一种用于微藻采收的便携式低能耗气浮装置及使用方法与流程

文档序号:11125776阅读:1128来源:国知局
一种用于微藻采收的便携式低能耗气浮装置及使用方法与制造工艺

本发明涉及一种气浮装置及其使用方法,具体而言,本发明涉及一种用于微藻采收的便携式低能耗气浮装置及其使用方法。



背景技术:

微藻具有生长速度快,营养物质丰富等特点,被广泛地应用于生物饵料、保健食品、食品添加剂等领域。特别是近年来,随着常规石化能源的日益匮乏,全球环境问题的日益严峻,以富油微藻为原料的可再生生物燃料被认为是缓解能源危机、降低环境损害的最佳选择。但由于微藻细胞个体小,培养液中的浓度低,导致了其在采收时存在难度较大、成本较高的问题。据统计,在规模化养殖中,微藻的采收成本可达到养殖总成本的30%左右。目前,微藻的采收方法主要有离心法、过滤法、絮凝法和气浮法等。离心法具有能耗投入高的不足,过滤法则往往会因藻细胞堵塞滤孔而导致滤膜失效。絮凝法与气浮法常常联合使用,以达到高效率、低成本的连续采收。

气浮法是一种通过向藻液中导入微小气泡使藻絮凝体黏附于其上从而达到浮升收集目的的技术。在微藻的采收过程中,气浮法常常作为絮凝法的后续步骤,两者的联合使用将使规模化采收过程的连续性变得可行。如何稳定地产生丰富而微小的气泡是该方法获得较高采收效率的关键所在。目前,微气泡的生成方式主要有机械法和溶气法。前者所形成的微气泡粒径较大,不易与藻絮凝体黏附。相对而言,后者则可形成粒径较小的气泡,较适用于藻絮凝体的富集采收。尽管如此,溶气气浮法仍然存在能耗投入高、工艺复杂、微气泡生成难以持续稳定的不足。

申请号为201310719153.7的中国专利公开了一种微藻泡沫浓缩采收装置,该装置包括气泡发生单元、浓缩分离塔、液流循环单元以及泡沫收集单元,气体经气体分布器打散后粘附在微藻细胞表面,将其带至液体表面形成泡沫层,该泡沫层通过泡沫导流管输入泡沫收集单元,经消泡后获得浓缩藻液。然而,该装置涉及的单元较多,结构相对复杂,占地面积较大,便携性不佳,设备投入和运行成 本都相对较高,而且气体分布器所产生的气泡粒径较大,导致气浮效果受到很大的限制。

申请号为201420310778.8的中国专利公开了一种电解充气浮选柱,该装置通过在浮选柱底部安装一组圆环形电极,依靠电解水产生的气泡以及配合加入的起泡剂,达到浮选矿物质的目的。该采用竖直圆环形电极组,其电解所产生的气泡会沿着电极板壁上升,导致气泡在体系内分散不均匀,且气泡在沿电极板壁上升过程中会不断聚集成粒径较大的气泡,从而降低气浮效率。另一方面,该装置的应用于选矿设备技术领域。



技术实现要素:

针对上述现有技术中存在的不足,目前亟需开发一种结构简单、便携性佳、能耗较低且效率较高的微藻采收装置,以满足微藻规模化培养(尤其是沙漠、海上等环境下微藻规模化培养)的采收环节。本发明旨在提供一种新的便携式低能耗气浮装置,既能满足微藻的连续性采收,又可保证较高而稳定的采收效率。

为实现上述目的,本发明采取如下的技术方案:

一种用于微藻采收的便携式低能耗气浮装置,其特征在于:该装置由底座、筒体和上盖三部分组成,所述三部分可拆离,便于移动及携带。

所述底座上通过固定柱固定有微气泡发生器,该微气泡发生器由一对电极组构成,其中,阴极置于下方,为板状,阳极置于上方,为梳状或栅状或网状。所述阴极与阳极之间置有绝缘垫。所述电极组材料优选为石墨。所述电极组材料也可是不锈钢、各类合金、钛及其氧化物、钽及其氧化物等。所述电极组由直流电源供电。

所述底座侧面设有开口,通过三通与出水口和排空管相连,该出水口高度可调节,兼具控制气浮装置内液位的功能,该排空管处设有阀门。

所述筒体下端与底座连接,上端与上盖连接,其材质为透明的玻璃或有机玻璃等硬质材料,也可为透明的塑料等软质材料。当筒体使用软质材料时,筒体周围置有网状围挡。

所述上盖中设有高度可调的进水口,上盖侧面设有出渣口,其中,进水口略低于出水口,出渣口略高于出水口。所述出水口为水平辐射状,液体通过进液小 口以水平方向流入筒体内。

