滾動軸承的故障診斷與剩余壽命預算 氣浮中氣泡粒徑分布的實驗研究

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密 級 公開學 號 070381畢 業(yè) 設 計（論 文） 氣浮中氣泡粒徑分布的實驗研究院 （ 系 、 部 ） ： 機械工程學院姓 名：班 級： 環(huán) 071 班專 業(yè)： 環(huán)境工程指 導 教 師 ： 孔惠教 師 職 稱 ： 講師2011 年 5 月 27 日·北京北京石油化工學院學位論文電子版授權使用協(xié)議論文《滾動軸承的故障診斷與剩余壽命預算》系本人在北京石油化工學院學習期間創(chuàng)作完成的作品，并已通過論文答辯。 本人系作品的唯一作者，即著作權人?，F(xiàn)本人同意將本作品收錄于“北京石油化工學院學位論文全文數(shù)據(jù)庫”。本人承諾：已提交的學位論文電子版與印刷版論文的內(nèi)容一致，如因不同而引起學術聲譽上的損失由本人自負。 本人完全同意本作品在校園網(wǎng)上提供論文目錄檢索、文摘瀏覽以及全文部分瀏覽服務。公開級學位論文全文電子版允許讀者在校園網(wǎng)上瀏覽并下載全文。注：本協(xié)議書對于“非公開學位論文”在保密期限過后同樣適用。 院系名稱： 機械工程學院 作者簽名： 學 號： 070381 2011 年 6 月 17 日北 京 石 油 化 工 學 院畢 業(yè) 設 計 （論 文） 任 務 書學院（系、部） 機械工程學院 專業(yè) 環(huán)境工程 班級 環(huán) 071 學生姓名 指導教師/職稱 孔惠/ 講師 1.畢業(yè)設計（論文）題目氣浮中氣泡粒徑分布的實驗研究2.任務起止日期：2011 年 2 月 21 日 至 2011 年 6 月 10 日3.畢業(yè)設計（論文）的主要內(nèi)容與要求（含課題簡介、任務與要求、預期培養(yǎng)目標、原始數(shù)據(jù)及應提交的成果）(1)課題簡 介氣浮法技術是國內(nèi)外正在深入研究與不斷推廣的一種水處理新技術，目前已廣泛應用于工業(yè)廢水、城市 污水和生活飲用水。盡管氣浮工藝已應用于污水處理多年, 但是對氣泡特性的研究直到近年來才引起研究者的注意。進一步研究氣浮中氣泡粒徑分布的相關影響因素，再根據(jù)調(diào)節(jié)影響氣浮工作的因素數(shù)值以實現(xiàn)氣浮的最佳運行效果，對 使氣浮凈化技術達到最佳效果具有重要意義。(2)任務 與要求本研究要求對氣浮過程中氣泡的粒徑分布進行研究。建立以多項流泵德國Edur泵為微氣泡 發(fā)生裝置的小型 實驗裝置；利用Mastersizer 2000 激光粒度儀，確定采用激光衍射法測量粒徑分布的方法；對氣浮過程中影響氣泡粒徑分布的因素如壓力、真空度、 礦化度、表面 張力(PAC)、含油率等參數(shù)進行實驗研究，綜合分析各種參數(shù)對氣泡粒徑大小及分布的影響，并結(jié)合理論分析對實驗現(xiàn)象進行初步解釋。本 題目難易適中，工作量適中。能 夠在一定程度上培養(yǎng)學生獨立思考 問題、解決 問題的能力。(3)應提交的成果① 檢索資料：中文文獻不少于 15 篇，英文文獻不少于 3 篇；② 英文翻譯：英文字符不少于 2 萬，譯文字數(shù)不少于 5000 字；③ 研究論文：包括試驗方案設計、相關試驗數(shù)據(jù)、 試驗現(xiàn)象及數(shù)據(jù)分析。4.主要參考文獻(1)范欣,何利民 ,王鑫,等. 多相流泵溶氣氣浮中氣泡粒徑分布的實驗研究[J].工程熱物理學報.2010,31(7) :1159-1162(2) 陳福泰,左華,李久義,等.新型氣浮裝置 ES-DAF 中氣泡粒徑分布的表征[J].環(huán)境科學, 2004, 25(1): 111-113(3) 張東鋒,多相流 泵溶氣氣浮處理含油污水的實驗研究[D]:[碩士學位論文].北京. 中國石油大學,2009(4) Hudson J.B. Couto, Daniel G. Nunes, Reiner Neumann. Micro-bubble size distribution measurements by laser diffraction technique[J].Minerals Engineering, 2009, (22): 330-3355.進度計劃及指導安排第 1 周 接受任務書，熟悉題目， 查閱文獻。第 2 周 補充文獻查閱，撰寫文獻綜述初稿。第 3 周 完成文獻綜述及開題報告。制作 PPT，完成英文翻譯。第 4 周 制定實驗方案，熟悉實驗儀器， 購置實驗耗材。第 5 周 畫 CAD 設計與定制實驗裝置。第 6 周 定制實驗裝置進行調(diào)試運行。第 7-8 周 不同溶氣壓力對氣泡粒徑的影響實驗。第 9 周 不同真空度對氣泡粒徑的影響實驗。第 10 周 礦化度對氣泡粒徑的影響實驗。第 11 周 表面張力(PAC)對氣泡粒徑的影響實驗。第 12 周 含油率對氣泡粒徑的影響實驗。第 13 周 對實驗數(shù)據(jù)進行整理，補充實驗，并 進行分形維數(shù)分析。第 14 周 整理資料，撰寫修改論文，提交 論文、原始數(shù)據(jù)等全部資料。第 15 周 按照指導教師及評閱教師要求修改論文，制作 PPT，準備答辯。第 16 周 答辯并完成答辯后的修改工作，提交全套資料。任務書審定日期 年 月 日 系（教研室）主任（簽字） 任務書批準日期 年 月 日 教學院（系、部）院長（簽字） 任務書下達日期 年 月 日 指導教師（簽字） 計劃完成任務日期 年 月 日 學生（簽字） 氣浮中氣泡粒徑分布的實驗研究VI摘 要氣浮凈水技術是國內(nèi)外正在深入研究推廣的一種固液分離技術，廣泛應用于煉油、造紙、印染、制革、食品、機械等行業(yè)的工業(yè)廢水處理及生活污水處理。本文在系統(tǒng)總結(jié)氣浮技術的發(fā)展和研究現(xiàn)狀的基礎上，根據(jù)加壓溶氣氣浮裝置結(jié)構簡單、操作方便，產(chǎn)生的氣泡直徑小、分布均勻的優(yōu)點，以氣浮分離理論為指導，設計構建了一套多相流溶氣泵加壓溶氣氣浮實驗裝置，并對影響氣浮處理效果的因素進行了實驗研究。在清水狀況下，通過對真空度（進氣量）和壓力的調(diào)節(jié)獲得氣浮效果最佳參數(shù)范圍。一定的真空度下，壓力越大，氣泡粒徑越小。