基于射流流場的微藻混凝共聚氣浮采收基礎(chǔ)研究.pdf

1、能源微藻作為一種可再生的生物質(zhì)能源,具有生長周期短、油脂含量高、低污染、不占用耕地等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是未來最有潛力替代化石燃油的生物質(zhì)能源。但是,目前能源微藻的生產(chǎn)加工成本過高,尤其是采收環(huán)節(jié),阻礙其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。由于微藻細(xì)胞個體小、濃度低,且穩(wěn)定懸浮于培養(yǎng)液中,給采收帶來很大的挑戰(zhàn)。氣浮法作為一種高效的固液分離方法,用于能源微藻的采收具有較大的發(fā)展?jié)摿?。但?傳統(tǒng)的氣浮法利用空壓機(jī)和填料式溶氣罐進(jìn)行高壓溶氣,噪音大、能耗高、設(shè)備維護(hù)復(fù)雜;采

2、用機(jī)械攪拌式或結(jié)構(gòu)復(fù)雜的反應(yīng)器進(jìn)行絮凝,停留反應(yīng)時間較長,且需要額外的能耗,增加運(yùn)行成本;氣泡與絮體只是通過簡單的逆流接觸碰撞的方式,粘附效率低、牢固性差。
　　基于以上問題,本文在傳統(tǒng)氣浮法和礦物浮選的基礎(chǔ)上,研發(fā)了基于射流流場的能源微藻混凝共聚氣浮采收系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由溢流鼓泡式溶氣系統(tǒng)、射流釋氣混合器、螺旋混凝共聚反應(yīng)器、嵌套式氣浮柱4部分構(gòu)成。通過射流釋氣混合器與混凝共聚反應(yīng)器相結(jié)合,讓氣泡直接參與微藻混凝的過程,在絮體中成

3、核,使更多的氣泡被包裹在絮體中,形成“絮體-氣泡”共聚復(fù)合體,實(shí)現(xiàn)了集釋氣、混藥、混凝、粘附為一體的微藻混凝共聚氣浮采收。在此基礎(chǔ)上對采收條件和作用機(jī)理進(jìn)行了試驗(yàn)研究和理論分析,最終建立了能源微藻混凝共聚氣浮采收的技術(shù)理論體系。
　　論文首先對溢流鼓泡式溶氣系統(tǒng)和射流釋氣混合器的溶釋氣效能進(jìn)行試驗(yàn)研究,考察溶氣壓力、氣液比、流量比、溢流水高度、表面活性劑對釋氣量和氣泡粒徑分布的影響。結(jié)果表明,增加溶氣壓力可提高釋氣量,減小氣泡粒徑

4、分布,但溶氣效率降低;隨著氣液比的增加,釋氣量變化較小,氣泡平均直徑增加;流量比對射流流場影響較大,過大或過小的流量比都會減小釋氣量,增加氣泡的平均直徑;隨著溢流高度增加,溶氣停留時間增加,釋氣量相應(yīng)增加,同時氣泡平均直徑逐漸減小;表面活性劑可降低水的表面張力,抑制氣泡兼并,形成的氣泡更加微細(xì),同時,由于形成微氣泡與溶氣水共存的混合水流,增加釋氣量。通過溶氣和釋氣條件進(jìn)行優(yōu)化,該溶氣釋氣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低壓高效溶氣釋氣,在壓力0.2MPa,溶氣

5、效率為96.4％,氣泡直徑在50-60μm分布。
　　為了研究射流流場的釋氣機(jī)理,對射流釋氣混合器的氣泡析出進(jìn)行熱力學(xué)分析,結(jié)果表明,析出微氣泡的大小與溶氣壓力和釋氣壓降有關(guān),提高溶氣壓力和增加釋氣壓降,使釋放出的微氣泡更小,分布更均勻;同時,結(jié)合伯努利方程、物料守衡、射流泵理論方程對射流釋氣混合器進(jìn)行分段式能量分析,推導(dǎo)出各段的能量轉(zhuǎn)化效率公式,并簡化相應(yīng)參數(shù),計算出流量80L/h,流量比0.1時的能量轉(zhuǎn)化效率,結(jié)果表明,釋氣能

