CN107792937A - 一种基于微纳米细化流体的超声强化富氧装置 - Google Patents

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罗南
胡长英
洪晓曦
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Abstract

本发明公开了一种基于微纳米细化流体的超声强化富氧装置。该富氧装置由出水管、出口支座、出口法兰、锁紧螺母、壳体、变螺距螺旋叶片、中心轴、填料管支座、填料管法兰、导流锥、粗颗粒物填料、填料管、超声波后加气孔、超声波后导气管、超声波后气体连接管、超声波后管座、超声波传感器、入水口支座、入水口法兰、超声波后气管、超声波后流量阀、氧气罐、超声波前流量阀、超声波前气管、超声波前气体连接管、超声波前管座、超声波前导气管、超声波前加气孔和进水管组成。本发明的有益效果是由基于微纳米细化流体的超声强化富氧装置制备的富氧水具有含氧量高、稳定时间长等优点。

Description

一种基于微纳米细化流体的超声强化富氧装置
技术领域
本发明属于污染废水和水体处理技术领域，特别涉及一种基于微纳米细化流体的超声强化富氧装置。
背景技术
天然水体具有一定的自净能力，其中微生物的氧化分解是水体自净的主要途径。如果水体中溶解氧含量较低，好氧微生物将受到抑制，而厌氧微生物处于活跃状态。当进入水体中污染物总量超过水体自净能力时，水体中溶解氧会被好氧微生物消耗殆尽，导致水体呈现厌氧状态，剩余污染物在厌氧微生物的作用下被分解为氨气、甲烧、二氧化碳、硫化氨等对水生生物具有毒害性的气体。同时，水分子同各种微生物的代谢产物结合成较大的聚合分子团进一步通过吸附的方式与水体中的污染物紧密结合，最终致使水体的自净能力丧失，并伴随着水体发黑变臭等现象的发生，对周围环境带来极大的影响。污染废水的生物处理是利用微生物的生命活动，对废水中呈溶解态或胶体状态的有机污染物降解作用，从而使废水得到净化的一种处理方法，其中废水好氧生物处理以其效率高、成本低、工艺操作管理方便可靠和无二次污染等显著优点而备受人们的青睐。污染废水的好氧生物处理和污染水体的高效净化都需要氧气，因此如何向水体高效增氧是这些技术的关键所在。
微米气泡的直径一般在50μm以下，这种微小气泡与普通气泡相比具有许多独特的优势，如：高内压、高表面能、高界面活性等。纳米氧气泡的表面积能有效增大，如1mm的大气泡分散成100nm微气泡，表面积增大10000倍，气泡的表面能也从0.1卡增大到5-10卡，表面能的增大及气泡内能量增大可以加强表面氧化反应，可以提高氧的利用率。根据杨-拉普拉斯法则，气泡表面张力与气泡直径大小成反比，与气泡内压成正比。表面张力增大，气泡不断收缩，同时内压也随之增大，即所谓出现自我加压现象。一旦收缩的气泡内压与表面张力失去平衡，纳米气泡最后大约在4000个大气压的压力下破裂，气泡破裂后活性氧分子的自由热运动增强，可以随时加入到水分子共价键中形成溶解氧，气体即完全溶解于水液中，这样就实现了超饱和溶氧。如果能制成一种设备，将产生的超饱和溶氧应用于污染废水的好氧生物处理和污染水体的高效净化，将是一种非常有前景的水处理技术。但是，目前还缺少高效的富氧装置，特别是一种基于微纳米细化流体的超声强化富氧装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于微纳米细化流体的超声强化富氧装置，以期创造一种结构紧凑，功能模块化和智能化的水处理装置，增强污染废水的好氧生物处理和污染水体的高效净化。