加入礦化鹽、PAC、煤油對氣泡粒徑有減小作用，但達到一定濃度后影響不再顯著，而起泡劑對氣泡粒徑并無明顯影響。本實驗裝置產(chǎn)生的氣泡粒徑范圍在 30~70um，當真空度 0.02MPa,出口壓力 0.4~0.5MPa 時清水氣泡粒徑可達到 40um 左右，而加入 PAC、煤油的氣泡粒徑可達到 25 um 左右。此外利用分形維數(shù)來表征氣泡密度的相對量大小，實驗表明在確定較小粒徑的情況下，混合物的分形維數(shù)大于清水。馬爾文激光粒度儀測量方法簡便易行，數(shù)據(jù)可靠性強，獲得的粒徑分布參數(shù)范圍較為理想。總之，本次的工作為氣浮技術的更廣更好應用提供了一定的基礎理論指導。關鍵詞：氣浮，氣泡粒徑分布，激光粒度儀，氣液多相泵，分形維數(shù)氣浮中氣泡粒徑分布的實驗研究VIIAbstractAir flotation technique of water purification, as a kind of solid-liquid separation technique, has just been in thorough research and expansion at home and abroad. It is extensively used for waste sewage treating and domestic sewage treating in oil refining, paper making, printing and dyeing, foodstuff and machinery, etc. In the thesis, a systematic summary of the development of flotation technology and the research status quo is presented. In view of the advantages of pressurized dissolved air flotation such as simple structure, easy operation, small bubbles and even distribution of the bubbles, a set of pressurized dissolved air flotation apparatus is constructed with a multiphase pump as its air-dissolving device. And the main factors which influence the effect of air flotation are studied in-depth.In the pure water, regulating through the vacuum (gas flow) and pressure can obtain the best parameters range of flotation. At a certain vacuum, the higher the pressure, the smaller the micro-bubble size is. The adding of salinity, PAC and kerosene can reduce the particle size of the micro-bubble, but after a certain concentration it has no obvious effect as before, however, foaming agents have no significant effect on the micro-bubble size. The micro-bubbles size generated by the experimental device is in the range of 30um ~ 70um, when at vacuum 0.02MPa, outlet pressure 0.4 ~ 0.5MPa, micro-bubble size distribution can be achieved at an optimum state of 40um, while adding of PAC and kerosene it even reach to 25 um. In addition, fractal dimension can be used to characterize the size of bubbles’ relative density . The experiment shows that when the condition is determined by the requirement of smaller particle size, the mixture of the fractal dimension is larger than pure water.Malvern laser particle size analyzer has an advantage of its simple operation and reliable data when measuring micro-bubble size distribution to achieve ideal size parameter range. Above all, all the work involved in the paper provides certain fundamental theoretical instruction for local development of air flotation technique.Key words: air flotation, micro-bubble size distribution, multiphase pump, laser particle size analyzer，fractal dimension氣浮中氣泡粒徑分布的實驗研究III目 錄第一章 前 言 11.1 選題背景 11.2 氣浮凈水技術的發(fā)展 11.2.1 氣浮凈水技術的發(fā)展歷程 .21.2.2 氣浮凈水技術簡介 .31.2.3 新型氣浮設備簡介 .61.3 氣浮理論體系 71.3.1 熱力學理論 .71.3.2 動力學理論 .71.3.3 流體力學理論 .91.3.4 氣浮發(fā)生的過程 .101.4 本文研究的主要內(nèi)容 .14第二章 實驗裝置及測試方法 .162.1 實驗裝置 .162.1.1 氣浮系統(tǒng)的選定 .162.1.2 關鍵設備型號的確定 .192.2 氣泡粒徑的測量 .202.2.1 測量方法 .202.2.2 馬爾文激光粒度儀簡介 .212.2.3 斯托克斯法求氣泡粒徑 .272.3 氣泡濃度的測量 .272.3.1 數(shù)學方法計算氣泡分形維數(shù) .272.3.2 軟件分析計算氣泡分形維數(shù) .29第三章 氣泡粒徑分布的清水實驗研究 .303.1 實驗操作流程 .303.2 壓力對氣泡粒度的影響 .32氣浮中氣泡粒徑分布的實驗研究IV3.3 真空度對氣泡粒度的影響 .383.4 斯托克斯公式法求氣泡粒徑 .423.4.1 氣浮柱觀察求氣泡粒徑 .423.4.2 量筒觀察求氣泡粒徑 .463.5 顯微攝像法測氣泡粒徑 .483.6 分形維數(shù)的比較 .493.7 小結(jié) .51第四章 不同物質(zhì)對氣泡粒徑分布影響的實驗研究 .524.1 礦化度對氣泡粒徑的影響 .524.1.1 礦化度簡介 .524.1.2 實驗操作流程 .534.1.3 實驗數(shù)據(jù) .534.1.4 數(shù)據(jù)分析 .564.2 PAC 濃度對氣泡粒徑的影響 564.2.1 PAC 簡介 .564.2.2 實驗操作流程 .584.2.3 實驗數(shù)據(jù) .584.2.4 數(shù)據(jù)分析 .614.3 起泡劑對氣泡粒徑的影響 .614.3.1 起泡劑簡介 .614.3.2 實驗操作流程 .614.3.3 實驗數(shù)據(jù) .624.3.4 數(shù)據(jù)分析 .654.4 含油率對氣泡粒徑的影響 .654.4.1 煤油簡介 .654.4.2 實驗操作流程 .654.4.3 實驗數(shù)據(jù) .664.4.4 數(shù)據(jù)分析 .684.5 小結(jié) .68氣浮中氣泡粒徑分布的實驗研究V第五章 結(jié)論與展望 .525.1 結(jié)論 .725.2 對進一步研究的展望 .72參 考 文 獻 74致 謝 76附錄 177附錄 285聲 明 87氣浮中氣泡粒徑分布的實驗研究- 1 -第一章 前 言1.1 選題背景近年來，全球的環(huán)境污染不斷惡化，其中水源的不斷污染越來越成為一個國家發(fā)展刻不容緩的問題。環(huán)保部 2010 年 4 月 21 發(fā)布的最新數(shù)據(jù)：2008 年我國廢水排放總量為 571.7 億噸，比上年增加了 2.7％。污水排放量很大，但污水處理率低：工業(yè)廢水處理率約 80％ ，達標排放的只有 60％。90％以上的城市水域受到污染，50％左右地下水水質(zhì)受到污染，50％以上的重點城鎮(zhèn)的飲用水源不符合標準 [1]。2011 年 5 月 13 日，國家海洋局在京召開新聞發(fā)布會，發(fā)布《2010 年中國海洋環(huán)境狀況公報》 [2]。 該報告指出：相比 2009 年海洋赤潮、綠潮災害有所減輕，但是海上溢油事故風險加劇。2010 年 7 月 16 日大連新港石油儲備庫輸油管道爆炸造成大量原油泄漏入海，事故鄰近海域和部分敏感功能區(qū)受到不同程度影響。如今隨著石油工業(yè)的發(fā)展，陸地油田的不斷耗竭，海洋石油產(chǎn)量，尤其是在過去20 年間，其占全球石油總產(chǎn)量中的比重已從 20%上升到 30%以上了。與陸上油田一樣，海上油田的油井產(chǎn)出液中也不可避免地含有大量的地層伴生水。20 世紀 80 年代初，國內(nèi)第一套由同濟大學設計的日處理 l000t 規(guī)模的氣浮裝置，用來處理印染廢水獲得了成功，標志我國氣浮設備的研制與開發(fā)邁上了一個新的臺階。氣浮技術因其在造紙白液的纖維回收、含油廢水的處理；印染、化工、輕工、食品、制藥等工業(yè)廢水物化處理；各類生物處理中生物絮體與水分離(代替二沉池 )等方面的適用以及具有處理效率高、效果好、對水質(zhì)適應廣等優(yōu)點，正在得到深入研究和不斷推廣。在凈水工藝中的應用，氣浮技術的進展一直不大，原因在于氣泡的尺寸很難控制，后來國外出現(xiàn)了專用釋放器，有各種形式的噴嘴、針形閥等，在國內(nèi)也得到了應用。70 年代以后，人們改善了溶氣方法，解決了溶氣釋放中產(chǎn)生的氣泡尺寸及其數(shù)量這個關鍵性難題，氣浮凈水技術才得以采用和逐步推廣。1905 年，美國專利刊出了加壓溶氣技術。1907 年，H.Norris 發(fā)明了噴射溶氣氣浮技術。因此，氣浮技術的發(fā)展，尤其是針對其中的氣泡尺寸及其數(shù)量問題的研究，將大大改善水質(zhì)的處理效果，符合現(xiàn)代人對水質(zhì)的追求，也將給我們的生活質(zhì)量帶來巨大的影響。1.2 氣浮凈水技術的發(fā)展氣浮中氣泡粒徑分布的實驗研究- 2 -1.2.1 氣浮凈水技術的發(fā)展歷程氣浮法是一種歷史悠久的固液分離技術，氣浮凈水技術在國內(nèi)外應用廣泛。其原理是通過某種方式向廢水中通入空氣，并以微小氣泡的形式從水中析出，然后以此為載體，粘附廢水中的乳化油、微小懸浮顆粒等污染物質(zhì)，使其隨氣泡一起上浮到水面，形成泡沫－氣、水、顆粒(油)三相混合體，通過收集泡沫或浮渣達到分離雜質(zhì)、凈化廢水的目的。氣浮技術最早應用于礦冶工業(yè)，其方法是先把礦石磨碎成粉粒，加水制成懸濁液，然后加入浮選劑，并通入氣泡，使礦石中有用的成份粘附在氣泡周圍而向上浮起，不能粘附在氣泡上的雜質(zhì)則下沉，從而達到富集有用礦石的目的 [1]。由于它可用于固體與液體，液體與液體，水中不同的固體與固體甚至溶液中離子的分離，而且這種分離技術具有設備簡單，分離速度快等特點。因而近年來這種技術理論和應用的研究引起了越來越多的水處理和分析化學等科學工作者的廣泛關注。在水處理領域中，早在 1920 年，C.L.PECK 就考慮用氣浮法處理污水，1930年瑞典某造紙廠曾試用一種將空氣在壓力下溶解于白水的水處理中，但上述實驗結(jié)果均未公開發(fā)表和引起足夠重視。直到 1943 年漢森和高雷斯的英文排水雜志上才公開發(fā)表了有關氣浮法處理污水的文章。在 60 年代，美國出現(xiàn)溶氣氣浮處理污水的報道，1960 年，第一臺葉輪氣浮凈化器出現(xiàn)在美國長灘油田。