CN106066198A - 一种测定集气袋中沼气体积的简易装置及测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测定集气袋中沼气体积的简易装置，该装置包括容积可变的沼气容器、透明的补料瓶、空置的收集槽、称重机构、升降机构、阀、进气管路、出液管，升降机构置于补料瓶的一侧，称重机构置于升级机构上，收集槽置于称重机构内；补料瓶内容有纯水，沼气收纳容器通过进气管路与所述补料瓶连通，并且进气管路在所述补料瓶内的一端位于所述纯水的液面上方，阀串接于所述进气管路中；出液管插入补料瓶内并且其在补料瓶内的端部位于纯水的液面以下，出液管的另一端置于所述收集槽内。通过升降机构调节，控制最终状态下玻璃补料瓶液面高于收集槽液面5‑10厘米，利用伯努利方程，即可得知流到收集槽的水体积为集气袋的沼气体积。

Description

一种测定集气袋中沼气体积的简易装置及测定方法

技术领域

本发明涉及实验室装置技术领域，具体涉及一种测定集气袋中沼气体积的简易装置及测定方法。

背景技术

全球气候变化和能源安全等原因，近年来促使了可再生能源的迅速发展。厌氧消化(Anaerobic digestion,AD)被广泛认为是生物质能源转化的重要途径，是一种有前景、发展中的能源化技术。消化底物的来源包括生物污泥、生活垃圾有机组分、畜禽粪便和农业废弃物等。考察不同来源废弃物的生化产甲烷潜能(Biochemical methane potential，BMP)，以遴选出合适的消化底物至关重要；评价不同预处理技术，如酸处理、碱处理、微生物处理、超声处理等，对底物的产沼性能影响具有重要意义；通过优化消化温度、接种比、碳氮比、含固率等参数，对实际生产具有指导意义。在以上的科研领域中，均需要进行厌氧消化的小试试验，而沼气产量是厌氧消化的最关键指标之一。

尽管目前已有“甲烷潜力测试系统”、“湿式流量计”等仪器，可自动测量沼气的产量和产率，但是价格昂贵，难以广泛采用。而采用排水集气法测定沼气体积，需要不断更换液体，显然不适用于批次实验。在厌氧消化的实验室研究中，利用集气袋收集沼气并进一步测定沼气体积，被广泛采用。其中实验室小试厌氧消化研究中，集气袋的体积一般为0.5L-5L。中国专利文献《一种可测量的厌氧发酵制沼气实验装置》(公开号CN202830028U，公开日期2013.03.27)提出一种可实现在线监测厌氧发酵情况，但是厌氧消化过程产生的沼气也通过集气袋收集。

目前，测定集气袋中沼气的体积，通常方法是用针筒(一般为100毫升)逐一抽出测定。但是，该方法误差较大，非常繁琐、费时费力(如3L的沼气体积需抽取30次)，对于批次实验工作量极大。而将集气袋中沼气挤入排水瓶进行体积测定，则存在集气袋很难挤压干净、非常费力、以及数据准确性不好等缺点。因此，科研人员迫切寻求一种可用于测定集气袋中沼气体积的新方法。

发明内容

本发明旨在针对现有技术现状，提供一种测定集气袋中沼气体积的简易装置和使用方法，可大大减少工作量，非常省力。

为达到以上目的，本发明提供一种测定集气袋中沼气体积的简易装置，包括容积可变的沼气容器(1)、透明的补料瓶(2)、空置的收集槽(3)、称重机构(4)、升降机构(5)、阀(6)、进气管路、出液管(III9)，所述升降机构置于补料瓶的一侧，所述称重机构置于所升级机构上，并且所述收集槽置于所述称重机构内；所述补料瓶内容有纯水，所述沼气收纳容器通过进气管路与所述补料瓶连通，并且进气管路在所述补料瓶内的一端位于所述纯水的液面上方，阀串接于所述进气管路中；所述出液管插入所述补料瓶内并且其在补料瓶内的端部位于所述纯水的液面以下距离补料瓶底部大于2厘米，出液管的另一端置于所述收集槽内。

