CN113371787A - 一种气体驱动的空化系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种气体驱动的空化系统，包括空化元件，所述空化元件包括T型三通管和汇合管，T型三通管的左端、上端、右端分别设有左接口、上接口、右接口，其中，左接口通过管路与液体输送组件连接，上接口通过管路与气体输送组件连接，右接口通过螺纹连接有汇合管，汇合管的右端通过管路与产品储罐连接；液体输送组件向T型三通管的内腔输送原料液；气体输送组件向T型三通管的内腔输送压缩气体源；所述原料液与压缩气体源在T型三通管的内腔中汇合后，经由汇合管高速喷出进入产品储罐。本发明还提供一种气体驱动的空化系统的空化方法。本发明所需设备简单、操作条件温和且能耗较低，可广泛应用于废水中亚甲基蓝、罗丹明B等难被氧化有机物的降解。
Description
技术领域
本发明涉及空化技术领域，尤其涉及一种气体驱动的空化系统及方法。
背景技术
染料行业所产生的污水中含有大量难以降解的染料有机化合物。这些化合物在水溶液中常显示鲜艳的颜色，并且易在土壤中进行富集。同时这些化合物存在一定的毒性，以亚甲基蓝为例，当人体摄入500mg/kg的亚甲基蓝就会产生恶心、眩晕、胸口疼痛等症状；对于水生生物而言，其危害剂量有所差异，一旦达到一定的浓度就会引起水生生物的大规模死亡。
传统的处理染料废水中有机化合物的方法大致分为吸附萃取法、生物处理法及氧化剂处理法。吸附萃取法具有操作简便的优点，但该方法只能将目标处理物从一相转移至另一相，并未真正降解目标有机物；生物处理法能够有效地降解目标有机物，但其具有操作步骤繁琐、成本较高且难以大规模应用的缺点，同时在生物处理过程中易产生其他的有毒物质而造成二次污染；氧化剂处理法具有处理效率高、选择面广的优点，但其成本较高，且易产生副污染物，因此也存在较大的应用局限性。目前需要一种既能有效降解目标有机物，又具有工业化应用前景的方法。
随着对空化研究的深入，空化在处理废水方面展现的潜力逐渐受到人们的关注。空化通过使液体局部压力降低至饱和蒸气压以下并产生空化泡，空化泡在溃灭阶段能够在极小的空间内产生极端的温度及压力条件(10000k，1000atm)，这过程中释放的能量能够使水分子分解从而生成羟基自由基。羟基自由基具有较高的氧化电位(2.8V)，能够与许多有机物发生反应。因此空化是一种有效处理染料有机化合物的方法。
目前空化的主要方式主要有超声空化和水力空化。超声空化通过超声波形成局部压力的波动，当超声波能量足够大时，能够使压力波动下降至饱和蒸气压以下，从而形成空化气核并发展成空化泡。超声空化存在的主要问题是难以进行规模化的应用。水力空化则是通过流体流速的改变，使流体在在局部形成压降从而产生空化泡。水力空化已广泛应用于废水处理、乳化及油脂化工等领域。水力空化存在的主要问题在于其对泵的初始压头和空化元件的承压能力有较高的要求，同时具有较高的能耗。
发明内容
为克服上述问题，本发明提供一种操作简便、设备要求较低、能耗较小，同时能够广泛应用于处理废水中亚甲基蓝、罗丹明B等难降解有机物的气体驱动的空化系统及方法。
本发明的第一个方面提供一种气体驱动的空化系统，包括空化元件，所述空化元件包括T型三通管和汇合管，T型三通管的左端、上端、右端分别设有左接口、上接口、右接口，其中，左接口通过管路与液体输送组件连接，上接口通过管路与气体输送组件连接，右接口通过螺纹连接有汇合管，汇合管的右端通过管路与产品储罐连接；
所述液体输送组件包括液体储罐、液体输送泵和液体流量计，液体储罐依次连接液体输送泵、液体流量计、T型三通管的左接口，液体输送组件向T型三通管的内腔输送原料液；所述气体输送组件包括空气压缩机/压缩气罐、气体缓冲罐和气体流量计，空气压缩机/压缩气罐依次连接气体缓冲罐、气体流量计、T型三通管的上接口，气体输送组件向T型三通管的内腔输送压缩气体源；所述原料液与压缩气体源在T型三通管的内腔中汇合后，经由汇合管高速喷出进入产品储罐。
进一步，所述T型三通管的内径与汇合管的外径一致，T型三通管的左接口、上接口、右接口处均设有45°的内倒角，左接口、上接口、右接口与管路之间的间隙均设有与内倒角相匹配的圆锥环形密封圈。
进一步，所述汇合管的内径小于T型三通管的内径，汇合管左右两端的接口均设有内倒角，且汇合管左端接口内倒角的角度、汇合管右端接口内倒角的角度、T型三通管的左接口、上接口、右接口处内倒角的角度均不相同。
