（机械设计及理论专业论文）旋喷加压溶气气浮机理与试验研究.pdf

青岛理1 = 大学硕+ 学位论文 捅要 气浮净水技术是目前国内外正在不断研究发展的一种废水处理方法，具有占 地面积小、初期投资少、废水处理效率高、可处理的污粒比重与水相近等诸多优 点，它在水处理领域的应用已经相当广泛。气泡进一步的微细化、研制直接产生 微气泡的布气装置、最大限度地降低能耗己成为气浮技术发展的方向。 为克服传统溶气气浮存在的设备复杂、噪声大、能耗高、操作维护困难等问 题，本课题首次提出以旋喷泵作为加压溶气设备制作溶气水进行气浮的工艺，并 对该工艺的实用性进行了研究。旋喷泵能自动同时吸入水和空气，利用水泵叶轮 分散气体形成气浮所需的溶气水，具有产生压力高、吸气量大，不易产生气蚀、 基本上无噪音、能耗低等优点。本课题在进行理论分析的基础上对旋喷泵的结构 进行了设计改造，使其符合两相流应用的条件，对其关键部位参数进行了设定， 并对模拟样机进行了试验研究。 本课题通过对旋喷泵溶气系统的释气量和气泡直径的测试，对该溶气系统性 能进行了科学的分析和评价。释气量和气泡直径是溶气气浮性能的重要评价参 数。本课题综合了原有释气量测试技术，提出间歇式释气量测试法，该方法能较 直观、较准确地测定溶气系统的释气量，且装置简单、操作方便。采用显微摄像 技术对减压释放后的溶气水进行动态摄像，准确测定水中微气泡的直径分布情 况。试验和测试结果表明把旋喷泵作为气浮装置是可行的，而且与传统的气浮装 置相比具有很明显的优势，对气浮技术的发展具有重大的意义。 关键词：加压溶气气浮：旋喷泵；溶气效率；气泡直径；溶气量 a b s t r a c t d i s s o l v e da i rf l o t a t i o n ( d a f ) , w h i c hi sa l r e a d yv e r ye x t e n s i v ei nt h ea p p l i c a t i o n t h a tt h ew a t e rt r e a t m e n tf i l d s , h a st h ea d v a n t a g e so fs m a l l e ro p e r a t i o na r e a , l o w e r i n v e s t m e n ti nt h ee a r l yy e a r s ，t h eh i g h e rw a s t e w a t e rt r e a t m e n te f f i c i e n c ya n ds oo n t h ea i rb u b b l ei sf u r t h e rs m a l l ，a n dd e v e l o p i n ge q u i p m e n tt op r o d u c et h em i n ia i r b u b b l ed i r e c t l y ，l o w e ro p e r a t i o ne x p e n d i t u r eh a v eb e c a 3 m ed e v e l o p i n gt r e n d si nt h i s t e c h n o l o g y t h e r ea r em a n ys h o r tc o m i n g so nc o n v e n t i o n a ld a f ，s u c ha sc o m p l i c a t e d s y s t e m , h i g hl e v e lo f n o i s e , h i g hp o w e rc o s ta n ds oo n s oi nt h i sr e s e a r c h , t h er o t o - j e t p u m pi sf i r s t l yu s e da sa n e wk i n do fa i rs a t u r a t i o ns y s t e mt os u b s t i t u t et h er e c y c l e p u m p ，t h ep r e s s u r ev e s s e la n dt h ea i rc o m p r e s s o r t h er o t o - j e tp u m pc a nd r a wi na i r a u t o m a t i c a l l y i nt h ep u m pt h ea i ra n d t h er e c y c l ew a t e ra r em i x e d a i ri sd i s p e r s e db y t h ei m p e l l e ra n dt h e nd i s s o l v e du n d e rt h eh i 。