所述的测定集气袋中沼气体积的简易装置，其进一步设计在于：所述阀是三通阀，所述三通阀的两个端口串接于所述进气管路中，另一个端口形成对沼气容器的充气口。

所述的测定集气袋中沼气体积的简易装置，其进一步设计在于：所述补料瓶的开口处设置有带有两个通孔的开口盖，所述进气管路、出液管经由所述两个通孔插入所述补料瓶内，所述开口盖的内侧设置有密封垫片。

所述的测定集气袋中沼气体积的简易装置，其进一步设计在于：所述补料瓶的瓶口部设置有具有两个管道的双通，所述进气管路、出液管经由该双通与所述补料瓶的内部连通。所述的双通(2-ii)，为不锈钢材质，采用上下双层焊接，无焊接口漏气。

所述的测定集气袋中沼气体积的简易装置，其进一步设计在于：所述沼气容器、收集槽内分别设置有测量两者内部液位高度的液位计，所述两个液位计与一控制器连接，所述控制器与所述升降机构的控制部分信号连接，控制器发出指令驱使所述升降机构抬高或者降低所述收集槽的高度，使得补料瓶液位高于收集槽内的液位5-10厘米。

所述的测定集气袋中沼气体积的简易装置，其进一步设计在于：所述液位计为投入式静压液位计；所述升降机构为液压伸缩杆或者气压伸缩杆。所述的升降机构，最高垂直高度30厘米，用于调节收集槽的高度，使得最终状态下玻璃补料瓶液面高于收集槽液面5-10厘米。

所述的测定集气袋中沼气体积的简易装置，其进一步设计在于：所述的称重机构为电子天平。

所述的测定集气袋中沼气体积的简易装置，其进一步设计在于：所述沼气容器为集气袋。

一种利用所述的简易装置测定集气袋中沼气体积的方法，包括如下步骤：a、测量所述补料瓶的瓶底与所述收集槽的槽底之间的高度差△H，记录所述收集槽空置状态下的重量m1；b、通过洗耳球轻轻抽吸一下置于收集槽的出液管端口，从而补料瓶中的纯水缓慢经由所述出液管流向所述收集槽内部；c、监测所述补料瓶内的液位高度h1和收集槽内的液位高度h2，通过所述升降机构调整所述收集槽的高度，使得补料瓶液面高度h1高于收集槽内液面高度(h2+△H)为5-10厘米；d、当沼气容器处于完全干瘪状态、出液管没有水流出，记录此时收集槽以及其中的液体的重量m2；计算m2和m1的差值，该差值即为沼气体积；在△m的计量单位是g时，沼气体积的单位为ml。

采用上述结构，使用时，将集气袋和玻璃补料瓶相连接，形成一个连通的封闭空间，以压力差为驱动力，使补料瓶中的水流到收集槽，直至停止。通过升降机构调节，使得最终状态下补料瓶液面高于收集槽液面5-10厘米，流出的水体积即为集气袋的沼气体积。

本发明专利提供的一种测定集气袋中沼气体积的简易装置，具有结构简单和价格低廉的优点，以水的压力差为驱动，操作简便、非常省力，准确度较高。

附图说明

图1是本发明的工作原理示意图。

图2是本发明的结构示意图。

图3是利用本发明测定集气袋体积的结果图。

具体实施方式

下面对本发明专利的实施方式作进一步详细描述。

如图2所示，该测定集气袋中沼气体积的简易装置包括容积可变的沼气容器1、透明的补料瓶2、空置的收集槽3、称重机构4、升降机构5、阀6、进气管路I7、出液管III9，所述升降机构置于补料瓶的一侧，所述称重机构置于所升级机构上，并且所述收集槽置于所述称重机构内；所述补料瓶内容有纯水，所述沼气收纳容器通过进气管路与所述补料瓶连通，并且进气管路在所述补料瓶内的一端位于所述纯水的液面上方，阀串接于所述进气管路中；所述出液管插入所述补料瓶内并且其在补料瓶内的端部位于所述纯水的液面以下距离补料瓶底部2厘米，出液管的另一端置于所述收集槽内。其中所述沼气容器为集气袋。所述的称重机构为电子天平。升降机构可以采用图中所示的简易升降机构。