基于微纳米细化流体的超声强化富氧装置由出水管1、出口支座2、出口法兰3、锁紧螺母4、壳体5、变螺距螺旋叶片6、中心轴7、填料管支座8、填料管法兰9、导流锥10、粗颗粒物填料11、填料管12、超声波后加气孔13、超声波后导气管14、超声波后气体连接管15、超声波后管座16、超声波传感器17、入水口支座18、入水口法兰19、超声波后气管20、超声波后流量阀21、氧气罐22、超声波前流量阀23、超声波前气管24、超声波前气体连接管25、超声波前管座26、超声波前导气管27、超声波前加气孔28和进水管29组成。
壳体5安装于出口支座2和填料管支座8之间，出水管1通过出口法兰3与壳体5相连；填料管12安装于填料管支座8和入水口支座18之间，填料管12通过填料管法兰9与壳体5相连；进水管28通过入水口法兰19与填料管12相连。
在壳体5的中心设置中心轴7，中心轴7通过锁紧螺母4安装于出口支座2上，中心轴7穿过填料管支座8进入填料管12内部，在中心轴7的顶端设置导水锥10；在中心轴7上设置变螺距螺旋切割片6，变螺距螺旋切割片6的中心孔与中心轴7间相连接。
在填料管12内装填粗颗粒物填料11和超声波后导气管14，粗颗粒物填料11均匀装填于填料管12内，超声波后导气管14通过超声波后管座16安装在填料管12的内部，在超声波后导气管14的末端设置超声波后加气孔13，超声波后导气管14通过超声波后气体连接管15与超声波后气管20相连；超声波后气管20通过超声波后流量阀21与氧气罐22相连。
进水管29通过入水口法兰19与填料管12相连。
在进水管29内安装超声波传感器17和超声波前导气管27，超声波传感器17安装在入水口支座18上，超声波前导气管27通过超声波前管座26安装在进水管29的内部，在超声波前导气管27的末端设置超声波前加气孔28，超声波前导气管27通过超声波前气体连接管25与超声波前气管24相连；超声波前气管24通过超声波前流量阀23与氧气罐22相连。
其中，所述粗颗粒物填料由如下方法制备：
(1)将350g粒径为1～2cm的聚苯乙烯颗粒用2000ml去离子水洗涤，然后在75℃条件下干燥6h，得到物质A；
(2)将2.86克4-甲酰胺基吡喃、15mL异丙醇、5mL正丁烷依次加入到1000mL锥形瓶中，再加入1.24克2-氯-5-碘嘧啶和800mL去离子水，置于65℃水浴中在4000r/min条件下搅拌5min，得到混合液H；
(3)将物质A加入到混合液H中，在温度为55℃的摇床中摇动45分钟，过滤除去液体得到物质A1，将物质A1在75℃条件下干燥6h，得到物质B；
(4)将1.34克8-氨基喹啉、15mL叔丁醇、5mL甲烷依次加入到1000mL锥形瓶中，再加入1.96克2-溴-3-己基噻吩和800mL去离子水，置于65℃水浴中在4000r/min条件下搅拌20min，得到混合液J；
(5)将物质B加入到混合液J中，在温度为55℃的摇床中摇动45分钟，过滤除去液体得到物质B1，将物质B1在75℃条件下干燥6h，得到物质C；
(6)将13.67克PbCl2和12.18克FeCl3加入到4000mL去离子水中，在1000r/min条件下搅拌3分钟，摇匀后分成等量4份，得到混合液K1、混合液K2、混合液K3、混合液K4；
(7)将140mL摩尔浓度为0.54mol/L的Cu(NO3)2溶液和60mL摩尔浓度为0.62mol/L的Co(NO3)2溶液加入到混合液K1中，在1000r/min条件下搅拌3分钟，得到混合液L1；
(8)将物质C加入到混合液L1中，在温度为30℃的摇床中摇动15分钟，过滤除去液体得到物质C1，物质C1在75℃条件下干燥6h，得到物质C2；
(9)将120mL摩尔浓度为0.50mol/L的Cu(NO3)2溶液和80mL摩尔浓度为0.60mol/L的Co(NO3)2溶液加入到混合液K2中，在1000r/min条件下搅拌3分钟，得到混合液L2；