所述进水口上部为管道混合器,用以充分混匀含有絮凝剂的待气浮液体。

所述的便携式低能耗气浮装置可固定于基面上或悬挂于支架上。

所述的便携式低能耗气浮装置用于微藻的采收时,收获每千克微藻(干重)仅需消耗0.043~0.075kWh电能。

本发明提供了一种用于微藻采收的便携式低能耗气浮装置,既能满足微藻的连续性采收,又可保证较高而稳定的采收效率,有效解决了如下所述的技术问题:

1.传统的微藻采收方式具有设备成本高、运行成本高的不足,本发明专利提供的气浮装置具有材料价格低廉、运行成本极低的优势,大幅降低了微藻采收过程的物料和能耗投入,节约了成本。

2.传统的微藻采收设备具有结构繁冗、工艺复杂、设备庞大的不足,不但操作过程繁琐,而且占地面积大,便携性不佳,严重限制了其实用性。本发明专利提供的气浮装置具有结构简单、工艺简洁,体积小巧的优势,便于移动,易于携带,可被灵活而广泛地应用于微藻各种类型的规模化培养模式,尤其适用于沙漠、海上等环境下微藻规模化培养的采收。

3.传统的气浮采收设备因气泡的产生难以长时间持续稳定,且所产生的气泡粒径较大,导致气浮采收效率低下,本发明专利提供的气浮装置基于电解水的原理,可稳定地产生大量粒径较小的气泡,特别是针对微藻的浮载,有效提高了采收效率;发明人通过研究发现,同样是通过气浮法收集颗粒,所产生的气泡大小不同,其所针对不同大小颗粒的浮载效果明显不同,专利申请201420310778.8所述装置采用的是大气泡粘附小颗粒的泡载模式,而本申请是针对微藻这种大颗粒,大气泡的泡载模式对于微藻的收集效率极低,而改为小气泡,更能有效的粘附微藻大颗粒,提高微藻的采收率。

4.传统的电解气浮装置采用易被腐蚀的金属铁、铝等物质作为电解电极,在电解过程中易产生金属盐类混杂到收获物中,严重污染了收获物的品质,因此不适于微藻的采收,而且,电极的消耗一方面会增加损耗性成本,另一方面也使得电极逐渐钝化,导致导电性能降低,气浮效果变差。发明人在实验过程中,替换了多种材料的电极进行组合实验,发现金属铁、铝等物质作为电解电极在经济性和电解性能上,明显低于石墨、不锈钢合金、钛及其氧化物、钽及其氧化物等几 种电极材料,并且相对而言,石墨电极更为合适,其耐腐蚀性高,不但价格低廉,而且完全避免了上述污染、损耗以及钝化等问题。

5.本发明专利提供的气浮装置原理简明,结构合理,尤其是安装于底座上用于产生微气泡的电极组,由于电解过程中,阴极所产生的气泡量远远多于阳极,所以将阴极设计为板状置于下方,将阳极设计为梳状或栅状或网状置于上方,这样既可避免气泡分布的不均匀性,又能保证气泡不会滞留而聚集成较大的气泡。采用直流电进行电解而非交流电,更是为了更稳定的产生微气泡,避免扰动,从而连续稳定的进行微藻采收;另外,在优选的电极间距及电解电压条件下,该装置极大地降低了收获单位质量微藻的能耗投入。

6.本发明专利提供的气浮装置,位于进水口上端的管道混合器可以起到搅拌和混匀的作用,使含有絮凝剂的待气浮液体得到充分的絮凝。这一设计避免了以往气浮采收装置中附带的常规搅拌设备如搅拌电机、混匀池的使用,使气浮装置的构造得以精简,增大了其便携性,同时也有效降低了搅拌能耗。此外,本申请通过出水口、进水口、出渣口的相对位置设定,从而通过调控筒体内的液面变化,即可实现微藻通过出渣口溢出而进行收集,从而减少了现有技术气浮设备中刮板(用于将上浮至页面的微藻刮出收集)的设置,进一步精简装置的构造,提高气浮装置的便携性。

7.本发明专利提供的气浮装置具有水平辐射状出水口,液体通过进液小口以水平方向流入筒体内,这一设计可使液体流入筒体内时在水平方向均匀分布,同时也将有效降低液体流入筒体内时造成的扰动。

8.本发明专利提供的气浮装置采用硬质和/或软质材料,可固定于基面上和/或悬挂于支架上,以适应各种类型的规模化微藻培养模式。

本发明专利的有益效果:

1.本发明专利提供的气浮装置结构简易、体积小巧、便于维护,易于移动及携带,可被灵活而广泛地应用于微藻各种类型的规模化培养模式,尤其适用于沙漠、海上等环境下微藻规模化培养的采收。