所述阀是三通阀，所述三通阀的两个端口串接于所述进气管路中，另一个端口形成对沼气容器的充气口或者补料瓶的纯水入口。

所述补料瓶的开口处设置有带有两个通孔的开口盖2-iv，所述进气管路、出液管经由所述两个通孔插入所述补料瓶内，所述开口盖的内侧设置有密封垫片2-iii。开口盖2-iv与补料瓶的瓶身2-i旋转拧紧。

所述补料瓶的瓶口部设置有具有两个管道的双通2-ii，所述进气管路、出液管经由该双通与所述补料瓶的内部连通。所述的双通2-ii，为不锈钢材质，采用上下双层焊接，无焊接口漏气。

所述补料瓶、收集槽内分别设置有测量两者内部液位高度的液位计，所述两个液位计与一控制器连接，所述控制器与所述升降机构的控制部分信号连接，控制器发出指令驱使所述升降机构抬高或者降低所述收集槽的高度，使得补料瓶液面高于收集槽内液位5-10厘米。

所述液位计为投入式静压液位计；所述升降机构为液压伸缩杆或者气压伸缩杆。所述的升降机构，最高垂直高度30厘米，用于调节收集槽的高度，使得最终状态下玻璃补料瓶液面高于收集槽液面为5-10厘米。

如图1(左图为初始状态，右图为完成状态)所示，本专利技术方案采用的原理为伯努利方程，具体如公式(i)所示

$z_1+\frac{p_1}{\mathrm{\ρ}g}+\frac{v_1^2}{2g}=z_2+\frac{p_2}{\mathrm{\ρ}g}+\frac{v_2^2}{2g}+h_w---\left(i\right)$

初始状态：A点的压力P_i＝101.325kPa，集气袋沼气体积为V，补料瓶的顶空体积V₀，总体积为V_i＝V₀+V；

完成状态：此时的流速为0，忽略水头损失(h_w＝0)，根据伯努利方程，计算得到A点P_f＝101.325kPa+ρg(h₁-h₀)，集气袋完全干瘪体积为0，补料瓶的顶空体积V₀+V*，总体积V_f＝V₀+V*；

根据理想气体状态方程PV＝nRT，得到：

$\frac{V_i}{V_f}=\frac{P_f}{P_i}---\left(ii\right)$

$\frac{V_i}{V_f}=\frac{V_0+V}{V_0+V^{*}}=1+\frac{V-V^{*}}{V_f}=\frac{101.325\×{10}^3+\mathrm{\ρ}g(h_1-h_0)}{101.325\×{10}^3}=1+\frac{\mathrm{\ρ}g(h_1-h_0)}{101.325\×{10}^3}---\left(iii\right)$

水的密度为1000kg/m³，g＝9.8m/s²

$\frac{V-V^{*}}{V_f}=\frac{\mathrm{\Δ}V}{V_f}=\frac{\mathrm{\ρ}g(h_1-h_0)}{101.325\×{10}^3}=\frac{{10}^3\×9.8\×\mathrm{\Δ}h}{101.325\×{10}^3}---\left(iv\right)$

$\frac{\mathrm{\Δ}V}{V_f}\≈10\%\×\mathrm{\Δ}h---\left(v\right)$

通过公式(v)可知，当液面差距Δh小于10厘米时，则集气袋沼气体积的测定误差一般可控制在1％以内，满足绝大部分科研要求。同时，为了降低此过程的时间，将液面差距Δh控制在5-10厘米。