(10)将物质C2加入到混合液L2中，在温度为30℃的摇床中摇动15分钟，过滤除去液体得到物质C3，物质C3在75℃条件下干燥6h，得到物质C4；
(11)将100mL摩尔浓度为0.46mol/L的Cu(NO3)2溶液和100mL摩尔浓度为0.58mol/L的Co(NO3)2溶液加入到混合液K3中，在1000r/min条件下搅拌3分钟，得到混合液L3；
(12)将物质C4加入到混合液L3中，在温度为30℃的摇床中摇动15分钟，过滤除去液体得到物质C5，物质C5在75℃条件下干燥6h，得到物质C6；
(13)将80mL摩尔浓度为0.42mol/L的Cu(NO3)2溶液和100mL摩尔浓度为0.56mol/L的Co(NO3)2溶液加入到混合液K4中，在1000r/min条件下搅拌3分钟，得到混合液L4；
(14)将物质C6加入到混合液L4中，在温度为30℃的摇床中摇动15分钟，过滤除去液体得到物质C7，物质C7在75℃条件下干燥6h，得到物质D；
(15)将2.68克7-甲基异喹啉、15mL乙醇、5mL甲醇依次加入到1000mL锥形瓶中，再加入2.38克3-乙炔基噻吩和800mL去离子水，置于65℃水浴中在4000r/min条件下搅拌20min，得到混合液M；
(16)将物质D加入到混合液M中，在温度为55℃的摇床中摇动45分钟，过滤除去液体得到物质D1，将物质D1在75℃条件下干燥6h，得到物质E；
(17)将8.2克2,3-二溴-1-丙醇、7.2克4-氯苯甲醛、35mL甲醇、15mL甲烷依次加入到1000mL锥形瓶中，再加入6.1克1-氨基-2-甲基-2-丙醇和800mL去离子水，置于65℃水浴中在4000r/min条件下搅拌20min，得到混合液N；
(18)将物质E加入到混合液N中，在温度为55℃的摇床中摇动45分钟，过滤除去液体得到物质E1，将物质E1在75℃条件下干燥6h，得到的物质即为粗颗粒物填料。
本发明的有益效果是，由基于微纳米细化流体的超声强化富氧装置制备的富氧水具有含氧量高、稳定时间长等优点。
附图说明
附图1是基于微纳米细化流体的超声强化富氧装置的示意图。附图1中1为出水管、2为出口支座、3为出口法兰、4为锁紧螺母、5为壳体、6为变螺距螺旋叶片、7为中心轴、8为填料管支座、9为填料管法兰、10为导流锥、11为粗颗粒物填料、12为填料管、13为超声波后加气孔、14为超声波后导气管、15为超声波后气体连接管、16为超声波后管座、17为超声波传感器、18为入水口支座、19为入水口法兰、20为超声波后气管、21为超声波后流量阀、22为氧气罐、23为超声波前流量阀、24为超声波前气管、25为超声波前气体连接管、26为超声波前管座、27为超声波前导气管、28为超声波前加气孔、29为进水管。
具体实施方式
实施例
(1)基于微纳米细化流体的超声强化富氧装置的制备过程如下：
本发明提出的基于微纳米细化流体的超声强化富氧装置由出水管1、出口支座2、出口法兰3、锁紧螺母4、壳体5、变螺距螺旋叶片6、中心轴7、填料管支座8、填料管法兰9、导流锥10、粗颗粒物填料11、填料管12、超声波后加气孔13、超声波后导气管14、超声波后气体连接管15、超声波后管座16、超声波传感器17、入水口支座18、入水口法兰19、超声波后气管20、超声波后流量阀21、氧气罐22、超声波前流量阀23、超声波前气管24、超声波前气体连接管25、超声波前管座26、超声波前导气管27、超声波前加气孔28和进水管29组成。
壳体5的长度为60cm，壳体壁厚度为1cm。填料管12的长度为30cm。变螺距螺旋叶片6的厚度为0.8mm。前超声导气管安装于入水口支座18右边40cm处；后超声导气管安装于填料管12的中部位置。
