CN110422907A - 一种超声波高能氧除铁装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波高能氧除铁装置，包括原液槽和除铁反应塔，所述原液槽上分别设置有进液管、抽液管、回液管和输液管，所述除铁反应塔内纵向分隔成气液混合区和反应区两部分，所述气液混合区位于反应区上方，所述气液混合区内设置有气液接触器，气液接触器顶端向上延伸出除铁反应塔并且与抽液管连通，底端为喷射部用于将气液接触器内的液体喷出并且将气液混合区内的空气吸入气液接触器内，所述除铁反应塔内还设置有至少一个超声波发生器。本发明避免了双氧水的使用，整个工艺当中不会产生污水，突破了原先必须使用大量双氧水的技术瓶颈，不但对于原液的除铁效果非常好，而且整个工艺当中不会产生产品氧化物，从而提高了产品的质量和产量。

Description

一种超声波高能氧除铁装置

技术领域

本发明属于水处理技术领域，具体涉及一种超声波高能氧除铁装置。

背景技术

现有的水处理领域中，对于液体的除铁工艺，通常是在硫酸锌溶液中加入双氧水，搅拌溶液进行反应，从而实现除铁效果，这种方式其实存在如下弊端：

1、由于必须采用双氧水，这样导致整个工艺中会产生大量的污水，后续处理工序麻烦，不但费时费力，而且处理成本也较大。

2、由于必须采用双氧水，会产生较多的产品氧化物，从而导致最后的产量减少，产品质量也受到影响。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种超声波高能氧除铁装置，整个工艺无需采用双氧水，且能够使得氧和铁充分反应，不会产生污水和产品氧化物，提高了产品质量和产量。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种超声波高能氧除铁装置，包括原液槽和除铁反应塔，所述原液槽上分别设置有进液管、抽液管、回液管和输液管，所述除铁反应塔内纵向分隔成气液混合区和反应区两部分，所述气液混合区位于反应区上方，所述气液混合区内设置有气液接触器，所述气液接触器顶端向上延伸出除铁反应塔并且与抽液管连通，底端为喷射部用于将气液接触器内的液体喷出并且将气液混合区内的空气吸入气液接触器内，所述除铁反应塔内还设置有至少一个超声波发生器，所述超声波发生器包括进气装置、超声波气振装置和超声波反应装置，所述进气装置顶端延伸出除铁反应塔，底端连接着超声波气振装置，所述超声波反应装置位于反应区顶端且连通着气液混合区底部，所述进气装置和气液混合区均连通着氧气源，所述反应区内设置有高速旋转负压对流装置，所述原液槽内设置有高能氧接触器，所述反应区底端通过回液管与原液槽内的高能氧接触器连通。

本发明的设计原理为：

1、气液混合区和气液接触器形成气液混合系统，气液接触器能够将抽液管内的原液喷射入气液混合区内，由于动力学原理，气液接触器在喷射的同时，能够将气液混合区内的氧气倒吸进气液接触器内，这样使得氧气和原液能够充分接触反应。

2、利用超声波形成空化作用，使得氧气与含铁溶液中的铁元素重复不断反应：

超声波是指频率高于20kHz的声波，当一定强度的超声波通过媒体时，会产生一系列的物理、化学效应。因为超声波在液体中波长为10～0.015cm(相当于15kHz至10MHz)，远远大于分子的尺寸，而且和液体中产生的空化气泡的崩灭(collapse)有密切关系，其动力来源是声空化(sound cavitation)；

空化作用是指存在于液体中的微气核空化泡在声波的作用下振动，当声压达到一定值时发生的生长和崩溃的动力学过程。空化作用一般包括3个阶段：空化泡的形成、长大和剧烈的崩溃。当盛满液体的容器通入超声波后，由于液体振动而产生数以万计的微小气泡，即空化泡。这些空化泡在超声波纵向传播形成的负压区生长，而在正压区迅速闭合，从而在交替正负压强下受到压缩和拉伸，使得氧气与含铁溶液中的铁元素重复不断反应。

