CN111170409A - 嵌入式扫频超声协同活性炭降解煤气废水装置及降解方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种嵌入式扫频超声协同活性炭降解煤气废水装置及降解方法，可应用于煤气废水降解领域，属于超声空化应用技术范畴，包括聚能式扫频超声系统、铝合金型材架、有机玻璃反应槽，聚能式扫频超声系统中由下向上嵌入有机玻璃反应槽底部的超声变幅杆，产生微射流，加之活性炭粒子由于自身重力作用，配合扫频超声发生器间歇比，可以使活性炭粒子处于分散悬浮状态，增加了活性炭粒子和煤气废水的接触面积，提高煤气废水降解效率。

Description

嵌入式扫频超声协同活性炭降解煤气废水装置及降解方法

技术领域

本发明涉及一种嵌入式扫频超声协同活性炭降解煤气废水装置及降解方法，可应用于煤气废水降解领域，属于超声空化应用技术范畴。

背景技术

近年来，超声作为一种清洁、高效的物理加工处理技术，在煤气废水等有毒有机污染物处理应用研究中取得了一定进展。超声作用形式包括：平板式和聚能式，从能量角度来看，聚能式强于平板式。变幅杆是产生聚能式超声的功能组件，配合超声换能器改变超声振动幅度，把机械振动的质点位移或速度放大，并将超声能量集中在较小的面积上。另外，超声变幅杆在波节面提供夹紧位置（通常在中心附近），外围节面套上金属夹紧环，将传到夹紧结构中的振动减至最小。与平板式超声相比，聚能式超声借助超声变幅杆能够对溶液施加更强作用力，使溶液从静止状态转变为运动状态。

为了增强降解效果，会适当添加活性炭。活性炭具有发达的孔隙结构、巨大的比表面积、较多的表面官能团和良好的机械强度，故其吸附能力强。近年来一些学者对超声影响活性炭吸附和脱附的过程进行研究，发现超声场界面效应能够增大活性炭的活性界面，中孔表面积略有增加，但保持结构不变，有利于离子的负载和分散，也可强化吸附内扩散过程。这主要是因为超声空化泡崩溃产生的冲击波和微射流对活性炭颗粒表面和微孔有剧烈的冲击作用，超声作用下的微孔扩散速率和表面扩散速率比没有超声时要高。超声技术不仅强化了传质，还使得更多吸附质－炭键断裂，加强了有机物从活性炭上脱附，再生后的活性炭具有较高的二次吸附能力。

目前用于降解煤气废水的超声设备大都是定频模式，但是煤气废水中成分复杂，容易堵塞活性炭孔隙，阻碍进一步降解，而扫频超声频域更广，处理效果比定频更加明显，扫频超声辐射液体产生的空化作用可使水中的化学污染物发生深度氧化、高温热解而被去除或降解。虽然聚能式超声能量大，同时能耗也高，尤其是处理对象是混合溶液。因此，需要高效、简便装置进行煤气废水降解。

发明内容

本发明针对上述现有技术存在的缺陷不足，提供一种嵌入式扫频超声协同活性炭降解煤气废水装置及降解方法，装置简单，降解过程易于操作，并且实施成本较低。

为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案为：一种嵌入式扫频超声协同活性炭降解煤气废水装置，包括有机玻璃反应槽和聚能式扫频超声系统，所述聚能式扫频超声系统包括超声变幅杆、扫频超声换能器、扫频超声发生器，扫频超声发生器与扫频超声换能器用电线连接，扫频超声换能器将扫频超声发生器发出的电能转换成机械能，并驱动扫频超声换能器尖端超声变幅杆工作，所述超声变幅杆由下向上嵌入在所述有机玻璃反应槽底部。

上述方案中，所述超声变幅杆上有一个贯穿的孔，左右两侧开孔对称，通过中心螺栓将其和扫频超声换能器连接。

上述方案中，所述超声变幅杆外围节面套上金属夹紧环。

上述方案中，所述超声变幅杆直径为2 cm，喷嘴高为3 cm，功率为250 W。

上述方案中，所述有机玻璃反应槽长为20 cm，宽为20 cm，高为50 cm，在有机玻璃反应槽底部2条对角线上，距两端的1/4处各开一个直径为2 cm的圆形小孔，共计4个小孔，用来嵌入4个聚能式扫频超声系统中的超声变幅杆，底部连接处用玻璃胶密封。