壳体5安装于出口支座2和填料管支座8之间，出水管1通过出口法兰3与壳体5相连；填料管12安装于填料管支座8和入水口支座18之间，填料管12通过填料管法兰9与壳体5相连；进水管28通过入水口法兰19与填料管12相连。
在壳体5的中心设置中心轴7，中心轴7通过锁紧螺母4安装于出口支座2上，中心轴7穿过填料管支座8进入填料管12内部，在中心轴7的顶端设置导水锥10；在中心轴7上设置变螺距螺旋切割片6，变螺距螺旋切割片6的中心孔与中心轴7间相连接。
在填料管12内装填粗颗粒物填料11和超声波后导气管14，粗颗粒物填料11均匀装填于填料管12内，超声波后导气管14通过超声波后管座16安装在填料管12的内部，在超声波后导气管14的末端设置超声波后加气孔13，超声波后导气管14通过超声波后气体连接管15与超声波后气管20相连；超声波后气管20通过超声波后流量阀21与氧气罐22相连；进水管29通过入水口法兰19与填料管12相连。
在进水管29内安装超声波传感器17和超声波前导气管27，超声波传感器17安装在入水口支座18上，超声波前导气管27通过超声波前管座26安装在进水管29的内部，在超声波前导气管27的末端设置超声波前加气孔28，超声波前导气管27通过超声波前气体连接管25与超声波前气管24相连；超声波前气管24通过超声波前流量阀23与氧气罐22相连。
超声波后加气孔13及超声波前加气孔28与中心轴7的轴线同轴，同轴度小于0.2mm。
(2)粗颗粒物填料由如下过程制备：
(1)将350g粒径为1～2cm的聚苯乙烯颗粒用2000ml去离子水洗涤，然后在75℃条件下干燥6h，得到物质A；
(2)将2.86克4-甲酰胺基吡喃、15mL异丙醇、5mL正丁烷依次加入到1000mL锥形瓶中，再加入1.24克2-氯-5-碘嘧啶和800mL去离子水，置于65℃水浴中在4000r/min条件下搅拌5min，得到混合液H；
(3)将物质A加入到混合液H中，在温度为55℃的摇床中摇动45分钟，过滤除去液体得到物质A1，将物质A1在75℃条件下干燥6h，得到物质B；
(4)将1.34克8-氨基喹啉、15mL叔丁醇、5mL甲烷依次加入到1000mL锥形瓶中，再加入1.96克2-溴-3-己基噻吩和800mL去离子水，置于65℃水浴中在4000r/min条件下搅拌20min，得到混合液J；
(5)将物质B加入到混合液J中，在温度为55℃的摇床中摇动45分钟，过滤除去液体得到物质B1，将物质B1在75℃条件下干燥6h，得到物质C；
(6)将13.67克PbCl2和12.18克FeCl3加入到4000mL去离子水中，在1000r/min条件下搅拌3分钟，摇匀后分成等量4份，得到混合液K1、混合液K2、混合液K3、混合液K4；
(7)将140mL摩尔浓度为0.54mol/L的Cu(NO3)2溶液和60mL摩尔浓度为0.62mol/L的Co(NO3)2溶液加入到混合液K1中，在1000r/min条件下搅拌3分钟，得到混合液L1；
(8)将物质C加入到混合液L1中，在温度为30℃的摇床中摇动15分钟，过滤除去液体得到物质C1，物质C1在75℃条件下干燥6h，得到物质C2；
(9)将120mL摩尔浓度为0.50mol/L的Cu(NO3)2溶液和80mL摩尔浓度为0.60mol/L的Co(NO3)2溶液加入到混合液K2中，在1000r/min条件下搅拌3分钟，得到混合液L2；
(10)将物质C2加入到混合液L2中，在温度为30℃的摇床中摇动15分钟，过滤除去液体得到物质C3，物质C3在75℃条件下干燥6h，得到物质C4；
(11)将100mL摩尔浓度为0.46mol/L的Cu(NO3)2溶液和100mL摩尔浓度为0.58mol/L的Co(NO3)2溶液加入到混合液K3中，在1000r/min条件下搅拌3分钟，得到混合液L3；
