陣列式臭氧基微細氣泡發(fā)生器研制及制備試驗驗證

李雪凇,王祎卓，寧宏陽，張玉峰，孫麗霞,李 鵬

(北華大學(xué) 機械工程學(xué)院，吉林 吉林 132021)

面對越來越復(fù)雜的水污染問題,污水經(jīng)過傳統(tǒng)的水處理方法已經(jīng)很難使處理后的水質(zhì)穩(wěn)定地達到排放要求[1].傳統(tǒng)的污水處理方法是將臭氧直接投加到污水中,投加效率低而且還會造成二次污染[2].而微細氣泡通常指平均直徑為百微米量級的氣泡[3]，因體積微小，具有許多優(yōu)于常規(guī)水氣泡的固有特性，如比表面積大、上升速率小和傳質(zhì)效率高等優(yōu)點[4]，因此，在各個領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用.若將臭氧氣體以臭氧基微細氣泡的形式投加到污水中，這樣可以避免二次污染且加大了投加效率，可見研制可以制備大量臭氧基微細氣泡的氣泡發(fā)生器才是污水治理的有效途徑.

我國早在20世紀60年代就開展了微細氣泡發(fā)生器的研發(fā)并投入生產(chǎn).在2006年，山東大學(xué)的張玉相[5]設(shè)計了一種2-T微通道氣泡發(fā)生器，探究了氣液二相入口壓力對氣泡生成特性的影響；2009年，華中科技大學(xué)的李宇鵬[6]研制了一種碳納米管微細氣泡發(fā)生器，研究了微細氣泡的生長過程；2016年，熊永磊等[7]論述了微細氣泡發(fā)生裝置及其發(fā)生機理，對幾種微細氣泡發(fā)生器進行了比較；2009年，李敏等[8]在微細氣泡發(fā)生器方面做了大量的研究工作，包括各種計算及實驗數(shù)據(jù)的采集等；2017年,孫國斌等[9]對原始的氣泡發(fā)生器進行改進,即“卡門渦街型氣泡發(fā)生器”.盡管國內(nèi)學(xué)者對微細氣泡發(fā)生器進行了大量的研究工作，但我國微細氣泡發(fā)生器的研制仍存在薄弱環(huán)節(jié)且并沒有真正達到高效制備的目的,從而影響投加效率.為使微細氣泡發(fā)生器能夠有效產(chǎn)生大量臭氧基微細氣泡，將研制出兩款陣列式臭氧基微細氣泡發(fā)生器并進行氣泡制備試驗，分析試驗結(jié)果并得出結(jié)論，同時為后續(xù)研究工作的進一步開展作鋪墊.

1 陣列式臭氧基微細氣泡發(fā)生器研制

在設(shè)計微細氣泡發(fā)生器時,需要借鑒前期所研制的同軸和T型微流控芯片[10]中微通道的結(jié)構(gòu)與構(gòu)型參數(shù).由于T型流動聚焦微通道是以流動剪切原理生成微細氣泡，所以在氣泡發(fā)生器內(nèi)部要構(gòu)建氣體和液體的垂直交匯結(jié)構(gòu),而同軸陣列式氣泡發(fā)生器內(nèi)部要構(gòu)建氣體和液體平行交匯結(jié)構(gòu),基于微通道內(nèi)兩相流體流動聚焦原理,按照同軸和T型流動聚焦微通道的結(jié)構(gòu)形式將多個“微通道”進行陣列集成，要做到每個通道之間不能互相干涉且微細氣泡發(fā)生器的體積也不能太大.

1.1 T型陣列式微細氣泡發(fā)生器研制

T型陣列式微細氣泡發(fā)生器工作原理圖如圖1所示，當(dāng)具有一定流速的臭氧氣體由左端供氣腔口流入曝氣腔后，從微孔曝氣板上具有陣列分布的微孔內(nèi)流出，由于微孔直徑極其微小，導(dǎo)致流出的氣體壓強急劇增大且流速變大.同時，具有一定流速的液體從右端供液入口流入到由曝氣腔體外的上下表面和供液腔體內(nèi)的上下表面所形成的微小空間內(nèi)，當(dāng)液體流入到這個微小空間時，流速也會隨之變大.此時，高速流動的氣體和液體在微小的成泡區(qū)內(nèi)垂直交匯，大量的臭氧基微細氣泡在具有陣列分布的多個微孔曝氣作用和液體的流動剪切作用下生成并從孔口流出，最后大量氣泡從與端蓋固連的氣泡出口流出.