曲p r e s s u r ei n s i d et h ep u m p t h i s s a t u r a t i o ns y s t e mi sm o r ec o m p a c t e d , l e s sn o i s e , m o r ee a s i l yo p e r a t e da n dl e s sp o w e r c o s t t h i sa r t i c l em a k e sas c i e n t i f i ca n a l y f i so nt h es a t u r a t i o ns y s t e mo f i n t o - j e tp u m p a f t e rm e a s u r e dt h ea m o u n to fa i rp r e c i p i t a t i o na n dt h eb u b b l es i z e t h em e a s u r i n g m e t h o do fa i rp r e c i p i t a t i o ni sb a s e do i lm e a s u r i n gt h ep r e c i p i t a t e da i rv o l u m ew i t h a b a t c hs y s t e m , w h i c hi sm o r ea c c u r a t ea n de a s i e r t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ei n t o - j e tp u m pi su s e da sa i rs a t u r a t i o n s y s t e mi sf e a s i b l ea n dh a st h ev e r yo b v i o u sa d v a n t a g e sc o m p a r e dt oo t h e r d i s s o l v e d - a i rf l o t a t i o nt e c h n o l o g y t h i sr e s e a r c hr e s u l t sp r o v i d e sab a s i sf o rl u t h e r s t u d yo nt h ed e v e l o p i n go f r o t o - j e tp u m pi na i rf l o t a t i o nf i l d s k e yw o r d s ：m e t h o do f p r e s s e dd i s s o l v e d - a i rf l o t a t i o n ；r o t o - j e tp u m p ；a i r d i s s o l v i n ge f f i c i e n c y ；d i a m e t e ro f a i rb u b b l e ；d i s s o l v e da i rv o l u m e r a t e 1 1 课题概述 1 1 1 课题的提出 第1 章绪论 现代废水处理方法宏观上可分为物理处理方法、化学处理方法和生物处理方 法等。其中物理处理方法主要通过物理作用分离、回收废水中不溶解的悬浮状态 的污染物( 包括油膜和油珠) 的方法，相应的有重力分离法、离心分离法和筛滤 截留法等。物理处理方法在废水处理中占有重要的地位，主要用于去除废水中的 悬浮物质。依废水中所含悬浮物质的粒度和性质不同，应采取不同的物理处理方 法。在水处理中经常遇到水中颗粒物直径很小，且密度非常接近甚至小于水的密 度，颗粒物很难甚至不可能沉淀下来的情况。如印染废水中的染料颗粒、造纸和 化纤工业中的植物残体及短小纤维、炼油和化工生产中的微小液滴和颗粒，对这 类水的处理，用重力沉淀法比较困难或历时较长，但特别适合于采用气浮工艺处 理【1 1 。 气浮净水方法是物理处理方法的一种，在水中通入或产生大量的微细气泡， 使其粘附于杂质絮粒上，并依靠浮力使其上浮至水面，从而实现固液分离。由于 空气的密度比水小得多，只有水的1 7 7 5 ，粘附了一定数量微气泡的絮粒，其上 浮速度较快，因此气浮法比沉淀法的分离时间短得多。 气浮净水技术自应用以来，在理论和技术上有了很大的进步和发展，但总体 来说，目前应用的各种气浮净水系统所需辅助设备多，运行成本高。就应用较为 广泛的加压溶气气浮法【1 1 为例( 如图1 1 所示) ，所需溶气罐、释放器、空压机 等多种辅助设备，体积及工作噪音较大，溶气能耗高，约占整个气浮净水能耗的 8 5 * , - - 9 5 。这也是气浮净水技术推广和应用的主要障碍，需要在理论上和工艺 上有所突破，找出解决降低能耗的新方法。 基于以上原因，本课题选定“低能耗超饱和气浮净水方法试验研究”作为研 究方向。 舡一 图1 1 加压溶气净水系统示意图 1 1 2 研究的目的和意义 影响气浮式水处理系统运行成本的主要因素有：溶气系统的溶气效率；释气 系统的释气性能；投加化学药剂的品种和投量等。其中溶气系统的能耗占整个系 统能耗的8 5 以上，因此提高净水系统的溶气效率对降低净水成本起到决定性 的作用。近年来国内外在降低其运行能耗方面进行过很多理论和实验研究并取得 了一定的实效，但总体上均未获得突破性进展，主要原因是在相关理论和工艺方 面无原则上的突破。净水能耗高的弊端严重制约了该净水工艺的推广和普及。