CN105688719B - 一种用于油页岩灰制备的吸附材料性能测试的振荡瓶 - Google Patents

一种用于油页岩灰制备的吸附材料性能测试的振荡瓶 Download PDF

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Abstract

本发明具体涉及一种用于油页岩灰制备的吸附材料性能测试的振荡瓶。振荡瓶底设有凸起部，包括凸起部上部，该部分为向上凸起球面；凸起部侧面均匀分布凹面，凸起部内部为空腔，瓶底凸起部外侧设有通道与外部相通。在振荡过程中，吸附剂和溶液都会具有水平和纵向两种运动，提高溶液的均匀度，而且吸附剂在振荡过程中可以沿着凹面的“轨道”克服重力作用向上“飞起”，有效避免吸附剂沉淀团聚，并能快速调整吸附温度的振荡瓶。

Description

一种用于油页岩灰制备的吸附材料性能测试的振荡瓶
技术领域
本发明属于化工仪器领域，具体涉及一种用于油页岩灰制备的吸附材料性能测试的振荡瓶。
背景技术
应用油页岩灰工业废物生产工业废水吸附剂，既可实现工业废物的无害化、资源化处理，又可降低吸附剂的生产成本，实现社会环境效益和经济效益的双赢，因此该研究对于能源和环保方面具有重要的研究价值和广阔的应用前景。在这个研究领域，已经公开了油页岩灰为原料制备具有插层结构铀吸附材料的方法（公告号: CN103349960B）和以白泥和油页岩灰为原料制备水滑石和水化硅酸钙，分别作为铀吸附剂和固化剂的方法（公告号:CN103752261A）。但在实际应用中发现会存在以下问题：
1.目前,振荡器基本采用水平回旋振动方式，这种振动方式导致振荡过程中溶液做围绕中心做水平圆周运动。在实际应用过程中，以油页岩灰为原料制备水滑石或水化硅酸钙由于自身重力作用，主要沉积在溶液下部，由于溶液做围绕中心做水平圆周运动，导致主要集中在振荡瓶底部中心，难以实现充分分散影响吸附效果。更为严重的是水滑石或水化硅酸钙在瓶体底部聚集容易发生团聚现象，进一步影响对于材料吸附性能的评价。由于缺少纵向运动的动力，溶液中不同层面的浓度存在差异，而且吸附剂主要集中在底部，吸附主要发生在下层，尽管通过扩散作用，上部的铀离子会扩散到底部参与吸附反应，但会导致吸附时间延长，造成吸附动力学数据误差较大。
2.目前吸附性能测试所采用的方法是将振荡瓶放置于振荡器底部，用弹簧将瓶体固定在振荡器中，将振荡器中装满水，通过保持水体温度恒定，测试在特定温度下的样品的吸附性能。由于温度对于样品吸附性能影响较大，因此控制样品实际吸附温度是非常重要的。但是现有的振荡瓶底部为平底，在振荡过程中与振动器的底部紧密接触，振荡瓶与水体的有效接触面积仅为振荡瓶的侧面，导致振荡瓶中的溶液与振荡器中的水体温度不同步。实验研究表明（RSC Adv., 2015, 5, 5904-5912）：温度对于水化硅酸钙吸附容量和附速率快的影响明显，这些都要求吸附过程应尽可能快速稳定溶液的温度，减少实验误差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以快速避免吸附剂沉淀在瓶体底部，有效抑制吸附剂团聚，溶液与吸附剂充分接触，并能快速调整吸附温度的用于油页岩灰制备的吸附材料性能测试的振荡瓶。
本发明的目的是这样实现的：
用于油页岩灰制备的吸附材料性能测试的振荡瓶，包括瓶体和瓶盖，瓶体由瓶身和瓶底组成，瓶底设有凸起部。
所述的凸起部的竖直截面为圆形或抛物线形，水平截面为圆形。
所述的凸起部包括向上凸起的球面结构凸起部上部1-1和凸起部侧面。
所述的凸起部侧面均匀分布有凹面。
所述的凸起部侧面为球面，凸起部侧面与凸起部上部球面相切，凸起部侧面的球面球心O在瓶身上。
在所述凸起部上部的顶部连接两条圆形通气管，两条通气管在瓶体底部的投影为通过底部中心的一条直线，每根管线与水平面的夹角为3-5度。
本发明的有益效果在于：
本发明的凸起部的设置在振荡过程，首先为溶液提供向上升起的着力坡面，溶液能够将振荡瓶水平运动产生的能量转化为溶液纵向运动的动力，避免吸附剂集中在底部时溶液层面浓度出现差异，导致吸附效率下降。其次凸起部有效扩大了瓶底面积，使振荡瓶与水体的有效接触面积增大，保证振荡瓶中溶液所处温度环境更稳定。再次，为吸附剂提供了向上运动的通道，吸附剂在振荡过程中可以沿着凹面的“轨道”克服重力作用向上“飞起”，有效避免吸附剂沉淀团聚，保证了在振荡过程中，吸附剂和溶液都会具有水平和纵向两种运动，有利于更为全面测定吸附材料的吸附能力。
