（机械电子工程专业论文）超微细气泡水体修复技术研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着科学技术发展的日新月异，水污染也越来越严重。而在2 1 世纪这个倡 导人类和自然和谐发展的新世纪，如何解决环境污染特别是水污染问题成为了国 家和社会关注的焦点。目前使用的水体修复的方法有很多种，比如生物法、超声 波水处理等等，但效果都不是很明显。本文针对这个问题提出了一种新的水处理 方法：超微细气泡水体修复技术，主要对超微细气泡水体修复的机理进行了研究 并对该方法的修复效果进行了实验验证。 超微细气泡水体修复技术在国际上是最前沿科技。超微细气泡是指直径小于 3 聊的气泡，这种气泡具有和普通气泡不同的理化特性。本文首先研究了气泡 制造技术，并在此基础上对超微细气泡水体修复的机理进行了研究。普通的气泡 在水中呈上升状态，而超微细气泡由于它的尺寸非常的小，受尺寸效应的影响， 它的表面张力较普通气泡下降了许多，表面张力的下降使得0 。分子与水分子更 容易结合，从而使得气泡变得比周围重，实现了气泡的沉降。沉降的大量气泡最 终把氧气带到了底泥中，实现了对水底的直接充氧，从而有效地增加了水中溶解 氧的含量以及对底泥有机质的有效消解，实现了水体的修复。 气泡尺寸的大小对水体修复的效果有着很重要的影响，根据双膜理论和亨利 定律，本文得到了溶解氧含量和气泡直径的关系式，最后发现气泡的尺寸越小对 水体修复的效果越有利。 超微细气泡水体修复技术的关键是超微细气泡产生，本文在对日本超微细气 泡曝气机研究的基础上提出了一种产生超微细气泡的方法并对其结构进行了设 计。该方法首先使用射流的方式使水和空气混合，产生一定大小的气泡和水的混 合体，然后气泡和水流的混合体流过特殊结构的旋转磁场，气泡在磁场的作用下 被切割，产生了更小的气泡，与此同时，水被电解，形成含有离子和更小气泡的 水流，这种微细气泡和水流具有使水活化、强化水的自净作用。产生的超微细气 泡释放到水中，将溶解氧带到水底，实现了对水体的直接充氧，从而实现了水体 ? 的修复。 7 本文最后利用了日本的超微细气泡曝气机对水体修复的效果进行了实验验 江苏大学硕士学位论文 证，获得了大量的数据，通过对这些数据的分析得出结论：超微细气泡水体修复 技术能有效的降低底泥厚度和消解底泥有机质、能够提高水中溶解氧的含量、提 高水体的透明度、能够有效抑制藻类，恢复生态循环等等，有效的实现了水体的 修复。因此超微细气泡水体修复技术和其他方法相比有着很大的优势。 关键词：超微细气泡，水体修复，溶解氧，沉降，射流，磁场 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h eq u i c kd e v e l o p m e n to fs c i e n ( 七锄dt e c h n o l o g y ，t l l ep r o b l e mo fw a t e r p o l l u t i o nb e c o m e sm o r ea n dm o r es c r i o 峭a n da tt h e2 1 s tc e n t u 巧t l l a ta d v o c a t e s h a 衄o i l i o 邯d e v e l o p m e n to fh u m a i la i l dn a t u r e ，h o wt 0 s o l v et h ep r o b l e mo f e n v i r o m n e n tp o l l u t i o n ，e s p e c i a l l yt h ew a t e rp o l l u t i o n ，h a sb e c o m eaf o c u so fs o c i e 哆 a n dc o u n t 够t h e r ea r em a n ym e m o d so fw a t e rr e p a i r ，s u c h 勰b i 0 1 0 9 y u l t r 弱o i l i ca n d s oo n ，b u tt h ee 伍c t so ft h e ma r er l o tc o n s p i c u o u s a i l l l i i 培a tm ep r o b l e m ，i 1 1t h i s d i s s e 眦i o nan e wm e m o do fw a t e rr e p a i ri sp r o p o s e d ：m es u p e rm i c r ob u b b l ew a t e r r e p a i rt e d m o l o g y t h em e c h a n i s m0 ft h i sm e m o di ss t u d i e d 孤dt h ee f f b c to ft h i s w a t e rr e p a i ri st e s t e db ye x p e 血n e i l t s t h e跚p e rm i c r 0b u b b l ew a