(12)将物质C4加入到混合液L3中，在温度为30℃的摇床中摇动15分钟，过滤除去液体得到物质C5，物质C5在75℃条件下干燥6h，得到物质C6；
(13)将80mL摩尔浓度为0.42mol/L的Cu(NO3)2溶液和100mL摩尔浓度为0.56mol/L的Co(NO3)2溶液加入到混合液K4中，在1000r/min条件下搅拌3分钟，得到混合液L4；
(14)将物质C6加入到混合液L4中，在温度为30℃的摇床中摇动15分钟，过滤除去液体得到物质C7，物质C7在75℃条件下干燥6h，得到物质D；
(15)将2.68克7-甲基异喹啉、15mL乙醇、5mL甲醇依次加入到1000mL锥形瓶中，再加入2.38克3-乙炔基噻吩和800mL去离子水，置于65℃水浴中在4000r/min条件下搅拌20min，得到混合液M；
(16)将物质D加入到混合液M中，在温度为55℃的摇床中摇动45分钟，过滤除去液体得到物质D1，将物质D1在75℃条件下干燥6h，得到物质E；
(17)将8.2克2,3-二溴-1-丙醇、7.2克4-氯苯甲醛、35mL甲醇、15mL甲烷依次加入到1000mL锥形瓶中，再加入6.1克1-氨基-2-甲基-2-丙醇和800mL去离子水，置于65℃水浴中在4000r/min条件下搅拌20min，得到混合液N；
(18)将物质E加入到混合液N中，在温度为55℃的摇床中摇动45分钟，过滤除去液体得到物质E1，将物质E1在75℃条件下干燥6h，得到的物质即为粗颗粒物填料。
(3)基于微纳米细化流体的超声强化富氧装置的应用
运用本发明得到的基于微纳米细化流体的超声强化富氧装置进行了富氧水制备试验，结果表明运用该富氧装置制备的富氧水中溶解氧含量可以达到43.4mg/L，放置2.5小时后富氧水中溶解氧含量为36.6mg/L。

Claims (1)

1.一种基于微纳米细化流体的超声强化富氧装置，其特征在于，该富氧装置由出水管、出口支座、出口法兰、锁紧螺母、壳体、变螺距螺旋叶片、中心轴、填料管支座、填料管法兰、导流锥、粗颗粒物填料、填料管、超声波后加气孔、超声波后导气管、超声波后气体连接管、超声波后管座、超声波传感器、入水口支座、入水口法兰、超声波后气管、超声波后流量阀、氧气罐、超声波前流量阀、超声波前气管、超声波前气体连接管、超声波前管座、超声波前导气管、超声波前加气孔和进水管组成；壳体安装于出口支座和填料管支座之间，出水管通过出口法兰与壳体相连；填料管安装于填料管支座和入水口支座之间，填料管通过填料管法兰与壳体相连；进水管通过入水口法兰与填料管相连；在壳体的中心设置中心轴，中心轴通过锁紧螺母安装于出口支座上，中心轴穿过填料管支座进入填料管内部，在中心轴的顶端设置导水锥；在中心轴上设置变螺距螺旋切割片，变螺距螺旋切割片的中心孔与中心轴间相连接；在填料管内装填粗颗粒物填料和超声波后导气管，粗颗粒物填料均匀装填于填料管内，超声波后导气管通过超声波后管座安装在填料管的内部，在超声波后导气管的末端设置超声波后加气孔，超声波后导气管通过超声波后气体连接管与超声波后气管相连；超声波后气管通过超声波后流量阀与氧气罐相连；进水管通过入水口法兰与填料管相连；在进水管内安装超声波传感器和超声波前导气管，超声波传感器安装在入水口支座上，超声波前导气管通过超声波前管座安装在进水管的内部，在超声波前导气管的末端设置超声波前加气孔，超声波前导气管通过超声波前气体连接管与超声波前气管相连；超声波前气管通过超声波前流量阀与氧气罐相连；其中，粗颗粒物填料由如下方法制备：
(1)将350g粒径为1～2cm的聚苯乙烯颗粒用2000ml去离子水洗涤，然后在75℃条件下干燥6h，得到物质A；