本 课题研究的气浮净水理论突破传统，采用旋喷泵高压超饱和溶气来解决溶气系统 的溶气效率问题，具有如下特点： ( 1 ) 在压力比传统泵高数倍的旋喷泵内直接加压溶气，需研究短时间内高压 紊动状态下的溶气机理、高压状态下气液比例最优控制理论和两相流体动力学及 气蚀行为等。该理论研究成果可使净化回流水降低9 0 以上，净化水产出量同比 例提高，而无需溶气罐、空压机、溶气水泵等设备，系统成本降低1 0 以上； ( 2 ) 超饱和混气、溶气释气和混气碎气同时存在，允许溶气水超饱和，该 新工艺理论上可以成倍提高气泡生成量，降低溶气能耗达5 0 。目前在废水处理 方案规划中，能耗成为制约气浮净水系统应用的主要因素之一，因此研究气浮净 水新理论和新工艺，是显著降低净水能耗的关键，对于指导新型高效低能耗气浮 净水系统的研究设计、推广应用及改造我国传统气浮净水系统，具有特别重要的 意义。 2 青岛理t 大学硕十学位论文 1 2 气浮设备的研究概况 我国于七十年代后期开始气浮设备的研究，取得了显著的成就。气浮法净水 的设备主要包括微气泡发生装置、气浮分离装置、刮渣和排渣装置及排水装置等。 研究较多的是微气泡发生器和气浮机。 1 2 1 微气泡发生器的研究 锡山市沪东冶金工程机械制造有限公司陆吉明等 2 1 开发出一种新型微气泡 释放器，其特点是在释放器内设置了“z ”字形的曲折通道，压力溶气水自进1 ：3 端进入，从出口端喷出，在极短的距离内发生直角转变两次端面突变，流向的剧 烈改变，使流体的阻力系数增大，出口流速降低，因而压降较大。由于在释放器 体上安装了导流板，自释放器喷出的溶气水经导流板导流，与邻孔喷出的溶气水 发生对撞，进一步实现较为彻底的消能，并在释放前的瞬问造成很大的压力降低， 有利于微细气泡的产生；另外，通过导流板弧形导流面的导流及对撞的共同作用， 释放出的气泡微小而均匀。最大的优点是不堵塞，无运动部件，使用寿命长等。 天津大学的季民1 3 1 、机械部的谷松竹吲等一些专家学者也研制出一系列新型 溶气释放器，突出的特点是释放器不易堵塞，微气泡与水能在短时间内混合均匀， 耗能少。 1 2 2 气浮机的研究 天津纺织工学院的刘兴华等嘲开发了双气浮净水器，将净水器分隔成两级气 浮区，比一般气浮设备并联过滤、吸附、沉淀等单台设备在去除色度、悬浮物、 化学需氧量上高出1 0 以上。上海师大的蒋银旗【6 】研究了一种与加压氧化塔配套 使用的气浮机，该设备在下部设有反应器，加压塔的出水分两路进入气浮机，大 部分水经降压并投加絮凝剂，从下部进入反应器进行混凝，少部分从气浮机中部 给入，进入气浮机的水与释放器产生的细微气泡接触进行气浮分离，反应器内设 有倒锥形挡气板和排气管，防止大气泡影响气浮效果，该设备具有运行成本低、 占地面积小等优点。 北京石油大学研制的一种用于处理含油废水的气浮装置采用了气体分布器 3 青岛理_ 大学硕士学位论文 结构，使空气变成微小的气泡，与污水呈逆向流动状态，使气泡与油滴互相碰撞、 粘附至塔顶液面处，形成油膜，然后被顶入污油收集器后排出，该设备具有成本 低、处理效果好的特点。另外，一系列基于浅池气浮原理的水处理设备，射流- 涡流复合溶气式气浮机等已广泛应用在机械、石油、造纸等行业中。 1 2 3 气浮技术的发展 ( 1 ) 涡凹气浮技术【7 】【8 】 涡凹气浮技术( c a v i t a t i o n s - a i r f l o t a t i o n ，简称c a f ) 是1 9 8 5 年美国发明的 一种新型水处理气浮技术，该技术具有能耗低、效率高的优点。该技术是一种集 吸气、混合、气浮固体和澄清水排放等过程于一体的空气气浮技术。其水处理过 程是：原水与絮凝剂一起进入曝气段，特制的涡凹曝气机将全部空气以“微气泡” 的形式打入其中，同时曝气机使室内形成空穴产生负压，形成一个真空区。从进 气管吸入空气被直接送入水下并吸入真空区，从而产生大量微气泡。在空穴室的 负压作用下，约有1 4 的水量又回到空穴室进行自然循环，在循环过程中，大量 微气泡夹带原水中的悬浮物上浮到水面形成浮渣并进入气浮段，然后被刮渣机刮 入排渣沟，气浮系统中螺旋推进器把浮渣排走。 由于该系统中空气是由特殊曝气机带入，带有微气泡的水体自然循环，所以 系统无需空压机和循环泵，这使得整个气浮系统结构简单紧凑、自动化程度较高， 而且有投资省、运行费用低、工作可靠性较高、节能效益显著的优点。另外该装 置产生的气泡直径大大小于普通溶气气浮法产生的气泡的直径，气泡在水里上浮 速度很快，对被处理废水中悬浮物的去除率高。 涡凹气浮技术在美国1 9 8 5 年发明以后，首先在造纸废水处理中投入使用。 现在美国和墨西哥已有3 0 多家造纸厂污水处理站使用这项技术，除此之外，涡 凹气浮技术还被应用于制革、印染、食品和肉类加工等工业废水处理上。我国在 1 9 9 6 年从美国引进了此项技术，目前己在造纸和制革废水中投入使用。 ( 2 ) 浅层气浮池【9 】【1 0 l 2 0 世纪7 0 年代美国的k r o i t a 博士发明了浅层气浮池，随后他在美国成立了 以他名字命名的k r o f t a 工程公司生产这种产品，产品的完美和畅销使 k r o f t a 成了浅层气浮池的代称。 4 青岛理工大学碗十学位论文 k r o f t a 净水工艺的突出点是“零速度”原理和“超浅池”结构。