上世紀 60 年代以前，氣浮技術發(fā)展較慢，很少見其研究和應用的報道，究其原因主要是制造微氣泡的技術沒過關，特別是采用分散空氣氣浮時，產(chǎn)生的氣泡不夠微細，顆粒的粘附能力很差，大氣泡還會產(chǎn)生嚴重紊流而撞碎絮體。我國是最早研究氣浮技術的國家之一。隨著工業(yè)的發(fā)展，特別是石油工業(yè)的發(fā)展，氣浮凈水技術被世界各國廣泛用于煉油、石油開發(fā)、化工、造紙等行業(yè)。1963 年哈爾濱建工學院在對齊齊哈爾鋼廠煤氣發(fā)生站含酚廢水進行預處理除油研究中用過射流浮選，試驗除油效率為 80%左右。大慶油田設計院在 1963~1965 年期間，曾在東油庫污水站用自制的葉輪浮選機進行過氣浮試驗，除油效率達到 99 .7%，但當時考慮到無定型的葉輪浮選機產(chǎn)品，且混凝除油也有較好的效果，因此從 60 年代到 80 年代中期，油田開發(fā)業(yè)一直沒用氣浮法處理含油廢水。我國在 60 年代末已有壓力溶氣裝置應用于食鹽溶液的凈化和石油廢水的處理。70 年代氣浮技術迅速發(fā)展，當采氣浮中氣泡粒徑分布的實驗研究- 3 -用部分回流溶氣氣浮法時氣法時，顯著改善了氣浮的地位。在水處理技術中，氣浮法(也稱浮上法)固-液或液- 液分離技術已廣泛地應用在下述幾個方面：1. 在飲用水處理上，浮上法已成功地應用在處理低濁度、含藻類及一些浮游生物的水處理工藝中。2. 用于石油、化工及機械制造業(yè)中的含油(包括乳化油)污水的油水分離中。3. 用于有機及市政污水的物化處理工藝中。4. 用于廢水中有用物質(zhì)的回收，如造紙廠紙漿纖維及填料的回收工藝。5. 與有機廢水生物處理相配合用浮上法代替二次沉淀池，特別對于那些易于產(chǎn)生污泥膨脹的生物處理工藝中，可保證處理工作的正常運行。6. 已研究應用在對污水處理廠剩余污泥進行氣浮濃縮的處理工藝 [3]。1.2.2 氣浮凈水技術簡介氣浮法主要用來處理廢水中靠自然沉降或上浮難以去除的乳化油或相對密度接近于水的微小懸浮顆粒。根據(jù)氣泡產(chǎn)生方式的不同，氣浮法可分為電解氣浮、散氣氣浮和溶氣氣浮法三種，其中部分回流水加壓溶氣氣浮法是一種國內(nèi)外常用的氣浮方法。此外，還有生化氣浮、離子氣浮等 [4]。(1) 電解氣浮電解氣浮法是向水中通入 5~10V 的直流電壓，廢水在直流電壓的作用下電解產(chǎn)生 H2、O 2 和 CO2 等的微小氣泡。利用電解法產(chǎn)生的氣泡密度小，直徑 10~60 um，浮升過程中不會引起水流紊動，浮載能力大，特別適用于脆弱絮凝體的分離。如果采用鋁板或鋼板作陽極，則電解溶蝕產(chǎn)生的 Fe2+和 A13+離子經(jīng)過水解、聚合及氧化，生成具有凝聚、吸附及共沉作用的多核輕基絡合物和膠狀氫氧化物，有利于水中懸浮物的去除。但由于存在電耗較高，電極板易結(jié)垢等問題，目前該法主要用于小規(guī)模的工業(yè)廢水處理和污泥濃縮中。電解氣浮除用于固液分離外，還有降低有機物、氧化、和殺菌作用，對廢水符合變化適應性強，生成污泥量小，占地面積少，不產(chǎn)生噪聲。(2) 機械攪拌氣浮機械攪拌氣浮是利用機械剪切力，將混合于水中的空氣粉碎成細小的氣泡，以進行氣浮處理的方法。按粉碎氣泡方法的不同，散氣氣浮又分為：水泵吸水管吸氣氣浮、射流氣浮、擴散板曝氣氣浮以及葉輪氣浮等。氣浮中氣泡粒徑分布的實驗研究- 4 -葉輪氣浮法是機械攪拌氣浮中最常用的一種，其基本原理為：依靠葉輪的高速旋轉(zhuǎn)形成的負壓，吸入氣體并將其剪碎，形成微小的氣泡，利用氣泡攜帶污水中的污染物質(zhì)上浮至水面，以凈化污水。葉輪高速旋轉(zhuǎn)時，在固定的蓋板下形成負壓，氣體從進氣管中吸入，進入水中的氣體與循環(huán)水流一起被葉輪充分攪拌，在葉輪剪切力作用下，氣體被剪碎為微細的氣泡并與循環(huán)水流一起甩出導向葉輪，經(jīng)過穩(wěn)流板消能，氣泡攜帶污染物質(zhì)垂直上升，進行氣浮處理。葉輪氣浮法的氣浮效果取決于葉輪的轉(zhuǎn)速、浮選劑的投加量和污水在浮選池內(nèi)的停留時間。葉輪的轉(zhuǎn)速愈高，產(chǎn)生的負壓越高，吸入的氣量大，并且能夠?qū)⑵浼羟谐筛〉臍馀荻欣跉飧√幚?。但轉(zhuǎn)速過高時，提高了油珠和懸浮物的乳化程度，使其以更細小的顆粒存在于水體中，這樣反而會使處理效果下降。浮選劑的投加一方面減弱了絮體表面的親水性，增強其疏水性，以利于氣泡與絮體的粘附作用，另一方面降低了氣、水界面的界面張力，減小了氣泡之間相互兼并的幾率，使細小氣泡能夠穩(wěn)定地存在于水體中。污水在浮選池中的停留時間，直接影響著氣泡與絮體及氣泡之間的碰撞接觸時間，在氣浮處理中，存在著三種不同的碰撞和粘附作用：①氣泡與絮體之間；②氣泡與氣泡之間；③攜帶氣泡的絮體之間。后兩種粘附作用會降低水體中的氣泡密度，破壞已上升的絮團結(jié)構，而不利于氣浮處理。如果停留時間太短，粘附氣泡的絮體未能上浮至水面就隨著出水流出，處理效果不理想；停留時間過長時，氣泡之間與攜帶絮體的氣泡之間的兼并量增大，也會降低氣浮處理的效果。(3) 加壓溶氣氣浮溶氣氣浮是使空氣在一定壓力下溶于水中并呈飽和狀態(tài)，然后使廢水的壓力驟然降低，這時空氣便以微小的氣泡從水中析出并進行氣浮。這種方法形成的氣泡直徑只有 80u m 左右，而且可以人為控制氣泡與廢水的接觸時間，因而處理效果遠比散氣氣浮好，應用也更為廣泛。根據(jù)氣泡從水中析出時所處的壓力不同，溶氣氣浮又可分為兩種方式：一種是溶氣真空氣浮，空氣在常壓或加壓下溶于水中，而在負壓下析出；另一種是加壓溶氣氣浮，空氣在加壓下溶入水中，而在常壓下析出。加壓溶氣氣浮廣泛地應用于含油污水的處理，通常作為隔油后的處理和過濾或生化處理前的預處理，其氣浮裝置一般應包含加壓溶氣系統(tǒng)、微氣泡發(fā)生系統(tǒng)和懸浮物分離系統(tǒng)等。其中，微氣泡發(fā)生系統(tǒng)的溶氣釋放器只有產(chǎn)生微氣泡的密氣浮中氣泡粒徑分布的實驗研究- 5 -度較高，才能提高氣浮的凈水效果。同濟大學于 1978 年研制成功 TS278 型低壓溶氣釋放器，陳林峰于 1999 年研制成功高效溶氣釋放機 [4]。根據(jù)加壓方式的不同，加壓溶氣氣浮法具有三種不同的基本流程：全流程溶氣氣浮、部分溶氣氣浮和部分回流溶氣氣浮。全流程溶氣氣浮法是將全部廢水用水泵加壓，在泵前或泵后注入空氣。