[发明专利]一种纳米曝气装置及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种曝气装置，尤其涉及一种纳米曝气装置及其方法。

背景技术

微孔曝气盘的氧气利用率可达15%~25%，动力效率可达2 kgO₂/kw.h，是好氧生物处理系统中应用最为广泛的曝气装置。然而，微孔曝气盘释放出的气泡直径仍可达1.5~3.0 mm，而O₂的平均直径约为0.346 nm，据此估计，一个气泡中可包含8.1×10¹⁹~6.51×10²⁰个O₂分子。在与水相接触的过程中，只有气泡表面的O₂分子才有机会与水分子碰撞，与之结合而转变为溶解氧。而气泡内部的大量O₂分子则不能与水相接触，而随上升气流溢出液相白白浪费掉。如果将气泡切割为直径为10 nm左右，则一个气泡中包含的O₂分子仅有2.4×10⁴个，将大大提高O₂分子与水相的接触几率，提高其传质速率。

碳纳米管具有极高的拉伸强度、杨氏模量和断裂伸长率，是迄今为止发现的力学性能最好的材料之一。近年来，其制备及加工技术也得到了长足发展，为其在各领域的广泛应用奠定了基础。一方面，碳纳米管的纵向生长难题被逐渐攻破，制备出的碳纳米管的尺度已由微米级提升至厘米级甚至更高。据报道，国外已有制备管径几个纳米、长几个厘米的单壁纳米管的技术，且已经相当成熟。国内近期也报道，已能够合成单根长度达半米的超长碳纳米管。

另一方面，以内径小于2 nm的双壁碳纳米管阵列为基础，通过催化裂解法填充氮化硅，可以制备出碳纳米管纳滤膜。测试结果显示，气体分子在该纳滤膜中的传输速度比传统奴森扩散模型预测值提高近1个数量级；水分子在该纳滤膜中的传输速度比连续流体力学模型预测值提高约3个数量级。与聚碳酸酯滤膜相比，该滤膜孔径尺寸小得多，但气体液体在其内的渗透能力却提高了几个数量级。

将纳米材料应用于好氧生物处理系统的曝气过程，可以显著降低释出气泡的直径，增加O₂分子与水相的接触几率，强化气相液相传质速率，提高氧气利用率，大幅削减实际曝气量，节约设备投资和运营成本。另外，若将此发明应用于甲烷好氧氧化系统，还可大幅削减甲烷气体的供给量，节约可观的甲烷气体购置成本。此外，有效降低实际曝气量，还会带来一个额外的好处，即可以减缓气流对活性污泥的强烈冲刷作用，减少其机械流失的可能性，提高生物处理系统的稳定性，增加操作的灵活性，进而提升其运行效能。

发明内容

本发明目的是克服现有曝气装置气体利用率低的缺陷，提供一种纳米曝气装置及其方法。

纳米曝气装置包括进气区和气体切割区，进气区位于气体切割区下部；进气区包括进气管、缓冲室，气体切割区包括基座、密封胶圈、顶盖、紧固螺钉和纳米曝气膜。进气管与缓冲室的下部相连，基座下部与缓冲室上部相连，基座上部设有顶盖，顶盖通过紧固螺钉与基座连接，顶盖与基座的结合处内侧设有卡槽，卡槽内设有密封胶圈，密封胶圈内侧设有纳米曝气膜，密封胶圈与纳米曝气膜连接为一体。

所述的进气管、缓冲室、基座和顶盖的耐压强度以及固定螺钉的耐受强度均≥1.0Mpa；缓冲室为中空圆锥体，锥角为90°~120°，缓冲室底圆直径与进气管内径之比为10:1~15:1；基座厚度与进气管内径之比为1.5:1，顶盖厚度与基座厚度之比为1: 2，基座宽度与进气管内径之比为2:1~3:1，卡槽与基座宽度之比为1:2~3:4；纳米曝气膜厚度为5~15mm，纳米曝气膜直径与缓冲室底圆直径之比为1:1；纳米曝气膜内布设定向排列碳纳米管，其定向排列方向垂直于膜片径向；碳纳米管的直径为1~10nm，长度为膜片的厚度；碳纳米管纵向间距与直径之比为15:1~25:1，横向间距与直径之比为15:1~25:1。

所述的纳米曝气装置的曝气方法是：气体经由进气管进入缓冲室，在纳米曝气膜内外压差的驱动下，进入纳米曝气膜内排布的定向排列碳纳米管，并被切割成直径为1~10nm的极小气泡，极小气泡到达纳米曝气膜外侧表面后被释放至液相，气泡表面的气体分子与水分子接触，与水分子结合转化为溶解态；未与水分子发生有效接触，或处于气泡内部不能与水分子接触的气体分子则随气泡上升，与上层的水分子接触并转化为溶解态；到达液相顶端但仍未能与水分子有效接触的气体分子则随气泡逸散至环境中。