一種用於微藻採收的可攜式低能耗氣浮裝置及使用方法與流程

2023-11-03 23:00:42

本發明涉及一種氣浮裝置及其使用方法，具體而言，本發明涉及一種用於微藻採收的可攜式低能耗氣浮裝置及其使用方法。

背景技術：

微藻具有生長速度快，營養物質豐富等特點，被廣泛地應用於生物餌料、保健食品、食品添加劑等領域。特別是近年來，隨著常規石化能源的日益匱乏，全球環境問題的日益嚴峻，以富油微藻為原料的可再生生物燃料被認為是緩解能源危機、降低環境損害的最佳選擇。但由於微藻細胞個體小，培養液中的濃度低，導致了其在採收時存在難度較大、成本較高的問題。據統計，在規模化養殖中，微藻的採收成本可達到養殖總成本的30％左右。目前，微藻的採收方法主要有離心法、過濾法、絮凝法和氣浮法等。離心法具有能耗投入高的不足，過濾法則往往會因藻細胞堵塞濾孔而導致濾膜失效。絮凝法與氣浮法常常聯合使用，以達到高效率、低成本的連續採收。

氣浮法是一種通過向藻液中導入微小氣泡使藻絮凝體黏附於其上從而達到浮升收集目的的技術。在微藻的採收過程中，氣浮法常常作為絮凝法的後續步驟，兩者的聯合使用將使規模化採收過程的連續性變得可行。如何穩定地產生豐富而微小的氣泡是該方法獲得較高採收效率的關鍵所在。目前，微氣泡的生成方式主要有機械法和溶氣法。前者所形成的微氣泡粒徑較大，不易與藻絮凝體黏附。相對而言，後者則可形成粒徑較小的氣泡，較適用於藻絮凝體的富集採收。儘管如此，溶氣氣浮法仍然存在能耗投入高、工藝複雜、微氣泡生成難以持續穩定的不足。

申請號為201310719153.7的中國專利公開了一種微藻泡沫濃縮採收裝置，該裝置包括氣泡發生單元、濃縮分離塔、液流循環單元以及泡沫收集單元，氣體經氣體分布器打散後粘附在微藻細胞表面，將其帶至液體表面形成泡沫層，該泡沫層通過泡沫導流管輸入泡沫收集單元，經消泡後獲得濃縮藻液。然而，該裝置涉及的單元較多，結構相對複雜，佔地面積較大，便攜性不佳，設備投入和運行成 本都相對較高，而且氣體分布器所產生的氣泡粒徑較大，導致氣浮效果受到很大的限制。

申請號為201420310778.8的中國專利公開了一種電解充氣浮選柱，該裝置通過在浮選柱底部安裝一組圓環形電極，依靠電解水產生的氣泡以及配合加入的起泡劑，達到浮選礦物質的目的。該採用豎直圓環形電極組，其電解所產生的氣泡會沿著電極板壁上升，導致氣泡在體系內分散不均勻，且氣泡在沿電極板壁上升過程中會不斷聚集成粒徑較大的氣泡，從而降低氣浮效率。另一方面，該裝置的應用於選礦設備技術領域。

技術實現要素：

針對上述現有技術中存在的不足，目前亟需開發一種結構簡單、便攜性佳、能耗較低且效率較高的微藻採收裝置，以滿足微藻規模化培養(尤其是沙漠、海上等環境下微藻規模化培養)的採收環節。本發明旨在提供一種新的可攜式低能耗氣浮裝置，既能滿足微藻的連續性採收，又可保證較高而穩定的採收效率。

為實現上述目的，本發明採取如下的技術方案：

一種用於微藻採收的可攜式低能耗氣浮裝置，其特徵在於：該裝置由底座、筒體和上蓋三部分組成，所述三部分可拆離，便於移動及攜帶。

所述底座上通過固定柱固定有微氣泡發生器，該微氣泡發生器由一對電極組構成，其中，陰極置於下方，為板狀，陽極置於上方，為梳狀或柵狀或網狀。所述陰極與陽極之間置有絕緣墊。所述電極組材料優選為石墨。所述電極組材料也可是不鏽鋼、各類合金、鈦及其氧化物、鉭及其氧化物等。所述電極組由直流電源供電。