原水从 池中心的旋转接头进入，通过配水器布水，配水器的移动速度和进水流速相同， 这就是所谓的“零速度”原理，这也是k r o f t a 设备的关键技术，这样进水不 会对原水产生扰动，使得颗粒的悬浮和沉降在一种静态下进行。应用“超浅池” 理论设计的池深只有6 5 0 m m ，另外进出水的巧妙隔离使悬浮物的分离不受vt 、 v ，的限制，气浮分离时间只有3 - 5 m i n ，使设备的占用空间大幅度减小。浮渣的 清除用螺旋泥斗，清除的浮渣在某一时刻总是池内浮起时间最长的，也就是固、 液分离最彻底的浮渣，而且浮渣瞬时清除，隔离排出，对水体几乎没有扰动。 k r o f t a 溶气工艺中应用了新的溶气机理，它利用了一种特制机构，先把 压缩空气切割成微细气泡，然后在扰动非常剧烈的情况下与加压水混合、溶解。 这时空气在溶气管内以两种形式存在：一种是溶解在水中( 与溶气罐类似) ，另 一种形式是微细气泡以游离状态夹裹、混合在水中，在气浮时这种气泡直接用于 气浮，并且是气泡的主要来源，从溶气水中释放的气泡也加入到气浮过程中，这 两种途径形成的微细气泡的数量要远大于溶气罐加溶气释放器的结构形成的气 泡数量。 该工艺中“零速度”混水机理显著减小了溶气水对废水污粒的扰动，与“超 浅池”结构相结合使常规单池净水时间由2 0 3 0m i n 缩短为2 3r a i n ，显著提高 了单池净水能力，但并未从根本上解决溶气过程能耗较高问题。 我国最初引进该设备时只作为造纸设备的附属设备随主机一起引进，或作为 造纸行业的专用设备引用，忽视了它同时也是一种防治污染的水处理设备，近几 年我国的用户和环保设计部门才开始重视起来。 ( 3 ) 气液混合泵1 1 1 2 l 气液混合泵是近年出现的新溶气工艺设备之一。 离心泵的通常用途是输送纯液体，但在许多场合用做污水处理和饮用水处理 的气浮设备。普通的离心泵不能满足或不能可靠地满足上述要求，这是由叶轮的 结构限定的。在叶轮的进口弯道里，随气体含量的增加，将形成一个不断扩大的 气穴阻塞区，干扰泵的平稳运行，直至阻塞流道，中断泵送。 气液混合泵则很好地解决了上述问题。这种泵工作时，液体和气体在泵的入 口处同时被吸入，气液两相在泵的增压过程中完成溶解性混合，随后在溶气水的 青岛理 大学硕士学位论文 常压释放过程中以微气泡形式析出，其效果如图1 2 所示。采用气液混合泵进行 加压溶气，可省去普通加压溶气气浮设备中的空压机、溶气罐等设备，使系统大 大简化。该泵具有体积小、压力高、占地面积小、工作噪音小、结构简单及坚固 耐用等一系列优点。但该类型气浮净水设备溶气量一般较小，而且因属于泵前射 流溶气，溶气效率也相对较低，一般仅应用于小规模净水工程，较大型净水工程 仍采用d a f 工艺。这种类型气浮设备很多，如日本n i k l n i 公司生产的n i k l n i 系列气液混合泵，德e d u r 公司生产的l b u 、e b u 型气液混合泵等。 图1 2 上海尼克尼公司气液混合泵发生气泡效果图 气液混合泵与本课题研究的内容有相似之处，但气液混合泵仍然是离心泵， 而本课题研究的是旋喷泵，旋喷泵所能产生的溶气压力是离心泵所不能比拟的。 此外，近些年出现了一种新型、高效的微气泡产生技术：气水两相流泵直接 产生气泡，该工艺把回流水( 或原水) 与空气同时吸入两相流水泵，空气在水泵 叶轮的高速旋转下破碎、混合并溶于水中，随后在溶气水的常压释放过程中以微 气泡形式析出，可稳定产生2 0 - - 3 0 9 z n 的微气泡。该气泡产生设备简单、运行稳 定、管理方便，但一般仅应用于小规模净水工程，较大型净水工程仍采用d a f 工艺。 1 3 气浮方法及流程 气浮是一种浮力分离过程。在该过程中，气泡粘附于固体颗粒。气泡颗粒 6 青岛理工大学硕士学位论文 复合体的表观密度小于水的密度，从而使此复合体易于上浮至水面。根据微气泡 产生的方式，可以把气浮过程分为电解( 凝聚) 气浮法、分散空气气浮法、生物 及化学气浮法、溶气气浮法和静电喷涂空气法掣”。 1 3 1 电解凝聚气浮法 本法是将正负相间的多组电极安插于废水中，当通以直流电时，废水被电解 出h 2 、0 2 和c 0 2 等微小气泡，这些微小气泡的浮载能力大，它将吸附废水中微 小悬浮物并上浮加以去除，以达到净水的目的。当采用铝、铁为阳极进行电解时， 可以形成吸附性很强的铝、铁氢氧化物，与水中杂质形成絮粒，并同阳极上产生 的微气泡粘附而得以分离 1 3 1 。该法产生的气泡小而且均匀，气浮效果好。但是 存在着耗电量高，金属消耗量大，以及电极易钝化等问题，仅适用于小型工程。 1 3 2 分散空气气浮法 该法又可分为转子碎气法和微孔布气法两种。 转子碎气法依靠高速旋转转子的离心力所造成的负压而将空气吸入，并与提 升上来的废水充分混合后，在水的剪切力作用下，气体被细碎成微气泡而扩散于 水中。转子碎气法气浮系统的吸气量较大，但因其气泡直径较大( 约为l m m 左 右) ，因此其释气效率较低。此外，工作水深等因素对转子碎气功耗及吸气量影 响也较大。但因其占地面积较小，生产成本较低且释气部分不易堵塞，因此较适 合处理污粒较大的废水。 微孔布气法是使空气通过微孔材料或喷头中的小孔，将气体细碎成微气泡而 扩散于水中。