纳米曝气装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种纳米曝气装置。装置下部为进气区，由进气管和缓冲室组成。进气管连接供气装置，缓冲室用于缓存气体。装置上部为气体切割区，由基座、顶盖、密封胶圈、紧固螺钉和纳米曝气膜组成。纳米曝气膜内部均匀排布定向排列碳纳米管，并贯穿膜片两侧。密封胶圈与纳米曝气膜连接为一体，边缘固定于基座和顶盖间的卡槽内，卡槽在紧固螺钉的作用下被密封。本实用新型可将气体切割为直径1~10nm的气泡，增加其与液相的接触，强化液相传质速率，提高曝气有效利用率，削减实际曝气量，节约设备投资和运营成本。同时，也可降低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，增加生物处理系统的稳定性，提高其运行效能。
【专利说明】纳米曝气装置
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种曝气装置，尤其涉及一种纳米曝气装置。
【背景技术】
[0002] 微孔曝气盘的氧气利用率可达159Γ25%，动力效率可达2 kg02/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，而〇2的平均直径约为〇· 346 nm，据此估计，一个气泡中可包含8· 1X1019?6· 51X1O20个 〇2分子。在与水相接触的过程中，只有气泡表面的〇2分子才有机会与水分子碰撞，与之结合 而转变为溶解氧。而气泡内部的大量〇 2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02分子仅有2. 4X 104 个，将大大提高〇2分子与水相的接触几率，提高其传质速率。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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，增加〇 2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】
[0006] 本实用新型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。
[0007] 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。
[0008] 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 Sl.OMpa;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flOnm，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。
[0009] 与现有微孔曝气器相比，本实用新型具有明显的优势：1)碳纳米管切割出的氧气 泡直径仅为flOnm，单个气泡中的0 2分子数下降15~16个数量级，02分子与水相接触的几 率大大提高，气相液相传质速率加快，氧气利用率提升2~3倍，大幅度削减实际曝气量，节 约供气设备投资和运营成本。2)若将此发明应用于甲烷好氧氧化系统，则可显著削减甲烷 实际曝气量，节约甲烷气体购置成本，同时降低储存大量甲烷所带来的事故风险。3)削减实 际曝气量，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，增加其操作的灵活性，进而提升其运行效能。
【专利附图】
【附图说明】
[0010] 图1是纳米曝气装置结构俯视图；
[0011] 图2是纳米曝气装置结构主视图；
[0012] 图3是纳米曝气装置纳米曝气膜微观结构图；
[0013] 图中：进气管1、缓冲室2、基座3、密封胶圈4、顶盖5、紧固螺钉6、纳米曝气膜7。
【具体实施方式】
[0014] 如图1、2和3所示，一种纳米曝气装置包括进气区I和气体切割区II，进气区I位 于气体切割区II下部；进气区I包括进气管1、缓冲室2,气体切割区II包括基座3、密封胶 圈4、顶盖5、紧固螺钉6和纳米曝气膜7。进气管1与缓冲室2的下部相连，基座3下部与 缓冲室2上部相连，基座3上部设有顶盖5,顶盖5通过紧固螺钉6与基座3连接，顶盖5与 基座3的结合处内侧设有卡槽，卡槽内设有密封胶圈4,密封胶圈4内侧设有纳米曝气膜7， 密封胶圈4与纳米曝气膜7连接为一体。