根据上述原理，相应的测量方法如下：

测量所述补料瓶的瓶底与所述收集槽的槽底之间的高度差△H，记录所述收集槽空置状态下的重量m1；b、通过洗耳球轻轻抽吸一下置于收集槽的出液管端口，从而补料瓶中的纯水缓慢经由所述出液管流向所述收集槽内部；c、监测所述补料瓶内的液位高度h1和收集槽内的液位高度h2，通过所述升降机构调整所述收集槽的高度，使得补料瓶液面高度h1高于收集槽内液面高度(h2+△H)为5-10厘米；d、当沼气容器处于完全干瘪状态、出液管没有水流出，记录此时收集槽以及其中的液体的重量m2；计算m2和m1的差值，该差值即为沼气体积；在△m的计量单位是g时，沼气体积的单位为ml。

具体地，通过洗耳球轻轻抽吸置于收集槽(3)的出液管(III9)端口，使玻璃补料瓶(2)的水流向收集槽(3)。当集气袋(1)处于完全干瘪状态、出液管(III9)没有水流出，此时记录下收集槽和水的质量为m₂。过程中，通过升降机构(5)调节，使得最终补料瓶(2)液面高于收集槽(3)液面为5-10厘米。计算m₂和m₁的差值，即为集气袋的气体体积。

利用本发明专利测定集气袋中沼气的体积，结果如图3，测量范围为200mL-5000mL，R²为0.9998，结果显示本方法具有较好的准确性，完全可以满足实验室对集气袋体积的测定要求。

Claims (8)

1.一种测定集气袋中沼气体积的简易装置，其特征在于：该装置包括容积可变的沼气容器（1）、透明的补料瓶（2）、空置的收集槽（3）、称重机构（4）、升降机构（5）、阀（6）、进气管路、出液管（III9），所述升降机构置于补料瓶的一侧，所述称重机构置于升降机构上，并且所述收集槽置于所述称重机构内；所述补料瓶内容有纯水，所述沼气收纳容器通过进气管路与所述补料瓶连通，并且进气管路在所述补料瓶内的一端位于所述纯水的液面上方，阀串接于所述进气管路中；所述出液管插入所述补料瓶内并且其在补料瓶内的端部位于所述纯水的液面以下，出液管的另一端置于所述收集槽内。

2.根据权利要求1所述的测定集气袋中沼气体积的简易装置，其特征在于：所述阀是三通阀，所述三通阀的两个端口串接于所述进气管路中，另一个端口形成对沼气容器的充气口。

3.根据权利要求1所述的测定集气袋中沼气体积的简易装置，其特征在于：所述补料瓶的开口处设置有带有两个通孔的开口盖，所述进气管路、出液管经由所述两个通孔插入所述补料瓶内，所述开口盖的内侧设置有密封垫片。

4.根据权利要求3所述的测定集气袋中沼气体积的简易装置，其特征在于：所述补料瓶的瓶口部设置有具有两个管道的双通，所述进气管路、出液管经由该双通与所述补料瓶的内部连通。

5.根据权利要求1所述的测定集气袋中沼气体积的简易装置，其特征在于：所述沼气容器、收集槽内分别设置有测量两者内部液位高度的液位计，所述两个液位计与一控制器连接，所述控制器与所述升降机构的控制部分信号连接，控制器发出指令驱使所述升降机构抬高或者降低所述收集槽的高度，使得补料瓶液面高于收集槽内的液面5-10厘米。

6.根据权利要求5所述的测定集气袋中沼气体积的简易装置，其特征在于：所述液位计为投入式静压液位计；所述升降机构为液压伸缩杆或者气压伸缩杆。

7.根据权利要求1所述的测定集气袋中沼气体积的简易装置，其特征在于：所述的称重机构为电子天平。

8.根据权利要求1所述的测定集气袋中沼气体积的简易装置，其特征在于：所述沼气容器为集气袋。