CN210214951U - 超细纳米反应系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种超细纳米反应系统，包括：污水监测装置和超细纳米发生装置；所述污水监测装置：包括样品采集器、可编程逻辑控制器、溶解氧传感器以及上传单元；所述可编程逻辑控制器通过样品采集器和溶解氧传感器采集分析污水中相对应的数据，得到各项污染值，然后控制制氧设备以及所述超细纳米发生装置工作，并且通过上传单元发送数据；所述超细纳米发生装置包括：进水喷嘴、气液混合腔、出水口和进气口；所述进水喷嘴与水泵连接，在所述气液混合腔内壁上设置有螺旋凹槽，所述进气口设置在所述气液混合腔上并与所述螺旋凹槽连通。

Description

超细纳米反应系统

技术领域

本实用新型涉及废水处理技术领域，尤其涉及一种超细纳米反应系统。

背景技术

人类活动排放的污染已经超出了水域自我净化能力的极限，通常自然水域的天然溶解氧含量为1ppm左右。人类活动排放的污染已经超出了水域自我净化能力的极限，通常自然水域的天然溶解氧含量为 1ppm左右。由于水中没有溶解氧，导致水中生长的各种好氧生物大量死亡而沉入水底，腐烂变质后沉积为水底淤泥，构成了水域中的内污染源，再加上垃圾、污水等其它污染物继续排入水中，导致水域的富养化污染程度进一步恶化，从而爆发多种重度污染表象，如发臭、蓝藻、赤潮、水葫芦等。因此污水处理过程实际上是给水中提供充足的活性氧的过程，只有保证水中有充足的活性氧、溶解氧，才能保证污水处理彻底，并且污水处理后没有后续污泥污染问题。

现有的纳米系统的工作原理是，对污水的监测通过人工实地取水，然后进行水质的分析，然后污水从纳米装置的入水口高压打入到气水混合腔中，再从气水混合腔另一端的出水口喷出，水流在气水混合腔中流动时形成负压状态，在气水混合腔上还设置有一进气口，当气水混合腔内处于负压的状态时，气体从进气口吸入并与气水混合腔内的污水混合，从出水口喷出。现有的纳米装置所产生的气泡在水中最多不超过200万个/ml/h，气泡直径约为1-100微米，颜色白浊，气泡缓慢上浮后在水中消失，存在时间约4-8小时。现有技术的纳米系统，取水深度有限，样本单一，并且无法对水质进行实时监测，另外系统中的纳米装置，所产生的气泡直径大，存在时间短。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足提供提供一种超细纳米反应系统，通过组合方式在水下实时对水质进行采样，并根据采样结果快速启动超细纳米发生装置，对污水进行清理。另外，本实用新型的厄超细纳米发生装置，通过气水混合腔中的螺旋凹槽所产生的超细纳米气泡，气泡直径小，因此在水中存留时间长。

本实用新型所要解决的技术问题是通过如下技术方案实现的：

本实用新型提供一种超细纳米反应系统，包括：污水监测装置和超细纳米反应装置；其中，所述污水监测装置：包括样品采集器、可编程逻辑控制器、溶解氧传感器以及上传单元；所述可编程逻辑控制器通过样品采集器和溶解氧传感器采集分析污水中相对应的数据，得到各项污染值，然后控制制氧设备以及所述超细纳米反应装置工作，并且通过上传单元发送数据；所述超细纳米反应装置包括：进水喷嘴、气液混合腔、出水口和进气口；所述进水喷嘴与水泵连接，在所述气液混合腔内壁上设置有螺旋凹槽，所述进气口设置在所述气液混合腔上并与所述螺旋凹槽连通。