所述底座側面設有開口，通過三通與出水口和排空管相連，該出水口高度可調節，兼具控制氣浮裝置內液位的功能，該排空管處設有閥門。

所述筒體下端與底座連接，上端與上蓋連接，其材質為透明的玻璃或有機玻璃等硬質材料，也可為透明的塑料等軟質材料。當筒體使用軟質材料時，筒體周圍置有網狀圍擋。

所述上蓋中設有高度可調的進水口，上蓋側面設有出渣口，其中，進水口略低於出水口，出渣口略高於出水口。所述出水口為水平輻射狀，液體通過進液小 口以水平方向流入筒體內。

所述進水口上部為管道混合器，用以充分混勻含有絮凝劑的待氣浮液體。

所述的可攜式低能耗氣浮裝置可固定於基面上或懸掛於支架上。

所述的可攜式低能耗氣浮裝置用於微藻的採收時，收穫每千克微藻(乾重)僅需消耗0.043～0.075kWh電能。

本發明提供了一種用於微藻採收的可攜式低能耗氣浮裝置，既能滿足微藻的連續性採收，又可保證較高而穩定的採收效率，有效解決了如下所述的技術問題：

1.傳統的微藻採收方式具有設備成本高、運行成本高的不足，本發明專利提供的氣浮裝置具有材料價格低廉、運行成本極低的優勢，大幅降低了微藻採收過程的物料和能耗投入，節約了成本。

2.傳統的微藻採收設備具有結構繁冗、工藝複雜、設備龐大的不足，不但操作過程繁瑣，而且佔地面積大，便攜性不佳，嚴重限制了其實用性。本發明專利提供的氣浮裝置具有結構簡單、工藝簡潔，體積小巧的優勢，便於移動，易於攜帶，可被靈活而廣泛地應用於微藻各種類型的規模化培養模式，尤其適用於沙漠、海上等環境下微藻規模化培養的採收。

3.傳統的氣浮採收設備因氣泡的產生難以長時間持續穩定，且所產生的氣泡粒徑較大，導致氣浮採收效率低下，本發明專利提供的氣浮裝置基於電解水的原理，可穩定地產生大量粒徑較小的氣泡，特別是針對微藻的浮載，有效提高了採收效率；發明人通過研究發現，同樣是通過氣浮法收集顆粒，所產生的氣泡大小不同，其所針對不同大小顆粒的浮載效果明顯不同，專利申請201420310778.8所述裝置採用的是大氣泡粘附小顆粒的泡載模式，而本申請是針對微藻這種大顆粒，大氣泡的泡載模式對於微藻的收集效率極低，而改為小氣泡，更能有效的粘附微藻大顆粒，提高微藻的採收率。

4.傳統的電解氣浮裝置採用易被腐蝕的金屬鐵、鋁等物質作為電解電極，在電解過程中易產生金屬鹽類混雜到收穫物中，嚴重汙染了收穫物的品質，因此不適於微藻的採收，而且，電極的消耗一方面會增加損耗性成本，另一方面也使得電極逐漸鈍化，導致導電性能降低，氣浮效果變差。發明人在實驗過程中，替換了多種材料的電極進行組合實驗，發現金屬鐵、鋁等物質作為電解電極在經濟性和電解性能上，明顯低於石墨、不鏽鋼合金、鈦及其氧化物、鉭及其氧化物等幾 種電極材料，並且相對而言，石墨電極更為合適，其耐腐蝕性高，不但價格低廉，而且完全避免了上述汙染、損耗以及鈍化等問題。