t e rr e p a i r 协c h n o l o g yi st h em o s ta ( 1 v 锄c e d i i l t e m a t i o n a lt e d m o l o g y t 1 l es u p e rm i c r 0b u b b l ei st h eb u b b l et h a ti t sd i 锄e t e r i sl e s s m a n3m i c r o n ，w h i c hh a sd i 骶r e n tc h a r a c t e r i s t i co fp h y s i c a l 锄l dc h e m i s t 巧f 蛔mt h e c o m m o nb u b b l e f i 硌t l y ，m eb u b b l eg e n e r a t i o nt e c l l l l 0 1 0 9 yh 嬲b e e ns t u d i e d ，a i l do n t h i sb 硒i st h em e c h 卸i s mo ft h es u 【p e rm i c r 0b u b b l ew a t e rr 印a i rt e c t u l o l o g yi s d i s c u s s e d t h ec o m m o nb u b b l e 硒c e n d si i lt h ew a t e r ，b u tb e c a u s eo ft h ed i m e n s i o n e f i e c t ，t h e 跚r f a c et e n s i o no fs u p e rm i c r ob u b b l ei sm u c hl e s st h a nt h ec o m m o nb d b b l e ， w h i c hi n d u c e st h a tt h e0 2m o l e c l l l ee 船i l yh l t e g r a t e dw i t l lm ew a t e rm o l e c u l ea r o 蚰d t h eb u b b l e s oi tc a nd e s c e n di nt h ew a t e r 觚db r i i 培st l l e0 2i i l t ot h eb o t t o mm o d ，t h a t e 虢c t l yi i l c r e a s e s l ed i s s o l v e d0 2i i lm ew a t e r ，c o n s e q u e n yd e a r su pt t l eo 唱a i l i c s u b s t a i l c ei l lt h eb o 哟mm o da l l dr e p a i r st h ew a t e ra tl 弱t 1 n h ed h e n s i o no f b u b b l eh 弱h p o r t 加ti i l 丑u e n c eo nt l l ee f f e c to fw a t e r r e p a i r ， b a s e do nt h ed o u b l ef n mt h e o r ya n dt h eh e n r yl a w ，t h er e l a t i o no fd i a m e t e ro f b u b b l e a i l dd i s s o l v e do x y g e ni s0 b t a i n e d i ti sf 6 l l dt h a tt h es m a l l e ri st h eb u b b l e ，t h eb e t t e r i st h e w a t e rr e p a i l t h ek e ：yo fm es u p e rm i c r ob u b b l ew a t e rr 印a i rt e c h n o l o g yi sh o wt o g e n e r a t e s u p e rm i c r ob u b b l e b a s e do nt h es t u d y0 fs u p e rm i c r ob u b b l eg e n e r a t i o ns y s t e m 江苏大学硕士学位论文 m a d ei i lj 印a n ，an e wm e t h o dt 0g e n e r a t es u p e rm i c r 0b d b b l ei sp r o p o s e da n di t s s t 九l c t u r ei sd e s i g n e d i i lt h i sm e t h o dt h ea i ra i l dw a t e ri sm 投e df i r s n yb yt h ew a yo f j e ta n dt l l em 恢t i l r eo fs m a l lb u b b l e sa n