这种气浮法的气泡直径也较大，且微孔板的微孔容易堵塞，但其能 耗较转子碎气法低。 厂、 o 二丁一日 二r b je 二r 日 图1 3 微孔布气法微细气泡的形成 总体说来，这两种方法产生的气泡直径都比较大。由于气泡大，上升速度快， 对水体扰动剧烈，因此该法的分离效果较差。但是分散空气气浮能耗低，设备也 较为简单，被广泛用于矿物浮选、食品油脂、羊毛等废水处理及含有大量表面活 7 性剂废水的泡沫浮选处理。 1 3 3 生物及化学气浮法 生物气浮法是依靠微生物在新陈代谢过程中放出的气体与絮粒粘附后上浮 至水面的。 化学气浮法是在水中投加某些化学药剂，利用化学反应生成的0 2 、c 1 2 和 c 0 2 等气体使杂质污粒或絮粒上浮的。 生物和化学气浮法因受各种条件的限制( 如温度、废水性质、药剂种类等) ， 净水处理的稳定性和可靠性都较差，因此实际应用不多。 1 3 4 溶气气浮法 溶气气浮法又可分为真空释气气浮法和加压溶气气浮法，其中加压溶气气浮 法应用最广。 真空释气法是利用一个封闭的池子，将原水经调节流量后，先进入曝气室， 由机械曝气器预溶气l 2 m i n ，让空气达到饱和溶解状态，再将未溶空气在消气 井中脱除，然后，将原水送至气浮分离区，用真空泵将气浮分离区的真空度抽为 2 2 5 3 0 0 m m h g ，在真空的作用下，溶解在水中的部分空气从水中释出，形成微 气泡上浮实现气浮净水。真空释气气浮法的优点是能量消耗较少，气泡形成和气 泡与絮粒的粘附较稳定。但由于常压下空气在水中的溶解度较低，气泡释放量受 到限制。另外，处理设备须密闭，运行检修困难，现已很少采用。 加压溶气气浮法是在加压的情况下，使空气在水中的溶解度加大，将空气强 制溶于水中，然后骤然减压，溶解的空气以微气泡的形式释放出来并粘附絮粒而 促使其上浮。根据溶气方式不同，加压溶气系统大致可分为三种，即： 1 ) 水泵吸气式溶气系统。此系统装置简单，不需另设供气装置，而直接在 加压水泵的吸水管前加入空气，由水泵吸入后与原水一起进入压力溶气罐进行溶 气。由于该方法不需要空压机供气，所以没有因空压机运行带来的噪音污染，当 吸气量控制适当( 般为饱和溶气量的5 0 左右) 以及压力不太高时，运行基本 稳定可靠。但当吸气量过大时，则会造成水泵运行不正常并产生振动，同时水泵 压力下降2 5 - 3 0 ，长期运行还可能造成水泵叶轮及泵壳产生气蚀而损坏。因此 8 青岛理t 大学硕士学位论文 无论从经济还是从安全考虑，这种方法都不够理想。 2 ) 射流挟气式溶气系统。该系统是利用加压水泵提供的压力水流经高效射 流器时，由于射流器高压喷射所形成的负压从大气中吸入空气，在射流器的混合 管内高速水流与吸入的空气相互掺混、切割，使气体分散成无数微小气泡。然后 气水两相混合流体进入溶气罐，在溶气罐中再进行接触溶解，并将剩余空气与水 分离，从而完成溶气过程。该系统溶气方法简单，无需另设空压机，但释气气泡 尺寸较大，溶气效率较低，未溶气体比例较大，极易破坏絮粒，因此不易用于处 理絮粒含量较多的废水。而且射流器吸气时能耗较高叫。内循环射流加压溶气气 浮法是在射流挟气溶气方法基础上发展而形成的一种新的溶气方式，无论在能耗 还是在溶气效率上都比前者有了很大提高。该系统采用了空气内循环及水流内循 环两个方面的有机联系，除了保持射流溶气方式的特点，不需空压机外，由于采 用了内循环方式，在总的能耗上可大大降低，已达到目前广泛采用的空压机供气 式溶气方式的能耗水平，受到较普遍的重视【1 4 1 。 3 ) 空压机供气式溶气系统是目前应用最广泛的溶气系统。该系统由空压机 供气，利用加压水泵与空压机提供的压缩空气，一并进入压力溶气罐中，以进行 气水的接触溶解，使空气溶入水中。空气在水中的溶解度取决于溶气罐的内部 结构和溶气方式。由于在压力溶气罐中溶气，从而大大增加了气液两相接触面积 和接触时间，溶气效率也大幅度提高，其溶气罐又可分为填料式溶气罐和空罐。 加压溶气气浮是目前应用最广泛的水处理过程，与电解法、分散空气气浮法 相比，能提供足够的微气泡，而且尺寸细微，粒度均匀，工艺流程和设备也比较 简单。加压溶气气浮法具有较广阔的发展前景，本文选用气浮方法也属于加压溶 气气浮法。 1 3 5 静电喷涂空气法 静电喷涂空气法是一种相对比较新的在液体中产生气泡的方法，在这种产生 气泡的方法中气体通过毛细管在毛细管顶端的液体介质中产生气泡，毛细管带电 作为系统高压诱导电场装置的电极，毛细管顶端上的静电应力使气泡进入溶液， 分解产生范围l o 1 8 0 1 u n 大小的微气泡f 1 5 】。 溶气新工艺在近年来取得了飞速发展，气浮净水系统无论在溶气系统、固液 9 青岛理_ 大学硕十学位论文 分离系统及释气系统等方面都有很大的发展，出现了很多相关技术和专利产品。 1 4 本论文研究的主要内容 目前国内外在气浮设备的发展上取得了许多实用性的成果，气浮技术也不断 更新，对于降低能耗，促进气浮技术的实施起了巨大的推动作用。尤其在传统的 加压溶气气浮法工艺上不断进行改进，如内循环式射流加压溶气方式，保持了射 流溶气方式的特点，不需空压机供气，由于采用了内循环方式，在总的能耗上可 大大降低，已达到目前广泛采用的水泵空压机溶气方式的能耗水平，在溶气效 率方面也接近水泵空压机方式，且系统工作噪声小，系统运行稳定性较后者高。 