3、利用高速旋转负压对流装置使得反应区内的液体在高速旋转负压下，产生微纳米气泡液体，增大了接触面积，使得氧气和溶液中的铁元素能够更加迅速反应。

4、反应区内的微纳米气泡液体与原液槽内的高能氧接触器产生的高能氧相接触反应，形成高能氧微纳米气泡，高能氧微纳米气泡拥有电离能、高速动能、分子间能、爆炸能、结合能一共五种粒子能量，这五种能量在高能氧微纳米气泡中共存，五种能量结合后使高能氧微纳米气泡拥有超高的粒子能量。活性氧微纳米气泡的运动是由气泡自身能量引发的，气泡在高速运动中使液体被加热到可以随时发生化学反应的临界状态，其中化学反应将以我们不能想象的、也不能从物理的角度推测的速度发生，从而可以对溶液中铁离子发挥氧化作用，达到氧化降解污染物和净化溶液目的；最后进入原液反应区，微纳米气泡再次与原溶液不断混合进行反应。

以下分别对五种粒子能量进行说明：

1、电离能

氧气经过电离后生成部分氧离子，并形成等离子体，当电离作用消失后，氧等离子体消失，转变成活性氧气团，主要包括臭氧离子团(O32—、O3—)、臭氧分子团(O3)、氧离子团(O22—、O2—)、氧分子团(O2)等，这些活性氧气团具有非常高的电离能，经过气体切割后，各种离子团和分子团分离，切割动能转变为气泡能级跃迁能量，在各个气泡中表现为电离能提高，达到可以随时产生氧化作用的高能级。

2、高速动能

气泡是经过水对目标气体离心切割吸入作用产生的，切割后产生水气混合液体，气泡伴随着切割水溶液在蜗旋加速系统中加速运动，由于蜗旋加速系统的特点是进水总量与喷射出水总量相等，而进水口管径远远大于出水口径，所以出水口的水溶液流速将大幅度提高：

当活性氧气泡流速达到256米/秒以上后，气泡就具有了非常高的动能，这种动能足以在有效传输距离(发生断裂化学键和共价键的传输距离)中打破任何污染物与水分子之间的共价键连接和污染物内部的化学键连接，实现水质净化还原和对污染物的氧化降解，一般有效传输距离为0.5—0.8米；当活性氧气泡流速达到640米/秒甚至更高时，活性氧气泡被压缩得更小，气泡拥有的动能将倍增，在水中的有效传输距离将提高到3米以上，进一步提高了气泡对污染物的氧化降解作用率和对污水净化的作用。

3、分子间能

任何分子之间都存在分子间的作用力，称为分子间能。

切割后形成的气泡伴随着切割水溶液在蜗旋加速系统中加速运动，在加速运动中来自外部的压力逐渐增高，气泡因外部压力增高而逐渐压缩，活性氧分子间距逐渐缩小，因此导致分子间作用力越来越强，分子间能逐步提高，到含有气泡的水溶液喷射之前，气泡因压力的作用压缩到最小，气泡直径压缩到5微米到几个纳米，分子间能蓄积达到最高，气泡破裂后活性氧分子自由热运动增强，可以随时加入到水分子共价键中成为溶解氧，也可以随时断裂其他物质与水分子形成的共价键，氧化其他物质。

4、爆炸能

活性氧微纳米气泡进入水中后产生三种变化，第一种为气泡破裂，活性氧以分子态溶解于水中成为溶解氧；第二种为气泡融合成为大分子气泡，随着气泡不断融合壮大，气泡将上升出水面；第三种为气泡保持原态在水中横向、向下、向上运动，10分钟才能上升到水面，在这个过程中发挥氧化降解和净化水的作用。

我们所说的气泡破裂爆炸能是指第一种情况，活性氧微纳米气泡进入水中后，因气泡内部压力比较高导致气泡壁具有比较高的张力，发生碰撞或其他条件导致气泡破裂，气泡壁的张力作用将释放巨大的爆炸能量，这种爆炸能量可以促使活性氧分子溶解于水，同时可以破坏污染物与水的共价键连接，也可以破坏污染物内部的化学键连接，活性氧同时发挥作用，完成氧化降解污染物和水质净化。

