一種納米曝氣裝置及其方法

2023-06-15 04:09:06 1

一種納米曝氣裝置及其方法
【專利摘要】本發明公開了一種納米曝氣裝置及其方法。裝置下部為進氣區，由進氣管和緩衝室組成。進氣管連接供氣裝置，緩衝室用於緩存氣體。裝置上部為氣體切割區，由基座、頂蓋、密封膠圈、緊固螺釘和納米曝氣膜組成。納米曝氣膜內部均勻排布定向排列碳納米管，並貫穿膜片兩側。密封膠圈與納米曝氣膜連接為一體，邊緣固定於基座和頂蓋間的卡槽內，卡槽在緊固螺釘的作用下被密封。本發明可將氣體切割為直徑1~10nm的氣泡，增加其與液相的接觸，強化液相傳質速率，提高曝氣有效利用率，削減實際曝氣量，節約設備投資和運營成本。同時，也可降低氣流對活性汙泥的強烈衝刷作用，減少其機械流失的可能性，增加生物處理系統的穩定性，提高其運行效能。
【專利說明】一種納米曝氣裝置及其方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種曝氣裝置，尤其涉及一種納米曝氣裝置及其方法。
【背景技術】
[0002]微孔曝氣盤的氧氣利用率可達15%~25%，動力效率可達2 kg02/kw.h,是好氧生物處理系統中應用最為廣泛的曝氣裝置。然而，微孔曝氣盤釋放出的氣泡直徑仍可達1.5^3.0mm,而O2的平均直徑約為0.346 nm,據此估計，一個氣泡中可包含8.1 X 119~6.51 X 102°個O2分子。在與水相接觸的過程中，只有氣泡表面的O2分子才有機會與水分子碰撞，與之結合而轉變為溶解氧。而氣泡內部的大量O2分子則不能與水相接觸，而隨上升氣流溢出液相白白浪費掉。如果將氣泡切割為直徑為10 nm左右，則一個氣泡中包含的O2分子僅有2.4X 14個，將大大提高O2分子與水相的接觸機率，提高其傳質速率。
[0003]碳納米管具有極高的拉伸強度、楊氏模量和斷裂伸長率，是迄今為止發現的力學性能最好的材料之一。近年來，其製備及加工技術也得到了長足發展，為其在各領域的廣泛應用奠定了基礎。一方面，碳納米管的縱向生長難題被逐漸攻破，製備出的碳納米管的尺度已由微米級提升至釐米級甚至更高。據報導，國外已有製備管徑幾個納米、長几個釐米的單壁納米管的技術，且已經相當成熟。國內近期也報導，已能夠合成單根長度達半米的超長碳納米管。 [0004]另一方面，以內徑小於2 nm的雙壁碳納米管陣列為基礎，通過催化裂解法填充氮化矽，可以製備出碳納米管納濾膜。測試結果顯示，氣體分子在該納濾膜中的傳輸速度比傳統奴森擴散模型預測值提高近I個數量級；水分子在該納濾膜中的傳輸速度比連續流體力學模型預測值提高約3個數量級。與聚碳酸酯濾膜相比，該濾膜孔徑尺寸小得多，但氣體液體在其內的滲透能力卻提高了幾個數量級。
[0005]將納米材料應用於好氧生物處理系統的曝氣過程，可以顯著降低釋出氣泡的直徑，增加O2分子與水相的接觸機率，強化氣相液相傳質速率，提高氧氣利用率，大幅削減實際曝氣量，節約設備投資和運營成本。另外，若將此發明應用於甲烷好氧氧化系統，還可大幅削減甲烷氣體的供給量，節約可觀的甲烷氣體購置成本。此外，有效降低實際曝氣量，還會帶來一個額外的好處，即可以減緩氣流對活性汙泥的強烈衝刷作用，減少其機械流失的可能性，提高生物處理系統的穩定性，增加操作的靈活性，進而提升其運行效能。

【發明內容】

[0006]本發明目的是克服現有曝氣裝置氣體利用率低的缺陷，提供一種納米曝氣裝置及其方法。
[0007]納米曝氣裝置包括進氣區和氣體切割區，進氣區位於氣體切割區下部；進氣區包括進氣管、緩衝室，氣體切割區包括基座、密封膠圈、頂蓋、緊固螺釘和納米曝氣膜。進氣管與緩衝室的下部相連，基座下部與緩衝室上部相連，基座上部設有頂蓋，頂蓋通過緊固螺釘與基座連接，頂蓋與基座的結合處內側設有卡槽，卡槽內設有密封膠圈，密封膠圈內側設有納米曝氣膜，密封膠圈與納米曝氣膜連接為一體。