上海尼克尼公司生产的t f 系列气液混合泵，将水射器、工作泵集成于一体，使 其体积更小，调节更为方便。 旋转喷射泵是从国外引进的一种小流量高扬程的极低比转速喷射泵，最初用 在炭黑行业用来输送芳烃用的，旋喷泵的水头比较高，密封好，无泄漏，它可以 变工况运行，运行维护的费用低。正是由于它的这些优点，旋喷泵的应用逐渐推 广到造纸、食品、石油、电力、环保等行业上。 本课题提出利用旋喷泵产生的近1 0 倍于传统泵的高压，将其应用到气浮净 水领域，可使净化回流水降低9 0 以上，净化水产出量同比例提高，而无需溶气 罐、空压机、溶气水泵等设备，系统成本降低1 0 以上，能耗大大降低。本文中 重点需要解决的问题主要有以下几个： ( 1 ) 研究旋喷加压溶气理论，建立相应的两相流动力学模型； ( 2 ) 研制旋喷泵试验样机，探讨其应用到气浮工艺上的可行性，总结其在应 用过程中要解决的问题； ( 3 ) 试验不同的溶气方式，选择合适的进气方式，分析并比较其影响因素； ( 4 ) 找出出现的问题，提出解决措施，通过理论和实验分析，进一步改进和 完善研究的溶气系统； ( 5 ) 运用间歇式释气量测试法和显微摄像方法的检测气泡的直径及溶气效 率，综合分析系统运行状态，考查旋喷加压溶气的可行性及其在气浮领域应用的 前景。 1 0 青岛理t 大学硕十学位论文 第2 章气浮溶气机理研究 气浮法是在向废水中通入空气，使其产生大量的微小气泡，粘附于水中的污 染物颗粒上，形成气水固三相混合体一起浮到水面上，从而达到气一液分离和固 液分离的目的。 2 1 微细气泡的形成及其特性 气浮过程的一个关键因素是微细气泡的产生，气浮效果的好坏与能否生成合 格的微细气泡密切相关。 2 1 1 液体表面能 水中形成气泡的大小和强度取决于释放空气时的各种条件和表面张力的大 小。由于液体表面层分子受力不均，液体表面有缩小表面积的趋势。因此，如果 要在水中形成气泡，就要增大液体的表面积，就必须克服液体表面层分子被拉向 液体内部的力，即需要消耗一定的能量。这种增大液体表面积所需要的能量等于 液体表面分子获得的自由能，称为表面自由能。由下式表示： e = 国s( 2 1 ) 式中e 新增气泡表面分子获得的表面自由能，n m ； 表面张力系数，n m ； s 新增气泡表面积，m 2 。 在两种互不相混的介质之间，位于界面上的表面分子因受力不均匀而产生表 面张力，叫做界面张力，与此相应的界面能为 e = s ( 2 2 ) 式中e 界面自由能，n m ； 界面张力系数，n m ； s 界面面积，m 2 。 固体、液体和气体的接触界面具有界面能。设界面面积改变值为s 时，界 面能f 的变化为： f - - - - f d 丛 ( 2 3 ) 由式( 2 3 ) 知，当界面面积增大时，界面能也随之增大，这说明增加界面 表面积需额外作功。由此可见，水中的气泡粉碎的越细小，意味着外力作功越大， 气泡的比表面积也就越大，它们所具有的界面能就多，其热力学性质越不稳定， 因此它们具有吸附水中物质，特别是吸附性能强或疏水性好的物质从而减低其表 面能的趋势。 2 1 2 气泡的性质 气浮要求在体系中产生大量且充分分散的微小气泡。生产实践常用的产生气 泡的方法主要有分散空气；电解凝聚；生物及化学；溶解空气等多种。气泡是空 气在水中形成的分散体系，具有很强的疏水性。气泡外包着一层由极性水分子构 成的水化膜，且富有弹性，在范德华力和氢键的作用下，水分子做定向有序排列， 图2 - 1 微细气泡构造示意图 从而使气泡具有一定的强度。除排列疏松的外层( 称流动层) 泡膜在上浮过程中 受浮力和阻力的影响而流动外，其内层( 称附着层) 泡膜与空气一起构成稳定的 微气泡而上浮。同时，由定向有序排列的水分子构成的内膜，因极性的减弱可带 有疏水性。 青岛理t 大学硕士学位论文 气泡外围水化膜可分为附着层、流动层和普通水层三个层次( 见图2 1 ) 。 气泡外的水化膜的韧度和强度随水的表面张力的减小而增强。水中产生的气泡常 常带负电，但通过在水中加入电解质可改变气泡所带的电荷数，在某些情况下甚 至可改变其符号。气泡受水流紊动撞击时，会使泡膜局部流失，可能四周受力不 均，引起外压强失去平衡，气泡变形、破裂和并大。若在水中投加长链的高分子 物质，则可提高泡膜的韧性和强度。 2 2 物质的疏水性和亲水性 对于物质的疏水性和亲水性的概念，在废水处理中根据废水中所含污染物的 存在形式不同有两种表示方法，当水中的污染物以悬浮固体形式存在时，以固、 液、气三相的接触角的大小来区分悬浮物的疏水性和亲水性；当水中的污染物以 胶体颗粒形式存在时，则以胶体颗粒在水中产生电荷方式的不同和胶体颗粒所吸 附的水分子层的厚度来区分疏水性和亲水性。 2 2 1 悬浮固体的疏水性和亲水性 ( 1 ) 润湿作用 固体疏水性或亲水性最直观的标志程度是固体被水润湿的程度不同，容易被 水润湿的固体呈亲水性，不易被水润湿的固体呈疏水性。 水 图2 2 固体表面的润湿现象 图2 2 是水滴和空气在不同固体表面的铺展情况，固体的上方是空气中的水 滴在固体表面的铺展形式，固体的下方是水中气泡在固体表面的铺展情况，在固 体上方从左至右，随着固体疏水性的增强，水滴越来越难于铺展开而成为球形， 青岛理下大学硕士学位论文 在固体下方从左至右，随着固体亲水性的减弱，气泡变成球形，可见气泡的形状 正好与水滴的形状相反。 