进一步，所述T型三通管上接口轴线与左接口轴线角度范围为5°-180°；汇合管内径范围为1-100mm；汇合管的长度范围为10-2000mm，汇合管两端的内倒角的角度范围在15°-90°。
进一步，所述空气压缩机/压缩气罐的气体流量范围是0.1-60000L/h；液体输送泵的流量范围是1.0-10000L/h。
本发明的第二个方面提供一种气体驱动的空化系统的空化方法，包括以下步骤：
S1：将T型三通管与汇合管组装成空化元件，并将空化元件与液体输送组件、气体输送组件和产品储罐连接；
S2：将压缩气体源通入气体缓冲罐，并调节气体流量计使气体流量稳定；
S3：开启液体输送泵并将其调节至预设的液体流量，使得液体储罐中的原料液被送入T型三通管内，原料液与步骤S2中的压缩气体在T型三通管内汇合进行作用，经由汇合管形成高速的气液混合相，自汇合管高速喷出；
S4：由产品储罐收集步骤S3喷出的气液混合相，判断空化效果是否达到预设标准，是则结束操作；否则将收集到的液体循环至液体储罐中，循环次数加一，重复步骤S1至步骤S4。
进一步，步骤S3中所述原料液与步骤S2中的压缩气体在T型三通管内汇合进行作用，经由汇合管形成高速的气液混合相；具体为，利用压缩气体与原料液相撞时产生的强相互作用力产生空化泡和微纳米气泡并形成空化作用，微纳米气泡在数分钟后溃灭同样可以形成与空化类似的效果；利用汇合管较小的内径形成高速的气液混合相，在汇合管出口处高速喷射产生空化泡并通过溃灭形成空化作用。
进一步，所述压缩气体源包括压缩空气、压缩氮气、压缩二氧化碳、压缩氩气、压缩氧气中的一种或两种以上按任意比例混合的混合气。
进一步，步骤S4中所述循环次数范围为1-150次，若循环次数大于150次则结束操作。
本发明的有益效果是：
(1)在液体初始流速较低且空化元件结构简单的情况下，通过通入压缩气体并经由汇合管从而形成高流速的气液混合相，利用气液两相的相互作用力以及气液混合相与外部环境之间的相互作用形成空化泡和微纳米气泡并产生空化效果。
(2)本发明通过压缩气体源与汇合管较小的内径使得气液混合相的流速提高，不同于传统水力空化中需要孔板、文丘里管等设备造成液相流通面积的突然减小。本发明在空化元件中的压力能保持基本不变，大大减轻了由于压力剧烈变化对设备带来的劳损。
(3)本发明设备简单，操作便捷，维修简易。且对泵的压头要求低，且能耗小。
(4)本发明能广泛且有效应用于处理废水中亚甲基蓝、罗丹明B等难被降解且有毒有害的有机物。
附图说明
图1是本发明的流程图。
图2是本发明空化元件的装配示意图。
图3是本发明空化元件的结构示意图。
附图标记说明：1-气体压缩机/压缩气罐，2-气体缓冲罐，3-气体流量计，4-液体输送泵，5-液体储罐，6-空化元件，7-产品储罐，8-液体流量计，9-T型三通管，10-汇合管，11-密封圈，12-螺帽，13-压缩气体源的三通汇合角度。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明专利的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参照附图，一种气体驱动的空化系统，包括空化元件6，所述空化元件6包括T型三通管9和汇合管10，T型三通管9的左端、上端、右端分别设有左接口、上接口、右接口，其中，左接口通过管路与液体输送组件连接，上接口通过管路与气体输送组件连接，右接口通过螺纹、螺帽12连接有汇合管10，汇合管10的右端通过管路与产品储罐7连接；
所述液体输送组件包括液体储罐5，液体储罐5依次连接液体输送泵4、液体流量计8、T型三通管9的左接口，液体输送泵4的流量范围是1.0-10000L/h，液体输送组件向T型三通管9的内腔输送原料液；所述气体输送组件包括空气压缩机/压缩气罐1，空气压缩机/压缩气罐1依次连接气体缓冲罐2、气体流量计3、T型三通管9的上接口，空气压缩机/压缩气罐1的气体流量范围是0.1-60000L/h，气体输送组件向T型三通管9的内腔输送压缩气体源；所述原料液与压缩气体源在T型三通管9的内腔中汇合后，经由汇合管10高速喷出进入产品储罐7。