圖1 T型陣列式臭氧基微細氣泡發(fā)生器工作原理圖

依據(jù)上述的工作原理和結(jié)構(gòu)，采用3D打印技術(shù)加工制成了這款T型陣列式臭氧基微細氣泡發(fā)生器，它是由曝氣腔體、供液腔體和端蓋3部分組成，其實物圖和三維拆分圖如圖2～3所示.氣泡發(fā)生器的總體尺寸為156×50×22 mm，供液口的內(nèi)徑為10 mm，供氣口的內(nèi)徑為5 mm，與端蓋處固連的氣泡出口內(nèi)徑為10 mm.曝氣孔板如圖2(a)所示，其結(jié)構(gòu)尺寸為108×28×1 mm，且材質(zhì)為鋁，曝氣孔板上的微孔采用激光打孔技術(shù)進行加工，孔徑為0.1 mm，孔與孔之間距離為1 mm，共98個微孔且呈矩形分布.曝氣腔體是由兩塊相同的曝氣孔板利用透明硅橡膠粘接在與其尺寸相匹配的結(jié)構(gòu)體的上下表面上，腔體與氣體入口固連.將曝氣腔體嵌套在供液腔體中并利用透明硅橡膠粘接在一起，曝氣腔體外的上下表面和供液腔體內(nèi)的上下表面的距離大約為2 mm，為了能使從供液腔進入的液體能夠有較大的流動空間和均勻分流，曝氣腔的前端設(shè)計為錐形結(jié)構(gòu).再將端蓋與供液腔體用透明硅橡膠進行粘接，組成如圖2(b)所示的T型陣列式微細氣泡發(fā)生器.

(b) 尺寸標(biāo)定

(a) T型陣列式微細氣泡發(fā)生器曝氣孔板圖

(b) T型陣列式微細氣泡發(fā)生器總體結(jié)構(gòu)圖圖2 T型陣列式微細氣泡發(fā)生器實物圖

圖3 T型陣列式微細氣泡發(fā)生器三維拆分圖

1.2 同軸陣列式微細氣泡發(fā)生器研制

如圖4所示，同軸陣列式微細氣泡發(fā)生器的工作原理為臭氧氣體以固定的流速從氣體入口流入密閉的供氣腔內(nèi)，再通過亞克力板上呈陣列分布的微孔進入到點膠針頭內(nèi)，此時，液體也以一定的流速由供液腔口進入到供液腔內(nèi)，再由從亞克力底板上的微孔內(nèi)流出，氣體和液體分別由點膠針頭和微孔所構(gòu)成的微通道內(nèi)流動聚焦而生成大量微細氣泡.

