【導(dǎo)讀】習(xí)期間創(chuàng)作完成的作品，并已通過(guò)論文答辯。本人系作品的唯一作者，即著作權(quán)人?，F(xiàn)本人同意將本作品收錄于“北京石。版論文的內(nèi)容一致，如因不同而引起學(xué)術(shù)聲譽(yù)上的損失由本人自負(fù)。公開級(jí)學(xué)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。師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。而使用過(guò)的材料。均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。究所取得的研究成果。究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，廣泛應(yīng)用于工業(yè)廢水、城市污水和生活飲用水。第2周補(bǔ)充文獻(xiàn)查閱，撰寫文獻(xiàn)綜述初稿。第3周完成文獻(xiàn)綜述及開題報(bào)告。第15周按照指導(dǎo)教師及評(píng)閱教師要求修改論文，制作PPT，準(zhǔn)備答辯。溶氣泵加壓溶氣氣浮實(shí)驗(yàn)裝置，并對(duì)影響氣浮處理效果的因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

　　

【正文】 (14) 3( 1 )6bbo o o xb r rr r r f??? ? ? ? (15) *2( 1 ) ( 1 )OK f?? ?? ? ? ? / ( ) /o b or b r r? ? ? 氣浮中氣泡 粒徑分布的實(shí)驗(yàn)研究 12 213dvm F F Fdt ? ? ? 1 aF gV?? 2 wF gV?? 通過(guò)上面的公式可以得出，使 br 、 f 和 or 將會(huì)使的 的值達(dá)到最這也說(shuō)明了擁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(guò)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(guò)程是非常復(fù)雜的，涉及到了水動(dòng)力學(xué)特性和表面化學(xué)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(shí)際的接觸。水膜破碎的過(guò)程必須發(fā)生在油滴和氣泡接觸的時(shí)間內(nèi)，否則將不會(huì)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(huì)真正粘附到氣泡表面。這部分油滴與實(shí)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(guò)程非常復(fù)雜，包含了施加于薄膜最初帶動(dòng)兩個(gè)顆粒相互靠近而后又傾向于使其分離的水動(dòng)力與薄膜界面邊界條件之間的相互關(guān)系。氣浮池內(nèi)的水力條件和油滴與氣泡附近的水動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)決定了粘附的水力特性，而接觸表面的邊界條件是由表面化學(xué)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(jìn)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(guò)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1F 、浮力 2F 和阻力 3F 等外力的共同作用，其基本方程式為[20]： (16) (17) (18) (19) 假設(shè)，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(dá)到20 2wd v VCAdt ??? 氣浮中氣泡 粒徑分布的實(shí)驗(yàn)研究 13 24ec R? 2 ( )waagVv CA????? (110) 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 13所示。 假設(shè)氣泡 油滴共聚 體為球形，直徑為 d，則其上浮速度為： 其中： v —— 氣泡 絮體共聚體上浮速度， m/s； m —— 氣泡 絮體共聚體質(zhì)量， kg； t —— 時(shí)間， s； a? —— 氣泡 絮體共聚體的密度， kg/ 3m ； w? —— 水的密 度， kg/ 3m ； g —— 重力加速度， m/ 2s ； C —— 阻力系數(shù)； A —— 在水流方向上氣泡 絮體共聚體的投影面積， 2m 。 圖 13 氣泡－油滴 /絮粒共聚體受力分析圖 層流區(qū)， eR ≤1，阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系為： 0dvdt? 氣浮中氣泡 粒徑分布的實(shí)驗(yàn)研究 14 代入 (110)式，得出上浮速度為： (111) 過(guò)渡區(qū)， eR =10~1000，由過(guò)渡區(qū)公式得上浮速度為： (112) 式中 γ 為水的運(yùn)動(dòng)粘度。 