dw a t e rn o w i sg e n e r a t e d t h e nt h em 仅t u r e n o wt m s n u x e st l l r o u g l lm er o t a t em a g i l e t i cf i e l dw i t has p e c i a ls t m c t u r e 1 1 h eb u b b l e i si i l c i s e di n t om u c hm o r es m a l l l e rb u b b l e si nt h em 孵l e t i cf i e l d ，柚da tt h es 锄et 妇e ， t h ew a t e ri se l e c t r o l y s e d ，锄daw a t e rn o w w i mi o i l sa 1 1 ds m a l l e rb u b b l e si sf 6 珊e d t h i sw a t e r 丑o wh 勰s e l f p u 唱ef u i l c t i o nm a tc a na c t i v a t ea n ds t r e n g t l lm ew a t e lt h e s u p e rm i c r 0b u b b l e sa u r er e l e 弱e di i l t ot h ew a t e r 硒ar e s u l to fb 血百n gt h eo x y g e ni n t o t h ew a t e r a n dt h ew a t e rr e p a i ri sa c t l i e v e da tl 硒t f m a l l y ，e x p e 劬e n t sa r ed o n et ot e s tt l l e e f f e c to fw a t e rr e p a i rb yt l l es u p e rm i c r 0 b u b b l eg e n e r a t i o ns y s t e m ，a n da 伊e a td e a lo fd a t ei so b 曲e d t h ec 0 n d u s i o ni s g a i l l e db ya n a l y z i n gt h ed a t at h a tt h es u p e rm i c r ob u b b l ew a t e rr e p a i rt e d m o l o g yc a i l r e d u c e m e l i c k n e s so fb o t t o mm o d ，c l e a ru pt h eo 唱锄i cs u b s t a i l c ei i lt h eb o t t o mm o d e 此c t i v e l y i n c r e a s et h ed o i i lt h ew a t e r ，i n c r e a s et h ew a t e rd i a p h a n e i 哆a n dc a i la l s o r e s t r a i l lt l l eg r o w mo fa l g ae f e c t i v e l y ，r e s u m et h ez 0 0 l o g yd r d e ，锄ds o0 n t f l e w a t e rr e p a i ri sa ta c h i e v e da tl a s t s ot h es u p e rm i c r ob u b b l ew a t e rr e p a i rt e d u l o l o g y h a sm u c hm o r es u p e r i o r i 哆c o m p a r e dw i mo t h e rw a t e rr e p a i rm e t h o d s k e y w o r d s ：s u p e rm i c r ob u b b l e ，w a t e rr 印a i r d o ，s e d i m e n t a t i o n ，j e t ， m a 朗e t i cf i e l d 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：新n 1 1 午 日期：2 0 0 8 年6 月7 日 | 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密 恭芋并训 辛2 0 0 8 年占月7 日 指导教师签名： 弼 2 0 0 8 年占月厂日 江苏大学硕士学位论文 第一章引言 随着科学技术的同新月异，水污染问题也越来越严重。由于我国经济多年的 持续高速粗放式发展，加之观念落后对环境破坏十分严重，创造人与自然和谐相 处的生存环境已经成为社会发展的重大课题。