5、结合能

活性氧微纳米气泡进入水中后发生第二种变化即气泡融合成为大气泡时，由于气泡融合导致气泡壁表面张力下降，融合的气泡将释放较大的气泡结合能，这种结合能可以导致气泡周边的污染物与水之间的共价键结合破裂，使气泡中的活性氧对污染物产生氧化降解作用和活性氧分子在水中的溶解作用。

进一步的，所述超声波发生器通过喷射反应系统将超声波反应装置内的液体喷入反应区。

进一步的，所述超声波发生器的数量为两个且对称分布在除铁反应塔上。

进一步的，所述抽液管和输液管上分别设置有循环泵和输液泵。

进一步的，所述输液管位于原液槽侧部底端处。

有益效果：本发明与现有技术相比，利用超声波技术和高能氧微纳米气泡的形成，使得原液中的铁原子能够与氧气充分反应，避免了双氧水的使用，突破了原先必须使用大量双氧水的技术瓶颈，不但对于原液的除铁效果非常好，而且整个工艺当中氧气不会和产品金属反应，不会产生产品氧化物，从而提高了最后产品的质量和产量，另外，由于没有使用双氧水，整个工艺当中不会产生污水，从而省去了原先存在的污水处理工序，节约了人力和物力成本。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为气液接触器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。

如图1和图2所示，本发明提供一种超声波高能氧除铁装置，包括原液槽2和除铁反应塔1，原液槽2上分别设置有进液管21、抽液管22、回液管23和输液管24，除铁反应塔1内纵向分隔成气液混合区5和反应区6两部分，气液混合区5位于反应区6上方，气液混合区5内设置有气液接触器，气液接触器包括接触部8和喷射部9，喷射部9位于接触部8底端，接触部8向上延伸出除铁反应塔1并且与抽液管22连通，除铁反应塔1内还对称设置有两个超声波发生器，所述超声波发生器包括进气装置3、超声波气振装置10和超声波反应装置4，进气装置3顶端延伸出除铁反应塔1，底端连接着超声波气振装置10，超声波反应装置4位于反应区6顶端且连通着气液混合区5底部，进气装置3和气液混合区5均通过气管连通着氧气源，超声波反应装置4通过喷射反应系统将超声波反应装置4内的液体喷入反应区6，反应区6内设置有高速旋转负压对流装置14，原液槽2内设置有高能氧接触器7，反应区6底端通过回液管23与原液槽2内的高能氧接触器7连通，抽液管22和输液管24上分别设置有循环泵12和输液泵13。

本实施例将上述超声波高能氧除铁装置对待处理的原液(本实施例为硫酸锌溶液)进行除铁工艺，其具体的工艺步骤如下：

1)首先将硫酸锌溶液(也就是前液)通过进液管21泵入原液槽2内，原液槽2内的硫酸锌溶液在循环泵12的作用下，通过抽液管22进入到气液接触器的接触部8，同时，氧气源通过气管分别向气液混合区5和两个进气装置3内通入氧气，接触部8内的原液会经过喷射部9喷入气液混合区5内，由于动力原理，喷射部9在喷射时，气液混合区5内的氧气会被吸入接触部8内，这样使得接触部8内的硫酸锌溶液和氧气能够进行充分反应，喷射部9喷出的液体为经过充分反应后的硫酸锌溶液。

2)气液混合区5内的硫酸锌溶液通过超声波发生器的超声波反应装置4流入到反应区6内，进气装置3内通入的氧气经过超声波气振装置10的气振作用后产生超声波，反应区6内的液体在超声波的作用下产生空化作用，产生数以万计的微小气泡，即空化泡，这些气泡在超声波纵向传播形成的负压区生长，而在正压区迅速闭合，从而在交替正负压强下受到压缩和拉伸，氧气与硫酸锌溶液中的铁元素重复不断反应。

3)进入喷射反应系统，在超声气量的推动下，液体形成雾与气原子团进行不断碰撞，进行反应。

4)反应区6内的硫酸锌溶液在高速旋转负压对流装置14的状速旋转区，液体在高速旋转负压下，产生微纳米气泡液体，增大了接触面积，从而使得氧气与硫酸锌溶液中的铁元素进行迅速反应。