5.本發明專利提供的氣浮裝置原理簡明，結構合理，尤其是安裝於底座上用於產生微氣泡的電極組，由於電解過程中，陰極所產生的氣泡量遠遠多於陽極，所以將陰極設計為板狀置於下方，將陽極設計為梳狀或柵狀或網狀置於上方，這樣既可避免氣泡分布的不均勻性，又能保證氣泡不會滯留而聚集成較大的氣泡。採用直流電進行電解而非交流電，更是為了更穩定的產生微氣泡，避免擾動，從而連續穩定的進行微藻採收；另外，在優選的電極間距及電解電壓條件下，該裝置極大地降低了收穫單位質量微藻的能耗投入。

6.本發明專利提供的氣浮裝置，位於進水口上端的管道混合器可以起到攪拌和混勻的作用，使含有絮凝劑的待氣浮液體得到充分的絮凝。這一設計避免了以往氣浮採收裝置中附帶的常規攪拌設備如攪拌電機、混勻池的使用，使氣浮裝置的構造得以精簡，增大了其便攜性，同時也有效降低了攪拌能耗。此外，本申請通過出水口、進水口、出渣口的相對位置設定，從而通過調控筒體內的液面變化，即可實現微藻通過出渣口溢出而進行收集，從而減少了現有技術氣浮設備中刮板(用於將上浮至頁面的微藻刮出收集)的設置，進一步精簡裝置的構造，提高氣浮裝置的便攜性。

7.本發明專利提供的氣浮裝置具有水平輻射狀出水口，液體通過進液小口以水平方向流入筒體內，這一設計可使液體流入筒體內時在水平方向均勻分布，同時也將有效降低液體流入筒體內時造成的擾動。

8.本發明專利提供的氣浮裝置採用硬質和/或軟質材料，可固定於基面上和/或懸掛於支架上，以適應各種類型的規模化微藻培養模式。

本發明專利的有益效果：

1.本發明專利提供的氣浮裝置結構簡易、體積小巧、便於維護，易於移動及攜帶，可被靈活而廣泛地應用於微藻各種類型的規模化培養模式，尤其適用於沙漠、海上等環境下微藻規模化培養的採收。

2.本發明專利提供的氣浮裝置材料廉價，運行成本低，可大幅降低微藻採收過程的物料和能耗投入，節約成本，在優選的電極間距和電解電壓條件下，收穫每千克微藻(乾重)僅需消耗0.043～0.075kWh電能。

3.本發明專利提供的氣浮裝置基於電解水的原理產生微氣泡，在優選的電極材料和電極組成形式條件下，可持續穩定地獲得大量粒徑極小的氣泡，有效地提高了採收效率，在優選的電解電壓和液體流速等條件下，採收效率可高達91％～99％。

4.本發明專利提供的氣浮裝置，其電極的材料、構造、安裝等方面均設計合理，其進水口上端的管道混合器避免了額外的攪拌設備，降低了能耗，其水平輻射狀的出水口更有益於維持筒體內氣浮狀態的穩定，其硬質和/或軟質的筒體材料可固定於基面上和/或懸掛於支架上，更適於各種類型的規模化微藻培養模式。

附圖說明：

圖1為本氣浮裝置的結構示意圖。

圖2為本氣浮裝置的電極組結構示意圖。

圖3為本氣浮裝置用於微藻非連續採收的採收效率圖。

圖4為本氣浮裝置用於微藻連續採收的採收效率圖。

圖5為本氣浮裝置所產生的氣泡粒徑分布圖。

圖1中：1、陽極；2、陰極；3、絕緣墊；4、固定柱；5、直流電源；6、底座；7、排空管；8、筒體；9、網狀圍擋；10、管道混合器；11、出水口；12、進水口；13、上蓋；14、出渣口。