牛 頓阻力平方區(qū)， eR 在 1000~250000， C=，代入 (110)得上浮速度為： (113) 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(dòng)狀態(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(duì)氣浮發(fā)生過(guò)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(lái)說(shuō)改進(jìn)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。 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(shù)不僅要求固液 氣三相分離，更是對(duì)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(guò)對(duì)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(lái) 尋求氣浮效率的最佳點(diǎn)。隨著工業(yè)的不斷進(jìn)步及水資源的缺乏， EDUR 氣浮技術(shù)將會(huì)逐漸應(yīng)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(duì)高效處理造紙白水、含油廢水等提供一定的理論依據(jù)。 2()18 wagvd????? 230 .2 2 [ ( ) ]wawdv ?????? 1 .8 3 .wawv g d????? 氣浮中氣泡 粒徑分布的實(shí)驗(yàn)研究 15 本次實(shí)驗(yàn)主要內(nèi)容包括：簡(jiǎn)單對(duì)比傳統(tǒng)氣浮系統(tǒng)與 EDUR 型高效氣浮系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主要對(duì)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(jìn)行不同條件下的運(yùn)行，主要用激光粒度儀測(cè)量的方法獲得氣泡粒徑分布的狀況 參數(shù)，輔以 流體動(dòng)力學(xué) Stokes 公式 算出 粒徑的方法加以對(duì)比，通過(guò)對(duì)全部數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比獲得氣浮最佳運(yùn)行效果的 變量 參數(shù)范圍。 氣浮中氣泡 粒徑分布的實(shí)驗(yàn)研究 16 第二章 實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)試方法 本實(shí)驗(yàn)主要是為了研究氣浮中氣泡粒徑分布對(duì)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(yīng)成為實(shí)驗(yàn)的影響參數(shù)，這必然涉及到壓力表、真空表、流量計(jì)、絮凝劑、表面張力儀等可能用的儀器。但在構(gòu)建整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置時(shí)，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(cè)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(shí)驗(yàn)情況下的結(jié)論與其在大規(guī)模的生產(chǎn)過(guò)程中相符合，這需要最后實(shí)踐的驗(yàn)證。 實(shí)驗(yàn)裝置 氣浮系統(tǒng) 的選定 圖 21 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(jī)、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(gè)問(wèn)題： (1)減壓釋放設(shè)備的細(xì)孔容易被廢水中的顆粒堵塞； (2)氣浮設(shè)備多是敞開式，浮渣刮除過(guò)程中在大氣風(fēng)力的影響下極易造成泡沫飛揚(yáng)。 圖 21 傳統(tǒng)加壓溶氣氣浮系統(tǒng) 氣浮中氣泡 粒徑分布的實(shí)驗(yàn)研究 17 近年來(lái)，隨著水泵生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，美國(guó)、日本等國(guó)生產(chǎn)出了專用溶氣泵 ，能在原水加壓的過(guò)程中溶入一定比例的空氣，產(chǎn)生微米量級(jí)的微氣泡，無(wú)須使用專用釋放裝置。這一成果給加壓溶氣氣浮法帶來(lái)了革新，國(guó)外出現(xiàn)了用溶氣泵代替龐大的空氣壓縮機(jī)、溶氣罐的氣浮裝置，使系統(tǒng)得到簡(jiǎn)化，運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性得以提高。 圖 22 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(jìn)口管道利用泵進(jìn)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(jī)、溶氣罐、控制系統(tǒng)等，從而降低投資和運(yùn)行費(fèi)用，并大大提高設(shè)備的運(yùn)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(jí)升壓過(guò)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(qiáng)。 