[0015] 所述的进气管1、缓冲室2、基座3和顶盖5的耐压强度以及固定螺钉6的耐受强 度均Sl.OMpa;缓冲室2为中空圆锥体，锥角为90°?120°，缓冲室2底圆直径与进气管 1内径之比为10:1~15:1 ;基座3厚度与进气管1内径之比为1.5:1，顶盖5厚度与基座3 厚度之比为1: 2,基座3宽度与进气管1内径之比为2:1~3:1，卡槽与基座3宽度之比为 1:2~3:4 ;纳米曝气膜7厚度为5~15mm，纳米曝气膜7直径与缓冲室2底圆直径之比为1:1 ; 纳米曝气膜7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l~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。
[0016] 一种纳米曝气装置除纳米曝气膜和密封胶圈外，其余机械结构均可用钢板制作。 纳米曝气膜的制作过程如下：首先，采用催化裂解法，在单晶硅片或石英片上生长垂直排列 的、具有一定长度的碳纳米管阵列；然后，以气密性材料填充碳纳米管间隙，并在阵列边缘 预留一定宽度的填充液，形成具有一定厚度的连续薄膜；最后，将薄膜从基片剥离，对碳纳 米管两端开孔，从而获得边缘带密封胶圈的纳米曝气膜。
[0017] 其工作过程如下：气体(氧气、空气或甲烷）经由进气管1进入缓冲室2,在纳米曝 气膜7内外压差的驱动下，进入纳米曝气膜7内排布的定向排列碳纳米管，并被切割成直 径为l~10nm的极小气泡，极小气泡到达纳米曝气膜7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，但未仍能与水分子有效接触的气体分子，则随气泡逸散至环境中。
[0018] 本实用新型中气体切割区II有效工作的关键，在于纳米曝气膜的加工和整个装 置的气密性。必须使碳纳米管生长至所需长度，定向排列于膜内部，并贯穿整个膜。气密性 材料必须将碳纳米管间的的空隙有效密封。此外，必须保证整个装置的密封性，使气体只能 通过碳纳米管内腔扩散至液相，而不能有其它通道。
【权利要求】
1. 一种纳米曝气装置，其特征在于：装置包括进气区（I )和气体切割区（II)，进气区 (I )位于气体切割区（II)下部；进气区（I )包括进气管（1)、缓冲室（2)，气体切割区（II) 包括基座（3)、密封胶圈（4)、顶盖（5)、紧固螺钉（6)和纳米曝气膜（7); 进气管（1)与缓冲室（2)的下部相连，基座（3)下部与缓冲室（2)上部相连，基座（3)上 部设有顶盖（5)，顶盖（5)通过紧固螺钉（6)与基座（3)连接，顶盖（5)与基座（3)的结合处 内侧设有卡槽，卡槽内设有密封胶圈（4)，密封胶圈（4)内侧设有纳米曝气膜（7 )，密封胶圈 (4)与纳米曝气膜（7)连接为一体。
2. 根据权利要求1所述的一种纳米曝气装置，其特征在于：所述的进气管（1)、缓冲室 (2)、基座（3)和顶盖（5)的耐压强度以及固定螺钉（6)的耐受强度均彡1. OMPa。
3. 根据权利要求1所述的一种纳米曝气装置，其特征在于：所述的缓冲室（2)为中空圆 锥体，锥角为90°?120°，缓冲室（2)底圆直径与进气管（1)内径之比为10:1~15:1。
4. 根据权利要求1所述的一种纳米曝气装置，其特征在于：所述的基座（3)厚度与进气 管（1)内径之比为1.5:1，顶盖（5)厚度与基座（3)厚度之比为1: 2,基座（3)宽度与进气 管（1)内径之比为2:1~3:1，卡槽与基座（3)宽度之比为1:2~3:4。
5. 根据权利要求1所述的一种纳米曝气装置，其特征在于：所述的纳米曝气膜（7)厚度 为5~15mm，纳米曝气膜（7)直径与缓冲室（2)底圆直径之比为1:1。
6. 根据权利要求1所述的一种纳米曝气装置，其特征在于：所述的纳米曝气膜（7)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l~l〇nm，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。
【文档编号】C02F3/02GK203938518SQ201420344326
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年6月26日 优先权日:2014年6月26日
【发明者】何若, 张红陶, 白惠文, 徐刚, 赵芝清, 苏瑶, 夏芳芳 申请人:浙江大学