国家环保局2 0 0 4 年6 月2 3 日公布 2 0 0 3 年中国环境状况公报【1 】：七大水系4 0 7 个重点监测断面中，3 8 1 的断 面满足i i i i 类水质要求，3 2 2 的断面属、v 类水质，2 9 7 的断面属劣v 类水质。其中七大水系干流的1 1 8 个国控断面中，i i 类水质断面占5 3 4 ， 、v 类水质断面占3 7 3 ，劣v 类水质断面占9 3 。各水系干流水质好于支流 水质。全国的水污染十分严重，目前7 0 0 多个主要河道、2 0 0 0 多个湖泊需要治理。 全国大部分城市的河流污染严重，加之淤泥深厚大量的污染物积聚在底泥中，基 本丧失水体自净能力。各地政府投入巨资治理城市河流，虽然排入城市河流中的 污水多已截流，但由于水体自净能力丧失，多数城市河流依然摆脱不了黑、臭的 命运。城市河流和城市湖泊等城市水体，是城市的主要景观和形象标志，其水质 的好坏，对城市的形象和百姓的生活影响巨大。因此寻找一种有效的水体修复技 术对污染河流进行修复已经成为当务之急。 1 1 水体修复技术简介 水体修复技术2 1 是指使被污染水体恢复到未污染原有状态所采用的技术。根 据水体污染程度和水体功能要求，水体修复可有不同的程度。目前采用比较多的 修复技术主要有以下几类： 1 1 1 水体的生物修复 生物修复，可以解释为：生物特别是微生物催化降解有机污染物，从而去除 或消除环境污染的一个受控的过程，即利用培育的植物或培养、接种的微生物的 生命活动，对水中污染物进行转移、转化及降解，从而使水体得到净化的技术。 这一过程是受控或自发的【3 1 。 江苏大学硕士学位论文 1 水体生物修复技术分类 迄今，已开发出多种有关污染水体生物修复的方法及其实施技术，这些方法 主要包括接种微生物法、土著微生物培养法和高等生物修复法等，其工程实施主 要有原位修复技术、异位修复技术和原位一异位联合修复技术。 1 1 接种微生物技术 这种技术适用于当水体中污染物的降解菌很少甚至没有，在现场富集培养降 解菌存在一定难度时的情况，它是通过向水环境中引入菌种来实现的【4 1 。 2 ) 培养土著微生物技术 这是一种污染水体的微生物强化修复技术，它通过向水体中投加营养物质、无 毒表面活性剂、电子受体或共代谢基质来激活水环境中本身具有降解污染物能力 的微生物( 即土著微生物) ，充分发挥土著微生物对污染物的降解能力，从而达到 水体修复的目的【5 】。 3 ) 植物修复技术 植物，特别是水生植物，对污染水体都有一定的净化能力，因此，在污染水体 中种植对污染物吸收能力强且耐性好的植物，应用植物对污染物的吸附、吸收、 富集和降解( 植物根系一根际微生物的联合作用) 等，将水体中污染物去除或固定， 从而实现水体修复的目的【6 1 。 2 水体生物修复技术特点 与传统的物理化学修复技术相比，生物修复技术具有以下优点： 费用省，仅为现有环境工程技术的几分之一，如采用生物清淤比机械清淤费用 将节省8 0 以上； 环境影响小，不会形成二次污染或导致污染物的转移； 可最大限度地降低污染物浓度； 可用于处理常规污染治理技术难以应用的场地，如受污染的地面水体、受石油 污染的洋面、受污染的土壤和地下水】。 1 1 2 纳米技术在水体修复中的应用 纳米技术是以扫描探针显微镜等技术为手段，在纳米尺度( 0 1 n m 1 0 0 n m ) 2 江苏大学硕士学位论文 范围内，研究电子、原子和分子内在规律和特征，并按人类的需要，在纳米尺度 上直接操纵物质表面的分子、原子、乃至电子来割造特定产品或创造纳米级加工 工艺的一门新兴科学技术【9 】。它在水处理中的应用主要有以下两个方面： 圭。 纳米材料吸附能力的利用【1 键 纳米材料的基本构成决定了它超强( 1 0 倍以上) 的吸附能力。污水中通常含有 有毒有害物质、懋浮物、泥沙、铁锈、异味污染物、细菌、病毒等。传统的水处 理方法效率低、成本高、存在二次污染等问题，污水治理一直得不到很好的解决。 纳米技术的发展和应用很可能彻底解决这一闻题。 污水中的贵金属是对人体极其有害的物质。它从污水中流失，也是资源的浪 费。新的一种纳米技术可以将污水中贵金属如金、钉、钯、镶等完全提炼出来， 变废为宝。有一种新型的纳米级净水剂，其吸附能力和絮凝能力是普通净水剂三 氯化锗的l o 2 0 倍。它能将污水中悬浮物吸附并沉淀下来，然厢采用纳米磁性物 质、纤维和活性炭等净化装置，有效地驱除水中的铁锈、泥沙以及污染物。经前 述两道工序后，水体清澈，没有异昧。 2 纳米材料催化能力的利用【1 0 】 至今已知纳米t i 0 2 能处理8 0 余种有毒化合物，可以将水中的烃类、卤代烃、 酸、表面活性剂、燃料、含氮有机物、有机磷杀虫剂、木材防腐剂和燃料油等很 快地完全氧化为c 0 2 、h 2 0 等无害物质。 1 1 3 射流曝气技术在水体修复中的应用 曝气技术广泛应用在生活污水和工监废水的好氧生物处理中，主要有机 械曝气、鼓风曝气、射流曝气。其中射流曝气是利用射流曝气器将气流或气液 混合流导入曝气涟，以增加液体中氧含量的系统，由于其一系列优点焉得到较为 广泛的应用。射流曝气作为一种曝气充氧方法，从2 0 世纪4 0 年代开始应用到废 水处理中，至今遐有秘多年的历史。 射流曝气系统的核心设备是射流器( 其结构如图1 1 所示) 。