更好地，所述螺旋凹槽深度为1-2毫米，宽度为1-2毫米。

更好地，所述气液混合腔为密封腔。

更好地，所述样品采集器包括桶体、带轴的两个半圆上盖和活动底板、铅块、温度计、橡胶管和止水夹；所述桶体是透明有机玻璃筒体。

更好地，所述溶解氧传感器用于测量水中的氧气含量，测量范围 0～20mg/L，操作温度-5～50C。

更好地，所述上传单元采用自动在线监测仪，应用手机app上传数据。

更好地，所述系统带有清洗单元，其利用超声波清洗所述装置的样品采集器和各个传感器。

更好地，所述系统还包括电导率传感器，其是电感型电导率传感器，用于监控污水中和过程的电导率。

更好地，所述系统还包括PH值传感器，用于采集和监测污水的酸碱度，稳定性±0.02pH/24h。

更好地，所述可编程逻辑控制器用于监测数据的采集、分析及处理；采集的数据经过运算分析后与预先设置的溶解氧值做比较判断，如果低于设定值将启动制氧设备，反之，高于设定值将停止制氧设备运行。

本实用新型的超细纳米反应系统，采用先进的PLC可编程以及传感器技术对主要参数的过程变量进行了采集和数据分析处理。通过精确的控制使纳米发生装置始终工作在最高效的阶段，并将整个工作过程的变量进行记录形成曲线分析图。新增加的臭氧制取及控制功能配合纳米发生器可以解决多更多种领域的应用需求。本实用新型装置结构布局紧凑合理，分区明确电气控制部分与流体部分完全隔离分开，保证了监测安全性，提高了系统的防护等级。采用直观的人机交互触摸界面，整个界面色彩丰富、运行流畅，操作便捷容易上手。预留了通讯接口利用先进的物联网技术可接入云平台进行远程监控，监测数据可在千里之外进行分析汇总，实现了远程部署本地操控，大大节约了宝贵的人力资源。另外，超细纳米发生装置，快速提高溶氧水平，大幅降低供氧电耗；减少剩余污泥量及降低药剂使用量；出水水质优化。

下面结合附图和具体实施例对本实用新型的技术方案进行详细地说明。

附图说明

图1为本实用新型超细纳米反应系统的控制结构框图；

图2为本实用新型超细纳米发生装置的结构示意图；

图3为图2A-A向剖视图。

图中：1-样品采集器，2-可编程逻辑控制器，3-溶解氧传感器，4- 上传单元，5-清洗单元，6-电导率传感器，7-PH值传感器，8-制氧设备， 9-超细纳米发生装置。

具体实施方式

图1为本实用新型超细纳米反应系统的控制结构框图。如图1所示，本实用新型提供一种超细纳米反应系统，包括：污水监测装置和超细纳米发生装置9；

其中，所述污水监测装置：包括样品采集器1、可编程逻辑控制器2、溶解氧传感器3以及上传单元4；所述可编程逻辑控制器2通过样品采集器1和溶解氧传感器3采集分析污水中相对应的数据，得到各项污染值，然后控制制氧设备以及所述超细纳米发生装置9工作，并且通过上传单元4发送数据；

图2为本实用新型超细纳米发生装置的结构示意图，图3为图 2A-A向剖视图。如图2-图3所示，所述超细纳米发生装置9包括：进水喷嘴91、气液混合腔92、出水口93和进气口94；所述进水喷嘴91 与水泵连接，所述进气口94与臭氧发生器(图中未示出)连接，在所述气液混合腔内壁92上设置有螺旋凹槽921，所述进气口94设置在所述气液混合腔92上并与所述螺旋凹槽921连通。所述螺旋凹槽921深度为1-2毫米，宽度为1-2毫米。优选地，所述螺旋凹槽921深度为0.5 毫米，宽度为1.5毫米。优选地，所述气液混合腔92为密封腔。