因此，润湿作用必是三相之间的相互作用，而且三相中至少有两相为流体( 水 和空气) 。实际上，润湿过程就是液体取代固体表面上的气体过程。 ( 2 ) 接触角 通常固体表面的疏水或亲水程度是由接触角的大小来表示的。在水中，当气 泡在固体表面附着时，其接触处是三相接触，气、液、固三相接触处形成一条接 触线，称为“润湿周边”。在接触过程中，润湿周边不断移动，直到三相界面的 自由能达到平衡。此时在润湿周边上的任意一点出处，气液界面和固液界面之 间的夹角就是接触角【p 】。 图2 3 不同性质的污粒与水的湿润情况 当三相界面张力平衡时，其平衡方程为： 式中，曜气固界面张力； = 白+ c o s ( e ) ( 2 4 ) 白固液界面张力； 飞液气界面张力。 ( 2 - 4 ) 式称为y o u n g 氏方程。y o u n g 氏方程给出固体颗粒附着在水一气泡界 面的条件，即k 、k 和三个表面张力值间能形成一个大于9 0 0 的接触角0 。气 泡能与悬浮颗粒发生有效附着主要取决于颗粒的表面性质。如果颗粒易被水润 1 4 青岛理t 大学硕十学位论文 湿，则称该颗粒为亲水性的，如颗粒不易被水润湿，则是疏水性的。颗粒的润湿 性程度常用气液固相间的接触角的大小来解释。在静止状态下，当气、液、固三 相接触时，在气液界面张力线和固液界面张力线之间的夹角( 对着液相的) 称 为平衡接触角，用e 表示。e 9 0 0 者为疏水性物质。 ( 如图2 3 所示) 。 2 2 2 胶体颗粒的疏水性和亲水性 天然水和废水中常含有胶体颗粒。由于胶体颗粒的尺寸很小，而且带有电荷， 在水中既难于自然下沉也难于自然上浮，故很难直接去除。 通常将胶体划分为亲水胶体和憎水胶体两类。如蛋白质、明胶等容易与水形 成胶体的溶液即亲水胶体，而那些本来不溶于水的物质，必须经过特殊处理后才 能将其分散在水中的叫做憎水胶体。如金溶胶、硫化砷溶胶等。这一分类实际上 是早期的分类，亲水胶体和憎水胶体有着本质上的区别，前者的分散相和分散介 质就是溶质和溶剂，属于热力学稳定体系，当溶质和溶剂分离后很容易恢复到原 来的溶液状态，而后者则是由于高度的分散性和巨大的相界面使其具有热力学不 稳定性，分离后的分散相和分散介质只有通过一定的物理或化学的方法才能使其 恢复原来的状态。所以从五十年代开始，就把亲水胶体称为大分子溶液，把憎水 胶体称为胶体分散体系或溶胶。另外还有一些胶体，它们既具有憎水性又具有亲 水性，属于两性胶体或过渡胶体。由于本文涉及到气浮所以仍将胶体分为亲水胶 体和憎水胶体。 ( 1 ) 亲水胶体 亲水胶体一般是可溶性的高分子有机化合物，如染料、蛋白质和碳水化合物 等。这些胶体的电荷不是出自吸附了的离子，而是由于碳基、羟基、硫酸根、磷 酸根和胺基等，因受到水的p h 值的影响，发生的部分电离而产生的。例如由于 蛋白质胶体的分子结构中存在可溶性的极性基团，例如一o h ，- c o o h 和- n h 等， 这些基团对极性的水分子具有较强的亲合力，往往在胶体颗粒的周围吸附了较厚 且富有弹性的水膜。正是由于亲水胶体电离的极性基团的电荷以及胶体所吸附的 水膜的作用，使得亲水胶体在水中能保持较好的稳定性。 ( 2 ) 憎水胶体 青岛理t 大学硕士学位论文 i l l 憎水胶体即溶胶，通常是粘土、硅酸盐类等物质。它们表面的电荷是由于优 先吸附水中某些离子而产生的，这些离子常带有负电荷，电位离子与其吸附的反 电荷离子构成胶体的双电离层。憎水胶体就是靠它的电位离子的电荷在水中维持 它的稳定状态的。 ( 3 ) 胶体粒子表面电荷的来源 憎水胶体粒子表面上总带有电荷，有的带正电荷，有的带负电荷。这种电荷 成为界面电荷。界面电荷的存在影响到溶液中离子的分布，带相反电荷的离子被 吸引到界面附近，带同种电荷的离子则从界面上被排斥。憎水胶体粒子表面带电 的主要来源有： 1 ) 离子吸附作用 在电解质溶液中，分散相的表面上往往会自动地吸附溶液中的某种带电离 子，使胶体粒子表面带电。这种吸附是有选择性的，即随吸附离子种类的不同而 带正电或负电。研究表明，这种吸附引起表面带负电的可能性比较大，因为通常 阳离子比阴离子更容易溶剂化而留在溶液中；阴离子的溶剂化倾向比较小，因而 被极化并留在胶体粒子表面从而使粒子带电。憎水胶体粒子的带电现象多数属于 这种情况。 另外还有一种情况是离子的选择性吸附，例如用4 q 和k b r 制备d g b r 胶 体，其生成反应如下： d g n 0 3 + k b r - - 崛+ a g b r 山 ( 2 5 ) d g b r 粒子表面容易吸附如+ 离子或研一离子，而对k + 离子和n o s - 离子的吸 附却很弱。这是因为a g b r 晶粒表面上容易吸附继续形成结晶格子的离子，而 d g b r 粒子的带电性质取决于胶体粒子中d g + 离子或西一离子的过量情况。 