5)反应区6内的硫酸锌溶液再通过回液管23流入高能氧接触器7，液体中产生的微纳米气泡和高能氧接触器7中产生的高能氧相结合，形成高能氧微纳米气泡，也就是活性氧微纳米气泡，由于活性氧微纳米气泡具备电离能、高速动能、分子间能、爆炸能、结合能一共五种粒子能量，所以活性氧微纳米气泡能够和原液槽2内的原液不断混合进行除铁反应。

6)原液槽2内位于底部的原液为除铁完成的硫酸锌溶液，通过输液管24在输液泵13作用下输至后续设备，其他尚未完成除铁的原液进入抽液管22形成循环反应。

本实施例中利用本发明工艺方法和传统的双氧水工艺方法，就相同剂量的硫酸锌溶液进行除铁处理，其具体的处理后的产品参数如下表所示：

根据上表可知，本发明方法中最后得到的硫酸锌产品中含铁率要要略高于双氧水工艺方法，由于双氧水工艺方法中需要使用大量的双氧水，所以在工艺过程中会产生大量的污水，人们需要对这些污水进行繁杂的后续处理；而本发明工艺是采用超声波和高能氧微纳米气泡作用，通过氧气反应来除铁，不会产生任何污水。

另外，本实施例中本发明方法最后得到的硫酸锌产品的产量和质量要明显高于双氧水工艺方法，这是因为，双氧水在进行除铁反应时也会和硫酸锌溶液中的锌元素进行反应，从而带走部分硫酸锌溶液中的锌元素，致使最后的硫酸锌产品的产量和质量下降，而本发明方法，采用超声波和高能氧微纳米气泡作用，通过氧气反应来除铁，不会和硫酸锌溶液中的锌元素进行反应，因此，硫酸锌产品的产量和质量得到了提高。通过对两种工艺最后沉淀下来的铁渣进行成分检测，发现双氧水工艺方法中的铁渣中铁元素的含量为15％，而本发明工艺中的铁渣中铁元素的含量为32％，这是因为，双氧水工艺方法中的铁渣中含有大量锌氧化物，而本发明工艺中的铁渣中不含有任何锌氧化物。

另外，最后通过对两种方法进行工艺成本计算，本发明工艺的成本为双氧水工艺方法的20～30％，这是因为双氧水工艺方法中需要使用大量的双氧水，其价格较高，而本发明工艺主要开支为氧气，其成本远远小于双氧水。

Claims (5)

1.一种超声波高能氧除铁装置，其特征在于：包括原液槽和除铁反应塔，所述原液槽上分别设置有进液管、抽液管、回液管和输液管，所述除铁反应塔内纵向分隔成气液混合区和反应区两部分，所述气液混合区位于反应区上方，所述气液混合区内设置有气液接触器，所述气液接触器顶端向上延伸出除铁反应塔并且与抽液管连通，底端为喷射部用于将气液接触器内的液体喷出并且将气液混合区内的空气吸入气液接触器内，所述除铁反应塔内还设置有至少一个超声波发生器，所述超声波发生器包括进气装置、超声波气振装置和超声波反应装置，所述进气装置顶端延伸出除铁反应塔，底端连接着超声波气振装置，所述超声波反应装置位于反应区顶端且连通着气液混合区底部，所述进气装置和气液混合区均连通着氧气源，所述反应区内设置有高速旋转负压对流装置，所述原液槽内设置有高能氧接触器，所述反应区底端通过回液管与原液槽内的高能氧接触器连通。

2.根据权利要求1所述的一种超声波高能氧除铁装置，其特征在于：所述超声波发生器通过喷射反应系统将超声波反应装置内的液体喷入反应区。

3.根据权利要求1所述的一种超声波高能氧除铁装置，其特征在于：所述超声波发生器的数量为两个且对称分布在除铁反应塔上。

4.根据权利要求1所述的一种超声波高能氧除铁装置，其特征在于：所述抽液管和输液管上分别设置有循环泵和输液泵。

5.根据权利要求1所述的一种超声波高能氧除铁装置，其特征在于：所述输液管位于原液槽侧部底端处。