[發(fā)明專利]一種納米曝氣裝置及其方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410291285.9
• 申請(qǐng)日: 2014-06-26
• 公開（公告）號(hào): CN104030434A
• 公開（公告）日: 2014-09-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 何若;張紅陶;白惠文;徐剛;趙芝清;蘇瑤;夏芳芳
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號(hào): C02F3/12
• 分類號(hào): C02F3/12
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 張法高

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)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(shù)

微孔曝氣盤的氧氣利用率可達(dá)15%~25%，動(dòng)力效率可達(dá)2?kgO₂/kw.h，是好氧生物處理系統(tǒng)中應(yīng)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(dá)1.5~3.0?mm，而O₂的平均直徑約為0.346?nm，據(jù)此估計(jì)，一個(gè)氣泡中可包含8.1×10¹⁹~6.51×10²⁰個(gè)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(jī)會(huì)與水分子碰撞，與之結(jié)合而轉(zhuǎn)變?yōu)槿芙庋酢６鴼馀輧?nèi)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(fèi)掉。如果將氣泡切割為直徑為10?nm左右，則一個(gè)氣泡中包含的O₂分子僅有2.4×10⁴個(gè)，將大大提高O₂分子與水相的接觸幾率，提高其傳質(zhì)速率。

碳納米管具有極高的拉伸強(qiáng)度、楊氏模量和斷裂伸長(zhǎng)率，是迄今為止發(fā)現(xiàn)的力學(xué)性能最好的材料之一。近年來，其制備及加工技術(shù)也得到了長(zhǎng)足發(fā)展，為其在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。一方面，碳納米管的縱向生長(zhǎng)難題被逐漸攻破，制備出的碳納米管的尺度已由微米級(jí)提升至厘米級(jí)甚至更高。據(jù)報(bào)道，國(guó)外已有制備管徑幾個(gè)納米、長(zhǎng)幾個(gè)厘米的單壁納米管的技術(shù)，且已經(jīng)相當(dāng)成熟。國(guó)內(nèi)近期也報(bào)道，已能夠合成單根長(zhǎng)度達(dá)半米的超長(zhǎng)碳納米管。

另一方面，以內(nèi)徑小于2?nm的雙壁碳納米管陣列為基礎(chǔ)，通過催化裂解法填充氮化硅，可以制備出碳納米管納濾膜。測(cè)試結(jié)果顯示，氣體分子在該納濾膜中的傳輸速度比傳統(tǒng)奴森擴(kuò)散模型預(yù)測(cè)值提高近1個(gè)數(shù)量級(jí)；水分子在該納濾膜中的傳輸速度比連續(xù)流體力學(xué)模型預(yù)測(cè)值提高約3個(gè)數(shù)量級(jí)。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(nèi)的滲透能力卻提高了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

將納米材料應(yīng)用于好氧生物處理系統(tǒng)的曝氣過程，可以顯著降低釋出氣泡的直徑，增加O₂分子與水相的接觸幾率，強(qiáng)化氣相液相傳質(zhì)速率，提高氧氣利用率，大幅削減實(shí)際曝氣量，節(jié)約設(shè)備投資和運(yùn)營(yíng)成本。另外，若將此發(fā)明應(yīng)用于甲烷好氧氧化系統(tǒng)，還可大幅削減甲烷氣體的供給量，節(jié)約可觀的甲烷氣體購(gòu)置成本。此外，有效降低實(shí)際曝氣量，還會(huì)帶來一個(gè)額外的好處，即可以減緩氣流對(duì)活性污泥的強(qiáng)烈沖刷作用，減少其機(jī)械流失的可能性，提高生物處理系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增加操作的靈活性，進(jìn)而提升其運(yùn)行效能。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的是克服現(xiàn)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。

納米曝氣裝置包括進(jìn)氣區(qū)和氣體切割區(qū)，進(jìn)氣區(qū)位于氣體切割區(qū)下部；進(jìn)氣區(qū)包括進(jìn)氣管、緩沖室，氣體切割區(qū)包括基座、密封膠圈、頂蓋、緊固螺釘和納米曝氣膜。進(jìn)氣管與緩沖室的下部相連，基座下部與緩沖室上部相連，基座上部設(shè)有頂蓋，頂蓋通過緊固螺釘與基座連接，頂蓋與基座的結(jié)合處內(nèi)側(cè)設(shè)有卡槽，卡槽內(nèi)設(shè)有密封膠圈，密封膠圈內(nèi)側(cè)設(shè)有納米曝氣膜，密封膠圈與納米曝氣膜連接為一體。

所述的進(jìn)氣管、緩沖室、基座和頂蓋的耐壓強(qiáng)度以及固定螺釘?shù)哪褪軓?qiáng)度均≥1.0Mpa；緩沖室為中空?qǐng)A錐體，錐角為90°~120°，緩沖室底圓直徑與進(jìn)氣管內(nèi)徑之比為10:1~15:1；基座厚度與進(jìn)氣管內(nèi)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(jìn)氣管內(nèi)徑之比為2:1~3:1，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沖室底圓直徑之比為1:1；納米曝氣膜內(nèi)布設(shè)定向排列碳納米管，其定向排列方向垂直于膜片徑向；碳納米管的直徑為1~10nm，長(zhǎng)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。

所述的納米曝氣裝置的曝氣方法是：氣體經(jīng)由進(jìn)氣管進(jìn)入緩沖室，在納米曝氣膜內(nèi)外壓差的驅(qū)動(dòng)下，進(jìn)入納米曝氣膜內(nèi)排布的定向排列碳納米管，并被切割成直徑為1~10nm的極小氣泡，極小氣泡到達(dá)納米曝氣膜外側(cè)表面后被釋放至液相，氣泡表面的氣體分子與水分子接觸，與水分子結(jié)合轉(zhuǎn)化為溶解態(tài)；未與水分子發(fā)生有效接觸，或處于氣泡內(nèi)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并轉(zhuǎn)化為溶解態(tài)；到達(dá)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(huán)境中。