上述方案中，所述有机玻璃反应槽位于铝合金型材架上。

上述方案中，所述铝合金型材架长为23 cm，宽为23 cm，高为100 cm。

本发明还提供一种嵌入式扫频超声协同活性炭降解煤气废水降解方法，包括如下步骤：

（1）在有机玻璃反应槽底部2条对角线上，距两端的1/4处各开一个直径为2 cm的圆形小孔，共计4个小孔，用来嵌入4个聚能式扫频超声系统中的超声变幅杆，超声变幅杆上有一个贯穿的孔，左右两侧开孔对称，通过中心螺栓将其和扫频超声换能器连接，并超声变幅杆外围节面套上金属夹紧环，再将扫频超声换能器用电线连接在扫频超声发生器上，底部连接处用玻璃胶密封，露出超声波变幅杆顶部的喷嘴，照此方法依次安装4个圆形小孔处，静置24 h后再开始使用，一方面起到防水漏水，另一方面也可保护超声波变幅杆，提高其使用寿命；

（2）接着将煤气废水倒入有机玻璃反应槽中，体积约为有机玻璃反应槽容积的4/5，全部打开4个扫频超声发生器，扫频超声发生器间歇比为3：2，均匀撒入50 g活性炭粒子，当超声停止时，活性炭粒子由于自身重力和液体作用力共同作用，在煤气废水中以加速度减小的加速运动向有机玻璃反应槽底部运动；当超声工作时，超声变幅杆发出微射流，活性炭粒子又受到微射流力的作用被向上抛起一段距离，做减速运动，而后又反方向向有机玻璃反应槽底部运动，循环往复，在煤气废水中处于分散悬浮状态。

本发明有益效果：（1）该方法易于操作，设备结构简单，并且方法实施的成本较低。（2）由下向上嵌入超声变幅杆，产生微射流，加之活性炭粒子由于自身重力作用，配合扫频超声发生器间歇比，可以使活性炭粒子处于分散悬浮状态，增加了活性炭粒子和煤气废水的接触面积，能够提高煤气废水降解效率。（3）该装置和方法还可加强有机物从活性炭粒子上脱附，使再生后的活性炭粒子具有较高的二次吸附能力。

附图说明

图1 嵌入聚能式扫频超声协同活性炭降解煤气废水装置正视图；

图2 嵌入聚能式扫频超声协同活性炭降解煤气废水装置俯视图；

其中，1、超声变幅杆 2、夹紧环 3、扫频超声换能器 4、活性炭粒子 5、有机玻璃反应槽 6、电线 7、扫频超声发生器 8、铝合金型材架。

具体实施方案

为更好说明本专利的目的、技术方案和优点，下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示，一种嵌入式扫频超声协同活性炭降解煤气废水装置，包括聚能式扫频超声系统、铝合金型材架8、有机玻璃反应槽5，将聚能式扫频超声系统的超声变幅杆1由下向上嵌入与铝合金型材架8粘连在一起的有机玻璃反应槽5底部，超声变幅杆1外围节面套上金属夹紧环2，并将底部连接处用玻璃胶密封，再将煤气废水倒入有机玻璃反应槽5中，打开聚能式扫频超声系统中的扫频超声发生器7，驱动扫频超声换能器3运行及超声变幅杆1工作，扫频超声发生器7与扫频超声换能器3用电线6连接，随后投入活性炭粒子4，由下向上嵌入的超声变幅杆1发出微射流将活性炭粒子4向上抛起，使之保持悬浮状态，以达到更好的煤气废水降解效果；

所述聚能式扫频超声系统，包括超声变幅杆1、扫频超声换能器3、扫频超声发生器7，扫频超声发生器7与扫频超声换能器3用电线6连接，扫频超声换能器3将扫频超声发生器7发出的电能转换成机械能，并驱动扫频超声换能器3尖端超声变幅杆1工作，超声变幅杆1上有一个贯穿的孔，左右两侧开孔对称，通过中心螺栓将其和扫频超声换能器3连接，并在超声变幅杆1外围节面套上金属夹紧环2，增大扫频超声波振幅；超声变幅杆1直径为2 cm，喷嘴高为3 cm，功率为250 W，将超声变幅杆1由下向上嵌入与铝合金型材架8粘连在一起的有机玻璃反应槽5底部，并将底部连接处用玻璃胶密封；所述铝合金型材架8，长为23 cm，宽为23cm，高为100 cm，有机玻璃反应槽5底部粘连在铝合金型材架8台面；所述有机玻璃反应槽5，长为20 cm，宽为20 cm，高为50 cm，在有机玻璃反应槽5底部2条对角线上，距两端的1/4处各开一个直径为2 cm的圆形小孔，共计4个小孔，用来嵌入4个聚能式扫频超声系统中的超声变幅杆1，底部连接处用玻璃胶密封。