射流器是利用 射流紊动扩散作震来传递熊量和质基的流体机械和港合反应设备，它由喷嘴、吸 气室、混合管及扩散管等部件构成【1 2 】。 3 江苏大学硕士学位论文 图1 1 射流器结构 1 喷嘴：2 吸气室：3 混合管：4 扩散管：5 尾管 射流器采用文丘里喷嘴，工作水泵出水通过射流器的喷嘴，随着喷嘴直径变 小，液体以极高的速度从喷嘴喷射出来，高速流动的液体穿过吸气室进入喉管， 在喉管形成局部真空，通过导气管吸入( 或压入) 的大量空气进入喉管后，在喷水 压力的作用下被分割成大量微小的气泡，与水形成混合体。气液混合体通过扩散 管向外排出，其速度减慢，压力增强，形成强力喷射流，对废水搅拌充氧。气泡 经多次切割，喷射扰动后，变成无数的细小气泡，其表面积很大，使空气中的氧 更易快速溶解于水中。由于气泡直径小，上升速度缓慢，从而延长了大气中氧气 溶解于水的时间，促使废水和氧气充分混合接触，氧化废水中的还原性物质，杀 灭大部分还原菌和其它一些厌氧菌，进而达到处理废水的目的。 1 1 4 超声波水处理技术 超声波降解水中有机污染物的技术操作条件温和，降解速度快，适用范围广， 可以单独或与其他水处理技术联合使用，是一种很有发展潜力和应用前景的水处 理技术【13 1 。 超声波通常是指频率为2 1 0 4 2 1 0 5h z 的声波。超声波降解水中有机污 染物是一个物理一化学过程，其主要源于声空化效应及由此引发的物理和化学变 化【1 4 】。液体的声空化过程是集中声场能量并迅速释放的过程，即液体在超声辐射 下产生空化气泡，这些空化气泡吸收声场能量并在极短的时间内崩溃释能。在空 化气泡崩溃的极短时间内，在其周围极小的空间范围内会产生1 9 0 0 5 2 0 0 k 的高 温和超过5 0 m p a 的高压，并伴有强烈的冲击波和微射流等现象。在这些极端条件 下，进入空化气泡的水分子可发生热分解反应，产生氧化能力很强的o h 自由 4 江苏大学硕士学位论文 基，另外溶解在溶液中的空气也会发生自由基裂解反应，产生n 和0 自由基。 这些自由基会进一步引发有机分子的断链和氧化还原反应；而进入气泡内的有机 污染物蒸汽也可发生类似燃烧的热分解反应，从而得以降解。此外，在空化气泡 表面层的水分子则可形成超临界水。超临界水具有低介电常数、高扩散性及高传 输能力等特性，是一种理想的反应介质，有利于有机污染物降解速率的增加。可 见，超声波降解水体中的有机污染物是通过o h 自由基氧化、气泡内燃烧分解、 超临界水氧化三种途径进行的。 1 1 5 其他水体修复技术 除了以上几种技术以外，目前应用比较广泛的还有磁处理水技术【15 1 、微波处 理水技术【1 3 】、复合电磁场水处理技术【1 6 】等等。 虽然目前的水处理技术种类越来越多，技术也越来越成熟，但是目前的这些 技术往往是治标不治本，水处理的效果很差，效率低下，有的甚至还能形成二次 污染等，因此急需找到一种新的有效的水处理技术。 1 2 课题的提出、国内外现状和本课题研究的内容 1 2 1 本课题的提出 植物性营养物( n 、p ) 的输入【”1 及溶解氧状况对水体水质的影响巨大，并 逐渐成为水体不断恶化的重要原因；同时底泥的污染【1 8 】是导致水体恶化的另一 重要原因。以上的水体修复技术虽然起到一定的效果，但往往是治标不治本。 国内外的研究表明水体的修复必须人工创造较好的基础环境才能发挥相应技术 的作用，尤其是中、下层水体的基础环境尤其重要，其中溶解氧的增加与保持、 底泥有机污染物的降解、底泥的无机化及保持尤其关键。研究同时表明：“超微 细气泡水体修复技术柳哈恰在这些方面能发挥很重要的作用。 城市河流和城市湖泊等城市水体，因为是城市的主要景观和形象标志，其水 质的好坏，对城市的形象和百姓的生活影响巨大，因而是每个城市花巨资改造和 养护的重点，未来几年全国每年用于此项的投资不下2 0 0 亿元。目前苦于没有可 靠的水体修复技术，巨大的市场前景无法转变为企业的利润。所以像“超微细气 气 江苏大学硕士学位论文 泡水体修复技术”这种具有突破性发展的技术，可以较好的解决城市水体的污染 问题，具有极高的社会价值，同时能取得很好的社会效益和经济效益。 1 2 2 课题发展的国内外现状 超微细气泡水体修复技术在国际 ：是属于最前沿科技。大量研究表明水体的 修复必须人工创造较好的基础环境才能发挥相应技术的作用，尤其是中、下层水 体的基础环境尤其重要，其中溶解氧的增加与保持、底泥有机污染物的降解、底 泥的无机化及保持尤其关键。自上世纪8 0 年代以来，世界各国的科研工作者都 试图将直径更小的气泡应用与水体修复，因为气泡的直径变小可大大增加了空气 与水的接触面积，同时气泡表面能、气一液界面上氧分子所占比例、气泡的寿命 都会大幅度的增加，各种反应速度也相应增加，氧转移率大大提高。 至卜个世纪末欧美国家研究人员研究的已能将直径在1 0 0 聊左右的气泡充 入水中【1 9 j ，比如美国a i ! r o m i x 公司研制的s u b m e r s i b l e 曝气设备( 如图1 2 所示) ， 大大提高氧转移效率。 