6、量耗散主要在喉管入口和喉管段完成;最后通過Fluent流場模擬軟件對射流釋氣流場進(jìn)行數(shù)值模擬,考察流量比對壓力降、能量耗散速率、紊流強(qiáng)度的影響,結(jié)果表明,流量比在0.1-0.15間,基于射流流場環(huán)境的釋氣效率較好。
　　通過正交試驗(yàn)考察了凝聚劑、絮凝劑、pH、混藥時間、混凝時間對微藻混凝氣浮效率和絮體結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明,除混藥攪拌時間表現(xiàn)不顯著外,其它幾個因素具有一定的顯著性。在正交組合條件下,凝聚劑和絮凝劑用量分別為20,15

7、mg/L、pH為6、混藥時間30s、混凝時間10min時,混凝氣浮效果最好,氣浮采收率高達(dá)95.31%。在此基礎(chǔ)上,對射流釋氣混合器的射流流場的混藥性能進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)研究,結(jié)果分析表明,流量比在0.1-0.2范圍,射流流場對藥劑的混合效果最佳。
　　設(shè)計制作了螺旋混凝共聚反應(yīng)器,使氣泡直接參與微藻細(xì)胞的混凝過程,氣泡在絮體中成核,隨絮體一起并大,形成“絮體-氣泡”共聚復(fù)合體。并與射流釋氣混合器相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)集釋氣、混藥、混凝、粘附為一

8、體的微藻混凝共聚。由絮體圖像顯微系統(tǒng)觀察可知:該反應(yīng)器較傳統(tǒng)的逆流接觸絮凝,形成的絮體包裹氣泡數(shù)更多,粘附更牢固。通過試驗(yàn)對反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作條件進(jìn)行優(yōu)化研究,初步建立了流場參數(shù)和停留時間對混凝共聚效果的影響關(guān)系,并引入狄恩常數(shù)和杰曼諾常數(shù)對螺旋混凝共聚反應(yīng)器的流場進(jìn)行較為準(zhǔn)確的描述,為反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化建立了理論基礎(chǔ)。
　　由碰撞粘附機(jī)理和效率動力學(xué)模型可知,氣泡與絮體的碰撞粘附效率與二者的大小有關(guān)。在此基礎(chǔ)上,通過試

9、驗(yàn)考察混凝共聚反應(yīng)器中絮體大小和氣泡大小對氣浮效率和帶氣絮體上浮速率的影響,從而間接反應(yīng)二者的碰撞粘附效率。結(jié)果表明,在保證絮體結(jié)構(gòu)較為緊密的條件下,增加絮體粒徑和減小氣泡大小可提高二者的粘附效率,從而提高混凝共聚效率。同時,由試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),適量的表面活性劑有利于增加細(xì)胞表面的憎水基團(tuán),提高絮體與氣泡的粘附緊密性和粘附數(shù)量,但過量時會阻礙絮體與氣泡的粘附。
　　設(shè)計制作了嵌套式氣浮柱,并進(jìn)行了分段動力學(xué)模型分析,在此基礎(chǔ)上,通過試

10、驗(yàn)研究,考察氣浮柱結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)對氣浮分離效率的影響。結(jié)果分析表明,外內(nèi)筒直徑比Rd對分離靜態(tài)環(huán)境影響較大,Rd過大時,紊流強(qiáng)度較大,影響絮體結(jié)構(gòu)和靜態(tài)分離環(huán)境。Rd過小時,增加過渡區(qū)長度和濁度,影響底流出水澄清度;管流加速段高度應(yīng)高于過渡區(qū)長度,否則底流出水濁度較大;分離區(qū)高度過低時,管流加速段出口對分離區(qū)靜態(tài)分離環(huán)境擾動較大,影響氣浮效率。過高時,由于壁面摩擦和壁面粘附等影響絮體上浮;在保證采收率變化不大的情況下,可通過增加底流和溢