2.本发明专利提供的气浮装置材料廉价,运行成本低,可大幅降低微藻采收过程的物料和能耗投入,节约成本,在优选的电极间距和电解电压条件下,收获每千克微藻(干重)仅需消耗0.043~0.075kWh电能。

3.本发明专利提供的气浮装置基于电解水的原理产生微气泡,在优选的电极材料和电极组成形式条件下,可持续稳定地获得大量粒径极小的气泡,有效地提高了采收效率,在优选的电解电压和液体流速等条件下,采收效率可高达91%~99%。

4.本发明专利提供的气浮装置,其电极的材料、构造、安装等方面均设计合理,其进水口上端的管道混合器避免了额外的搅拌设备,降低了能耗,其水平辐射状的出水口更有益于维持筒体内气浮状态的稳定,其硬质和/或软质的筒体材料可固定于基面上和/或悬挂于支架上,更适于各种类型的规模化微藻培养模式。

附图说明:

图1为本气浮装置的结构示意图。

图2为本气浮装置的电极组结构示意图。

图3为本气浮装置用于微藻非连续采收的采收效率图。

图4为本气浮装置用于微藻连续采收的采收效率图。

图5为本气浮装置所产生的气泡粒径分布图。

图1中:1、阳极;2、阴极;3、绝缘垫;4、固定柱;5、直流电源;6、底座;7、排空管;8、筒体;9、网状围挡;10、管道混合器;11、出水口;12、进水口;13、上盖;14、出渣口。

具体实施方式

结合实施例对本发明作进一步的说明,应该说明的是,下述说明仅是为了解释本发明,并不对其内容进行限定。

实施例1:气浮装置具体实施方式

如图1和图2所示,一种便携式低能耗气浮装置,其组成部分包括底座(6)、筒体(8)和上盖(13),三者可拆离;所述底座直径为5~30cm,所述底座通过固定柱(4)与一对电极组连接,所述电极组包括置于下方的阴极(2)与置于上方的阳极(1),所述阴极与阳极之间置有绝缘垫(3),所述电极组由直流电源(5)供电;所述底座侧面设有开口,通过三通与出水口(11)和排空管(7)相连; 所述筒体为透明材质,其下端与底座连接,其上端与上盖连接;当筒体为软质透明材料时,其周围置有网状围挡(9);所述筒体直径为5~30cm,高为50~200cm;所述上盖直径为5~30cm,所述上盖侧面设有出渣口(14),中间设有进水口(12),所述进水口上部为管道混合器(10)。

所述的电极组中,阴极为圆形或方形板状,阳极为圆形或方形梳状和/或栅状和/或网状,阴极与阳极间距为0.5~10mm。所述的电极组材质为石墨和/或不锈钢和/或各类合金和/或钛及其氧化物和/或钽及其氧化物。

所述筒体为圆柱体和/或棱柱体,所述筒体为硬质透明材料和/或软质透明材料。

所述进水口为水平辐射状,液体通过进液小口以水平方向流入筒体内,进水口低于出水口,出渣口高于出水口,排空管处设有阀门,进水口和出水口高度可上下调节。

将所述的便携式低能耗气浮装置用于微藻采收的应用,可固定于基面上或悬挂于支架上。

在气浮开始之前,先通过排空管往筒体内注满液体,之后关闭排空管上的阀门,接通并打开直流电源,此时开始电解产生微气泡。待筒体内微气泡数量变得相当丰富即筒体内液体在视觉上变为近似乳白色时,开始通入藻液进行气浮采收。所述藻液为事先按一定比例流加了絮凝剂的藻液。所述按一定比例流加了絮凝剂的藻液在流过进水口上端的管道混合器时得以充分混匀和搅拌,达到理想的絮凝效果。经絮凝的藻液通过水平辐射状的进液小口以水平方向流入筒体内,絮凝体与微气泡接触、黏附,并在其浮升作用下向液体表层移动。而经气浮除去絮凝体的液体则向下移动,并最终通过出水口流出。当液体表面的絮凝体层逐渐变厚时,即从位于上盖侧面的出渣口流出。由于絮凝体层中含有气泡,其密度低于藻液,所以出渣口略高于出水口,同时,为避免从进水口流入的液体对业已形成的絮凝层产生扰动,进水口设置为低于出水口。待气浮结束之后,打开排空管的阀门,将筒体内液体排空。