具体的，空化元件中T型三通管9的内径与汇合管10的外径一致，T型三通管9的左接口、上接口、右接口处均设有45°的内倒角，左接口、上接口、右接口与管路之间的间隙均设有与内倒角相匹配的圆锥环形密封圈11，保证T型三通管9接口处的水密性。汇合管10的内径小于T型三通管9的内径，汇合管10的轴线与T型三通管左、右接口的轴线共线；汇合管10左右两端的接口均设有内倒角，且汇合管10左端接口内倒角的角度、汇合管10右端接口内倒角的角度、T型三通管9的左接口、上接口、右接口处内倒角的角度均不相同。汇合管10内径范围为1-100mm；汇合管10的长度范围为10-2000mm，汇合管10两端的内倒口角度范围在15°-90°。T型三通管9上接口轴线与左接口轴线角度范围为5°-180°，该角度即为原料液与压缩气体源的三通汇合角度12。
所述空气压缩机/压缩气罐1的气体流量范围是0.1-60000L/h；液体输送泵4的流量范围是1.0-10000L/h。
一种气体驱动的空化系统的空化方法，包括以下步骤：
S1：将T型三通管与汇合管组装成空化元件，并将空化元件与液体输送组件、气体输送组件和产品储罐连接；
S2：将压缩气体源通入气体缓冲罐，并调节气体流量计使气体流量稳定；压缩气体源包括压缩空气、压缩氮气、压缩二氧化碳、压缩氩气、压缩氧气中的一种或两种以上按任意比例混合的混合气；
S3：开启液体输送泵并将其调节至预设的液体流量，使得液体储罐中的原料液被送入T型三通管内，原料液与步骤S2中的压缩气体在T型三通管内汇合进行作用，经由汇合管形成高速的气液混合相，自汇合管高速喷出；具体为：利用压缩气体与原料液相撞时产生的强相互作用力产生空化泡和微纳米气泡并形成空化作用，微纳米气泡在数分钟后溃灭同样可以形成与空化类似的效果；利用汇合管较小的内径形成高速的气液混合相，在汇合管出口处高速喷射产生空化泡并通过溃灭形成空化作用。
S4：由产品储罐收集步骤S3喷出的气液混合相，判断空化效果是否达到预设标准，是则结束操作；否则将收集到的液体循环至液体储罐中，循环次数加一；判断循环次数是否超过150次，是则结束操作；否则，重复步骤S1至步骤S4。
为测定并量化空化效果，以下实施例中均向水中加入亚甲基蓝，并将其配置成10umol/L的亚甲基蓝水溶液，作为原料液使用。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
选用的压缩气体源为压缩氮气，气体流量200L/h，液体流量10L/h，三通汇合角度为45°，汇合管内径1.0mm，汇合管管长500mm，汇合管出口/入口内倒角角度90°/90°，设备运行时温度保持在25℃。
S1:空化流程及操作
操作时，首先将三通与汇合管组装为空化元件。打开空气压缩机/压缩的气罐阀门，调节气体流量计至200L/h。打开并调节液体输送泵使之达到13.2L/h的液体流量。随后使原料液与压缩气体源在T型三通内汇合，并通过汇合管高速喷射而出，最后通过产品储罐收集液体。以此重复循环15次。
S2:空化效果的测定
该条件下降解的亚甲基蓝为0.0155umol/L。
实施例2
在实施例1的基础上，改变压缩气体源的组分及各组分间的比例。在实例2的条件下，优选压缩气体源组分为压缩空气，氮气：氧气约为0.79:0.21。该条件下降解的亚甲基蓝为0.0202umol/L。
实施例3
在实施例2的基础上，改变压缩气体源的流量。在实例3的条件下，优选压缩气体源流量100L/h。该条件下降解的亚甲基蓝为0.0246umol/L。
实施例4
在实施例3的基础上，改变循环次数。在实例4的条件下，优选循环次数为40次。该条件下降解的亚甲基蓝为0.0542umol/L。
实施例5
在实施例4的基础上，改变液体输送泵的初始流量。在实例5的条件下，优选液体输送泵流量为13.2L/h。该条件下降解的亚甲基蓝为0.0677umol/L。
实施例6
在实施例5的基础上，改变空化元件的三通汇合角度。在实例6的条件下，优选三通汇合角度为90°。该条件下降解的亚甲基蓝为0.0846umol/L。
实施例7
在实施例6的基础上，改变空化元件中汇合管的管内径.在实例7的条件下，优选汇合管内径为1.5mm。该条件下降解的亚甲基蓝为0.0901umol/L。
实施例8
在实施例7的基础上，改变空化元件中汇合管的管长。在实例8的条件下，优选汇合管长度为25cm。该条件下降解的亚甲基蓝为0.0910umol/L。
实施例9