2 ) 电离作用 有些憎水胶体粒子是许多可以解离的小分子缔合而成的缔合胶体，如硅胶是 许多研d 2 分子的聚集体，处于胶粒表面的& 0 2 与水作用，生成弱电解质，弱电 解质在水中的电离使硅胶表面带负电荷，其反应如下： s i 0 2 + h p j h i 0 3 - - - s i o + 2 h + ( 2 - 6 ) 1 6 青岛理工大学硕+ 学位论文 3 ) 离子的“溶解”作用 由离子型的固体物质所形成的胶体，具有两种电荷相反的离子。如果这两种 离子的溶解是不等量的，那么胶体表面上也可以获得电荷。如a g i 胶体在室温平 衡状态下，饱和溶液的溶解度为1 0 - 6 。过量的j 一离子使胶体带负电，过量的彳g + 使胶体带正电。但是彬胶体电荷零点却不在爿g + 扩浓度为1 0 - 套m l l 时，因为在 4 9 x 的晶格中，4 9 + 离子的活动能力比较强，结合力小于厂离子。如果溶液中一旷 浓度较大时，胶体表面带负电，可见决定4 时胶体带电性质的是4 9 + 离子和j 一离 子。对金属氧化物和氢氧化物的胶体的研究也表明，决定胶体带电性质的主要离 子是离子和o h 一离子的浓度。 4 ) 晶格取代 这是一种特殊的带电情况，目前仅在粘土等少数胶体的带电现象中发现有此 种作用。粘土是由铝氧四面体的晶格组成，天然粘土中的彳矿或研“往往被一部 分低价的m g “或c 矗2 + 所取代，结果使粘土晶格带负电，为维持电中性，粘土表 面就吸附了一些正离子，而这些正离子在水中因水化作用而离开胶体表面，于是 粘土胶体粒子表面带负电荷。 2 3 絮体的形成及其特性 2 3 1 胶体的稳定性 胶体中心的胶核表面有选择地吸附了层带有同号电荷的离子，这些离子有 的是由胶核直接电离产生的，有的是胶核选择吸附了日+ 或o h 一产生的。这层离 子叫做胶体微粒的电位离子，决定了胶体电荷的大小和符号，由于电位离子的静 电引力，其周围吸附了大量的异号离子，形成了双电层。这些异号离子中，紧靠 电位离子的部分离子被电位离子牢固地吸引，并随着胶核运动，形成相对固定的 一层离子，成为固定的离子层。距离胶核较远的异号离子，受到的静电引力较弱， 并不象离子层的离子随胶核一起运动而具有向水中扩散的趋势，形成了扩散层。 1 7 青岛理t 大学硕士学位论文 固定的离子层和扩散层之间的界面称为滑移面。滑移面以内的部分称为胶粒，胶 粒与扩散层之间有一电位差。此电位称为胶体的电动电位，常称为电位。而胶 核表面的电位离子与溶液之间的电位差常称为总电位或由电位。胶体在水中受几 个方面的影响，一是由于胶粒的带电现象，带相同电荷的胶粒产生静电斥力，而 且( 电位越高，胶粒间的静电斥力越大；二是水分子热运动的撞击，微粒在水中 做不规则的布朗运动；三是胶粒之间还存在着范德华力的作用。 水中胶体间的斥力不仅与电位有关，而且还与胶粒的间距有关，胶体颗粒 之间的距离越短其间的斥力越大，胶体本身的布朗运动的能量并不能将两胶体颗 粒推至范德华力发挥作用的距离。在这种情况下，胶体将在短时间内不能聚结而 处于相对稳定的分散状态。 使胶体颗粒不能相互聚结的另外一个因素是水化作用。由于胶体带电，将极 性的水分子吸引到它的周围形成一层水化膜。水化膜同样能阻止胶粒间的相互接 触。但是水化膜是伴随胶粒带电而产生的，如果胶体的 电位消除或减弱，水化 膜也就随之消失或减弱。 2 3 2 胶体颗粒的脱稳 水中的憎水胶体具有双电层结构，其胶粒带负电荷。水分子具有极性，可以 被负电荷的胶粒吸附形成胶粒外包着的一层水化膜。由于胶粒之间的静电斥力和 水化膜阻力，因此具有相对的稳定性。而亲水胶体是通过极性基团的电荷和胶体 吸附的较厚的水化膜来保持在水中的稳定性的。 当金属絮凝剂投入水中后，将提供大量正离子如屁“、彳p 等以降低憎水胶 体的动电位，同时削弱其水化膜，使胶粒失去稳定性。在范德华力的作用下，脱 稳的胶粒可以相互凝聚，此时胶粒的的动电位叫临界电位。由于胶粒之间的微电 量和微水膜所产生的斥力己不能抵消彼此的范德华引力，虽然脱稳胶体仍然带有 微量电位和较薄的水化膜，但其已具备絮凝条件。此时的胶粒的尺寸与气浮时的 小气泡相比还较小，要想达到气浮的目的，仍需加入无机或有机高分子化合物使 其继续长大。 1 8 青岛理t 大学硕士学位论文 对于亲水胶体，其脱稳主要由于亲水胶体的外层水化膜较厚，投入水中的絮 凝剂必须先将水化膜挤掉，然后才能和胶体的极性基团键合成金属络合离子，从 而实现亲水胶体的脱稳。完全脱稳的亲水胶体双电层的动电位为0 ，可见，亲水 胶体的脱稳需加入较多的金属絮凝剂。脱稳后的胶粒同样具备了相互絮凝的条 件。 2 3 3 絮体的特性 铁铝系絮凝剂在废水中水解产生的络合物既具有憎水胶体的特性，又具有亲 水性胶体的特性。脱稳后的胶体通过化学吸附和物理吸附粘附在含有憎水基团的 絮体颗粒上，形成疏松的具有网络结构的絮体。 网络结构的絮体颗粒表面凸凹不平，孔隙密布，比具有相同体积的球形颗粒 的表面积要大很多，许多较小的脱稳胶体就有可能吸附于其上从而使絮体颗粒继 续增大，由于这种絮体具有过剩的表面自由能，也能够吸附水中某些憎水性的脱 稳胶粒，从而降低其表面能。这种结构的絮粒是柔性的物质，在整体受力时容易 发生形变，这就有利于絮体颗粒和其它物质的相互吸附，吸附时又会增加相互接 触的点和面从而为絮体的继续长大创造条件。 对于相同的絮粒，若粘附的脱稳颗粒越多( 尤其是比重较大的粘土、硅酸盐 等刚性颗粒) ，则其密实性和容重越大，气浮时要求粘附的微气泡数也越多。同 时粘附的脱稳颗粒越