附图说明
图1为本发明整体结构图。
图2为本发明凸起部高度与涡流速度曲线图。
图3为本发明实施例1底视图。
图4为本发明实施例4切面图。
图5为本发明实施例4底视图。
图6为本发明实施例7切面图。
图7为通道2垂直切面图。
图8为实施例9振荡瓶底视图。
图9为实施例9沿着图8中辅助线AA振荡瓶纵向切面图。
图10为实施例11导管5的剖面图。
图11为实施例12振荡瓶切面图。
图12为实施例15振荡瓶底视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
针对现有振荡瓶所存在的问题，本发明提供了一种可以快速避免吸附剂沉淀在瓶体底部，有效抑制吸附剂团聚，溶液与吸附剂充分接触，并能快速调整吸附温度的振荡瓶。如附图4和5所示：瓶底设有凸起部1，包括凸起部上部1-1，该部分为向上凸起球面；凸起部1侧面均匀分布4个凹面1-2，该部分为球体内表面的一部分，球心、瓶底中心、球心在瓶底垂直投影点三点所构成的平面为凹面1-2对称面，且如附图6所示球心与瓶底中心连线、瓶底中心与球心在瓶底垂直投影点连线，两条直线的夹角A为3-75度；底面与垂直半径OD的交点为E,OE与ED长度比为100-1,瓶底设有凸起部1壁厚与瓶体侧壁厚度一致，内部为空腔；如附图7所示瓶底凸起部1外侧设有4个通道2，凸起部1通过通道2与外部相通；瓶体上部为瓶盖3，通过磨口与瓶体相连。
凸起部上部1-1，该部分为向上凸起球面，保证振荡过程中升起的吸附剂向下回落不会停留在1-1上，进而导致团聚。凸起部侧面均匀分布4个凹面1-2，该部分为球体内表面的一部分，凹面1-2对称于球心、瓶底中心、球心在瓶底垂直投影点三点所构成的平面。这种设计保证了在振荡过程中，吸附剂和溶液都会具有水平和纵向两种运动，提高溶液的均匀度，而且吸附剂在振荡过程中可以沿着1-2的“轨道”克服重力作用向上“飞起”，有效避免吸附剂沉淀团聚。瓶底设有凸起部1壁厚与瓶体侧壁厚度一致，内部为空腔。这种设计保证了底部可以进入水体，增加水体与溶液的接触面积，有利于实际控温。瓶底凸起部1外侧设有4个通道2，凸起部1通过通道2与外部相通。这保证了当瓶体平放于振荡器底部时，液体可以进入凸起部1中。球心与瓶底中心连线、瓶底中心与球心在瓶底垂直投影点连线，两条直线的夹角A为3-75度；底面与垂直半径OD的交点为E,OE与ED长度比为100-1,这种设计可以根据实际情况调整1-2的曲面坡度，满足不同的吸附剂的振荡要求。瓶体上部为瓶盖3，通过磨口与瓶体相连，防止在正当过程中溶液和吸附剂溅出。
下面着重给出本发明实施例
实施例1
如图1所示，用于油页岩灰制备的吸附材料性能测试的振荡瓶，包括瓶体和瓶盖3，瓶体由瓶身和瓶底组成，瓶底设有凸起部1。瓶体上部为瓶盖3，通过磨口与瓶体相连。所述的凸起部的竖直截面为圆形或抛物线形，凸起部的水平截面为圆形。
本发明凸起部的设置能够在振荡过程为溶液提供向上升起的着力坡面，能够将振荡瓶水平运动产生的能量转化为溶液纵向运动的动力，减少溶液层面浓度差异，避免吸附剂集中在底部中心问题。
实施例2
与实施例1相同，仅有的区别在于：通过一系列实验，发明人发现当凸起部高度h和瓶体高度H满足如下关系时溶液纵向运动的动力最强：
H=-1.67h2+26.67h-76.6
10cm≥h≥3cm。
在该条件下，振荡瓶涡流速度与高度之间的关系如图2所示，其中横坐标为凸起部高度h，单位cm，纵坐标为涡流速度，单位m/s，当h为8cm时，本发明涡流速度为10m/s。在进行中试放大过程中，h=8cm，具有非常优异的振荡效果。
实施例3
虽然实施例1提供的凸起部解决了吸附剂集中在底部的问题，但是通过实验发现：如果凸起部过高会导致振荡过程中底部的吸附剂不能够更有效的融入涡流，而是仍然沉积于瓶底，因此合理设置凸起部，是达到本发明效果的重要技术特征。如图3所示。凸起部底圆面积半径r、瓶底圆面积半径R和瓶体高度H之间满足如下关系时，不仅吸附剂能够更有效的融入涡流，在振荡过程中靠近瓶底的溶液能够形成横向流动，使振荡效果更佳显著。
3≥R/r≥1.5，3≥H/R≥1.7。
其中瓶底溶液水平流速与凸起部底圆面积半径r的关系为
V=-0.18r2+2.88r-6.52
8cm≥r≥2.8cm
实施例4