在溶氣罐內(nèi)，空氣溶解于廢水中，然后通過減壓閥釋放將溶氣廢水送入氣浮池。減壓釋放后的溶氣廢水在氣浮池內(nèi)形成許多小氣泡，粘附廢水中的乳化油滴或懸浮物顆粒，一起上浮至水面，在水面上形成浮渣。用刮板將浮渣排入浮渣槽，最后經(jīng)浮渣管排出池外。處理后的凈化水通過溢流堰和出水管排出。其特點為：①溶氣量大，增加了油?；驊腋☆w粒與氣泡的接觸機會；②在處理水量相同的條件下，比部分回流溶氣氣浮所需的氣浮池小，減少了基建投資；③由于全部廢水經(jīng)過壓力泵，所以增加了含油廢水的乳化程度，而且所需的壓力泵和溶氣罐均較其它兩種流程大，因此投資和運轉(zhuǎn)動力消耗較大。部分溶氣氣浮法是取部分廢水加壓和溶氣，其余廢水直接進入氣浮池并在氣浮池中與溶氣廢水混合。其特點為：①較全流程溶氣氣浮所需的壓力泵小，故動力消耗低；②壓力泵所造成的乳化油量較全流程溶氣氣浮低； ③氣浮池的大小與全流程溶氣氣浮相同，但較部分回流溶氣氣浮小。部分回流水溶氣氣浮法是取一部分處理后的凈化水回流進行加壓溶氣，溶氣水釋放后直接進入氣浮池，與氣浮池內(nèi)的含油廢水混合，進行氣浮處理?；亓魉恳话銥閺U水的 25%~50%。目前該溶氣氣浮法應用比較廣泛，具有以下特點：①空氣溶解度大，供氣浮用的氣泡數(shù)量多，能夠確保氣浮效果；②溶入的氣體經(jīng)驟然減壓釋放，產(chǎn)生的氣泡不僅微細、粒度均勻、密集度大，而且上浮穩(wěn)定，對液體擾動??；③工藝過程及設備比較簡單，便于管理和維護；④處理效果顯著，出水水質(zhì)穩(wěn)定；⑤氣浮過程中不促進油滴的乳化。不加絮凝劑的情況下，溶氣氣浮法可以有效去除大于 40 um 的油滴，對于大量分散的細小油滴和親水性懸浮顆粒，其去除效果卻很差。向待處理污水中加入氣浮中氣泡粒徑分布的實驗研究- 6 -適量的絮凝劑可以使細小的顆粒聚結(jié)變大，同時改善懸浮顆粒的親水、親油性，從而提高氣浮處理效果。A.I.Zouboulis 等 [5]利用溶氣氣浮裝置處理油水乳狀液，以氯化鐵為絮凝劑，在最佳運行狀態(tài)下，乳化油滴的去除率大于 95％。Malik L.Hami 等[6]在溶氣氣浮法處理煉油廠污水中加入活性炭粉末，取得了良好的處理效果。1.2.3 新型氣浮設備簡介然而，隨著研究的不斷進展又相繼出現(xiàn)了新型高效氣浮設備如：渦凹氣浮(Cavitation-Air Flotation)、 EDUR 型高效氣浮裝置 (EDUR′s DAF System)、淺層氣浮設備等。(1) 渦凹氣浮 (Cavitation-Air Flotation)其工作原理是未經(jīng)處理的污水首先進入裝有專利渦凹曝氣機的小型充氣段。污水在上升的過程中通過充氣段，絮體和懸浮物與微氣泡充分混合接觸，由于氣固混合物和液體之間存在密度差，以至產(chǎn)生一個垂直向上的浮力，將固體懸浮物帶到水面。上浮過程中散氣泡附著到懸浮物上，到達水面后固體懸浮物便依靠這些氣泡支撐和維持在水面，通過連續(xù)移動的鏈條刮渣機刮到污泥槽中去除。1997 年 3 月美國麥王公司引進首臺 CAF 渦凹氣浮系統(tǒng)，在中國昆明第二造紙廠廢水處理廠成功投入并運行成功，結(jié)束了中國廢水處理中一直沿用壓力溶氣氣浮(DAF)的歷史。(2) 淺層氣浮設備淺層氣浮出現(xiàn)是氣浮凈水技術的一個重大突破。它改靜態(tài)進水，動態(tài)出水為動態(tài)進水，靜態(tài)出水，利用“零速度” 原理，使浮選體在相對靜止的環(huán)境中垂直浮至水面，上浮路徑減至最小，且不受出水流速影響。該技術的特點如下：①溶氣水質(zhì)量很高，其氣泡直徑一般在 10μm 左右，這就大大增加了微氣泡與懸浮物 SS 的接觸面積和接觸點，有利于上浮作用。實踐證明：氣泡直徑越小越不易破裂，這就避免了上浮過程中及上層浮出物因氣泡破裂造成懸浮物重新下沉的癖病。超效淺層氣浮的第一個關鍵技術是溶氣水的制造。其溶氣管構造獨特，是其專利技術，體積很小，但溶氣效果很好，這是其優(yōu)于其他氣浮形式的關鍵所在。②池子很淺，一般水位控制在 400~600mm 左右，大大縮短了氣浮時間，一般 3~5min 即可完成氣浮過程，因此氣浮效率比射流深池氣浮提高 5 倍以上。氣浮中氣泡粒徑分布的實驗研究- 7 -③布水均勻，且釋放出的水直接上升，基本無橫向流動，避免了橫流對上浮作用的影響。④靠近池底部有連續(xù)運轉(zhuǎn)的沉淀物清除刮板，便于沉淀物及時清除，保證了池底干凈及有效氣浮水深。(3) EDUR 型高效氣浮裝置(EDUR′s DAF System)EDUR 型高效氣浮裝置吸收了 CAF 切割氣泡和 DAF 穩(wěn)定溶氣的優(yōu)點，如圖1-1 所示，整套系統(tǒng)主要由溶氣系統(tǒng)、氣浮設備、刮渣機、控制系統(tǒng)和配套設備等組成。傳統(tǒng)部分回流 DAF 系統(tǒng)的用戶都會遇到溶氣水不穩(wěn)定，去除效果不穩(wěn)定的現(xiàn)象，這主要原因是回流水與空氣在溶氣管中形不成溶氣水，而從溶氣管視鏡中只看到浮選劑的泡沫。有時溶氣管壓力高達 0.4MPa，而釋放出來的溶氣水不是大的氣泡，就是細小的水珠；有時看起來是乳白色的溶氣水，而其實是浮選劑的泡沫，根本達不到凈化目的。EDUR 型高效氣浮裝置不會因為回流水浮選劑太多而造成難以形成溶氣水的后果，同時也克服了一般氣浮所需回流水泵溶氣壓力、溶氣率低的缺點。1.3 氣浮理論體系隨著氣浮理論的不斷豐富和發(fā)展，逐漸演變分化出三大理論體系：熱力學理論、動力學理論和流體力學理論，分別從不同的角度對氣浮過程，氣泡/顆粒的粘附機理進行了闡述。1.3.1 熱力學理論熱力學理論從接觸角和表面自由能的角度入手，研究絮體顆粒與微氣泡的粘附機理。該理論認為：壓力溶氣水減壓釋放后形成的微氣泡，其外層包裹著一層透明的彈性水膜，除排列疏松的外層（流動層）泡膜在上浮過程中受浮力和阻力的影響而流動外，其內(nèi)層(附著層)泡膜與空氣一起構成穩(wěn)定的微氣泡而上浮；經(jīng)過絮凝劑脫穩(wěn)形成的具有柔性網(wǎng)絡結(jié)構的絮粒，保留有一定的過剩自由能和憎水基團；二者之間的粘附結(jié)合過程是體系自由能降低的熱力學自發(fā)過程。1.3.2 動力學理論氣浮中氣泡粒徑分布的實驗研究- 8 -動力學理論從粘附行為的微觀過程入手，研究絮體顆粒和微氣泡的粘附速度問題。