[0008]所述的進氣管、緩衝室、基座和頂蓋的耐壓強度以及固定螺釘的耐受強度均> 1.0Mpa;緩衝室為中空圓錐體，錐角為90°~120°，緩衝室底圓直徑與進氣管內徑之比為10: f 15:1 ;基座厚度與進氣管內徑之比為1.5:1，頂蓋厚度與基座厚度之比為1: 2，基座寬度與進氣管內徑之比為2:廣3:1，卡槽與基座寬度之比為1:2~3:4 ;納米曝氣膜厚度為5~15mm，納米曝氣膜直徑與緩衝室底圓直徑之比為1:1 ;納米曝氣膜內布設定向排列碳納米管，其定向排列方向垂直於膜片徑向；碳納米管的直徑為f 10nm，長度為膜片的厚度；碳納米管縱向間距與直徑之比為15: f 25:1，橫向間距與直徑之比為15: f 25:1。
[0009]所述的納米曝氣裝置的曝氣方法是:氣體經由進氣管進入緩衝室，在納米曝氣膜內外壓差的驅動下，進入納米曝氣膜內排布的定向排列碳納米管，並被切割成直徑為f 1nm的極小氣泡，極小氣泡到達納米曝氣膜外側表面後被釋放至液相，氣泡表面的氣體分子與水分子接觸，與水分子結合轉化為溶解態；未與水分子發生有效接觸，或處於氣泡內部不能與水分子接觸的氣體分子則隨氣泡上升，與上層的水分子接觸並轉化為溶解態；到達液相頂端但仍未能與水分子有效接觸的氣體分子則隨氣泡逸散至環境中。
[0010]與現有微孔曝氣器相比，本發明具有明顯的優勢:1)碳納米管切割出的氧氣泡直徑僅為f 10nm，單個氣泡中的O2分子數下降15~16個數量級，O2分子與水相接觸的機率大大提高，氣相液相傳質速率加快，氧氣利用率提升2~3倍，大幅度削減實際曝氣量，節約供氣設備投資和運營成本。2)若將此發明應用於甲烷好氧氧化系統，則可顯著削減甲烷實際曝氣量，節約甲烷氣體購置成本，同時降低儲存大量甲烷所帶來的事故風險。3)削減實際曝氣量，減緩氣流對活性汙泥的強烈衝刷作用，減少其機械流失的可能性，提高生物處理系統的穩定性，增加其操作的靈活性，進而提升其運行效能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是納米曝氣裝置結構俯視圖；
圖2是納米曝氣裝置結構主視圖；
圖3是納米曝氣裝置納米曝氣膜微觀結構圖；
圖中:進氣管1、緩衝室2、基座3、密封膠圈4、頂蓋5、緊固螺釘6、納米曝氣膜7。【具體實施方式】
[0012]如圖1、2和3所示，一種納米曝氣裝置包括進氣區I和氣體切割區II，進氣區I位於氣體切割區II下部；進氣區I包括進氣管1、緩衝室2，氣體切割區II包括基座3、密封膠圈4、頂蓋5、緊固螺釘6和納米曝氣膜7。進氣管I與緩衝室2的下部相連，基座3下部與緩衝室2上部相連，基座3上部設有頂蓋5，頂蓋5通過緊固螺釘6與基座3連接，頂蓋5與基座3的結合處內側設有卡槽，卡槽內設有密封膠圈4，密封膠圈4內側設有納米曝氣膜7，密封膠圈4與納米曝氣膜7連接為一體。
[0013]所述的進氣管1、緩衝室2、基座3和頂蓋5的耐壓強度以及固定螺釘6的耐受強度均> 1.0Mpa;緩衝室2為中空圓錐體，錐角為90°~120°，緩衝室2底圓直徑與進氣管I內徑之比為10: f 15:1 ;基座3厚度與進氣管I內徑之比為1.5:1，頂蓋5厚度與基座3厚度之比為1: 2，基座3寬度與進氣管I內徑之比為2:廣3:1，卡槽與基座3寬度之比為1:2~3:4 ;納米曝氣膜7厚度為5~15mm，納米曝氣膜7直徑與緩衝室2底圓直徑之比為1:1 ；納米曝氣膜7內布設定向排列碳納米管,其定向排列方向垂直於膜片徑向；碳納米管的直徑為1~ 10nm，長度為膜片的厚度；碳納米管縱向間距與直徑之比為15:1~25:1，橫向間距與直徑之比為15:1~25:1。
[0014]一種納米曝氣裝置除納米曝氣膜和密封膠圈外，其餘機械結構均可用鋼板製作。納米曝氣膜的製作過程如下:首先，採用催化裂解法，在單晶矽片或石英片上生長垂直排列的、具有一定長度的碳納米管陣列；然後，以氣密性材料填充碳納米管間隙，並在陣列邊緣預留一定寬度的填充液，形成具有一定厚度的連續薄膜；最後，將薄膜從基片剝離，對碳納米管兩端開孔，從而獲得邊緣帶密封膠圈的納米曝氣膜。