圖4 同軸陣列式微細氣泡發(fā)生器工作原理圖

該款氣泡發(fā)生器的實物與三維模型如圖5～6所示,所選用的結(jié)構(gòu)體全部采用3D打印技術(shù)加工成型，總體尺寸為100×100×60 mm，它主要由供液腔、供氣腔、亞克力板、點膠針頭和亞克力底板所組成.首先在亞克力板上加工96個呈正方形分布的通孔，通孔直徑為2 mm，亞克力板的高度為5 mm；將所選用的96個內(nèi)徑為5 mm的點膠針頭用透明硅橡膠與亞克力板上的通孔進行粘接,然后將高度為10 mm，帶有內(nèi)徑為6 mm氣體入口的結(jié)構(gòu)件用透明硅橡膠與亞克力板的邊緣進行粘接，其內(nèi)部為中空結(jié)構(gòu)，形成了供氣腔；供液腔是由高度為35 mm且截面尺寸為100×100 mm的中空結(jié)構(gòu)與亞克力板邊緣密封粘接所圍成；將固連內(nèi)徑為10 mm、外徑為11 mm的液體入口的圓柱形結(jié)構(gòu)件貫穿亞克力板和供氣結(jié)構(gòu)件的中孔，在相對應(yīng)的連接處使用透明硅橡膠密封粘接，且中孔直徑為10 mm；將加工好的高度為10 mm的亞克力底板與中空結(jié)構(gòu)的邊緣粘接，亞克力底板96個通孔均為1 mm；再將每個外徑為0.5 mm、內(nèi)徑為0.1 mm的點膠針管通過96個通孔插進對應(yīng)的點膠針頭中；最后，在氣泡發(fā)生器邊緣均勻分布的8個通孔通過螺栓將其各個結(jié)構(gòu)件進行緊固.

圖5 同軸陣列式微細氣泡發(fā)生器實物圖

圖6 同軸陣列式微細氣泡發(fā)生器三維模型圖

2 陣列式臭氧基微細氣泡發(fā)生器氣泡制備試驗驗證

根據(jù)所研制的兩款陣列式微細氣泡發(fā)生器開展純水環(huán)境中的氣泡制備測試試驗.首先，搭建陣列式微細氣泡發(fā)生器氣泡制備試驗平臺，此試驗平臺的試驗對象為由3D打印技術(shù)加工出的兩款氣泡發(fā)生器實物，與收集水箱、供液水箱、循環(huán)水泵、氧氣瓶、臭氧發(fā)生器、液體流量計、氣體減壓閥、截止閥、工業(yè)相機和LED射燈等裝置配合使用完成微細氣泡制備測試試驗，試驗系統(tǒng)實物圖如圖7所示.

圖7 臭氧基微細氣泡制備試驗平臺實物圖

2.1 T型陣列式微細氣泡發(fā)生器氣泡制備試驗結(jié)果及分析

依據(jù)所搭建的試驗平臺，將加工出的T型陣列式微細氣泡發(fā)生器接入試驗平臺并放入收集水箱中，通過調(diào)節(jié)液體流量與氣體壓強的關(guān)系，觀察得到微細氣泡制備情況如圖8所示，由工業(yè)相機清晰的拍攝到大量的微細氣泡.由此可見，該氣泡發(fā)生器能夠連續(xù)制備出大量的臭氧基微細氣泡.

圖8 T型陣列式微細氣泡發(fā)生器氣泡生成現(xiàn)象

2.1.1 微細氣泡直徑測量

為能夠準確地驗證T型陣列式微細氣泡發(fā)生器所制備的氣泡平均直徑是否達到微細氣泡百微米量級的尺寸標(biāo)準，需要設(shè)定不同的試驗參數(shù)，對每種工況下制備出的大量微細氣泡進行抽取測量，最后取不同工作參數(shù)下氣泡的平均直徑.以便工業(yè)相機能夠清晰拍攝到真實的氣泡尺寸，在收集水箱的外側(cè)壁上沿豎直方向粘貼一把標(biāo)準刻度尺，用作測量氣泡直徑的尺寸量度且標(biāo)尺粘貼在氣泡生成的位置處，具體測量步驟如下:

(1)首先打開工業(yè)相機,將相機的各個參數(shù)調(diào)整好后，將鏡頭對準在標(biāo)尺和氣泡生成的位置處，并打開LED射燈提供一定的亮度輔助相機拍攝，準備工作完成后，拍攝氣泡生成圖像；

(2) 將工業(yè)相機所拍攝到的氣泡生成圖像導(dǎo)入Image Pro Plus 6.0軟件中進行尺寸標(biāo)定、比例轉(zhuǎn)換、直徑測量等一系列分析工作，如圖9所示；

(a)導(dǎo)入圖片

(c) 選取對象圖9 微細氣泡直徑測量步驟

(3) 在每種工況下所拍攝到的氣泡圖像中隨機選取50個規(guī)則氣泡進行尺寸分析，并計算出對應(yīng)每種工況下50個氣泡的平均直徑.

