纳米管，并被切割成直径为1~10nm的极小气泡，极小气泡到达纳米曝气膜（7）外侧表面后被释放至液相，气泡表面的气体分子与水分子接触，与水分子结合转化为溶解态；未与水分子发生有效接触，或处于气泡内部不能与水分子接触的气体分子则随气泡上升，与上层的水分子接触并转化为溶解态；到达液相顶端但仍未能与水分子有效接触的气体分子则随气泡逸散至环境中。
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