考慮到實(shí)驗(yàn)的規(guī)模形式，應(yīng)該使整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置單元管理方便且操作簡(jiǎn)單。 為此，可使用實(shí)驗(yàn)室 已有的 英國(guó) Malvern 激光粒度儀 Mastersizer 2020，這 種測(cè)量 可大大縮短氣泡粒徑分布的測(cè)量時(shí)間， 除了輔以流體動(dòng)力學(xué) Stokes 公式比較外， 之后可再利用顯微攝像系統(tǒng)進(jìn)行粒徑 的 對(duì)比。其中由于泵和整個(gè)系統(tǒng)管路的要求必須使得Mastersizer 2020 激 光粒度儀 的進(jìn)樣燒杯 發(fā)生改變，配套的 1 L 燒杯改裝為與原來(lái)等高 體積 更大的方形有機(jī)玻璃容器，加入一些連接管路，測(cè)量?jī)x表和必要的擴(kuò)張管等，本實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖和實(shí)際流程分別如圖 23 和圖 24 所示 。 氣浮中氣泡 粒徑分布的實(shí)驗(yàn)研究 18 圖 23 本論文設(shè)計(jì) 的 EDUR 氣浮系統(tǒng) 1— 300 300 150 3mm 立方體容器 ； 2— EDUR 泵功率 ； 3— 真空壓力表 ； 4— 氣體流量計(jì) ； 5— 管線為 ABS 塑料 ,DN32 ； 6— 截止閥，泵前后各一個(gè) ； 7— 液體流量計(jì) ； 8— 液體壓力表 9— 激光粒度儀探頭 ； 10— 備用導(dǎo)流板。 圖 圖 24 實(shí)際運(yùn)行的氣浮系統(tǒng) 圖 24 中 裝置 包括 ： EDUR 多相流泵型號(hào) EB3U，配套 ABB 電機(jī)；真空表量程氣浮中氣泡 粒徑分布的實(shí)驗(yàn)研究 19 0~；壓力表量程 0~1MPa；空氣流量計(jì)量程 ~ 3m /h；擴(kuò)張管管徑,長(zhǎng) ； 其余 管徑 為 DN32,全長(zhǎng) 。 實(shí) 驗(yàn)裝置全部管路原本采用如圖 24 右邊所示的 米黃色 ABS 管材，其承壓能力達(dá)到 ~，基本與本實(shí)驗(yàn)出口壓力相符，但實(shí)際操作過(guò)程中，壓力的承受效果并無(wú)想象中那樣好，而且 ABS 的出口閥極不易控制壓力，對(duì)操作技術(shù)要求高。 如圖 23 設(shè)計(jì)時(shí)未考慮擴(kuò)張管，但 試運(yùn)行以后 運(yùn)行的氣泡不理想，所以把 裝置的左側(cè) ABS 管材 換成如圖 24 所示的 不銹 鋼制管材，承壓能力好且 容易進(jìn)行壓力的調(diào)控， 右邊 管材 由于進(jìn)入口是負(fù)壓，不承受壓力 ， 故不更換 以節(jié)約成本 ，此外增加一個(gè)鋼制擴(kuò)張管 。 關(guān)鍵設(shè)備型號(hào)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(guò)多相流泵直接溶氣和減壓釋放，氣泡直徑可小至 3050μm,氣體飽和度可達(dá) 100％。由此提高了裝置處理效果，降低運(yùn)行費(fèi)用。由于氣泡細(xì)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(jī)的證明。 如表 21，考慮設(shè)計(jì)的整套裝置為實(shí)驗(yàn)規(guī)模，力求在最小合適規(guī)模下運(yùn)行達(dá)到對(duì)實(shí)際應(yīng)用的模擬。本實(shí)驗(yàn)選用 EDUR EB3U 型號(hào)的泵 [14]，該泵為最小流量的氣液多相泵，推薦過(guò)泵溶氣水流量為 ~ 3m /h, 電機(jī)功率為 ，出口壓力大于等于 ，進(jìn)出口管徑均采用 DN32。 表 21 多相流泵參考選項(xiàng)表 型號(hào) 電機(jī) 功率 KW 氣浮裝置處理水量 3m /h 推薦 過(guò)泵溶氣 水 流 量3m /h 出口壓力MPa 進(jìn) /出口管徑 EB3U 26 ≥ DN32/DN32 EB14U 610 ≥ DN40/DN40 EB16U 1020 ≥ DN40/DN40 LBU403C120L 2050 ≥ DN65/DN40 氣浮中氣泡 粒徑分布的實(shí)驗(yàn)研究 20 LBU404C120L 5075 ≥ DN65/DN40 U603C160L 75100 ≥ DN65/DN40 LBU603D160L 100150 ≥ DN80/DN65 LBU603E162L 150200 ≥ DN80/DN65 附注： 表格中的過(guò)泵流量按 30%氣浮裝置處理水量考 慮，并均已含 1012%的吸氣量。 為了要求微氣泡平均直徑小于 30um，泵在運(yùn)行中的工作壓力都大于 。 處理水量較大時(shí)，可以采用多泵并聯(lián)或多個(gè)氣浮池并聯(lián)。 氣泡粒徑的測(cè) 量 測(cè)量方法 盡管氣浮工藝已應(yīng)用于污水處理多年 , 但是對(duì)氣泡特性的研究直到近年來(lái)才引起研究者的注意。國(guó)外針對(duì)氣泡粒徑的測(cè)量方法研究較多，學(xué)者 Zhou 1993 年，Han 2020 年， Caiced 2020 年， Rodrigues 和 Rubio 2020 年均提出目前使用較廣泛的圖像分析法 ， 考察了不同工況參 數(shù)下的氣泡粒徑分布 。目前發(fā)展趨勢(shì)是將 顯微