[0015]其工作過程如下:氣體(氧氣、空氣或甲烷)經由進氣管I進入緩衝室2，在納米曝氣膜7內外壓差的驅動下，進入納米曝氣膜7內排布的定向排列碳納米管，並被切割成直徑為f 1nm的極小氣泡，極小氣泡到達納米曝氣膜7外側表面後被釋放至液相，氣泡表面的氣體分子與水分子接觸，與水分子結合轉化為溶解態；未與水分子發生有效接觸，或處於氣泡內部不能與水分子接觸的氣體分子則隨氣泡上升，與上層的水分子接觸並轉化為溶解態；到達液相頂端，但未仍能與水分子有效接觸的氣體分子，則隨氣泡逸散至環境中。
[0016] 本發明中氣體切割區II有效工作的關鍵，在於納米曝氣膜的加工和整個裝置的氣密性。必須使碳納米管生長至所需長度，定向排列於膜內部，並貫穿整個膜。氣密性材料必須將碳納米管間的的空隙有效密封。此外，必須保證整個裝置的密封性，使氣體只能通過碳納米管內腔擴散至液相，而不能有其它通道。
【權利要求】
1.一種納米曝氣裝置，其特徵在於:裝置包括進氣區(I )和氣體切割區(II)，進氣區(I )位於氣體切割區(II)下部；進氣區(I )包括進氣管(I)、緩衝室(2)，氣體切割區(II)包括基座(3)、密封膠圈(4)、頂蓋(5)、緊固螺釘(6)和納米曝氣膜(7)； 進氣管(I)與緩衝室(2)的下部相連，基座(3)下部與緩衝室(2)上部相連，基座(3)上部設有頂蓋(5)，頂蓋(5)通過緊固螺釘(6)與基座(3)連接，頂蓋(5)與基座(3)的結合處內側設有卡槽，卡槽內設有密封膠圈(4)，密封膠圈(4)內側設有納米曝氣膜(7 )，密封膠圈(4)與納米曝氣膜(7)連接為一體。
2.根據權利I所述的一種納米曝氣裝置，其特徵在於:所述的進氣管(I)、緩衝室(2)、基座(3)和頂蓋(5)的耐壓強度以及固定螺釘(6)的耐受強度均≥1.0MPa0
3.根據權利I所述的一種納米曝氣裝置，其特徵在於:所述的緩衝室(2)為中空圓錐體，錐角為90°~120。，緩衝室(2)底圓直徑與進氣管(I)內徑之比為10: f 15:1。
4.根據權利I所述的一種納米曝氣裝置，其特徵在於:所述的基座(3)厚度與進氣管Cl)內徑之比為1.5:1，頂蓋(5)厚度與基座(3)厚度之比為1: 2，基座(3)寬度與進氣管Cl)內徑之比為2:1~3:1，卡槽與基座(3)寬度之比為1:2~3:4。
5.根據權利I所述的一種納米曝氣裝置，其特徵在於:所述的納米曝氣膜(7)厚度為5~15mm，納米曝氣膜(7)直徑與緩衝室(2)底圓直徑之比為1:1。
6.根據權利I所述的一種納米曝氣裝置，其特徵在於:所述的納米曝氣膜(7)內布設定向排列碳納米管，其定向排列方向垂直於膜片徑向；碳納米管的直徑為1nm,長度為膜片的厚度；碳 納米管縱向間距與直徑之比為15:1~25:1，橫向間距與直徑之比為15:1~25:1。
7.一種實施如權利I所述的納米曝氣裝置的曝氣方法，其特徵在於:氣體經由進氣管(I)進入緩衝室(2)，在納米曝氣膜(7)內外壓差的驅動下，進入納米曝氣膜(7)內排布的定向排列碳納米管，並被切割成直徑為f 1nm的極小氣泡，極小氣泡到達納米曝氣膜(7)外側表面後被釋放至液相，氣泡表面的氣體分子與水分子接觸，與水分子結合轉化為溶解態；未與水分子發生有效接觸，或處於氣泡內部不能與水分子接觸的氣體分子則隨氣泡上升，與上層的水分子接觸並轉化為溶解態；到達液相頂端但仍未能與水分子有效接觸的氣體分子則隨氣泡逸散至環境中。
【文檔編號】C02F3/12GK104030434SQ201410291285
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月26日 優先權日:2014年6月26日
【發明者】何若, 張紅陶, 白惠文, 徐剛, 趙芝清, 蘇瑤, 夏芳芳 申請人:浙江大學