所述溶解氧传感器3用于测量水中的氧气含量，测量范围 0～20mg/L，操作温度-5～50C。

所述上传单元4采用自动在线监测仪，应用手机app上传数据。

所述系统带有清洗单元5，其利用超声波清洗所述装置的样品采集器和各个传感器。

所述系统还包括电导率传感器6，其是电感型电导率传感器，用于监控污水中和过程的电导率。

所述样品采集器1包括桶体、带轴的两个半圆上盖和活动底板、铅块、温度计、橡胶管和止水夹；所述桶体是透明有机玻璃筒体。仪器上下活动翻盖自动打开与封闭，实现对所需深处的水样进行采集，使用方便，可对液体进行不同深度分层取样，用于河流、湖泊和水库等地表水0-30m深度内的水样采集。技术参数：容量：1000mL，2500mL， 5000mL；采样深度：0-30m；温度计：测温误差±1℃；采水瓶体：有机玻璃材质，配重铅块，上下盖可轻松翻转，实现开合。使用时注意先夹住出水口橡胶管，再将两个半圆形上盖打开。让采水器沉入水中，底部入水口则自动开启。可采集不同深度层的水样，上面系个绳子，下面进水，上面出水，采水器停在不同深度时，所采的水样，就是这个层次的水样。下沉深度应在系绳上有所标记，当沉入所需深度时，即上提系绳，上盖和下入水口自动关闭，提出水面后，不要碰及下底，以免水样泻漏。将出水口橡胶管伸入容器口，松开铁夹，水样即注入容器。定量样品采集，在静水和缓慢流动水体中采用有机玻璃采样器采集。每次采集样品前后利用清洗单元5的超声波对样品采集器进行清洗。

所述样品采集器1是有机玻璃采水器：包括桶体、带轴的两个半圆上盖和活动底板、铅块、温度计、橡胶管和止水夹。仪器上下活动翻盖自动打开与封闭，实现对所需深处的水样进行采集，使用方便，可对液体进行不同深度分层取样，用于河流、湖泊和水库等地表水 0-30m深度内的水样采集。技术参数：容量：1000mL，2500mL，5000mL；采样深度：0-30m；温度计：测温误差±1℃；采水瓶体：有机玻璃材质，配重铅块，上下盖可轻松翻转，实现开合。每次采集样品前利用超声波对样品采集器的桶体进行清洗。

所述可编程逻辑控制器2(PLC＝Programmable Logic Controller) 是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。是工业控制的核心部分。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PLC具有数学运算(含矩阵运算、函数运算、逻辑运算)、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成监测数据的采集、分析及处理。这些数据经过运算分析后与预先设置的溶解氧值做比较判断，如果低于设定将启动制氧设备，反之高于设定值停止制氧设备运行，使水体溶解氧值始终保持在设定区间范围内，这样既保证了水处理工艺的需要就达到了节能的目的。所述PLC还可以控制电导率传感器，PH值传感器7和臭氧发生器工作。

所述溶解氧传感器3(DO)采用荧光猝灭技术。传感器发出的蓝光照射到荧光帽上的荧光物质时，荧光物质受到激发发出红光，由于氧分子可以带走能量(猝熄效应)，所以激发的红光的时间和强度与氧分子的浓度成反比，通过计算可得出水中溶解氧的浓度。主要特点：传感器采用新型氧敏感膜，自带NTC温补功能，测量结果具有良好重复性及稳定性；测量时不会产生氧消耗，没有流速/搅动要求；突破性的荧光技术，没有膜和电解液，基本无需保养；内设自诊功能，保证数据准确；数字化传感器，抗干扰能力强，传输距离远；标准数字信号输出，可在无变送器的情况下实现和其他设备的集成和组网；传感器现场安装方便快捷，实现即插即用。由于溶解氧值是整套系统的核心所在，所以在整个监测过程中溶解氧值的变化值都在HMI人机界面上绘制成了曲线方便做分析，同时记录了纳米气泡溶解氧值影响的时间长短。

所述上传单元4采用自动在线监测仪，应用手机app上传数据。应用Android/iOS，存储对象OSS，官网：http： //www.aliyun.com/product/oss；RAM/STS负责生成临时上传凭证。

所述电导率传感器6(COND)是基于微处理器设计开发的自动化仪器仪表，其设计的目的是为了能更好的适用于水处理控制中和过程的电导率的监控和温度值的连续精确测量和数字化无失真传输或远程模拟传输。其具有如下特点：体积小巧，安装方便；采用RS485通信接口，通信协议符合MODBUS-RTU模式；隔离的4～20mA输出，方便用户记录或远传测量值；支持使用纯净水对传感器标定，以保证测量精确性；温度补偿PT1000测温线路，排除线抗对温度测量影响。