在实施例1-3中，主要是通过对瓶体的结构改进，提高溶液纵向及横向流动速度达到提高振荡瓶效率的技术效果，如图4所示，振荡瓶凸起部包括向上凸起的球面结构的凸起部上部1-1以及凸起部侧面，在凸起部侧面均匀分布有凹面1-2。如图5所示为本实施例瓶底的底视图。
向上凸起球面，保证振荡过程中升起的吸附剂向下回落不会停留在凸起部上部1-1上导致团聚，同时为吸附剂和溶液提供了向上运动的通道，吸附剂和溶液在振荡过程中可以沿着凹面1-2的“轨道”克服重力作用向上“飞起”，有效避免吸附剂沉淀团聚，保证了在振荡过程中，吸附剂和溶液都会具有水平和纵向两种运动，提高溶液的均匀度。
实施例5
为便于振荡瓶的制作，凸起部侧面的凹面为4个，同时4个凹面为溶液和吸附剂提供了更大的“滑行坡面做起飞前的准备”，振荡效果更好。
实施例6
与实施例4相同，区别在于所述的凸起部侧面为球面，凸起部侧面与凸起部上部球面相切，凸起部侧面的球面球心O在瓶身上，该设计使凸起部上部和凸起部侧面平滑的连接在一起，这样最大程度保证了流体在经过这两部分衔接处时受到的阻力最小。
实施例7
与实施例4相同，区别在于所述的，凸起部侧面的球面球心O与瓶底中心的连线与水平面的夹角为3-75度。
实施例8
如附图4和5所示：瓶底设有凸起部1，包括凸起部上部1-1，该部分为向上凸起球面；凸起部1侧面均匀分布4个凹面1-2，该部分为球体内表面的一部分，球心、瓶底中心、球心在瓶底垂直投影点三点所构成的平面为凹面1-2对称面，且如附图6所示球心与瓶底中心连线、瓶底中心与球心在瓶底垂直投影点连线，两条直线的夹角A为3-75度；底面与垂直半径OD的交点为E,OE与ED长度比为100-1,瓶底设有凸起部1壁厚与瓶体侧壁厚度一致，凸起部1内部为空腔；如附图7所示瓶底凸起部1外侧设有通道2，凸起部1通过通道2与外部相通；瓶体上部为瓶盖3，通过磨口与瓶体相连。
实施例9
与实施例9相同，区别在于在凸起部上部1-1的顶部连接两条圆形通气管，两条通气管在瓶体底部的投影为通过底部中心的一条直线，每根管线与水平面的夹角为3-5度。如图8-9所示。
实施例10
与实施例9基本相同，不同之处在于在凸起部上部1-1顶部连接两条圆形通气管4，两条通气管在瓶体底部的投影为通过底部中心的一条直线，凸起部上部1-1通过4与瓶体外部相通，每根管线与水平面的夹角为3-5度。
实施例9在实际应用过程前，需要调整瓶体角度使得凸起部上部1-1的气体排出，方能使液体填满，使用非常不便，而且1-1顶部的溶液与整个液体交换并不通畅，这导致1-1中液体的温度会与实际液体的温度存在差异。通过本实施例的改进，气体可以通过导管排出，液体可以通过导管进入1-1中，解决了实施例9存在的问题。
实施例11
与实施例9基本相同，不同之处在于如图10所示通气管5由平面5-1和半圆形曲面5-2组成，平面5-1的长度为半圆形曲面5-2直径的2-5倍，平面5-1垂直于瓶体底面。
这种设计通气管5除了具有排气，交换液体的作用外，由于在振荡器运动导致溶液做围绕瓶体中心做圆周运动，通气管5起到了搅拌桨的作用，有利于溶液间、溶液与吸附剂间的混合。半圆形曲面5-2防止吸附剂停留在其上端，同时降低阻力。
实施例12
与实施例11基本相同，不同之处在于如图11所示两条通气管5共线，该直线与水平面的夹角为3-5度。这种共线设计，有助于液体在通气管中流动，而且搅拌的垂直区域扩大有助于有利于溶液间、溶液与吸附剂间进一步充分混合。
实施例13
与实施例11基本相同，不同之处在于通气管5位于球心、瓶底中心、球心在瓶底垂直投影点三点所构成的平面中。这种设计保证了通气管5不阻挡吸附剂沿着凹面1-2上升。
实施例14
虽然实施例3提供了振荡效果更佳显著的r 、R/r和H/R的范围，而且溶液必须高度必须高于h，在实际应用中r过大会导致实验过程中消耗的溶液和吸附材料的数量过大，而且对于振荡器的振荡速率提出了更高的要求，综合以上因素，通过进一步实验表明当h=3cm；H=9cm；r=3cm；R=4.5cm时，该振荡瓶对于100mL的溶液具有很好的振荡效果。
实施例15
与实施例10-13基本相同，优化之处在于：R=4.5cm；H=9cm；如图12所示，底部与凹面1-2相切的圆的半径r2=3cm；如图9和图11所示，通气管竖直最高点与底面垂直距离h2为3.5-4.2cm，该振荡瓶对于100mL的溶液具有很好的振荡效果。