具体实施例：扫频超声发生器7中心频率为40 kHz，超声振幅为±1-2 kHz，扫频超声换能器3超声功率为250 W，将超声变幅杆1通过中心螺栓连接到扫频超声换能器3上，先用易挥发无腐蚀性的清洁剂彻底清洁螺丝、螺孔和接触面，拧紧前在接触面上涂薄薄一层凡士林，注意不要涂到连接螺丝以及螺孔上，然后小心拧紧，将扫频超声换能器3用电线6连接在扫频超声发生器7上，打开开关测试，用手摸振动系统，若振幅均匀，无怪声，无局部严重发热即可，并分别用电线6连接在4个扫频超声发生器7上，将扫频超声换能器3尖端的超声变幅杆1从铝合金型材架8由下而上嵌入有机玻璃反应槽5底部内，并超声变幅杆1外围节面套上金属夹紧环2，在有机玻璃反应槽5底部连接处涂抹玻璃胶，超声变幅杆1顶部喷嘴，照此方法依次安装完4处小孔，静置24 h后再开始使用，一方面起到防水效果，另一方面也可保护超声波变幅杆，提高其使用寿命。

将煤气废水倒入有机玻璃反应槽5中，体积约为有机玻璃反应槽5容积的4/5，打开扫频超声发生器7，投入50 g活性炭粒子4，扫频超声发生器7间歇比为3：2，即超声工作时间15 s，超声停止时间10 s，当超声停止时，活性炭粒子4由于重力和液体作用力的共同作用在煤气废水中以较慢的速度下降，当超声工作时，超声变幅杆1发出微射流将活性炭粒子4抛起，循环往复，使活性炭粒子4分散悬浮状态，以达到更好的煤气废水降解效果。

Claims (8)

1.嵌入式扫频超声协同活性炭降解煤气废水装置，其特征在于，包括有机玻璃反应槽（5）和聚能式扫频超声系统，所述聚能式扫频超声系统包括超声变幅杆（1）、扫频超声换能器（3）、扫频超声发生器（7），扫频超声发生器（7）与扫频超声换能器（3）用电线（6）连接，扫频超声换能器（3）将扫频超声发生器（7）发出的电能转换成机械能，并驱动扫频超声换能器（3）尖端超声变幅杆（1）工作，所述超声变幅杆（1）由下向上嵌入在所述有机玻璃反应槽（5）底部。

2.根据权利要求1所述的嵌入式扫频超声协同活性炭降解煤气废水装置，其特征在于，所述超声变幅杆（1）上有一个贯穿的孔，左右两侧开孔对称，通过中心螺栓将其和扫频超声换能器（3）连接。

3.根据权利要求2所述的嵌入式扫频超声协同活性炭降解煤气废水装置，其特征在于，所述超声变幅杆（1）外围节面套上金属夹紧环（2）。

4.根据权利要求1或2或3所述的嵌入式扫频超声协同活性炭降解煤气废水装置，其特征在于，所述超声变幅杆（1）直径为2 cm，喷嘴高为3 cm，功率为250 W。

5.根据权利要求1或2或3所述的嵌入式扫频超声协同活性炭降解煤气废水装置，其特征在于，所述有机玻璃反应槽（5）长为20 cm，宽为20 cm，高为50 cm，在有机玻璃反应槽（5）底部2条对角线上，距两端的1/4处各开一个直径为2 cm的圆形小孔，共计4个小孔，用来嵌入4个聚能式扫频超声系统中的超声变幅杆（1），底部连接处用玻璃胶密封。

6.根据权利要求1或2或3所述的嵌入式扫频超声协同活性炭降解煤气废水装置，其特征在于，所述有机玻璃反应槽（5）位于铝合金型材架（8）上。

7.根据权利要求6所述的一种嵌入式扫频超声协同活性炭降解煤气废水装置，其特征在于，所述铝合金型材架（8）长为23 cm，宽为23 cm，高为100 cm。

8.嵌入式扫频超声协同活性炭降解煤气废水降解方法，包括如下步骤：

（1）在有机玻璃反应槽底部2条对角线上，距两端的1/4处各开一个直径为2 cm的圆形小孔，共计4个小孔，用来嵌入4个聚能式扫频超声系统中的超声变幅杆，超声变幅杆上有一个贯穿的孔，左右两侧开孔对称，通过中心螺栓将其和扫频超声换能器连接，并超声变幅杆外围节面套上金属夹紧环，再将扫频超声换能器用电线连接在扫频超声发生器上，底部连接处用玻璃胶密封，露出超声波变幅杆顶部的喷嘴，照此方法依次安装4个圆形小孔处，静置24 h后再开始使用，一方面起到防水漏水，另一方面也可保护超声波变幅杆，提高其使用寿命；

（2）接着将煤气废水倒入有机玻璃反应槽中，体积约为有机玻璃反应槽容积的4/5，全部打开4个扫频超声发生器，扫频超声发生器间歇比为3：2，均匀撒入50 g活性炭粒子，当超声停止时，活性炭粒子由于自身重力和液体作用力共同作用，在煤气废水中以加速度减小的加速运动向有机玻璃反应槽底部运动；当超声工作时，超声变幅杆发出微射流，活性炭粒子又受到微射流力的作用被向上抛起一段距离，做减速运动，而后又反方向向有机玻璃反应槽底部运动，循环往复，在煤气废水中处于分散悬浮状态。

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