实施例2:气浮装置用于微藻的非连续采收

将生物量约为1.2g/L的小球藻藻液以终浓度为25mg/L的壳聚糖进行絮凝,将该藻液加入气浮装置中进行非连续的气浮采收。采收过程中,设置电解电压为 3~6V,定时取样测定吸光度值计算采收效率。结果表明,在各电压条件下最终均可获得高达91%~99%的采收效率,浓缩倍数高达50倍以上,获得最佳采收效率的时间随电压的增加而缩短(如图3),但从能耗角度来看,当电压设置为4V时,收获每千克微藻(干重)所需的能耗最低,仅为0.043kWh。本发明人以传统的溶气气浮法和机械气浮法作为对照对相同的藻液进行非连续的气浮采收,结果表明,溶气气浮法所能达到的最高采收效率为60%,机械气浮法则仅有40%,从能耗角度来看,溶气气浮法收获每千克微藻(干重)所需的能耗为2.2kWh,机械气浮法则为3.4kWh,这两者分别为本发明装置的51.2倍和79.1倍。由此可见,本气浮装置极大地降低了微藻的采收能耗。

实施例3:气浮装置用于微藻的连续采收

按照实施例1中所述的具体实施方式,将生物量约为1.2g/L的小球藻藻液持续通入气浮装置中进行连续采收,该藻液预先流加了壳聚糖作为絮凝剂,使壳聚糖在藻液中的终浓度为25mg/L。采收过程中,设置电解电压为4~6V,设置稀释速率(即藻液流量与气浮装置容积的比值,单位min-1)为0.08~0.33min-1。定时取样测定吸光度值计算整个采收过程的平均采收效率。如图4所示,结果表明,在稀释速率小于0.12min-1时,4V的电解电压即可获得高达91.4%以上的气浮采收效率。当稀释速率逐渐增加时,要想获得较高的采收效率,则电解电压也需逐渐提高。在各条件下,浓缩倍数皆可达到50倍以上。从能耗的角度来看,当稀释速率为0.12min-1,电解电压为4V时,收获每千克微藻(干重)所需的能耗最低,仅为0.075kWh。本发明人以传统的溶气气浮法和机械气浮法作为对照对相同的藻液进行连续的气浮采收,结果表明,溶气气浮法所能达到的平均采收效率为45%,机械气浮法则仅有25%,从能耗角度来看,溶气气浮法收获每千克微藻(干重)所需的能耗为3.4kWh,机械气浮法则为4.7kWh,这两者分别为本发明装置的45.3倍和62.7倍。由此可见,本气浮装置极大地降低了微藻的采收能耗。

实施例4:气浮装置所产生气泡的粒径分析

按照实施例1中所述的具体实施方式,在气浮开始之前,先通过排空管往筒体内注满液体,之后关闭排空管上的阀门,接通并打开直流电源,此时开始电解产生微气泡。利用高速显微摄像机对装置内的气泡进行显微摄像,并通过图像处 理软件Image-Pro Plus 6.0对所获得的图像进行数据分析。利用该方法对传统气浮方式如溶气法和机械法所产生的气泡亦进行粒径分析。结果表明,如图5所示,该气浮装置所产生的气泡粒径极小,且分布极为集中,85%以上的气泡粒径在15~27微米之间。另外,随着气浮过程的持续进行,该气浮装置所产生的气泡粒径并无明显变化,极为稳定,气浮采收效率也持续稳定地维持在90%以上。而传统气浮方式所产生的气泡粒径较大,为100~1000微米,且分布范围较广而不集中。而且,随着气浮过程的持续进行,传统气浮方式所产生的气泡粒径逐渐增大,不均匀性也逐步扩大,导致气浮效率大幅降低,如溶气气浮法运行1小时后,其气浮效率从开始时的60%左右降低至不到30%,机械气浮法则从40%降低至10%。微藻的气浮采收效率直接与气泡粒径相关,气泡粒径越小,则气浮采收效率越高。这意味着相较传统的气浮方式,该气浮装置所产生的更小的气泡更有利于载浮液体中的藻细胞,同时,粒径分布集中、个体均匀的气泡极大地降低了气泡对液体产生的扰动,更有利于维持液体稳定的气浮状态。

实施例5:管道混合器的混合效果

在生物量约为1.2g/L的小球藻藻液中添加壳聚糖使其终浓度为25mg/L。用螺旋片式、多孔板式、涡流室式、喷嘴式及混合头式等五种管道混合器作为实施例1中所述的管道混合器对小球藻藻液进行混匀絮凝,并以传统的机械搅拌作为对照。结果表明,螺旋片式与多孔板式管道混合器的混匀絮凝效果最佳,絮凝效率可达90~99%,涡流室式和喷嘴式次之,絮凝效率为85~88%,混合头式再次之,絮凝效率为76%。以机械搅拌达到理想的混合絮凝效果,每千克微藻(干重)所需的能耗为1.05kWh。由此可见,管道混合器的使用不但避免了以往气浮采收装置中附带的常规搅拌设备如搅拌电机、混匀池的使用,使气浮装置的构造得以精简,增大了其便携性,而且也极大地降低了搅拌能耗。

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