Claims (7)

1.一种用于油页岩灰制备的吸附材料性能测试的振荡瓶，包括瓶体和瓶盖，瓶体由瓶身和瓶底组成，瓶底设有凸起部（1）； 凸起部（1）竖直截面为抛物线形，水平截面为圆形；凸起部（1）包括向上凸起的球面结构的凸起部上部和凸起部侧面，所述的凸起部侧面均匀分布有凹面，瓶底凸起部（1）外侧设有通道（2），凸起部（1）通过通道（2）与外部相通。
2.根据权利要求1所述的一种用于油页岩灰制备的吸附材料性能测试的振荡瓶，其特征在于：所述的凸起部侧面为球面，凸起部侧面的球面圆心O在瓶身上。
3.根据权利要求1所述的一种用于油页岩灰制备的吸附材料性能测试的振荡瓶，其特征在于：在所述凸起部上部的顶部对称连接两条通气管，每根管线与水平面的夹角均为3-5度。
4.根据权利要求1所述的一种用于油页岩灰制备的吸附材料性能测试的振荡瓶，其特征在于：在所述凸起部上部的顶部连接两条通气管，两条通气管在瓶体底部的投影为通过底部中心的一条直线，每根管线与水平面的夹角为3-5度。
5.根据权利要求3或4所述的一种用于油页岩灰制备的吸附材料性能测试的振荡瓶，其特征在于：所述的通气管为圆形管或由平面（5-1）和半圆形曲面（5-2）组成的管。
6.根据权利要求3所述的一种用于油页岩灰制备的吸附材料性能测试的振荡瓶，其特征在于： 凸起部（1）高度h为3cm；瓶体高度H为9cm；凸起部（1）底圆面积半径r 为3cm；瓶底圆面积半径R为4.5cm。
7.根据权利要求5所述的一种用于油页岩灰制备的吸附材料性能测试的振荡瓶，其特征在于：通气管竖直最高点与底面垂直距离h2小于4.2cm；瓶体高度H为9cm；底部与凹面1-2相切的圆的半径r2=3cm；瓶底圆面积半径R为4.5cm。
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