图1 2美国a e r o m i x 公司的s u b m e r s i b l e 曝气设备 但科学的探索是无止境的，2 0 0 2 年日本大同绿色技术株式会社研制的超微 细气泡曝气设备已将直径小于3 聊的气泡充入水体中( 如图1 3 所示) o 直径小 j 二3 m 的气泡被称为超微细气泡，这种气泡具有普通气泡所没有的理化作用特 性，实现了7 泡在水中的沉降。巨大的技术突破和良好的实际应用成果，使超微 细气泡水体修复技术的研究成为各国研究人员的研究方向。 江苏大学硕士学位论文 图1 3日本大日绿色技术株式会社研制的超微细气泡曝气设备 目前这种技术在同本已初步实现商业应用，国内对超微细气泡的研究刚刚起 步，2 0 0 7 年华中科技大学的周文理和香港大学的g a r yc h o w 等人利用碳纳米管 作为加热元件来生成微气泡的方法可以产生直径为5um 的气泡【5 4 】，如图1 4 所 示。但这些研究都局限在实验室研究，应用于实际水体的试验仅有几例【2 0 1 ，这几 例都取得了一定的成果，但距离商业应用还有一定距离。图1 5 是将微细气泡应 用于浮选设备的涡凹气浮设备。 图1 4 利用碳纳米管作为加热元什米生成微气泡的装置示意图 7 江苏大学硕士学位论文 1 2 3 本课题研究的内容 图1 5 涡凹气浮设备 根据以上的分析我们知道，超微细气泡水体修复技术在国际上属于前沿科 技，这种技术能有效地解决目前社会上比较严重的水污染问题，由于它是采用的 单纯的物理方法来解决水污染问题的，因此在水处理的过程中不可能形成二次污 染。本文将对这种技术进行研究，研究的内容包括以下几个方面： 1 通过对气泡制造技术的研究，掌握能够产生微气泡的一些方法和原理； 2 对超微细气泡水体修复技术的机理进行分析研究，了解该技术的修复机 理，并在此基础上分析气泡尺寸的大小对水体修复效果的影响； 3 分析和研究f 1 本的超微细气泡曝气机，并在此基础上对其进行改进，提出 一种新的产生超微细气泡的方法，对其产生的机理进行探索，并对其结构进行设 计； 4 利用r 本的超微细气泡曝气机进行实验，来验证超微细气泡水体修复技术 的修复效果。 本文共分五章，作如f 安排： 第一章是论文的引言，介绍了当前水污染的现状，以及前主要的水处理技 术进行了，最后对本课题的国内外现状以及本课题要研究的内容作了介绍： 第二章主要是对超微细气泡的水体修复机理和气泡制造技术进行了研究， 同时还对气泡的传质理沦进行了研究，最后分析了气泡尺寸的大小对水体修复效 8 江苏大学硕士学位论文 果产生的影响； 第三章主要是气沲发生器的设计，首先对曩本的超微细气泡曝气机进行了 分析和研究，对其产生气泡的机理有了一定的了解，在此基础上对其进行改进， 提出了一种薪的产生微气泡的方法，并对它的结构进行了分解和设计，主要包括 两个方面的设计：射流部分和磁场部分； 第四章是实验部分。实验采用西本的超微细气泡曝气机，透过在实验河段 的运行，得到大量的数据，对其进行分析和研究，最后来验证该技术的水体修复 效果； 第五章是熬篇论文的总结和对今后的工作提出的一点建议。 9 江苏大学硕士学位论文 第二章超微细气泡水体修复机理 超微细气泡水体修复技术的关键是超微细气泡的产生和制造，本章将首先介 绍气泡的制造技术，然后再讨论超微细气泡水体修复的机理。 2 1气泡制造技术 2 1 1 气泡制造技术分类 各种气泡制造技术都有着很大的区别，其原因就是它们产生气泡机理的不 同。根据气泡产生机理的不同，气泡的制造技术可分为3 大类【2 1 1 ，即溶气析出气 泡、引气制造气泡和电解析出气泡。它们详细的分类和各种方法的优缺点见表 2 1 。 表2 1 ：气泡制造技术的分类比较 方法具体方法 气泡尺寸主要优点 主要缺点 溶气析出气泡加压溶气析出气泡 1 0 1 2 0 龃气泡尺寸小，大小均匀 流程较复杂，停留时 减压真空析出气泡2 0 1 0 0 蛐设备简单，运行稳定间长，操作复杂 压缩空气通过扩散板能耗低，分离设备简单微孔易堵寨 引气制造气泡机械力高速剪切空气 0 5 1 o 衄 停留时问短，分选速度快气泡大小不均匀 引射气流分散空气气泡小，能耗低，噪声小气泡发生器要求高 电解析出气泡电解槽正负极产生氢气氢气泡3 0 蛐气泡小极板损耗大，运行费 泡和氧气泡氧气泡6 0 龃用高 2 1 2 几种常用的气泡制造装置 1 微孔板气泡制造装置 这是一种较为传统的气泡制造装置。该方法的关键在于微孔板的制造。常用 冶金粉末、陶瓷或塑料作材料，再掺以适当的酚醛树脂一类的粘合剂，在高温下 烧结而成( 如图2 1 ) 。当压缩空气经过微孔板时，被其上的微孔切割成细小气泡。 这种方法常应用于浮选技术中，生成的小气泡在上升的过程中与矿浆中具有一定 1 0 江苏大学硕士学位论文 疏水性的目的矿浆相粘附，夹带气泡的矿粒向上升浮， 微孔板隶l 造的气泡大小存在如下关系疆3 】： 以黜，l 从而达到分选的要求2 2 1 。 ( 2 1 ) 式中，壤为气泡的直径；喙为弓| 气量；张为常数。 毒( 2 。l 式可知，当嚣一定的时嫉，气泡直径的大小与孳；气量成蒸逝，嚣此 当引气越大的时候，气泡的直径就比较大，反之气泡的直径就比较小。 了熏五虿兀需躺 瑚施 1 1 江苏大学硕士学位论文 。式微泡发生器采用射流原理，由喷嘴、吸气室、混合管、扩散管四部分组成( 如 图2 2 ) 。