2.1.2 測量結(jié)果及分析

利用此試驗平臺分別探究了固定氣體壓強為30 kPa，液體流量為0.6～1.4 L·min-1；以及固定液體流量為1.5 L·min-1，氣體壓強為20～40 kPa條件下氣泡平均直徑，并將測量數(shù)據(jù)記錄于表1～2中.

表1 相同氣體壓強不同液體流量時的氣泡平均直徑

表2 相同液體流量不同氣體壓強時的氣泡平均直徑

通過表1～2中的測量結(jié)果可知,T型陣列式微細氣泡發(fā)生器制備出的微細氣泡的平均粒徑均大于1 mm，由于微細氣泡是平均直徑為百微米級的氣泡，不符合微細氣泡的尺寸限定，所以試驗結(jié)果不理想.其原因可能有以下幾點:(1)由3D打印加工成的T型陣列式微細氣泡發(fā)生器材質(zhì)精度不夠，導(dǎo)致氣泡生成時微通道不光滑；(2)在制備氣泡的過程中，由于氣泡發(fā)生器內(nèi)部的液體流量和壓強的增大，容易使液體呈湍流形式流動，與高速流動的氣體垂直交匯時，并沒有對氣體產(chǎn)生完全的流動剪切作用，二相流體高速混合加劇了湍流程度；(3)當(dāng)制備的氣泡從直徑為10 mm的出口流出的過程中，極易發(fā)生聚并現(xiàn)象，從而導(dǎo)致氣泡的尺寸變大.

2.2 同軸陣列式微細氣泡發(fā)生器氣泡制備試驗結(jié)果及分析

依據(jù) T型陣列式微細氣泡發(fā)生器的試驗平臺，將氣泡發(fā)生器更換為加工好的同軸陣列式微細氣泡發(fā)生器，通過調(diào)節(jié)液體流量和氣體壓強觀察收集水箱中的情況.在調(diào)節(jié)氣體壓強的同時通過觀察并沒有發(fā)現(xiàn)氣泡的生成，當(dāng)氣體壓強逐漸增大到一定值時，氣泡發(fā)生器內(nèi)部發(fā)生膨脹破裂，如圖10所示.

圖10 同軸陣列式微細氣泡發(fā)生器脹破現(xiàn)象

此次故障發(fā)生在液體通道與亞克力板通孔相固連的位置，發(fā)生破裂的原因可能是由于亞克力板上呈正方形分布的微孔直徑只有2 mm，與供氣腔的容積尺寸相差過大且微孔數(shù)量太多.當(dāng)氣體壓強很小時，均勻分布在亞克力板各微孔內(nèi)的壓強也相對較小，與液體流量的比例失衡，當(dāng)氣體壓強逐漸變大時，供氣腔內(nèi)的氣體不能及時從微孔中流出，導(dǎo)致腔內(nèi)壓力集中過大，從而發(fā)生膨脹破裂.

為避免試驗過程中故障的再次發(fā)生，將所研制的同軸陣列式微細氣泡發(fā)生器的結(jié)構(gòu)加以改進，其實物圖和三維模型圖如圖11～12所示.改進后氣泡發(fā)生器總體尺寸變?yōu)?0×50×38 mm，以防壓力集中，將亞克力板上通孔數(shù)量變?yōu)?個且呈正方形分布，通孔直徑為10 mm，供氣口設(shè)置在供氣腔的中心位置，亞克力底板上通孔、點膠針頭和針管數(shù)量也變?yōu)?個且呈正方形分布，底板微孔尺寸不變.最后為能使氣液流體均勻混合且供氣腔內(nèi)氣體均勻分布，將供液入口設(shè)置在液腔的側(cè)面，利用3D打印技術(shù)將液體入口與供液腔固連在一起.