具體實施方式

結合實施例對本發明作進一步的說明，應該說明的是，下述說明僅是為了解釋本發明，並不對其內容進行限定。

實施例1：氣浮裝置具體實施方式

如圖1和圖2所示，一種可攜式低能耗氣浮裝置，其組成部分包括底座(6)、筒體(8)和上蓋(13)，三者可拆離；所述底座直徑為5～30cm，所述底座通過固定柱(4)與一對電極組連接，所述電極組包括置於下方的陰極(2)與置於上方的陽極(1)，所述陰極與陽極之間置有絕緣墊(3)，所述電極組由直流電源(5)供電；所述底座側面設有開口，通過三通與出水口(11)和排空管(7)相連； 所述筒體為透明材質，其下端與底座連接，其上端與上蓋連接；當筒體為軟質透明材料時，其周圍置有網狀圍擋(9)；所述筒體直徑為5～30cm，高為50～200cm；所述上蓋直徑為5～30cm，所述上蓋側面設有出渣口(14)，中間設有進水口(12)，所述進水口上部為管道混合器(10)。

所述的電極組中，陰極為圓形或方形板狀，陽極為圓形或方形梳狀和/或柵狀和/或網狀，陰極與陽極間距為0.5～10mm。所述的電極組材質為石墨和/或不鏽鋼和/或各類合金和/或鈦及其氧化物和/或鉭及其氧化物。

所述筒體為圓柱體和/或稜柱體，所述筒體為硬質透明材料和/或軟質透明材料。

所述進水口為水平輻射狀，液體通過進液小口以水平方向流入筒體內，進水口低於出水口，出渣口高於出水口，排空管處設有閥門，進水口和出水口高度可上下調節。

將所述的可攜式低能耗氣浮裝置用於微藻採收的應用，可固定於基面上或懸掛於支架上。

在氣浮開始之前，先通過排空管往筒體內注滿液體，之後關閉排空管上的閥門，接通並打開直流電源，此時開始電解產生微氣泡。待筒體內微氣泡數量變得相當豐富即筒體內液體在視覺上變為近似乳白色時，開始通入藻液進行氣浮採收。所述藻液為事先按一定比例流加了絮凝劑的藻液。所述按一定比例流加了絮凝劑的藻液在流過進水口上端的管道混合器時得以充分混勻和攪拌，達到理想的絮凝效果。經絮凝的藻液通過水平輻射狀的進液小口以水平方向流入筒體內，絮凝體與微氣泡接觸、黏附，並在其浮升作用下向液體表層移動。而經氣浮除去絮凝體的液體則向下移動，並最終通過出水口流出。當液體表面的絮凝體層逐漸變厚時，即從位於上蓋側面的出渣口流出。由於絮凝體層中含有氣泡，其密度低於藻液，所以出渣口略高於出水口，同時，為避免從進水口流入的液體對業已形成的絮凝層產生擾動，進水口設置為低於出水口。待氣浮結束之後，打開排空管的閥門，將筒體內液體排空。

實施例2：氣浮裝置用於微藻的非連續採收

將生物量約為1.2g/L的小球藻藻液以終濃度為25mg/L的殼聚糖進行絮凝，將該藻液加入氣浮裝置中進行非連續的氣浮採收。採收過程中，設置電解電壓為 3～6V，定時取樣測定吸光度值計算採收效率。結果表明，在各電壓條件下最終均可獲得高達91％～99％的採收效率，濃縮倍數高達50倍以上，獲得最佳採收效率的時間隨電壓的增加而縮短(如圖3)，但從能耗角度來看，當電壓設置為4V時，收穫每千克微藻(乾重)所需的能耗最低，僅為0.043kWh。本發明人以傳統的溶氣氣浮法和機械氣浮法作為對照對相同的藻液進行非連續的氣浮採收，結果表明，溶氣氣浮法所能達到的最高採收效率為60％，機械氣浮法則僅有40％，從能耗角度來看，溶氣氣浮法收穫每千克微藻(乾重)所需的能耗為2.2kWh，機械氣浮法則為3.4kWh，這兩者分別為本發明裝置的51.2倍和79.1倍。由此可見，本氣浮裝置極大地降低了微藻的採收能耗。