它采用入料原矿( 在浮选技术中应用) 或者清水作为工作介质，经过 加压的工作介质由喷嘴喷出后形成高速射流，其射流部分运动可以分为3 个部 分。 图2 2自吸式微泡发生器机构示意图 1 喷嘴段；2 引射气体段；3 负压吸气室；4 混合管； 5 扩散管段；1 1 入射端口；2 2 引射端口；3 3 射出端口 由图2 2 可知，i 段为液体与气体相对运动段( 引射气体段) 。该段内液流密 实，并依靠其边界层与气体之间的粘滞作用，将气体从吸气室带人混合管。该段 内液体和气体做相对运动，且均为连续介质。由于受外界扰动的影响，射流在该 段后半部分开始产生脉动与表面波。i i 段为液滴运动段。由于液体质点的紊动扩 散作用，射流表面波的振幅不断增大。当振幅大于射流半径时，它被剪切成液滴。 高速运动的液滴分散在气体中，并通过冲击和碰撞将能量传递给气体，气体被加 速与压缩。该段内，流体变成不连续介质，而气体为连续介质。i 段为泡沫流段。 该段内气体被液滴压缩为微细气泡，液滴重新聚合为液体。气液两相以泡沫流形 式流出。至此，气泡发生器完成了引射气体并把气体分散成微泡的充气全过程。 4 电解水析出气泡 电解水析出气泡通常应用于通电电化学浮选中。本法是将正负相间的多组电 极安插于电解槽，当通以直流电时，产生电解、颗粒的极化、电泳、氧化还原、 电解产物间以及矿浆间的相互作用等。 在合适的工作电极电位作用下，矿物发生氧化或还原反应，并在一定时间后 维持相同的电位，在电解槽中得到电解后产生的气体，气泡与矿粒相碰撞，选择 江苏大学硕士学位论文 性地进行粘附浮选。 电解产生的氢气和氧气对不同矿物的作用是不同的。对黄铁矿的通电电化学 浮选的研究发现，氧气可使黄铁矿的回收率达9 8 ，而使用氢气的效果则不理想。 对重晶石，氢气使之易浮( 回收率1 0 0 ) ，而用氧气，其回收率仅为7 0 【2 7 1 。 5 溶气析出气泡 溶气析出气泡是指在加压的情况下，强制空气溶于水中，形成空气过饱和状 态，然后突然减压，使溶解的气体以微气泡的形式从水中释放出来。该方法形成 气泡的直径比较小，约2 0 1 2 0 删【2 8 ，2 9 1 。 溶气析出气泡的关键设备是溶气释放器。本文以t s 型溶气释放器( 如图2 3 ) 为例说明其工作原理。压力溶气水进人孔口1 ，因突然收缩并即行扩大，降低了 部分压能，增强了空气分子的动能而加速其逸出“笼子”。接着水流在孔室2 内 撞击，形成涡流，从而产生剧烈的紊动而继续“消能 、传质、释气，使大部分 逸出“笼子”的空气分子在分子扩散和紊流扩散的作用下，逐级变成超微气泡。 当水流急速转人平行圆盘的缝隙3 时，流态骤变，在极窄的狭缝进口处，水流断 面再次急剧收缩，紊动程度更为剧烈，并出现局部真空，其液膜减薄及表面更新 图2 3 溶气释放器示意图 率达到顶点。至此，空气分子几乎全部释出，并沿圆盘径向迅速扩散而使超微气 泡继续逐级并大，直至在4 、5 处形成微米级的微气泡。此时，溶气水的压能已 损耗9 5 左右，余能在管嘴6 内继续产生紊流而使微气泡仅在紊流扩散运动的影 响下“同向并大 成l o 所级的微气泡。至此，t s 型溶气释放器己完成压力溶 江苏大学硕士学位论文 气水形成气泡的全过程【3 0 】。 j p 托尔托雷掣3 1 1 从静水力学观点分析溶气析出的气泡受液压作用而得出计 算气泡直径的公式如下： 尺：丝( 2 2 ) 醚 式中：r 为最小气泡直径，册；口为气、液表面张力系数，1 0 巧c 朋；p 为压 差，1 0 5 c ，z 2 。该式表明，r 与p 成反比，即要取得小的气泡，必须提高压 筹。 2 1 3 微气泡的用途 微气泡的形成是气液两相流的一种物理现象，利用微气泡的形成以及它的 物理化学性质，微气泡已经被人们广泛的应用于动力【3 2 1 、采矿、核能、环境【3 3 1 、 石油、冶金、医学【3 4 】、化工【3 5 1 等领域。 例如，物体在流体中运动的阻力，通常是由型阻、压阻和摩阻组成。不同 类型的阻力有不同的减阻方法。采用某种方法在运动体表面产生大量的微气泡， 使微气泡与水混合形成气液两相流，这是一种降低摩阻的有效方法。8 0 年代， m a d a v a l l 及其合作者，前苏联的一些研究者用多孔板喷射气体形成微气泡的实验 方法，研究微气泡对降低平板表面摩阻的作用，取得了许多极富价值的成果，发 现通过上述方法可以降低局部摩阻达8 0 【3 6 】。 在采矿领域，利用气泡和固体颗粒发生碰撞形成结合体而浮升的原理，来进 行矿物精选，称为矿物的浮选。浮选柱就是用来实现疏水颗粒与微气泡的碰撞、 附着及颗粒、气泡结合体按要求转移等过程的机械装置。现在我国每年生产的原 煤中含有2 亿吨以上的细粒粉煤，这部分煤的加工难度大，利用率低，并容易造 成环境污染，利用微气泡的浮选作用就能够将这大量的煤泥充分利用，对我国的 可持续发展和环境保护具有十分重要的战略意义和现实意义。微气泡用在选矿领 域具有富集比高、回收率高、处理量大、投资小、运行费用低、特别适合处理微 细粒及易于自动控制等一系列优点。浮选柱还在石油工业中用于油水分离，在环 境工程中用于废水处理，在废物处理方面用于纸浆脱墨、脱除受污染土壤中心重 金属离子和其它污染物。 