氣泡和絮粒的粘附結(jié)合主要是以下幾種因素綜合作用的結(jié)果 [8]：(1) 絮粒的網(wǎng)捕、包卷和架橋作用絮粒對氣泡的網(wǎng)捕是指兩絮粒相互接觸并結(jié)合變大時，將游離在中間的自由氣泡網(wǎng)捕進去，如圖 1-1A 所示；包卷是指動能較大的微氣泡撞進大絮粒網(wǎng)絡結(jié)構的凹槽內(nèi)，被游動的絮粒所包卷，如圖 1-1B 所示；架橋作用指己粘附有氣泡的絮粒之間相互接觸時，通過絮粒、氣泡或兩者的吸附架橋而結(jié)合變大，成為夾泡性帶氣絮粒，如圖 1-1C 所示。A 網(wǎng)捕 B 包卷 C 架橋圖 1-1 絮粒的網(wǎng)捕、包卷和架橋作用(2)氣泡絮粒碰撞粘附由于絮粒與微氣泡帶有一定的憎水性能，比表面積又很大，并且有剩余的自由界能。因此，它們具有相互吸附而降低各自表面自由能的傾向。在一定的水力條件下，當具有足夠動能的微氣泡和絮粒相互靠近時，通過分子間的范德華引力而相互吸附，并且彼此擠開對方結(jié)合力較弱的外層水膜相互靠近，氣泡可以粘附在絮粒外圍，也可擠開絮粒中的自由水面而進入內(nèi)部。絮粒與氣泡的粘附點越多，粘附得越牢，如圖 1-2 所示。氣體與絮粒的碰撞機理包括布朗運動、截留作用和重力沉淀作用及慣性作用。氣浮中氣泡粒徑分布的實驗研究- 9 -圖 1-2 氣泡與絮體的碰撞粘附作用(3)微氣泡與微絮粒間的聚并。微氣泡與絮粒碰撞粘附形成帶氣絮體，這種有微氣泡直接參與凝聚而與絮粒聚并長達的過程稱作共聚作用。氣泡與絮體的粘附方式包括三種：單氣泡粘附單絮體、氣泡粘附在絮體周圍及氣泡粘附在絮粒中間和周圍。理想的帶氣絮體應該將氣泡包含在絮體內(nèi)部，這種絮體在上浮過程中，氣泡不會脫落，并繼續(xù)聚并長大，成為浮渣后也不會輕易下沉，最能夠充分發(fā)揮氣泡與絮粒的共聚作用。(4)表面活性劑的參與作用。水中存在表面活性劑時，會影響微氣泡的大小和牢度。潔凈的氣泡本身具有自動降低表面自由能的傾向，即氣泡合并作用。因此，表面張力大的潔凈水中的氣泡常常不能達到氣浮操作所要求的極細的分散度。此外，如果水中表面活性物質(zhì)很少，氣泡壁表面就會由于缺少兩親分子吸附層的包裹而變?。划敋馀莞∩剿嬉院?，水分子很快蒸發(fā)，極易使氣泡破滅，這樣，在水面上就無法形成穩(wěn)定的氣泡泡沫層。為了防止這些現(xiàn)象的產(chǎn)生，當水中缺少表面活性物質(zhì)時，需要向水中投加表面活性劑以減小液體的表面張力。但是，表面活性劑也會影響絮體的憎水性能，進而影響氣浮凈水效果。當水中的表面活性劑劑量適中時，絮體的附加憎水基團增加，因此會提高凈水效果，但表面活性劑劑量過高時，過量的表面活性劑又會在水中形成大量的膠束，并穩(wěn)定存在于水中，導致氣浮效果變差。對粘附結(jié)合現(xiàn)象的理解可以借助動力學模型，主要有群體平衡理論模型和軌跡理論模型。該模型指出了氣浮運行效果主要受混凝預處理參數(shù)和氣浮設計參數(shù)氣浮中氣泡粒徑分布的實驗研究- 10 -的影響。Kitchener、Tambo 等 [7]從 ξ 電位和水化層方面研究，探討其粘附條件，并且提出了相應的數(shù)學模型。單忠健等 [8]從“分離壓” 的基本概念出發(fā)，通過氣泡與絮粒間殘留水化層性能的測定和計算，探討了氣泡與絮粒粘附過程的機理。羅固源 [9]從界面自由能出發(fā)，通過水、氣、粒三相界面總自由能的變化計算，探討了氣泡與絮粒粘附時，絮粒與水的接觸角與粘附之間的關系，研究了氣泡與絮粒粘附過程的條件。1.3.3 流體力學理論流體力學理論從氣浮池的水力學特征入手，研究如何創(chuàng)造氣泡與絮體粘附、分離的水力條件。氣浮池的形狀因此也經(jīng)歷了從狹長矩形淺池，逐步發(fā)展到圓形深池；氣浮池的表面負荷也從 2~3m/h 增大到 25~40m/h(甚至更高)；更為重要的是，氣浮池分離區(qū)的流態(tài)由原來的層流轉(zhuǎn)化為紊流。在這期間，浮濾池、浮沉池、紊流氣浮池等應運而生。近年來，J.Haarhoff [10]、N.S.J.Fawceet [11]、M.Lundh [12]等用計算流體力學(CFD)對氣浮池內(nèi)水流特征進行觀測和模擬，發(fā)現(xiàn)分離區(qū)上部存在分層流和三維流動，水力條件對凈水效果的重要性認識正逐漸深化。綜上所述，氣浮技術的三大理論體系中，動力學理論從粘附行為的微觀過程入手，研究絮粒成長過程，及氣泡、絮粒的碰撞粘附過程，而這些過程直接影響到氣浮處理的效果，因此可以預見對這一領域的研究在未來的很長一段時間內(nèi)都將是氣浮理論研究的重要內(nèi)容。1.3.4 氣浮發(fā)生的過程在氣浮法處理含油污水中，氣浮發(fā)生的整個過程包括四個基本階段：氣泡的產(chǎn)生；氣泡和油滴/絮粒的接觸；氣泡和油滴/絮粒的粘附；氣泡－油滴/絮粒共聚體的上浮，撇渣去除。(1)氣泡的產(chǎn)生氣泡產(chǎn)生的方式主要有三種：①向水中通入直流電壓，電解產(chǎn)生微氣泡，稱為電解氣?。虎谕ㄟ^氣體和液體的機械混合產(chǎn)生微氣泡，稱為擴散氣浮，或散氣氣浮；③高壓下將氣體溶解于水中，形成溶氣水，然后在常壓下釋放形成大量微氣泡，稱為溶氣氣浮。氣浮中氣泡粒徑分布的實驗研究- 11 -2*1 31()2KEK?????obr氣泡的產(chǎn)生方式?jīng)Q定了所產(chǎn)生的氣泡的直徑和密度，而氣泡的直徑和密度又決定了氣泡和油滴/絮粒的碰撞效率，因而氣泡的產(chǎn)生方式直接影響到氣浮的處理效果。(2)氣泡和油滴/絮粒的接觸氣浮過程中，氣泡和油滴/絮粒必須進行接觸，才能發(fā)揮氣泡的作用。氣泡和油滴/ 絮粒的接觸過程是一個基本的水動力學過程。因為一般情況下，油滴 /絮粒和氣泡的密度比水小，相對于水來說比較容易上浮。通常，氣泡的直徑要比油滴的直徑大，氣泡與水的密度差也比油滴/絮粒與水的密度差大，由于這兩個原因的存在，氣泡比油滴/絮粒的上浮速度更快，可以超越油滴 /絮粒，這引起了氣泡－油滴/絮粒相互接觸的可能性。另外，在某個運動氣泡的周圍存在液體的流動，從而引起油滴/絮粒的偏離，運動氣泡與油滴/絮粒的偏離將會降低其接觸的可能性。對于比水的密度大的固體顆粒的水動力學問題，目前已經(jīng)有了大量的數(shù)學研究，因為該領域由于氣浮選廣泛應用于礦產(chǎn)工業(yè)分離多種礦物而受到了很大的關注。固體顆粒與水的分離和油滴/絮粒與水的分離不同，固體顆粒通過泡沫下沉，而油滴/絮粒更易于上浮。