實施例3：氣浮裝置用於微藻的連續採收

按照實施例1中所述的具體實施方式，將生物量約為1.2g/L的小球藻藻液持續通入氣浮裝置中進行連續採收，該藻液預先流加了殼聚糖作為絮凝劑，使殼聚糖在藻液中的終濃度為25mg/L。採收過程中，設置電解電壓為4～6V，設置稀釋速率(即藻液流量與氣浮裝置容積的比值，單位min-1)為0.08～0.33min-1。定時取樣測定吸光度值計算整個採收過程的平均採收效率。如圖4所示，結果表明，在稀釋速率小於0.12min-1時，4V的電解電壓即可獲得高達91.4％以上的氣浮採收效率。當稀釋速率逐漸增加時，要想獲得較高的採收效率，則電解電壓也需逐漸提高。在各條件下，濃縮倍數皆可達到50倍以上。從能耗的角度來看，當稀釋速率為0.12min-1，電解電壓為4V時，收穫每千克微藻(乾重)所需的能耗最低，僅為0.075kWh。本發明人以傳統的溶氣氣浮法和機械氣浮法作為對照對相同的藻液進行連續的氣浮採收，結果表明，溶氣氣浮法所能達到的平均採收效率為45％，機械氣浮法則僅有25％，從能耗角度來看，溶氣氣浮法收穫每千克微藻(乾重)所需的能耗為3.4kWh，機械氣浮法則為4.7kWh，這兩者分別為本發明裝置的45.3倍和62.7倍。由此可見，本氣浮裝置極大地降低了微藻的採收能耗。

實施例4：氣浮裝置所產生氣泡的粒徑分析

按照實施例1中所述的具體實施方式，在氣浮開始之前，先通過排空管往筒體內注滿液體，之後關閉排空管上的閥門，接通並打開直流電源，此時開始電解產生微氣泡。利用高速顯微攝像機對裝置內的氣泡進行顯微攝像，並通過圖像處 理軟體Image-Pro Plus 6.0對所獲得的圖像進行數據分析。利用該方法對傳統氣浮方式如溶氣法和機械法所產生的氣泡亦進行粒徑分析。結果表明，如圖5所示，該氣浮裝置所產生的氣泡粒徑極小，且分布極為集中，85％以上的氣泡粒徑在15～27微米之間。另外，隨著氣浮過程的持續進行，該氣浮裝置所產生的氣泡粒徑並無明顯變化，極為穩定，氣浮採收效率也持續穩定地維持在90％以上。而傳統氣浮方式所產生的氣泡粒徑較大，為100～1000微米，且分布範圍較廣而不集中。而且，隨著氣浮過程的持續進行，傳統氣浮方式所產生的氣泡粒徑逐漸增大，不均勻性也逐步擴大，導致氣浮效率大幅降低，如溶氣氣浮法運行1小時後，其氣浮效率從開始時的60％左右降低至不到30％，機械氣浮法則從40％降低至10％。微藻的氣浮採收效率直接與氣泡粒徑相關，氣泡粒徑越小，則氣浮採收效率越高。這意味著相較傳統的氣浮方式，該氣浮裝置所產生的更小的氣泡更有利於載浮液體中的藻細胞，同時，粒徑分布集中、個體均勻的氣泡極大地降低了氣泡對液體產生的擾動，更有利於維持液體穩定的氣浮狀態。

實施例5：管道混合器的混合效果

在生物量約為1.2g/L的小球藻藻液中添加殼聚糖使其終濃度為25mg/L。用螺旋片式、多孔板式、渦流室式、噴嘴式及混合頭式等五種管道混合器作為實施例1中所述的管道混合器對小球藻藻液進行混勻絮凝，並以傳統的機械攪拌作為對照。結果表明，螺旋片式與多孔板式管道混合器的混勻絮凝效果最佳，絮凝效率可達90～99％，渦流室式和噴嘴式次之，絮凝效率為85～88％，混合頭式再次之，絮凝效率為76％。以機械攪拌達到理想的混合絮凝效果，每千克微藻(乾重)所需的能耗為1.05kWh。由此可見，管道混合器的使用不但避免了以往氣浮採收裝置中附帶的常規攪拌設備如攪拌電機、混勻池的使用，使氣浮裝置的構造得以精簡，增大了其便攜性，而且也極大地降低了攪拌能耗。