1 4 江苏大学硕士学位论文 微气泡用于含油废水的气浮法处理时，由于空气微泡由非极性分子组成，能 与疏水性的油结合在一起，带着油滴一起上升，上升速度可以提高近千倍，油水 分离效率比较高。如美国美王公司的涡凹气浮系统3 7 1 ，它是使未经处理的含油污 水首先进入装有独特的涡凹曝气器的小型充气段，污水在上升过程中通过充气 段，与曝气器产生的微气泡充分混合，并呈螺旋形上升，最后微气泡将油滴带到 水面，另一方面，除了上面所说的气浮法以外，微气泡在污水的生化处理方面 也有着及其重要的作用，无论是生物膜法还是活性污泥法，利用微气泡的传质特 性使水体增氧是生物污水处理法的重要工艺环节。 气泡羽流作为气液两相流的一种。在工程中也得到越来越广泛的应用。例如， 在河口用气泡幕来防止盐水的侵袭；控制水库和湖泊中的分层结构以及改善水 质；加速反应装置中的物质混合、热量交换、以及化学反应过程；防止水路和港 口结冰等等。 在过热液体中，高能活性粒子能够诱发空穴气泡，利用这一原理我们能够制 造出放射性物质监测仪器，用来监测放射物质的泄漏情况或者用于国家核安全的 应用。它的成本低效果好，比现在普遍使用的中子探测器( 如：氦管) 便宜得多删。 在医学上，微气泡是一种十分有效的声波反射材料，可以大大增强超声设 备的反射信号，这一特性可用做超声造影剂，进行医学超声造影【3 9 1 ，从而取得清 晰准确的超声检测图像。无毒、直径在2 5 朋的微气泡由于能够通过毛细血管， 实现心肌及微小血管的造影，现已被广泛用于医学临床的超声检验中。 近年来，在水产养殖业中微气泡的应用很好的解决了人工鱼塘缺氧的问题。 在北方，冬季鱼塘冰下充氧也是离不开微气泡的应用。 微气泡还有很多其他的用途，本文主要是研究气泡的传质理论以及超微气泡 在污水处理中的重要作用。 2 2 超微细气泡水体修复机理 普通的气泡在水中呈上升状态。在静水中，气泡上升的速度与其线度密切相 关。当气泡的直径小于3 所的时候，我们把这种气泡称为超微细气泡，由于尺 度效应的影响，这种气泡具有普通气泡所没有的理化作用特性，而且这种气泡的 江苏大学硕士学位论文 表面能很大可与水分子紧密结合，能够实现气泡在水中的沉降。 2 2 1 微气泡在水中的运动规律 研究微气泡在水中的运动规律，首先要研究气泡在水中的受力情况，然后再 建立方程求解，在这只研究静水中气泡沿垂线方向上的运动规律，并假定气泡周 围的水是静止的，气泡直径小于等于2 姗，故可以认为气泡在运动过程中为很规 则的球形【删。水中作用于气泡上的力主要有以下3 种，如图2 4 。 图2 4 中各参数的含义如下： ( 1 ) 重力昂，昂= ，甥= 依g y ；聊为气泡的质量，讷重力加速度取9 8 加s 2 ，y 为气泡在水中的体积；乓为气泡内气体的密度取空气1 2 9 3 1 船肌3 ； ( 2 ) 浮力t ，b = 岛g y ，局为水的密度，岛= 1 0 0 0 船肌3 ； ( 3 ) 粘性阻力r ，水对气泡的阻力，由固体颗粒在水中沉降阻力换算得 昂= c d 岛，缈2 2 ，c d 为阻力系数，与水的性质及气泡的形状和速度有关。厂为 气泡投影面积，厂= 万d 2 4 ，d 是气泡在水中的直径；为气泡沿垂线方向上的 速度。 所研究的气泡为单个气泡，不用考虑相邻气泡尾流作用力的影响 图2 4气泡在水中的受力分析 根据以上的受力分析，我们建立重力方向上的物理方程： 聊警= 乃一尼一c d 角厂缈2 2 ( 2 3 ) 由于气泡很小，当直径d 0 2 册聊，可假定流体绕气泡流动，并不发生 1 6 江苏大学硕士学位论文 分离现象，气泡在水中运动时呈球形不变，则有，c d = 2 4 r 。，r 。= 国酬y 。 将其代入式2 3 可得： m 警= 乃一层锄伽 ( 2 4 ) 其中水的粘性系数= o 0 0 1 1 3 7 艘j ，令加速度为o 时，由斯托克斯定律 就可以得到公式：缈= 垒等泸d 2 ( 2 5 ) 由式2 5 我们就可以得到气泡在水中的上升速度和气泡直径大小的关系曲 线图，如图2 5 所示： 00 0 20 0 40 0 0 10 1 20 1 40 1 60 1 8o 2 气泡的直径( m m ) 图2 5 气泡上升速度和气泡尺寸关系曲线图 由图中可以看出，微气泡的上升速度随着气泡直径的减小而减小。当直径接 近3 聊的时候，其升速度就近似等与0 。 2 2 2 超微气泡在水中的沉降机理 当气泡直径小于3 肌的时候，由于尺寸效应的影响，必须考虑气泡所受表 面张力的影响，而且表面张力将对气泡的运动起主导作用。气泡在水中所受的表 面张力h 2 1 如式2 6 所示：。 只= _ 2 万仃s i n 秒 ( 2 6 ) 1 7 倡 协 俚 8 8 4 2 o 一，山邑爵蜊柬g埂矿 江苏大学硕士学位论文 其中：秒为接触角，为接触半径，盯为表面张力系数。由于气泡是完全在水中 的，所以接触半径就是气泡的半径，当气泡的直径变小的时候，也随之变小， 从而导致气泡所受的表面张力的下降。 研究表吲4 3 1 气泡外包着一层带有憎水性的弹性膜，内层膜( 附着层) 和排列 疏松的外层膜( 流动层) ，其结构如图2