圖11 同軸陣列式微細氣泡發(fā)生器(改進型)實物圖

圖12 同軸陣列式微細氣泡發(fā)生器(改進型)三維模型圖

應(yīng)用改進后的同軸陣列式微細氣泡發(fā)生器再次作氣泡制備測試試驗，通過調(diào)節(jié)液體流量和氣體壓強的比例，可以在收集水箱內(nèi)觀察到由工業(yè)相機清晰拍攝到大量微細氣泡的生成現(xiàn)象，如圖13所示.由此可知，該氣泡發(fā)生器能夠制備出大批量的臭氧基微細氣泡.

圖13 同軸陣列式微細氣泡發(fā)生器(改進型)氣泡生成現(xiàn)象

驗證改進型同軸陣列式微細氣泡發(fā)生器制備出的氣泡平均直徑是否達到微細氣泡的尺寸標(biāo)準，同樣需要設(shè)定不同的試驗參數(shù).測量方法及步驟與T型陣列式相同，參照T型陣列式的測量方法對不同工況下所制備出的大量微細氣泡中抽取50個規(guī)則氣泡進行測量并取其平均直徑.分別探究了固定氣體壓強為40 kPa，液體流量為0.6～1.4 L·min-1；以及固定液體流量為2 L·min-1，氣體壓強為20～40 kPa條件下氣泡平均直徑，將測得數(shù)據(jù)記錄于表3～4中.

表3 相同氣體壓強不同液體流量時的氣泡平均直徑

表4 相同液體流量不同氣體壓強時的氣泡平均直徑

通過表3～4中的測量結(jié)果可知,改進型同軸陣列式微細氣泡發(fā)生器制備出的微細氣泡平均粒徑大約為0.2～0.4 mm之間,且氣泡最小平均直徑為0.181 mm,符合微細氣泡平均直徑百微米量級的尺寸要求.由此可知,經(jīng)改進后的同軸陣列式微細氣泡發(fā)生器試驗結(jié)果較為理想.

3 結(jié)論與展望

基于微流控芯片中同軸和T型流動聚焦原理和微通道結(jié)構(gòu)，研制了兩款陣列式微細氣泡發(fā)生器，搭建了臭氧基微細氣泡制備測試試驗平臺，通過試驗結(jié)果我們可以得出的結(jié)論是:

(1)利用改進型同軸陣列式微細氣泡發(fā)生器制備出大量微細氣泡的平均直徑均遠遠小于T型陣列式微細氣泡發(fā)生器制備的氣泡平均直徑，且平均直徑大致分布在0.2～0.4 mm之間，符合微細氣泡的尺寸量級，說明改進型同軸陣列式微細氣泡發(fā)生器的氣泡制備效果相對較好；

(2)T型陣列式微細氣泡發(fā)生器內(nèi)部采用的是微孔曝氣式原理，液體在腔內(nèi)極易呈湍流流動，并沒有真正達到流動剪切的效果，使從各個微孔中流出的氣泡發(fā)生聚并現(xiàn)象，導(dǎo)致制備效果不佳；

(3)同軸陣列式微細氣泡發(fā)生器通過在原有基礎(chǔ)上進行改進，避免了腔內(nèi)壓力集中，也使氣液二相流體在腔內(nèi)均勻分布，達到了高效制備氣泡的目的.經(jīng)綜合對比分析，將選用改進型同軸陣列式臭氧基微細氣泡發(fā)生器開展后續(xù)的研究工作.

本次研究工作的創(chuàng)新之處在于將同軸和T型微通道結(jié)構(gòu)進行陣列化，得到陣列式的臭氧基微細氣泡發(fā)生器，從而達到了制備大量微細氣泡的效果.不足之處是由于時間的緊迫，選擇由3D打印技術(shù)加工成的微細氣泡發(fā)生器受尺寸精度的限制，影響其試驗結(jié)果；并且微細氣泡發(fā)生器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與試驗驗證工作做的還不夠完善，有待繼續(xù)地研發(fā)和改善；后續(xù)還需進一步開展微細氣泡發(fā)生器的功能性試驗驗證、批量制備效果試驗驗證以及水質(zhì)改善試驗驗證等一系列的研究工作.