所述制氧设备8为臭氧发生器(O₃)，该臭氧发生器是使用一定频率的高压电流制造高压电晕电场，使电场内或电场周围的氧分子发生电化学反应，将氧气转化为臭氧的过程。即将高压交流电加在中间隔有绝缘体并有一定间隙的高压电极上，让经过的干燥净化空气或氧气通过。当高压交流电达到10-15KV时，产生蓝色辉光放电(电晕)，电晕中的自由高能离子离解O₂分子，经碰撞聚合为O₃分子，从而制造臭氧。本实用新型臭氧发生器采用钛金脱羟基石英管制作，这种臭氧发生器具有技术成熟、工作稳定、使用寿命长、臭氧产量大(单机可达 1Kg/h)等优点。

PLC采用西门子S7-300PLC，实时采集被测水体中的DO溶解氧含量值数据，数据经过运算分析后与预先设置的DO值做比较判断，如果反馈值低于设定将启动制氧设备8的水泵和纳米头工作运行，反之高于设定值停止制氧设备8的水泵和纳米头运行，使水体DO溶解氧值始终保持在设定区间范围内，这样既保证了水处理工艺的需要就达到了节能的目的。由于DO溶解氧值是整套系统的核心所在，所以在整个监测过程中DO的变化值都在HMI人机界面上绘制成了曲线方便做分析，同时记录了纳米气泡DO值影响的时间长短。所述溶解氧传感器每次使用前后都利用清洗单元5的超声波进行清洗。

COND6采集的电导率值主要反映了在维持恒定DO值和在臭氧作用后水体在导电性能的变化，本实用新型采用电感型电导率传感器，用于监控污水中和过程的电导率。每次采集电导率前后都利用清洗单元5的超声波进行清洗。

工作原理：污水监测装置实时采集水样并监测，具体采样以及数据监测，已在上文描述，在此不再赘述。所述PLC根据监测数值控制所述超细纳米发生装置启动，污水通过水泵打入进水喷嘴91，进水喷嘴91对准螺旋凹槽921加压喷水，水经过螺旋凹槽921形成加速喷射而出，原理形同于步枪枪管(滑膛线)，在水加压同时进气口94形成负压，也就是说，由于气液混合腔92为密封腔，因此水流通过水泵的压力在气液混合腔92中经过螺旋凹槽921加速排出，在排出的同时产生负压极速吸气，在出水口93形成气水混合体，空气被水切割成纳米结构。需要说明的是，在水体需要进行脱色处理或消毒处理时，可以选择开启臭氧发生器，臭氧发生器从进气口94打入，将臭氧与污水混合。根据工艺需求可对臭氧的作用强度和作用时间进行自动调节控制，本实用新型可以采用时间间隔控制。臭氧发生器会根据工艺要求在设定时间内运行和停止，保证机车的有效性和可控性，监测实验人员无需值守进行。本实用新型采用钛金脱羟基石英管制作臭氧发生器，用于对污水进行脱色处理或消毒处理。本实用新型的超细纳米发生装置所产生的纳米气泡在水中4.6亿个/ml/h，气泡直径50-155纳米，无色透明，粘性力比浮力大，会产生布朗运动，能在水中存留数周或数月。根据1mm＝1000μm＝1000nm，直径1μm气泡在一定体积下表面积比理论上是直径1mm气泡的1000倍，即空气和水的接触面积就增加了 1000倍，各种反应速度也增加了1000倍以上。而纳米气泡的平均直径在50-155nm，这就意味着处理能力是普通曝气的10万倍以上。纳米气泡在水中只做布朗运动，而纳米气泡是1mm气泡上升速度的1/2000。考虑到比表面积的增加，纳米气泡的气体溶解力比一般空气增加20万倍以上。当然纳米气泡的情况下可直接超越饱和度溶解。可以使溶氧值迅速达到超饱和状态。从而提升氧的利用率，使污水中磷酸盐被微生物吸收。纳米气泡在水中的溶解是一个气泡逐渐缩小的过程，压力的上升会增加气体的溶解速度，伴随着表面积比的增加，气泡缩小的速度会变的越来越快，从而最终溶解到水中，理论上气泡即将消失时的所受压力为无限大。因为纳米气泡带有负电荷的特性，在水中会将带有正电荷的污染物或病毒吸附与纳米气泡的周边，纳米气泡在压力下慢慢变小最后在大约4000MPa左右破裂，纳米气泡在高压力破碎之际，瞬间除了高压之外还会产生高温，由于小纳米气泡破裂瞬间产生的高压高温能量将污染物或细菌分解消灭。而同时将破坏污染物成分分离浮于水面。纳米气泡破裂瞬间，由于气液界面消失的剧烈变化，界面上聚集的高浓度离子将积蓄的化学能一下子释放出来，此时可激发产生大量的羟基自由基。羟基自由基具有超高的氧化还原电位，其产生的超强氧化作用可降解水中正常条件下难以氧化分解的有机污染物(如：苯酚等)，实现对水质的净化。这个原理和自身增压溶解一样，纳米气泡即使在水体中气体含量达到过饱和条件时，仍可继续进行气体的传质过程并保持高效的传质效率，使得硝化速度快，去除氨氮彻底。也是基于大的比表面积，气泡上升速度慢及自身增压溶解而最后消失水中的原理，大大提高气体(空气，氧气，臭氧，二氧化碳等) 在水中的溶解度。