在实施例8的基础上，改变空化元件中汇合管的两端内倒角角度。在实例9的条件下，优选汇合管入口内倒角角度为30°，该条件下降解的亚甲基蓝为0.139umol/L；优选汇合管出口内倒角角度为45°，该条件下降解的亚甲基蓝为0.113umol/L。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (9)
1.一种气体驱动的空化系统，其特征在于：包括空化元件(6)，所述空化元件(6)包括T型三通管(9)和汇合管(10)，T型三通管(9)的左端、上端、右端分别设有左接口、上接口、右接口，其中，左接口通过管路与液体输送组件连接，上接口通过管路与气体输送组件连接，右接口通过螺纹连接有汇合管(10)，汇合管(10)的右端通过管路与产品储罐(7)连接；
所述液体输送组件包括液体储罐(5)、液体输送泵(4)和液体流量计(8)，液体储罐(5)依次连接液体输送泵(4)、液体流量计(8)、T型三通管的左接口，液体输送组件向T型三通管的内腔输送原料液；所述气体输送组件包括空气压缩机/压缩气罐(1)、气体缓冲罐(2)和气体流量计(3)，空气压缩机/压缩气罐(1)依次连接气体缓冲罐(2)、气体流量计(3)、T型三通管(9)的上接口，气体输送组件向T型三通管的内腔输送压缩气体源；所述原料液与压缩气体源在T型三通管(9)的内腔中汇合后，经由汇合管(10)高速喷出进入产品储罐(7)。
2.如权利要求1所述的一种气体驱动的空化系统，其特征在于：所述T型三通管(9)的内径与汇合管(10)的外径一致，T型三通管(9)的左接口、上接口、右接口处均设有45°的内倒角，左接口、上接口、右接口与管路之间的间隙均设有与内倒角相匹配的圆锥环形密封圈(11)。
3.如权利要求1所述的一种气体驱动的空化系统，其特征在于：所述汇合管(10)的内径小于T型三通管(9)的内径，汇合管(10)左右两端的接口均设有内倒角，且汇合管(10)左端接口内倒角的角度、汇合管(10)右端接口内倒角的角度、T型三通管(9)的左接口、上接口、右接口处内倒角的角度均不相同。
4.如权利要求1所述的一种气体驱动的空化系统，其特征在于：所述T型三通管(9)上接口轴线与左接口轴线角度范围为5°-180°；汇合管(10)内径范围为1-100mm；汇合管(10)的长度范围为10-2000mm，汇合管(10)两端的内倒角的角度范围在15°-90°。
5.如权利要求1所述的一种气体驱动的空化系统，其特征在于：所述空气压缩机/压缩气罐(1)的气体流量范围是0.1-60000L/h；液体输送泵(4)的流量范围是1.0-10000L/h。
6.如权利要求1-5所述的任意一项气体驱动的空化系统的空化方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将T型三通管与汇合管组装成空化元件，并将空化元件与液体输送组件、气体输送组件和产品储罐连接；
S2：将压缩气体源通入气体缓冲罐，并调节气体流量计使气体流量稳定；
S3：开启液体输送泵并将其调节至预设的液体流量，使得液体储罐中的原料液被送入T型三通管内，原料液与步骤S2中的压缩气体在T型三通管内汇合进行作用，经由汇合管形成高速的气液混合相，自汇合管高速喷出；
S4：由产品储罐收集步骤S3喷出的气液混合相，判断空化效果是否达到预设标准，是则结束操作；否则将收集到的液体循环至液体储罐中，循环次数加一，重复步骤S1至步骤S4。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤S3中所述原料液与步骤S2中的压缩气体在T型三通管内汇合进行作用，经由汇合管形成高速的气液混合相；具体为，利用压缩气体与原料液相撞时产生的强相互作用力产生空化泡和微纳米气泡并形成空化作用，微纳米气泡在数分钟后溃灭同样可以形成与空化类似的效果；利用汇合管较小的内径形成高速的气液混合相，在汇合管出口处高速喷射产生空化泡并通过溃灭形成空化作用。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于：所述压缩气体源包括压缩空气、压缩氮气、压缩二氧化碳、压缩氩气、压缩氧气中的一种或两种以上按任意比例混合的混合气。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤S4中所述循环次数范围为1-150次，若循环次数大于150次则结束操作。
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