不過固體顆粒與水的分離的一些研究結(jié)論還是可以推廣到油滴/絮粒與水的分離。對于氣泡和顆粒接觸過程的研究，主要應集中在影響接觸過程的參數(shù)，以及如何使這一過程最優(yōu)化。在數(shù)學上，這些是通過確定氣泡－顆粒接觸效率的函數(shù)依賴來完成的。此處的接觸效率定義為：運動路徑上，經(jīng)過氣泡并與氣泡實際接觸的部分顆粒與路徑上顆粒總數(shù)的比值。Flint 和 Howarth 計算出了在含有空間上均勻分布的顆粒的無限水的接觸效率。計算結(jié)果表明，忽略慣性的小顆粒(如直徑500 um 的油滴發(fā)生接觸，因為顆粒的密度比水小。然而該研究認為，必須指出可以忽粒的集合，因而將接觸定義為：顆粒中心軌跡線與氣泡表面相交。這一顆粒表面，因顆粒的中心經(jīng)過氣泡附近，而與氣泡發(fā)生接觸的可能性。Reay 和 Ratcliff 在研究中假設了顆粒的慣性不起主導作用，而且小的影響，認為顆粒與氣泡都存在于斯托克斯流動體系中。其接觸效率(1-1)其中氣浮中氣泡粒徑分布的實驗研究- 12 -334(2)bxrf??(1-2)(1-3)Reay 和 Ratcliff 的研究結(jié)果表明，接觸效率隨著顆粒直徑的增大而急劇增大。而且，在給定含氣量的情況下，氣泡密度隨著氣泡直徑的此，減小氣泡的直徑，氣泡的數(shù)量增加，而且單個氣泡的接觸效率增加粒去除率。Reay 和 Ratcliff 分析認為，顆粒的去除率與 成比例。因為 Reay 和 Ratcliff 的研究中，假設的斯托克斯流動僅當氣泡直徑100um 時才有效，限制了計算的準確性，而且分析中忽略了單個氣泡的影響。為了更好的理解氣泡和顆粒的直徑及氣泡的密度對接觸效率的影響簡單的幾何模型，該模型不考慮水的動力，認為直徑相同的氣泡均勻分布單個氣泡可以認為是在邊長為 2b 的立方體的中心。使 的值最小化，將會使立方體內(nèi)的油滴/絮粒與氣泡發(fā)生接觸的可能性最大化。因為(1-4)(1-5)31)6boooxrf????通過上面的公式可以得出，使 、 和 將會使的 的值達到最這也說明了擁b有高濃度的小氣泡和大直徑的油滴/絮粒是很重要的。(3)氣泡和油滴/絮粒的粘附為了使氣浮的過程順利完成，氣泡和油滴/絮粒接觸后，油滴必須粘附到氣泡的表面，并且維持粘附的狀態(tài)直到氣泡上升至水面。這一過程是非常復雜的，涉及到了水動力學特性和表面化學特性。油滴和氣泡之間存在一層很薄的水膜，這層水膜必須足夠薄，并且破碎后才能油滴和氣泡發(fā)生實際的接觸。水膜破碎的過程必須發(fā)生在油滴和氣泡接觸的時間內(nèi)，否則將不會發(fā)生粘附。因此只有一小部分與氣泡發(fā)生接觸的油滴會真正粘附到氣泡表面。這部分油滴與實際發(fā)生接觸的油滴總數(shù)的比值定義為氣泡與油滴的粘附效率。粘附效率與接觸效率的乘積給出了系統(tǒng)整體除油率。氣泡和油滴之間的薄膜變薄的過程非常復雜，包含了施加于薄膜最初帶動兩個顆粒相互靠近而后又傾向于使其分離的水動力與薄膜界面邊界條件之間的相互關系。氣浮池內(nèi)的水力條件和油滴與氣泡附近的水動力學特點決定了粘附的水力特性，而接觸表面*2(1)()OKf?????/()/oborr???氣浮中氣泡粒徑分布的實驗研究- 13 -213dvmFt??1agV?2wF?(1-10)2()wagVvCA???的邊界條件是由表面化學特性決定的。大量研究表明表面電荷、界面張力、界面張力梯度和表面粘度，都是影響薄膜化進程重要因素。(4)氣泡－油滴/絮粒共聚體的上浮油滴/絮粒與氣泡一旦粘附到一起，就必須保持這種粘附狀態(tài)，直到上升至水面，這樣粘附過程才能算是有效的。氣泡-油滴/絮粒共聚體在水中上浮，受到重力、浮力 和阻力 等外力的共同作用，其基本方程式為 [20]：1F23(1-6)(1-7)(1-8)(1-9)假設，氣泡、油滴/絮粒粘附結(jié)合形成的共聚體在開始聚集的一瞬間，便達到受力平衡，加速度為零，即 ，共聚體勻速上浮，其受力分析圖如圖 1-3 所示。假設氣泡-油滴共聚體為球形，直徑為 d，則其上浮速度為： 其中：——氣泡-絮體共聚體上浮速度，m/s；v——氣泡-絮體共聚體質(zhì)量，kg；m——時間，s；t——氣泡-絮體共聚體的密度，kg/ ；a?3m——水的密度，kg/ ；w3——重力加速度， m/ ；g2s——阻力系數(shù)；C20wdvVCAt?vdt?氣浮中氣泡粒徑分布的實驗研究- 14 -24ecR? ——在水流方向上氣泡-絮體共聚體的投影面積， 。A 2m圖 1-3 氣泡－油滴/絮粒共聚體受力分析圖層流區(qū)， ≤1，阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關系為：eR代入(1-10)式，得出上浮速度為：(1-11)過渡區(qū)， =10~1000，由過渡區(qū)公式得上浮速度為：eR(1-12)式中 γ 為水的運動粘度。牛頓阻力平方區(qū)， 在 1000~250000，C=0.4 ，代入 (1-10)得上浮速度為：eR(1-13)由此可知，水與氣泡-油滴/絮粒共聚體的密度差、共聚體的直徑及水的流動狀2()18wagvd???230.2[()]wadv????1.83.wavgd???氣浮中氣泡粒徑分布的實驗研究- 15 -態(tài)是決定氣泡-油滴共聚體顆粒上浮速度的主要因素。如果水流的流態(tài)確定，共聚體粘附的氣泡數(shù)量越多，則共聚體顆粒直徑越大、密度越小、與水的密度差也越大，從而上浮速度也將增大。從以上對氣浮發(fā)生過程的介紹可知，氣泡的產(chǎn)生方式?jīng)Q定了產(chǎn)生的氣泡的大小和密度，而氣泡的大小和密度可以直接影響氣泡和油滴/絮粒的接觸和粘附效率，以及氣泡－油滴/絮粒共聚體上浮的速度。因此，目前來說改進氣泡的產(chǎn)生方式是改善氣浮裝置、提高氣浮處理效果最直接有效的方法。1.4 本文研究的主要內(nèi)容不同于一般礦物浮選的固液氣三相分離，污水的凈化處理技術不僅要求固液氣三相分離，更是對像含油廢水這種液液氣三相的分離提出要求。呈前所述，EDUR 氣浮裝置是一種高效的氣浮工藝，通過對出口壓力，真空度、礦化度和含油率等的調(diào)節(jié)，產(chǎn)生高密度的微氣泡來尋求氣浮效率的最佳點。隨著工業(yè)的不斷進步及水資源的缺乏，EDUR 氣浮技術將會逐漸應用于工業(yè)廢水、市政污水的處理。