Claims (10)

1.一种超细纳米反应系统，其特征在于，包括：污水监测装置和超细纳米发生装置；

其中，所述污水监测装置：包括样品采集器、可编程逻辑控制器、溶解氧传感器以及上传单元；所述可编程逻辑控制器通过样品采集器和溶解氧传感器采集分析污水中相对应的数据，得到各项污染值，然后控制制氧设备以及所述超细纳米发生装置工作，并且通过上传单元发送数据；

所述超细纳米发生装置包括：进水喷嘴、气液混合腔、出水口和进气口；所述进水喷嘴与水泵连接，在所述气液混合腔内壁上设置有螺旋凹槽，所述进气口设置在所述气液混合腔上并与所述螺旋凹槽连通。

2.如权利要求1所述的超细纳米反应系统，其特征在于，所述螺旋凹槽深度为1-2毫米，宽度为1-2毫米。

3.如权利要求1或2所述的超细纳米反应系统，其特征在于，所述气液混合腔为密封腔。

4.如权利要求1所述的超细纳米反应系统，其特征在于，所述样品采集器包括桶体、带轴的两个半圆上盖和活动底板、铅块、温度计、橡胶管和止水夹；所述桶体是透明有机玻璃筒体。

5.如权利要求1所述的超细纳米反应系统，其特征在于，所述溶解氧传感器用于测量水中的氧气含量，测量范围0～20mg/L，操作温度-5～50C。

6.如权利要求1所述的超细纳米反应系统，其特征在于，所述上传单元采用自动在线监测仪，应用手机app上传数据。

7.如权利要求1所述的超细纳米反应系统，其特征在于，所述系统带有清洗单元，其利用超声波清洗所述装置的样品采集器和各个传感器。

8.如权利要求1所述的超细纳米反应系统，其特征在于，所述系统还包括电导率传感器，其是电感型电导率传感器，用于监控污水中和过程的电导率。

9.如权利要求1所述的超细纳米反应系统，其特征在于，所述系统还包括PH值传感器，用于采集和监测污水的酸碱度，稳定性±0.02pH/24h。

10.如权利要求1所述的超细纳米反应系统，其特征在于，所述可编程逻辑控制器用于监测数据的采集、分析及处理；采集的数据经过运算分析后与预先设置的溶解氧值做比较判断，如果低于设定值将启动制氧设备，反之，高于设定值将停止制氧设备运行。

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