(2)将2.86克4-甲酰胺基吡喃、15mL异丙醇、5mL正丁烷依次加入到1000mL锥形瓶中，再加入1.24克2-氯-5-碘嘧啶和800mL去离子水，置于65℃水浴中在4000r/min条件下搅拌5min，得到混合液H；
(3)将物质A加入到混合液H中，在温度为55℃的摇床中摇动45分钟，过滤除去液体得到物质A1，将物质A1在75℃条件下干燥6h，得到物质B；
(4)将1.34克8-氨基喹啉、15mL叔丁醇、5mL甲烷依次加入到1000mL锥形瓶中，再加入1.96克2-溴-3-己基噻吩和800mL去离子水，置于65℃水浴中在4000r/min条件下搅拌20min，得到混合液J；
(5)将物质B加入到混合液J中，在温度为55℃的摇床中摇动45分钟，过滤除去液体得到物质B1，将物质B1在75℃条件下干燥6h，得到物质C；
(6)将13.67克PbCl2和12.18克FeCl3加入到4000mL去离子水中，在1000r/min条件下搅拌3分钟，摇匀后分成等量4份，得到混合液K1、混合液K2、混合液K3、混合液K4；
(7)将140mL摩尔浓度为0.54mol/L的Cu(NO3)2溶液和60mL摩尔浓度为0.62mol/L的Co(NO3)2溶液加入到混合液K1中，在1000r/min条件下搅拌3分钟，得到混合液L1；
(8)将物质C加入到混合液L1中，在温度为30℃的摇床中摇动15分钟，过滤除去液体得到物质C1，物质C1在75℃条件下干燥6h，得到物质C2；
(9)将120mL摩尔浓度为0.50mol/L的Cu(NO3)2溶液和80mL摩尔浓度为0.60mol/L的Co(NO3)2溶液加入到混合液K2中，在1000r/min条件下搅拌3分钟，得到混合液L2；
(10)将物质C2加入到混合液L2中，在温度为30℃的摇床中摇动15分钟，过滤除去液体得到物质C3，物质C3在75℃条件下干燥6h，得到物质C4；
(11)将100mL摩尔浓度为0.46mol/L的Cu(NO3)2溶液和100mL摩尔浓度为0.58mol/L的Co(NO3)2溶液加入到混合液K3中，在1000r/min条件下搅拌3分钟，得到混合液L3；
(12)将物质C4加入到混合液L3中，在温度为30℃的摇床中摇动15分钟，过滤除去液体得到物质C5，物质C5在75℃条件下干燥6h，得到物质C6；
(13)将80mL摩尔浓度为0.42mol/L的Cu(NO3)2溶液和100mL摩尔浓度为0.56mol/L的Co(NO3)2溶液加入到混合液K4中，在1000r/min条件下搅拌3分钟，得到混合液L4；
(14)将物质C6加入到混合液L4中，在温度为30℃的摇床中摇动15分钟，过滤除去液体得到物质C7，物质C7在75℃条件下干燥6h，得到物质D；
(15)将2.68克7-甲基异喹啉、15mL乙醇、5mL甲醇依次加入到1000mL锥形瓶中，再加入2.38克3-乙炔基噻吩和800mL去离子水，置于65℃水浴中在4000r/min条件下搅拌20min，得到混合液M；
(16)将物质D加入到混合液M中，在温度为55℃的摇床中摇动45分钟，过滤除去液体得到物质D1，将物质D1在75℃条件下干燥6h，得到物质E；
(17)将8.2克2,3-二溴-1-丙醇、7.2克4-氯苯甲醛、35mL甲醇、15mL甲烷依次加入到1000mL锥形瓶中，再加入6.1克1-氨基-2-甲基-2-丙醇和800mL去离子水，置于65℃水浴中在4000r/min条件下搅拌20min，得到混合液N；
(18)将物质E加入到混合液N中，在温度为55℃的摇床中摇动45分钟，过滤除去液体得到物质E1，将物质E1在75℃条件下干燥6h，得到的物质即为粗颗粒物填料。
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