本論文旨在研究 EDUR 氣浮系統(tǒng)的氣泡粒徑分布的影響因素，找到泡粒徑分布的最佳參數(shù)范圍，并能對高效處理造紙白水、含油廢水等提供一定的理論依據(jù)。本次實驗主要內(nèi)容包括：簡單對比傳統(tǒng)氣浮系統(tǒng)與 EDUR 型高效氣浮系統(tǒng)的結(jié)構特點，主要對不同狀態(tài)下的水質(zhì)包括清水，不同礦化度和含油率，加入PAC（表面活性劑）和起泡劑，進行不同條件下的運行，主要用激光粒度儀測量的方法獲得氣泡粒徑分布的狀況參數(shù)，輔以流體動力學 Stokes 公式算出粒徑的方法加以對比，通過對全部數(shù)據(jù)進行分析對比獲得氣浮最佳運行效果的變量參數(shù)范圍。氣浮中氣泡粒徑分布的實驗研究- 16 -第二章 實驗裝置及測試方法本實驗主要是為了研究氣浮中氣泡粒徑分布對氣浮效果的影響，各種影響氣泡粒徑分布的因素如：壓力、真空度、礦化度、表面張力等都應成為實驗的影響參數(shù)，這必然涉及到壓力表、真空表、流量計、絮凝劑、表面張力儀等可能用的儀器。但在構建整個實驗裝置時，首先想到如何產(chǎn)生理想微氣泡，這就涉及到微氣泡發(fā)生器；其次如何測量該氣泡粒徑分布，這需要考慮采用圖像分析儀器或激光粒度儀等；再者如何使在小規(guī)模實驗情況下的結(jié)論與其在大規(guī)模的生產(chǎn)過程中相符合，這需要最后實踐的驗證。2.1 實驗裝置 2.1.1 氣浮系統(tǒng)的選定圖 2-1 為傳統(tǒng)溶氣氣浮系統(tǒng)，傳統(tǒng)溶氣氣浮除循環(huán)水泵外，還需要空壓機、溶氣罐、控制系統(tǒng)等。傳統(tǒng)的加壓溶氣氣浮裝置存在兩個問題：(1)減壓釋放設備的細孔容易被廢水中的顆粒堵塞；(2)氣浮設備多是敞開式，浮渣刮除過程中在大氣風力的影響下極易造成泡沫飛揚。圖 2-1 傳統(tǒng)加壓溶氣氣浮系統(tǒng)氣浮中氣泡粒徑分布的實驗研究- 17 -近年來，隨著水泵生產(chǎn)技術的發(fā)展，美國、日本等國生產(chǎn)出了專用溶氣泵，能在原水加壓的過程中溶入一定比例的空氣，產(chǎn)生微米量級的微氣泡，無須使用專用釋放裝置。這一成果給加壓溶氣氣浮法帶來了革新，國外出現(xiàn)了用溶氣泵代替龐大的空氣壓縮機、溶氣罐的氣浮裝置，使系統(tǒng)得到簡化，運轉(zhuǎn)可靠性得以提高。圖 2-2 EDUR 溶氣氣浮系統(tǒng)在氣浮裝置中采用多相流泵作為溶氣泵，氣體在泵進口管道利用泵進口節(jié)流產(chǎn)生的真空被直接吸入。與傳統(tǒng)溶氣氣浮相比，氣液多相泵的溶氣氣浮，可省去循環(huán)水泵、空壓機、溶氣罐、控制系統(tǒng)等，從而降低投資和運行費用，并大大提高設備的運行可靠性。與射流泵溶氣系統(tǒng)管道溶氣相比，多相流泵的溶氣是在泵的多級升壓過程中完成的，氣體溶解度容易控制，溶解效果更理想。與渦流泵溶氣系統(tǒng)相比，采用多相流泵的氣浮更加節(jié)能，處理效率和可調(diào)節(jié)能力大大增強。考慮到實驗的規(guī)模形式，應該使整個實驗裝置單元管理方便且操作簡單。為此，可使用實驗室已有的英國 Malvern 激光粒度儀 Mastersizer 2000，這種測量可大大縮短氣泡粒徑分布的測量時間，除了輔以流體動力學 Stokes 公式比較外，之后可再利用顯微攝像系統(tǒng)進行粒徑的對比。其中由于泵和整個系統(tǒng)管路的要求必須使得 Mastersizer 2000 激光粒度儀的進樣燒杯發(fā)生改變，配套的 1 L 燒杯改裝為與原來等高體積更大的方形有機玻璃容器，加入一些連接管路，測量儀表和必要的擴張管等，本實驗裝置的示意圖和實際流程分別如圖 2-3 和圖 2-4 所示。氣浮中氣泡粒徑分布的實驗研究- 18 -圖 2-3 本論文設計的 EDUR 氣浮系統(tǒng)1—300×300×150 立方體容器 ；2— EDUR 泵功率 1.5kw ；3m3—真空壓力表 ； 4—氣體流量計 ； 5—管線為 ABS 塑料,DN32 ；6—截止閥，泵前后各一個 ； 7— 液體流量計 ；8—液體壓力表 9—激光粒度儀探頭；10—備用導流板。圖圖 2-4 實際運行的氣浮系統(tǒng)氣浮中氣泡粒徑分布的實驗研究- 19 -圖 2-4 中裝置包括：EDUR 多相流泵型號 EB3U，配套 ABB 電機；真空表量程 0~0.1MPa；壓力表量程 0~1MPa；空氣流量計量程 0.016~0.16 /h；擴張管管3m徑 0.185m,長 0.26m；其余管徑為 DN32,全長 3.1m。實驗裝置全部管路原本采用如圖 2-4 右邊所示的米黃色 ABS 管材，其承壓能力達到 0.5~0.6MPa，基本與本實驗出口壓力相符，但實際操作過程中，壓力的承受效果并無想象中那樣好，而且 ABS 的出口閥極不易控制壓力，對操作技術要求高。如圖 2-3 設計時未考慮擴張管，但試運行以后運行的氣泡不理想，所以把裝置的左側(cè) ABS 管材換成如圖 2-4 所示的不銹鋼制管材，承壓能力好且容易進行壓力的調(diào)控，右邊管材由于進入口是負壓，不承受壓力，故不更換以節(jié)約成本，此外增加一個鋼制擴張管。2.1.2 關鍵設備型號的確定EDUR 多相流泵可被用于帶氣液體、氣液混合或氣化液體的輸送。在污水處理的氣浮裝置中，通過多相流泵直接溶氣和減壓釋放，氣泡直徑可小至 30-50μm,氣體飽和度可達 100％。由此提高了裝置處理效果，降低運行費用。由于氣泡細微、彌散均勻，氣浮處理效果得到大幅度改善，在節(jié)能和降低藥劑使用量方面，EDUR 多相流泵有不同使用者良好業(yè)績的證明。如表 2-1，考慮設計的整套裝置為實驗規(guī)模，力求在最小合適規(guī)模下運行達到對實際應用的模擬。本實驗選用 EDUR EB3U 型號的泵 [14]，該泵為最小流量的氣液多相泵，推薦過泵溶氣水流量為 0.5~2.0 /h, 電機功率為 1.5KW ，出口壓力3m大于等于 4.5bar，進出口管徑均采用 DN32。表 2-1 多相流泵參考選項表型號電機功率 KW氣浮裝置處理水量 3m/h推薦過泵溶氣水流量 3/h出口壓力MPa進/出口管徑EB3U 1.5 2-6 0.5-2.0 ≥0.45 DN32/DN32EB14U 2.2 6-10 2.0-4.5 ≥0.45 DN40/DN40EB16U 3.0 10-20 4.5-6.5 ≥0.45 DN40/DN40氣浮中氣泡粒徑分布的實驗研究- 20